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第二章 半导体三极管及其放大电路


第二章

半导体三极管及其放大电路
半导体三极管 共射极基本放大电路

§2-1 §2-2

§2-3
§2-4

分压式射极偏置电路
多级放大器

§2-5
§2-6

负反馈放大电路
功率放大电路


复习提问
1、PN结的正偏和反偏概念
UP

P

N

UN

UP>UN时,PN结正偏 UP<UN时,PN结反偏

2、二极管的结构
正极(阳极)

P

N

负极(阴极)

激趣导入

为什么扩音器能放大声音呢?

激趣导入

放大器的核心元件 (即放大元件)主要 是半导体三极管和场效应管

扩音器的工作过程

§2-1 半导体三极管
一、三极管的结构、符号和类型 二、三极管的电流放大作用 三、三极管的特性曲线

四、三极管的主要参数
五、三极管的识别和简单测试

讲授新课
正 极 (阳极)
集 电 极 N 集电区 基极 P 基区 N 发射区 发 射 极 集电结

三极管的 结构和符号

P N
负 极 (阴极)

发射结

三极管

讲授新课
一、三极管的结构、符号和类型
1、结构和符号
集电极 N
集电区

c
集电结 b
基区 发射区

集电极 P V c b 基极 发射结 e

c 集电结 b
基区 发射区

集电区

V

c

b 基极

P

N

发射结

e

N e 发射极 e

P
发射极

NPN型三极管

PNP型三极管

2、 类型
分类方法 种 类 应 用

按极性分

NPN型三极管
PNP型三极管

目前常用的三极管,电流从集电极流 向发射极
电流从发射极流向集电极 热稳定性好,是常用的三极管 反向电流大,受温度影响较大,热稳 定性差 工作频率比较低,用于直流放大、音 频放大电路 工作频率比较高,用于高频放大电路 输出功率小,用于功率放大器末前级 输出功率较大,用于功率放大器末级 (输出级) 应用在模拟电子电路中 应用在数字电子电路中

按材料分

硅三极管 锗三极管

按工作频率分 低频三极管 高频三极管 按功率分 小功率三极管 大功率三极管 按用途分 放大管 开关管

二、三极管的电流放大作用
1、 三极管的工作电压
Vcc>VBB

NPN型三极管

PNP型三极管

讲授新课
N P N

Vcc>VBB

Ub>Ue 发射结正偏

Uc>Ub 集电结反偏

Ub<Ue 发射结正偏

Uc<Ub 集电结反偏

NPN型三极管

PNP型三极管

分组讨论处于放大状态的PNP型三极管其发射结和集电结分别是正偏还是反偏, 以及三个电极电位之间的关系。

NPN型三极管:UC>UB>UE PNP型三极管:UE>UB>UC

三极管实现电流放大的外部条件: 发射结正偏,集电结反偏

2、 三极管的电流放大作用
通过调节电位器 RB的阻值,可调节 基极的偏压,从而 调节基极电流IB的大 小。每取一个IB值, 从毫安表可读取集 电极电流IC和发射电 流IE的相应值,实验 数据见表2-4。

三极管电流分配实验电路

表2-4
次数 项目 IB/mA IC/mA IE/mA 1 0 0.01 0.01

三极管的电流放大作用
2 0.01 0.56 0.57 3 0.02 1.14 1.16 4 0.03 1.74 1.77 5 0.04 2.33 2.37 6 0.05 2.91 2.96

通过实验数据分析,三极管三个电极电流具有下表所示的关系。 三极管三个电极电流关系

电流关系
集电极与基极电流关系

说 明
IC=βIB

三个电极电流之间的关系

IE=IB+IC=(1+β)IB

结论:
三极管电流放大作用的条件是:发射结加正向电压,集电结加 反向电压。 三极管电流放大的实质是:用较小的基极电流控制较大的集电 极电流,是“以小控大”。

三、三极管的特性曲线

三极管特性曲线测试电路

1、输入特性
三极管的输入特性曲线 与二极管的正向特性曲线 相似,只有当发射结的正 向电压UBE大于死区电压 (硅管0.5V,锗管0.2V)时 才产生基极电流IB,这时三 极管处于正常放大状态,发 射结两端电压为UBE(硅管 为0.7V,锗管为0.3V)。
锗管的输入特性曲线

硅管的输入特性曲线

三极管的输入特性曲线

2、 输出特性
每条曲线可分为 线性上升、弯曲、平 坦三部分。 对应不同IB值得 不同的曲线,从而形 成曲线簇。各条曲线 上升部分很陡,几乎 重合,平坦部分则按IB 值从下往上排列,IB 的取值间隔均匀,相 应的特性曲线在平坦 部分也均匀分布,且 与横轴平行。
在放大区内,有一 个特定的基极电流, 就有一个特定的集 电极电流,实现基 极对集电极电流的 控制。

