双极型晶体管和基本放大电路.ppt

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1、第2章 双极型晶体三极管 和基本放大电路,2.1 双极型晶体三极管,2.2 晶体管放大电路的性能指标和工作原理,2.3 晶体管放大电路的图解分析法,2.4 等效电路分析法,2.5 其他基本放大电路,思考：2-1 2-16习题：2-4 2-7 2-8 2-10 2-12 2-14 2-17 2-19 2-24 2-25,第2章 双极型晶体三极管 和基本放大电路,本章的重点与难点,本章所讲述的基本概念、基本电路和基本分析方法是学习后面各章的基础。重点:双极型晶体管的特性;放大的概念;放大电路的主要指标参数;基本放大电路和放大电路的分析方法。包括共射、共集、共基放大电路的组成、工作原理、静态和动态分

2、析计算。,本章的重点与难点,难点:有关放大、动态和静态、等效电路等概念的建立;电路能否放大的判断；各种基本放大电路的性能分析。而这些问题对于学好本课程至关重要。,2.1.1 双极型晶体三极管的结构及类型,在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。,2.1 双极型晶体三极管,引出的三个电极分别为：发射极e、基极b和集电极c。,基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。,按照掺杂方式的不同分为NPN型和PNP型两种类型。,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极c,基极b,发射极e,P,NPN型晶体三极管,结构示意图,箭头方向代表PN结的正向。,PNP型

3、晶体三极管,为了实现电流的控制和放大作用，晶体管的三个区在结构尺寸和掺杂浓度上有很大的不同。,.两个PN结无外加电压,2.1.2 晶体管中的电流控制作用,（以NPN型为例说明）,载流子运动处于动平衡，净电流为零。,VCC,Rc,c,e,b,公共端,VBB,RB,IB,IC,IE,.发射结加正向电压，集电结加反向电压,1）发射区向基区注入电子,发射区（e区）的多子电子通过发射结扩散到基区（b区），形成扩散电流IEN；同时基区（b区）的多子空穴扩散到发射区（e区），形成扩散电流IEP。二者实际方向相同。,IB,IC,VCC,VBB,RC,RB,IB,IEP,ICBO,IEN,ICN,c,e,b,3

4、.电流控制作用及其实现条件,（1）电流控制作用,发射极电流:IE=IEN+IEP IEN。（多子形成的扩散电流）,IB,IC,VCC,VBB,RC,RB,IB,IEP,ICBO,IEN,ICN,c,e,b,电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE。,1）发射区向基区注入电子,2）电子在基区的扩散与复合,发射区（e区）的电子注入基区（b区）后，小部分在基区（b区）被复合（IB)。（基区的浓度低）,IB,IC,VCC,VBB,RC,RB,IEP,ICBO,IEN,ICN,c,e,b,VBB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成 IB。（不是 IB，因为还有少子的漂移电流ICBO）,IB,发射区的电

5、子大部分通过基区往集电区（c区）扩散。（集电结电压反向，增强了少子的漂移，基区的少子是电子）,3）电子被集电极收集的情况,到达集电结边界的电子被集电结电场吸引进入集电区（c区），记作 ICN=IEN IB。,IB,IC,VCC,VBB,RC,RB,IB,IEP,ICBO,IEN,ICN,c,e,b,由于集电结反偏，所以有少子形成的漂移电流ICBO。,ICBO是基区和集电区的少子（平衡少子）在集电区与基区漂移运动形成的电流。,通常认为是发射极开路时，b-c间的反向饱和电流。,集电结反向饱和电流,晶体管的电流分配关系,从外部看 IE=IC+IB,IE=IEN+IEP,IC=ICN+ICBO,IB=

6、IB+IEP ICBO,VBB,IB,IC,VCC,RC,RB,IEP,ICBO,IEN,ICN,c,e,b,IEP很小，可忽略。,IB,发射区发射的总电子数，绝大部分被集电区收集，极少部分在基区与空穴复合。,共基直流电流放大系数,IE=IEN+IEP IEN,可以看出，通过稍稍改变电流I，就可以使ICN有很大的变化，如此实现了电流控制和电流放大作用。,(IB为在基区复合掉的电子数),令,通常很大，19199,（2)实现电流控制的条件,.共射接法中的电流关系,(射极为公共端，IB为输入回路电流，IC为输出回路电流),晶体管工作在放大状态的外部条件是：,共射接法晶体管的特性曲线,（以NPN型为例

