半导体三极管及其放大电路.ppt

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1、1,主 编：李 文 王庆良 副主编：孙全江 韦 宇 主 审：于昆伦,电工与电子技术,下篇 工业电子学 单元7 半导体三极管及其放大电路,2,【知识点】 三极管的结构、电流放大作用、特性曲线及主要参数；三极管基本放大电路、多级放大电路、功率放大器等电路的组成、工作原理、分析计算、元件的选用及应用。 【能力目标】 具有对基本电子电路进行分析计算和正确选择元器件的能力；能看懂国内外电子线路图，通过电子线路图组装和调试简单的电子设备。,单元7 半导体三极管及其放大电路,3,单元7 半导体三极管及其放大电路,目 录,4,7.1.1.1 三极管的结构 三极管又称晶体管，它的种类很多。从其内部结构来看，分为

2、NPN型和PNP型两种三极管。其中NPN型多为硅管，而PNP型多为锗管。 三极管是由两个PN结的三块杂质半导体组成，不管是NPN型还是PNP型，都由三个区组成：集电区、发射区、基区，以及分别从这三个区引出的三个电极：集电极C、发射极E、基极B。两个PN结分别是发射区与基区之间的发射结和集电区与基区之间的集电结。在电路中，两种管子的内部结构和符号如图7.1所示。图中箭头表示发射结在加正向电压时的电流方向。常见的三极管的外形如图7.2所示。,7.1.1 三极管的结构及类型,7.1 半导体三极管,7.1 半导体三极管,5,图7.1 三极管的结构和符号 （a）NPN型三极管；（b）NPN管符号； （c

3、）PNP型三极管；（d）PNP管符号,7.1 半导体三极管,6,图7.2 常见三极管外形图 （a）塑封装；（b）金属壳管,7.1 半导体三极管,7,7.1.1.2 三极管的类型 三极管根据基片的材料不同，分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型（3D系列），锗管多为PNP型（3A系列）；按频率特性分为高频管和低频管；按功率大小分为大功率管、中功率管和小功率管等。实际应用中采用NPN型的三极管较多，所以下面以NPN型三极管为例加以讨论，所得结论对于PNP型三极管同样适用。,7.1 半导体三极管,8,7.1.2.1 三极管内部载流子的运动过程 要实现三极管的放大作用， 需要外加合适的电

4、源电压。 要求发射结外加正向电压， 简称正向偏置；集电结外 加反向电压，简称反向偏 置。如图7.3所示。,7.1.2 三极管的电流放大作用,图7.3 三极管内部载流子的运动,7.1 半导体三极管,9,（1）发射区向基区发射电子 由于电源EB经过电阻RB加在发射结上，发射结正偏。发射区的多数载流子自由电子不断通过发射结向基区扩散，形成发射极电流IE。同时基区多数载流子空穴也向发射区扩散，但由于基区的多数载流子浓度远远低于发射区载流子浓度，故与电子流相比，空穴流可以忽略不计。因此可以认为三极管发射结电流主要是电子流。,7.1 半导体三极管,10,（2）电子在基区中的扩散和复合 由发射区注入基区的电

5、子，在发射结附近积累起来，形成了一定的浓度梯度，而靠近集电结附近电子浓度很小，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区向集电结扩散，在扩散过程中，电子不断与基区空穴复合形成电子流IBN，复合的空穴由基极电源补充，从而形成基极电流IB。,7.1 半导体三极管,11,（3）集电区收集电子 由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力一方面使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结；另一方面吸引基区中扩散到集电结附近的大量电子，将它们收集到集电区，形成收集电流ICN。同时集电区的少数载流子即空穴也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流ICBO。 以上分析的是NPN型三极管的电流

6、放大原理，对于PNP型三极管，其工作原理相同，只是三极管各极所接电源极性相反，发射区发射的载流子是空穴而不是电子。,7.1 半导体三极管,12,7.1.2.2 电流分配关系 由上面载流子的运动过程可知，由于电子在基区的复合，发射区注入基区的电子并非全部到达集电极，三极管制成后，发射区注入的电子传输到集电结所占的比例是一定的。如图7.4描述了三极管电流分配关系。,图7.4 三极管的电流分配关系,7.1 半导体三极管,13,从图中可知： 由于在常温下ICBO的数值很小，可忽略不计。故 以因为 所以 设 故 上式中IC与IB的比值，即共射极直流电流放大系数，用 表示。,(7.2),(7.1),7.1

7、 半导体三极管,14,7.1.2.3 放大作用 三极管的最基本的作用是把微弱的电信号加以放大，三极管的放大电路如图7-5所示。因发射极是基极回路和集电极回路的公共端，所以此电路又叫共射极放大电路。如果 =20A， =1.2mA，则 =（0.02+1.2）mA= 1.22mA,电流放大倍数 =60。若调节 电阻 ，使电流 增加 10A，则相应地增加了 =0.0160mA=0.6mA。由 此可见，当基极有微小的变 化时，集电极会有很大的变 化，这说明三极管有电流放 大作用。,图7.5 三极管共射极放大电路,7.1 半导体三极管,15,三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是三

8、极管内部载流子运动的外部表现。由于三极管有三个电极，输入、输出各占一个电极，一个公共电极，因此要用 两种特性曲线来描述，即 输入特性曲线和输出特性 曲线。图7.6是三极管共 射极特性曲线测试电路。,7.1.3 三极管的特性曲线,图7.6 三极管共射极特性曲线测试电路,7.1 半导体三极管,16,7.1.3.1 输入特性曲线 输入特性曲线是指三极管的集电极与发射极之间电压UCE为常数时，基极电流IB与集电极与发射极之间的电压UCE之间的关系，其表达式为： 常数 (7.3) 测量输入特性时，先固定UCE的值，使UCE 0，调节EB，测出相应的IB和UBE的值，便可得到一条输入特性曲线。图7.7（a

