半導(dǎo)體項(xiàng)目二-OTL功率放大器的分析與制作課件

1、 主編項(xiàng)目二OTL功率放大器的分析與制作知識鏈接一晶體管一、晶體管的結(jié)構(gòu)及類型 半導(dǎo)體晶體管有兩大類型，一是雙極型晶體管，二是單極型場效應(yīng)晶體管。本知識鏈接討論雙極型晶體管，通常用BJT 表示，以下簡稱晶體管。按PN結(jié)的組合方式，晶體管有PNP型和NPN型，它們的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號分別如圖2-2a、b所示。不管是什么樣的晶體管，它們均包含三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)，同時相應(yīng)地引出三個電極：發(fā)射極、基極、集電極。同時又在兩兩交界區(qū)形成PN 結(jié)，分別是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。圖2-2晶體管結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號a) NPN型b) PNP型二、晶體管的電流分配關(guān)系與放大作用1.晶體管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1) 發(fā)射區(qū)

2、重?fù)诫s(摻雜濃度高)。2) 基區(qū)必須很薄。3) 集電結(jié)的面積應(yīng)很大。4) 工作時，發(fā)射結(jié)應(yīng)正向偏置，集電結(jié)應(yīng)反向偏置。 晶體管結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使其具備了電流放大作用的內(nèi)部條件，但為實(shí)現(xiàn)它的電流放大作用，還必須具備一定的外部條件，必須提供放大的能量。使晶體管具有電流放大作用的外部條件是：晶體管發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。一、晶體管的結(jié)構(gòu)及類型圖2-3晶體管內(nèi)部載流子傳輸示意圖2.載流子的傳輸過程 晶體管內(nèi)部載流子傳輸示意圖如圖23所示。因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正向偏置，且發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，所以發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子擴(kuò)散注入基區(qū)，又由于集電結(jié)反向偏置，故注入基區(qū)的載流子在基區(qū)形成濃度差，因此這些載流子從

3、基區(qū)擴(kuò)散至集電結(jié)，被電場拉至集電區(qū)形成集電極電流。因?yàn)榛鶇^(qū)很薄，所以留在基區(qū)的載流子很少。二、晶體管的電流分配關(guān)系與放大作用3.電流的分配關(guān)系 載流子的運(yùn)動產(chǎn)生相應(yīng)電流，它們的關(guān)系如下： 式中，IE為發(fā)射極電流；IB為基極電流，IC為集電極電流。為共發(fā)射極電流的放大系數(shù)?？啥x為三、晶體管的特性曲線1.輸入特性 輸入特性反映的是在集-射極電壓UCE為常數(shù)的情況下，基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE的關(guān)圖2-4晶體管的輸入特性曲線系，即圖2-4晶體管的輸入特性曲線 IB=f(UBE)UCE=常數(shù)它與PN結(jié)的正向特性相似，晶體管的兩個PN結(jié)相互影響，因此，輸出電壓UCE對輸入特性有影響，且UCE1時，

4、這兩個PN結(jié)的輸入特性基本重合。我們用UCE=0和UCE1兩條曲線表示，如圖2-4所示。三、晶體管的特性曲線圖2-5晶體管的輸出特性曲線三、晶體管的特性曲線2.輸出特性輸出特性反映的是在基極電流IB為常數(shù)的情況下，集電極電流與集-射極電壓UCE的關(guān)系，即(1) 截止區(qū)IB0時，此時的集電極電流近似為零，集電極電壓等于電源電壓，兩個結(jié)均處于反向偏置。(2) 飽和區(qū)在飽和區(qū)，兩個結(jié)均處于正向偏置，此時UCE稱為飽和管壓降用UCES表示硅管的UCES=0.3V。(3) 放大區(qū)在放大區(qū)，IC=IB，IC基本不隨UCE的變化而變化，此時發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置。四、晶體管的主要參數(shù)1.電流

5、放大系數(shù) 它主要用來表征晶體管的放大能力，有共基極的電流放大系數(shù)和共發(fā)射極的電流放大系數(shù)兩種。二者的關(guān)系是：2.極間反向電流(它們是由少數(shù)載流子形成的)1) ICBO：集電結(jié)的反向飽和電流。2) ICEO：穿透電流，它與ICBO的關(guān)系為ICEO=(1+)ICBO。四、晶體管的主要參數(shù)3.極間反向擊穿電壓 指晶體管某一個極開路時，另兩個極間的最大允許反向電壓。超過這個電壓，管子會擊穿。1) 集電極開路時，發(fā)射極與基極間的反向擊穿電壓U(BR)EBO。2) 基極開路時，集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓U(BR)CEO。3) 發(fā)射極開路時，集電極與基極間的反向擊穿電壓為U(BR)CBO。4.集電極最大

