高频电路先修基础知识.ppt
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1、1,先修基础知识复习,1.二极管基础知识 2.三极管基础知识 3.放大电路基础 4.负反馈放大电路5.谐振回路,2,1.1 导体、半导体和绝缘体,导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。,绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1.二极管基础知识,3,半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:,当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。,4,本征半导体:完
2、全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。,5,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。,N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。,6,N 型半导体,N型半导体中,自由电子的浓度远大于空穴浓度,所以称自由电子为多数载流子(简称多子),空穴为少数载流子(简称少子)
3、。,P 型半导体,P 型半导体中空穴的浓度远大于自由电子浓度,所以称空穴为多数载流子(简称多子),自由电子为少数载流子(简称少子)。,在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN 结。,PN 结的形成,7,PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置:P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置:P 区加负、N 区加正电压。,8,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴(多子)、N 区中的电子(多子)向对方运动(扩散运动)。,3、P 区中的电子(少子)和N区中的空穴(少子),数量有限,因
4、此由它们形成的电流很小。,总结:,9,PN结的高频等效电路及最高工作频率,PN结的高频等效电路,PN结既表现出非线性电阻的特性,又表现出非线性电容的特性,总效果相当于结电容CJ与结电阻r 并联。,为保证PN结的单向导电性不被破坏,所允许加在PN结上的交变电压的最高频率,称为PN结的最高工作频率。,10,1.2 半导体二极管,PN 结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,11,伏安特性,死区电压:硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,12,主要参数,(1)最大整流电流 IFM,二极管长期使用时,允许流过二极管的最
5、大正向平均电流。,(2)反向击穿特性与最大工作电压URM,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。,13,(3)反向特性与反向饱和电流 IS,外加反向电压时,二极管有反向电流 通过。随后反向电压继续增加时,反向电流几乎不变,这个电流称反向饱和电流IS。,.反向电流大,说明管子的单向导电性差,因此反向电流越小越好。.反向电流受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,14,从伏安特性可以看出,二极管的U、关系不具备线性关系,为非线性元件。它具有
6、单向导电性。,以上均是二极管的直流参数。二极管的应用是主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,15,(4)微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比:,显然,rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,16,(5)二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成:势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容:势垒区是积累空间电荷的区域,当电压变化时,就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容:为了形成正向电流(扩散电流),注入P 区的少子(电子)在P 区有浓度差,越靠近PN
7、结浓度越大,即在P 区有电子的积累。同理,在N区有空穴的积累。正向电流大,积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,17,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时,由于载流子数目很少,扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路:,势垒电容和扩散电容的综合效应,18,(1)理想二极管等效电路,伏安特性 等效电路,半导体二极管的等效电路,19,(2)考虑正向压降的等效电路,伏安特性 等效电路,20,二极管:死区电压=0.5V,正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管:死区电压=0,正向压降=0,二极管的应用举例1:二极管半波整流,21,例2 二极管门电路如图(a)所示,输入电压ui
8、1(t)和ui2(t)如图(b)和(c)所示,请分析电路中各二极管的工作状态,画出该电路的输出波形uo(t),并指出电路所实现的功能。,22,课堂练习:二极管的应用举例2,23,2.1 三极管的结构及符号,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,2.三极管基础知识,24,基区:较薄,掺杂浓度低,集电区:面积较大,发射区:掺杂浓度较高,25,B,E,C,IB,IE,IC,NPN型三极管,B,E,C,IB,IE,IC,PNP型三极管,26,2.2 三极管的主要参数,前面的电路中,三极管的发射极是输入输出的公共点,称为共射接法,相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数:,工作于动态的三极管
9、,真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB,相应的集电极电流变化为IC,则交流电流放大倍数为:,1.电流放大倍数 和,27,例:UCE=6V时:IB=40 A,IC=1.5 mA;IB=60 A,IC=2.3 mA。,在以后的计算中,一般作近似处理:=,另外,电流放大倍数,28,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流,受温度的变化影响。,29,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区,形成IBE。,根据放大关系,由于IBE的存在,必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3.集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大,当温度上
10、升时,ICEO增加很快,所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,30,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降,当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时,三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,31,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管,所发出的焦耳 热为:,PC=ICUCE,必定导致结温 上升,所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,32,f:共射极截止频率fT:特征频率,的频率特性,7频率参数
