晶体管及其放大电路分析.ppt

模拟电子技术第2章晶体管及其放大电路分析 范立南恩莉代红艳李雪飞中国水利水电出版社 第2章晶体管及其放大电路分析 2 1晶体管的基本概念2 2晶体管放大电路的分析2 3多级放大电路的分析2 4放大电路的频率特性 利用不同的掺杂方式在同一块硅片上 制造出能够形成两个PN结的三个掺杂区 就构成了半导体三极管 又称为双极型晶体管 BJT BipolarJunctionTransistor的缩写 晶体三极管 通常简称为晶体管 晶体管按照频率可分为 高频管和低频管 按照功率可分为大功率管 中功率管和小功率管 按照材料可分为硅管和锗管 按照构成晶体管的三个掺杂区的不同 可分为NPN型和PNP型 2 1晶体管的基本概念2 1 1晶体管的结构及分类 结构示意图和符号分别如图2 1和2 2所示 a 结构示意图 b 符号图2 1NPN型晶体管的结构示意图及符号 a 结构示意图 b 符号图2 2PNP型晶体管的结构示意图及符号 晶体管的几种常见外形如图2 3所示 a b 小功率管 c 中功率管 d 大功率管图2 3晶体管的常见外形 2 1 2晶体管的电流放大作用 1 放大的基本概念放大作用是一种能量控制作用 放大的对象是变化量 能够将微小的变化量不失真的放大输出 放大作用是通过放大电路来实现的 放大电路的核心元件是晶体管 晶体管具有放大作用所需具备的内部条件 在制造晶体管时需保证其发射区掺杂浓度高 基区很薄且掺杂浓度低 集电结面积大 晶体管具有放大作用所需具备的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 基本共射放大电路如图2 4所示 图2 4基本共射放大电路 2 晶体管内部载流子的运动 1 发射区向基区大量注入电子 2 电子在基区复合和进一步扩散 3 集电区大量收集电子 图2 5晶体管内部载流子运动示意图 2 1 3晶体管的输入输出特性曲线 图2 6基本共射放大电路 晶体管的输入特性曲线是指当晶体管集 射之间电压一定的情况下 输入回路的基极电流与基 射电压之间的关系曲线 可以表示为 晶体管的输出特性曲线是指当晶体管基极电流一定的情况下 输出回路的集电极电流与集 射电压之间的关系曲线 可以表示为 a 输入特性曲线 b 输出特性曲线图2 7晶体管的输入输出特性曲线 晶体管的输出特性曲线 分为三个工作区 截止区 放大区和饱和区 1 截止区 晶体管的发射结处于反偏或者零偏 集电结处于反偏时 该晶体管工作在截止区 2 放大区 晶体管的发射结处于正偏 集电结处于反偏时 该晶体管工作在放大区 3 饱和区 晶体管的发射结处于正偏 集电结也处于正偏时 该晶体管工作在饱和区 当晶体管的发射结处于正偏 集电结处于零偏时 该晶体管工作在临界饱和状态 例2 1 测得三只晶体管的直流电位如图2 8 a b c 所示 试判断它们的工作状态 图2 8例2 1图 解 图2 8 a 中发射结正偏 集电结也正偏 所以该管工作在饱和状态 图2 8 b 中发射结正偏集电结反偏 所以该管工作在放大状态 图2 8 c 中晶体管发射结反偏 集电结也反偏 所以该管工作在截止状态 2 1 4晶体管的主要参数 1 晶体管的主要参数 1 电流放大系数 共射直流电流放大系数 共射交流电流放大系数 共基直流电流放大系数 共基交流电流放大系数 2 反向电流 集 基反向饱和电流是指发射极e开路时 集电结在反向电压作用下 集 基之间由少子漂移运动形成的反向饱和电流 集 射反向饱和电流是指基极b开路时 集电极和发射极之间的穿透电流 3 极限参数 集电极最大允许电流 集电极最大耗散功率 极间反向击穿电压 为基极开路时 加在集 射之间的反向击穿电压 为射极开路时 加在集 基之间的反向击穿电压 为集电极开路时 加在射 基之间的反向击穿电压 2 温度对晶体管参数的影响 1 温度对反向饱和电流的影响 反向饱和电流随着温度的升高而增大 2 温度对的影响 随着温度的升高 晶体管的输入特性曲线将左移 3 温度对共射电流放大系数的影响 