三极管及其放大电路.ppt

第2章三极管及其放大电路 半导体三极管放大电路性能指标共射基本放大电路工作点稳定电路共集电极电路和共基极电路多级放大电路反馈放大电路 什么是放大 电信号放大 窃听器 半导体三极管 也叫晶体三极管 由于工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 因此 还被称为双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor 简称BJT BJT是由两个PN结组成的 2 1半导体三极管 分类 a 小功率管 b 小功率管 c 大功率管 d 中功率管 2 1 1BJT的结构与符号 图形符号 发射结 Je 基极 用B或b表示 Base 集电结 Jc 发射极 用E或e表示 Emitter 集电极 用C或c表示 Collector 发射区 集电区 基区 三极管符号 箭头代表发射极电流的实际方向 结构制作要求 为实现放大 必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求 发射结正向偏置UBE 0 集电结反向偏置UBC 0 要求外加电源电压的极性必须满足 2 1 2BJT的电流放大作用 1 三极管的偏置 即在满足内部结构要求的前提下 三极管要实现放大 必须连接成如下形式 2 三极管电流分配关系 VCC IEN IEP IE IEN IEP IEN 1 发射区向基区注入电子 从而形成发射极电流IE VCC IE IB 复合 IBE IBE 1 发射区向基区注入电子 从而形成发射极电流IE VCC IE 2 在基区中 电子继续向集电结扩散 少数电子与基区空穴相复合 形成IB电流 IB 3 集电区收集大部分的电子 形成IC电流 IC ICN ICN IBE 将三极管看成一个广义的节点 如下图 有 将三极管看成一个广义的节点 如下图 有 共射电流放大倍数 共基极电流放大系数 共射电流放大倍数 共基极电流放大系数 2 1 3 BJT的特性曲线 BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线 它是BJT内部载流子运动的外部表现 工程上最常用的是BJT的输入特性和输出特性曲线 以共射放大电路为例 输入回路 输出回路 输入特性 输出特性 BJT共射接法的输入特性曲线 分三部分 死区 非线性区 线性区 vCE 1V vCE 1V vCE 0V 记住 当vCE 1时 各条特性曲线基本重合 当vCE增大时特性曲线相应的右移 25 输入特性曲线 输出特性曲线 它是以iB为参变量的一族特性曲线 输出特性曲线可以划分为三个区域 饱和区 iC受vCE控制的区域 该区域内vCE的数值较小 此时Je正偏 Jc正偏 饱和区 iC受vCE显著控制的区域 该区域内vCE的数值较小 此时Je正偏 Jc正偏 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时Je反偏 Jc反偏 饱和区 iC受vCE显著控制的区域 该区域内vCE的数值较小 一般vCE 0 7V 硅管 此时Je正偏 Jc正偏或反偏电压很小 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时Je反偏 Jc反偏 放大区 iC平行于vCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时Je正偏 Jc反偏 电压大于0 7V左右 硅管 模电着重讨论的就是该放大区 三极管工作情况总结 例1 测量三极管三个电极对地电位 试判断三极管的工作状态 放大Vc Vb Ve 放大Vc Vb Ve 例2 1 2 1 4BJT的主要参数 BJT的主要参数 共基电流放大系数 共射电流放大系数 与 的关系 的值小于1 但接近于1 的值远大于1 通常在20 200范围内 关于 主要参数 这部分详细内容请同学们自己看书P15 极间反向电流 1 ICBO 集电极 基极反向饱和电流 O是Open的字头 代表第三个电极E开路 它相当于单个集电结的反向饱和电流 因此 它只决定于温度和少子的浓度 2 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流 1 集电极最大允许电流ICM 