西安電子科技大學模電課件第5章雙極型晶體管及其放大電路

1、一課資料網(wǎng) /學習資料下載網(wǎng)站第5章基本放大電路放大器的組成原理及直流偏置電路放大器圖解分析法放大器的交流等效電路分析法共集電極放大器和共基極放大器場效應管放大器放大器的級聯(lián)放大器的組成原理及直流偏股電路晶體管的一個基本應用就是構成放大器.晶體管放大 器涉及的問覆很多，這些問題將在后續(xù)聿節(jié)中逐一討論. 本節(jié)主票討論：一.基本放大器的組成原則二,放大器的直流通路和交流逋路 三.放大器直流偏置電路基本放大器的組成原則基本放大器通常是指由一個晶體管構成的單級放大器.根據(jù)輸入，輸出回路公關端所接的電極不同，實際有共 發(fā)射極、共集電極和共基板三種基本I如態(tài)）放大器.下面以最常用的共發(fā)射機電路為例來說明放

2、大器的一般 組成原理.&O -犬方是基板偏差電阻；R匚為集電極負栽電阻;也是內(nèi)阻為此的正弦電壓源, 為放大器提供輸入信號場一產(chǎn)1 K Q -a是外接負載電限, 此r I f?- u - 一_電容G、G稱為藕合電容，其作用是隔直端逋交流,按這 種方式連接的放火器,通常稱為隨客屬合放大落.電客c; g的取值通常為微法級的大電容.如g=i你F， 務輸入頻率高于1M0H7時I其容抗Y * 一 I AC.)- 3c - 2x1000 x10 x10 6通過上述實例可以看出，用品體管組成放火器時應該 遵循如下朦則：“八必須將晶體管偏置在放大狀態(tài)，并且要設置合適 的工作點.為減小直流功耗，在保證不截止的的條

3、件下， 工作點應設五在盤小處，(2),榆人信號必須加在基板一發(fā)射機回珞.由于正俱的發(fā)射結其Gc)與“HE的關系仍滿足.娃11 at：c 總_D 定因此，只有將輸入信號加到基板一發(fā)射極回路，使其 BE=HE(j+Up才能對心進行有效地控制，實現(xiàn)放大.具體連掛時，若酎極作為公共支路(端)，則信號加到基 極；反之，信號則加到射機.可見,放大 身是一種直 流和交流混 合的電路(3) *須設旻合理的信號通路.當信號源及負栽與放大器相接時，一方而不能破壞已設定 好的直流工作點，另一方面應盡可能減小信號通路中的損耗.實際中，若輸入信號的頻率較高(幾百就蓄以上)，果用阻 客耦合則是最佳的連接方式.5J2直流通

4、路和交流通路一個放大器既有直流偏互，又有交流輸入信號.因 此,其分析的內(nèi)容無外乎兩個方面二一是直流（錚態(tài)）工作點分析即在沒有信號輸入時， 估算晶體管的承Ucmq.二是交流（動態(tài)）性能分析？即在輸入信號作用下， 確定晶體管在工作點處各機電流和極間電壓的變化量， 進而計算放大器的答項交流指標.對于阻客藕合放大器，由于電路中存在電抗元件， 所以克流通蹲和交流通路是各不相同的.為了分別進行 分析，必須首先確定出直流和交流通路，確定直流通路和交流通路的方法是：直流通路:將原放大電路中的電容開路，電 感短路,直流電源保留,得直流通路.交流通路：將原放大電路中的標合（旁路） 大電容短路（相對輸入信號頻率的小

5、電容保 留）；直流電源對地短路，得交流通路.5.L3放大狀態(tài)下的偏置電路晶體管在放大應用時，要求外電喀將晶體管偏置在放 大區(qū).而且在輸入信號的變化范圍內(nèi)*管子始終工作在放 大狀態(tài).對偏置電路的要求是：.偏置下的降態(tài)工作點在杯境溫度變化或更換管子時 應力求建定，即保持kg和Lk卬穩(wěn)定；.電路用式要簡單.例如采用一路電源，盡可能少用 電阻等；.對信號的轉輸損耗應盡可就小.如信號通道中的分 壓，分流損耗要小.此外，對直流能量的損耗也要小.下面將介紹幾種常用的偏置電路.一、固定偏流電珞最簡單的偏五電蛤如圖所示.由圖可知，(4通過Hr 使e結正偏.則如極偏流為Hr*s Ucc TOC o 1-5 h z

