模拟电子线路PPT教案课件-第2章 双极型晶体管及其放大电路.ppt

1,模拟电子线路,南京邮电大学,2,第二章 双极型晶体管及其放大电路,3,第2章 双极型晶体管及其放大电路,2.1 双极型晶体管的工作原理,2.1.1 双极型晶体管的结构,2.1.2 双极型晶体管的工作原理,一、放大状态下晶体管中载流子的运动,二、 电流分配关系,2.2 晶体管的特性曲线,2.2.1共射极输出特性曲线,2.2.2 共射极输入特性曲线,4,2.2.3温度对晶体管特性的影响,2.2.4 晶体管的主要参数,一、电流放大系数,二、极间反向电流,三、极限参数,2.3 晶体管放大电路的放大原理,2.3.1 放大电路的组成,2.3.2 静态工作点的作用,2.3.3 晶体管放大电路的放大原理,5,2.3.4 基本放大电路的组成原则,2.3.5 直流通路和交流通路,2.4 放大电路的静态分析和设计,2.4.1晶体管的直流模型及静态工作点的估算,2.4.2 静态工作点的图解分析法,2.4.3 晶体管工作状态的判断方法,2.4.4 放大状态下的直流偏置电路,一、固定偏流电路,二、分压式电流负反馈偏置电路,6,2.5 共射放大电路的动态分析和设计,2.5.1交流图解分析法,2.5.2 放大电路的动态范围和非线性失真,2.5.3 晶体管的交流小信号模型,一、混合型电路模型,二、低频h参数电路模型,2.5.4 等效电路法分析共射放大电路,2.5.5共射放大电路的设计实例,2.5.6共射放大电路的一般性设计,7,2.6 共集放大电路（射极输出器）,2.7 共基放大电路,2.8 多级放大电路,2.8.1级间耦合方式,2.8.2多极放大器的性能指标计算,2.8.3 常见的组合放大器,一、ccce组合放大器,二、cecc组合放大器,三、cecb组合放大器,作 业,8,（1）掌握双极型晶体管的工作原理、特性和参数。 （2）掌握双极型晶体管的大信号和小信号模型。了解模型参数的含义。 （3）掌握晶体管基本放大器的组成、工作原理及性能特点。 （4）掌握静态工作点的基本概念和偏置电路的估算。 （5）掌握图解分析方法和小信号等效电路分析方法，掌握动态参数（ ）的分析方法。 （6）掌握多级放大电路动态参数的分析方法。,第2章 双极型晶体管及其放大电路,9,2.1 双极型晶体管的工作原理,bjt(bipolar junction transistor)，简称晶体管或三极管。,2.1.1 双极型晶体管的结构,e,c,b,发射极,基极,集电极,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,n+,p,n,(a) npn管的原理结构示意图,(b) 电路符号,base,collector,emitter,图2.1.1 晶体管的结构与符号,10,图2.1.2 平面管结构剖面,结构特点,1.三区二结,2.基区很薄（10-1m 100m）,3.e区重掺杂、 c区轻掺杂、 b区掺杂最轻,4.sc结se结,11,图2.1.3 晶体管内载流子的运动和各极电流,1.发射区向基区注入电子；,2.电子在基区中边扩散边复合；,3.扩散到集电结的电子被 集电区收集。,2.1.2 双极型晶体管的工作原理,一、放大状态下晶体管中载流子的运动,基区从厚变薄，两个pn结演变为三极管，这是量变引起质变的一个实例。,12,二、 电流分配关系,c,i,c,e,i,e,n,p,n,i,b,r,c,u,cc,u,bb,r,b,b,i,bn,i,en,i,cn,电子注入电流 ien； 空穴注入电流iep； 发射极电流 ie。,iep都将被忽略,13,c,i,c,e,i,e,n,p,n,i,b,r,c,u,cc,u,bb,r,b,b,i,bn,i,en,i,cn,跨越两个pn节， 体现了放大作用。,集电区和基区本身的少子在集电结反向电压作用下，向对方漂移形成反向饱和电流 icbo,从发射区注入到基区的电子只有少部分与空穴复合形成电流 ibn,14,1.直流电流放大系数,共基直流电流放大系数,对于硅管，icbo很小，,15,c,i,c,e,i,e,n,p,n,i,b,r,c,u,cc,u,bb,r,b,i,cbo,b,i,bn,i,ep,i,en,i,cn,共射直流电流放大系数,若忽略 iceo 的影响，,16,共射、共基直流电流放大系数 、 间关系,17,若忽略 icbo , 则,2.ic、ie、ib、三者关系,ie=ic+ib,18,2.2 晶体管的特性曲线,全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。