6、允許功率損耗PCM=iCuCE 表示集電結(jié)上允許損耗功率的最大值，超過此值就會使管子性能變壞甚至燒毀。五、晶體管的參數(shù)與溫度的關(guān)系 由于半導(dǎo)體的載流子受溫度影響，因此晶體管的參數(shù)也受溫度影響。溫度上升，輸入特性曲線向左移，基極的電流不變，基極與發(fā)射極之間的電壓降低，輸出特性曲線上移。溫度升高，電流放大系數(shù)也增加。知識鏈接二基本放大電路一、放大電路的基本概念 放大電路廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，如音響設(shè)備、視聽設(shè)備、精密測量儀器、自動控制系統(tǒng)等。放大電路的功能是將微弱的電信號(電流、電壓)進(jìn)行放大得到所需要的信號。放大器必須接直流電源才能工作，因?yàn)榉糯笃鞯妮敵龉β时容斎牍β蚀蟮枚?，輸出功率是從直?/p>

7、電源轉(zhuǎn)化而來的。所以放大電路實(shí)質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換器。二、放大電路的三種基本組態(tài) 晶體管有三個電極，其中兩個可以作為輸入，兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極。因此，構(gòu)成放大器時可以有三種連接方式，也稱三種組態(tài)，如圖2-6所示。圖2-6放大電路的三種組態(tài)a) 共基極b) 共發(fā)射極c) 共集電極三、共射極基本放大電路1.電路構(gòu)成共射極基本放大電路如圖27所示。 由前面的討論我們得出，晶體管具有電流放大作用，其內(nèi)因是晶體管生產(chǎn)制造時，從結(jié)構(gòu)上、生產(chǎn)工藝上就保證了1；其外因是必須提供能量，保證有正確的外加偏置電壓圖2-7共射極基本放大電路，即發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。圖2-7共射極基本放大電路

8、三、共射極基本放大電路2.電路中各元器件的作用(1) 晶體管VTVT起電流放大作用，通過基極電流iB控制集電極電流iC。(2) 電源UCC它使晶體管處在放大狀態(tài)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。(3) 基極偏置電阻Rb電源UCC通過Rb為晶體管提供發(fā)射結(jié)正向偏置電壓，Rb用來調(diào)節(jié)基極偏置電流IB，使晶體管有一個合適的工作點(diǎn)，一般為幾十千歐到幾兆歐。(4) 集電極負(fù)載電阻Rc通過它為晶體管提供集電結(jié)反向偏置電壓，并將集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大作用，Rc一般為幾千歐。(5) 耦合電容C1、C2它們用來傳遞交流信號，起到耦合的作用。三、共射極基本放大電路3.放大原理1) 輸入信號

9、ui通過輸入耦合電容C1加到VT基極、發(fā)射極間，引起基極電流iB作相應(yīng)變化。2) 通過VT的電流放大作用，VT的集電極電流iC也將變化。3) iC的變化引起VT的集電極電阻Rc上的壓降變化。4) 輸出信號UCE通過輸出耦合電容C2隔離直流，交流分量暢通地傳送給負(fù)載RL，成為輸出交流電壓uo，從而實(shí)現(xiàn)了電壓放大作用。 綜上分析可知，在共射極放大電路中，輸入電壓ui與輸出電壓uo頻率相同，相位相反，幅度得到了放大，因此這種單級的共射極放大電路通常也稱為反相放大器。四、放大電路的主要性能指標(biāo) 為了描述和鑒別放大電路性能的優(yōu)劣，人們根據(jù)放大電路的用途制定了若干性能指標(biāo)。下面介紹放大電路的幾個主要性能指

