电子技术基础模拟部分课件第三章.ppt

3 半导体三极管及放大电路基础,主要内容:(1)讨论半导体三极管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。（2）讨论BJT放大电路的三种组态。（3）三种放大电路的简单分析方法。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,3.1半导体BJT,BJT（双极结型晶体管）是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，一般也称为半导体三极管。是由两个PN结、3个杂质半导体区域组成的。由于两个PN结之间相互影响，使三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,3.1.1 BJT的结构简介,1.三极管的分类 按照频率分：高频管、低频管 按照功率分：小、中、大功率管 按照材料分：硅管、锗管等 按照结构:PNP管、NPN管,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2.基本结构和符号,（1）NPN管,第3章 半导体三极管及放大电路基础,（2）PNP管,第3章 半导体三极管及放大电路基础,总结：（1）三极管基区很薄，一般仅有1微米至几十微米厚，发射区浓度很高，集电结截面积大于发射结截面积。（2）PNP型和NPN型三极管表示符号的区别是发射极的箭头方向不同，这个箭头方向表示发射结加正向偏置时的电流方向。使用中要注意电源的极性，确保发射结永远加正向偏置电压，三极管才能正常工作。（3）实际应用中采用NPN型三极管较多，,第3章 半导体三极管及放大电路基础,晶体管的电流分配及放大作用,晶体管具有电流放大作用的外部条件：,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2.三极管电流分配与放大作用 为了定量地了解三极管的电流分配关系和放大原理，我们先做一个试验，试验电路如图所示。电源UB使发射结承受正向偏置电压，而电源UCCUBB，使集电结承受反向偏置电压，这样做的目的是使三极管能够具有正常的电流放大作用。通过改变电阻Rb，基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，表为试验所得一组数据。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,将表中数据进行比较分析，可得出如下结论：(1)IE=IC+IB，三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。(2)ICIE，IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB改变而改变。例如IB由40A增加到50 A，IC从3.2mA增加到4mA,即 称为三极管的电流放大系数，它反映三极管的电流放大能力，也可以说电流IB对IC的控制能力。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,三极管电流之间为什么具有这样的关系呢？这可以通过在三极管内部载流子的运动规律来解释。,1.三极管内部载流子的运动过程,第3章 半导体三极管及放大电路基础,(1)发射区向基区发射电子 由图可知，电源UBB经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子自由电子不断地越过发射结而进入基区，形成发射极电流IE。同时，基区多数载流子也向发射区扩散，但由于基区很薄，可以不考虑这个电流。因此，可以认为三极管发射结电流主要是电子流。,(2)基区中的电子进行扩散与复合 电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区，形成集电结电流IC。也有很小一部分电子与基区的空穴复合，形成复合电子流。扩散的电子流与复合电子流的比例决定了三极管的放大能力。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,(3)集电区收集电子 由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区而形成集电结主电流ICN。另外集电区的少数载流子空穴也会产生漂移运动，流向基区，形成反向饱和电流ICBO，其数值很小，但对温度却非常敏感。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,由上所述可知:,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2.三极管的电流分配关系 综合载流子的运动规律，三极管内的电流分配如图所示，图中的箭头表示电流方向。