7、说明）,对于NPN型三极管应满足:UBE 0(且UBE Uon）UBC UB UE,对于PNP型三极管应满足:UBE 0即UE UB UC,1.共射接法晶体管的输入特性曲线,共射接法晶体管的特性曲线,UCE=0，输入特性曲线与PN结的伏安特性类似。当UCE 增大时，由于电场的作用，曲线右移，当UCE 增大到一定值后，再增加UCE，曲线右移将不明显。,2.共射接法晶体管的输出特性,对于每个确定的IB均有一条对应曲线，因此输出特性是一族曲线。对于一条固定的曲线，随着UCE的增加，IC逐渐增加，当UCE增大到一定的程度，IC 几乎不变，IC仅仅决定于IB。,晶体管的三个工作区截止区,IB=0以下的区

8、域,条件：发射结和集电结都处于反偏状态。,特点：IB=0，IC 0 严格说，IB=0，ICICEO管子基本不导电。,晶体管的三个工作区放大区,交流共射电流放大系数：,条件：发射结正向偏置、集电结反向偏置。,晶体管的三个工作区-饱和区,特点：C IB。此时IB，UCE 较小。IC不受IB的控制，IC随UCE增加而增加,。,条件：反射结和集电结均处于正向偏置。,管子饱和时的UCE叫UCES。,当 UCB=0时，晶体管处于临界饱和状态。,晶体管的三个工作区域比较,(发射结正向偏置且集电结反向偏置),工作区域,外部条件,特点,截止区,IB=0，IC0(ICICEO),UBE Uon 且UCE UBE,

9、（发射结电压小于开启电压且集电结反偏）,放大区,IC=IB(IC仅仅由IB决定),UBE Uon 且UCE UBE,饱和区,（发射结和集电结均正向偏置）,UBE Uon 且UCE UBE,IC IB(IC随uCE的增大而增大),临界饱和（临界放大）,UCE=UBE即UCB=0,ICS=IBS,温度升高时，输入特性曲线将左移，在室温附近，温度每升高1，|UBE|减小22.5mV。,.温度对晶体管特性及参数的影响,（）温度对输入特性曲线的影响,）温度对ICEO 和ICBO的影响：,UCE/V,IC/mA,(2)温度对输出特性曲线的影响,每升高10，ICBO增大一倍，ICEO也是。,）温度对的影响：

10、,温度升高输出特性上移（温度升高时，增加,iC的变化量增大）。,温度升高，增大，每升高1，增大0.5 1%。输出特性曲线间距增大。,.4 晶体三极管的主要参数,（）在不同接法下的直流比,）直流共射电流系数,一般在0.950.995,一般在19199,（2）极间反向电流：,.直流参数,1）直流共基电流系数,ICEO和 ICBO：ICEO=（1+）ICBO,2.交流参数,(1)电流放大系数,（2）特征频率fT,使 的数值下降为1时输入信号频率称为fT。(因存在结电容，是输入信号频率的函数，f高到一定程度，下降且产生相移。）,（1）集电极最大允许 耗散功率 PCM PCM=IC UCE=常数（决定于

11、温升。T硅150、T锗70性能明显变坏）（2）集电极最大允许电流 ICM使明显下降的IC即为ICM（通常合金小功率管选uCE=1v,由 PCM 定义ICM),3.极限参数,（3）极间反向击穿电压 如果加在PN结上反向偏置电压太高，PN结就会反向击穿。这些电压不仅取决于电路本身，还和电路连接方法有关。UCEO(BR)：基极开路时集电极发射极的反向击穿电压。,3.极限参数,（）晶体管的安全工作区,.晶体管的类型及选用原则,.类型 根据材料分为硅管和锗管；根据三个区的掺杂方式分为NPN、PNP管；根据使用的频率范围分为低频管和高频管；根据允许的功率损耗分为小功率管、中功率管和大功率管。,.晶体管的选