10、標(biāo)。1.電壓放大倍數(shù)定義為：Au=2.輸入電阻ri ri就是在放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。當(dāng)輸入端接信號源時，放大器對信號源來說，相當(dāng)于是信號源的負(fù)載，從信號源索取電流。索取電流的大小，表明了放大電路對信號源的影響程度。輸入電阻定義為輸入電壓與輸入電流之比，即ri=。四、放大電路的主要性能指標(biāo)3.輸出電阻ro 輸出電阻相當(dāng)于從放大電路輸出端看進(jìn)去的交流等效電阻。當(dāng)放大電路將信號放大后輸出給負(fù)載時，對負(fù)載RL而言，放大器可視為具有內(nèi)阻的信號源，這個信號源的電壓值就是輸出端開路時的輸出電壓 ，其內(nèi)阻稱為放大電路的輸出電阻ro。輸出電阻ro值越小，則放大電路帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，或者說，輸出電壓在放

11、大器內(nèi)阻上的損失就越小。反之，ro越大，表明放大電路帶負(fù)載的能力越差。四、放大電路的主要性能指標(biāo)4.通頻帶 通頻帶是用來衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。由于放大電路存在電抗元件或等效電抗元件，信號頻率過高或過低，放大倍數(shù)都會明顯下降，把放大倍數(shù)下降到中頻段放大倍數(shù)的/2(0707)時的頻率，稱為下限頻率fL和上限頻率fH。從下限頻率到上限頻率的頻帶寬度BW稱為通頻帶。通頻帶BW=fH-fL。5.不失真輸出電壓 最大輸出幅值是指輸出波形的非線性失真在允許范圍內(nèi)，放大電路可能輸出的最大電壓。若輸入信號再增大，就會使輸出波形的非線性失真超過允許范圍。四、放大電路的主要性能指標(biāo)6.最大輸出功率P

12、om和效率 當(dāng)輸出電壓為最大不失真電壓Uom時，負(fù)載得到的功率為放大電路的最大輸出功率Pom。所謂功率放大作用的實(shí)質(zhì)是功率控制，能量來自電源，電源提供的功率PCC一部分給負(fù)載，一部分被電路自身所消耗。電路的效率是負(fù)載得到的功率Po與電源提供的功率PCC之比，即=100%。知識鏈接三放大電路的分析方法一、放大電路的幾個重要概念1.直流通路、靜態(tài)分析和靜態(tài)工作點(diǎn)Q 放大電路在沒有加輸入信號即ui=0時，電路所處的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。此時，電路只有直流電源作用，故也稱直流工作狀態(tài)。把放大電路中直流信號所走的通路稱為放大電路的直流通路。靜態(tài)時電路中的IB、IC、UCE的數(shù)值可在晶體管特性曲線上確定一個點(diǎn)

13、，稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。靜態(tài)分析的目的就是求出靜態(tài)工作點(diǎn)Q，以確定它是否滿足放大要求。一、放大電路的幾個重要概念圖2-8共射極放大電路a) 共射極放大電路b) 直流通路c) 交流通路一、放大電路的幾個重要概念2.交流通路、動態(tài)分析 當(dāng)有輸入信號，即ui0時，電路中的電壓、電流都將隨輸入信號作相應(yīng)變化，這時，電路所處的工作狀態(tài)稱為動態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。此時，電路中既有直流，也有交流。交流信號所走的通路稱為放大電路的交流通路。繪制交流通路的原則是：1) 電路中的耦合電容、旁路電容的容量足夠大，對交流信號而言，它的容抗很小，都視為短路。2) 直流電源UCC的內(nèi)阻極小，對于交流信號而言，也可以

14、看做兩極短路。 根據(jù)上述原則可畫出圖28a所示放大電路的交流通路如圖28c所示。圖中所有電壓、電流都是交流成分。動態(tài)分析的目的就是確定電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等主要性能指標(biāo)。一、放大電路的幾個重要概念3.電路中電壓、電流符號的使用規(guī)定 放大電路在進(jìn)行輸入信號放大時，在直流通路與交流通路的公共部分，電壓、電流都是由直流成分和交流成分疊加而成，也就是說，都可以分解為直流分量和交流分量。為此作如下規(guī)定：1) 用大寫字母帶大寫下標(biāo)表示直流分量，如IB表示基極直流電流。2) 用小寫字母帶小寫下標(biāo)表示交流分量，如ib分別表示基極交流電流。3) 用小寫字母帶大寫下標(biāo)表示直流分量與交流分量的疊加，如i

