晶体管及其放大电路

1、第5章 晶体管及其放大电路一 基本要求1 理解晶体三极管、场效应管的电流分配及放大原理；2 掌握基本放大电路如，固定偏置放大电路、分压式偏置放大电路、射极输出器的基本原理和电路特点，了解电路中各元件的作用和意义；3 掌握放大电路的静态分析和微变等效电路的动态分析方法；4 了解设置静态工作点的意义及稳定静态工作点的原理和方法：5 了解多级放大电路的几种耦合方式，会计算阻容耦合多极放大电路的放大倍数；6 理解差动放大电路的意义及作用；7 了解功率放大电路的工作原理；8 了解场效管放大电路的分析方法及特点。二 阅读指导1 半导体三极管（1）晶体管的电流分配和放大原理。半导体三极管是由两个PN结构成的

2、双极型晶体管，简称晶体管。共有NPN和PNP两种管型。要注意和的含义不同，两者数值基本相同。晶体管有截止、放大和饱和三种工作状态，如表5-1所示：表5-1工作状态截止放大饱和偏置条件发射结反偏，集电结反偏发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏工作特征 （2）输入、输出特性根据晶体管工作状态不同，输出特性曲线可分为截止区、放大区和饱和区。 深刻理解输入、输出特性曲线，可帮助理解晶体管放大电路的工作原理及各个参数间的关系。2 场效应管场效应晶体管是一种单极型半导体器件，简称场效应管。转移特性，漏极输出特性。绝缘栅场效应管（简称MOS管）的四种管型及特性如教材表5-2所示。3 晶体管与场效应管比较

3、晶体管和场效应管都可构成放大电路，其实质是用小信号和小能量控制大信号和大能量。两者比较如表5-2所示。表5-2晶体管场效应管载流子两种不同极性的载流子（电子与空穴）同时参与导电，故称为双极型晶体管只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故又 称为单级型晶体管控制方式电流控制电压控制类型NPN型和PNP型两种N沟道和P沟道两种放大参数输入电阻1021041071014输出电阻很高很高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应极基极-栅极，发射极-源极，集电极-漏极4 晶体管放大电路从基本放大电路入门，要求理解放大电路的组成，各元件的作用，及三极管在电路中的意义，要会求几个典型电路的静态值及动

4、态参数。（1） 静态分析是指在没有输入信号时，确定放大电路的静态值IB、，IC、，UCE，（既静态工作点Q）。可通过直流通路，采用估算法和图解法。（2） 动态分析是指在有输入信号时，通过交流通路确定放大电路的输入、输出电阻和电压放大倍数。通常采用微变等效电路法。（3） 几种常见的基本放大电路的静态和动态分析，如表5-3所示。表5-31.基本放大电路（固定偏置放大电路）Tuo+UCCuiusC1 +RB RC + C2 RS RL直流通路： IC UCE UBE IB +UCC +VCC RB RC 微变等效电路：RL RC RS RB rbe 2.分压式偏置放大电路iEi2iCRB1 + CE

5、 i1+ C2 +UCCiBC1 +uCE RC RS1 RB2 RE1 RL1 uS1 uo 直流通路UCE IC+UCCUBE BIEIBRE 1 RB2 RB1 RC1 微变等效电路RL1 RC1 RB RS1 rbe 1 3.射级输出器uo+ C2uSC1 +RLvBE iBRBRERSuCE +UCC 直流通路IEUBE IBRBREUCE +UCC 微变等效电路RLRERBrbeRS1静态工作点：输入电阻：输出电阻：ro = RC电压放大倍数：2静态工作点输入电阻输出电阻ro = RC电压放大倍数3静态工作点 输入电阻输出电阻（）电压放大倍数 注意：1），IE 是直流静态值。 2）

