模擬電子第三章-三極管講訴

1、第三章放大電路基礎(chǔ)3.1 放大電路的基本知識(shí)教學(xué)要求掌握放大電路放大倍數(shù)的意義及其求法；掌握放大電路輸入電阻的意義及其求法；掌握放大電路輸出電阻的意義及其求法.一、放大電路的組成1. 電路組成方框圖圖中信號(hào)源提供需放大的電信號(hào)， 可由換能器提供，也可是前一級(jí)電路的輸出信號(hào)；負(fù)載接受輸出信號(hào)，可由輸出換能器構(gòu)成，也可為下一級(jí)電路的輸入電阻；直流電源給放大電路提供能量； 放大電路進(jìn)行信號(hào)放大， 一般由基本放大單元組成的多級(jí)放大電路，如上圖（ c）所示。二、放大電路的主要性能指標(biāo)1. 放大倍數(shù) ：衡量放大電路的放大能力。3. 輸出電阻：放大電路的輸出相當(dāng)于負(fù)載的信號(hào)源，該信號(hào)源的內(nèi)阻稱為電路的輸出電

2、阻。其中，uot 為負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓； uo 帶負(fù)載時(shí)的輸出電壓， Ro 越小，uot 和 uo越接近。4. 通頻帶與頻率失真：放大電路中含有的電抗元件（外接或有源器件內(nèi)部寄生）使放大電路對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的放大能力，這就是放大電路的頻率特性，可分為幅頻特性和相頻特性。幅頻特性和相頻特性： ，Au( f ) 為幅頻特性； ( f ) 為相頻特性頻帶寬度 ( 帶寬 ) BW：當(dāng)放大倍數(shù)下降到最大放大倍數(shù)的0.7 倍時(shí)低端頻率和高端頻率稱為放大電路的下限頻率和上 限頻率，分別用 f H和 f L 表示。 BW0.7( Band W idth) = fHfL放大電路所需的通頻帶由輸入信號(hào)

3、的頻帶來確定，為了不失真地放大信號(hào)，要求放大電路的通頻帶應(yīng)大于信號(hào)的頻帶。如果放大電路的通頻帶小于信號(hào)的頻帶，由于信號(hào)低頻段或高頻段的放大倍數(shù)下降過多，放大后的信號(hào)不能重現(xiàn)原來的形狀，也就是輸出信號(hào)產(chǎn)生了失真。這種失真稱為放大電路的頻率失真， 由于它是線性的電抗元件引起的，在輸出信號(hào)中并不產(chǎn)生新的頻率成分， 僅是原有各頻率分量的相對(duì)大小和相位發(fā)生了變化，故這種失真是一種線性失真。5. 最大輸出功率和效率：3.2三種基本組態(tài)放大電路教學(xué)要求掌握三極管三種組態(tài)放大電路的工作原理；會(huì)對(duì)放大電路的主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析；了解場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的工作原理。一、共發(fā)射極放大電路（一）電路的組成直流電源 V C

4、C 通過 RB1、RB2、RC、RE 使三極管獲得合適的偏置，為三極管的放大作用提供必要的條件， RB1、 RB2 稱為基極偏置電阻， RE 稱為發(fā)射極電阻， RC 稱為集電極負(fù)載電阻，利用 RC 的降壓作用，將三極管集電極電流的變化轉(zhuǎn)換成集電極電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電壓放大。 與 RE 并聯(lián)的電容 CE，稱為發(fā)射極旁路電容， 用以短路交流，使 RE 對(duì)放大電路的電壓放大倍數(shù)不產(chǎn)生影響，故要求它對(duì)信號(hào)頻率的容抗越小越好，因此，在低頻放大電路中通常也采用電解電容器。VCC( 直流電源 )使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；向負(fù)載和各元件提供功率C1、C2( 耦合電容 )隔直流、通交流；RB1、RB2(

5、 基極偏置 電 提供合適的基極電流阻 ) ：RC( 集電極負(fù)載電阻 ) ：將ICUC ，使電流放大電壓放大RE( 發(fā)射極電阻 ) ：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)“ Q ”CE( 發(fā)射極旁路電容 ) ：短路交流，消除RE 對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響（二）直流分析斷開放大電路中的所有電容，即得到直流通路，如下圖所示，此電路又稱為分壓偏置式工作點(diǎn)穩(wěn)定直電流通路。電路工作要求：I 1(510)I BQ，UBQ(510)UBEQ求靜態(tài)工作點(diǎn) Q：方法 1. 估算工作點(diǎn) Q不穩(wěn)定的主要原因： Vcc 波動(dòng)，管子老化，溫度變化穩(wěn)定Q點(diǎn)的原理：方法 2. 利用戴維寧定理求IBQ（三）性能指標(biāo)分析將放大電路中的 C1、C2、 CE

