模拟电子技术模电之三极管和基本放大电路精选ppt课件.pptVIP

4双极结型三极管及放大电路基础 4 1BJT 4 3放大电路的分析方法 4 4放大电路静态工作点的稳定问题 4 5共集电极放大电路和共基极放大电路 4 2基本共射极放大电路 4 6组合放大电路 4 7放大电路的频率响应 4 1BJT 半导体三极管 4 1 1BJT的结构简介 4 1 2放大状态下BJT的工作原理 4 1 3BJT的V I特性曲线 4 1 4BJT的主要参数 4 1 5温度对BJT参数及特性的影响 4 1双极型三极管BJT 一个PN结 二极管 单向导电性 二个PN结 三极管 电流放大 控制 4 1 1BJT的结构简介 a 小功率管 b 小功率管 c 大功率管 d 中功率管 三极管的不同封装形式 金属封装 塑料封装 中功率管 半导体三极管的结构有两种类型 NPN型和PNP型 4 1 1BJT的结构简介 1 NPN型 NPN管的电路符号 2 PNP型 PNP管的电路符号 正常放大时外加偏置电压的要求 发射区向基区注入载流子 集电结应加反向电压 反向偏置 发射结应加正向电压 正向偏置 集电区从基区接受载流子 4 1 2放大状态下BJT的工作原理 2 电子在基区中的扩散与复合 IBN 3 集电区收集扩散过来的电子 ICN 另外 基区集电区本身存在的少子 在集电结上存在漂移运动 由此形成电流ICBO 三极管内有两种载流子参与导电 故称此种三极管为双极型三极管 记为BJT BipolarJunctionTransistor 1 三极管内载流子的传输过程 发射区 发射载流子集电区 收集载流子基区 传送和控制载流子 放大状态下BJT中载流子的传输过程 2 电流分配关系 根据传输过程可知 IC ICN ICBO 通常IC ICBO IE IB IC 放大状态下BJT中载流子的传输过程 所以IC IE ICBO 且令 整理得 3 三极管的三种组态 c 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 b 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 a 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 BJT的三种组态 集电结应加反向电压 反向偏置 发射结应加正向电压 正向偏置 共基极放大电路 4 放大作用 电压放大倍数 vO iC RL 0 98V 共基极放大电路只实现电压放大 电流不放大 控制作用 两个要点 特性曲线是指各电极之间的电压与电流之间的关系曲线 将BJT看作一双口网络 我们主要考察 输入特性曲线 输出特性曲线 4 1 3BJT的V I特性曲线 iB f vBE vCE const 2 当vCE 1V时 vCB vCE vBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 同样的vBE下iB减小 特性曲线右移 当vCE 1V时 保持vBE不变 发射区扩散到基区电子数目不变 曲线基本重合 1 当vCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 1 输入特性曲线 以共射极放大电路为例 共射极连接 饱和区 vCE很小 iC iB 三极管如同工作于短接状态 一般vCE vBE 此管压降称为饱和压降 此时 发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 iC f vCE iB const 2 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 截止区 iB 0 iC iCEO 0 三极管如同工作于断开状态 此时 vBE小于死区电压 放大区 vBE Vth vCE反电压大于饱和压降 此时 发射结正偏 集电结反偏 再次注意 管子正常工作时 0 7V 硅管 0 2V 锗管 1 共射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 1 电流放大系数 4 1 4BJT的主要参数 与iC的关系曲线 2 共射极交流电流放大系数 iC iB vCE const 在iC一定范围内为常数 3 共基极直流电流放大系数 IC ICBO IE IC IE 4 共基极交流电流放大系数 iC iE vCB const 当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 与 间的关系 2 极间反向电流 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 集电结的反向饱和电流 与单个PN结的反偏电流相同 T一定时为常数 取决于温度和少子浓度 ICBO越小越好 小功率硅管 1 A 小功率锗管10 A左右 