极型三极管及基本放大路.ppt

第二章 双极型三极管及基本放大电路,2-1 双极型三极管,2-2 放大器的工作原理,2-3 放大电路的分析方法,2-4 共集放大电路,小结,2-5 共基放大电路,2-6 级间耦合方式,2-1 双极型晶体三极管,晶体三极管的工作原理,三极管的伏安特性曲线,三极管的特性参数,晶体三极管的工作原理,三极管的结构,E-B间的PN结称为发射结(Je),C-B间的PN结成为集电结(Jc),从结构上看主要有两种类型：,NPN型,PNP型,发射区,集电区,基区,发射极E,基极B,集电极C,晶体三极管的工作原理,三极管的结构,1.由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结,2.发射区掺杂浓度比集电区高得多,基区掺杂低,且很薄,工作原理,三极管内部载流子的传输规律,三极管各区的作用:,发射区向基区提供载流子,基区传送和控制载流子,集电区收集载流子,发射结加正向电压,集电结加反向电压,三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才能起放大作用,放大作用的外部条件,发射结加正向电压即发射结正偏,集电结加反向电压即集电结反偏,ICBO,工作原理,载流子的传输规律,1.发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流,2.空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流IB,3.集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流IPC,同时由于集电结反偏，少子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO，影响IB和IC,可得电流之间的分配关系,IB=IB-ICBO,IC=IPC+ICBO,IE=IB+IC,共基极电路,工作原理,共基极直流放大系数,从发射区注入的载流子到达集电极部分所占的百分比,由前面得到的电流之间的分配关系,可得：,的数值一般在0.9 0.99之间。,说明从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合,工作原理,ECEB,共发射极连接的工作原理,输入电流,输出电流,共射直流放大系数,当IB=0时,穿透电流,由IBICBO,工作原理,共发射极连接的工作原理,共基交流电流放大系数,共射交流电流放大系数,=IC/IBUCE=C,=IC/IE UCB=C,共射电路的电压放大倍数,工作原理,三极管的三种组态,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：,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；,三极管的伏安特性曲线,三极管的伏安特性,指管子各电极的电压与电流的关系曲线,B是输入电极，C是输出电极，E是公共电极。Ib是输入电流，Ube是输入电压，加在B、E两电极之间。IC是输出电流，Uce是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线:Ib=f(Ube)Uce=C输出特性曲线:IC=f(Uce)Ib=C,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线：,特性曲线,三极管输入特性曲线,1.Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。,2.当Uce 1V时，Ucb=Uce-Ube 0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，IC/IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。,非线性区,死区,线性区,正常工作区，发射极正偏 NPN Si:Ube=0.60.7VPNP Ge:Ube=-0.2-0.3V,特性曲线,三极管输出特性曲线,IC=f(Uce)Ib=C,2-2,饱和区:(1)IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏(2)Uces=0.3V左右,截止区：Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态通常该区：发射结反偏，集电结反偏。,输出特性曲线可以分为三个区域:,特性曲线,三极管输出特性曲线,放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。(1)发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管)。(2)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。(3),2-2,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Ube0.5V（Si),Ube0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏,三极管的特性参数,电流放大系数,共基直流电流放大系数,共基交流电流放大系数,共射交流电流放大系数,=Ic/IbUce=C,=Ic/Ie Ucb=C,共射直流电流放大系数,级间反向电流,特性参数,1.