三极管的输出特性曲线

输出特性曲线的三个区域
名称 截 止 区 放 大 区 饱 和 区 范围 IB=0曲线以下区域, 平坦部分线性区,几乎与 曲线上升和弯曲部分 几乎与横轴重合 横轴平行 条件 发射结反偏(或零 发射结正偏,集电结反偏 发射结正偏,集电结正 偏),集电结反偏 偏(或零偏)

特征 IB=0,IC=ICEO≈0

工作 状态

截止状态

(1)当 IB一定时, IC的 各电极电流都很大,IC 大小与UCE基本无关(但 不受IB控制,三极管失 UCE的大小随IC的大小而变去放大作用 化),具有恒流特性; (2)IB不同,曲线也不同 ,IC受IB控制,具有电流 放大特性,IC=hFEIB, △IC=β△IB 放大状态 饱和状态

提示:

对于NPN型三极管:工作于放大区时, UC﹥UB﹥UE;工作于截止区时, UB≤UE;工作于 饱和区时,UC≤UB。PNP型三极管与之相反。

在模拟电子电路中三极管大多工作在 放大状态,作为放大管使用;在数字电子 电路中三极管工作在饱和或截止状态,作 为开关管使用。

【例2-1】已知三极管接在相应的电路中,测得三极管各电极的电 位,如下图所示,试判断这些三极管的工作状态?

(a)

(b)

(c)

(d)

在 解: 图(a) 中,三极管为NPN型管,UB=2.7V,UC=8V,UE=2V,因UB>UE,发 射结正偏,UC>UB,集电结反偏,所以图(a)中的三极管工作在放大状态。 在 图(b)中,三极管为NPN型管,UB=3.7V,UC=3.3V,UE=3V,因UB>UE, 发射结正偏,UC<UB,集电结正偏,所以图(b)中的三极管工作在饱和状态。 在 图(c)中, 三极管为NPN型管, UB=2V,UC=8V,UE=2.7V,因UB<UE, 发射结反偏,所以图(c)中的三极管工作在截止状态。 在 图(d) 中,三极管为PNP型, UB= -0.3V,UC= -5V,UE=0V。因UB<UE,发 射结正偏,UC<UB,集电结反偏,所以图(d)中的三极管工作在放大状态。

【例2-2】 若有一三极管工作在放大状态,测得各电极对地电位分别为 U1=2.7V,U2=4V,U3=2V。试判断三极管的管型、材料及三个管脚对 应的电极。

解: 由放大条件的分析知,三个管脚中B极的电位介于C极和E极之间,
所以要判断管型、材料及电极,可按下面四步进行。 第一步 找B极。管脚1为基极。

第二步 判断材料。U1-U2既不等于0.7V,也不等于0.3V,而 U1-U3=2.7-2=0.7V所以该三极管为硅管。
第三步 判断发射极和管型。因U1-U3=0.7V,管脚3为发射极,又因 U2>U1> U3,所以该三极管为NPN型三极管。

最后确定剩余的管脚为集电极。

四、三极管的主要参数

1、电流放大系数
反映三极管的电流放大能力。 (1)共射极直流电流放大系数hFE
三极管集电极电流与与基极电流的比值,即hFE=IC/IB。反映三极 管的直流电流放大能力。

(2)共射极交流电流放大系数β
三极管集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比,即 β=△IC/△IB。反映三极管的交流电流放大能力。 同一只三极管,在相同的工作条件下hFE≈β,应用中不再区分,均 用β 来表示。 选管时,β 值应恰当,β 太小,放大作用差;β 太大,性能不稳 定,通常选用30~100之间的管子。

2、极间反向电流
反映三极管的质量好坏。
(1)集电极-基极间的反向饱和电流ICBO
发射极开路时,C-B极间的反向饱和电流。ICBO越小,集电结的单向导电性越好。

(2)集电极-发射极间反向饱和电流ICEO
基极开路时(IB=0),C-E极间的反向电流。好象是从集电极直接穿透三极管 到达发射极的电流,故又叫“穿透电流”。 ICEO=(1+β)ICBO,反映了三极管的稳定性。选管子时,ICEO越小,管子受 温度影响越小,工作越稳定。

3、极限参数
表示三极管工作时,不允许超过的极限值。 (1)集电极最大允许电流ICM
集电极电流过大时,三极管的β 值要降低,一般规定β 值下降到正常值的2/3时的
集电极电流为集电极最大允许电流。 使用时一般IC<ICM,否则管子易烧毁。选管时,ICM≥IC。

(2)集电极-发射极间的反向击穿电压U(BR)CEO
基极开路时,加在C与E极间的最大允许电压。
使用时,一般UCE<U(BR)CEO,否则易造成管子击穿。选管时,U(BR)CEO≥UCE。

(3)集电极最大允许耗散功率PCM
集电极消耗功率的最大限额。根据三极管的最高温度和散热条件来规定最大允许耗 散功率PCM,要求PCM≥ICUCE 。 PCM的大小与环境温度有密切关系,温度升高, PCM减小。对于大功率管,常在管 子上加散热器或散热片,降低管子的环境温度,从而提高PCM。 工作时, ICUCE<PCM,否则管子会因过热而损坏。选管时,PCM≥ICUCE。

