07-zch03、三极管及放大电路9.ppt

模拟电子技术基础 电子教案V1 0 陈大钦主编 华中科技大学电信系 3半导体三极管及其放大电路基础 3 1半导体三极管 3 2共发射极放大电路 3 3放大电路的基本分析方法 3 4放大电路静态工作点的稳定问题 3半导体三极管及其放大电路基础 3 5共集电极放大电路和共基极放大电路 3 6放大电路的频率响应 3 3 1半导体三极管 3 1 1三极管的结构 3 1 2三极管的工作原理 3 1 3三极管的伏安特性曲线 3 1 4三极管的主要参数 图3 1 1几种三极管的外形 4 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型 图1 3 2三极管的结构 a 平面型 NPN b 合金型 PNP e发射极 b基极 c集电极 3 1 1三极管的结构 5 平面型 NPN 三极管制作工艺 在N型硅片 集电区 氧化膜上刻一个窗口 将硼杂质进行扩散形成P型 基区 再在P型区上刻窗口 将磷杂质进行扩散形成N型的发射区 引出三个电极即可 合金型三极管制作工艺 在N型锗片 基区 两边各置一个铟球 加温铟被熔化并与N型锗接触 冷却后形成两个P型区 集电区接触面大 发射区掺杂浓度高 6 图3 1 3PNP三极管的结构和符号 PNP三极管 3 1 1三极管的结构 图3 1 2NPN三极管的结构和符号 NPN三极管 7 Jc反偏 3 1 1三极管的结构 发射极Emitter 集电极Collector 基极Base 1 结构和符号 发射结 Je 集电结 Jc 发射载流子 电子 收集载流子 电子 复合部分电子控制传送比例 由结构展开联想 2 工作原理 3 实现条件 Je正偏 8 以NPN型三极管为例讨论 图3 1 2 2三极管中的两个PN结 三极管若实现放大 必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证 不具备放大作用 3 1半导体三极管 3 1 2三极管的工作原理 9 三极管内部结构要求 1 发射区高掺杂 2 基区做得很薄 通常只有几微米到几十微米 而且掺杂较少 三极管放大的外部条件 外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态 而集电结处于反向偏置状态 3 集电结面积大 3 1 2三极管的工作原理 10 1 三极管内部载流子的传输过程 3 1 2三极管的工作原理 3 1半导体三极管 2 三极管的电流分配关系 2 共发射极组态的电流传输关系 BJT的三种连接方式 或称为三种组态 1 共基极组态的电流传输关系 1 发射区向基区注入载流子 2 载流子在基区扩散与复合 3 集电区收集载流子ICN 内部载流子的传输过程 放大作用 11 1 三极管内部载流子的传输过程 3 1 2三极管的工作原理 图3 1 4三极管内部载流子的传输过程 发射结加正偏电压 集电结加反偏电压 1 发射区向基区注入载流子 2 载流子在基区扩散与复合 3 集电区收集载流子ICN 注意 少数载流子的漂移运动ICBO 12 1 三极管内部载流子的传输过程 3 1 2三极管的工作原理 iB 放大作用 原理 分析的关键 iC与 iE的关系 是通过载流子传输体现出来的本质 电流分配关系外部条件 发射结正偏 集电结反偏 三极管的放大作用 实现信号传递 vBE iE放大 13 a 共基极 b 共发射极 c 共集电极 图3 1 5BJT的三种连接方式 或称为三种组态 注意 无论是哪种连接方式 要使三极管有放大作用 都必须保证发射结正偏 集电结反偏 则三极管内部载流子的运动和分配过程 以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化 电流传输关系 输出端电流与输入端电流之间的关系 2 三极管的电流分配关系 3 1 2三极管的工作原理 如何判断组态 14 2 三极管的电流分配关系 3 1 2三极管的工作原理 即IE与IC的关系 根据传输过程可知 注意到 电流分配的比例仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关 定义共基极直流电流放大系数为 通常IC ICBO 硅 0 1 A锗 10 A 显然 1 一般在0 9 0 99之间 1 共基极组态的电流传输关系 15 共基放大的数量关系 vI 20mV iE 1mA iB 图3 1 5共基极放大电路 0 98 vO 0 98V 16 问题 1 如何保证 发射结正偏 VBE VBB VBC VBE VCE 0 问题 2 信号通路 与共基有何区别 集电结反偏 或VCE VBE 但希望 Ri vI iB 1k 2 三极管的电流分配关系 2 共发射极组态的电流传输关系 17 