集电极基极间反向饱和电流Icbo Icbo的下标cb代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。Ge管：A量级 Si管：nA量级,2.集电极发射极间的穿透电流Iceo Iceo和Icbo有如下关系 Iceo=（1+）Icbo相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流,集电极最大允许电流ICM,当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的2/3时所对应的最大集电极电流,极限参数,特性参数,当ICICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的功耗，PCM=ICUcbIcUcb，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用Uce取代Ucb。,极限参数,特性参数,反向击穿电压,BUcbo,BUceo,BUces,BUceR,表示三极管电极间承受反向电压的能力,BUcbo BUces BUceR BUceoBUebo,2-2 放大器的工作原理,放大的概念,放大器的工作原理,放大器的静态分析,放大器的动态分析,放大器的工作原理,放大的概念,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,放大器的工作原理,基本放大电路的组成,简化：,1.两个电源用一个Ec,去掉Eb,Rb改接由Ec供电,2.公共端接地，设其电位为0，其他各点电位以它做参考点。因此可不画Ec,只标出极性和大小。,基本放大电路的组成,放大器的工作原理,基本组成如下：三 极 管T 负载电阻RC、RL 偏置电路EC、Rb 耦合电容C1、C2,起放大作用,将变化的集电极电流转换为电压输出,使三极管工作在线性区给输出信号提供能量,起隔直作用,对交流起耦合的作用,放大电路的静态分析,工作原理,静态,Ui=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值IBQ、ICQ、UCEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量,静态分析方法,计算法,图解分析法,1.计算法,借助于放大电路的直流通路来求,直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到。,放大电路的静态分析,工作原理,1.计算法,Si管：UBEQ=0.6V0.7V,Ge管:UBEQ=0.2V0.3V,（2）求静态值,（1）首先画出直流通路,求解顺序是先求IBQICQUCEQ,UCEQ=EC-ICQRC,放大电路的静态分析,工作原理,2.图解法,放大电路的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ,UBE=EC-IBRb,直流负载线,Ec/Rb,Ec,IBQ,Q,-1/Rb,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定IBQ、UBEQ,UCE=EC-ICRc,直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ,放大电路的静态分析,工作原理,2.图解法,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求ICQ、UCEQ,求两点,IC=0 UCE=EC,UCE=0 IC=EC/Rc,作出直流负载线，直流负载线和输出特性曲线的有多个交点。,只有与iB=IBQ对应的那条曲线的交点才是静态工作点,放大电路的静态分析,2.图解法,工作原理,由图可见：,如改变Ib的数值，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量,1.由直流负载列出方程 UCE=UCCICRc2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,关键：直流负载线的确定方法：,3.在输入回路列方程式UBE=UCCIBRb,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。,放大电路的静态分析,2.图解法,工作原理,EC、EC/Rc,放大电路交流（动态）分析,工作原理,动态,有输入信号Ui0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态,1.放大电路的交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数AU 或AI输入电阻ri和输出电阻ro,（1）将放大电路中电容视作短路,交流通路的画法：,（2）直流电源电阻很小，对交流可视作短路,即可得到放大电路的交流通路,放大电路交流（动态）分析,工作原理,1.放大电路的交流通路,2.放大电路的工作过程,当有交流信号ui加到放大器的输入端时，晶体管各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量，此时电路中的信号即有直流，又有交流。