模拟电子第三章三极管.docx
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模拟电子第三章三极管
第三章放大电路基础
3.1放大电路的基本知识
教学要求
掌握放大电路放大倍数的意义及其求法；
掌握放大电路输入电阻的意义及其求法；
掌握放大电路输出电阻的意义及其求法.
一、放大电路的组成
1.电路组成方框图
图中信号源提供需放大的电信号，可由换能器提供，也可是前一级电路的输出信号；负载接受输出信号，可由输出换能器构成，也可为下一级电路的输入电阻；直流电源给放大电路提供能量；放大电路进行信号放大，一般由基本放大单元组成的多级放大电路，如上图（c）所示。
二、放大电路的主要性能指标
1.放大倍数：
衡量放大电路的放大能力。
3.输出电阻：
放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。
其中，uot为负载开路时的输出电压；uo带负载时的输出电压，Ro越小，uot和uo越接近。
4.通频带与频率失真：
放大电路中含有的电抗元件（外接或有源器件内部寄生）使放大电路对不同频率的输入信号有不同的放大能力，这就是放大电路的频率特性，可分为幅频特性和相频特性。
幅频特性和相频特性：
，Au（f）为幅频特性；（f）为相频特性
频带宽度（带宽）BW：
当放大倍数下降到最大放大倍数的0.7倍时低端频率和高端频率称为放大电路的下限频率和上限频率，分别用fH和fL表示。
BW0.7（BandWidth）=fH–fL
放大电路所需的通频带由输入信号的频带来确定，为了不失真地放大信号，要求放大电路的通频带应大于信号的频带。
如果放大电路的通频带小于信号的频带，由于信号低频段或高频段的放大倍数下降过多，放大后的信号不能重现原来的形状，也就是输出信号产生了失真。
这种失真称为放大电路的频率失真，由于它是线性的电抗元件引起的，在输出信号中并不产生新的频率成分，仅是原有各频率分量的相对大小和相位发生了变化，故这种失真是一种线性失真。
5.最大输出功率和效率：
3.2三种基本组态放大电路
教学要求
掌握三极管三种组态放大电路的工作原理；
会对放大电路的主要性能指标进行分析；
了解场效应管放大电路的工作原理。
一、共发射极放大电路
（一）电路的组成
直流电源VCC通过RB1、RB2、RC、RE使三极管获得合适的偏置，为三极管的放大作用提供必要的条件，RB1、RB2称为基极偏置电阻，RE称为发射极电阻，RC称为集电极负载电阻，利用RC的降压作用，将三极管集电极电流的变化转换成集电极电压的变化，从而实现信号的电压放大。
与RE并联的电容CE，称为发射极旁路电容，用以短路交流，使RE对放大电路的电压放大倍数不产生影响，故要求它对信号频率的容抗越小越好，因此，在低频放大电路中ＣＥ通常也采用电解电容器。
VCC（直流电源）
使发射结正偏，集电结反偏；向负载和各元件提供功率
C1、C2（耦合电容）
隔直流、通交流；
RB1、RB2（基极偏置电阻）：
提供合适的基极电流
RC（集电极负载电阻）：
将ICUC，使电流放大电压放大
RE（发射极电阻）：
稳定静态工作点“Q”
CE（发射极旁路电容）：
短路交流，消除RE对电压放大倍数的影响
（二）直流分析
断开放大电路中的所有电容，即得到直流通路，如下图所示，此电路又称为分压偏置式工作点稳定直电流通路。
电路工作要求：
I1（510）IBQ，UBQ（510）UBEQ
求静态工作点Q：
方法1.估算
工作点Q不稳定的主要原因：
Vcc波动，管子老化，温度变化稳定Q点的原理：
方法2.利用戴维宁定理求IBQ
（三）性能指标分析
将放大电路中的C1、C2、CE短路，电源VCC短路，得到交流通路，然后将三极管
用H参数小信号电路模型代入，便得到放大电路小信号电路模型如下图所示。
1.电压放大倍数
2.输入电阻
3.输出电阻：
Ro=RC
没有旁路电容CE时：
1.电压放大倍数
