模电第四章双极结型及放大电路基础.ppt
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1、,4 双极结型三极管及放大电路基础,学习内容:BJT;基本共射极放大电路;放大电路的分析方法;放大电路静态工作点的稳定问题;共集电极放大电路和共射极放大电路;组合放大电路重点:放大状态下BJT的工作原理;基本共射,共集电路的组成及工作原理;静态工作点的分析方法;小信号模型分析方法难点:不同组态电路的小信号模型分析;组合放大电路的小信号模型分析,4.1 BJT,4.1.1 BJT的结构简介,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,4.1.1 BJT的结构简介,(a)小功率管(b)小功率管
2、(c)大功率管(d)中功率管,图 1.3.2(b)三极管结构示意图和符号NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,4.1.1 BJT的结构简介,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,集成电路中典型NPN型BJT的截面图,4.1.1 BJT的结构简介,晶体管的电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大,必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求:,1.发射区高掺杂。,2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米,而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件:外加电源的极性
3、应使发射结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。,3.集电结面积大。,一、晶体管内部载流子的运动,发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区,基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE(基区多子数目较少,空穴电流可忽略)。,2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区,少数与空穴复合形成基极电流 Ibn,复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散,到达集电结的一侧。,晶体管内部载流子的运动,3.集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏,有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 V
4、CC。,另外,集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流,用ICBO表示。,晶体管内部载流子的运动,二、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC=ICn+ICBO,IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp,IB=IEP+IBNICBO,IE=IC+IB,图晶体管内部载流子的运动与外部电流,三、晶体管的共射电流放大系数,整理可得:,ICBO 称反向饱和电流,ICEO 称穿透电流,1、共射直流电流放大系数,2、共射交流电流放大系数,3.三极管的三种组态,(c)共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示。,(b)共发射极接法
5、,发射极作为公共电极,用CE表示;,(a)共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示;,BJT的三种组态,共基极放大电路,4.放大作用,电压放大倍数,vO=-iC RL=0.98 V,,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。,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,iB=f(vBE)vCE=const.,(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
6、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,(以共射极放大电路为例),共射极连接,饱和区:iC明显受vCE控制的区域,该区域内,一般vCE0.7V(硅管)。此时,发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小。,iC=f(vCE)iB=const.,2.输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,截止区:iC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。,放大区:iC平行于vCE轴的区域,曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏。,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,(1)共发射极直流电流放大系数=(ICICE
7、O)/IBIC/IB vCE=const.,1.电流放大系数,4.1.4 BJT的主要参数,与iC的关系曲线,(2)共发射极交流电流放大系数=iC/iBvCE=const.,1.电流放大系数,(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/iEvCB=const.,当ICBO和ICEO很小时,、,可以不加区分。,4.1.4 BJT的主要参数,2.极间反向电流,(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,(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=(1+)ICBO,4.1
8、.4 BJT的主要参数,2.极间反向电流,(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,3.极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,3.极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,(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,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,(1)温度对ICBO的影响,温度每升高10,ICBO约增加一倍。,(2)温度对
9、的影响,温度每升高1,值约增大0.5%1%。,(3)温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时,V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,2.温度对BJT特性曲线的影响,1.温度对BJT参数的影响,end,三极管工作状态的判断,例1:测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下,试判别管子工作在什么区域?(1)VC 6V VB 0.7V VE 0V(2)VC 6V VB 4V VE 3.6V(3)VC 3.6V VB 4V VE 3.4V,解:,原则:,对NPN管而言,放大时VC VB VE 对PNP管而言,放大时VC VB VE,(1)放大区(2)截止区(3
10、)饱和区,例2某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解:电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。,管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。,例3:测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为:(1)U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V(2)U1=3V、U2=2.8V、U3=12V(3)U1=6V、U2=11.3V、U3=12V(4)U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型
11、还是PNP型?是硅管还是锗管?并确定e、b、c。,(1)U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅(2)U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗(3)U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅(4)U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,原则:先求UBE,若等于V,为硅管;若等于V,为锗管。发射结正偏,集电结反偏。NPN管UBE0,UBC0,即UC UB UE。PNP管UBE0,UBC0,即UC UB UE。,解:,4.2 基本共射极放大电路,4.2.1 基本共射极放大电路的组成,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,4.2.1 基本共射极放大电路的组成,基本共射极放大电路,4.2.2 基本
12、共射极放大电路的工作原理,1.静态(直流工作状态),输入信号vi0时,放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。,直流通路,VCEQ=VCCICQRc,用近似估算法求静态工作点,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,2.动态,输入正弦信号vs后,电路将处在动态工作情况。此时,BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。,交流通路,end,简单工作原理,Vi=0,Vi=Vsint,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。,电路处于静态时,
13、三极管个电极的电压、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?,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,4.3 放大电路的分析方法,4.3.1 图解分析法,4.3.2 小信号模型分析法,1.静态工作点的图解分析,2.动态工作情况的图解分析,3.非线性失真的图解分析,4.图解分析法的适用范围,1.BJT的H参数及小信号模型,2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,3.小信号模型分析法的适用范围,4.3.1 图解分析法,1.静态工作点的图解分析,采用该方法分析
14、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,4.3.1 图解分析法,1.静态工作点的图解分析,列输入回路方程,列输出回路方程(直流负载线)VCE=VCCiCRc,首先,画出直流通路,直流通路,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。,在输入特性曲线上,作出直线,两线的交点即是Q点,得到IBQ。,根据vs的波形,在BJT的输入特性曲线图上画出vBE、iB 的波形,2.动态工作情况的图解分析,根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE 的波形,2.动态工作情况的图解分析,2.动态工作情况的图解分
15、析,共射极放大电路中的电压、电流波形,静态工作点Q设置得不合适,会对放大电路的性能造成影响。导致输出信号的波形不能完全重现输入信号的波形。,(1)定义,(2)饱和失真 若Q点偏高,当ib按正弦规律变化时,Q/进入饱和区,造成ic和uce的波形与ib(或ui)的波形不一致,对NPN管输出电压uo(即uce)的负半周出现平顶畸变。,饱和失真也称为底部失真,3.静态工作点对波形失真的影响,若Q点偏低,则Q/进入截止区,对NPN管而言,输出电压uo的正半周出现平顶畸变,称为截止失真。,(3)截止失真,截止失真也称为顶部失真饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJ
16、T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,4.图解分析法的适用范围,幅度较大而工作频率不太高的情况,优点:直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存,静态和动态等重要概念;有助于理
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- 第四 章双极结型 放大 电路 基础
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