《极管及其放大电路》PPT课件.pptVIP

1 3双极型晶体管 图1 3 1晶体管的几种常见外形 晶体三极管 半导体三极管 简称 晶体管或三极管 发射极E 基极B 集电极C 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN型 PNP型 图1 3 2晶体管的结构和符号 1 3 1晶体管的结构及类型 符号 内部结构 发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大 1 3 2晶体管的电流放大作用 外部条件 发射结正偏 图1 3 3基本共射放大电路 集电结反偏 一 晶体极管内部载流子的运动 1 发射区向基区注入多子电子 形成发射极电流IE ICN 多数向BC结方向扩散形成ICN IE 少数与空穴复合 形成IBN IBN 基区空穴来源 基极电源提供 IB 集电区少子漂移 ICBO ICBO IB 即 IB IBN ICBO 2 电子到达基区后 基区空穴运动因浓度低而忽略 ICN IE IBN ICBO IB 3 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC IC IC ICN ICBO 二 晶体管的电流分配关系 当管子制成后 发射区载流子浓度 基区宽度 集电结面积等确定 故电流的比例关系确定 即 IB IBN ICBO IC ICN ICBO 穿透电流 1 3 5 三 晶体管的共射电流放大放大系数 IE IC IB 1 3 6 1 3 7 1 3 5 一般 IB ICBO 电流放大倍数 1 3 4 共基极 1 3 11 1 3 3晶体管的共射特性曲线 一 输入特性曲线 输入回路 输出回路 与二极管特性相似 特性基本重合 电流分配关系确定 特性右移 因集电结开始吸引电子 导通电压UBE on 硅管 0 6 0 8 V 锗管 0 2 0 3 V 取0 7V 取0 2V 图1 3 5晶体管的输入特性曲线 二 输出特性曲线 截止区 IB 0IC ICEO 0条件 发射结 UON集电结反偏 截止区 ICEO 图1 3 6晶体管的输出特性曲线 uBE uON uCE uBE 2 放大区 放大区 截止区 条件 发射结正偏集电结反偏特点 水平 等距离 与横轴平行 ICEO 3 饱和区 uCE uBE uCB uCE uBE 0 条件 两个结正偏 特点 IC IB 临界饱和时 uCE uBE 深度饱和时 0 3V 硅管 UCE SAT 0 1V 锗管 放大区 截止区 饱和区 ICEO uBE uON 1 3 4晶体管的主要参数 1 共射直流电流放大系数 2 共基直流电流放大系数 3 极间反向电流ICBO ICEO 反向饱和电流ICBO 发射极开路时集电结的反向电流 穿透电流ICEO 基极开路时的集电极与发射极之间的电流 一 直流参数 1一般在0 98以上 二 交流参数 1 共射交流电流放大系数 2 共基交流电流放大系数 大多数场合 可以认为 3 特征频率fT 由于PN结节电容的影响 三极管 值会随工作信号频率的升高而变小 1 使 下降为1的信号频率称为特征频率fT 特征频率 0 硅管能够承受的最高结温为150 锗管为70 图1 3 7晶体管的极限参数 三 极限参数 1 最大集电极耗散功率PCM 取决定于晶体管能承受的最大温升 PCM iC uCE 常数 uCE与iC的乘积为双曲线的一支 PCM iC uCE 2 最大集电极电流ICM iC在相当大的范围内 值基本不变 但当iC的数值大到一定程度时 值将减小 使 值明显减小的iC即为ICM 对于合金型小功率管 定义当UCE 1V时 由PCM iCuCE得出的iC即为ICM 实际上 当晶体管的iC大于ICM时 晶体管不一定损坏 但 明显下降 ICM 0 与IC的关系 3 极间反向击穿电压 晶体管的某一电极开路时 另外两个电极间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压 超过此值时管子会发生击穿现象 下面是各种击穿电压的定义 二 温度对输入特性曲线的影响 温度升高 输入特性曲线向左移 温度每升高1 C UBE 2 2 5 mV T2 T1 具有负温度系数 1 3 5温度对晶体管特性及参数的影响 温度升高 输出特性曲线向上移 温度每升高1 C 0 5 1 输出特性曲线间距增大 O 三 温度对输出特性曲线的影响 总结 晶体管电路分析方法 三种工作状态分析 放大 IC IB 发射结正偏集电结反偏 饱和 IC IB 两个结正偏 ICS IBS集电结零偏 临界 截止 IC 0 两个结反偏 判断导通还是截止 UBE Uon则导通 以NPN为例 UBE Uon则截止 判断饱和还是放大 电位判别法 