BJT及放大电路基础.ppt

,基本要求： （1）掌握BJT输入及输出特性，了解其工作原理。 （2）掌握 BJT放大、饱和、截止三种工作状态条件及 特点。 （3）了解BJT主要参数。 （4）掌握放大电路组成原则、工作原理及基本分析方法。 （5）熟悉放大电路三种基本组态及特点。 （6）了解频响的概念。,第四章 双极结型三极管及放大电路基础,4.1 双极结型三极管（BJT）,4.2 基本共射极放大电路,4.3 放大电路的分析方法,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.5 共集电极放大电路与共基极放大 电路 4.6 组合放大电路及多级放大电路,4.7 放大电路的频率响应,主要内容：,(The Bipolar Junction Transistor),4.1.1 BJT的结构简介,一、分类：,4.1 双极结型三极管（BJT）,按频率：低频管和高频管,按功率：小功率管、中功率管和大功率管,按材料：硅管和锗管,按类型：NPN型、PNP型,二、结构及符号：,结构特点：, 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，且掺杂浓度最低， 一般在几个微米至几十个微米,作 用,发射载流子,传送控制载流子,收集载流子,二、结构及符号,4.1.2 放大状态下BJT工作原理,一、保证BJT处于放大状态时外加电压：,Je加正向电压，Jc加反向偏置电压。,从电位的角度看：,NPN,发射结正偏 VBVE,集电结反偏 VCVB,PNP,发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,二、内部载流子传输过程 （以NPN型为例）,动画,IB= IEP+IBICBO,IE = IC+ IB,IE IEN+IEP,IC INC + ICBO,三、 ：, 以 I为已知量：,其中： 共基极电流放大系数,电流分配关系,集电极-基极间反向饱和电流,说明：只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外在电压无关，其值小于1。 取值 =0.9-0.99, 以 I为已知量：,由 IE=IC+IB IC= IE + ICBO （ IB IC ）CBO,其中： 共射极电流放大系数,ICEO= ICBO /（1- ） =(1+ ) ICBO（穿透电流）,说明： 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外在电压无关。 1,四. 三极管的三种基本组态,共集电极接法:集电极作为公共电极，用CC表示;,共 基 极 接法:基 极作为公共电极，用CB表示;,共发射极接法:发射极作为公共电极，用CE表示；,共射极电路特性曲线及共基极电路特性曲线。,一、共射极连接时特性曲线 (以NPN为例),输入特性曲线 iB=f(vBE),4.1.3 BJT的VI特性曲线：,1. 输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 vBE 0.7V PNP型锗管 vBE 0.2 V,2. 输出特性,iB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 iC= iB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,iB =0 以下区域为截止区，有 iC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当vCE vBE时,饱和状态。 vCE 0 在饱和区，iB iC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏或零偏。 深度饱和时， 硅管vCES 0.3V， 锗管vCES 0.1V。,测量BJT三个电极对地电位如图所示， 试判断BJT的工作区域 ？,放大,截止,饱和,课 堂 讨 论 题,4.1.4 主要参数,1、电流放大倍数 、,一般 = 0.90.99， 1,、只与管子的结构尺 寸和掺杂浓度有关，与外加 电压无关。,共发射极直流电流放大系数,4.1.4 主要参数,2、极间反向饱和电流(了解),集电极基极间 反向饱和电流ICBO,交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,4.1.4 主要参数,2、极间反向饱和电流,(2) 集电极发射极间 反向饱和电流ICEO,ICEO,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压 U(BR)CEO,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。,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。