9、）是硅三极管3DG4的输入特性曲线。,7.1 半导体三极管,17,7.1.3.2 输出特性曲线 输出特性曲线是指当三极管基极电流IB为常数，三极管集电极与发射极之间电压UCE和集电极电流IC之间的关系，即：,图7.7 三极管的特性曲线图 （a）3DG4的输入特性曲线;（b）3DG4的输出特性曲线,7.1 半导体三极管,18,图7.7（b）是硅三极管3DG4的输出特性曲线。从输出特性上看，三极管的工作状态可分为三个区域。 （1）截止区 IB=0，这条曲线以下的区域称为截止区。此时发射结和集电结均处于反向偏置，三极管处于截止状态。这时ICICBO0。集电极到发射极只有很小的微小电流，三极管集电极和

10、发射极之间接近开路，类似于开关断开状态，无放大作用，呈高阻状态。,7.1 半导体三极管,19,（2）放大区 在IB=0的特性曲线的上方，各条输出特性曲线近似平行于横轴的曲线族部分，称为三极管的放大区。此时，发射结正向偏置，集电结反向偏置，集电极电流受基极电流的控制，即满足 。当IB改变时， IC随着改变，与电压UCE的大小基本无关。不同的IB值对应一条输出特性曲线。 （3）饱和区 输出特性曲线近似直线上升部分与纵轴所构成的区域称为饱和区。此时发射结与集电结都处于正向偏置，且当UCE=UBE时称为临界饱和，UCEUBE时称为饱和，三极管饱和时C、E之间的电压为饱和压降，用UCES表示。小功率硅管

11、的饱和压降为0.3V,锗管为0.1V。三极管工作在饱和区，无放大作用，集电极与发射极相当于一个开关的接通状态。,7.1 半导体三极管,20,（1）电流放大系数 根据工作状态不同有直流电流放大系数 和交流电流放大系数。 直流电流放大系数： （7.5） 交流电流放大系数： （7.6） 和 含义不同，但通常在输出特性线性较好的情况下，两个数值差别很小，一般不作严格的区分。常用的小功率三极管，值为20150，大功率的值一般较小，为1030。注意在选择三极管时，既要考虑值的大小，又要考虑三极管的稳定性。,7.1.4 三极管的主要参数,7.1 半导体三极管,21,（2）共基极电流放大系数 它是集电极和发射

12、极电流的比值，也有直流放大系数 和交流放大系数。 共基极直流放大系数： （7.7） 共基极交流放大系数： （7.8） 同理，一般情况下可认为： （7.9）,7.1 半导体三极管,22,（3）极间反向电流 集电极与基极间反向饱和电流ICBO：指发射极开路，集电结在反向电压作用下，集、基极的反向漏电流。 ICBO基本上是常数，故又称反向饱和电流。它的数值很小，受温度影响较大。 集电极与发射极穿透电流ICEO ：表示基极开路，集电极、发射极间加上一定反向电压时的集电极电流， ICEO =(1+) ICBO 。 ICEO和ICBO都是衡量管子质量的重要参数， ICBO越小，温度稳定性越好。 （4）集电

13、极最大允许电流ICM 它是指三极管IC超过一定的数值时会下降，当下降到正常的2/3时所对应的IC值为ICM 。如果IC超过ICM时，管子的性能会显著下降，长时间工作可导致三极管损坏。,7.1 半导体三极管,23,（5）集电极反向击穿电压U(BR)CEO 它表示基极开路时，集电极、发射极之间最大允许电压，称为反向击穿电压U(BR)CEO 。当UCEO U(BR)CEO时，三极管的电流IC 、IE剧增，使三极管损坏。 （6）集电极最大允许功耗PCM PCM表示集电结允许损耗功率的最大值。集电极电流流过集电结时，产生的功耗使结温升高，过高时使三极管烧毁。由PCM = IC UCE可求出临界损耗的IC

14、和UCE的值，此时UCE和IC的输出特性曲线如图7.7（b）所示。三极管正常工作时，应工作在安全区域。,7.1 半导体三极管,24,7.2.1.1 放大电路的组成及各元件的作用 晶体管电路具有放大作用，要保证晶体管导通并正常工作，要求晶体管 的发射结正向偏置， 集电结反向偏置。 图7.8所示电路为单 管共射极放大电路。 电路中各元件的功 能如下：,7.2 基本放大电路,7.2.1 放大电路的基本概念,图7.8 共射极放大电路基本接法,7.2 基本放大电路,25,（1）三极管T 三极管T具有放大作用，图中采用NPN型半导体三极管3DG6。为了满足三极管工作在放大状态，应使T的发射结处于正向偏置、

15、集电结处于反向偏置状态。 （2）电源VBB、VCC VBB是基极偏置电源。 VCC是集电极电源，它经过电阻RC向T提供集电结反偏电压，并保证UCE UBE 。 （3）基极偏置电阻RB 通过电阻RB ，电源VBB给基极提供一个偏置电流IB。并且VBB和RB一经确定后，偏置电流IB就是固定的，所以这种电路称为固定偏置电路，而RB称为基极偏置电阻。,7.2 基本放大电路,26,（4）集电极电阻RC 集电极电阻RC ，其作用是把经三极管放大了的集电极电流（变化量），转换成三极管集电极与发射极之间管压降的变化量，从而得到放大后的交流信号 输出。 （5）耦合电容C1、C2 耦合电容C1、 C2一方面利用电

16、容的隔直作用，切断信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的直流通路和相互影响。另一方面， C1和C2又起着耦合交流信号的作用。只要C1 、 C2的容量足够大，对交流的电抗足够小，则交流信号便可以无衰减地传输过去。总之， C1 、 C2的作用可概括为“隔离直流，传送交流”。,7.2 基本放大电路,27,实际的共射极放大电路，常将电源VBB省去，把偏流电阻RB接到VCC的正极上，由VCC经RB向三极管T提供偏置电流IB ，如图7.9（a）所示。由图上可以看出，放大电路的输入电压 经C1接至三极管的基极与发射极之间，输出电压 由三极管的集电极与发射极之间取出， 与 的公共端为发射极，故称为共发射极