,(1)发射极总电流与发射结的电压vBE成指数关系:上式中VT为温度的等效电压kT/q,IES为发射结的反向饱和电流,与发射区和基区的掺杂浓度、温度等因素有关，也与发射结的面积成比例。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,（2）集电极电路与发射极电流的关系 集电结收集的电子流是发射结发射的总电子流的一部分，常用一系数来表示：（3）基极电流与发射极电流的关系 基极电流可表示为发射极电流的其余部分即：,第3章 半导体三极管及放大电路基础,(4)集电极和基极电流之间的关系 由于三极管基区的杂质浓度很低，且厚度很薄，这就减小了电子和空穴复合的机会，所以从发射区注入到基区的电子只有很小一部分在基区复合掉，绝大部分到达集电区。这就是说构成发射极电流IE的两部分中，IB部分是很小的，IC部分所占百分比是大的，若它们的比值用表示，则有 表示三极管的电流放大能力，称为本征电流放大系数。它的大小取决于基区中载流子扩散与复合的比例关系，这种比例关系是由管子内部结构决定的，一旦管子制成后，这种比例关系（值）也就确定了。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,第3章 半导体三极管及放大电路基础,结论：（1）由三极管内部的载流子运动规律可知，集电极电流IC主要来源于发射极电流IE（IC受IE控制），而同集电极外电路几乎无关，只要加到集电结上的反向电压能够把从基区扩散到集电结附近的电子吸引到集电区即可。这就是三极管的电流控制作用。三极管能实现放大作用也是以此为基础的，这也是三极同二极管一个质的区别所在。（2）IE的大小是由发射结上的外加正向电压UBE的大小决定的，UBE的变化将引起IE的变化，IE的变化再引起IB和IC的变化，所以，实质上是发射结上的正向电压UBE对各极电流有控制作用。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,（3）三极管的结构特点是它具有电流控制作用的内部依据，而发射结正向偏置、集电结反向偏置是它实现电流控制作用的外部条件。这是因为IC受IB（或IE）控制，是在满足上述外部条件下实现的，因此，三极管在作放大运用时的直流供电必须满足这个外部条件。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,3.放大作用 将图1.2.4 所示的三极管模型用其符号表示重绘于图上。在基极回路（b、e间）加入一个待放大的信号电压us;在集电极回路（c、e间）串入一个负载电阻RL，RL两端电压变量为uO。基极接信号称输入端，集电极接负载，称之为输出端，发射极既接信号又接负载，称之为公共端。这种连接方式称为共发射极接法。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,电压增益：,第3章 半导体三极管及放大电路基础,结论:(1)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播,然后到达集电极而实现的.内部条件:发射区杂质浓度要远大于基区杂志浓度,同时 基区厚度很小。外部条件:发射结要正向偏置,集电结要反向偏置。（2）三极管内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流给定了，输出电流和输出电压就基本确定了。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,4.共射极连接方式,BJT的三种连接方式：共基极、共发射极、共集电极,BJT放大电路的组成：信号输入端，信号输出端，输入输出电 路的共同端。,共射极连接方式：以发射极为共同端，以基极为输入端，集 电极为输出端。,电路：图,第3章 半导体三极管及放大电路基础,共射极放大电路,第3章 半导体三极管及放大电路基础,特点：（1）共射极电路以基极电流iB作为输入控制电流。优点是信号源消耗功率很小。（2）共射极电路主要分析集电极电流（输出电流）与基极电流（输入电流）之间的关系。（3）共射极电路的电流放大系数为，远大于1（通常在几十到几百）所以iBiC，因此共射极电路不但能实现电压放大，还能实现电流放大，从而成为目前应用最为广泛的一种组态。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,（1）输入特性曲线,三极管的特性曲线,1.共射输入特性,第3章 半导体三极管及放大电路基础,不同UCE时特性曲线的变化：图是测试三极管共射极接法特性的电路图。图给出了某三极管的输入特性。1)当UCE=0时的输入特性（图中曲线）当UCE=0时，相当于集电极和发射极间短路，三极管等效成两个二极管并联，其特性类似于二极管的正向特性。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2)当UCE 1V时的输入特性（图中曲线）当UCE1V时，输入特性曲线右移（相对于UCE=0时的曲线），表明对应同一个UBE值，IB减小了，或者说，要保持IB不变，UBE需增加。