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,VBE 温度升高，发射结电压下降 （T升高1 ， VBE减小2-2.5mV）, 温度升高， 增大 （T升高1 ， 增大0.5%-1%）,4.1.5 温度对BJT主要参数的影响(P114)了解,（ VBE具有负温度系数）,BJT的选择及注意事项,1、BJT必须工作在安全工作区,2、要依使用要求： 小功率还是大功率，低频还是高频，值大小等要求,3、要特别注意温度对三极管的影响 。,思考题,1、可否用两个二极管背靠背地相联以构成一个BJT？,2、BJT符号中的箭头方向代表什么？,3、能否将BJT的e、c两电极交换使用？,4、要使BJT具有放大作用，Je和Jc的偏置电压应如何连接？,5、如何判断BJT 的三种组态？,6、有哪几个参数确定BJT的安全工作区,7、三极管组成电路如左图所示，试分析 （1）当Vi=0V时 （2）当Vi=3V时 电路中三极管的工作状态。,解：（1）当Vi=0V时,（2）当Vi=3V时,Vbe=0V,Ib0,此时三极管处于放大状态。,三极管Je结处于正偏， Jc结处于反偏状态,三极管处于截止状态, Vo=Vcc=12V,8、设某三极管的极限参数PCM150mW，ICM100mA，V（BR）CEO30V。试问： 1、若它的工作电压VCE=10V，则工作电流IC最大不得超过多少？ 2、若它的工作电压VCE=1V，则工作电流IC最大不得超过多少？ 3、若它的工作电流IC =1mA, 则工作电压VCE最大不得超过多少？,分析：（1） PCMICVCE150mW，所以当VCE=10V时， IC150/1015mA是最大工作电流,（2） PCMICVCE150mW，当VCE=1V时，IC150/1150mA，超过其最大工作电流，所以ICM100mA,（3） PCMICVCE150mW，当IC1mA，VCE150/1=150V, 超过其最大工作电压，所以VCE30V,作业：P186 4.1.1 4.2.2 4.2.3(a、e、d),(Common- Emitter Amplifier Circuit） (CE),4.2.1 放大电路基本知识（P7）,4.2 基本共射极放大电路,4.2.2共射极放大电路的组成及放大作用,放大的概念：,一是要求放大电信号，即能将微弱的电信号增强到人们所需的数值，以便于人们测量和使用；,如高温计，其输出电压仅有毫伏量级。,二是要求信号不能失真，即放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同或基本相同，否则就会丢失要传送的信息，失去了放大的意义。,放大的本质是小能量对大能量的控制作用。,4.2.1 放大电路基本知识,4. 2. 1放大电路的基本知识, 输入电阻, 输出电阻, 电压放大模型, 电流放大模型,放大电路模型,放大电路的主要性能指标, 增益, 互阻放大模型, 互导放大模型, 隔离放大电路模型, 频率响应及带宽, 非线性失真,4.2.1 放大电路模型及其性能指标,电压增益（电压放大倍数）,电流增益,互阻增益,互导增益,放大电路模型,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。,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,放大电路模型,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,放大电路模型,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？,放大电路模型,关心输出电流与输入电流的关系,2. 电流放大模型,放大电路模型,负载短路时的 电流增益,2. 电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,由此可见,要想减小负载的影响，则希望？,理想情况,由输入回路得,要想减小对信号源的衰减，则希望？,理想,放大电路模型,3. 互阻放大模型（自看）,输入输出回路没有公共端 安全性强，抗干扰能力强,4. 互导放大模型（自看）,5. 隔离放大电路模型,放大电路的主要性能指标,1. 输入电阻,放大电路的主要性能指标,2. 输出电阻,所以,另一方法,放大电路的主要性能指标,3. 增益,反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力,其中,“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？,四种增益,常用分贝（dB）表示,放大电路的主要性能指标,4. 频率响应及带宽（频域指标）(了解),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， 称为放大电路的频率响应。,5. 非线性失真(了解),由元器件非线性特性引起的失真。,一、电路组成：,输入端-b(基极）,输出端-c(集电极）,公共端（地点）-e(发射极）,4.2.2 基本共射极放大电路组成及放大作用：,二、各器件作用：,1 三 极 管T核心部件，起放大作用。