电工电子技术课件 第七章 放大器基础

第七章放大器基础本章知识点1．掌握PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和电流放大作用。2．了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义。3.理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、共集电极放大电路的性能特点。4.掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等效电路分析法。5.掌握放大电路输入、输出电阻和多级放大的概念；掌握互补功率放大电路的工作原理。6.理解差动放大电路的工作原理和性能特点。7.了解场效应管的电流放大作用、主要参数的意义。7.1半导体二极管及其模型7.1.1半导体的基本知识1.半导体的特点和分类半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常见的如四价元素硅、锗、硒等，在外界温度升高、光照或掺入适量杂质时，它们的导电能力大大增强。因此半导体被用来制成热敏器件、光敏器件和半导体二极管、三极管、场效应管等电子元器件。在纯净的半导体中掺入适量杂质元素的半导体称为杂质半导体，如果掺入的是三价元素，称为P型半导体，如果掺入的是五价元素，称为N型半导体。7.1半导体二极管及其模型7.1.1半导体的基本知识2.PN结及其单向导电特性1)PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结。2)PN结的单向导电性①外加正向电压PN结外加正向偏置电压简称正偏。P区接电源正极，N区接电源负极，外电场削弱了内电场。②外加反向电压PN结外加反向偏置电压简称反偏。综上所述，PN结正偏导通，反偏截止，即为PN结的单向导电性。7.1半导体二极管及其模型7.1.2半导体二极管1.半导体二极管的结构、符号及类型在PN结的P区和N区两侧各引出一根电极，加以封装，便形成半导体二极管，由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。2.半导体二极管的伏安特性伏安特性反映了二极管外加电压和流过二极管的关系，伏安特性是二极管的固有属性。图7-4示出了二极管伏安特性关系曲线的一般形状。图7-4二极管伏安特性曲线图7-3二极管的符号7.1半导体二极管及其模型7.1.2半导体二极管3.半导体二极管的主要参数二极管的参数反映了二极管的性能优劣和使用条件，二极管参数是正确选择和使用二极管的依据。1)最大整流电流IF2)最高反向工作电压URM3)反向饱和电流IR7.1半导体二极管及其模型7.1.2半导体二极管4.二极管的简易测试将万用表置于R×100或R×1k(Ω)档（R×1档电流太大,用R×10k(Ω)档电压太高,都易损坏管子）。7.1半导体二极管及其模型7.1.３特殊二极管1.稳压管稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，其符号和伏安特性曲线如右图所示。正常情况下稳压管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，稳压管两端的电压却几乎稳定不变，稳压管就是利用这一特性在电路中起稳压作用的。与一般二极管不同，稳压管的主要参数如下：1）稳定电压。2）稳定电流。3）最大稳定电流。7.1半导体二极管及其模型7.1.３特殊二极管2.发光二极管发光二极管简称LED，是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件。发光二极管也是由PN结构成的，具有单向导电性。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型1.三极管的结构、符号及类型三极管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，它是电子电路中的核心器件。三极管有NPN和PNP两种类型，无论是NPN型还是PNP型三极管，它们内部都含有三个区，分别称为发射区、基区和集电区，三个区引出的电极分别是发射极（E或e）、基极（B或b）和集电极（C或c），发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。下图所示为三极管的外形、内部结构示意图及符号。三极管内部的结构特点是：发射区掺杂浓度高，即多子浓度高；基区很薄且掺杂浓度低；集电区面积大于发射区面积，掺杂浓度低。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型1.三极管的结构、符号及类型三极管内部的结构特点是：发射区掺杂浓度高，即多子浓度高；基区很薄且掺杂浓度低；集电区面积大于发射区面积，掺杂浓度低。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型2.