第 8 章
8.1 半导体三极管
8.2 放大电路的组成和基本工作原理
8.3 放大电路的基本分析方法 （ 一 ） —工程估算法
8.4 放大电路的基本分析方法 （ 二 ） —图解法
8.5 工作点稳定的放大电路
8.6 射极输出器
8.7 多级放大电路
8.8 功率放大器 返回主目录第 8 章 半导体三极管及 -基本放大电路
8.1 半导体三极管半导体三极管又叫晶体三极管,通常简称为三极管或晶体管 。 它是放大电路最基本的元件之一 。 下面介绍它的基本结构,工作原理和特性参数 。
一,三极管的结构三极管的内部结构为两个 PN结 。 这两个 PN结是由三层半导体区形成的 。 根据三层半导体区排列的不同方式,
可分为 NPN型和 PNP型两种类型,如图 8 -1 所示 。
图 8 -1三极管的结构示意图
N
P
N
e
b
集电结发射结
c
P
P
P
e
b
集电区发射区
N
基区
c
( a ) ( b )
两种不同类型三极管的符号如图 8 -2 所示 。 在三层半导体区中,位于中间的一层叫基区；其中一侧的半导体区专门用来发射载流子,叫发射区；另一侧专门用来收集载流子,叫集电区 。 发射区和基区之间的 PN结叫发射结,
集电区和基区之间的 PN结叫集电结 。
从三层半导体区分别引出三个电极,相应叫基极,发射极和集电极,分别用字母 b,e,c来表示三个极 。 三极管的外形如图 8 -3 所示 。
图 8 -2
( a ) ( b )
图 8 -3
( a ) 塑封管； ( b ) 超小型管； ( c ) n功率管； ( d ) 大功率管
e b c
3C X 20 1
c
b e
(a )
3D G 10 0
3A D 30
(b) (c ) (d)
3D K 01
为了保证三极管有电流放大作用,三极管在制造时有以下特点：
(1) 基区很薄,一般只有几微米到几十微米厚,且掺杂浓度低 。
(2) 发射区掺杂浓度比基区和集电区高得多 。
(3) 集电结的面积比发射结大 。
PNP和 NPN两种类型的三极管,按选用半导体材料的不同,又有硅管和锗管之分 。
二,三极管的电流放大作用三极管在结构上的特点决定了三极管电流放大作用的内部条件 。
为了实现它的电流放大作用,还必须具备一定的外部条件,这就是要给三极管的发射结加正向电压,给三极管的集电结加反向电压 。 对 NPN管来说,可接成如图 8- 4的电路 。 当我们改变电位器 Rb的阻值时,就可以改变基极电流 IB,集电极电流 IC和发射极电流 IE也将随着改变 。 其实验结果如表 8.1 所示 。
分析表 8.1 中的测量数据,可以得出以下结论：
(1) 三极管各极之间的电流分配关系是
IE=IC+IB (8 -1)
且 IC,IB 。
图 8 -4三极管电流放大作用的测试
m A
A
m A
R
b
R
c
I
C
I
E
I
B
U
CC
(2) 基极电流 IB增大时,集电极电流 IC也随之增大 。 我们把 IC与 IB的比值叫做三极管的直流电流放大系数,用表示,即或 IC= IB (8 -2)
它体现了三极管的电流放大能力 。
(3) 当 IB有微小变化时,IC即有较大的变化 。 例如,
当 IB由 10μA变到 20μA时,集电极电流 IC则由 1.04mA 变为 2.03mA。 这时基极电流 IB
B
C
I
I
ΔIB=0.02-0.01=0.01mA
而集电极电流的变化量为
ΔIC=2.03-1.04=0.99 mA
这种用基极电流的微小变化来使集电极电流作较大变化的控制作用,就叫做三极管的电流放大作用 。 我们把集电极电流变化量 ΔIC和基极电流变化量 ΔIB的比值,叫做三极管交流放大系数,用 β表示,即 β=ΔIC/ΔIB。
在工程计算时可认为 ≈β。
三,三极管的特性曲线为了正确地使用三极管,需要了解它的伏安特性曲线 。
三极管常用的特性曲线为输入特性曲线和输出特性曲线 。
三极管的特性曲线可用晶体管特性图示仪直接显示,也可以用图 8- 5（ a） 所示实验电路测得数据,然后逐点描出 。
1.
当三极管集电极与发射极之间的电压 UCE为某一定值时,基极电流 IB与基射极之间的电压 UBE的关系,称为三极管的输入特性 。
IB=f(UBE)|UCE=
8- 5（ b） 为实测的输入特性曲线 。 显然,这一曲线与二极管正向特性曲线相似 。
图 8 -5
（ a） 测试电路 ; （ b） 输入特性曲线 ; （ c） 输出特性曲线
＋
－
U
BB
V
A
＋
＋I
B
V
＋
－
U
CC
U
CE
U
BE
R
m A
I
C
R
W
( a )
0
20
40
60
80
I
B
/
A
U
CE
≥1
0,4 0,8
U
B E
/? V
( b )
8
6
4
2
0
2 4 6 8
U
C E
/? V
I
C
/
m
A
I
B
＝ 0
20? A
40? A
60? A
80? A
( c )
2.
当三极管基极电流 IB为定值时,集电极电流 IC与集射极之间的电压 UCE的关系,称为三极管的输出特性 。 这一关
IC=f(UCE)|IB=常数
8 -5（ c） 为实测的输出特性曲线 。 该曲线的测试过程如下,
调节 RW使 IB=40μA,维持这一值不变,逐渐调大 UCC，
可测得图 8 -5（ c） 中 IB=40μA所示的曲线 。 当取不同的 IB
值时,可得到图 8- 5（ c） 中所示的曲线族 。
从输出特性曲线可看出,
（ 1） 曲线起始部分较陡 。 IC=0,UCE=0,UCE↑→IC↑,说明 IC与 UCE成正比 。
（ 2） 当 UCE增加到大于 1V时,曲线变化逐渐趋于平稳 。
UCE进一步增大,曲线也不再产生显著变化,而呈现一条基本与横轴平行的直线 。
四,三极管的工作状态在三极管的输出特性曲线上,可以把三极管的工作状态分为三个区域,即截止区,放大区和饱和区,如图 8 -6 所示 。
1,放大状态三极管处于放大状态的条件是发射结正偏和集电结反偏 。 这就是输出特性曲线上 IB＞ 0 和 UCE＞ 1V的区域 。
我们把这个区域叫放大区 。
三极管在放大区的特征是,IC由 IB决定,而与 UCE关系不大 。 即 IB固定时,IC基本不变,具有恒流的特性 。 改变 IB,则可以改变 IC,而且 IB远小于 IC,表明 IC是受控制的受控电流源,有电流放大作用 。
图 8 -6三极管的三个工作区
I
C
/
m
A
8
6
4
2
0
饱和区放大区
4 6 8
截止区
U
C E
/ V
I
B
＝ 0
I
B1
＝ 2 0? A
I
B2
＝ 4 0? A
I
B4
＝ 8 0? A
I
B3
＝ 6 0? A
2
2.
当三极管的基极开路或发射结处于反向偏置时,三极管处于截止状态 。
从特性曲线上来看,IB=0的那条曲线以下的区域,即为截止区,见图 8- 6。 在此区域内,三极管没有放大作用 。
当三极管截止时,c,e之间的电压基本上等于 UCC,而
IC≈0,故三极管呈现出高电阻,c,e之间相当于断路,截止状态的三极管相当于一个断开的开关 。
3,饱和状态当发射结,集电结都处于正向偏置时,三极管处于饱和状态 。 当集电极外接电阻 RC阻值很大,或者基极电流 IB
较大时就会出现这种情况 。
在输出特性曲线上,饱和区确切范围不易明显地划出,
它大致在曲线族的左侧,UCE较小的区域 （ UCE＜ UBE）,
见图 8- 6。
当三极管处于饱和状态时,尽管增大基极电流 IB的值,
集电极电流 IC却基本保持不变,此时三极管失去了放大作用 。 饱和时三极管 c与 e间的电压记作 UCES,称为饱和压降 。
一般规定小功率硅管的 UCES≈0.3 V,锗管 UCES≈0.1V 。
例 8.1在图 8 -7 电路中,当电路输入 UI分别为 -2V,2 V，
6V时,试判断三极管的工作状态 。
分析：该电路 IC的最大饱和电流是产生此 ICS所需要的基极电流
mA
R
UI
C
CC
CS 43
12
mAII CS 08.0504*
BS
若电路中,IB＞ IBS,三极管饱和； 0＜ IB＜ IBS,三极管是放大状态 。
解 （ 1） 当 UI=-2V,IB≤0,三极管 V是截止状态 。
(2） 当 UI=2 V时,
mAR UUI
B
BEI
B 11.047
3.5
47
7.06
mAR UUI
B
BE
B 028.047
7.021
IB＜ IBS,三极管 V是放大状态 。
（ 3） 当 UI=6 V时,
IB＞ IBS,三极管 V是饱和状态,所以,判断三极管饱和的条件是：
CS
C
CC
BSB
I
R
UII
五,三极管主要参数三极管的参数用来表示管子的性能,是选用三极管的依据 。 其主要参数有下面几个 。
1.
电流放大倍数是表示三极管的电流放大能力的参数 。
由于制造工艺的离散性,即使同一型号的三极管,其 值也有很大差别 。 常用三极管的 值一般在 20～ 200之间 。
若三极管的 值小,则电流放大效果差 。 但 值太大的三极管,性能不稳定 。 在三极管管壳上点有红,黄,绿,
蓝,灰,白等色点,作为值的分挡标记 (见附录 Ⅳ )。
2,穿透电流 ICEO
基极开路时,集电极与发射极之间的反向电流称作穿透电流 。 性能良好的管子 ICEO比较小 。 ICEO与周围温度有关 。
温度升高时,ICEO急剧增大,这对三极管的工作会产生很不利的影响 。
3,集射极反向击穿电压 UCE（ BR）
基极开路时,加在集 (电 -发 )射极之间的最大允许电压称为集射极反向击穿电压 。 三极管使用时,若 UCE>UC（ BR）,
将导致三极管击穿损坏 。
4,集电极最大允许电流 ICM
集电极电流 IC超过一定数值时,三极管的 β值将显著下降 。 β值下降到规定允许值 （ 额定值的 2/3） 时的集电极电流值叫集电极最大允许电流 。
六,集电极最大允许功耗 PCM
三极管工作时,集电结处于反偏置,电阻很大 。 IC通过集电结时,产生热量使结温升高 。 结温过高,管子将烧坏 。 因此,对集电极耗散功率要有限制 。 集电结最大允许承受的功率叫集电极最大允许功耗 。 使用时应保证：
UCE·IC＜ PCM 。
8.2 放大电路的组成和基本工作原理共 (发 )射极连接的单管交流放大电路是三极管放大电路的基本形式 。 下面以简单的共射电路为例,介绍放大电路的组成 。
一,放大电路各元件的作用图 8- 8 为共射接法的基本放大电路 。 需要放大的交流信号从输入端 AB送入,放大以后的信号,从输出端 CD取出 。
发射极是输入回路和输出回路的公共端,故该电路称为共射放大电路 。
图 8 8
a ） 共射电路 ; b ） 习惯画法
u
o
＋
－
u
i
R
b
C
1
R
c
＋
V
C
2
R
L
U
CC
A
B
－
( a )
u
i
R
b
C
1
R
c
V
C
2
R
L
＋ U
CC
( b )
D
C
电路中各元件的作用如下：
V,NPN型三极管,起放大作用,是整个放大电路的核心元件 。
UCC,直流电源 。 作用有两个方面,一是为放大电路提供能量,二是保证三极管处于放大状态 。
Rb,基极偏流电阻 。 电源可通过 Rb给三极管发射结加以正向偏置电压 。
另外,当 UCC一定时,通过改变 Rb可给基极提供一个合适的基极电流 Ib,这个电流通常称为偏置电流,简称偏流 。 只有具备合适的偏流,输出电压才不会失真 。
Rc,集电极电阻 。 它将集电极电流 ic的变化转换成集电极 -发射极之间电压 uCE的变化,实现电压放大 。
C1,C2：分别称为输入端和输出端的耦合电容 。 利用电容对直流阻抗无穷大,对交流阻抗很小的特点,通过 C1
把交流信号耦合到三极管,同时隔断电路与信号源之间的直流通路；通过 C2从三极管集电极把交变输出信号送给负载,同时隔离集电极与负载之间的直流通路 。 所以,C1、
C2的作用是隔离直流,通过交流 。
对于图 8- 8（ a） 所示电路,在实际应用中为了简化电路,在画图时往往省略电源符号,只画出电源电压的端点并标以 UCC,这样就得到了图 8- 8（ b） 所示的习惯画法 。
二,放大电路中的电流波形从以上元件介绍中,我们初步了解到在放大电路中既有直流又有交流 。 交流就是需要放大的变化信号,直流就是为放大建立条件 。
当交流信号 ui作用于图 8- 9电路时,我们以基极电流为例,说明在电路中电流电压的波形及表示符号 。
(1) 直流分量：如图 8 -10（ a） 所示的波形,是基极直流电流,用 IB表示 。
(2) 交流分量,如图 8 -10（ b） 所示的波形,是基极交流电流,用 ib表示 。
图 8- 9放大电路
u
i
R
b
C
1
R
c
V
C
2
R
L
＋ U
CC
图 8 -10信号波形
I
B
O
i
b
O
t
t
O t
( a )
( b )
( c )
i
B
(3) 总变化量,如图 8 -10（ c） 所示的波形,是交流电流和直流电流叠加后形成的,用 iB表示基极总电流,iB=IB+ib。
三,放大电路的工作状态通过对电路工作状态的分析,可以了解放大电路的工作原理 。
1,放大电路没有信号输入的情况放大电路无信号输入时,电路中各处只有直流电流和电压存在 。 这些直流电流和电压是 IB,IC,IE,UBE,UCE，
如图 8- 11 所示 。 其直流电流,电压的波形和图 8 -10（ a）
中所示波形相同 。
图 8 –11 没有输入信号时的放大电路
u
i
＝ 0
R
b
C
1
R
c C
2
R
L
＋ U
CC
＋
－
U
BE
I
B
I
C
＋
－
U
CE
I
E
2.
