半导体三极管放大电路.ppt
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1、.,1,4.1 半导体三极管(BJT),4.2 共射极放大电路,4.3 放大电路的分析方法,4.6 组合放大电路,4.4 放大电路的工作点稳定问题,4.5 共集电极电路和共基极电路,4.7 放大电路的频率响应,4 半导体三极管及放大电路基础,.,2,4.1.1 BJT的结构简介,4.1 半导体三极管(BJT),4.1.2 BJT的电流分配与放大原理,4.1.3 BJT的特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,.,3,4.1.1 BJT的结构简介,半导体三极管是通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起的器件,具有电流放大作用。,发射结(Je),集电结(Jc),基极,用B或b表示(Base),发射极
2、,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,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。,三极管符号,.,4,4.1.1 BJT的结构简介,.,5,4.1.1 BJT的实物图,小功率封装,中功率封装,大功率封装,.,6,结构特点:,发射区的掺杂浓度最高;,集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大;,基区很薄,一般在几个微米至几十个微米,且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,.,7,4.1.2 BJT的电流分配与放大原理,1.内部载流子的传输过程,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。外部条件:
3、发射结正偏,集电结反偏。,发射区:发射载流子集电区:收集载流子基区:传送和控制载流子(以NPN为例),载流子的传输过程,.,8,载流子的传输过程,三极管内两种载流子(自由电子和空穴)都参与导电,称为双极型三极管或BJT。,.,9,2.电流分配关系,根据传输过程可知,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+IC,载流子的传输过程,.,10,ICEO=(1+)ICBO,(穿透电流),2.电流分配关系,.,11,3.三极管的三种组态,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
4、CE表示;,BJT的三种组态,.,12,4.放大作用,若,vI=20mV,使,当,则,电压放大倍数,VEE,VCC,VEB,IB,IE,IC,vI,+vEB,+iC,+iE,+iB,iE=1 mA,,iC=iE=0.98 mA,,vO=iC RL=0.98 V,,=0.98 时,,共基极放大电路以射极电流为输入控制电流,控制输出电流。,.,13,VBB,VCC,VBE,IB,IE,IC,vI,+vBE,+iC,+iE,+iB,vI=20mV,设,若,则,电压放大倍数,iB=20 uA,vO=-iC RL=-0.98 V,,=0.98,使,4.放大作用,共射极放大电路以基极电流为输入控制电流,控
5、制输出电流。,.,14,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。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。,4.1.2 BJT的电流分配与放大原理,BJT为电流控制器件,.,15,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=常数,(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,4.
6、1.3 BJT的特性曲线,(以共射极放大电路为例),.,16,(3)输入特性曲线的三个部分,死区,非线性区,线性区,1.输入特性曲线,4.1.3 BJT的特性曲线,.,17,输出特性曲线,iC=f(vCE)iB=常数,2.输出特性曲线,4.1.3 BJT的特性曲线,.,18,输出特性曲线的三个区域:,4.1.3 BJT的特性曲线,.,19,4.1.4 BJT的主要参数,(1)共发射极直流电流放大系数=(ICICEO)/IBIC/IB vCE=常数,1.电流放大系数,.,20,(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=常数,4.1.4 BJT的主要参数,1.电流放大系数,.,21,(3)
7、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=常数,当ICBO和ICEO很小时,、,可以不加区分。,4.1.4 BJT的主要参数,1.电流放大系数,.,22,(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。,4.1.4 BJT的主要参数,极间反向电流为三极管的质量参数。ICBO和 ICEO越小,三极管质量越好。,.,23,(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
8、,3.极限参数(安全工作参数),4.1.4 BJT的主要参数,.,24,(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,3.极限参数(安全工作参数),4.1.4 BJT的主要参数,.,25,由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,.,26,1.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,