这是因为集电结加反向电压，使得扩散到基区的载流子绝大部分被集电结吸引过去而形成集电极电流IC,只有少部分在基区复合，形成基极电流IB,所以IB减小而使曲线右移。对应输入特性曲线某点（例如图的Q点）切线斜率的倒数，称为三极管共射极接法（Q点处）的交流输入电阻，记作rbe,即,O,2.输出特性曲线,IC=g(UCE)|IB=常数,IB 减小,IB增加,UCE,IC,IB=20A,IB=60A,IB=40A,第3章 半导体三极管及放大电路基础,在图中，先调节RP1为一定值，例如IB=40A，然后调节RP2使UCE由零开始逐渐增大，就可作出IB=40A时的输出特性。同样做法，把IB调到0A,20A,60 A，就可以得一组输出特性曲线。如图所示。,不同IB时特性曲线的变化：,第3章 半导体三极管及放大电路基础,第3章 半导体三极管及放大电路基础,1）截止区：UBE小于死区电压（或发射结反偏）IB=0；IC=ICEO（穿透电流）；2）放大区：发射结正偏，集电结反偏：(1)对应同一个IB值，|UCE|增加时，IC基本不变（曲线基本与横轴平行）。(2)对应同一个UCE值，IB增加，IC显著增加，并且IC的变量IC与IB的变量IB基本为正比关系（曲线簇等间距）。3）饱和区：UBE UCE（集电结正偏）：集电极饱和电流 ICS IB；IC 大小不再受IB控制；ICS=（EC-UCES）/RC；ICS=IBS,第3章 半导体三极管及放大电路基础,三极管的主要参数 1.电流放大系数（1）共射极连接方式 1）动态（交流）电流放大系数：当集电极电压UCE为 定值时，集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB 之比，即,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2）静态（直流）电流放大系数：三极管为共发射极接法，在集电极-发射极电压UCE一定的条件下，由基极直流电流IB所引起的集电极直流电流与基极电流之比，称为共发射极静态（直流）电流放大系数，记作,注：性质(1)一般在工作电流不太大的情况下,可以认为,故常混用。（2）即使同型号的管子，值也有差异，一般通常在10 100之间，值太小放大作用差，太大易使管子性能不稳定。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2.极间反向电流)发射极开路，集电极基极反向饱和电流ICBO ICBO可以通过图所示电路进行测量。)基极开路，集电极发射极反向截止电流ICEO ICEO是当三极管基极开路而集电结反偏和发射结正偏时的集电极电流，由于该电流从集电区穿过基区流至发射区，也叫穿透电流。测试电路如图所示。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,第3章 半导体三极管及放大电路基础,第3章 半导体三极管及放大电路基础,集电极最大允许电流 ICM,集-射反向击穿电压 U(BR)CEO,集电极最大允许耗散功率 PCM,过压区,过流区,安全工作区,过损区,PCM=ICUCE,UCE/V,U(BR)CEO,IC/mA,ICM,O,使用时不允许超过这些极限参数.,3.极限参数,第3章 半导体三极管及放大电路基础,介绍：（1）集电极最大允许电流ICM：当IC超过一定数值时下降，下降到正常值的2/3时所对应的IC值为ICM，当ICICM时，可导致三极管损坏。（2）集电极最大允许功率损耗PCM：集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值就会是管子性能变坏或者烧毁。PCM值与环境温度有关，温度愈高，则PCM值愈小。因此BJT在使用时受到环境温度的限制。对大功率管，为提高PCM，常采用加散热装置的办法。根据给定的PCM值可以作出一条PCM曲线如图所示，由PCM、ICM和U（BR）CEO包围的区域为三极管安全工作区。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,（3）反向击穿电压U（BR）EBO：集电极开路时，发射极-基极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）EBO，为发射结本身的击穿电压。U（BR）CBO：发射极开路时，集电极-基极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）CBO，它决定于集电结的雪崩击穿电压，数值较高。