晶体管及放大电路基础.ppt

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1、第二章 晶体管及放大电路基础,2.1 晶体管2.2 共射极放大电路的组成和工作原理2.3 放大电路的静态分析2.4 放大电路的动态分析2.5 静态工作点的选择和稳定2.6 共集电极和共基极放大电路2.7 多级放大电路2.8 放大电路的频率响应,2.1 晶体管,2.1.1 晶体管的结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,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,三个极，三个区,发射结,集电结,两个结,2.1.2 晶体管的电流放大原理,1.三极管放大的条件,内部条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部条件,发射结正偏集电结反偏,2.满足放大条件的

2、三种电路,共发射极,共集电极,共基极,实现电路:,3.三极管内部载流子的传输过程,1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空穴复合，形成 IBN。,I BN,基区空穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,即：,IB=IBN ICBO,2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),I CN,IE,I BN,I CBO,IB,3)集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 IC,IC,I C=ICN+ICBO,4.三极管的电流分配关系,定义：,其值的大小约为0.90.99。,(1

3、)IC与I E之间的关系:,所以:,三个电极上的电流关系:,IE=IC+IB,(2)共发射极电路的IC与I B之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,(3)共集电极电路的电流分配关系：,用IB来表示IE，则可得到共集电极电路的电流分配关系：,IE=IC+IB,2.1.3 晶体三极管的特性曲线,一、输入特性,输入回路,输出回路,与二极管特性相似,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管：(0.6 0.8)V,锗管：(0.2 0.4)V,取 0.7 V,取 0.3 V,二、输出特性,截止区：IB 0 IC=ICEO 0条件：

4、两个结反偏,截止区,ICEO,2.放大区：,放大区,截止区,条件：发射结正偏 集电结反偏特点：水平、等间隔,ICEO,3.饱和区：,uCE u BE,uCB=uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时：uCE=uBE,深度饱和时：,0.3 V(硅管),UCE(SAT)=,0.1 V(锗管),放大区,截止区,饱和区,ICEO,输出特性三个区域的特点:,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，UCE=UCES 0.3V,(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。UBE 死区电压，IB=0

5、，IC=ICEO 0,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,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：,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 Icmax(=2 mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时

6、IC和IB 已不是的关系）,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，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,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：=,例2、下面三极管工作在放大区，试判断是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型，并指出三极管的三个极分别是哪一个。,3V,2.3V,6V,NPN型,PNP型,要保证三极管工作在放大

7、区，必须使发射结正偏，集电结反偏。,对NPN型来说，就是必须使UbUe，UbUbUe,对PNP型来说，就是必须使UbUc即：UeUbUc,发射结正偏，所以发射结两端的电压硅管相差0.7V，锗管相差0.20.3V。,-1.2V,-1V,-3V,N,N,P,N,P,P,例：测量三极管三个电极对地电位如图 03.09所示，试判断三极管的工作状态。,例：用数字电压表测得VB=4.5 V、VE=3.8 V、VC=8 V，试判断三极管的工作状态。,放大状态,2.1.4 晶体管的主要参数,1、直流参数,（1）共基极直流电流放大系数,（2）共射极电流放大系数,（3）集电极-基极间反向饱和电流 ICBO,（4）

8、集电极-发射极间反向饱和电流 ICEO,2、交流参数,（1）共基极交流电流放大系数,（2）共射极电流放大系数,（4）集电极-发射极间反向饱和电流 ICEO,3、极限参数,（1）ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,（2）PCM 集电极最大允许功率损耗,PC=iC uCE。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,（3）U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO,U(BR)CEO,U(BR)EBO,2.1.5 温度对管子参数的影响,对的影响：温度每增加1度，大约增加（0.

9、51）%对ICBO的影响：温度每增加10度，其值增加一倍。对UBE的影响：温度每增加1度，其绝对值下降22.5mV。,补充内容,半导体三极管的型号（补充）国家标准对半导体三极管的命名如下：3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管第二位：A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管第三位：X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。,补充：判断三极管工作状态的三种方法。,1)三极管结偏置的判定方法,结,偏置,工作状态,2)三极管电流

10、关系判定法,各极电流,电流关系,工作状态,3)三极管电位判定法,各位,电位,工作状态,共射电路三极管各极电位(对”地”而言)VB和VC和三极管的工作状态(以NPN管为例),即:VCVBVE NPN管 VCVBVE PNP管,注:多数NPN管由Si材料制成,PN结的导通压降一般为0.6-0.7;多数PNP管由Ge材料制成,PN结的导通压降一般为0.2-0.3;VCES：饱和压降,对硅管而言,临界饱和时为0.7,深度饱和时为0.3,2.2 共射极放大电路的组成和工作原理2.2.1 放大电路概述,（1）放大 信号的增强,双口网络,（2）不失真,3层含义：,增益（放大倍数）,（3）能量转换 有源电路（

