《電工電子技術(shù)》課件第8章

第8章三極管與放大電路8.1雙極型半導(dǎo)體三極管8.2放大電路的基本概念8.3基本放大電路的分析8.4分壓偏置放大電路8.5射極輸出器8.6互補(bǔ)功率放大電路8.7場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管及其放大電路小結(jié)習(xí)題

8.1雙極型半導(dǎo)體三極管

8.1.1雙極型三極管的結(jié)構(gòu)

雙極型三極管的種類雖然很多，但根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可以分為PNP型晶體管和NPN型晶體管兩種，它們的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)分別如圖8-1(a)、(b)所示。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鍺管多為PNP型(3A系列)，硅管多為NPN型(3D系列)。圖8-1晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)不論是PNP型還是NPN型，在結(jié)構(gòu)上都由三個(gè)區(qū)(發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū))、兩個(gè)PN結(jié)(發(fā)射結(jié)和集電結(jié))組成。由三個(gè)區(qū)引出的三根電極分別稱為發(fā)射極E、基極B和集電極C。

為了使晶體管具有電流放大作用，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上還必須滿足兩個(gè)條件：①發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高，集電區(qū)摻雜濃度較低，基區(qū)摻雜濃度最低；②基區(qū)做得很薄。

PNP型和NPN型晶體管的工作原理相同，只是在使用時(shí)電源極性連接不同而已。在圖8-2中，電路符號(hào)的箭頭均表示電流的實(shí)際方向。圖8-2晶體管的電流放大作用8.1.2晶體管的電流放大作用

下面分析晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)與分配情況(即晶體管的電流放大作用)。

(1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子。由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，因此多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(電子)向基區(qū)擴(kuò)散(稱為發(fā)射)，同樣，基區(qū)的多數(shù)載流子(空穴)也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于發(fā)射區(qū)的電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)的空穴濃度，兩者相比較可忽略基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散(圖8-2中未畫(huà)出)。由于兩個(gè)電源EB和EC的負(fù)極接在發(fā)射極，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子都可從電源得到補(bǔ)充，這樣就形成了發(fā)射極電流IE。

(2)電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合。從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子到達(dá)基區(qū)后，由于靠近發(fā)射結(jié)附近的電子濃度高于靠近集電結(jié)附近的電子濃度，所以這些電子會(huì)向集電結(jié)附近繼續(xù)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，有小部分電子會(huì)與基區(qū)的空穴復(fù)合，由于電源EB的正極與基極相接，這些復(fù)合掉的空穴均可由EB補(bǔ)充，因而形成了基極電流IB。因?yàn)榛鶇^(qū)做得很薄，電子在擴(kuò)散過(guò)程中通過(guò)基區(qū)的時(shí)間很短，加上基區(qū)的空穴濃度很低，所以從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子在基區(qū)繼續(xù)向集電結(jié)附近擴(kuò)散的過(guò)程中，與基區(qū)空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)很小，因而基極電流IB也很小，大部分電子都能通過(guò)基區(qū)而達(dá)到集電結(jié)附近。

(3)集電區(qū)收集電子，從而形成集電極電流IC。由于集電結(jié)處于反向偏置，因此有利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子一旦到達(dá)基區(qū)后，就變成了基區(qū)少數(shù)載流子，因而這些擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子很容易被集電區(qū)收集而形成集電極電流IC。

由以上分析可知，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子中，只有很少部分與基區(qū)的電子復(fù)合而形成基極電流IB，絕大部分能通過(guò)基區(qū)并被集電區(qū)收集而形成集電極電流IC，如圖8-2所示。因此，集電極電流IC就會(huì)比基極電流IB大得多，這就是晶體管的電流放大作用。如前所述，晶體管的基區(qū)之所以做得很薄，并且摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)，就是為了使集電極電流比基極電流大得多，從而提高晶體管的電流放大能力。由基爾霍夫電流定律可知：

IE=IC+IB(8-1)

為了定量地說(shuō)明晶體管的電流放大與分配關(guān)系，可用

圖8-3所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)測(cè)量這三個(gè)電流。所得數(shù)據(jù)如表8-1

所示。圖8-3晶體管電流放大與分配的實(shí)驗(yàn)電路由以上數(shù)據(jù)可知：

(1)當(dāng)IB=0時(shí)，IC=IE的值很小，約等于零。

(2)每組數(shù)據(jù)均滿足IE=IC+IB。

(3)每組數(shù)據(jù)的IC均遠(yuǎn)大于IB，IC與IB的比值稱為晶體管共射接法時(shí)的靜態(tài)(直流)電流放大系數(shù)，用表示，即

比如，將IB=0.06mA，IC=2.30mA代入，則有

(4)基極電流IB的微小變化ΔIB，會(huì)引起集電極電流IC的很大變化ΔIC。ΔIC與ΔIB的比值稱為晶體管共射接法時(shí)的動(dòng)態(tài)(交流)電流放大系數(shù)，用β表示，即

必須注意的是，晶體管的電流放大作用實(shí)質(zhì)上是電流控制作用，是用一個(gè)較小的基極電流去控制一個(gè)較大的集電極電流，這個(gè)較大的集電極電流是由直流電源EC提供的，并不是晶體管本身把一個(gè)小的電流放大成了一個(gè)大的電流，這一點(diǎn)需用能量守恒的觀點(diǎn)去分析。所以，晶體管是一種電流控制元件。8.1.3三極管的共射特性曲線

1．輸入特性曲線

輸入特性曲線是在保持集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為某一常數(shù)時(shí)，輸入回路中的基極電流IB與基極-發(fā)射極間電壓UBE的關(guān)系曲線。它反映了晶體管輸入回路中電壓與電流的關(guān)系，其函數(shù)表達(dá)式為

(8-2)輸入特性曲線可分以下步驟作出。

(1)作一條UCE=0時(shí)的輸入特性曲線。當(dāng)UCE=0時(shí)，集電極與發(fā)射極間相當(dāng)于短路，如圖8-4所示，從輸入端看，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的二極管，所以晶體管的輸入特性曲線與二極管的正向特性曲線基本一致，如圖8-5所示。圖8-4

UCE=0時(shí)的晶體管等效電路圖8-5三極管的輸入特性曲線

(2)作UCE=1V的曲線。當(dāng)UCE=1V時(shí)，集電結(jié)已反向偏置，內(nèi)電場(chǎng)已足夠大，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子絕大部分會(huì)被集電區(qū)收集而形成集電極電流。這樣，在UBE一定的情

況下，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)目是一定的。當(dāng)UCE=0時(shí)，這些電子進(jìn)入基區(qū)后不會(huì)被集電結(jié)收集過(guò)去，這就增加了與基區(qū)空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)，使IB較大；當(dāng)UCE=1V時(shí)，這些電子進(jìn)入基區(qū)后絕大部分會(huì)被集電區(qū)收集過(guò)去，因而使IB相對(duì)