6、短路，電源 VCC短路，得到交流通路，然后將三極管用 H 參數(shù)小信號(hào)電路模型代入，便得到放大電路小信號(hào)電路模型如下圖所示。1. 電壓放大倍數(shù)2. 輸入電阻3. 輸出電阻： Ro = RC沒有旁路電容 CE 時(shí)：1. 電壓放大倍數(shù)源電壓放大倍數(shù)2. 輸入電阻3. 輸出電阻： Ro = RC二、 共集電極放大電路( 射極輸出器、射極跟隨器)（一）電路組成與靜態(tài)工作點(diǎn)共集電極放大電路如下圖 (a) 所示，圖 (b) 、(c) 分別是它的直流通路和交流通路。由交流通路看，三極管的集電極是交流地電位，輸入信號(hào) ui 和輸出信號(hào) uo 以它為公共端，故稱它為共集電極放大電路， 同時(shí)由于輸出信號(hào)uo 取自發(fā)

7、射極，又叫做射極輸出器。IBQI CQ = I BQ ， UCEQ = VCCICQ RE= (VCC UBEQ) / RB +(1+ RE（二）性能指標(biāo)分析1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻R L = RE / RL3.輸出電阻共集電極電路特點(diǎn)共集電極電路用途1.Uo 與 Ui 同相，具有電壓跟隨作用1.高阻抗輸入級(jí)2.無電壓放大作用Au 12.低阻抗輸出級(jí)3.輸入電阻高；輸出電阻低3.中間隔離級(jí)三、共基極放大電路共基極放大電路如下圖所示。由圖可見，交流信號(hào)通過晶體三極管基極旁路電容C2 接地，因此輸入信號(hào) ui 由發(fā)射極引入、輸出信號(hào) uo 由集電極引出，它們都以基極為公共端，故稱共基極放大電路

8、。從直流通路看，也構(gòu)成分壓式電流負(fù)反饋偏置。（一）求“ Q”略（二）性能指標(biāo)分析RO=RC（三）特點(diǎn)共基極放大電路具有輸出電壓與輸入電壓同相，電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻小、輸出電阻大等特點(diǎn)。由于共基極電路有較好的高頻特性，故廣泛用于高頻或?qū)拵Х糯箅娐分?。四、?chǎng)效應(yīng)管放大電路三種組態(tài)： 共源、共柵、共漏特點(diǎn)：輸入電阻高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，但電壓放大倍數(shù)較低，常作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)。（一）直流偏置電路1. 自給偏置電路由于柵極不吸取電流， RG 中無電流，柵極 G與源極 S 之間的偏壓 UGSQ=-I DQRS。這種偏置方式稱為自給偏置電路。柵極電阻RG 的作用：為柵偏壓提供通路，瀉放柵極積累

9、電荷。源極電阻RS 的作用：為柵極提供負(fù)偏壓。漏極電阻RD 的作用：變 i D 的變化為uDS 的變化， UGSQ = U GQ USQ = IDQRS2. 分壓式自偏壓電路（二）性能指標(biāo)分析1. 共源放大電路Ri、 Ro 不變2. 共漏放大電路3.3 差分放大電路教學(xué)要求掌握差分放大電路的工作原理；理解具有恒流源差分放大電路的工作原理；熟悉差分放大電路的輸入、輸出方式及特點(diǎn)。一、差分放大電路工作原理( Differential Amplifier )（一）差分放大電路的組成及靜態(tài)分析電路組成： T1 T2 電路對(duì)稱；公用發(fā)射極電阻 Re；采用雙電源 使 UBQ0，直流不經(jīng)交流信號(hào)源，以免信號(hào)

10、 源內(nèi)阻不同時(shí)，影響 Q 點(diǎn)。電路特點(diǎn)： 元件參數(shù)對(duì)稱；兩端輸入，兩端輸出；雙電源供電；能有效地克服零點(diǎn)漂移。ui1= ui2時(shí)， uo = 0；靜態(tài)分析： VEE = UBEQ + I EEREE，I EE = (VEE UBEQ ) / REE，I CQ1 = I CQ2(VEE UBEQ) / 2REE ，UCQ1 = VCCICQ1RCUCQ2 = VCC ICQ2RCUo = UCQ1 UCQ2 = 0（二）動(dòng)態(tài)分析1. 差模輸入與差模特性差模輸入： 差分放大電路的兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等，極性相反。差模電壓放大倍數(shù)： 差模輸出電壓 uod 與差模輸入電壓 uid 的比值。差模輸入電阻：

