模拟电子技术 第4章 双极结型三极管及放大电路基础.ppt

第四章 半导体三极管及放大电路基础,4.1 半导体三极管（BJT）,4.2 共射极放大电路,4.3 图解分析法,4.4 小信号模型分析法,4.5 放大电路的工作点稳定问题,4.6 共集电极电路和共基极电路,4.7 放大电路的频率响应,一、BJT的结构简介,二、BJT的电流分配与放大原理,三、BJT的特性曲线,四、BJT的主要参数,4.1 半导体三极管（BJT）,第四章 半导体三极管及放大电路基础,又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示：,三极管有两种类型：NPN 型和 PNP 型。,图 1三极管的外形,第四章 半导体三极管及放大电路基础,一、晶体管的结构简介,一、晶体管的结构简介,图 3三极管结构示意图和符号NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,第四章 半导体三极管及放大电路基础,1、符号,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,第四章 半导体三极管及放大电路基础,二、晶体管的电流分配与放大作用,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,第四章 半导体三极管及放大电路基础,二、晶体管的电流分配与放大作用,三极管放大的外部条件：,第四章 半导体三极管及放大电路基础,（1）外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态（2）集电结处于反向偏置状态。,1、晶体管内部载流子的运动,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,晶体管内部载流子的运动,第四章 半导体三极管及放大电路基础,(3)集电区收集扩散过来的电子的过程 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,晶体管内部载流子的运动,第四章 半导体三极管及放大电路基础,2、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IE=IC+IB,图5 晶体管内部载流子的运动与外部电流,第四章 半导体三极管及放大电路基础,IE=IEn+IEp IEn,IC=ICn+ICBO ICn,IB=IEp+IBnICBO IBn,第四章 半导体三极管及放大电路基础,3.三极管的三种组态,iB=f(uBE)UCE=const,(2)当uCE1V时，uCB=uCE-uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，在同样的uBE下 IB减小，特性曲线右移。,(1)当uCE=0V时，相当于二极管的正向伏安特性曲线。,1、输入特性曲线,第四章 半导体三极管及放大电路基础,三、晶体管的特性曲线,iC=f(uCE)IB=const,2、输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,第四章 半导体三极管及放大电路基础,(1)共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const,1.电流放大系数,第四章 半导体三极管及放大电路基础,四、BJT的主要参数,第四章 半导体三极管及放大电路基础,(3)共基极直流电流放大系数=（ICICBO）/IEIC/IE,(4)共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const,当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,第四章 半导体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=（1+）ICBO,2、极间反向电流,ICEO,(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,第四章 半导体三极管及放大电路基础,注意：选择三极管时极间反向饱和电流尽量小些，以减小温度对BJT的影响。硅管与锗管相比反极间反向饱和电流要小得多,3、极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM,(3)反向击穿电压,UCBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。,U EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。,UCEO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 UCBOUCEOUEBO,第四章 半导体三极管及放大电路基础,(2)最大集电极耗散功率PCM,PCM=iCuCE,第四章 半导体三极管及放大电路基础,1.既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。,2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？,3.为什么说BJT是电流控制器件？,思 考 题,第四章 半导体三极管及放大电路基础,例1某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。,管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。,第四章 半导体三极管及放大电路基础,例2：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,第四章 半导体三极管及放大电路基础,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅（2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗（3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅（4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。