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1 第三章基本放大器 3 2共射极放大电路 3 3图解分析法 3 4小信号模型分析法 3 5放大电路的工作点稳定问题 3 6共集电极电路和共基极电路 3 1半导体BJT 3 1半导体BJT3 1 1BJT的结构简介 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 BJT是由两个PN结组成的 NPN型 PNP型 符号 三极管的结构特点 1 发射区的掺杂浓度 集电区掺杂浓度 2 基区要制造得很薄且浓度很低 BJT的结构 3 1 2BJT的电路分配及放大作用 NPN管 若在放大工作状态 发射结正偏 UCE UBE UCB 集电结反偏 由VBB保证 由VCC VBB保证 UCB UCE UBE 0 三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压 发射结加正向偏置电压 集电结加反向偏置电压 电流均受此电压控制 1 因为发射结正偏 所以发射区向基区注入电子 形成了扩散电流IEN 同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动 形成的电流为IEP 但其数量小 可忽略 所以发射极电流IE IEN 1 BJT内部的载流子传输过程 2 发射区的电子注入基区后 变成了少数载流子 少部分遇到的空穴复合掉 形成IBN 所以基极电流IB IBN 大部分到达了集电区的边缘 另外 集电结区的少子形成漂移电流ICBO 3 因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成电流ICN 三个电极上的电流关系 IE IC IB 定义 1 IC与IE之间的关系 所以 其值的大小约为0 9 0 99 2 电流分配关系 KVL 2 IC与IB之间的关系 联立以下两式 得 所以 得 令 3 1 3BJT的特性曲线 共发射极接法 1 输入特性曲线iB f uBE uCE const 1 uCE 0V时 相当于两个PN结并联 等同PN结的特性曲线 3 uCE 1V再增加时 曲线右移很不明显 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 随着uCE的增大 iB减小 特性曲线将向右稍微移动一些 输入 输出 VBE不变 2 uCE Ic 3 当uCE 1V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 2 输出特性曲线iC f uCE iB const 现以iB 60uA一条加以说明 1 当uCE 0V时 因集电极无收集作用 iC 0 iB不变 饱和区 iC受uCE显著控制的区域 该区域内uCE 0 7V 此时发射结正偏 集电结也正偏 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 放大区 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 该区中有 饱和区 放大区 截止区 输出特性曲线可以分为三个区域 3 1 4BJT的主要参数 1 电流放大系数 2 共基极电流放大系数 一般取20 200之间 2 3 1 5 1 共发射极电流放大系数 静态 动态 2 极间反向电流 know 2 集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时 集电极到发射极间的电流 穿透电流 其大小与温度有关 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 在其集电结上加反向电压 得到反向电流 它实际上就是一个PN结的反向电流 其大小与温度有关 锗管 ICBO为微安数量级 硅管 ICBO为纳安数量级 3 极限参数 learn 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PC ICUCE PCM PCM Ic增加时 要下降 当 值下降到线性放大区 值的70 时 所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM U BR EBO 集电极开路时 发射极与基极之间允许的最大反向电压 其值一般几伏 十几伏 U BR CBO 发射极开路时 集电极与基极之间允许的最大反向电压 其值一般为几十伏 几百伏 U BR CEO 基极开路时 集电极与发射极之间允许的最大反向电压 在实际使用时 还有U BR CER U BR CES等击穿电压 3 反向击穿电压 