第三章半导体三极管及放大电路基础

第三章半导体三极管及放大电路基础内容摘要：

iU CCR BC 2信号源T图 基本共发射极交流放大电路 模拟电子技术基础 基极偏置电阻 RB—— 基极电源 UBB经 RB把电压加在 集电极负载电阻 RC—— 电源 UCC经 RC把电压加在 以共发电路为例，图 ： 晶体管 T—— 在交流信号激励下，把直流电源 UCC 的能量转化为输出交流电压。 集电极上，保证 CB结反偏；同时 RC还将集电极电流的变化转化为电压的变化。 基极上，保证 BE结正偏。 耦合电容（ C1， C2） —— 隔断放大电路与信号源及 负载之间的直流通路，而对交流信号又应畅通无阻（交流耦合作用）。 模拟电子技术基础 二 .偏置方法 1. 为什么需要直流偏置。 放大电路在加交流激励信号以前，就应该首先给管子各电极加上正确的直流电压，以保证放大的外部条件： EB结正向偏置 CB结反向偏置 在正确的偏压下，管子基极就会有相应的直流电流（称为基极直流工作点电流，或称偏置电流）。 晶体管放大器为什么一定需要偏置电流。 可用图 电路原理图说明之。 模拟电子技术基础 在加交流信号以前，如果没有基极偏置电压，即 UBEQ=0，则 IB=0，IC≈0；加上交流信号 ui以后，基极电流波形对应图 (b)中①的情况，可见 iB是脉冲波，于是 iC， uO波形也是脉冲波形，输出产生严重失真。 若基极加上正向偏压 UBEQ，产生相应的偏置电流IBQ，波形不再失真，如图 (b)所示。 图 放大器的直流偏置 U BEQ U CCu CE u 0u ii Bi Cu BER C(a ) 原理电路I BQI BU BEu i①②U BE（b ）波形图模拟电子技术基础 可见，直流偏置保证晶体管在交流信号一个周期内均处于放大状态。 电路不产生放大失真。 晶体管在直流工作状态（静态）下的电压和电流称为静态工作点，用符号 Q表示，即 ICQ ， IBQ ，UBEQ ， UCEQ。 如图。 加上交流（正弦）信号以后，各电极电压与电流 既包含直流又包含交流成份。 其波形如图。 R BR CU BEQU CEQI CQI BQU BBU CC图 直流工作点 2. 交流信号激励下，管内电压电流的波形 模拟电子技术基础 U BEQU BEtu ito o =U BEQtou BEtoI BQi Bi bu itoI CQi ci Ctou CE u ceU CEQ图 放大状态下的电压、电流波形 由图可见，加在晶体三极管发射结上的电压为 iB E QBE uUu tS i nUU imB E Q 如果 Uim足够小，基极电流 bBQB iIi tS i nII bmBQ 模拟电子技术基础 当三极管工作在放大区，且忽略 ICEO时，集电极电流 相应集电极上的电压 uCE为 tS i nIIiIi cmCQCCQC 式中 BQCQ II bmcm II CCCCCE RiUu tS i nRIRIU CcmCCQCC tS i nRIU CcmCEQ 式中， UCEQ = UCC ICQRC为集电极上的静态工作点电压。 输出负载电阻 RL上的电压 tS i nRIRIRiu CcmCCQCCO 模拟电子技术基础 为统一起见，我们对符号及其相应含义作如下规定（以电压为例）： UBE —— 直流电压 ube —— 交流电压瞬时值 uBE —— 直流电压叠加交流电压（总电压瞬时值） Ube —— 正弦交流电压有效值 3. 偏置方法 分为简单偏置与分压式偏置两种。 ① . 简单偏置 图。 该电路的缺点是需要两个偏置电源。 上式右边第二项是 RC上的交流电压输出。 模拟电子技术基础 NPNR BR CU CC(a) 简单偏置+U CCR B R CNPN(b) 习惯画法图 简单偏置电路（ NPN管） 如果是 PNP管，则应改为负电源供电，如图。 为了简化起见，可以合为一个电源，如图 （ a）所示。 （ b）是习惯画法。 图 PNP管简单偏置电路 U CCR B R CPNP模拟电子技术基础 (2)分压式偏置 图 分压式偏置电路 图 (a)其特点是基极上有直流电压 UB，它由 UCC经 RB1与 RB2分压获得。 