,图2.2.1晶体管的三种基本接法（组态）,(a)共发射极 (common emitter),(b)共集电极 (common collecter),(c)共基极 (common base),输入回路（接信号源，加入信号）；,输出回路（接负载，取出信号）；,19,2.2.1共射极输出特性曲线,图2.2.2共发射极特性曲线测量电路,20,图2.2.3 共射输出特性曲线,共发射极接法输出特性曲线.avi,active region,cutoff region,saturation region,21,1. 放大区（发射结正偏， 集电结反偏）,(1) uce 变化时, ic 影响 很小（恒流特性）,(2)基极电流 ib 对集电极 电流 ic 的控制作用很 强，引入交流电流放 大倍数,22,2. 饱和区（发射结和集电结均处于正向偏置）,e结正偏c结零偏的正向传输,(1) ib一定时，ic比放大 时要小；,(2)uce一定时 ib增大， ic基 本不变。,c结正偏e结零偏的反向传输,内部载流子的传输过程分解为,23,临界饱和：uce = ube，即ucb=0（c结零偏）。,饱和压降 uce(sat) = 0.3v（小功率si管）； uce(sat) = 0.1v（小功率ge管）。 饱和（saturation）,关于饱和区的说明,24,3. 截止区（发射结和集电结均处于反向偏置）,三个电极均为反向电流，所以数值很小。,(1) ib =-icbo(此时i e =0) 以下称为截止区；,(2)工程上认为：ib =0 以 下即为截止区。因为 在ib =0 和ib =-icbo 间，放大作用很弱。,25,晶体管的工作状态总结,饱和,放大,截止,倒置放大,26,2.2.2 共射极输入特性曲线,图2.2.7 共发射极输入特性曲线,(1)uce = 0 时，晶体管相当于两个并联二极管，ib 很大，曲线明显左移。,(2)0uce0.3v 时，随着 uce 增加，曲线右移，特别在 0uce uce(sat), 即工作在饱和区时，移动量将更大一些。,(3) uce0.3v时，曲线近似重合。,27,2.2.3温度对晶体管特性的影响,t ，ube：,t ， icbo ：,t ， ：,t ， ic ：,结论,28,2.2.4 晶体管的主要参数,一、电流放大系数,反映静态时集电极电流与基极电流之比。,2. 共射交流放大系数,反映动态时的电流放大特性。,体现共射接法时集电极电流和基极电流的变化量之比。即,。,1. 共射直流放大系数,体现集电极电流和基极电流的直流量之比。 若忽略iceo的影响，,29,在以后的计算中，不必区分。,由于 ，呈线性关系,因此,30,4.共基交流放大系数,在以后的计算中，不必区分。,由于 ，呈线性关系,因此,3.共基直流放大系数,体现集电极电流和基极电流的直流量之比。 若忽略icbo的影响，,31,二、反向饱和电流,1 icbo,发射极开路时，集电极基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。,2 iceo,基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。,3 iebo,集电极开路时，发射极基极间的反向电流。,32,三、极限参数,1. 击穿电压,u(br)cbo指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。,u(br)ceo指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。,u(br)ebo指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。该值通常较小，只有几伏。,例如：3dg6(npn)， u(br)cbo =115v， u(br)ceo =60v，u(br)ebo=8v。,33,2.