15、B=IB+ib，即基極電流總量。4) 用大寫字母帶小寫下標(biāo)表示交流分量的有效值，如Ui表示輸入電壓有效值。二、放大電路的靜態(tài)分析方法圖2-9共射放大電路的直流通路 在進(jìn)行靜態(tài)分析時，主要是計(jì)算基極直流電流IB、集電極直流電流IC、集電極與發(fā)射極間的直流電壓UCE，即確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。二、放大電路的靜態(tài)分析方法1.估算Q點(diǎn)估算靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)以放大電路的直流通路為依據(jù)。例2-1估算直流通路為圖2-9所示的放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。其中Rb=120k，Rc=1k，UCC=24V，=50，晶體管為硅管。解：二、放大電路的靜態(tài)分析方法2.圖解法計(jì)算Q點(diǎn) 晶體管的電流、電壓關(guān)系可用輸入特性曲線和輸出特性

16、曲線表示，可以在特性曲線上，直接用作圖的方法來確定靜態(tài)工作點(diǎn)。用圖解法的關(guān)鍵是正確地作出直流負(fù)載線，直流負(fù)載線與一iB=IBQ的特性曲線的交點(diǎn)，即為Q點(diǎn)，讀出它的坐標(biāo)即得IC和UCE。圖解法求Q點(diǎn)的具體方法在這里不作詳細(xì)的講解。二、放大電路的靜態(tài)分析方法3.電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響 靜態(tài)工作點(diǎn)的位置在實(shí)際應(yīng)用中很重要，它與電路參數(shù)有關(guān)。電路參數(shù)Rb、Rc、UCC對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響見表21。表2-1電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響二、放大電路的靜態(tài)分析方法例2-2如圖2-10所示，要使工作點(diǎn)由Q1變到Q2點(diǎn)應(yīng)使Rc增大，要使工作點(diǎn)由Q1變到Q3點(diǎn)應(yīng)使Rb增大。圖2-10例圖三、放大電路的動態(tài)分析方法

17、(1) 晶體管的微變等效電路電路圖如圖2-11所示。采用微變等效電路法的思想是：當(dāng)信號變化的范圍很小(微變)時，可以認(rèn)為晶體管電壓、電流變化量之間的關(guān)系是線性的。圖2-11晶體管的微變等效電路晶體管的輸入回路可以等效為輸入電阻rbe，輸出回路可用等效的受控恒流源來代替。在低頻小信號工作條件下，rbe是一個與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)的常數(shù)，可用下式估算：三、放大電路的動態(tài)分析方法(2) 放大電路的微變等效電路微變等效電路主要用于放大電路的動態(tài)特性分析。下面以圖212所示的電路為例，總結(jié)畫放大電路的微變等效電路的方法和步驟。1) 畫出放大電路的交流通路如圖2-13所示。2) 用晶體管的微變等效電路代替交流通

18、路中的晶體管，畫出放大電路的微變等效電路如圖2-14所示。圖2-12共射放大電路三、放大電路的動態(tài)分析方法圖2-13交流通路圖2-14不考慮信號源內(nèi)阻的微變等效電路(=)三、放大電路的動態(tài)分析方法3.共射極放大電路基本動態(tài)參數(shù)的估算(1) 電壓放大倍數(shù)1) 求有載電壓放大倍數(shù)Au。2) 求空載電壓放大倍數(shù)A三、放大電路的動態(tài)分析方法(2) 輸入電阻ri(3) 輸出電阻ro在圖2-14中，根據(jù)戴維南定理計(jì)算等效電阻，us=0，則ib=0，從而受控源ib=0，因此可直接得出：(4) 源電壓放大倍數(shù)圖2-15a所示為考慮信號源內(nèi)阻時的微變等效電路，可以得出三、放大電路的動態(tài)分析方法圖2-15微變等效

19、電路a) 考慮信號源內(nèi)阻時的微變等效電路b) 不接電容時的微變等效電路三、放大電路的動態(tài)分析方法表2-2三種組態(tài)的性能比較三、放大電路的動態(tài)分析方法表2-2三種組態(tài)的性能比較一、靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形失真的影響 波形失真是指輸出波形不能很好地重現(xiàn)輸入波形的形狀，即輸出波形相對于輸入波形發(fā)生了變形。對一個放大電路來說，要求輸出波形的失真盡可能小。 如圖2-16所示，若Q點(diǎn)在直流負(fù)載線上的位置過高，例如QA處，信號正半周的一部分進(jìn)入飽和區(qū)，造成輸出電流波形正半周和相應(yīng)電壓波形負(fù)半周被部分削除，產(chǎn)生“飽和失真”。反之，若靜態(tài)工作點(diǎn)在直流負(fù)載線上的位置過低圖2-16靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形的影響二、確定靜態(tài)

