模拟电子技术基础2晶体三极管及其放大电路-ch.ppt

作为放大电路中的核心部件 晶体管的基本功能是将微弱的电信号不失真地放大到负载所需数值 本章首先介绍晶体管的结构 工作原理 伏安特性曲线 主要参数及其交流小信号等效电路模型 然后介绍放大电路工作原理 电路构成原则 基本分析方法及由晶体管构成的三种基本组态放大电路的分析及性能特点 本章简介 2 1晶体三极管 2 3放大电路的基本分析方法 2 2晶体管放大电路基础 2 4放大电路静态工作点的稳定 2晶体三极管及其放大电路 模拟电子技术基础 2 5三种基本组态放大电路 2 1 1晶体三极管的结构与符号2 1 2晶体管的电流分配与放大作用1 晶体管内部载流子的传输过程2 晶体管的电流分配关系及电流放大系数2 1 3晶体管的伏 安特性曲线1 共射输入特性曲线2 共射输出特性曲线2 1 4晶体管的工作状态分析1 假定放大状态法2 假定临界饱和状态法2 1 5晶体管的主要参数2 1 6晶体管的交流小信号等效电路模型1 小信号线性化条件2 H参数等效模型的引出3 H参数的物理意义4 H参数模型的简化及参数求取 本节内容 2 1晶体三极管 晶体管有三个极 三个区 两个PN结 两各类型 NPN PNP 2 1 1晶体三极管的结构与符号 多子浓度高 多子浓度很低 且很薄 面积大 2 1 1晶体三极管的结构与符号 三种基本组态 NPN和PNP管的工作原理及内部载流子传输过程相同 二者所需电源电压极性相反 产生电流的方向相反 无论哪种组态 要使晶体管具有放大作用必须保证发射结正偏 集电结反偏 PNP NPN 2 1 2晶体管的电流分配与放大作用 1 晶体管内部载流子的传输过程 1 E B 区多子经Je注入B E 区 IE IEN IEP IEN E区多子 B区 成非平衡少子 B区多子 E区 成非平衡少子 2 注入B区的 非平衡 少子的扩散与复合 B区非平衡少子扩散 梯度浓度 从Je边缘 Jc边缘 3 C极收集扩散载流子 C极吸收 ICN IEN IBN ICBO Jc e极开路时 反向饱和电流 大部分 少部分 被复合 IBN IC ICN ICBO IB IBN IEP ICBO 受uBE控制 4 电流分配关系经上分析可得 2 1 2晶体管的电流分配与放大作用 符合KCL 定律 定义 整理得 穿透电流 定义 或 电流分配关系 式中各量为瞬时量或交流量时同样成立 2 1 3晶体管的伏 安特性曲线 1 共射输入特性曲线 相当于两个PN结并联时的伏安特性 uCE增大 曲线右移 uCB增大 对基区的非平衡少子作用力增强 复合机会少 iB减小 若iB不变 uBE需增加 曲线右移不明显 uCB足够大 C区收集绝大部由发射区注入到基区的载流子 uCB再增大 iB基本不变 对于小功率晶体管 UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线 2 共射输出特性曲线 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大 为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线 是常数吗 什么是理想晶体管 什么情况下 1 放大区 Je正编 Jc反偏 uBE Uon且uCE uBE uCE对iC影响小 2 截止区 Je截止 Jc反偏 uBEuBE 3 饱和区 Je和Jc正偏 uBE Uon且uCE uBE 4 击穿区 Je正编 Jc反偏 且uCE足够大 iC急剧增大 2 1 3晶体管的伏 安特性曲线 2 1 4晶体管的工作状态分析 晶体管的三个工作区域分别对晶体管的三各工作状态 即放大 截止和饱和 NPN PNP 工作在放大状态下 2 1 4晶体管的工作状态分析 假定放大状态法假定BJT处于放大状态 计算iB和iC iB BJT工作状态分析方法 若UBE Uon BJT截止 若UBE