NPN管 UC UB UE 放大 UB UC UE 饱和 PNP管 UC UB UE 放大 饱和 UB UC UE 例1 3 1 现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表1 3 2所示 各晶体管b e间开启电压Uon均为0 5V 试分别说明各管子的工作状态 放大 饱和 放大 截止 例1 3 2 在一个单管放大电路中 电源电压为30V 已知三只管子的参数如表1 3 3所示 请选用一只管子 并简述理由 第2章基本放大电路 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 2 2共射放大电路的工作原理 2 3放大电路的分析方法 2 4放大电路静态工作点的稳定 小结 2 5晶体管单管放大电路的三种基本接法 2 6晶体管基本放大电路的派生电路 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 2 1 1放大的概念 一 放大的对象 对变化量的放大 二 放大的本质 能量的控制和转换 四 放大的前提 不失真的放大 三 放大的基本特征 功率放大 有源元件能控制能量转换 有源元件要工作在合适的工作区域 放大电路的性能指标 放大倍数Au 输入电阻Ri 输出电阻Ro 通频带fbw 一 放大倍数 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标 设输入量为 输出量为 则 例如 当Xo Uo Xi Ui时 2 1 1 注意Auu下标 Home Next Back 电压放大倍数 无量纲 互阻放大倍数 欧姆 电流放大倍数 无量纲 互导放大倍数 西门子S 本章着重讨论电压放大倍数 需要注意的是 在实际应用时 只有在波形不失真的情况下 测试的放大倍数才有意义 二 输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 输入端 输出端 信号源 一般来说 Ri越大越好 1 Ri越大 ii就越小 从信号源索取的电流越小 2 当信号源有内阻时 Ri越大 ui就越接近uS 2 1 5 三 输出电阻 中频段 通常希望Ro愈小愈好 下页 上页 放大电路 Ri Rs Ro 放大电路技术指标测试示意图 Uo 首页 四 通频带fbw 通频带 用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力 放大倍数随频率变化曲线 幅频特性曲线 下限截止频率 上限截止频率 通频带 fbw fH fL 中频放大倍数 音频 20Hz 20kHz 男音 700Hz 女音 1kHz 非线性失真系数 式中 A1 基波幅值A2 二次谐波幅值A3 三次谐波幅值 2 1 8 在额定失真范围内的最大输出幅值以有效值Uom 峰值UOP或峰 峰值UOPP表示 六 最大不失真输出电压 七 最大输出功率与效率 电源消耗功率 2 2基本共射放大电路的工作原理 2 2 1基本共射放大电路的组成及各元件的作用 iB iC uBE uCE 地 放大元件iC iB 工作在放大区 集电结反偏 发射结正偏 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点IB和UBE 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 二 常见的两种共射放大电路 1 直接耦合共射放大电路 图2 2 4直接耦合共射放大电路 特点 信号源 负载与放大器直连 共地 单电源供电 2 阻容耦合共射放大电路 图2 2 5阻容耦合共射放大电路 特点 具有隔直电容 信号源 负载不与放大器直连 耦合电容 作用 隔直流 通交流 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 2 2 2共射放大电路工作原理 一 静态工作点 Q 的必要性 IBQ ICQ UBEQ UCEQ 三极管电路中 其各极的电压和电流 uBE iB uCE iC 当ui 0时 为三极管的静态 Quiescent 静态时的工作点称为静态工作点 记为 静态工作点对放大器的性能有至关重要的影响 调整放大器 主要就是调整静态工作点 UBEQ 0 7v硅 0 2v锗 图2 2 1基本共射放大电路的静态工作点 静态时 ui 0 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 二 为什么要设置静态工作点 目的 在信号的整个周期中 使晶体管始终工作在线性放大状态 2 2 3基本共射放大电路的工作原理及波形分析 图2 2 3基本共射放大电路的波形分析 