9、试说明其理由。,?,思 考 题,2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用,为什么?,3.BJT是电流控制器件,还是电压控制器件?,4.放大电路输出端增加的能量是从哪里来的?,.,27,4.2 共射极放大电路,电路组成,简化电路及习惯画法,简单工作原理,放大电路的静态和动态,直流通路和交流通路,.,28,共射电路,4.2 共射极放大电路,.,29,3.2 共射极放大电路,1.电路组成,输入回路(基极回路),输出回路(集电极回路),对NPN管,一般规定基极电流和集电极电流流入为正,射极电流流出为正;电位以参考地为负,其余各点为正,PNP管正好相反。,.,30,2.简化电路及习惯画法,习惯画法,共射
10、极基本放大电路,.,31,4.2 共射极放大电路,PNP型放大电路,.,32,4.2 共射极放大电路,共射放大电路原理电路,.,33,元件参数的选择要保证信号能不失真地放大。,基本放大电路的组成原则:,BJT发射结正偏,集电结反偏,保证BJT的电流控制作用。,元件的安排要保证信号能传输。,.,34,3.简单工作原理,Vi=0,Vi=Vsint,放大过程是能量控制过程,放大作用是针对变化量而言的。,.,35,4.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
11、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。,#放大电路为什么要建立正确的静态?,.,36,工作点合适,工作点偏低,.,37,直流通路:直流量流过的路径。,交流通路:交流量流过的路径。,5.直流通路和交流通路,交流通路,直流通路,共射极放大电路,耦合电容:通交流、隔直流,恒压源:内阻为零,恒压源和耦合电容对交流相当于短路,恒流源对交流相当于开路,交流通路的画法,恒流源:内阻为无穷大,.,38,?,思 考 题,1.下列af电路哪些具有放大作用?,.,39,4.3 放大电路的分析方法,用近似估算法求
12、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,输出功率和功率三角形,4.3.1 图解分析法,4.3.1.2 动态工作情况分析,4.3.1.1 静态工作情况分析,.,40,共射极放大电路,4.3.1.1 静态工作情况分析,1.用近似估算法求静态工作点,根据直流通路可知:,采用该方法,必须已知三极管的 值。,一般硅管VBE=0.7V,锗管VBE=0.2V。,该电路基极电流基本不变,也称为固定偏流电路。,.,41,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,2.用图解分析法确定静态工作点,首先,画出直流通
13、路,4.3.1.1 静态工作情况分析,.,42,列输入回路方程:VBE=VCCIBRb,列输出回路方程(直流负载线):VCE=VCCICRc,在输入特性曲线上,作出直线 VBE=VCCIBRb,两线的交点即是Q点,得到IBQ。,在输出特性曲线上,作出直流负载线 VCE=VCCICRc,与IBQ曲线的交点即为Q点,从而得到VCEQ 和ICQ。,.,43,4.3.1.2 动态工作情况分析,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
14、为,vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,即 iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,.,44,2.输入交流信号时的图解分析,3.3.2 动态工作情况分析,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。,#动态工作时,iB、iC的实际电流方向是否改变,vCE的实际电压极性是否改变?,.,45,图解分析,.,46,4.3.1.2 动态工作情况分析,3.BJT的三个工作区,当工作点进入饱和区或截止区时,将产生非线性失真。,饱和区特点:iC不
15、再随iB的增加而线性增加,即,此时,截止区特点:iB=0,iC=ICEO,vCE=VCES,典型值为0.3V,.,47,波形的失真,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。对于NPN管,输出电压表现为底部失真。,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。对于NPN管,输出电压表现为顶部失真。,注意:对于PNP管,由于是负电源供电,失真的表现形式,与NPN管正好相反。,4.3.1.2 动态工作情况分析,3.BJT的三个工作区,#放大区是否为绝对线性区?,.,48,非线性失真,.,49,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
16、,要求:,工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位;,4.3.1.2 动态工作情况分析,3.BJT的三个工作区,要有合适的交流负载线。,.,50,4.输出功率和功率三角形,要想PO大,就要使功率三角形的面积大,即必须使Vom 和Iom 都要大。,功率三角形,放大电路向电阻性负载提供的输出功率,在输出特性曲线上,正好是三角形ABQ的面积,这一三角形称为功率三角形。,4.3.1.2 动态工作情况分析,.,51,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJT的=80,Rb=300k,Rc=2k,VCC=+12V,求:,(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
17、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),(2)当Rb=100k时,,静态工作点为Q(40uA,3.2mA,5.6V),BJT工作在放大区。,其最小值也只能为0,即IC的最大电流为:,所以BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值,,此时,Q(120uA,6mA,0V),,例题,.,52,?,思 考 题,1.试分析下列问题:,共射极放大电路,(1)增大Rc时,负载线将如何变化?Q点怎样变化?,(4)减小RL时,负载线将如何变化?Q点怎样变化?,.,53,共射极放大电路,?,思 考 题,2.放大电路如图所示。当测得BJT的VCE 接近VCC的值时,问管子处于什么工
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