源电压放大倍数
2.输入电阻
3.输出电阻：
Ro=RC
二、共集电极放大电路（射极输出器、射极跟随器）
（一）电路组成与静态工作点
共集电极放大电路如下图（a）所示，图（b）、（c）分别是它的直流通路和交流通路。
由交流通路看，三极管的集电极是交流地电位，输入信号ui和输出信号uo以它为公共端，故称它为共集电极放大电路，同时由于输出信号uo取自发射极，又叫做射极输出器。
IBQ=（VCC–UBEQ）/[RB+（1+）RE] ICQ=IBQ， UCEQ=VCC–ICQRE
（二）性能指标分析
1.电压放大倍数
2.输入电阻
RL=RE//RL
3.输出电阻
共集电极电路特点共集电极电路用途
1.Uo与Ui同相，具有电压跟随作用1.高阻抗输入级
2.无电压放大作用Au<12.低阻抗输出级
3.输入电阻高；输出电阻低3.中间隔离级
三、共基极放大电路
共基极放大电路如下图所示。
由图可见，交流信号通过晶体三极管基极旁路电容C2接地，因此输入信号ui由发射极引入、输出信号uo由集电极引出，它们都以基极为公共端，故称共基极放大电路。
从直流通路看，也构成分压式电流负反馈偏置。
（一）求“Q”略
（二）性能指标分析
RO=RC
（三）特点
共基极放大电路具有输出电压与输入电压同相，电压放大倍数高、输入电阻小、输出电阻大等特点。
由于共基极电路有较好的高频特性，故广泛用于高频或宽带放大电路中。
四、场效应管放大电路
三种组态：
共源、共栅、共漏
特点：
输入电阻高，噪声低，热稳定性好，但电压放大倍数较低，常作为多级放大电路的输入级。
（一）直流偏置电路
1.自给偏置电路
由于栅极不吸取电流，RG中无电流，栅极G与源极S之间的偏压UGSQ=-IDQRS。
这种偏置方式称为自给偏置电路。
栅极电阻RG的作用：
为栅偏压提供通路，泻放栅极积累电荷。
源极电阻RS的作用：
为栅极提供负偏压。
漏极电阻RD的作用：
变iD的变化为uDS的变化，UGSQ=UGQ–USQ=–IDQRS
2.分压式自偏压电路
（二）性能指标分析
1.共源放大电路
Ri、Ro不变
2.共漏放大电路
3.3差分放大电路
教学要求
掌握差分放大电路的工作原理；
理解具有恒流源差分放大电路的工作原理；
熟悉差分放大电路的输入、输出方式及特点。
一、差分放大电路工作原理（DifferentialAmplifier）
（一）差分放大电路的组成及静态分析
电路组成：
T1T2电路对称；公用发射极电阻Re；采用双电源使UBQ＝0，直流不经交流信号源，以免信号源内阻不同时，影响Q点。
电路特点：
元件参数对称；两端输入，两端输出；双电源供电；ui1=ui2时，uo=0；能有效地克服零点漂移。
静态分析：
VEE=UBEQ+IEEREE， IEE=（VEE–UBEQ）/REE，
ICQ1=ICQ2（VEE–UBEQ）/2REE，
UCQ1=VCC–ICQ1RC UCQ2=VCC–ICQ2RC
Uo=UCQ1–UCQ2=0
（二）动态分析
1.差模输入与差模特性
差模输入：
差分放大电路的两个输入信号大小相等，极性相反。
差模电压放大倍数：
差模输出电压uod与差模输入电压uid的比值。
差模输入电阻：
从放大电路两个输入端看进去所呈现的等效电阻。
差模输出电阻：
差分放大电路两管集电极之间对差模信号所呈现的电阻。
差模输入：
ui1=–ui2，大小相同，极性相反。
差模输入电压：
uid=ui1–ui2=2ui1使得ic1=–ic2，uo1=–uo2
差模输出电压
uod=uC1–uC2=uo1–（–uo2）=2uo1
差模电压放大倍数
差模输入电阻：
Rid=2rbe
差模输出电阻：
Rod=2RC
2.共模输入与共模拟制比
共模输入：
差分放大电路的两个输入信号大小相等，极性相同。
共模拟制比（KCMR）：
差分放大电路放大差模信号，拟制共模信号的能力。
在实际电路中，两管电路不可能完全相同，因此，uoc不等于零，但要求uoc越小越好。
