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三极管放大电路三极管放大电路
三极管放大电路-三极管放大电路
三极管放大电路
一个基本放大电路必须有如图(a)所示各组成部分:
输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。
其中,直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点,以保证晶体三极管工作在放大区。
就双极型晶体三极管而言,就是保证发射结正偏,集电结反偏。
输入信号源一般是将非电量变为电量的换能器,如各种传感器,将声音变换为电信号的话筒,将图像变换为电信号的摄像管等。
它所提供的电压信号或电流信号就是基本放大电路的输入信号。
图是最简单的共发射极组态放大器的电路原理图。
我们先介绍各部件的作用。
1.晶体管V2.直流电源UCC3.基极偏流电阻Rb
4.集电极电阻Rc5.耦合电容C1、C2
二、放大电路的工作原理
在图(b)所示基本放放大电路中,我们只要适当选取Rb、Rc和UCC的值,三极管就能够工作在放大区。
下面我们以它为例,分析放大电路的工作原理。
1.无输入信号时放大器的工作情况
在图(b)所示的基本放大电路中,在接通直流电源UCC后,当ui=0时,由于基极偏流电阻Rb的作用,晶体管基极就有正向偏流IB流过,由于晶体管的电流放大作用,那么集电极电流IC=βIB,集电极电流在集电极电阻Rc上形成的压降为UC=ICRc。
显然,晶体管集电极-发射极间的管压降为UCE=UCC-ICRc。
当ui=0时,放大电路处于静态或叫处于直流工作状态,这时的基极电流IB、集电极电流IC和集电极发射极电压UCE用IB、ICQ、UCEQ
表示。
它们在三极管特性曲线上所确定的
点就称为静态工作点,其习惯上用Q表示。
这些电压和电流值都是在无信号输入时的数值,所以叫静态电压和静态电流。
2.输入交流信号时的工作情况
当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时,信号电压ui将和静态正偏压UBE相串连作用于晶体管发射结上,加在发射结上的电压瞬时值为
uBE=UBE+ui
如果选择适当的静态电压值和静态电流值,输入信号电压的幅值又限制在一定范围之内,则在信号的整个周期内,发射结上的电压均能处于输入特性曲线的直线部分,如图(a),此时基极电流的瞬时值将随uBE变化,如图(b)。
基极电流iB由两部分组成,一个是固定不变的静态基极电流IB;一个是作正弦变化的交流基极电流ib。
iB=IB+ib
由于晶体管的电流放大作用,集电极电流iC将随基极电流iB变化,如图所示。
同样,iC也由两部分组成:
一个是固定不变的静态集电极电流IC;一个是作正弦变化的交流集电极电流ic。
其瞬时值为
iC=IC+ic
现在讨论集电极电阻Rc上的电压降uRc。
因为uRc=iCRc,所以它要随iC变化,如图所示。
由于UCC=iCRc+uCE,所以在图(d)上,管压降的瞬时值uCE相当于UCC虚线下面的空白部分。
把它单独画出,如图(e)所示。
显然,uCE也由两部分组成:
一个是固定不变的静态管压降UCE,另一个是作正弦变化的交流集电极-发射极电压uce。
如果负载电阻RL通过耦合电容C2接到晶体管的集电极-发射极之间,则由于电容C2的隔直作用,负载电阻RL上就不会出现直流电压。
但对交流信号uce,很容易通过隔直电容C2加到负载电阻RL上,形成输出电压uo。
如果电容C2的容量足够大,则对交流信号的容抗很小,忽略其上的压降,则管压降的交流成分就是负载上的输出电压,因此有
uo=uce
把输出电压uo和输入信号电压ui进行对比,我们可以得到如下结论:
(1)输出电压的波形和输入信号电压的波形相同,只是输出电压幅度比输入电压大。
(2)输出电压与输入信号电压相位差为180。
通过以上分析可知,放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iC,iC在RL上形成压降作为输出电压。
iC是直流电源UCC提供的。
因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用,直流电能转化成交流电能的功率。
三、放大电路的主要性能指标
分析放大器的性能时,必须了解放大器有哪些性能指标。
各种小信号放大器都可以用图
所示的组成框图表示,图中Us代表输入信号电压源的等效电动势,Rs代表内阻。
