极管BJT及放大电路.ppt

第四章晶体管（BJT）及放大电路,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,4.1 晶体管（BJT）,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。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,4.1.1 半导体三极管结构和工作原理,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、晶体管的电流放大作用,共射极放大电路,PNP接法？,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，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,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,1.内部载流子运动,2、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,共射直流电流放大系数,交流电流放大系数,类似：共基电流放大系数等,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,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。,判断三极管的工作状态方法：,截止条件：,饱和条件：IBIBS,临界饱和基极电流IBS,放大条件：IBIBS,基极电流IBS,UBE0.7V,例由三极管组成的电路如图所示，试判断三极管的工作状态。（设三极管的=100）,解,三极管处于饱和状态。,由于VBE0,三极管处于截止状态。,三极管处于放大状态。,例由三极管组成的电路如图所示，试判断三极管的工作状态。（设三极管的=100）,解由电路看出，发射结处于正向偏置，由输入回路可得：,因为|IB|IBS|,故三极管处于放大状态。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数：,共射直流电流放大系数,共基直流电流放大系数,极间反向电流集基极反向饱和电流ICBO：发射极开路，C、B极间加一反向电压时的反向电流。集射极反向饱和电流ICEO（穿透电流）：基极开路，C、E间加一反向电压时的反向电流，又称穿透电流。ICEOICBO（1）二者都是衡量BJT质量的重要参数。,交流参数：,特征频率（截止频率）fT：使1的信号频率,共射交流电流放大系数,共基交流电流放大系数,通常取,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,集电极最大允许电流ICM：下降到额定值的2/3时的集电极电流集电极最大允许耗散功率PCM：集电结上允许损耗功率的最大值。PCICUCE,安全工作区,反向击穿电压：三极管的各个电极所允许加的最大反向电压。U（BR）CEO：集射极反向击穿电压U（BR）CBO：集基极反向击穿电压U（BR）EBO：射基极反向击穿电压,第四次作业：,教材第122页 4.6 4.7 4.8,4.2 放大电路的组成原则,一、电路的组成及各元件的作用,二、设置静态工作点的必要性,三、波形分析,四、放大电路的组成原则,基本共射极放大电路是一种基本电路形式，应用非常广泛。本节结合它的工作原理分析介绍它的组成原则。,一、电路的组成及各元件的作用,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,二、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？,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！,三、基本共射放大电路的波形分析,四、放大电路的组成原则,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。,两种实用共射放大电路：（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，VCC和uI同时作用于晶体管的输入回路。,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失,UBEQ,（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。,例试判断如下个电路能否放大正弦信号。设电容对交流信号均视为短路。若不能应如何改正。,解 电容C2将输出交流信号短路，故应将其去掉。,解 电容C将输出直流信号开路，故应将其短路去掉，才能使三极管有合适的静态工作点。,例试判断如下个电路能否放大正弦信号。设电容对交流信号均视为短路。若不能应如何改正。,解 三极管为PNP型，VBB电源的极性反了，故应将其极性反接。,解 当输入为0时，集电结电压为0，晶体管处于饱和状态，故应在输入回路串接一电容。,4.3 放大电路的基本分析方法,一、放大电路的直流通路和交流通路,二、图解法,三、等效电路法（模型分析法）,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。,当VCCUBEQ时，,例已知：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,交流通路,例放大电路如图所示，试分别画出其直流通路和交流通路。,直流通路,直流通路,交流通路,交流通路,直流通路,交流通路,直流通路,交流通路,二、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（直接耦合电路）,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。,4、阻容耦合电路的图解分析（交流通路与直流通路不一致，因此交流负载线与直流负载线不一样）,由放大电路交流通路，计算等效交流负载电阻RL=Rc/RL，在三极管输出特性曲线上，过Q作斜率是-1/RL的直线，即可得到交流负载线。求放大电路电压放大倍数，方法是：先假设基极电流在静态值附近有一个变化量iB，在输入特性上找到相应的uBE，如图（a）所示。然后再根据iB，在输出特性的交流负载线上找到uCE，如图（b）所示，则电压放大倍数为,在输入特性上，先确定Q点，做出iBQ波形。在输出特性上，作出直流负载线和交流负载线。在输出特性曲线上对应iB的变化利用和交流负载线求出uCE。,C,例放大电路和三极管的输出特性分别如图(a)、(b)所示。已知晶体管的UBE=0.7V，=100，试求：（1）用图解法求静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ;（2）用图解法求最大不失真电压有效值；,三、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（混合）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！放大时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!,例基本共射放大电路的静态分析和动态分析,为什么用图解法求解IBQ和UBEQ？,例阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析,一、温度对静态工作点的影响,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,4.4 晶体管放大电路的三种接法,Q点稳定的共射放大电路,二、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。,分压式偏置放大电路,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。,3.Q 点分析,4.动态分析,利?弊?,无旁路电容Ce时：,基本共集极放大电路,1.静态分析 ui=0,2.动态分析：电压放大倍数,画出交流通路,2.动态分析：电压放大倍数,故称之为射极跟随器,输入电阻的分析,Ri与负载有关！,带负载电阻后,输出电阻的分析,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；具有电压跟随作用！,令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io,。,例电路如图所示，已知晶体管的UBE=0.7V，=100，rbb=300。试求:,(1)说明该电路的组态；,(2)求解静态工作点IBQ、ICQ和UCEQ；,(3)求解Au、Ri、Ro,解（1）该电路为共集电极放大电路。,（2）静态工作点,(3)求解Au、Ri、Ro,(3)求解Au、Ri、Ro,画出微变等效电路。如图所示。,先求出晶体管的输入电阻：,4.4.3 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！,4.4.4 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,第五次作业：,教材第123页 4.9 4.12 4.13 4.14,4.5 放大电路的频率响应,概述一、研究的问题,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。这种函数关系称为频率响应或频率特性。频率特性包括幅频特性和相频特性。即有：,其中：Au(f)称为幅频特性；(f)称为相频特性,二、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。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,若中频电压放大倍数Am。下降到0.707 Am时，相应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL 和上限频率fH。二者之差即为带宽。,三、波特图,用对极坐标来绘制放大电路的幅频特性和相频特性，这种对数频率特性称为波特图。幅频：横坐标是频率的对数lgf 纵坐标为20lgAu，即对数增益。单位为dB（分贝）。由于20lgAu 3dB，则在波特图中，上、下限频率对应的增益值为下降3dB。相频：纵坐标为放大倍数的相角，不取对数。,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,高频等效模型混合模型,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,？,二、电流放大系数的频率响应,为什么短路？,1.适于频率从0至无穷大的表达式,2.电流放大系数的频率特性曲线,3.电流放大系数的波特图: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,三、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。,本章学习结束 Goodbye!,