晶体管放大器及运放基础

1、晶体管又称半导体三极管晶体管又称半导体三极管 晶体管是最重要的一种半导体器件之一，它的放晶体管是最重要的一种半导体器件之一，它的放 大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。 晶体管放大器及运放基础晶体管放大器及运放基础 晶体管的工作原理（以晶体管的工作原理（以NPN型管为例）型管为例） 依据两个依据两个PN结的偏置情况结的偏置情况 放大状态放大状态 饱和状态饱和状态 截止状态截止状态 倒置状态倒置状态 晶体管的工作状态晶体管的工作状态 1发射结正向偏置、集电结反向偏置发射结正向偏置、集电结反向偏置放大状态放大状态 原理图原理图 电路图电路图 EE V E

2、 R CC V C R C I c N N P BE U CB U E I b e B I + + + + E R C R E I C I BE U CB U B I CC V EE V T 发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。 基极是两个回路的公共端，称这种接法为共基极接法。基极是两个回路的公共端，称这种接法为共基极接法。 输入回路输入回路 输出回路输出回路 E I E R C R C I BE U CB U B I CC V EE V T 晶体管共射极接法晶体管共射极接法 原理图原理图 电路图电路图 IB BB V B R CC V C

3、R c N N P BE U CB U E I b e IC ICBO CE U T C I CE U C R CC V E I BB V B R BE U B I uBE = ube + UBE (2) 放大原理放大原理 设输入信号设输入信号ui=Uimsintt V 那么那么 iB = ib + IB iC = ic + IC uCE = uce + UCE uce = icRC 其中其中 UCE = VCC ICRC 放大电路放大电路 T VBB VCC iB uBE _ uCE iC + RB RC ui + _ + _ iE a. 在在RC两端有一个较大的两端有一个较大的 交流分量可

4、供输出。交流分量可供输出。 uce = icRC uCE = uce + UCE 由由 可知可知 ui ibicicRc b. 交流信号的传递过程为交流信号的传递过程为 T VBB VCC iB uBE _ uCE iC + RB RC ui + _ + _ iE 2发射结正向偏置、集电结正向偏置发射结正向偏置、集电结正向偏置饱和状态饱和状态 (2) IC b bIB，IB失去了对失去了对IC的的 控制。控制。 (1) UCEUBE， ，集电结正向偏。 集电结正向偏。 饱和状态的特点饱和状态的特点 (3) 集电极饱和电压降集电极饱和电压降UCES较小，小功率硅管为较小，小功率硅管为 0.3 0

5、.5V 。 (4) 饱和时集电极电流饱和时集电极电流 (5) UCE对对IC的影响大，当的影响大，当UCE增大，增大，IC将随之增加。将随之增加。 T C I CE U C R CC V E I BB V B R BE U B I CCESCCCS / )(RUVI (2) IC=ICBO 3发射结反向偏置、集电结反向偏置发射结反向偏置、集电结反向偏置截止状态截止状态 截止状态的特点截止状态的特点 (1) 发射结反偏发射结反偏 T C I CE U C R CC V E I BB V B R BE U B I (3) IB=ICBO 截止状态 截止状态 倒置状态倒置状态 4发射结反向偏置、集电

6、结正向偏置发射结反向偏置、集电结正向偏置倒置状态倒置状态 (1) 集电区扩散到基区的多子较少集电区扩散到基区的多子较少 (2) 发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小 (3) 管子的电流放大系数很小管子的电流放大系数很小 T C I CE U C R CC V E I BB V B R BE U B I 双极型晶体管及其基本放大电路 u共射基本放大电路的组成 c R CC V VT B I BE U C I CE U o U b R BB V 2 C 1 C L R i U c R CC V VT B I BE U C I CE U o U b R 2

