模电三极管讲解.ppt

第四章双极结型三极管及放大电路基础,00:04,4.1半导体三极管(BJT)4.2共射极放大电路4.3放大电路的分析方法4.4放大电路静态工作点的稳定问题4.5共集电极放大电路和共基极电路4.6组合放大电路4.7放大电路的频率响应,第四章双极结型三极管及放大电路基础,00:04,4.1双极型晶体管(BJT),4.1.1晶体管的结构及类型,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,00:04,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,BJT的结构特点,00:04,发射结,集电结,00:04,4.1.2放大状态下BJT工作原理,VEE,RB,VCC,基区空穴向发射区的扩散形成IEP。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。,1.BJT内部载流子的传输过程,IEN,IE=IEN+IEP,IEN,IEP,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ICN。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,ICN=IEN-IBN,IB=IEP+IEN-ICN-ICBO,=IE-IC,前提条件：,发射结正偏,集电结反偏,00:04,B,E,C,NPN型三极管,PNP型三极管,00:04,晶体管的三种基本接法(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极,00:04,2.BJT的电流分配关系,为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IE的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为,称为集电极与发射极间反向饱和电流,反映BJT在共发射极连接时集电极电流IC受基极电流IB控制的关系称为共发射极直流电流放大系数,00:04,4.1.3BJT的V-I特性曲线,测试线路,BJT的V-I特性曲线能直观地描述各极间电压和电流的关系,1.共射极连接时的V-I输入特性,00:04,工作压降：硅管vBE0.60.7V,锗管vBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,vCE一定时iB与vBE的关系,(1)输入特性,00:04,当vCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，iC=iB。,iB一定时vCE与iC的关系,iC(mA),IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）。,(2)输出特性,00:04,此区域中vCEvBE,集电结正偏，iBiC，vCE0.3V称为饱和区。,此区域中:vBEiC，vCE0.3V,截止区：vBE死区电压，iB=0，iC=ICEO0,其它状态,00:04,例：测量三极管三个电极对地电位如图试判断三极管的工作状态。,2V,00:04,4.1.4晶体管的主要参数,共发射极直流电流放大系数,1.电流放大系数,共基极直流电流放大系数,(1)直流电流放大系数,显然，1，一般约为0.970.99。,00:04,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为iB，相应的集电极电流变化为iC，则共发射极交流电流放大系数为：,(2)交流电流放大系数,共发射极交流电流放大系数,共基极交流电流放大系数,00:04,例：VCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,00:04,(1)集电极-基极反向饱和电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,2.极间反向电流,00:04,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,(2)集电极-射极反向饱和电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,穿透电流,00:04,(1)集电极最大允许电流ICM,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。,3.极限参数,00:04,(2)集电极最大允许耗散功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=iCvCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,iCvCE=PCM,安全工作区,00:04,V(BR)CEO,指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压,(3)反向击穿电压,V(BR)EBO,指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压,V(BR)CBO,指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压,普通晶体管该电压值比较小，只有几伏,当集-射极之间的电压VCE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V(BR)CEO,00:04,4.1.5温度对BJT参数及特性的影响,1.温度对BJT参数的影响,(1).温度对ICBO的影响,(2).温度对的影响,(3).温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,对温度非常敏感，温度每升高10，ICBO增加一倍,温度升高，增加,温度升高，V(BR)CBO、V(BR)CEO增加,00:04,(1)温度对输入特性的影响,2.温度对BJT特性曲线的影响,(2)温度对输出特性的影响,温度升高，vBE减小,温度升高，ICBO、ICEO、增大,输出特性曲线上移,00:04,半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3DG110B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,00:04,双极型三极管的参数,00:04,4.2基本共射极放大电路,放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,Av,放大的实质：在小信号的作用下，将直流能变为交流能。,00:04,放大电路的性能指标,一、电压放大倍数Av,vi和vo分别是输入和输出电压的有效值。,二、输入电阻Ri,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,00:04,三、输出电阻Ro,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,00:04,如何确定电路的输出电阻Ro？,步骤：,1.所有的电源置零(将独立源置零，保留受控源)。,2.加压求流法。,方法一：计算。,VS,00:04,方法二：测量。,1.测量开路电压。,2.测量接入负载后的输出电压。,步骤：,3.计算。,00:04,四、通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线,00:04,符号规定,VA,大写字母、大写下标，表示直流量。,vA,小写字母、大写下标，表示全量。,va,小写字母、小写下标，表示交流分量。,vA,va,全量vA,交流分量va,t,VA直流分量,00:04,4.2基本共射极放大电路,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,00:04,晶体管的三种基本接法(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极,00:04,4.2.1共射放大电路的基本组成,？,参考点,Rb,+VCC,VBB,Rc,C2,T,vs,+,-,+,-,+,-,vBE,vCE,iB,iC,iE,图4.2.1基本共发射极放大电路,00:04,共发射极放大电路,隔离输入、输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,注意耦合电容的极性！