6、 _1071凡叫只要合理選擇七的恒值，-晶體管將處于放大軾態(tài). 此時% = Rbq=U cc 12 R(h這種偏置電路主要缺點是工作點的穩(wěn)定性差.由計算式可知，當溫度更化或更換管子引起距，蝌改 變時，由于外電路將四基本固定，所以管子參數(shù)的改變都 將集中反映到2，叼的變化上.結果會造成工作點較 大的法移，甚至使管子進入飽和或截止狀態(tài).二.電流負反饋型偏置電路使工作點穩(wěn)定的基本原理，是在電路中引入自動璃節(jié) 機制，用人的相反變化去自動抑制的變化，從而使德 定.這種機制通常稱為貞反饋，實現(xiàn)方法是在管子的發(fā)射 極串接電阻陣;，如圖所示.其原理是：不管何種原因， 如果使7“省增大越南時，電路 會產(chǎn)生如下自

7、我調(diào)節(jié)過程：A*n + *t，UQ I j.EQ(，Rq1CqTWh =4涓/I顯然 心：的加值越大，調(diào)節(jié)作用越強，則工作點 犍穩(wěn)定.但Ke過大時，因過小會使Q點作向飽和區(qū). 因此，要二者兼顧，合理選擇跖的阻他.由電路知Uy 0,%*(+ 9”即從而可得工作點的計算式：_ Ucc - 07“3(1”)魘，匚Q = 1RQ三、分壓式偏直電路分壓式偏置電路如圖示，通過增加一個電阻叱 可將 基板電位小固定.這樣由人力引起的備變化就是“卜，的變化, 因而增強了 5叫對7的調(diào)節(jié)作用，有利于。點的近一步德 定.這是確定Rb-/2和%的基本依據(jù)L 匕小U CEQ = 口 CC 一CQ(R。十從分析的角度看，

8、在電路的基極端用戴維南定理等效:其中11行上3 J?孤8+R Q .此時(7仙一。.73 =例m4 %= U（凡,f Rf ）加果叫取值不大，滿足L%u，期估算 工作點時，可按下式近似求出二這是實際中估算該電路錚態(tài)工作點常用的公式.K若按估算法直接求Aq,可得=4,Ay/9-1OU【例】圖示電路中.已如。小迎，外112,除廣39kR, 試計算工作點,CQ和隊:EQ.解 3 R3ML 39|25 = 15Jtn, UM = 口產(chǎn)尸=25 外2 至4”斑 %十七口 39+25以一率,，福八”4 019局旦+ （1+初% 15-HQU2= 100 x0.019 = 1.少兩士心一/中（&+改白=12

9、-1,9（242） = 44/gUcc12V2512=4.7,39 + 25二%-%g =匕22 = 2 .口ca =笫皿（凡 + /）= 12 2父（2 + = AV顯然兩者誤差很小.因此，在今后分析中可拄牯 算法來求工作點.與上述穩(wěn)定0點的原理相類似，實際中還可采用電 壓負反情型偏置電路.除此之外，在集成電路中，還廣泛采用恒流源作偏 置電路，即用恒流源直接設定小任放火器的主要性能指標電壓放大倍數(shù)a 一電流放大倍數(shù)A =.輸入電陰凡口 R = 4.輔出電阻%汽=3* f線性 放大器互導放大倍數(shù)八.=工互阻放大倍數(shù)4 =，4.非段性失真系數(shù)THD輸入.輸出動存范圍5.頻率特性口52放大器圖解分

