三极管放大电路基础.ppt

3三极管放大电路基础 晶体二极管 Diode半导体器件的基础 主要特性是单向导通性 二端器件 应用时不易控制 晶体三极管 BipolarJunctionTransistors BJT 三端器件 应用时易于控制 用来实现受控源 它是放大器设计的基础 3三极管放大电路基础 晶体三极管是由两个靠得很近并且背对背排列的PN结 它是由自由电子与空穴作为载流子共同参与导电的 因此晶体三极管也称为双极型晶体管 BipolarJunctionTransistors 简称BJT 3三极管放大电路基础 3 1晶体三极管的物理结构与工作模式3 2晶体管放大模式的工作原理3 3晶体管的实际结构与等效电路模型3 4晶体管的饱和与截止模式3 5晶体管特性的图形表示3 6晶体管电路的直流分析3 7晶体管放大器3 8晶体管的交流小信号等效模型3 9放大器电路的图解分析3 10晶体管放大器的直流偏置3 11单级晶体管放大器电路 3 1 1物理结构与电路符号 3 1三极管的物理结构与工作模式 根据PN结的排列方式不同 晶体三极管NPN型和PNP型两种 NPN型三极管的物理结构和电路符号如图3 1 1所示 图3 1 1NPN型 a 物理结构 b 电路符号 3 1 1物理结构与电路符号 3 1三极管的物理结构与工作模式 PNP型三极管的物理结构和电路符号如图3 1 2所示 图3 1 2PNP型 a 物理结构 b 电路符号 结构特点 基区的宽度很薄 m级 发射区的掺杂浓度远大于基区 集电结的面积大于发射结面积 3 1 2三极管的工作模式 3 1三极管的物理结构与工作模式 依据晶体管的发射结 EBJ 和集电结 CBJ 的偏置情况 晶体管的工作模式如表3 1 1所示 表3 1 1 晶体管的工作模式 3 2晶体管放大模式的工作原理 3 2 1晶体管内部载流子的传递 以NPN为例 偏置电压VBE保证发射结正向偏置 偏置电压VCB保证集电结反向偏置 放大模式时晶体管内部的载流子运动如图3 2 1所示 图3 2 1 3 2晶体管放大模式的工作原理 在发射结处 正偏 由两边的多子通过发射结扩散运动而形成的电流 包括 发射区中的多子 自由电子 通过发射结注入到基区而形成的电子电流基区的多子 空穴 通过发射结注入到发射区而形成的空穴电流 图3 2 1 注意 注入到基区的自由电子边扩散边复合 同时向集电结边界行进 因基区很薄 绝大部分都到达了集电结边界 仅有很小部分被基区中的空穴复合掉 形成电流 在集电结处 反偏 两边的少子通过集电结漂移而形成的 包括 集电区中少子 空穴 漂移而形成的漂移电流基区中少子 自由电子 漂移而形成的漂移电流发射区注入的大量自由电子经集电结被集电区收集而形成的电流 3 2晶体管放大模式的工作原理 说明 发射区为高掺杂浓度 基区为低掺杂的浓度 因此有集电区中因由少数载流子形成的 因此有 图3 2 1 正向受控的电流 发射区中的自由电子通过发射结注入 基区扩散 复合 和集电区收集三个环节将发射区的注入电子转化为集电结电流 成为正向受控的电流 且其大小仅受发射结的正向偏置电压VBE控制 而几乎与集电结反向偏置电压VCB无关 寄生电流 其它载流子运动产生的电流对正向受控作用都是无用的 称为寄生电流 一般情况下 由少子形成的电流可忽略不计 但随着温度升高 本征激发的增强 基区和集电区的少子剧增 则该电流显著增大 3 2晶体管放大模式的工作原理 3 2 2晶体管的各极电流 集电极电流 其中 为反向饱和电流 常温下很小 可忽略不计 但与温度密切相关 温度每升高10度 约增大一倍 因此 集电极的电流主要是 它主要受发射结的正向偏置电压VBE影响 集电极的电流可表示为 其中IS为饱和电流 与基区的宽度成反比 与发射结的面积成正比 