第三章晶体三极管BJT及放大电路基础ppt课件.ppt

第三章晶体三极管 BJT 及放大电路基础 3 1半导体BJT一BJT结构与电路符号二晶体管电流的分配与放大作用演示实验结论 晶体管起放大作用的条件 发射结正偏 集电结反偏 称为BJT的放大偏置 即满足下列电压关系 NPN管 VCB 0 VBE 0或VC VB VEPNP管 VCB 0 VBE 0或VC VB VE 放大偏置时的电流分配与放大关系 1 IE IC IB 2 IC和IE IE基极电流的少量变化 IB可引起集电极电流 IC的较大变化 3 当IB 0时 IC ICEO 解释 BJT内部载流子的传输过程 发射区向基区注入电子 电子在基区中的扩散与复合 集电区收集扩散过来的电子 三BJT静态特性曲线 BJT静态特性曲线 是在伏安平面上作出的反映晶体管各极直流电流电压关系的曲线 BJT静态特性曲线用途 晶体三极管的组态 将晶体三极管视为双端口器件 分析其三种典型接法 称为组态 共基极接法 CB 共射接法 CE 共接接法 CC 共射输入特性曲线 共射输入特性曲线是以输出电压VCE为参变量 输入口基极电流iB随发射结电压vBE变化的曲线 共射输入特性曲线的特点 共射输出特性曲线共射输出特性曲线是在集电极电流IB一定的情况下 的输出回路中集电极与发射极之间的电压VCE与集电极电流IC之间的关系曲线 工作区域划分 1 放大区 线性区 条件 发射结正偏 集电结反偏对NPN管 VC VB VE特性 IC IB 2 截止区条件 发射结反偏对NPN管 VBVBE特性 IB增加 IC却不再增加 即IC IB 而且VCE很小 四 BJT的主要参数 1电流放大系数共发射极直流电流 交流电流放大系数例 书图3 1 7 b 为3DG6晶体三极管输出特性曲线 求它的共发射极直流电流 交流电流放大系数2极间反向电流 1 ICBO 2 ICEO3极限参数 3 2共发射极放大电路 一 共发射极基本放大电路教材图3 2 1T NPN型晶体管 放大的核心部件VCC 集电极回路直流电源提供集电结反偏RC 集电极负载电阻 作用 将iC转换成U0 反应在输出端VBB Rb 提供发射结正偏和合适的基极偏流C1 C2 隔直流通交流 二 组成原则 1 发射结正偏集电极反偏使T管处于放大状态 2 输入回路 Ui 产生ib控制ic 3 输出回路 使iC尽可能多流到RL上 减少其他支路的分流 4 保证放大电路工作正常 T处于放大状态 合理设置静态工作点Q 三 放大电路的性能指标 放大倍数 输入信号若为正弦波a 电压放大倍数 AV U0 UIUO 输出电压 有效值 UI 输入电压 有效值 电压增益 AV db 20lgAV分贝DBb 电流放大倍数AI IO II电流增益 AI db 20lgAI 分贝 c 功率放大倍数 功率增益20lgAp分贝Ap Po PI 2 最大输出幅度 U0MAX U0 U0PP 以正弦为例子 3 输入电阻 Ri4 输出电阻 Ro5 通频带BW Bf 四 放大电路的基本分析方法 分析方法 1 图解法 在特性曲线上用作图来进行分析2 微变等效电路法 在一定条件下等效为线性电路进行分析3 计算机仿真一 直流通路 交流通路电路分析的两种基本电路 1 直流通路 静态工作点分析 UBEQ UCEQ IBQ ICQ 2 交流电路 动态分析 AV ri r0 1 直流通路 直流信号通过的电路原则 遇C 视为开路遇L 视为短路 1 交流通路 交流信号通过的电路原则 遇C 充分大 近似视为短路遇L 充分大 近似视为开路直流电源 内阻小 近似为短路 3 3图解分析法 一 静态分析 静态工作点估算 从输入特性中知 晶体管导通时UBE变化很小 硅管 0 6 0 8V 锗管 0 1 0 3V 一般情况UBEQ 硅管 0 7V 锗管0 2V 1 从直流通路中 列KVL方程IBQ RB UBEQ EC 0IBQ EC UBEQ RB2 从晶体管电流分配关系ICQ IBQ3 从直流通路中 列负载回路的KVL方程ICQ RC UCEQ EC 0UCEQ EC ICQ RC 2 用图解法确定 点 1 给出输入特性 输出特性曲线2 画出直流通路 标出IBQ ICQ UBEQ UCEQ3 利用输入特性曲线来确定IBEQ和UBEQ基极偏置线 UBE EC IB RB与输入特性曲线的交点对应的IBQ UBEQ4 利用输出特性曲线来确定ICQ和UCEQ直流负载线 UCE EC IC RC与输出特性曲线中IBQ线的交点确定ICQ UCEQ 只给出输出特性曲线来确定UCEQ和ICQ1 估算IBQ及UBEQ2 利用输出特性曲线来确定ICQ UCEQ由估算的IBQ所对应的输出特性曲线与直流负载线的交点Q对应ICQ UCEQ 2 动态工作情况分析 利用输入特性画出iB uBE波形设输入为Ui UmSINwt mv uBE UBEQ uiiB IBQ IBMSINwt 2 利用输出特性画iC和uCE波形交流负载线a 空载时RL 交流负载线与直流负载线重合 动态工作点在交流负线上移动 斜率 1 RCuCE EC IC RC b RL不等于 放大电路的交流负载电阻RL RC RL交流负载线作法 过 点作一条斜率为 1 RL 的直线 3 非线性失真1 截止失真Q点过低 信号进入截止区 uo 放大电路产生截止失真 2 饱和失真Q点过高 信号进入饱和区 放大电路产生饱和失真 波形的失真 饱和失真 截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真 对于NPN管 输出电压表现为底部失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真 对于NPN管 输出电压表现为顶部失真 动态工作情况分析小结 Q点合适 Ui幅度过大 双向失真 截止 饱和失真 uo 可输出的最大不失真信号 选择静态工作点 3 4微变等效电路法 条件 指输入信号UI变化量小 即小信号 输入信号频率在低中频范围原因 根据输入 输出特性曲线在如上条件下 小信号 特性曲线近似直线性 可用等效的线性电路代替T管低中频 晶体管中结电容的影响极小 一 BJT的微变等效电路rbe称为BJT的输入电阻 它表示BJT的输入特性近似计算公式 rbe UBE IB rb 1 rerb 基区体电阻 re 发射击区体电阻rbe 200 1 B 26 mV IE mA rce称为BJT的输出电阻 rce uce ic IB 一般rce 10k可忽略 二 用H参数微变等效电路法分析共射极基本放大电路 画出放大电路的微变等效电路由BJT的微变等效电路和放大电路的交流通路可得出放大电路的微变等效电路 求电压增益AV AV UO UIUI IBRBE 1 空载时 RL U0 I ORC ICRCU0 IBRC所以AV UO UI IBRC IBRBE RC RB RL UO Io RL ICRL IBRL AV UO UI IBRL IBRBE RL RBE RC RL RBE 计算输入电阻和输出电阻 1 计算输入电阻RI UI IB RB RBE RBE 2 计算输出电阻当RL 时 向左看进去所以UI 0IB 0则 IB 0RO RC 3 5放大电路的工作点稳定问题 一 温度对工作点的影响1 ICBO VBE影响 T升 升 输出特性曲线间隔宽 Q点上移 饱和区 放大能力减弱 2 ICBO影响 T升 ICBO升 ICEO升 输出特性曲线向上平移 Q点向饱和区移动 放大能力减弱 硅管ICBO很少 影响可忽略 锗管ICBO很大 造成工作点不稳的主要因素 高温下应选硅管3 VBE影响 T升 VBE降 导通电压 输入特性曲线向左移动 IBQ升 工作点上移 ICQ不稳归上述 T升 Q点 饱和区移动T降 Q点 截止区移动 二 分压式射极偏置电路 电路应满足 IRb2 IBQUBQ UBEQ1 稳定工作点原理 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 稳定原理 T IC IE VE VB不变 VBE IB IC 负反馈控制 2 静态分析 算法 3 动态分析 交流通路 微变等效电路 Av Av ri rori Rb1 Rb2 rbe 1 Re ro Rc故Re Av 矛盾采用改进电路在Re上并联一大电容 交流旁路 CE交流旁路电容 RE射极直流负反馈电阻 有旁路电容CE Av ri Rb1 Rb2 rbero RC 如果电路如下图所示 如何分析 动态分析 交流通路 交流通路 微变等效电路 3 6共集电极放大电路和共基极放大电路 一 共集电极放大电路 静态工作点计算 直流通路EC RbIBQ IEQRe UBEQEC UCEQ ReIEQ 又IEQ 1 IBQIBQ EC UBEQ Rb 1 Re ICQ IBQUCEQ EC 1 IBQRe 动态分析 交流通路 微变等效电路 UI IBRBE IERL IBRBE IB 1 RL UO IERL 1 RL AV UO UI 1 RL RBE 1 RL 注 当 1 RL RBE时 AV 1说明共级电路 UO与UI同相 电压无放大作用 结论 1 U0与UI同相 2 V 1 电压无放大作用 电流有放大 就电压信号讲又称为射极跟随器 