U（BR）CEO：基极开路时，集电极-发射极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）CEO，当UCEU（BR）CEO时，三极管的IC、IE剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取,第3章 半导体三极管及放大电路基础,（1）三个电压之间的关系：,结论：,（2）三极管发生电压击穿后，电路中的管子就不能正常工作，但管子并不一定损坏，只要不超过最大功率损耗，而且进入击穿的时间很短，管子的特性不会变坏，因此击穿过程还是可逆的。,第3章 半导体三极管及放大电路基础,例 2.1 在图所示电路中，若选用3DG6D型号的三极管，（1）电源电压UCC最大不得超过多少伏？（2）根据ICI CM的要求，RP2电阻最小不得小于多少千欧姆？解：3DG6D参数是：ICM=20mA,U(BR)CEO=30V,PCM=100mW。,(1)UCC=(2)UCE=UCC-ICRP2IC=其中，UCE最低一般为0.5V，故可略。由ICICM，所以,故,第3章 半导体三极管及放大电路基础,作业：习题，,第3章 半导体三极管及放大电路基础,3.2 共射放大电路,3.2.1 三极管的放大原理 1.三极管工作在放大区：发射结正偏，集电结反偏。,VCC:集电极回路的直流电源（保证集电结反偏）VBB:基极回路的直流电源（保证发射结正偏）RC：集电极电阻（将集电极电 流变化转变为电压变化）RB：基极电阻（提供基极电流-偏流）Cb1、Cb2：隔直电容或耦合电容（传送交流，隔离直流）,“地”,第3章 半导体三极管及放大电路基础,2.放大原理：,3.电压放大倍数：,放大作用实质上是放大期间的控制作用。放大器是一种能量控制部件。放大作用是针对变化量而言的。,总结：,符号说明,1.结构及作用：,放大电路组成原则：,1提供直流电源，为电路提供能源。2电源的极性和大小应保证BJT基极与发射极之间处于正向 偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置，从而使BJT工 作在放大区。3电阻取值与电源配合，使放大管有合适的静态点。4输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。5当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够 作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电 流或信号电压。,（1）单电源供电,当VBB=VC时，可以省去,2.放大电路的简化,（2）共射极基本放大电路的简化,3.2.3 放大电路的主要性能指标,增益输入阻抗输出阻抗频率响应宽带非线性失真,3.3 图解分析法,放大电路分析方法：图解分析法和小信号模型分析法,3.3.1 静态工作情况分析,静态 Ui=0时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称为静态。动态当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。,相关概念介绍,静态工作点 在静态工作情况下，BJT各电极的直流 电压和直流电流的数值将在管子的输入 输出特性曲线上确定一点，常称该点为 Q点，即放大电路的静态工作点。,静态工作点介绍,静态工作点,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。,为什么要设置静态工作点？,（1）画出放大电路的直流通路,1.静态工作点的估算,直流通路的画法：将交流电压源短路，将电容开路。,直流通道,2.用图解法确定Q点,（1）图解法步骤：1）把放大电路分成线性和非线性两个部分。2）作出电路非线性部分的V-I特性BJT的输出特性。3）作出线性部分的V-I特性直流负载线。4）由电路的线性与非线性两部分的V-I特性的交点确定 Q点。,（2）具体方法：,1）把放大电路分成线性和非线性两个部分,非线性电路部分,线性电路部分,2）作出电路非线性部分的V-I特性BJT的输出特性,由BJT的偏流IB确定出对应的一条输出特性曲线。,3）作出线性部分的V-I特性直流负载线,线性部分的电压、电流关系：,上式表示一条直线，斜率为-1/Rc，电路处于静态工作状态，电压电流都为直流量，故称该直线为直流负载线。,4）由电路的线性与非线性两部分的V-I特性的交点确定Q点。,IC,UCE,Q,IB,静态UCE,静态IC,只有这两部分V-I特性的交点Q所对应的电流电压才同时满足上面两个方程。Q点表示在给定条件下电路的工作状态，由于此时没有输入信号电压，所以Q点就是静态工作点。,3.3.2 动态工作情况分析,1.放大电路在接入正弦信号时的工作情况,图解法步骤：（1）根据vi在输入特性上求出iB（2）根据iB在输出特性上求出iC和vce,具体方法（以负载空载为例）（1）根据vi在输入特性上求出iB,（2）根据iB在输出特性上求出iC和vce,分析解答：,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,共射极放大电路又叫反相电压放大器,对交流信号(输入信号ui),2.