也称为比例 刻度 电流 典型范围为 10 12 10 18A 它也与温度有关 温度每升高5度 约增大一倍 3 2晶体管放大模式的工作原理 3 2 2晶体管的各极电流 基极电流 其中 称为共发射极的电流放大系数 反映了基极电流对集电极电流的控制能力 对于给定的晶体管 其 值为常数 一般在50到200之间 但会受温度影响 其中 IB1是由基区注入到发射区的空穴产生的电流 IB2是基区中的空穴与发射区注入的自由电子复合引起的电流 两者均与成比例关系 基极电流也与集电极电流成比例关系 它可表示为 3 2晶体管放大模式的工作原理 3 2 2晶体管的各极电流 发射极电流 其中为共基极电流放大倍数 它反映了发射极电流转化为集电极电流的能力 其值一般小于约等于1 与的关系满足 或者注意 PNP型晶体管的工作原理与NPN型晶体管对应 外部各极电流的大小与NPN型一样 但其实际电流的流向则与NPN型晶体管相反 内部看 外部看 例3 1对于一个NPN型晶体管 当时 求当和时 对应的VBE分别为多少 解 当时 则当时 则 例3 2对某电路中NPN晶体管测量 其基极电流为14 46 A 发射极电流为1 46mA 发射结电压为0 7V 求该条件下的 和 解 因为则有所以因为有则 3 3晶体管的实际结构与等效电路模型 3 3 1晶体管的实际结构 以NPN为例 NPN型晶体管的横截面如图3 3 1所示 结构特点 集电区是包围着发射区的 所以集电结比发射结有更大的结面积 这样使得被注入到薄基区的自由电子很难逃脱被收集的命运 因此 就非常接近于1 非常大 图3 3 1 3 3晶体管的实际结构与等效电路模型 3 3 2晶体管的等效电路模型 在正偏电压VBE及反偏电压VCB作用下 集电极电流为 并且与集电结反偏电压VCB大小无关 相当于一个受VBE控制的压控电流源 等效电路模型如图3 3 2所示 该模型实际上是一个非线性的电压控制电流源 图3 3 1 3 4晶体管的饱和与截止模式 3 4 1晶体管的饱和模式 饱和模式 发射结与集电结电压均为正偏 内部多数载流子 自由电子 的传递如图3 4 1所示 图3 4 1 载流子运动在发射结VBE正偏作用下 多子正向传递 将发射结的IEN1传递到集电结的ICN1 在集电结VBC正偏作用下 多子逆向传递 将集电结的ICN2传递到发射结的IEN2 3 4晶体管的饱和与截止模式 3 4 1晶体管的饱和模式 图3 4 1 发射极与集电极电流 各电流同时受VBE VBC正偏作用控制 不具有正向受控作用 随VBC的增大 ICN2增大 使得IE IC迅速减小 基区复合增加 基极电流IB比放大模式时增大 则有各电流不再满足放大模式下的各电流关系 3 4晶体管的饱和与截止模式 3 4 1晶体管的饱和模式 图3 4 2 饱和模式等效电路模型 如图3 4 2 在饱和模式下 两个结均为正偏 近似用两个饱和导通电压 表示 工程上取值 硅晶体管 则有 大小与掺杂浓度有关 3 4晶体管的饱和与截止模式 3 4 2晶体管的截止模式 图3 4 3 截止模式等效电路模型 如图3 4 3 若忽略反向饱和电流 则各极电流均为零 可用开路表示 截止模式 发射结与集电结电压均为反偏 3 5晶体管特性的图形表示 图3 5 1 伏安特性曲线 用曲线来描述晶体三极管各端的电流与电压关系 以共发射极为例 如图3 5 1 输入特性曲线 是以输出电压为参变量 描述输入端口的输入电流与输入电压之间的关系曲线 即 输出特性曲线 以输入电流 有时也用输入电压 为参变量 描述输出端口的输出电流与输出电压之间的关系曲线 即 3 5晶体管特性的图形表示 图3 5 2 当参变量VCE增大时 曲线向右移动 或者当vBE一定时 iB随VCE的增大而减小 3 5 1输入特性曲线 当VCE为常数时 