第8章 放大器基礎(chǔ)

第8章放大電路8.2半導(dǎo)體三極管8.3共射極放大電路及放大電路的一般分析方法8.4共集電極放大電路8.1放大器的放大作用本章主要介紹雙極型晶體管（半導(dǎo)體三極管）、場效應(yīng)晶體管組成的基本放大電路及其應(yīng)用。8.6多級放大電路8.7功率放大電路8.10拓展與應(yīng)用18.1放大器的放大作用信號放大：將小信號通過放大電路變?yōu)檩^大幅度的信號功率放大：是將弱的信號通過放大電路變?yōu)檩^強的信號放大的前提條件是不失真，或者盡可能地減小失真

28.2半導(dǎo)體三極管三極管常見的分類方法：根據(jù)制作三極管的主要材料，可分為硅管和鍺管。按照三極管的結(jié)構(gòu)，可分為NPN、PNP型。根據(jù)三極管的用途和作用，可分為放大管、開關(guān)管。按照功率的大小，可分為大功率管、中功率管和小功率管。根據(jù)三極管所適合放大的信號頻率，分為高頻管、中頻管和低頻管。348.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及其放大原理三極管的結(jié)構(gòu)

58.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及其放大原理1．實現(xiàn)放大作用的條件（1）放大作用的內(nèi)因（即內(nèi)部條件）

①發(fā)射區(qū)：發(fā)射功能其工藝特點為在三個區(qū)中的摻雜濃度最大。②基區(qū)：傳輸功能。其工藝特點為在三個區(qū)中的摻雜濃度最小，最薄。

③集電區(qū)：收集功能。其工藝特點為收集面積大，做得比較厚。

三極管之所以具有放大作用，就是基于上述結(jié)構(gòu)和工藝的特點，即為放大作用的內(nèi)因（或內(nèi)部條件）。68.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及其放大原理

（2）放大作用的外因（外部條件）

①發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)發(fā)射載流子，形成發(fā)射極電流。

②載流子在基區(qū)中的傳輸與復(fù)合，形成基極電流。

③集電結(jié)反偏，集電區(qū)收集載流子，形成集電極電流。78.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及其放大原理2．三極管放大過程中的電流分配關(guān)系（1）（2），很接近，一般認(rèn)為，并統(tǒng)一表示為。（3）IB（mA）-0.00100.010.020.030.04IC（mA）0.0010.010.501.001.702.50IE（mA）00.010.511.021.472.0888.2.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及其放大原理

3．三極管放大作用的實質(zhì)通過上述分析可見，三極管的電流放大作用并非放大電流本身，而是通過產(chǎn)生一個小的基極電流，控制產(chǎn)生了一個大的集電極電流，即放大作用其實是一種電流控制作用。所以，三極管為電流控制器件。9共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路測量晶體管特性的實驗線路mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100101.輸入特性特點:非線性正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V3DG100晶體管的輸入特性曲線O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。112.輸出特性共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶體管的輸出特性曲線在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。12晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分為三個工作區(qū)3DG100晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區(qū)在放大區(qū)IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。對NPN型管而言,應(yīng)使

UBE

>0,UBC<

0，此時，

UCE

>UBE。Q2Q1大放區(qū)2.輸出特性13IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止區(qū)對NPN型硅管，當(dāng)UBE<0.5V時,即已開始截止,為使晶體管可靠截止,常使UBE

0。截止時,集電結(jié)也處于反向偏置(UBC<

0),此時,IC0,UCEUCC。IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB=0時,IC=ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA)截止區(qū)14IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(3)飽和區(qū)

在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。IC

UCC/RC。當(dāng)UCE

<

UBE時，集電結(jié)處于正向偏置(UBC

>0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)158.2.3主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

當(dāng)晶體管接成共射極電路時，稱為共射極電流放大倍數(shù)當(dāng)晶體管接成共基極電路時，

稱為共射極電流放大倍數(shù)其中，162.集-基極反向截止電流

ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。174.集電極最大允許電流

ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。188.3共射極放大電路及放大電路的一般分析方法8.3.1共發(fā)射極基本放大電路組成19基本放大電路各元件作用

晶體管VT：放大元件,起放大作用。電源UBB、UCC：為電路提供能量。其中UBB保證發(fā)射結(jié)正偏。

UCC保證集電結(jié)反偏。20基本放大電路各元件作用

集電極電阻RC：將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。耦合電容C1、C2

：通交流隔直流，起信號傳遞作用。基極電阻RB：起分壓和限流作用。21+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE8.3.2靜態(tài)分析直流通路對直流信號電容C可看作開路（即將電容斷開）斷開斷開+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE1、直流通路222、靜態(tài)值的計算1.直流通路估算IB根據(jù)電流放大作用2.由直流通路估算UCE、IC當(dāng)UBE<<UCC時，由KVL:UCC=IBRB+

UBE由KVL:UCC=ICRC+

UCE所以UCE=UCC–

ICRC

+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB23例1：用估算法計算靜態(tài)工作點。已知：UCC=12V，RC=2k，RB=300k，=75

。解：+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB243.放大電路的圖解法分析用作圖的方法確定靜態(tài)值步驟：

(1)用估算法確定IB優(yōu)點：

能直觀地分析和了解靜態(tài)值的變化對放大電路的影響。(2)由輸出特性確定IC

和UCCUCE

=UCC–ICRC直流負(fù)載線方程+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB25UCE/VIC/mAO直流負(fù)載線斜率ICQUCEQUCCUCE

=UCC–ICRC直流負(fù)載線Q由IB確定的那條輸出特性與直流負(fù)載線的交點就是Q點26晶體管的微變等效電路可從晶體管特性曲線求出。當(dāng)信號很小時，在靜態(tài)工作點附近的輸入特性在小范圍內(nèi)可近似線性化。1.微變等效電路分析法UBEIB對于小功率三極管：8.3.3動態(tài)分析(1)輸入回路Q輸入特性晶體管的輸入電阻晶體管的輸入回路(B、E之間)可用rbe等效代替，即由rbe來確定ube和ib之間的關(guān)系。IBUBEO27(2)輸出回路rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不計。晶體管的輸出電阻輸出特性輸出特性在線性工作區(qū)是一組近似等距的平行直線。晶體管的電流放大系數(shù)晶體管的輸出回路(C、E之間)可用一受控電流源ic=ib等效代替，即由來確定ic和ib之間的關(guān)系。一般在20～200之間，在手冊中常用hfe表示。ICUCEQO28ibicicBCEibib晶體三極管微變等效電路ube+-uce+-ube+-uce+-晶體管的微變等效電路rbeBEC晶體管的B、E之間可用rbe等效代替。晶體管的C、E之間可用一受控電流源ic=ib等效代替。29RBRCuiuORLRSes++–+––步驟1：畫交流通路XC0，C可看作短路。忽略電源的內(nèi)阻，電源的端電壓恒定，直流電源對交流可看作短路。交流通路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE短路短路對地短路30步驟2：畫微變等效電路將交流通路中的晶體管用晶體管微變等效電路代替即可得放大電路的微變等效電路。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSii交流通路微變等效電路RBRCuiuORL++--RSeS+-ibicBCEii31步驟3.定量分析電壓放大倍數(shù)的計算當(dāng)放大電路輸出端開路(未接RL)時因rbe與IE有關(guān)，故放大倍數(shù)與靜態(tài)IE有關(guān)。負(fù)載電阻愈小，放大倍數(shù)愈小。式中的負(fù)號表示輸出電壓的相位與輸入相反。rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS32rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSri電路的輸入電阻愈大，從信號源取得的電流愈小，因此一般總是希望得到較大的輸入電阻。輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)。33rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共射極放大電路特點：