放大器的交流通路,交流通路分析动态工作情况交流通路的画法：将直流电压源短路，将电容短路。,交流通道,3.交流负载线,输出端接入负载RL：不影响Q，影响动态！,交流负载线,uce=-ic（RC/RL）=-ic RL,交流量ic和uce有如下关系：,这就是说，交流负载线的斜率为：,（1）斜率为-1/RL。（RL=RLRc）（2）经过Q点。,交流负载线的作法,IB,交流负载线,直流负载线,注意：（1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。,（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合适的静态工作点,4非线性失真与Q的关系,uo,（2）Q点过低截止区,称为截止失真,信号波形,（3）Q点过高饱和失真,5.晶体管输出特性曲线分三个工作区,对于放大电路来说其最基本要求，一是不失真，二是能够放大。只有在信号的整个周期内BJT始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。静态工作点设置合适能实现线性放大；静态工作点设置偏高会产生饱和失真；静态工作点设置偏低会产生截止失真。Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着放大电路几乎所有的动态系数。,电路的失真特点,直流通路与交流通路的画法,1.根据叠加原理可将电路中的信号分解为直流信号和交流信号。直流信号通过直流通路求解，交流信号通过交流通路求解。2.直流通路:当没加输入信号时，电路在直流电源作用下，直流电流流经的通路。直流通路用于确定静态工作点。直流通路画法：电容视为开路；电感线圈视为短路；信号源视为短路，但保留其内阻。3.交流通路:在输入信号作用下交流信号流经的通路。交流通路用于计算电路的动态性能指标。交流通路画法：容量大的电容视为短路；直流电源视为短路。,作业：，,建立小信号模型的意义,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，就是在一定的条件下（工作点附近）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。,由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。,3.4 放大电路的交流模型分析法,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。,建立小信号模型的思路,3.4.1 BJT的小信号建模的基础直流工作点,先求直流工作点,对不同网络参数的讨论,一个由双口有源器件组成的网络，即双端口网络可以通过输入电压、电流与输出电压、电流来研究网络的特性，由此可以得到不同的网络参数（电路分析课程教学内容）如Z参数（开路阻抗参数）、Y参数（短路导纳）和H参数（混合参数）等。Z参数在BJT电路中使用最早，但是测量不易准确，因为BJT的输出阻抗高，不易实现输出端开路的条件。Y参数在高频运用时物理意义比较明显，缺点同样是测量不易准确，因为BJT的输入阻抗低，不易实现输入端短路的条件。H参数是一种混合参数，它的物理意义明确，测量的条件容易实现，加上它在低频范围内为实数，所以在电路分析和设计使用上都比较方便。,在小信号情况下，对上两式取全微分得,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,1.H参数的引出,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,2.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。,(1)小信号模型的引出,(2)模型的讨论,模型中电流源的性质:等效电流源hfeib是虚拟的，只代表BJT的电流控制作用，大小和方向都受输入电流的控制，不是一个独立的电源。,模型中电流源的流向：等效电流源的流向是由ib来决定的，不能随意假定。,模型的对象是变化量：放大电路在工作时放大的对象是变化量，所以在小信号模型中所讨论的电压、电流也都是变化量。,（3）模型的简化,即 rbe=hie=hfe uT=hrevce rce=1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为,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。,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,进一步简化:,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,其中对于低频小功率管 rb(100 300）,则,注：上式的适用范围为0.1mAIE5mA，否则误差较大。