交流信号驮载在直流分量上 直流分量 脉动直流 uCE与iC反相 iB与iC同相 对于基本共射放大电路 只有设置合适的静态工作点 使交流信号驮载在直流分量之上 以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态 输出电压波形才不会产生非线性失真 输入信号中 只有交流分量 2 2 3基本共射放大电路的工作原理及波形分析 对于基本共射放大电路 只有设置合适的静态工作点 方能保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态 输出电压波形才不会产生非线性失真 放大电路的组成原则 一 组成原则 1 正确的电源电压 以便设置合适的Q点 为输出提供能源 2 电阻取值得当 形成正确的Q点 3 输入信号能够影响输出电流 ui ube ib ic uce uo 4 放大后的信号能够输出给负载 2 3放大电路的图解分析方法 2 3 1图解法求静态工作点 1 直流通路 在直流电源作用下直流电流流经的通路 也就是静态电流流经的通路 用于研究静态工作点 直流通路的特点 电容视为开路 电感线圈视为短路 即忽略线圈电阻 信号源视为短路 但应保留其内阻 图2 3 1 a 图2 2 1所示基本共射放大电路的直流通路 ui 0 直流通路 举例 所有电容器看作开路 阻容耦合共射放大电路的Q点计算 2 2 3a 2 2 3b 2 2 3c UBEQ IBQ ICQ UCEQ 1 交流通路 交流通路 交流通路是输入信号作用下交流信号流经的通路 用于研究动态 交流 参数 交流通路的特点 容量大的电容 如耦合电容 视为短路 无内阻的直流电源 如VCC 视为短路直流电源相当于接地 交流通路 图2 3 1 b 图2 2 1所示基本共射放大电路的交流通路 直流电源 VCC VBB看作短路 举例 电容器和直流电源都短路 图2 3 2直接耦合共射放大电路及其直流通路和交流通路 直流工作点与Rs和RL有关 图2 3 3阻容耦合共射放大电路的直流通路和交流通路 RL RC RL是阻容耦合放大电路的总负载电阻 RL是负载电阻 直流工作点与Rs和RL无关 直流 交流 分析放大电路应注意 在分析放大电路时 应遵循 先静态 后动态 求解静态工作点时应利用直流通路 求解动态参数时应利用交流通路 静态工作点合适 动态分析才有意义 分析时不一定非画出直流通路不可 课堂练习 试分析图T2 2所示各电路是否能够放大正弦交流信号 简述理由 设图中所有电容对交流信号均可视为短路 3 图解法求静态工作点 图2 3 4基本共射放大电路 Q点分析 图解法用于分析放大电路的Q点 放大倍数和失真 输出回路的图解分析 直流负载线 左边 三极管输出特性 右边 输出负载线 uCE VCC iCRc 直流负载线与输出特性曲线的交点就是Q点 斜率 VCC 利用直流负载线求解Q点 UCEQ和ICQ 1 求出IBQ对应的输出曲线 2 作出直流负载线 3 交点为Q点 实际应用时 一般不需要在晶体管特性曲线上作图 而是利用晶体管特性曲线可以求出 值 只要知道了晶体管的 值 便可根据 ICQ IBQ 求出ICQ 图解法主要用来求解放大电路的最大不失真输出幅值 V UCEQ ICQRL RL RC RL 交流负载线方程 uCE V iCRL 式中 交流负载线 交流负载线的特点 1 经过Q点 2 斜率为 V 直流负载线 三 波形非线性失真的分析 本节讨论Q点位置与非线性失真的关系 一 Q点位置合适 电路有较小的非线性失真 Q点位于负载线中部 且输入信号幅值不是太大 能保证工作点始终位于三极管的放大区内 称为Q点位置合适 假设在静态工作点的基础上 输入一微小的正弦信号ui 静态工作点 Q点位置合适 不产生非线性失真 UCE与Ui反相 输入信号ui过大 会形成输出 截幅失真 结论一 Q点设置合适 输出信号幅值不超过电路允许 最大不失真输出电压幅值 Uom 时 输出信号不失真 输出信号幅值过大 超过Uom 输出信号将出现上下部同时截幅失真 Q点偏低 工作点易进入截止区 当信号稍大时 便会出现 截止失真 上 uce顶部失真 ib低部失真 二 Q点偏低 首先出现 截止失真 Q点位于输出负载线的底部 称为Q点偏低 截止失真的波形 ui uo 当Q点偏低时 在输入信号幅值较大时 负半周靠近峰值的某段时间内 晶体管b e间电压总量Ube Uon 晶体管截止 基极电流ib将产生底部失真 集电极电流ic 和集电极电阻Rc上电压的波形必然随之产生同样的失真 所以输出电压一定失真 因晶体管截止而产生的失真称为 截止失真 结论二 Q点偏高 工作点易进入饱和区 当信号稍大时 便会出现 饱和失真 上 底部失真 三 Q点偏高 首先出现 饱和失真 Q点位于输出负载线的上部 称为Q点偏高 结论三 