船舶无线电基础课件

第二章半导体三极管和电压放大电路2.1

半导体三极管2.2

单管电压放大电路2.4放大器静态工作点的稳定2.6多级放大电路2.3

放大电路的基本分析方法2.5射极输出器内容半导体三极管共射极放大电路分析射极输出器(共集电极放大电路)2放大电路的目的是将微弱的变化信号不失真的放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：uiuoAu放大电路的放大功能由三极管完成。31.三极管——放大电路的基础问题什么是三极管？为什么三极管能放大？5三极管的外形cbe整个外壳是C极2.1半导体三极管6三极管基本结构

三个区集电区、基区、发射区三个极集电极(c)、基极(b)、发射极(e)

两个PN结集电结、发射结BECNNP基极发射极集电极发射结集电结+-+2.1.1三极管的结构7三极管类型BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECIBIEICBECIBIEIC符号8BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高三极管工作原理PN结的单向导电性是由于在不同极性的外加电压下，载流子的不同传输过程形成的多子和少子同时参与运行三极管的放大作用是通过载流子的传输体现出来的9一、外加电压的极性（NPN管）

三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE

－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、

VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区2.1.2三极管的电流放大原理10集电区收集载流子（反向偏置电压VCE几伏~几十伏）发射区向基区注入载流子（正向偏置电压VBE<1V）ICmA

AVVUCEUBERBIBECEB

二.一个实验b(P)e(N)c(N)IE基区传送和控制载流子11

实验结果IB00.010.020.030.040.05IC0.0010.501.01.62.22.90IE0.0010.51.021.632.242.95IC/IB-----5050535558△IC/△IB-----505060607012二.电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。13BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO

ICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。14IB=IBE-ICBO

IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE15结论:1.IE=IC+IB3.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。IC正比于IB,如果能控制IB就能控制IC，利用这一性质，就可实现放大作用满足基尔霍夫定律16ICE与IBE之比称为电流放大倍数17一.输入特性UCE1VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。2.3

特性曲线18二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=

IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=

IB。19IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCE

UBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。20IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。21输出特性三个区域的特点:

放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且

IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCE

UBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

22三、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为

IB，相应的集电极电流变化为

IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和

23例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：

=242.集-基极反向截止电流ICBO

AICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。25BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBE

IBEICBO进入P区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流

IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。264.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的

值的下降，当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压当集--射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。276.集电极最大允许功耗PCM

集电极电流IC

流过三极管，所发出的功率为：PC=ICUCE

必定导致结温上升，所以PC

有限制。PC

PCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区28

1.4三极管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非线性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec29截止状态ecb放大状态UDβIBICIBecb发射结导通压降UD硅管0.7V锗管0.3V饱和状态ecbUDUCES饱和压降UCES硅管0.3V锗管0.1V直流模型30半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B312.单管电压放大电路（I） ——共射极放大电路2.2.1放大电路的基本概念及性能指标

一.放大的基本概念

放大——把微弱的电信号的幅度放大。一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。33二.放大电路的主要技术指标1.放大倍数——表示放大器的放大能力

根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。（1）电压放大倍数定义为:AU=uo/ui（2）电流放大倍数定义为:AI=io/ii

（3）互阻增益定义为:Ar=uo/ii（4）互导增益定义为:Ag=io/ui342.输入电阻Ri——从放大电路输入端看进去的等效电阻一般来说，Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时，Ri越大，ui就越接近uS。353.输出电阻Ro——从放大电路输出端看进去的等效电阻

输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。

364.通频带fAAm0.7AmfL下限截止频率fH上限截止频率通频带：fbw=fH–fL放大倍数随频率变化曲线——幅频特性曲线3dB带宽372.2.2共射极放大电路三种三极管放大电路共射极放大电路共基极放大电路共集电极放大电路以共射极放大电路为例讲解工作原理38放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点RB+ECEBRCC1C2T一.单管共射极放大电路的结构及各元件的作用39作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电源与基极电阻RB+ECEBRCC1C2T40集电极电源：为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T41集电极电阻：将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2T42耦合电容：电解电容，有极性。大小为10