10、析法對放大器進行分析4通常而兩種方法：L圖斛法2,等技電路法.曲解法是在晶體管特性曲線上逋過作圖磷定工作點及其信 號作用下的相對變化量.這種方法具有用象、直觀的優(yōu)點.時于小信號放大器，圖解法難以準確地進行定量分析.因 此，讀方法通常是作為放大器分析的輔助方法.等效電路法是一種利用器件模型進行電路分析的方法，它 具有運算簡便，結果誤差小的優(yōu)點，所以是放大器分析的主要 才法.本節(jié)以共射機放大器為例介紹圖解法.5.2直流圖解分析直流圖解分析是在晶體管特性曲線上，用作圖的方法確定直流工作點，求出人由基機回路，可用計算法求出：九 八 一。4 R由集電梃回路可列出如下方程組：”直流負我線方程二/&”1特性

11、曲線方程(7.-0.7甌二一 產(chǎn)/%兒叫筌K UCC /&圖解法步騏：L在輸出特性上畫出八=1叫的一條的柱曲蝮；作直流負戰(zhàn)戰(zhàn)；M Me =。, =%巧 N8 = 0, uCE = Ucc)直流負我線MV與特性曲線;產(chǎn)/g的交點Q，即為直流工作點； 瑜定Q點的坐標，即量得Q點妁縱坐標為，橫坐標則為也卬率例：R/5G0k，L &FkaU=12V 試 用圖解法璘定直流工作點，解由估算法可得，3%= 12-0.7即一北 560在榆出特性上找兩個特殊點：XIA!%下=0? 4 =12/3=4mA IL !|,|L-點：ic -(h mce=Ijcc= 12V連接M. N得到直流負我線.與/產(chǎn)0八的特性曲

12、線的交 點Q,即為直流工作點.20uA由Q點的坐標量得/CQ-2m, f8)截止Rti i 1叫一 Q” ( ku Uugv)飽和改變&K 1 1%不支1 Q左移(IcQ不.更L%EQ. ) *飽和A ic；mARi r，Lq不變-a Q右移(1工期不町Uceq )作業(yè) P1895-2, 53, 5-4,55, 56522交流圖解分析交流圖斛分析是在輸入佶號作用下.通過作圖來確定放 大管各級電流和極間電壓的變化量.此時的交流通路：3111應由&和R1決定由放大器的輸入回路確定1的變化：在晶體管的發(fā)射結回路，由于輸入電壓連同4區(qū)一起 直接加在發(fā)射結上，因而產(chǎn)生如用所示。的變牝.在放大器的榆出回路

13、確定i（和lie：的變化：直流負磁線k= - 1/RM圍繞變化時，引起*和工如何改變?為了痛定引起的i.和四片變化,必須依據(jù)圖示交流逋 路在輸出特性上畫出書變化時瞬時工作點移動的軌跡，即 交流負載線.其掙點：.交流負我線必然過Q點；.交流負戰(zhàn)線的斜率為其中Sh這是因為可見交流負載城是一條過Q點且斜率為-1/NJ的直踹交流負載線的畫法交流負載線是一條過Q點且斜率為-I，/的直線.波形，如圖所示.根據(jù)交流用解分析，放大管各極電流和極間電壓的0(1).輸入無變電壓時,川 晶體管備板電流和撥間電L?m , 樂的方白措終不變.只是 在直流宣上疊加一貨流量.Uh冬板電流.電壓 的瞬時波影中r高委放大 的是

14、交流量.但為了磷保 文就貴不失真，直流量又 是必不可少的.(司輸出與埼入的沈號 相便相反，因此T共射枇 大器為反相放大器.523直流工作點與放大器非線性失真的關系 直流工作點的位置如果設置不當，會使放大器輸 出流形產(chǎn)生明熨的非或勝失JU截止失真若Q點過低;Z *A、/ f II vI 1飽和失真若Q晶過高:不飽和痣陽 不截止照用放大器的輸出動態(tài)范圍例.通過以上分析可羯，由于受晶體管截止和飽和的限制，放大器的不失實輸出電壓有一個范圍，其最大值稱為放大器輸出動態(tài)范圍，用峰峰值（Lipp表示.由圖解可知:若 IqRj , UCFQ -Ug否則，產(chǎn)生微止失真.著Uf卬 C3 - 小工U tWF = W