指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流 2 集电极最大允许功率损耗PCM 表示集电极上允许损耗功率的最大值 PCM iCvCE 过压区 过流区 3 反向击穿电压 复习 符号 放大条件 电流关系工作区域 特点判断工作状态 发射结正向偏置UBE 0 集电结反向偏置UBC 0 放大是最基本的模拟信号处理功能 模拟电子中研究的最主要电路 放大电路 具有放大特性的电子设备 收音机 电视机 手机 扩音器等等 2 2放大电路性能指标 这里的 放大 是指把微小的 微弱的电信号的幅度不失真的进行放大 一般来说 放大电路就是一个双端口网络 放大电路 放大器 Rs RL 信号源 负载 信号源电压 输入电压 输出电压 Rs 信号源内阻 RL 负载电阻 输入电流 输出电流 放大电路的主要性能指标 参见教材P17 性能指标是衡量放大电路品质优劣的标准 同时由这些指标还要来决定放大电路的适用范围 这里主要讨论 输入电阻 输出电阻 增益 2 2 1增益 实质上就是输出对输入的放大倍数 电压增益 电流增益 无量纲 无量纲 功率放大倍数定义为AP PO P 用分贝表示的电压增益和电流增益如下 由于功率与电压 或电流 的平方成比例 因此功率增益表示为 2 2 2输入电阻Ri Rs RL Ri Ri决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小 即它决定了放大电路对信号源的要求 Ri 放大电路 放大器 Ri越大 Ii就越小 放大电路从信号源索取的电流越小 放大电路所得到的输入电压Vi越接近信号源电压Vs 2 2 3输出电阻Ro Ro的求法 将信号源短路 即 0 但保留Rs 且负载RL两端开路 即RL 时 开路 短路 RO越小 放大电路的带负载能力越强 2 2 4最大输出幅值 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 需要 1 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 2 要有合适的交流负载线 由于三极管存在非线性 使输出信号产生了非线性失真 非线性失真系数的定义 在某一正弦信号输入下 输出波形因非线性而产生失真 其谐波分量的总有效值与基波分量之比 用THD表示 即 2 2 5非线性失真系数 两个回路 正确的直流偏置 ui为小信号 ui和VBB串接 RB为基极偏置电阻 RC为集电极偏置电阻 输入回路 输出回路 放大的外部条件 2 3 1共射基本放大电路组成 2 3共射基本放大电路 IC变化了 IC IB变化了 IB uBE VBB ui VBB UBE iE IE IE iC IC IC iB IB IB UO ICRC UO UBE 电压放大 电流放大 放大原理 放大的本质 功率 能量 的放大 C1 C2称为隔直电容或耦合电容 该电路又称为阻容耦合放大电路 2 3 2共射基本放大电路实际电路 基本共射放大电路的简化 共射放大电路改进电路 vi vo 需要使Rb Rc 一般为几十倍 改成唯一的直流电源 三极管T起放大作用 偏置电路VCC Rb提供电源 并使三极管工作在线性区 耦合电容C1 C2输入耦合电容C1保证信号加到发射结 不影响发射结偏置 输出耦合电容C2保证信号输送到负载 不影响集电结偏置 负载电阻RC RL将变化的集电极电流转换为电压输出 阻容耦合共射放大电路 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程 三极管放大作用 变化的通过转变为变化的输出 首先交代各物理量表示方法及其含义 VBE VCE VI VO IB IC IE II vi vo vbe ib ic ie ii 表示 直流量 大写字母 大写下标 表示 交流量 的瞬时值 小写字母 小写下标 vBE vCE vI vO iB iC iE iI iO 表示 直流量 交流量 小写字母 大写下标 2 3 3放大电路静态分析 Vc Vb Ve Vi Ib Ic Ie Ii 表示 交流量的向量形式 大写字母 小写下标 头上点 表示 交流量 的有效值 大写字母 小写下标 请详细参阅教材P21表述 静态和动态 静态 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 