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO 1 ICBO ICEO越小越好 小功率硅管几微安以下 小功率锗管几十微安以上 温度变化大的场合宜选用硅管 1 集电极最大允许电流ICM 三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流 不宜过小 2 集电极最大允许功率损耗PCM PCM ICVCE 3 极限参数 PCM值与环境温度有关 温度愈高 则PCM值愈小 当超过此值时 管子性能将变坏或烧毁 结温 硅管150 C 锗管70 C 3 反向击穿电压 V BR CBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 V BR EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系V BR CBO V BR CEO V BR EBO 4 1 5温度对BJT参数及特性的影响 1 温度对ICBO的影响 温度每升高10 ICBO约增加一倍 2 温度对 的影响 温度每升高1 值约增大0 5 1 3 温度对反向击穿电压V BR CBO V BR CEO的影响 温度升高时 V BR CBO和V BR CEO都会有所提高 2 温度对BJT特性曲线的影响 1 温度对BJT参数的影响 end 1 测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图P1 9所示 在圆圈中画出管子 并说明它们是硅管还是锗管 4 2基本共射极放大电路 4 2 1基本共射极放大电路的组成 4 2 2基本共射极放大电路的工作原理 基本放大电路 共射极放大电路 静态工作点Q IB IC VCE 电压增益Av 输入电阻Ri 共集电极放大电路 共基极放大电路 分析方法 图解法 小信号模型分析法 待求量 输出电阻Ro 4 2 1基本共射极放大电路的组成 VBB Rb 使发射极正偏 并提供合适的基极偏置电流 VCC 通过Rc使T集电极反偏 三极管T起放大作用 RC 将集电极电流信号转换为电压信号 限流 分析方法 叠加前提 BJT工作在线性放大区 4 2 2基本共射极放大电路的工作原理 1 静态 直流工作状态 输入信号vs 0时 放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态 直流通路 电容开路 所有电量大写 画直流通路原则 短路 开路 电流关系 直流通路 VCEQ VCC ICQRc 硅 VBEQ 0 7V锗 VBEQ 0 2V IB IC和VCE是静态工作状态的三个量 用Q表示 称为静态工作点Q IBQ ICQ VCEQ VCEQ VCC ICQRc 5 9V 2 动态 输入正弦信号vs后 电路将处在动态工作情况 此时 BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化 三极管放大作用 s 控制 v c R 且 s v 电容短路 所有电量小写 画交流通路原则 短路 交流通路 分析动态参数时 使用交流通路 4 3放大电路的分析方法 4 3 1图解分析法 4 3 2小信号模型分析法 1 静态工作点的图解分析 2 动态工作情况的图解分析 3 静态工作点对波形失真的影响 4 图解分析法的适用范围 1 BJT的H参数及小信号模型 2 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 3 小信号模型分析法的适用范围 4 3 1图解分析法 1 静态工作点的图解分析 vS 0 求Q IBQ ICQ和VCEQ 线性 线性 非线性 1 输入回路 线性部分 非线性部分 称为输入直流负载线 2 输出回路 非线性部分 得出Q IBQ ICQ VCEQ 线性部分 称为输出直流负载线 2 动态工作情况的图解分析 2 动态工作情况的图解分析 共射极放大电路中的电压 电流波形 1 vi vBE iB iC vCE vo 2 vo与vi相位相反 3 可测量出放大电路的电压增益 3 静态工作点对波形失真的影响 Q点过低 截止失真 Q点过高 饱和失真 最大不失真输出幅度的获取 Q点较高 Q点不允许动 上取到饱和区 下取等长度 Q点较低 下取到截止区 上取等长度 Q点允许动 把Q点取到负载线的中间 例1一个实际的单管放大电路 C1 C2 耦合电容 RL 负载电阻 Rb 300K RC 4K VCC 12V 基极直流电源和集电极直流电源合并 耦合电容 阻容耦合共射放大电路 1 静态 直流工作状态 输入信号vs 0时 放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态 直流通路 电容开路 所有电量大写 画直流通路原则 短路 开路 电容短路 所有电量小写 画交流通路原则 短路 交流通路 分析动态参数时 使用交流通路 a 直流通路 b 交流通路 1 