,+,+,00:04,可以省去,电路改进：采用单电源供电,00:04,单电源供电电路,00:04,直流通道和交流通道,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,在放大器没有输入信号（vi=0)时电路各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或者静止状态，简称静态,rd=VT/ID,00:04,IR=,IL=,器件,I/V关系,DC模型,AC模型,电阻,电容,IC=sCV,电感,二极管,ID=IS(eVD/VT-1),独立电压源,VS=常数,独立电流源,IS=常数,直流分析与小信号分析时的元件转换,00:04,例：,对直流信号（只有+Vcc）,00:04,对交流信号(输入信号vi),交流通路,00:04,4.3放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,00:04,由于电源的存在IBQ0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,4.3.1图解分析法,静态工作点,在静态时，三极管各电极的直流电压和直流电流的数值，在管子的特性曲线上所确定的一个点，称静态工作点，通常称为Q点。,00:04,IBQ,ICQ,(ICQ,VCEQ),(IBQ,VBEQ),00:04,静态工作点的估算,（1）根据直流通道估算IBQ,RB称为偏置电阻，IBQ称为偏置电流。,00:04,（2）根据直流通道估算VCEQ、ICQ,ICQ,VCEQ,00:04,例：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,注意电路中IBQ和ICQ的数量级。,注意单位！,ICQ,VCEQ,00:04,vBEiB满足什么关系？,1.三极管的输入特性。,2.vBE=VCCiBRB。,1.静态工作点的图解分析,VCC,与输入特性的交点就是Q点,(1)输入回路,iB,vBE,4.3.2静态工作点的图解分析,IBQ,VBEQ,(a)输入回路的图解分析,00:04,iC,vCE,vCEiC满足什么关系？,1.三极管的输出特性。,2.vCE=VCCiCRC。,直流负载线,与输出特性的交点就是Q点,IBQ,(2)输出回路,ICQ,VCEQ,4.3.2静态工作点的图解分析,(b)输出回路的图解分析,00:04,(IBQ,VBEQ)和(ICQ,VCEQ)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点-静态工作点(Q点）。,00:04,先估算IBQ，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与IBQ对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。,Vcc,00:04,交流负载线,其中：,00:04,iC和vCE是全量，与交流量ic和vce有如下关系,所以：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,00:04,交流负载线的作法,IBQ,过Q点作一条直线，斜率为：,交流负载线,00:04,iB,vCE怎么变化,？,假设vBE有一微小的变化,2.动态工作情况的图解分析,vi,vo,vCE,iB,iC,00:04,vCE的变化沿一条直线,vce相位如何,？,vce与vi反相！,00:04,各点波形,图4.3.4共射极放大电路中的电压、电流波形,00:04,3.静态工作点对波形失真的影响,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。,00:04,vo,可输出的最大不失真信号,(1)选择静态工作点,00:04,iC,vCE,vo,(2)Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生截止失真,ib最小为0，VBE小于死区电压,iC最小为0vo最大为VCC,00:04,(3)Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生饱和失真,ic最大为VCC/RC，vO=0,00:04,由于受晶体管截止和饱和的限制，放大器的不失真输出电压有一个范围，其最大值称为放大器输出动态范围。,而因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度则为,因受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为,(3)最大不失真输出电压,00:04,Vopp则为该幅度的两倍，即Vopp=2Vom为了充分利用晶体管的放大区，使输出动态范围最大，直流工作点应选在交流负载线的中点处。,式中，VCES表示晶体管的临界饱和压降，一般取为1V。比较以上二式所确定的数值，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,00:04,实现放大的条件,1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,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，经电容只输出交流信号。,00:04,根据上述交流图解分析，可以画出在输入正弦电压下，放大管各极电流和极间电压的波形，如图所示。观察这些波形，可以得出以下几点结论：(1)放大器输入交变电压时，晶体管各极电流的方向和极间电压的极性始终不变，只是围绕各自的静态值，按输入信号规律近似呈线性变化。(2)晶体管各极电流、电压的瞬时波形中，只有交流分量才能反映输入信号的变化，因此，需要放大器输出的是交流量。(3)将输出与输入的波形对照，可知两者的变化规律正好相反，通常称这种波形关系为反相或倒相。,00:04,VCC,vCE,Q,直流负载线,VCEQ,ICQRL,VCES,图解法总结,IBQ,交流负载线,斜率为,00:04,例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管工作于哪个区？,当VBB=-2V时：,IBQ=0，ICQ=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,00:04,例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管工作于哪个区？,ICIcmax(=2mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB已不是的关系）,00:04,三极管模型的建立h(hybrid)参数,低频,4.3.2小信号模型分析法,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。,1.BJT的H参数的及小信号模型,图4.3.10双口网络,交流,小信号,00:04,用小信号交流分量表示,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,在小信号情况下，上两式取全微分得,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,iC=f2(iB,vCE),vBE=f1(iB,vCE),(1)BJT的H参数的引出,i:输入,r:反向传输,f:正向传输,o:输出,图4.3.11(a)BJT在共发射极连接时的双口网络,00:04,输出端交流短路(vce=0,vCE=VCEQ)时的输入电阻,输出端交流短路时的正向电流传输比,输入端交流开路(ib=0,iB=IBQ)的反向电压传输比,输入端交流开路时的输出电导,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,小信号下b-e间动态电阻，rbe,电流放大系数,r,1/rce,00:04,(2)BJT的H参数参数小信号模型（微变等效电路）,图4.3.11(b)H参数小信号模型,00:04,rce很大，一般忽略。,(3)小信号模型的简化,r很小，一般忽略。,图4.3.12BJT的简化小信号模型,00:04,发射结电阻,基区体电阻,.输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,vBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,rbe的量级从几百欧到几千欧。,对于小功率三极管：,0.1mA1/CE,忽略RB影响,C,00:04,波特图:确定fL1、fL2和fL3，分别做出三条曲线，然后相加。,00:04,耦合电容和旁路电容的选择,1.耦合电容,2.旁路电容,00:04,钽电容,00:04,求放大倍数Av、Ri