晶体管及基本放大电路.ppt

第二章 晶体管及基本放大电路,1,第二章 晶体管及放大电路,基本内容 半导体晶体管 共射极基本放大电路 放大电路的基本分析方法 放大电路的频率特性 基本要求 1.理解晶体管的外部特性 （3个区）、掌握判断晶体管类型和极性的方法。 2.掌握各种放大电路的特点和分析方法。 3.了解放大电路的频率特性。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管,2,2. 1 半导体晶体管,要求: 理解晶体管的放大原理 掌握晶体管的三个状态特点 掌握组成放大电路的外部条件 掌握晶体管的电流关系,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/基本结构与分类,3,一. 基本结构与分类,1. 内部结构 符号,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/基本结构与分类,4,1）按材料分 2）按结构分 3）按频率分 4）按功率分,高频管 低频管,硅管 锗管,NPN型 PNP型,大功率管 小功率管,对应型号 3A（锗PNP ）3B （锗NPN ） 3C （硅PNP ） 3D （硅NPN ）,2.分类,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管,5,放大器一般为4端网络，根据公共端的不同，晶体管有三种连接方式,二 . 晶体管的连接方式,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用,6,（一）三个区的特点 1) 发射区是掺杂质比集电区掺杂多的 N型半导体，电子浓度很大； 2） 基区很薄，为掺杂质很少的 P 型半导体。 3） 集电极面积大，保证尽可能收集到发射区发射的电子。,（二）载流子运动规律及电流分配关系 当一个 NPN 型的晶体管接成共射极接法的放大电路时： 发射结正向偏置 集电结反向偏置,T 放大作 用的内部 条件,T 放大作用 的外部条件,三. 晶体管的放大作用,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用,7,晶体管共射极接法的放大电路图,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用,8,1. 载流子运动规律,(a) 载流子运动 (b) 电流分配,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用,9,2. 电流关系,1）据KCL 定律有：,2）共射极晶体管的电流放大倍数：,晶体管的电流关系体现了电流放大作用，故称晶体管为电流控制型元件。因电流中有两种载流子的运动，所以又称为双极型晶体管。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线,10,1. 输入特性曲线 集一射极电压 UCE 为常数时，输入电路(基极电路)中基极电流 IB 与基射极电压UBE 之间的关系曲线，即 IB=f (UBE)| U CE=常数,四. 特性曲线,3DG6的输入特性,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线,11,2. 输出特性曲线,当基极电流 IB 为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流 IC 与集一射极电压 UCE 之间的关系曲线，即 IC=f (UCE)| I B=常数,1）三个基本区 (1)放大区(UCE UBE （0.7或0.3）) ; (2)截止区 ( IB 0 ，UBE 0 , UCE 0) ; (3)饱和区（ UCE UBE )。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线,12,3DG6的输入特性,3DG6的输出特性,3.晶体管特性曲线,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线,13,a) 静态电阻 动态电阻 rceRCE,4.晶体管输出回路电阻,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/主要参数,14,1电流放大系数 1）共射极直流电流放大系数 在静态(无输入信号)时 称为共射极直流放大系数。 2）交流电流放大系数 集电极电流的变化量IC 与基极电流的变化量IB 的比值。 在放大区工作时，常有 ,五.主要参数,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/主要参数,15,2 . 集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC 超过一定值时，晶体管的值要下降。当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流 IC ，称为集电极最大允许电流 ICM 。 3集射极反向击穿电压 U(BR)CEO IB= 0时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射极反向。当晶体管的集射极电压 U(BR)CEO 。 注：当UCE U(BR)CEO 时，晶体管会被击穿。 4集电极最大允许功率损耗 PCM PCM允许在集电极上消耗功率的最大值。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管,16,一般温度对所有参数都影响，但影响最显著的是 ： 1. ICBO集电极与基极间的反向饱和电流 T (10C ) ICBO （约一倍）； 2. ：T (1C ) ( 1 % ); 3. UBE : T (1C ) UBE ( 约2mV）。,六. 温度对参数的影响,第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路,17,2. 2 共射极基本放大电路,基本要求: 理解组成基本放大电路各元件的作用 掌握放大电路组成原则 掌握直流通路和交流通路的画法,第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成,18,一. 放大电路的组成,第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成,19,1. 各元件的作用,T : 放大元件，在线性区。 UCC :作为放大电路直流工作 电源：与RC一起保证集电结 反向偏置。 RB ：基极偏置电阻，与UCC共同提供适当的基极电流IB（偏流），以使放大电路获得合适的工作点。 