单元八三极管及放大电路

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1、单元八 三极管及放大电路,8.1 半导体三极管的结构,8.2 基本放大电路,8.3 集成运算放大电路,8.4 反馈在放大电路中的应用,1 半导体三极管,一、 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,二、 电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关

2、系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,三、 特性曲线,1. 输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,2. 输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有

3、 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,四、 主要参数,1. 电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体

4、管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以I

5、C也相应增加。三极管的温度特性较差。,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,

6、晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICEO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,2 基本放大电路,一、基本放大电路的组成,共射极单管交流放大电路 由三极管、直流电源、电 阻和电容等元器件组成。 以正弦信号作为信号源， ui为输入信号电压，u0 为输出信号电压。,EC,us,+,放大器的作用：把微弱的 电信号（电压、电流和功率） 放大到所需的量级。,各元件的作用,晶体管VT-放大元件, iC= iB。是整个电路的核心器件。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作

7、在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-在无信号输入时使三极管处于导通状态,并提供大小适当的基极电流。,耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路的直流联系，使交流信号顺利输入、输出。,集电极电源EC -为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC-是将三极管的集电极、发射极回路中的交流电流信号转变为交流电压信号。,二、放大电路的静态分析,静态是当放大器没有输入信号时的工作状态。,静态工作点 ：当放大电路没有输入信号（即ui0）时，在三极管输入、输出特性上对应的一个工作点Q（ IB、IC、UCE）。,a） 输入特性 b） 输出特性 静态工作点,1.用放大电路的直流通路确定静态值,

8、放大电路的直流通路,用图解法确定静态值,由三极管特性曲线可知，三极管是非线性器件。即其集电极电流IC与集电极-发射极电压UCE之间不是线性关系。在直流通路中，三极管与集电极负载电阻RC串联后接于电源UCC，,或,负载线与三极管的某条输出 特性曲线的交点Q，即为放 大电路的静态工作点。,图解法确定电路的静态工作点,直流负载线,用图解法求静态值的一般步骤如下：,给出三极管的输出特性曲线组作出直流负载线 由直流通路求出基极电流IB得出合适的静态工作点 求出静态值。,静态工作点的影响,截止失真原因：,静态工作点太低,消除截止失真方法：,减小RB，使IB增大,饱和失真原因：,静态工作点太高,消除饱和失真

9、方法：,增大RB，使IB减小,三、放大电路的动态分析,动态分析是在静态值确定后分析信号的传输情况，考 虑的只是电流和电压的交流分量。微变等效电路法是 动态分析的基本方法。,所谓放大电路的微变等效电路，就是把非线性元件三极管的放大电路等效成为一个线性电路。,三极管及其微变等效电路,放大电路的交流通路,放大电路的微变等效电路,电压放大倍数的计算,当放大电路不带负载RL时，电压放大倍数的计算公式为,当放大电路带负载RL时，电压放大倍数的计算公式为,输入电阻和输出电阻的计算,放大电路的输入电阻是从放大电路的输入端看进去 的交流等效电阻，用ri表示。,放大电路的输出电阻是从放大电路的输出端看进去的交 流

10、等效电阻，用ro表示。,运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器，是用途极为广泛的模拟电子集成电路产品。因它曾在模拟电子计算机中作为各种数学运算器而得名。由于它具有输入阻抗高、放大倍数大、输出阻抗低、性能可靠、且成本较低、体积小、功耗低、又有很强的通用性等许多优点、被广泛用于测量、计算、控制、信号波形的产生和变换等各个领域，有“万能半导体放大器件”之称。,3 集成运算放大电路,一、运算放大器的结构,集成运放的外形通常有双列直插式、扁平式及圆筒式等三种，集成运算放大器（以下简称运放）内部电路一般由输入级、中间级和输出级组成，级间直接耦合，结构框图如下图所示。,输入级一般采用输入电阻高并且可以消

11、除零点漂移的放大电路；中间级主要提供高的电压放大倍数，它包括多级共射放大电路和提高电压放大倍数及改善特性的措施；输出级多采用无变压器互补对称式功率放大电路，以尽量增大其负载能力，减小输出电阻。,运放具有两个输入端、一个输出端，“”端称为反相 输入端，“+”端为同相输入端。,运算放大器的结构框图,运算放大器的图形符号,二、运算放大器的主要性能,运算放大器可以看成一个受控电压源。运算放大器的输出电压uo由两个输入端的电位u+和u-的电位差来控制，即,运算放大器未接反馈时的电压放大倍数，称为开环放大倍数。,运算放大器的三个主要性能：（1）开环电压放大倍数极度高；（2）输入电阻很大；（3）输出电阻很小