五、三极管的识别和简单测试

§2-2 共射极基本放大电路
一、概述 二、共射极基本放大电路的组成及 工作原理 三、共射极放大电路的分析方法

一、概述

也可能是一 级放大电路 放大器的基本结构

可能是某种用电设 备,也可能是一级 放大器

放大电路的种类 分类方法 种 类
信号的 大小





小信号放大器
大信号放大器 直流放大器 低频放大器 高频放大器 共射极放大器

位于多级放大电路的前级,专门用于小信号的放大
位于多级放大电路的后级,如功率放大器,专门 用于大信号的放大 专门用于放大直流信号和变化缓慢的信号,集成 电路采用的就是直流放大器 专门用于低频信号的放大 专门用于高频信号的放大 最常用的放大器,具有电压和电流放大能力,是 唯一能够同时放大电流和电压的放大器 常用放大器,只有电流放大能力,没有电压放大 能力,又称为射极输出器或射极跟随器。 用于高频放大电路中,只有电压放大能力,没有 电流放大能力,很少用 是由单个分立的元器件组成的电子线路 将电子元器件和连线按照电子线路的连接方法, 集中制作在一小块晶片上的电子器件

所放大的 信号频率

三极管的 连接方式

共集电极放大器 共基极放大器

元件集约 程度

分立元件放大器 集成放大器

二、共射极基本放大电路的组成及工作原理
1.放大电路组成及各元件的作用
集电极电阻 其作用将三极管的电流放大 作用变换成电压放大作用。

基极偏置电阻 其作用为电路提供 静态偏流IBQ。

直流电源 其作用一是为电路提 供能源;二是为电路 提供工作电压。 输出耦合电容 其作用一是隔直流; 二是通交流

输入耦合电容 其作用一是隔直 流;二是通交流

三极管 其作用可以将微小的基极电流转 换成较大的集电极电流,它是放 大器的核心。

2、放大器中电压、电流符号及正方向的规定
(1)电压、电流符号:
物 理 直流量 量 表 示 符 号 用大写字母带大写下标。如:IB、IC、IE、 UBE、UCE

交流量
交直流叠加量

用小写字母带小写下标。如:ib、ic、ie、ube、 uce、ui、uo
用小写字母带大写下标。如:iB、iC、iE、 uBE、uCE

交流分量的有效值

用大写字母带小写下标。如:Ib、Ic、Ie、 Ube、Uce

(2)电压、电流的正方向: 电压用“+”、“-”表示 电流用箭头表示。

3、静态工作点的设置
(1)静态工作点
静态:ui=0 三极管的IB、IC、UBE和UCE值叫静态值。

这些静态值分别在输入、输出特性曲线上对应着一点Q,称为静态工 作点,或简称Q点。用IBQ、ICQ和UCEQ表示。(UBEQ为常数)

直流通路

输入、输出特性曲线上的Q点

(2)静态工作点的作用
思考:放大电路为什么要设置静态工作点?

Q

未设静态工作点时ui和iB波形

具有合适静态工作点时ui和iB波形

设置静态工作点的目的:使放大器能不失真放大交流信号。

4、工作原理
(1)静态(ui=0)工作情况 静态: 所谓静态指的是放大器在没有交流信号输 入(即ui=0)时的工作状态。

共射极基本放大电路

静态时电路的工作情况

iC iB
+ + +

+

ui -

uBE -

uCE -

uo -

ui→uBE→iB→iC→uCE→uo

(2)动态工作情况
输入 ui

uBE=UBEQ+ui
iB=IBQ+ib iC=ICQ+ic uCE=UCC-iCRC=VCC-ICQRC-icRC uCE=UCEQ+(-icRC) 即 uCE=UCEQ+uce

输出 uo=uce=-icRC

只要电路参数能使三级管工作在放大区,且RC足够大,则 uo的变化幅度将比ui变化幅度大很多倍。如输入信号电压波 形如下图a所示,那么用示波器观察到的输出电压波形如图 b所示。

a

b

用示波器观察到的输入输出电压波形

视频

从工作波形我们可以看出:
(1)输出电压uo的幅度比输入电压ui大,说明放大器 实现了电压放大。ui、ib、ic三者频率相同,相位相同,而

uo与ui相位相反,这叫做共射极放大器的“反相”作用。 (2)动态时,uBE、iB、iC、uCE都是直流分量和交流 分量的叠加,波形也是两种分量的合成。
(3)虽然动态时各部分电压和电流大小随时间变化, 但方向却始终保持和静态时一致,所以静态工作点IBQ、 ICQ、UCEQ是交流放大的基础。

三、共射极放大电路的分析方法
1、近似估算法
已知电路各元器件的参数,利用公式通过近似计算来分 析放大器性能的方法称为近似估算法。 (1)近似估算放大器的静态工作点

直流通路——所谓直流通路是指直流信号流通的路径。 画法:把电容看作断路
静 态 工 作 点

I

BQ

V ?