C1、C2 ：用以耦合交流，隔断直流，通常称为耦合电容器。 RC ：为集电极负载电阻，将集电极电流的变化变换为电压UCE的变化，以实现电压放大。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成,20,1). 晶体管必须工作在放大区，即 NPN管：UC UB ，由RC、UCC保证， UB UE，由RB、UCC保证; PNP管： UC UB UE （与NPN管原理 同，电源和电容极性相反） ； 2). 信号能输入（C1），即u i 能使 i B 变化; 3). 信号能输出（C2），即 i C 变化产生 u o 输出。,2. 放大电路组成的原则,第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成,21,例1：,在晶体管放大电路中，测的得3个晶体管的各级电位如图所示。试判断其极性（E 、B、C）和类型（NPN、PNP、硅、锗）,解：（a） , , 1 , 2 , 3 ; （b） , , 1 , 2 , 3 ; （c） , , 1 , 2 , 3 ;,NPN 硅 E B C,PNP 硅 C B E,PNP 锗 C E B,第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路,22,二. 直流通路和交流通路,交流通路 （ C短路，UCC对地短路。）,直流通路（C开路）,直流分析：IB、IC、UCE,交流分析：Aus、ri、ro,第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态（直流）分析,23,2. 3 放大电路的静态（直流）分析,内容： 放大电路的直流分析是指：当ui=0，为保证晶体管工作在放大区，确定放大电路的直流值（静态值），即I B 、 I C 、UCE ，又称静态工作点，简称Q点， Q点可通过公式估算或通过作图求出 。 任务： 掌握Q点估算的方法。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态（直流）分析,24,解析法确定Q点,直流通路,根据直流通路计算，UBE、为已知。,硅管 UBE=0.6V0.7V， 锗管 UBE=0.1V0.2V，,IC=IB UC=UCC - ICRC,第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态（直流）分析,25,在图所示的放大电路中，已知UCC12V，RC 3k，RB280k ，=50。求静态值。,IC=IB=500.04=2mA,UCE=UCC-IC RC =12 - 23=6V,例1.,第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态（直流）分析,26,例2：,判断图中各晶体管的工作状态（饱和，放大，截止）。设所有的二极管和晶体管均为硅管，40。,解： （a） 截止 , （b） 饱和 , （c） 放大 ,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析,27,2. 4 放大电路的动态分析,动态：当放大电路的输入信号ui 0 时的工作状态。 任务：分析信号（交流分量）的传输情况 ，掌握放大倍数 A u 、 输入电阻ri 和输出电阻ro的计算方法。 方法：微变等效电路法、图解法。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路,28,表述：把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路，也就是把晶体管线性化，等效为一个线性元件。这就是微变等效电路法。 线性化的条件：晶体管在小信号(微变量)情况下工作，才能在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,一. 微变等效电路,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路,29,1. 晶体管的微变等效电路,输入回路 在线性工作区，当UCE 为常数时,晶体管输入端BE等效为一个电阻 rbe。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路,30,2) 输出回路,在线性工作区，当UCE 为常数时，晶体管输出端CE可等效为一个受控电流源 ： 受控电流ic=ib 受控电流源内阻为 r ce为称晶体管输出电阻,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路,31,3）晶体管的微变等效电路图,r ce R c,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路,32,2. 放大电路的微变等效电路,表述：将放大电路交流通路中的晶体管变换为微变等效电路就构成放大电路的微变等效电路,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析,33,二. 放大电路的基本性能指标,1.电压放大倍数 放大电路的输出电压与输入电压幅值或有效值之比，称为放大电路的电压放大倍数。 2. 输入电阻ri 3. 输出电阻ro,表达式：,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路,34,三. 分析举例,1）.电压放大倍数,ri,Au的特点：UO与Ui的相位相反；Au1。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例,35,2）输入电阻ri,当RB rbe 时，ri r be,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例,36,讨论：,当信号源为电压源时，若ri 很小，则有: 1） 将从信号源取用较大的电流，从而增加信号源的负担； 2） 经过信号源内阻Rs和ri 的分压，使实际加到放大电路的输入电压ui 减小，从而减小输出电压； 3） 后级放大电路的输入电阻，就是前级放大电路的负载电阻，从而将会降低前级放大电路的电压放大倍数。 结论：希望放大电路的输入电阻ri 大。 电流放大时，希望ri要低。 功率放大时，希望ri=rs 。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例,37,3）输出电阻 ro,根据定义, Ui=0，Ib=0 Ib=0，ro = UO / IO=RC 讨论：若ro 较小，当负载变化时输出电压的变化较小，放大电路带负载的能力较强。 结论：希望放大电路的输出电阻ro 小。