也可用电流源等效电路。
Ui和Ii分别为放大器输入信号电压和电流的有效值,RL为负载电阻,Uo和Io分别为放大器输出信号电压和电流的有效值。
衡量放大器性能的指标很多,现介绍输入、输出电阻,增益,频率失真和非线性失真等基本指标。
1.输入、输出电阻
对于输入信号源,可把放大器当作它的负载,用ri表示,称为放大器的输入电阻。
其定义的放大器输入端信号电压对电流的比值,即
ri=
对于输出负载RL,可把放大器当作它的信号源,用相应的电压源或电流源等效电路表示,如图和所示。
图中Ui是将RL移去,Us或者Is
在放大器输出端产生的
开路电压。
In是将RL短接,Us或者Is在放大器输出端产生的短路电流。
ro是等效电流源或电压源的内阻,也就是放大器的输出电阻。
它是在放大器中的独立电压源短路或独立电流源开路、保留受控源的情况下,从RL两端向放大器看进去所呈现的电阻。
因此假如在放大器输出端外加信号电压U,计算出由U产生的电流I,则ro=U/I,如图。
ro,ri只是等效意义上的电阻。
如在放大器内部有电抗元件,ro,ri应为复数值。
2.增益
增益,又称为放大倍数,用来衡量放大器放大信号的能力。
有电压增益、电流增益、功率增益等。
1)电流、电压增益
电压增益用Au表示,定义为放大器输出信号电压与输入信号电压的比值。
即
因为,又,所以;
增益Ai和源电流增益同样,电流Ais分别定义为:
,
2)功率增益
功率增益表示放大器放大信号功率的能力,定义为:
一个信号源能够提供的最大功率,就是信号源加到匹配负载上的功率,我们定义为信号源额定功率,它是度量信号源功率容量大小的参数。
负载能否得到这么大的功率,取决于负载是否与信号源内阻匹配。
额定功率与负载大小无关,而实际得到的功率则与负载大小有关。
3.频率失真
因放大电路一般含有电抗元件,所以对于不同频率的输入信号,放大器具有不同的放大能力。
相应的增益是频率的复函数。
即
上式中,A(ω)是增益的幅值,φA(ω)是增益的相角,都是频率的函数。
我们将幅值随ω变化的特性称为放大器的幅频特性,其相应的曲线称为幅频特性曲线;相角随ω变化的特性称为放大器的相频特性,其相应的曲线称为相频特性曲线。
它们分别如图和所示。
在工程上,一个实际输入信号包含许多频率分量,放大器不能对所有频率分量进行等增益放大,那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。
这种波形失真称为放大器的频率失真。
要把这种失真限制在允许值范围内,则放大器频率响应曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度。
共基极放大器,共基极放大器放大电路
2016年03月05日11:
22作者:
佚名用户评论
关键字:
共基极放大器
(1)放(32)
共基极放大器,共基极放大器放大电路
交流信号电压叠加在直流电压上,使晶体管基极、发射极之间的正向电压发生变化,通过晶体管的控制作用,使集电极电流有更大的变化,它的变量在集电极电阻上产生大的电压变量,从而实现电压放大。
放大器有三种组态:
共基极、共发射极、共集电极。
晶体管的基极静态电流、电压或集电极静态电流、电压在特性曲线上所对应的点,称为放大器的静态工作点。
放大器的性能指标包括:
1、放大倍数
①电压增益:
Ku=Uo/Ui或Kus=Uo/Us
②电压增益:
Ki=Io/Ii或Kis=Io/Is
③功率增益:
Kp=Po/Pi=∣UoIo/UiIi∣=∣KuKi∣
2、输入、输出电阻
输入电阻为放大器对信号源所呈现的负载效应;或由放大器输入端向放大器看进去的等效电阻,Ri=Ui/Ii。
输出电阻为将放大器的输出端等效为具有内阻的电压源,则电压源的内阻即为放大器的输出电阻;或由放大器输出端向放大器看进去的等效电阻,Ro=Uo/Io。
3、其它
通频带,非线性失真系数,最大不失真输出电压,最大输出功率与效率。
下图为共基极放大电路的电路图.
共基极放大电路是一种电流放大倍数略小于1,而电压放大倍数大,其输入信号Vi由E极输入,输出信号Vo由C极输出。
输入与输出信号与共集极放大器模式一样,不会发生相位颠倒的情形。
即输出与输电压同相,同时其输入电阻小,输出电阻大。
共基极放大电路特别突出的优点在于晶体管的截止频率,较之共射电路晶体管的截止频率提高了(1+β)倍,故共基极电路有更高的工作频率,适用于宽频带放大电路、高频谐振放大器等,共基极电路在高频电路中应用是很广泛的。
下表是晶体管三种基本放大器的性能比较.