当放大电路输入端有交流信号输入时,如图 8 -12 所示 。
此时电路各处有交流电流分量 ib,ic,ie通过 。 若输入信号电压为 ui =Umsinωt时,电路中各处的交流波形和图 8- 10（ b）
中所示的相同 。 这些交流分量分别和没有信号输入时的直流分量电流叠加,即图 8 -12中的 uBE,iB,iC,uCE等 。 这些合成后的实际电流波形和图 8 -10（ c） 中所示的相同,是单向脉动电流 。
图 8 –12 有输入信号时的放大电路
u
i
R
b
C
1
R
c C
2
＋ U
CC
＋
－
u
BE
i
B
i
C
u
o
＋
－
＋
＋
－
四,电路中的直流通道和交流通道图 8 -12 放大电路中的电流是由直流分量和交流分量叠加而成的 。 但是,由于电路中有电容元件 C1,C2,因而直流分量电流和交流分量电流通过的路径不同 。 我们把直流分量电流通过的路径叫直流通道 （ 或直流通路 ）,交流分量电流通过的路径叫交流通道 （ 或交流通路 ） 。
直流通路如图 8 -13 所示,电容 C1,C2对直流相当于开路 。 放大电路的交流通路如图 8- 14（ b） 所示,电容 C1、
C2对交流信号可以看成短路 。 直流电源的内阻很小,对交流信号也可以看成短路 。 所以图 8 -14(a） 放大电路中的交流通路可画成图 8- 14（ b） 所示的通路 。
图 8 –13 放大电路的直流通路
R
b
R
c
＋ U
CC
I
B
I
C
图 8- 14 放大电路的交流通路
R
b
C
1
R
c
C
2
＋ U
CC
u
i
－
＋
＋
V
R
L
u
o
～
u
i
－
＋
V
R
L
u
o
～
R
c
R
b
i
b
i
c
( a ) ( b )
根据三极管的结构,按图 8 -14（ b） 交流通路中所示的电流,电压正方向,ui,ib,ic是同相位的 。 图中输出电压
uo的标定正方向和 ic标定正方向相反,所以,uo=-icR′L,负号表示 uo和 ic标定正方向相反,亦表明了输出电压 uo和输入电压 ui是反相位的 。
综上所述,放大器在工作过程中,电路中同时并存着交流,直流两种分量的电流 。 直流分量 IB,IC,UBE,UCE为放大建立条件,而交流分量 ib,ic,ube,uce则反映了交变信号的放大及传输过程 。
8.3 放大电路的基本分析方法
（一） ——工程估算法常用的分析放大电路的方法有两种：工程估算法和图解法 。 工程估算法就是从放大器的直流通路和交流通路分析放大器的工作情况 。
一,静态工作点的估算没有输入信号时,放大电路各处的直流电流,直流电压值叫放大器的静态工作点 。
根据直流通路可以估算出放大器的静态工作点 。 以图 8
15 为例,先估算基极电流 IB,再估算其它值 。 计算公式有：
图 8 –15 单管放大电路
R
b
C
1
R
c
C
2
＋ U
CC
U
BE
I
B
I
C
－
＋
＋
－
U
CE R
L
B
BECC
B R
UUI
(8- 3)
IC=βIB (8- 4)
UCE=UCC-ICRC
式中,UBE的估算,对于硅管取 0.7V；对锗管取 0.3V。
在式 （ 8 - 3） 中,当 UCCUBE时,UBE可略去不计 。
例 8.2 试估算图 8- 15 所示的放大电路的静态工作点 。
设 UCC=12V,RC=3kΩ,RB=300kΩ,=50。
mARUR UUI
B
CC
B
BECC
B 04.03 0 0
12
mAII BC 204.050
VRIUU CCCCCE 63212
二,动态交流指标的估算采用工程估算法计算放大器的交流性能指标,例如放大电路的电压放大倍数等,需要有放大电路的交流等效电路 。
交流等效电路首先要解决的是三极管的非线性问题 。
当放大器中的交流信号变化范围很小时,三极管基本上可以看成是在线性范围内工作的 。
因此可以用一个等效的线性化电路模型来代替三极管 。
所谓等效,就是从线性化电路模型的三个引出端看进去,电压,电流的变化关系和原来的三极管一样,这样的线性化电路模型也称为三极管的微变等效电路 。
用线性化电路模型来代替三极管之后,具有非线性元件的放大电路就转化成我们熟悉的线性电路了 。
1,三极管的线性化电路模型
1）
当三极管输入回路仅有很小的输入信号时,ib只能在静态工作点附近作微量变化 。 三极管的输入特性曲线如图 8 -
16 所示,在 Q点附近基本上是一段直线 。 此时三极管输入回路可用一等效电阻代替 （ 如图 8 -17 所示 ） 。
图 8- 16 三极管的输入特性
I
B
I
B
O? U
BE
U
BE
Q
图 8 –17 三极管输入回路模型
B
E
I
B
U
BE
U
BE
I
B
B
E
r
be
图 8- 17中的等效电阻 rbe称为三极管的输入电阻,它的大小可用下面公式进行估算：
rbe=300+(1+β) (8- 6)
IE是发射极静态电流,单位是 mA。 对于小功率三极管,当 IE =（ 1～ 2） mA时,rbe约为 1kΩ。
2）
当三极管输入回路仅有微小的输入信号时,可以认为输出特性曲线是一组互相平行且间距相等的水平线 。 所谓平行且间距相等,是指变化相同的数值时,输出特性曲线平移相等的距离,如图 8- 18 所示 。
)(
)(26
mAI
mV
E
图 8- 18 理想的输出特性
I
C
O U
CE
I
B
I
B
I
B3
I
B2
I
B1
Q
在这种情况下,三极管的 β值是一常数,集电极电流变化量 ΔIC与发射极电压 uce无关,仅由 ΔIB大小决定 。 所以三极管输出回路相当于一个受控制的恒流源 。
3）
综上所述,三极管的线性化电路模型如图 8 -19 所示。
2.
将放大器的交流通路 （ 图 8- 14(b)） 中的三极管用三极管的线性化电路模型代替后,该电路便是共射放大电路的小信号等效电路,如图 8 -20 所示 。
图 8 –19 三极管的线性化电路模型
b
e
i
b
u
be
i
br
be
u
ce
i
c
c
e
u
be
i
b
U
ce
cb
e
图 8 –20 放大器的小信号等效电路
r
be
u
i
i
c
u
o
b
R
b
e
c
R
c
R
L
i
b
i
b
3.
1）
因为
Ui=Ibrbe
Uo=-IcR′L
其中
R′L=RL∥ Rc
所以
be
L
beb
Lb
u r
R
rI
RI
U
UA
1
0
不带负载时
be
C
u r
RA (8 -7)
2） 放大器的输入电阻 ri
放大电路的输入端和信号源相连接 。 对信号源来说,
放大电路相当于信号源的一个负载 。 该负载可用一等效电阻 ri来代替,这个等效电阻 ri称为放大器的输入电阻 。 从图
8- 20
ri=Rb∥ rbe
一般地,Rb,rbe，
ri≈rbe (8- 8)
3） 放大器的输出电阻 ro
放大电路的输出端和负载相连 。 对负载来说,放大电路相当于一个有内阻的信号源 。 这个信号源的内阻便是放大器的输出电阻 。 由图 8- 20 可得放大电路的输出电阻：
ro=Rc (8- 9)
需要注意的是,ri和 ro都是放大电路的交流动态电阻,
它们是衡量放大电路性能的重要指标 。 一般情况下,要求输入电阻尽量大一些,以减小对信号源信号的衰减；输出电阻尽量小一些,以提高放大电路的带载能力 。
例 8.3 在图 8 -14（ a） 电路中,三极管 β=50,rbe=1kΩ,
Rb=300kΩ,Rc=3kΩ,RL=2 kΩ,求,
（ 1） 接入 RL前,后的电压放大倍数；
（ 2） 放大器的输入电阻,输出电阻 。
解：（ 1）Ｒ Ｌ 未接时,
RL接入后，
1 5 01350
be
C
u r
RA?
6061015 2350
be
L
u r
RA?
(2) ri≈rbe≈1 kΩ,ro=Rc=2 kΩ
该例题表明,接入负载 RL后,电压放大倍数下降。
8.4 放大电路的基本分析方法
（二） ——图解法应用三极管的输入,输出特性,通过作图的方法来分析放大电路的工作性能,称作图解法 。
一,放大电路无信号输入的情况如图 8- 15 的放大电路,当无信号输入时 （ 相当于输入端短路 ）,放大电路是直流通路 。 以 AB为分界线,把该放大电路直流通道的输出回路分为两部分,如图 8 -21(a)：
左侧是三极管,电压 UCE与电流 IC的关系是三极管的输出特性,如图 8 -21(b)所示；右侧是直流电源 UCC与电阻 Rc组成的支路,电流电压关系是一直线方程,U′CE=UCC-I′CRc；
用两点法可画出该直线 MN,其中 M0,UCCRc,N（ UCC 0） 。
图 8 –21 放大电路输出回路图解
I
C
/
m
A
4
3
2
1
0 4 8 12 16
U
c e
/ V
I
B
＝ 20? A
40? A
60? A
80? A
4
M
3
2
1
O 4 8 12 20
I
C
/
m
A
′
U
c e
/ V′
U
CC
R
c
U
CC
N
4
3
2
1
O 4 8 12 16
Q
I
C
/
m
A
U
c e
/ V
I
B
＝ 20? A
40? A
60? A
80? A
M
N
( a ) ( b )
( c ) ( d )
b
c
e
I
C
I
C
′
U
ce
U
ce
′
A
B
R
c
U
CC
＋
－
因左,右侧两部分共同组成了一个整体电路,流过同一电流,即 IC=I′C； AB端又是同一电压 Uce=U′ce,将图 8- 21
（ b） 和图 8 -21（ c） 合在一起,构成图 8- 21（ d） 。 输出特性曲线坐标中的直线 MN就称为放大器的直流负载线 。
直流负载线斜率：
|tanα|
RU
RU
ON
OM
CC
CCC 1/
静态工作点的确定：直流负载线 MN和 IB（ = ）
的交点 Q便是静态工作点 B
BECC
R
UU?
