模拟电子线路》第3章杨凌.ppt

杨 凌, 模 拟 电 子 线 路 第3章,1947年12月23号，贝尔实验室的William B. Shockley、John Bardeen 、 Walter H. Brattain制造出了世界上第一只半导体放大器件，他们将这种器件命名为“晶体管”,第 3 章 半导体三极管及其基本放大电路,3.0 引言 20世纪40年代,由Bardeen,Brattain和Schockley在贝尔实验 室开发的硅晶体管,在20世纪50年代和60年代掀起了第一次电子 革命.这项成果导致了1958年集成电路的开发及在电子电路中应 用广泛的晶体管运算放大器的产生. 本章介绍的三极管属于双极型器件,是两类晶体管中的第一 种类型.下面将详细讨论其物理结构、工作原理及其在放大电路 中的应用.,3.1 双 极 型 晶 体 管 (Bipolar Junction Transistor),一、结构、分类、符号,图 3.1,3.1 双 极 型 晶 体 管 (Bipolar Junction Transistor),图 3.1 常用集成电路中NPN型三极管的结构剖面图,3.1 BJT,图 3.2 几种BJT的外形,结构特点: 1、基区很薄(106m),且轻掺杂(1015 cm3); 2、发射区重掺杂(1019 cm3); 3、集电区面积大,且掺杂较轻(1017 cm3). BJT的结构特点是决定其能进行信号放大的内部物质基础.,3.1 BJT,二、BJT的电流分配与电流放大作用 1、BJT内部载流子的传输过程见图3.3所示. BJT放大所必须具备的外部条件是: Je正偏, Jc反偏. 发射区发射电子,形成射极电流IE; 电子在基区复合,形成基极电流IB; 集电区收集电子,形成集电极电流IC.,3.1 BJT,IB=IEp+(IEnICn1 )ICBO,IE=IC+IB,IE=IEp+ IEn,IC=ICn1+ICBO,3.1 BJT,3.1 BJT,IB=IEp+(IEnICn1)ICBO=IEICn1ICBO,图 3.4,ICBO 受温度影响较大,(37),3.1 BJT,图 3.5,3. 电流分配关系,三、BJT的特性曲线,3.1 BJT,1、输入特性 共射接法,图 3.6,(c) 基区宽度调制效应,3.1 BJT,2、输出特性 共射接法,图 3.7,图 3.8,3.1 BJT,(1) 放大区 Je正偏, Jc反偏.,图 3.9,3.1 BJT,(2) 截止区 Je、Jc均反偏. 工程上规定IB= 0 (IC=ICEO0)以下的区域称为截止区 ; 严格说来, 截止区应是IE = 0以下的区域. (IC=ICBO,IB=ICBO) (3) 饱和区 Je、Jc均正偏. VBE(sat) 0.7V; VCE(sat) 0.3V (4) 击穿区 VCEVCB Jc 雪崩击穿 V(BR)CEO IB V(BR)CEO,3.1 BJT,四、BJT的主要参数 1、表征放大能力的参数,共射极直流电流放大系数(hFE).,共射极交流电流放大系数(hfe).,共基极直流电流放大系数.,3.1 BJT,共基极交流电流放大系数.,2、表征稳定性的参数 极间反向电流 ICBO: 集电极 基极反向饱和电流. ICEO: 集电极 发射极反向饱和电流.(穿透电流) 3、表征安全工作区域的参数,3.1 BJT,(1) 集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许耗散功率PCM (3) 反向击穿电压 V(BR)EBO:集电极开路时,发射 极 基极间的反向击穿电压. V(BR)CBO:发射极开路时,集电 极 基极间的反向击穿电压. V(BR)CEO:基极开路时,集电极发射极间的反向击穿电压. V(BR)CBO V(BR)CEO V(BR)EBO,3.1 BJT,V(BR)CBOV(BR)CES V(BR)CER V(BR)CEO,3.1 BJT,4、温度特性 VBE/ T=(22.5)mV/ oC ; /( T )=(0.51)%/oC;,5、结电容 发射结电容Cbe , 集电结电容Cbc . 五、BJT的电路模型 1、直流等效电路模型(放大区),3.1 BJT,(a),图 3.12,VCE=VCCICRC,2、交流小信号等效电路模型(放大区),3.1 BJT,表3-1,?,mV甚至V,3.1 BJT,图 3.13,iB=IBQ+ ib vBE=VBEQ+ vbe iC=ICQ+ ic vCE=VCEQ+ vce vBE=f1( iB , vCE ) iC=f2( iB , vCE ),3.1 BJT,hie () hre hfe hoe (S),(315),(316),(317),3.1 BJT,b,re 0,图 3.14,3.1 BJT,六、BJT的基本应用 1、电流源,图 3.15,2、开关 图3.16所示为BJT反相器电路,BJT在截止区和饱和区之,3.1 BJT,间切换.