半导体三极管及放大电路基础1.ppt

电子技术 第三章半导体三极管 模拟电路部分 第三章半导体三极管及放大电路基础 3 1半导体BJT 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 7多级放大电路 半导体三极管 Transistor 的结构 NPN型三极管的结构与符号 集电区 基区 发射区 发射结E结 集电结C结 PNP型三极管的结构与符号 三极管的电流分配与放大 1 INB INE INC ICBO IE IC IB 三极管的电流放大原理 E结加正偏电压 C结加反偏电压 由图可得各电流之间的关系 IE IC IB 又因为 IC INC ICBO IE INE INB INC IB INB ICBO 定义共发射极直流电流放大系数 所以有 称 穿透电流 它在实际器件中往往很小 则 表明了电流放大性能 三极管的电流分配与放大 2 ib ic 动态电流放大 Ui ib ic 动态电压 定义 共发射极交流电流放大系数 因为 若 则 放大电路物理量的符号说明 放大电路中电压 电流符号说明 由于放大电路中同时存在直流与交流量 因此在对其进行分析时 为了表达明确 特对电压 电流符号作如下规定 以三极管基极电流为例 IB 符号与下标均大写 表示直流分量 Ib 符号大写 下标小写 表示交流分量的有效值 iB 符号小写 下标大写 表示直流与交流的总量瞬时值 即 iB IB ib ib 符号与下标均小写 表示交流分量的瞬时值 三极管的电流分配与放大 3 结论 1 三极管在E结正偏 C结反偏时具有电流放大作用 2 三极管是一个电流控制元件 iC由iB控制 半导体三极管的伏安特性 1 三极管的伏安特性可分为 输入伏安特性 输出伏安特性 由测量结果 可得输入伏安特性曲线 uCE 0 5V uCE 1V 结论 三极管输入特性与二极管相似 半导体三极管的伏安特性 2 由测量结果 可得输出伏安特性曲线 IB 0 20uA 40uA 60uA 80uA 截止区 饱和区 放大区 截止区 iB 0的区域 特点 iB 0 iC 0 等效 条件 E结反偏 饱和区 uCE 1V的区域 特点 uCE uCES 0 iC iB 等效 条件 E结正偏 C结正偏 放大区 特点 iC iB 等效 条件 E结正偏 C结反偏 半导体三极管的伏安特性 3 三极管在不同的控制条件下可工作于三种工作状态 即 放大 截止 饱和状态 结论 半导体三极管的主要参数 共射电流放大系数 共射直流电流放大系数 共射交流电流放大系数 一般在几十 几百之间 极间反向电流 集电极 基极反向饱和电流ICBO 集电极 发射极穿透电流ICEO 受温度影响 硅管ICBO 1uA 锗管约十多uA 极限参数 集电极最大允许电流ICM 集电极 发射极击穿电压U BR CEO 集电极最大允许耗散功率PCM UCE IC ICEO ICM U BR CEO PCM 安全工作区SOA 放大电路基本组态 三极管放大电路有三种形式 共射放大器 共基放大器 共集放大器 以共射放大器为例讲解工作原理 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 输入 输出 参考点 共射极放大电路的组成 1 作用 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点 基极电源与基极电阻 共射极放大电路的组成 2 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 共射极放大电路的组成 3 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 共射极放大电路的组成 4 耦合电容 电解电容 有极性 大小为10 F 50 F 作用 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 共射极放大电路的组成 5 可以省去 采用单电源供电 共射极放大电路的改进 1 共射极放大电路的改进 2 放大电路的组成条件 1 基本放大电路的组成原则 1 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 直流 静态 2 输入 输出信号要有耦合通路 隔离输入输出与电路直流的联系 同时能使交流信号顺利通过 交流 动态 放大电路的组成条件 2 如何判断一个电路是否能实现放大 3 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 1 信号能否输入到放大电路中 2 信号能否从放大电路中输出 与实现放大的条件相对应 判断的过程如下 4 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 共射放大电路的工作原理 1 当ui 0时 称放大电路处于静态 静态工作状态 由于电源的存在IB 0 IC 0 IBQ ICQ IEQ IBQ ICQ 共射放大电路的工作原理 2 ICQ UCEQ IBQ UBEQ IBQ UBEQ 和 ICQ UCEQ 分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点 共射放大电路的工作原理 3 共射放大电路的工作原理 4 当ui 0时 称放大电路处于动态 动态工作状态 IB uCE怎么变化 uCE的变化沿一条直线 uce相位如何 uce与ui反相 共射放大电路的工作原理 5 各点波形 ui t uo 共射放大电路的工作原理 6 共射放大电路的特点 共射放大电路的特点 1 输入 