11、 從放大電路兩個(gè)輸入端看進(jìn)去所呈現(xiàn)的等效電阻。差模輸出電阻： 差分放大電路兩管集電極之間對(duì)差模信號(hào)所呈現(xiàn)的電阻。差模輸入：ui1 = ui2 ，大小相同，極性相反。差模輸入電壓：uid = ui1 ui2 = 2ui1 使得 ic1 = i c2， uo1 = uo2差模輸出電壓uod = uC1 uC2 = uo1 ( uo2)= 2uo1差模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻： Rid = 2rbe差模輸出電阻： Rod = 2RC2. 共模輸入與共模擬制比共模輸入：差分放大電路的兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等，極性相同。共模擬制比（ KCMR）：差分放大電路放大差模信號(hào)，擬制共模信號(hào)的能力。在實(shí)際電路中，兩

12、管電路不可能完全相同，因此， uoc 不等于零，但要求 uoc 越小越好。雙端共模輸出電壓 uoc 與共模輸入電壓 uic 之比，定義為差分放大電路的共模電壓放大倍數(shù) Auc，即 Auc=uoc/ uic 。顯然，完全對(duì)稱的差分放大電路， Auc=0。共模輸入ui1 = ui2，大小相同，極性相同共模輸入電壓uic = ui1= ui2 ，使得 i e1 = ie2 ，ue = 2ie1REE共模輸出電壓uoc = uC1 uC2 =0，共模擬制比二、具有電流源的差分放大電路（一）電流源電路提高電路共模擬制比的設(shè)計(jì)思想：增大電阻REE，比較合理的方法是用恒流源來代替REE。1. 三極管電流源特

13、點(diǎn)：直流電阻為有限值，動(dòng)態(tài)電阻無窮大。2. 比例型電流源為了提高電流源輸出電流的溫度穩(wěn)定性， 常利用二極管來補(bǔ)償三極管的 UBE隨溫度變化對(duì)輸出電流的影響， 如下圖 a) 所示。當(dāng)二極管與三極管發(fā)射結(jié)具有相同的溫度系數(shù)時(shí)，可達(dá)到較好的補(bǔ)償效果。在集成電路中，常用三極管接成二極管來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償作用，如下圖 (b) 所示。其中 IREF 稱為基準(zhǔn)電流，由于 I0 與 IREF 成比例，故稱為比例型電流源。由圖可知 IREF（ VCC UBE1） /（R+R1）。由此可見，比例型電流源中，基準(zhǔn)電流 IREF 的大小主要由電阻 R 決定，改變兩管發(fā)射極電阻的比值， 可以調(diào)節(jié)輸出電流與基準(zhǔn)電流之間的比例

14、。用一個(gè)基準(zhǔn)電流來獲得多個(gè)不同的電流輸出，稱為多路輸出比例電流源。3. 鏡像和微電流源如果把上圖 (b) 中發(fā)射極電阻均短路，就可以得到下圖所示鏡像電流源。由于V1、V 2 特性相同，基極電位也相同，因此它們的集電極電流相等，只要?1，則 I 0=IREF，即 I0 與 IREF 之間成鏡像關(guān)系。 若將比例型電流源中 V1 管發(fā)射極電阻 R1 短路，如下圖 (b) 所示，即構(gòu)成微電流源。4.NMOS管電流源當(dāng) V1、V2 特性相同，基極電位也相同時(shí)， IO=I REF；當(dāng) V1、V2 特性不相同時(shí)， I0 I REF。（二）具有電流源的差分放大電路圖中 V3、V4 構(gòu)成比例鏡流源電路， R1、

15、V4、R2 構(gòu)成基準(zhǔn)電流電路。 當(dāng) R1、R2、R3、 VEE 一定時(shí)， I C3 就為一恒定的電流。由于電流源有很大的動(dòng)態(tài)電阻，故采用電流源的差分放大電路其共模抑制比可提高 12 個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在集成電路中得到廣泛應(yīng)用。（三）差分放大電路的差模傳輸特性特點(diǎn)：1. iC1 + iC2= I 0；當(dāng) ui = 0， iC1 = iC2 = 0.5 I 0 。2. 當(dāng) UT ui UT ，iC1 iC2ui。3. 當(dāng) 4UT ui 0 時(shí)， V 1 正偏導(dǎo)通 ， V 2 反偏截止 ， io = iE1 = iC1,uO = iC1RL ；ui 0 時(shí)， V1 反偏截止， V 2正偏導(dǎo)通 ， io