11、器件）,放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。,信号源,负载,输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式,负载开路时的 电压增益,1.电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响，则希望？（考虑改变放大电路的参数）,理想情况,另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减,理想,有,要想减小衰减，则希望？,关心输出电流与输入电流的关系,2.电流放大模型,3.互阻放大模型,4.互导放大模型,（2）输入电阻ri,放大电路一定要有前级（信号源）

12、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。,（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。,5、电路的主要参数,（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。,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。,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。,（4）通频带,通频带：,f

13、bw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线,（5）全谐波失真度（p44）（6）动态范围UOPP,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,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,2.2.2 共射极放大电路的组成及其工作原理,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,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,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,使发射结正偏

14、，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,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。,可以省去,电路改进：采用单电源供电,放大电路的直流通路和交流通路,直流通路：把电路中的电容开路，保留包含三极管的那部分电路。通常用直流通路计算静态工作点Q。交流通路：把电路中的电容短路，直流电压源短路，就成为交流通路，通常用交流通路计算放大倍数，输入电阻和输出电阻。,RB,RB,交流通路,练习：画出下图的直流通路和交流通路,补充内容：实现放大的基本条件,1、保证三极管工作在放大状态，即发射结正偏，集电结反偏2、保证输入信号能够输送进去3、保证输出信号能够输送出来,(a),(d),

15、(b),(c),(c),(d),(f),2.3 放大电路的静态分析,由于电源的存在IB0,1、静态工作点,IBQ,ICQ,(ICQ,UCEQ),(IBQ,UBEQ),(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)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。,静态工作点有什么作用呢？同学们可以先想想，后面我们再讲解，这里先讲解如何求静态工作点。,IB,uCE怎么变化,？,假设uBE有一微小的变化,后面我们再讲解。,各点波形,2、图解法求静态工作点,画出直流通路估算UBEQ和IBQ列出输出回路直流负载线方程把直流负载线画在输出特性曲线上，做垂线找出ICQ和UCEQ。,（1）画直流通路,（2）估

16、算UBEQ和IBQ,UBEQ是固定值，硅管约为0.7V，锗管约为0.2V。,为什么？,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,IC,UCE,UCE=ECICRC。,（3）列出输出回路直流负载线方程,UCEIC满足什么关系？,A：IC=0，UCE=EC,B：IC=EC/RC，UCE=0,IB,（4）把直流负载线画在输出特性曲线上，做垂线找出ICQ和UCEQ。,UCEQ,ICQ,这样就可以求出静态工作点了,（1）根据直流通道估算IB,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,3、估算法求静态工作点,（2）根据直流通道估算UCE、IB,IC,UCE,例1：放大电路如下图所示，估算Q点。,射极偏置,固定偏流

17、,输入回路KVL方程,解：,即：,输出回路KVL方程（直流负载线）,T放大,例2：放大电路如下图所示，估算Q点。,解：,Je回路KVL方程,Jc回路KVL方程（直流负载线）,T放大,小结：近似估算法求Q点,T放大的基本条件 Je正偏；Jc反偏,3个方程解3个变量（IBQ、ICQ、VCEQ）,关键方程Je回路KVL方程,2.4 放大电路的动态分析,2.4.1 图解法在放大电路动态分析中的应用,1、交流通路,ic,uce,uce=-ic*（Rc/RL）,2.作交流负载线,VCC,IB,交流负载线,直流负载线,注意：（1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。,（2）空载时，交流负载线与直

18、流负载线重合。,斜 率为-1/RL。（RL=RLRc）,经过Q点。,uce=-ic*（Rc/RL）,3.波形分析交流放大原理（设输出空载）,输入一微小的正弦信号 ui,4、放大电路的非线性失真,(1)工作点过高引起饱和失真,放大电路有合适的静态工作点（即交流负载线的中间位置），可输出最大不失真信号。,如何消除饱和失真呢？,减小IBQ应该怎么做？,减小EC,增大Rb,（2）工作点过低引起截止失真,如何消除截止失真呢？,增大IBQ应该怎么做？,增大EC,减小Rb,4.最大不失真输出幅值,VCC,IB,交流负载线,直流负载线,斜 率为-1/RL。（RL=RLRc）,经过Q点。,UCES,UCEQ,I

19、CQ*RL,UOM=minUCEQ-UCES，ICQ*RL,2.4.2 微变等效法,1、晶体管的微变等效电路,条件：交流小信号,2、放大电路的动态分析,动态分析的目的是求电压放大倍数，输入电阻和输出电阻,动态参数的计算,（1）电压放大倍数Au,式中的负号表示输出与输入电压相位相反。负载电阻越大，放大倍数越大。,（2）输入电阻Ri,（3）输出电阻R。,对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望输入电阻越大越好。,见书61页解释,典型例题,2.5