共射电流放大系数随温度的升高而增大 在输出特性曲线上表现为各曲线间的间隔增大 温度对晶体管上述三个参数的影响 集中体现在使晶体管的集电极电流的增加上 例2 2 已知某单管放大电路中 电源电压为25V 现有三只管子 它们的分别为0 01 0 1 0 05 分别为50V 50V 20V 分别为15 100 100 试问选择哪只管子比较合适 解 选择管比较合适 2 2晶体管放大电路的分析2 2 1晶体管放大电路的性能指标 基本共射放大电路如图2 12所示 图2 12基本共射放大电路 共集放大电路如图2 13所示 图2 13基本共集放大电路 共基放大电路如图2 14所示 图2 14基本共基放大电路 晶体管放大电路的主要性能指标有 放大倍数 输入电阻 输出电阻 非线性失真系数和通频带 1 放大倍数是用于衡量放大电路放大能力的主要指标 通常将输出量与输入量的比值定义为放大倍数 用表示 又称为增益 按照输入量和输出量的不同 放大倍数可分为 电压放大倍数电流放大倍数互阻放大倍数互导放大倍数 2 输入电阻输入电阻是用于衡量一个放大电路从信号源获取信号能力大小的指标 通常将输入电阻定义为输入电压与输入电流之比 即从放大电路输入端看进去的等效电阻 记作 即 可以根据输入电阻的大小来判断一个放大电路从信号源获取信号的能力 输入电阻越大越好 3 输出电阻输出电阻是用于衡量一个放大电路带负载能力大小的指标 输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻 可以根据输出电阻的大小来判断一个放大电路带负载电阻的能力 输出电阻越小 带负载能力越强 所以通常希望一个放大电路的输出电阻越小越好 4 通频带通频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号的放大能力的指标 中频时放大倍数最大 低频或高频时放大倍数都会下降并产生相移 放大电路的放大倍数随频率变化的关系曲线如图2 16所示 图2 16放大倍数随频率变化的曲线 5 非线性失真系数非线性失真系数可定义为 6 最大不失真输出电压最大不失真输出电压是指输出波形不失真情况下 输出电压的最大值 记作 7 最大输出功率和效率最大输出功率是指输出波形不失真情况下 负载上所获得的最大功率 记作 效率是指最大输出功率与直流电源提供功率之比 效率越高 说明在交流输入信号的控制下 能量转换能力就越强 2 2 2晶体管放大电路的图解分析法 如图2 17所示的放大电路中 图2 17基本共射放大电路 图2 17所示电路的直流通路如图2 18所示 图2 18图2 17所示电路的直流通路 图2 17所示电路的交流通路如图2 19所示 图2 19图2 17所示电路的交流通路 晶体管放大电路的分析方法有图解法和微变等效电路法两种 所谓图解法是利用晶体管的输入特性曲线 输出特性曲线及放大电路中其它元件的参数 通过作图对放大电路进行分析的方法 a 输入回路 b 输出回路图2 20图2 17所示电路的图解法分析 图解法的特点是比较直观 通常适用于输入信号幅度较大 工作频率较低情况电路的分析或进行放大电路的失真情况分析 静态工作点过高出现饱和失真 消除饱和失真的办法是降低静态工作点 可以采取增大或者减小等办法来降低静态工作点 静态工作点过低出现截止失真 消除截止失真的办法是提高静态工作点 可以采取减小或者增大等办法来提高静态工作点 2 2 3晶体管放大电路的等效电路分析法 1 晶体管的低频小信号h参数等效电路现将晶体管看成一个二端口网络 如图所示 端电压和电流之间关系可分别表示为 简化后的晶体管h参数等效电路如图所示 2 晶体管的低频小信号h参数等效电路分析法利用晶体管的低频小信号h参数等效电路对放大电路进行分析 通常也称为晶体管的微变等效电路法 分析步骤如下 1 求静态工作点 画直流通路 求静态工作点 2 求交流性能 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 