双极型三极管及放大电路.ppt

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1、1,3 双极型三极管及其放大电路,3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 小信号模型分析法,3.5 放大电路的工作点稳定问题,3.6 共集电极电路和共基极电路,3.7 放大电路的频率响应,3.1 半导体BJT,2,3.1双极型三极管(BJT),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。,三极管的外形,3,4,NPN型,PNP型,结构与分类 两个PN结、三个引脚，两种类型：NPN和PNP型。,一、BJT的结构、符号及放大条件

2、,集电结,发射结,5,BJT符号,由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用。,6,基区：较薄，掺杂浓度最低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度最高,结构特点,7,BJT放大的内部条件,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。,管芯结构剖面示意图,8,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。,BJT放大的外部条件：发射结正偏，集电结反偏,9,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而

3、被收集，形成IC。,三极管能放大电流的必要条件：发射结正偏，集电结反偏。,根据KCLIE=IB+IC,10,令=IC/IE 为共基极电流放大倍（系）数 1(0.90.99),根据KCL IE=IB+IC,令=IC/IB 为共射极电流放大倍(系)数 1(10100)一般放大电路采用3080为宜，太小放大作用差，太大性能不稳定。,11,因为 IC=IE,IB=IEIC=IE IE=IE（1）,所以=IC/IB=IE/IE（1）=/(1-),即为与的关系,对NPN管，放大时VC VB VE对PNP管，放大时VC VB VE,12,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=const,(2)当vCE1V

4、时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，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,此时，曲线基本相同，为一般常用曲线。,13,(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,14,iC=f(vCE)iB=const,2.输出特性曲线,饱和区：Je正偏，Jc正偏。该区域内，一般vCE 1V(硅)。,放大区：Je正偏，Jc反偏。曲线基本平行等距。,截止区：Je反偏，Jc反偏。ic轴接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。,输出特性曲线的三个区域,15,(1)共发

5、射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const,1.电流放大系数,三、BJT的主要参数,(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,16,(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。,三、BJT的主要参数,1.电流放大系数,17,(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。,三、BJT的主要参

6、数,18,(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反向击穿电压。,几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO,3.极限参数,(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,19,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,end,20,3.2 共射极放大电路,共射电路组成,简单工作原理,放大电路的静态和动态,直流通路和交流通

7、路,放大电路的基本概念,21,放大电路的作用：,将微弱的电信号放大到一定的数值去驱动负载，使之正常工作。,放大电路的分类：,分类1：连接方式不同(组态不同）共射极放大电路 共集电极放大电路 共基极放大电路,分类2：放大元件的个数不同 单级放大电路 多级放大电路,分类3：所放大的信号不同 直流放大电路 交流放大电路,一、放大电路的基本概念,22,二、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）,23,2.习惯画法,BJT:放大电路的核心Vcc:电路的能源Rb:基极电阻，用于设置偏压Rc:集电极电阻，用于实现集电极的电流与电压的转换C1、C2:耦合电容，作用为1）隔直

8、流，使BJT的直流工作点 Q不受外界直流影响；2）通交流，使交流信号无 衰减地通过。,注意：零电位点是指电路中各点电位均以此点为参考。,24,3.简单工作原理,vi=0(静态),vi=Vsint（动态）,25,4.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；可用估算法和图解法进行分析。,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；可用图解法和小信号模型法分析。其主要性能指标为 Av、Ri、Ro。,电路处于静态时，三极管各电极的电流、电压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

9、IBQ、ICQ、和VCEQ）表示。,综合考虑电路的静态分析结果与动态分析结果，即得电路的实际工作情况,26,1.静态工作点Q合适,放大电路为什么要建立合适的的静态工作点？,2.静态工作点 Q 偏高 可能导致饱和失真,3.静态工作点 Q 偏低 可能导致截止失真,27,直流通路,5.直流通路和交流通路,耦合电容：隔直流，可看做为开路。信号源：不加考虑 去掉所在支路。,直流电源：内阻为零，相当于对地短路耦合电容：通交流，相当于短路,end,交流通路,28,3.3 放大电路的分析法,3.3.1 静态工作情况分析,3.3.2 动态工作情况分析,3.3.3 小信号模型分析法,29,3.3.1 静态工作情况