IC与IB的关系 由 的定义 即IC IE ICBO IB IC ICBO 整理可得 令 是共射极电流放大系数 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关 与外加电压无关 一般 1 10 100 ICBO硅 0 1 A锗 10 A 2 共发射极组态的电流传输关系 18 综上所述 三极管的放大作用 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输 然后到达集电极而实现的 实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 3 1 2三极管的工作原理 19 3 1 1三极管的结构 3 1 2三极管的工作原理 3 1 3三极管的伏安特性曲线 3 1 4三极管的主要参数 图3 1 1几种三极管的外形 3 1半导体三极管 20 图3 1 7共射极连接时的输入特性曲线 1 共发射极连接时的特性曲线 1 输入特性曲线 3 1 3三极管的伏安特性曲线 3 1半导体三极管 图3 1 6共发射极连接 图3 1 8共射极连接时的输出特性曲线 2 输出特性曲线 21 图3 1 7共射极连接时的输入特性曲线 1 输入特性曲线 1 共发射极连接时的特性曲线 3 1 3三极管的伏安特性曲线 图3 1 6共发射极连接 现象 曲线右移 vCE 1V 右移很小 22 图3 1 8共射极连接时的输出特性曲线 1 共发射极连接时的特性曲线 2 输出特性曲线 3 1 3三极管的伏安特性曲线 图3 1 6共发射极连接 输出特性曲线的三个区域 放大区 iC平行于vCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 饱和区 iC明显受vCE控制的区域 vCE 0 7V 硅 发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 截止区 iC接近零的区域 iB 0的曲线下方 此时 vBE小于死区电压 发射结反偏 23 图3 1 8共射极连接时的输出特性曲线 1 共发射极连接时的特性曲线 2 输出特性曲线 3 1 3三极管的伏安特性曲线 图3 1 6共发射极连接 输出特性曲线的三个区域 放大区 iC平行于vCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 饱和区 iC明显受vCE控制的区域 vCE 0 7V 硅 发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 截止区 iC接近零的区域 iB 0的曲线下方 此时 vBE小于死区电压 发射结反偏 24 例3 1 4现已测得某电路中几只晶体管三个电极的直流电位如表所示 各晶体管b e间开启电压均为0 5V 试分别说明各管子的工作状态 解 25 1 发射结正偏 集电结反偏 晶体管工作在放大区 2 发射结正偏 集电结正偏 晶体管工作在饱和区 3 发射结反偏 集电结反偏 晶体管工作在截止区 1 对于NPN管 当UB UE 且UB UE 0 5V UC UB时 晶体管处于放大区 当UB UE UB UC时 晶体管处于饱和区 放大 饱和 放大 截止 当UBUE UB UC时 晶体管处于截止区 26 2 对于PNP管 当UB UE 且UB UE 0 5V UC UB时 晶体管处于放大区 当UB UE UB UC时 晶体管处于饱和区 当UBUE UB UC时 晶体管处于截止区 27 3 1 4三极管的主要参数 3 1半导体三极管 交流参数 直流参数 极限参数 结电容Cb c Cb e 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压 极间反向电流ICBO ICEO 交流电流放大系数 特征频率fT 28 1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB 1 电流放大系数 2 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 3 1 4BJT的主要参数 在放大区且当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 29 2 极间反向电流 1 集电极基极间反向饱和电流ICBOO 发射极 开路 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO 3 1 4BJT的主要参数 30 3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM iCvCE 3 