晶体管及其应用

电工技术第6章芜湖职业技术学院电工技术第6章芜湖职业技术学院了解放大电路的基本概念及结构组成；熟悉低频小信号放大电路及功率放大器的工作原理；理解静态工作点的图解法，掌握其微变等效电路的估算法；熟练掌握分压式偏置的共发射极放大电路静态情况下的特点、动态情况下的特点；理解反馈对放大电路性能的影响。学习目的与要求电工技术第6章芜湖职业技术学院一、基本放大电路的概念及工作原理放大电路是电子技术中应用十分广泛的一种单元电路。所谓“放大”，是指将一个微弱的电信号，通过某种装置，得到一个波形与该微弱信号相同、但幅值却大很多的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。“放大”作用的实质是电路对电流、电压或能量的控制作用。扬声器负载输入信号源扩音器中放大电路的组成为放大器提供能量的直流电源RS+－US放大电路+－u0i0话筒送来的微弱音频信号电工技术第6章芜湖职业技术学院ui放大电路微弱输入小信号uiu0幅度大大增强的输出信号u0放大电路的放大作用，实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号。输入信号的作用则是控制这种转移，使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。放大电路的核心元件是晶体管，因此，放大电路若要实现对输入小信号的放大作用，必须首先保证晶体管工作在放大区。晶体管工作在放大区的外部偏置条件是：其发射结正向偏置、集电结反向偏置。此条件是通过外接直流电源，并配以合适的偏置电路来实现的。电工技术第6章芜湖职业技术学院三种基本组态的晶体管放大电路晶体管放大电路一般有三种组态：＋u0－＋ui－bce＋u0－＋ui－bec＋u0－＋ui－bec共发射极放大电路共集电极放大电路共基极放大电路无论放大电路的组态如何，其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后，输出时其信号幅度显著增强。必须清楚：幅度得到增强的输出信号，其能量并非来自于晶体管，而是由放大电路中的直流电源提供的。晶体管只是实现了对能量的控制，使之转换成信号能量，并传递给负载。电工技术第6章芜湖职业技术学院1.放大电路的组成原则放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大，单凭晶体管的电流放大作用显然无法完成。必须在放大电路中设置直流电源，使其保证晶体管工作在线性放大区。因此，放大电路的组成原则为：(1)核心元件晶体管必须发射结正偏，集电结反偏；(2)输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路，以保证晶体管的以小控大作用；(3)输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转换成负载需要的电压形式；(4)不允许被传输小信号放大后出现失真。电工技术第6章芜湖职业技术学院2.共射放大电路的组成及各部分作用共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式，其电路组成的一般形式为：3DG6管RBUBBC1+RCUCCC2+放大电路的核心元件——三极管耦合电容基极电阻基极电源集电极电阻集电极电源耦合电容上图所示为双电源组成的共发射极基本放大电路。电工技术第6章芜湖职业技术学院实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，各部分的作用分别如下：晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用向放大电路提供能量，并保证晶体管工作在放大区基极偏置电阻的作用是为放大电路提供合适的静态工作点。有极性电解电容的作用是隔离直流和让输入交流信号顺利通过。有极性电解电容的作用是隔离直流和让放大的交流信号顺利输出。RC的作用是将放大的集电极电流转换成晶体管的输出电压。3DG6管RBC1+RCC2++UCC电工技术第6章芜湖职业技术学院3.