三极管的放大原理三极管能够实现放大所需要的外部条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置，为简要说明三极管的电流分配关系和放大作用，忽略一些次要因素，以NPN型三极管为例，通过实验来了解三极管的放大原理和其中的电流分配情况，实验电路如下图所示。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型2.三极管的放大原理将三极管接成两条电路，一条是由电源电压UBB的正极经过电阻RP（通常为几百千欧的可调电阻）、、基极、发射极到电源UBB的负极，称为基极回路。另一条是由电源UCC的正极经过电阻、集电极、发射极再回到电源UCC的负极，称为集电极回路。可见，发射极是两个回路所共用的，所以这种接法称为共发射极电路。由实验及测试结果可得出如下结论。IE=IC+IB一般把集电极静态电流IC和基极静态电流IB之比称为直流电流放大系数把集电极动态电流ΔiC（集电极电流的变化量）和基极动态电流ΔiB（基极电流的变化量）之比称为交流电流放大系数7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型3.三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线是指各个电极间电压与电流之间的关系，它们是三极管内部载流子运动规律在管子外部的表现。（1）输入特性曲线输入特性曲线是指三极管集电极与发射极间电压UCE为常数时，输入回路中IB随UBE变化的曲线。由图7-10可见，输入特性曲线也有一个“死区”，与二极管正向特性曲线形状一样。在“死区”内，虽已大于零，但几乎为零。（2）输出特性曲线输出特性曲线表示输入电流固定时，输出回路中与的关系，即7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型图为NPN型硅管共射极输出特性曲线，当改变时，可得一簇曲线。由特性曲线可见，输出特性曲线划分为放大区、饱和区和截止区三个区域。1)截止区=0的特性曲线以下区域为截止区。此时三极管的集电结处于反偏，发射结电压≤0，发射结也反偏。这时，≈UCC，三极管的c-e之间呈现高电阻，相当于一个断开的开关。2)饱和区指曲线上升和弯曲处的阴影部分。此时﹤，集电极处于正偏状态。3)放大区指曲线族的平直部分，此时﹥0，﹥1V。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型图7-10三极管的特性曲线7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型4．三极管的主要参数主要参数是设计三极管电路和选用三极管的依据（1)电流放大系数常用的小功率三极管，β值在40～150。（2)极间反向饱和电流ICBO和ICEO两者的关系为：ICEO=（1+β）ICBO。（3)极限参数1)集电极最大允许电流ICM2)集电极最大耗散功率PCM3)反向击穿电压U(BR)CEO7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型5.三极管的质量粗判及代换方法1）判断三极管的质量好坏若测得两PN结的正向电阻均很小，反向电阻均很大，则三极管一般为正常，否则已损坏。2）三极管的代换方法（1）更换时，尽量更换相同型号的三极管。（2）无相同型号更换时，新换三极管的极限参数应等于或大于原三极管的极限参数。（3）性能好的三极管可代替性能差的三极管。（4）在集电极耗散功率允许的情况下，可用高频管代替低频管。（5）开关三极管可代替普通三极管。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型6.三极管的小信号等效模型1)三极管基极与发射极间的等效放大电路正常工作时，发射结导通，即基极与发射极之间相当于一个导通的PN结，三极管的输入二端口等效为一个交流电阻rbe根据三极管输入回路结构分析，rbe的数值可以用下列公式计算：式中，r'bb是基区体电阻，对于低频小功率管，r'bb约为100～500Ω，如果无特别说明，一般取r'bb=300Ω；IEQ为发射极静态电流。2)三极管集电极与发射极间的等效当三极管工作在放大区时，ic的大小只受ib的控制，ic=βib，即实现了三极管的受控恒流特性。7.2半导体三极管及其模型7.2.1三极管的结构、符号及类型6.三极管的小信号等效模型图7-11三极管微变等效过程7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念1.放大的概念 放大电路的作用是将微弱的电信号放大到能够驱动负载工作所需的数值，从表面上看是将信号由小变大，实质上，放大的过程是实现能量转换的过程。放大电路一般由电压放大和功率放大两部分组成。2.放大器的动态性能指标(1)放大倍数：放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标。放大电路的输出电压uo和输入电压ui之比，称为电压放大倍数Au，即放大电路的输出电流io和输入电流ii之比，称为电流放大倍数Ai，即放大电路的输出功率Po和输入功率Pi之比，称为功率放大倍数Ap，即(2)输入电阻ri放大电路的输入电阻是从输入端1-2向放大电路看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻RL后，输入电压ui与输入电流ii之比，即

