第2章 晶体管及其基本放大电路.ppt.ppt

2.1晶体管,2.2放大的概念及放大电路的性能指标,2.3共发射极放大电路的组成及工作原理,2.4放大电路的图解分析法,2.5放大电路的微变等效电路分析法,2.6分压式稳定静态工作点电路,2.7共集电极放大电路,2.8共基极放大电路,2.9组合单元放大电路,第2章晶体管及其基本放大电路,2.1晶体管,2.1.1晶体管的结构及类型,2.1.2晶体管的三种连接方式,2.1.3晶体管的工作方式,晶体管即半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（bipolarjunctiontransistor,简称bjt）。双极型晶体管bjt是由两个pn结组成的。,(semiconductortransistor),1.结构,发射极e,基极b,集电极c,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,emitter,base,collector,均由三个掺杂区和两个背靠背的pn结构成，但两类三极管的电压极性和电流方向相反。,集电区：面积较大,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺杂浓度最高,2.1.1晶体管的结构及类型,三极管放大的条件,内部条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电区体积大,外部条件,发射结正偏集电结反偏,npn型：cbesi管：be=0.7vge管：be=0.2vpnp型：cbube）晶体管内部载流子传输及电流分配,发射区正偏向基区注入多子电子，形成发射极电流ie。,icn,多数向bc结方向扩散形成icn。,ie,少数与空穴复合，形成ibn。,ibn,基区空穴来源,基极电源提供(ib),集电区少子漂移(icbo),icbo,ib,ibnib+icbo,即：,ib=ibnicbo,2)电子在基区的复合和传输,(基区空穴运动因浓度低而忽略),(1)放大状态下晶体管中载流子的传输过程,icn,ie,ibn,icbo,ib,3)集电结反向偏置形成集电极电流ic,ic,ic=icn+icbo,（2）晶体管的电流分配关系,ib=ibnicbo,ic=icn+icbo,共射直流电流放大系数,流入npn管的基极电流,与集电极电流之和等于流出晶体管的发射极电流,，满足基尔霍夫电流定律。,=ic+ib,集电极收集到的电子数与在基区复合掉的电子数之比，意味着基区每复合一个电子，则有个电子扩散到集电区去。,穿透电流,一般在几十几百之间,共基直流电流放大系数,的值小于1且接近于1，一般为0.950.99。,的关系,它是集电极收集的电子数与发射极发射的总电子数的比值,(3)晶体管的放大作用,向偏置，集电结反向偏置，此时，各电极电位之间的关系是：npn型ucubuepnp型ucubue,晶体管实现电流放大的外部偏置条件：发射结正,电流放大作用的实质是通过改变基极电流ib的大小，达到控制ic的目的，而并不是真正把微小电流放大了，因此，晶体管称为电流控制型器件。定义：保持工作点处uce不变，集电极电流变化量与基极电流变化量之比，称为共发射极交流电流放大系数。即,定义：保持工作点处ucb不变，集电极电流变化量与发射极电流变化量之比，称为共基极交流电流放大系数。即,在数值上,2.饱和状态(发射结正向偏置、集电结正向偏置),集电极电位低于基极电位，集电结正向偏置，不利于集电极从基区收集非平衡少数载流子，从发射区扩散到基区的非平衡少子在基区复合的数量增大，而进入集电区的数量减少，集电极电流不再随基极电流的增大而增大，基极电流失去了对集电极电流的控制作用（晶体管失去了放大能力），集电极电流好像饱和了。,2.饱和状态(发射结正向偏置、集电结正向偏置),ic主要受uce的控制，随着uce的增大，集电结由正向偏置向零偏变化过程中，集电区收集电子的能力逐步增强，集电极电流ic随uce的增大而增大。,晶体管工作于饱和状态时的uce称为集电极饱和电压降，记作uces。处于深度饱和时，硅管,锗管,3.截止状态（发射结反向偏置、集电结反向偏置）晶体管发射结反向偏置或零偏(ube0)，集电结反向偏置(ubc0），不利于发射极多数载流子的扩散运动，发射极电流几乎为零，此时，集电极流过反向饱和电流ic=icbo，基极电流：ib=icbo，icbo很小可忽略不计，认为晶体管处于截止状态。