16、= iE2 = iC 2,uO = iC 2RL ；問題：兩管交替導(dǎo)電時(shí)刻，輸入電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，三極管截止，在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)， V 1、V 2 輪流導(dǎo)通時(shí)，基極電流波形在過零點(diǎn)附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)失真，稱為 交越失真 。且輸 入信號(hào)幅度越小失真越明顯。產(chǎn)生交越失真 的原因： 靜態(tài)時(shí)，UBEQ=0,ui 尚小時(shí)，電流增長緩慢。（二）功率和效率1. 輸出功率：輸出電流和輸出電壓有效值的乘積，就是功率放大電路的輸出功率。最大輸出功率：2. 電源功率：兩個(gè)管子輪流工作半個(gè)周期，每個(gè)電源只提供半周期的電流。最大輸出功2率時(shí)： PDC = 2V CC /RL3. 效率：效率是負(fù)載獲得的信號(hào)功率 P

17、o 與直流電源供給功率 PDC 之比。實(shí)用中，放大電路很難達(dá)到最大效率，由于飽和壓降及元件損耗等因素，乙類推挽放大電路的效率僅能達(dá)到 60%左右。4. 管耗直流電源提供的功率除了負(fù)載獲得的功率外便為V1 、V2 管消耗的功率，即管耗。 V1、V2兩管消耗的功率， 每只管子最大管耗為0.2Pom 。每管的最大管耗約為最大輸出功率的 1/5 。因此，在選擇功率管時(shí)最大管耗不應(yīng)超過晶體管的最大允許管耗，即P1momPCM 。5. 功率管的選擇該功放晶體管實(shí)際承受的最大管耗 P1m 為 P1m22=VCC/ LR =7.3 W 因此，為了保證功率管不損壞，則要求功率管的集電極最大允許損耗功率PCM 為

18、 PCMP 1m=7.3 W。由于乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路中一只晶體管導(dǎo)通時(shí)，另一只晶體管截止，當(dāng)輸出電壓 uo 達(dá)到最大不失真輸出幅度時(shí)， 截止管所承受的反向電壓為最大， 且近似等于 2VCC。為了保證功率管不致被反向電壓所擊穿，因此要求三極管的U(BR)CEO 2VCC =224 V=48V 。放大電路在最大功率輸出狀態(tài)時(shí)，集電極電流幅度達(dá)最大值 Icmm，為使放大電路失真不致太大，則要求功率管最大允許集電極電流 I CM 滿足 I CM Icmm=VCCRL =3A。四、甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（一）甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路克服交越失真的思想： 管子工作在甲乙類 , 處于微導(dǎo)通

19、狀態(tài) 。兩管 合成后，相互補(bǔ)償，消除失真 。電路如下圖（ a）所示，利用二極管進(jìn)行偏置，直流電源給V1 、 V 2 提供靜態(tài)電壓 。工作原理：當(dāng) ui = 0時(shí)， V 1、V 2 微導(dǎo)通。當(dāng) u(從小到大變化時(shí)，1微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；V2微導(dǎo)通i 0( 從大到小變化時(shí) ) ，V 2 微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通； V 1 微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通實(shí)際電路如上圖（ b）和（ c）所示。（二）復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1. 復(fù)合管（達(dá)林頓管）目的：實(shí)現(xiàn)異型管子參數(shù)的配對(duì)。復(fù)合管：由兩只或兩只以上的三極管按照一定的連接方式， 組成一只等效的三極管。復(fù)合管的特點(diǎn)：類型與組成復(fù)合管的第一只三極管相同；其它特性由最后的

20、輸出三極管決定。復(fù)合管的四種組合方式：復(fù)合管的組成規(guī)則：1) B1 為 B，C1 或 E1 接 B2 ， C2、E2 為 C 或 E；2) 應(yīng)保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；3) 復(fù)合管類型與第一只管子相同。2. 復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱放大電路舉例（三）甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱放大電路( OTL 電路：Output Transformerless)1. 電路組成2. 工作原理當(dāng) ui 0 時(shí)： V2 導(dǎo)通， C 放電， V2 的等效電源電壓0.5VCC 。當(dāng) ui 0 時(shí)： V1 導(dǎo)通， C 充電， V1 的等效電源電壓+ 0.5VCC 。注意：應(yīng)用 OCL 電路有關(guān)公式時(shí)，要用VCC / 2 取代 VCC

