放大器非线性失真研究论文

三极管的工作状态与应用论文【1】

摘 要：半导体三极管是电子电路的重要元件，它在不同的外部条件下表现出不同的工作状态，从而具有多种不同的功能，因此得到了广泛的应用。

本文主要阐述了三极管的工作状态及其在不同状态下的应用。

关键词：三极管 工作状态 应用

半导体三极管是电子电路的重要元件，它在不同的外部条件下表现出不同的工作状态，从而具有多种不同的功能，因此得到了广泛的应用。

1 三极管的工作状态

三极管在电路中一般表现出三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。

截止状态

当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压时，基极电流为零，三极管处于截止状态。

实际上为了使三极管可靠地截止，常使UBE≤0，此时发射结和集电结均处于反向偏置状态，[1]集电极和发射极之间相当于开关的断开状态。

放大状态

当三极管的发射结正向偏置，且加在发射结的电压大于PN结的导通电压，集电结反向偏置时，三极管处于放大状态。

这时基极电流的微小变化，会引起集电极电流的较大变化，三极管具有电流放大作用。

饱和状态

当三极管的发射结正向偏置，且加在发射结的电压大于PN结的导通电压，集电结也正向偏置时，三极管处于饱和状态。

这时基极电流较大，集电极电流也较大，但集电极电流不再随着基极电流的变化而变化，三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，相当于开关的导通状态。

2 三极管不同状态下的应用

三极管放大状态下的应用

三极管处于放大状态时具有电流放大作用，利用这一特点，三极管常用在模拟放大电路中。

三极管对小信号实现放大作用时，基本放大电路有三种不同的连接方式：共发射极接法、共基极接法和共集电极接法。

在共发射极接法中，常用的放大电路有固定式偏置电路、分压式偏置电路和带有射极电阻的固定式偏置电路。

固定式偏置电路静态工作点不太稳定，受温度的影响，输出信号容易产生失真，故在实际中常采用分压式偏置电路以稳定静态工作点。

电路如图1所示。

共发射极接法放大电路因其电压放大倍数比较高，而得到广泛的应用，在多级放大电路中，多用作中间级。

在共集电极接法中，负载接在发射极，输出电压从发射极输出，因此，叫射极输出器。

因输出电压与输入电压同相，输出信号跟随输入信号的变化而变化，因此，射极输出器又称为射极跟随器或电压跟随器。

射极跟随器的电压放大倍数略小于1，没有电压放大作用，但有一定的电流放大作用和功率放大作用。

在多级放大电路中，射极输出器作为输入级可减轻信号源的负担，作为输出级可提高放大电路的带负载能力，作为中间级起阻抗变换作用，使前后级共发射极放大电路阻抗匹配，实现信号的最大功率传输。[2]

在共基极接法中，交流信号从发射极输入，从集电极输出。

该电路没有电流放大作用，但具有电压放大作用，而且其频率特性比较好，一般多用于高频或宽频带放大电路及恒流源电路。

三极管截止和饱和状态下的应用

三极管处于截止状态时相当于开关的断开状态，处于饱和状态时相当于开关的导通状态，利用这种开关特性，三极管常用在数字电路中。

在稳定状态下，三极管只能工作在饱和区或截止区，它的输出端要么处于高电位，要么处于低电位，即要么有信号输出，要么无信号输出。

实际应用时，由于三极管需要频繁地在断开和闭合状态之间进行切换，因此为了提高开关速度，常使三极管工作在浅饱和区状态。

三极管的开关特性常见的具体应用有：用于彩色电视机、通信设备的开关电源;用于驱动电路，驱动发光二极管、蜂鸣器、继电器等器件;用于彩色电视机行输出管;用于开关电路、高频振荡电路、模数转换电路、脉冲电路、低频功率放大电路、电流调整等;在冶金、机械、纺织等工业自动控制系统中，光电开关可作指示信号，指示加工工件是否存在或存在的位置。[3]

开关三极管因其寿命长、安全可靠、没有机械磨损、开关速度快、体积小等特点，得到越来越广泛的应用。

掌握了三极管的各种工作状态，了解了三极管的基本应用，在分析和设计更复杂电路时，就能灵活运用。

参考文献

[1] 袁明文，谢广坤.电子技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013：11.

