第4章晶体三极管及其基本放大电路ppt课件.ppt

模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic,第四章 晶体三极管及其基本放大电路,第四章 晶体三极管及其基本放大电路,4.1 晶体三极管,4.2 放大电路的组成原则,4.3 放大电路的分析方法,4.4 晶体管放大电路的三种接法,4.5 放大电路的频率响应,4.1 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.输入特性,2.输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数：、ICBO、ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论二,约小于0.5V时截止,约大于1V时饱和,以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，即电压传输特性。,4.2 放大电路的组成原则,一、基本共射放大电路的工作原理,二、如何组成放大电路,一、基本共射放大电路的工作原理,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。,VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。,Rc：将iC转换成uCE(uO)。,动态信号作用时：,输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。,共射,1.电路的组成及各元件的作用,2.设置静态工作点的必要性,输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！,为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？,三、基本共射放大电路的波形分析,输出和输入反相！,动态信号驮载在静态之上,与iC变化方向相反,要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！,二、如何组成放大电路,静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,1.组成原则,2.两种实用放大电路：（1）直接耦合放大电路,问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”,共地，且要使信号驮载在静态之上,静态时，,动态时，b-e间电压是uI与VCC的共同作用的结果。,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失,（2）阻容耦合放大电路,耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。,静态时，C1、C2上电压？,动态时，,C1、C2为耦合电容！,uBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。,讨论：试用PNP型管分别组成直接耦合和阻容耦合共射放大电路。,4.3 放大电路的分析方法,一、放大电路的直流通路和交流通路,二、等效电路法,三、图解法,一、放大电路的直流通路和交流通路,1.直流通路：Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路：大容量电容相当于短路；直流电源相当于短路（内阻为0）。,通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。,基本共射放大电路的直流通路和交流通路,列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQIBQ，可估算出静态工作点。,VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。,当VCCUBEQ时，,已知：VCC12V，Rb600k，Rc3k，100。Q？,阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,二、等效电路法,半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。,1.直流模型：适于Q点的分析,利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。,输入回路等效为恒压源,输出回路等效为电流控制的电流源,2.晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）,在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。,低频小信号模型,在低频、小信号作用下的关系式,交流等效模型（按式子画模型）,电阻,无量纲,无量纲,电导,h参数的物理意义,b-e间的动态电阻,内反馈系数,电流放大系数,c-e间的电导,分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？,简化的h参数等效电路交流等效模型,查阅手册,利用PN结的电流方程可求得,在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！,3.放大电路的动态分析,放大电路的交流等效电路,阻容耦合共射放大电路的动态分析,输入电阻中不应含有Rs!,输出电阻中不应含有RL!,三、图解法 应实测特性曲线,输入回路负载线,IBQ,负载线,1.静态分析：图解二元方程,2.电压放大倍数的分析,斜率不变,3.失真分析,截止失真,消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。,截止失真是在输入回路首先产生失真！,减小Rb能消除截止失真吗？,饱和失真,消除方法：增大Rb，减小Rc，减小，减小VBB，增大VCC。,Rb或或VBB,Rc或VCC,：饱和失真是输出回路产生失真。,最大不失真输出电压Uom：比较UCEQ与（VCC UCEQ），取其小者，除以。,讨论一：基本共射放大电路带负载情况下的静态分析和动态分析,为什么用图解法求解IBQ和UBEQ？,讨论二：电路如图,如何增大电压放大倍数？直流负载线和交流负载线？在Rb变化使Q点变化时，在不失真的情况下，电压放大倍数的数值如何变化？Uom可能如何变化？在Ui不变的情况下，Rb减小，Uo如何变化？Au如何变化？当Uo最大时，再减小Rb，会出现失真吗？