20、工作點(diǎn)的基本原則 對于一個放大電路，合理安排靜態(tài)工作點(diǎn)至關(guān)重要，而且在動態(tài)運(yùn)用時，工作點(diǎn)的移動不能超出放大區(qū)，這樣才能保證放大電路不產(chǎn)生明顯的非線性失真。通常情況下，為了使輸出幅值較大，同時又不失真，靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)選在直流負(fù)載線的中點(diǎn)；對于小信號的放大電路，失真可能性較小，為了減小損耗和噪聲，工作點(diǎn)可適當(dāng)選低一些。三、靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路1.分壓偏置式放大電路組成 圖217所示的分壓偏置式放大電路具有自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。與簡單偏置放大電路(也稱固定偏置放大電路)相比，多用了Rb2、Re和Ce三個元件。Rb1、Rb2分別稱為上偏置電阻和下偏置電阻，Re、Ce分別稱為發(fā)射極電阻和發(fā)射極旁路

21、電容。圖2-17分壓偏置式放大電路a) 電路圖b) 直流通路三、靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路2.穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)原理1) Rb1、Rb2組成分壓器，用來向晶體管基極提供固定的靜態(tài)電壓UBQ。2) Re串入發(fā)射極電路，目的是產(chǎn)生一個正比于IEQ的靜態(tài)發(fā)射極電壓UEQ，并由其調(diào)控UBEQ。3) 電路中，Re上并聯(lián)的電容Ce應(yīng)足夠大，對交流信號而言，其容抗很小，幾乎接近于短路。穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過程，可用以下流程表示：知識鏈接五功率放大電路一、功率放大電路概述1.功率放大電路的定義功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動負(fù)載，因此要求它帶負(fù)載能力要強(qiáng)。2.功率放大電路與電壓放大電路的

22、區(qū)別(見表2-3)表23功率放大電路與電壓放大電路的比較表2-3功率放大電路與電壓放大電路的比較一、功率放大電路概述3.功率放大電路的特殊問題1) 功率要大：為了獲得大的輸出功率，要求功率放大晶體管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限的狀態(tài)下工作。2) 效率要高：所謂效率就是負(fù)載得到的有用功率和電源供給的直流功率的比值。3) 失真要?。汗β史糯箅娐肥窃诖笮盘栂鹿ぷ?，所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。4) 散熱要好：在功率放大電路中，有相當(dāng)大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高。一、功率放大電路概述4.放大電路的工作狀態(tài)分

23、類 根據(jù)放大電路中晶體管在輸入正弦信號一個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可將放大電路分為下列四種工作狀態(tài)：(1) 甲類放大如圖2-18所示，在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，晶體管都導(dǎo)通。(2) 乙類放大在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，只有半個周期晶體管導(dǎo)通。圖2-18甲類放大一、功率放大電路概述圖2-19乙類放大(3) 甲乙類放大在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，有半個周期以上晶體管是導(dǎo)通的。圖2-20甲乙類放大一、功率放大電路概述圖2-21丙類放大(4) 丙類放大如圖2-21所示,晶體管的導(dǎo)通角小于半個周期，即00，則VT2截止，VT1承擔(dān)放大任務(wù)，有電流通過負(fù)載RL；而信號處于ui的負(fù)半周時，VT2承擔(dān)放大任務(wù)，V

24、T1截止，也有電流流過負(fù)載RL。 (3) 對稱電路為了使負(fù)載上得到的波形正、負(fù)半周大小相同，還要求兩個管子的特性必須完全一致，即工作性能對稱。所以圖223所示的電路通常稱為乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路。三、甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路圖2-24乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路及其交越失真三、甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路1.甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路(1) 基本電路為了克服乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路的交越失真，需要給電路設(shè)置偏置，使之工作在甲乙類狀態(tài)。圖中，VT3組成前置放大級(圖中未畫出VT3的偏置電路)，給功率放大級提供足夠的偏置電流。VT1和VT2組成互補(bǔ)對稱輸出級。(2) UBE擴(kuò)展電路UBE擴(kuò)展電路如圖2-26所示。圖中，流入VT4的基極電流遠(yuǎn)小于流過R1、R2的電流，則由圖可求出：UCE4=UBE4(R1+R2)/R2，由于UBE4基本為一固定值(硅管約為0607V)，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變VT1、VT2的偏置電壓UCE4的值。三、甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路圖2-26擴(kuò)展電路三、