NPN管UBE0，UBC0，即UC UB UE PNP管UBE0，UBC0，即UC UB UE（UE UB UC）,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,电路组成及各元件作用,简化电路及习惯画法,工作原理与波形分析,放大电路的性能指标,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,4.2 共射极放大电路,一、共发射极基本放大电路组成 与各元件作用,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,二、简化电路及习惯画法,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,第四章 半导体三极管及放大电路基础,无输入信号(vi=0)时:,三、工作原理与波形分析,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,VBE,无输入信号(vi=0)时:,？,有输入信号(vi 0)时,vCE=VCC iC RC,四、放大电路的性能指标,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,1、电压放大倍数,2、输入电阻,3、输出电阻,图解分析法,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,用近似估算法求静态工作点,用图解分析法确定静态工作点,交流通路及交流负载线,输入交流信号时的图解分析,BJT的三个工作区,4.3.1 静态工作情况分析,4.3.2 动态工作情况分析,放大电路的静态和动态,静态：输入信号为零（vi=0 或 ii=0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、IC、和VCE（或IBQ、ICQ、和VCEQ）表示。,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,一、直流通路和交流通路,1、直流通路,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,2、交流通路,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,估算 IBQ、VCEQ、ICQ,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。,1、用估算法确定静态值,二、静态工作情况分析,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,采用图解分析法确定静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,2.用图解分析法确定静态工作点,VCC,Rb,VBB,Rc,C1,C2,T,+,+,+,vi,+,vo,+,+,+,vBE,vCE,iC,iB,iE,非线性部分,线性部分,最后，在输出特性曲线上，与IB=IBQ对应的曲线与直流负载 线交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。,首先，用估算法确定IBQ，在输出特性曲线上，找到IB=IBQ 对应的那一条曲线。,其次，作一条直流负载线VCE=VCCIcRc,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce=-ic(Rc/RL),因为交流负载线必过Q点，即 vce=vCE-VCEQ ic=iC-ICQ 同时，令RL=Rc/RL,1.交流通路及交流负载线,则交流负载线为,vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,即 iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,三、动态工作情况分析,2.输入交流信号时的图解分析,共射极放大电路,通过图解分析，可得如下结论：1.vi vBE iB iC vCE|-vo|2.vo与vi相位相反；3.可以测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。,第四章 半导体三极管及放大电路基础,3、波形非线性失真的分析,(1)截止失真:,ib,vi,结论：iB 波形失真,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,静态工作点过低，引起 iB、iC、vCE 的波形失真。,iC、vCE(vo)波形失真,NPN 管截止失真时的输出 vo 波形。,vo=vce,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,截止失真也称为顶部失真,(2)饱和失真:若Q点偏高，当ib按正弦规律变化时，Q/进入饱和区，造成ic和uce的波形与ib（或ui）的波形不一致，对NPN管输出电压uo（即uce）的负半周出现平顶畸变。,饱和失真也称为底部失真,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,放大电路的动态范围,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：,工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,要有合适的交流负载线。,问题：如何求最大不失真输出电压？,Vomax=min(VCEQ-VCES),(VCC-VCEQ),VCC,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；2.方便估算最大输出幅值的数值；3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4.有利于对静态工作点 Q 的检测等。,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,图解法小结,4.用图解法分析电路参数对静态工作点的影响,（1）改变 Rb，保持VCC，Rc，不变；,Rb 增大，,Rb 减小，,Q 点下移；,Q 点上移；,（2）改变 VCC，保持 Rb，Rc，不变；,升高 VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。,Q2,3.改变 Rc，保持 Rb，VCC，不变；,4.改变，保持 Rb，Rc，VCC 不变；,增大 Rc，直流负载线斜率改变，则 Q 点向饱和区移近。,Q2,增大，ICQ 增大，UCEQ 减小，则 Q 点移近饱和区。,图 2.4.9(c),图 2.4.9(d),晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。