,4 耦合电容Cb1，Cb2隔断直流传送交流。 取值一般为几-几十uF电解电容。 电容极性： Cb1 + -b Cb2 + -c,简化电路,4.2.3 基本共射极放大电路的工作原理：,一、符号表示规则：,总瞬时值：小大 如 iB,直流分量：大大 如 IB,IB,交流分量：,瞬时值：小小 如 ib,峰 值：大小m 如 Ibm,有效值：大小 如 Ib,= IB + ib,二、工作原理：,1 直流工作状态：,vi =0V,IB = （VBB - VBE）/Rb,IC = IB,VCE = VCC - IC RC,vo=0V,Vcb1 = VBE,Vcb2 = VCE,2、交流工作状态：,vi = Vimsin(wt),vBE =vi+Vcb1 =vi+VBE,iB =ib+IB,iC=ic+IC,vCE =vce+VCE =VCC- iC RC,vo =vCE-Vcb2 =vCE-VCE,结论：,（1）直流为基础，交流为对象。交直共存。,（2）相位关系： vo 与vi相位相反。共射极放 大电路为反相放大电路。,放大电路的本质：,能量转换器。,3. 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，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？,4、直流通路与交流通路：,静态分析：分析电路的直流工作状态 求Q(IB 、 IC、 VCE )-电路静态工作点。,直流通路：直流信号的流通路径。,确定方法： 电容开路,动态分析：分析电路的交流工作状态,交流通路：交流信号的流通路径,例：画出下面电路的直流通路。,例：画出下面电路的交流通路。,C,e,共射极放大电路,根据直流通路可知：,采用该方法，必须已知三极管的 值。,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。,5. 估算法求静态工作点,例：用估算法计算图示电路的静态工作点。,+VCC,由上两例可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。,由KVL可得：,由KVL可得：,6、基本放大电路组成原则,1)晶体管必须偏置在放大区。,2)正确设置静态工作点，,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。,Je正偏，Jc反偏。,？,思 考 题,1. 下列af电路哪些具有放大作用？,静态分析,动态分析,4.3.1 图解分析法（定性分析）,4.3 放大电路的分析方法,4.3.2 小信号模型分析法,条件：已知BJT的输入、输出特性曲线,共射极放大电路 ：,共射极放大电路,1 画出直流通路：,2 输入回路方程：,VCE=VCCICRC,VBE=VCCIBRb,3 输出回路方程：,4.3.1用图解法求静态工作点Q,直流通路,5 在输出特性曲线上画出直线： VCE=VCCICRC （直流负载线）,与曲线IBQ的交点即为Q（ ICQ 、 VCEQ ）,4 在输入特性曲线上画出直线： VBE=VCCIBRb 交点为Q（IBQ ）,4.3.1 图解法动态分析,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce= -ic (Rc /RL),交流负载线必过Q点，同时斜率为 Rc/RL的倒数,1. 交流通路及交流负载线,2. 输入交流信号时的图解分析,4.3.1 动态工作情况分析,共射极放大电路,通过图解分析，可得如下结论： 1. vo与vi相位相反； 2. 可以测量出放大电路的电压放大倍数； 3. 可以确定最大不失真输出幅度。,“Q” 过低引起截止失真,NPN管： 顶部失真为截止失真,“Q” 过高引起饱和失真,NPN管： 底部失真为饱和失真,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形 式，与NPN管正好相反。,4.3.2 BJT的小信号建模,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，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,ib,晶体三极管BJT,小信号模型,BJT的小信号模型,晶体管的b、e之间可用rbe等效代替。,晶体管的c、e之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,4.3.2 用小信号分析法分析共射极放大电路,1、小信号等效电路,共射极放大电路,4.3.2 用小信号模型分析法分析共射极放大电路,2、电压放大倍数,负载电阻越小，放大倍数越小。,共射极放大电路,结论：反相放大电路，放大能力强。,4.3.2 用小信号模型分析法分析共射极放大电路,3、求输入电阻,输入电阻的定义：,4.3.2 用小信号模型分析法分析共射极放大电路,4、求输出电阻,计算输出电阻的方法：,所有独立电源置零， 保留受控源， 加压求流法。