CC

?U BEQ

R

?

B

VCC RB

I

CQ

??

I

BQ

U

CEQ

? V CC ? I CQ RC

直流通路

(2)近似估算放大器的输入电阻、输出电阻和电压 放大倍数
交流通路——所谓交流通路是指交流信号流通的路径。 画法:把电容和直流电源都视为交流短路 三极管的交流等效电路 ? b与e间等效为rbe ?
?c与e间等效为恒流源
b
+ u i RB 电路图 交流通路 rbe βib e RC RL ib

三极管等效电路

ic

c +

uo
-

等效电路

注意;恒流源电流的方向

1)输入电阻Ri
放大器的输入电阻是指从

放大器的输入端看进去的
交流等效电阻。

Ri=RB∥rbe
RB>>rbe

Ri≈rbe

2)输出电阻Ro

Ri越大越好

Ro Ri

Ro越小越好

对负载来说,放大器又相当于一个具有内阻的信号源,这个内阻就是放大电路的输 出电阻。

Ro≈RC

3)电压放大倍数Au
放大器的电压放大倍数是指放大器输出电压与输入电压的比值。 即:

由交流等效电路可知:

uo Au ? ui

ui ? ib rbe
R Au ? ? ? L 那么,电压放大倍数为: r be
其中,

uo ? ?ic RL
'

'
'

RL ? RC // RL

特殊地:空载时,

RL ? ?
RC r be

电压放大倍数为: Au ? ? ?

【例2-3】在共射极基本放大电路中,设VCC=12V,RB=300kΩ, RC=2 kΩ,β=50,RL=2 kΩ。试求静态工作点、输入电阻Ri、输出 电阻Ro及空载与带载两种情况下的电压放大倍数。
解: 静态偏置电流: 静态集电极电流: 静态集电极电压:

I

BQ

? V CC ?

I U

CQ

??

R

B

12 ? 0.04 (mA ) ? 40 (μA) 300 ?10 3
BQ

I

? 50 ? 0.04 ? 2(mA )
26 26 ? 963 (?) ? 0.96(kΩ) 2

CEQ

? V CC ? I CQ RC ? 12 ? 2 ? 2 ? 8(V)

r 三极管的交流输入电阻: be ? 300 ? (1 ? ? )
放大器的输入电阻: 放大器的输出电阻: Ri≈rbe=0.96 kΩ Ro≈RC=2 kΩ

I

? 300 ? (1 ? 50)

EQ

空载时,放大器的电压放大倍数:

A
R

u

??
?

?

R r
be
C
'

C

??

50 ? 2 ? ?104 0.96

有载时,等效负载电阻:
放大器的电压放大倍数:

R R ? 1k? R ?R ? 50 ? 1 ?? R ?? ? ?52 A 0.96 r
' L L C L
L u be

2、图解分析法
利用三极管的输入、输出特性曲线和电路参数,通过作图来分 析放大器性能的方法,称为图解分析法,简称图解法。
(1)图解分析放大器的静态工作点

1)求IBQ 由直流通路知: V CC ?U BEQ ? VCC I BQ ? RB RB 2)作直流负载线 由回路电压定律可知: UCE=VCC-ICRC
直流通路

【例2-4】 在共射极基本放大电路中,已知VCC=12V, RB=400kΩ,RC=3kΩ,三极管的输出特性曲线下图所示。 试利用图解法求电路的静态工作点。
解: (1)求静态基极电流

(2)在输出特性曲线簇中找到IBQ=30μA对应的 曲线。 (3) 由直流输出回路,列关于IC与UCE的线性方程 式 UCE=VCC-ICRC=12-3 IC 画直流负载线MN。 (4)确定静态工作点Q 直流负载线MN与IBQ所在的输出特性曲线的交 点Q即为静态工作点。 IBQ=30μA, ICQ≈2mA,UCEQ≈6V。

Q'

(2)静态工作点的调整
1) RC、VCC不变,改变RB
例如:
RB增大 RB减小 Q沿直流负载线向上移动 RB增大 Q沿直流负载线向下移动

→Q沿直流负载线向下移动
RB减小

Q

IBQ

→Q沿直流负载线向上移动

Q'

2)RB、VCC不变,改变RC 例如:
RC增大
RC增大,Q沿特性 曲线向左移动 RC减小,Q沿特 性曲线向右移动

→Q沿特性曲线向左移动
Q
RC减小

→Q沿特性曲线向右移动

3)RB、RC不变,改变VCC 例如:
VCC增大
VCC增大,Q 向右上方移动 VCC减小,Q向 左下方移动 IBQ

→Q向右上方移动
VCC减小

Q

→Q向左下方移动
提示:在实际应用中,一般RC和VCC一定情况下,调整静态工作点是通
过改变RB的阻值来实现。

利用图解法进行动态情况分析的具体作法为:

1)作直流负载线确定静态工作点 2)过静态工作点作交流负载线 3)随输入电压ui的变化,uBE
Q B

A
IBQ
0

将以UBEQ为基础而变化,对应
的iB以IBQ为基础而变化,在 Ibmax和Ibmin之间变化

UBEQ

放大器输入图解分析

(3)图解分析放大器的动态工作情况
1)画交流负载线
① 作交流负载线的辅助线。辅助 线与横轴的交点坐标为 N (VCC,0),与纵轴的交点坐 标为L(0,VCC/ RL')。 过Q点作辅助线的平行线,即 为交流负载线。

L(0,UCC/ RL') 辅助线 J 交流负载线



提示:交流负载线过静 态工作点,比直流负载 线陡。

H

Q ''

2)在输出特性曲线上找出IBQ 及Ibmax和Ibmin对应的特性曲线 和交流负载线的交点Q,可得 到相对应的集电极电流的动态 范围和集电极与发射极间电压 的动态范围。

3)求电压放大倍数。
已知输入交流电压Uim,求出输出 电压 Uom。 根据电压放大倍数的定义可求电 压放大倍数为:
0
t

ib
Q

0

uCE (V)

Au ?

U om U im

t

Uom

由图解分析可知:uo与ui相位相反。

放大器输出图解分析

(4)波形失真与静态工作点的关系
1)工作点偏高 易引起饱和失真 2)工作点偏低 易引起截止失真
Q Q

饱和失真和截止失真统 称为“非线性失真”。

uo

uo

饱和失真

截止失真

§2-3

分压式射极偏置电路

一、影响静态工作点稳定的主 要因素 二、分压式射极偏置电路

一、影响静态工作点稳定的主要因素
工作点不稳定的主 要因素是温度变化
45? C

Q点过高,易发生饱和失真 反之,易发生截止失真

例:温度升高
Q点上移
45°时电路的 静态工作点 40μA

Q

25? 时电路的 静态工作点 20μA
/ IB ? 0

反之,Q点下移

思考:怎样才能保证静态工作
点不受温度变化的影响?

二、分压式射极偏置电路
1、电路结构特点
上偏置电阻 集电极电阻 输出耦合电容

I1
输入耦合电容

IBQ

UBQ I2

+
UBEQ
UEQ

下偏置电阻

旁路电容

- IEQ +

分压式射极偏置电路

射极电阻

直流通路
I1= I2+ IBQ

(1)利用上偏置电阻RB1和下偏置电阻RB2组成 串联分压器,为基极提供稳定的静态工作电压 UBQ。
(2)利用发射极电阻RE,自动使静态电流IEQ稳定 不变。

I

2

?? I BQ
BQ

U

?

R R
B1

UBQ=UBEQ +UEQ

? R B2 V CC

B2

U
I

BQ

?? U BEQ

EQ

?

U R

BQ E

I

BQ

?

I

CQ

?

2、静态工作点稳定原理
IBQ
UBQ + UBEQ + UEQ UBQ 固定

ICQ

例如:

IEQ

→ 温度升高(t↑) ICQ ↑ →IEQ ↑ → UBEQ=(UBQ-IEQRE)↓ IBQ ↓ → ICQ ↓

条件:

I

2

?? I BQ
BQ

U

?? U BEQ

3、估算静态工作点 ————直流通路

U BQ ?

R ?R
B1

R

B2 B2

V

CC

I

EQ

?

U R

BQ E

ICQ≈IEQ

I BQ ?

I

CQ

?

UCEQ=VCC-ICQ(RC+RE)

直流通路

4、估算输入电阻、输出电阻和电压放大倍数
交流通路与共射极基
本放大电路的交流通路相 似,等效电路也相似,其 中RB= RB1// RB2。
交流通路

输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的估算公式完全相同。

【例2-5】在分压式射极偏置电路中,若RB1=7.6 kΩ,RB2=2.4kΩ, RC=2 kΩ,
RL=2 kΩ,RE=1 kΩ,VCC=12V,三极管的β=60。求:(1)放大电路的静态工 作点;(2)放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压放大倍数AuL。

解: (1)估算静态工作点
基极电压: 静态集电极电流: 静态偏置电流: 静态集电极电压:

U

BQ

?

R R
B1

B2

?

R
?

V
B2

CC

?

2.4 ? 12 ? 2.88( V ) 2.4 ? 7.6

I
I

CQ

?

I

EQ

U R

BQ E

?

2.88 ? 2.88( mA ) 1? 10 3

BQ

?

I

U

CEQ

2.88 ? 36 (μA) ? 60 ? V CC ? I CQ ( RC ? RE ) ? 12 ? 2.88 ? (1 ? 2) ? 3.36(V)
CQ

?

