潘三极管及放大电路.ppt

第三章 半导体三极管及放大电路基础,3.1 半导体三极管（BJT双结晶体管）,3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 三极管的低频小信号模型分析法,3.5 放大电路的稳定工作点问题,3.6 共集电极电路,3.7 放大电路的频率特性,第三章 半导体三极管及放大电路基础,3.1 半导体三极管（BJT双结晶体管）,频率：,高频管、低频管,功率：,材料：,小、中、大功率管,硅管、锗管,类型：,NPN型、PNP型,半导体三极管: 是具有电流放大功能的元件,分类：,3.1.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,三极管的基本接法,共集电极接法： 集电极作为公共端；,共基极接法： 基极作为公共端。,共发射极接法： 发射极作为公共端；,3.1.2 BJT的电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,2. 三极管内部载流子的运动规律,B,E,C,N,N,P,VEE,RB,VCC,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,JC,JE,B,E,C,N,P,VEE,RB,VCC,JC,JE,IC,IB,2. 三极管的电流分配关系,ICICE ICBO,IBIBE ICBO,IEIC IB,得：,三极管的电流分配关系总结,IEIC IB,共基极电流传输:,共发射极电流放大:,对于变化量 用交流参数,3.1.3 特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,1. 共发射极电路,输入回路,输出回路,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 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,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UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。,放大VcVbVe,放大VcVbVe,发射结和集电结均为反偏。,发射结和集电结均为正偏。,例1：,举例,图中已标出各硅晶体管电极的电位，判断晶体管的状态。,3.1.4 主要参数,1. 电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,1.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,2.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,2. 极间反向电流,1. 集电极最大允许电流 ICM,2. 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。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,3. 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,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,3. 极限参数：,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,输出特性三个区域的特点:,(1) 放大区 BE结正偏，BC结反偏， IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区 BE结正偏，BC结正偏 ，即UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区 UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,基本放大电路,基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。,共发射极、 共集电极、 共基极,放大电路的主要技术指标,(1)放大倍数 (2)输入电阻Ri (3)输出电阻Ro (4)通频带,3.2 共射极放大电路,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,耦合电容：C1、C2 ; 输入电压：ui ; 输出电压：uo,基极直流电流（偏置电流）：IB（UCCUBE) / RB (固定偏置）,负载电阻：RL,信号放大过程各点波形,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,(1) 无输入信号(ui = 0)时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE (静态工作点)。,？,(2)有输入信号(ui 0)时，各电流和电压均直流量的基础上叠加了一个交流量。,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,结论：,将电流和电压的直流分量和交流分量分开加以分析： 对直流量用直流通路：求静态工作点Q 对交流量用交流通路：求电压放大倍数、输入输出电阻等,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,例：画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,直流通路与交流通路,对交流信号(有输入信号ui时的交流分量),XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。,短路,短路,对地短路,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,3.3图解分析法,3.3.1 静态工作情况分析,IB、IC和VCE 是静态工作状态的三个量，用Q表示。在测试基本放大电路时，测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的静态工作状态。,(1) 估算工作点: (Q点) 用直流通路】,硅:VBE=0.7V 锗:VBE=0.2V,(2) 图解分析法: (Q点),1. 直流负载线 VCE =VCCICRC,VCC 、 VCC /Rc,3. 得到Q点的参数IB 、IC 和VCE 。,2. 在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可画出直流负载线。,uCE怎么变化,？,假设uBE静态工作点的基础上有一微小的变化 ui,1、加入正弦信号时的工作情况,3.3.2 动态工作情况分析,uCE的变化沿一条直线 交流负载线,u i 与 u o 反相,2、交流负载线,1）从A点通过输出特性曲线上的Q点做一条直线， 其斜率为-1/RL 。,2）RL= RLRc， 是交流负载电阻。,3）交流负载线是有交流 输入信号时Q点的运动轨迹。,4）交流负载线与直流 负载线相交Q点。,uo,可输出的最大不失真信号,合适的静态工作点,波形失真分析：,uo,Q点过低，信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,uo,Q点过高，信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,放大电路的最大不失真输出幅度,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2.要有合适的交流负载线。,实现放大的条件,(1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集 电结反偏。 (2) 正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大 区。 (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，经电容耦合只输出交流信号。,3.4 三极管的低频小信号模型分析法,3.4.1 模型的建立,1) 三极管可以用一个模型来代替。 2) 对于低频模型可以不考虑结电容的影响。 3) 小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。