极管及放大电路基础.ppt

4.1 半导体三极管（BJT）,4.2 共射极放大电路,4.3 图解分析法,4.4 小信号模型分析法,4.5 放大电路的工作点稳定问题,4.6 共集电极电路和共基极电路,4.7 放大电路的频率响应,4 半导体三极管及放大电路基础,4.1.1 BJT的结构简介,4.1 半导体三极管（BJT）,4.1.2 BJT的电流分配与放大原理,3.1.3 BJT的特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4.1.1 BJT的结构简介,半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e 表示（Emitter）；,集电极，用C或c 表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,结构特点：, 发射区厚、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。,管芯结构剖面图,3.1.2 BJT的电流分配与放大原理,1. 内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子 （以NPN为例）,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型晶体三极管简称晶体管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,载流子的传输过程,IC= InC+ ICBO,IE=IB+ IC,4.1.2放大状态BJT的工作原理,2. 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= InC+ ICBO,IE=IB+ IC,载流子的传输过程,IE IC,IB增大，IC也增大，IC受IB的控制。, 1,IE IC=（1+ ）IB,3. 三极管的三种组态,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；,BJT的三种组态,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。从电位上来看对于NPN型三极管， UCUBUE,4.1.2 BJT的电流分配与放大原理,vCE = 0V,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,4.1.3 BJT的特性曲线,（以共射极放大电路为例）,(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,4.1.3 BJT的特性曲线,iC=f(vCE) iB=const,2. 输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,4.1.3 BJT的特性曲线,(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,4.1.4 BJT的主要参数,1. 电流放大系数,(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。,4.1.4 BJT的主要参数,(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,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,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,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,（思考题）,end,1. 既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。,？,思 考 题,2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？,3. BJT是电流控制器件，还是电压控制器件？,end,4. 放大电路输出端增加的能量是从哪里来的？,4.2 共射极放大电路, 电路组成, 简化电路及习惯画法, 简单工作原理, 放大电路的静态和动态, 直流通路和交流通路,4.2 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）,2. 简化电路及习惯画法,习惯画法,共射极基本放大电路,注意： 判断一个电路能否正常放大一般从以下几点考虑（1）保证三极管处于放大状态，因此直流电源及其极性要接正确。直流电源要保证发射结正偏、集电结反偏。 （2）输入信号Ui能够加在三极管的B、E之间（RB不能为0），输出信号U0能够从C、E两点取出（RC不能为0）。 （3）耦合电容作用是通交流阻直流。它的极性及位置要接正确,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，三极管各电极的电压、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？,工作点合适,工作点偏低,5. 直流通路和交流通路,直流通路,共射极放大电路,end,交流通路：在输入交流信号源作用下，只有交流电流流过的通路。 在交流通路中（1）电容一般按短路处理，电感按开路处理。直流电源按短路处理。 在直流通路中求静态工作点，在交流通路中求放大倍数，输入电阻、输出电阻等。,？,思 考 题,1. 下列af电路哪些具有放大作用？,end,4.3 图解分析法, 用近似估算法求静态工作点, 用图解分析法确定静态工作点, 交流通路及交流负载线, 输入交流信号时的图解分析, BJT的三个工作区, 输出功率和功率三角形,4.3.1 静态工作情况分析,4.3.2 动态工作情况分析,共射极放大电路,4.3.1 静态工作情况分析,1. 用近似估算法求静态工作点,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。,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,共射极放大电路,2. 用图解分析法确定静态工作点, 首先，画出直流通路,4.3.1 静态工作情况分析,一般情况下IBO是通过直流通路求出来的。, 列输入回路方程： VBE =VCCIBRb, 列输出回路方程（直流负载线）： VCE=VCCICRc, 在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCCIBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 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。,由上可得出用图解法求Q点的步骤： (1)在输出特性曲线坐标中，按直流负载线方程VBE =VCCIBRb ，作出直流负载线。 (2) 由基极回路求出IBQ。 (3)找出iB=IBQ这一条输出特性曲线，与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求,4.3.2 动态工作情况分析,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce= -ic (Rc /RL),因为交流负载线必过Q点，,1. 交流通路及交流负载线,2. 输入交流信号时的图解分析,4.3.2 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. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo与vi相位相反； 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。,# 动态工作时， iB、 iC的实际电流方向是否改变，vCE的实际电压极性是否改变？,图4.11 静态工作点不合适产生的非线性失真 (a)截止失真；(b)饱和失真,波形的顶部失真是截止失真，波形的底部失真是饱和失真，静态工作点选在交、直流负载线的中间附近较好。,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）,例题,end,通过计算法判断三极管的工作方式： （1）假设管子处于临界饱和状态，这时 vce 0,Ics=VCC/RC,IBS=ICS/ （2）通过直流通路求出IB， 如果IBIBS，处于放状态；如果IBIBS，处于放状态；IB0截止；,怎样通过电位法判断三极管处于什么状态？ （1）放大状态：NPN： UCUBUE，对于PNP：UCUBUE，且UBE大于死区电压。 （2）截止状态：电位虽然满足（1），但是若UBE小于死区电压，由于发射结不导通，三极管处于截止状态；发射结、集电结反偏。 （3）饱和状态：电位虽然满足（1），但UBC电压小于1V，发射电子有余，收集不足，工作在饱和区；或发射结、集电结都正偏。,？,思 考 题,1. 试分析下列问题：,共射极放大电路,（1）增大Rc时，负载线将如何变化？Q点怎样变化？,（4）减小RL时，负载线将如何变化？Q点怎样变化？,共射极放大电路,？,思 考 题,2. 放大电路如图所示。当测得BJT的VCE 接近VCC的值时，问管子处于什么工作状态？可能的故障原因有哪些？,截止状态,答：,故障原因可能有：, Rb支路可能开路，IB=0， IC=0， VCE= VCC - IC Rc= VCC 。, C1可能短路， VBE=0， IB=0， IC=0， VCE= VCC - IC Rc= VCC 。,end,4.4 小信号模型分析法,4.4.1 BJT的小信号建模,4.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析, H参数的引出, H参数小信号模型, 模型的简化, H参数的确定,（意义、思路）, 利用直流通路求Q点, 画小信号等效电路, 求放大电路动态指标,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。,3.4.1 BJT的小信号建模,2. 三极管小信号模型,可得小信号模型, ib 是受控源 ，且为电流控制电流源(CCCS)。 电流方向与ib的方向是关联的。,4. 参数的确定, 一般用测试仪测出；, rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。,一般也用公式估算 rbe,其中对于低频小功率管 rb200,则,微变等效电路：在交流通路的基础上将三基管进行微变等效。,共射极放大电路,2. 画出小信号等效电路,4.4.2 小信号模型分析共 射极基本放大电路,共射极放大电路,1. 利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。,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,3. 求电压增益,根据,则电压增益为,（可作为公式）,带负载时的放大倍数。,空载时的放大倍数。,空载时的电压放大倍数，两个公式比较，放大电路接负载后放大倍数降低。,输入电阻Ri是从放大电路的输入端向右边看进去的等效电阻。,4. 求输入电阻,用观察法求输入电阻。,令,输出电阻ro是放大电路信号源为零时从输出端向左边看进去的等效电阻,用观察法或加压求流法（1）负载开路（2）网络内独立源信号源置零（3）输出端口加测试电压）,6 当信号源具有内阻Rs时，求电压放大倍数,当公式记住,1. 电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,例题,解：,（1）,（2）,end,4.5 放大电路的工作点稳定问题, 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,4.5.1 温度对工作点的影响,4.5.2 射极偏置电路,3.5.1 温度对工作点的影响,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,4.5.2 射极偏置电路,1. 稳定工作点原理,目标：温度变化时，静态工作点稳定。,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,2. 放大电路指标分析,静态工作点,2. 放大电路指标分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,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,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,对回路1和2列KVL方程,rce对分析过程影响很大，此处不能忽略,其中,则,当,时，,3. 固定偏流电路与射极偏置电路的比较,共射极放大电路,3. 固定偏流电路与射极偏置电路的比较,固定偏流共射极放大电路,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？,1,end,4.6 共集电极电路和共基极电路, 电路分析, 复合管, 静态工作点, 动态指标, 三种组态的比较,4.6.1 共集电极电路,4.6.2 共基极电路,4.6.1 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,求静态工作点,由,得,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,，则电压增益接近于但略小于是1，,即,电压跟随器,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），那么它对电压放大没有任何作用。这种说法是否正确？,2. 复合管,作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe；其放大倍数为各个管子的放大倍数之积；等效后的管子类型与第一个管子类型相同。,复合管也称为达林顿管,4.6.2 共基极电路,1. 静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2. 动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,不具备电流放大作用。,# 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？,2. 动态指标, 输入电阻, 输出电阻,3. 三种组态的比较,放大电路的中间级,放大电路的输入、输出、中间级,高频或宽频带电路,（1）共射极放大电路不仅具有电压放大而且具有电流放大作用；共集电极电路（射极输出器）不具有电压放大只具有电流放大作用；共基极电路不具有电流放大只具有电压放大作用。三种电路都具有功率放大的作用。 （2）射极输出器输入电阻最高，输出电阻最低（多用在放大电路的输入、输出级、中间极）；其次是共射极电路（多用在放大电路的中间级）。,多级放大电路（1）由多个单级电路耦合而成的电路，第一级的输出 作为第二级的输入。（2）多级放大电路的放大倍数等于各个单级放大电路的放大倍数乘起来。（3）多级放大电路的输入电阻等于第一级放大电路的输入电阻。（4）多级放大电路的输出电阻等于最后一级放大电路的输出电阻。（5）后一级的输入电阻作为它前一级的负载。,例题,解：,end,3.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,3.7.2 单极放大电路的高频响应, RC低通电路的频率响应, RC高通电路的频率响应,3.7 放大电路的频率响应,3.7.3 单极放大电路的低频响应,3.7.4 多级放大电路的频率响应, 多级放大电路的增益, 多级放大电路的频率响应, 低频等效电路, 低频响应,3.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,1. RC低通电路的频率响应,（电路理论中的稳态分析）,RC电路的电压增益（传递函数）：,则,且令,又,电压增益的幅值（模）,（幅频响应）,电压增益的相角,（相频响应）,增益频率函数,最大误差 -3dB,频率响应曲线描述,幅频响应,0分贝水平线,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,相频响应,1. RC低通电路的频率响应,表示输出与输入的相位差,高频时，输出滞后输入,因为,所以,2. RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,幅频响应,相频响应,输出超前输入,3.7.2 单极放大电路的高频响应,1. BJT的高频小信号建模, 模型的引出, 模型简化, 模型参数的获得, 的频率响应,2. 共射极放大电路的高频响应, 型高频等效电路, 高频响应,3. 共基极放大电路的高频响应, 增益-带宽积, 高频等效电路, 高频响应, 几个上限频率的比较,3.7.2 单极放大电路的高频响应,1. BJT的高频小信号建模,模型的引出,-发射结电容,-集电结电阻,-集电结电容,rbb -基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。,互导,3.7.2 单极放大电路的高频响应,1. BJT的高频小信号建模,模型简化,混合型高频小信号模型,又因为,所以,模型参数的获得,（与H参数的关系）,1. BJT的高频小信号建模,低频时，混合