输出信号相位相差180度 2 输入 输出信号均是纯交流信号 信号经共射放大电路传输过程中是交直流混合信号 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流 静态分析 上叠加了小的交流信号 动态分析 叠加定理 交流通路 只考虑交流信号的分电路 直流通路 只考虑直流信号的分电路 放大电路的分析方法 1 信号的不同分量可以分别在不同的通道分析 放大电路的分析方法 2 放大电路的分析方法 3 放大电路分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 放大电路的分析方法 4 静态工作点的分析 1 共射基本放大电路的直流通路 ui 0电容开路 静态工作点的分析 2 共射基本放大电路静态工作点的图解分析 GraphicalAnalysis 对输入回路 由KVL得 则 对输出回路 由KVL得 则 iB uBE 0 IBQ UBEQ Q Q IBQ UCEQ ICQ 直流负载线LoadLine UCC 静态工作点的分析 3 共射基本放大电路静态工作点的估算法 根据三极管的伏安特性 有 根据三极管的电流放大作用 有 对输入回路 由KVL得 对输出回路 由KVL得 静态工作点的估算法举例 解 请注意电路中IB和IC的数量级 已知 UCC 12V RC 4k RB 300k 37 5 静态工作点对放大电路工作的影响 1 放大电路正常放大工作时的图解过程 加入输入信号 引起基极电流变化 引起集电极电流变化 Q Q 放大信号输出 Q点对输出信号有影响吗 静态工作点对放大电路工作的影响 2 Q点过高时放大电路工作过程图解 加入输入信号 引起集电极电流失真 输出放大信号失真 结论 Q点过高使三极管进入饱和区 引起的失真称为饱和失真 也称为底部失真 静态工作点对放大电路工作的影响 3 Q点过低时放大电路工作过程图解 加入输入信号 引起集电极电流失真 输出放大信号失真 结论 Q点过低使三极管进入截止区 引起的失真称为截止失真 也称为顶部失真 Q点在什么位置 放大工作最好 uo 可输出的最大不失真信号 最大不失真电压幅度 Q Q UOM min UOM1UOM2 动态分析之图解法 1 其中 动态分析之图解法 2 IB 交流负载线 直流负载线 动态分析之图解法 3 1 为什么要过Q点做交流负载线 2 如何画斜率为的交流负载线 微变等效电路 1 微变等效电路 2 当输入交流信号变化范围很小时 可认为三极管工作于线性区 此时三极管可用一个线性模型等效 称此线性模型为三极管的微变等效电路 微变等效电路 3 uBE iB iB iC rce很大 一般忽略 r很小 一般忽略 微变等效电路 4 共射放大电路的小信号模型 交流通路 三极管微变等效电路 放大电路的微变等效电路用于计算放大电路的动态参数 AU ri rO 共射基本放大电路动态参数的计算 1 动态参数的计算必需在放大电路的微变等效电路中进行 ii 1 输入电阻ri的计算 根据ri的定义 有 在右图电路中 显然 因为一般有 Rb rbe 所以 共射放大电路的输入电阻较小 往往不能满足电路要求 共射基本放大电路动态参数的计算 2 2 输出电阻rO的计算 根据定义 放大电路的输出电阻即相对于负载的戴维南等效电路的内阻 故可采用外加电压法求解 端口开路 iO 独立源零处理 外加电源 根据定义 有 显然 右图电路中受控电流源电流为零 即ic 0 所以 共射放大电路的输出电路较大 共射基本放大电路动态参数的计算 3 3 电压放大倍数Au As的计算 在图示电路中 有 根据定义 则有 共射放大电路的电压放大倍数可达几十到几百 负号表明输入信号与输出信号相位相反 显然 AU随负载大小而变化 负载开路时 达到最大值 共射基本放大电路动态参数的计算 4 定义对信号源电动势us的电压放大倍数为 显然 在RS 0时 Aus AU 即对于电压放大电路 信号源内阻越小越好 基本放大电路分析举例 1 例 在图示放大电路中 电容C1 C2与C3在信号频率范围内容抗可忽略不计 试求 1 画出直流通路 计算静态工作点Q 2 画出交流通路与微变等效电路 计算动态参数 解 画直流通路 什么是直流通路 基本放大电路分析举例 2 IBQ uBEQ ICQ ICC uCEQ 计算静态工作点Q 什么是静态工作点 根据KVL 有 根据KCL有 由三极管的特性有 1 2 3 4 若对硅管取UBEQ 0 7V 对锗管取UBEQ 0 3V 则可由上述方程组解得 基本放大电路分析举例 3 画交流通路 什么是交流通路 将电容与直流电源短路后的电路就是交流通路 基本放大电路分析举例 4 画微变等效电路 R1 RL R2 RC uO ui 什么是微变等效电路 根据动态参数的定义 有 静态工作点的稳定 为保证放大电路正常工作 必须有合适与稳定的静态工作点 温度变化会导致三极管参数发生变化 温度每升高100C ICBO增大一倍 温度每升高10C UBE减小2 5mV 温度每升高10C 增加0 5 1 在共射基本放大电路中 因为 所以 当温度升高时有 IBQ Q UCEQ ICQ UCC 结论 共射基本放大电路在温度升高时 可能会出现饱和失真 ui 一 静态分析 RE射极直流负反馈电阻 RB2下偏压电阻 分压偏置式放大电路 1 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 1 静态工作点稳定的原理 分压偏置式放大电路 2 2 求静态工作点 算法一 上述四个方程联立 可求出IE 进而 可求出UCE 本算法比较麻烦 通常采用下面介绍的算法二 三 分压偏置式放大电路 3 方框中部分用戴维南定理等效为 