在什么情况下，空载时输出电压失真，带上负载后不失真了？,不能将电子电路中动态参数的表达式看成纯数学式子，注意每个字母的物理意义！,增大，不可行！,增大时要适可而止！,增大，不一定行！,直流负载线和交流负载线,Uom=?Q点在什么位置Uom最大？,交流负载线应过Q点，且斜率决定于（RcRL）,4.4 晶体管放大电路的三种接法,一、静态工作点稳定的共射放大电路,二、基本共集放大电路,三、基本共基放大电路,四、三种接法的比较,一、静态工作点稳定的共射放大电路,所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。,若温度升高时要Q回到Q，则只有减小IBQ。,1.温度对静态工作点的影响,2、静态工作点稳定的典型电路,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,（1）电路组成,（2）稳定原理,为了稳定Q点，通常I1 IB，即I1 I2；因此,基本不随温度变化。,设UBEQ UBEUBE，若UBQ UBEUBE，则IEQ稳定。,Re 的作用：,T()ICUE UBE（UB基本不变）IB IC,Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。,关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。,Re有上、下限值吗？,（3）Q 点分析,分压式电流负反馈工作点稳定电路,Rb上静态电压是否可忽略不计？,判断方法：,（4）动态分析,利?弊?,无旁路电容Ce时：,如何提高电压放大能力？,3.稳定静态工作点的方法,引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数？,讨论一,图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？,若采用了措施，则是什么措施？,二、基本共集放大电路,1.静态分析,2.动态分析：电压放大倍数,故称之为射极跟随器,2.动态分析：输入电阻的分析,Ri与负载有关！,带负载电阻后,2.动态分析：输出电阻的分析（“加压求流法”）,Ro与信号源内阻有关！,3.特点：输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在一定条件下有电压跟随作用！,令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io,。,三、基本共基放大电路,1.静态分析,2.动态分析,3.特点：,输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！,四、三种接法的比较：空载情况下,接法 共射 共集 共基 Au 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 频带 窄 中 宽,讨论二：图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。,4.5 放大电路的频率响应,一、频率响应的有关概念,二、晶体管的高频等效电路,三、单管共射放大电路的频率响应,一、频率响应的有关概念,放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为频率的函数。在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频率的范围要求。,1.要研究的问题,2.高通电路和低通电路,（2）低通电路:信号频率越低，输出电压越接近输入电压。,使输出电压幅值下降到70.7%，相位为45的信号频率为截止频率。,（1）高通电路:信号频率越高，输出电压越接近输入电压。,3.放大电路中的频率参数,在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。,高通电路,低通电路,在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。,下限频率,上限频率,结电容,(1)模型的建立：由结构而建立，形状像，参数量纲各不相同。,gm为跨导，它不随信号频率的变化而变。,连接了输入回路和输出回路,二、晶体管的高频等效电路1.混合模型,（2）混合模型的单向化（使信号单向传递）,等效变换后电流不变,（3）晶体管简化的高频等效电路,？,2、电流放大倍数的频率响应,为什么短路？,（1）适于频率从0至无穷大的表达式,（2）电流放大倍数的频率特性曲线,（3）电流放大倍数的波特图:采用对数坐标系,采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为 单位为“分贝”（dB），使得“”“”。,lg f,注意折线化曲线的误差,20dB/十倍频,折线化近似画法,3.晶体管的频率参数,共射截止频率,共基截止频率,特征频率,集电结电容,通过以上分析得出的结论：低频段和高频段放大倍数的表达式；截止频率与时间常数的关系；波特图及其折线画法；C的求法。,讨论一,1.若干个放大电路的放大倍数分别为1、10、102、103、104、105，它们的增益分别为多少？2.为什么波特图开阔了视野？同样长度的横轴，在单位长度不变的情况下，采用对数坐标后，最高频率是原来的多少倍？,讨论二,电路如图。已知各电阻阻值；静态工作点合适，集电极电流ICQ2mA；晶体管的rbb=200，Cob=5pF，f=1MHz。试求解该电路中晶体管高频等效模型中的各个参数。,三、单管共射放大电路的频率响应,适用于信号频率从0的交流等效电路,中频段：C 短路，开路。,低频段：考虑C 的影响，开路。,高频段：考虑 的影响，C 开路。,1.中频电压放大倍数,带负载时：,空载时：,2.低频电压放大倍数:定性分析,2.低频电压放大倍数：定量分析,C所在回路的时间常数？,2.低频电压放大倍数：低频段频率响应分析,中频段,20dB/十倍频,3.高频电压放大倍数,低通电路,3.高频电压放大倍数：高频段频率响应分析,4.电压放大倍数的波特图,全频段放大倍数表达式：,5.带宽增益积：定性分析,fbw fH fL fH,当提高增益时，带宽将变窄；反之，增益降低，带宽将变宽。,5.带宽增益积：定量分析,若rbeRb、RsRb、，则可以证明图示电路的,对于大多数放大电路，增益提高，带宽都将变窄。要想制作宽频带放大电路需用高频管，必要时需采用共基电路。,约为常量,根据,讨论：如何利用Multisim求解频率响应,静态工作点,频率响应,首先分析静态工作点是否合适，然后利用“交流分析”获得频率响应。,