《晶体管放大器》课件

晶体管放大器电子工程核心组件，实现信号放大基于半导体物理原理，广泛应用于各类电子设备目录基础知识电路分析晶体管概述，工作原理及类型基本放大电路，参数与性能分析实践应用应用实例，实验测试，总结与思考晶体管发展简史11947年贝尔实验室肖克利、巴丁、布拉顿发明第一个晶体管21950年代开始商业化生产，逐步取代电子管31960年代硅晶体管技术成熟，成本下降，性能提升晶体管在现代电子中的地位电子设备核心集成电路基础信号处理关键从智能手机到航天器，几乎所有电子现代芯片内含数十亿个晶体管，支撑实现微弱信号放大，是信息捕获与传设备都依赖晶体管技术信息时代发展输的基础晶体管基本分类双极型晶体管BJT场效应管FET电流控制型，依靠少数载流子注入电压控制型，依靠电场效应型结型•NPN•JFET型绝缘栅型•PNP•MOSFET双极型晶体管结构介绍基区B极薄，控制电流发射区E高掺杂，提供载流子集电区C中等掺杂，收集载流子晶体管的三端定义发射极E主要电流提供端基极B控制端，电流很小集电极C输出端，接负载晶体管晶片制造工艺简述硅片准备单晶硅切片，抛光清洗掺杂区形成扩散或离子注入工艺切割分离晶粒切分封装测试引线连接，塑封或金属壳晶体管符号与电路标识元件电路符号特征型箭头向外最常用NPN型箭头向内极性相反PNP垂直结构高输入阻抗JFET带绝缘层功耗低MOSFET晶体管的主要参数值βBVCEO Ptot电流放大倍数，通集电极发射极击最大功耗，热设计-常为穿电压关键50-300ft转折频率，高频性能指标晶体管简单物理模型电子空穴运动载流子运动是信号放大基础两个PN结结正偏，结反偏BE BC耗尽区形成反偏结形成势垒结的电流传输机制PN基极电流与集电极电流关系β

0.7V放大倍数BE结压降电流放大硅管结导通电压β=Ic/Ib BE50-300典型范围β随工艺和型号变化晶体管的输入、输出特性曲线的三种工作状态BJT截止状态放大状态结反偏，基本无电流，相结正偏、结反偏，BE BE BC当于开关断开Ic=βIb，线性区饱和状态结和结都正偏，相当于开关闭合BEBC截止与饱和状态下的典型电流分布截止状态饱和状态较大Ib≈0Ib接近最大Ic≈0Ic仅有微小漏电流不再随变化Ic IbVce≈Vcc Vce≈

0.2V静态工作点的选择与稳定Q点意义温度影响负载线确定放大器静态工作状态升温导致β增大，Q点上移连接饱和点与截止点的直线直流偏置电路的基本作用适应电源变化提供温度稳定维持稳定工作状态确立Q点减少参数漂移影响建立合适的静态工作点阻容耦合放大电路原理图偏置网络耦合电容建立点，提供直流通路传输交流信号，阻断直流Q负载电阻旁路电容输出信号形成处发射极电阻旁路，提高增益共射极放大电路分析高增益电压增益通常达倍10-200信号反相输出信号相位反转180°中等阻抗输入阻抗，输出约1-10kΩ10kΩ共基极放大电路特性无电流增益电流增益，约为α