Q点 放大电路建立正确的静态 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要正确地区分静态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 动态 时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 直流通路能通过直流的通路 提供Q点 固定偏置 例 2 2 2 3 4动态分析 动态分析讨论的对象 交流成分 即变化的量 放大电路在接入正弦信号时的工作情况 设输入电压vi 0 02sin t V vBE VBE vbeiB IB ibvCE VCE vceiC IC ic 各分量都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量 如下 共射极放大电路中的电压 电流波形 uCE VCC iC RC uBE UBE ui uo uCE UCE 反相 非线性部分 线性部分 短路 短路 V 0 直流电源相当于对地短路 分析性能指标 在输出特性曲线上 作出直流负载线VCE VCC iCRc 与IBQ曲线的交点即为Q点 从而得到VCEQ和ICQ 在直流通路中估算IBQ 2 3 5图解分析法 为一直线 1 确定静态工作点 直流负载线 静态工作点 2 确定放大器的放大倍数 交流负载线 其斜率为 1 R L R L RL Rc 是交流负载电阻 交流负载线与直流负载线相交Q点 交流通路 交流负载线 波形 根据vI的波形 在BJT的输入特性曲线图上画出vBE iB的波形 3 根据vI的波形求iB 不要求 4 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形 反相 动态工作范围 A vo 可输出的最大不失真信号 合适的静态工作点 5 Q点对波形影响 将Q点选在交流负载线AB的中央 可以获得最大的不失真输出 即可以得到最大的动态工作范围即 BQ AQ B Q VCES VCEA 截止失真的波形 NPN管顶部削平 Q点过低 信号进入截止区 2020 3 17 60 可编辑 饱和失真的波形 NPN底部削平 Q点过高 信号进入饱和区 例2 3 2 15 2 14 思路 将非线性的BJT等效成一个线性电路 适用范围 放大电路的输入信号是变化量且电压很小时适用 2 3 6小信号等效电路分析法 BJT双口网络 1 三极管的小信号等效电路 交流 rbb 1 利用直流通路求Q点 共射极放大电路 一般硅管VBEQ 0 7V 锗管VBEQ 0 2V 已知 2 放大电路的小信号等效电路及其分析 1 画出放大电路的交流通路 2 画小信号等效电路 2 将交流通路中的三极管用等效电路代替 则电压增益为 可作为公式 电压增益 3 求放大电路动态指标 负号表示输出电压与输入电压反相 Ri 输入电阻 所以 根据定义 输出电阻 小结 例2 4 归纳等效电路法的步骤 先确定Q点 IBQ ICQ VCEQ 求Q点处的 和rbe 通常会给出 IEQ IBQ ICQ ICQ 三 等效电路法的步骤 画出放大电路的微变等效电路 列出电路方程并求解 一般要求增益 输入电阻和输出电阻 小信号模型分析法就是把非线性的三极管线性化 这样具有非线性元件的放大电路就转化成为我们熟悉的线性电路了 经过线性化的三极管等效电路为 称为简化的H参数小信号模型 或微变等效电路 2 4静态点稳定电路 2 4 1温度对静态工作点的影响 2 4 2分压偏置电路 固定偏流电路 射极偏置电路 旁路电容 Q点稳定原理 目标 温度变化时 使IC维持恒定 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现Q点的稳定 分析该电路的特性指标 1 Q点的估算 IBQ ICQ VCEQ 2 动态参数的估算 2 动态参数的估算 旁路电容 求电压增益 求输入电阻 Re 0 代入无旁路电容时输入电阻表达式 小 求输出电阻 2 5 1共集电极放大电路 电路结构 2 5共集电极电路和共基极电路 又称射极输出器 为正值 表明输出电压与输入电压同相 又称电压跟随器 共集电极放大电路的特点 电压放大倍数 1 略小于1 对电压基本无放大作用 输入阻抗高 对信号源影响小 输出阻抗小 带负载能力强 输出电压与输入电压同相 