1.放大倍數(shù)高；2.輸入電阻低；3.輸出電阻高。求ro的步驟：(1)斷開負(fù)載RL(3)

外加電壓(4)

求外加

(2)

令或342、靜態(tài)、動態(tài)的圖解分析DC（一）靜態(tài)、動態(tài)的常規(guī)圖解分析交流負(fù)載線直流負(fù)載線交流負(fù)載線反映動態(tài)時電流iC和電壓uCE的變化關(guān)系。交流負(fù)載線斜率′IC/mA4321O48121620B80mAA60mA40mA20mAUCE/VQ35QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQiCQ1Q2ibuiuoRL=2、靜態(tài)、動態(tài)的圖解分析（一）靜態(tài)、動態(tài)的常規(guī)圖解分析36（二）非線性失真如果Q設(shè)置不合適，晶體管進入截止區(qū)或飽和區(qū)工作，將造成非線性失真。若Q設(shè)置過高，晶體管進入飽和區(qū)工作，造成飽和失真。Q2uO適當(dāng)減小基極電流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ137若Q設(shè)置過低晶體管進入截止區(qū)工作，造成截止失真。適當(dāng)增加基極電流可消除失真。uiuOtiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE如果Q設(shè)置合適，信號幅值過大也可產(chǎn)生失真，減小信號幅值可消除失真。（二）非線性失真38改善方法

影響靜態(tài)工作點參數(shù)三極管選定，視為常數(shù)，因此無須考慮①對靜態(tài)工作點的影響OQiC/mAuCE/VO39②對靜態(tài)工作點的影響

【討論與思考】如圖8.3.14所示，能否通過調(diào)整改善截止失真？改善截止失真？40③對靜態(tài)工作點的影響

41信號過大時引起的失真

42溫度升高時，輸出特性曲線上移固定偏置電路的工作點Q點是不穩(wěn)定的，為此需要改進偏置電路。當(dāng)溫度升高使IC

增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點的變化，保持Q點基本穩(wěn)定。結(jié)論：

當(dāng)溫度升高時，

IC將增加，使Q點沿負(fù)載線上移，容易使晶體管T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞三極管。iCuCEQQ′O溫度變化引起的失真43三、分壓式偏置電路

（一）靜態(tài)分析1.估算法VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSuS+–442.改善溫度對靜態(tài)工作點的影響VEVBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSuS+–TUBEIBICVEICVB固定

RE：溫度補償電阻

對直流：RE越大,穩(wěn)定Q點效果越好；

對交流：RE越大,交流損失越大,為避免交流損失加旁路電容CE。45（二）動態(tài)分析對交流：旁路電容CE

將RE

短路，RE不起作用，Au，ri，ro與固定偏置電路相同。RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–46電壓放大倍數(shù)的計算當(dāng)放大電路輸出端開路(未接RL)時因rbe與IE有關(guān)，故放大倍數(shù)與靜態(tài)IE有關(guān)。負(fù)載電阻愈小，放大倍數(shù)愈小。式中的負(fù)號表示輸出電壓的相位與輸入相反。rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS47rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSri輸入電阻：48rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS求ro的步驟：(1)斷開負(fù)載RL

(3)

外加電壓

(4)

求

(2)

令或49例3:

在圖示放大電路中，已知UCC=15V,RB1=60kΩ，

RB2=20kΩ,RC=3kΩ,RE=2kΩ，RL=6kΩ，β=60，試求:(1)