17、接法。公共端的接地符号，并不表示真正接到大地电位上，而是表示整个电路的参考零电位，电路各点电压的变化以此为参考点。,7.2 基本放大电路,28,图7.9 共射极放大电路及习惯画法 （a）共射极放大电路;（b）习惯画法,7.2 基本放大电路,29,7.2.1.2 静态分析和直流通道 交流放大电路是一种交、直流共存的电路，下面对一些主要符号作如下规定。 用大写字母和大写的脚标来表示静态电压、电流。如UBE表示基极和射极间的静态电压，IB表示基极的静态电流。用小写字母和小写脚标来表示交流瞬时值，如 表示基极与射极间的交流信号电压， 表示交变的基极电流。,图7.10 放大电路的直流通路,7.2 基本放

18、大电路,30,所谓静态是指放大电路在未加入交流输入信号时的工作状态。由于 =0，电路在直流电源VCC作用下处于直流工作状态。三极管的电流以及管子各电极之间的电压均为直流，它们在特性曲线坐标图上为一个特定点，常称为静态工作点Q。静态时由于电容C1和C2的隔直作用，使放大电路与信号源及负载隔开，可看做如图7.10所示的直流通路。所谓直流通路就是放大电路处于静态时的直流电流流通的路径。 由直流通路得：,(7.11),(7.12),(7.10),7.2 基本放大电路,31,图7.9中，当VCC和RB确定后，IB的数值与管子的参数无关，所以将图7.9电路称为固定偏置放大电路。 代入图7.9的电路参数（对

19、于硅管UBE取0.7V，锗管取0.3V）,求得IB=40A，略去很小的电流ICEO，并取=50，得IC=2mA，最后得UCE =6V。 求得的IB 、IC和UCE就是计算共射极固定偏置放大电路的静态工作点。 注意：在求得UCE值之后，要检查其数值应大于发射结正向偏置电压，否则电路可能处于饱和状态，失去计算数值的合理性。,7.2 基本放大电路,32,7.2.1.3 动态分析和交流通道 （1）动态分析 所谓动态是指当放大电路接入交流信号（或变化的信号），电路中各电流和电压的变化情况。动态分析是了解放大电路信号的传输过程和波形变化。设外加电压 ，三极管的基极电流和集电极电流也为脉动电流，集电极与发射

20、极间电压也为脉动电压。 在图7.9中， 经电容C1耦合到三极管的发射结，使发射结的总瞬时电压在静态直流电压UBE的基础上叠加了一个交流分量 ，即：,(7.13),7.2 基本放大电路,33,7.2 基本放大电路,34,7.2 基本放大电路,35,放大电路中各处 电压、电流的波 形图如图7.11 所示。,图7.11 放大电路中的电压、电流的波形图,7.2 基本放大电路,36,（2）交流通道 直流分量和交流分量共存是放大电路的特点，但在分析问题时，有时只需要考虑交流问题，而忽略直流的影响，这就是交流信号所作用的电路，即交流通道。 一般情况下，由于耦合电容的容量一般都比较大，对于所放大的交流信号的频

21、率，它的阻抗值很小（近似为零），因此在画交流通道时可视为短路。在画交流通道时，直流电源也视为短路。共射极放大电路的交流通道，如图7.12所示。在交流通道中，RL是负载电阻，集电极等效负载电阻 是RL与RC的并联，即：,(7.17),7.2 基本放大电路,37,此时输出电压为： 式中负号表示输出电压与输入电压相位相反。即输入和输出在相位上相差180，这是共射极间单管放大电路的一个重要特点，称之为倒相现象。,图7.12 放大电路的交流通道,7.2 基本放大电路,38,所谓微变等效电路法（简称等效电路法），就是在交流信号条件下，把放大电路中的三极管这个非线性元件线性化，用输入电阻 和受控电流源 取代

22、，然后就可以利用线性电路的定律去求解放大电路的各种性能指标，所以十分方便。 7.2.2.1 三极管的简化微变等效电路 （1）三极管的输入回路的等效电路 图7.13（a）的三极管电路，用二端口网络图7.13（b）来等效。,7.2.2 微变等效电路分析法,7.2 基本放大电路,39,从输入端看，其 ，与 间的伏安特性取决于三极管的输入特性，如图7.14所示。这是一个PN结的正向特性，如果要把它等效为一个电阻元件，即所谓三极管的输入电阻 。,图7.13 三极管与二端口网络的等效 （a）三极管电路 （b）等效电路,(7-19),7.2 基本放大电路,40,在小信号工作情况下，如图7.14中Q点附近的A

23、B范围内，当AB段足够小时，只要Q点选得合适，则可把AB段曲线近似看成直线段，认为 是常数，是个线性固定电阻。若电压、电流变化量为交流正弦波，则有：,(7-20),图7-14 求三极管的等效输入电阻,7.2 基本放大电路,41,在工程估算法中若将 看做三极管输入端的等效电阻即输入电阻，还应包括基区体电阻在内，故用下列公式计算： 式中 是三极管的基区体电阻，小功率管可取300计算。通常小功率三极管，当静态电流 IE=12mA时， 约为1k。,(7-21),7.2 基本放大电路,42,（2）三极管的输出等效电路 图7-15（a）是晶体管的输出特性曲线，可以看出三极管在输入基极变化电流 的作用下，就

24、有相应的集电极变化电流 输出，它们的受控 关系为： 或写成：,图7.15 三极管输出端等效为受控电流源 （a）输出特性曲线；（b）输出端等效电路,7.2 基本放大电路,43,为输出特性上静态工作点Q处电流放大倍数。若Q点位于输出特性的放大区，且放大区的特性曲线与横坐标平行（满足恒流特性），电流的变化幅度不会进入非线性区（饱和区或截止区），则从输出C、E极看三极管是一个输出电阻 接近无穷大的受控电流源，其在等效电路中的符号，如图7.15（b）所示。 综上所述， 可以画出三 极管的简化 微变等效电 路，如图 7.16 所示。,图7.16三极管的简化 微变等效电路 （a）三极管;（b）等效电路,7.