,所以：,分析的一般步骤： 1 放大电路的静态分析，求Q(IB 、 IC 、 VCE )， 并求rbe,2 画放大电路的小信号等效电路,3 用线性电路分析法，求解放大电路的动态性能指标,用小信号模型法分析共射极放大电路：,5 分析方法总结：,图解分析法、小信号模型法是放大电路二种基本分析方法。它们形式上独立，但实质上互相补充、互相联系。,图解分析法特点：,真实反映非线性、全面反映放大电路交直工作 情况。,小信号模型分析法特点：,分析小信号工作情况，用线性电路分析方法求解Ro、Ri 、 。可分析复杂线路。,4.4 放大电路工作点稳定问题, 温度变化对ICBO的影响, 温度变化对输入特性曲线的影响, 温度变化对 的影响, 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,4.4.1 温度对Q的影响,1. 温度变化对ICBO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,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,稳定原理：,3.5.2 射极偏置电路,I1 IB ，,若,不随温度变化而变化。,一般取 I1 =(510)IB ， VB =3V5V,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,1. 稳定工作点原理,基极分压式射极偏置电路,b点电位基本不变的条件,I1 IB ，,VB VBE,4.4.2 射极偏置电路,2. 放大电路指标分析,静态工作点,电容开路,画出直流通道,4.4.2 射极偏置电路,2. 放大电路指标分析,b,e,c,小信号电路,2. 放大电路指标分析,电压放大倍数,输出回路：,输入回路：,电压增益：,2. 放大电路指标分析,输入电阻,根据定义,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,2. 放大电路指标分析,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,不考虑电阻rce，,考虑电阻rce，是什么情况？自学P137,3. 基本射极放大电路与分压式射极偏置电路的比较,共射极放大电路,分压式射极偏置电路,共射极放大电路特点： 1. 放大倍数高; 2. 输入电阻低; 3. 输出电阻高.,3.基本射极放大电路与分压式射极偏置电路的比较,基本共射极放大电路,Ro = Rc,# 射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？,end,例：如图所示，VCC=12V，Rb1=5k，Rb2=15k ，Re=2.3k ，Rc=5.1k ，RL=5.1k ；=50，rbe=1.5k，VBE= 0.7V。 (1).估算静态工作点Q (2).分别求有、无Ce时的Av和Ri,解： (1)静态工作点:,(2)求Av和Ri 当有Ce时:,当无Ce时，因为(1+)Rerbe且1，所以,可以看出，当无Ce时，电压放大倍数很低,解决办法如图：,Re1较小，直流通路中Re1与Re2均起作用 交流通路中只有Re1起作用 这样既能保证静态工作点稳定又能使电路有较高的放大倍数,二、含双电源的射极偏置电路： (P139) (自学),三、含有恒流源的射极偏置电路： (P139) (自学),4.5.1 共集电极电路,共集电极电路如图示,该电路也称为射极输出器,求静态工作点,由,得,小信号电路,4.5.1 共集电极电路,电压放大倍数,4.5.1 共集电极电路,输入电阻,4.5.1 共集电极电路,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,输出电阻,4.5.1 共集电极电路,（加压求流法）,4.5.1 共集电极电路,输出电阻,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,1. 电压放大倍数小于1，约等于1; 2. 输入电阻高； 3. 输出电阻低； 4. 输出与输入同相。,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1. 因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2. 因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3. 利用 ri大、 rO小以及 Au1 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,4.5.2 共基极电路,静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,3.6 共集电极电路和共基极电路,4.5.2 共基极电路,小信号电路,4.5.3 三种组态的比较 P148,4.6组合放大电路,复合管的构成,ic1= 1 ib1 ,ic2=2 ib2 = 2 (1+1 ) ib1,ic = ic1+ ic2 =1+2 (1+1 ) ib.,方式 1,ib2= ie1=(1+1 ) ib1 ,ib= ib1 ,复合管的电流放大系数 1 2,复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同,方式2,结论：,（1）复合管类型同T1管；,（2）连接原则： T1、T2中实际电流不 冲突且都工作中放大区。