靜態(tài)工作點IB、IC及UCE；(2)畫出微變等效電路；(3)輸入電阻ri、ro及Au。RB1RCC1C2RB2CERL++++UCCuiuo++––RE50解:(1)由直流通路求靜態(tài)工作點。直流通路RB1RCRB2RE1+UCCRE2+–UCEIEIBICVB51(2)由微變等效電路求Au、ri、

ro。RS微變等效電路rbeRBRCRLEBC+-+-+-528.4共集電極放大電路因?qū)涣餍盘柖裕姌O是輸入與輸出回路的公共端，所以是共集電極放大電路。因從發(fā)射極輸出，所以稱射極輸出器。RB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++es+–RS53求Q點：一、靜態(tài)分析直流通路+UCCRBRE+–UCE+–UBEIEIBICRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++es+–RS54二、動態(tài)分析1.電壓放大倍數(shù)

電壓放大倍數(shù)Au1且輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。微變等效電路rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE55rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE2.輸入電阻射極輸出器的輸入電阻高，對前級有利。ri與負(fù)載有關(guān)563.輸出電阻射極輸出器的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力強。rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE57共集電極放大電路(射極輸出器)的特點：1.電壓放大倍數(shù)小于1，約等于1;2.輸入電阻高；3.輸出電阻低；4.輸出與輸入同相。58射極輸出器的應(yīng)用主要利用它具有輸入電阻高和輸出電阻低的特點。

1.因輸入電阻高，它常被用在多級放大電路的第一級，可以提高輸入電阻，減輕信號源負(fù)擔(dān)。

2.因輸出電阻低，它常被用在多級放大電路的末級，可以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。

4.利用ri大、ro小以及Au1的特點，也可將射極輸出器放在放大電路的兩級之間，起到阻抗匹配作用，這一級射極輸出器稱為緩沖級或中間隔離級。

3.電壓放大倍數(shù)大于0，但是小于或約等于1。不放大電壓而放大電流，故可作功率放大電路。59一、多級放大電路的電壓放大倍數(shù)8.6多級放大電路60二、耦合方式所謂放大電路的耦合方式，是指放大電路前后級之間的信號傳輸方式。在工程實踐中，耦合方式應(yīng)滿足兩個基本要求：

（1）靜態(tài)時，放大電路有合適的靜態(tài)工作點。

（2）在信號傳輸過程中，盡可能減小傳輸中的電壓損失。常用的耦合方式主要有直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合等。611．直接耦合（1）靜態(tài)工作點的牽連在計算兩級放大電路的靜態(tài)工作點時，它們會相互牽連。

62（2）零點漂移零點漂移：指輸入信號電壓為零時，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓波動、電路元件參數(shù)的變化。632.阻容耦合放大電路第一級第二級負(fù)載信號源兩級之間通過耦合電容

C2與下級輸入電阻連接RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+++++–RS+–RC2C3CE2RE2RL+++UCC+––T1T2643.變壓器耦合變壓器只能傳輸交流信號，當(dāng)采用多級放大時，可以避免靜態(tài)工作點的牽連，對于零點漂移的傳輸起到一定的抑制作用。654.光電耦合光電耦合是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合和傳遞的，其抗干擾能力強。668.7功率放大電路8.7.1

功率放大電路概述功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級，去推動負(fù)載工作。例如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動機旋轉(zhuǎn)等。(1)在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。(2)由于功率較大，要求提高效率。67ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO一、按照靜態(tài)工作點的位置分類甲類工作狀態(tài)晶體管在輸入信號的整個周期都導(dǎo)通,靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類工作狀態(tài)晶體管只在輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，靜態(tài)IC=0，波形嚴(yán)重失真,管耗小效率高。甲乙類工作狀態(tài)晶體管導(dǎo)通的時間大于半個周期，靜態(tài)IC0，一般功放常采用。68二、按照耦合方式分類698.7.2基本功率放大電路互補對稱電路是集成功率放大電路輸出級的基本形式。當(dāng)它通過容量較大的電容與負(fù)載耦合時，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓器(OutputTransformerless)電路，簡稱OTL電路。若互補對稱電路直接與負(fù)載相連，輸出電容也省去，就成為無輸出電容(OutputCapacitorless)電路，簡稱OCL電路。