反向击穿电压V BR CEO V BR EBO V BR CBO V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 3 1 4BJT的主要参数 31 3 1 1三极管的结构 3 1 2三极管的工作原理 3 1 3三极管的伏安特性曲线 3 1 4三极管的主要参数 图3 1 1几种三极管的外形 3 1半导体三极管 32 3 2共发射极放大电路 3 2 1共射极放大电路的组成 3 2 2放大电路的两种工作状态 1 静态 2 动态 33 3 2 1共射极放大电路的组成 1 电路组成 三极管T 核心 电流分配 放大作用 Je正偏 Jc反偏 3 习惯画法 2 工作原理 vi接入问题 串入Je回路 直接连接 电容连接 Cb1 Cb2 隔离直流 传送交流 固定偏流 接地零电位点 34 耦合方式 阻容耦合 变压器耦合 直接耦合 直接耦合 阻容耦合 负电源 习题3 5 5 3 2 1共射极放大电路的组成 3 2共发射极放大电路 1 电路组成 35 2 工作原理 vi 0 vi Vimsin t 既有直流 又有交流 动态 静态 分析思路 先静态 后动态 放大电路为什么要建立正确的静态 确定静态工作点Q IBQ ICQ VCEQ 确定性能指标 AV Ri Ro等 叠加原理 36 工作点合适 放大电路为什么要建立正确的静态 合适的静态工作点 保证Je正偏 Jc反偏 保证有较大的线性工作范围 2 工作原理 37 3 习惯画法 3 2 1共射极放大电路的组成 图3 2 1共射极放大电路 图3 2 2共射极放大电路习惯画法 小结 放大电路组成原则 合适的静态工作点 Je正偏Jc反偏 正确的耦合方式 38 思考题 1 下列a f电路哪些具有放大作用 39 3 2 2放大电路的两种工作状态 3 2共发射极放大电路 图3 2 2共射极放大电路习惯画法 1 静态 2 动态 图3 2 4基本共射极放大电路的波形图 当vi 0时 放大电路处于静态或直流工作状态 静态工作点Q 当有正弦输入信号时 电路将处在动态工作情况 静态分析 求解VCC作用的分量 动态分析 求解vi作用的分量 40 3 2 2放大电路的两种工作状态 图3 2 3图3 2 2电路的直流通路 图3 2 2共射极放大电路习惯画法 图3 2 1共射极放大电路 图3 2 5图3 2 2电路的交流通路 叠加原理 41 1 静态 近似计算法求静态工作点Q 1 画出直流通路 标出各支路电流 根据Je正偏 即由基极 发射极回路 假设三极管处于放大状态 由电流分配关系 ICQ IBQ 根据Jc反偏 即由集电极 发射极回路 VCEQ VCC ICQRC 3 2 2放大电路的两种工作状态 图3 2 2共射极放大电路习惯画法 图3 2 3图3 2 2电路的直流通路 2 求解IBQ VBEQ ICQ VCEQ VCC ICQRc VCEQ VCC IBQRb VBEQ 由二极管恒压降模型 近似 硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V ICQ IBQ 42 3 2 2放大电路的两种工作状态 3 2共发射极放大电路 图3 2 2共射极放大电路习惯画法 2 动态 3 2 5图3 2 2电路的交流通路 画交流通路的原则是 1 隔直电容可视为短路 2 直流电压源内阻很小可视为短路 直流电流源内阻很大可视为开路 放大电路的动态分析方法有 1 图解法 2 微变等效电路法 43 例题1 共射极放大电路 已知 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V VCES 0 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 解 1 BJT工作在放大区 44 例题1 共射极放大电路 已知 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V VCES 0 求 2 当Rb 100k时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 解 2 VCE最小值也只能为0 所以BJT工作在饱和区 Q 120uA 6mA 0V 45 例题2 清华习题 2 6电路如图P2 6所示 已知晶体管 50 在下列情况下 用直流电压表测晶体管的集电极电位 应分别为多少 设VCC 12V 晶体管饱和管压降UCES 0 5V 1 正常情况 2 Rb1短路 3 Rb1开路 4 Rb2开路 5 RC短路 解 设UBE 0 7V 则 1 UBE 0V T截止 UC 12V 2 由于IB IBS 故T饱和 UC UCES 0 5V 3 T截止 UC 12V UC VCC 12V 4 5 46 