,（3）复合管 = 1 2 ； 同类型 rbe = (1+ 1 ) rbe2 + rbe1 互补型 rbe = rbe1,复合管放大电路,3.6 共集电极电路和共基极电路,基本放大电路派生电路,4.6.1 4.6.2 自学了解,4.7 多级放大电路,为获得足够大的放大倍数，,将若干单级放大器按一定方式串接，,组成多级放大器,耦合,级,(1)直接耦合 (2)阻容耦合 (3)变压器耦合,4.7.1 基本概念,1、多级放大器,2、级,3、耦合方式,级与级之间的连接方式,直接耦合：,将放大电路的前级输出端直接 接至后级输入端。,缺点：各级Q互相影响，设计 调试不便，有严重漂移问题。,优点：可放大低频甚至直流信号， 利于集成。,应用：交直流集成放大器。,将放大电路的前级输出端 通过电容接至后级输入端。,缺点：只能传输交流信号， 漂移信号和低频信 号不能通过，不利 于集成。,优点：各级Q独立，设计、 调试方便，体积 小、成本低。,应用：交流放大器。,阻容耦合：,变压器耦合,放大电路的前级 输出端通过变压器接至后级输入端或负载上。,优点：各级Q独立， 设计、调试方便，能实现阻抗变换。,缺点：低频特性差，不能放大缓变信号，笨重， 不利于集成。,应用：分立器件功率放大电路。,4.7 多级放大电路,4.7.2多级放大电路分析,由于电容的隔直作用，各级放大器的Q点相互独立。,(2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。,(3) 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。,(4) 总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。,(5)总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1 。,(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻.,以阻容耦合为例,例： 如图，R1=15k, R2=R3 =5k, R4=2.3k, R5=100k, R6=RL=5k; VCC=12V; =50, rbe1=1.2k, rbe2=1k, VBEQ1 =VBEQ2=0.7V 求:Q点、Av、Ri和Ro,解：1、求静态工作点Q,2、求Av、Ri和Ro,首先求出第一级的负载电阻即第二级的输入电阻：,习 题,*3.1.1测得某放大电路中BJT的三个电极A、B、C的对地电位分别为VA= 9V，VB= 6V，VC= 6.2V，试分析A、B、C中哪个是基极b、发射极e、集电极c，并说明此BJT是NPN管还是PNP管。,3.1.2某放大电路中三极管三个电极的电流如图SK_01所示。已测出IA=1.5mA，IB=0.03mA，IC= 1.53mA，试分析A、B、C中哪个是基极、发射极？该管的b为多大？,习 题,3.1.3有两个BJT，其中一个管子的b=150，ICED=200A，另一个管子的b=50，ICED=10A，其他参数一样，你选择哪个管子？为什么？,*3.1.4某BJT的极限参数ICM=100mA，PCM=150mW，V(BR)CEO=30V，若它的工作电压VCE=10V，则Ic不得超过多大？若工作电流Ic=1mA，则工作电压的极限值应为多少？,习 题,*3.2.1试分析图LX_01所示各电路对正弦交流信号有无放大作用，并简述理由（设各电容的容抗可忽略）。,习 题,*3.2.1试分析图LX_01所示各电路对正弦交流信号有无放大作用，并简述理由（设各电容的容抗可忽略）。,习 题,*3. 2. 2.电路如图LX_02所示，设BJT的b=80，VBE=0.6V，ICED、VCES可忽略不计，试分析当开头S分别接通A、B、 C三个位置时，BJT各工作在其输出特性曲线的哪个区域，并求出相应的集电极电流Ic。,C,习 题,*3.3.1BJT的输出特性如图LX_01所示。求该器件的值,习 题,*3.3. 2.测量某硅BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ （a）VC=6V VB=0.7V VE=0V （b）VC=6V VB=2V VE=1.3V （c）VC=6V VB=6V VE=5.4V （d）VC=6V VB=4V VE=3.6V （e）VC=3.6V VB=4V VE=3.4V,习 题,4.3.5图中画出了某固定偏流放大电路中BJT的输出 特性及交、直流负载线，试求： （1）电源电压VCC，静态电流IB、IC和管压降VCE的值； （2）电阻Rb、