双极型三极管及放大电路.ppt

4.1 半导体三极管,4.3 放大电路的分析方法,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,4.2 共射极放大电路的工作原理,4.6 组合放大电路,4.7 放大电路的频率响应,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.1 半导体三极管,4.1.1 BJT的结构简介,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,4.1.3 BJT的VI特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.1.1 BJT的结构简介,(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管,4 双极结型三极管及放大电路基础,BJT外形图,4 双极结型三极管及放大电路基础,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和 PNP型。,(a)NPN 型管结构示意图,4 双极结型三极管及放大电路基础,(b)PNP 型管结构示意图,(c)NPN 管的电路符号,(d)PNP 管的电路符号,集成电路中典型NPN型BJT的截面图(了解),4 双极结型三极管及放大电路基础,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。,放大状态下BJT的工作原理,发射结正偏,4 双极结型三极管及放大电路基础,1.内部载流子的传输过程,（以NPN为例）,发射区：发射载流子,外部条件：,集电结反偏,集电区：收集载流子,基区：传送和控制载流子,由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(Bipolar Junction Transistor)。,IC=InC+ICBO,IE=IB+IC,2.电流分配关系,根据传输过程可知,IC=InC+ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+IC,(放大状态下BJT中载流子的传输过程),即,则有,4 双极结型三极管及放大电路基础,根据,IE=IB+IC,IC=InC+ICBO,且令,又设,4 双极结型三极管及放大电路基础,3.三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,（BJT的三种组态）,4 双极结型三极管及放大电路基础,（图b）,（图a）,（图c）,4.放大作用,电压放大倍数,vO=-iC RL=0.98 V，,4 双极结型三极管及放大电路基础,（共基极放大电路）,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。,4 双极结型三极管及放大电路基础,实现这一传输过程的两个条件是：,（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。,（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,共射极连接,4.1.3 BJT的 V-I 特性曲线,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。,(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1.输入特性曲线,（以共射极放大电路为例）,4 双极结型三极管及放大电路基础,2.输出特性曲线,4 双极结型三极管及放大电路基础,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般 vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏、集电结正偏或反偏电压很小。,输出特性曲线的三个区域:,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压，或发射结反偏、集电结反偏。,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏、集电结反偏。,1.电流放大系数,4.1.4 BJT的主要参数,（2）共发射极交流电流放大系数,4 双极结型三极管及放大电路基础,=IC/IBvCE=const,（3）共基极直流电流放大系数,（4）共基极交流电流放大系数,4 双极结型三极管及放大电路基础,=IC/IEvCB=const,2.极间反向电流,（1）集电极基极间的反向饱和电流 ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱 和电流。,4 双极结型三极管及放大电路基础,（2）集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO,ICEO与ICBO关系,（1）集电极最大允许电流 ICM,（2）集电极最大允许功率损耗 PCM,PCM=ICVCE,3.极限参数,4 双极结型三极管及放大电路基础,（3）反向击穿电压,V(BR)CBO 发射极开路时的集电结 反向击穿电压。,V(BR)EBO 集电极开路时发射结的反 向击穿电压。,V(BR)CEO 基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,（1）温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO约增加一倍。,（2）温度对 的影响,温度每升高1，值约增大0.5%1%。,（3）温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,1.温度对BJT参数的影响,4 双极结型三极管及放大电路基础,2.温度对BJT特性曲线的影响,（1）对输入特性的影响,温度升高时，BJT共射极连接时的输入特性曲线将向左移，,vBE随温度变化的规律与二极管正向导通电压随温度变化的规律一样，即温度每升高10C，vBE 减小2mV2.5mV。,（2）对输出特性的影响,温度升高时，BJT的ICBO、ICEO、b 都将增大，结果导致BJT的输出特性曲线向上移动，而且各条曲线间距离加大。,T2 T1,这说明在 iB 相同的条件下，vBE将减小。,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.2 共射极放大电路的工作原理,4.2.1 基本共射极放大电路的组成,（基本共射极放大电路）,4 双极结型三极管及放大电路基础,基本共射极放大电路的工作原理,1.静态(直流工作状态),输入信号vi0 时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。,（直流通路）,VCEQ=VCCICQRc,4 双极结型三极管及放大电路基础,（交流通路）,2.动态,输入正弦信号 vs 后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.3 放大电路的分析方法,4.3.1 图解分析法,4.3.2 小信号模型分析法,1.静态工作点的图解分析,2.动态工作情况的图解分析,3.非线性失真的图解分析,4.图解分析法的适用范围,1.BJT的H参数及小信号模型,2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,3.小信号模型分析法的适用范围,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.3.1 图解分析法,1.静态工作点的图解分析,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,（共射极放大电路）,4 双极结型三极管及放大电路基础,首先，画出直流通路,列输入回路方程,4 双极结型三极管及放大电路基础,（直流通路）,1.静态工作点的图解分析,4 双极结型三极管及放大电路基础,4 双极结型三极管及放大电路基础,根据 vs 的波形，在 BJT的输入特性曲线上画出vBE、iB的波形。,2.动态工作情况的图解分析,2.动态工作情况的图解分析,根据 iB 的变化范围，在输出特性曲线上画出iC和vCE的波形。