输入特性曲线是描述输入端口电流iB随端口电压vBE变化的曲线 改变参变量VCE的值 得到一组曲线 如图3 5 2所示 VCE在0 0 3V内变化时 集电结正偏 BJT工作在饱和模式 在vBE一定时 随VCE减小 饱和程度加深 导致iB迅速增大 即曲线向左移动较大 VCE大于0 3V时 集电结反偏 BJT工作在放大模式 iB几乎不随VCE而变化 实际上 iB随VCE增大而略有减小 即曲线向右略有移动 3 5晶体管特性的图形表示 图3 5 3 它分为四个区域 放大区截止区饱和区击穿区 3 5 2输出特性曲线 当iB为常数时 输出特性曲线是描述输出端口电流iC随端口电压vCE变化的曲线 改变参变量iB的值 得到一组曲线 如图3 5 3所示 3 5晶体管特性的图形表示 理想情况 放大区内iC的不随vCE变化而变化的 实际器件 外加电压vCE的变化导致基区的宽度发生变化 该效应称为基区的宽度调制效应 当vCE的增大时 基区中复合减少 和略有增大 曲线略有上翘 放大区 区域 且特点 满足 当iB等量增加时 输出特性曲线也将等间隔地平行上移 3 5晶体管特性的图形表示 集电极电流公式修正为 放大区 参变量由iB变为vBE 并反向延长相交于公共点A上 如图3 5 4所示 对应的电压用表示 VA 称为厄尔利电压 一般情况 图3 5 4 输出电导为 输出电阻为 其中为静态工作电流 3 5晶体管特性的图形表示 当时 晶体管的两个结均为正偏 晶体管工作在饱和模式 随着的减小而迅速减小 截止区 工程上规定以下的区域称为截止区 晶体管工作在截止模式时各极电流均为零 即 工程上规定 作为饱和区与放大区的分界线 饱和区 3 5晶体管特性的图形表示 击穿区 当增大到一定值时 集电结发生反向击穿 导致集电极电流剧增 此现象称为击穿 击穿类型为雪崩击穿 称为击穿电压 3 5晶体管特性的图形表示 图3 5 5 晶体管安全工作区域 极限参数 最大允许集电极电流 最大允许集电极耗散功率 集电极反向击穿电压 3 5晶体管特性的图形表示 图3 5 6 转移特性曲线 是指将输入端口的控制变量转移到输出端口的输出变量上 对于BJT晶体管 即关系 如图3 5 6 当小于0 5V时 电流很小 可以忽略 通常在0 6V 0 8V之间 3 5 3转移特性曲线 工程估算时 一般取 3 6晶体管电路的直流分析 3 6 1分析方法 若 则晶体管工作在截止模式 依据电路情况进一步确定晶体管各极的电压 若 假设晶体管工作在放大模式 则取 计算晶体管的各极电压和电流 依据 中各极的电压判断晶体管的工作状态 若 则晶体管工作在放大模式 假设正确 分析结束 若 则晶体管工作在饱和模式 假设不正确 转入步骤 利用晶体管的饱和模型代入直流电路中晶体管 重新分析晶体管的各极电压和电流 分析方法 NPN型 导通电压 饱和电压 分析目的 分析晶体管的各极电压 确定晶体管的各个结的偏置 进而确定晶体管的工作模式 PNP型 仅将 用分别代替 即可 例3 3在图3 6 1所示的电路中 试分析该电路 确定晶体管各极的电压和电流 假定晶体管的 图3 6 1 解 因为 发射极通过电阻接地 因此 发射结正偏 取 则有 判断 晶体管确实工作在放大模式 假设正确 则上述求得的各极电压 电流即为电路的解 例3 4在图3 6 2所示的电路中 试分析该电路 确定晶体管各极的电压和电流 假定晶体管的 图3 6 2 解 因为 发射极通过电阻接地 因此发射结反偏 晶体管工作在截止模式 则有 例3 5在图3 6 3 a 所示的电路中 试分析该电路 确定晶体管各极的电压和电流 假定晶体管的 图3 6 3 解 因为 假设放大模式 取 则有 判断 因此晶体管工作在饱和模式 采用饱和模型如图 b 所示 注意 以上三个例子的电路一样 