,3.4.2 用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,小信号等效电路,1.画出小信号等效电路,步骤（1）定出三极管的三个极，用H参数小信号模型表示三极管。（2）其他元件按照原来的相对位置画出，得到整个电路的小信号等效电路。（3）输入信号为正弦拨信号时，等效电路中电压电流用相量表示。,2.求电压增益,负载电阻越小，放大倍数越小。,补充：当信号源有内阻时，,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,3.输入电阻和输出电阻的计算：,（1）输入电阻根据输入电阻的定义：,求：1.静态工作点。2.电压增益AU、输入电阻Ri、输出电阻R0。3.若输出电压的波形出现如 下失真，是截止还是饱和 失真？应调节哪个元件？如何调节？,例1,（3）由于题目中的BJT 管为NPN管，因此失真是饱和失真，应调节Rb，使之增加，可消除此失真。,总结：两种分析方法的比较与使用（1）用图解法定出静态工作点。（2）当输入电压幅度较小或BJT基本上在线性范围内工作时，特别是放大电路比较复杂时，可用小信号模型来进行分析。（3）当输入电压幅度较大，BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分时，就需要采用图解法。此外，如果要求分析放大电路输出电压的最大幅值是多少，或者要求合理安排电路工作点和参数以得到最大的动态范围等，采用图解法较方便。,作业：P143页（b，c），3.4.2,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。,1.温度对静态工作点的影响,3.5 静态工作点的稳定,温度对UBE的影响,结论：（1）温度上升，Q点电流IC增大。（2）硅管的ICEO较小，受温度的影响可以忽略，因此 对硅管而言，温度对VBE和的影响是主要的。（3）锗管的ICEO较大，因此对锗管而言，温度对ICEO 的影响是主要的。,常采用射极偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,2.射极偏置电路,I2=（510）IB I1 I2,（1）分压式偏置电路,直流通道及静态工作点估算,IB=IC/,UCE=VCC-ICRC-IERe,IC IE=UE/Re=（UB-UBE）/Re,UBE 0.7V,电容开路,画出直流通道,交流通道及微变等效电路,交流通道,微变等效电路,微变等效电路及电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算,电容CE的作用：,例1 电路如图所示,VCC=12V,晶体管为硅管,VBE=0.7V,=50。试估算：（1）静态工作点；（2）电压放大倍数AV；（3）放大电路的输入电阻Ri；（4）放大电路的输出电阻RO；,（2）求电压放大倍数,画微变等效电路,求rbe,求AV,（2）其他形式的工作点稳定电路,例2 课本习题3.5.3,已知=60，Rb1=60k,Rb2=20k,Rc=3k,Re=2k,RL=6k,Vcc=16V。求（1）Q点（估算法和图解法）（2）输入电阻rbe（3）AV（4）输出电压最大不失真幅度（5）要使VCE=4V，其他参数不变时，上偏流电阻应为多大？,（1）直流通道及静态工作点估算,IB=IC/28A,UCE=VCC-ICRC IERe=7.75V,IC IE=UE/Re=（UB-UBE）/Re=1.65mA,UBE 0.7V,电容开路,画出直流通道,直流负载线MN：,（4）交流负载线MN（1）经过Q点（2）斜率为,11.1,（5）当VCE=4V时，,上偏流电阻：,作业：P146页，,一.共集电极放大电路,1.结构：,3.6 共集和共基放大电路,2.直流通道及静态工作点分析：,VCC=IBRb+UBE+IERe=IBRb+UBE+(1+）IBRe,IC=IB,3.动态分析,交流通道及微变等效电路,交流通道及微变等效电路,（1）电压放大倍数,b、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,讨论,输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。,Au,（2）输入电阻,(3)输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,输出电阻（加电压求流法）,（1）静态工作点,返回,射极输出器的特点：电压放大倍数=1，输入阻抗高，输出阻抗小。,共基极电路,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,2.动态指标,输入电阻,输出电阻,3.