3 3放大电路的基本分析方法 3 3 1图解法 3 3 2微变等效电路法 是将放大电路中的三极管用线性模型代替 即将三极管组成的放大电路线性化 然后采用求解线性电路的方法分析计算 在三极管的伏安特性曲线上 通过作图对放大电路的静态及动态进行分析 47 3 3 1图解法 图3 3 1共射极放大电路原理图 三极管非线性部分 3 2共发射极放大电路 在三极管的伏安特性曲线上 通过作图对放大电路的静态及动态进行分析 图解法分析思路 将电路分成三部分 输入回路线性部分 输出回路线性部分 输入回路求解vBE iB 输出回路求解iC vCE 输入回路线性部分 直线 三极管输入特性 非线性 输出回路线性部分 直线 三极管输出特性 非线性 交点 交点 48 1 静态工作点的图解分析 3 3 1图解法 分析步骤 1 vi 0 短路 Cb1 Cb2开路 被充电 2 把电路分为线性和非线性 3 写出线性部分直线方程 直流通路 输入回路 Je 方程 输出回路 Jc 方程 vBE VCC iBRb vCE VCC iCRc 直流负载线 4 作图 画直线 与BJT特性曲线的交点为Q点 VCb1 VBEQ VCb2 VCEQ 49 作图过程 在输入特性曲线上 作出直线 vBE VBB iBRb 在输出特性曲线上 作出直流负载线 vCE VCC iCRc 即 与特性曲线的交点即为Q点 IBQ VBEQ ICQ VCEQ 1 静态工作点的图解分析 3 3 1图解法 50 2 图解法动态分析 输入特性 输出特性 暂令RL 开路 输入回路 vBE VCb1 vi VBEQ vi 分析思路 设 C 电容电压不能突变 3 3 1图解法 51 2 图解法动态分析 作图过程 可得如下结论 Q点沿负载线上下移动 Q点沿输入特性上下移动 2 vo与vi相位相反 反相电压放大器 3 可以测量出放大电路的电压放大倍数 4 可以确定最大不失真输出幅度 3 3 1图解法 52 2 图解法动态分析 作图过程 几个问题 Q点沿负载线上下移动 Q点沿输入特性上下移动 几个重要概念 1 静态工作点Q的位置 非线性失真 2 最大不失真输出幅度 线性范围 动态范围 3 接入负载对放大有无影响 4 能否使用叠加原理 如何使用 3 3 1图解法 53 2 动态工作情况的图解分析 3 3 1图解法 交流负载线有两个特点 图3 3 3交流通路 它必然通过静态工作点Q 其斜率为 1 R L 由交流通路可得 所以交流负载线方程为 iC 0时vCE VCEQ ICQR L 54 图3 3 3动态工作情况的图解分析 2 动态工作情况的图解分析 3 3 1图解法 2 根据iB的变化在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形 注意 动态时工作点移动的轨迹是交流负载线 3 电压增益的确定 55 3 波形非线性失真的图解分析 3 3 1图解法 56 非线性失真与线性范围 饱和失真 截止失真 当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真 NPN管 输出电压为底部失真 当工作点达到了截止区而引起的非线性失真 NPN管 输出电压为顶部失真 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 vCE VCES 典型值为0 3V 截止区特点 iB 0 iC ICEO 注意 对于PNP管 失真的表现形式 与NPN管正好相反 发射结正偏集电结正偏 发射结反偏 3 3 1图解法 3 波形非线性失真的图解分析 57 因三极管饱和而产生的失真称为饱和失真 3 波形非线性失真的图解分析 3 3 1图解法 线性范围 用最大不失真输出幅度Vom来衡量 Q点偏高 易出现饱和失真 Vom为Q点到饱和区边沿的距离 58 因三极管截止而产生的失真称为截止失真 3 3 1图解法 3 波形非线性失真的图解分析 线性范围 用最大不失真输出幅度Vom来衡量 Q点偏高 易出现饱和失真 Vom为Q点到饱和区边沿的距离 Q点偏低 易出现截止失真 Vom为Q点到截止区边沿的距离 59 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 要求 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 要有合适的交流负载线 3 波形非线性失真的图解分析 3 3 1图解法 60 非线性失真与线性范围 饱和失真 截止失真 当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真 NPN管 输出电压为底部失真 当工作点达到了截止区而引起的非线性失真 NPN管 输出电压为顶部失真 