11、,33,共基直流电流传输方程:,2.3 三极管的工作原理,若CBO很小,可忽略:,被称为共基电流放大倍数。,三极管为共射极接法时,可以定义共射电流放大倍数,由于,共射直流电流传输方程:,34,(1)两个反向饱和电流之间的关系:若令B=0时的C 用来表示CEO。,(2)若CEO很小可忽略,则,(3)和 两种电流放大系数均表示的电流控制作用,注意:,35,2.3.1 三极管特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,VCC,VBB,(实验线路),RC,共射极接法电路,36,1、输入特性,工作压降:硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压,硅管0.5V,锗管0.2V。,37
12、,2、输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区(放大区)。,当UCE大于一定的数值时,IC只与IB有关,IC=IB。,CEO:基极开路时,集电极和发射极之间的穿透电流。,38,此区域中UCEUBE,集电结正偏,IBIC,UCE0.3V称为饱和区。,39,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压,称为截止区。,40,此区域中:三极管发射结正偏,集电结反向击穿,称为击穿区。,41,输出特性四个区域的特点:,放大区:发射结正偏,集电结反偏。即:IC=IB,且 IC=IB,(2)饱和区:发射结正偏,集电结正偏。即:UCEUBE,IBIC,UCE0.3V,(3)截止区:UBE
13、死区电压,IB=0,IC=ICEO 0,(4)击穿区:三极管发射结正偏,集电结反向击穿,IC 迅速增大。,42,3.温度对三极管特性曲线的影响,100C,25C,(1)对输入特性曲线的影响:,43,(2)对输出特性曲线的影响,100C,25C,44,2.3.2 三极管的微变等效电路,输入特性曲线,注意:微变电路只能用来分析小信号交流电路,不能用来分析直流电路。,45,(1)从输出特性曲线看,在放大区,输出电流 ic仅受输入电流 ib控制,所以输出回路可用一个电流控制电流源来等效,(2)从输入特性曲线看,在Q点附近较小范围内,uBE 与iB成正比。可用一个等效电阻来表示输入回路中电压与电流的关系
14、:,对于低频小功率三极管,可估算:,re 为发射结结电阻,,46,例:=50,USC=12V,RB=70k,RC=6k 当USB=-2V,2V,5V时,晶体管的静态工作点Q位于哪个区?,当USB=-2V时:,IB=0,IC=0,IC最大饱和电流:,Q位于截止区,47,例:=50,USC=12V,RB=70k,RC=6k 当USB=-2V,2V,5V时,晶体管的静态工作点Q位于哪个区?,IC ICmax(=2mA),Q位于放大区。,USB=2V时:,48,USB=5V时:,例:=50,USC=12V,RB=70k,RC=6k 当USB=-2V,2V,5V时,晶体管的静态工作点Q位于哪个区?,IC
15、 Icmax(=2 mA),Q位于饱和区。(实际上,此时IC和IB 已不是的关系),49,一、放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示,如图:,Au,3.放大电路基础,50,放大电路的基本组成,uo,ui,51,二、放大电路的性能指标,1、电压放大倍数Au,Ui 和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。,2、输入电阻ri,放大电路一定要有前级(信号源)为其提供信号,那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大,从其前级取得的电流越小,对前级的影响越小。
16、,52,3、输出电阻ro,放大电路对其负载而言,相当于信号源,我们可以将它等效为戴维南等效电路,这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,53,如何确定电路的输出电阻ro?,步骤:,1.所有的电源置零(将独立源置零,保留受控源)。,2.加压求流法。,方法一:计算。,54,方法二:测量。,1.测量开路电压。,2.测量接入负载后的输出电压。,步骤:,3.计算。,55,4、通频带,通频带:,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线,56,三、符号规定,UA,大写字母、大写下标,表示直流量。,uA,小写字母、大写下标,表示全量。,ua,小写字母、小写下标,表示交流分量。,uA,t,UA直流分量,uA=U
17、A+ua,57,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,58,3.1 共射放大电路,59,放大元件iC=iB,工作在放大区,要保证集电结反偏,发射结正偏。,输入,输出,?,参考点,60,集电极电源,为电路提供能量。并保证集电结反偏。,61,集电极电阻,将变化的电流转变为变化的电压。,62,使发射结正偏,并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,63,耦合电容,隔离输入输出与电路直流的联系,同时能使信号顺利输入输出。,64,可以省去,电路改进:采用单电源供电,65,单电源供电电路,66,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交
18、流信号。,但是,电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大,可以认为它对交流不起作用,即对交流短路。而对直流可以看成开路,这样,交直流所走的通道是不同的。,交流通道:只考虑交流信号ui 的分电路。直流通道:只考虑直流信号UA 的分电路。,3.1.1 共射放大电路的工作原理,当输入信号ui=0时,称放大电路的工作状态为静态。当输入信号ui 0 时,称放大电路工作在动态。,67,例:,对直流信号(只有+EC),68,对交流信号(输入信号ui),ui,69,由于电源的存在,IB 0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、放大电路的静态工作原理,70,(IBQ,UBEQ)和(ICQ,U
19、CEQ)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,71,二、放大电路的动态工作原理,72,iB,uCE怎么变化,?,假设,uBE有一微小的变化,Q,73,各点波形,74,实现放大的条件,1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏,集电结反偏。,2.正确设置静态工作点,使整个波形处于放大区。,3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压,经电容滤波只输出交流信号。,75,3.1.2 共射放大电路的的分析方法,放大电路分析,76,直流通路输入回路电压方程,1.图解法,(1)静态分析,利用输入特性曲线确定 IBQ和UBEQ,直流通路的电
20、压方程,输入特性用函数式,两方程联立,其解就是静态工作点。,77,利用输出特性曲线确定 ICQ和UCEQ 直流负载线与 iB=IBQ 对 应的那条输出特性曲线的 交点就是静态工作点 Q。,I,直流通路输入回路电压方程,在输出特性曲线上作直流负载线,按此直线方程,在方程输出特性曲线上画出的直线,称为直流负载线。,直流负载线方程,78,根据ui 在输入特性曲线 上求iB和 uBE,(2)动态分析,79,斜率为:,80,uo,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,(3)非线性失真的分析,81,Q点过低,信号进入截止区截止失真,82,Q点过高,信号进入饱和区饱和失真,83,(4)最大输出电压幅值,8
21、4,估算法常用来计算直流通道,(1)根据直流通道估算IB,RB称为偏置电阻,IB称为偏置电流。,85,(2)根据直流通道估算UCE、IB,IC,UCE,86,例:用估算法计算静态工作点。,已知:EC=12V,RC=4k,RB=300k,=37.5。,解:,请注意电路中IB 和IC 的数量级。,87,rce很大,一般忽略。,三极管的微变等效电路,c,b,e,2.微变等效电路法常用来计算直流通道,88,将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:,89,共射放大电路的微变等效电路,90,(1)静态分析 画出直流通路,求rbe,对于小功率三极管:,列方程求解直流工作点,91,(2)动态分析 画出交流通路
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