12、用原则,（1）同型号的管子选反向电流较小的；（2）值不宜太大，一般在几十100之间；（3）要求反向电流小、工作温度高选硅管；要求导通电压低选锗管；（4）工作信号频率高选高频管；开关电路选开关管；（5）保证管子工作在安全区。包括最大集电极电流、最大功耗、反向击穿电压、散热条件等。,NPN、PNP管在放大电路中外部条件比较,e,c,e,c,b,b,NPN,PNP,（UE最低）,（UC最低）,（UC最高）,（UE最高）,（UBE=UON）正值,（UBE=UON）负值,晶体管的应用举例,例：测得某电路中几只NPN晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管BE间的导通电压Uon均为0.7V。试分别说明各管

13、子的工作状态。,放大,放大,饱和,截止,2.1.6 光电三极管,光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小。其功能可以等效为一个光电二极管和一只晶体三极管相连。,光电晶体管的输出特性曲线,光电三极管的输出特性与普通三极管的输出特性曲线相同，只是用入射光强度E取代基极电流IB。,2.2 放大的概念和放大电路的主要性能指标,2.2.1 放大的概念和放大电路的组成条件,1.放大的概念,用小的变化量去控制一个较大的量的变化。要求不失真的“线性放大”。放大电路利用晶体管实现能量的控制与转换。,放大作用的实质就是晶体管的电流、电压或功率的控制作用。输出的较大能量来自于直流电源Vcc，而不是晶体三极管。

14、,对象：变化量实质：能量的控制和转换基本特征：功率放大前提条件：不失真测试信号：正弦波能量控制器件：有源元件,放大电路中能够控制能量转换的元件称为有源元件（如晶体管）。,1.放大的概念,2.放大电路的组成,一般包含电压放大电路和功率放大电路。电压放大电路将微弱电压加以放大从而推动功率放大电路，通常工作在小信号状态。功率放大电路输出较大的功率，推动执行元件，工作在大信号状态。,要保证放大电路具有放大作用，必须满足如下条件：,（1）晶体管工作在放大区（发射结正偏、集电结 反偏）。,（2）输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。,（3）当负载接入时，放大管输出回路的动态电流或电压能够作用于负载，从而

15、使负载获得比输入回路信号大得多的信号电流或信号电压。,2.放大电路的组成,放大电路示意图,2.2.2 放大电路的性能指标,信号源,信号源内阻,输入电压,输出电压,输入电阻,输出电阻,负载电阻,输入为小信号时（测试信号为正弦波）,（1）放大倍数（或增益）衡量放大电路的放大能力，定义为输出变化量与输入变化量之比。,电压放大电路；电流放大电路；互导放大电路；互阻放大电路。,根据输入量与输出量的不同，将放大电路分为四种类型：,1）电压放大电路,电压增益：输出电压与输入电压之比。,源电压增益：输出电压与信号源电压之比,输入量与输出量都是电压。,输入量与输出量都是电流。,电流增益：输出电流与输入电流之比,

16、电压、电流增益都无量纲。,2）电流放大电路,互导增益,3）互导放大电路,量纲为 西门子 S。,4）互阻放大电路,互阻增益,量纲为 欧姆。,输入量是电压，输出量是电流。,输入量是电流，输出量是电压。,（2）输入电阻Ri,从放大电路输入端看进去的等效电阻。,定义为输入电压有效值Ui和输入电流有效值Ii之比。,Ri表明放大电路从信号源索取电流或电压的能力。Ri越大，电流越小，Ui越接近 Us，信号电压Us损失越小。,输入信号源是内阻很小的电压源时，要求输入电阻尽量大，以保证信号源电压损失尽可能小。,输入信号源是内阻很大的电流源时，要求输入电阻尽量小，以保证信号源电流尽可能多流进放大电路。,利用Ri和