減小。所以，UCE=1V時(shí)的輸入特性曲線較UCE=0時(shí)的曲線向右移動(dòng)了一段距離。由于在UBE不變的情況下，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)目是一定的，因此當(dāng)UCE=1V時(shí)，就足以將基區(qū)中的絕大部分電子拉入集電區(qū)。如果此時(shí)再增大UCE，IB也不會(huì)有明顯的減小。因此，UCE>1V的輸入特性曲線與UCE=1V的基本重合。所以，通常只畫(huà)出UCE≥1V的一條輸入特性曲線。

2．輸出特性曲線

輸出特性曲線是在IB為某一常數(shù)時(shí)，輸出回路中IC與UCE的關(guān)系曲線，它反映了晶體管輸出回路中電壓與電流的關(guān)系。其函數(shù)表達(dá)式為

(8-3)

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，如圖8-6所示。由輸出特性曲線可知：

(1)IB一定時(shí)，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)目大致是一定的，IB越大，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)目就越多，相應(yīng)的IC也越大，這就是晶體管的電流控制與放大作用。

(2)特性曲線的起始部分較陡，即在UCE很小時(shí)，只要UCE略有增加，就會(huì)使集電結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)得到加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)就會(huì)迅速增加，使IC迅速加大，此時(shí)IC主要受UCE的影響。UCE超過(guò)一個(gè)不大的值(約1V)后，集電結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)已經(jīng)足夠強(qiáng)了，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子絕大部分已被拉入集電區(qū)而形成IC，即使再加大UCE，IC也不會(huì)有明顯的增加，此時(shí)的曲線比較平坦，具有恒流特性。

(3)晶體管可以工作在輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域內(nèi)，如圖8-6所示。圖8-6晶體管的輸出特性曲線①輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。晶體管工作在放大區(qū)的主要特征是：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，IC與IB間具有線性關(guān)系，即IC=

IB。在放大電路中的晶體管必須工作在放大區(qū)。

②IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。晶體管工作在截止區(qū)的主要特征是：IB=0，IC=ICEO≈0(ICEO稱為集電極到發(fā)射極的穿透電流，一般很小，可以忽略不計(jì))，相當(dāng)于晶體管的三個(gè)極之間都處于斷開(kāi)狀態(tài)。由圖8-5所示的輸入特性曲線可知，要使IB=0，只要UBE小于死區(qū)電壓(硅管約0.5V，鍺管約0.2V)即可。但為了使晶體管可靠截止，往往使發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)也處于反向偏置。③在輸出特性曲線的左側(cè)，IC趨于直線上升的部分，可看做是飽和區(qū)。晶體管工作在飽和區(qū)的主要特征是：UCE<UBE，即集電結(jié)為正向偏置，發(fā)射結(jié)也是正向偏置；IB的變化對(duì)IC的影響不大，兩者不成正比，不符合因不同IB的各條曲線幾乎都重合在一起，故此時(shí)IB對(duì)IC已失去控制作用。8.1.4半導(dǎo)體三極管的參數(shù)

1．電流放大系數(shù)和β

稱為晶體管共射接法時(shí)的靜態(tài)(直流)電流放大系數(shù)。

稱為晶體管共射接法時(shí)的動(dòng)態(tài)(交流)電流放大系數(shù)。

與β兩者的含義是不同的，但兩者的數(shù)值較為接近，今后在進(jìn)行估算時(shí)，可認(rèn)為=β。

2.穿透電流ICEO

ICEO是指基極開(kāi)路(IB=0)時(shí)，集電極到發(fā)射極間的電流。圖8-7所示是測(cè)量穿透電流的電路。管子的穿透電流越小越好。一般硅管的ICEO在幾微安以下，鍺管為幾十微安到幾百微安。穿透電流受溫度的影響很大，溫度升高會(huì)使ICEO明顯增大。

管子的β值越高，ICEO也會(huì)越大，所以β值大的管子溫度穩(wěn)

定性差。圖8-7測(cè)量穿透電流的電路

3．集電極最大允許電流ICM

集電極電流IC超過(guò)一定值后，β值下降。β值下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。因此，在使用晶體管時(shí)，IC超過(guò)ICM時(shí)，管子雖不至于被燒毀，但β值卻下降了許多。

4．集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

基極開(kāi)路時(shí)，加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓稱為集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓。使用時(shí)，加在集電極-發(fā)射極間的實(shí)際電壓應(yīng)小于此反向擊穿電壓，以免管子被擊穿。

5．集電極最大允許耗散功率PCM

因IC在流經(jīng)集電結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫升高，故會(huì)引起晶體管參數(shù)的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管子燒毀。因此必須限制管子的耗散功率。在規(guī)定結(jié)溫不超過(guò)允許值(鍺管為70～

90℃，硅管為150℃)時(shí)，集電極所消耗的最大功率稱為集電極最大允許耗散功率PCM。其計(jì)算式為

PCM=ICUCE

(8-4)

如圖8-6所示，在晶體管輸出特性曲線上作出PCM曲線，稱為功耗線。

8.2放大電路的基本概念

8.2.1放大的概念

1.信號(hào)放大的概念

一個(gè)需要被放大的電信號(hào)(例如從天線或傳感器得到的信號(hào))，其電壓、電流的幅度往往是很小的，通常是毫伏、微安數(shù)量級(jí)甚至更小，不足以推動(dòng)負(fù)載(例如喇叭、指示儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu))運(yùn)行。這個(gè)信號(hào)被放大以后，它隨時(shí)間而變化的規(guī)律要與放大前嚴(yán)格一致，但是其電壓、電流的幅度得到了較大提高。信號(hào)的這種變化過(guò)程稱為放大。實(shí)現(xiàn)放大功能的電子電路稱為放大電路(也稱為放大器)。

2.放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖

放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-8所示。

放大電路具有以下基本特點(diǎn):

(1)放大電路主要用于放大微弱信號(hào)，輸出電壓或電流在幅度上得到了放大，輸出信號(hào)的能量得到了加強(qiáng)。

(2)輸出信號(hào)的能量實(shí)際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過(guò)三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號(hào)能量，提供給負(fù)載。

(3)能夠控制能量轉(zhuǎn)換的器件稱為有源器件，如半導(dǎo)體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成放大器等。它們是組成放大電路的核心器件。圖8-8放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖8.2.2放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)

放大電路的性能指標(biāo)可以衡量一個(gè)放大器性能的好壞和特點(diǎn)。性能指標(biāo)主要包括放大倍數(shù)(或增益)、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等。

由于放大電路可以看成是一個(gè)有源四端雙口網(wǎng)絡(luò)，因此為了討論放大電路的性能指標(biāo)，將放大電路的等效網(wǎng)絡(luò)重畫(huà)于圖8-9中，并按雙口網(wǎng)絡(luò)的一般約定畫(huà)出電流的方向和電壓的極性，同時(shí)假定輸入信號(hào)為正弦波，圖中的電流和電壓均采用相量表示。這樣，我們就可以由這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端口特性來(lái)描述放大電路的性能指標(biāo)。圖8-9放大電路示意圖

1．放大倍數(shù)(或增益)