集电极最大允许电流icm,icm (maximum collector current)一般指下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流。当ic icm时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。,3.集电极最大允许耗散功率pcm,pcm (maximum power dissipation)表示集电极上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。,pcm =icuce,34,图2.2.8 晶体管的安全工作区,功耗线,过损耗区,击穿区,过流区,safe operating area,35,作 业,2.1,2.3,2.6,36,2.3.1 放大电路的组成,图2.3.1 共射极放大电路,1.当ui=0时，电路处于静态；,2.当ui0时，电路处于动态，,动态时交流量与直流量共存。,2.3 晶体管放大电路的放大原理,动态：由交流信号源 引起的一种工作状态。,静态：由直流电源 引起的一种工作状态。,37,在放大电路中，当输入信号 ui=0 时，只存在直流量；当加入 ui 时，交流量与直流量共存。,以晶体管基极电流、集电极电流、b-e结电压和管压降为例，对各种物理量的表示方法作如下规定：,直流量：字母大写，下标大写，如：ib、ic、ube、uce。 交流量：字母小写，下标小写，如：ib、ic、ube、uce。 交流量的有效值：字母大写，下标小写，如：ib、ic、ube、uce。 瞬时值（直流量与交流量的叠加量）：字母小写，下标大写，如：ib、ic、ube、uce。,38,2.3.2 静态工作点的作用,图2.3.2 没有设置合适的静态工作点,设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础,39,2.3.3晶体管放大电路的放大原理,图2.3.3 设置合适静态工作点共射放大电路波形,40,图2.3.3 设置合适静态工作点共射放大电路波形,41,图2.3.4 阻容耦合共射放大电路,r,c,u,o,v,u,i,c,1,r,b,(,u,cc,),c,2,r,l,us、rs：正弦信号源电压及内阻,ucc：直流电源,rb：基极偏置电阻,rc：集电极负载电阻,rl：负载电阻,c1(c2)：耦合电容,2.3.4基本放大电路的组成原则,1.只有一个放大管的放大电路，共有三种组态。,42,(1) rb, rc, ucc使放大器工作在放大区。,(2)采用rb, rc, c1,c2构成阻容耦合连接方式。选择合适的电容c1、c2使其对交流信号的容抗近似为0，交流信号可无损耗地送入发射结。,2.放大电路中各元件的作用,43,(1) 晶体管偏置在放大状态，且有合适的工作点。,(2) 输入信号必须加在基极发射极回路。,(3) 须有合理的信号通路。,需进行交流分析,需进行直流分析,r,c,u,o,u,s,v,r,s,u,i,c,1,r,b,(,u,cc,),c,2,r,l,u,cc,3.基本放大电路的组成原则,44,2.3.5 直流通路和交流通路,分析对象：直流成份、直流通路（偏置电路）,1.直流（静态）分析：,2.交流（动态）分析 ：,加入交流信号，即ui0,当放大器没有送入交流信号时，即ui=0,分析对象：交流成分、交流通路,45,3.画直流通路的原则,(1) c开路,(2) l短路,4.画交流通路的原则,(1) 通常c短路,(2) 通常l保留,(3) (无内阻 )直流电源ucc短路,(3) 直流电源ucc视为恒压源,(4) 交流电源us=0,rs保留,(4) 交流电源us, rs 保留,46,图2.3.5(a) 共射放大器的直流通路,47,习惯用有效值,练习：p63 2.14(a)(c),图2.3.5(b) 共射放大器的交流通路,48,作 业,2.7,2.9,49,2.4 放大电路的静态分析和设计 ,直流工作状态分析（静态分析）,将输入、输出特性曲线线性化 （即用若干直线段表示）,等效电路（模型）,50,(a) 输入特性近似,图2.4.1 晶体管伏安特性曲线的折线近似及直流模型,(b) 输出特性近似,2.4.1晶体管的直流模型及静态工作点的估算,51,(e)饱和状态模型,图2.4.1 晶体管伏安特性曲线的折线近似及直流模型,(c)放大状态模型,(d)截止状态模型,(si|ge),52,例2.4.1 晶体管电路如图2.4.2(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的ibq，icq和uceq。