,一、微变等效条件,研究的对象仅仅是变化量,信号的变化范围很小,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,小信号模型分析法,1.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,输入、输出特性如下：,iB=f(vBE)vCE=const,iC=f(vCE)iB=const,可以写成：,第四章 半导体三极管 及放大电路基础,二、晶体管共射参数等效模型,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。,2.H参数的物理意义,hybrid（H参数）,3.H参数小信号模型,根据,可得小信号模型,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。,4.简化的H参数等效模型,即 rbe=hie=hfe uT=hre rce=1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为,uT很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路,ib 是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。,5.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。,一般也用公式估算 rbe,rbe=rb+(1+)re,则,对于低频小功率管 rb(100300）,电路动态参数的分析就是求解电路电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,解题的方法是：作出h参数的交流等效电路,图 共射极放大电路,三、共射放大电路动态参数的分析,根据,则电压增益为,（可作为公式）,1.求电压放大倍数（电压增益）,2.求输入电阻,3.求输出电阻,令,4.当信号源有内阻时：,求,Ri为放大电路的输入电阻,解（1）求Q点，作直流通路,（1）试求该电路的静态工作点；（2）画出简化的小信号等效电路；（3）求该电路的电压增益，输出电阻Ro、输入电阻Ri。,例如图，已知BJT的=100，VBE=-0.7V。,2.画出小信号等效电路,3.求电压增益,200+（1+100）26/4=865欧,4.求输入电阻,5.求输出电阻,Ro=Rc=2K,6.非线性失真判断,底部失真即截止失真基极电流太小，应减小基极电阻。,1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q。2.求出静态工作点处的微变等效电路参数 和 rbe。3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。4.列出电路方程并求解。,等效电路法的步骤(归纳),放大电路的图解法和小信号模型分析法总结,1、用图解分析法确定静态工作点（也可用估算法求Q点）2、当输入电压幅值较小或BJT基本上在线性范围内工作，特别是电路比较复杂时，可用小信号模型来分析。3、当输入电压幅值较大，BJT的工作点延伸到V-I特征曲线的非线性部分时，就需要采用图解分析法。4、如果要求分析放大电路输出电压的最大不失真幅值，或者要求合理安排工作点的参数，以使得到最大动态范围等，采用图解法比较方便。,一、静态工作点稳定的必要性,三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：,1.UBE 改变。UBE 的温度系数约为 2 mV/C，即温度每升高 1C，UBE 约下降 2 mV。,2.改变。温度每升高 1C，值约增加 0.5%1%，温度系数分散性较大。,3.ICBO 改变。温度每升高 10C，ICBQ 大致将增加一倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。,放大电路静态工作点的稳定,温度升高将导致 IC 增大，Q 上移。波形容易失真。,T=20 C,T=50 C,图 3.5.1晶体管在不同环境温度下的输出特性曲线,典型的静态工作点稳定电路,稳定Q点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使IBQ在温度变化时与ICQ产生相反的变化。,一、电路组成和Q点稳定原理,所以 UBQ 不随温度变化，,电流负反馈式工作点稳定电路,T ICQ IEQ UEQ UBEQ(=UBQ UEQ)IBQ ICQ,阻容耦合的静态工作点稳定电路,由于 IR IBQ，可得(估算),二、静态工作点的估算,由于 IR IBQ，可得(估算),静态基极电流,三、动态参数的估算,如无旁路电容，动态参数如何计算？,图4.5.4(a)无旁路电容时的交流电路,温度变化对ICBO的影响,温度变化对输入特性曲线的影响,温度变化对 的影响,稳定工作点原理,放大电路指标分析,固定偏流电路与射极偏置电路的比较,一、温度对工作点的影响,二、射极偏置电路,放大电路的工作点稳定问题,1.温度变化对ICBO的影响,2.温度变化对输入特性曲线的影响,温度T 输出特性曲线上移,温度T 输入特性曲线左移,3.温度变化对 的影响,温度每升高1 C，要增加0.5%1.0%,温度T 输出特性曲线族间距增大,此时，,不随温度变化而变化。,一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V,4.5.2 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,IC,IE,IC,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,2.放大电路指标分析,静态工作点,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,对回路1和2列KVL方程,rce对分析过程影响很大，此处不能忽略,其中,则,当,时，,-,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,固定偏流电路,固定偏流共射极放大电路,Ro=Rc,#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？,静态工作点,动态指标,三种组态的比较,4.6.1 共集电极电路,4.6.2 共基极电路,4.5 共集电极电路和共基极电路,1.