负载可以是电动机,发光二极管或其他电子设备.,3、放大器,3.2 放 大 器 概 述,放大器(Amplifier)是应用最广泛的一种功能电路.大多数 模拟电子系统都应用了不同类型的放大电路. 一、放大的概念 放大器的作用是将输入信号进行不失真的放大,使输出信 号强度(功率、电压或电流)大于输入信号强度,且不失真地重 现输入信号波形. 放大器实际上是一种能量控制装置.它利用三极管(或场效 应管)的放大和控制作用,将直流电源的能量转换为放大了的交 流输出能量.,3.2 放 大 器 概 述,来自特定信源的时变信号在能被利用之前常常需要放大. (举例说明),3.2 放 大 器 概 述,二、放大器的主要性能指标,图 3.18,1 、输入电阻,3.2 放 大 器 概 述,2 、输出电阻,3 、增益(放大倍数),放大器的四种模型,3.2 放 大 器 概 述,(a) 电压放大器,Ri Rs (Ri) Ro RL (Ro0),3.2 放 大 器 概 述,(b) 电流放大器,Ri Rs (Ri0) Ro RL (Ro ),3.2 放 大 器 概 述,RiRs (Ri0) RoRL(Ro0),Ri Rs (Ri) RoRL (Ro ),3.2 放 大 器 概 述,BW = fH fL (326),4 、 带宽,5、非线性失真系数,3.2 放 大 器 概 述,三、基本放大器的组成 1、三极管的三种基本接法,图 3.21,(b),2、基本共发射极放大器,3.2 放 大 器 概 述,图 3.22,3、各元件的作用,3.2 放 大 器 概 述,VT:放大电路的核心元件.具有电流放大作用. 直流电源VCC:为三极管提供放大的外部条件;并为放大器提供能量来源. 基极偏置电阻RB:为三极管提供合适的基极偏置电流IBQ. 集电极负载电阻RC:将icvce,以实现电压放大.同时, RC也起直流负载的作用. 耦合电容C1、C2 :“通交隔直”,一般用电解电容,连接时注意电容的极性. 负载电阻RL:放大电路的外接负载,它可以是耳机、扬声器或其他执行机构,也可以是后级放大电路的输入电阻.,3.2 放 大 器 概 述,四、放大器的直流通路和交流通路 1、直流通路的画法:将电容作开路处理,电感作短路处理. 2、交流通路的画法:将电容及直流电源作短路处理. 3 、放大器中电压、电流的符号规定 如表3-1,3.2 放 大 器 概 述,RB=RB1RB2,图 3.23,3.2 放 大 器 概 述,五、放大器的基本工作情况,图 3.24,3.2 放 大 器 概 述,直流电源VCC提供的功率为:,加到RC上的功率为:,加到三极管上的功率为:,PV=VCCICQ = (VCEQ+ICQRC ) ICQ = VCEQICQ + ICQ2RC = PL+ PC,vi =0, PV=PL+PC ; vi, PC ， PL . PV PL,VT,3.3 放大器的图解分析方法,图解分析可以提供对放大器工作情况的直观认识. 一、静态分析 1、分析目的: 确定Q点(VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ ) 2、分析对象: 直流通路,3.3 放大器的图解分析方法,3、分析步骤:,图 3.25,3.3 放大器的图解分析方法,二、动态分析 1、分析目的: 确定 Av、Vom,了解非线性失真. 2、分析对象: 交流通路,3、分析步骤: (1) (2) (3),3.3 放大器的图解分析方法,3.3 放大器的图解分析方法,三、建立Q点的必要性,3.4 放大器的等效电路分析法,一、静态分析 1、分析目的: 确定Q点(VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ ) 2、分析对象: 直流通路 (a) 固定偏置,3.4 放大器的等效电路分析法,ICQ,IBQ,RB2,VT,RC,RB1,VCC,RE,+ VCEQ ,图 3.29,(b) 分压偏置,ICQ=IBQ,VCEQ=VCCICQRCIEQRE VCCICQ ( RC +RE ),RB=RB1RB2,3.4 放大器的等效电路分析法,IBQ=ICQ / VCEQVCCICQ ( RC +RE ),若(1+)RE 10RB,可按如下方法确定Q点.,3.4 放大器的等效电路分析法,VCC=6V, RB=270k, RC=2k,T30oC,=130,VBE=0.625V, ICBO=81012A IBQ=19.91A, ICQ=2.59mA, VCEQ=0.82V,(c) 两种偏置电路的比较,T=300K, =100, VBE=0.7V, ICBO=1012A IBQ=19.63A, ICQ=1.96mA, VCEQ=2.08V,3.4 放大器的等效电路分析法,分压偏置电路最大的优点是稳定了Q点.,【例 3.1】电路如上图 所示. 