3 RI大 对前级影响小 对信号源索取电流小 4 RO小 带负载能力强 射极输出器的使用 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 二 共基极放大电路 静态工作点 直流通路 VB RB1 RB1 RB2 ECVB RBEQ IEQREIEQ UB UBEQ REIBQ IEQ 1 UCEQ EC ICQRC IEQRE EC IEQ RC RE 当IB很小则 动态分析 交流通路微变等效电路 结论 A 共基电路是同相放大器VO VI同相B 电压其有放大 电流不具有放大作用C输入电阻小可作为宽频带放大器 频率响应带 工作频率范围宽 三种电路比较 AVAIRIROUO与VI应用共基放大 1小大同相频率特性好应用于宽带放大共集 1放大大小同相多级放大的输入级 带负载能力的输出级共射放大放大中中反相实现阻抗变换的缓冲级 多级放大 3 7放大电路的频率响应 一 频率响应 简称为频响 的基本概念 频响问题的提出当输入信号的频率f在中频段时 有以下结论 增益A 常数当输入信号的频率f从低频变化到高频时增益A 上述问题的回答是 在全频段范围内 增益A A jf 放大器的增益是输入信号频率的函数放大器的频率响应实质是放大器对正弦输入信号的稳态响应 用其频率特性函数A j 来描述 本章到现在始终围绕着如何确定一个放大器中频段范围的大小来展开讨论的 也即A 常数的范围 放大器的中频带范围称为通频带 观察一组实验实验条件 输入信号Vi Vimsin tVim不变 改变 实验结论 是低频角频率 Vo缩小 是中频角频率 Vo放大 是高频角频率 Vo缩小实验表明 增益A A j 增益是频率的函数的原因 以单级共E组态放大器为例说明 C1 C2 CE F量级 称为大电容Cb e Cb cpF量级 称为小电容1 中频段大电容视为短路 小电容视为开路 放大器的交流通路是阻性网络 增益A 常数 2 低频段 大电容不能视为短路 小电容更能视为开路低频段放大器的交流通路含有大电容 如下图所示 大电容的存在使低频增益是频率的函数 在低频段 由于信号频率较低 偶合电容的容抗大 使实际送到BJT输入端的电压Ube比输入信号Ui小 故放大倍数要降低 同样 Ce的容抗不能忽略 有交流负反馈 也使放大倍数降低 3 高频段 大电容更能视为短路 小电容不能视为开路高频段放大器的交流通路含有小电容 如下图所示 二 频响指标和频率失真 频率特性函数A j 的描述定义 A j 的极坐标形式如下 其中 A j A 称为幅频特性 称为相频特性 频率响应特性指标 电容耦合放大器的频响特性曲线可定性描绘如下 fL和fH的定义 当信号频率降低或升高使得增益A 下降到中频增益A0的1 倍或0 707倍时对应的频率 分别称为增益的低端截止频率fL和高端截止频率fH 通频带 f0 7 fH fL fH通频带的其他叫法 3dB带宽半功率频带 放大器的频率失真 频率失真的含义也叫线性失真幅频失真和相频失真频率失真与非线性失真的异同相同点 都表现为输出波形发生畸变差异 频率失真的输出信号中不增加新的频率成分非线性失真的输出信号中增加了新的频率成分 3 8多级放大电路 多级放大电路的组成 微弱信号放大对多级放大器的要求 输入级 多级放大电路的第一级 要求输入电阻高小信号中间级 信号放大 提供足够大的放大倍数 由共射电路放大 输出级 功放 要求有很强带负载能力 由共集电极放大 推动极 小信号 大信号的缓冲及转换 耦合 在多级放大电路中 每两个单级放大电路之间的连接方式耦合方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合 多级放大电路对耦合电路要求 1 静态 保证各级Q点设置2 动态 传送信号 要求 波形不失真 减少压降损失 一 阻容耦合 定义 级一级之间用电容C耦合到下一级输入电阻上 特点 1 静态工作点相互独立 不影响2 设计方便3 无直流放大 C隔直流 及对 频率较低 缓慢变化的信号放作用不明显4 难于制成集成电路 性质 1 由于电容的隔直作用 各级放大器的静态工作点相互独立 分别估算 2 前一级的输出电压是后一级的输入电压 3 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻 4 总电压放大倍数 各级放大倍数的乘积 5 总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1 6 总输出电阻即为最后一级的输出电阻 变压器耦合 特点 1 静态工作点独立