,【例2-1】测得放大电路中工作在放大状态中的两只晶体管的直流电位如下图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。,【解】,分析工作于放大状态的晶体管，发射结正向偏置、集电结反向偏置，有：npn管ucubue，pnp管ucubue基极电位总是居中，据此可确定基极；硅管ube的约为0.60.8v、锗管的ube约为0.20.4v，从而可判断出与基极相差这一数值的电极为发射极，并由这一差值大小判断是硅管还是锗管；余下一个电极为集电极。集电极电位最高的为npn管，集电极电位最低的为pnp管。,【例2-2】测得工作在放大状态的晶体管两个电极的电流如下图所示。(1)求另一个电极的电流，并在图中标出实际方向。(2)标出e、b、c极，并判断出该管是npn管还是pnp管。(3)若icbo均为零，试求及的值。【解】：晶体管三个电极的电流关系为：其中最小、居中、最大；工作于放大状态时，对于npn管：流出晶体管，、流入晶体管。对于pnp管：流入晶体管，、流出晶体管。标出的电流方向及管子类型如下：,由于,=0.1ma，,=5.0ma，故,2.1.4晶体管的伏安特性曲线,晶体管伏安特性曲线用来描述晶体管外部各极电流与电压之间的关系。,晶体管的不同连接方式有不同的伏安特性曲线，因共发射极接法应用最为广泛，下面以npn管共发射极接法为例讨论晶体管的输入特性和输出特性，,共射接法晶体三极管的特性曲线,一、输入特性,输入回路,输出回路,与二极管特性相似,对应不同的uce，输入特性曲线为一族非线性的曲线，存在一段死区，当外加电压ube小于阈值电压（或称死区电压）ube(th)时，晶体管不导通，处于截止状态。硅管ube(th)约为0.5v，锗管约为0.1v。当ubeube(th)时，随着ube的增大，ib开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。晶体管正常工作时，ube变化不大，硅管导通电压ube(on)约为0.7v左右，锗管约为0.3v左右。,特性基本重合(电流分配关系确定),导通电压ube(on),硅管：(0.60.8)v,锗管：(0.20.3)v,取0.7v,取0.3v,(2)当uce=1v时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一ube电压下，ib减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,2.输出特性,在共射接法的晶体管电路中，当ib为参变量时，输出回路中的电流ic与电压uce之间的关系特性曲线称为输出特性，用函数关系表示为：,现以ib=30ua一条加以说明。,（1）当uce=0v时，因集电极无收集作用，ic=0。,（2）uceic。,（3）当uce1v后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成ic。所以uce再增加，ic基本保持不变。,同理，可作出ib=其他值的曲线。,4321,2、输出特性,截止区：ib0ic=iceo0由于各极电流都基本上等于零,因而此时三极管没有放大作用。条件：两个pn结反偏,截止区,iceo,当发射结反向偏置时,发射区不再向基区注入电子,则三极管处于截止状态。,输出特性曲线可以分为三个区域:,2.放大区：,放大区,截止区,当一定时,的值基本上不随ce而变化。条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔,iceo,对于三极管,工作在放大区时.v,而。,3.饱和区：,uceube,ubc=ubeuce0,条件：两个结正偏,特点：icib,临界饱和时：uce=ube,深度饱和时：cebe,0.3v(硅管),uce(sat)=,0.1v(锗管),此区域中uceube,集电结正偏，ibic，uce0.3v,较小时,管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化,这种现象称为饱和。,4.击穿区：,条件：发射结正偏集电结反偏,特点：集电结发生了雪崩击穿,基极开路(ib=0)时，使集电极发生击穿的uce值，记为u(br)ceo。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：ic=ib,且ic=ib,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：uceube，ibic，uce0.3v,(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。