(2)估算输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压放大倍数Au

r be ? 300 ? (1 ? ? )

26

放大器的输入电阻: 放大器的输出电阻:


I

? 300 ? (1 ? 60 )

EQ

26 ? 850 (?) ? 0.85(kΩ) 2.88

Ri≈rbe=0.85kΩ Ro≈RC=2 kΩ
' L

R

?

R R R ?R
C C

L L

?
'

2? 4 ? 1.33k? 2?4

放大器的电压放大倍数: AuL ? ?

? RL

r

??

be

60 ?1.33 ? ?94 0.85

§2-4

多级放大器
多级放大电路

多级放大电路的组成

一、级间耦合方式
二、多级放大器的近似估算

一、级间耦合方式
1、阻容耦合
(1)用一只容量足够大的耦合电容 进行连接,传递交流信号。 (2)前、后级放大器之间的直流电 路被隔离,静态工作点彼此独立, 互不影响。

2、变压器耦合

它的低频特性不很好,不能用于直流放大 器中。一般应用在低频电压放大电路中。

(1)通过变压器进行连接,将前级 输出的交流信号通过变压器耦合到后 级。 (2) 耦合变压器有阻抗变换作用, 有利于提高放大器的输出功率。 由于变压器体积大,低频特性差,又无法 (3)能够隔离前、后级的直流联系 集成,因此一般应用于高频调谐放大器或 功率放大器中。 。各级电路的静态工作点彼此独立, 互不影响。

3、直接耦合
(1)无耦合元器件,信号通过导线直 接传递,可放大缓慢的直流信号。 (2)直流放大器必须采用这种耦合方 式。 (3)前、后级的静态工作点互相影响 ,给电路的设计和调试增加了难度。

应用:直接耦合便于电路的集成化,因此 广泛应用于集成电路中。

4、光电耦合
(1)以光电耦合器为媒介来实现电信 号的耦合和传输。 (2)光电耦合既可传输交流信号又可 传输直流信号,而且抗干扰能力强, 易于集成化。

应用:广泛应用在集成电路中

二、多级放大器的近似估算
1、估算多级放大器的电压放大倍数Au Au=Au1Au2…Aun
2、估算多级放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro Ri=Ri1

Ro=Ron

§2-5 负反馈放大电路
一、反馈的基本概念 二、反馈的判断 三、负反馈放大器的四种基本类型 四、负反馈对放大器性能的影响

五、负反馈放大电路的特例——射极输
出器

一、反馈的基本概念
1、什么是反馈
放大器中的反馈指把放大器输出信号(电压或电流)的一部分或全部通过 一定的电路,按照某种方式送回到输入端并与输入信号(电压或电流)叠加, 从而改变放大器性能的一种方法,这种把电压或电流从放大器的输出端返送到 输入端的过程叫做反馈。
正向传输

Xi
构成反馈电路的 元件叫反馈元件,反馈 元件联系着放大器的 输出与输入,并影响 放大器的输入。

Xi'

Xo

反馈放大器通常称为 闭环放大器,而未引 入反馈的放大器则称 为开环放大器。 反馈放大电路是由 基本放大电路和反馈 电路两部分组成。

反向传输

通常用电阻、电容、电感等元件组成引导反馈信号的电路称为反馈电路。

2、反馈的分类
(1)正反馈与的负反馈 1)正反馈
2)负反馈

反馈信号Xf与输入信号Xi极性 ' 相同,使净输入信号 X i 增加。 正反馈使放大器的放大倍数增加。

反馈信号Xf与输入信号Xi极性 ' 相反,使净输入信号X i 减小。 负反馈使放大器的放大倍数减小。

提示:负反馈虽使放大倍数减小,但能改善放大器的性能,所以,
大部分放大器都要引入负反馈。正反馈一般应用在振荡电路中。

(2)电压反馈和电流反馈
1)电压反馈: 反馈信号Xf取自输出端 负载两端的电压uo。 2)电流反馈: 反馈信号Xf取自 输出电流io。

电压反馈的取 样环节与输出 端并联。

电流反馈的取 样环节与输出 端串联。

(3)串联反馈和并联反馈
串联反馈,反馈信 号在输入端以电压 形式出现。
并联反馈,反馈信 号在输入端以电流 形式出现。

1)串联反馈:反馈电路与信号源相串联。 2)并联反馈:反馈电路与信号源相并联。

(4)直流反馈和交流反馈
1)直流反馈:反馈信号只含有直流量。 2)交流反馈:反馈信号只含有交流量。

二、反馈的判断
1、有无反馈的判断
反馈放大器的特征是是否存在反馈元件,反馈元件是联系 放大器的输出与输入的桥梁。

无反馈元件

RF、CF为反馈元件

RE、CE为反馈元件

2、反馈极性的判断
反馈极性的判断一般采用——瞬时极性法

具体步骤如下:
(1)先假设输入信号在某一瞬间对地为“+”; (2)从输入端到输出端依次标出放大器各点的瞬时极性; (3)反馈信号的极性与输入信号进行比较,确定反馈极性。