设RB1= 56k,RB2=12.2k, RC=2k,RE=0.4k,VCC=10V,VBE=0.7V, =100. (1) 试 确定Q点.(2) 当在一定范围内变化时,确定Q点变化范围.,3.4 放大器的等效电路分析法,【解】(1),ICQ=IBQ = 10021.6 = 2.16mA,VCEQ=VCCICQRCIEQRE 4.81V,RB=RB1RB2=5612.2 10 k,IEQ= (1+ ) IBQ = 10121.6 = 2.18mA,上述结果表明:晶体三极管被偏置在放大区.,3.4 放大器的等效电路分析法,(2) 当 变化50时,可得到以下的结果:,表 3-2,当 变化率为3:1时,集电极电流和集-射电压的变化率 只有1.29:1.射极电阻RE能在变化时,稳定静态工作点. 【例 3.2】试设计一分压偏置电路,要求ICQ=1mA,VCEQ=4.5V, 已知VCC=9V, =100.,3.4 放大器的等效电路分析法,实际情况下,为要使Q点稳定,I1愈大 于IB以及VB愈大于VBE愈好,但为兼顾其 他指标,对于硅管,一般可选取 I1=(510) IB VEQ=0.2VCC 或 VEQ=(13)V,【解】(1) 取 VEQ=0.2VCC=0.29=1.8V 则 RE=VEQ /IEQVEQ / ICQ=1.8/1=1.8k (2) 取 I1=10IBQ=10ICQ /=0.1mA 则 RB1+RB2=VCC/I1= 90k,3.4 放大器的等效电路分析法,VBQ=VBE+VEQ=0.7+1.8=2.5V,RB1+RB2= 90k,RB2= 25k,RB1= 90RB2 = 65 k,(3) VCEQVCCICQ ( RC +RE ),说明: 除三极管放大电路外,分压偏置电路还适用于各种场 效应管放大电路.,3.4 放大器的等效电路分析法,二、动态分析 1、分析目的: 确定 Av、Ai、 Ri、Ro. 2、分析对象: 交流通路 3、分析步骤: (1) (2) (3),图 3.30,3.4 放大器的等效电路分析法,(320),3.4 放大器的等效电路分析法,三、带射极电阻的共发射极放大器 1、电路结构: 如图3.32所示. 2、静态分析: 与图3.29相似. 3、动态分析:,3.4 放大器的等效电路分析法,图 3.32,3.4 放大器的等效电路分析法,Ro RC (334),其中:,若考虑rce， Ro的求法如下：,3.4 放大器的等效电路分析法,3.4 放大器的等效电路分析法,其中，rce的意义如下：,3.4 放大器的等效电路分析法,【例 3.3】试确定图3.34所示电路的Av、Ri、Ro.已知晶体管的 参数如下: VBE=0.7V,=150 ,VA=100V. 【解】(1) 静态分析,图 3.34,RB=RB1RB2=561511.83k,3.4 放大器的等效电路分析法,ICQ=IBQ=1507.8 103 1.17mA,IEQ= (1+) IBQ=1517.8 103 1.18mA,rceVA / ICQ = 100/1.17 85.47k (81.97k),动态分析,3.4 放大器的等效电路分析法,Ri =RB rbe+(1+)RE1 =11.83 3.33+(1+150)0.02 4.13k(4. 1k),RoRCRo= 8.2 102.4 7.59k(7.57k),如果假设VA=,则RoRC= 8.2 k 讨论:放大器的增益几乎与的变化无关.表3-3的计算证明了这一事实.,表3-3,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),一、电路结构,二、静态分析,RB=RB1RB2,IEQ=(1+) IBQ,VCEQ=VCCIEQ RE,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),三、动态分析,图 3.36,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),Ri=RBRi= RBrbe+ (1+)RL (337),图 3.37,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),射极跟随器的特点: (1) (2) (3) 四、采用复合管(Darlington)的射极跟随器 1 、复合管的构成原则及其特点 (1) 复合管可由两个或多个BJT组成,也可由BJT和FET组成; (2) 复合管的类型取决于第一只管的类型; (3) 前、后级晶体管之间的电流应有正常的流通通路. (4) 两管复合后,其主要优点是:, 12,rbe rbe1 +1rbe2,(3-39),3.5 共集电极放大器(射极跟随器),主要缺点是: ICEO ICEO2 +2ICEO1 (3-40),图 3.38,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),图 3.39,e,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),图 3.40,2、采用复合管的射极跟随器,五、射极跟随器的用途 1、输入级; 2、输出级; 3、中间缓冲级.,3.6 共 基 极 放 大 器,图 3.41,一、电路结构,(a),(b),二、静态分析: 与共射放大器相同. 