17、Rs可以求出电压增益与源电压增益的关系式。,（2）输入电阻Ri,（3）输出电阻Ro,从放大电路输出端看进去的等效电阻。,负载上输出电压有效值,空载时输出电压有效值,整理后,RO表明放大电路的带负载能力(指负载变化时输出电压的变化情况）。Ro越小，放大电路带电压负载的能力越强。（Ro小，RL变化时，UO变化小),（3）输出电阻Ro,放大电路的输出量为电压，要求输出电压尽量不受负载变化影响，电路的输出电阻应尽量小。,放大电路的输出量为电流，要求输出电流尽量不受负载变化影响，电路的输出电阻应尽量大。,（3）输出电阻Ro,Ri、Ro是为描述电路在相互连接时彼此之间产生影响而引入的参数。,（4）通频带f

18、bw,是用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力的技术指标。,下限截止频率,上限截止频率,通频带fbw=fH-fL,中频放大倍数,（1）非线性失真系数D,指输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比(各次谐波有效值与基波有效值之比）。,2.输入信号幅值较大时,（2）最大不失真输出电压,当输入电压再增大时就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压（非线性失真系数不超过规定的最大输出电压）。可表示为：最大输出幅值(Uom)M 最大输出有效值(Uo)M,最大输出功率指在输出波形基本不失真的情况下，负载上能够获得的最大交流功率。,效率指直流电源能量的利用率。,Po交流输出功率Pv电源提供的平均功率,（3）最

19、大输出功率(Po)M和效率,模拟电路中的符号,直流分量：文字符号和下标均用大写字母。例IB、IC、UBE等。,交流分量：文字符号和下标均用小写字母。ib、ic、ui、uo等。,交直流总量：文字符号用小写字母，下标用大写字 母。例：iB、iC、uBE、uCE、uI、uO。,（请阅读本书前面的文字符号说明）,相量或有效值:在线性放大电路中正弦量为输入量,输入、输出常用相量或有效值表示，例:、Ui等。,2.2.3 单管共射放大电路的工作原理,1.电路组成,RB:提供合适的IB。,RC：将集电极电流变化量转换为电压变化量。,ui，uo：正弦输入信号和输出信号。,C1、C2耦合电容：隔直流、通交流。,V

20、cc:保证发射结正偏、集电结反偏。,晶体三极管,集电极电压,2.工作原理,若参数合适，可以实现电压放大。,1.晶体管放大电路的特点,2.3 晶体管放大电路的图解分析法,2.3.1晶体管放大电路的特点和分析方法,（）直流量和交流量共存，直流量是电路具有放大作用的基础，交流量是放大的对象。,（）非线性。,.晶体管放大电路的分析方法,（）小信号线性化分析法（等效电路分析法）,（）图解分析法,在直流电源作用下直流量经过的通路。,画直流通路的要点：（1）电容视为开路；（2）电感线圈视为短路；（3）交流信号源视为短路，但应保留其内阻。,1.直流通路,2.静态工作点的图解分析方法,1.直流通路,2.估算静态

21、工作点,放大电路未加交流输入信号，电路中的电压和电流只有直流成分，叫做放大电路的“直流工作状态”或“静态”。在晶体管的特性曲线上，晶体管各极直流电压和电流的数值确定一点，此点叫做“静态工作点”。,2.估算静态工作点,可以用近似计算（估算）的方法求解点。,为什么要设置静态工作点?,设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真，静态工作点还影响着放大电路几乎所有的动态参数。,例-用估算法求图示电路的静态工作点,解：首先画出电路的直流通路.,直流通路,基极电流,集电极电流,UBEQ:硅管为0.7V 锗管为0.2V,静态工作点电压,.图解法确定静态工作点Q（UCEQ、ICQ）,通常输入回路直接用估算

22、法求出IBQ。,确定输出回路方程非线性：IC=f(UCE)线性：UCE=VCCICRC,两条曲线交点即Q(UCEQ，ICQ)点。,输出回路满足UCE=VCCICRC的直线叫直流负载线。直流负载线过（VCC，0)，(0，VCC/RC)点，斜率-1/RC。,.交流通路,输入信号作用下交流信号流经的通路，用于研究动态参数。,（1）容量大的电容视为短路；（2）无内阻的直流电源视为短路。,2.3.动态工作情况的图解分析,画交流通路的要点：,交流通路,.放大电路接入正弦信号(未接入负载电阻),uBE,各电压和电流都在原静态基础上叠加了一个交流量。,.放大电路接入正弦信号(未接入负载电阻),uo=uce,输