双端共模输出电压uoc与共模输入电压uic之比，定义为差分放大电路的共模电压放大倍数Auc，即Auc=uoc/uic。
显然，完全对称的差分放大电路，Auc=0。
共模输入
ui1=ui2，大小相同，极性相同
共模输入电压
uic=ui1=ui2，使得ie1=ie2，ue=2ie1REE
共模输出电压
uoc=uC1–uC2=0，
共模拟制比
二、具有电流源的差分放大电路
（一）电流源电路
提高电路共模拟制比的设计思想：
增大电阻REE，比较合理的方法是用恒流源来代替REE。
1.三极管电流源
特点：
直流电阻为有限值，动态电阻无穷大。
2.比例型电流源
为了提高电流源输出电流的温度稳定性，常利用二极管来补偿三极管的UBE随温度变化对输出电流的影响，如下图a）所示。
当二极管与三极管发射结具有相同的温度系数时，可达到较好的补偿效果。
在集成电路中，常用三极管接成二极管来实现温度补偿作用，如下图（b）所示。
其中IREF称为基准电流，由于I0与IREF成比例，故称为比例型电流源。
由图可知IREF≈（VCC－UBE1）/（R+R1）。
由此可见，比例型电流源中，基准电流IREF的大小主要由电阻R决定，改变两管发射极电阻的比值，可以调节输出电流与基准电流之间的比例。
用一个基准电流来获得多个不同的电流输出，称为多路输出比例电流源。
3.镜像和微电流源
如果把上图（b）中发射极电阻均短路，就可以得到下图所示镜像电流源。
由于V1、V2特性相同，基极电位也相同，因此它们的集电极电流相等，只要β»1，则I0=IREF，即I0与IREF之间成镜像关系。
若将比例型电流源中V1管发射极电阻R1短路，如下图（b）所示，即构成微电流源。
4.NMOS管电流源
当V1、V2特性相同，基极电位也相同时，IO=IREF；当V1、V2特性不相同时，I0IREF。
（二）具有电流源的差分放大电路
图中V3、V4构成比例镜流源电路，R1、V4、R2构成基准电流电路。
当R1、R2、R3、VEE一定时，IC3就为一恒定的电流。
由于电流源有很大的动态电阻，故采用电流源的差分放大电路其共模抑制比可提高1～2个数量级，所以在集成电路中得到广泛应用。
（三）差分放大电路的差模传输特性
特点：
1.iC1+iC2=I0；当ui=0，iC1=iC2=0.5I0。
2.当–UT3.当–4UT三、差分放大电路的输入输出方式
四种连接方式：
双入——双出，双入——单出，单入——双出，单入——单出。
特点：
单端输出：
①放大倍数为双出的一半。
②抑制零漂不如双出。
③从T1或T2管输出的U0与Ui相位不同。
单端输入：
输入差模信号的同时，伴随共模信号的输入。
（一）单端输入、输出方式
以上所讨论的差分放大电路均采用双端输入和双端输出方式，在实际使用中，有时需要单端输出或单端输入方式。
当信号从一只三极管的集电极输出，负载电阻RL一端接地时，称为单端输出方式；当两个输入端中有一个端子直接接地时，称单端输入方式。
1.单端输出：
差分放大电路单端输出电压uo仅为双端输出电压的一半，所以单端输出电路的差模电压放大倍数为双端输出电路的一半，反相单端输出的差模电压放大倍数、单端输出时共模电压放大倍数、分放大电路的共模抑制比分别如下：
2.单端输入：
为双端输入的特例，即ui1=ui，ui2=0，参数计算与双端输入相同。
四种连接方式的比较见教材。
（二）双端变单端的转换电路
与单端输出方式相比，双端输出时具有良好的抑制共模信号的作用，而且增益是单端输出的两倍，双端输出方式的性能优于单端输出方式。
但是，在实际电路中往往是希望既有双端输出的优点，又有负载一端接地的单端输出形式，为了实现这个目的，可采用双端变单端的转换电路。
下图为电阻桥产生双端输入信号，负载多为一端接地。
对于差模信号：
ic1=ic2，ic1=ic3=i4
V3、V4为镜像电流源
iL=ic2+ic4=ic2+ic1=2ic1， uo=2ic2RL 从而使单端输出获得双端输出效果.