6、微变等效电路是利用电阻、恒流源构成的一个线性电路，以表明晶体管的PN结结构及其输入与输出特性。它是在交流小信号的前提下，晶体管线性化的等效电路。放大电路的微变等效电路是直接在交流通路的基础上得出的，微变等效电路是对交流信号而言的，输入和输出电阻都是动态电阻。 3）静态工作点选择的好坏，直接影响放大电路的工作性能，Q点应选在放大区的中间部分，可通过调节RB或RC选择合适的Q点。4) 非线形失真的问题。当静态工作点过高而信号幅度过大时会引起饱和失真、当静态工作点过低而信号幅度过大时会引起截止失真。5静态工作点的稳定静态工作点不稳定主要是由于受温度变化的影响。温度变化要影响晶体管的参数ICBO、IC

7、EO、和UBE。这三者随温度升高的变化，都使集电极电流的静态值IC增大。当温度升高使IC增大时，IB应自动减小以牵制IC的增大，常用的是分压式偏置放大电路。稳定静态工作点的物理过程、静态值的计算，必须掌握。6射级输出器的特点及用途射级输出器具有输入阻抗高、输出电阻低、，且同相跟随的特点； 射级跟随器一般用于放大电路的输入级、输出级和中间缓冲级。7多级放大电路（1） 阻容耦合多级放大电路中，静态工作点彼此独立、互不影响，电压放大倍数 Au=Au1 Au2.Aun ； （2） 直接耦合多级放大电路中，静态工作点相互影响，零点漂移的问题比较突出。8差分放大电路（1） 差分放大电路是抑制零点漂移的最有

8、效的电路。抑制零点漂移的水平用电路抑制共模信号的能力来衡量。差分电路可抑制共模信号，放大差模信号，任何信号均可分解为共模和差模信号，其中：（2） 差分放大电路不完全对称和单端输出（即使电路对称）时，输出就有零点漂移。因此，常采用在发射极引入RP、RE和负电源EE。（3） 差分放大电路的输入、输出方式共有四种。重点是双端输入双端输出电路，单端输入单端输出电路。9功率放大电路对功率放大电路的要求：（1） 输出功率大，且不失真；（2） 效率高；尽量减少电源供应，增大输出功率。所以，常用的功率放大器有OTL和OCL互补对称电路。功率放大器一般采用乙类或甲乙类工作状态；在同样的输出功率条件下，OTL互补

9、对称电路的电源电压UCC应为OCL的两倍。功率的计算如教材P151所述。 （3）复合管：复合管的目的是增大电流放大倍数，提高电路对称性。，管子的类型取决于第一个管子的类型，如图5-1（a），（b）所示。(a)(b)图5-1 复合管（a），（b）三、例题解析例5.1 在图5-2 (a) 所示放大电路中，已知 图5-2电位器总电阻，三极管。试求：(1)当调到0时静态工作点()，并判定三极管工作在什么区；(2)当调到最大时静态工作点()，并判定三极管工作在什么区；(3)若使，问应调节到多大？(4)若在的条件下，输入和输出信号波形如图5-2 (b) 所示，判定它产生了什么失真，说明应如何调节以减小失真

10、，为什么？解 (1) 当=0时， 可见 ，三极管已进入饱和区。(2) 当最大时，可见三极管已进入截止区附近。(3) 若，则(4) 波形产生了截止失真。这是由于静态工作点偏低造成的。应适当减小，同时适当调节输入信号，使在最大时不产生失真。注： 由此例题分析可见，调整静态工作点的位置及减小非线性失真的方法，主要是改变基极偏置电阻大小，从而调节基极电流的大小。由波形可知，截止失真是在正半周(即的负半周)，饱和失真则在的负半周(的正半周)，这是由于集电极与基极相位相反的结果。例5.2在图5-3 (a) 所示放大电路中，已知，三极管，。(1) 若使，则为多少？(2) 若输入、输出信号波形如图5-3(b)

11、所示，问电路产生了什么失真？如何调节才能消除失真？ 图5-3(a),(b)解 (1) 根据 可得 又 得 (2) 由于发射极与基极相位相同，可知失真产生在正半周，故为饱和失真，为此应增大以减小才能消除失真。例5.3在图5-4 所示放大电路中，已知，场效应管，三极管，。(1)试求各级静态值； (2)画出微变等效电路；(3) 试求各级电压放大倍数及总电压放大倍数；(4) 试求输入电阻及输出电阻；(5) 试问第一级用的是什么类型的场效应管？还可用什么形式的偏置电路？ 图5-4解 (1) 第一级： 联立求解方程组，可得 第一组数中，不合理，所以静态值为 第二级： 注意 第一级是绝缘栅场效应管，栅极无电