為衡量放大電路的放大能力，規(guī)定不失真時(shí)的輸出量與輸入量的比值叫做放大電路的放大倍數(shù)(A)，若換算為分貝數(shù)表示，則稱為增益(G)，即

(8-5)

電壓放大倍數(shù)定義為輸出電壓與輸入電壓之比，即

(8-6)

電流放大倍數(shù)定義為輸出電流與輸入電流之比，即

(8-7)

2．輸入電阻ri

從放大電路的輸入端看進(jìn)去的等效電阻稱為放大電路的輸入電阻，定義為

(8-8)

輸入電阻的大小決定了放大電路從信號(hào)源得到的信號(hào)幅度的大小，如圖8-9所示，可得

(8-9)

3．輸出電阻ro

輸出電阻是從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻，定義為

(8-10)

式(8-10)表示輸出電阻被定義為在輸入電壓源短路(電流源開(kāi)路)并保留Rs和負(fù)載開(kāi)路(因?yàn)樨?fù)載并不屬于放大電路)的情況下，如圖8-10所示，放大電路的輸出端所加測(cè)試電壓UT與其產(chǎn)生的測(cè)試電流IT的比值。圖8-10放大電路的輸出電阻輸出電阻的大小決定了放大電路帶負(fù)載的能力。在圖8-9中，放大電路的輸出信號(hào)相當(dāng)于負(fù)載的信號(hào)源，放大電路的輸出電阻相當(dāng)于信號(hào)源的內(nèi)阻?？梢钥闯?，負(fù)載上得到的輸出電壓并不與放大電路開(kāi)路輸出電壓相等，它們之間符合這樣的關(guān)系：

(8-11)

4．通頻帶

由于放大電路存在電抗元件或等效電抗元件，因此信號(hào)頻率過(guò)高或過(guò)低，放大倍數(shù)都要明顯地下降。但是，在中間一段頻率范圍內(nèi)，各種電抗的影響都可忽略，放大倍數(shù)基本不變，通常將此放大倍數(shù)稱為中頻放大倍數(shù)，記做Am。使放大倍數(shù)下降至0.707Am(即Am的1/

)時(shí)所對(duì)應(yīng)的高、低頻率分別稱為上限頻率fH及下限頻率fL，如圖8-11所示。圖8-11放大電路的頻率指標(biāo)放大電路的通頻帶寬度定義為

BW=fH－fL

(8-12)

通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。8.2.3基本放大電路的組成

圖8-12是共發(fā)射極接法的基本交流放大電路。圖中，輸入端接需要進(jìn)行放大的交流信號(hào)源，信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)為es，頻率在20Hz～200kHz范圍內(nèi)(屬低頻信號(hào))，Rs為信號(hào)源的內(nèi)阻，輸出端接負(fù)載電阻RL，輸出電壓為uo。圖8-12基本交流放大電路在圖8-12所示的電路中，用了兩個(gè)直流電源EC和EB，實(shí)際上EB可以省去，只由EC供電，將RB改接到EC的正極與基極之間，適當(dāng)改變RB的阻值，仍可使發(fā)射結(jié)正向偏置，如圖

8-13(a)所示。圖8-13基本交流放大電路

8.3基本放大電路的分析

8.3.1基本放大電路的靜態(tài)分析

1.放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的估算求解法

由于C1和C2具有隔斷直流的作用，所以圖8-13(b)所示的基本交流放大電路的直流通路如圖8-14所示。利用此直流通路，就可求出放大電路的各靜態(tài)值。由圖8-14可得

UCC=IBRB+UBE圖8-14放大電路的直流通路由于UBE為晶體管發(fā)射結(jié)的靜態(tài)壓降，因此從晶體管的輸入特性曲線可知，UBE的值較小且變化不大。通常硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V。UBE與UCC相比可忽略不計(jì)。因此，有

(8-13)

(8-14)

(8-15)

【例8-1】在圖8-14中，已知UCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，=37.5，試求放大電路的靜態(tài)值。

解由式(8-13)~式(8-15)可得

2.放大電路的靜態(tài)圖解分析

在如圖8-14所示的直流通路中，若晶體管的輸出特性曲線如圖8-15所示，那么晶體管的IC與UCE之間必須滿足該輸出特性曲線。圖8-15用圖解法確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)另一方面，從圖8-14所示的直流通路中可知，IC與UCE之間必須滿足基爾霍夫電壓定律(即結(jié)構(gòu)約束)，即

UCC=ICRC+UCE

(8-16)

或

(8-17)

因此，IC與UCE必須同時(shí)滿足輸出特性曲線和結(jié)構(gòu)約束曲線。這兩條曲線的交點(diǎn)處坐標(biāo)即為IC和UCE之值。將這兩條線對(duì)應(yīng)的兩個(gè)式子聯(lián)立求解，即可求出IC和UCE之值。

【例8-2】在圖8-14中，所用元件參數(shù)均與例8-1相同，晶體管的輸出特性曲線如圖8-15所示。試作出直流負(fù)載線并求靜態(tài)工作點(diǎn)。

解由圖8-14可列出輸出回路的電壓方程為

UCC=ICRC+UCE

此式即為直流負(fù)載線方程，只要找出這條直線上的兩個(gè)特殊點(diǎn)(分別為橫軸和縱軸上的截距)，就可作出該直線。當(dāng)IC=0時(shí)，有

UCE=UCC=12V

當(dāng)UCE=0時(shí)，有

在圖8-15中作出該直流負(fù)載線。由圖8-14可知:

則直流負(fù)載線與IB=40μA的那條輸出特性曲線的交點(diǎn)Q即為該交流放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)值為

IB=40μA

IC=1.5mA

UCE=6V

以上結(jié)果與例8-1采用估算法所得結(jié)果一致。8.3.2基本放大電路的動(dòng)態(tài)分析

1.圖解法

下面我們用圖解法分析不帶負(fù)載時(shí)交流放大電路的動(dòng)態(tài)情況。

在如圖8-16所示的交流放大電路中，各元件參數(shù)均已在圖中標(biāo)出，晶體管的輸入和輸出特性曲線如圖8-17所示。若放大電路的輸入信號(hào)ui=0.02sin(ωt)，則晶體管基極和發(fā)射極間的電壓uBE就是在原有直流分量UBE的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流分量ui，即

uBE=UBE+ui

由于uBE隨著輸入信號(hào)在變化，因此基極電流iB也會(huì)發(fā)生變化，從輸入特性曲線上可相應(yīng)作出iB的波形。它是在直流量IB的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流信號(hào)，即

iB=IB+ib圖8-16不帶負(fù)載的交流放大電路圖8-17用圖解法分析放大電路的動(dòng)態(tài)情況由圖8-17中iB的波形可知，iB在20～60μA之間變動(dòng)。

因?yàn)槲覀兎治龅氖遣粠ж?fù)載的簡(jiǎn)單情況，對(duì)放大電路的輸出回路而言，其交流通路與直流通路沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，因此可用直流負(fù)載線來(lái)討論交流信號(hào)放大的情況。

由圖8-17所示的輸出特性曲線可知，靜態(tài)時(shí)直流負(fù)載線與IB=40μA的那條輸出特性曲線的交點(diǎn)為Q，相應(yīng)的靜態(tài)值為