Q点偏高 当输入信号较大时 晶体管工作点进入饱和区 使输出波型产生饱和失真 应当指出 应当指出 截止失真和饱和失真都是比较极端的情况 实际上 在输入信号的整个周期内 即使晶体管始终工作在放大区域 也会因为输人特性和输出特性的非线性使输出波形产生失真 只不过当输入信号幅值较小时 这种失真非常小 可忽略不计而已 因晶体管输入特性曲线的非线性 输出电压总是存在不可避免的失真现象 t t VCC UCEQ UCES VCC UCEQ UCEQ UCES Q点居中 四 最大不失真输出电压Uom 当Q点位于输出负载线中点时 不失真输出电压Uom 当Q点不在输出负载线中点时 放大电路的最不失真输出电压Uom由 VCC UCEQ 和 UCEQ UCES 两者中较小者决定 2 4微变等效电路法 使用条件 晶体管工作在放大区 2 4 1简化的h参数微变等效电路 1 三极管的等效电路 Q iB iB iB Q uBE 以共射接法三极管为例 三极管特性曲线的局部线性化 iC iB 输入端可等效为一个电阻 输出端可等效为一个受控电流源 下页 上页 首页 由以上分析可得三极管的微变等效电路 三极管的简化h参数等效电路 rbe uBE iC iB uCE iB e c b 此电路忽略了三极管输出回路等效电阻rce 下页 上页 首页 三极管的动态输入电阻 2 3 9 其中对于低频小功率管rbb 100 300 T 300K 2 4 2共射放大电路动态参数的分析 利用h参数等效模型可以求解放大电路动态参数 电压放大倍数 Au 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro 例2 3 3 在图2 2 5 a 所示电路中 已知VCC 12V Rb 510k Rc 3k 晶体管的rbb 150 80 导通时的UBEQ 0 7V RL 3k 1 求出电路的Au Ri和Ro 2 若所加信号源内阻Rs为2k 求出 图2 2 5 a 阻容耦合共射放大电路的直流通路和交流通路 RL RC RL是阻容耦合放大电路的总负载电阻 直流工作点与Rs和RL无关 直流 交流 解 1 先求出Q点和rbe 图2 3 17图2 2 5 a 所示电路的交流等效电路 2 3 17 2 根据的定义得 归纳 晶体三极管交流动态参数分析步骤 分析直流电路 求出 Q 计算rbe 画电路的交流通路 在交流通路上把三极管画成h参数模型 分析计算交流动态参数Au Ri Ro 交流通路 图2 3 1 b 图2 2 1所示基本共射放大电路的交流通路 1 电压放大倍数Au 2 3 10 2 输入电阻Ri 2 3 11 3 输出电阻Ro 2 3 12 Home 2 4 1 静态工作点稳定的必要性 Next 2 4放大电路静态工作点的稳定 1 必要性静态工作点决定放大电路是否产生失真 静态工作点影响电压放大倍数 输入电阻等动态参数 静态工作点的不稳定 将导致动态参数不稳定 甚至使放大电路无法正常工作 2 影响静态工作点稳定的因素电源电压波动 元件老化 环境温度变化等 都会引起晶体管和电路元件参数的变化 造成静态工作点的不稳定 其中 温度对晶体管参数的影响是最为主要的 Home Next Back 3 温度对静态工作点的影响 a 温度变化对ICEO的影响 b 温度变化对输入特性曲线的影响 温度T 输出特性曲线上移 温度T 输入特性曲线左移 c 温度变化对 的影响 温度每升高1 要增加0 5 1 0 温度T 输出特性曲线族间距增大 温度40 温度20 温度升高 输出特性曲线上移 升高 IBQ Vcc UBE Rb当 T ICQ Q 饱和失真 4 静态工作点上移时输出波形分析 要是Q 点回到原来的位置则应是IBQ Home Next Back 2 5放大电路静态工作点的稳定 2 5 2 典型的静态工作点稳定电路 1 电路组成 直流通路 一 电路组成和Q点稳定原理 B Home Next Back 2 5放大电路静态工作点的稳定 2 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 则可实现静态工作点的稳定 当I1 IBQ则 一般取I1 5 10 IBQ UBQ 3V 5V I2 I1 IBQ Q点稳定的过程 在稳定的过程中 Re起着重要作用 当晶体管的输出回路电流Ic变化时 通过发射极电阻Re上产生电压的变化来影响b e间电压 从而使Ic向相反方向变化 达到稳定Q点的目的 B 反馈 将输出量 Ic 通过一定的方式 利用Re将Ic的变化转化成电压UE的变化 引回到输入回路来影响输入量 UBE 的措施称为反馈 负反馈 由于反馈的结果使输出量的变化减小 故称为负反馈 直流负反馈 由于反馈出现在直流通路之中 故称为直流负反馈 B 