ubeu(br)ceo,u(br)ebo,已知:icm=20ma,pcm=100mw，u(br)ceo=20v，当uce=10v时，icma当uce=1v，则icibm。,2.“q”过高引起饱和失真,ics,npn管：底部失真为饱和失真。,pnp管：顶部失真为饱和失真。,ibs基极临界饱和电流。,不发生饱和失真的条件：ibq+ibmibs,当ui较小时，为减少功耗和噪声，“q”可设得低一些；,为获得最大输出，“q”可设在交流负载线中点。,为提高电压放大倍数，“q”可以设得高一些；,3.选择工作点的原则：,2.4.5最大输出电压幅值,放大电路在电路参数确定的条件下，输出端不发生饱和失真,和截止失真的最大输出信号电压的幅值称为最大不失真输出,电压幅值(uom)m,放大器最大不失真输出电压的峰值(uom)m为uf、ur所确定的数值中较小的一个，,(1)受截止失真限制最大不失真输出电压uf的幅度,(2)受饱和失真限制最大不失真输出电压ur的幅度,(uom)m=minur,uf,例:硅管，us=10sint(mv)，rb=176k，rc=1k，rl=1k,vcc=vbb=6v，图解分析各电压、电流值和最大输出电压幅度。,解,令us=0，求静态电流ibq,uce=vccicrc,当ui=0ube=ubeqib=ibqic=icquce=uceq,当ui=uimsintib=ibmsintic=icmsintuce=ucemsintuo=uce,ib=ibq+ibmsintic=icq+icmsintuce=ucequcemsint=uceq+ucemsin(180t),优点:可以直观全面地了解放大电路的工作情况，通过选择电路参数在特性曲线上合理地设置静态工作点，分析最大不失真输出电压、失真情况并估算动态工作范围。缺点:在特性曲线上作图比较繁琐，误差大，信号频率较高时，特性曲线不再适用。因此图解法只适合分析输出幅值比较大且工作频率较低的情况。在分析其他动态指标，如输入电阻、输出电阻等时比较困难。下一节将要讨论更为简便有效的分析方法，微变等效电路分析法。,图解法的优缺点,2.5微变等效电路分析法,2.rbe的求取,1.低频h参数电路模型,2.5.1晶体管的低频小信号微变等效模型,1.低频h参数电路模型,晶体管虽然具有非线性的输入、输出特性，但当它工作于小信号时，工作点只在q点附近一个很小的范围内移动，即各电量的总瞬时值ib、ube、ic、uce在直流分量ibq、icq、ubeq、uceq基础上作变化时，其变化量（即交流分量）ib、ic、ube、uce很小。在这一范围内，可近似认为晶体管的输入、输出特性是线性的，因此，就可以用一个线性的二端口网络来等效非线性的晶体管。,2.5.1晶体管的低频小信号微变等效模型,根据晶体管端口电压、电流关系可导出晶体管的h参数电路模型。,在小信号情况下，对上两式取全微分得,对于bjt双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,ube=f(ib，uce),ic=g(ib，uce),一.求变化量之间的关系,用小信号交流分量表示,ube=h11eib+h12euce,ic=h21eib+h22euce,输出端交流短路时b和e间的输入电阻；,二.h参数的含义和求法,能构成电路图吗,输入端电流恒定（交流开路）的反向电压传输系数,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端电流恒定（交流开路）时的输出电导。,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（h参数）。,三h参数小信号模型,根据,可得小信号模型,h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关，在放大区基本不变。,bjt的h参数模型,1模型的简化,即rbe=h11e=h21eur=h12erce=1/h22e,一般采用习惯符号,则bjt的h参数模型为,r很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路,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。