7、 C 1 C L R i U (a)(b) u静态分析直流通路 u动态分析交流通路 + + + + L R e R c R b2 R b1 R + + CC V 2 C 1 C e C i U o U VT交流 通路 L R c R b2 R b1 R CC V i U o U VT u共集基本放大电路 图3.6.6 u共集基本放大电路 绝缘栅型场效应管MOSFET 结型场效应管JFET P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 耗尽型（DMOS） 增强型（EMOS） 沟道：指载流子流通的渠道、路径。N沟道是指 以N型材料构成的区域作为载流子流通的路径；P沟道 指以P型材料构成的区域作为

8、载流子流通的路径。 场效应管的工作原理场效应管的工作原理 P+P+N G S D - + VGS VDS + - VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)。 U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。 VGS 0 (形成导电沟道) P P+N+N+ SGD U VDS - + - + VGS 栅衬之间相当 于以SiO2为介质 的平板电容器。 RB 晶体管放大器晶体管放大器 最简单的基本放大器组成最简单的基本放大器组成 +EC RC C1 C2 T RL + - ui + - uo 正电源正电源 基极基极 电阻电阻 集电极集电极 电阻电阻 输入耦输入耦 合电容合电容 输出耦输出耦 合电容合电

9、容 输入输入 电压电压 输出输出 电压电压 负载负载 电阻电阻 三极管三极管 + + RB +EC RC C1 C2 ui=0时时 IC IE=IB+IC RL IB 无信号输入时无信号输入时 UCE - + UBE + - 静态工作点（定义）静态工作点（定义） （ UBE 、 IB 、 IC、 IE、 UCE） (IB,UBE) 和和( IC,UCE )分别对应于输入输出分别对应于输入输出 特性曲线上的一个点称为静态工作点。特性曲线上的一个点称为静态工作点。 IB UBE Q IB UBE Q UCE IC IC UCE IB 静态工作点静态工作点(图解）图解） RB +EC RC C1 C

10、2 开路开路 开路开路 RL 静态分析静态分析 RB +EC RC 直流通道直流通道 （1 1）用估算法求静态工作点）用估算法求静态工作点 先画出放大电路的直流通道先画出放大电路的直流通道 （a）估算）估算IB（ UBE 0.7V) RB称为称为偏置电阻偏置电阻 IB称为称为偏置电流偏置电流 然后用基尔霍夫定律列方程，求出静态工作点然后用基尔霍夫定律列方程，求出静态工作点 RB +EC RC IBUBE - + BEBBC URIE B C B BEC B R E R UE I 7 . 0 （b）估算）估算UCE、IC、IE RB +EC RC IC UCE - + BC IIb CCCCE

11、RIEU BBCE IIII) 1(b （2）用图解法分析静态工作点）用图解法分析静态工作点 IC UCE UCE=ECICRC EC C C R E 直流负载线直流负载线 与与IB所决所决 定的那一定的那一 条输出特条输出特 性曲线的性曲线的 交点就是交点就是 Q点点 Q IB 静态静态UCE 静态静态IC RB +EC RC C1 C2 + - ui + - uo UCE - + 放大电路的微变等效电路放大电路的微变等效电路 将交流通道中的三极管用微变等效电路代替将交流通道中的三极管用微变等效电路代替 rbe b bib ibiiic ui uo RB RC RL RB RCRL ui u

12、o 交流通道交流通道 目的目的 将电子问题将电子问题 化为受控源化为受控源 电路的问题电路的问题 来解来解 用微变等效电路估算电压放大倍数的计算用微变等效电路估算电压放大倍数的计算 be birIU L boRIU b b be L i o r R U U Av b LCL R/RR 负号表示输出与输入反相负号表示输出与输入反相 rbe RB RC RL i U i I b I c I o U bI b 输入电阻输入电阻（交流输入电阻）（交流输入电阻）的计算的计算 输入电阻的定义：输入电阻的定义： i i I U ri rbe RB RC RL i U i I b I c I o U B I