共基极放大电路中,输入信号是由三极管的发射极与基极两端输入的,再由三极管的集电极与基极两端获得输出信号因为基极是共同接地端,所以称为共基极放大电路。
共基极放大电路具有以下特性:
1、输入信号与输出信号同相;
2、电压增益高;
3、电流增益低;
4、功率增益高;
5、适用于高频电路。
共基极放大电路的输入阻抗很小,会使输入信号严重衰减,不适合作为电压放大器。
但它的频宽很大,因此通常用来做宽频或高频放大器。
在某些场合,共基极放大电路也可以作为“电流缓冲器”使用。
三极管放大电路的应用
三极管放大电路的应用
执教:
龚斌
一、教学目标
1、初步运用三极管放大电路与常用语音集成电路518;
2、通过合作学习,学会科学地安排工艺、加工、装配和调试;
3、在制作与调试过程中,掌握制作的工艺流程和解决问题的方法,提高质
量与效率意识;
4、认识三极管放大电路和语音集成电路的应用价值。
二、教学重点:
放大电路的应用
三、教学难点:
电路的设计
四、教学器材:
万用表、电子实验箱等
五、教学过程
1、导入
A、实例:
这是我们比较常见的音乐门铃,当你要上门拜访时,按一下按钮,
门铃会发出一阵音乐,提醒主人有客人到了。
非常实用。
B、学生展示自己收集到的音乐贺卡,讨论:
音乐门铃和音乐贺卡的核心器件
是什么?
这些作品从感知上有什么特点?
C、师生归纳音乐门铃或音乐贺卡的工作原理:
D、分析比较音乐贺卡与音乐门铃的异同。
相同处:
两者都用音乐集成电路作为声源,都是将电信号转换为声音信号。
不同之处:
音乐贺卡比较轻巧、薄,但声音轻、收听范围小。
音乐门铃声音响亮,收听范围广。
E、设问:
怎样实我们手中的音乐集成电路518发出
的声音响亮以及收听范围广呢?
揭示课题:
三极管放
大电路的应用
2、基出知识再现。
A、问题:
、三极管是用什么材料做成的?
常用的是哪两种材料?
、常见的三极管有那两种类型?
请例举。
、三极管有哪两大作用?
B、熟悉判断三极管的好坏的方法。
3、电路设计
A、讨论后归纳:
可在集成电路上安装三极管放大电路。
4、实践、交流、评价
效果
故障分析与排除
连接过程中值得注意的问题
5、拓展与思考
如果在三极管9013的基极和发射极之间的电压小于时,效果会怎样?
和扬声器并联的电容微法舍去不用会有怎样的效果?
在不改变电源电压的情况下,如果要再增加一个三极管,电路应做怎样的调整?
6、小结B、设计好的工艺流程图:
三极管放大电路
三极管放大电路
一/共基极的基本放大电路,如图1所示,
图1
主要应用在高频放大或振荡电路,其低输入阻抗及高输出阻抗的特性也可作阻抗匹配用。
电路特性归纳如下:
输入端为正向偏压,因此输入阻抗低;输出端为反向偏压,因此输出阻抗高。
电流增益:
虽然AI小于1,但是RL/Ri很大,因此电压增益相当高。
功率增益,由于AI小于1,所以功率增益不大。
二/共发射极放大电路与特性
图2共发射极放大组态的简化电路,共射极。
电流增益:
电压增益:
负号表示输出信号与输入信号反相。
功率增益:
功率增益在三种接法中最大。
三/共集电极接法的放大电路,如图3所示,
图3
高输入阻抗及低输出阻抗的特性可作阻抗匹配用,以改善电压信号的负载效应。
其电路特性归纳如下:
输入阻抗高;输出阻抗低。
电流增益:
电压增益:
电压增益等于1,表示射极的输出信号追随着基极的输入信号,所以共集极放大器又称为射极随耦器。
功率增益Ap=AI×Av≈β,功率增益低。
图4
自给偏压方式此电路不稳定,又称为基极偏压电路最简单的偏压电路,容易受β值的变动影响,温度每升高10°C时,逆向饱和电流ICO增加一倍,温度每升高1°C时,基射电压VBE减少,β随温度升高而增加(影响最大
)
图5
射极加上电流反馈电阻改善特性自给偏压方式但还是不太稳定
图6
此为标准低频信号放大原理图电路路,见图6,其R1及R2为三极管偏压电阻为三极管基极提供必要偏置电流,R3为负载电阻,R4为电流反馈电阻,C3为旁路电容,C1及C3为三极管输入及输出隔直流电容,信号放大值则为R3/R4倍数.设计上注意:
三极管Ft值需高于信号放大值与工作频率相乘积,选择适当三极管集电极偏压、以避免大信号上下顶部失真,注意C1及C3的容量大小对低频信号(尤其是脉波)有影响.在R4并联一个C2,放大倍数就会变大。
而在交流时C2将R4短路。
为什么要接入R1及R4?
