模擬電子技術(shù)（第四版）課件：半導(dǎo)體三極管及其放大電路

半導(dǎo)體三極管及其放大電路2.1半導(dǎo)體三極管

2.2放大電路的基本知識

2.3放大電路的失真現(xiàn)象分析

2.4放大電路的偏置方式

2.5放大電路性能指標(biāo)的估算

2.6多級放大電路

本章小結(jié)

習(xí)題

在圖2.1的演示電路中，用信號發(fā)生器在其輸入端輸入電壓為5mV、頻率為1kHz的正弦信號，用示波器接在輸出端，觀察開關(guān)分別置于“1”、“2”端時(shí)的輸出波形。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)開關(guān)S置于“1”時(shí)，輸出波形與輸入波形完全相同，若用毫伏表測試其輸出電壓Uo1的值,其值仍然為5mV；當(dāng)開關(guān)S置于“2”時(shí)，輸出端得到一個(gè)幅度很大的正弦波信號，如Uo2所示。若用毫伏表測試其輸出電壓Uo2的值，可達(dá)800mV，輸出信號是輸入信號的160倍。

圖2.1單管放大電路的演示電路

2.1半導(dǎo)體三極管

2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)與分類

1．三極管的結(jié)構(gòu)與電路符號

三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2（a）所示,它是由三層不同性質(zhì)的半導(dǎo)體組合而成的。按半導(dǎo)體的組合方式不同,可將其分為NPN型管和PNP型管。

圖2.2三極管的結(jié)構(gòu)示意圖與電路符號（a）

結(jié)構(gòu)示意圖;（b）電路符號

無論是NPN型管還是PNP型管,它們內(nèi)部均含有三個(gè)區(qū):發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)。這三個(gè)區(qū)的作用分別是：發(fā)射區(qū)是用來發(fā)射載流子的，基區(qū)是用來控制載流子的傳輸?shù)?，集電區(qū)是用來收集載流子的。從三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)金屬電極，分別稱為發(fā)射極（e）、基極（b）和集電極（c）;同時(shí)在三個(gè)區(qū)的兩個(gè)交界處分別形成兩個(gè)PN結(jié),發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),集電區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。三極管的電路符號如圖2.2（b）所示,符號中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)的電流方向。

由于三極管三個(gè)區(qū)的作用不同，三極管在制作時(shí),每個(gè)區(qū)的摻雜及面積均不同。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:

(1)發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高;

(2)基區(qū)做得很薄,且摻雜濃度低;

(3)集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積。以上特點(diǎn)是三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件。

2．三極管的分類三極管的種類很多,常見的有下列5種分類形式：(1)按其結(jié)構(gòu)類型分為NPN管和PNP管;(2)按其制作材料分為硅管和鍺管;(3)按其工作頻率分為高頻管和低頻管;(4)按其功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管;(5)按其工作狀態(tài)分為放大管和開關(guān)管。

3．三極管的外形結(jié)構(gòu)常見三極管的外形結(jié)構(gòu)如圖

2.3所示。

圖

2.3常見三極管的外形結(jié)構(gòu)

2.1.2三極管的電流分配與放大作用三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置。圖2.4（a）是為NPN管提供偏置的電路,UBB通過Rb給發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓（UB＞UE）,使之形成發(fā)射極電流IE和基極電流IB；UCC通過Rc給集電結(jié)提供反向偏置電壓（UC＞UB），使之形成集電極電流IC。這樣，三個(gè)電極之間的電壓關(guān)系為：UC

＞UB

＞UE,實(shí)現(xiàn)了發(fā)射結(jié)的正向偏置,集電結(jié)的反向偏置。圖2.4(b)為PNP管的偏置電路,和NPN管的偏置電路相比,電源極性正好相反。同理,為保證三極管實(shí)現(xiàn)放大作用,則必須滿足UC

＜UB＜UE。

圖2.4三極管具有放大作用的外部條件

三極管各電極電流分配關(guān)系可用圖2.5所示的電路進(jìn)行測試。

圖2.5電流分配關(guān)系測試電路

1.測試數(shù)據(jù)

調(diào)節(jié)圖中的電位器RP，

由電流表可測得相應(yīng)的IB、IC、IE的數(shù)據(jù)如表2.1所示。

表2.1IB、IC、IE的測試數(shù)據(jù)

2.數(shù)據(jù)分析

（1）

IE、IC、IB間的關(guān)系。

由表2.1中每一列都可得到：

（2.1）

此結(jié)果滿足基爾霍夫電流定律，

即流進(jìn)管子的電流等于流出管子的電流。

（2）

IC、IB間的關(guān)系。

從表中第三列、

第四列數(shù)據(jù)可知：

(2.2)這就是三極管的電流放大作用。

上式中的IC與IB的比值表示其直流放大性能，

用表示，

即

我們通常將稱作共射極直流電流放大系數(shù)，

由式(2.2)可得

(2.３)下邊再來看看IC、IB間的電流變化關(guān)系。

用第四列的電流減去第三列的對應(yīng)的電流，

即

將式(2.3)代入式(2.1),可得

(2.４)可以看出集電極電流的變化要比基極電流變化大的多，這表示三極管具有交流放大性能，用β表示，

即

(2.5)我們通常將β稱作共射極交流電流放大系數(shù)。由上述數(shù)據(jù)分析可知：，為了表示方便，以后不加區(qū)分，統(tǒng)一用β表示。

(3)從表2.1可知,當(dāng)IE＝０時(shí),即發(fā)射極開路,IC=-IB。這是因?yàn)榧娊Y(jié)加反偏電壓,引起少子的定向運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)由集電區(qū)流向基區(qū)的電流,稱之為反向飽和電流,用ＩCBO表示。（注意,表中IB的第一格為負(fù)值是因?yàn)橐?guī)定IB的正方向是流進(jìn)基極的。）

(4)從表2.1可知,當(dāng)IB＝０,即基極開路時(shí),IC=IE≠０,此電流稱為集電極－發(fā)射極的穿透電流,用ICEO表示。三極管三電極電流分配關(guān)系可用圖２.6表示。

圖2.6三極管的電流分配關(guān)系(a)NPN型三極管;(b)PNP型三極管2.1.3三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指各電極間電壓和電流之間的關(guān)系曲線。它能直觀、全面地反映三極管各極電流與電壓之間的關(guān)系。三極管的特性曲線可以用特性圖示儀直觀地顯示出來,也可用測試電路逐點(diǎn)描繪。

其測試電路如圖2.7所示。

圖2.7三極管特性曲線的測試電路

1．輸入特性曲線三極管的輸入特性曲線如圖2.8(a)所示(圖中以硅管為例),該曲線是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間電壓uCE一定時(shí),輸入回路中的基極電流iB與基-射電壓uBE之間的關(guān)系曲線,用函數(shù)式可表示為

由圖2.8可見,輸入特性曲線與二極管正向特性曲線形狀一樣,也有一段死區(qū),只有當(dāng)uBE大于死區(qū)電壓時(shí),輸入回路才有iB電流產(chǎn)生。常溫下硅管的死區(qū)電壓約為０.5V,鍺管約為0.1V。另外,當(dāng)發(fā)射結(jié)完全導(dǎo)通時(shí),三極管也具有恒壓特性。常溫下,硅管的導(dǎo)通電壓為0.6～0.7V,鍺管的導(dǎo)通電壓為0.2~0.3V。

圖2.8三極管的特性曲線(a)輸入特性曲線;(b)輸出特性曲線

2．輸出特性曲線輸出特性曲線如圖2.8(b)所示,該曲線是指當(dāng)iB一定時(shí),輸出回路中的iC與uCE之間的關(guān)系曲線,用函數(shù)式可表示為