21、。3. OCL 電路和 OTL 電路的比較OCLOTL電雙電源單電源源信交、直流交流號(hào)頻率好fL 取決于輸出耦合電響容 C應(yīng)電路較簡單較復(fù)雜結(jié)構(gòu)Pomax3.5 多級(jí)放大電路教學(xué)要求熟悉零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的主要原因及抑制零漂的方法；掌握多級(jí)放大電路的幾種主要耦合方式；掌握理想運(yùn)算放大器的理想條件。一、多級(jí)放大電路的組成及性能指標(biāo)的估算（一）多級(jí)放大電路的組成以上討論的為基本單元放大電路，其性能通常很難滿足電路或系統(tǒng)的要求，因此，實(shí)用上需將兩級(jí)或兩級(jí)以上的基本單元電路連接起來組成多級(jí)放大電路，如下圖所示。通常把與信號(hào)源相連接的第一級(jí)放大電路稱為輸入級(jí)， 與負(fù)載相連接的末級(jí)放大電路稱為輸出級(jí)，輸出級(jí)與輸

22、入級(jí)之間的放大電路稱為中間級(jí)。輸入級(jí)與中間級(jí)的位置處于多級(jí)放大電路的前幾級(jí)，故又稱為前置級(jí)。前置級(jí)一般都屬于小信號(hào)工作狀態(tài)，主要進(jìn)行電壓放大；輸出級(jí)是大信號(hào)放大，以提供負(fù)載足夠大的信號(hào)，常采用功率放大電路。偶合：級(jí)與級(jí)之間的連接方式。1. 偶合方式：共四種。直接耦合：電路簡單，能放大交、直流信號(hào)，各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn) “Q” 互相影響，不利于調(diào)整，點(diǎn)零漂移嚴(yán)重；電路利于集成化，低頻特性好。阻容耦合：各級(jí) 靜態(tài)工作點(diǎn) “Q”相互獨(dú)立，只放大交流信號(hào)；不利于集成化，低頻特性差。光電耦合：主要用于耦合開關(guān)信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。變壓器耦合：各級(jí) 靜態(tài)工作點(diǎn) “Q”相互獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)阻抗的變換；用于選頻放大器、功

23、率放大器等；不利于集成化 , 低頻特性差。2. 電路的組成輸入級(jí)：與信號(hào)源相連接的第一級(jí)放大電路。輸出級(jí)：與負(fù)載相連接的末級(jí)放大電路。中間級(jí)：輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的放大電路。（二）多級(jí)放大電路性能指標(biāo)的估算級(jí)放大電路的輸入電阻： Ri = Ri1級(jí)放大電路的輸出電阻：Ro = Ron 就是最后一級(jí)的輸出阻抗?？梢姡嗉?jí)放大器的電壓放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)的連乘積。因?yàn)楦鱾€(gè)放大級(jí)之間相互影響，所以在計(jì)算各級(jí)電壓放大倍數(shù)時(shí)，應(yīng)把后級(jí)的輸入電阻作為前級(jí)的負(fù)載處理。二、通用型集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性（一）通用型集成運(yùn)放 ( Operational Amplifier ) 的組成1. 模擬集成電路的特

24、點(diǎn)1）大電阻用恒流源代替，不采用大容量電容元件，大電容外接；2）采用差分電路、恒流源電路和OCL 電路形式，元件相對(duì)誤差小，溫度的均一性好；3）電路中間級(jí)采用直接耦合，減少級(jí)間耦合元件個(gè)數(shù)和耦合損耗；4）高增益、高輸入電阻、低輸出電阻。2. 組成框圖輸入級(jí)：采用差分放大電路，可大大減小溫漂。輸出級(jí)：采用甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大 電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)，非線性失真小。中間級(jí)：采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，電路增益大。偏置電路：主要采用鏡像電流源，微電流源等電流源電路。3. 通用型集成運(yùn)算放大器 741 簡化電路輸入級(jí)： V1、V3 和 V2、V4 組成共集 - 共基組合差分電路， V5、V6 組成有源負(fù)載，構(gòu)成雙端變單端電路。中間級(jí)： V7、V8 組成復(fù)合管共射