因为三极管是一种对温度非常敏感的半导体器件,温度变化将导致集电极电流的明显改变。
温度升高,集电极电流增大;温度降低,集电极电流减小。
这将造成静态工作点的移动,有可能使输出信号产生失真。
在实际电路中,要求流过R1和R2串联支路的电流远大于基极电流IB。
这样温度变化引起的IB的变化,对基极电位就没有多大的影响了,就可以用R1和R2的分压来确定基极电位。
采用分压偏置以后,基极电位提高,为了保证发射结压降正常,就要串入发射极电阻R4。
R4的串入有稳定工作点的作用。
如果集电极电流随温度升高而增大,则发射极对地电位升高,因基极电位基本不变,故UBE减小。
从输入特性曲线可知,UBE的减小基极电流将随之下降,根据三极管的电流控制原理,集电极电流将下降,反之亦然。
这就在一定程度上稳定了工作点。
分压偏置基本放大电路具有稳定工作点的作用,这个电路具有工作点稳定的特性。
当流过R1和R2串联支路的电流远大于基极电流IB时,可以用下列方法计算工作点的参数值
三极管的工作原理
一/结构与操作原理
二/三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面,如图1所示,可有pnp和npn两种组合。
三个接出来的端点依序称为射极、基极和集极,名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。
图中也显示出npn与pnp三极管的电路符号,射极特别被标出,箭号所指的极为n型半导体,和二极体的符号一致。
在没接外加偏压时,两个pn接面都会形成耗尽区,将中性的p型区和n型区隔开。
图1pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。
三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关,工作区间也依偏压方式来分类,这里我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forwardactive),在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压,而BC极间的pn接面则在反向偏压,通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。
图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。
EB接面的空乏区由于在正向偏压会变窄,载体看到的位障变小,射极的电洞会注入到基极,基极的电子也会注入到射极;而BC接面的耗尽区则会变宽,载体看到的位障变大,故本身是不导通的。
图2(b)画的是没外加偏压,和偏压在正向活性区两种情形下,电洞和电子的电位能的分布图。
三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢?
其间最大的不同部分就在于三极管的两个接面相当接近。
以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例,射极的电洞注入基极的n型中性区,马上被多数载体电子包围遮蔽,然后朝集电极方向扩散,同时也被电子复合。
当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时,会被此区内的电场加速扫入集电极,电洞在集电极中为多数载体,很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点,形成集电极电流IC。
IC的大小和BC间反向偏压的大小关系不大。
基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec,与由基极注入射极的电子流InB?
E。
InB?
E在射极与与电洞复合,即
InB?
E=IErec。
pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。
图2(a)一pnp三极管偏压在正向活性区;(b)没外加偏压,和偏压在正向活性区两种情形下,电洞和电子的电位能的分布图比较。
图3(a)pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类;(b)电洞电位能分布及注入的情形;(c)电子的电位能分布及注入的情形。
一般三极管设计时,射极的掺杂浓度较基极的高许多,如此由射极注入基极的射极主要载体电洞IpE?
B电流会比由基极注入射极的载体电子电流InB?
E大很多,三极管的效益比较
高。
图3(b)和(c)个别画出电洞和电子的电位能分布及载体注入的情形。
同时如果基极中性区的宽度WB愈窄,电洞通过基极的时间愈短,被多数载体电子复合的机率愈低,到达集电极的有效电洞流IpE?
C愈大,基极必须提供的复合电子流也降低,三极管的效益也就愈高。
集电极的掺杂通常最低,如此可增大CB极的崩溃电压,并减小BC间反向偏压的pn接面的反向饱和电流,这里我们忽略这个反向饱和电流。
由图4(a),我们可以把各种电流的关系写下来:
射极电流IE=IpE?
B+IErec=IpE?
B+InB?
E=IpE?
C+IBrec+InB?
E(1a)基极电流IB=InB?
E+IBrec=IErec+IBrec(1b)
集电极电流IC=IpE?