图7-14放大电路输入等效电路3)输出电阻ro从输出端向放大电路看入的等效电阻，称为输出电阻ro，如图7-15所示。由图可得等效输出电阻用戴维南定理分析：将输入信号源us短路（电流源开路），但要保留其信号源内阻rs，用电阻串并联方法加以化简，计算放大电路的等效输出电阻。

图7-15放大电路输出等效电路实验方法计算输出电阻的步骤：(1)将负载RL开路，测放大电路输出端的开路电压，即放大电路3-4端的开路电压，测得有效值为U'。(2)将负载RL接入，测量放大电路3-4端的电压，测得有效值为Uo。(3)放大电路的输出电阻为

7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念3.基本放大器的组成原则及工作原理下图所示为基本共射放大电路，本电路采用的是NPN管。为保证放大电路能够不失真地放大交流信号，放大电路的组成应遵循以下原则：(1)保证三极管工作在放大区下图中，直流电源UCC和基极偏置电阻Rb为了保证三极管发射结正偏，直流电源UCC和集电极电阻Rc为了保证三极管集电结反偏，此时为保证三极管集电结反偏，基极偏置电阻Rb（一般为几十千欧至几百千欧）应远大于集电极电阻Rc（一般为几千欧至几十千欧）。图7-16基本共发射极放大电路7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念(2)保证信号有效的传输图7-16中，电容C1、C2为耦合电容，起隔直流、通交流的作用，即隔断放大电路与信号源、放大电路与负载之间的直流通路，沟通交流信号源、放大电路、负载三者之间的交流通路。耦合电容一般采用有极性的电解电容，使用时注意正、负极性。放大电路由直流电源提供偏置，保证三极管正常工作在放大区，因此电路中存在一组直流分量。放大电路要放大的是交流信号，电路中存在一组交流分量，即电路中交、直流分量并存。7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念4.基本放大电路的工作原理

(1）静态工作情况所谓直流通路，是指当输入信号ui=0时，电路在直流电源UCC的作用下，直流电流所流过的路径。在画直流通路时，将电路中的电容开路，电感短路。图所对应的直流通路如下图所示。7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念所谓静态，是指交流输入信号ui=0时放大电路的工作状态，此时电路中只有直流分量。在直流电源的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在着直流电流和直流电压，即IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。这四个数值分别对应于三极管输入、输出特性曲线上的一个点“Q”，即输入特性曲线上的点Q（UBEQ，IBQ），输出特性曲线上的点Q（UCEQ，ICQ），如上图所示，习惯上称这个“Q”点为放大电路的静态工作点。由直流通路得基极静态电流IBQ：其中，UBEQ为发射结正向电压，三极管导通时，UBEQ的变化很小，可近似认为硅管UBEQ=0.6～0.8V，取0.7V;锗管UBEQ=0.1～0.3V，取0.3V;当UCC>>UBEQ时，IBQ≈UCC/Rb。根据三极管的电流放大特性，得集电极静态电流ICQ：再根据集电极回路可求出集电极-发射极之间的电压UCEQ：7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念(2)动态工作情况：当放大电路中加入正弦交流信号ui时，电路中各极的电压、电流产生一组交流量。在交流输入信号ui的作用下，只有交流电流所流过的路径，称为交流通路。画交流通路时，放大电路中的耦合电容短路；由于直流电源UCC的内阻很小（理想电压源内阻近似为零），对交流变化量几乎不起作用，所以直流电源对交流视为短路。输入信号ui通过耦合电容C1传送到三极管的基极与发射极之间，使得基极与发射极之间的电压为输入信号ui变化时，会引起uBE随之变化，相应的基极电流也在原来IBQ的基础上叠加了因ui变化产生的变化量ib。这时，基极的总电流则为直流和交流的叠加，即经三极管放大后得集电极电流7.3放大电路的基本知识7.3.1放大电路的一般概念集电极-发射极之间的电压可以看出，电压uCE由两部分组成，一部分为静态电压UCEQ=UCC-ICQRc，另一部分为交流动态电压uce=-icRc，其中静态电压被耦合电容C2隔断，交流电压经C2耦合到输出端，得uo=uce=-icRc