BJT有两个PN结 其反向击穿电压有以下几种 半导体三极管的型号 know 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 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 3DG110B UD 0 7V UCES 0 3V iB 0iC 0 3 2共射极放大电路一 BJT的模型 直流模型 二 单管共射放大电路的工作原理 UCE IC Rc 放大原理 UBE IB IC b IB 电压放大倍数 uo ui 三极管工作在放大区 发射结正偏 集电结反偏 放大元件iC iB 工作在放大区 要保证集电结反偏 发射结正偏 单管共射极放大电路的结构及各元件的作用 各元件作用 使发射结正偏 并提供适当的静态的IB和UBE 基极电源与基极电阻 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 集电极电阻RC 将变化的电流转变为变化的电压 耦合电容 电解电容 有极性 大小为10 F 50 F 作用 隔直通交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 各元件作用 基本放大电路的习惯画法 现实电路中并不使用 只要保证电压大小关系即可 很重要 各点波形 uo比ui幅度放大且相位相反 工作原理演示 2 1放大电路的基本概念及性能指标 一 放大的基本概念 放大 把微弱的电信号的幅度放大 一个微弱的电信号通过放大器后 输出电压或电流的幅度得到了放大 但它随时间变化的规律不能变 即不失真 三 放大电路的主要技术指标 1 放大倍数 表示放大器的放大能力 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求 放大器可分为四种类型 所以有四种放大倍数的定义 1 电压放大倍数定义为 AU uo ui 2 电流放大倍数定义为 AI io ii 3 互阻增益定义为 Ar uo ii 4 互导增益定义为 Ag io ui 2 输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 Ri ui ii 一般来说 Ri越大越好 1 Ri越大 ii就越小 从信号源索取的电流越小 2 当信号源有内阻时 Ri越大 ui就越接近uS 输出电阻是表明放大电路带负载能力的 Ro越小 放大电路带负载的能力越强 反之则差 输出电阻的定义 3 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 通频带 fbw fH fL 放大倍数随频率变化曲线 幅频特性曲线 4 通频带 30 3 3图解分析法 静态 当输入电压 ui 0时 电路中各点的电压及 电流都是不变的直流 电路此时的工作状态叫直流工作状态 也叫静止状态 简称静态 Q点 在静态时 BJT各极的电压及电流 在其特性曲线 上会确定一个点 这个点就叫做Q点 动态 当输入电压 ui 0时 电路中各点的电压及电流 都会处于变动状态 电路此时处于动态工作状态简称动态 1 静态工作点 Ui 0时电路的工作状态 ui 0时 由于电源的存在 电路中存在一组直流量 IC UBE UCE 3 3 1静态工作情况分析 由于 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点 所以称为静态工作点 为什么要设置静态工作点 放大电路建立正确的静态工作点 是为了使三极管能够工作在放大区 以保证信号不失真 33 求电路的Q点有两种方法 1 估算法2 图解法求电路的Q点实际就是求电路中的直流分量 IB IC UCE 1 近似估算Q点 例 共射电路如图 已知三极管为硅管 40 试求电路中的直流量IB IC UCE Q点 UBE 0 7V 画出放大电路的直流通路 将交流电压源短路 将电容开路 直流通路的画法 画直流通路 Rb称为偏置电阻 IB称为偏置电流 用估算法分析放大器的静态工作点 IB UBE IC UCE IC IB 例 用估算法计算静态工作点 已知 VCC 12V RC 4K Rb 300K 37 5 解 请注意电路中IB和IC的数量级 UCE VCC ICRC 直流负载线 由估算法求出IB IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q IBQ UCEQ ICQ 2 用图解法估算Q点 iC f uCE iB 40 A 斜率 iC f uCE iB 40 A M VCC 0 12 0 0 3 例题 斜率 UCEQ6V ICQ1 5mA Q C R c i u b1 T u b2 o C 12V Rb300K