在圖2.7中,給定不同的iB值,可對應(yīng)地測得不同的曲線,這樣不斷地改變iB,便可得到一組輸出特性曲線,即如圖2.8(b)中的一組曲線。根據(jù)輸出特性曲線的形狀,可將其劃分成三個(gè)區(qū)域:放大區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。

1）放大區(qū)將iB＞0以上,uCE＞1V以右曲線比較平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)。此時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置。根據(jù)曲線特征,可總結(jié)放大區(qū)有如下重要特性:

(1)受控特性:指iC隨著iB的變化而變化,即iC=βiB;

(2)恒流特性:指當(dāng)輸入回路中有一個(gè)恒定的iB時(shí),輸出回路便對應(yīng)一個(gè)不受uCE影響的恒定的iC;

(3)各曲線間的間隔大小可體現(xiàn)β值的大小。

2）飽和區(qū)將uCE≤uBE時(shí)的區(qū)域稱為飽和區(qū)。此時(shí),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置,三極管失去了基極電流對集電極電流的控制作用,這時(shí),iC由外電路決定,而與iB無關(guān)。將此時(shí)所對應(yīng)的uCE值稱為飽和壓降,用UCES表示。一般情況下,小功率管的UCES小于0.4V（硅管約為0.3V,鍺管約為0.1V）,大功率管的UCES約為1～3V。在理想條件下,UCES≈0,三極管c－e之間相當(dāng)于短路狀態(tài),類似于開關(guān)閉合。

3）截止區(qū)一般將iB=0以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。iB=0,iC=ICEO,此時(shí),發(fā)射結(jié)零偏或反偏,集電結(jié)反偏,即uBE≤0,uCB＞0。這時(shí),uCB=UCC,三極管的c－e之間相當(dāng)于開路狀態(tài),類似于開關(guān)斷開。在實(shí)際分析中,常把以上三種不同的工作區(qū)域又稱為三種工作狀態(tài),即放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)及截止?fàn)顟B(tài)。由以上分析可知,三極管在電路中既可以作為放大元件,又可以作為開關(guān)元件使用。2.1.4三極管的主要參數(shù)及溫度的影響

1.主要參數(shù)

1）電流放大系數(shù)三極管接成共射電路時(shí)，其電流放大系數(shù)用β表示。β的表達(dá)式在2.1.2節(jié)中已介紹過，這里不再重復(fù)。在選擇三極管時(shí)，如果β值太小，則電流放大能力差；若β值太大，則會(huì)使工作穩(wěn)定性差。低頻管的β值一般選20～100，

而高頻管的β值只要大于10即可。

β的數(shù)值可以直接從曲線上求取，也可以用圖示儀測試。

實(shí)際上，由于管子特性的離散性，同型號、同一批管子的β值也有所差異。三極管連接成共基極放大電路時(shí)，其電流放大系數(shù)用α表示，

其表達(dá)式為

（2.6）

可以看出，由于在三極管中iC＜iE，因此α是小于1而近似于1的數(shù)。

2）反向飽和電流ICBO

ICBO是指發(fā)射極開路,集電結(jié)在反向電壓作用下,形成的反向飽和電流。因?yàn)樵撾娏魇怯缮僮佣ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)形成的,所以它受溫度變化的影響很大。常溫下,小功率硅管的ICBO＜1μA,鍺管的ICBO在10μA左右。ICBO的大小反映了三極管的熱穩(wěn)定性,ICBO越小,說明其穩(wěn)定性越好。因此,在溫度變化范圍大的工作環(huán)境中,盡可能地選擇硅管。

3）穿透電流ICEO

ICEO是指基極開路,集電極—發(fā)射極間加上一定數(shù)值的反偏電壓時(shí),流過集電極和發(fā)射極之間的電流。它與ICEO的關(guān)系為

ICEO也受溫度影響很大,溫度升高,ICＢO增大,ICEO增大。穿透電流ICEO的大小是衡量三極管質(zhì)量的重要參數(shù),硅管的ICEO比鍺管的小。

4）集電極最大允許電流ICM

當(dāng)集電極電流太大時(shí),三極管的電流放大系數(shù)β值下降。我們把iC增大到使β值下降到正常值的2/3時(shí)所對應(yīng)的集電極電流,稱為集電極最大允許電流ICM。為了保證三極管的正常工作,在實(shí)際使用中,流過集電極的電流iC必須滿足iC＜ICM。

5）集電極—發(fā)射極間的擊穿電壓U（BR）CEO

U（BR）CEO是指當(dāng)基極開路時(shí),集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。當(dāng)溫度上升時(shí),擊穿電壓U（BR）CEO要下降,故在實(shí)際使用中,必須滿足uCE＜U（BR）CEO。

6）集電極最大耗散功率PCM

集電極最大耗散功率是指三極管正常工作時(shí)最大允許消耗的功率。三極管消耗的功率PC=UCEIC轉(zhuǎn)化為熱能損耗于管內(nèi),并主要表現(xiàn)為溫度升高。所以,當(dāng)三極管消耗的功率超過PCM值時(shí),其發(fā)熱量將使管子性能變差,甚至燒壞管子。因此,在使用三極管時(shí),PC必須小于PCM才能保證管子正常工作。

2．溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響

溫度對三極管特性的影響,主要體現(xiàn)在以下三個(gè)參數(shù)的變化上。

1）溫度對uBE的影響三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性曲線相似,溫度升高,曲線左移,如圖2.9（a）所示。在iB相同的條件下,輸入特性隨溫度升高而左移,使uBE減小。溫度每升高1℃,uBE就減小2～2.5mV。

圖2.9溫度對三極管特性的影響（a）

溫度對輸入特性的影響;（b）

溫度對輸出特性的影響

2）溫度對ICBO的影響三極管輸出特性曲線隨溫度升高將向上移動(dòng),這是因?yàn)闇囟壬?本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度增大,少子增多,所以ICBO增加,導(dǎo)致ICＥO增長，從而使輸出特性曲線上移,如圖2.9（b）虛線所示。溫度每升高10℃,ICBO、ICＥO就約增大1倍。

3）溫度對β的影響溫度升高,輸出特性各條曲線之間的間隔增大。這是因?yàn)闇囟壬?載流子運(yùn)動(dòng)加劇,載流子在基區(qū)渡越的時(shí)間縮短,從而在基區(qū)復(fù)合的數(shù)目減少,而被集電區(qū)收集的數(shù)目增多,使得β值增加。溫度每升高1℃,β值就增加0.5%～1%。

uBE的減小,ICBO和β的增加,集中體現(xiàn)為管子的集電極電流iC增大,從而影響三極管的工作狀態(tài)。

所以,一般電路中應(yīng)采取限制因溫度變化而影響三極管性能變化的措施。

2.1.5三極管的命名及判別方法

1．三極管型號的意義國產(chǎn)三極管的型號一般由五大部分組成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG110B為例說明各部分的命名含義。

(1)第一部分由數(shù)字組成，

表示電極數(shù)。“3”代表三極管。

(2)第二部分由字母組成，表示三極管的材料與類型。如A表示PNP型鍺管，B表示NPN型鍺管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。為了便于記憶,其材料與類型的表示符號A、

B、

C、

D可排列如下:

(3)第三部分由字母組成，表示管子的類型，即表明管子的功能,如G（高頻小功率管）、X（低頻小功率管）、A（高頻大功率管）、D（低頻大功率管）、K（開關(guān)管）等。