静态工作点 Q的坐标,即 Q（ UCE,IC）,反映了放大电路无信号输入时的直流值 。 这与前面用估算法求出的结果接近 。
二,放大电路有信号输入后的情况
1,输入回路基极电流 ib可根据输入信号电压 ui,从管子的输入特性上求得 。
设输入信号电压 ui=20sinωt mV,根据静态时 IB=40μA，
当送入信号后,加在 e,b极间的电压是一个在 （ 700± 20）
mV范围内变化的脉动电压 。 而基极电流 ib是一个在 20～
60 μA 范围内变化的脉动电流,该脉动电流由两个分量组成,即直流分量 IB和交流分量 ib。 交流分量的振幅是 20μA
（ 见图 8 -22） 。
图 8- 22放大器的图解分析
i
C
/ m A
2,9
2
1,1
0
t
i
C
/ m A
4
3
2
1
0
5 10 15 20 U
CE
/ V
0
5,5 10 14,5
u
CE
/ V
t
i
B
/ A
60
40
20
0
t
t
I
B
/ A
0
Q
Q ′
Q ″
U
B E
/ V
0
u
B E
/ V
0.
72
0.
70
0.
74
A
Q ′
Q
Q ″
B
60? A
40? A
20? A
I
B
＝ 0
2,不接负载电阻 RL时的电压放大倍数由基极电流 ib的变化,便可分析放大电路各量的变化规律,如图 8- 22所示 。 当基极电流在 20～ 60μA范围内变化时,放大器将在直流负载线上的 AB段工作 。 这时 iC与 uCE的波形如图 8 -22 所示,iC和 uCE均包含直流分量 IC,UCE。
uce的振幅为 4.5V,ic的振幅为 0.9 mA。 故放大器的电压放大倍数为
22 5
02.0
5.4
im
C E m
u U
UA
3,接入负载电阻 RL时的电压放大倍数从估算法中我们已知道,接入 RL后,总负载电阻是 Rc
与 RL并联后的等效电阻 R′L,这时应该确定新的负载线 。
新负载线与横轴反方向的夹角是：
α′= arctan (R′L=Rc∥ RL)
新的负载线称为,交流负载线,。
因为当输入信号为零时,放大电路工作在静态工作点
Q上,所以交流负载线必定要通过 Q点 。 根据交流负载线的斜率和一个已知点 Q的坐标,我们便可以将交流负载线 CD
画出 。 如图 8- 23 所示 。 从图中得 uce的振幅为 2.8V,所以图 8 -23交流负载线
I
C
/
m
A
4
3
2
1
0
4 8 12 16 20D
B
′
80? A
60? A
40? A
I
B
＝ 20? A
C
A
Q
U
CE
＝ 2,8 V
U
CE
/ V
14002.0 8.2uA
比不带载时的值小,这与估算法中的结果一致 。
三,电路参数对放大器工作的影响以上分析的放大电路,已假定有一个比较合适的静态工作点,因此,ic,uce的变化规律基本上和 ib,ube一致,放大电路的输出信号几乎没有波形失真 。 若静态工作点设置不合适,将会使输出信号产生严重失真 。 下面分别分析电路参数 Rb,Rc,UCC对放大器电路 （ 见图 8 -15)工作的影响 。
1,Rb
在其他条件不变时,如果 UCC,Rc不变,则直流负载线不变,改变 Rb时,IB= 改变,这就使静态工作点 Q沿直流负载线上下移动 。 当 Q点过高 （ Q′点 ） 或过低
（ Q″点 ） 时,ic将产生饱和或截止失真 。 ic失真,uce也对应失真,如图 8 -24 所示 。
2,Rc
若 Rb,UCC不变,改变 Rc也可得到不同的静态工作点,
如图 8 -25(a)所示 。 Rc增大,负载线斜率减小,工作点左移 ;
Rc减小,负载线斜率增大,工作点右移 。 当 Rc增大较多时,
Q点将移至 Q″,放大器进入饱和区而失去放大作用 。
b
BECC
R
UU?
图 8- 25 Rc,UCC与静态工作点的失真
I
C
O
U
CE
Q
Q ′
R
c
增大
I
C
O U
CE
U
CC
″ U
CC
U
CC
′
Q
Q ″
Q ′
( a ) ( b )
3,直流电源 UCC
其他参数不变,升高电源电压 UCC,直流负载线平行右移,Q点偏向右上方 （ 图 8 25(b)）,使放大电路动态范围扩大,但同时三极管的静态功耗也增大 。
综上所述,改变 Rb,Rc,UCC均能改变放大器的静态工作点 。 但由于采用调整 Rb的方法来调整静态工作点最为方便,因此在调整静态工作点时,通常总是首先调整 Rb。
另外还应注意到,即使 Q点选择合适,参数合理,倘若输入信号过大,输出信号也会产生失真 。
图 8 -24工作点选择不当引起的失真
i
c
′
i
c
″
O
O
I
C
i
b
′
i
b
″
Q ″
Q
Q ′
U
CE
O
8.5 工作点稳定的放大电路实用演 示电 路如图 8- 26 所示,当输 入信 号为
ui=20sinωtmV时,输出信号 uo在示波器上的波形为 sin
ωt V,放大电路正常工作 。 当温度升至 45℃ 时,uo波形失真 。
一,放大电路静态工作点的稳定如前一节所述,为了使放大电路正常工作,必须选择恰当的静态工作点,也就是合理地选取 Rb,Rc,UCC等参数 。
除了这些参数以外,当温度变化,电源电压波动时,放大电路的静态工作点也会受到影响而移动,致使放大器不能正常工作 。 要使放大电路正常工作,必须设法使静态工作点 Q稳定,即稳定直流工作状态的 IC,UCE等值 。
23
图 8- 26 固定偏置式共射放大电路
40 0 k?
20? F
u
i
＝ 20 s i n t m V
－ 16 V
4 k?
20? F
u
o
＋
＋
实践证明,造成静态工作点不稳定的因素中,温度变化是最重要的 。 这是因为三极管的特性参数 β,UBE,ICEO等都随温度的变化而变化 。 这些都会导致 IC变化而引起工作点不稳定 。
图 8- 26电路即是一基极偏流固定的电路,又称为固定偏置式共射放大电路 。 这种电路的基极偏置电流：
IB=
几乎不随温度变化 。 这种偏置电路虽然简单,但 IC的稳定性很差 。 当温度升高时,IC增大,导致放大电路不能正常工作 。 一般情况下,可以从电路结构上采取措施,如图 8
-27所示的电路是最常用的电路,称为分压式偏置放大电路 。
时）当 BECC
b
CC
b
BECC
B UUR
U
R
UUI (
图 8 –27 分压式偏置放大电路
R
b1
C
1
R
c C
2
＋ U
CC
I
B
I
C
R
e
R
L
I
1
u
i
I
2
R
b2
I
E
u
o
C
e
＋
＋
＋
b
三,工作点稳定的放大电路下面介绍分压式偏置放大电路 （ 见图 8 -27） 的特点 。
1,利用分压电阻 Rb1和 Rb2来固定基极电位 UB
如图 8 -27 所示,当 Rb1和 Rb2中流过的电流分别是 I1、
I2,且 I1=I2+IB时,若 I1>>IB,则 I1≈I2,所以基极电位是
CC
bb
b
B URR
RU?
21
2
(8 -10)
2,射极电阻 RE
Re的负反馈作用可以稳定静态工作点 。
因为 UBE=UB-IERe,所以,当集电极电流 IC因温度升高而增大时,该电路稳定工作点的过程如下：
t℃ ↑→IC↑→IE↑→UBE↓→IB↓→IC↓
在这一变化过程中,温度升高的效果就相当于基极有一个增量 ΔIB,由 ΔIB引起发射极电流增量 ΔIE。 ΔIE在 Re上建立的电压反馈到输入端,使 ΔIB减小,这种现象称为交流负反馈 。
Re既然有抑制 IE变化的作用,当有信号时,对 iE的交流分量也同样起抑制作用,使放大电路的放大倍数减小 。
为了克服这一缺点,在 Re两端并接电容 Ce,使 Ce对交流信号近似短路,不致因负反馈引起放大倍数减小 。 Ce称为射极旁路电容,其大小选择见经验值 。
3,关于电路参数的经验值对于图 8 27 所示的电路,
当 I1>>IB时,I1≈I2,UB≈
当 UB>>UBE时,IE≈
在这两个条件存在的情况下,UB,IE的大小只和电路参数有关,不随温度变化,与三极管的 β值也无关 。 I1,UB
愈大,电路工作点的稳定性愈好 。;
21
2
CC
bb
b
B URR
RU?
.
C
B
R
U
但需要提出的是,在实际电路中,I1,UB均不能太大 。
当 I1太大时 （ 即 Rb1,Rb2阻值太小时 ）,一方面由于 Rb1、
Rb2上功耗增大,另一方面 Rb1,Rb2对信号源分流作用加大,
致使电路的放大倍数降低 。
UB也不能太大 。 若 UB太大,UCE减小,电路动态工作范围会变小 。 通常,该电路的经验值是：
I1=（ 5～ 10） IB,UB=（ 3～ 5） V
锗管,I1=（ 10～ 20） IB,UB=（ 1～ 3） V
电容 Ce的容抗：
～
3
1(?
CX C
R)101
三,电路的静态工作点在分析图 8- 27 所示电路的静态工作点时,应先从计算 UB入手,按照 I1 >>IB的假定,可得到
CC
bb
b
B URR
RU?