20、静态工作点的选择和稳定,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,UBE,ICEO,Q,1、温度对UBE的影响,2、温度对 值及ICEO的影响,总的效果是：,小结：,固定偏置电路的Q点是不稳定的。Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。,常采用分压式偏置电路来稳定静态工

21、作点。电路见下页。,3、分压式偏置电路：,（1）、静态分析,可以认为与温度无关。,似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,（2）、动态分析,+EC,uo,问题1：如果去掉CE，放大倍数怎样？,去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：,问题2：如果电路如下图所示，如何分析？,静态分析：,直流通路,动态分析：,交流通路,交流通路：,微变等效电路：,问题：Au 和 Aus 的关系如何？,定义：,2.6 共集电极和共基极放大电路 2.6.1 共集电极放大电路,（1）、静态分析,（2）、动态分析,电压放大

22、倍数,1.,所以,但是，输出电流Ie增加了。,2.,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,结论：,输入电阻,输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。,输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,一般：,所以：,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,射极输出器的使用,1.将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。,2.将射极输出器放在电路的末级，可以降 低输出电阻，提高带负载能。,3.将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。,2.6.2 共基极放大电路,结构特点,1.静态工作点,直流通路与分压式射极偏置电路相同,2.动态指标,电压增益,输出回路

23、：,输入回路：,电压增益：,#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？,输入电阻,输出电阻,2.7 多级放大电路,引出 例如，要求AV 2000、Ri 2M和Ro 100,级联（级间耦合）：直接、阻容和变压器耦合,性能分析,动态分析求AV、Ri和Ro,例如求AV1,计算时，把后一级的输入电阻当初前一级的负载；把前一级的输出电阻当成后一级信号源内阻,例题1,为提高放大电路的带负载能力，多级放大器的末级常采用共集电路。共射-共集两级阻容耦合放大电路如图所示。已知电路中1=2=50，VBE=0.7V。,(1)求各级的静态工作点；,(2)求电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro；,(3)试

24、分别计算RL接在第一级输出端和第二级输出端时，电路的电压放大倍数。,各级静态工作点彼此独立，可分级计算。,解：,(1)求各级的静态工作点；,第二级：射极偏置,第一级：分压式射极偏置,电容开路，所以,阻容耦合的特点,变压器耦合,(2)求Ri和Ro；,=,Ri=Ri1=R1/R2/rbe1+(1+1)R42.66k,(3)分别计算RL接在第一级输出端和第二级输出端时,电压增益,Ri2=R6/rbe2+(1+)(R7/RL),=150/104=61.11k,级间耦合的优、缺点及应用比较,耦合方式,优 点,缺 点,应 用,直流或交流放大，分立或集成电路。,可放大直流及缓慢变化的信号，低频响应好,便于集

25、成,有严重的零点漂移问题,各级Q不独立，设计计算及调试不便,直接耦合,阻容耦合,各级Q独立,体积小成本低,无法集成,传输交流信号损失小，增益高,不能放大直流及缓慢变化的信号，低频响应差,交流放大 分立电路,变压器耦合,无法集成,功率放大 调谐放大,高频和低频响应差,体积大，笨重,各级Q独立,可以改变交流信号的电压、电流和阻抗,直接耦合,阻容耦合,变压器耦合,2.8 放大电路的频率响应,1、频率响应,频率响应,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应。,或写为,其中,Av为什么是 f 的函数？如何表达？,频率失真线性失真,2、频率失真,3、如何避免频率失真？,

26、中频区,高频区,低频区,频域指标,信号的带宽 放大器的带宽,直流放大电路的幅频响应与此有何区别？,若输入50kHz的正弦波，是否会产生频率失真？,4、BJT的高频小信号建模,模型的引出,模型简化,互导,模型参数的获得,(1)2个电容,(2)2个电阻rbb、rbe,(3)互导gm,fT 特征频率，查手册,查手册,公式计算,低频时，电容开路,2个模型等效,所以,例1,画低频小信号等效电路,求静态工作点,电路变换,(a)Re XCe=32(f=100Hz),(b)Rb=25k Ri,(a),(b)2条假设突出考察Ce的影响,(c)Ce 折算,(c)输出回路：诺顿戴维南,结论：Ce是决定低频响应的 主

27、要因素,中频增益,则,确定 f H、f L（BW）,求频响表达式,问题？,例,已知:,分析过程：,求静态工作点,画高频小信号等效电路,电路变换,(a)Rb=300k Rs=500,与图3.7.8(b)相同,2.共射极放大电路的高频响应,电路变换,与图3.7.8(b)相同,(b)用密勒定理对Cbc作等效拆分,(a)Rb=300k Rs=500,CM,2.共射极放大电路的高频响应,电路变换,(b)用密勒定理对Cbc作等效拆分,(a)Rb=300k Rs=500,(c)从Cbe向左做戴维南等效,(d)输出回路：诺顿戴维南,确定 f H、f L（BW）,fH=,5、完整的频响表达式及波特图,中频增益,