23、出电压与输入电压的变化反相,3.电路中电流、电压波形,注意uo和uiic反相,1）输出电压与输入电压为频率相同的正弦波，但幅值增大，“线性放大”。,2）输出电压与输入电压相位相反，即相差180,Au为负值。,4.交流负载线,（电路输出端接负载电阻）,满足此关系式且过Q点的直线，叫做“交流负载线”。,根据交流通路可以得到,交流负载线的斜率:,直流负载线的斜率:,两者相交于Q点，交流负载线更陡，动态范围更小。,4.交流负载线,（电路输出端接负载电阻）,Q点合适且输入信号幅值较小时无波形失真.,2.2.4 静态工作点的选择,.静态工作点的位置对输出波形的影响,晶体管截止而产生的失真为截止失真。,现象

24、：输出电压波形出现削顶失真。,提高静态工作点。如何提高？,1、Q点较低时的情况:,解决方法：,晶体管饱和而产生的失真为饱和失真。,现象:输出电压波形出现削底失真。,增大RB(减小IBQ)，减小RC(增大负载线斜率)。,2、Q点较高的情况:,解决方法：降低静态工作点。,电路参数对工作状态的影响,.最大不失真输出电压幅值、有效值,不饱和最大输出幅值:UCEQ-UCES 不截止最大输出幅值:ICQ RL 取二者较小的一个。,(1)Q1Q2：RC减少；,IB=1 0 A,(3)Q3Q4：VCC增大；,(2)Q2Q3：Rb减少或VBB增大；,例：1.电路中静态工作点从Q1移到Q2、Q2移到Q3、Q3移到

25、Q4的原因有哪些?,2.当电路的静态工作点分别是Q1Q4时，哪种情况下最容易产生截止失真？,Q2最容易截止失真；,Q4的最大不失真电压最大。,Q3最容易饱和失真；,哪种情况下最容易产生饱和失真？,哪种情况下最大不失真输出电压(Uom)M最大？,图解法的适用范围,适用于分析输入信号幅值比较大而工作频率f不太高时的情况。实际应用中，多用于分析Q点位置、最大不失真输出电压和波形失真。,.晶体管的直流模型,2.等效电路法,在一定条件下,将晶体管的特性线性化,建立线性模型,在误差允许范围内用线性电路分析晶体管电路。,2.晶体管的直流模型及静态工作点的计算,静态工作点的计算,放大电路的输入信号很小时，可以

26、在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替晶体管特性曲线，三极管就可以用线性双口网络来等效。,2.晶体管的低频小信号模型及其参数,低频是指信号频率远低于晶体管的“特征频率”。,1.晶体管在共射接法下的参数,将晶体管看成一个双口网络。输入和输出。,输入特性,输出特性,3.简化的参数等效模型,IEQ单位为mA，rbe与Q点有关。,rbe为发射结电阻。,求rbe(以NPN管为例),根据晶体管的电流方程存在:,rbb一般取300。,与Q点有关。,也可以用阻抗折算原理求出rbe。,（注意单位！）,）该模型只能用于求各交流量之间的关系，不能用来求静态量。）参数都是在Q点处定义，与Q点有关，且只能用于低频

27、小信号。）PNP型和NPN型晶体管的参数模型相同。,4.应用参数模型应注意的问题,2.4.共射基本放大电路动态性能的参数模型分析法,、画出微变等效电路图,微变等效电路,电路图,1.电压增益,交流参数与直流参数有关，即交流性能指标受静态工作点影响。,分析放大电路的交流性能指标时，应先进行静态分析,先静态，后动态。,注意负号!,2.输入电阻,3.输出电阻,由求输出电阻定义，信号源短路，保留内阻，去掉负载电阻，在输出端加电压，产生电流，有:,(令输入信号短路后,基极及集电极电流均等于0。),例:在图示电路中，Rs=500;晶体管的=38,导通时的UBEQ=0.7V,rbb=300。求电路的、Ri、R