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 vCE VCES 典型值为0 3V 截止区特点 iB 0 iC ICEO 注意 对于PNP管 失真的表现形式 与NPN管正好相反 发射结正偏集电结正偏 发射结反偏 3 3 1图解法 3 波形非线性失真的图解分析 61 叠加原理 vBE VBEQ vi iB IBQ ib iC ICQ ic vCE VCEQ vce VCC作用的分量 vi作用的分量 叠加原理使用条件 小信号 输入特性 范围小 输出特性 不超出放大区 否则 非线性失真 62 4 图解分析法的适用范围 图解法特点 直观 形象反映三极管放大电路的交流和直流信号共存现象 输入信号幅值较大时 观察截止失真和饱和失真的现象 合理设置静态工作点的位置确定输出电压的最大动态范围 工作频率较高时不适用由于三极管的特性曲线只反映了信号频率较低时的电压与电流的关系 因此不能用于分析工作频率较高时的电路工作状态 3 3 1图解法 63 3 3 2微变等效电路法 1 三极管的H参数及微变等效模型 2 用H参数等效模型分析共射极放大电路 1 H参数的引出 2 H参数小信号模型 3 模型的简化 4 H参数的确定 利用直流通路求Q点 画小信号等效电路 求放大电路动态指标 3 2共发射极放大电路 64 1 三极管的H参数及微变等效模型 建立小信号模型的依据 小信号 微变 图解 基本满足叠加原理 输入特性 工作点在Q附近移动范围小 切线代替曲线 输出特性 不超出放大区 不产生非线性失真 双口有源网络的H参数模型 v1 h11i1 h12v2 i2 h21i1 h22v2 65 1 H参数的引出 已知端口瞬时值之间的关系 即输入输出特性曲线 如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 欲求变化量之间的关系 则对上两式取全微分得 在小信号 线性 条件下 vbe hieib hrevce ic hfeib hoevce dvBE vBE vbe 1 三极管的H参数及微变等效模型 66 h参数的物理意义及图解方法 输出端交流短路时的输入电阻 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数 输入端交流开路时的反向电压传输比 输入端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 rbe rce ur vbe hieib hrevce ic hfeib hoevce 67 2 H参数小信号模型 一般采用习惯符号 即rbe hie hfeur hrerce 1 hoe 1 三极管的H参数及微变等效模型 68 3 模型的简化 ur很小 一般为10 3 10 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 1 三极管的H参数及微变等效模型 69 4 H参数的确定 测试仪 给定 rbe与Q点有关 公式估算 rbe rb 1 re 其中 rb 200 低频小功率管 则 1 三极管的H参数及微变等效模型 注 PNP型管与NPN型管的等效模型相同 70 2 用H参数等效模型分析共射极放大电路 3 3 2微变等效电路法 a 原理图图3 3 12共射极放大电路 以图3 3 12a所示共射极放大电路为例 具体步骤如下 1 画放大电路的微变等效电路 并确定H参数 2 计算电压增益 3 计算输入电阻Ri 4 计算输出电阻Ro 71 1 画出小信号等效电路 共射极放大电路 H参数小信号等效电路 2 用H参数等效模型分析共射极放大电路 72 根据 则电压增益为 可作为公式 2 求电压增益 共射极放大电路 2 用H参数等效模型分析共射极放大电路 73 3 求输入电阻 共射极放大电路 2 用H参数等效模型分析共射极放大电路 74 共射极放大电路 令 2 用H参数等效模型分析共射极放大电路 4 求输出电阻 75 适用范围微变等效电路分析方法适用于三极管放大电路动态性能指标的计算 即电压增益 输入电阻Ri和输出电阻Ro 当输入电压幅度较小 三极管工作在线性范围 可用微变等效电路来分析 特别是对于比较复杂电路的计算非常方便 当输入电压幅度较大 并且三极管工作在非线性范围时 需要采用图解法 注意事项在等效电路中 电压 电流均是交流量 因此 不能用于分析直流静态工作情况 但H参数值的获得是在静态工作点上进行的 所以 放大电路的动态性能与静态工作点的设置有密切的联系 3 微变等效电路的适用范围 3 3 2微变等效电路法 76 电路如图所示 试画出其小信号等效模型电路 例题2 77 例题3 直接耦合 共射 负电源 vi 习题3 5 5 静态分析 动态分析 78 例题 