,i,c,q,u,ce,q,270k,r,b,u,bb,6v,i,b,q,u,cc,12v,r,c,3k,图2.4.2 晶体管直流电路分析 (a) 电路,53,图2.4.2 晶体管直流电路分析(b)直流等效电路,54,2.4.2 静态工作点的图解分析法,2.输出回路分析,图2.4.3 共射放大器的直流通路,1.输入回路分析,55,i,b,=,i,b,q,u,c,e,0,n,q,m,i,c,(a)直流负载线与q点,图2.4.4 放大器的直流图解分析,56,(b)q点与rb、rc的关系,u,c,e,/,v,2,10,12,0,1,2,3,40,a,30,a,20,a,10,a,i,c,/,m,a,4,6,8,4,m,n,q,图2.4.4 放大器的直流图解分析,练习：p64 2.17,57,2.4.3 晶体管工作状态的判断方法 ,图2.4.5 晶体管直流分析的一般性电路,58,1.先判断晶体管是否处于截止状态,则晶体管处于截止状态；,晶体管工作状态的判断步骤,2.判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态,假设晶体管处于放大状态,(b)放大状态下的等效电路,59,则晶体管处于放大状态；,则晶体管处于饱和状态；,(c)饱和状态下的等效电路,(si|ge),60,例2.4.2 晶体管电路如图2.4.6所示。已知=50，试求ui分别为0v和3v时的输出电压uo。,图 2.4.6 例2.4.2电路,2.当ui =3v时，,1.当ui=0时，ube=0，,此时uo=ucc=5v,则晶体管截止。,晶体管导通。,61,与假设不符，,假设管子工作在放大区,图 2.4.6 例2.4.2电路,因此管子进入饱和状态,62,2.4.4 放大状态下的直流偏置电路,一、固定偏流电路,图2.4.7 固定偏流电路,只要合理选择rb，rc的阻值，晶体管将处于放大状态。,63,若 t ， 则ic ,导致 uce ,即：电路的静态工作点q(uceq,icq)不稳定。,固定偏流电路的缺点,64,二、分压式电流负反馈偏置电路,图2.4.8 分压式电流负反馈偏置电路,兼顾uceq,为确保ub固定,i1 i2 ibq,rb1、rb2的取值愈小愈好,增大电源ucc的无谓损耗,取,i1,i2,i1= i2=? ub=?,65,ueq(=ieqre),icq,1.分压式电流负反馈偏置电路如何稳定q点?,若 icq,ieq,ubeq(= ubq -ueq),ibq,66,分压式电流负反馈偏置电路用戴维南定理等效后的电路,b,a,rb=rb1rb2,2.如何计算分压式电流负反馈偏置电路q点?,67,u,cc,r,c,r,e,r,b,i,c,q,u,bb,i,b,q,i1 i2 ibq,与,等价,所以,68,例 电路如下图所示。已知=100,ucc=12v, rb1=39k,rb2=25k,rc=re=2k，试计算工作点icq和uceq。,69,若按估算法直接求icq，则：,误差：,70,作 业,2.18,2.20,71,2.5 共射放大电路的动态分析和设计 ,线性放大的基本概念,幅度放大,频谱（波形）不变,72,线性放大器,i,o,+,_,u,o,+,_,u,i,i,i,信号源,负 载,放大器二端口网络通用模型,73,2.5.1交流图解分析法,瞬时值,直流值,交流值,1.输入回路分析,74,i,b,i,b,q,t,i,b,i,b,q,u,be,u,be,t,i,bmax,i,bmin,q,u,be,q,放大器的交流图解分析之输入回路的工作波形,75,2.