25、2 基本放大电路,44,7.2.2.2 放大电路的微变等效电路 画放大电路的微变等效电路，可先画出三极管的等效电路，然后分别画出三极管基极、发射极、集电极三个电极外接元器件的交流通道，最后加上信号源和负载。在交流情况下，由于直流电源内阻很小，常常忽略不计，故整个直流电源可视为短路；电路中的电容，在一定的频率范围内，容抗XC很小，故也可视为短路。如图7.17（b）所示是共射极放大电路7.17（a）的微变等效电路。,7.2 基本放大电路,45,图7.17 共射极放大电路微变等效电路 （a）共射极放大电路;（b）微变等效电路,7.2 基本放大电路,46,7.2.2.3 动态参数的计算 （1）电压放大

26、倍数Au 放大电路的电压放大倍数定义为输出电压与输入电压的比值，用Au表示，即： 图7.17（b）可知： 式中，,(7-23),(7-25),(7-24),7.2 基本放大电路,47,由此可得： 式中负号表示输出电压与输入电压反相，此式说明放大器的放大倍数与电路参数及晶体管的和 有关。 （2）输入电阻 所谓放大电路的输入电阻，就是从放大电路输入端向电路内部看进去的等效电阻，如图7.17(a）所示。如果把一个内阻 的信号源 加到放大器的输入端，放大电路就相当于信号源的一个负载电阻，这个负载电阻就是放大电路的输入电阻 ，如图7.17（b）所示。,(7-26),7.2 基本放大电路,48,此时放大电

27、路向信号源吸取电流 ，而放大电路输入端接受信号电压为 ，所以输入端的输入电阻 为： 愈大的电路，表示其输入端向信号源取用的电流 愈小。对信号源来说， 是与信号源内阻 串联的， 大意味着 上的电压降小，使放大电路的输入电压 能比较准确地反映信号源真实电压 。因此，要设法提高放大电路的输入电阻，尤其当信号源的内阻较高时更应如此。例如，要提高测量仪器测量的精确度，就必须采用高输入电阻的前置放大电路与信号源连接。,(7-27),7.2 基本放大电路,49,在图7.17（b）中，从电路的输入端看进去的等效输入电阻为： （3）输出电阻 放大器带上负载 以后，由于 ，所以放大倍数和输出电压都要降低。这是由于

28、图7.17（b）中由负载 端向放大电路内部看的等效电压源内阻的压降增大的缘故。,(7-28),7.2 基本放大电路,50,放大器的输出端在空载和带负载时，其输出电压将有所改变，放大器带负载时的输出电压将比空载时的输出电压有所降低，如空载时的输出电压为 ，而带负载时的输出电压为 ，则有： 整个放大器可看成一个内阻为 ,大小为 的电压源。这个等效电源的内阻 就是放大器的输出电阻。 是因为输出电流在 上产生电压降的结果，这就说明 越小，带负载前后输出电压相差得越小，亦即放大器受负载的影响越小，所以一般用输出电阻 来衡量放大器带负载的能力， 越小带负载的能力越强。 采用等效电路法求 ：,(7-29),

29、7.2 基本放大电路,51,图7.18 求输出电阻的等效电路法,7.2 基本放大电路,52,例7.1 计算图7.19所示电路的电压放大倍数 、 、 。图中晶体管的UBE=0.7V。,图7.19 三极管共射极放大电路,7.2 基本放大电路,53,在了解放大电路的原理基础上，用图解法进一步分析电路。所谓图解法，就是利用晶体管的特性曲线，用作图的方法来分析放大电路的静态工作点，观察输出信号的电压变化情况。 7.2.3.1 用图解法分析放大电路的静态工作点 现以图7-20所示的共射极放大电路进行图解分析。为了在三极管的输出特性曲线上找到静态工作点，在图中三极管集电极-发射极端电压 和电流 的关系由下式

30、决定：,7.2.3 图解分析法,(7-31),(7-32),7.2 基本放大电路,54,电源 和电阻 是常数，这样 和 之间按照线性规律变化。根据两点法可求得这直线，通常用短路点M和开路点N确定，即N点的确定：取 =0,则 ；M点的确定：取 =0，则 。连接M、N两点，即可得到一条直线，直线的斜率为， 即 。,图7.20 共射极电路的静态工作点 （a） =0的放大电路;（b）直流通道,7.2 基本放大电路,55,直线MN的位置和斜率仅取决于直流参数VCC和RC，故这条直线又称作直流负载线。 如图7.20（a）中已知电路参数VCC = 12V，RC=3k，RB=300k，RL=2k，C1=C2=

31、10F，=50。那么采用两点法确定M、N即： M点的确定：取 =0(AB短路)，则 =12V/3k=4mA，得如图7.21（b）中的M点（0，4）。 N点的确定：取 =0(AB开路),则 =VCC=12V,得出如图7.21（b）中的N点（12，0）。 在图7.20（b）中，,(7-33),7.2 基本放大电路,56,所以 这样直流负载线与IB=40A曲线的交点，就是静态工作点Q，如图7.21（b）所示。Q点对应的电压、电流，就是静态集电极电压UCE和静态集电极电流IC。改变电路参数VCC、RC、RB都可以改变静态工作点的位置。但在实践中，一般通过改变RB的数值来改变静态工作点。,7.2 基本放

32、大电路,57,图7.21 输出回路的图解分析静态工作点,7.2 基本放大电路,58,7.2.3.2 图解法分析放大电路的动态工作波形 在静态工作点Q的IB、IC及UCE的基础上，由图7.20(a）所示电路的输入端，接入一个幅值为20mV的交流电压，即 (mV)，按下列步骤分析动态过程： （1）在三极管的输入特 性曲线上求基极电流的 变化波形 在图7.22所示的输入特性 上，也设置一个 IB =40A，对应 UBE =0.65V的静态工作 点Q。,图7.22 图解 和 的波形,7.2 基本放大电路,59,7.2 基本放大电路,60,（2）在三极管的输出特性曲线上求集电极电流和电压的变化波形,图7