三、动态分析,3.6 共 基 极 放 大 器,图 3.42,3.6 共 基 极 放 大 器,图 3.43,其中:,Ro=rcbRCRC (343),3.7 三种基本放大器的比较,三种基本放大器的小信号特性如表3-4所示.,表 3-4,基本放大器的小信号特性将用于指导设计多级放大器.,3.8 多 级 放 大 器,在大多数应用中,单管放大器不能满足特定的放大倍数、输入电阻、输出电阻等各项性能指标的要求.因此,可将多个 基本放大器级联起来,构成多级放大器,如图3.44所示.,一、级间耦合方式,3.8 多 级 放 大 器,图 3.45,1、阻容耦合,阻容耦合不适合传递缓慢变化的信号,更不能传递直流信号,不易集成.,3.8 多 级 放 大 器,2、变压器耦合 在某些电子设备中,常用变压器耦合方式传送交变信号.例如,半导体收音机中的中频变压器及其选用的音频输入、输出变压器等.采用变压器耦合的一个重要目的是:耦合变压器在传送信号的同时能起阻抗变换作用.利用变压器可将负载阻抗变换成与信号源内阻相匹配的情况,从而可大大提高信号传输的效率. 3、直接耦合 直接耦合方式既可以放大和传递交流信号,也可以放大和传递缓慢变化或直流信号.便于集成.,3.8 多 级 放 大 器,VCQnVCQ3VCQ2VCQ1,图 3.46,图 3.47,(1) 电平移动 (2) 零点漂移,3.8 多 级 放 大 器,二、交流指标分析 1、小信号电压增益为:,2、输入电阻为:,3、输出电阻为:,3.8 多 级 放 大 器,三、组合放大器,(b) 共集-共射,3.8 多 级 放 大 器,图 3.49,四、带有源负载的共射放大器,章末总结与习题讨论,一、本章小结 1、熟悉三极管的结构、分类、符号、特性曲线 (几个工作区域及其特点)、主要参数.掌握三极管的电流放大作用及电流分配关系.了解三极管的几类应用. 2、深刻理解放大的概念及放大器设置Q点的必要性;熟悉放大器的构成原则及其各项性能指标的含义. 3、熟悉放大器的常用分析方法图解法及等效电路分析法. 4、掌握基本放大器常用偏置方式,明确分压偏置方式的优点. 5、掌握三种基本放大器(共射、共集、共基)的电路组成及其,章末总结与习题讨论,性能特点.了解其各自的应用场合. 6、熟悉多级放大器的级间耦合方式,掌握多级放大器的分析计算方法. 二、习题讨论 1、关于BJT 【例 3.4】测得放大电路中四个三极管各极电位分别如图3.50 所示，试判断它们各是NPN管还是PNP管？是硅管还是锗 管？并确定每管的B、E、C极。 【解】根据三极管的内部结构和工作原理，工作在放大状态,章末总结与习题讨论,下的三极管，通常具有下列关系： （1） 对硅管：VBE0.7V；对锗管：VBE0.3V。 （2） 对NPN管：VCVBVE ；对PNP管：VCVBVE 。,图 3.50,章末总结与习题讨论,依据上述关系，判断时首先根据极间电位差由关系（1）区分是硅管还是锗管，并区分出C极；然后根据三个电极电位的高低由关系（2）区分是 NPN管还是PNP管，是并区分出B、E极。 根据上述分析思路可得出如下结论: 图（a）是PNP型锗管，、分别是B、E、C极。 图（b）是NPN型硅管，、分别是C、E、B极。 图（c）是NPN型锗管，、分别是B、C、E极。 图（d）是PNP型硅管，、分别是C、E、B极。,图 3.51,章末总结与习题讨论,【例 3.5】在图3.51所示电路中,已知晶体三极管的=200 VBE=0.7V ，ICBO0 . (1) 试求 IB、IC、VCE . (2) 若电路中元件分别作如下变化, 试指出三极管的工作状态. (a) RB2=2k, (b) RB1=15k, (c) RE=100. 【解】(1):,章末总结与习题讨论,RB=RB1RB2=3010=7.5k,ICQ=IBQ=20032.5 103 =6.5mA,VCEQ =1.2V,(2) (a) RB2=2k,章末总结与习题讨论,RB=RB1RB2=1510 = 6k,(b) RB1=15k,ICQ=IBQ=20062.77 103 12.55mA,章末总结与习题讨论,(c) RE=100,ICQ=IBQ=20056.16 103 11.23mA,2、关于放大器,【例 3.6】图3.52所示为两级放大电路,已知1=2=100, VBE1=VBE2= 0.7V ，ICBO1= I