Uon则BJT可能处于放大或饱和状态 用以下两种方法判断 2 假定饱和状态法假定BJT处于临界饱和状态 由UCE Uon计算集电极临界饱和电流ICS 2 1 4晶体管的工作状态分析 工作在放大状态的BJT的类型 NPNorPNP 管脚及材料 SiorGe 判别方法 2 1 4晶体管的工作状态分析 例2 2 测得电路的晶体管各极对地电位如图所示 各晶体管b e间的开启电压为0 5V Si 0 1V Ge 试判断晶体管的工作状态 例2 3 在晶体管放大电路中 测得晶体管的各个管脚对地的直流电位如下图所示 试判断晶体管是NPN型还是PNP型 三个管脚中哪个是基极b 集电极c和发射极e 并说明该管是硅材料还是锗材料 2 1 5晶体管的主要参数 c e间击穿电压 最大集电极电流 最大集电极耗散功率 PCM iCuCE 安全工作区 极限参数 ICM PCM U BR CEO 极间反向电流 ICBO ICEO uCE 1V时的iC就是ICM 1 小信号线性化条件 2 1 6晶体管的交流小信号等效电路模型 2 晶体管H参数等效电路模型的引出 小信号含义 若ui是小信号 则在BJT输入和输出特性曲线上 ube作用的那一小段曲线可近似为直线 晶体管可由Q处的线性二端口网络等效 2 1 6晶体管的交流小信号等效电路模型 3 H参数的物理意义 输入交流电阻 反向电压传输比 0 01 可忽略 输出交流电阻 几百k 常忽略 共射电流增益 2 1 6晶体管的交流小信号等效电路模型 3 H参数模型的简化及参数求取 基区体电阻 几十 几百 发射区体电阻 可忽略 Je动态电阻 很小 近似短路 很大 近似分析中开路 或 适于求动态参数 不能用于求静态值 要求0 1mA IEQ 5mA 2 没考虑结电容的影响 只适用于低频分析 适于工作在任何组态中任何类型 NPN或PNP型 的BJT 2 1 6晶体管的交流小信号等效电路模型 2 2 1放大电路的主要性能指标1 输入电阻2 输出电阻3 增益4 频率特性5 非线性失真系数2 2 2放大电路的基本工作原理1 电路的组成2 放大电路的基本工作原理3 构成放大电路的基本原则 本节内容 2 2晶体管放大电路基础 2 2 1放大电路的主要性能指标 放大 保持信号不失真的前提下 将微弱信号变成幅度或能量足够大的信号 放大的对象 变化量放大的本质 能量的控制 放大前后能量守恒放大的特征 功率放大放大的基本要求 不失真 判断电路能否放大的基本出发点 2 2 1放大电路的主要性能指标 任何放大电路均可看成为二端口网络 输入电流 输入电压 输出电压 输出电流 信号源内阻 增益 输出量与输入量之比 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 输出端采用戴维南等效 负载开路输出电压 输入阻抗 输出阻抗 空载时输出电压有效值 带RL时的输出电压有效值 输入电压与输入电流有效值之比 输入 输出电阻 忽略所有电抗元件的影响 输入 输出阻抗为纯电阻 2 2 1放大电路的主要性能指标 频率特性 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力 2 2 1放大电路的主要性能指标 由于电容 电感及半导体器件PN结的电容效应 使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降 并产生相移 幅频特性 相频特性 下限截止频率 上限截止频率 通频带越宽 表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 1 电路的组成 以NPN CE放大电路为例 2 2 2放大电路的基本工作原理 VBB Rb 使UBE Uon 且有合适的IB VCC 使UCE Uon 同时作为负载的能源 Rc 将 iC转换成 uCE uo 将两个电源合二为一 信号源与放大电路共地 电容应足够大 隔直通交 C1 