RC4K 1 放大电路在接入正弦信号时的工作情况 设输出空载 假设在静态工作点的基础上 输入一微小的正弦信号ui 静态工作点 注意 uce与ui反相 3 3 2动态工作情况分析 结论 1 放大电路中的信号是交直流共存 可表示成 虽然交流量可正负变化 但瞬时量方向始终不变 2 输出uo与输入ui相比 幅度被放大了 频率不变 但相位相反 对交流信号 输入信号ui 2 交流负载线 交流通路 分析动态工作情况交流通路的画法 将直流电压源短路 将电容短路 交流通路 其中 交流量ic和uce有如下关系 即 交流负载线的斜率为 交流负载线的作法 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 交流负载线的作法 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 注意 1 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹 2 空载时 交流负载线与直流负载线重合 3 输出端接入负载RL 不影响Q点 影响动态 uo 可输出的最大不失真信号 1 合适的静态工作点 3 非线性失真与Q的关系 uo 2 Q点过低 信号进入截止区 称为截止失真 信号波形 uo 3 Q点过高 信号进入饱和区 称为饱和失真 信号波形 动画演示 截止失真和饱和失真统称 非线性失真 EWB演示 放大器的饱和与截止失真 思路 将非线性的BJT等效成一个线性电路 条件 交流小信号 3 4小信号模型分析法 1 三极管的h参数等效电路 3 4 1BJT的小信号建模 根据网络参数理论 求变化量 在小信号情况下 各h参数的物理意义 输出端交流短路时的输入电阻 用rbe表示 输入端开路时的电压反馈系数 用 r表示 输出端交流短路时的电流放大系数 用 表示 输入端开路时的输出电导 用1 rce表示 该式可写为 由此画出三极管的h参数等效电路 2 简化的h参数等效电路 1 r 10 3 忽略 2 rce 105 忽略 得三极管简化的h参数等效电路 3 rbe的计算 由PN结的电流公式 常温下 其中 rbb 200 3 4 2 用H参数小信号模型分析共射级基本放大电路 1 画出放大器的微变等效电路 动画演示 1 画出放大器的交流通路 2 将交流通路中的三极管用h参数等效电路代替 2 电压放大倍数的计算 负载电阻越小 放大倍数越小 定义 当信号源有内阻时 由图知 所以 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的的输入电阻 3 输入电阻的计算 根据输入电阻的定义 所以 4 输出电阻的计算 根据定义 例共射放大电路如图所示 设 VCC 12V Rb 300k Rc 3k RL 3k BJT的b 50 1 试求电路的静态工作点Q 解 2 估算电路的电压放大倍数 输入电阻Ri和输出电阻Ro 解 画微变等效电路 Ri rbe Rb rbe 993 Ro Rc 3k 3 若输出电压的波形出现如下失真 是截止还是饱和失真 应调节哪个元件 如何调节 解 为截止失真 应减小Rb 3 5 放大电路静态工作点的稳定问题 静态工作点的设置 在放大电路中是非常重要的 它不仅影响电路的增益 同时还会在设置不当时 使信号的放大产生失真 固定偏置电路的优点是 电路简单 调整Q点方便 缺点是 更换电路的管子 或者在环境温度发生变化使管子的参数有所改变时 会使Q点移动 这会给放大电路带来不稳定的的因素 严重时会使放大电路无法正常工作 所以 有必要讨论Q点的稳定问题 对于前面的电路 固定偏置电路 而言 静态工作点由UBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 3 5 1温度对静态工作点的影响 1 温度对UBE的影响 2 温度对 值及ICEO的影响 动画演示 选I2 5 10 IB I1 I2 1 结构及工作原理 3 5 2射极偏置电路 静态工作点稳定过程 UBE UB UE UB IERe UB稳定 演示 2 直流通道及静态工作点估算 IB IC UCE VCC ICRC IERe IC IE UE Re UB UBE Re 电容开路 画出直流通道 将电容短路 直流电源短路 画出电路的交流小信号等效电路 3 动态分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 i i i 思考 若在Re两端并电容Ce会对Au Ri Ro有什么影响 一 共集电极放大电路 1 结构 3 6共集电级和共基级电路 2 直流通道及静态工作点分析 3 动态分析 1 交流通道及微变等效电路 2 电压放大倍数 1 Rib R r i u b 2 输入电阻 3 