10.98低输入阻抗输入阻抗仅几十欧姆高输出阻抗输出阻抗高达数十千欧良好高频特性效应小，适合高频应用Miller共集电极放大电路（射极跟随器）电压增益接近1输出电压跟随输入变化高输入阻抗典型值可达数百千欧低输出阻抗通常几十欧姆各种电路的优缺点对比电路类型电压增益输入阻抗输出阻抗相位共射极高中中反相共基极中高低高同相共集电极约高低同相1放大电路的交流等效模型混合π模型T模型最常用小信号模型另一种常用模型•输入端rπ•基于三个电阻输出端无需跨导参数•ro••控制源gmVπ•直观理解物理结构交流小信号参数推导放大倍数的测算方法1确定gm值，约gm=IC/VT VT26mV2计算rπ值rπ=β/gm3分析负载影响计入所有并联电阻4计算电压增益Av=-gm·rc||RL输入电阻与输出电阻计算放大带宽的影响因素晶体管特性耦合电容分布电容负反馈值限制高频响应影响低频截止点决定高频截止点可扩展带宽ft频率响应的截止频率低频截止点中频区域高频截止点耦合电容形成高通滤波增益平坦，相位稳定分布电容形成低通滤波放大电路中的相移中频相移低频相移共射极12180°耦合电容引起，接近90°共基极共集电极/0°总相移高频相移43各阶段相移叠加分布电容引起，接近90°多级放大电路结构第一级低噪声，匹配信号源中间级提供主要增益输出级功率放大，匹配负载直接耦合与阻容耦合比较阻容耦合直接耦合变压器耦合优点简单、成本低优点良好低频响应优点阻抗匹配好缺点低频响应差缺点直流漂移问题缺点体积大、频带窄应用一般音频放大应用直流放大器应用功率放大器放大电路中的负反馈应用稳定增益扩展带宽减少器件参数变化影响提高高频截止点改善阻抗降低失真提高输入阻抗，降低输出阻抗减少非线性导致的谐波直流偏置的五种常见方式固定偏置结构简单，温度稳定性差分压偏置最常用，温度稳定性好集电极反馈偏置负反馈提高稳定性发射极偏置良好温度稳定性温度漂移与补偿技术热问题源头值随温度变化，每℃约增加β106%稳定电路设计大发射极电阻提供负反馈热敏元件补偿热敏电阻补偿温度变化NTC配对元件应用差分对结构消除共模变化晶体管的失真分析失真类型失真原因截止失真值非线性••β饱和失真工作点不当••非线性失真信号幅度过大••改善措施合理选择点•Q适当负反馈•控制信号幅度•大信号与小信号模型对比小信号模型大信号模型适用于线性放大适用于开关电路信号振幅小于热电压考虑非线性特性参数可线性化包含饱和和截止效应常用混合模型常用模型πEbers-Moll实用放大器参数说明最关键指标增益稳定性和带宽信号质量指标比、、S/N THDIMD能量相关指标效率、功耗、最大功率环境敏感度4温度系数、长期稳定性放大器参数测试方法增益测试输入已知信号，测量输出与输入比值频率响应2扫频测试，绘制波特图阻抗测量输入端开路短路测试法/失真分析频谱分析仪测量谐波分量集成晶体管放大器的发展分立元件时代各元件独立封装，体积大混合集成多元件整合，尺寸缩小单片集成所有元件同一芯片，性能优化高度集成专用功能模块，易于使用晶体管在音频放大中的应用晶体管在无线通信中的应用射频放大混频器振荡器提升微弱信号强度实现频率转换产生载波信号天线放大改善接收灵敏度晶体管放大器在数据采集领域应用传感器前置放大信号调理电路放大微弱传感器输出信号提供滤波和电平转换热电偶信号共模抑制••应变片输出线性化处理••光电探测器偏置补偿••检测与控制信号处理中的放大需求信号检测信号调理将微弱信号放大到可测量水平滤波整形，增强信噪比驱动控制信号转换驱动执行器所需功率放大电平匹配与阻抗变换晶体管选型与实际电路设计注意事项1性能参数匹配选择符合要求的频率、功率参数2热设计考虑散热器，避免热失控3电源抑制比减小电源纹波影响4布局布线减小寄生电容，防止自激晶体管放大器实验装置介绍信号发生部分放大电路部分函数信号发生器各类放大电路模块••频率调节旋钮可更换元件插座••幅度调节旋钮测试点引出端••测量分析部分示波器连接端•频谱分析仪•数字万用表•实验共射极放大电路的测量连接电路按照实验指导书连接各元件测量静态参数用万用表测量各点直流电压动态信号测试输入小信号，示波器观察波形计算分析计算增益并与理论值对比常见故障分析与排查方法故障现象可能原因排查方法无输出信号元件损坏更换晶体管输出失真偏置不当调整偏置电阻自激振荡反馈过强增加隔离或减小反馈增益过低负载过重检查负载匹配课堂知识点回顾基础知识晶体管结构，工作原理，基本参数电路分析各种放大电路，工作原理，参数计算实践应用选型设计，测试方法，故障排除结束与思考技术发展趋势新兴应用领域集成化程度提高通信5G功耗持续降低人工智能芯片新材料应用（、）智能传感器网络SiC GaN高精度仪器仪表。