33、-23,图7-23,7.2 基本放大电路,61,图7.23 用图解法分析共射极电路的动态波形,7.2 基本放大电路,62,图7-23,图7-23,7.2 基本放大电路,63,7.2 基本放大电路,64,（3）电路的非线性失真与静态工作点的关系 如果静态工作点选在放大区的中间,这时输出电压的波形和输入电压波形是相似的正弦波,如图7.22、图7.23所示,这时称为线性动态范围。相反，如果静态工作点没有选择在放大区，而是沿负载线偏上或者偏下，这时输出的电压波形可能进入三极管输出特性曲线的饱和区或截止区，进入这两个区的输出电压信号不能保证与输入电压信号相似，这种情况的输出信号叫做非线性失真，其中进入截

34、止区的失真称截止失真；进入饱和区的失真称为饱和失真，如图7.24所示。,7.2 基本放大电路,65, 静态工作点太低 （Q点）容易产生截 止失真。 此时由于靠近截止区， 在输入电压的负半周， 可能使三极管进入截止 区，集电极电流 波 形的负半波底部被削平， 对于NPN型管，其输出 电压 将产生顶部削平 的截止失真波形。为了避免截止失真，应调小RB将静态工作点提高一点，一般要求IBIbm。,7-24 饱和失真和截止失真,7.2 基本放大电路,66,7.2 基本放大电路,67,总之，为使放大电路既不出现截止失真又不出现饱和失真，一般宜将静态工作点安排在交流负载线的中间位置。如图7.24中直线EF

35、的中点附近，以保证三极管工作时有最大的不失真电压输出。 必须指出，三极管只有在较大信号推动下（如处于大信号工作状态的功率电路），失真问题才比较突出。而在小信号的电压放大电路中，一般静态电流选为几毫安就能满足动态工作不产生非线性失真的要求。,7.2 基本放大电路,68,合理地确定放大器的静态工作点和工作点的变动范围是保证放大器正常工作的条件,但是晶体管放大器的静态工作点往往因外界条件的变化而发生变动。所以在设计放大电路时仅仅考虑工作点是否合适还不够，还必须采取措施保证工作点的稳定。 7.2.4.1 静态工作点不稳定的原因 前面讨论的固定偏置放大电路，其静态工作点是不稳定的。因为当环境温度发生变化

36、，或调换管子时各管特性的不一致，以及电路元件和电源电压的变化等都会引起工作点的变动。在影响工作点不稳定的诸多因素中，尤以温度的变化影响最大。,7.2.4 工作点稳定的放大电路,7.2 基本放大电路,69,图7.25,7.2 基本放大电路,70,温度变化使放大电路静态工作点跟随变化而带来的严重后果是： 工作点变动到非线性区域使放大器产生严重失真，失去放大作用；若工作点变动到过流区则使管子烧毁，如图7.25所示。 工作点改变后，晶体管的动态特性参数也随之改变，使放大器的性能不稳定。,7.2 基本放大电路,71,图7.25 温度变化对静态工作点的影响 （a）25;（b）45,7.2 基本放大电路,7

37、2,7.2.4.2 分压式偏置电路 图7.26为常用的稳定静态工作点的放大电路，称为分压式偏置放大电路，它与固定偏置电路的区别是：基极电压由RB1、RB2分 压决定，并且接有发 射极电阻RE。这是一 种常用的基本单元电 路，下面分析它的稳 定工作点的原理。,图7.26 分压式偏置放大电路图,7.2 基本放大电路,73,由VCC、RB1、RB2构成一个串联分压电路。因为三极管的基极电流IB很小（微安数量级），一般取 IB1、IB2（510）IB，则： 此时基极电位 上式表明，只要IB1 IB ，则VB近似由VCC和分压电阻RB1 、 RB2所决定，而与晶体管的参数无关。,(7-34),(7-35

38、),7.2 基本放大电路,74,再来看接入RE后如何使IC保持稳定。由于RE的存在，则有： (7.36) 式中，IERE是RE上的直流电压降， RE对交流信号也有电压降，故在RE两端并联上一个电容CE， CE的容量一般约为几十微法，对交流信号容抗很小，可视为短路，因而交流分量不会影响直流电压降。所以CE称为发射极交流旁路电容。 因为IEIC，所以有：,(7.37),7.2 基本放大电路,75,7.2 基本放大电路,76,7.2 基本放大电路,77,7.2 基本放大电路,78,7.2 基本放大电路,79,7.2.4.3 射极旁路电容CE 的作用 在图7.27电路图中，由于RE的接入，虽然带来了稳

39、定工作点的益处，但却使放大倍数下降了，且RE越大，下降得越多。如果在RE上并联一个大容量的电容CE（低频电路取几十微法到几百微法），如图7.27（a）所示。由于CE对交流可看做短路，因此对交流而言，仍可看做发射极接地。所以CE被称为射极旁路电容。根据电路需要，还可将RE分成两部分（RE1、RE2），在交流的情况下RE2被CE短路，以兼顾静态工作点和电压放大倍数的不同要求，如图7.27（b）所示。,7.2 基本放大电路,80,图7.27 具有射极旁路电容的共射极放大电路,7.2 基本放大电路,81,7.2.5.1 电路的组成 如图7.28（a）、（b）所示是共集电极电路及共集电极电路的微变等效电

40、路。这种电路的特点是三极管的集电极作为输入、输出的公共端，故称为共集电极电路。共集电极电路是从发射极输出，所以又称射极输出器。,7.2.5 射极输出器,7.2 基本放大电路,82,图7.28 共集电极电路 （a）电路;（b）微变等效电路,7.2 基本放大电路,83,7.2.5.2 射极输出器的特性 （1）电压放大倍数Au 由图7.28（b）微变等效电路可以得到： 式中 。一般 ,故 值近似为1。正因为输出电压接近输入电压，两者的相位差又相同，故射极输出器又称射极跟随器。 射极输出器虽然没有电压放大作用，但由于 ，所以仍具有电流放大和功率放大作用。,(7-39),7.2 基本放大电路,84,7.