但工作模式不一样 例3 6在图3 6 4所示的电路中 试分析该电路 确定晶体管各极的电压和电流 假定晶体管的 图3 6 4 解 假设晶体管工作在放大模式 取 则有 假设正确 判断忽略 例3 7在图3 6 5所示的电路中 试分析该电路 确定晶体管各极的电压和电流 假定晶体管的 图3 6 5 解 因为 发射极通过电阻接正电源 因此 发射结正偏 取 则有 例3 7在图3 6 6 a 所示的电路中 试分析该电路 确定晶体管各极的电压和电流 假定晶体管的 图3 6 6 解 将左边部分等效为戴维南形式 如 b 图所示 其中 可求得 或者 例3 7说明 发射极与基极的电阻可以互相折算 计算基极的电流 将发射极的电阻折算到基极中 其折算方法为乘上系数 即为 计算发射极电流 将基极的电阻折算到发射极中 其折算方法为乘上系数 即为 若足够大 则有 工程估算时方便 放大对象 交流信号的幅度 晶体管工作模式 放大模式 需要直流偏置 处理方式 线性放大 工作点应处在特性曲线的线性区域 实现方法将晶体管偏置在关系曲线上相对比较直线的工作点Q的位置上 对应的电压电流分别为VBEQ ICQ 将要放大的交流信号vbe叠加在直流电压VBEQ上 要求交流信号vbe的幅度足够小 可认为晶体管被约束在特性曲线的一小段几乎是线性的线段上 可以实现线性放大 注意变量符号区别交流量 小写符号小写下标 如直流量 大写符号大写下标 如总瞬时量 小写符号大写下标 如 3 7晶体管放大器 其中 为待放大的交流小信号为晶体管提供直流偏置电压 保证晶体管工作在放大模式 3 7晶体管放大器 3 7 1晶体管放大器的电路 图3 7 1 基本电路 如图3 7 1 直流分析 令得直流通路 如下图所示 则有 直流通路 3 7晶体管放大器 3 7 2集电极电流与跨导 当满足时 则有 集电极的总瞬时电流 基极与发射极之间总瞬时电压 直流与交流叠加 其中 称为跨导 将转化为的能力 它与成正比关系 其单位为西门子 S 交流信号电流 直流偏置电流 3 7晶体管放大器 跨导的图形求解 跨导是在特性曲线上对应的直流工作点Q处的斜率 如图3 7 2 即 则有 如图3 7 2 与直流工作点Q有关 即与直流偏置电流ICQ有关 3 7晶体管放大器 3 7 3基极电流与基极输入阻抗 基极交流信号电流 基极总瞬时电流 基极电流 基极输入阻抗 定义 从基极看进去的基极与发射极之间的交流电阻 记作 其中 基极直流偏置电流 3 7晶体管放大器 3 7 4发射极电流与发射极输入阻抗 发射极直流偏置电流 发射极总瞬时电流 发射极电流 发射极输入阻抗 定义 从发射极看进去的发射极与基极之间的交流电阻 记作 发射极交流信号电流 其中 3 7晶体管放大器 基极输入电阻与发射极输入电阻的关系 基极输入阻抗 发射极输入阻抗 因为或者 两者关系 说明 满足基极电阻与发射极电阻之间的折算关系 3 7晶体管放大器 3 7 5电压放大倍数 集电极的总瞬时电压 定义电压放大倍数定义为输出交流电压与输入交流电压的比值 也称为电压增益 其中 交流信号电压 电压放大倍数 负号表示反相 3 7晶体管放大器 常用公式小结 3 8晶体管的交流小信号等效模型 信号组成 总瞬时量 直流分量 交流分量 直流分量 决定晶体管的工作模式交流分量 信号放大的对象电路组成 直流通路 交流通路 直流通路 分析晶体管电路的直流分量交流通路 分析晶体管放大器的相关性能 要求必须在直流通路基础上进行分 直流通路与交流通路的画法 直流通路 令所有交流分量为零所得电路 即将交流独立电流源开路 交流独立电压源短路 交流通路 令所有直流分量为零所得电路 即将直流独立电流源开路 直流独立电压源短路 3 8晶体管的交流小信号等效模型 直流通路 交流通路画法实例 a 图为晶体管放大器基本电路 