IB=40μA，IC=1.5mA，UCE=6V由于輸入信號(hào)使iB在20～60μA之間變化，因此相應(yīng)的工作點(diǎn)會(huì)沿著直流負(fù)載線在Q2、Q1之間來(lái)回移動(dòng)。相應(yīng)地作出iC和uCE的波形，如圖8-17所示，可知

iC=IC+ic

uCE=UCE+uce=UCE+uo

由于電容器C2的隔直作用，在放大器的輸出端可以得到一個(gè)不含直流成分的交流輸出電壓uo。很顯然，輸出的交流電壓uo就等于晶體管集電極-發(fā)射極間電壓的交流分量uce，即

uo=uce由以上圖解法分析可得出如下結(jié)論:

(1)當(dāng)放大器有交流信號(hào)輸入時(shí)，晶體管各極的電流和電壓都是在原靜態(tài)(直流)的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)由交流輸入信號(hào)產(chǎn)生的交流分量，即

(2)如無(wú)失真，則電路中各處電流與電壓的交流分量，如ib、ube、ic、uce與uo，都是和輸入信號(hào)ui頻率相同的正弦量。

(3)在共射接法的交流放大電路中，輸出電壓與輸入電壓的相位相反。這是因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)的正半周時(shí)，基極電流iB在原來(lái)靜態(tài)值的基礎(chǔ)上增大，iC也隨之增大，由式

uCE=UCC－iCRC

可知，uCE會(huì)在原來(lái)靜態(tài)的基礎(chǔ)上減小，因此，ui為正半周(正值)時(shí)，uo=uce為負(fù)半周(負(fù)值)，當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)，uo=uce為正半周。這種現(xiàn)象稱為放大器的倒相。由圖8-17可以計(jì)算出放大電路的電壓放大倍數(shù)Au。輸入

電壓的幅值為0.02V，從圖中可量出輸出電壓的幅值為3V，則一個(gè)放大器除了要有一定的電壓放大倍數(shù)外，還需要使所放大的信號(hào)不失真，即輸入信號(hào)是一個(gè)正弦波時(shí)，輸出信號(hào)也應(yīng)是一個(gè)放大了的正弦波，否則就會(huì)出現(xiàn)失真。造成失真的主要原因是靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏高(接近飽和區(qū))或偏低(接近截止區(qū))。如圖8-18所示，如果靜態(tài)時(shí)基極電流IB太大，工作點(diǎn)偏高(Q1點(diǎn))，則會(huì)造成飽和失真，使輸出電壓的負(fù)半周被削平；如果靜態(tài)時(shí)基極電流太小，工作點(diǎn)偏低(Q2點(diǎn))，則會(huì)造成截止失真，使輸出電壓的正半周被削平。所以，要使放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，必須給放大器設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖8-18工作點(diǎn)不合適而引起的波形失真

2.微變等效電路法

1)晶體管的微變等效電路

從圖8-19(a)所示的晶體管電路的輸入端看，ib與ube之間應(yīng)該遵循晶體管的輸入特性曲線，是非線性的。圖8-19晶體管及其微變等效電路但當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)，在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近的工作段可認(rèn)為是直線，如圖8-20所示。因此，在這一小段直線范圍內(nèi)，ΔUBE與ΔIB之比為常數(shù)，稱為晶體管的輸入電阻，用rbe表示，即

(8-18)圖8-20由輸入特性曲線求rbe因此，在小信號(hào)的情況下，晶體管的輸入電路可用電阻rbe來(lái)代替，如圖8-19(b)所示。低頻小功率晶體管的輸入電阻常用下式估算:

(8-19)

式中，IE是發(fā)射極電流的靜態(tài)值。rbe一般為幾百歐到幾千歐。必須注意的是，rbe是晶體管輸入電路對(duì)交流(動(dòng)態(tài))信號(hào)所呈現(xiàn)的一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，它不等于靜態(tài)值UBE與IB之比值，即rbe≠?gòu)木w管的輸出特性曲線可以看出，當(dāng)晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，如圖8-17所示，輸出特性為一組近似與橫軸平行的直線，因此uce對(duì)ic的影響不大，ic只由ib決定，即

ic=βib

所以，晶體管的輸出電路可用一個(gè)電流源ic=βib等效，如圖8-19(b)所示。必須注意，這個(gè)電流源ic是受基極電流ib控制的，這就體現(xiàn)了晶體管的電流控制作用。當(dāng)ib=0時(shí)，ic=βib

也不復(fù)存在。

2)放大電路的微變等效電路

在進(jìn)行放大電路的分析和計(jì)算時(shí)，通常采用的方法是將放大電路的靜態(tài)計(jì)算與動(dòng)態(tài)計(jì)算分開(kāi)進(jìn)行。在進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，先畫(huà)出放大電流的直流通路，根據(jù)直流通路采用估算法或圖解法求靜態(tài)值(靜態(tài)工作點(diǎn))。進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，先畫(huà)出放大電路的交流通路。圖8-21(a)是圖8-13(b)所示的基本交流放大電路的交流通路。對(duì)于交流信號(hào)而言，電容C1和C2可視做短路。因一般直流電源的內(nèi)阻很小，交流信號(hào)在電源內(nèi)阻上的壓降可以忽略不計(jì)，所以對(duì)交流而言，直流電源也可認(rèn)為是短路的。根據(jù)以上原則就可以畫(huà)出放大電路的交流通路。然后，將交流通路中的晶體管用它的微變等效電路代替，這樣就得到了放大電路的微變等效電路，如圖8-21(b)所示。圖8-21放大電路的交流通路和微變等效電路

3)電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻的計(jì)算

利用放大電路的微變等效電路，可以很方便地計(jì)算電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro。設(shè)輸入的是正弦信號(hào)，則微變等效電路中的電壓和電流均可用相量表示，如圖8-22所示。圖8-22微變等效電路由圖8-22可得:

式中，RL′=RC∥RL，是放大器總的等效交流負(fù)載。因此，放大電路的電壓放大倍數(shù)為

(8-20)

式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。當(dāng)放大電路不接負(fù)載(輸出端開(kāi)路)時(shí)，有

(8-21)

可見(jiàn)，接上負(fù)載RL后，電壓放大倍數(shù)要下降。

放大電路的輸入電阻是從放大電路的輸入端看進(jìn)去的等效電阻，其表達(dá)式為

(8-22)

放大電路的輸入電阻就是信號(hào)源的負(fù)載電阻，如圖8-23所示。圖8-23放大器的輸入電阻由圖8-23可知，如果放大電路的輸入電阻較小，則對(duì)電路有以下幾種影響。

(1)信號(hào)源輸出的電流將較大，這就相應(yīng)增加了信號(hào)源的負(fù)擔(dān)。

(2)實(shí)際加在放大器輸入端的電壓將較小，在放大器放大倍數(shù)不變的情況下，其輸出電壓將變小。

(3)在多級(jí)放大電路中，后一級(jí)的輸入電阻就是前一級(jí)的負(fù)載電阻，這樣會(huì)降低前一級(jí)的電壓放大倍數(shù)。因此，總是希望放大電路的輸入電阻大一些好。圖8-23所示的放大電路的輸入電阻為

ri=RB∥rbe

(8-23)