41、2 基本放大电路,85,（3）输出电阻 由于 ，当 一定时，输出电压 基本上保持不变，表明射极输出器具有恒压输出的特性，故其输出电阻较低。 若不计信号源内阻 ，则有： (7.41) 上式表明，射极输出器的输出电阻是很小的，通常为几欧至几十欧。 由于射极输出器的输入电阻很大，向信号源吸取电流很小，所以常用作多级放大电路的输入级。由于它的输入电阻小，具有较强的带负载能力，且具有较大的电流放大能力，故常用作多级放大电路的输出级（功放电路）。此外，利用其 大、 小的特点，还常常接于两个共射极放大电路之间，作为缓冲（隔离）级，以减小后级电路对前级的影响。,7.2 基本放大电路,86,单级放大器的放大倍数

42、一般为几十倍左右，而实际的输入信号往往很微弱（毫伏级或微伏级）。为了推动负载工作，必须由多级放大电路对微弱信号连续放大。图7.29为多级放大电路的组成框图。,7.3 多级放大电路,图7.29 多级放大电路的组成框图,7.3 多级放大电路,87,耦合方式是指级与级之间的连接方式。常用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合等。 7.3.1.1 阻容耦合方式 图7.30为阻容耦合的两级放大电路。两级之间用电容C2连接。由于电容有隔直作用，切断了两级放大电路之间的直流通道，因此，各级的静态工作点互相独立、互不影响，使电路的设计、调试都很方便。这是阻容耦合方式的优点。对于交流信号的传输，若选用足够大

43、容量的耦合电容，则交流信号就能顺利传送到下一级。,7.3.1 级间耦合方式,7.3 多级放大电路,88,图7.30 阻容耦合方式,7.3 多级放大电路,89,7.3.1.2 变压器耦合方式 图7.31是变压器耦合方式的两级放大电路。它的输入电路是阻容耦合，而每一级的输出是通过变压器与第二级的输入相连的，第二级的输出也是通过变压器与负载相连的，这种级间通过变压器相连的耦合方式称为变压器耦合放大器。 变压器也能起到隔直流的作用。变压器还能改变电压和改变阻抗，这对放大电路特别有意义。如在功率放大器中，为了得到最大的功率输出，要求放大器的输出阻抗等于最佳负载阻抗，即所谓阻抗匹配。如果用变压器输出就能得

44、到满意的效果。,7.3 多级放大电路,90,图7.31 变压器耦合方式,7.3 多级放大电路,91,7.3.1.3 直接耦合方式 直接耦合就是把前级放大器的输出端直接（或经过电阻）接到下一级放大电路的输入端，如图7.32（a）所示。但如果简单地把两个基本放大电路直接连接起来，放大器将是不能正常工作的。在图7.32（a）中，为了满足三极管T1的电压偏置和合适的工作点，UBE0.7V，VC11V， T2将进入饱和区；同样，满足了T2的偏置和工作点， T1也不能正常工作，要使得前后两级都能正常放大，就必须考虑它们工作点的相互影响，要有特殊偏置电路。 解决级间工作点的合理设置问题，通常可采用在第二极射

45、极电路中接入电阻RE，如图7.32（b）所示。这种接法使T2的射极电位升高，从而增大了第一级三极管的UCE值和信号的动态范围。,7.3 多级放大电路,92,但是RE的引入会使第二级放大电路的放大倍数降低。也可用稳压管VZ（或串联几个正向工作的二极管）代替RE ，如图7.32（c）所示。稳压管的接入，使T2的发射极电位升高了一个稳压值，这样T1管子也不致饱和。同时，稳压管工作于陡峭的反向击穿特性上，动态电阻很小，对于变化信号相当于短路，所以第二级的电压放大倍数也不至于降低。还可用NPN型管和PNP型管互补使用，如图7.32（d）所示。在直接耦合放大电路中，若仅采用一种NPN型管子，则各级放大电路

46、中集电极的电位逐级升高，使后级放大电路的集电极电位接近正电源电压VCC值，降低了输出电压的动态范围（易产生截止失真），所以级数受限制。而图7.32（d）中，NPN管集电极电位的升高，被PNP管集电极电位的降低所补偿，这种互补作用，使得各级工作点都得到合理安排。,7.3 多级放大电路,93,图7.32 几种直接耦合方式,7.3 多级放大电路,94,因为多级放大器是多级串联逐级连续放大，所以总的电压放大倍数是各级放大倍数的乘积，即： 因此，求多级放大器的增益时，首先必须求出各级放大电路的增益。求单级放大电器的增益已在前面讲述，这里所不同的是需要考虑各级之间有如下的关系：后级的输入电阻是前级的负载电

47、阻，前级的输出电压是后级的输入信号，空载输出电压为信号源电压。 至于多级放大器的输入电阻和输出电阻，就把多级放大器等效为一个放大器，从输入端看放大器得到的电阻为输入电阻，从输出端看放大器得到电阻为输出电阻。,7.3.2 多级放大电路的电压放大倍数,(7.42),7.3 多级放大电路,95,图7.33 两级阻容耦合放大电路,7.3 多级放大电路,96,功率放大电路与电压放大电路没有本质的区别。它们都是利用放大器件的控制作用，把直流电源供给的功率按输入信号的变化规律转换给负载，只是功率放大电路的主要任务是使负载得到尽可能大的不失真信号功率。 7.4.1.1 乙类互补对称功率放大器 采用正、负电源构

48、成的互补对称功率放大电路称为OCL电路，如图7.35（a）所示，T1和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别连接在一起，以增强带负载的能力。两管都无偏置电路，以便工作在乙类。,7.4.1 OCL互补对称功率放大电路,7.4 功率放大电路,7.4 功率放大电路,97,信号从基极输入，从发射极输出，RL为负载直接耦合，这类电路称OCL电路，采用双电源供电形成推挽工作方式。要求两管特性相同，且VC=VE。,图7.35 双电源OCL互补对称放大电路 （a）基本电路；（b）ui正半周，T1导通；（c） ui负半周，T2导通,7.4 功率放大电路,98,图7.35（b）,图7.35（c）