进而 可求出IE UCE 算法二 分压偏置式放大电路 4 算法三 分压偏置式放大电路 5 可以认为与温度无关 分压偏置式放大电路 6 例 已知 50 UCC 12V RB1 7 5k RB2 2 5k RC 2k RE 1k 求该电路的静态工作点 算法一 二的结果 算法三的结果 结论 三种算法的结果近似相等 但算法三的计算过程最简单 分压偏置式放大电路分析举例一 分压偏置式放大电路 7 二 动态分析 分压偏置式放大电路 8 缺点 与基本共射电路相比 分压偏置电路的Au大幅下降 如果想使Au不下降 同时温度稳定性好 该怎么办 分压偏置式放大电路 9 增加CE后的交流通路和微变等效电路 分压偏置式放大电路 10 可见 增加CE后 放大倍数大大上升 但输入电阻却减小了 电路该如何进一步改进 分压偏置式放大电路 11 增加CE后 增加CE前 问题2 如果电路如下图所示 如何分析 分压偏置式放大电路举例二 1 静态分析 直流通路 分压偏置式放大电路举例二 2 动态分析 交流通路 分压偏置式放大电路举例二 3 交流通路 微变等效电路 分压偏置式放大电路举例二 4 共集电极放大电路 1 一 静态分析 共集电极放大电路 2 二 动态分析 共集电极放大电路 3 共集电极放大电路 4 1 电压放大倍数 共集电极放大电路 5 1 所以 但是 输出电流Ie增加了 2 输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 结论 共集电极放大电路 6 2 输入电阻 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且取得的信号大 共集电极放大电路 7 3 输出电阻 共集电极放大电路 8 一般 所以 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 所谓带负载能力强 是指当负载变化时 放大倍数基本不变 共集电极放大电路 9 例 已知射极输出器的参数如下 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 UCC 12V 求Au ri和ro 设 RS 1k 求 Aus ri和ro 3 RL 1k 时 求Au 共集电极放大电路举例 1 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V 共集电极放大电路举例 2 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V 1 求Au ri和ro rbe 2 9k RS 0 共集电极放大电路举例 3 2 设 RS 1k 求 Aus ri和ro RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V rbe 2 9k RS 0 共集电极放大电路举例 4 RL 1k 时 3 RL 1k 和 时 求Au RL 时 共集电极放大电路举例 5 比较 空载时 Au 0 995RL 5 6k 时 Au 0 990RL 1k 时 Au 0 967 结论 射极输出器带负载能力强 共集电极放大电路举例 6 1 将射极输出器放在电路的首级 可以提高输入电阻 2 将射极输出器放在电路的末级 可以降低输出电阻 提高带负载能 3 将射极输出器放在电路的两级之间 可以起到电路的匹配作用 共集电极放大电路的应用 共基极放大电路 1 ui 动态分析 共基极放大电路 2 输出电流接近输入电流 故称电流跟随器 三种基本组态的比较 1 共射电路主要应用在多级放大电路的中间级 2 共集电路主要应用在输入 输出或缓冲级 3 共基电路主要应用在高频或宽频电路 多级放大电路的组成与耦合方式 1 MultistageAmplifiers 理想放大器的条件 0 因为任何一个单管放大电路都不可能同时满足上述要求 故必须利用各单管电路的特点构成多级放大电路 作用 获取信号 要求 ri大 电路 共集 MOS管电路 作用 电压放大 要求 AU大 电路 共射 共源电路 作用 带负载能力强 要求 ro小 电路 共集 共漏 功率放大电路 多级放大电路的组成与耦合方式 2 多级放大电路的耦合方式 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合 阻容耦合方式 直接耦合方式 阻容耦合放大电路 1 静态工作点分析 由电路结构可见 前后两个放大电路的Q点相互独立 可按单管电路分别计算 阻容耦合放大电路 2 动态参数分析 1 电压放大倍数AU 其中 结论 1 AU AU1 AU2 AUN 2 各级电压放大倍数可按单管电路计算 注意 后级放大电路的输入电阻是前级放大电路的等效负载 阻容耦合放大电路 3 输入电阻ri 结论 多级放大电路的输入电阻 第一级的输入电阻 输出电阻ro 根据定义 得r0 RC2 ro2 结论 多级放大电路的输出电阻 最后一级的输出电阻 阻容耦合放大电路的特点 1 各级电路Q点相互独立 便于调整 2 由于存在耦合电容 不能放大直流信号和变化缓慢的信号 3 不利于集成化 耦合电容造成 三极管结电容造成 阻容耦合电路缺点 不能放大直流信号 阻容耦合电路的频率特性 直接耦合放大电路特点 1 直接耦合放大电路的优点 1 不存在耦合电容 可放大直流信号和变化缓慢的信号 2 便于集成化 直接耦合方式带来的问题 电平配合问题 零点漂移问题 1 电平配合问题 0 7V 0 7V 导致T1管饱和 前后级Q点相互影响 导致电路不能正常工作 静态输出电平不为零 直接耦合放大电路特点 2 2 电平移动电路 静态工作点移动电路 抬高后级