因RB>>rbe，故ri≈rbe，因此，這種放大器的輸入電阻不高。

注意：式(8-23)中只表示ri的值約等于rbe，但ri和rbe的意義是不同的，ri是指放大電路的輸入電阻，rbe是晶體管的輸入電阻，二者不能混淆。放大電路的輸出電阻是從放大電路的輸出端看進(jìn)去的一個(gè)電阻。圖8-21(b)所示電路的輸出電阻為

ro=RC

(8-24)

這表明共射接法的放大電路的輸出電阻就等于集電極負(fù)載電阻RC，一般為幾千歐到十幾千歐，比較大。通常希望放大電路的輸出電阻小一點(diǎn)，這樣可提高放大器帶負(fù)載的能力。

【例8-3】在圖8-13(b)所示的放大電路中,已知UCC=12V,

RC=4kΩ，RB=300kΩ，RL=4kΩ，β=37.5，試求不帶負(fù)載與帶負(fù)載兩種情況下的電壓放大倍數(shù)及放大電路的輸入電阻和輸出電阻。

解在例8-1中已求出

IC=1.5mA≈IE

則晶體管的輸入電阻為不帶負(fù)載時(shí)的電壓放大倍數(shù)為

帶負(fù)載時(shí)，等效負(fù)載電阻為

電壓放大倍數(shù)為

可見(jiàn)，放大器帶負(fù)載后電壓放大倍數(shù)降低了。放大電路的輸入電阻為

ri=RB∥rbe≈rbe=0.967kΩ

輸出電阻為

ro=RC=4kΩ

8.4分壓偏置放大電路

在固定偏置電路中，基極偏流

是固定不變的，當(dāng)溫度升高時(shí)，晶體管的穿透電流ICEO會(huì)隨著增大，這就導(dǎo)致晶體管的整個(gè)輸出特性曲線向上平移，如圖8-24中的虛線所示。在IB不變的情況下，所對(duì)應(yīng)的IC

都增大了，工作點(diǎn)由原來(lái)的Q點(diǎn)移到了Q′點(diǎn)。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使原來(lái)設(shè)置合適的工作點(diǎn)移到飽和區(qū)，使放大電路不能正常工作。為此，必須對(duì)這種固定偏置電路進(jìn)行改進(jìn)。由于溫度升高的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致IC增大，因此改進(jìn)后的偏置電路就應(yīng)具有這樣的功能，即只要IC增大，基極偏流IB就自動(dòng)減小，用IB的減小去抑制IC的增大，以保持工作點(diǎn)基本穩(wěn)定。圖8-24溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響分壓式偏置電路能自動(dòng)穩(wěn)定工作點(diǎn)，其電路如圖8-25(a)所示。其中，RB1和RB2構(gòu)成偏置電路。圖8-25(b)所示為其直

流通路。該電路是通過(guò)如下兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)自動(dòng)穩(wěn)定靜態(tài)工作

點(diǎn)的。圖8-25分壓式偏置電路及其直流通路

(1)由電阻RB1和RB2分壓為晶體管提供一個(gè)固定的基極電位UB。

由圖8-25(b)可知

I1=I2+IB

(8-25)

若使I2>>IB，則

(8-26)

基極電壓：

(8-27)

可見(jiàn)，UB與晶體管的參數(shù)無(wú)關(guān)，不受溫度的影響，僅由RB1和RB2的分壓電路所決定。為了使UB恒定不變，基本上不受IB變化的影響，應(yīng)使I2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IB，這就要使RB1和RB2的值取得較小。但若RB1和RB2值過(guò)小，則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)后果：其一是這兩個(gè)電阻消耗的直流功率會(huì)較大；其二是會(huì)減小放大電路的輸入電阻。因此，要統(tǒng)籌兼顧，通常按下式來(lái)確定I2，即

I2=(5～10)IB(8-28)

(2)發(fā)射極電阻RE的采樣作用。

因流過(guò)發(fā)射極電阻RE的電流為IE=IB+IC≈IC，故如果溫度升高導(dǎo)致IC增大，那么晶體管發(fā)射極的電壓UE=IERE≈ICRE就會(huì)相應(yīng)升高，在基極電壓UB固定不變的情況下，UBE=UB-UE將會(huì)減小，從而使IB減小，這樣就抑制了IC的增大。這個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程可表示如下：為了提高這種自動(dòng)調(diào)節(jié)的靈敏度，采樣電阻RE越大越好，這樣，只要IC發(fā)生一點(diǎn)微小的變化，就會(huì)使UE發(fā)生明顯的變化。但RE太大會(huì)使其上的靜態(tài)壓降增大，在電源電壓一定的情況下，管子的靜態(tài)壓降UCE就會(huì)相應(yīng)減小，從而減小了放大電路輸出電壓的變化范圍。因此RE不能取得過(guò)大，要統(tǒng)籌兼顧，通常按下式來(lái)選擇，即

UE=(5～10)UBE

(8-29)

【例8-4】在圖8-25(a)所示的放大電路中,已知UCC=12V,

RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=2kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=40，C1、C2和CE對(duì)交流信號(hào)而言均可視做短路。

(1)用估算法求靜態(tài)值；

(2)求有旁路電容和無(wú)旁路電容兩種情況下的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro；

(3)當(dāng)信號(hào)源電動(dòng)勢(shì)es=0.02sin(ωt)V，內(nèi)阻Rs=0.5kΩ時(shí)，求有旁路電容時(shí)的輸出電壓Uo。

解

(1)利用圖8-25(b)所示的直流通路估算靜態(tài)值，得

發(fā)射極電流為

集電極電流為

IC≈IE=1.65mA基極電流為

管子的靜態(tài)壓降為

UCE≈UCC－IC(RC+RE)

=12－1.65×(2+2)=5.4V

(2)有旁路電容CE時(shí)，該放大電路的微變等效電路如圖

8-26所示。

因此可得：圖8-26有旁路電路CE時(shí)的微變等效電路無(wú)旁路電容時(shí)，該放大電路的微變等效電路如圖8-27

所示。

由圖可知:

電壓放大倍數(shù)為圖8-27無(wú)旁路電容CE時(shí)的微變等效電路可見(jiàn)，不接旁路電容時(shí)，電壓放大倍數(shù)會(huì)明顯降低。代入有關(guān)數(shù)據(jù)后可得

從圖8-27中ab兩端往右看進(jìn)去的等效電阻為則此種情況的輸入電阻為

兩種情況下的輸出電阻均為ro=RC=2kΩ。

(3)當(dāng)es=0.02sin(ωt)V，Rs=0.5kΩ時(shí)，由圖8-26可知：

則所以

因有旁路電容時(shí)的電壓放大倍數(shù):