[2] 李仁华，冯�.电子技术[M].北京：北京理工大学出版社，2010：44.

[3] 于敏，李闽.三极管开关特性探讨[J].硅谷，2012(1)：24.

晶体三极管在不同工作状态下的应用【2】

【摘 要】本文提出了晶体三极管的在不同工作状态下的分类和特性，并指出如何根据晶体三极管的不同工作状态时的作用进行实际应用，从而增强学生对晶体三极管的工作状态的了解，提高学生分析和解决问题的能力。

【关键词】非线性器件;导通角;正向偏置;反向偏置

1.引言

晶体三极管是电子电路中非常重要的元器件，每一种电子电路几乎都离不开它。

它是一种非线性器件，在不同的外部条件下会呈现出不同的工作状态。

在实际应用时，可根据它的不同工作状态应用到不同的电子电路中，从而有效地发挥它的作用。

为了更好地在电路中发挥晶体三极管的作用就要掌握不同工作状态下它的分类和特性，这样不但有利于很好地应用晶体三极管，而且有利于学习和掌握电路的基本知识，这样在分析和设计电路时就会得心应手，避免出现错误。

2.晶体三极管在不同工作状态下的分类

晶体三极管是有源器件，它在电路中工作时，要在它发射结和集电结施加不同的偏置电压。

而根据它的基极和集电极偏置电压的不同，晶体三极管呈现不同的工作状态。

此时可把晶体三极管的工作状态划分成不同的区域。

即如果发射结正向偏置、集电结反向偏置，晶体三极管工作在放大区;如果发射结正向偏置、集电结正向偏置，晶体三极管工作在饱和区，如果发射结反向偏置或零偏、集电结反向偏置，晶体三极管工作在截止区。

晶体三极管工作在饱和区和放大区时都说明它是导通的，放大器在信号的一个周期内的导通情况可用导通角来衡量。

放大器的导通角用θ来表示，定义为晶体三极管一个信号周期内导通时间乘以角频率ω的一半。

根据放大器导通角的不同可晶体三极管放大器分为甲类、乙类、丙类、丁类等放大器。

3.各类放大器的特性和应用

甲类放大器

当晶体三极管放大器的静态工作点设置在放大区时，即发射结正向偏置、集电结反向偏置时，放大器工作在放大状态。

此时，在输入信号的整个周期内，晶体三极管都是导通的`，导通角θ为1800，此时晶体三极管放大器称为甲类放大器。

其工作波形如图a所示。

它的工作特性是：静态工作点电流比较大，非线性失真小、管耗大、效率低、输出功率小。

甲类放大器有电压放大的作用，可应用到电压放大和小功率放大电路中。

另外由于它的失真小，所以在宽带功率放大器中，晶体三极管也工作在甲类状态，但由于它的效率低、输出功率小，不能满足功率放大器对输出功率的要求，所以常采用功率合成技术，实现多个功率放大器的联合工作，获得大功率的输出。