式中“-”表示uo与ui反相，即共发射放大电路的输出与输入信号的相位相反。共发射放大电路也称反相器或倒相器。图7-18基本共射放大电路的交流通路7.4放大电路的三种基本组态7.4.1共发射极放大器1.电路基本组成及各元件作用电路如图中(a)所示，图中(b)、(c)分别是它的直流通路和微变等效电路。由微变等效电路可以看到，信号从基极输入、集电极输出，发射极是交流接地，是输入回路和输出回路的公共端，故该电路称为共射极放大电路。2．静态分析当三极管工作在放大区时，IBQ很小。当满足I1>>IBQ时，I1≈I2，则有：7.4放大电路的三种基本组态7.4.1共射极放大器当满足I1>>IBQ时，UBQ固定，假如温度上升，3．动态分析1)电压放大倍数（有载）2)输入电阻ri当Rb>>rbe时，3)输出电阻ro

图7-20共发射级放大电路7.4放大电路的三种基本组态7.4.2共集电极放大电路1.电路基本组成及各元件作用电路如图7-21(a)所示，图7-21(b)、(c)分别是它的直流通路和交流通路。图7-21共集电极放大电路(a)共集电极放大器；(b)直流通路；(c)交流通路；(d)微变等效电路7.4放大电路的三种基本组态7.4.2共集电极放大电路2.静态分析1)共集电极放大电路的直流通路如图7-21(b)所示。2)静态工作点的估算7.4放大电路的三种基本组态7.4.2共集电极放大电路3.动态分析共集电极放大电路的交流通路如图7-21(c)所示，微变等效电路如图7-21(d)所示。(1)电压放大倍数Au的估算(2)输入电阻ri的估算。由图7-21(d)可得(3)输出电阻ro的估算综上所述，射极输出器是一个具有高输入电阻、低输出电阻、电压放大倍数近似为1的放大电路。射极输出器在多级放大电路中常用作输入级，提高电路的带负载能力，也可作为缓冲级，用来隔离前后两级电路的相互影响。7.4放大电路的三种基本组态7.4.3共基极放大电路1.电路基本组成及各元件作用 共基极放大电路如图7-23所示，图7-24、7-25分别是它的直流通路和微变等效电路。图7-23共基极放大电路图7-24共基极防大电路的直流通路图7-25共基极放大电路的微变等效电路7.4放大电路的三种基本组态7.4.3共基极放大电路2.静态工作情况 3.动态工作情况电压放大倍数输入电阻输出电阻7.5工程实用放大电路的构成原理及特点7.5.1差动放大电路集成运放的输入级由差分式放大电路（差动放大电路）组成1.电路组成下图左图所示为基本差动放大电路，它由两个参数对称、特性相同的单管共发射极放大电路组成。电路中有两个电源+UCC和-UEE。两管的发射极连在一起并接电阻Re。集成运放内的差动放大电路，Re用恒流源代替，如下图右图所示。恒流源的交流电阻ro很大，在理想情况下为无穷大。图中所示电路有两个输入端和两个输出端，称为双端输入、双端输出差动放大电路。图7-26差动放大电路(a)(b)7.5工程实用放大电路的构成原理及特点7.5.1差动放大电路2.工作原理（恒流源差放电路）（1)静态分析输入信号电压为零（ui1-ui2=0）时，输出信号电压uo也为零。（2)动态分析当在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压时，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以输出信号电压不为0，即在两输出端间有信号电压输出。这种大小相等、极性相反的输入信号称为差模信号，用uid表示。这种输入方式称为差模输入。3.抑制零点漂移的原理7.5工程实用放大电路的构成原理及特点7.5.1差动放大电路4.主要技术指标的计算在图7-26(b)所示电路中，若输入为差模信号，即ui1=-ui2=uid/2，则因一管的电流增加，另一管的电流减小，在电路完全对称的条件下，iC1的增加量等于iC2的减小量，所以流过恒流源的电流I不变，ue=0，故交流通路如图7-27所示。

图7-27差动放大电路交流通路可以看出，差动放大电路的差模电压放大倍数与单管共射放大电路的电压放大倍数相同。可见，差动放大电路是用成倍的元器件以换取抑制零点漂移的能力。7.6功率放大器多级放大器一般包括三部分：输入级、中间级、输出级。7.6.1双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）1.电路组成及工作原理如图7-30是乙类双电源互补对称功率放大电路，又称无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。V1为NPN型管，V2为PNP型管，两管参数完全对称，称为互补对称管。图7-30乙类双电源互补对称功率放大电路7.6功率放大器7.6.1双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）（1)静态分析由于电路无静态偏置通路，故两管的静态参数IBQ、ICQ、IEQ均为零，即两个三极管静态时都工作在截止区，无管耗，电路属于乙类工作状态。负载上无电流，输出电压uo=0。