b 图为晶体管放大器的直流通路 在 a 图中将短路即可 c 图为晶体管放大器的交流通路 在 a 图中将 短路即可 对交流通路的分析通常采用交流小信号等效模型来分析 3 8晶体管的交流小信号等效模型 基极输入的交流电阻为 集电极的交流电流为 是电流控制电流源 交流小信号等效模型如图3 8 2 a 所示 3 8 1混合型模型 适合NPN PNP 图3 8 2 图 b 是电压控制电流源 图 c 考虑基极引线接触电阻和厄尔利效应的输出电阻的电流控制电流源形式 一般取则有 图 d 考虑基极引线接触电阻和厄尔利效应的输出电阻的电压控制电流源形式 3 8晶体管的交流小信号等效模型 发射极输入的交流电阻为 集电极的交流电流为 是电压控制电流源 交流小信号等效模型如图3 8 3 b 所示 3 8 2T型模型 适合NPN PNP 共基极放大器 图3 8 3 因此集电极的交流电流也可以看成是一个电流控制的受控源 如图3 8 3 c 所示 又因为 3 8晶体管的交流小信号等效模型 分析方法在实际放大器电路中 得到晶体管放大器的直流通路 并在此电路上确定晶体管的直流工作点的电压与电流 如或由直流工作点状态确定晶体管的交流小信号模型的有关参数 如 在实际放大器电路中 得到晶体管放大器的交流通路 将隔直电容和旁路电容短路 选用一种尽可能简单的交流小信号模型代替交流通路中的晶体管分析电路 求解所需的量 如电压增益 电流增益 输入阻抗 输出阻抗及各部分的交流量等 如有必要求解总瞬时量 则将相应的直流量与交流量进行线性叠加 3 8 3交流小信号等效模型应用 3 8晶体管的交流小信号等效模型 实例分析 试分析图3 8 4所示的晶体管放大器电路的电压增益 假设 若输入信号 mV 请写出集电极的输出电压的表达式 图3 8 4 解 直流通路如图 直流通路 交流小信号参数为 3 8晶体管的交流小信号等效模型 交流通路如图 a 总瞬时值为 代入模型如图 b 当输入信号 mV 则有 3 9放大器电路的图解分析 第一步 确定晶体管的静态工作点Q 利用晶体管的输入特性曲线来确定晶体管的基极电流 如图3 9 2所示 其中输入负载线 放大器电路分析也可以利用图形的方式进行求解 前提是必须知道晶体管的输入输出特性曲线 求解步骤 放大电路 图3 9 2输入工作点图解 3 9放大器电路的图解分析 第二步 确定晶体管的静态工作点Q 利用晶体管的输出特性曲线 依据来确定晶体管的集电极电流 如图3 9 3所示 其中输入负载线 要求 工作点Q应位于放大区内 并且它所处的位置应保证输入信号幅度有合适的动态范围 图3 9 3输出工作点图解 3 9放大器电路的图解分析 第三步 基极加交流信号 如图3 9 4所示 此时基极的总瞬时电压为对应于每个瞬时值 都可以画出对应的输入负载线 这些输入负载线与输入特性曲线相交 交点坐标给出了相应的 放大电路 图3 9 4输入瞬时值图解 3 9放大器电路的图解分析 第四步 在输出特性曲线中 如图3 9 5所示 当瞬时变化时 工作点将沿着输出负载线移动 如A B 从而确定晶体管的集电极电流和电压的波形 并进一步确定输出交流信号的分量和 图3 9 5输出图解 3 9放大器电路的图解分析 电阻的大小也会影响输出信号的幅度范围 如图3 9 6较低的值 其工作点 正向幅度会被严重限幅较大的值 其工作点 负向幅度会被严重限幅 工作点的选择 工作点的位置选择将影响信号的摆幅范围 工作点Q的位置应尽可能选择在信号正负摆幅相等的位置 折中选择 图3 9 6 3 10晶体管放大器的直流偏置 分压式偏置电路 常用偏置电路 3 10 1单电源供电的偏置电路 在工程上 一般取 或者 为 两端的压降通过电阻和的电流为发射极电流的十分之一 为减小受温度和的影响 电路设计时应满足 