电路分析,求静态工作点,由,得,共集电极电路,电压增益,电压放大倍数 1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,当,，,时，,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,当,，,时，,输出电阻小,射极输出器的应用,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1.因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2.因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,共基极电路,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,输入电阻,暂不考虑电阻 RC 的作用,已知共射输出电阻rce,而rcb比rce大得多，可认为,rcb(1+)rce,如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输出电阻为,Ro=Rc/rcb Rc,输出电阻,Ro=rcb,大(数值同共射电路，但同相),小(小于、近于 1),大(十几 一几百),电路,组态,性能,共 射 组 态,共 集 组 态,共 基 组 态,C1,C2,VCC,Rb2,Rb1,+,+,+,+,+,_,_,Re,Cb,RL,C1,Rb,+VCC,C2,RL,+,Re,+,+,+,C1,Rb,+VCC,C2,RL,+,+,+,+,Rc,三种基本组态的比较,频率响应,解 共发射极接法,例 电路如图题所示，BJT的电流放大系数为，输入电阻为rbe，略去了偏置电路。试求下列三种情况下的电压增益AV、输入电阻Ri和输出电阻RO vs2=0，从集电极输出；vs1=0，从集电极输出；vs2=0，从发射极输出。,共基极组态,Re,Ro RC,vs1=0，从集电极输出,共集电极组态,vs2=0，从发射极输出,本节小结,三极管的三种工作组态，重点掌握CE电路的分析、计算方法。,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,4.7.2 单极放大电路的高频响应,RC低通电路的频率响应,RC高通电路的频率响应,4.7.3 单极放大电路的低频响应,4.7.4 多级放大电路的频率响应,多级放大电路的增益,多级放大电路的频率响应,低频等效电路,低频响应,4.7 放大电路的频率响应,频率响应的一般概念,由于放大电路中存在电抗性元件，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。,电压放大倍数的幅值和相角都是频率的函数。,频率特性,幅频特性：电压放大倍数的模|Au|与频率 f 的关系,相频特性：输出电压相对于输入电压的 相位移 与频率 f 的关系,典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性,低频区,中频区（通频带）,高频区,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,1.RC高通电路的频率响应,增益频率函数,电压增益的幅值,电压增益的相角,令,则,=2f,则有：,对数幅频特性：,实际幅频特性曲线：,图 4.1.4(a)幅频特性,当 f fL(高频)，当 f fL(低频)，,高通特性：,且频率愈低，的值愈小，低频信号不能通过。,最大误差为 3 dB，发生在 f=fL处,对数相频特性,图 4.1.4(b)相频特性,误差,在低频段，高通电路产生 0 90 的超前相移。,二、RC 低通电路的波特图,RC低通电路,令：,则：,图 4.1.6低通电路的波特图,对数幅频特性：,对数相频特性：,在高频段，低通电路产生0 90的滞后相移。,1.BJT的高频小信号建模,模型的引出,模型简化,模型参数的获得,的频率响应,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,高频响应,3.共基极放大电路的高频响应,增益-带宽积,高频等效电路,高频响应,几个上限频率的比较,单极放大电路的高频响应,1.BJT的高频小信号建模,模型的引出,-发射结电容,-集电结电阻,-集电结电容,rbb-基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。,(a)三极管结构示意图,模型简化,混合型高频小信号模型,模型参数的获得（与h参数的关系）,低频时，不考虑极间电容作用，混合 等效电路和 h 参数等效电路相仿，即：,混合 参数与 h 参数之间的关系,通过对比可得,则,则,一般小功率三极管,(和 fT 要从器件手册中查到且）,的频率响应,由H参数可知,即,根据混合模型得,低频时,所以,共发射极截止频率,的频率响应,的幅频响应,令,则,特征频率,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,等效电路,型高频等效电路,对节点 c 列KCL得,电路简化,忽略 的分流得,称为密勒电容,等效后断开了输入输出之间的联系,电路简化,最后,高频响应,由电路得,电压增益频响,又,其中,低频增益,上限频率,增益-带宽积,BJT 一旦确定，,带宽增益积基本为常数,例题,解：,模型参数为,低频电压增益为,又因为,所以上限频率为,1.低频等效电路,单极放大电路的低频响应,2.低频响应,中频增益,当,则,中频段,C1 可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。,(1)中频段等效电路,中频段等效电路,b,c,e,+,Rb,+,+,+,Rc,Rs,由图可得,(2)中频电压放大倍数,已知，则,结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化 h 参数等效电路的分析结果一致。,增益带宽积,中频电压放大倍数与通频带的乘积。,Ri=Rb/rbe,假设 Rb Rs，Rb rbe；(1+gmRc)Cbc Cbe,说明：,式很不严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和 Cbc 的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。,如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用 rbb 和 Cbc 均小的高频三极管。,1.多级放大电路的增益,前级的开路电压是下级的信号源电压,前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗,下级的输入阻抗是前级的负载,多级放大电路的频率响应,