模擬電子第三章-三極管

1、第三章 放大電路基礎(chǔ)3.1 放大電路的基本知識教學(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源提供需放大的電信號，可由換能器提供，也可是前一級電路的輸出信號；負(fù)載接受輸出信號，可由輸出換能器構(gòu)成，也可為下一級電路的輸入電阻；直流電源給放大電路提供能量；放大電路進(jìn)行信號放大，一般由基本放大單元組成的多級放大電路，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)載的信號源，該信號源的內(nèi)阻稱為電路的輸出電阻。其中，uo

2、t 為負(fù)載開路時的輸出電壓；uo 帶負(fù)載時的輸出電壓，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）使放大電路對不同頻率的輸入信號有不同的放大能力，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；j ( 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fH和fL表示。 BW0.7 (Band Width)= fH fL 放大電路所需的通頻帶由輸入信號的頻帶來確定，為了不失真地放大信號，

3、要求放大電路的通頻帶應(yīng)大于信號的頻帶。如果放大電路的通頻帶小于信號的頻帶，由于信號低頻段或高頻段的放大倍數(shù)下降過多，放大后的信號不能重現(xiàn)原來的形狀，也就是輸出信號產(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，在輸出信號中并不產(chǎn)生新的頻率成分，僅是原有各頻率分量的相對大小和相位發(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；會對放大電路的主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析；了解場效應(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VCC通過RB1、RB2、RC、RE使三極管獲得

4、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，從而實現(xiàn)信號的電壓放大。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對放大電路的電壓放大倍數(shù)不產(chǎn)生影響，故要求它對信號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(基極偏置 電阻)：提供合適的基極電流 RC(集電極負(fù)載電阻)：將 DIC DUC ，使電

5、流放大 電壓放大 RE(發(fā)射極電阻)： 穩(wěn)定靜態(tài)工作點“Q ”CE(發(fā)射極旁路電容)：短路交流，消除 RE 對電壓放大倍數(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穩(wěn)定直電流通路。電路工作要求：I1 (5 10)IBQ，UBQ (5 10)UBEQ 求靜態(tài)工作點Q：方法1.估算工作點Q不穩(wěn)定的主要原因：Vcc波動，管子老化，溫度變化穩(wěn)定Q點的原理：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)小信號電路模型代入，便得到放大電路小信號電路模型如

6、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：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ui和輸出信號uo以它為公共端，故稱它為共集電極放大電路，同時由于輸出信號uo取自發(fā)射極，又叫做射極輸出器。 IBQ = (VCC UBEQ) / RB +(1+ b ) RE ICQ = b I BQ ， UCEQ = VCC ICQ

7、 RE （二）性能指標(biāo)分析 1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻RL = RE / RL3.輸出電阻共集電極電路特點 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2. 無電壓放大作用 Au1 2. 低阻抗輸出級3. 輸入電阻高；輸出電阻低 3.中間隔離級三、共基極放大電路共基極放大電路如下圖所示。由圖可見，交流信號通過晶體三極管基極旁路電容C2接地，因此輸入信號ui由發(fā)射極引入、輸出信號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。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）特點共基極放大電路具有輸出電壓與輸入電

8、壓同相，電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻小、輸出電阻大等特點。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、場效?yīng)管放大電路三種組態(tài)：共源、共柵、共漏特點：輸入電阻高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，但電壓放大倍數(shù)較低，常作為多級放大電路的輸入級。（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=-IDQRS。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iD 的變化為 uDS 的變化，UGSQ = UGQ USQ = IDQRS 2.

9、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。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)交流信號源，以免信號 源內(nèi)阻不同時，影響Q點。電路特點：元件參數(shù)對稱；兩端輸入， 兩端輸出；雙電源供電；ui1 = ui2 時，uo = 0；能有效地克服零點漂移。靜態(tài)分析：VEE = UB

10、EQ + IEEREE， IEE = (VEE UBEQ ) / REE，ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REE ，UCQ1 = VCC ICQ1RC UCQ2 = VCC ICQ2RCUo = UCQ1 UCQ2 = 0 （二）動態(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輸入信號大小相等，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：從放大電路兩個輸入端看進(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差模信號所呈現(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

11、 = ui1 ui2 = 2ui1 使得ic1 = ic2，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輸入信號大小相等，極性相同。共模擬制比（KCMR）：差分放大電路放大差模信號，擬制共模信號的能力。在實際電路中，兩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

12、全對稱的差分放大電路，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ie1 = 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。1.三極管電流源特點：直流電阻為有限值，動態(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，常利用二極管來補償三極管的UBE隨溫度變化對輸出電流的影響，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，可

13、達(dá)到較好的補償效果。在集成電路中，常用三極管接成二極管來實現(xiàn)溫度補償作用，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（VCCUBE1）/（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。用一個基準(zhǔn)電流來獲得多個不同的電流輸出，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、V2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I0=IREF，即I0與IREF

14、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，IO=IREF；當(dāng)V1、V2特性不相同時，I0 IREF。（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、V4、R2構(gòu)成基準(zhǔn)電流電路。 當(dāng)R1、R2、R3、VEE一定時，IC3就為一恒定的電流。由于電流源有很大的動態(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個數(shù)量級，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：1.iC1 + iC2 = I0；當(dāng) ui = 0，iC1 = iC2 =

15、 0.5 I0 。2.當(dāng) UT ui UT ，iC1 iC2 ui。3.當(dāng) 4UT ui 0 時，V1正偏導(dǎo)通， V2 反偏截止，io = iE1 = iC1, uO = iC1RL ；ui 0 時，V1反偏截止，V2 正偏導(dǎo)通，io = iE2 = iC2, uO = iC2RL ；問題：兩管交替導(dǎo)電時刻，輸入電壓小于死區(qū) 電壓時，三極管截止，在輸入信號的一個周期內(nèi)，V1、V2輪流導(dǎo)通時，基極電流波形在過零點附近一個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)失真，稱為 交越失真。且輸 入信號幅度越小失真越明顯。產(chǎn)生交越失真的原因：靜態(tài)時，UBEQ=0 , ui尚小時，電流增長緩慢 。（二）功率和效率1.輸出功率：輸出電流和

16、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：兩個管子輪流工作半個周期，每個電源只提供半周期的電流。最大輸出功率時：PDC = 2V 2CC / pRL 3.效率：效率是負(fù)載獲得的信號功率Po與直流電源供給功率PDC之比。實用中，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，在選擇功率管時最大管耗不應(yīng)超過晶體管的最大允許管

17、耗，即P1m=02PomPCM。5.功率管的選擇該功放晶體管實際承受的最大管耗P1m為P1m=V2CC/2RL=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PCMP1m=7.3 W。由于乙類互補對稱功率放大電路中一只晶體管導(dǎo)通時，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，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)CEO2VCC=224 V=48 V。放大電路在最大功率輸出狀態(tài)時，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ICM

18、滿足ICMIcmm=VCCRL=3A。四、甲乙類互補對稱功率放大電路（一）甲乙類雙電源互補對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)通狀態(tài)。兩管合成后，相互補償，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 、 V2提供靜態(tài)電壓。工作原理：當(dāng) ui = 0 時，V1、V2 微導(dǎo)通。當(dāng) ui 0 (從大到小變化時)，V2 微導(dǎo)通 充分導(dǎo)通 微導(dǎo)通；V1 微導(dǎo)通 截止 微導(dǎo)通實際電路如上圖（b）和（c）所示。（二）復(fù)合管互補對稱功率放大電路1.復(fù)合管（達(dá)林頓管） 目的：實現(xiàn)異型管子參數(shù)的配對。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：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