图3 10 1 例3 11设计图3 10 1 a 所示放大器的偏置电路 要求 电源电压 假设晶体管的 解 依据工程估算方法 因为 取 则有取 则所以因此发射极的电阻为选择通过电阻和电流为发射极电流的十分之一 即因此又因为则可以得到 图3 10 1 3 10晶体管放大器的直流偏置 正负电源供电 图3 10 2 3 10 2双电源供电的偏置电路 与分压式偏置类似 只是将电压换成即可 为减小受温度和的影响 电路设计时应满足 图3 10 2 发射极电流 3 10晶体管放大器的直流偏置 3 10 3集电极与基极接电阻的偏置电路 图3 10 3 偏置电路如图3 10 3所示 发射极电流 与分压式偏置类似 只是将电压换成 换成即可 为减小受温度和的影响 电路设计时应满足 3 10晶体管放大器的直流偏置 3 10 4恒流源偏置电路 图3 10 4 恒流源偏置电路如图3 10 4所示 发射极电流 发射极电流与晶体管的及电阻的取值无关 因此电阻的值可以很大 采用恒流源偏置方式简化电路设计 特点 说明 恒流源电路的实现将在后面的章节中介绍 3 11单级晶体管放大器电路 小信号放大器电路结构 如图3 11 1所示 3 11 1放大器的性能指标 输入阻抗 对信号源而言 放大器可以看作是它的负载 用等效电阻表示 称为放大器的输入阻抗 即 性能指标 图3 11 1 3 11单级晶体管放大器电路 输出阻抗 对负载而言 放大器可以看作是它的等效信号源 输出阻抗是该等效信号源的内阻 称为输出阻抗 用表示 定义为输出端的开路电压与负载短路电流的比值 3 11 1放大器的性能指标 图3 11 2 外加的电压电流法求取输出阻抗 移去放大器电路中的独立源 独立电压源短路 独立电流源开路 并将负载用外加的电压取代 求取电流 如图3 11 2所示 则输出阻抗定义为 3 11单级晶体管放大器电路 相互转换关系 3 11 1放大器的性能指标 增益 也称为放大倍数 常用A表示 定义为放大器的输出量与输入量的比值 衡量放大器放大电信号的能力 四种增益形式电压增益 电流增益 互阻增益 互导增益 3 11单级晶体管放大器电路 基极 发射极 可作信号的输入端发射极 集电极 可作信号的输出端 3 11 2晶体管放大器的基本组态 三种基本组态电路 NPN型 PNP型 3 11单级晶体管放大器电路 交流通路如图3 11 4 a 所示 交流小信号模型电路如图3 11 4 b 所示 3 11 3共发射极放大器 令独立电压源 相应的 则 因此放大器的输出阻抗为 输入阻抗 图3 11 4 输出阻抗 3 11单级晶体管放大器电路 当集电极开路时 即 此时放大器的增益达到最大值 增益 电压增益 负号表示反相 或者 源电压增益 输出信号与信号源的比值 因 电流增益 例3 12共发射极放大器电路如图3 11 5所示 试求输入阻抗 输出阻抗及电压增益 晶体管小信号参数 解 直流分析 直流通路如右下图 图3 11 5 交流通路如图及交流小信号模型电路如下所示 输入阻抗 输出阻抗 电压增益 3 11单级晶体管放大器电路 发射极接电阻的共发射极放大器如图3 11 8 也称为改进型的共发放大器电路 对应的交流通路及交流小信号等效电路如下图所示 3 11 4发射极接电阻的共发射极放大器 图3 11 8 交流通路交流小信号等效电路 3 11单级晶体管放大器电路 工程估算时忽略电阻 输入阻抗输出阻抗 输入输出阻抗 或采用电阻折算法 若计入电阻 则有 推算略 输入阻抗输出阻抗 3 11单级晶体管放大器电路 电压增益 不计 优点 克服温度变化对晶体管影响 提高放大器电路的工作稳定性 3 11单级晶体管放大器电路 交流通路如图3 11 9 a 不计的交流小信号模型电路图3 11 9 b 3 11 5共基极放大器