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例,38,4）源电压放大倍数,考虑信号源内阻，放大倍数将下降。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/图解分析法,39,四.图解分析法,由于 ui 0 ，整个放大电路既有直流信号，又有交流信号，即 iB=IBQ+ib、 iC=ICQ+ic 、uCE=UCEQ+uce。,若只考虑交流信号，由交流通路有： ic= -1/RLuce，RL=RC /RL称为交流负载。,基本放大器交流通路,iC= -1/RL(UCE- uCE )+ ICQ称为交流负载线，其特点：斜率为-1/RL，过静态工作点Q。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路,40,直流负载线和交流负载线,U/ I=uce / ic =RL,交流负载线与UCE轴的 截距为： UCC= U CEQ+IC Q RL,RL RC ，交流负载线比直流负载线陡，放大倍数将减小。 当放大器空载时，即RL= RC ，此时交流负载线与直流负载重合。,1. 交流负载线的画法,第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路,41,交流负载线与直流负载线对比,RL RC ，交流负载线比直流负载线陡，放大倍数将减小。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/图解分析法,42,2. 动态图解分析过程, 根据输入信号ui，在输入特性上绘出的iB 波形;,将交流负载画于输出特性上，根据iB在输出特性上的变化求iC,根据ic在输出特性上的变化求uCE,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路,43,2.5 射极偏置放大电路,射极偏置放大电路为稳定静态工作点而设置。 温度对静态工作点的影响主要表现在晶体管的参数(、 ICBO、 uBE )上，若静态工作点与晶体管的参数基本无关，静态工作就能稳定。 如果T IC 时，若使IB ，就能使IC ,Q点基本不变，所以从IB着手。 任务： 理解放大电路稳定静态工作点的原理。 掌握静态计算和动态计算方法。 总结射极偏置放大电路的特点。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路,44,一. 射极偏置电路的结构,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路,45,UB与晶体管参数无关。,偏置电路的分析 1. 静态工作分析,I 1 = I 2 + I B ; 若使 ：I 2 I B -(1) 则： I 1 I 2,直流通路,若使：UBUBE (3)，且: I C I B,IC与T的参数无关,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,46,2. 静态工作点Q的估算式,当满足式（1）和式（3）条件，则,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,47,3. 稳定静态工作点的物理过程：,4. 稳定静态工作点的实质： 由于IC的变化通过IE 在RE 上引起电压降（UE=IE RE ）的变化，而后UE被引回(就是反馈)到输入电路与UB比较，使UBE发生变化，牵制IC 的变化。这就是利用反馈法稳定静态工作点。电路中引入的反馈为电流负反馈。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,48,2.动态分析（根据微变等效电路图）,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,49,射极偏置放大电路,提问：若在RE两端未并CE，如图所示，试分析电路。,1 ). 静态分析 直流通路没变，静态工作点不受影响。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,50,微变等效电路,2 ) Au 的计算,放大倍数显著减小,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,51,3). ri 、ro 的计算,输入电阻增大,输出电阻不变,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,52,例题：,电路如图所示，试计算: 1) 静态工作点；2) 画出微变等效电路；3) 求ri 、ro 、Au、Aus 。,放大电路图,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,53,例题直流通路,1) 静态工作点的计算,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,54,2) 微变等效电路,3.85k,第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析,55,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,56,2.6 射极输出器,射极输出器是共集电极放大电路，由发射极输出，故称为射极输出器。 任务： 掌握共集电极放大电路的分析计算。 理解共集电极放大电路的三个特点。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,57,一. 静态分析,UCC=RBIB+ UBE + RE IE =RBIB+ UBE + (1+) RE IB IB = (UCC - UBE ) / (RB+(1+) RE ) ) IC = IB UCE= UCC - RE IE,共c极放大电路图,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,58,微变等效电路,二. 动态分析, 电压放大倍数,输入和输出电压 相位相同 数值近似相等,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器/ 动态分析,59, ri 的计算,射极输出器的输入电阻r较大，可作为多级放大器的输入级。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器/ 动态分析,60,ro 的计算：,射极输出器的输出电阻r0较小，可作为多级放大器的输出级。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,61,Au 1，即 uoui ，具有跟随作用，故称射极跟随器，可作为多级放大器的缓冲级（中间级）； 具有较高的输入电阻，可作为多级放大器的输入级；,具有较小的输出电阻，有较强的带负载能力，可作为多级放大器的输出级；,三. 