（2)动态分析(1)当输入信号为正半周时，ui>0，三极管V1导通，V2截止，等效电路如图7-31(a)所示。管V1的射极电流ie1经+UCC自上而下流过负载，在RL上形成正半周输出电压，uo>0。(2)当输入信号为负半周时，ui<0，三极管V2导通，V1截止，等效电路如图7-31(b)所示。管V2的射极电流ie2经－UCC自下而上流过负载，在RL上形成负半周输出电压，uo<0。7.6功率放大器7.6.1双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）如果忽略三极管的饱和压降和开启电压，在负载RL上能够获得与输入信号ui变化规律相同的、几乎完整的正弦波输出信号uo，如图7-31(c)所示。由于这种电路中两个三极管交替工作，即一个“推”，一个“挽”，互相补充，故这类电路又称为互补对称推挽电路。（a)(b)(c)图7-31工作原理7.6功率放大器7.6.1双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）2.性能指标的估算（1)输出功率Po（2)直流电源提供的功率PE（3)效率η（4)管耗PV7.6功率放大器7.6.1双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）(5)功率管的选择1)功率管的最大功耗应大于单管的最大功耗，即2)功率管的最大耐压(3)功率管的最大集电极电流7.6功率放大器7.6.1双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）3.交越失真及其消除在乙类互补对称功率放大电路中，静态时三极管处于截止区。由于三极管存在死区电压，当输入信号小于死区电压时，三极管V1、V2仍不导通，输出电压uo也为零。因此在输入信号正、负半周交接的附近，无输出信号，输出波形出现一段失真，如图7-32所示，这种失真称为交越失真。为了消除交越失真，通常给功率放大管加适当的静态偏置，使其静态时处于微导通状态，导通角在1800~3600之间，电路属于甲乙类功放电路。由于三极管处于微导通状态，静态电流与信号电流相比较，可忽略不计，所以甲乙类功率放大电路的效率接近于乙类功率放大电路。图7-33所示是常用的甲乙类偏置电路。7.6功率放大器图7-32交越失真7.7场效应管放大电路7.7.1场效应管的种类及其特性晶体三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件，因而称为电流控制型器件。场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件，称为电压控制型器件。1.场效应管的类型及结构场效应管类型较多，电压极性要求和特性曲线各不相同，工程上可方便灵活选用，以适合不同的场合和要求。按结构的不同，场效应管可分为绝缘栅型和结型两大类，绝缘栅型制造工艺简单，便于集成化，在分立元件或是在集成电路中，其应用范围远广于结型场效应管，本节以介绍绝缘栅型场效应管为主。按导电沟道类型的不同，场效应管可分为N型沟道和P型沟道两种，分别简称为NMOS管和PMOS管。7.7场效应管放大电路7.7.1场效应管的种类及其特性图7-35N沟道增强型MOS场效应管(a)N沟道结构图；(b)N沟道电路符号；(c)P沟道电路符号7.7场效应管放大电路7.7.1场效应管的种类及其特性2.场效应管的特性曲线输出特性的恒流区是场效应管的放大工作区。在恒流区工作时，漏极电流iD与uGS之间的关系可用下式近似表示：(uGS≥UGS(th))式中，ID0是uGS=2UGS(th)时的值。图7-37为N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构图，其结构与增强型场效应管的结构相似。这种管子的uGS不论是正是负或者是零都可以控制iD，这使它的使用更具有较大的灵活性。在uGS≥UGS(off)时，iD与uGS的关系可用下式表示：7.7场效应管放大电路7.7.1场效应管的种类及其特性2.场效应管的特性曲线图7-36N沟道增强型场效应管特性曲线(a)转移特性；(b)输出特性图7-37耗尽型MOS管结构及符号图(a)N沟道结构图；(b)N沟道符号；(c)P沟道符号7.7场效应管放大电路7.7.1场效应管的种类及其特性3.场效应管的主要参数(1)直流参数1)夹断电压UGS(off)或开启电压UGS(th)2)饱和漏极电流IDSS3)直流输入电阻RGS(2)交流参数1)跨导gmgm是表征栅源电压对漏极电流控制作用大小的一个参数。2)极间电容图7-38N沟道耗尽型场效应管特性曲线(a)转移特性；(b)输出特性7.7场效应管放大电路7.7.1场效应管的种类及其特性(3)极限参数1)最大漏极电流IDM是管子工作时允许的最大漏极电流。2)最大耗散功率PDM是由管子工作时允许的最高温升所决定的参数。3)漏源击穿电压U(BR)DS是UDS增大时使ID急剧上升时的UDS值。4)栅源击穿电压U(BR)GS是使二氧化硅绝缘层击穿时对应的电压，一旦绝缘层击穿，将造成短路现象，使管子损坏。4.场