28、o和。,解：先确定静态工作点。,电压增益,微变等效电路,源电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,输出电阻不含负载电阻,问题的提出：,环境温度变化、电源电压波动、元件老化会引起晶体管参数的变化，造成电路静态工作点不稳定。其中温度影响最为突出。,必需从电路设计上解决静态工作点稳定问题。,2.5 其他基本放大电路,2.分压式偏置稳定共射放大电路,Q点不稳，会产生失真,影响动态参数rbe，从而影响Au、Ri。严重时可能会造成电路无法正常工作。只有Q点合适时动态分析才有意义。,RB1、RB2为基极分压电阻,1.分压式偏置稳定共射放大电路的静态分析,电路组成:,I1=I2+IBQ,I1IBQ,I2I1,UB几

29、乎只与电阻和电源有关，与晶体管参数无关。,(1)基极电位UB,（2）电流ICQ、IEQ的稳定,稳定Q点的调整过程可表示为：,形成负反馈,Q点稳定的原因：,UBQ在温度变化时基本稳定。,RE的直流负反馈作用。,2.分压式偏置稳定共射放大电路的动态分析,画出微变等效电路,（1）电压增益,（2）输入电阻,（3）输出电阻,分压式偏置电路引入的射极电阻RE稳定了静态工作点，提高了输入电阻,但降低了电压增益。,在RE上并联旁路电容CE可以在不影响动态性能的前提下，稳定静态点。,（1）电压增益,（2）输入电阻,（3）输出电阻,2.5.2 基本共集放大电路(射极输出器）,.共集放大电路的特点及分析,负载接在发

30、射极,集电极直接(或通过小电阻)接电源。,直流通路,（1）静态工作点分析,(2)电压增益,画交流等效电路,Uo、Ui同相，Au1Uo Ui。又称射极跟随器。,（3）输入电阻,利用阻抗折算原理,输出回路电阻折合到输入回路需乘(1+),（3）输出电阻Ro,.,（输入信号短路，去掉负载，在输出端加电压）,输入回路电阻折合到输出回路需除(1+),.,共集电极放大电路特点,2.5.基本共基放大电路,.共基放大电路静态分析,（1）电路构成,（2）静态分析,.共基放大电路的动态分析,（）电压增益,其中,Uo与Ui相位相同,（）输入电阻,（）输出电阻,输入电阻很小。,2.5.4 三种晶体管基本放大电路的比较,

31、判断三种接法要搞清根本，电路组成上的区别主要在于输入和输出信号接在晶体管的哪个极。,（1）共射电路 信号从基极输入、集电极输出，电路具有电流、电压和功率的放大作用。但输出电阻较大，带负载能力较弱，不适合功率放大电路。,2.5.4 三种晶体管基本放大电路的比较,（2）共集电路 信号从基极输入、发射极输出，实现“电压跟随”无电压放大作用，只有电流放大作用，所以仍 具功率放大作用。因输出电阻小，带负载能力强，适合作功率放大。,（3）共基电路 信号从射极输入、集电极输出，实现“电流跟随”无电流放大作用，只有电压放大作用。因输出电阻较大，不适合作功率放大。,三种基本放大电路的比较,出与入电压相位,共射

32、共集 共基,电压增益,电流增益,输入电阻,输出电阻,大,大,大,大,适中,较大,最大,最小,小,较大,用 途,低频电压放大电路,输入级输出级,宽频带放大电路,信号输入端,信号输出端,b,b,e,e,c,c,相反,相同,相同,2.6 晶体管基本放大电路的派生电路,2.6.1 复合管的概念,为进一步改善放大电路的性能，可用多只晶体管构成复合管，取代放大电路中的一只晶体管。,可以证明复合管的等效电流放大系数为：,重点掌握：,1、已知晶体三极管的三个电极电位，会判断管子工作在何种状态。2、放大电路的组成原则、直流通路与交流通路、静态工作点、饱和失真与截止失真的概念。3、共射基本放大电路及分压式静态工作点稳定电路静态参数（IBQ、ICQ、UCEQ）的分析计算、动态参数（Au、Ri、RO）的分析与计算。,第2章 基本要求,重点掌握：,4、共射基本放大电路最大不失真输出电压Uom。5、共集基本放大电路（射极跟随器）的静态与动态分析计算。,第2章 基本要求,