注意:
?1)三极管各电极的相位关系,发射极信号与基极输入信号瞬 时极性相同,集电极瞬时极性与基极瞬时极性相反。 ?2)反馈电路中的电阻、电容等元件,一般认为它们在信号传 输过程中不产生附加相移,对瞬时极性没有影响。

负反馈 负反馈 正反馈 正反馈

送回到基极的反馈信号瞬时极 性若为“-”,是负反馈; 反之,则是正反馈。

送回到发射极的反馈信号瞬时极性若 为“+”,是负反馈; 反之,则是正反馈。

例:
_
+

+

ube _
uf

用瞬时极性法: 设基极输入瞬时极性为“+”, 因净输入信号ube=ui+uf,所以电路引入了正反馈。

3、电压反馈和电流反馈的判断
电压反馈和电流反馈的判断方法:看反馈电路在输出回路的连接方法。 若反馈电路接在输出端为电压反馈,不接在输出端(一般接发射极)为 电流反馈。
反馈电路接在输 出端点上,所以 是电压反馈。

反馈电路接在 发射极,所以 是电流反馈。

反馈电路接在第 二级放大电路的 发射极,所以是 电流反馈。

4、串联反馈和并联反馈的判断
串联反馈和并联反馈的判断方法:看反馈电路在输入回路的连接方法。 若反馈电路接在输入端为并联反馈,不接在输入端(一般接发射极)为 串联反馈。
反馈电路接 在输入端点 上,所以是 并联反馈。 反馈电路接在输入 回路的发射极,所 以是串联反馈。

反馈电路接在输入 回路的发射极,所 以是串联反馈。

5、直流反馈和交流反馈的判断
若反馈电路中存在电容,根据电容 “通交隔直”的特性 来进行判断。
CF通交流,所以, 是交流反馈

CE通交流,RE被短 路,不起反馈作用

CE隔直流,所以, 是直流反馈。

反馈电路中无电容, 所以,交、直流均存 在反馈,是交流直流 共存。

反馈类型的判断方法:电压电流看输出,串联并联看输 入,交流直流看电容,正负反馈看极性

三、负反馈放大器的四种基本类型

电压串联负反馈

电流串联负反馈

电压并联负反馈

电流并联负反馈

【例2-6】如下图所示电路,试判断电路的反馈类型。

解:
(1)是看联系。这是一个两级放大 电路,通过RF、RE1把第二级和第一 级放大电路联系起来,这两级放大电 路之间存在反馈; (2)是看输出。由于反馈电路接在 输出端,所以是电压反馈; (3)是看输入。反馈电路接在输入 回路的发射极,所以是串联反馈; (4)是看电容。在反馈电路中无电 容,所以交、直流均存在反馈; (5)是看极性。若假设第一级基极 输入瞬时极性为―+”,则经第一级 放大,集电极输出信号为“-”,再 经第二级放大,集电极输出信号为 “+”,经RF、RE1送回第一级放大 器发射极,反馈电压uf为“+” ,使 净输入信号ube=ui-uf减小,说明电路 引入了负反馈。

例2-6

总之,放大电路通过RF、RE1为电 路引入了电压串联交、直流负反馈, 简称电压串联负反馈。

四、负反馈对放大器性能的影响
1、提高放大倍数的稳定性
电压负反馈能稳定输出电压,电流负反馈能稳定输出电流。

2、改善非线性失真
小 大







uf


提示:引入负反馈并不能彻底消除非线性失真。如果输
入信号本身就有失真,引入负反馈也无法改善,因为负 反馈所能改善的只是放大器所引起的非线性失真。

3、 影响输入电阻和输出电阻
(1)对输入电阻的影响
1)串联负反馈 2)并联负反馈

串联负反馈使输入电阻增大

并联负反馈输入电阻减小

(2)对输出电阻的影响
1)电压负反馈 电压负反馈使输出电阻减小 2)电流负反馈 电流负反馈使输出电阻增大

五、负反馈放大电路的特例——射极输出器
1、电路组成
输入端 输入端

交流通路
ui u
f

射极输出器

交流通路

射极输出器是一种共集电极放大电路 典型的电压串联负反馈电路

2、射极输出器的特点
(1)电压放大倍数接近于1
尽管射极输出器的电压放大倍数略小于1,但其输出电流为基极电流的(1+β) 倍,具有电流放大作用,因此它仍具有一定的功率放大能力。

(2)输出电压与输入电压大小相等、相位相同
射极输出器又称为“射极跟随器”,或简称为“射随 器”。 (3)输入电阻很大,输出电阻很小 射极输出器又称为“阻抗变换器”。

3、射极输出器的应用
(1)用作多级放大电路的输入级。因输入电阻很大,可减轻 信号源的负担。 (2)用作多级放大电路的输出级。因输出电阻很小,可以 提高带载能力。 (3)用作多级放大电路的中间级。因其具有电压跟随作用,且输 入电阻大对前级的影响小,输出电阻小,对后级的影响也小,所以, 用作中间级起缓冲、隔离作用。