乙类放大器

当晶体三极管放大器的静态工作点设置在截止区时，如果信号为正时三极管导通，信号为负时三极管截止。

即三极管在信号的半个周期导通，导通角θ为900，此时放大器为乙类放大器，它放大的信号缺少半个周期，是失真的。

但是在乙类互补推挽放大电路中，用两个互补的三极管轮流推挽导通就可以弥补这种失真的不足，从而输出完整的信号波形，电路如图b所示。

乙类放大器由于管耗小，效率大大提高。

甲乙类放大器

在实际功率放大电路中，由于晶体三级管发射结存在导通压降，所以在乙类互补功率放大器中，由于V1、V2管没有基极偏流，静态时两个管的发射结偏置电压为零。

当输入信号小于晶体管的死区电压时，管子仍处于截止状态。

因此，在输入信号的一个周期内，两个晶体三极管轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真。

即在两管输出波形的交接处存在失真，这种失真称为“交越”失真。

这时需要在两个晶体三极管的基极加上等于发射结导通压降的电压，使两个晶体三极管均处在微导通状态，两管轮流导通时，交替得比较平滑，这样就消除了交越失真。

电路如图c所示。

丙类放大器

当导通角θ小于900时，晶体三极管放大器称为丙类放大器。

丙类放大器又因工作状态的不同可分为欠压、临界和饱和三种工作状态。

当放大器工作在放大区和截止区时为欠压状态，如果晶体三极管工作刚好不进入饱和区时，则称为临界工作状态。

晶体三极管工作进入饱和区时为过压状态。

三种状态时集电极输出的波形分别为尖顶余弦脉冲、略微平缓的余弦脉冲和顶端凹陷的余弦脉冲。

由于这几种余弦脉冲都可以分解出基波分量和各次谐波分量，又由于谐振回路具有滤波作用，晶体三极管放大器的输出电压仍为没有失真的余弦波形。

所以丙类放大器可和谐振回路共同构成丙类谐振功率放大器或丙类倍频器。

丙类放大器工作在欠压状态时，放大器输出功率小，管耗大，效率低。

工作在过压状态时，放大器输出功率较大，管耗小，效率高。

工作在临界状态时，放大器输出功率大，管耗小，效率高。

丁类放大器

丙类放大器可以通过减小电流导通角θ来提高放大器的效率，但是为了让输出功率符合要求又不使输入激励电压太大，导通θ就不能太小，因而放大器效率的提高就受到了限制。

丁类放大器的导通角也是900，但是丁类放大器工作在饱和或截止状态。

由于三极管工作在饱和状态时集电极电流ic最大，但集电极和发射极之间的电压uce最小。

三极管工作在截止状态时集电极电流ic最小，但集电极和发射极之间的电压uce最大。

所以丁类放大器在工作时，ic和uce的乘积最小，理想情况下它们的乘积可接近于零。

在积分区间不变时，即导通角θ不变时，ic和uce的乘积越小，晶体管集电极的耗散功率起小，晶体管放大器集电极的效率就越高，输出功率就越大。

因此，在这两种状态时集电极损耗很小，三极管的效率高，即丁类放大器的效率比丙类放大器要高。

振荡电路中的放大器

晶体三极管放大器在具体电路中应用时，可以不单单间工作在一种工作状态。

有时会根据电路的要求，在设计时，当电路中的输入信号发生变化时，放大器的工作状态也发生变化，从而满足电路的实际要示。

比如在振荡电路中，起振时，电路工作于小信号状态，即三极管工作在甲类状态，因此可将振荡电路作为线性电路来处理，用小信号等效电路求出振荡环路的传输系数。

随着振荡幅度的增大，输入信号的幅度也越来越大，放大器的工作由线性状态进入非线性状态，再加上电路中偏置电路的自给偏压效应，使得晶体管的基极偏置电压随着输入信号的增大而减小，这样使三极管的工作状态进入乙类或丙类非线性工作状态，相应的放大倍数随之减小，直到振荡进入平衡状态。

在振荡电路的起振到平衡的过程中，电路由小信号工作到大信号工作，放大器的工作状态也由甲类、乙类过渡到丙类，从而满足了振荡电路对放大器的要求。

这正是放大器各种工作状态的很好的应用。

4.结束语

总之随着放大器的进一步研究和应用，其分类也越来越多，应用也越来越广泛。

现在又出现了效率比丁类放大器还高的戊类放大器。

在实际电路中，要根据电路对放大器的要求来选用放大器的不同状态。

比如电压放大时要求电压放大倍数要高，就要选用电压放大器。

功率放大时就要选择功率放大倍数高的功率放大器。

在输入信号频率不同时，还要考虑电路中的参数与信号频率的关系。

只有掌握了放大器的各类状态，才能很好地把知识应用到实际电路中。

参考文献：

[1]胡宴如.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2004：95-97.

[2]胡宴如.高频电子线路[M].高等教育出版社，2004：35-37，65-66.