13、b b beB r/R be r U I rbe RB RC iI b I cI bI b b c o R I U r 所以：所以： 用加压求用加压求 流法求输流法求输 出电阻：出电阻： 0 0 l 应用应用 信号的运算电路信号的运算电路 比例、加、减、对数、指数、比例、加、减、对数、指数、 积分、微分等运算。积分、微分等运算。 产生方波、锯齿波等波形产生方波、锯齿波等波形 信号的处理电路信号的处理电路 信号的发生电路信号的发生电路 有源滤波器、精密整流电路、有源滤波器、精密整流电路、 电压比较器、采样电压比较器、采样保持电保持电 路。路。 比例电路的分析比例电路的分析 1. 1. 倒向比例器

14、倒向比例器 运放开环工作极不稳定，一般外部接若干元件运放开环工作极不稳定，一般外部接若干元件 ( (R、C等等) )，使其工作在闭环状态。，使其工作在闭环状态。 + _ uo + _ ui R1 Rf RL 2 1 _ + A + 2 1 R1 Ri Rf Ro Aun1 + + _ uoRL 运放等效电路运放等效电路 + _ ui 用结点法分析：用结点法分析：( (电阻用电导表示电阻用电导表示) ) (G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui -Gf un1(Gf+Go+GL)un2 =GoAu1 u1= un1 整理，得：整理，得： (G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1u

15、i (-Gf +GoA)un1(Gf+Go+GL)un2 =0 解得：解得： i Loffi1fof ff f 1 n2o )( )()( )( u GGGGGGGAGG GAGG G G uu o 下 页上 页 2 1 R1 Ri Rf Ro Au1 + _ + _ uoRL + _ ui 电路分析电路分析 返 回 l 运算放大器运算放大器 是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早 开始应用于开始应用于1940年，年，1960年后，随着集成电路技年后，随着集成电路技 术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了 成本

16、，获得了越来越广泛的应用。成本，获得了越来越广泛的应用。 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型 1. 1. 简介简介 i Loffi1fof fof f 1 n2o )( )()( )( u GGGGGGGAGG GAGG G G uu 因因A一般很大，上式分母中一般很大，上式分母中Gf(AGo-Gf)一项的值一项的值 比比(G1+ Gi + Gf) (G1+ Gi + Gf)要大得多。所以要大得多。所以 i 1 f i f 1 o u R R u G G u uo / ui只取决于反馈电阻只取决于反馈电阻Rf与与R1比值，而与放大器比值，而与放大器 本身的参数无关。负号表明本身的参数无关

17、。负号表明uo和和ui总是符号相反总是符号相反( (倒向倒向 比例器比例器) )。 下 页上 页 表明 返 回 根据根据“虚短虚短”： 根据根据“虚断虚断”： i 1 f o u R R u u+ = u- =0， i1= ui/R1 i2= -uo /Rf i-= 0，i2= i1 下 页上 页 以上近似结果可将运放看作理想情况而得到。以上近似结果可将运放看作理想情况而得到。 由理想运放的特性：由理想运放的特性： 注意 i1 i2 + _ uo + _ ui R1 Rf RL 2 1 _ + + 返 回 加法器加法器 比例加法器比例加法器：y =a1x1+a2x2+a3x3 ，符号如下图：符

18、号如下图： ui1/R1+ ui2 /R2+ ui3 /R3 =-uo /Rf uo= -(Rf /R1 ui1 +Rf /R2 ui2+Rf /R3 ui3) u-= u+=0 i-=0 x1 a1 a2 a3 -1 -yyx2 x3 下 页上 页 + _ uo R2 Rf i- u+ u- R1 R3 ui1 ui2 ui3 _ + + 2. 2. 典型电路典型电路 返 回 3.3.电压跟随器电压跟随器 输入阻抗无穷大输入阻抗无穷大( (虚断虚断) )； 输出阻抗为零；输出阻抗为零； 应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。 uo= ui。 电电 路路 A 电电 路路 B 下 页上 页 特点 + _ + _ ui uo _ + + 返 回 减法运算减法运算 u-=u+ i-=i+=0 i1= if 32 3 i2 RR R u