C2为耦合电容 uBE ui UBEQ 信号驮载在静态之上 负载上只有交流信号 信号的传递是直接通过导线或电阻进行 利用耦合电容进行信号传递 2 2 2放大电路的基本工作原理 2 放大电路的基本工作原理 由于电抗元件的存在 直流信号所流经的通路与交流信号所流经的通路不同 为分析之便 将直流信号和交流信号的作用分开进行 相应地分为静态和动态 ui 0直流电源作用下电流流经的通路 电容开路 电感短路 如有 交流信号源为零 电压源短路 电流源则开路 内阻保留 1 静态ui 0 分析目的 根据直流通路确定Q点数值 直流分析 UBEQ IBQ 和 ICQ UCEQ 2 2 2放大电路的基本工作原理 2 动态ui 0 分析目的 根据交流通路是求放大电路的的输入 输出电阻 增益等指标 交流分析 交流电流所流经的通路 原则 耦合或旁路电容短路 电感保留 无内阻的直流电源为零 实现电压放大 3 瞬态 直流电源和交流信号ui共同作用瞬时量 直流量 交流量 输出电压必然失真 设置合适的静态工作点 首先要解决失真问题 但Q点几乎影响着所有的动态参数 为什么放大的对象是动态信号 却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压 交流信号叠加在直流信号之上 2 2 2放大电路的基本工作原理 放大电路的基本工作原理 利用晶体管的电流控制作用实现信号的放大 直流电源VCC提供 放大的实质 利用晶体管的电流控制作用 将直流电源VCC提供的能量转化为与输入信号具有相同形式的能量提供给负载 交流输入信号控制基极电流的变化 BJT的电流控制作用 2 2 2放大电路的基本工作原理 合适的直流电源大小和极性均合适 确保放大器件工作在导通状态 如晶体管须发射结正偏 集电结反偏 输入信号能够有效加到放大器件的输入端使输入端的电流或电压随输入信号成比例变化在负载上能够获得放大了的动态信号放大器件输出端的变化电流能有效转化为电压输出 电路元件数值和输入信号的幅度合适确保电路有合适的静态工作点 输出信号产生明显的非线性失真 电路中带极性的电容连接要正确此外 还要求信号源与直流电源共地 直流电源种类尽可能少 同时负载上无直流分量等 3 构成放大电路的基本原则 2 2 2放大电路的基本工作原理 2 3 1图解法1 静态图解法2 电路参数对静态工作点的影响3 动态图解法4 静态工作点的选择与波形失真分析5 最大不失真输出电压的确定6 图解法的特点2 3 2等效电路法1 晶体管的直流模型及Q点的近似估算法2 放大电路的微变等效电路分析法3 基本共射放大电路的等效电路分析法 本节内容 2 3放大电路的分析方法 2 3放大电路的分析方法 通常 放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存 且放大器件本身非线性 使得电路的分析复杂化 为简化分析 分成直流通路和交流通路 相应的 对放大电路的分析过程分为先静态分析 后动态分析 又称直流分析 分析电路在直流电源单独作用下的响应 目的是根据直流通路 求Q点 又称交流分析 分析电路在交流输入信号单独作用下的响应 目的求交流性能指标 以器件的V A特性曲线为基础 用作图方法确定Q及部分交流指标 将非线性器件用其线性化等效电路模型替代 用线性电路分析方法和理论 求解Q点和交流指标 2 3 1图解法 1 静态图解法 1 由输入回路求IBQ UBEQ 2 由输出回路求ICQ UCEQ 斜率 斜率 2 电路参数对静态工作点的影响 2 3 1图解法 3 动态图解法 2 3 1图解法 3 动态图解法 2 3 1图解法 4 静态工作点的选择与波形失真分析 消除方法 增大IBQ 即向上平移输入回路负载线 截止失真是在输入回路首先产生失真 减小Rb能消除截止失真吗 截止失真 因晶体管进入截止区而引起的非线性失真 原因 Q点偏低 2 3 1图解法 2 3 1图解法 4 静态工作点的选择与波形失真分析 