(4)第四部分由數(shù)字組成,表示三極管的序號。

(5)第五部分由字母組成,表示三極管的規(guī)格號。

國產(chǎn)晶體三極管具體的型號命名方法可參考附錄一。

我國生產(chǎn)的三極管中,NPN型多為硅管,PNP型多為鍺管。

目前國內(nèi)市場上常用的進(jìn)口晶體三極管有2S系列、2N系列、90系列等。2S系列、2N系列晶體三極管的命名方法見附錄六,90系列晶體三極管的類型見附錄七。

2．三極管手冊的查閱方法

三極管手冊給出了三極管的技術(shù)參數(shù)和使用方法,是我們正確使用三極管的依據(jù)。三極管的種類很多,其性能、用途和參數(shù)指標(biāo)也各不相同。在使用時(shí),若不了解它的特性、參數(shù)和用途,就無法準(zhǔn)確地選擇出電路中所需要的三極管,甚至?xí)蛉龢O管的某項(xiàng)參數(shù)不滿足電路的要求,而損壞三極管或使電路的性能達(dá)不到實(shí)際要求。因此,要正確使用三極管,而正確使用三極管的前提就是必須了解并會(huì)準(zhǔn)確查閱三極管手冊。

1）三極管手冊的基本內(nèi)容(1)三極管的型號;(2)電參數(shù)符號說明;(3)主要用途;(4)主要參數(shù)。

2）三極管手冊的查閱方法在實(shí)際工作中,可根據(jù)實(shí)際需要來查閱三極管手冊,一般分以下兩種情況:（1）已知三極管的型號查閱其性能參數(shù)和使用范圍。若已知三極管的型號,則通過查閱三極管的手冊,可以了解其類型、用途和主要參數(shù)等技術(shù)指標(biāo)。這種情況常出現(xiàn)于在設(shè)計(jì)、制作電路過程中，對已知型號的三極管進(jìn)行分析,看其是否滿足電路要求之時(shí)。

（2）根據(jù)使用要求選擇三極管。根據(jù)手冊選擇滿足電路要求的三極管,是三極管手冊的另一重要用途。查閱手冊時(shí),首先要確定所選三極管的類型,在手冊中查找對應(yīng)三極管欄目。確定欄目以后,將欄目中各型號三極管參數(shù)逐一與要求參數(shù)比較,看是否滿足電路的要求,來確定所用三極管的型號。

3．判別三極管的管型和管腳

1）由管型號初判管類型根據(jù)三極管外殼上的型號,初判其類型。

2）由管外形初判管腳根據(jù)三極管的外形特點(diǎn),初判其管腳,常見典型三極管的管腳排列如圖2.10所示。

圖2.10典型三極管的管腳排列圖

3）用萬用表檢測三極管的管腳和管型（1）判斷基極和管型。根據(jù)三極管3區(qū)2結(jié)的特點(diǎn)，可以利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，首先確定出三極管的基極和管型。

測試方法如圖2.11(a)、

(b)所示。

測試步驟如下：將萬用表的“功能開關(guān)”撥至“R×1k”擋；假設(shè)三極管中的任一電極為基極，并將黑（紅）表筆始終接在假設(shè)的基極上；再用紅（黑）表筆分別接觸另外兩個(gè)電極；輪流測試，直到測出的兩個(gè)電阻值都很小時(shí)為止，則假設(shè)的基極是正確的。這時(shí)，若黑表筆接基極，則該管為NPN型；若紅表筆接基極，則為PNP型。圖2.11(a)、(b)兩次測試中的阻值都很小，且黑表筆接在中間引腳不動(dòng)，所以中間引腳為基極，且為NPN型，如圖2.11(c)所示。

（2）判斷集電極和發(fā)射極。其測試步驟如下：①假定基極之外的兩個(gè)管腳中的其中一個(gè)為集電極，在假定的集電極與基極之間接一電阻。圖2.11（d）中是用左手的大拇指做電阻，此時(shí)，集電極與基極不能碰在一起。②對于NPN型管，用黑表筆接假定的集電極，紅表筆接發(fā)射極，紅、黑表筆均不要碰基極，讀出電阻值并記錄，如圖2.11(e)所示。③

將另外一只管腳假定為集電極，

將假定的集電極與基極頂在大拇指上，

如圖2.11(f)所示。

④用黑表筆接假定的集電極，紅表筆接發(fā)射極，紅、黑表筆均不要碰基極，讀出電阻值并記錄；比較兩次測試的電阻值，阻值小的那次假定是正確的，如圖2.11(g)所示。比較圖(e)與圖(g)，

圖(g)中的萬用表指針偏轉(zhuǎn)大，阻值小，此圖的黑表筆接的是集電極。

測試得出的各電極名稱如圖(h)所示。

圖2.11三極管的管腳及管型的測試

4）由管結(jié)壓降的區(qū)別判斷管材料根據(jù)硅管的發(fā)射結(jié)正向壓降大于鍺管的正向壓降的特點(diǎn),來判斷其材料。一般常溫下,鍺管正向壓降為0.2～0.3V,硅管的正向壓降為0.6～0.7V。根據(jù)圖2.12電路進(jìn)行測量,由電壓表的讀數(shù)大小確定是硅管還是鍺管。

圖2.12判斷硅管和鍺管的電路

4．三極管的質(zhì)量粗判及代換方法

1）判別三極管的質(zhì)量好壞根據(jù)三極管的基極與集電極、基極與發(fā)射極之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)同向PN結(jié)的特點(diǎn),用萬用表分別測量其兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)、集電結(jié)）的正、反向電阻。若測得兩PN結(jié)的正向電阻均很小,反向電阻均很大,則三極管一般為正常,否則已損壞。

2）三極管的代換方法通過上述方法的判斷,如果發(fā)現(xiàn)電路中的三極管已損壞,更換時(shí)一般應(yīng)遵循下列原則:（1）更換時(shí),盡量更換相同型號的三極管。（2）無相同型號更換時(shí),新?lián)Q三極管的極限參數(shù)應(yīng)等于或大于原三極管的極限參數(shù),如參數(shù)ICM、PCM、U（BR）CEO等。（3）性能好的三極管可代替性能差的三極管。如穿透電流ICEO小的三極管可代換ICEO大的,電流放大系數(shù)β高的可代替β低的。

（4）在集電極耗散功率允許的情況下,可用高頻管代替低頻管，如3DG型可代替3DX型。（5）

開關(guān)三極管可代替普通三極管,如3DK型代替3DG型,3AK型代替3AG型管。

2.1.6特殊三極管簡介

1．光電三極管光電三極管也稱光敏三極管,它是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光電器件,它和光電二極管一樣,能把輸入的光信號變成電信號輸出,但與光電二極管不同的是,能將光信號產(chǎn)生的電信號進(jìn)行放大,因而其靈敏度比光電二極管高得多。為了對光有良好的響應(yīng),要求基區(qū)面積做得比發(fā)射區(qū)面積大得多,以擴(kuò)大光照面積,提高光敏感性。其原理電路相當(dāng)于在基極和集電極間接入光電二極管的三極管,一般外形只引出集電極和發(fā)射極兩個(gè)電極,這種管子的光窗口即為基極。

其等效電路和電路符號如圖2.13所示。

圖2.13光電三極管的等效電路與電路符號(a)等效電路;(b)電路符號

2．光電耦合器光電耦合器是將發(fā)光二極管和光敏元件（光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池等）組裝在一起而形成的二端口器件,其電路符號如圖2.14所示。它的工作原理是以光信號作為媒體將輸入的電信號傳送給外加負(fù)載,實(shí)現(xiàn)了電—光—電的傳遞與轉(zhuǎn)換。光電耦合器主要用作高壓開關(guān)、信號隔離器、