15、 匚EQ臼否則，揩產(chǎn)生飽和失真.舉例：電路及晶體管的榆出特牲如圖所示，試用圖解 法確定直流工作點；畫出交流負載線；若輸入電壓使基板 電流有1MA的正弦變化，試確定輸出電壓的變化量并求 動志范圍.本次課的主要內(nèi)容2-6 放大器的交流等效電路分析法一.晶體管交濡小信號等效電路模型二.共射極放大器的交流等效電路分析26放大器的交流等效電路分析法在放大電路中，晶體管被偏置在iti放大區(qū)Q點處。交流分析或動態(tài)分析/,就是確定在Q點處因輸入爻流信號 包、一小引起的電流和電壓的偏移量.純予：如果輸入限制為小信號，即信號定7%偏靜量不大時，在Q點處使可用直線啟 關系來近似伏安林性.并用相應的tvZL線姓元件來

16、等效，便可得到q點處的交流小信號模型.I這樣豺放大器的交流分折就轉化W CE為對其線性等效電常的分析.2-6-1晶體管交流小信號等效電路模型根據(jù)導出的方法不同，星體管交流小信號等放電路 模型可分為兩類：一類是物理型等技模型.它是模擬晶體管結構及放 大過程導出的電路模型，它有多種形式，其中較為通用 的是溫哈F型電路模型；另一類是網(wǎng)絡拳皴模型.它是將晶體管看成一個雙 端口網(wǎng)絡，根據(jù)端口的電壓.電流關系導出的電路模型. 在低頻，應用最廣的是H參數(shù)電珞模型.不愴按哪種方法導出的電路模型，它們都應當是等價 的，因而相互間可以進行轉換.一，混合7T型電路模型工作在放大狀態(tài)下的共射極晶體管如圖所示,先忽略

17、管內(nèi)寄生效應的影響.當輸入交變電壓Ug加于發(fā)射培 時T晶體管各機電壓和電流的瞬時 值為晶體管輸入端F%控制&的作用，可以用入已極間相應的交流結電叫尿來等效，如圖所示,公的大小為靜態(tài)工作點處與卜對人的偏導但即對于晶體管的放大作用，我們關心的是微變量口吐 強L和之間的相互關系.0=(1 + /嵋式中F = M也LjiQ|+6=”即匕結交流電阻1折到b極支路的等效電阻，而折合系 數(shù)為（1+6）.發(fā)射結交流電阻可以根據(jù)正向二極管電流方程可見,與溫度有關，并與晶體管JL流工作電流4q 成反比*室溫下，Ur=26mV,所以 q=26mV%.此，可得% =(1 + /)匚=(#)265M根據(jù)龜流分配關系，匕

18、對的控制作用，可以用接在 丁電極間的一個受控電流源來等效，如圖所示.為了直接反映限對1的控制能力，即 =乙4 = KJ% （/：=3） 其中%”_ ic _ P _ 0_ 4，eq _，匚0*“= = =+/比=1=丁 =或 參量.稱為冷導，反映對。的控制能力.?。鹤兓瘯r由于基區(qū)調(diào)寬效應，n和。都將發(fā)生相應 變化，可以分別用集電極榆由電阻5和反向傳南電阻.等 效，如圖所示.反映在輸出件性上是曲線在Q點處切線鼾率的倒數(shù)，而 電阻小極大輸入椅性在不同4下下曲線的分離度），可忽喀.以上分刷模擬了放火管t結的正向控制特性.基區(qū)電 流分配關系和基調(diào)效應，得到圖示的交流等效電路.下 面進一步討論等效電路中如何反映晶體管固有的寄生效 應的影響.平面管的轉構示意圖如圖所示.基區(qū)體電阻的阻值較大，為幾十到幾百歐姆.這一 影響可以用基極端h與內(nèi)基極I