静态工作情况 得出Q IBQ ICQ VCEQ Q 40 A 1 5mA 6V 称为交流负载线 2 动态工作情况 1 从Q点做一条斜率为 1 R L 的直线 作法 2 截距法 可得如下结论 直流负载线和交流负载线相交于Q点 不接RL时 两根线重合 R L RC 即交流负载线比直流负载线陡 相同输入电压条件下 带负载后输出电压幅度下降 电压放大倍数下降 4 图解分析法的适用范围 幅度较大而工作频率不太高的情况 优点 直观 形象 有助于建立和理解交 直流共存 静态和动态等重要概念 有助于理解正确选择电路参数 合理设置静态工作点的重要性 能全面地分析放大电路的静态 动态工作情况 缺点 不能分析工作频率较高时的电路工作状态 也不能用来分析放大电路的输入电阻 输出电阻等动态性能指标 主讲人 谌雨章课程名称 模拟电子电路时间 2013年5月7日 周二 第3节 9 50 10 35 地点 3号教学楼206教室 4 3 2小信号模型分析法 1 BJT的H参数及小信号模型 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 建立小信号模型 就是将非线性器件做线性化处理 从而简化放大电路的分析和设计 1 BJT的H参数及小信号模型 H参数的引出 在小信号情况下 对上两式取全微分得 用小信号交流分量表示 vbe hieib hrevce ic hfeib hoevce 对于BJT双口网络 已知输入输出特性曲线如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 可以写成 BJT双口网络 输出端交流短路时的输入电阻 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数 输入端交流开路时的反向电压传输比 输入端交流开路时的输出电导 其中 四个参数量纲各不相同 故称为混合参数 H参数 1 BJT的H参数及小信号模型 H参数的引出 1 模型的建立 H参数模型 2 模型中的主要参数 表示三极管的电流放大作用 hie为输入电阻 即rbe hre为电压反馈系数 即 r hfe为电流放大系数 即 hoe为输出电导 即1 rce 注意 H参数都是小信号参数 即微变参数或交流参数 H参数与工作点有关 在放大区基本不变 H参数都是微变参数 所以只适合对交流信号的分析 1 ib和 rvce都是受控源 只表示电流电压间的控制作用 2 应注意受控源的方向问题 模型的简化 hre和hoe都很小 常忽略它们的影响 BJT在共射极连接时 其H参数的数量级一般为 H参数的确定 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 一般用公式估算 rbe rbb 1 re 其中对于低频小功率管基区体电阻rbb 200 仅与惨杂浓度和制造工艺相关 则 发射结电阻 1 画小信号等效电路 H参数小信号等效电路 2 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 3 求放大电路动态指标 根据 则电压增益为 可作为公式 电压增益 H参数小信号等效电路 2 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 3 求放大电路动态指标 输入电阻 输出电阻 3 小信号模型分析法的适用范围 放大电路的输入信号幅度较小 BJT工作在其V T特性曲线的线性范围 即放大区 内 H参数的值是在静态工作点上求得的 所以 放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关 优点 分析放大电路的动态性能指标 Av Ri和Ro等 非常方便 且适用于频率较高时的分析 4 3 2小信号模型分析法 缺点 在BJT与放大电路的小信号等效电路中 电压 电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量 交流量 而言的 不能用来分析计算静态工作点 共射极放大电路 放大电路如图所示 已知BJT的 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k 时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 忽略BJT的饱和压降 解 1 2 当Rb 100k 时 静态工作点为Q 40 A 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 其最小值也只能为0 即IC的最大电流为 所以BJT工作在饱和区 VCE不可能为负值 此时 Q 120uA 6mA 0V 例题 end 4 4放大电路静态工作点的稳定问题 4 4 1温度对静态工作点的影响 4 4 2射极偏置电路 1 基极分压式射极偏置电路 2 含有双电源的射极偏置电路 3 含有恒流源的射极偏置电路 