主要特点,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,62,在射极输出器中，UCC=12V,=60, RB=200k, RE= 2k, RL = 2k, UBE=0.6V . 试求1）静态值；2） Au 、ri 、ro 。,解：1）计算静态值；,例题：,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,63,第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器,64,通过上述计算结果，说明Au 1， ri 较高、 ro 很低。,第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总,65,交流放大电路汇总,静态计算,a b c,IB=(UCC-UBE)/RB IC= IB UCE= UCC- RC IC,UB=UCCRB/(RB1+RB) ICIE=(UB - UBE )/RE IB= IC / UCE= UCC- (RC+ RE )IC,IB=(UCC-UBE)/ （RB+(1+ ) RE ) IC= IB UCE= UCC- RE IE,第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总,66,动态计算,rbe=300+(1+ ) 26IE,a: RB 1断开，RE=0 RL= RC / RL Au=- RL/rbe ri=RB /rbe ro=RC,b : 有 CE RL= RC /RL Au=- RL/rbe ri=RB / RB 1/ rbe ro=RC,c :RB1断开 RL= RE / RL ri =rbe+(1+ ) RL Au= (1+ ) RL/ri ri=RB /ri ro=RE / rbe/ (1+ ),b : RL= RC /RL ri =rbe+(1+ ) RE Au=- RL/ ri ri=RB / RB 1/ ri ro=RC,第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总,67,电路特点,基本放大电路 电路简单，电压放大倍数较高，输入电阻较小，工作点不稳定。 射极偏置放大电路 能稳定工作点，输入电阻较大，电压放大倍数较小。 射极输出器 能稳定工作点，输入电阻较大，电压放大倍数近似为1，输出电阻较小，具有足够的电流放大作用。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,68,2.7 多级放大电路,一. 多级放大电路组成,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,69,1. 要求,1） 输入级主要要求具有足够高的输入阻抗（信号源为电压源），可使实际加到输入级的输入电压增大； 2） 对中间级主要要求具有足够大的电压放大倍数； 3） 对末前级和输出级要求具有足够的功率输出去推动负载。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,70,2. 级间耦合方式,耦合：在多级放大电路中，每两个单级放大电路之间的联接方式称为耦合； 耦合方式： 1）. 阻容耦合：两级之间通过耦合电容C 2及下级输入电阻R 联接的方式。 特点：各级静态工作点互不影响，只适合交流放大。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,71,2）. 直接耦合：将前级输出端直接接到后级的输入端或级与级之间直接联接的方式。 特点：适合交直流放大，但各级静态工作点相互影响，并带来零点漂移。 3）.变压器耦合：前级输出信号通过变压器传递到后级输入端的方式。 特点：能实现阻抗匹配，信号隔离，适合与交流功率放大电路，但体积大，频率特性差。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,72,二. 阻容耦合放大电路的分析,以两级阻容耦合放大电路为例。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,73,1. 各级静态分析,第一级：,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,74,第二级：,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,75,2.各级动态计算,两级阻容耦合放大电路的微变等效电路,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,76,1）电压放大倍数Au 的计算,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,77,2) 输入电阻ri 、输出电阻ro 的计算,意注：阻容耦合不适用于传递缓慢变化的信号或直流变化的信号。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,78,例：,在图示中，已知电路参数和1、2、rbe1、rbe2，试计算 （1）各级输入电阻ri1、ri2和总输入电阻ri； （2）各级输出电阻ro1、ro2和总输出电阻ro； （3）各级电压放大倍数、和总电压放大倍数。,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,79,解：,第一级为射极跟随器，第二级为射极偏置电路，微变等效电路如图 1）ri=ri1=Rb / ri1 ri1 = rbe1+(1+1) RL1 RL1 = Re1 /ri2 ri2= Rb12 / Rb22 / rbe2,第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路,80,2）,ro1=( rbe1 /(1+1) / Re1 ro2 = Rc2 3) RL = Rc2/ RL,第二章 晶体管及基本放大电路/,81,2.9 放大电路的频率特性,一. 频率特性的概念 1. 中频区 各种电容作用可以忽略的频率范围通常称为中频区。在中频区内，电压放大倍数Aum基本上不随频率而变化，保持一常数。 2. 高频区 影响频率特性的主要因素是管子的极间电容和接线电容等，当频率容抗输出电压 从而使Au ，同时产生附加的滞后相移。 3. 低频区 影响频率特性的主要因素是耦合电容和射极旁路电容,高频区电容的作用,低频区电容的作用,第二章 晶体管及基本放大电路/2.9 放大电路的频率特性,82,3.共发射极放大电