I1 I2 RB1 RB2 RBQ RC +UCC +UCC ICQ UbEQ (a) (b) + _ UBEQ UB RB1 RB2 UE CE + _ ICQ RC IEQ RC 模拟电子技术基础 因此 UBEQ = UB UE 基极偏压 的大小 ,由所需基极偏置电流 (以及 相应 ) 决定 ,它一般在下列范围内 : 图 （ b）直流工作点的热稳定性要比图 （ a）好，原因解释如下： 设由于温度 T℃ 上升，导致 ICQ有增加趋势，图 （ b）电路中 RE的作用，将使 ICQ变化减小，上述稳定过程表示如下 : BEQU BQICQI B E QU(锗三极管 ) (硅三极管 ) T℃ IC IE UE UBEQ IC IBQ 模拟电子技术基础 各种放大器均可统一表示为如图所示的组成框图。 图中， US ， RS代表输入信号电压源的等效电动势和内阻。 RL为放大器负载。 图中所标注的电压和电流均为交流有效值，方向为假定正方向。 衡量放大器放大性 能的主要指标是增 益、输入电阻、输出电 阻、频率失真和非线性 失真等。 放大电路的性能指标 线性有源四端网络AR L U0U SR SI iU iR 0I 0R i图 放大器的组成框图 模拟电子技术基础 图 放大器输出电阻 四端网络 U 0R SR 0I 01. 输入电阻： 定义 ，它是从输入端向电路看进去的交流等效电阻（ 信号源内阻 RS不计入输入电阻内 ），输入电阻越大，放大电路向信号源索取的电流越大，放大电路获得信号能力就越强。 2. 输出电阻： 在输入电压为 0，将信号源 US短路（如为电流源应开路），输出端加电压 U0，如产生电流 I0，则定义 ， 其值越小，电路带负载能力越强。 iiIUiR  Li00 R,0UIU0R3. 增益 包括电压增益（又称电压放大倍数），电流增益（又称电流放大倍数）以及功率增益（功率放大倍数） ui 模拟电子技术基础 (1). 电压增益 ① . 定义 称为外观电压增益（简称 电压增益 ） ② . 定义 称为源电压增益。 iOUUuA sOUUusA 放大器 R LU 0U SR SU iR i电压源 A uA us负载图 电压增益 SiiSiiO RR RuUUUUus AA 两者之间关系是： 模拟电子技术基础 (2). 电流增益 ① . 外观电流增益（简称电流增益） ② . 源电流增益 两者关系： iOIIiA sOIIisA isssiiOsO RR RiIIIIIIis AA 图 电流增益 放大器 R LU 0R SI i I 0R iI SI S电流源 负载A iA is模拟电子技术基础 (3). 功率增益 (4). 电压增益的一般表达式 任何放大电路（不管采用什么连接方式，不管是单级或多级），在图 络框图来表示。 iUii00PPP AAIUIUAiO 图 功率增益 放大器 R LP i P 0放大系统 U 0I iU iR 0I 0R iLR图 一般放大系统 模拟电子技术基础 该系统的电流增益 ，输入阻抗为 Ri ，则该电路系统的电压增益 iOIIiA iLiiLiO RRiRI RIUUu AA   0 如果放大系统是同相放大器， Au取正号，正号可以省去；如果是反相放大器，应取负号。 同时，注意 Ai 与 Ri 应该相互对应。 4. 频率响应 它表示放大器的增益与信号频率之间的关系。 由于放大电路一般含有电抗元件，因而放大器对于不同频率的输入信号具有不同的放大能力。 这样，相应的增益应是频率的复函数，即 )()()(  AjeAjAA 模拟电子技术基础 式中， A（ ） 是增益的幅值， 是增益的相角，图。 幅值随 变化的 特性 A()称为幅频特性；相角随 变化的特性 A()称为相频特性。 两者统称为放大器的频率特性（或频率响应），由图 （ a）可见 ，信号频率太高或太低 A()均要降低。 A0称为中频增益 ， A() 降为 时，对应的频率 fL及 fH分别称为下限频率及上限频率，放大器的频带宽（通频带）度定义为 : LH ffBW A (  )A 0f L f H0. 7BW20A00 A (  )(a )(b)图 频率响应曲线 模拟电子技术基础。