,H 参数模型,1、模型中的主要参数,rbe 交流输入电阻,iB输出电流源,表示三极管的 电流放大作用,hie为输入电阻，即 rbe。,hre为电压反馈系数，即r。,hfe为电流放大系数，即。,hoe为输出电导，即 rce。,2、 模型简化,r反映三极管内部的电压反馈，因数量很小，一般可以忽略。 1/rce与电流源并联时，分流极小，可作开路处理。,3.4.2用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,(1)小信号等效电路,(2)电压增益,(3)输入电阻,(4)输出电阻,3.5.1 晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,3.5 放大电路的稳定工作点问题,3.5.2 分压式偏置电路,分压式偏置,VB,I1=(510)IB,VB=(35)V,(1)确定工作点: Q,+Ve-,VB,+ VBE -,稳定过程,(2)电压增益,工作点稳定，增益下降。,解决这个矛盾的方法是加电容Ce。,(3)输入电阻,输入电阻 提高了，相当于增加了一个(1+)Re的电阻。,(4)输出电阻,由KVL：,输出电阻 提高了，即提高了电路的恒流特性。,例1：,解：,求电路的静态参数（IB、IC、VCE)，及动态参数（AV、Ri、Ro)。,根据直流通路求静态参数,VB,根据微变等效电路求动态参数,1. 电压放大倍数,2. 输入电阻Ri,3. 输出电阻Ro（输出端开路，输入电压为零）,根据微变等效电路求动态参数,例2：,解：,求电路的静态参数（IB、IC、VCE)，及动态参数（AV、Ri、Ro)。,根据直流通路求静态参数,与例1结果完全相同,VB,根据微变等效电路求动态参数,1. 电压放大倍数,根据微变等效电路求动态参数,2. 输入电阻Ri,3. 输出电阻Ro（输出端开路，输入电压为零）,例3：,电路的参数不变，若增加一倍，静态参数（IB、IC、VCE)，及动态参数（AV、Ri、Ro)如何变化。,(1)静态参数, 增加一倍， IC、VCE不变， IB减小一倍。,（2）动态参数, 增加一倍， Ri略大一点，Ro 不变， AV增大。,例4：,电路的参数不变，若断开Ce，静态参数（IB、IC、VCE)，及动态参数（AV、Ri、Ro)如何变化。,(1)断开Ce后，静态参数不变。,（2）断开Ce后，动态参数AV减小， Ri增大，Ro 不变。,3.6 共集电极电路,（1）求工作点：Q,Q,(2)电压增益,输入电压与输出电压同相,电压跟随器,（3）输入电阻,（4）输出电阻,电压增益1，输入电压与输出电压同相，输入电阻高，输出电阻低。,*复合管可提高输入电阻， 提高值。,3.6.2共基极电路,(1)直流分析 与共射组态相同。,(2)交流分析,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,Ro RC,=RL / rbe,耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,耦合：即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1. 静态：保证各级Q点设置,2. 动态: 传送信号。,要求：波形不失真，减少压降损失。,多级阻容耦合放大电路,多级阻容耦合放大器的特点：,(1) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。 (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。,由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。,放大电路由下面两个放大电路组成。已知EC=15V ，R1=100k， R2=33k ，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，； RB=570k，RE2=5.6k， 2 =100，RS=20k ，RL=5k,举例：,求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro 。 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus 。,ri = R1/ R2/ rbe =1.52 k,(1) 由于RS大，而ri小，致使放大倍数降低； (2) 放大倍数与负载的大小有关。例： RL=5k 时, Au= - 93；RL=1k 时, Au= - 31 。,求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。,rbe1=1.62 k， rbe2=2.36 k,2. 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au 、ri和ro 。,讨论：带负载能力。,2. 输出不接射极输出器时的带负载能力：,RL=5k 时： Au=-93 RL=1k 时： Au=-31,即：当RL由5k变为1k时，放大倍数降低到原来的92.3%。,放大倍数降低到原来的30%,RL=5 k时： Au1=-185，Au2=0.99，ri2=173 k,RL=1 k时： Au1=-174 ，Au2=0.97，ri2=76 k,1. 输出接射极输出器时的带负载能力：,可见输出级接射极输出器后，可稳定放大倍数Au。,3. 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus 。,Au2=-93 ri2=1.52 k,Au1=0.98 ri=101 k,输入不接射极输出器时：,可见输入级接射极输出器后，由于从信号源取的信号增加，从而可提高整个放大电路的放大倍数Aus。,若首级接射极输出器、中间级接共射放大电路、末级接射极输出器，射极输出器和共射放大电路的参数同前。求该三级放大电路的放大倍数Au 、 Aus 、 ri和ro 。,1=100， 2=60， 3=100,例题2：,1=100， 2=60， 3=100,rbe1=2.36 k， rbe2=1.62 k， rbe3=2.36 k,RL=5 k时： ri2=173 k ， Au2=-185，Au3=0.99,RL=1 k时： ri2=76 k ， Au2=-174 ，Au3=0.97,RL=5 k时： ri2=173 k ， Au2=-185，Au3=0.99,RL=1 k时： ri2=76 k ， Au2=-174 ，Au3=0.97,，RS=20k，,RL=5 k时：,RL=1 k时：,注意：解题时要严格遵守符号约定,小写符号、小写下标 vi ：,表示交流电压（电流）瞬时值。,大写符号、大写下标VI ：,表示直流电压（电流）,小写符号、大写下标vI ：,表示包含有直流的电压（电流）的瞬时值,大写符号、小写下标Vi ：,表示交流电压（电流）有效值,3.7 放大电路的频率特性,阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容、发射极旁路电容及三极管的结电容等，它们的容抗随频率变化，故当信号频率不同时，放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化。,频率特性,幅频特性：电压放大倍数的模|Au|与频率 f 的关系,相频特性：输出电压相对于输入电压的 相位移 与频率 f 的关系,通频带,f,|Au |,fL,fH,| Auo |,幅频特性,下限截止频率,上限截止频率,耦合、旁路电容造成。,三极管结电容、 造成,O,放大电路的幅频特性和相频特性，称为频率响应。因放大电路对不同频率成分信号的增益不同，从而使输出波形产生失真，称为幅度频率失真，简称幅频失真。放大电路对不同频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生失真，称为相位频率失真，简称相频失真。幅频失真和相频失真是线性失真。,频率失真,产生频率失真的原因,1.放大电路中存在电抗性元件，例如 耦合电容、旁路电容、分布电容、变压 器、分布电感等;,2.三极管的()是频率的函数。 在研究频率特性时，三极管的低频小信号 模型不再适用，而要采用高频小信号模型。,本章结束,下一章,总目录,结束放映,RC低通电路的频率响应,电压放大倍数(传递函数)为,RC低通电路的频率特性曲线,当 时，相频特性将滞后45，并具有 -45/十倍频的斜率。在0.1 和10 处与实际的频 特性有最大的误差，其值分别为+5.7和5.7。,这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图,是分析放大电路频率响应的重