Au=51

所以

Uo=0.00925×51=0.472V

8.5射極輸出器

射極輸出器的電路如圖8-28(a)所示。和前面所講的放大電路相比，射極輸出器在電路結(jié)構(gòu)上有兩點(diǎn)不同：一是前面放大電路是從晶體管的集電極和“地”之間取輸出電壓，而本電路是從發(fā)射極和“地”之間取輸出電壓，故稱為射極輸出器；二是前面放大電路為共發(fā)射極接法，而從圖8-28(b)所示的射極輸出器的微變等效電路中可以看出，集電極C對(duì)于交流信號(hào)而言是接“地”的，這樣集電極就成了輸入電路與輸出電路的公共端，所以，射極輸出器為共集電極電路。

圖8-28射極輸出器及其微變等效電路8.5.1靜態(tài)分析

利用射極輸出器的直接通路可求出各靜態(tài)值。因?yàn)?/p>

(8-30)

所以

(8-31)

(8-32)

(8-33)8.5.2動(dòng)態(tài)分析

1．電壓放大倍數(shù)

由圖8-28(b)所示的微變等效電路可得

(8-34)

則

(8-35)

式中，RL′=RE∥RL。由式(8-35)可知：

(1)因?yàn)閞be<<(1+β)RL′，所以射極輸出器的電壓放大倍數(shù)接近于1，但恒小于1。故射極輸出器無(wú)電壓放大作用。由于Ie=(1+β)Ib，因此有電流放大和功率放大作用。

(2)輸出電壓與輸入電壓同相，且大小近似相等，即

這就是射極輸出器的跟隨作用(即輸出電壓跟著輸入電壓的變化而變化)，故射極輸出器又稱為射極跟隨器。

2．輸入電阻

從圖8-28(b)所示的微變等效電路的輸入端看進(jìn)去，射極輸出器的輸入電阻為

ri=RB∥［rbe+(1+β)RL′］

(8-36)

由式(8-36)可知，因?yàn)镽B的值一般為幾十千歐到幾百千歐，rbe+(1+β)RL′一般也有幾十千歐以上，所以射極輸出器具有很高的輸入電阻，一般可達(dá)幾十千歐到幾百千歐，比前面所講的共射接法的放大電路的輸入電阻大得多。

3．輸出電阻

從圖8-28(b)所示的微變等效電路的輸出端看進(jìn)去，射極輸出器的輸出電阻為

(8-37)

式中，Rs′=Rs∥RB。

例如，β=40，rbe=0.8kΩ，Rs=50Ω，RB=120kΩ，則

【例8-5】在圖8-28(a)所示的射極輸出器中，已知UCC=12V，β=50，RB=200kΩ，RE=2kΩ，RL=2kΩ，信號(hào)源內(nèi)阻Rs=0.5kΩ。試求:

(1)靜態(tài)值；

(2)Au、ri和ro。

解

(1)

(2)

則

8.6互補(bǔ)功率放大電路

一個(gè)多級(jí)放大電路通常由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)組成，如圖8-29所示。輸入級(jí)以解決與信號(hào)源的匹配及抑制零漂為主；中間級(jí)又稱為電壓放大級(jí)，負(fù)責(zé)將微弱的輸入信號(hào)電壓放大到足夠的幅度；輸出級(jí)的任務(wù)是向負(fù)載提供足夠大的輸出功率，以推動(dòng)負(fù)載工作，例如使喇叭發(fā)聲，使儀表指針偏轉(zhuǎn)，使繼電器動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)等，所以輸出級(jí)又稱為功率放大級(jí)。

圖8-29多級(jí)放大電路8.6.1對(duì)功率放大電路的基本要求

對(duì)功率放大電路(功率放大器)的基本要求有3點(diǎn)：

(1)輸出功率盡可能大。為了獲得較大的功率，晶體管一般都工作在高電壓、大電流的極限情況下，但不得超過(guò)晶體管的極限參數(shù)PCM、ICM和U(BR)CEO。

(2)效率要高。由于功率放大器的輸出功率大，因而直流電源所提供的功率也大。這就要求功率放大器在將直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)榘摧斎胄盘?hào)變化的交流功率時(shí)，盡可能提高效率。功率放大器的效率η等于其輸出的交流功率Po與直流電源提供的直流功率PE的比值，即

(8-38)由式(8-38)可知，要想提高效率，必須從兩方面著手：一是盡量使放大電路的動(dòng)態(tài)工作范圍加大，以此來(lái)增大輸出交流電壓和電流的幅度，從而增大輸出功率；二是減小電源供給的直流功率。在UCC一定的情況下，電源供給的直流功率為

PE=UCCIC(AV)

(8-39)

式中，IC(AV)是集電極電流的平均值。為了減小PE，可將靜態(tài)工作點(diǎn)Q沿負(fù)載線下移，使靜態(tài)電流IC減小。在前面所講的電壓放大電路中，靜態(tài)工作點(diǎn)一般都設(shè)在負(fù)載線的中點(diǎn)，如圖8-30(a)所示，這類工作狀態(tài)稱為甲類工作狀態(tài)。甲類工作狀態(tài)時(shí)的最高效率也只能達(dá)到50%。圖

8-30(b)所示為乙類工作狀態(tài)，此時(shí)的工作點(diǎn)位于截止區(qū)，靜態(tài)電流IC≈0，晶體管的損耗最小，工作在乙類狀態(tài)的最高效率可達(dá)到78.5%。圖8-30(c)所示為甲乙類工作狀態(tài)，工作點(diǎn)介于甲類與乙類工作狀態(tài)之間。

圖8-30放大電路的工作狀態(tài)

(3)非線性失真要小。由于功率放大器是大信號(hào)運(yùn)行，因此其工作點(diǎn)的移動(dòng)范圍很大，接近于管子的截止區(qū)和飽和區(qū)。又因?yàn)榫w管是一種非線性元件，因此其波形易產(chǎn)生較大的非線性失真。雖然功率放大器的輸出波形不可能完全不失真，但是要使失真限制在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。8.6.2

OCL互補(bǔ)功率放大電路

圖8-31所示是OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。圖中，EC1=EC2；晶體管V1是NPN型，V2是PNP型，V1和V2的性能基本一致；兩個(gè)晶體管的基極和發(fā)射極彼此分別連在一起；信號(hào)由基極輸入，然后從發(fā)射極傳送到負(fù)載。這個(gè)電路實(shí)際上是由兩個(gè)射極輸出器組成的。靜態(tài)時(shí)，由于基極回路沒(méi)有偏流，兩個(gè)晶體管都處于截止?fàn)顟B(tài)，靜態(tài)集電極電流IC1=IC2≈0,所以電路工作在乙類狀態(tài)。