§2-6

功率放大电路

一、低频功率放大器的概念
二、互补对称功率放大器 三、集成功率放大器

一、低频功率放大器概述
电子设备中,常要求放大电路的输出级带动某些负载工作。例如,使仪 表指针偏转,使扬声器发声,驱动自控系统中的执行机构等等。因而要求放 大电路有足够大的输出功率。这种放大电路统称为功率放大器。 低频电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压放大,主要是要求它 向负载提供不失真的电压信号。 功率放大器的主要任务是既能输出较高的电压又能输出较大电流, 主要要求它输出足够大的不失真(或失真很小)的功率信号。

1、功率放大的 特殊要求
输出功率Pomax 要大,三极管尽量极限工作 效率? = Pomax / PDC 要高 非线性失真要小 散热问题

2、功率放大器的分类
iC ICQ O ? 按工作点位置不同分类,有 Icm iC Icm ICQ ? 2? ?t O 乙类(? ? ? ) iC ICQ O Icm ?

2?

?t

甲类(? ? 2? ) iC

2? ?t 甲乙类( ?< ? < 2? )

iC
Q Q

O

t O

Q

uCE

甲类工作状态失真小,静态电流大,管耗大,效率低。 乙类工作状态失真大,静态电流为零 ,管耗小,效率高。 甲乙类工作状态失真大, 静态电流小 ,管耗小,效率较高。

按功率放大器输出端特点不同分类,有 (1)变压器耦合的功率放大器 (2)无输出变压器的功率放大器(OTL电路) (3)无输出电容的功率放大器(OCL电路)

二、互补对称功率放大器
1、单电源供电的互补对称功放电路
— OTL电路(Output Transformerless ) (1)电路组成及工作原理 1)静态:

提示:虽然电容C在工作
中有时充电,有时放电, 但因其容量较大,所以, 电容两端电压基本维持在 VCC/2,起电源的作用。

由于电路结构对称,所以Uk=VCC/2,因两管均无 偏置,两管均处于截止状态,IBQ=0,ICQ=0,工 作在乙类状态。 ui

ic1
+

2)动态

uo ic1

当ui>0时,V1导通,V2截止,电源VCC通 过V1向电容C充电 当ui<0时,V2导通,V1截止,C(UC=VCC/2) 通过V2放电

OTL电路

V1和V2交替工作,在RL上可获得正、负半周完整的输出信号波形, 实现了信号的功率放大。

交越失真

问题:
当输入电压小于死区电压时, 三极管截止,引起 交越失真。 输入信号幅度越小失真越明显。

克服交越失真的思路: iC ICQ1 ICQ2 0

?t

(2)实用的OTL功放电路
给 V1、V2 提 供静态电压 RB V1 V3 +VCC 电容 C 的作用:
1)充当 VCC / 2 电源

RB1
+ ui ?

V4 K
V5 RE + CE

+ C
RL

+
RB2

V2

+ uo ?

2)耦合交流信号 当 ui = 0 时, V1、V2微导通,工作在甲乙类状态

– VEE

这时,

当 ui > 0 时: V2 导通,C 放电, 当 ui < 0 时: V1导通,C 充电,

U K ? VCC / 2 U C ? VCC / 2

V2 的等效电源电压 ? VCC / 2 。 V1 的等效电源电压 + VCC / 2 。

2、双电源供电的互补对称功放电路
(OCL — Output Capacitorless) 基本电路: +VCC V1

iC1

ui = 0 V1 、 V2 截止 ui > 0 V1 导通 V2 截止 + uo
?

+ ui
?

RL
V2 iC1 ?VEE

io = iE1 = iC1, uO = iC1RL ui < 0 V2 导通 V1 截止

io = iE2 = iC2, uO = iC2RL

实用电路: 给 V1、V2 提
供静态电压

RC3 V3 V4 V2

+VCC V1

+ ui
?

V5 RE

RL

+ uo
?

?VEE 当 ui = 0 时,V1、V2 微导通。 当 ui < 0 (? 至 ?),V1 微导通 ? 充分导通 ? 微导通; V2 微导通 ? 截止 ? 微导通。 当 ui > 0 (? 至 ?),V2 微导通 ? 充分导通 ? 微导通; V1 微导通 ? 截止 ? 微导通。

三、集成功率放大器
以LM386为例

LM386外形图

LM386引脚图

R1和C1接在引脚1和8 之间可将电压增益调为 任意值

C4为去耦电容,滤掉 电源的高次谐波分量

C5为输出耦合电 容

C2为旁路电容

LM386的应用接线图

R2和C3串联构成校正网络用来补偿 扬声器音量电感产生的附加相移,防 止电路自激

OCL 电路和 OTL 电路的比较
OCL 电源 信号 频率响应 电路结构 双电源 交、直流 好 较简单 OTL 单电源 交流 fL 取决于输出耦合电容 C 较复杂


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