截止失真 因晶体管进入饱和区而引起的非线性失真 饱和失真产生于晶体管的输出回路 原因 Q点偏高 消除方法 减小IBQ 5 最大不失真输出电压的确定 2 3 1图解法 形象直观 适应于Q点分析 失真分析 最大不失真输出电压的分析 能够用于大信号分析 不易准确求解 不能求解输入电阻 输出电阻 频带等参数 6 图解法的特点 2 3 1图解法 Uom Q点在什么位置Uom最大 交流负载线应过Q点 且斜率决定于 Rc RL 直流负载线和交流负载线 2 3 1图解法 1 在什么参数 如何变化时Q1 Q2 Q3 Q4 2 从输出电压上看 哪个Q点下最易产生截止失真 哪个Q点下最易产生饱和失真 哪个Q点下Uom最大 3 设计放大电路时 应根据什么选择VCC 例2 3 2 3 1图解法 例2 4 2 空载和带载两种情况下Uom分别为多少 3 在图示电路中 有无可能在空载时输出电压失真 而带上负载后这种失真消除 已知ICQ 2mA UCES 0 7V 1 在空载情况下 当输入信号增大时 电路首先出现饱和失真还是截止失真 若带负载的情况下呢 2 3 1图解法 2 3 2等效电路法 半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化 利用线性元件建立模型 来描述非线性器件的特性 1 晶体管的直流模型及静态工作点的近似估算法 输出端等效为电流控制的电流源 输入端Je用其恒压降模型等效 2 放大电路的微变等效电路分析法 分析的是放大电路在交流小信号作用下的动态性能 1 作交流通路 2 晶体管用低频小信号模型等效 其他电路不变 得到放大电路的微变等效电路 并根据静态分析的结果计算有关参数 rbe 3 根据微变等效电路模型计算交流性能指标 如增益 输入电阻 输出电阻等 分析过程 2 3 2等效电路法 3 共射基本放大电路的等效电路分析法 1 求静态工作点 2 3 2等效电路法 2 动态分析求交流性能指标 求增益 输入电阻 或 2 动态分析求交流性能指标 求输出电阻 输入信号源为0 内阻保留 负载开路 输出端加电压源Uo 基极电流为0 故输出端受控电流源为0 开路 例2 6 2 4 1温度对静态工作点的影响2 4 2射极偏置稳定静态工作点电路分析1 电路组成2 稳定静态工作点原理3 静态工作点的估算4 动态性能指标的计算2 4 3其他形式的稳定静态工作点电路1 集电极 基极偏置电路2 温度补偿偏置电路 本节内容 2 4放大电路静态工作点的稳定 2 4 1温度对静态工作点的影响 Q点影响放大电路的性能 失真 电压增益 输入电阻 输出电压的动态范围等 引起Q点不稳定因数 电源电压波动 电路元件老化 晶体管参数随温度而变化 所谓Q点稳定 是指通过电路自动调节作用 使得ICQ和在温度变化时基本维持不变 这是靠IBQ的变化得来的 T ICQ Q 若温度升高时要Q 回到Q 则只有减小IBQ 2 4 2射极偏置稳定静态工作点电路分析 1 电路组成 两个环节 Rb1和Rb2构成分压电路固定基极电位 Re实现的UBE自动调节作用 2 稳定静态工作点的原理 2 4 2射极偏置稳定静态工作点电路分析 3 静态工作点的估算 若 则 2 4 2射极偏置稳定静态工作点电路分析 4 动态性能指标的计算 例2 7 带旁路电容的射极偏置电路 输入电阻比无旁路电容时小 增益比无旁路电容时大 但温度稳定性变差 静态工作点不变 利 弊 2 4 3其他形式稳定静态工作点电路 1 集电极 基极偏置电路 2 4 3其他形式稳定静态工作点电路 2 温度补偿偏置电路 1 热敏电阻补偿电路 引入直流负反馈温度补偿 利用对温度敏感的元件 在温度变化时直接影响输入回路 例如 Rb1或Rb2采用热敏电阻 Rb1应具有负温度系数 Rb2应具有正温度系数 2 4 3其他形式稳定静态工作点电路 2 温度补偿偏置电路 2 二极管补偿电路 2 5 1共集 CC 基本放大电路1 静态分析 求静态工