電平匹配等電路中,起信號的傳輸和隔離作用。

圖2.14光電耦合器電路符號(a)LED+光敏電阻；(b)LED+光電二極管(c)LED+光電三極管;(d)LED+光電池

思

考

題

1．三極管具有兩個(gè)PN結(jié),能否把兩個(gè)二極管反向串聯(lián)起來作為一個(gè)三極管用?為什么？

2．發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是同類型的半導(dǎo)體材料,發(fā)射極和集電極可以互換嗎？為什么？

3．

怎樣用萬用表判斷三極管的管腳？

2.2放大電路的基本知識

2.2.1放大電路的基本概念

1．放大的概念所謂放大,從表面上看是將信號由小變大,實(shí)質(zhì)上,放大的過程是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的過程。由于在電子線路中輸入信號往往很小,它所提供的能量不能直接推動(dòng)負(fù)載工作,因此需要另外提供一個(gè)能源,由能量較小的輸入信號控制這個(gè)能源,經(jīng)三極管使之放大去推動(dòng)負(fù)載工作。我們把這種小能量對大能量的控制作用稱為放大作用。三極管只是一種能量控制元件,而不是能源。三極管有三個(gè)電極,三極管對小信號實(shí)現(xiàn)放大作用時(shí)在電路中可有三種不同的連接方式（或稱三種組態(tài)）,即共(發(fā))射極接法、共集電極接法和共基極接法。這三種接法分別以發(fā)射極、集電極、基極作為輸入回路和輸出回路的公共端,而構(gòu)成不同的放大電路,如圖2.15(以NPN管為例)所示。

圖2.15放大電路中三極管的三種連接方法(a)共(發(fā))射極電路;(b)共集電極電路;(c)共基極電路

2．放大電路的組成及各元件的作用

電路的組成如圖2.16所示。

其中，

符號“⊥”為接地符號,是電路中的零參考電位。

圖2.16基本共(發(fā))射(極)放大電路

3．放大電路中電壓、電流的方向及符號規(guī)定

1）電壓、電流正方向的規(guī)定為了便于分析,我們規(guī)定:電壓的正方向都以輸入、輸出回路的公共端為負(fù),其他各點(diǎn)均為正;電流方向以三極管各電極電流的實(shí)際方向?yàn)檎较颍ㄈ鐖D2.16標(biāo)注）。

2）電壓、電流符號的規(guī)定為了便于對概念及公式的討論,對于圖2.16的放大電路,在交流信號ui的作用下,可以得到圖2.17所示的三極管基極電流波形,其表示的符號做如下規(guī)定:

(1)直流分量。如圖2.17(a)所示波形,用大寫字母和大寫下標(biāo)表示。如IB表示基極的直流電流。

(2)交流分量。如圖2.17(b)所示波形,用小寫字母和小寫下標(biāo)表示。如ib表示基極的交流電流。

(3)總變化量。如圖2.17(c)所示波形,是直流分量和交流分量之和,即交流疊加在直流上,用小寫字母和大寫下標(biāo)表示。如iB表示基極電流總的瞬時(shí)值,其數(shù)值為iB=IB+ib。

(4)交流有效值。用大寫字母和小寫下標(biāo)表示。如Ib表示基極的正弦交流電流的有效值。圖2.17三極管基極的電流波形(a)直流分量;(b)交流分量;(c)總變化量

表2.2電壓、電流符號的規(guī)定

由圖2.16可清楚地看到,在放大電路中,既有直流電源,又有交流信號源,因此電路中交、直流并存。具體對一個(gè)放大電路進(jìn)行定性、定量分析時(shí),首先要求出電路各處的直流電壓和電流的數(shù)值,以便判斷放大電路是否工作于放大區(qū),這也是放大電路放大交流信號的前提和基礎(chǔ)。其次分析放大電路對交流信號的放大性能,如放大電路的放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及電路的失真問題。前者討論的對象是直流成分,而后者討論的對象則是交流成分。因此,在對放大電路進(jìn)行具體分析時(shí),必須正確地分清直流通路和交流通路。

4．直流通路和交流通路

1）直流通路所謂直流通路,是指當(dāng)輸入信號ui=0時(shí),在直流電源UCC的作用下,直流電流所流過的路徑。在畫直流通路時(shí),電路中的電容開路,電感短路。圖2.16所對應(yīng)的直流通路如圖2.18（a）所示。

2）交流通路所謂交流通路,是指在信號源ui的作用下,只有交流電流所流過的路徑。畫交流通路時(shí),放大電路中的耦合電容短路;由于直流電源UCC的內(nèi)阻很小,對交流變化量幾乎不起作用,故可看作短路。圖2.16所對應(yīng)的交流通路如圖2.18(b)所示。圖2.18基本共射放大電路的交、直流通路(a)直流通路;(b)交流通路

通過上述分析，可以歸納出組成基本放大電路時(shí)必須遵循以下三條原則：（1）必須保證電路具有合適的直流工作狀態(tài)；（2）必須保證輸入交流信號能順利加在發(fā)射結(jié)上；（3）

必須保證交流信號經(jīng)放大后能順利傳輸給負(fù)載。

2.2.2放大電路的工作狀態(tài)分析

1．靜態(tài)（ui=0）工作情況

所謂靜態(tài),是指輸入信號為零時(shí)放大電路中只有直流電量的工作狀態(tài)。靜態(tài)分析的目的是通過直流通路分析放大電路中三極管的工作狀態(tài)。為了使放大電路能夠正常工作,三極管必須處于放大狀態(tài)。因此,要求三極管各極的直流電壓、直流電流必須具有合適的靜態(tài)工作參數(shù)IB、IC、UBE、UCE。電路如圖2.19（a）所示,當(dāng)電路中的UCC、Rc、Rb確定以后,UBE、IB

、UCE、IC

也就隨之確定了。

對應(yīng)于這四個(gè)數(shù)值,可在三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線上各確定一個(gè)固定不動(dòng)的點(diǎn)“Q”,如圖2.19(b)所示,我們把這個(gè)“Q”點(diǎn)就稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn),簡稱工作點(diǎn)。為了便于說明此時(shí)的電壓、電流值是對應(yīng)于工作點(diǎn)“Q”的靜態(tài)參數(shù),以后把它們分別記作UBEQ、IBQ、UCEQ和ICQ。

圖2.19基本放大電路的靜態(tài)情況(a)電路;

(b)靜態(tài)工作點(diǎn)Q

2．動(dòng)態(tài)工作情況

所謂動(dòng)態(tài),是指放大電路輸入信號不為零時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)放大電路加入交流信號ui時(shí),電路中各電極的電壓、電流都是由直流量和交流量疊加而成的。

其波形如圖2.20所示。

圖2.20放大電路的動(dòng)態(tài)工作情況

在圖2.20中,輸入信號ui通過耦合電容傳送到三極管的基極與發(fā)射極之間,使得發(fā)射結(jié)的電壓為

（2.7）

當(dāng)ui變化時(shí),便引起uBE隨之變化,相應(yīng)的基極電流也在原來IBQ的基礎(chǔ)上疊加了因ui變化產(chǎn)生的變化量ib,這時(shí),基極的總電流則為直流和交流的疊加,即（2.８）

經(jīng)三極管放大后,可得

（2.９）

（2.10）

由式（2.10）可以看出,電壓uCE由兩部分組成,一部分為靜態(tài)電壓UCEQ,另一部分為交流動(dòng)態(tài)電壓uce=-icRc,經(jīng)耦合電容C2輸出,得（2.1１）

-”表示uo與ui反相,即共射放大電路的uo與ui的相位相反,如圖2.20所示。

通過上述放大過程的分析和波形的觀察,可以得到如下幾個(gè)重要結(jié)論:

(1)在沒有信號輸入時(shí),放大電路工作于靜態(tài)情況,三極管各電極有著恒定的靜態(tài)電流值IBQ、ICQ和靜態(tài)電壓值UBEQ、UCEQ（如圖2.20中的虛線所示）。

(2)當(dāng)加入變化的輸入信號后,放大電路工作于動(dòng)態(tài)情況,三極管各電極的電流、電壓瞬時(shí)值是在靜態(tài)電流、電壓的基礎(chǔ)上,疊加了隨輸入信號ui變化的交流分量ib、ic、ie。其值的方向（或極性）在小信號情況下是不變的（即保持原來直流量的方向）,大小隨著ui的變化而變化。

(3)輸出電壓uo和輸出電流ic(io)的變化規(guī)律與輸入電壓ui和輸入電流ib一致,且uo比ui幅度大得多,這就完成了對交流信號的不失真放大。

(4)從圖2.20中的信號波形可以看到:uo和ui是同頻率的正弦量,且相位差180°,即共射極放大電路對于輸入信號具有“反相”作用。思

考

題

1．放大電路放大的是交流信號,電路中為什么還要加直流電源？

2．分析放大電路時(shí),如何畫交、直流通路？

3．三極管組成放大電路時(shí),能否將基極作為放大電路的輸出端,集電極作為輸入端？

4．

在共射放大電路中,為什么輸出電壓與輸入電壓反相？

2.3放大電路的失真現(xiàn)象分析

1．演示電路

演示電路如圖2.21所示。

圖2.21演示電路

2．演示過程

(1）通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一頻率為1000Hz的正弦波信號ui,輸入放大電路,調(diào)整ui的幅值和電位器RP,通過示波器在輸出端可觀察到最大不失真輸出信號的波形,如圖2.22（a）所示。

(2）調(diào)節(jié)RP,使Rb減小,通過示波器在輸出端可觀察到圖2.22（b）所示的底部失真信號。

(3）調(diào)節(jié)RP,使Rb增大,通過示波器在輸出端可觀察到圖2.22（c）所示的頂部失真信號。

圖2.22通過示波器所觀察到的輸出波形3．現(xiàn)象分析1）底部失真產(chǎn)生底部失真的原因是:當(dāng)電路輸入交流信號時(shí),很容易使UCE＜0.4V而進(jìn)入飽和區(qū),使輸出不能如實(shí)地反映輸入信號的形狀,則出現(xiàn)了圖2.22（b）所示的底部失真現(xiàn)象。該現(xiàn)象是因?yàn)槿龢O管進(jìn)入飽和區(qū)所引起的,故稱為飽和失真。

由上述分析可知,出現(xiàn)飽和失真的原因是:因?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)偏高,即IBQ太大,引起ICQ太大造成的。只要將輸入回路中的基極偏置電阻Rb增大,以降低IBQ、ICQ,從而使靜態(tài)工作點(diǎn)Q下降,進(jìn)入三極管放大區(qū)的中間位置,便可解決飽和失真的問題。此過程也可通過演示電路驗(yàn)證。另外,還可以通過調(diào)節(jié)Rc的大小來改善飽和失真,讀者可自行分析。

2）頂部失真

產(chǎn)生頂部失真的原因是:當(dāng)電路輸入的交流信號變化到負(fù)半周時(shí),uBEQ+ui隨著|ui|增大而減小,很容易使三極管進(jìn)入截止區(qū),而導(dǎo)致輸入回路中的iB不能隨著ui作線性變化,則出現(xiàn)了圖2.22(c)所示的頂部失真現(xiàn)象。該現(xiàn)象是因?yàn)槿龢O管進(jìn)入截止區(qū)所引起的,故稱為截止失真。由上述分析可知,出現(xiàn)截止失真的原因是:因靜態(tài)工作點(diǎn)太低,即IBQ太小造成的。因而防止截止失真的辦法是將輸入回路中的基極偏置電阻Rb減小,即增大IBQ,使靜態(tài)工作點(diǎn)Q上移，以保證在輸入信號的整個(gè)周期內(nèi),三極管工作在輸入特性的線性部分。放大電路正常工作時(shí),要求盡可能有最大的不失真信號輸出,如圖2.22(a)所示。電路只有設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn),才可實(shí)現(xiàn)此要求。通過上述分析知,可以通過調(diào)整電路中的Rb使Q點(diǎn)設(shè)置在合適的位置。但要注意,有了合適的靜態(tài)工作點(diǎn),當(dāng)ui的幅值太大時(shí),也容易出現(xiàn)如圖2.22(d)所示的雙向失真。思

考

題

在放大電路中,輸出波形產(chǎn)生失真的原因是什么？如何克服？

2.4放大電路的偏置方式1．

固定偏置式電路

1)電路組成如圖2.23所示,+UCC經(jīng)電阻Rb為發(fā)射結(jié)提供正偏電壓,經(jīng)電阻Rc為集電結(jié)提供反偏電壓。

圖2.23固定偏置式直流電路

2)靜態(tài)工作點(diǎn)的估算由電路得基極靜態(tài)電流:（2.12）

其中UBEQ為發(fā)射結(jié)正向電壓,一般硅管取值為0.7V，鍺管取值為0.3V,當(dāng)UCC>>UBEQ時(shí),IBQ≈UCC/Rb。

根據(jù)三極管電流放大特性有

（2.13）

集(電極)-(發(fā))射(極)之間的電壓為

（2.14）

注意:式（2.13）成立的條件是三極管必須工作于放大區(qū)。實(shí)際中,如果UCEQ值小于1V,則認(rèn)為三極管已處于飽和狀態(tài),此時(shí),電流ICQ不再受IBQ的控制,稱這時(shí)的ICQ為飽和電流,用ICS表示。此時(shí)的集-射電壓為飽和壓降UCES,則

（2.15）

此式說明ICS基本上只與UCC及Rc有關(guān),與β及IBQ無關(guān)。三極管在臨界飽和狀態(tài)時(shí),其電流受控關(guān)系仍然成立,此時(shí)的基極電流稱為基極臨界飽和電流,用IBS表示。即

（2.16）

如果IBQ＜IBS,則表明三極管工作于放大狀態(tài),否則為飽和狀態(tài)。

例2.1在圖2.23中已知UCC=20V,Rc=6.8kΩ,Rb=510kΩ,三極管為3DG100,β=45,

(1)試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn);

(2)如果偏置電阻Rb由510kΩ減至240kΩ,三極管的工作狀態(tài)有何變化？

解

(1)因?yàn)镮BQ<IBS,所以,電路中的三極管處于放大區(qū)。

(2)當(dāng)Rb由510kΩ減至240kΩ時(shí),因?yàn)镮BQ＞

IBS,表明三極管已進(jìn)入飽和狀態(tài),此時(shí)，

3)電路的特點(diǎn)固定偏置式電路結(jié)構(gòu)簡單,但靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定。例如當(dāng)IBQ固定時(shí),溫度升高,β值增大,ICQ增大,UCEQ減小,使Q點(diǎn)變化。

2.分壓式偏置電路

1)電路組成如圖2.24所示,與固定偏置式電路不同的是,基極直流偏置電位UB是由Rb1和Rb2對UCC分壓來取得的,故稱這種電路為分壓式偏置電路;同時(shí),電路中又增加了發(fā)射極電阻Re,用來穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

圖2.24分壓偏置式直流電路

2)靜態(tài)工作點(diǎn)的估算當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí),IB很小,當(dāng)滿足I1>>IB時(shí),UBQ基本固定不變,則有:（2.17）