49、,图7.36,7.4 功率放大电路,99,图7.36 OCL互补对称功率 放大电路电流、电压波形,7.4 功率放大电路,100,（1）输出功率 输出电流 和输出电压 有效值的乘积，就是功率放大电路的输出功率，即： 由图7-35 可知，OCL互补对称放大电路最大不失真输出电压的幅度为： 式中， 三极管的饱和压降，通常很小，可以略去。所以，放大器最大输出功率为：,(7. 46),(7. 45),(7. 44),(7. 43),7.4 功率放大电路,101,（2）直流电源的供给功率 由于两个管子轮流工作半个周期，每个管子的集电极电流的平均值为： 因为每个电源只提供半周期的电流，所以两个电源供给的总功

50、率为： 得到最大输出功率时，直流电源供给功率为：,(7.47),(7.48),(7.49),7.4 功率放大电路,102,（3）效率 效率是负载获得的信号功率 与直流电源供给功率 之比，一般情况下的效率： OCL互补对称功放电路的最高效率为： 实用中，放大电路很难达到最大效率，由于饱和压降及元件损耗等因素，OCL推挽放大电路的效率仅能达到60左右。,(7.51),(7.50),7.4 功率放大电路,103,7.4.1.2 甲乙类互补对称功率放大器 （1）甲乙类双电源互补对称放大电路 在乙类互补功率放大器中，由于T1、T2管没有基极偏流，静态时UBEQ1=UBEQ2=0，当输入信号小于晶体管的死

51、区电压时，管子仍处于截止状态。因此，在输入信号的一个周期内，T1、T2轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真，从而使输出电流和电压出现同样的失真，这种失真称为“交越失真”，如图7.37所示。 为了消除交越失真，可分别给两只晶体管的发射结加很小的正偏压，使两管在静态时均处于微导通状态，两管轮流导通时，交替得比较平滑，从而减小了交越失真。,7.4 功率放大电路,104,图7.37 乙类互补对称功率放大电路的交越失真,7.4 功率放大电路,105,图7.38（a）所示电路在T1、T2基极间串入二极管T3、T4，利用T5管的静态电流流过T3 、 T4产生的压降作为T1 、 T2管的

52、静态偏置电压。这种偏置方法有一定的温度补偿作用，因为这里的二极管都是将三极管基极和集电极短接而成，当T1、T2两管的UBE随温度升高而减小时， T3 、 T4两管的发射结电压降也随温度的升高相应减小。 图7.38（a）所示电路偏置电压不易调整，而在图7.38（b）中，设流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出： UCE4是用以供给T1、T2两管的偏置电压。由于UBE4基本为一固定值（0.60.7V），只要适当调节R1、R2的比值，就可改变T1、T2两管的偏压值。,(7.52),7.4 功率放大电路,106,图7.38 甲乙类互补对称功率放大电路 （a）利用二极管进行偏置的电路

53、；（b）利用UBE扩大电路进行偏置的电路,7.4 功率放大电路,107,（2）复合管互补对称放大电路 所谓复合管，就是由两只或两只以上的三极管按照一定的连接方式，组成一只等效的三极管。复合管的类型与组成该复合管的第一只三极管相同，而其输出电流、饱和压降等基本特性，主要由最后的输出三极管决定。图7.39所示为由两只三极管组成复合管的四种情况，图（a）、（b）为同型复合，图（c）、（d）为异型复合，可见复合后的管型与第一只三极管相同。 复合管的电流放大系数近似为组成该复合管的各三极管值的乘积，其值很大。由图7.39（a）可得：,7.4 功率放大电路,108,图7.39复合管接法 （a）NPN同型复

54、合；（b）PNP同型复合； （c）NPN、PNP异型复合；（d）PNP、NPN异型复合,7.4 功率放大电路,109,图7.40所示是由复合管组成的甲乙类互补对称放大电路。图中T1、T3同型复合等效为NPN型管，T2、T4异型复合等效为PNP型管。由于T1、T2是同一类的NPN管，它们的输出特性可以很好地对称，通常把这种复合管互补电路称为准互补对称放大电路。图中D5、D6、D7、RP构成输出级偏置电路，用以克服交越失真。T1与T2管发射极电阻RE1、RE2，一般为0.10.5，它除具有直流负反馈作用提高电路工作的稳定性外，还具有过流保护作用。T4管发射极所接电阻R4是T3、T4管的平衡电阻，可

55、保证T3、T4管的输入电阻对称。 R3、R4为穿透电流的泄放电阻，用以减小复合管的穿透电流，提高复合管的温度稳定性。T8、RB1、RB2、R1等组成前置电压放大级，RB1接至输出端E点，构成负反馈，可提高电路工作点的稳定性。,7.4 功率放大电路,110,例如，某种原因使得UE升高，则 ， 可见，引入负反馈可 使UE趋于稳定。同时 RB1、RB2也引入了交 流负反馈，从而使放 大电路的动态性能指 标得到改善。,图7.40 复合管互补对称放大电路,7.4 功率放大电路,111,7.4.2 OTL互补对称功率放大电路,7.4 功率放大电路,112,图7.41 甲乙类单电源互补对称放大电路,7.4

56、功率放大电路,113,7.4 功率放大电路,114,7.4.3.1 TDA2030A音频集成功率放大器简介 TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器，与其他功放相比，它的引脚和外部元件都较少。 TDA2030A的电器性能稳定，并在内部集成了过载和热切断保护电路，能适应长时间连续工作。由于其金属外壳与负电源引脚相连，因而在单电源使用时，金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接，无需绝缘，使用很方便。 TDA2030A的内部电路如图7.42所示（其中D为二极管）。 TDA2030A使用于收录机和有源音箱中，作为音频功率放大器，也可用作其他电子设备中的功率放大。因其内部采用

57、的是直接耦合，亦可以用作直流放大。外引脚的排列如图7.43所示。,7.4.3 集成功率放大电路,7.4 功率放大电路,115,图7.42 TDA2030A集成功放的内部电路,7.4 功率放大电路,116,图7.43 TDA2030A引脚排列及功能,7.4 功率放大电路,117,7.4.3.2 TDA2030A集成功效的典型应用,图7.44,7.4 功率放大电路,118,图7.44 由TDA2030A构成的功放电路,7.4 功率放大电路,119,（2）单电源应用电路 对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统，可采用单电源连接方式，如图7.45所示。由于采用单电源供电，故同相输入端用阻值相同的R1