10、分析,1.近似估算静态工作点,根据直流通路可知：,共射极放大电路,首先，画出直流通路,采用该方法，必须已知三极管的值。,30,在输出特性曲线上，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。,列输出回路方程（直流负载线）：vCE=VCCiCRC,2.用图解法确定静态工作点,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输出特性曲线。,由直流回路求出 IB(即 IBQ),O,31,【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知 Rb=280 k，Rc=3 k，集电极直流电源 VCC=12 V，试用图解法确定静态工作点。,解：首先估算 IBQ,做直流负载线，

11、确定 Q 点,根据 vCE=VCC iC Rc,iC=0，vCE=12 V；,vCE=0，iC=4 mA.,32,0,iB=0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ=40 A，ICQ=2 mA，UCEQ=6 V.,uCE/V,由 Q 点确定静态值为：,iC/mA,33,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce=-ic(Rc/RL),1.交流通路及交流负载线,3.3.2 动态工作情况分析,O,34,2.输入交流信号时的图解分析,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；

12、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。,35,单管共射放大电路当输入正弦波 ui 时，放大电路中相应的 uBE、iB、iC、uCE、uO 波形。,单管共射放大电路的电压电流波形,36,3.BJT的三个工作区,截止区：iB=0，iC=ICEO 当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。,放大区（线性区）：,O,37,图解法的应用,(一)用图解法分析非线性失真,1.静态工作点过低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真,ib,ui,结论：iB 波形失真,截止失真,38,iC、uCE(uo)波形失真,NPN 管截止失真时的输出 uo 波形。,uo=uce,39,O

13、,IB=0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC/mA,uo=uce,ib(不失真),ICQ,UCEQ,2.Q 点过高，引起 iC、uCE的波形失真饱和失真,40,(二)用图解法估算最大输出幅度,输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B 所限定的范围。,Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ=QB，CD=DE,41,(三)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

14、管子的动态功耗也增大。,Q2,42,3.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。,43,图解法小结,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。,44,放大电路的动态范围,45,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B

15、JT工作在哪个区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路的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,end,46,小信号模型分析法亦称微变等效电路法,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

16、一个线性电路。,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,3.3.3 小信号模型分析法,47,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,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。,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，就是将非线性器件作线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,BJT的小信号建模,48,1.H参数的引出,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,可以写成：,49,1.H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取

17、全微分得,其中：,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。,50,2.H参数小信号模型,根据,可得小信号模型(BJT的H参数模型),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参数只适合对交流信号的分析。,51,3.模型的简化,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（b）图：,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（c）图：,52,

18、4.H参数的确定,一般可用测试仪测出；,rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。,也可用公式估算 rbe,rbe=rb+(1+)re,其中对于低频小功率管 rb200（或300）,则,53,rbe 的近似估算公式,rbb：基区体电阻。,reb：基射之间结电阻。,低频、小功率管 rbb 约为 200300。,UT：温度的电压当量。,54,用H参数小信号模型分析共 射极基本放大电路,1.利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,共射极放大电路,55,2.画出小信号等效电路,共射极放大电路,H参数小信号等效电路,56,3.求电压增益,根据,则电压增益为,（可作为公式）,

19、57,4.求输入电阻,令,58,1.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,59,例题,解：,（1）,（2）,end,60,3.4 放大电路的工作点稳定问题,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,4.4.1 温度对工作点的影响,4.4.2 射极偏置电路(亦称分压式偏置电路或自偏置电路）,61,3.4.1 温度对工作点的影响,1.温度变化对输出特性曲线的影响,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,O,62,