,2.rbe的求取,(1)发射结电阻,发射结电流,为发射结的电压，is为发射结的反向饱和电流，ut，所以，,求导得,发射结电阻,为pn结伏安特性曲线在静态工作点处切线,斜率的倒数，当用q点的切线的斜率取代q点附近的曲线时,即,根据输入电阻的定义,实验表明：,ieq有一定的的适用范围，0.1maib硅管i1=（5-10）ibq锗管i1=（10-20）ibq（2）ubube硅管ub=（3-5）v锗管ub=（1-3）v,静态分析求q点（ibq、icq、uceq）求法：画出直流通路求解方法有二：1、估算法2、利用戴维南定理,说明q是否合适,ubq=vccrb2/(rb1+rb2),一估算法,二利用戴维南定理（同学自己做）,动态分析求au、ri、ro画出放大电路的微变等效电路1.画出交流通路,2.画出放大电路的微变等效电路,二计算动态性能指标,1.计算au,“-”表示uo和ui反相。au的值比固定偏置放大电路小了。,（2）计算输入电阻,ri，同时说明公式的记法和折合的概念。,uo在re两端的电压可以忽略不计，因此rorc。,（3）计算输出电阻roro=uo/ious=0rl=,如何提高电压放大倍数au,？,在re两端并联一个电容，则放大倍数与固定偏置放大电路相同。,举例讨论,2.6.3带旁路电容的射极偏置稳定电路,为了解决分压式射极偏置电路放大倍数减小的问题，通常在re上并联一个大容量的电容ce，称为射极旁路交流电容。,带旁路电容的射极偏置稳定电路,例=100，rs=1k，rb1=62k，rb2=20k,rc=3k，re=1.5k，rl=5.6k，vcc=15v。求：“q”，au，ri，ro。,1)求“q”,解,微变等效电路,re两端并联一个电容,re两端并联一个电容,ro=rc=3k,2)求au，ri，ro，aus,小结,分析了固定偏置放大电路产生失真的原因。分析了射极偏置放大电路稳定静态工作点的原理。重点分析计算了分压式偏置放大电路的性能指标。深入讨论了射极电阻对静态和动态的影响，为今后学习反馈建立基础概念。,2.7共集电极放大电路,2.7.1共集电极放大电路,ibq=(vccubeq)/rb+(1+)re,icq=ibq,uceq=vccicqre,一.静态分析,交流通路,小信号等效电路,rl=re/rl,二.动态分析,1.电压放大倍数：,1,2.输入电阻：,us=0,+u,i,ire,rs=rs/rb,i=ireibib,3.输出电阻：,射极输出器特点:,au1输入输出同相,ri高,ro低,用途：输入级、输出级、中间隔离级、电压跟随器,共集电极放大电路,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。,例=120，rb=300k，rbb=200，ubeq=0.7v,re=rl=rs=1k，vcc=12v。求：“q”，au，ri，ro。,解,1)求“q”,ibq=(vccube)/rb+(1+)re=(120.7)/300+121127(a),ieqibq=3.2(ma),uceq=vccicqre=123.21=8.8(v),2)求au，ri，ro,rbe=200+26/0.0271.18(k),ri=300/(1.18+121/2)=51.2(k),rl=1/1=0.4(k),2.7.2自举式射极输出器,(2)电路组成及特点,(1)问题的提出：提高ri的电路,共集电极电路（射极输出器）输入电阻ri的提高受到了偏置电阻rb的限制，为了进一步提高输入电阻ri，应设法减小偏置电阻rb的并联作用。,电路图,直流通路,等效直流通路,1.自举式射极输出器的静态分析,由直流通路可以得到,输入回路满足方程：,可求出,2.自举式射极输出器的动态分析,(1)放大倍数,(2)输入电阻,根据输入电阻的定义计算ri，首先计算流过并联电阻rb3/rbe的电流,提高ri的电路：自举式射极输出器,2.8共基极放大电路,2.8.1共基极放大电路,直流通路采用的是分压偏置式,交流信号经c1从发射极输入,从集电极经c2输出,c1、c2为耦合电容,cb为基极旁路电容,使基极交流接地,故称为共基极放大器。,1、静态分析,2、动态分析,ri,ri,ro,ro=rc,特点：,1.au大小与共射电路相同。,2.输入电阻小，aus小。,2.9组合单元放大电路,2.9.2共集-共射和共射-共集组合放大电路,2.9.1复合管,2.9.3共射-共基组合放大电路,实际应用的放大电路，除了要有较高的放大倍数之外，往往还要对输入、输出电阻及其它性能提出要求。