共射放大电路的工作原理3DG6RBC1+RCC2++UCCcebuiu0ibiCuCEiBIB基极固定偏置电流放大后的集电极电流iC通过RC将放大的电流转换为放大的晶体管电压输出。uCE经C2滤掉了直流成分后的输出电压信号电流和基极固定偏流的叠加显然，放大电路内部各电流、电压都是交直流共存的。uit0输入交流信号电流iBt0IBiCt0ICuCEt0ICRCu0t0反相！输入信号电压电工技术第6章芜湖职业技术学院需放大的信号电压ui通过C1转换为放大电路的输入电流，与基极偏流叠加后加到晶体管的基极，基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流iC变化；iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化，即：uCE=UCC-iCRC放大电路内部各电压、电流都是交直流共存的。其直流分量及其注脚均采用大写英文字母；交流分量及其注脚均采用小写英文字母；叠加后的总量用英文小写字母，但其注脚采用大写英文字母。例如：基极电流的直流分量用IB表示；交流分量用ib表示；总量用iB表示。由上式可看出：当iC增大时，uCE就减小，所以uCE的变化正好与iC相反，这就是它们反相的原因。uCE经过C2滤掉了直流成分，耦合到输出端的交流成分即为输出电压u0。若电路参数选取适当，u0的幅度将比ui幅度大很多，亦即输入的微弱小信号ui被放大了，这就是放大电路的工作原理。共射放大电路工作原理电工技术第6章芜湖职业技术学院放大电路中各电压、电流的符号有何规定?你会做吗？放大电路的基本概念是什么？放大电路中能量的控制与变换关系如何？说明共发射极电压放大器输入电压与输出电压的相位关系如何？如果共发射极电压放大器中没有集电极电阻RC，能产生电压放大吗？基本放大电路的组成原则是什么？以共射组态基本放大电路为例加以说明电工技术第6章芜湖职业技术学院二、基本放大电路的静态分析输入信号ui=0、只在直流电源UCC作用下电路的状态称“静态”。静态分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。C1+C2+ICUBE放大电路的直流通道UCE3DG6RBRC＋UCCcebIC=βIBUCE=UCC－ICRCIB=RBUCC-UBE直流下耦合电容C1、C2相当于开路由直流通道求工作点上的IB：IB由图可得由晶体管放大原理可求得IC：由图又可求得工作点上UCE：式中ICRC前面的负号表示输出电压与集电极电流IC反相，即与输入电压反相。1.放大电路静态分析的估算法电工技术第6章芜湖职业技术学院ICIEIBUBEUCERBRC＋UCCceb已知图示电路中UCC=10V，RB=250KΩ，RC=3KΩ，β=50，试求该放大电路的静态工作点Q。V42.4386.110mA86.10372.050μA2.372507.010CECBUIIIB=37.2μA所以静态工作点Q：IC=1.86mAUCE=4.42V注意：计算中一定要弄明白各量的单位，不允许写错！电工技术第6章芜湖职业技术学院UBE(V)IB0.5V0.7V死区uit0ibt0t1t1t2t3t4t3t2t4此时ui小于死区的部分将无法得到传输，只有大于死区的部分才能转换成电流ib通过晶体管。由于输入信号大部分无法通过晶体管，ib电流波形与ui波形完全不一样了，造成输入信号输入时的“截止失真”。输入信号电压波形假如不设置静态工作点不设置静态工作点行吗？结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。电工技术第6章芜湖职业技术学院利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法。其分析步骤一般为：2.用图解法求解静态工作点(1)按已选好的管子型号在手册中查找、或从晶体管图示仪上描绘出管子的输入、输出特性如下图所示：uBEiBiCuCE电工技术第6章芜湖职业技术学院(2)画出直流负载线。此步骤是图解法求静态工作点的关键。