20、3.4.2 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）,I1 IB，,此时，,不随温度变化而变化。,VB VBE,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V,63,2.放大电路指标分析,静态工作点,64,电压增益,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,65,输入电阻,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,66,输出电阻,o,令,若考虑 rce 的作用，参见67

21、,67,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,静态：,共射极放大电路,68,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,Ro=Rc,思考：射极偏置电路应如何改进，才可以使其既具有温度稳定性，又具有与固定偏流电路相同的动态指标？,69,70,1,end,71,3.5 共集电极电路和共基极电路,静态工作点,动态指标,静态工作点,动态指标,三种组态的比较,3.5.1 共集电极电路,3.5.2 共基极电路,72,3.5.1 共集电极电路,1.电路分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为射极输出器,（）静态分析求静态工作Q点,由,得,73,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

22、型参数,已知，求rbe,增益,1.电路分析,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,电压跟随器,74,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,当,，,时，,1.电路分析,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,#既然共集电极电路的电压增益小于1（接近于1），那么该电路没有放大作用。这种说法是否正确？,75,3.5.2 共基极电路,1.静态工作Q点,直流通路与射极偏置电路相同,76,2.动态指标,电压增益,输入电阻,输出电阻,#共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？,77,3.三种组态的比较,1)连接方式不同：,基极输入，集电

23、极输出；,基极输入，发射极输出；,发射极输入，集电极输出；,共射极电路,共集电极电路,共基极电路,78,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,2）动态特性不同：,3）用途不同：,共发射极电路：既能放大电流又能放大电压，应用广泛，多用于多级放大电路的中间级；,共基极电路：只能放大电压不能放大电流，稳定性好，频带宽，多用于高频或宽频带电路及恒流源电路。end,共集电极电路：只能放大电流不能放大电压，输入电阻高、输出电阻低，多用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级；,共射极电路共集电极电路共基极电路,79,复合管（也称为达林顿管）,作用：提高电流放大系数，增大输入电阻rbe,根据组成复合管的BJT的

24、类型不同分为：（）同种类型的BJT复合，其复合管保持组成管的特性；（2）不同类型的BJT复合，则复合管与第一只管特性相同。,=12,80,3.6 多极放大电路,在放大电路的实际应用中，为了使微弱的信号得到足够的放大，即获得足够高的增益或考虑输入电阻、输出电阻的特殊要求，常常将多个基本放大电路合理的连接起来，构成多级放大电路。,组成多极放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合，常见的级间耦合方式有：（1）阻容耦合（2）直接耦合（3）变压器耦合（4）光电耦合。,不管采用何种耦合方式，都必须保证：各级都有合适的静态工作点；前级的输入信号能顺利的传送到后一级的输入端。,81,

25、一、阻容耦合,将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合,两极阻容耦合放大电路,特点：级与级之间无直流通路，各级电路的静态工作点相互独立，在求解或调试点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；由于在集成电路中制造大电容很困难，甚至不可能，所以不便于集成化。,多极放大电路的耦合方式,82,二、直接耦合,将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合,直接耦合放大电路静态工作点的设置,特点：各级之间直流通路相连，静态工作点相互影响，给电路的分析、设计和调试带来一定困难（当然可通过运用计算机辅助分析软件解决之）；具有良好的低频特

26、性，可以放大变化缓慢的信号；电路中没有大电容易于制成集成放大电路；存在零点漂移现象。,83,三、变压器耦合,将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为变压器耦合,图（a）为变压器耦合共射放大电路，RL既可以是实际的负载电阻，也可以代表后级放大电路，图（b）是他的交流等效电路。,特点：前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重更不能集成化；可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。,84,变压器耦合的阻抗变换,85,四、光电耦合,光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦

27、合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。,光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘的组合在一起，如下图所示：,光电耦合器及其传输特性,86,信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路。当动态信号为零时，输入回路有静态电流 IDQ，输出回路有静态电流 ICQ，从而确定出静态管压降UCEQ。,光电耦合放大电路,当有动态信号时，随着 iD 的变化,ic 将产生线性变化，电阻 RC 将电流的变化转换成电压的变化。,87,多极放大电路的动态分析,多级放大电路方框图,第一级的输入电阻就是放大电路的输入电阻；,最后一级的输出电阻就是放大电

28、路的输出电阻。,88,多级放大电路的电压放大倍数,和输入、输出电阻,一、电压放大倍数,总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即,其中，n 为多级放大电路的级数。,二、输入电阻和输出电阻,通常，多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻；输出电阻就是输出级的输出电阻。,具体计算时，有时它们不仅仅决定于本级参数，也与后级或前级的参数有关。,89,多极放大电路的微变等效电路,90,图示两级直接耦合放大电路中，已知：Rb1=240 k，,【例1】,Rc1=3.9 k，Rc2=500，稳压管 VDz 的工作电压 UZ=4 V，三极管 VT1 的 1=45，VT2 的 2=40，VCC=24 V，试计

29、算各级静态工作点。,解：设 UBEQ1=UBEQ2=0.7 V，,则UCQ1=UBEQ2+Uz=4.7 V,如 ICQ1 由于温度的升高而增加 1%，计算静态输出电压 的变化。,91,ICQ1=1 IBQ1=4.5 mA,IBQ2=IRc1 ICQ1=(4.95 4.5)mA=0.45 mA,ICQ2=2 IBQ2=(40 0.45)mA=18 mA,UO=UCQ2=VCC ICQ2RC2=(24 18 0.5)V=15 V,UCEQ2=UCQ2 UEQ2=(15 4)V=11 V,当 ICQ1 增加 1%时，即,ICQ1=(4.5 1.01)mA=4.545 mA,IBQ2=(4.95-4.

30、545)mA=0.405 mA,ICQ2=(40 0.405)mA=16.2 mA,UO=UCQ2=(24 16.2 0.5)V=15.9 V,比原来升高了 0.9 V，约升高 6%。,92,【例2】图示电路中，Rb1=240 k，Rc1=3.9 k，,Rc2=500，UZ=4 V，1=45，2=40，VCC=24 V，设稳压管的 rz=50。试估算总的电压放大倍数，,以及输入、输出电阻 Ri 和 Ro。,解：估算 Au1 时，应将第二级 Ri2 作为第一级的负载电阻。,93,所以,94,直接耦合放大电路的零点漂移现象,一个理想的直接耦合放大电路，当输入信号为零时，其输出信号应保持为恒定（即静

31、态输出电压）。但实际的直接耦合放大电路，输入端短路时（即ui=0），输出电压会随时间的变化而偏离原来的起始值而上下缓慢地波动，这种现象称为零点漂移，简称 零漂。,零点漂移现象,95,零漂-就是工作点的漂移。在直接耦合电路中，前级的零漂将被逐级放大，从而在输出端可能将有用的信号淹没，严重时甚至使后级电路进入饱和或截止状态而无法正常地工作。所以要抑制零点漂移。,输入级的零漂对电路的影响最大。看一个放大器的零漂是否严重，不能只看输出级的电压漂移的大小，还要看放大器的放大倍数。所以，一般都是将输出零漂值折算到输入端，用等效输入零漂电压来衡量零漂的大小。,折算公式,输出漂移电压,电压放大倍数,输入端等效漂移电压,96,抑制温度漂移的方法归纳如下：,）在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路中的Re所起的作用；,）采用温度补偿的方法利用热敏元件来抵消放大管的变化；,）采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分式放大电路”，这就是集成运放均采用差分式放大电路做为输入级的主要原因之一。这个方法也可归结为温度补偿。,由温度变化引起的半导体器件参数的变化，是产生零点漂移的主要原因，因而零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。,end,