F~50

F作用：传送交流，隔离直流。RB+ECEBRCC1C2T43可以省去电路改进：采用单电源供电RB+ECEBRCC1C2T44单电源供电电路+ECRCC1C2TRB45

二、单管共射放大电路的工作原理1．三极管的放大原理三极管工作在放大区：发射结正偏，集电结反偏。→△UCE（-△IC×Rc）放大原理：→△UBE→△IB→△IC（b△IB）电压放大倍数：→uo

ui+△Vi放大电路的放大作用是对输入电压变化量△Vi的放大电压放大倍数：46IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQUCEQ-++VT123URBIRBBBECCCCb（+12V）IUVCE符号说明47小结共射极电路以基极电流IB作为输入控制电流，好处是信号源消耗的功率很小。研究共射极电路的放大过程，主要是分析集电极电流（输出电流）与基极电流（输入电流）之间的关系（β）。共射极电路不但能得到电压放大，而且还可以得到电流放大。48符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示交直流量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua交直流量交流分量tUA直流分量49基本思想

非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。直流通路(ui=0)分析静态。交流通路(ui

0)分析动态，只考虑变化的电压和电流画交流通路原则：1.固定不变的电压源都视为短路；2.固定不变的电流源都视为开路；3.视电容对交流信号短路2.3分析三极管电路的基本思想和方法50

放大电路的分析方法放大电路分析静态分析（直流分量）动态分析（交流分量）估算法图解法微变等效电路法图解法512.3.1静态工作情况分析放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。

静态分析的任务是根据电路参数和三极管的特性确定静态值（直流值）UBE、IB、IC

和UCE。可用放大电路的直流通路来分析。52Rb+VCCRCC1C2TRL为什么要设置静态工作点？

放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区以保证信号不失真。53开路Rb+VCCRCC1C2RL1.将交流电压源短路。2.将电容开路。开路1.放大器的直流流通路54Rb+VCCRC直流通道用估算法分析放大器的静态工作点（IB、UBE、IC、UCE）55（1）估算IB（UBE

0.7V)Rb+VCCRCIBUBERb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。2估算法56（2）估算UCE、ICRb+VCCRCICUCEIC=

IB57例：用估算法计算静态工作点。已知：EC=12V，RC=4k

，RB=300k，

=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级。Rb+ECRCUBE

0.7V

581.静态工作点——Ui=0时电路的工作状态3图解法ui=0时ICIEIB+UBE-+UCE-59ui=0时由于电源的存在IB0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ静态工作点的计算RB+ECRCC1C2T60IBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)RB+ECRCC1C2T61(IBQ,UBEQ)

和(ICQ,UCEQ

)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。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ622.直流负载线1.三极管的输出特性。2.UCE=EC–ICRC。与输出特性的交点就是Q点ICUCEECQ直流负载线IBICUCE直流通道RB+ECRC63先估算IB，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。ICUCEQEC643、电路参数对静态工作点的影响1.改变RB，其他参数不变RB

iB

Q趋近截止区；RB

iB

uBEiBuCEiCVCCVBBVBBRBQQQ趋近饱和区。2.改变RC，其他参数不变RC

Q

趋近饱和区。iCuBEiBuCEVCCUCEQQQICQVCCRC65例2.3.2设RB=38k

，求VBB=0V、3V时的iC、uCE。[解]uCE/ViC/mAiB=010

A20

A30

A40

A50

A60

A41O235当VBB=0V：iB

0，iC

0，5VuCE

5V当VBB=3V：0.3UCE

0.3

V0，iC5mA66iC

0iC=VCC/RC三极管的开关等效电路截止状态SBCEVCC+

RCRBiB

0uCE

5ViB饱和状态uCE0判断是否饱和临界饱和电流

ICS和IBS

：iB>IBS，则三极管饱和。672.3.2

放大电路的动态分析动态：放大电路有信号输入（ui

0）时的工作状态。分析方法：

微变等效电路法，图解法。所用电路：

放大电路的交流通路。动态分析:

计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。分析对象：

各极电压和电流的交流分量。目的：

找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计打基础。IBUBEQICUCEuiibibic1.交流放大原理（设输出空载）假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号ui静态工作点(一)用图解法确定动态工作情况69ICUCEicuCE也沿着负载线变化uCEUCE与Ui反相！uCE怎么变化？70各点波形uo比ui幅度放大且相位相反Rb+VCCRCC1C2uiiBiCuCEuo＋－－＋712.放大器的交流通路交流通路——分析动态工作情况交流通路的画法：72对交流信号(输入信号ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路输出端接入负载RL：不影响Q，影响动态！73交流负载线ic其中：uceRBRCRLuiuo交流通路74iC

和uCE是交直流量，与交流量ic和uce有如下关系所以：即：交流信号的变化沿着斜率为：的直线。这条直线通过Q点，称为交流负载线。75交流负载线的作法ICUCEECQIB过Q点作一条直线，斜率为：交流负载线直流负载线76例2.3.3

硅管，ui

=10sint(mV)，RB=176k，RC=1k，VCC=VBB=6V，图解分析各电压、电流值。[解]令ui=0，求静态电流IBQRL+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE

+uBE–

77uBE/ViB/

A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流负载线)uCE/ViC/mA4123iB=10

A20304050605Q6直流负载线Q

Q

6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO78当ui=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

当ui=Uimsintib=Ibmsintic=Icmsint

uce=–Ucemsint

uo=uceiB=

IBQ

+IbmsintiC=

ICQ

+IcmsintuCE=

UCEQ

–

Ucemsin

t=

UCEQ

+Ucemsin

(180°–

t)79一建立小信号模型的意义

由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是在一定的条件下（工作点附近）将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。

由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。(二)微变等效电路法80思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路条件：交流小信号当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。二建立小信号模型的思路81微变等效电路法的实质是在小信号(微变量)的情况下，将非线性元件晶体管线性化，即把晶体管等效为一个线性电路。这样，就可以采用计算线性电路的方法来计算放大电路的输入电阻、输出电阻及电压放大倍数等。当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的工作段可认为是直线。因此，在这一小段直线范围内，UBE/IB之比为常数，称为晶体管的输入电阻rbe82ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。rbeibibrcerbeibibbce等效cbe1.三极管的微变等效电路微变等效电路83简化的等效电路84iBuBE从输入回路看当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。

uBE

iB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。rbe从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：微变等效电路参数计算85从输出回路看iCuCE所以：(1)输出端相当于一个受ib控制的电流源。近似平行(2)考虑uCE对iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。rce的含义iC

uCE862、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:交流通路RBRCRLuiuouirbeibibiiicuoRBRCRL87电压放大倍数的计算特点：负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL88输入电阻的计算对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。输入电阻的定义：是动态电阻。rbeRBRCRL电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。89输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：所有独立电源置零，保留受控源，外加电压求流法。90所以：求输出电阻：rbeRBRC00914

晶体三极管交流分析步骤步骤：①

分析直流电路，求出“Q”，计算rbe。②

画电路的交流通路。③

在交流通路上把三极管画成H参数模型。④

分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。92求：1.静态工作点。例2.4.12.电压增益AU、输入电阻Ri、输出电阻R0

。933.若输出电压的波形出现如下失真，是截止还是饱和失真？应调节哪个元件？如何调节？解：1.IcVCE942.思路：微变等效电路AU、Ri

、R0959697例2.4.2

=100，uS

=10sint(mV)，求叠加在

“Q”

点上的各交流量。+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

12V12V510470k

2.7k

3.6k

98[解]令ui=0，求静态电流IBQ①求“Q”，计算rbeICQ=

IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.4

2.7=5.5(V)99uce②交流通路+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

ube③小信号等效+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

icBCusRC+ube

100④分析各极交流量⑤

分析各极总电量uBE=(0.7+0.0072sin

t

)ViB=(24+5.5sin

t)

AiC=(2.4+0.55sin

t

)

mAuCE=(5.5–

0.85sin

t

)V1015.失真分析在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。下面将分析失真的原因。为简化分析，假设负载为空载(RL=)。102iCuCEuo可输出的最大不失真信号选择静态工作点ib103iCuCEuo1.Q点过低，信号进入截止区放大电路产生截止失真输出波形输入波形ibib失真104iCuCE2.Q点过高，信号进入饱和区放大电路产生饱和失真ib输入波形uo输出波形105实现放大的条件1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。106如何判断一个电路是否能