放大电路如下图所示 估算Q点 射极偏置电路 固定偏流电路 分压式射极偏置电路 集电极 基极偏置电路 共射 79 例1 放大电路如下图所示 估算Q点 射极偏置 固定偏流 Je回路KVL方程 解 即 Jc回路KVL方程 直流负载线 T放大 80 例1 放大电路如下图所示 估算Q点 解 对Je回路 有 方法一 方法二 从b极向左侧求戴维南等效电路 则Je回路KVL方程 81 例1 放大电路如下图所示 估算Q点 解 Je回路KVL方程 Jc回路KVL方程 直流负载线 T放大 小结 近似估算法求Q点 T放大的基本条件 Je正偏 Jc反偏 3个方程解3个变量 IBQ ICQ VCEQ 关键方程 Je回路KVL方程 82 3 4放大电路静态工作点的稳定问题 3 4 1温度对静态工作点的影响 3 4 2射极偏置电路 83 温度T 少子浓度 IC ICBO ICEO IC IB 1 ICBO IB VBE 载流子运动加剧 发射相同数量载流子所需电压 输入特性曲线左移 载流子运动加剧 多子穿过基区的速度加快 复合减少 IC IB 输出特性曲线上移 输出特性曲线族间隔加宽 3 4 1温度对工作点的影响 Q点上移 rbe AV 84 3 4 2射极偏置电路 1 稳定工作点原理目标 温度变化时 使IC维持恒定 射极偏置电路 固定偏流电路 分压式射极偏置电路 只能单向设置 具有检测Q点位置 并自动调整的功能 T IC IE IC VE IERe IB 反馈控制 85 分压式射极偏置电路 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现静态工作点的稳定 T IC IE IC VE VBE 利用 稳定Q思路 则可实现如下自动调整过程 I1 IB VB VBE 求Q点方法三 86 2 放大电路指标分析 3 4 2射极偏置电路 确定静态工作点 Je回路KVL方程 一般采用方法三 画小信号等效电路 并确定模型参数 87 2 放大电路指标分析 3 4 2射极偏置电路 输出回路 输入回路 电压增益 电压增益 1 Re rbe 1 若 输入电阻 输出电阻 88 输入电阻 2 放大电路指标分析 3 4 2射极偏置电路 证明如下 从b极看e极的电阻 要扩大 1 倍 那从e极看b极的电阻 要 输出电阻 89 2 放大电路指标分析 输出电阻 输出电阻 求输出电阻的等效电路 网络内独立源置零 负载开路 输出端口加测试电压 求R o 可对回路1和2列KVL方程 rce对分析过程影响很大 此处不能忽略 其中 则 当 时 90 3 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路 3 5 2射极偏置电路 91 3 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 固定偏流共射极放大电路 Ro Rc 射极偏置电路做如何改进 既可以使其具有温度稳定性 又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标 92 93 1 3 4 2射极偏置电路 94 3 5共集电极放大电路和共基极放大电路 3 5 1共集电极放大电路 3 5 2共基极放大电路 3 5 3放大电路三种组态的比较 95 3 5 1共集电极放大电路 1 电路分析 结构特点 也称为射极输出器 求静态工作点 特点 射极偏置电路 96 1 电路分析 结构特点 也称为射极输出器 求静态工作点 画小信号等效电路 3 5 1共集电极放大电路 特点 射极偏置电路 97 电压增益 1 电路分析 3 5 1共集电极电路 一般有 即 电压跟随器 射极输出器 其中 输入电阻 Ri大 输出电阻 Ro小 98 输出电阻 1 电路分析 3 5 1共集电极电路 证明如下 电路变换 对e极列KCL方程 将各支路关系代入 证毕 99 3 5 2共基极电路 结构特点 1 静态工作点 直流通路与分压式射极偏置电路相同 100 画小信号等效电路 3 5 2共基极电路 2 动态指标 101 2 动态指标 电压增益 输出回路 输入回路 输入电阻 3 5 2共基极电路 输出电阻 102 2 动态指标 3 5 2共基极电路 输入电阻 输出电阻 共基极电路的输入电阻很小 最适合用来放大何种信号源的信号 103 3 5 3放大电路三种组态的比较 3 5共集电极放大电路和共基极放大电路 共射极放大电路对输入电压和电流都有放大作用 但输出电压与输入电压反相位 输入电阻在三种组态中居中 输出电阻较大 常用作多级放大电路的中间级 共集电极放大电路有电流放大和功率放大作用 在三种组态中 输入电阻最大 输出电阻最小 常用于放大电路的输入级 输出级 由于有电压跟随作用 也做缓冲器 共基极放大电路有电压放大作用和电流跟随作用 