圖8-31

OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大電路有輸入信號(hào)時(shí)，在信號(hào)的正半周，V1導(dǎo)通，V2截止，電流iC1按如圖8-31中所示的方向流經(jīng)負(fù)載RL，在負(fù)載上產(chǎn)生輸出電壓的正半周，如圖8-32所示；在信號(hào)的負(fù)半周，V1截止，V2導(dǎo)通，電流iC2按如圖8-31中所示的方向流經(jīng)負(fù)載RL，在RL上產(chǎn)生輸出電壓的負(fù)半周，如圖8-32所示。在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，V1和V2輪流導(dǎo)通，iC1和iC2分別從相反的方向流經(jīng)RL，在RL上合成為一個(gè)完整的波形，因此該電路稱為互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路。由于這種電路的輸出端沒(méi)有耦合電容，所以又稱為無(wú)輸出電容電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。圖8-32交越失真為了克服交越失真，應(yīng)設(shè)置偏置電路，給V1和V2提供很小的基極偏流，使放大電路工作在甲乙類狀態(tài)。圖8-33就是一種工作在甲乙類狀態(tài)下的OCL互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。圖中，二極管VD1和VD2串聯(lián)后接在V1和V2的基極之間，靜態(tài)時(shí)，VD1和VD2的正向壓降可使V1和V2處于微導(dǎo)通狀態(tài)，因此電路的靜態(tài)工作點(diǎn)較低，處于甲乙類工作狀態(tài)。因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管的特性基本一致，電路是對(duì)稱的，使得兩管的發(fā)射極電位UE=0，所以靜態(tài)時(shí)負(fù)載上沒(méi)有電流。圖8-33放大電路工作在甲乙類狀態(tài)8.6.3

OTL互補(bǔ)功率放大電路

8.6.2節(jié)介紹的OCL電路需要兩個(gè)電源，為了省去一個(gè)電源，可采用如圖8-34所示的無(wú)輸出變壓器的互補(bǔ)對(duì)稱放大電路，這種電路簡(jiǎn)稱為OTL電路。該電路用一個(gè)容量較大的耦合電容C代替了圖8-31中EC2的作用。靜態(tài)時(shí)，由于兩管的基極均無(wú)偏流，所以V1和V2均處于截止?fàn)顟B(tài)，電路工作于乙類狀態(tài)。由于電路的對(duì)稱性，兩管發(fā)射極的靜態(tài)電位

電容器上的直流電壓也等于圖8-34

OTL互補(bǔ)對(duì)稱放大電路8.6.4復(fù)合管

上述互補(bǔ)對(duì)稱電路要求有一對(duì)特性相同的NPN和PNP型輸出功率管。在輸出功率較小時(shí)，比較容易選配這對(duì)晶體管，但在要求輸出功率較大時(shí)，就難于配對(duì)，因此采用復(fù)合管。圖8-35列舉了兩種類型的復(fù)合管。圖8-35復(fù)合管下面以圖8-35(a)所示的復(fù)合管為例，討論復(fù)合管的電流放大系數(shù)。因

ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2=β1ib1+β2ie1

=β1ib1+β2(1+β1)ib1≈β1β2ib1

(8-40)

可得復(fù)合管的電流放大系數(shù)為

(8-41)由圖8-35(b)可以看出，復(fù)合管的類型與第一個(gè)晶體管V1相同，而與后接晶體管V2的類型無(wú)關(guān)。

圖8-36是一個(gè)由復(fù)合管組成的OTL互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。將復(fù)合管分別看成一個(gè)NPN型和一個(gè)PNP型晶體管后，該電路與圖8-34所示的電路完全相同。圖8-36由復(fù)合管組成的OTL互補(bǔ)對(duì)稱電路8.6.5集成功率放大器簡(jiǎn)介

5G37的內(nèi)部是由兩級(jí)直接耦合電路組成的OTL功率放大電路。它具有工作電源范圍大(可在6~18V的直流電源下正常工作)、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，并具有足夠的輸出功率(在18V的直流電源下，可向8Ω負(fù)載提供2～3W的不失真功率)，主要用于彩色、黑白電視機(jī)的伴音功率放大電路或其他音頻設(shè)備中的功率放大器。5G37的外引線排列圖如圖8-37所示。圖8-37

5G37的外引線排列圖各引腳的功能如下：

引腳1：閉環(huán)增益控制。

引腳2：輸入端。

引腳3，4：防止自激振蕩。

引腳5：接地端。

引腳6：輸出端。

引腳7：接電源端。

引腳8：自舉端。

在使用集成功率放大器時(shí)，都要加接適當(dāng)?shù)耐鈬娐贰?G37用作音頻功率放大時(shí)的外圍電路如圖8-38所示。圖8-38

5G37用作音頻功率放大時(shí)的外圍電路

8.7場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管及其放大電路

8.7.1場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管的分類

1.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管按其結(jié)構(gòu)不同分為N溝道和P溝道兩類，每種又有增強(qiáng)型和耗盡型兩類。下面簡(jiǎn)單介紹它們的工作原理。

圖8-39是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管示意圖。

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，稱做漏極D和源極S，如圖8-39(a)所示。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝一個(gè)鋁電極，稱做柵極G。另外，在襯底上也引出一個(gè)電極B，這樣就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。它的柵極與其他電極間是絕緣的。圖8-39(b)是它的符號(hào)。圖中，其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。圖8-39

N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管在出廠前已連接好)。由圖8-40(a)可以看出，漏極D和源極S之間被P型襯底隔開(kāi)，則漏極D和源極S之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓UGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓UDS，不論UDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流ID≈0。圖8-40

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成圖若在柵-源極間加上正向電壓，即UGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。當(dāng)UGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，

漏-源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖8-40(b)所示。當(dāng)UGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子增多。當(dāng)UGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖

8-40(c)所示。UGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開(kāi)啟電壓，用UT

表示。由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管在UGS＜UT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)UGS≥UT時(shí)，才有溝道形成，此時(shí)在漏-源極間加上正向電壓UDS，才有漏極電流ID產(chǎn)生，而且隨著UGS增大，溝道變厚，溝道電阻減小，ID增大。這是N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓控制的作用，因此，場(chǎng)效應(yīng)管通常也稱為壓控三極管。

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖8-41和圖8-42所示。圖8-41

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線圖8-42

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

2．耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

從結(jié)構(gòu)上看，N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管與N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相似，其區(qū)別僅在于當(dāng)柵-源極間電壓UGS=0時(shí)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管中的漏-源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在UGS≥UT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。其原因是：制造N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖8-43(a)所示，因此即使UGS=0，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏-源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓UDS，就有電流ID。

圖8-43

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管如果加上正的UGS，則柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，ID增大；反之，當(dāng)UGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當(dāng)UGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，ID趨于零，該管截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用UP表示，為負(fù)值。在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情況下，均能實(shí)現(xiàn)對(duì)ID的控制，而且仍能保持柵-源極間有很大的絕緣電阻，使柵極電流下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)ID的控制，而且仍能保持柵-源極間有很大的絕緣電阻，使柵極電流為零。這是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖8-43(b)是N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)。圖8-44是N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線，圖8-45是N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。實(shí)驗(yàn)表明，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可近似表示為

(8-42)

式中，IDSS為飽和漏電流。圖8-44

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線圖8-45

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線以上介紹了N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)增強(qiáng)型管和耗盡型管，實(shí)際上P溝道也有增強(qiáng)型和耗盡型，其符號(hào)如圖8-46所示。圖8-46