（2.1８）

（2.1９）

（2.２０）

（2.２１）

3)Q點(diǎn)的穩(wěn)定過程例如,當(dāng)UBQ固定時(shí)，

由此可見,這種電路是在固定基極電壓的條件下,利用發(fā)射極電流IEQ隨溫度T（或β）的變化所引起的UEQ變化,進(jìn)而影響UBE和IB的變化,使

ICQ趨于穩(wěn)定的。

例2.2

圖2.24的放大電路中,已知三極管的參數(shù)為β=50,UBEQ=0.7V,Rb1=50kΩ,Rb2=20kΩ,Rc=5kΩ,Re=2.7kΩ,UCC=+12V。

(1)試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn);

(2)如果三極管的β增大1倍,那么放大電路的Q點(diǎn)將發(fā)生什么變化？

解

(1)估算靜態(tài)工作點(diǎn)的基本思路是:先算ICQ,再算IBQ,即

由于UCEQ＞1V，

故三極管工作在放大狀態(tài)。

(2)在這種電路中,β值增大1倍,UBQ、UEQ、ICQ、IEQ和UCEQ

均可認(rèn)為基本不變,電路仍然可以正常工作,這正是分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的優(yōu)點(diǎn)。

但此時(shí)IBQ將減小,

比較以上兩種偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算步驟:固定偏置電路:分壓式偏置電路:3.帶有(發(fā))射極電阻Re的固定偏置電路

1)電路組成電路組成如圖2.25所示。2)Q點(diǎn)的估算

由電路可得

（2.22）

（2.2３）

（2.2４）

圖2.25帶有（發(fā)）射極電阻Re的固定偏置式直流電路思

考

題

1．試分析帶有(發(fā))射極電阻Re的固定偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過程。

2．

總結(jié)三種偏置電路中Q

點(diǎn)計(jì)算步驟的異同點(diǎn)。

2.5放大電路性能指標(biāo)的估算

2.5.1放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)放大電路放大的對象是變化量,研究放大電路時(shí)除了要保證放大電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)外,更重要的是還要研究其放大性能。對于放大電路的放大性能有兩個(gè)方面的要求:一是放大倍數(shù)要盡可能大;二是輸出信號要盡可能不失真。衡量放大電路性能的重要指標(biāo)有放大倍數(shù)、輸入電阻ri和輸出電阻ro。

1.放大倍數(shù)放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。它是指輸出信號與輸入信號之比。常用的有電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)。電壓放大倍數(shù)的定義為

（2.25)

電流放大倍數(shù)的定義為

（2.26)

式中,uo、ui、io、ii是輸入、輸出信號的交流量。

2.輸入電阻ri

如圖2.26所示,放大電路的輸入端可以用一個(gè)等效交流電阻ri來表示,它定義為

（2.27）

ri是衡量放大電路對信號源影響程度的重要參數(shù)。其值越大,放大電路從信號源索取的電流越少,信號源對放大電路的影響越小。

圖2.26放大電路的方框圖

3.輸出電阻ro

從放大電路輸出端看入的等效電阻，稱為輸出電阻ro

，如圖2.26所示。圖中的uo′為輸出端的開路電壓，等效電阻用戴維南定理分析，其計(jì)算方法有以下三種：（1）將輸入信號源us短路（電流源開路），但要保留其信號源內(nèi)阻rs，用電阻串并聯(lián)方法加以化簡，計(jì)算輸出端的等效電阻。（2）

將輸入信號源us短路（電流源開路），但要保留其信號源內(nèi)阻rs，然后在其輸出端外加一電壓源up，并計(jì)算出該電壓源給出的電流ip，則輸出電阻由下式計(jì)算：

(2.28)

(3)用實(shí)驗(yàn)方法測量。第一步，令RL開路，測出放大器輸出端的開路電壓的有效值Uo′。第二步，接入RL，測出有載輸出電壓的有效值Uo。則輸出電阻可由下式計(jì)算：

可以看出,輸出電阻ro越小,接入負(fù)載RL后,輸出電壓uo變化越小,電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。因此,ro的大小反映了放大電路帶負(fù)載能力的強(qiáng)弱。(2.29)2.5.2共發(fā)射極放大電路性能指標(biāo)的估算

共發(fā)射極放大電路(簡稱共射放大電路)如圖2.27所示。

圖2.27實(shí)用的共射放大電路（a）

電路;（b）交流通路

1．三極管的微變等效電路

1)三極管基-(發(fā))射極間的等效在圖2.27（a）中,根據(jù)三極管的輸入特性,當(dāng)輸入信號ui在很小范圍內(nèi)變化時(shí),輸入回路的電壓uBE、電流iB在uCE為常數(shù)時(shí),可認(rèn)為其隨ui的變化作線性變化,即三極管輸入回路基極與發(fā)射極之間可用等效電阻rbe代替。其等效電路如圖2.28（b）所示。

（2.30）

根據(jù)三極管輸入回路結(jié)構(gòu)分析,rbe的數(shù)值可以用下列公式計(jì)算:（2.31）式中,rbb′是基區(qū)體電阻,對于低頻小功率管,rbb′約為100

～500Ω,一般無特別說明時(shí),可取rbb′=300Ω;IEQ為靜態(tài)(發(fā))射極電流;rbe單位取Ω。

圖2.28三極管的微變等效電路

2)三極管集(電)-(發(fā))射極間的等效當(dāng)三極管工作于放大區(qū)時(shí),ic的大小只受ib控制,而與uCE無關(guān),即實(shí)現(xiàn)了三極管的受控恒流特性,ic=βib。所以,當(dāng)輸入回路的ib給定時(shí),三極管輸出回路的集電極與發(fā)射極之間,可用一個(gè)大小為βib的理想受控電流源來等效,如圖2.28(c)所示。將上面所得圖2.28(b)與(c)合并,便可得到三極管的微變等效電路,如圖2.28(d)所示。

2.放大電路的微變等效電路

把圖2.27(b)所示交流通路中的三極管用微變等效電路代換,則可得到放大電路的微變等效電路,如圖2.29所示。下面我們以圖2.27（a）所示電路為例,總結(jié)畫放大電路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2.27（b）所示。

(2）用三極管的微變等效電路代替交流通路中的三極管,畫出放大電路的微變等效電路,如圖2.29(a)所示。

圖2.29共射放大電路的微變等效電路(a)不考慮信號源內(nèi)阻的等效電路；

(b)考慮信號源內(nèi)阻時(shí)的等效電路

3．共射放大電路基本動(dòng)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。

(2.32)(2.3３)將式（2.32）和式（2.33）代入定義式（2.25），

可得

（2.34）

（2）

求空載電壓放大倍數(shù)。

即不接負(fù)載RL,RL→∞,則

（2.35）

因?yàn)?/p>

所以空載電壓放大倍數(shù)大于有載電壓放大倍數(shù)。

2）

輸入電阻ri當(dāng)Rb>>rbe時(shí),

（2.36）

3）輸出電阻ro

在圖2.29中,根據(jù)戴維南定理等效電阻的計(jì)算方法，將us=0，

則ib=0，

從而受控源βib=0，

因此可直接得出

（2.37）4）源電壓放大倍數(shù)圖2.29(b)為考慮信號源內(nèi)阻時(shí)所畫出的微變等效電路,可以得出

（2.38）

將式（2.38）代入式（2.25）可求得考慮信號源內(nèi)阻時(shí)的源電壓放大倍數(shù)Aus

（2.39）

將式（2.34）代入式（2.39）得

（2.40）

稱Aus為源電壓放大倍數(shù)。

例2.3

放大電路如圖2.27（a）所示,其中硅三極管的β=50,電阻Rb1=50kΩ,Rb2=10kΩ,Rc=6kΩ,Re=1.3kΩ,RL=6kΩ,電源UCC=12V。試求該電路的:（1）靜態(tài)工作點(diǎn);（2）Au、ri和ro值;（3）