21
2
e
BEB
E R
UUI
当 UB>>UBE时，可以近似地认为：
IC≈IE≈
C
B
R
U
从以上分析我们还看到一个现象：就是 IC的大小基本上与三极管的参数无关 。 因此,即使三极管的特性不一样,
电路的静态工作点 IC也没有多少改变 。 这在批量生产或常需要更换三极管的地方,很为方便 。
四,电压放大倍数的计算图 8 -27由于接入了旁路电容,因而此时的电压放大倍数和基本放大电路相同 。 即不带负载时
)()( eCCCCCeECCCE RRIURRIUU
be
C
r
RAu
带负载后
be
L
u r
RA
其中,R′L=Rc∥ RL。
8.6 射 极 输 出 器一,电路结构射极输出器的电路如图 8 -28 所示 。 从图中可以看出,
三极管集电极直接接到直流电源上,输出信号从发射极电阻两端引出,所以称作射极输出器 。 从该电路的微变等效电路
（ 图 8- 29） 上可以看到,集电极是输入回路和输出回路的公共端,所以又称为共集放大电路 。
二,射极输出器的特点
(1) 静态工作点稳定 。
从图 8- 28 的直流通路可得图 8 –28 射极输出器
R
b
C
1
C
2
＋ U
CC
I
C
R
e R
L
I
B
u
i
I
E
u
o
b
c
e
＋
＋
图 8 –29 射极输出器的微变等效电路
r
be
u
i
i
c
b
R
b
e
c
i
b
i
b
i
e
R
e
R
L
u
o
eEBEb
E
eEBEbBCC RIUR
IRIURIU
1
所以
)1/(
be
BECC
EC RR
UUII
cCCCCE RIUU
射极输出器中的电阻具有稳定静态工作点的负反馈作用,
这一点在 8.5节中已介绍,在此不再赘述 。
(2) 电压放大倍数近似为 1。 由图 8-29 微变等效电路可得
Uo=IeR′L=(1+β)IbR′L
其中 R′L=Re∥ RL。
Ui=Ibrbe+IeR′L=Ib [rbe+(1+β)R′L]
电压放大倍数为
(8- 18)
Lbe
L
i
u Rr
R
U
UA
)1(
)1(0
在 （ 8 -18） 式中,一般有 rbe(1+β)R′L,所以 Au≈1,而略小于 1。
Au略小于 1,表明输出电压幅度和输入电压近似相等；
Au＞ 0,说明输出电压和输入电压同相位 。 故射极输出器又称为射极跟随器 。
(3) 输入电阻高,输出电阻低 。
由图 8 -29 微变等效电路的输入端还可得出射极输出器
ri=Rb∥ ［ rbe+(1+β)R′L］ ≈Rb∥ (1+β)R′L (8- 19)
式中,(1+β)R′L是输出回路的 R′L折算到基极回路的等效电阻 。
通常 Rb阻值较大,约为几十千欧姆到几百千欧姆,同时
（ 1+β)R′L的值也大,所以射极输出器输入电阻高,可达几十千欧姆到几百千欧姆 。
射极输出器的电压 uo≈ui,当输入电压 ui一定时,输出电压 uo相当稳定 。 表明射极输出器有恒压输出特性,故射极输出器输出电阻很小 。 若不计信号源内阻时,输出电阻
ro
ro≈rbeβ (8- 20)
可见射极输出器有很小的输出电阻,一般 ro为几欧姆到几百欧姆 。 为了降低输出电阻值可选用 β值较大的三极管 。
三,射极输出器的应用射极输出器的特点是电压跟随,即输入电阻很大,输出电阻很小,电压放大倍数接近于 1而小于 1。
由于具有这些特点,射极输出器常被用作多级放大电路的输入级和输出级或作为隔离用的中间级 。
首先,可以利用它作为测量放大器的输入级 。 由于它具有输入电阻高,从信号源取用的电流小的特点,因而它可以提高测量精度并减小对被测电路的影响 。
其次,在利用射极输出器作为中间级时,其高输入阻抗对前一级影响很小；对后一级来说,因它的输出电阻低,
又有射极跟随性,在与输入电阻不高的共射放大电路配合时,既可保证输入相位不变,又可起到阻抗变换作用,从而提高多级放大电路的放大能力 。
第三,射极输出器输出电阻低,所以它带载能力强 。
若放大器的负载是一个变化的负载,在负载变化时,为了保证放大器的输出电压比较稳定,就要求放大器具有低输出电阻才行 。
这时,就可以用射极输出器作为放大器的输出级。
8.7 多级放大电路在实际工作中,为了放大微弱的信号,用一个三极管组成的放大电路,其电压放大倍数往往是不够的 。 为了达到更高的放大倍数,需要将若干个单管放大电路连接起来,
组成多级放大电路 。 为了保证信号在各级间不失真地逐级放大,还有些问题需要讨论 。
二,级间耦合方式在多级放大电路中,各级之间的连接方式叫级间耦合 。
常用的级间耦合有阻容耦合,直接耦合和变压器耦合 （ 见图 8 -30） 。
图 8- 30
(a) 阻容耦合； (b) 直接耦合； (c) 变压器耦合
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( c )
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( a )
A
1u i u o1 u i2 u o
( b )
A
2
所谓阻容耦合和变压器耦合,是指两级放大电路之间通过电容或变压器连接起来的方式 。 这两种耦合方式共同的优点是：由于电容器和变压器的隔离直流作用,各级的直流电路互不相通,因而每一级的静态工作点都是相互独立的,互不影响 。
这两种耦合方式的缺点是,① 不适合传送缓慢变化的信号； ② 在线性集成电路中几乎无法采用 。 直接耦合方式是指不经过电抗元件,把两级放大电路直接连接 。 这种耦合方式不仅能放大交流信号,也能放大直流或缓慢变化的信号 。 但是,直接耦合时各级直流通路互相沟通,各级静态工作点互相影响 。
直接耦合电路适宜集成化产品,它的应用领域已越来越大。
二,多级放大电路的电压放大倍数在多级放大电路中,前一级的输出电压就是后一级的输入电压,如图 8 -31 所示 。 所以,对两级放大电路,
电压放大倍数是
21
1
02
1
1
1
0
uu
Oi
O
u AAU
U
U
U
U
UA
同理,对 n级放大电路,
Au=Au1·Au2·…·Aun (8- 23)
可见，多级放大电路总的电压放大倍数，等于每一级电压放大倍数的乘积。
图 8 –31 计算多级放大电路放大倍数的方框图
A 2u i
u o1 u i n
A 1
u i2 u o2
… A n
u o
u o( n － 1)
必须指出的是,以上所指的每一级的电压放大倍数,
是已经把后一级的输入电阻作为前一级的负载时得出的,
因此它比每一级不带负载时的放大倍数要小 。
例 8.4电路如图 8-32所示,已知 rbe1=2kΩ,rbe2=1.2kΩ，
= =50,求多级放大电路的总电压放大倍数 。
1? 2?
图 8 –32 例题 8.4 电路
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( c )
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( a )
A
1u i u o1 u i2 u o
( b )
A
2
解：
第二级输入电阻第一级总负载电阻
kRR RRRRR
bb
bb
bbb 6.58.633
8.633//
2221
2221
22212
k
rR
rRRrr
beb
beb
bbei 12.16.5
2.16.5//
22
22
222
krR rRrRR
ic
ic
icL 94.0115
115//
21
21
211
第一级电压放大倍数再求第二级电压放大倍数,
第二级总负载电阻第二级电压放大倍数故总电压放大倍数
4.232 94.050
1
1
11
be
L
u r
RA?
KRR RRRRR
LC
LC
LCL 355.7
55.7//
2
2
22
1 2 52.1 350
2
2
22
be
L
u r
RA?
2 9 0 0)1 2 5(4.2321 uuu AAA
8.8 功 率 放 大 器电子设备中,常要求放大电路的输出级带动某些负载工作 。 例如,使仪表指针偏转,使扬声器发声,驱动自控系统中的执行机构等等 。 因而要求放大电路有足够大的输出功率 。 这种放大电路统称为功率放大器 。
一,对功率放大电路的一般要求我们前面介绍过的放大电路都是将输入信号放大的电压放大电路 。 对电压放大电路的要求是使负载得到放大的不失真的电压信号；对功率放大电路则主要要求它输出足够大的输出功率 。 对功率放大电路的一般要求是：
(1) 在电子元件参数允许的范围内,放大电路的输出电压和输出电流都要有足够大的变化量,以便根据负载的要求,
提供足够的输出功率 。
(2) 具有较高的效率 。
放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的 。 在输出功率较大的情况下,如果效率不高,不仅造成能量浪费,
而且消耗在电路内部的电能将转换为热量,使管子,元件等温度升高 。
(3) 尽量减少非线性失真 。
由于功率放大电路的工作点变化范围大,因此,输出波形的非线性失真问题要比小信号放大电路严重得多 。 应对这个问题特别注意 。
传统的功率放大电路和负载之间往往采用变压器耦合的方式,通过变压器的阻抗变换作用,实现阻抗匹配,使负载得到最大的输出功率 。 这种方法频率特性差,特别是因为不利于电路的集成化,故已逐渐废除 。 目前的功率放大电路主要采用无输出变压器的功放电路,这类电路称为
OTL型功率放大电路 。
二,OCL互补对称式功率放大电路 （ OCL电路 ）
1,电路和工作原理
OCL(Output Capacitor Less,无输出电容 )互补对称式功率放大电路,简称 OCL电路,如图 8- 33(a)所示 。
图 8 -33 OCL
(a) 电路； (b) 工作波形
u
i
R
L
＋
V
1
V
2
i
c1
U
E
i
c2
－
u
o
i
o1
i
o2
＋ U
CC1
－ U
CC2
u
i
t
i
c1
0
0
i
c2
t
t
t
t
0
i
o
u
o
0
0
( a )
( b )
电路中两只三极管,V1为 NPN型,V2为 PNP型,但两管材料和特性参数相同,特性对称 。 由 +UCC1和 -UCC2两个对称直流电源供电 。 该电路可以看成是两个复合的射极跟随器 。 下面分析电路工作原理 。
静态时：由于两管特性对称,供电电源对称,两管射极电位 UE=0,V1,V2均截止,电路中无功率损耗 。
动态时：忽略发射结死区电压,在 ui的正半周内,V1
导通,V2 截止 。 V1以射极输出器的形式将正方向的信号变化传递给负载 。 电流方向如图 8 -33(a)中实线箭头所示 。
最大输出电压幅度受 V1管饱和的限制,约为 +UCC1。
在负半周,V2导通,V1截止 。 V2以射极输出器的形式将负方向的信号变化传递给负载 。 电流方向如图 8- 33(a)中虚线箭头所示 。 最大输出电压幅度受 V2管饱和的限制,约为 -
UCC2。
如上所述,两个三极管的静态电流均为 0。 这种只在信号半个周期内导通的工作状态称为乙类工作状态 。
在图 8 -33(a)电路中,尽管两只三极管都只在半个周期内导通 （ 工作在乙类状态 ）,但它们交替工作,使负载得到完整的信号波形 。 这种形式称为,互补,。
图 8- 33 电路的特点是：电路简单,效率高,低频响应好,易集成化 。 缺点是：电路输出的波形在信号过零的附近产生失真 （ 见图 8- 33(b)） 。 由于三极管输入特性存在死区,在输入信号的电压低于导通电压期间,V1和 V2都截止,
输出电压为零,出现了两只三极管交替波形衔接不好的现象,故出现了图 8- 33（ b） 中的失真,这种失真称为,交越失真 。,
2.