,4 双极结型三极管及放大电路基础,共射极放大电路中的电压、电流波形,4 双极结型三极管及放大电路基础,4 双极结型三极管及放大电路基础,3.静态工作点对波形失真的影响,即 工作点靠下，会出现截止失真的波形,即 工作点靠上，会出现饱和失真的波形,4 双极结型三极管及放大电路基础,故Q点应选在直线的中央（稍靠下）,4.图解分析法的适用范围,幅度较大而工作频率不太高的情况,优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。,缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.3.2 小信号模型分析法,1.BJT 的H参数及小信号模型,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,4 双极结型三极管及放大电路基础,H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE)vCE=const,可以写成：,iC=f2(iB，vCE),vBE=f1(iB，vCE),iC=f(vCE)iB=const,4 双极结型三极管及放大电路基础,输出端交流短路时的输入电阻；,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端交流开路时的反向电压传输比；,输入端交流开路时的输出电导。,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,4 双极结型三极管及放大电路基础,H 参数小信号模型,根据,可得小信号模型,（BJT的H参数模型）,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,4 双极结型三极管及放大电路基础,H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与工作点有关，在放大区基本不变。H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,受控电流源hfeib，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。,4 双极结型三极管及放大电路基础,小信号模型的简化,hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。,BJT在共射连接时，其H参数的数量级一般为,4 双极结型三极管及放大电路基础,H参数的确定,一般用测试仪测出；,rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。,rbe=rbb+(1+)re,其中对于低频小功率管 rbb200,4 双极结型三极管及放大电路基础,（适用范围为 0.1mAIE5mA）,2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（1）利用直流通路求Q点,（共射极放大电路）,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,4 双极结型三极管及放大电路基础,（2）画小信号等效电路,（H参数小信号等效电路）,4 双极结型三极管及放大电路基础,在交流通路基础上画小信号等效电路,（3）求放大电路动态指标,根据,则电压增益为,（可作为公式）,电压增益,（H参数小信号等效电路）,vi=ib(Rb+rbe),ic=ib,vo=-ic(Rc/RL),4 双极结型三极管及放大电路基础,输入电阻,输出电阻,=Rb+rbe,Ri,令 vi=0,ib=0,4 双极结型三极管及放大电路基础,3.小信号模型分析法的适用范围,放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其VT特性曲线的线性范围（即放大区）内。H参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。,优点：分析放大电路的动态性能指标（Av、Ri和Ro等）非常方便，且适用于频率较高时的分析。,缺点：在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量（交流量）而言的，不能用来分析计算静态工作点。,4 双极结型三极管及放大电路基础,（共射极放大电路）,（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT 工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,静态工作点为Q（40A，3.2mA，5.6V），,例题 放大电路如图所示。已知BJT的=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：,VCEQ=VCC-RcICQ=12V-2K3.2mA=5.6V,ICQ=IBQ=80 40 A=3.2mA,4 双极结型三极管及放大电路基础,BJT工作在放大区。,（2）当 Rb=100k 时，,其最小值也只能为 0，,所以BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,（共射极放大电路）,VCEQ=VCC-RcICQ=12V-2K9.6mA=-2.7V,即 IC 的最大电流为：,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.4.1 温度对静态工作点的影响,4.4.2 射极偏置电路,1.基极分压式射极偏置电路,2.含有双电源的射极偏置电路,3.含有恒流源的射极偏置电路,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.4.1 温度对静态工作点的影响,节讨论过，温度上升时，BJT的反向电流ICBO、ICEO及电流放大系数 或 都会增大，而发射结正向压降VBE会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加（ICQ=IBQ+ICEO），从而使Q点随温度变化。,要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流IBQ。,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.4.2 射极偏置电路,（1）稳定工作点原理,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。,T,稳定原理：,IC,IE,VE、VB不变,VBE,IB,IC,（反馈控制）,1.基极分压式射极偏置电路,(a)原理电路(b)直流通路,4 双极结型三极管及放大电路基础,b点电位基本不变的条件：,I1 IBQ，,此时，,VBQ与温度无关,VBQ VBEQ,Re 取值越大，反馈控制作用越强,一般取 I1=(510)IBQ，VBQ=3 5V,4 双极结型三极管及放大电路基础,（2）放大电路指标分析,静态工作点,VCC ICQ（Rc+Re）,VCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe,4 双极结型三极管及放大电路基础,电压增益,（a）画小信号等效电路,4 双极结型三极管及放大电路基础,输出回路：,输入回路：,（b）确定模型参数,已知，求rbe,（c）增益,4 双极结型三极管及放大电路基础,电压增益：,（可作为公式用）,为提高电压增益，可在RE两端并联一较大电容。,输入电阻,vi=i brbe+(1+)Re,4 双极结型三极管及放大电路基础,则输入电阻,（放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻）,ii=ib+iRb1+iRb2,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,则,当,时，,4 双极结型三极管及放大电路基础,其中,（1）阻容耦合,2.含有双电源的射极偏置电路,4 双极结型三极管及放大电路基础,静态工作点,（2）直接耦合,4 双极结型三极管及放大电路基础,静态工作点由恒流源提供,4 双极结型三极管及放大电路基础,3.含有恒流源的射极偏置电路,（同学自己分析）,