不接電容Ce時(shí)的Au、ri和ro值，并與接Ce時(shí)的Au、ri、

ro進(jìn)行比較。

解(1)（2）

（3）不接電容Ce時(shí),電路圖2.27（a）所對應(yīng)的微變等效電路如圖2.30所示。根據(jù)電路圖可得

圖2.30不接Ce

的微變等效電路

2.5.3共集電極、共基極放大電路的性能指標(biāo)

1．共集電極放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算

電路如圖2.31（a）所示,交流信號從基極輸入,從發(fā)射極輸出,故該電路又稱射極輸出器。圖2.31（b）為該電路對應(yīng)的交流通路。由交流通路可看出,集電極為輸入、輸出的公共端,故稱為共集電極放大電路(簡稱共集放大電路)。

圖2.31共集電極放大電路（a）

電路;（b）

交流通路

1）等效電路畫出電路的微變等效電路,如圖2.32所示。

圖

2.32共集電極放大電路的微變等效電路

2）參數(shù)估算（1）

Au的估算。由圖2.32可得

將式（2.41）、（2.42）代入電壓放大倍數(shù)的定義式（2.25）,可得

分析式（2.43）可知，從大小上看Au＜1,但由于（1+β）RL′>>rbe,所以Au≈1,從相位上看，由于Au為正值，所以，uo與ui同相，由此說明uo≈ui,uo具有跟隨ui的作用,故該電路又稱為射極跟隨器。(2.41)(2.42)(2.43)（2）

ri的估算。

由圖2.32可得

則

（2.45）

（2.44）

上流過的電流是ib的（1+β）倍,為了保證等效前后的電壓不變,故把 折算到基極回路時(shí)應(yīng)把 擴(kuò)大到（1+β）倍,可見,共集電極電路的輸入電阻比共射極電路大得多。對電壓信號源來說,該電路的輸入端能較準(zhǔn)確地反映信號源電壓us。

（3）ro的估算。在圖2.32中,令us=0,并去掉負(fù)載RL,在輸出端加一探察電壓up,則可畫成如圖2.33所示的形式。圖

2.33求ro的微變等效電路

由圖可得

（2.46）

（2.47）

（2.48）

將式（2.48）代入式（2.47）,得

（2.49）

將式（2.49）代入式（2.46)，

得

一般情況下，由于rs很小，即rs<<Rb、rs<<Rbe,所以（2.50）

例2.4

放大電路如圖2.31（a）所示,其中硅三極管的β=100,電阻Rb=200kΩ,Re=2kΩ,RL=2kΩ,rs=1kΩ,電源UCC=12V。試求:（1）靜態(tài)工作點(diǎn);（2）Au、ri和ro值。

解

(1）

（2）

通過上述計(jì)算結(jié)果,可得共集電極放大電路的特點(diǎn)是:(1)Au＜1,而又近似等于1。(2)ri很大。(3)ro

很小。

*2．共基極放大電路的動(dòng)態(tài)性能共基極放大電路(簡稱共基放大電路)如圖2.34(a)所示,直流通路采用的是分壓偏置式,交流信號經(jīng)C1從發(fā)射極輸入,從集電極經(jīng)C2輸出,C1、C2為耦合電容,Cb為基極旁路電容,使基極交流接地,故稱為共基極放大器。微變等效電路如圖2.34(b)所示。

圖2.34共基極放大電路（a）基本放大電路;（b）微變等效電路

根據(jù)微變等效電路,同樣可分析得共基極放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù):（2.51）

（2.5２）

（2.5３）

2.5.4三種基本放大電路的性能比較上述所講的三種組態(tài)放大電路是用三極管組成放大電路的基本形式,其他類型的單級放大電路歸根到底都是由這三種變化而來的。

三種組態(tài)的基本放大電路的比較見表2.3。

表2.3三種組態(tài)的基本放大電路的比較

表2.3三種組態(tài)的基本放大電路的比較

思考題1.如何識別三種不同組態(tài)的基本放大電路?2.怎樣畫三極管的等效電路?為什么c、e之間可用受控電流源代替?三極管可以作為電流源用嗎?3.在共集電極放大電路中,為什么集電極電阻Rc等于零?2.6多級放大電路

2.6.1多級放大電路的組成

1．多級放大電路的組成多級放大電路的組成可用圖2.35所示的框圖來表示。其中,輸入級與中間級的主要作用是實(shí)現(xiàn)電壓放大，

輸出級的主要作用是功率放大,以推動(dòng)負(fù)載工作。

圖2.35多級放大電路的結(jié)構(gòu)框圖

2．多級放大電路的耦合方式

多級放大電路是由兩級或兩級以上的單級放大電路連接而成的。在多級放大電路中,我們把級與級之間的連接方式稱為耦合方式。而級與級之間耦合時(shí),必須滿足:

(1)耦合后,各級電路仍具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn);

(2)保證信號在級與級之間能夠順利地傳輸過去;

(3)耦合后,多級放大電路的性能指標(biāo)必須滿足實(shí)際的要求。為了滿足上述要求,一般常用的耦合方式有:阻容耦合、

直接耦合、

變壓器耦合。

1）阻容耦合我們把級與級之間通過電容連接的方式稱為阻容耦合方式。電路如圖2.36所示。

圖

2.36兩級阻容耦合放大電路

由圖可得阻容耦合放大電路的特點(diǎn):

(1)優(yōu)點(diǎn):因電容具有“隔直”作用,所以各級電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,互不影響。這給放大電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來了很大的方便。此外,還具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

(2)缺點(diǎn):因電容對交流信號具有一定的容抗,在信號傳輸過程中,會(huì)受到一定的衰減。尤其對于變化緩慢的信號容抗很大,不便于傳輸。此外,在集成電路中,制造大容量的電容很困難,所以這種耦合方式下的多級放大電路不便于集成。

2）直接耦合為了避免電容對緩慢變化的信號在傳輸過程中帶來的不良影響,也可以把級與級之間直接用導(dǎo)線連接起來,這種連接方式稱為直接耦合。

其電路如圖2.37所示。

圖

2.37直接耦合放大電路

直接耦合的特點(diǎn):

(1)優(yōu)點(diǎn):既可以放大交流信號,也可以放大直流和變化非常緩慢的信號;電路簡單,便于集成,所以集成電路中多采用這種耦合方式。

(2)缺點(diǎn):存在著各級靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制和零點(diǎn)漂移這兩個(gè)問題。（第4章將詳細(xì)討論零點(diǎn)漂移問題。）

3）變壓器耦合我們把級與級之間通過變壓器連接的方式稱為變壓器耦合。

其電路如圖2.38所示。

圖

2.38變壓器耦合放大電路

變壓器耦合的特點(diǎn):

(1)優(yōu)點(diǎn):因變壓器不能傳輸直流信號,只能傳輸交流信號和進(jìn)行阻抗變換,所以，各級電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,互不影響。改變變壓器的匝數(shù)比,容易實(shí)現(xiàn)阻抗變換,因而容易獲得較大的輸出功率。

(2)缺點(diǎn):變壓器體積大而重,不便于集成。同時(shí)頻率特性差,也不能傳送直流和變化非常緩慢的信號。

2.6.2多級放大電路的性能指標(biāo)估算

1．電壓放大倍數(shù)根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義式

在圖2.36中,由于

uo=Au2ui2,

ui2=uo1,

uo1=Au1ui故

因此可推廣到n級放大電路的電壓放大倍數(shù)為

Au=Au1Au2…Aun(2.54)(2.55)