对于共模信号:
iL=ic1–ic2=0， uoc=0
3.4互补对称功率放大电路
教学要求
掌握甲类、乙类和甲乙类三类功率放大电路的工作原理;
理解交越失真形成机理；
了解复合管结构及其特性。
一、概述
对功率放大电路的基本要求
1.不失真情况下输出尽可能大的功率：
I与U都大，管子工作在尽限状态。
2.提高效率：
=Pomax/PDC要高
3.集电极最大功耗:
P0＝Pv－PC（管耗），另一部分消耗在管子上,功放管尽限应用，选管要保证安全。
二、放大电路的工作状态
放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同，可分为甲类、乙类以及甲乙类放大。
在整个输入信号周期内，管子都有电流流通的，称为甲类放大，如下表所示，此时三极管的静态工作点电流ICQ比较大；在一个周期内，管子只有半周期有电流流通的，称乙类放大；若一周期内有半个多周期有电流流通，则称为甲乙类放大。
状态
一个信号周期内导通时间
工作特点
图示
甲类
整个周期内导通
失真小，静态电流大，管耗大，效率低。
乙类
半个周期内导通
失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。
甲乙类
半个多周期内导通
失真大，静态电流小，管耗小，效率较高。
三、乙类双电源互补对称功率放大电路（OCL）（OCL—Outputapacitorless）
（一）电路组成及工作原理
采用正、负电源构成的乙类互补对称功率放大电路如下动画所示，V1和V2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出，RL为负载。
要求两管特性相同，且VCC=VEE。
特点：
去掉C，双电源，T1与T2交替工作，正负电源交替供电，输入与输出之间双向跟随。
原理：
静态即ui=0时，V1、V2均零偏置，两管的IBQ、ICQ均为零，uo=0，电路不消耗功率。
ui>0时，V1正偏导通，V2反偏截止，io=iE1=iC1,uO=iC1RL；
ui<0时，V1反偏截止，V2正偏导通，io=iE2=iC2,uO=iC2RL；
问题：
两管交替导电时刻，输入电压小于死区电压时，三极管截止，在输入信号的一个周期内，V1、V2轮流导通时，基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真，称为交越失真。
且输入信号幅度越小失真越明显。
产生交越失真的原因：
静态时，UBEQ=0,ui尚小时，电流增长缓慢 。
（二）功率和效率
1.输出功率：
输出电流和输出电压有效值的乘积，就是功率放大电路的输出功率。
最大输出功率：
2.电源功率：
两个管子轮流工作半个周期，每个电源只提供半周期的电流。
最大输出功率时：
PDC=2V2CC/RL
3.效率：
效率是负载获得的信号功率Po与直流电源供给功率PDC之比。
实用中，放大电路很难达到最大效率，由于饱和压降及元件损耗等因素，乙类推挽放大电路的效率仅能达到60%左右。
4.管耗
直流电源提供的功率除了负载获得的功率外便为V1、V2管消耗的功率，即管耗。
V1、V2两管消耗的功率，每只管子最大管耗为0.2Pom。
每管的最大管耗约为最大输出功率的1/5。
因此，在选择功率管时最大管耗不应超过晶体管的最大允许管耗，即PＣ1m=02Pom＜PCM。
5.功率管的选择
该功放晶体管实际承受的最大管耗PＣ1m为PＣ1m=V2CC/π2RL=7.3W因此，为了保证功率管不损坏，则要求功率管的集电极最大允许损耗功率PCM为PCM＞PＣ1m=7.3W。
由于乙类互补对称功率放大电路中一只晶体管导通时，另一只晶体管截止，当输出电压uo达到最大不失真输出幅度时，截止管所承受的反向电压为最大，且近似等于2VCC。
为了保证功率管不致被反向电压所击穿，因此要求三极管的U（BR）CEO＞2VCC=2×24V=48V。
放大电路在最大功率输出状态时，集电极电流幅度达最大值Icmm，为使放大电路失真不致太大，则要求功率管最大允许集电极电流ICM满足ICM＞Icmm=VCCRL=3A。
四、甲乙类互补对称功率放大电路
（一）甲乙类双电源互补对称功率放大电路
克服交越失真的思想：
管子工作在甲乙类,处于微导通状态。
两管合成后，相互补偿，消除失真。
电路如下图（a）所示，利用二极管进行偏置，直流电源给V1、V2提供静态电压。
工作原理：
当ui=0时，V1、V2微导通。
当ui<0（从小到大变化时），V1微导通充分导通微导通；V2微导通截止微导通
当ui>0（从大到小变化时），V2微导通充分导通微导通；V1微导通截止微导通
实际电路如上图（b）和（c）所示。
（二）复合管互补对称功率放大电路
1.复合管（达林顿管）
目的：
实现异型管子参数的配对。
复合管：
由两只或两只以上的三极管按照一定的连接方式，组成一只等效的三极管。
复合管的特点：
类型与组成复合管的第一只三极管相同；其它特性由最后的输出三极管决定。