由放大电路的直流通道可得：UCEICIEIBUBERBRC＋UCCcebUCE=UCC－ICRC令UCE=0，可得：IC=UCC/RC令IC=0可得：UCE=UCCICUCEUCCRCUCC连接两点作出直流负载线(3)确定静态工作点只有IBQ对应的交点才是Q点QIBQ直流负载线上交点有多个电工技术第6章芜湖职业技术学院固定偏置的放大电路存在很温度T↑→Q点↑→IC↑→UCE↓→VC↓ICUCEQ若温度上升，将造成输出特性曲线上移。静态工作点Q随之上移Q'如果VCVB，则集电结就会由反偏变为正偏，当两个PN结均正偏时，电路出现“饱和失真”。上述固定偏置共射放大电路有哪些不足？大的不足。例如当晶体管所处环境温度升高时，晶体管内部载流子运动加剧，因此将造成放大电路中的各参量将随之发生变化。为不失真地传输信号，实用中需对上述电路进行改造。分压式偏置的共发射极放大电路可通过反馈环节有效地抑制温度对静态工作点的影响。电工技术第6章芜湖职业技术学院分压式偏置的共发射极放大电路由于设置了反馈环节，因此当温度升高而造成IC增大时，可自动减小IB，从而抑制了静态工作点由于温度而发生的变化，保持Q点稳定。RCC2＋CE＋C1＋对固定偏置的放大电路进行改造。3DG6cbeRBRE+UCCRB2RB1分压电阻射极反馈电阻射极旁路滤波电容为稳定工作点Q而添加的负反馈环节分压电阻此电路就是能够抑制温度影响而引起静态工作点变化的分压式偏置的共发射极电压放大电路。电工技术第6章芜湖职业技术学院分压式偏置共射放大电路的静态分析静态分析时，此电路需满足I1≈I2IB的小信号条件。C2＋C1＋CE＋RC3DG6cbeRE+UCCRB2RB1I1I2IBVBB2B1B2CCBRRRUVVB的大小显然与温度无关。分压式偏置共射放大电路的直流通道偏置电阻RB1和RB2应选择适当数值，使之符合：I1≈I2IB的条件。在小信号条件下，IB可近似视为0值。忽略IB时，RB1和RB2可以对UCC进行分压。即：电工技术第6章芜湖职业技术学院分压式偏置共射放大电路的静态分析上述分析步骤，就是分压式偏置的共发射极电压放大电路的估算法。显然，基极电位VB的高低对静态工作点的影响非常大。UBERCβcbeRE+UCCRB2RB1I1I2IBVBB2B1B2CCBRRRUV)(ECCCCCERRIUUIEICUCECBIIEBEBECRUVII电工技术第6章芜湖职业技术学院ICUCE基极电位VB的高低对静态工作点Q的影响设置合适的静态工作点是对放大电路的基本要求。基极电位VB选择偏高或偏低时，Q点随之上移或下行。设VB较高时：Qibu0Q点的上移造成放大过程中信号的一部分进入饱和区，发生饱和失真，集电极电流上削波。放大电路输出电压同样产生饱和失真。由于共射电路输入、输出反相，因此输出电压呈下削波。结论：输入信号波形iCVB值大Q点高，饱和失真！电工技术第6章芜湖职业技术学院ICUCE基极电位VB设置较低时对Q点的影响VB设置的高低，取决于两个基极偏置电阻的数值选择，当RB1太大时，VB值就会较低，引起静态工作点Q下行：Qib输入信号波形Q点下行造成放大过程中信号的一部分进入截止区，发生截止失真，集电极电流呈下削波。iCu0放大电路输出电压同样产生截止失真。由于共射电路输入、输出反相，因此输出电压呈现上削波。结论：VB值小Q点低，截止失真！电工技术第6章芜湖职业技术学院VB的高低对放大电路的静态工作点影响很大。温度对Q点的影响也不能忽视。分压式偏置的共发射极放大电路由于加设了负反馈环节，因此当温度升高时，具有自调节能力。设放大电路环境温度升高，此时:EBCRVI由于电路具有对温度变化的自调节能力，因此集电极电流通常恒定，即:温度变化IC基本不受影响I1I2IBVBIE+UCCRERB1RB2RCβcbeUCET↑→←IB↓IC↑→IE↑→VE↑→VBE↓←IC↓只要基极电位和射极反馈电阻不变，集电极电流始终维持不变！电工技术第6章芜湖职业技术学院通过分析可知，交流放大电路中如果不设置静态工作点，输入的交流信号就无法全部通过放大电路，造成传输过程中信号的严重失真；若静态工作点设置不合适，同样会发生传输过程中的饱和失真和截止失真。设置合适的静态工作点显然是放大电路保证传输质量的必要条件，其设置的原则是：保证正常的输入信号不失真的输出且保证静态工作点的相对稳定。分压式偏置的共射放大电路显然可以实现上述原则。通过选择合适的分压电阻RB1和RB2，可获得一个恰当的基极电位VB值，以确保晶体管的发射结正偏和集电结反偏。这样，在信号传输的