输入电阻小 输出电阻与共射极电路相当 104 3 5 3放大电路三种组态的比较 共射极电路 共集电极电路 共基极电路 vo与vi反相 vo与vi同相 vo与vi同相 多级放大电路的中间级 输入级 中间级 输出级 高频或宽频带电路及恒流源电路 105 例3 4 1 陈 已知VCC 15V Rb1 30k Rb2 10k Rc 5k RL 5k Rs 500 三极管的 100 VBEQ 0 7V rbb 200 rce 200k 设电容对交流信号可视为短路 1 估算静态工作点 2 求没有接Ce时放大电路的动态性能指标 3 若Re两端并接电容Ce 求动态指标 解 1 计算Q点 因为 1 Re 10 Rb1 Rb2 I1 IBQ 106 例3 4 1 陈 2 求动态指标 解 107 电路如图3 5 4所示 已知三极管的 100 rbe 2 06k 试求该电路的动态指标 例3 5 1 陈 108 已知图示放大电路中三极管的 60 rbe 3k 1 若电容C3断开 求Ri 2 接上C3后 求Ri 分析举例 109 60 rbe 3k 分析举例 2 接上C3后 求Ri 1 若电容C3断开 求Ri 110 3 6放大电路的频率响应 3 6 1三极管高频小信号模型 3 6 2单级放大电路的频率响应 复习频率响应的基本概念 1 3单时间常数的RC电路 实际的信号大多是含有许多频率成分的复杂信号 其频率范围称为信号带宽 111 复习频率响应的基本概念 1 为什么要研究频率响应 2 频率响应的分析任务 3 AV随f变化的原因 原因1 实测表明Av是f的函数 对不同频率信号的放大程度不同 原因2 信号有多个频率成分 若放大程度不同 会产生频率失真 1 频率响应表达式 3 确定带宽BW 上限频率fH 下限频率fL 放大电路中有电容 电感等电抗元件 其阻抗随f变化而变化 2 画出对数频率响应曲线 112 1 为什么要研究频率响应 高频区 中频区 低频区 原因1 实测表明Av是f的函数 对不同频率信号的放大程度不同 原因2 信号有多个频率成分 若放大程度不同 会产生 频率失真 线性失真 幅度失真 相位失真 2 频率响应的分析任务 1 频率响应表达式 3 带宽BW 上限频率fH 下限频率fL 2 画出对数频率响应曲线 113 幅度失真 相位失真 线性失真 频率失真 114 3 AV随f变化的原因 放大电路中有电容 电感等电抗元件 其阻抗随f变化而变化 前面的分析中 隔直电容处理为 直流开路 交流短路 计算电容的电抗 C1 20 F f 100HzXc1与rbe 863 不能短路 f 100HzXc1 rbe 863 可以短路 f Xc1 Ib AV 分析方法 思路 Rb rbe 115 1 3单时间常数的RC电路 1 3 1时间常数 的估算 如何快速求出RC电路的时间常数 1 3 2单时间常数RC电路的频率响应 图1 3 4RC低通电路 图1 3 6RC高通电路 求频率响应表达式 确定上限频率fH或下限频率fL 画出对数频率响应曲线 波特图 频率响应分析任务 116 1 3 2单时间常数RC电路的频率响应 频率响应表达式 1 RC高通电路的频率响应 幅频响应 相频响应 先求增益的传递函数 一阶 则 令 再令 变换到频域 特征频率 时间常数对应的频率 117 画出对数频率响应曲线 波特图 1 RC高通电路的频率响应 最大误差 3dB 水平线 斜率为20dB 十倍频程的直线 近似讨论 118 1 RC高通电路的频率响应 画出对数频率响应曲线 表示输出与输入的相位差 低频时 输出超前输入 因为 所以 近似讨论 确定上限频率fH 下限频率fL 带宽BW 特征频率 时间常数 119 2 RC低通电路的频率响应 3 7 1单时间常数RC电路的频率响应 传函 频率响应表达式 幅频响应 相频响应 特征频率 120 2 RC低通电路的频率响应 波特图 121 分析举例 习题3 4 2 分析过程 求频响表达式 确定fH fL BW 画波特图 求静态工作点 画小信号等效电路 保留电容 电路变换过程 a Rb rbe开路 50 122 求频响表达式 分析举例 习题3 4 2 123 更精确的关系 确定fH fL BW 画波特图 分析举例 习题3 4 2 124 3 6 1三极管高频小信号模型 3 6放大电路的频率响应 在3 3节中根据三极管的特性方程导出了H参数小信号模型 但没有考虑三极管极间电容的影响 混合 型小信号模型是从三极管内部各PN结的电容和电阻的物理模型出发推导出的模拟电路 其参数在很宽的频率范围与频率无关 所以 它适用于在较宽频率范围内分析放大电路低 中 高各频率区的放大性能 当信号频率 应考虑极间电容的影响 125 1 模型的引出 3 6 1三极管高频小信号模型 b 点是基区内的一个等效点 是为了分析方便引出来的 