,ui,uo,工作原理,规定,直流分量：,大写字母、大写下标,交流分量：,小写字母、小写下标,交直流叠加量：,小写字母、大写下标,工作原理,放大电路交流（动态）分析,2.放大电路的工作过程,三极管放大作用,变化的 通过 转变为变化的电压输出,ui ube ib ic(ib)icRc uce uo,uo与ui的极性相差1800,uce=-icRL,2-3,工作原理,放大电路的放大倍数,输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。,电压放大倍数定义为,电流放大倍数定义为,2-3 放大电路的分析方法,放大电路的图解分析方法,晶体管的h参数低频小信号模型,共射极h参数等效电路的分析方法,放大器工作点稳定问题,放大电路的图解分析方法,通过作图的方法求AU、AI及放大电路的最大不失真电压,交流负载线,交流负载线确定方法：1.通过输出特性曲线上过Q点做一条斜率为1/RL直线。,2.交流负载电阻RL=RLRc,3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。,比直流负载线要陡,图解分析方法,图解分析,1.求出静态工作点Q,2.画出交流通路，求出交流负载电阻,RL=Rc/RL,3.以Q为基准，在输入特性曲线上，根据ui的变化波形求出ib的波形及幅值Ibm,作出交流负载线,图解分析方法,图解分析,不截止Ucm1,不饱和Ucm2,2-4,图解分析方法,图解分析,6.求增益,AU=Ucm/Uim,AI=Icm/Iim,7.确定放大器的最大工作范围-最大不失真电压,Ucm=min(Ucm1,Ucm2),通过图解分析，可得如下结论：1.ui uBE iB iC uCE uo 2.uO与ui相位相反；3.可以量出放大电路的电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输出幅度。,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。,波形的失真,双向失真,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,2-5,2-6,2.要有合适的交流负载线。,3.输入信号的幅度不能太大,工作点位置合适信号过大而引起的非线性失真。,放大电路的等效电路分析方法,共射h参数模型,模型建立：,小信号、,忽略晶体管的电容效应和非线性,输入特性曲线：,输出特性曲线：,取全微分：,等效电路分析,共射h参数模型,hie=Ube/IbUce=C,称为输入电阻，即 rbe,称为反向电压传输系数。也称电压反馈系数,hfe=Ic/IbUce=C,称为电流放大系数，即。,称为输出电导，即1/rce。,等效电路分析,共射h参数模型,Ib,Ic,共集h参数模型,等效电路分析,共基h参数模型,等效电路分析,三种组态的h参数的关系如表所示p38，三种h参数是可以互换,例：,已知三极管共射h参数:,hie=1.4K hre=3.3710-4 hfe=44 hoe=27 10-6S,该三极管连成共基电路，求它的共基h参数值,解：,共射和共基的反向传输系数很小，输出电阻都很高。,等效电路分析,h参数简化模型,简化条件：,1.RL1/hoe(rce)2.反向传输系数很小，hre可以忽略,一般共射和共基连接这两个条件都能满足,等效电路分析,输入电阻hie 的估算,晶体管内部的简化模型表示,rbb基区体电阻,re发射结正向电阻,rc集电结反向电阻,（IEQ静态工作点）,rbb:,低频数百欧，典型值300,高频几欧几十欧,等效电路分析,共射h参数等效电路分析方法,1.首先画出放大电路的交流通路2.将交流通路中的晶体管用h参数等效电路代替3.标出等效电路中的电压电流量，进行动态分析,等效电路分析,共射h参数等效电路分析方法,Rbhie可忽略,1.输入阻抗 ri,ri=hie,如考虑Rb的影响，,ri=Rb/hie,定义：,等效电路分析,共射h参数等效电路分析方法,2.电流增益AI,=hfe,3.电压增益AU,考虑信号源内阻RS的影响,增加放大增益有效的方法：适量增加IEQ,=,-IcRL,Iihie,等效电路分析,共射h参数等效电路分析方法,4.输出阻抗,步骤：,（1）将输入信号源电压Us短路，即 Us=0（2）将负载开路即RL=,并在输出端外加一激励信号Uo（3）在Uo激励下，产生电流Io,则输出阻抗ro,ro=,如考虑Rc电阻对输出阻抗的影响,ro=Rc,放大电路的工作点的稳定,温度漂移,晶体管参数随温度变化的结果使原来设置的工作点随温度而移动的现象,温度对晶体管参数的影响,T,UBE,IBQ,ICBO,ICEO,ICQ,工作点上移,2-7,工作点稳定,分压式电流负反馈稳定偏置电路,射极偏置电路,Rb1、Rb2和Re构成偏置电路。Rb1、Rb2组成分压器，提供一个固定的基极电位UB。Re发射极电阻，提供电流负反馈。,当满足I1IBQ时，,固定,稳定工作点的过程：,T,UBE ICBO,ICQ,IEQ,UE=IEQRe,UBE=UB-UE,IBQ,ICQ,工作点稳定,射极偏置电路的分析,1.静态分析,近似估算法：,当满足I1IBQ时，,UE=UB-UBEQIEQ=UE/Re,工作点稳定,射极偏置电路的分析,2.动态分析,工作点稳定,射极偏置电路的分析,2.动态分析,电压增益,-hfeIbRL,=,Ibhie+(1+hfe)IbRe,RL=Rc/RL,由式可看出：Re的引入虽然可以稳定静态工作点，但它也引入交流负反馈，使放大增益大幅度降低。