在 OCL 电路中,每只三极管集电极静态电流为零,因而该电路效率高。
1） 输出功率 Po
当输入正弦信号时,每只三极管只在半周期内工作,
忽略交越失真,并设三极管饱和压降 UCES=0,在 Uom≈UCC
时输出电压幅度最大 。
Pom≈IoUo=
2
omomIU
式中,Iom为集电极交流分量电流最大值,Uom为三极管 c、
e极间交流电压最大值 。 或
LL
om
omom R
U
R
UUp om2
2
1
2
1
2）
直流电源送入电路的功率,一部分转化为输出功率,
另一部分则损耗在三极管中 。 OCL电路的效率为
E
O
P
P
其中,Po为电路输出功率,PE为直流电源提供的功率 。
每个直流电源只提供半波电流,其电流平均值是
L
CC
L
Om
OmE R
U
R
U
III
1112
0
每个直流电源提供的功率
L
CC
OCCE R
UIUP 21
两个直流电源提供的总功率
L
CC
EE R
UPP 222
OCL电路最高效率为
%5.78
42
2
1
2
2
L
CC
CC
E
om
R
U
R
U
p
P
这是 OCL电路在理想情况下 （ UCES = 0,Uom≈UCC） 的最高效率 。
三,OTL
OCL电路结构简单,但存在双电源供电的问题 。 所以在分立元件电路中常用单电源互补对称功放电路,
OTL(Out Transformer Less) 电路 。
OTL电路如图 8 -34 所示 。 它与图 8- 33 的 OCL电路相比,去掉了负电源,接入了一个隔直流的电容器 C。
静态时：调整 R1大小,由于三极管 V1,V2对称,可使
UE=UA=UCC/2。
动态时：输入信号 ui叠加在静态值 UA=UCC/2上 。
当 ui为正半周时,ui＞ UCC/2,V1导通,V2截止 。 输出回路电流路径为 UCC→V1→C→RL→公共端,电流方向如图 8 -34 中实线所示 。 此间电容器 C被充电,电容器充
UC=
当 ui为负半周时,UA＜ UCC/2,V2导通,V1截止,
输出回路由已充电的电容器放电来提供电流 。 电流路径为 C（ +） →V2→公共端 →RL→C（ － ） 。 电流方向如图
8 -34 中虚线所示 。
2
UCC2
图 8 -34 OTL电路
u
i
u
o
＋ U
CC
V
1
V
2R
2
R
1
A
R
L
C＋
U
E
i
c1
i
c2
RL在以上过程中获得完整的正弦电流 。
在上述过程中,V1导通时对电容器 C充电； V2导通时对电容器 C放电 。 要电容 C的容量选得足 够大,使电容充,放电时间常数远大于信号周期,那么在信号变化过程中,电容两端的电压就基本保持不变,电容器起到了电源的作用 。
四,功率放大电路的集成器件在功率放大电路方面,从元件到电路系统,目前都有品种繁多的集成功放器件可供选用 。
例如,单片集成功率晶体管 LM195便是单片集成功率晶体管中的一个典型产品 。 它比分立的功率晶体管具有更好的性能：它带有内部保护电路,且总电流放大倍数可达 106,基极驱动电流只需 3μA,可产生 1.8 A的集电极电流 。 又如,5G37集成功率放大器,内部是由两级直接耦合电路组成的功率放大电路,当电源电压为 6～ 20V时,
能向 8Ω负载提供 2～ 3W不失真功率 。 再如集成功放
LM384,可以经阻容耦合向 8Ω负载提供 5W输出功率 。
随着高科技的发展,集成电路器件已越来越广泛地应用于功率放大电路方面 。
8.1 半导体三极管
8.2 放大电路的组成和基本工作原理
8.3 放大电路的基本分析方法 （ 一 ） —工程估算法
8.4 放大电路的基本分析方法 （ 二 ） —图解法
8.5 工作点稳定的放大电路
8.6 射极输出器
8.7 多级放大电路
8.8 功率放大器 返回主目录第 8 章 半导体三极管及 -基本放大电路
8.1 半导体三极管半导体三极管又叫晶体三极管,通常简称为三极管或晶体管 。 它是放大电路最基本的元件之一 。 下面介绍它的基本结构,工作原理和特性参数 。
一,三极管的结构三极管的内部结构为两个 PN结 。 这两个 PN结是由三层半导体区形成的 。 根据三层半导体区排列的不同方式,
可分为 NPN型和 PNP型两种类型,如图 8 -1 所示 。
图 8 -1三极管的结构示意图
N
P
N
e
b
集电结发射结
c
P
P
P
e
b
集电区发射区
N
基区
c
( a ) ( b )
两种不同类型三极管的符号如图 8 -2 所示 。 在三层半导体区中,位于中间的一层叫基区；其中一侧的半导体区专门用来发射载流子,叫发射区；另一侧专门用来收集载流子,叫集电区 。 发射区和基区之间的 PN结叫发射结,
集电区和基区之间的 PN结叫集电结 。
从三层半导体区分别引出三个电极,相应叫基极,发射极和集电极,分别用字母 b,e,c来表示三个极 。 三极管的外形如图 8 -3 所示 。
图 8 -2
( a ) ( b )
图 8 -3
( a ) 塑封管； ( b ) 超小型管； ( c ) n功率管； ( d ) 大功率管
e b c
3C X 20 1
c
b e
(a )
3D G 10 0
3A D 30
(b) (c ) (d)
3D K 01
为了保证三极管有电流放大作用,三极管在制造时有以下特点：
(1) 基区很薄,一般只有几微米到几十微米厚,且掺杂浓度低 。
(2) 发射区掺杂浓度比基区和集电区高得多 。
(3) 集电结的面积比发射结大 。
PNP和 NPN两种类型的三极管,按选用半导体材料的不同,又有硅管和锗管之分 。
二,三极管的电流放大作用三极管在结构上的特点决定了三极管电流放大作用的内部条件 。
为了实现它的电流放大作用,还必须具备一定的外部条件,这就是要给三极管的发射结加正向电压,给三极管的集电结加反向电压 。 对 NPN管来说,可接成如图 8- 4的电路 。 当我们改变电位器 Rb的阻值时,就可以改变基极电流 IB,集电极电流 IC和发射极电流 IE也将随着改变 。 其实验结果如表 8.1 所示 。
分析表 8.1 中的测量数据,可以得出以下结论：
(1) 三极管各极之间的电流分配关系是
IE=IC+IB (8 -1)
且 IC,IB 。
图 8 -4三极管电流放大作用的测试
m A
A
m A
R
b
R
c
I
C
I
E
I
B
U
CC
(2) 基极电流 IB增大时,集电极电流 IC也随之增大 。 我们把 IC与 IB的比值叫做三极管的直流电流放大系数,用表示,即或 IC= IB (8 -2)
它体现了三极管的电流放大能力 。
(3) 当 IB有微小变化时,IC即有较大的变化 。 例如,
当 IB由 10μA变到 20μA时,集电极电流 IC则由 1.04mA 变为 2.03mA。 这时基极电流 IB
B
C
I
I
ΔIB=0.02-0.01=0.01mA
而集电极电流的变化量为
ΔIC=2.03-1.04=0.99 mA
这种用基极电流的微小变化来使集电极电流作较大变化的控制作用,就叫做三极管的电流放大作用 。 我们把集电极电流变化量 ΔIC和基极电流变化量 ΔIB的比值,叫做三极管交流放大系数,用 β表示,即 β=ΔIC/ΔIB。
在工程计算时可认为 ≈β。
三,三极管的特性曲线为了正确地使用三极管,需要了解它的伏安特性曲线 。
三极管常用的特性曲线为输入特性曲线和输出特性曲线 。
三极管的特性曲线可用晶体管特性图示仪直接显示,也可以用图 8- 5（ a） 所示实验电路测得数据,然后逐点描出 。
1.
当三极管集电极与发射极之间的电压 UCE为某一定值时,基极电流 IB与基射极之间的电压 UBE的关系,称为三极管的输入特性 。
IB=f(UBE)|UCE=
8- 5（ b） 为实测的输入特性曲线 。 显然,这一曲线与二极管正向特性曲线相似 。
图 8 -5
（ a） 测试电路 ; （ b） 输入特性曲线 ; （ c） 输出特性曲线
＋
－
U
BB
V
A
＋
＋I
B
V
＋
－
U
CC
U
CE
U
BE
R
m A
I
C
R
W
( a )
0
20
40
60
80
I
B
/
A
U
CE
≥1
0,4 0,8
U
B E
/? V
( b )
8
6
4
2
0
2 4 6 8
U
C E
/? V
I
C
/
m
A
I
B
＝ 0
20? A
40? A
60? A
80? A
( c )
2.
当三极管基极电流 IB为定值时,集电极电流 IC与集射极之间的电压 UCE的关系,称为三极管的输出特性 。 这一关
IC=f(UCE)|IB=常数
8 -5（ c） 为实测的输出特性曲线 。 该曲线的测试过程如下,
调节 RW使 IB=40μA,维持这一值不变,逐渐调大 UCC，
可测得图 8 -5（ c） 中 IB=40μA所示的曲线 。 当取不同的 IB
值时,可得到图 8- 5（ c） 中所示的曲线族 。
从输出特性曲线可看出,
（ 1） 曲线起始部分较陡 。 IC=0,UCE=0,UCE↑→IC↑,说明 IC与 UCE成正比 。
（ 2） 当 UCE增加到大于 1V时,曲线变化逐渐趋于平稳 。
UCE进一步增大,曲线也不再产生显著变化,而呈现一条基本与横轴平行的直线 。
四,三极管的工作状态在三极管的输出特性曲线上,可以把三极管的工作状态分为三个区域,即截止区,放大区和饱和区,如图 8 -6 所示 。
1,放大状态三极管处于放大状态的条件是发射结正偏和集电结反偏 。 这就是输出特性曲线上 IB＞ 0 和 UCE＞ 1V的区域 。
我们把这个区域叫放大区 。
三极管在放大区的特征是,IC由 IB决定,而与 UCE关系不大 。 即 IB固定时,IC基本不变,具有恒流的特性 。 改变 IB,则可以改变 IC,而且 IB远小于 IC,表明 IC是受控制的受控电流源,有电流放大作用 。
图 8 -6三极管的三个工作区
I
C
/
m
A
8
6
4
2
0
饱和区放大区
4 6 8
截止区
U
C E
/ V
I
B
＝ 0
I
B1
＝ 2 0? A
I
B2
＝ 4 0? A
I
B4
＝ 8 0? A
I
B3
＝ 6 0? A
2
2.
当三极管的基极开路或发射结处于反向偏置时,三极管处于截止状态 。
从特性曲线上来看,IB=0的那条曲线以下的区域,即为截止区,见图 8- 6。 在此区域内,三极管没有放大作用 。
当三极管截止时,c,e之间的电压基本上等于 UCC,而
IC≈0,故三极管呈现出高电阻,c,e之间相当于断路,截止状态的三极管相当于一个断开的开关 。
3,饱和状态当发射结,集电结都处于正向偏置时,三极管处于饱和状态 。 当集电极外接电阻 RC阻值很大,或者基极电流 IB
较大时就会出现这种情况 。
在输出特性曲线上,饱和区确切范围不易明显地划出,
它大致在曲线族的左侧,UCE较小的区域 （ UCE＜ UBE）,
见图 8- 6。
当三极管处于饱和状态时,尽管增大基极电流 IB的值,
集电极电流 IC却基本保持不变,此时三极管失去了放大作用 。 饱和时三极管 c与 e间的电压记作 UCES,称为饱和压降 。
一般规定小功率硅管的 UCES≈0.3 V,锗管 UCES≈0.1V 。
例 8.1在图 8 -7 电路中,当电路输入 UI分别为 -2V,2 V，
6V时,试判断三极管的工作状态 。
分析：该电路 IC的最大饱和电流是产生此 ICS所需要的基极电流
mA
R
UI
C
CC
CS 43
12
mAII CS 08.0504*
BS
若电路中,IB＞ IBS,三极管饱和； 0＜ IB＜ IBS,三极管是放大状态 。
解 （ 1） 当 UI=-2V,IB≤0,三极管 V是截止状态 。
(2） 当 UI=2 V时,
mAR UUI
B
BEI
B 11.047
3.5
47
7.06
mAR UUI
B
BE
B 028.047
7.021
IB＜ IBS,三极管 V是放大状态 。
（ 3） 当 UI=6 V时,
IB＞ IBS,三极管 V是饱和状态,所以,判断三极管饱和的条件是：
CS
C
CC
BSB
I
R
UII
五,三极管主要参数三极管的参数用来表示管子的性能,是选用三极管的依据 。 其主要参数有下面几个 。
1.
电流放大倍数是表示三极管的电流放大能力的参数 。
由于制造工艺的离散性,即使同一型号的三极管,其 值也有很大差别 。 常用三极管的 值一般在 20～ 200之间 。
若三极管的 值小,则电流放大效果差 。 但 值太大的三极管,性能不稳定 。 在三极管管壳上点有红,黄,绿,
蓝,灰,白等色点,作为值的分挡标记 (见附录 Ⅳ )。
2,穿透电流 ICEO
基极开路时,集电极与发射极之间的反向电流称作穿透电流 。 性能良好的管子 ICEO比较小 。 ICEO与周围温度有关 。
温度升高时,ICEO急剧增大,这对三极管的工作会产生很不利的影响 。
3,集射极反向击穿电压 UCE（ BR）
基极开路时,加在集 (电 -发 )射极之间的最大允许电压称为集射极反向击穿电压 。 三极管使用时,若 UCE>UC（ BR）,
将导致三极管击穿损坏 。
4,集电极最大允许电流 ICM
集电极电流 IC超过一定数值时,三极管的 β值将显著下降 。 β值下降到规定允许值 （ 额定值的 2/3） 时的集电极电流值叫集电极最大允许电流 。
六,集电极最大允许功耗 PCM
三极管工作时,集电结处于反偏置,电阻很大 。 IC通过集电结时,产生热量使结温升高 。 结温过高,管子将烧坏 。 因此,对集电极耗散功率要有限制 。 集电结最大允许承受的功率叫集电极最大允许功耗 。 使用时应保证：
UCE·IC＜ PCM 。
8.2 放大电路的组成和基本工作原理共 (发 )射极连接的单管交流放大电路是三极管放大电路的基本形式 。 下面以简单的共射电路为例,介绍放大电路的组成 。
一,放大电路各元件的作用图 8- 8 为共射接法的基本放大电路 。 需要放大的交流信号从输入端 AB送入,放大以后的信号,从输出端 CD取出 。
发射极是输入回路和输出回路的公共端,故该电路称为共射放大电路 。
图 8 8
a ） 共射电路 ; b ） 习惯画法
u
o
＋
－
u
i
R
b
C
1
R
c
＋
V
C
2
R
L
U
CC
A
B
－
( a )
u
i
R
b
C
1
R
c
V
C
2
R
L
＋ U
CC
( b )
D
C
电路中各元件的作用如下：
V,NPN型三极管,起放大作用,是整个放大电路的核心元件 。
UCC,直流电源 。 作用有两个方面,一是为放大电路提供能量,二是保证三极管处于放大状态 。
Rb,基极偏流电阻 。 电源可通过 Rb给三极管发射结加以正向偏置电压 。
另外,当 UCC一定时,通过改变 Rb可给基极提供一个合适的基极电流 Ib,这个电流通常称为偏置电流,简称偏流 。 只有具备合适的偏流,输出电压才不会失真 。
Rc,集电极电阻 。 它将集电极电流 ic的变化转换成集电极 -发射极之间电压 uCE的变化,实现电压放大 。
C1,C2：分别称为输入端和输出端的耦合电容 。 利用电容对直流阻抗无穷大,对交流阻抗很小的特点,通过 C1
把交流信号耦合到三极管,同时隔断电路与信号源之间的直流通路；通过 C2从三极管集电极把交变输出信号送给负载,同时隔离集电极与负载之间的直流通路 。 所以,C1、
C2的作用是隔离直流,通过交流 。
对于图 8- 8（ a） 所示电路,在实际应用中为了简化电路,在画图时往往省略电源符号,只画出电源电压的端点并标以 UCC,这样就得到了图 8- 8（ b） 所示的习惯画法 。
二,放大电路中的电流波形从以上元件介绍中,我们初步了解到在放大电路中既有直流又有交流 。 交流就是需要放大的变化信号,直流就是为放大建立条件 。
当交流信号 ui作用于图 8- 9电路时,我们以基极电流为例,说明在电路中电流电压的波形及表示符号 。
(1) 直流分量：如图 8 -10（ a） 所示的波形,是基极直流电流,用 IB表示 。
(2) 交流分量,如图 8 -10（ b） 所示的波形,是基极交流电流,用 ib表示 。
图 8- 9放大电路
u
i
R
b
C
1
R
c
V
C
2
R
L
＋ U
CC
图 8 -10信号波形
I
B
O
i
b
O
t
t
O t
( a )
( b )
( c )
i
B
(3) 总变化量,如图 8 -10（ c） 所示的波形,是交流电流和直流电流叠加后形成的,用 iB表示基极总电流,iB=IB+ib。
三,放大电路的工作状态通过对电路工作状态的分析,可以了解放大电路的工作原理 。
1,放大电路没有信号输入的情况放大电路无信号输入时,电路中各处只有直流电流和电压存在 。 这些直流电流和电压是 IB,IC,IE,UBE,UCE，
如图 8- 11 所示 。 其直流电流,电压的波形和图 8 -10（ a）
中所示波形相同 。
图 8 –11 没有输入信号时的放大电路
u
i
＝ 0
R
b
C
1
R
c C
2
R
L
＋ U
CC
＋
－
U
BE
I
B
I
C
＋
－
U
CE
I
E
2.