放大电路输出信号电压的幅度受到饱和区和截止区的限制。在给定电路参数的条件下，输出电压不产生明显失真时的幅值称为最大输出幅度，常用峰值或峰～峰值来表示。受饱和区的限制，输出电压的最大幅度只能达到（UCEQ -UCES），受截止区的限制，最大输出电压幅度只能达到IC。因此，实际能达到的输出电压的最大幅度只能为（UCEQ - UCES）与IC 中较小值的二倍（峰-峰值）。静态工作点的设置对最大输出幅度有很大的影响。，要想获得较大的输出幅度，应把Q点设置在交流负载线的中点附近。 晶体管工作在非线性区所引起的失真称为非线性失真。产生非线性失真的原因来自两个方面：一是晶体管特性的非线性；二是Q点设置不合适或输入信号过大。表明因Q点选择的过高或过低而导致在输入信号部分时间内，晶体管进入饱和区或截止区而产生的失真，分别称为饱和失真和截止失真。为了避免瞬时工作点进入截止区而引起截止失真，则应使：IC≥ICm +ICEO GS0218为了避免瞬时工作点进入饱和区而引起饱和失真，则应使：UCE≥Uom+ UCES GS021 无线通信业务的多媒体化是其未来发展的方向之一，而多媒体业务要求有高速的数据传输来支撑，因此宽带传输是无线通信发展的必然趋势。正交频分复用OFDM(0rthogonM Frequency Division Multiplexing)技术可以有效地对抗信号波形间干扰，具有优异的抗噪声性能和抗多径衰落的能力，频谱利用率高，适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中高速传输数据。OFDM技术凭借其固有的对抗时延扩展的能力和较高的频谱利用率迅速成为研究的焦点．成为下一代无线通信的核心技术。众所周知，OFDM信号具有很高的峰均功率比，对高功率放大器HPA(High Power Amplifier)的线性度要求很高，否则就会产生非线性失真，造成频谱扩展以及带内信号畸变，使系统的性能恶化，因此必须对系统的非线性失真进行抑制。本文提出了一种将部分传输序列PTS(Partial Transmlt Sequences)与递归最小二乘法RLS(Recursive Least Squares)相结合的失真补偿技术，可以有效地减小高功率放大器的非线性失真。 2．1 部分传输序列部分传输序列（PTS）先将每个OFDM符号分为V个子块，给每个子块乘上一个相位因子，再对X′(k)进行IFFT运算，得到x′(n)。相位因子bi的选取应使x′(n)的峰均功率比最低。2．2 自适应补偿因此，幅度预失真通过对HPA的AM/AM特性曲线求逆实现，相位预失真则通过从原始信号的相位中减去HPA的AM/PM响应实现。 考虑子载波数N=256的OFDM系统，子载波采用16QAM调制，PTS分块数V=4，相邻分割方式，采用4倍过采样产生OFDM时域信号，δ=0．004，λ=l，ωA(O)=0，ωP(0)=0。在通信系统中，预失真性能通常与多径衰落无关，因此假设信道为理想的加性高斯白噪声信道，不存在符号间干扰，收发端时钟精确同步。其中，Pmax表示放大器的最大输出功率，Po表示放大器输出信号的平均功率。图2给出了不同的输出功率回退条件下，无预失真和有预失真时接收端的信号星座图。从中可以看出，预失真可以有效地补偿功率放大器引起的非线性失真(图2(a)、(b))。同时也可看到，随着输出功率回退的减小，高功率放大器进入了限幅区，这时，即使预失真也无法完全消除功率放大器引入的非线性失真(图2(c)、(d))。在OBO=4．5dB时，有，无预失真系统的误比特率曲线如图3所示。要使高功率放大器最有效地工作，需要在放大器最大输出功率与OFDM信号最小非线性失真之间进行折中，为此，定义系统的总退化TD(TotalDegTadation)为：其中，Eb/No（HPA）表示在特定的误码率条件下，使用非线性功率放大器时所需的摄低Eb/No；Eb/No(AWGN)表示在相同的误码率条件下，不使用菲线性功率放大器对所需的最低Eb/No。系统总退化随输出功率回退的改变而改变，存在一个最小值，对应的OBO值称为最优功率回退，其值通常用来评估失真补偿算法性能的好坏。

用于精确的光频传输,例如用于光学时钟的远距离比较 双向放大器对于在长距离光纤链路上传输超稳定的光频必不可少,它们可以补偿光损耗,大约每100千米20 dB。由德国联邦物理技术研究院(PTB)开发的布里渊光纤放大器支持这种双向操作,增益高达45 dB,并已成功安装在布伦瑞克和巴黎之间的国际光纤链路中。