输出电阻 射极输出器的特点 电压放大倍数 1 输入阻抗高 输出阻抗小 演示 射极输出器的应用 1 放在多级放大器的输入端 提高整个放大器的输入电阻 2 放在多级放大器的输出端 减小整个放大器的输出电阻 2 放在两级之间 起缓冲作用 二 共基极电路 1 静态工作点 直流通路 2 动态分析 画出电路的交流小信号等效电路 1 电压放大倍数 2 输入电阻 3 输出电阻 1 1 be b be b r i r i e b b c i R i be r i u e R i i c e i i i R u S S R o u L R R c i b 3 三种组态的比较 共集 共基 共射 三 BJT电流源电路 用普通的三极管接成电流负反馈电路 即可构成一个基本的电流源电路 射极偏置放大电路就具有这一功能 Ic电流是恒定的 联立方程组 用等效电路来求该电路的内阻 可以解出 可见三极管电流源的内阻比三极管的输出电阻rce还要大 2 6多级放大电路 一 多级放大器的耦合方式 1 阻容耦合 优点 各级放大器静态工作点独立 输出温度漂移比较小 缺点 不适合放大缓慢变化的信号 不便于作成集成电路 2 直接耦合 优点 各级放大器静态工作点相互影响 输出温度漂移严重 缺点 可放大缓慢变化的信号 电路中无电容 便于集成化 二 多级放大器的分析 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗 后级的输入阻抗是前级的负载 1 两级之间的相互影响 2 电压放大倍数 以两级为例 注意 在算前级放大倍数时 要把后级的输入阻抗作为前级的负载 扩展到n级 3 输入电阻 4 输出电阻 Ri Ri 最前级 一般情况下 Ro Ro 最后级 一般情况下 设 1 2 100 UBE1 UBE2 0 7V 举例1 两级放大电路如下图示 求Q Au Ri Ro 解 1 求静态工作点 Ic1 Ie1 2 求电压放大倍数 先计算三极管的输入电阻 画微变等效电路 电压增益 3 求输入电阻 Ri Ri1 rbe1 Rb1 Rb2 2 55k 4 求输出电阻 RO RC2 4 3k 2 7BJT放大电路的频率响应 频率响应 放大器的电压放大倍数与频率的关系 下面先分析无源RC网络的频率响应 其中 称为放大器的幅频响应 称为放大器的相频响应 1 RC低通网络 1 频率响应表达式 一 无源RC电路的频率响应 令 则 幅频响应 相频响应 2 RC低通电路的波特图 最大误差 3dB 0分贝水平线 斜率为 20dB 十倍频程的直线 幅频响应 相频响应 可见 当频率较低时 AU 1 输出与输入电压之间的相位差 0 随着频率的提高 AU 下降 相位差增大 且输出电压是滞后于输入电压的 最大滞后90o 其中fH是一个重要的频率点 称为上限截止频率 这种对数频率特性曲线称为波特图 2 RC高通网络 1 频率响应表达式 令 则 幅频响应 相频响应 2 RC高通网络的波特图 最大误差 3dB 斜率为 20dB 十倍频程的直线 幅频响应 可见 当频率较高时 AU 1 输出与输入电压之间的相位差 0 随着频率的降低 AU 下降 相位差增大 且输出电压是超前于输入电压的 最大超前90o 其中 fL是一个重要的频率点 称为下限截止频率 相频响应 二 BJT的混合 型模型 混合 型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的 rbb 基区的体电阻 1 BJT的混合 型模型 rb e 发射结电阻 b 是假想的基区内的一个点 Cb e 发射结电容 rb c 集电结电阻 Cb c 集电结电容 受控电流源 代替了 2 用代替了 因为 本身就与频率有关 而gm与频率无关 2 BJT的混合 等效电路 特点 1 体现了三极管的电容效应 rb c很大 可以忽略 rce很大 也可以忽略 3 简化的混合 等效电路 低频时 忽略电容 混合 模型与H参数模型等效 所以 4 混合 参数的估算 由 所以 5 BJT的频率参数f fT 根据 定义 将c e短路 得 其中 做出 的幅频特性曲线 当 1时对应的频率 当20lg 下降3dB时对应的频率 fT 当fT f 时 可得 fT 0f f 共发射极截止频率fT 特征频率 三 阻容耦合共射放大电路的频率响应 对于如图所示的共射放大电路 分低 中 高三个频段加以研究 1 中频段所有的电容均可忽略 可用前面讲的h参数等效电路分析 中频电压放大倍数 2 低频段 在低频段 三极管的极间电容可视为开路 耦合电容C1 C2不能忽略 为方便分析 现在只考虑C1 将C2归入第二级 画出低频等效电路如图所示 可推出低频电压放大倍数 该电路有一个RC高通环节 有下限截止频率 共射放大电路低频段的波特图 幅频响应 相频响应 在高频段 耦合电容C1 C2可以可视为