12、。,三、理想运算放大器,在分析由运算放大器组成的各种功能电路时，通常将实际的运放理想化：（1）开环电压放大倍数为无穷大，A0；（2）运算放大器的输入电阻为为穷大，ri ；（3）输出电阻为零，ro0。,1.理想运放工作在线性区时有两个重要特点：,（1）理想运放的输入电流等于零：,I+为同相输入端电流，I-为反相输入端电流。,虚断,I+ I- 0,（2） 理想运放的两个输入端电位相等：,u+u-,虚短,2.理想运放工作在非线性区时的特点：,理想运放工作在非线性区时的特点：,当u+u-时，u0+UOM；当u+u-时，u0-UOM。,实际集成运放的电压传输特性,理想运放的电压传输特性,4 反馈在放大电

13、路中的应用,凡是将放大电路（或某个电子系统）输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过某个支路（称为反馈网络）又引回到输入端，则称之为放大电路的反馈。,A是基本放大电路的放大倍数，Xi为输入信号，Xd为净输入信号，X0为输出信号，Xf为反馈信号，F为馈系数。表示Xi和Xf两信号的叠加，“”、“”表示信号的瞬时极性。如果反馈信号使净输入信号减弱，称之为负反馈；如果反馈信号使净输入信号增强，称之为正反馈。,一、反馈性质的判断,1.有、无反馈的判断,判断有、无反馈，首先看在放大电路中输出端和输入端有、无电路连接，如果有电路连接，则就有反馈，否则就没有反馈。,a）单级无反馈放大电路 b） 集成运放无反馈

14、放大电路 c）单级有反馈放大电路 d） 集成运放有反馈放大电路,2. 交流和直流反馈的判断,如图 a、b所示，两图中反馈信号的交流成分被Ce和C旁路掉，Re和R2上产生的反馈信号只有直流成分，所以两放大电路的反馈为直流反馈。,如图 c、d所示，两图中反馈电路是不通直流信号的，只通交流信号，所以两放大电路的反馈为交流反馈。,3.正、负反馈的判断,瞬时极性法,如图a所示，当输入信号瞬时极性为，则基极和集电极的电流瞬时增加，则发射极电压瞬时为，结果净输入信号uduBE被削弱（由于UE（1+）IBRE，UEUB，uBEUB-UE），所以为负反馈放大电路。,b） 运放负反馈 c） 多级正反馈 d） 运放

15、正反馈,4.交流负反馈四种类型的判断,则反馈信号uf是随u0增加而增加。由图b可看出：,，则反馈电流if正比于,（1） 电压反馈和电流反馈: 所谓电压反馈，是指反馈信号uf（或if）与输出电压u0成比例。如图所示。由图a可看出：,，则反馈电流if正比于,a ） uf正比于uo b） if正比于uo,电压反馈放大电路图,所以上图a、b均为电压负反馈放大电路。如果输出电压uo由于某种原因发生变化时，例如uo减小，则反馈信号uf（或if）也随之成比例的减小，使净输入信号ud（或id）增大，又使输出电压uo增大，于是输出电压uo维持不变，所以电压负反馈有稳定输出电压的作用。,所谓电流反馈，是指反馈信号

16、uf（或if）与输出电压io成比例，如下图所示。当输入信号为时，则输出信号为，io方向朝上。io愈大，则if就愈大，反馈电流if正比于io，所以称图a为电流负反馈放大电路。同样由图b可看出：ufuRioR，反馈信号uf正比于,所以是电流负反馈放大电路。由于某种原因输出电流io减小，则反馈信号uf（或if）也减小，而净输入信号ud（或id）在增大，使输出电流io增大，于是输出电流可维持不变。所以电流负反馈有稳定输出电流io的作用。,a） uf正比于io b） if正比于,电流反馈放大电路图,（2）串联反馈和并联反馈 在反馈放大电路中，输入信号Xi、反馈信号Xf和净输入信号Xd的关系是：XiXfXd。若三者均是电压量纲，则为