C=IE-IErec-IBrec=IE-IB(1c)式1c也可以写成IE=IC+IB
射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制,和二极体的情形类似,在启动电压附近,微小的偏压变化,即可造成很大的注入电流变化。
更精确的说,三极管是利用VEB的变化来控制IC,而且提供之IB远比IC小。
npn三极管的操作原理和pnp三极管是一样的,只是偏压方向,电流方向均相反,电子和电洞的角色互易。
pnp三极管是利用VEB控制由射极经基极、入射到集电极的电洞,而npn三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极的电子,图4是二者的比较。
经过上面讨论可以看出,三极管的效益可以由在正向活性区时,射极电流中有多少比例可以到达集电极看出,这个比例习惯性定义作希腊字母α
图4pnp三极管与npn三极管在正向活性区的比较。
而且a一定小于1。
效益高的三极管,a可以比大,也就是只有小于1%的射极电流在基极与射极内与基极的主要载体复合,超过99%的射极电流到达集电极!
了解正向活性区的工作原理后,三极管在其他偏压方式的工作情形就很容易理解了。
表1列出三极管四种工作方式的名称及对应之BE和BC之pn接面偏压方式。
反向活性区(reverseactive)是将原来之集电极用作射极,原来的射极当作集电极,
但由于原来集电极之掺杂浓度较基极低,正向偏压时由原基极注入到原集电极之载体远较原集电极注入基极的多,效益很差,也就是说和正向活性区相比,提供相同的基极电流,能够开关控制的集电极电流较少,a较小。
在饱和区(saturation),两个接面都是正向偏压,射极和集电极同时将载体注入基极,基极因此堆积很多少数载体,基极复合电流大增,而且射极和集电极的电流抵销,被控制的电流量减小。
在截止区(cutoff),BE和BC接面均不导通,各极间只有很小的反向饱和电流,三极间可视作开路,也就是开关在
表中同时列出了四种工作方式的主要用途。
三极管在数字电路中的用途其实就是开关,利用电信号使三极管在正向活性区与截止区间切换,就开关而言,对应开与关的状态,就数字电路而言则代表0与1两个二进位数字。
若三极管一直维持偏压在正向活性区,在射极与基极间微小的电信号变化,会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化,故可用作信号放大器。
下面在介绍完三极管的电流电压特性后,会再仔细讨论三极管的用途。
三极管截止与饱合状态 截止状态
三极管作为开关使用时,仍是处于下列两种状态下工作。
1.截止(cutoff)状态:
如图5所示,当三极管之基极不加偏压或加上反向偏压使BE极截止时(BE极之特性和二极管相同,须加上大于之正向偏压时才态导通),基极电流IB=0,因为IC=βIB,所以IC=IE=0, 图5三极管截止状态
饱合状态
饱合(saturation)状态:
如图6所示,当三极管之基极加入驶大的电流时,因为IC≒IE=β×IB,射极和集极的电流亦非常大,此时,集极与射极之间的电压降非常低(VCE为以下),其意义相当于集极与射极之间完全导通,此一状态称为三极管饱合。
图6(a)基极加上足够的顺向 (b)此时C-E极之间视同偏压使IB足够大 导通状态
晶体管的电路符号和各三个电极的名称如下
图7PNP型三极管 图8NPN型三极管
三极管的特性曲线1、输入特性
图2当Uce在0-2伏范围内,曲线位置和形状与Uce有关,但当Uce高于2伏后,曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线表示即可。
2)当Ube<UbeR时,Ib≈O称三极管输入电阻,定义为:
rbe=(△Ube/△Ib)Q点,其估算公式为:
rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏)
rb为三极管的基区电阻,对低频小功率管,rb约为300欧。
2、输出特性
输出特性表示Ic随Uce的变化关系从图9所示的输出特性可见,它分为三个区域:
截止区、放大区和饱和区。
截止区当Ube<0时,则Ib≈0,发射区没有电子注入基区,但由于分子的热运动,集电集仍有小量电流通过,即Ic=Iceo称为穿透电流,常温时Iceo约为几微安,锗管约为几十微安至几百微安,它与集电极反向电流Icbo的关系是:
Icbo=(1+β)Icbo
常温时硅管的Icbo小于1微安,锗管的Icbo约为10微安,对于锗管,温度每升高12℃,Icbo数值增加一倍,而对于硅管温度每升高8℃,Icbo数值增大一倍,虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈,但由于锗管的Icbo值本身比硅管大,所以锗管仍然受温度影响较严重的管,放大区,当晶体三极管发射结处于正偏而集电结于反偏工作时,Ic随Ib近似作线性变化,放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时,Ic基本上不随Ib而变化,失去了放大功能。
根据三极管发射结和集电结偏置情况,可能判别其工作状态。
图9三极管的主要参数1、直流参数
集电极一基极反向饱和电流Icbo,发射极开路集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流)基极开路时,集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极