当放大电路输入端有交流信号输入时,如图 8 -12 所示 。
此时电路各处有交流电流分量 ib,ic,ie通过 。 若输入信号电压为 ui =Umsinωt时,电路中各处的交流波形和图 8- 10（ b）
中所示的相同 。 这些交流分量分别和没有信号输入时的直流分量电流叠加,即图 8 -12中的 uBE,iB,iC,uCE等 。 这些合成后的实际电流波形和图 8 -10（ c） 中所示的相同,是单向脉动电流 。
图 8 –12 有输入信号时的放大电路
u
i
R
b
C
1
R
c C
2
＋ U
CC
＋
－
u
BE
i
B
i
C
u
o
＋
－
＋
＋
－
四,电路中的直流通道和交流通道图 8 -12 放大电路中的电流是由直流分量和交流分量叠加而成的 。 但是,由于电路中有电容元件 C1,C2,因而直流分量电流和交流分量电流通过的路径不同 。 我们把直流分量电流通过的路径叫直流通道 （ 或直流通路 ）,交流分量电流通过的路径叫交流通道 （ 或交流通路 ） 。
直流通路如图 8 -13 所示,电容 C1,C2对直流相当于开路 。 放大电路的交流通路如图 8- 14（ b） 所示,电容 C1、
C2对交流信号可以看成短路 。 直流电源的内阻很小,对交流信号也可以看成短路 。 所以图 8 -14(a） 放大电路中的交流通路可画成图 8- 14（ b） 所示的通路 。
图 8 –13 放大电路的直流通路
R
b
R
c
＋ U
CC
I
B
I
C
图 8- 14 放大电路的交流通路
R
b
C
1
R
c
C
2
＋ U
CC
u
i
－
＋
＋
V
R
L
u
o
～
u
i
－
＋
V
R
L
u
o
～
R
c
R
b
i
b
i
c
( a ) ( b )
根据三极管的结构,按图 8 -14（ b） 交流通路中所示的电流,电压正方向,ui,ib,ic是同相位的 。 图中输出电压
uo的标定正方向和 ic标定正方向相反,所以,uo=-icR′L,负号表示 uo和 ic标定正方向相反,亦表明了输出电压 uo和输入电压 ui是反相位的 。
综上所述,放大器在工作过程中,电路中同时并存着交流,直流两种分量的电流 。 直流分量 IB,IC,UBE,UCE为放大建立条件,而交流分量 ib,ic,ube,uce则反映了交变信号的放大及传输过程 。
8.3 放大电路的基本分析方法
（一） ——工程估算法常用的分析放大电路的方法有两种：工程估算法和图解法 。 工程估算法就是从放大器的直流通路和交流通路分析放大器的工作情况 。
一,静态工作点的估算没有输入信号时,放大电路各处的直流电流,直流电压值叫放大器的静态工作点 。
根据直流通路可以估算出放大器的静态工作点 。 以图 8
15 为例,先估算基极电流 IB,再估算其它值 。 计算公式有：
图 8 –15 单管放大电路
R
b
C
1
R
c
C
2
＋ U
CC
U
BE
I
B
I
C
－
＋
＋
－
U
CE R
L
B
BECC
B R
UUI
(8- 3)
IC=βIB (8- 4)
UCE=UCC-ICRC
式中,UBE的估算,对于硅管取 0.7V；对锗管取 0.3V。
在式 （ 8 - 3） 中,当 UCCUBE时,UBE可略去不计 。
例 8.2 试估算图 8- 15 所示的放大电路的静态工作点 。
设 UCC=12V,RC=3kΩ,RB=300kΩ,=50。
mARUR UUI
B
CC
B
BECC
B 04.03 0 0
12
mAII BC 204.050
VRIUU CCCCCE 63212
二,动态交流指标的估算采用工程估算法计算放大器的交流性能指标,例如放大电路的电压放大倍数等,需要有放大电路的交流等效电路 。
交流等效电路首先要解决的是三极管的非线性问题 。
当放大器中的交流信号变化范围很小时,三极管基本上可以看成是在线性范围内工作的 。
因此可以用一个等效的线性化电路模型来代替三极管 。
所谓等效,就是从线性化电路模型的三个引出端看进去,电压,电流的变化关系和原来的三极管一样,这样的线性化电路模型也称为三极管的微变等效电路 。
用线性化电路模型来代替三极管之后,具有非线性元件的放大电路就转化成我们熟悉的线性电路了 。
1,三极管的线性化电路模型
1）
当三极管输入回路仅有很小的输入信号时,ib只能在静态工作点附近作微量变化 。 三极管的输入特性曲线如图 8 -
16 所示,在 Q点附近基本上是一段直线 。 此时三极管输入回路可用一等效电阻代替 （ 如图 8 -17 所示 ） 。
图 8- 16 三极管的输入特性
I
B
I
B
O? U
BE
U
BE
Q
图 8 –17 三极管输入回路模型
B
E
I
B
U
BE
U
BE
I
B
B
E
r
be
图 8- 17中的等效电阻 rbe称为三极管的输入电阻,它的大小可用下面公式进行估算：
rbe=300+(1+β) (8- 6)
IE是发射极静态电流,单位是 mA。 对于小功率三极管,当 IE =（ 1～ 2） mA时,rbe约为 1kΩ。
2）
当三极管输入回路仅有微小的输入信号时,可以认为输出特性曲线是一组互相平行且间距相等的水平线 。 所谓平行且间距相等,是指变化相同的数值时,输出特性曲线平移相等的距离,如图 8- 18 所示 。
)(
)(26
mAI
mV
E
图 8- 18 理想的输出特性
I
C
O U
CE
I
B
I
B
I
B3
I
B2
I
B1
Q
在这种情况下,三极管的 β值是一常数,集电极电流变化量 ΔIC与发射极电压 uce无关,仅由 ΔIB大小决定 。 所以三极管输出回路相当于一个受控制的恒流源 。
3）
综上所述,三极管的线性化电路模型如图 8 -19 所示。
2.
将放大器的交流通路 （ 图 8- 14(b)） 中的三极管用三极管的线性化电路模型代替后,该电路便是共射放大电路的小信号等效电路,如图 8 -20 所示 。
图 8 –19 三极管的线性化电路模型
b
e
i
b
u
be
i
br
be
u
ce
i
c
c
e
u
be
i
b
U
ce
cb
e
图 8 –20 放大器的小信号等效电路
r
be
u
i
i
c
u
o
b
R
b
e
c
R
c
R
L
i
b
i
b
3.
1）
因为
Ui=Ibrbe
Uo=-IcR′L
其中
R′L=RL∥ Rc
所以
be
L
beb
Lb
u r
R
rI
RI
U
UA
1
0
不带负载时
be
C
u r
RA (8 -7)
2） 放大器的输入电阻 ri
放大电路的输入端和信号源相连接 。 对信号源来说,
放大电路相当于信号源的一个负载 。 该负载可用一等效电阻 ri来代替,这个等效电阻 ri称为放大器的输入电阻 。 从图
8- 20
ri=Rb∥ rbe
一般地,Rb,rbe，
ri≈rbe (8- 8)
3） 放大器的输出电阻 ro
放大电路的输出端和负载相连 。 对负载来说,放大电路相当于一个有内阻的信号源 。 这个信号源的内阻便是放大器的输出电阻 。 由图 8- 20 可得放大电路的输出电阻：
ro=Rc (8- 9)
需要注意的是,ri和 ro都是放大电路的交流动态电阻,
它们是衡量放大电路性能的重要指标 。 一般情况下,要求输入电阻尽量大一些,以减小对信号源信号的衰减；输出电阻尽量小一些,以提高放大电路的带载能力 。
例 8.3 在图 8 -14（ a） 电路中,三极管 β=50,rbe=1kΩ,
Rb=300kΩ,Rc=3kΩ,RL=2 kΩ,求,
（ 1） 接入 RL前,后的电压放大倍数；
（ 2） 放大器的输入电阻,输出电阻 。
解：（ 1）Ｒ Ｌ 未接时,
RL接入后，
1 5 01350
be
C
u r
RA?
6061015 2350
be
L
u r
RA?
(2) ri≈rbe≈1 kΩ,ro=Rc=2 kΩ
该例题表明,接入负载 RL后,电压放大倍数下降。
8.4 放大电路的基本分析方法
（二） ——图解法应用三极管的输入,输出特性,通过作图的方法来分析放大电路的工作性能,称作图解法 。
一,放大电路无信号输入的情况如图 8- 15 的放大电路,当无信号输入时 （ 相当于输入端短路 ）,放大电路是直流通路 。 以 AB为分界线,把该放大电路直流通道的输出回路分为两部分,如图 8 -21(a)：
左侧是三极管,电压 UCE与电流 IC的关系是三极管的输出特性,如图 8 -21(b)所示；右侧是直流电源 UCC与电阻 Rc组成的支路,电流电压关系是一直线方程,U′CE=UCC-I′CRc；
用两点法可画出该直线 MN,其中 M0,UCCRc,N（ UCC 0） 。
图 8 –21 放大电路输出回路图解
I
C
/
m
A
4
3
2
1
0 4 8 12 16
U
c e
/ V
I
B
＝ 20? A
40? A
60? A
80? A
4
M
3
2
1
O 4 8 12 20
I
C
/
m
A
′
U
c e
/ V′
U
CC
R
c
U
CC
N
4
3
2
1
O 4 8 12 16
Q
I
C
/
m
A
U
c e
/ V
I
B
＝ 20? A
40? A
60? A
80? A
M
N
( a ) ( b )
( c ) ( d )
b
c
e
I
C
I
C
′
U
ce
U
ce
′
A
B
R
c
U
CC
＋
－
因左,右侧两部分共同组成了一个整体电路,流过同一电流,即 IC=I′C； AB端又是同一电压 Uce=U′ce,将图 8- 21
（ b） 和图 8 -21（ c） 合在一起,构成图 8- 21（ d） 。 输出特性曲线坐标中的直线 MN就称为放大器的直流负载线 。
直流负载线斜率：
|tanα|
RU
RU
ON
OM
CC
CCC 1/
静态工作点的确定：直流负载线 MN和 IB（ = ）
的交点 Q便是静态工作点 B
BECC
R
UU?