P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)于場(chǎng)效應(yīng)管的各種參數(shù)及特性見(jiàn)相關(guān)資料。

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管還有一個(gè)表示放大能力的參數(shù)，即跨導(dǎo)，用符號(hào)gm表示?？鐚?dǎo)gm是當(dāng)漏-源電壓UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的增量ΔID對(duì)引起這一變化的柵-源電壓ΔUGS的比值，即

(8-43)

跨導(dǎo)是衡量場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵-源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù)，它的單位是μA/V或mA/V。8.7.2場(chǎng)效應(yīng)三極管放大電路

1．自偏壓偏置電路

圖8-47所示的電路是一個(gè)自偏壓偏置電路。圖中，源極電流IS(等于ID)流經(jīng)源極電阻RS，在RS上產(chǎn)生電壓降RSIS。顯然，UGS=－RSIS=－RSID，它是自給偏壓。

RS為源極電阻，靜態(tài)工作點(diǎn)受它控制，其阻值約為幾千歐。

CS為源極電阻上的交流旁路電容，其容量約為幾十微法。

RG為柵極電阻，用以構(gòu)成柵、源極間的直流通路，RG

的值不能太小，否則影響放大電路的輸入電阻，其阻值約

為200kΩ～10MΩ。

RD為漏極電阻，它使放大電路具有電壓放大功能，其阻值約為幾十千歐。

C1、C2分別為輸入電路和輸出電路的耦合電容，其容量約為0.01～0.047μF。圖8-47耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的自偏壓偏置電路

2．分壓式偏置電路

圖8-48所示為分壓式偏置電路。圖中，RG1和RG2為分壓電阻。

柵-源電壓為(電阻RG中并無(wú)電流通過(guò))

(8-44)

式中，UG為柵極電位。對(duì)N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，UGS為負(fù)值，所以RSID＞UG；對(duì)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，UGS為正值，所以RSID＜UG。圖8-48分壓式偏置電路當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，我們對(duì)放大電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，主要是分析它的電壓放大倍數(shù)及輸入電阻與輸出電阻。圖8-49是圖8-48所示的分壓式偏置放大電路的交流通路。設(shè)輸入信號(hào)為正弦量。圖8-49分壓式偏置放大電路的交流通路在圖8-48所示的分壓式偏置電路中，假如RG=0，則放大電路的輸入電阻為

ri=RG1∥RG2∥rGS≈RG1∥RG2

因?yàn)閳?chǎng)效晶體管的輸入電阻rGS是很高的，比RG1或RG2都高得多，所以三者并聯(lián)后可將rGS略去。顯然，RG1和RG2的接入使放大電路的輸入電阻降低了。因此，通常在分壓點(diǎn)和柵極之間接入一個(gè)阻值較高的電阻RG，這樣就大大提高了放大電路的輸入電阻。因此，輸入電阻為

ri=RG+(RG1∥RG2)

(8-45)

RG的接入對(duì)電壓放大倍數(shù)并無(wú)影響。在靜態(tài)時(shí)，RG中無(wú)電流通過(guò)，因此也不影響靜態(tài)工作點(diǎn)。

由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性具有恒流特性(由輸出特性曲線可見(jiàn))，又因

故其輸出電阻是很高的。在共源極放大電路中，漏極電阻RD和場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電阻rDS是并聯(lián)的，所以當(dāng)rDS>>RD時(shí)，放大電路的輸出電阻為

ro≈RD(8-46)

這點(diǎn)和晶體管共發(fā)射極放大電路是類似的。輸出電壓為

(8-47)

式中，

電壓放大倍數(shù)為

(8-48)

式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓和輸入電壓反相。

【例8-6】在圖8-48所示的放大電路中,已知UDD=20V,RD=10kΩ，RS=10kΩ,RG1=200kΩ,RG2=51Kω,RG=1MΩ,RL=10kΩ。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為IDSS=0.9mA，UP=－4V，gm=1.5。試求：

(1)靜態(tài)值；

(2)電壓放大倍數(shù)。

解

(1)由電路圖可知:

并可列出

UGS=UG－RSID=4－10×103ID在UP≤UGS≤0范圍內(nèi)，耗盡型場(chǎng)效晶體管的轉(zhuǎn)移特性可近似用下式表示:

聯(lián)立上列兩式可得

解之得

ID=0.5mA,

UGS=－1V并由此得

(2)電壓放大倍數(shù)為

式中，RL′=RD∥RL。小結(jié)

一、基本要求

1.理解三極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特性曲線，理解其主要參數(shù)的意義，理解晶體管的電流分配和放大作用。

2.理解共發(fā)射極基本放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握靜態(tài)工作點(diǎn)的估算，掌握微變等效電路的分析方法，了解輸入電阻、輸出電阻的概念，掌握射極輸出器的特點(diǎn)。

3.了解基本的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。

4.了解共源極放大電路的工作原理。

二、內(nèi)容提要

1．三極管是具有放大作用的半導(dǎo)體器件，根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理的不同可分為雙極型三極管和單極型三極管。雙極型三極管(簡(jiǎn)稱BJT)又稱晶體三極管，它工作時(shí)有空穴和自由電子兩種載流子參與導(dǎo)電；單極型三極管又稱場(chǎng)效應(yīng)管(簡(jiǎn)稱FET)，工作時(shí)只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電。

2．晶體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)組成的有源三端器件，分為NPN和PNP兩種類型，根據(jù)材料不同有硅管和鍺管之分。晶體三極管中三個(gè)電極電流之間的關(guān)系為：iC＝βiB＋I(xiàn)CBO≈βiB，iE=iC+iB。其中，iC、iB、iE分別為集電極、基極、發(fā)射極電流；ICEO為穿透電流；β為共發(fā)射極電流放大系數(shù)，是晶體三極管的基本參數(shù)。

3．晶體三極管因偏置條件不同，有放大、截止、飽和三種工作狀態(tài)。

放大狀態(tài)的偏置條件為：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。其工作特點(diǎn)為：iC＝βiB，即iC具有恒流特性，三極管具有線性放大作用。截止?fàn)顟B(tài)的偏置條件為：發(fā)射結(jié)零偏或反偏，集電結(jié)反偏。其工作特點(diǎn)為：iB≈0，iC≈0。飽和狀態(tài)的偏置條件為:發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。其工作特點(diǎn)為：uCE＜uBE，iC<βiB，iC不受iB控制，而隨uCE增大迅速增大。

4．使用晶體三極管時(shí)應(yīng)注意管子的極限參數(shù)ICM、PCM和U(BR)CEO，以防止三極管損壞或性能變差，同時(shí)還要注意溫度對(duì)三極管特性的影響，ICEO越小的管子，其穩(wěn)定性就越好。由于硅管的溫度穩(wěn)定性比鍺管好得多，所以，目前電路中一般都采用硅管。

5．在三極管電路中，只研究直流電源作用下，電路中各直流量大小的分析稱為直流分析(也稱為靜態(tài)分析)，由此而確定的各極直流電壓和電流稱為靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)。當(dāng)外電路接入交流信號(hào)后，為了確定疊