三种组态的比较,作业：习题，,3.7 放大电路的频率响应,频率响应放大器的电压放大倍数与频率的关系,下面先分析无源RC网络的频率响应,1.RC 低通电路的频率响应网络,RC低通电路,（1）频率响应表达式：,单时间常数RC电路的频率响应,.,图3.7.1 低频电路及其频率响应,fH,fH称为转折频率,又是放大电路的上限频率.,最大误差-3dB,幅频响应,0分贝水平线,斜率为-20dB/十倍频程 的直线,.,相频响应,（2）RC 低通电路的波特图,RC低通电路的频率特性曲线,可见：当频率较低时，AV 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高，AV 下降，相位差增大，且输出电压滞后于输入电压，最大滞后90o。在此频率响应中，上限截止频率fH是一个重要的频率点。,2.RC 高通网络,式中 下限截止频率、模和相角分别为,图3.7.3 高通电路及频率响应,RC高通电路的频率特性曲线,（2）RC 高通网络的波特图,可见：当频率较高时，AV 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低，AV 下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。在此频率响应中，下限截止频率fL是一个重要的频率点。,3.7.2 单级放大电路的高频响应,混合型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。,1.BJT的高频小信号型建模,（1）物理模型的引出,三极管的实际物理模型,三极管的实际物理模型,-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。,受控电流源gmVbe,rce-电流源电阻,rbc很大，可以忽略。rce很大，也可以忽略。,简化的混合模型,高频混合型小信号模型电路,这一模型中用 代替，这是因为本身就与频率有关，而gm与频率无关。并且由于结电容的影响，b和c不能保持正比关系。gm称为互导，定义为：,与低频小信号模型的比较,用 代替,区别：,gm具有电导的量纲。,低频时，混合模型与H参数模型等效，可得,所以,又 rbe=rbb+(1+)re,（2）模型中混合参数 的估算,又因为,所以,因为：,（见式）,（3）BJT的频率参数 f、fT,共发射极截止频率f,由定义：,求出共射接法交流电流放大系数,因为：,：共射截止频率,特征频率 fT,定义：当的频响曲线以-20dB/十倍频程的斜率下降直至增益为0dB时的某一频率fT称为特征频率。,大小：,当,即：,一般：,故：,做出的幅频特性和相频特性曲线,当=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT0f,当20lg下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率,共基极截止频率 f,其值较大。,三个频率参数之间的关系一般为：,结论：,2.共射极放大电路的高频响应,图,（1）求密勒电容 在高频段时，由于电容的容抗减小，在电容C1上压降可以忽略，但在并联支路的C bc和Cbe的影响变得突出了，必须考虑，所以在高频段，共射极放大电路的等效电路可简化为如图所示的电路。,经分析计算：,则可认为存在一个等效电容：,或,密勒效应：小信号Vbe产生一个大的输出电压Vo=AV Vbe，所以跨越Cbe两段的电压为（1-AV）Vbe，致使通过Cbe的电流亦很大。,注意：CMCbc,（2）高频响应与上限频率,密勒近似电路,简化等效电路,R=rbe（rbb+Rs),由密勒效应,又,放大倍数,上限频率,式中：,（低频电压增益）,上限频率,（3）增益-带宽积,定义：将低频电压增益与通频带相乘所得的乘积称为增益-带宽积。,可知：当电路参数及三极管都选定后，增益-带宽积基本上是个常数。因此放大电路的低频电压增益与通频带存在矛盾。此时要提高低频电压增益可增加Rc，但RC增加后，密勒效应显著，密勒电容的作用将使输出电压随频率增加而急剧减小，引起通频带变窄。,结论：,共射极放大电路因存在密勒效应，其高频响应受到限制。,解决：,如采用共基极电路，则密勒效应不存在，频带将得到扩展。,例3.7.1 在下图所示电路中,已知三极管为3DG8D,它的Cbc=4pF，fT=150MHz,=50。Rs=2k，Rc=2k,Rb=100k，C1=0.1F;UCC=5V，rbb=300。试计算低频电压增益、上限截止频率、下限截止频率及通频带。设C2的容量足够大,对交流可视为短路，UBEQ=0.6V；三极管的rce无穷大。解(1)求静态工作点。,例图,(2)计算低频电压增益Av0,ri=Rb(r bb+rbe)rbb+rbe=300+1300=1.6k,gm=0.0385mA/mV=0.0385S,所以低频电压增益,C M C bc(1+gmRL)=4pF（1+38.51.67）=261.2pF,C=CM+Cbe=41+261.2=302.2pF R=r ber bb+(RsRb)=1.3/（0.3+2）=0.83K,(3)计算上限频率,所以 H=RC=0.8310330210-12=0.2510-6s=0.25s所以上限频率,（4）计算下限频率。