改进的方法：Re上并联旁路电容,工作点稳定,2.动态分析,输入电阻,Ib,=,Ibhie+(1+hfe)IbRe,ri=hie+(1+hfe)Re,ri=Rb1/Rb2/hie+(1+hfe)Re,输出电阻,ro=,ro=Rc,电压增益,放大电路的分析步骤,1.作静态分析,画出电路的直流通路,计算法,图解法,静态值IBQICQUBEQUCEQ,2.作动态分析,画出电路的交流通路,三极管用微变等效电路代替,放大电路的微变等效电路,hie,AU ri ro ri ro,图解法：适合于大信号的分析,等效电路法：适合于小信号的分析,等效电路法：,Si:UBEQ=0.60.7VGe:UBEQ=0.20.3V,2-4 共集放大电路,静态分析,动态分析,静 态 分 析,1.静态工作点的计算,电压增益AU,(1+hfe)IbRL,=,Ibhie+(1+hfe)IbRL,(1+hfe)RL,=,hie+(1+hfe)RL,RL=Re/RL,AU,(1+hfe)RLhie,1,AU1,UoUi跟随变化又称射极跟随器,hie,动 态 分 析,共集电路,2.动态分析,输入电阻,ri=Rb/ri,(1+hfe)RLhie,共集电路的输入电阻比共射高,输出电阻,=,-Ib(Rs+hie),-(Ib+hfeIb),ro=,Rs+hie,1+hfe,Rs=Rs/Rb,共集电路具有很低的输出电阻,共集电路,2.动态分析,输出电阻,ro=Re/ro,电流增益AI,AI=Ie/Ib=1+hfe,特点：,输入阻抗高输出阻抗低电压增益近似为1电流增益大,2-5 共基放大电路,静态分析,动态分析,静 态 分 析,1.静态工作点的计算,与射极偏置电路相同,电压增益AU,-hfbIeRL,=,Iehib,RL=Rc/RL,动 态 分 析,共基电路,电压增益AU,电流增益AI,=hfb,电流增益恒小于1，且近似等于1,输入电阻,ri=hib,ri=ri/Rc,共基电路具有很低的输入电阻,输出电阻,ro=,ro=ro/Rc=Rc,共基电路,特点：1.共基电路输入电阻较小，输出电阻较大，电流增益近似等于1，电压增益与共射电路相同。2.直流工作点的温度稳定性好3.共基电路可工作在较高的频率,2-6 级间耦合方式,阻容偶合,变压器偶合,直接耦合,光电耦合,2-6 级间耦合方式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,阻容耦合,优点：结构简单，各工作点互不影响，放大效果好。缺点：不能传送较慢的信号或直流信号不适宜集成化,变压器耦合,耦合方式,级与级之间利用变压器来传送交流信号,直接耦合,各级电路之间直接连接或采用对直流呈导通特性的电阻、二极管等元件相接。,存在问题：1.前后级工作点相互影响，即存在级间电位匹配的问题。2.零点漂移3.集电极电位逐级升高,光电耦合,耦合方式,工作过程：电光电,多级放大电路放大倍数的计算,即多级放大器的放大倍数等于各个单级放大电路放大倍数的积,注意：,在求单级放大电路的放大倍数时必须将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联。,小 结,晶体三极管是电流控制元件，通过控制基极电流或射极电流可以控制集电极电流。要使三极管正常工作并有放大作用，管子的发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。三极管的特性可用输入和输出特性曲线来表示，也可用特性参数来表示。主要的特性参数有：电流放大系数、，极间反向电流Icbo、Iceo，极限参数ICM、PCM和BUCEO。放大电路的构成：有源器件，如晶体管。要保证有源器件能正常工作，既要有合适的静态工作点，又要使变化的信号能输入、放大、输出并基本不失真。,小 结,放大电路的性能分析主要有静态分析和动态分析。静态分析求输入信号为零时，放大电路的工作状态。确定放大电路的静态值IBQ、ICQ、UCEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量,分析方法：,动态分析有输入信号Ui0时，放大电路的工作状态确定放大电路的放大倍数AU 或AI输入电阻ri和输出电阻ro,动态的分析方法有：图解法和等效电路法。图解法以器件的特性曲线为基础、直观、形象，主要用于分析放大器的大信号工作，等效电路法以器件的交流信号模型为基础，是分析小信号放大电路的主要手段。低频h参数等效电路是小信号交流等效电路，在很多实际情况下，可根据简化条件，将hre和hoe忽略，只须用保留hfe 和hie 两个参数的简化等效电路即可获得所需精度,小 结,晶体三极管按其连接方式不同，可以有三种组态，即共射、共集、共基三种放大电路。共射电路：较高电压和电流增益，输入与输出阻抗中等，输出电压与输入电压反相。共基电路：电流增益小于或等于1，电压增益较大，输入阻抗低，输出阻抗高，输出电压与输入电压同相。共集电路：电压增益小于或等于1，电流增益较大，输入阻抗高，输出阻抗低，输出电压与输入电压同相。多级放大电路的耦合方式有直接耦合、阻容偶合、变压器耦合和光电耦合。求解多级放大电路的增益时，必须考虑后级放大电路的输入电阻对前级放大电路的电压增益的影响。总的放大增益等于各个单级增益的乘积。,小 结,重点：三种基本放大电路（CE、CC、CB）的分析方法及各自特点。难点：1.三极管载流子的传输规律；2.静态工作点与波形失真；3.多级放大电路的分析。,重点难点,