12、流，所以上无压降。(2) 微变等效电路如图5-4（a）所示， 图5-4（a）图中， (3) 第一级 =6.6 5.5)第二级： 总电压放大倍数为 (4) 可见的作用是增大输入电阻。(5) 第一级是沟道绝缘栅耗尽型场效应管构成的具有分压式偏置电路的前置放大器，也可釆用自给偏置式电路。例5.4 试分析图5-5所示放大电路，回答以下问题：(1) 它是一个什么放大电路？和工作在哪类状态？(2) 和的作用是什么？静态时点的电位为多少？(3) 和组成什么类型复合三极管？若各管电流放大系数为，则该放大电路的电流放大倍数为多少？(4) 若，试求输出电压和输出功率。(6) 若忽略三极管的饱和压降，则该电路的最大

13、输出功率为多少？（已知±=±15V） ；(6) 和的作用是什么？ 图5-5解 (1)它是一个OCL功率放大电路，和工作在甲乙类状态。(2) 和相当于两只二极管，与一起为和提供一定的偏置电压，以消除交越失真，静态时和对称，=0。(3) 和组成PNP型复合三极管，和组成NPN型复合三极管，两只复合管的总电流放大系数为 或 故电路的总电流放大系数为 (4) 根据射极输出器原理，可得 (5) 若忽略三极管饱和压降，则输出电压最大幅值为 故 (6) 并联在的B，E两端，并联在的B，E两端，起了分流作用，使的静态电流不全部流入，而的静态电流不全部流入。从而减小了和的静态电流(主要是穿透

14、电流)，提高了效率。它们还减小了和的动态输入电阻，使更接近于，即更接近于1。例5.5 图5-6所示电路中，已知，。，管的最大功率，试求负载上获得的最大功率和效率。图5-6解析 ： 功率放大电路的主要目的是提高其信号功率和电路的效率。主要性能指标是输出信号功率的极大值和电路的效率等。 (1) 在所示的OTL电路中，忽略，管饱和压降以及，上的压降的条件，输出最大电压幅度， 最大输出功率约为 最大输出电流为 (2) 实际上，由于，存在饱和压降(取)，以及受，上压降的影响()，输出电压最大值大约减少2V，即 。最大输出功率 最大输出电流 电源输出最大功率 最大效率 注 ： 电路中电阻，组成分压偏置电路

15、，调节可调整的数值。和既是的集电极电阻，又是和的静态工作点，上并联的目的，是在动态时和的基极交流电位相等，不致于造成输出波形正、负半周不对称现象。电路工作在乙类和极限状态输出电压的最大值为，则在理想情况下，最大输出功率为，电源供给的功率为。四习题选解5-1 (3) 温度升高，ICEO（4） 第一个管子好一些。ICEO小，受温度影响小。（5） ，所以（1）、（2）两种情况属正常工作，（3）不正常，超出极限参数。5-2 （1）NPN硅管； （2）NPN锗管； （3）PNP硅管； （4）PNP锗管5-3 （1）IE = 4.1mA（流出），NPN管； （2）IC = 6mA（流出），PNP管。5-4

16、 （a）饱和； （b）截止； （c）放大。（均为硅管）5-5 ICEO=0.2mA， U（BR）CEO=40V， PCM=0.2W， =50。5-6 （1）截止； （2）进入饱和状态； （3）深度饱和。5-8 从曲线上看，Ui = 4V时，ID = 0； Ui = 8V时，ID1.5mA； Ui = 12V时，ID4mA（IDS = 4mA），进入饱和区。5-11 截止失真。Q点低（IB 小），调点提高。5-12 全部不正确（交流参数应在微变等效电路中求）。5-21 （1）45，2.25mA， 7.8V； （2）-111，889，3.2K。5-22 （1）565K； （2） RB = 0时，电路进入饱和区，可串联一个固定电阻。5-23 （