复合管的四种组合方式：
复合管的组成规则：
1）B1为B，C1或E1接B2，C2、E2为C或E；
2）应保证发射结正偏，集电结反偏；
3）复合管类型与第一只管子相同。
2.复合管互补对称放大电路举例
（三）甲乙类单电源互补对称放大电路（OTL电路：
OutputTransformerless）
1.电路组成
2.工作原理
当ui>0时：
V2导通，C放电，V2的等效电源电压0.5VCC。
当ui<0时：
V1导通，C充电，V1的等效电源电压+0.5VCC。
注意：
应用OCL电路有关公式时，要用VCC/2取代VCC。
3.OCL电路和OTL电路的比较
OCL
OTL
电源
双电源
单电源
信号
交、直流
交流
频率响应
好
fL取决于输出耦合电容C
电路结构
较简单
较复杂
Pomax
3.5多级放大电路
教学要求
熟悉零点漂移产生的主要原因及抑制零漂的方法；
掌握多级放大电路的几种主要耦合方式；
掌握理想运算放大器的理想条件。
一、多级放大电路的组成及性能指标的估算
（一）多级放大电路的组成
以上讨论的为基本单元放大电路，其性能通常很难满足电路或系统的要求，因此，实用上需将两级或两级以上的基本单元电路连接起来组成多级放大电路，如下图所示。
通常把与信号源相连接的第一级放大电路称为输入级，与负载相连接的末级放大电路称为输出级，输出级与输入级之间的放大电路称为中间级。
输入级与中间级的位置处于多级放大电路的前几级，故又称为前置级。
前置级一般都属于小信号工作状态，主要进行电压放大；输出级是大信号放大，以提供负载足够大的信号，常采用功率放大电路。
偶合：
级与级之间的连接方式。
1.偶合方式：
共四种。
直接耦合：
电路简单，能放大交、直流信号，各级静态工作点“Q”互相影响，不利于调整，点零漂移严重；电路利于集成化，低频特性好。
阻容耦合：
各级静态工作点“Q”相互独立，只放大交流信号；不利于集成化，低频特性差。
光电耦合：
主要用于耦合开关信号，抗干扰能力强。
变压器耦合：
各级静态工作点“Q”相互独立，可实现阻抗的变换；用于选频放大器、功率放大器等；不利于集成化,低频特性差。
2.电路的组成
输入级：
与信号源相连接的第一级放大电路。
输出级：
与负载相连接的末级放大电路。
中间级：
输入级与输出级之间的放大电路。
（二）多级放大电路性能指标的估算
级放大电路的输入电阻：
Ri=Ri1
级放大电路的输出电阻：
Ro=Ron 就是最后一级的输出阻抗。
可见，多级放大器的电压放大倍数为各级放大倍数的连乘积。
因为各个放大级之间相互影响，所以在计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理。
二、通用型集成运算放大器的组成及基本特性
（一）通用型集成运放（OperationalAmplifier）的组成
1.模拟集成电路的特点
1）大电阻用恒流源代替，不采用大容量电容元件，大电容外接；
2）采用差分电路、恒流源电路和OCL电路形式，元件相对误差小，温度的均一性好；
3）电路中间级采用直接耦合，减少级间耦合元件个数和耦合损耗；
4）高增益、高输入电阻、低输出电阻。
2.组成框图
输入级：
采用差分放大电路，可大大减小温漂。
输出级：
采用甲乙类互补对称放大电路，带负载能力强，非线性失真小。
中间级：
采用有源负载的共发射极电路，电路增益大。
偏置电路：
主要采用镜像电流源，微电流源等电流源电路。
3.通用型集成运算放大器741简化电路
输入级：
V1、V3和V2、V4组成共集-共基组合差分电路，V5、V6组成有源负载，构成双端变单端电路。
中间级：
V7、V8组成复合管共射极放大电路，采用有源负载，电路电压高增益。
输出级：
V9V13构成典型的甲乙类互补对称功率放大电路（OCL电路），采用单电源（OTL）时，输入端静态电位应为0.5VCC。
（二）集成运算放大器电路符号及理想化条件
1.集成运算放大器电路符号
2.集成运算放大器理想化的条件
理想化的条件：
1）Aud→∞ 2）Rid→∞ 3）KCMR→∞ 4）RO→0 5）失调和温漂趋于零。
3.理想运放工作在线性区的两个特点：
1）u+u–（虚短）
证明：
根据理想化的条件uo=Aud（u+–u–）=Auduid，u+–u–=uo/Aud0
2）i+i–（虚断）
证明：
i+=uid/Rid0，同理i–0
4.理想运放工作在非线性区的两个特点：
只存在两种状态
1）u+>u–时，uo=Uomax，u+2）i+i–（虚断）
3.6放大电路的调整与测试
教学要求
熟悉放大电路静态工作点及动态参数的测量方法；
熟悉常用电子仪器的使用方法；
学习电子电路布线、安装等基本技能。
实验：
单管共发射极电路的测试（EWB仿真）
1.输入电阻的测量方法
测量输入电阻的方法很多，下图所示为常用的电流电压法测量输入电阻的电路，图中，R为外接测试辅
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