下面用微变等效电路法分析下图所示电路 1 求静态工作点 画直流通路 求静态工作点 2 求交流性能 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 电压放大倍数为 输入电阻为 输出电阻为 例 阻容耦合放大电路如图示 已知 试求 1 静态工作点 2 交流性能 和 解 1 求静态工作点 画直流通路 求静态工作点 2 求交流性能 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 2 2 4静态工作点稳定放大电路 1 求静态工作点 画直流通路 求静态工作点 2 求交流性能 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 电压放大倍数为 输入电阻为 输出电阻为 2 2 5基本共集放大电路的分析 1 求静态工作点 画直流通路 求静态工作点 2 求交流性能 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 电压放大倍数为 输入电阻为 输出电阻为 2 2 6基本共基放大电路的分析 1 求静态工作点 画直流通路 求静态工作点 2 求交流性能 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 电压放大倍数为 输入电阻为 输出电阻为 2 3多级放大电路的分析 多级放大电路中 每个单级放大电路称为一级 各个单级放大电路之间的连接方式 称为耦合方式 常见的耦合方式有 直接耦合 阻容耦合和变压器耦合等 直接耦合方式是将前一级放大电路的输出端直接送到后一级放大电路的输入端的连接方式 如图示 直接耦合放大电路的特点是 1 各级的静态工作点不独立 使得各级的静态工作点相互影响 不便于进行电路的分析 设计和调试 2 直接耦合多级放大电路中 由于信号的传送不经过电抗元件 所以频率特性好 可以放大低频信号或直流信号 且容易集成 集成运放中各级放大电路之间都是直接耦合方式 3 直接耦合放大电路存在着零点漂移现象 阻容耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过电容接到后一级放大电路的输入端的连接方式 这个电容称为耦合电容 如图示 阻容耦合放大电路的特点是 1 阻容耦合多级放大电路中 各级直流通路之间是不连通的 因此各级的静态工作点独立 2 阻容耦合多级放大电路的低频特性差 不能放大变化缓慢的信号 3 由于大电容不容易制作 所以阻容耦合方式不便于集成 变压器耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过变压器接到后一级放大电路的输入端或直接接负载电阻的连接方式 如图所示 变压器耦合放大电路的特点是 1 变压器耦合多级放大电路中 各级直流通路之间是不连通的 因此各级的静态工作点独立 便于分析 设计和调试 2 变压器耦合多级放大电路的低频特性差 不能放大变化缓慢的信号 3 由于变压器具有阻抗变换作用 能够实现阻抗匹配 获得最大输出功率 4 由于变压器的体积和重量都很大 所以变压器耦合多级放大电路不便于集成 多级放大电路的动态性能 2 4放大电路的频率特性 放大电路的电压放大倍数与输入信号频率之间的函数关系称为频率特性 或称为频率响应 电压放大倍数的幅值随频率变化的关系 称为幅频特性 电压放大倍数的相位随频率变化的关系 称为相频特性 幅频特性和相频特性统称为频率特性 晶体管的简化混合模型 单管放大电路的频率特性曲线 晶体管放大电路对不同频率信号的放大能力不同 只有在中频某段频率范围内 电压放大倍数最大且恒定不变 此时的电压放大倍数称为中频电压放大倍数 随着输入信号频率的减小 电压放大倍数下降到中频电压放大倍数的0 707倍时所对应的频率称为下限截止频率 随着输入信号频率的增加 电压放大倍数下降到中频电压放大倍数的0 707倍时所对应的频率称