静态工作点 Q的坐标,即 Q（ UCE,IC）,反映了放大电路无信号输入时的直流值 。 这与前面用估算法求出的结果接近 。
二,放大电路有信号输入后的情况
1,输入回路基极电流 ib可根据输入信号电压 ui,从管子的输入特性上求得 。
设输入信号电压 ui=20sinωt mV,根据静态时 IB=40μA，
当送入信号后,加在 e,b极间的电压是一个在 （ 700± 20）
mV范围内变化的脉动电压 。 而基极电流 ib是一个在 20～
60 μA 范围内变化的脉动电流,该脉动电流由两个分量组成,即直流分量 IB和交流分量 ib。 交流分量的振幅是 20μA
（ 见图 8 -22） 。
图 8- 22放大器的图解分析
i
C
/ m A
2,9
2
1,1
0
t
i
C
/ m A
4
3
2
1
0
5 10 15 20 U
CE
/ V
0
5,5 10 14,5
u
CE
/ V
t
i
B
/ A
60
40
20
0
t
t
I
B
/ A
0
Q
Q ′
Q ″
U
B E
/ V
0
u
B E
/ V
0.
72
0.
70
0.
74
A
Q ′
Q
Q ″
B
60? A
40? A
20? A
I
B
＝ 0
2,不接负载电阻 RL时的电压放大倍数由基极电流 ib的变化,便可分析放大电路各量的变化规律,如图 8- 22所示 。 当基极电流在 20～ 60μA范围内变化时,放大器将在直流负载线上的 AB段工作 。 这时 iC与 uCE的波形如图 8 -22 所示,iC和 uCE均包含直流分量 IC,UCE。
uce的振幅为 4.5V,ic的振幅为 0.9 mA。 故放大器的电压放大倍数为
22 5
02.0
5.4
im
C E m
u U
UA
3,接入负载电阻 RL时的电压放大倍数从估算法中我们已知道,接入 RL后,总负载电阻是 Rc
与 RL并联后的等效电阻 R′L,这时应该确定新的负载线 。
新负载线与横轴反方向的夹角是：
α′= arctan (R′L=Rc∥ RL)
新的负载线称为,交流负载线,。
因为当输入信号为零时,放大电路工作在静态工作点
Q上,所以交流负载线必定要通过 Q点 。 根据交流负载线的斜率和一个已知点 Q的坐标,我们便可以将交流负载线 CD
画出 。 如图 8- 23 所示 。 从图中得 uce的振幅为 2.8V,所以图 8 -23交流负载线
I
C
/
m
A
4
3
2
1
0
4 8 12 16 20D
B
′
80? A
60? A
40? A
I
B
＝ 20? A
C
A
Q
U
CE
＝ 2,8 V
U
CE
/ V
14002.0 8.2uA
比不带载时的值小,这与估算法中的结果一致 。
三,电路参数对放大器工作的影响以上分析的放大电路,已假定有一个比较合适的静态工作点,因此,ic,uce的变化规律基本上和 ib,ube一致,放大电路的输出信号几乎没有波形失真 。 若静态工作点设置不合适,将会使输出信号产生严重失真 。 下面分别分析电路参数 Rb,Rc,UCC对放大器电路 （ 见图 8 -15)工作的影响 。
1,Rb
在其他条件不变时,如果 UCC,Rc不变,则直流负载线不变,改变 Rb时,IB= 改变,这就使静态工作点 Q沿直流负载线上下移动 。 当 Q点过高 （ Q′点 ） 或过低
（ Q″点 ） 时,ic将产生饱和或截止失真 。 ic失真,uce也对应失真,如图 8 -24 所示 。
2,Rc
若 Rb,UCC不变,改变 Rc也可得到不同的静态工作点,
如图 8 -25(a)所示 。 Rc增大,负载线斜率减小,工作点左移 ;
Rc减小,负载线斜率增大,工作点右移 。 当 Rc增大较多时,
Q点将移至 Q″,放大器进入饱和区而失去放大作用 。
b
BECC
R
UU?
图 8- 25 Rc,UCC与静态工作点的失真
I
C
O
U
CE
Q
Q ′
R
c
增大
I
C
O U
CE
U
CC
″ U
CC
U
CC
′
Q
Q ″
Q ′
( a ) ( b )
3,直流电源 UCC
其他参数不变,升高电源电压 UCC,直流负载线平行右移,Q点偏向右上方 （ 图 8 25(b)）,使放大电路动态范围扩大,但同时三极管的静态功耗也增大 。
综上所述,改变 Rb,Rc,UCC均能改变放大器的静态工作点 。 但由于采用调整 Rb的方法来调整静态工作点最为方便,因此在调整静态工作点时,通常总是首先调整 Rb。
另外还应注意到,即使 Q点选择合适,参数合理,倘若输入信号过大,输出信号也会产生失真 。
图 8 -24工作点选择不当引起的失真
i
c
′
i
c
″
O
O
I
C
i
b
′
i
b
″
Q ″
Q
Q ′
U
CE
O
8.5 工作点稳定的放大电路实用演 示电 路如图 8- 26 所示,当输 入信 号为
ui=20sinωtmV时,输出信号 uo在示波器上的波形为 sin
ωt V,放大电路正常工作 。 当温度升至 45℃ 时,uo波形失真 。
一,放大电路静态工作点的稳定如前一节所述,为了使放大电路正常工作,必须选择恰当的静态工作点,也就是合理地选取 Rb,Rc,UCC等参数 。
除了这些参数以外,当温度变化,电源电压波动时,放大电路的静态工作点也会受到影响而移动,致使放大器不能正常工作 。 要使放大电路正常工作,必须设法使静态工作点 Q稳定,即稳定直流工作状态的 IC,UCE等值 。
23
图 8- 26 固定偏置式共射放大电路
40 0 k?
20? F
u
i
＝ 20 s i n t m V
－ 16 V
4 k?
20? F
u
o
＋
＋
实践证明,造成静态工作点不稳定的因素中,温度变化是最重要的 。 这是因为三极管的特性参数 β,UBE,ICEO等都随温度的变化而变化 。 这些都会导致 IC变化而引起工作点不稳定 。
图 8- 26电路即是一基极偏流固定的电路,又称为固定偏置式共射放大电路 。 这种电路的基极偏置电流：
IB=
几乎不随温度变化 。 这种偏置电路虽然简单,但 IC的稳定性很差 。 当温度升高时,IC增大,导致放大电路不能正常工作 。 一般情况下,可以从电路结构上采取措施,如图 8
-27所示的电路是最常用的电路,称为分压式偏置放大电路 。
时）当 BECC
b
CC
b
BECC
B UUR
U
R
UUI (
图 8 –27 分压式偏置放大电路
R
b1
C
1
R
c C
2
＋ U
CC
I
B
I
C
R
e
R
L
I
1
u
i
I
2
R
b2
I
E
u
o
C
e
＋
＋
＋
b
三,工作点稳定的放大电路下面介绍分压式偏置放大电路 （ 见图 8 -27） 的特点 。
1,利用分压电阻 Rb1和 Rb2来固定基极电位 UB
如图 8 -27 所示,当 Rb1和 Rb2中流过的电流分别是 I1、
I2,且 I1=I2+IB时,若 I1>>IB,则 I1≈I2,所以基极电位是
CC
bb
b
B URR
RU?
21
2
(8 -10)
2,射极电阻 RE
Re的负反馈作用可以稳定静态工作点 。
因为 UBE=UB-IERe,所以,当集电极电流 IC因温度升高而增大时,该电路稳定工作点的过程如下：
t℃ ↑→IC↑→IE↑→UBE↓→IB↓→IC↓
在这一变化过程中,温度升高的效果就相当于基极有一个增量 ΔIB,由 ΔIB引起发射极电流增量 ΔIE。 ΔIE在 Re上建立的电压反馈到输入端,使 ΔIB减小,这种现象称为交流负反馈 。
Re既然有抑制 IE变化的作用,当有信号时,对 iE的交流分量也同样起抑制作用,使放大电路的放大倍数减小 。
为了克服这一缺点,在 Re两端并接电容 Ce,使 Ce对交流信号近似短路,不致因负反馈引起放大倍数减小 。 Ce称为射极旁路电容,其大小选择见经验值 。
3,关于电路参数的经验值对于图 8 27 所示的电路,
当 I1>>IB时,I1≈I2,UB≈
当 UB>>UBE时,IE≈
在这两个条件存在的情况下,UB,IE的大小只和电路参数有关,不随温度变化,与三极管的 β值也无关 。 I1,UB
愈大,电路工作点的稳定性愈好 。;
21
2
CC
bb
b
B URR
RU?
.
C
B
R
U
但需要提出的是,在实际电路中,I1,UB均不能太大 。
当 I1太大时 （ 即 Rb1,Rb2阻值太小时 ）,一方面由于 Rb1、
Rb2上功耗增大,另一方面 Rb1,Rb2对信号源分流作用加大,
致使电路的放大倍数降低 。
UB也不能太大 。 若 UB太大,UCE减小,电路动态工作范围会变小 。 通常,该电路的经验值是：
I1=（ 5～ 10） IB,UB=（ 3～ 5） V
锗管,I1=（ 10～ 20） IB,UB=（ 1～ 3） V
电容 Ce的容抗：
～
3
1(?
CX C
R)101
三,电路的静态工作点在分析图 8- 27 所示电路的静态工作点时,应先从计算 UB入手,按照 I1 >>IB的假定,可得到
CC
bb
b
B URR
RU?