电压跟随器 对电流具有放大作用 射极输出器的应用 1 放在多级放大器的输入端 提高整个放大器的输入电阻 2 放在多级放大器的输出端 减小整个放大器的输出电阻 3 放在两级之间 起缓冲作用 2 5 2共基极电路 电路结构 CB Re 引入直流负反馈以稳定工作点Q 三种组态比较 其中 普通音响系统放大电路的幅频响应 2 6 1放大电路的频率特性与通频带 2 6多级放大电路 1 放大电路的频率特性与通频带 Rb Rb1 Rb2 2 单极放大电路的频率特性分析 分析该电路的低频响应时 不应该再忽略隔直电容和射极旁路电容 低频 主要影响 中频段 Rb Rb1 Rb2Ri Rb rbeRo Rc 中频时 C1 C2 Ce容抗较小 可视为短路 C 容抗较大 可视为开路 等效电路如图 高频段 将全频段小信号模型中的C1 C2和Ce短路 即可获得高频段小信号模型微变等效电路 如图所示 1 RC耦合 2 6 2多级放大电路的分析 1 耦和方式 2 直接耦合 优点 低频性能好 易于继集成缺点 静态点相互影响 温度漂移问题 前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载 2多级放大电路的性能分析 结论 将几级放大电路串联起来后 总电压增益为各单级电路电压增益的乘积 较单级时提高了 但fL 及fH 通频带变窄了 2 7 1反馈的基本概念 将电子系统输出回路的电量 电压或电流 送回到输入回路的过程 2 7反馈放大电路 举两个例子 比如 一 我们使用冰箱制冷 由于外界温度较高 冰箱向外界释放热量 冰箱内温度会朝着我们制定的度数降低 而外壳温度会越来越高 一段时间后 当冰箱内的温度达到所设置的度数后 冰箱会进行自动调节 让温度不再进一步地降低 这便是反馈调节 二 我们在家里使用洗衣机时会设置一个注水量 启动机器后 水开始注入机桶 在未达到注水量前 机器会产生动力驱动水位上升 然而水位上升至设置量后 反馈调节便开始了 洗衣机停止注水工作 例如在教小狗的时候 1 1 如果它衔的是写有2图片的时候 你给它骨头吃 那它看到1 1的时候就会衔含有2的图片 就有骨头吃 这就是正反馈 当它衔的不是2 你打一棍子它 那它下次就不敢再衔那张图片了 这就是负反馈 放大 迭加 A称为开环放大倍数 AF称为闭环放大倍数 输出信号 输入信号 反馈信号 净输入信号 F称为反馈系数 1 正反馈与负反馈 正反馈 负反馈 反馈信号增强了外加输入信号的作用 使得净输入量增加 最终使AF 反馈信号削弱了外加输入信号的作用 使得净输入量减小 最终使AF 例2 4 判别方法 瞬时极性法 即在电路中 从输入端开始 沿着信号流向 标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 正斜率或负斜率 用 号表示 负反馈 2 交流反馈和直流反馈 直流反馈 交流反馈 反馈量中只含有直流量 或者说 只在直流通路中存在的反馈 反馈量中只含有交流量 或者说 只在交流通路中存在的反馈 3 串联反馈与并联反馈 由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定 串联 串联 输入以电压形式求和 KVL vi vid vf 0即vid vi vf 并联 输入以电流形式求和 KCL ii iid if 0即iid ii if 并联 判断方法 a 反馈量与输入量在不同输入端 对应的是电压求和 说明是串联反馈 b 反馈量与输入量在同一输入端 对应的是电流求和 说明是并联反馈 4 电压反馈与电流反馈 电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定 电压反馈 反馈信号xf和输出电压成比例 即xf Fvo电流反馈 反馈信号xf与输出电流成比例 即xf Fio 并联结构 串联结构 方法一 假设把输出端交流短路 即令输出电压等于0 观察是否仍有反馈信号 如果反馈信号不存在了 即反馈量为0 则说明是电压反馈 若反馈量不等于0 则说明是电流反馈 方法二 将负载RL开路 即RL 致使i0 0 从而使iF 0 即由输出引起的反馈信号消失了 可以确定为电流反馈 判断方法 电压负反馈 稳定输出电压 具有恒压特性 串联反馈 输入端电压求和 KVL 电流负反馈 稳定输出电流 具有恒流特性 并联反馈 输入端电流求和 K