L=(Rs+ri)C1=(2+1.6)1030.110-6=3.610-4s=0.36ms 所以下限频率,（5）计算通频带。,3.共基极放大电路的高频响应,（1）电路及高频小信号等效电路（图）,（2）低频电流增益结论：1.共基极放大电路具有很宽的频带。输入输出之间没有反馈电容，因而不存在密勒效应。2.共基极放大电路常用于高频、宽频带、低输入阻抗的场合。3.共射-共基放大电路的输入-输出之间不存在密勒效应,故它的频率响应应远优于共射极放大电路,其频带得到扩展.且其电压增益与单管共射极放大电路的增益接近.,3.7.3.单级放大电路的低频响应,对于如图所示的共射放大电路，分低、中、高三个频段加以研究。,共射放大电路,1.中频段 所有的电容均可忽略。可用前面讲的h参数等效电路分析。中频电压放大倍数：,2.低频段,在低频段，三极管的极间电容基本视为开路（上图无发射极电容Ce），耦合电容C1、C2不能忽略。为方便分析，现在只考虑C1，将C2归入第二级。画出低频等效电路如图所示。,低频等效电路,可推出低频电压放大倍数：,该电路有 一个RC电路高通环节。有下限截止频率：,C1,共射放大电路低频段的波特图,幅频响应：,相频响应：,注意：电路中含有Ce的话，按照课本P131页讲解分析。Ce是决定低频响应的主要因素。,3.高频段,在高频段，耦合电容C1、C2可以可视为短路，三极管的极间电容不能忽略。这时要用混合等效电路，画出高频等效电路如图所示。,4.完整的共射放大电路的频率响应,（1）通频带：,（2）带宽-增益积：fbwAum,BJT一旦确定，高频带宽增益积基本为常数,5.频率失真由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。,两个频率响应指标：,频率每增加10倍,幅度下降20分贝,带宽增益乘积不变.,例题,解：,模型参数为,设共射放大电路在室温下运行，其参数为：,试计算它的低频电压增益和上限频率。,低频电压增益为,所以上限频率为,计算时折合为f,3.7.4 多级放大电路的频率响应,一、两级放大电路的结构示意图,二、单极和两极放大电路的频率响应,结论：将几级放大电路串联起来后，总电压增益虽然提高了，但通频带变窄了。,作业：P150 习题，,习 题 课,一、填空题（本题10分）1、P型半导体是在本征半导体中掺入 价元素，其多数载流子是，少数载流子是。（3、空穴、自由电子）2、测得某放大电路中三极管的三个管脚的对地电位为+9V、+3V、+2.3V，则该三极管的类型为，是 材料管，+9V的那个管脚为三极管的 极。（NPN、硅、集电）3、测得工作在放大电路中的某晶体管的两个电极在无交流信号输入时的电流大小和方向如图所示。则管子的类型为，电流放大系数为，0.1mA电流所为对应的管脚为晶体管 极。（PNP、60、基）4、N型半导体是在本征半导体中掺入 价元素，其多数载流子是，少数载流子是。（5、自由电子、空穴）,二、单项选择1、图示稳压电路中，稳压管V1的稳压值6V，稳压管V2的稳压值3V，输出电压U0为。（A）A3V；B6V；C9V；D15V2、放大电路如图所示，由输出波形可判断该放大器产生。（B）A双向失真；B截止失真；C饱和失真；D交越失真,3、本征半导体温升高时，空穴数目和自由电子数目。A前者增加，后者减少，它们的增量不同；B两者均增加且增量相同；C前者减少，后者增加，它们的增量不同；D两者均增加且增量不同。（B）4、二极管电路如图所示，则。（C）AV1、V2均导通；BV1导通，V2截止；CV1截止，V2导通；DV1、V2均截止,5、稳压二极管构成的稳压电路，其正确接法是 连接。A稳压二极管与负载电阻并联；B稳压二极管与负载电阻串联；C限流电阻与稳压二极管串联后，负载电阻再与稳压二极管并联；D限流电阻与稳压管并联后，负载电阻再与稳压管串联6、当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为。A前者反偏、后者正偏；B前者正偏、后者反偏；C前者正偏、后者正偏,7、下图电路中，当输入电压为1kHZ、5mV的正弦波时，输出电压波形出现了底部削平的失真，则 这种失真是；（A）A饱和失真；B截止失真；C交越失真；D频率失真 为了消除失真，应。（C）A增大集电极电阻Rc；B改换大的管子；C增大基极偏置电阻Rb；D减小基极偏置电阻Rb,8、放大电路在已经设置了合理的静态工作点后，若在输入端加入交流信号，这时静态工作点将。（C）A沿直流负载线移动；B沿交流负载线移动；C不移动；D不确定,三、作图题 电路如图，已知，试画出该电路的电压传输特性曲线vo=f(vi)，若输入信号为，画出输出电压 的波形。（二极管正向导通电压可忽略不计）解：,四、计算题1.已知共集电极放大电路的RB=75k，RE=1k,RL=1k,VCC=12V,硅晶体管=50，信号源的内阻Rs=100，1、估算静态工作点IB、IC和VCE；2、画出其微变