21
2
e
BEB
E R
UUI
当 UB>>UBE时，可以近似地认为：
IC≈IE≈
C
B
R
U
从以上分析我们还看到一个现象：就是 IC的大小基本上与三极管的参数无关 。 因此,即使三极管的特性不一样,
电路的静态工作点 IC也没有多少改变 。 这在批量生产或常需要更换三极管的地方,很为方便 。
四,电压放大倍数的计算图 8 -27由于接入了旁路电容,因而此时的电压放大倍数和基本放大电路相同 。 即不带负载时
)()( eCCCCCeECCCE RRIURRIUU
be
C
r
RAu
带负载后
be
L
u r
RA
其中,R′L=Rc∥ RL。
8.6 射 极 输 出 器一,电路结构射极输出器的电路如图 8 -28 所示 。 从图中可以看出,
三极管集电极直接接到直流电源上,输出信号从发射极电阻两端引出,所以称作射极输出器 。 从该电路的微变等效电路
（ 图 8- 29） 上可以看到,集电极是输入回路和输出回路的公共端,所以又称为共集放大电路 。
二,射极输出器的特点
(1) 静态工作点稳定 。
从图 8- 28 的直流通路可得图 8 –28 射极输出器
R
b
C
1
C
2
＋ U
CC
I
C
R
e R
L
I
B
u
i
I
E
u
o
b
c
e
＋
＋
图 8 –29 射极输出器的微变等效电路
r
be
u
i
i
c
b
R
b
e
c
i
b
i
b
i
e
R
e
R
L
u
o
eEBEb
E
eEBEbBCC RIUR
IRIURIU
1
所以
)1/(
be
BECC
EC RR
UUII
cCCCCE RIUU
射极输出器中的电阻具有稳定静态工作点的负反馈作用,
这一点在 8.5节中已介绍,在此不再赘述 。
(2) 电压放大倍数近似为 1。 由图 8-29 微变等效电路可得
Uo=IeR′L=(1+β)IbR′L
其中 R′L=Re∥ RL。
Ui=Ibrbe+IeR′L=Ib [rbe+(1+β)R′L]
电压放大倍数为
(8- 18)
Lbe
L
i
u Rr
R
U
UA
)1(
)1(0
在 （ 8 -18） 式中,一般有 rbe(1+β)R′L,所以 Au≈1,而略小于 1。
Au略小于 1,表明输出电压幅度和输入电压近似相等；
Au＞ 0,说明输出电压和输入电压同相位 。 故射极输出器又称为射极跟随器 。
(3) 输入电阻高,输出电阻低 。
由图 8 -29 微变等效电路的输入端还可得出射极输出器
ri=Rb∥ ［ rbe+(1+β)R′L］ ≈Rb∥ (1+β)R′L (8- 19)
式中,(1+β)R′L是输出回路的 R′L折算到基极回路的等效电阻 。
通常 Rb阻值较大,约为几十千欧姆到几百千欧姆,同时
（ 1+β)R′L的值也大,所以射极输出器输入电阻高,可达几十千欧姆到几百千欧姆 。
射极输出器的电压 uo≈ui,当输入电压 ui一定时,输出电压 uo相当稳定 。 表明射极输出器有恒压输出特性,故射极输出器输出电阻很小 。 若不计信号源内阻时,输出电阻
ro
ro≈rbeβ (8- 20)
可见射极输出器有很小的输出电阻,一般 ro为几欧姆到几百欧姆 。 为了降低输出电阻值可选用 β值较大的三极管 。
三,射极输出器的应用射极输出器的特点是电压跟随,即输入电阻很大,输出电阻很小,电压放大倍数接近于 1而小于 1。
由于具有这些特点,射极输出器常被用作多级放大电路的输入级和输出级或作为隔离用的中间级 。
首先,可以利用它作为测量放大器的输入级 。 由于它具有输入电阻高,从信号源取用的电流小的特点,因而它可以提高测量精度并减小对被测电路的影响 。
其次,在利用射极输出器作为中间级时,其高输入阻抗对前一级影响很小；对后一级来说,因它的输出电阻低,
又有射极跟随性,在与输入电阻不高的共射放大电路配合时,既可保证输入相位不变,又可起到阻抗变换作用,从而提高多级放大电路的放大能力 。
第三,射极输出器输出电阻低,所以它带载能力强 。
若放大器的负载是一个变化的负载,在负载变化时,为了保证放大器的输出电压比较稳定,就要求放大器具有低输出电阻才行 。
这时,就可以用射极输出器作为放大器的输出级。
8.7 多级放大电路在实际工作中,为了放大微弱的信号,用一个三极管组成的放大电路,其电压放大倍数往往是不够的 。 为了达到更高的放大倍数,需要将若干个单管放大电路连接起来,
组成多级放大电路 。 为了保证信号在各级间不失真地逐级放大,还有些问题需要讨论 。
二,级间耦合方式在多级放大电路中,各级之间的连接方式叫级间耦合 。
常用的级间耦合有阻容耦合,直接耦合和变压器耦合 （ 见图 8 -30） 。
图 8- 30
(a) 阻容耦合； (b) 直接耦合； (c) 变压器耦合
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( c )
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( a )
A
1u i u o1 u i2 u o
( b )
A
2
所谓阻容耦合和变压器耦合,是指两级放大电路之间通过电容或变压器连接起来的方式 。 这两种耦合方式共同的优点是：由于电容器和变压器的隔离直流作用,各级的直流电路互不相通,因而每一级的静态工作点都是相互独立的,互不影响 。
这两种耦合方式的缺点是,① 不适合传送缓慢变化的信号； ② 在线性集成电路中几乎无法采用 。 直接耦合方式是指不经过电抗元件,把两级放大电路直接连接 。 这种耦合方式不仅能放大交流信号,也能放大直流或缓慢变化的信号 。 但是,直接耦合时各级直流通路互相沟通,各级静态工作点互相影响 。
直接耦合电路适宜集成化产品,它的应用领域已越来越大。
二,多级放大电路的电压放大倍数在多级放大电路中,前一级的输出电压就是后一级的输入电压,如图 8 -31 所示 。 所以,对两级放大电路,
电压放大倍数是
21
1
02
1
1
1
0
uu
Oi
O
u AAU
U
U
U
U
UA
同理,对 n级放大电路,
Au=Au1·Au2·…·Aun (8- 23)
可见，多级放大电路总的电压放大倍数，等于每一级电压放大倍数的乘积。
图 8 –31 计算多级放大电路放大倍数的方框图
A 2u i
u o1 u i n
A 1
u i2 u o2
… A n
u o
u o( n － 1)
必须指出的是,以上所指的每一级的电压放大倍数,
是已经把后一级的输入电阻作为前一级的负载时得出的,
因此它比每一级不带负载时的放大倍数要小 。
例 8.4电路如图 8-32所示,已知 rbe1=2kΩ,rbe2=1.2kΩ，
= =50,求多级放大电路的总电压放大倍数 。
1? 2?
图 8 –32 例题 8.4 电路
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( c )
A
1
A
2u
i
u
o1
u
i2
u
o
( a )
A
1u i u o1 u i2 u o
( b )
A
2
解：
第二级输入电阻第一级总负载电阻
kRR RRRRR
bb
bb
bbb 6.58.633
8.633//
2221
2221
22212
k
rR
rRRrr
beb
beb
bbei 12.16.5
2.16.5//
22
22
222
krR rRrRR
ic
ic
icL 94.0115
115//
21
21
211
第一级电压放大倍数再求第二级电压放大倍数,
第二级总负载电阻第二级电压放大倍数故总电压放大倍数
4.232 94.050
1
1
11
be
L
u r
RA?
KRR RRRRR
LC
LC
LCL 355.7
55.7//
2
2
22
1 2 52.1 350
2
2
22
be
L
u r
RA?
2 9 0 0)1 2 5(4.2321 uuu AAA
8.8 功 率 放 大 器电子设备中,常要求放大电路的输出级带动某些负载工作 。 例如,使仪表指针偏转,使扬声器发声,驱动自控系统中的执行机构等等 。 因而要求放大电路有足够大的输出功率 。 这种放大电路统称为功率放大器 。
一,对功率放大电路的一般要求我们前面介绍过的放大电路都是将输入信号放大的电压放大电路 。 对电压放大电路的要求是使负载得到放大的不失真的电压信号；对功率放大电路则主要要求它输出足够大的输出功率 。 对功率放大电路的一般要求是：
(1) 在电子元件参数允许的范围内,放大电路的输出电压和输出电流都要有足够大的变化量,以便根据负载的要求,
提供足够的输出功率 。
(2) 具有较高的效率 。
放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的 。 在输出功率较大的情况下,如果效率不高,不仅造成能量浪费,
而且消耗在电路内部的电能将转换为热量,使管子,元件等温度升高 。
(3) 尽量减少非线性失真 。
由于功率放大电路的工作点变化范围大,因此,输出波形的非线性失真问题要比小信号放大电路严重得多 。 应对这个问题特别注意 。
传统的功率放大电路和负载之间往往采用变压器耦合的方式,通过变压器的阻抗变换作用,实现阻抗匹配,使负载得到最大的输出功率 。 这种方法频率特性差,特别是因为不利于电路的集成化,故已逐渐废除 。 目前的功率放大电路主要采用无输出变压器的功放电路,这类电路称为
OTL型功率放大电路 。
二,OCL互补对称式功率放大电路 （ OCL电路 ）
1,电路和工作原理
OCL(Output Capacitor Less,无输出电容 )互补对称式功率放大电路,简称 OCL电路,如图 8- 33(a)所示 。
图 8 -33 OCL
(a) 电路； (b) 工作波形
u
i
R
L
＋
V
1
V
2
i
c1
U
E
i
c2
－
u
o
i
o1
i
o2
＋ U
CC1
－ U
CC2
u
i
t
i
c1
0
0
i
c2
t
t
t
t
0
i
o
u
o
0
0
( a )
( b )
电路中两只三极管,V1为 NPN型,V2为 PNP型,但两管材料和特性参数相同,特性对称 。 由 +UCC1和 -UCC2两个对称直流电源供电 。 该电路可以看成是两个复合的射极跟随器 。 下面分析电路工作原理 。
静态时：由于两管特性对称,供电电源对称,两管射极电位 UE=0,V1,V2均截止,电路中无功率损耗 。
动态时：忽略发射结死区电压,在 ui的正半周内,V1
导通,V2 截止 。 V1以射极输出器的形式将正方向的信号变化传递给负载 。 电流方向如图 8 -33(a)中实线箭头所示 。
最大输出电压幅度受 V1管饱和的限制,约为 +UCC1。
在负半周,V2导通,V1截止 。 V2以射极输出器的形式将负方向的信号变化传递给负载 。 电流方向如图 8- 33(a)中虚线箭头所示 。 最大输出电压幅度受 V2管饱和的限制,约为 -
UCC2。
如上所述,两个三极管的静态电流均为 0。 这种只在信号半个周期内导通的工作状态称为乙类工作状态 。
在图 8 -33(a)电路中,尽管两只三极管都只在半个周期内导通 （ 工作在乙类状态 ）,但它们交替工作,使负载得到完整的信号波形 。 这种形式称为,互补,。
图 8- 33 电路的特点是：电路简单,效率高,低频响应好,易集成化 。 缺点是：电路输出的波形在信号过零的附近产生失真 （ 见图 8- 33(b)） 。 由于三极管输入特性存在死区,在输入信号的电压低于导通电压期间,V1和 V2都截止,
输出电压为零,出现了两只三极管交替波形衔接不好的现象,故出现了图 8- 33（ b） 中的失真,这种失真称为,交越失真 。,
2.
在 OCL 电路中,每只三极管集电极静态电流为零,因而该电路效率高。
1） 输出功率 Po
当输入正弦信号时,每只三极管只在半周期内工作,
忽略交越失真,并设三极管饱和压降 UCES=0,在 Uom≈UCC
时输出电压幅度最大 。
Pom≈IoUo=
2
omomIU
式中,Iom为集电极交流分量电流最大值,Uom为三极管 c、
e极间交流电压最大值 。 或
LL
om
omom R
U
R
UUp om2
2
1
2
1
2）
直流电源送入电路的功率,一部分转化为输出功率,
另一部分则损耗在三极管中 。 OCL电路的效率为
E
O
P
P
其中,Po为电路输出功率,PE为直流电源提供的功率 。
每个直流电源只提供半波电流,其电流平均值是
L
CC
L
Om
OmE R
U
R
U
III
1112
0
每个直流电源提供的功率
L
CC
OCCE R
UIUP 21
两个直流电源提供的总功率
L
CC
EE R
UPP 222
OCL电路最高效率为
%5.78
42
2
1
2
2
L
CC
CC
E
om
R
U
R
U
p
P
这是 OCL电路在理想情况下 （ UCES = 0,Uom≈UCC） 的最高效率 。
三,OTL
OCL电路结构简单,但存在双电源供电的问题 。 所以在分立元件电路中常用单电源互补对称功放电路,
OTL(Out Transformer Less) 电路 。
OTL电路如图 8 -34 所示 。 它与图 8- 33 的 OCL电路相比,去掉了负电源,接入了一个隔直流的电容器 C。
静态时：调整 R1大小,由于三极管 V1,V2对称,可使
UE=UA=UCC/2。
动态时：输入信号 ui叠加在静态值 UA=UCC/2上 。
当 ui为正半周时,ui＞ UCC/2,V1导通,V2截止 。 输出回路电流路径为 UCC→V1→C→RL→公共端,电流方向如图 8 -34 中实线所示 。 此间电容器 C被充电,电容器充
UC=
当 ui为负半周时,UA＜ UCC/2,V2导通,V1截止,
输出回路由已充电的电容器放电来提供电流 。 电流路径为 C（ +） →V2→公共端 →RL→C（ － ） 。 电流方向如图
8 -34 中虚线所示 。
2
UCC2
图 8 -34 OTL电路
u
i
u
o
＋ U
CC
V
1
V
2R
2
R
1
A
R
L
C＋
U
E
i
c1
i
c2
RL在以上过程中获得完整的正弦电流 。
在上述过程中,V1导通时对电容器 C充电； V2导通时对电容器 C放电 。 要电容 C的容量选得足 够大,使电容充,放电时间常数远大于信号周期,那么在信号变化过程中,电容两端的电压就基本保持不变,电容器起到了电源的作用 。
四,功率放大电路的集成器件在功率放大电路方面,从元件到电路系统,目前都有品种繁多的集成功放器件可供选用 。
例如,单片集成功率晶体管 LM195便是单片集成功率晶体管中的一个典型产品 。 它比分立的功率晶体管具有更好的性能：它带有内部保护电路,且总电流放大倍数可达 106,基极驱动电流只需 3μA,可产生 1.8 A的集电极电流 。 又如,5G37集成功率放大器,内部是由两级直接耦合电路组成的功率放大电路,当电源电压为 6～ 20V时,
能向 8Ω负载提供 2～ 3W不失真功率 。 再如集成功放
LM384,可以经阻容耦合向 8Ω负载提供 5W输出功率 。
随着高科技的发展,集成电路器件已越来越广泛地应用于功率放大电路方面 。