2．輸入電阻多級放大電路的輸入電阻,就是輸入級的輸入電阻。計(jì)算時(shí)要注意:當(dāng)輸入級為共集電極放大電路時(shí),要考慮第二級的輸入電阻作為前級負(fù)載時(shí)對輸入電阻的影響。

3．輸出電阻多級放大電路的輸出電阻就是輸出級的輸出電阻。計(jì)算時(shí)要注意:當(dāng)輸出級為共集電極放大電路時(shí),要考慮其前級對輸出電阻的影響。

2.6.3放大電路的頻率特性

1．單級阻容耦合放大電路的頻率特性圖2.39(a)所示是單級阻容耦合共射放大電路，圖(b)、(c)是其頻率響應(yīng)特性,其中,圖(b)是幅頻特性,圖(c)是相頻特性。圖中表明,在某一段頻率范圍內(nèi),電壓放大倍數(shù)與頻率無關(guān),輸出信號與輸入信號相位差為－180°,這一個(gè)頻率范圍稱為中頻區(qū)。在中頻區(qū)之外，隨著頻率的降低或者升高,電壓放大倍數(shù)都要減小,相位差也要發(fā)生變化。

為什么會(huì)出現(xiàn)圖2.39(b)所示的幅頻特性呢？在中頻區(qū),由于耦合電容和射極旁路電容的容量較大,其等效容抗很小,可視為短路。另外,因三極管的結(jié)電容以及電路中的雜散電容很小,等效容抗很大,可視為開路。所以在中頻區(qū),可認(rèn)為信號在傳輸過程中不受電容的影響,從而使電壓放大倍數(shù)幾乎不受頻率變化的影響,該區(qū)的特性曲線較平坦。而在中頻區(qū)以外的低頻區(qū)、高頻區(qū),放大電路的電壓放大倍數(shù)的幅值均隨頻率變化而下降。

圖

2.39放大電路的頻率響應(yīng)特性

在低頻區(qū),Au下降的原因是由于耦合電容C1、C2,以及射極旁路電容Ce的等效容抗隨頻率下降而增加,從而使信號在這些電容上的壓降也隨之增加,因而減少了輸出電壓Uo,導(dǎo)致低頻段Au的下降。

在高頻區(qū),由于三極管的極間電容和電路中的分布電容因頻率升高而等效容抗減小,對信號的分流作用增大,降低了集電極電流和輸出電壓Uo,導(dǎo)致高頻段Au的下降。工程上把因頻率變化使電壓放大倍數(shù)Au下降到中頻放大倍數(shù)Aum的 (即0.707倍)時(shí)所對應(yīng)的低頻頻率點(diǎn)和高頻頻率點(diǎn)分別稱為中頻區(qū)的下限截止頻率fL和上限截止頻率fH。我們把fL與fH之間的頻率范圍稱為通頻帶,用BW表示,即BW=fH-fL(2.56)通頻帶是放大電路頻率響應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)。通頻帶越寬,表示放大電路工作的頻率范圍越寬。例如,質(zhì)量好的音頻放大器,其通頻帶可達(dá)20Hz～20kHz。由于通頻帶不會(huì)是無窮大，

因此，

當(dāng)輸入信號包含有若干多次諧波成分時(shí)，

放大器對不同頻率信號的放大倍數(shù)不同和相位移不同，

從而使輸出信號與輸入信號不同，

即產(chǎn)生了頻率失真。

由于它是電抗元件引起的，

電抗元件是線性元件，

故這種失真稱為線性失真。

2．多級放大電路的幅頻特性在多級放大電路中,隨著級數(shù)的增加,其通頻帶變窄,且窄于任何一級放大電路的通頻帶。因?yàn)槎嗉壏糯箅娐房偟姆糯蟊稊?shù)是各級放大倍數(shù)的乘積,即

Au=Au1Au2Au3…Aun

式中n為放大電路的級數(shù)。我們以兩級共射放大電路為例,分析多級放大電路的通頻帶變窄的原因。兩個(gè)單級共射放大電路的幅頻特性曲線如圖2.40(a)所示,設(shè)Aum1=Aum2,fL1=fL2,fH1=fH2,BW1=BW2,由它們級聯(lián)組成的多級放大電路,其總放大倍數(shù)Au=Au1Au2。中頻段時(shí),在上、下限截止頻率處,各級放大電路的電壓放大倍數(shù)均為中頻區(qū)電壓放大倍數(shù)的0.707倍,即

在耦合后的多級放大電路中,在所對應(yīng)的fL1(fL2)及fH1(fH2)處的總電壓放大倍數(shù)為根據(jù)上、下限截止頻率的定義,應(yīng)有

由圖2.40(b)可看出,多級放大電路的上限截止頻率小于單級放大電路的上限截止頻率,下限截止頻率大于單級放大電路的下限截止頻率,因此,其通頻帶窄于單級放大電路的通頻帶。由上述分析可知,多級放大器的放大倍數(shù)與通頻帶是一對矛盾,多級放大器雖然使放大倍數(shù)提高了,但通頻帶卻變窄了,且級數(shù)越多,通頻帶越窄。

圖2.40多級放大電路的通頻帶（a）兩個(gè)單級放大電路的通頻帶;（b）

耦合后,放大電路的通頻帶變窄

3.放大倍數(shù)的分貝表示方式

在實(shí)際應(yīng)用中,放大倍數(shù)也可用對數(shù)單位分貝(dB)來表示，稱為增益。從電子技術(shù)發(fā)展史上看,放大器最初用于通信設(shè)備中。聲學(xué)理論指出,人耳對聲音的感覺實(shí)際上不是與聲強(qiáng)成正比的,而是符合對數(shù)規(guī)律。于是,人們就取兩個(gè)音響功率之比的對數(shù)為功率增益的單位并稱為“貝爾”,實(shí)際應(yīng)用時(shí)嫌“貝爾”單位太大,人們又取它的1/10,

即以“分貝”(dB)作功率增益單位。

功率增益用“分貝”表示的定義是

(2.57)由于在給定的電阻下,電功率與電壓或電流的平方成正比,因此,若取對數(shù)單位時(shí),電壓則可表示為

(2.58)電流增益則可表示為

(2.5９)式中,Ui、Ii、Pi表示放大電路的輸入電壓、電流和功率;Uo、Io、Po表示放大電路的輸出電壓、電流和功率?？梢悦黠@看出，當(dāng)輸出量大于輸入量時(shí),分貝值為正值;當(dāng)輸出量小于輸入量時(shí)(稱為衰減),分貝值取負(fù)值;當(dāng)輸出量等于輸入量時(shí),分貝值為

0。

思

考

題

1．在分析多級放大電路時(shí),為什么要考慮各級之間的相互影響？

2．放大電路的高低頻響應(yīng),主要決定于放大電路中的哪些元件？

3．

多級放大電路的通頻帶為什么比單級放大電路的通頻帶窄？

本

章

小

結(jié)

(1)半導(dǎo)體三極管是由三層不同性質(zhì)的半導(dǎo)體組合而成的,其特點(diǎn)是具有電流放大作用。三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的條件是:發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置。三極管的輸出特性曲線可劃分為三個(gè)工作區(qū)域:放大區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。在放大區(qū),三極管具有基極電流控制集電極電流的特性。在飽和區(qū)和截止區(qū),具有開關(guān)特性。

(2)根據(jù)三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可用萬用表判斷三極管的類型、管腳及三極管質(zhì)量的好壞。

(3)放