1 共射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 1 电流放大系数 4 1 4BJT的主要参数 与iC的关系曲线 2 共射极交流电流放大系数 iC iB vCE const 在iC一定范围内为常数 3 共基极直流电流放大系数 IC ICBO IE IC IE 4 共基极交流电流放大系数 iC iE vCB const 当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 与 间的关系 2 极间反向电流 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 集电结的反向饱和电流 与单个PN结的反偏电流相同 T一定时为常数 取决于温度和少子浓度 ICBO越小越好 小功率硅管 1 A 小功率锗管10 A左右 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO 1 ICBO ICEO越小越好 小功率硅管几微安以下 小功率锗管几十微安以上 温度变化大的场合宜选用硅管 1 集电极最大允许电流ICM 三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流 不宜过小 2 集电极最大允许功率损耗PCM PCM ICVCE 3 极限参数 PCM值与环境温度有关 温度愈高 则PCM值愈小 当超过此值时 管子性能将变坏或烧毁 结温 硅管150 C 锗管70 C 3 反向击穿电压 V BR CBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 V BR EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系V BR CBO V BR CEO V BR EBO 4 1 5温度对BJT参数及特性的影响 1 温度对ICBO的影响 温度每升高10 ICBO约增加一倍 2 温度对 的影响 温度每升高1 值约增大0 5 1 3 温度对反向击穿电压V BR CBO V BR CEO的影响 温度升高时 V BR CBO和V BR CEO都会有所提高 2 温度对BJT特性曲线的影响 1 温度对BJT参数的影响 end 4 4 1温度对静态工作点的影响 4 1 6节讨论过 温度上升时 BJT的反向电流ICBO ICEO及电流放大系数 或 都会增大 而发射结正向压降VBE会减小 这些参数随温度的变化 都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加 ICQ IBQ ICEO 从而使Q点随温度变化 负反馈电路 要想使ICQ基本稳定不变 就要求在温度升高时 电路能自动地适当减小基极电流IBQ 措施 1 元件 温度系数好2 环境 恒温3 电路 负反馈 补偿 4 4 2射极偏置电路 1 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 T IC IE VE VB不变 VBE IB 反馈控制 1 基极分压式射极偏置电路 a 原理电路 b 直流通路 b点电位基本不变的条件 I1 IBQ 此时 VBQ与温度无关 VBQ VBEQ 一般取I1 5 10 IBQ VBQ 3 5V 1 基极分压式射极偏置电路 1 稳定工作点原理 1 基极分压式射极偏置电路 2 放大电路指标分析 静态工作点 电压增益 画小信号等效电路 2 放大电路指标分析 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 画小信号等效电路 确定模型参数 已知 求rbe 增益 2 放大电路指标分析 可作为公式用 输入电阻 则输入电阻 放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻 2 放大电路指标分析 输出电阻 输出电阻 求输出电阻的等效电路 其中 2 放大电路指标分析 电路如图所示 晶体管 100 100 1 求电路的Q点 和 2 若改用 200的晶体管 则Q点如何变化 1 静态分析 动态分析 2 200时 不变 不变 减小 不变 2 含有双电源的射极偏置电路 1 阻容耦合 静态工作点 2 含有双电源的射极偏置电路 2 直接耦合 3 含有恒流源的射极偏置电路 静态工作点由恒流源提供 end 4 5共集电极放大电路和共基极放大电路 4 5 1共集电极放大电路 4 5 2共基极放大电路 4 5 3放大电路三种组态的比较 4 5 1共集电极放大电路 1 静态分析 共集电极电路结构如图示 该电路也称为射极输出器 得 直流通路 小信号等效电路 4 5 1共集电极放大电路 2 动态分析 交流通路 4 5 1共集电极放大电路 2 动态分析 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 