58、、R2组成分压电路，使K点电位为VC/2，经R3加至同相输入端。在静态时，同相输入端、反相输入端和输出端皆为VC/2。其他元件作用与双电源电路相同。,7.4 功率放大电路,120,图7.45 由TDA2030A构成的单电源功放电路,7.4 功率放大电路,121,场效应管是利用电场效应来控制其电流大小的半导体三极管。它是在20世纪60年代逐渐发展起来的，它不仅具有半导体三极管体积小、质量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高（最高可达105）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因此得到广泛应用。根据结构不同，场效应管有两大类：绝缘栅场效应管和结型场效应管。,7.5 场效

59、应管,7.5 场效应管,122,7.5.1.1 绝缘栅场效应管的结构和原理 （1）结构 绝缘栅场效应管可分为增强型和耗尽型两类，每一类又有N沟道和P沟道两种。 N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图7.46（a）所示，它是以一块掺杂浓度较低的P型硅片作衬底，利用扩散工艺制造两个N型区，并用金属铝引出电极，分别为源极S和漏极D。绝缘栅场效应晶体管又称金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），简称MOS管。当栅极和源极之间不加电压时，两个N型区之间没有形成导电沟道，属增强型。图7.46（b）是N沟道增强型MOS管的符号。,7.5.1 绝缘栅场效应管,7.5 场效应管,123,图7.46 N沟道增强型

60、MOS管的结构与符号 （a）结构；（b）符号,7.5 场效应管,124,（2）N沟道增强型MOS管的工作原理 导电沟道的建立 在图7.47中，如果在栅极和源极之间加正向电压UGS产生一个垂直于P型硅表面的纵向电场，由于二氧化硅绝缘层很薄，因此即使UGS很小，也会产生很强的电场强度（可达105106V/cm）。P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，除填补空穴形成负离子的耗尽层外，还在靠近绝缘层那一面形成一个N型层，如图7.47所示，通常称它为反型层。它就是沟通源区和漏区的N型导电沟道。栅源电压UGS正值越大，半导体表面吸引的电子越多，形成的导电沟道越宽。形成导电沟道后，在漏极电压UDS的作用

61、下，将产生漏极电流ID，从而管子导通。,7.5 场效应管,125, 栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用 在一定的漏极电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压，用UT表示。当外加一定的漏源电压UDS ，栅源电压UGS越大，形成的导电沟道越宽，导电沟道的电阻就越小，对应的漏极电流ID越大。因此可通过改变UGS的数值来控制电流ID 。,图7.47 N沟道增强型 MOS管的工作原理,7.5 场效应管,126,7.5.1.2 N沟道增强型MOS管的特性曲线 图7.48和图7.49分别是N沟道增强型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线。 所谓转移特性，就是输入电压UGS对输出电流

62、ID的控制特性。在一定的漏源电压下，使增强型MOS管形成导电沟道，产生漏极电流时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。显然，只有UGS UGS(th)时，栅源电压才有对漏极电流的控制作用。 输出特性表示在UGS一定时，ID与UDS之间的关系。与晶体三极管类似，它也有三个区域。,7.5 场效应管,127,图7.48 N沟道增强型MOS 管的转移特性曲线,图7.49 N沟道增强型MOS 管的输出特性曲线,7.5 场效应管,128,（1）截止区 截止区是指UGS UGS(th)的区域，图7.48中的UGS(th)为2V。由于这时还未形成导电沟道，因此ID 0。 （2）可变电阻区 可变电

63、阻区是指UDS较小时与纵轴之间的区域。这时导电沟道已形成， ID随UDS的增大而增大。由于导电沟道的电阻大小随UGS而变，故称为可变电阻区。 （3）恒流区线性放大区 当UDS增大到脱离可变电阻区时， ID不再随UDS的增大而增大， ID趋于恒定值。但ID的大小随UGS的增加而增加，体现了场效应晶体管UGS控制ID的放大作用。,7.5 场效应管,129,7.5.1.3 N沟道耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOS管与增强型MOS管的结构相似，不同的是在制造时已在绝缘层中掺入大量的正离子，它所产生的纵向电场即使在UGS =0时，也能吸引足够的电子形成N型导电沟道。这样只要UGS 0就有ID产生。这种当

64、UGS =0时，就有导电沟道的场效应晶体管，称为耗尽型MOS管。 N沟道耗尽型MOS管的特性曲线和符号如表7.1所示。从转移特性可以看出，耗尽型MOS管的栅源电压可以是正值、负值或零，使用时灵活性较大。 P沟道MOS管和N沟道MOS管的区别在于作为衬底的半导体材料的类型相反，即它是用N型硅作衬底的，若是耗尽型，则绝缘层中掺入的是负离子。注意使用时， UGS 、 UDS的极性与N沟道MOS管相反。,7.5 场效应管,130,7.5.2.1 结型场效应管的结构 结型场效应管是把一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区，形成两个PN结，如图7.50（a）所示。两个P型区引出两个电极并连在一起称为栅极

65、G，在N型本体材料的两端各引出一个电极分别称为源极S和漏极D。它的符号如图7.50（b）所示。其中箭头的方向表示栅结正向偏置时，栅极电流的方向由P指向N，故从符号上可以识别D、S之间是N沟道。 按照同样的方法，可以制成P沟道结型场效应管。,7.5.2 结型场效应管,7.5 场效应管,131,图7.50 N沟道结型场效晶体管的结构和符号 （a）结构;（b）符号,7.5 场效应管,132,7.5.2.2 结型场效应管的工作原理 N沟道结型场效应管的工作原理如图7.51所示。当 UGS =0时，在一定的UDS作用下会产生一个电流ID ，称其为饱和漏电流，用ID SS表示。当UGS反偏电压增大时，两个PN结