输出回路分析,交流负载线方程,76,图2.5.1放大器的交流图解分析之输出回路的工作波形,q,i,c,i,bmax,i,bmin,i,c,i,c,q,t,t,u,ce,u,ce,u,cc,i,c,q,r,l,i,c,q,u,c,c,r,c,交流负载线,k,r,l,1,q,1,q,2,i,b,q,a,放大电路的动态图解分析.avi,77,共射极放大器的电压、电流波形,r,c,u,o,u,s,v,r,s,u,i,c,1,r,b,(,u,cc,),c,2,r,l,u,cc,78,2.5.2 放大电路的动态范围和非线性失真,q,交流负载线,i,c,0,t,0,i,c,u,ce,u,ce,0,t,图2.5.2 q点不合适产生的非线性失真(a)截止失真,79,图2.5.2 q点不合适产生的非线性失真(b)饱和失真,q,交流负载线,i,c,i,c,i,b,0,t,u,ce,u,ce,0,t,0,放大器的截止失真和饱和失真.avi,80,uopp=2uom,放大器输出动态范围：,受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为,因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度为,其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度，而输出动态范围uopp则为该幅度的两倍，即,放大器的最大不失真输出幅度.avi,81,例 2.5.1 放大电路如下图所示。设ucc=12v,rc=2 k, rl=,rb=280 k,=100，忽略晶体管的饱和压降。,（3）调节rb，使icq=3ma时， uopp=？,（1）试确定该电路的uopp=？,（2）调节rb，使icq=2ma时， uopp=？,82,（1）试确定该电路的uopp=？,较小的 即为放大器最大不失真输出电压的幅度,83,（2）调节rb，使icq=2ma时，uopp=？,84,（3）调节rb，使icq=3ma时，uopp=？,85,2.5.3 晶体管的交流小信号模型,交流工作状态分析（动态分析）,在q点处对输入、输出特性曲线线性化 （即用直线段表示）,q点处的交流小信号等效电路（线性等效模型）,86,一、混合型电路模型,图2.5.3 共发射极晶体管,87,1.交流小信号情况下三极管伏安特性的近似及简化的三极管等效电路,i,b,u,be,q,o,88,平面管结构示意图,b：基区的理论基极,r bb通常取值200,2.考虑基区体电阻及引线接触电阻时如何修改等效模型？,89,r,bb,r,b,e,b,b,c,e,考虑基区体电阻及引线接触电阻引入的参数,e,90,3.考虑基区宽度调制效应时如何修改等效模型？,91,见图1,见图2,图1,u,be,u,ce,b,c,e,r,bb,b,92,u,be,u,ce,b,c,e,r,bb,b,图2,93,u,be,u,ce,b,c,e,r,bb,b,考虑基区宽度调制效应引入的参数,94,u,ce,b,c,e,r,bb,r,b,e,b,完整的混合型电路模型(高频模型),e,u,be,考虑pn结电容引入的参数,4.考虑pn结的电容效应时如何修改等效模型？,95,r,bb,r,b,e,b,b,c,e,实用的低频混合型电路模型,96,二、低频h参数电路模型,适用范围：,电路的网络模型很多，如：z参数、y参数、 a参数、h参数模型等。,低频、小信号（振幅2.6mv左右）交流信号。,97,因在q点处将输入、输出特性曲线线性化，则,1.低频h参数电路模型的推导,98,若为正弦量,99,u,be,u,ce,b,c,e,h,ie,h,oe,1,h,fe,i,b,i,c,i,b,h,re,u,ce,图2.5.9 共发射极晶体管h参数电路模型,100,输出交流短路时的输入电阻,输入交流开路时的反向电压传输系数,输出交流短路时的电流放大系数,输入交流开路时的输出电导,2.h参数的物理含义,101,输出交流短路的混合型电路,3.h参数和混合型电路模型参数间关系,102,输入交流开路的混合型电路,103,104,如果忽略r bc的影响，则上式可简化为,1k左右,20200,10-5,10-310-4,105,图2.5.10 晶体管的h参数简化模型,106,2.5.4 等效电路法分析共射放大电路,根据直流通路估算直流工作点,确定放大器交流通路、交流等效电路,计算放大器的各项交流指标,107,图2.5.11共射放大器及其交流等效电路,(a)电路,108,(b)交流等效电路,图2.5.11共射放大器及其交流等效电路,109,1.电压放大倍数au,110,2.电流放大倍数ai,111,3.