其中 一般 则电压增益接近于1 电压跟随器 4 5 1共集电极放大电路 2 动态分析 输入电阻 时 输入电阻大 输出电阻 由电路列出方程 其中 则输出电阻 时 输出电阻小 4 5 1共集电极放大电路 2 动态分析 4 5 1共集电极放大电路 4 5 2共基极放大电路 1 静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同 2 动态指标 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 交流通路 小信号等效电路 输入电阻 输出电阻 2 动态指标 小信号等效电路 4 5 3放大电路三种组态的比较 1 三种组态的判别 以输入 输出信号的位置为判断依据 信号由基极输入 集电极输出 共射极放大电路信号由基极输入 发射极输出 共集电极放大电路信号由发射极输入 集电极输出 共基极电路 2 三种组态的比较 3 三种组态的特点及用途 共射极放大电路 电压和电流增益都大于1 输入电阻在三种组态中居中 输出电阻与集电极电阻有很大关系 适用于低频情况下 作多级放大电路的中间级 共集电极放大电路 只有电流放大作用 没有电压放大 有电压跟随作用 在三种组态中 输入电阻最高 输出电阻最小 频率特性好 可用于输入级 输出级或缓冲级 共基极放大电路 只有电压放大作用 没有电流放大 有电流跟随作用 输入电阻小 输出电阻与集电极电阻有关 高频特性较好 常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合 模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能 4 5 3放大电路三种组态的比较 end 4 6组合放大电路 4 6 1共射 共基放大电路 4 6 2共集 共集放大电路 4 6 1共射 共基放大电路 共射 共基放大电路 4 6 1共射 共基放大电路 其中 所以 因为 因此 组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积 前一级的输出电压是后一级的输入电压 后一级的输入电阻是前一级的负载电阻RL 电压增益 4 6 1共射 共基放大电路 输入电阻 输出电阻 Ro Rc2 T1 T2构成复合管 可等效为一个NPN管 a 原理图 b 交流通路 4 6 2共集 共集放大电路 4 6 2共集 共集放大电路 1 复合管的主要特性 两只NPN型BJT组成的复合管 两只PNP型BJT组成的复合管 rbe rbe1 1 1 rbe2 4 6 2共集 共集放大电路 1 复合管的主要特性 PNP与NPN型BJT组成的复合管 NPN与PNP型BJT组成的复合管 rbe rbe1 4 6 2共集 共集放大电路 end 2 共集 共集放大电路的Av Ri Ro 式中 1 2rbe rbe1 1 1 rbe2R L Re RL Ri Rb rbe 1 R L 4 7放大电路的频率响应 4 7 1单时间常数RC电路的频率响应 4 7 2BJT的高频小信号模型及频率参数 4 7 3单级共射极放大电路的频率响应 4 7 4单级共集电极和共基极放大电路的高频响应 4 7 5多级放大电路的频率响应 研究放大电路的动态指标 主要是增益 随信号频率变化的响应 增益的大小和相位随频率的变化 幅频响应相频响应每只电容只对频谱一段影响较大 中频 耦合电容短路 极间电容开路 低频 耦合电容不能短路 增益随频率降低减小 相移减小 高频 极间电容不能开路 增益随频率增加减小 相移增大 4 7 1单时间常数RC电路的频率响应 1 RC低通电路的频率响应 电路理论中的稳态分析 RC电路的电压增益 传递函数 则 且令 又复变量 电压增益的幅值 模 幅频响应 电压增益的相角 相频响应 增益频率函数 RC低通电路 最大误差 3dB 频率响应曲线描述 1 RC低通电路的频率响应 2 RC高通电路的频率响应 RC电路的电压增益 输出超前输入 RC高通电路 4 7 2BJT的高频小信号模型及频率参数 1 BJT的高频小信号模型 模型的引出 rb e 发射结电阻re归算到基极回路的电阻 发射结电容 集电结电阻 集电结电容 rbb 基区的体电阻 b 是假想的基区内的一个点 互导 BJT的高频小信号模型 发射结电压对受控电流的控制能力 简化模型 混合 型高频小信号模型 1 BJT的高频小信号模型 2 BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 低频时 混合 模型与H参数模型等价 又因为 2 BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 低频时 混合 模型与H参数模型等价 3 BJT的频率参数 由H参数可知 即 根据混合 模型得 低频时 所以 电容会对BJT的电流放大系数产生频率效应 令 的幅频响应 共发射极截