rbb 为基区体电阻 re 为发射区体电阻 rc 为集电区体电阻 都很小 可忽略 图3 6 2混合参数 型等效电路 rb e为发射结电阻 rb c为集电结电阻 Jc反偏 很大 开路 当信号频率 应考虑极间电容的影响 Cb e为发射结电容 Cb c为集电结电容 a 结构示意图 均很小0 1pF 几十pF 126 1 模型的引出 3 6 1三极管高频小信号模型 图3 6 2混合参数 型等效电路 a 结构示意图 受控电流源 在高频区 由于电容Cb e和Cb c的影响 不仅包含流过rb e和rb c的电流 还包括流过结电容Cb e和Cb c的电流 此时受控电流不再与成正比 而是与基 射极之间的结电压成正比 故用跨导gm来表示它们的控制关系 rce仍然表示三极管的输出电阻 127 1 模型的引出 3 6 1三极管高频小信号模型 图3 6 3简化混合 型等效电路 模型的简化 高频时 rb c 1 Cb c 可近似开路 一般有rce RL和RC 因此rce也可忽略 图3 6 2混合参数 型等效电路 128 2 模型中参数的获得 3 6 1三极管高频小信号模型 图3 6 3简化混合 型等效电路 发射结电阻rb e 发射结电容Cb e 集电结电容Cb c 基区体电阻rbb 跨导gm 查器件手册Cob fT 特征频率 查手册 低频时 电容开路 2个模型等效 图3 6 4两个等效模型的比较 129 3 三极管的频率参数 3 6 1三极管高频小信号模型 图3 6 5计算的等效电路 的频率响应 考虑到Cb c约在2 10pF范围内 在讨论的频率范围一般有gm Cb c 图3 6 3简化混合 型等效电路 由H参数定义 130 3 三极管的频率参数 3 6 1三极管高频小信号模型 共射极截止频率f 图3 6 6的波特图 的频率响应 特征频率fT 共射极截止频率f 就是频响的上限频率 当的幅值下降到0dB时对应的频率 此时 低通特性 共基极截止频率f 131 3 6 2单级放大电路的频率响应 3 6放大电路的频率响应 图3 6 12 例3 6 1 的放大电路图 1 中频源电压增益 分析方法及特点 2 低频区的频率响应和下限频率fL 3 高频区的频率响应和上限频率fH 4 完整的波特图 5 频率响应的改善和增益带宽积 132 分析方法及特点 3 6 2单级放大电路的频率响应 图3 6 12 例3 6 1 的放大电路图 一般将输入信号的频率范围分为中频 低频和高频三个频段 根据各频段的特点对图3 6 7b所示等效电路进行简化 从而得到各频段的放大倍数 晶体管用简化的混合 型模型 分析方法仍为 微变等效电路 法 保留所有的电容 耦合电容Cb1 Cb2一般为几十 F 三极管极间电容Cb e和Cb c一般只有几pF 几十pF 一般情况下有 问题 所有电容一起分析 特点 采用分频段的方法 133 例3 6 1 陈 已知 0 50 rbb 100 Cb c 4pF fT 400MHz 试估算中频源电压增益 fH和fL 并画出波特图 求解Q点 分析过程 图3 6 12 例3 6 1 的放大电路图 画小信号等效电路 保留电容 问题 所有电容一起分析 134 计算电容的电抗 高频区 高频响应 隔直电容短路 X 0 结电容必须考虑 C fL BW C fH BW 思路 分3个频段进行频响分析 然后再合成 135 1 中频源电压增益 3 6 2单级放大电路的频率响应 极间电容Cb e和Cb c很小 可视为交流开路 有1 Cb c 1 Cb e rb e 耦合电容比较大 可视为交流短路 有1 Cb2 RL 1 Cb1 rbb rb e 136 1 中频源电压增益 3 6 2单级放大电路的频率响应 Rb rbb rb e 可忽略 例3 6 1 陈 137 2 低频区的频率响应和下限频率fL 3 6 2单级放大电路的频率响应 图3 6 7单级共射放大电路及其等效电路 极间电容的容抗 仍视为交流开路 信号频率f 电容的容抗 耦合电容的容抗 使信号在电容上的压降也增大 不能视为交流短路 图3 6 11单级共射电路的低频等效电路 b 输出回路的等效变换 138 2 低频区的频率响应和下限频率fL 3 6 2单级放大电路的频率响应 图3 6 11单级共射电路的低频等效电路 b 输出回路的等效变换 考虑到一般有 RC RL 5 RS rbe 满足fL1 5fL2 则fL fL1 输入回路 输出回路 Rb rbb rb e 可忽略 开路 诺顿 戴维南 139 2 低频区的频率响应和下限频率fL 3 6 2单级放大电路的频率响应 图3 6 11单级共射电路的低频等效电路 b 输出回路的等效变换 140 例3 6 1 陈 已知 0 50 rbb 100 Cb c 4pF fT 400MHz 试估算中频源电压增益 fH和fL 并画出波特图 显然有fL1 5fL2