输入电阻ri,112,4.输出电阻ro,113,5.源电压放大倍数aus,114,6.发射极接有电阻re时的情况,图2.5.12 发射极接电阻时的交流等效电路,115,ri=rb1/rb2/r,r,i,r,i,116,例2.5.3 在图2.5.11电路中，若rb1=75k,rb2=25k, rc=rl=2k,re=1k,ucc=12v，晶体管的=80, r bb=100,rs=0.6k,试求该放大器的直流工作点icq、uceq及au,ri,ro和aus指标。,117,解 按估算法计算q点,118,119,例2.5.4 在上例中，将re变为两个电阻re1和re2串联，且re1=100,re2=900，而旁通电容ce接在re2两端，其它条件不变，试求此时的交流指标。,120,解 由于re=re1+re2=1k，所以q点不变。对于交流通路，现在射极通过re1接地。此时，各项指标分别为,121,动态分析方法小结,1.图解法：在晶体管特性曲线上通过作图确定信号变化量之间的关系。,特点：形象、直观，便于理解放大原理、波形关系及非线性失真；适用于大信号分析，对于小信号放大器，用图解法难以准确地进行定量分析。,2.等效电路法：利用器件的小信号模型进行电路分析，确定信号变化量之间的关系。,特点：适用于小信号，运算简便，误差小。,122,2.5.5共射放大电路的设计实例,例 2.5.5 试设计一个共射放大电路，要求电路的au=50，rl=1k, ri1k, ro=2k,uopp=5v。,123,1.确定电源电压ucc,(1)输出电压峰峰值uopp=5v,(2)饱和压降uces=0.71v,(3)发射极电阻re上的直流压降ure1v,若ure=25mv, ure=1v, ure/ure=2.5%,则icq/icq=2.5%,ucc uopp+uces+ure,取ucc=15v,124,2.选择晶体管型号,(1)u(br)cboucc,u(br)ceoucc,(2)pcm10pl,3dg6c的主要参数为,u(br)cbo=u(br)ceo=45v,pcm=100mw,=120,125,3.确定rc、uceq、icq、re的值,(1)rc=ro =2k,取uceq=5.5v,(2),取icq=4ma,(3),126,4.re的确定,取re=0.39k,127,5.rb1和rb2的确定,取i1=10ibq,取rb2=6.6k,取rb1=39k,128,6.验证放大电路的ri和au,7.耦合电容c1、c2和射极旁路电容ce的确定,c1=c2=10f,ce=47f,8.电源去耦电容c3与c4的确定,c3=0.1f,c4=10f,129,作 业,2.23,130,2.6 共集放大电路（射极输出器）,(a)电路,图2.6.1共集放大电路及交流等效电路,131,图2.6.1共集放大电路及交流等效电路,(b)交流等效电路,132,1.电压放大倍数au,133,2.电流放大倍数ai,134,3.输入电阻ri,135,4.输出电阻ro,图2.6.2 求共集放大器ro的等效电路,式中：,而,136,所以，输出电阻,137,2.7共基放大电路,图2.7.1 共基极放大器及交流等效电路,138,(b)交流等效电路,图2.7.1 共基极放大器及交流等效电路,139,1.电压放大倍数au,140,2.电流放大倍数ai,141,3.输入电阻ri,142,4.输出电阻ro,143,表2.7.1 三种基本放大器性能比较,144,2.8 多级放大电路,2.8.1级间耦合方式,3.直接耦合方式,1.阻容耦合方式,2.变压器耦合方式,收音机中用的中周（中频变压器）。,广泛用于集成电路中。,4.光电耦合方式,广泛用于分立元件电路中。,145,2.8.2级联放大器的性能指标计算,146,2.8.3 常见的组合放大器,一、ccce组合放大器,图2.8.7 ccce组合放大器的交流通路,147,二、cecc组合放大器,图2.8.8 cecc组合放大器的交流通路,148,例2.8.2 放大电路如图2.8.9所示。已知晶体管=100, rbe1=3k,rbe2=2k,rbe3=1.5k，试求放大器的输入电阻、输出电阻及源电压放大倍数。,图2.8.9 例2.8.2电路,149,解 ：该电路为共集、共射和共集三级直接耦合放大器