直流负反馈电阻 总结Q点稳定的原因 1 Re的直流负反馈作用 2 在 情况下 UBQ在温度变化时基本不变 B 这种电路称为分压式电流负反馈Q点稳定电路 Home Next Back 2 4放大电路静态工作点的稳定 二 Q点的估算 B 已知I1 IBQ 2 4 3 直流通路 交流通路 Ce的存在 交流通路中Re被短路 发射极直接接地 注意 Rb与rbe并联而不是串联 三 动态参数的估算 Ri Ro Ro RC 无Ce电路的交流参数计算公式 b c e 2 4 8 Au仅决定于电阻取值 不受温度影响 例2 4 1已知VCC 12V Rb1 5k Rb2 15k Re 2 3k Rc 5 1k RL 5 1k 50 rbe 1k UBEQ 0 7V 求 Q Au Ri 1 求 Q VCC RC C1 C2 RL Re Ce Rb2 Rb1 ui uo 解 IBQ UCEQ 1 Re Rb1 Rb2 当无Ce时 电路的电压放大能力很差 因此在实用电路中常常将Re分成两部分 只将其中一部分接旁路电容 2 求解Au和Ri 当有Ce时 2 5晶体管单管放大电路的三种基本接法 共射放大电路既实现了电流放大又实现了电压放大 通过基极电流iB对集电极电流iC的控制作用 实现能量转换 负载电阻从直流电源VCC中获得比信号源提供的大得多的输出信号功率 共集放大电路以集电极为公共端 通过iB对iE的控制作用实现功率放大 共基放大电路以基极为公共端 通过iE对iC的控制作用实现功率放大 共射 共集 共基是单管放大电路的三种基本接法 2 6基本共集放大电路 一 电路的组成 电路 直流通路 交流通路 IBQ VBB UBEQ Rb 1 Re IEQ 1 IBQ UCEQ VCC IEQRe 二 静态分析 IBQ 图2 5 2基本共集放大电路的交流等效电路 二 动态分析 1 同相 射极跟随器 大 小 射极输出器特点 Au 1输入输出同相 Ri大 高 Ro小 低 用途 多极放大电路的输入级 输出级或中间隔离级起缓冲级作用 2 7基本共基极放大电路 1 电路组成 2 静态分析 IBQ VBB VBEQ 1 Re ICQ IBQ VCEQ VCC ICQRc VE VCC ICQRc VBEQ 3 动态分析 2 当Re 0时 Au数值大小与共射电路相同 优点 频带宽 用于无线电通讯 3 输入电阻小 只能放大电压 不能放大电流 2 5 3三种接法的比较 本讲主要介绍了晶体管放大电路的三种组态 共发射极放大电路既能放大电压 也能放大电流 输入电阻居中 输出电阻较大 频带较窄 常作低频电压放大 共集电极放大电路只能放大电流 不能放大电压 输入电阻最大 输出电阻最小 具有电压跟随的特点常用于多级放大的输入级和输出级 有时还用作中间隔离级 缓冲级 起阻抗变换的作用 共基极放大电路只能放大电压 不能放大电流 输入电阻最小 频率特性最好 2 6晶体管基本放大电路的派生电路 2 6 1复合管放大电路 一 复合管的组成及其电流放大系数 为了进一步改善放大电路的性能 用多只晶体管构成复合管来取代基本电路中的一只晶体管 或将两种基本接法组合起来 以得到多方面性能俱佳的放大电路 图2 6 1复合管 复合管的电流放大系数 1 2 1 2 iC iC1 iC2 1iB1 2iB2 iC 1iB1 2 1 1 iB1 1 2 1 2 iB1 复合管的电流放大系数 iB iC 复合管的组成原则 1 在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路 且均工作在放大区 2 为了实现电流放大 应将第一只管的集电极或发射极电流做为第二只管子的基极电流 二 复合管共射放大电路 图2 6 2阻容耦合复合管共射放大电路 为什么要多级放大 由一个晶体管组成基本放大电路的电压放大倍数一般只有几十倍 但是在实际应用中 往往需要放大非常微弱的信号 上述的放大倍数是远远不够的 为了获得更高的电压放大倍数 把多个基本放大电路连接起来 组成 多级放大电路 其中每一个基本放大电路叫做一 级 而级与级之间的连接方式则叫做 耦合方式 2 8多级放大电路 一 阻容耦合 图3 1 2两级阻容耦合放大电路 一 电路图 1 各级的直流工作点相互独立 由于电容器对直流量的电抗为无穷大 因而隔直流而通交流 所以它们的直流通路相互隔离 相互独立的 2 在传输过程中 交流信号损失少 只要输入信号频率较高 耦合电容容量较大 前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端 实现逐级放大 优点 3 电路的温漂小 二 阻容耦合电路的优缺点 缺点 1 低频特性差 不能放大变化缓慢的信号 2 无法集成 在集成电路中制造大容量电容很困难 二 变压器耦合 一 电路图 图