第六章-半导体三极管及其放大电路.ppt

目录 6 5场效应管及放大电路 6 4放大电路的频率特性 6 3多级放大电路 6 1双极型三极管 6 2放大电路基础 一 三极管的基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 6 1双极型三极管 双极型三极管又称晶体管 简称三极管 是模拟电子电路的基本原件 也是构成放大电路的核心元件 三极管由两个PN结和三块掺杂半导体组成 E B间的PN结称为发射结 Je C B间的PN结称为集电结 Jc 从结构上看主要有两种类型 发射区 集电区 基区 发射极E 基极B 集电极C NPN型 PNP型 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 NPN型三极管 PNP型三极管 三极管的电路符号 硅管多为NPN型 锗管多为PNP型 三极管的工艺特点 二 三极管的电流控制作用 1 晶体管内部载流子的运动 1 发射 多子在发射区 自由电子 和基区 空穴 之间的扩散 2 扩散与复合 以NPN型三极管为例进行讨论 如图 发射结加正向电压 集电结加反向电压 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 基区空穴向发射区的扩散可忽略 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IB 多数扩散到集电结 3 收集 集电结反偏 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成IC 集电区少子形成的反向电流ICBO 直流电流放大系数 交流电流放大系数 2 三极管的电流控制作用 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 实验电路 三 三极管的特性曲线 三极管的特性曲线分输入和输出特性曲线 它反映了各电极电流和电压的关系 是三极管内部特性的外部表现 由此可反映三极管的性能 1 输入特性曲线 输入特性曲线描述了在管压降uCE一定的情况下 基极电流iB与发射结压降uBE之间的函数关系 即 a Uce 0V时 发射极与集电极短路 发射结与集电结均正偏 实际上是两个二极管并联的正向特性曲线 b 当Uce 1V时 Ucb Uce Ube 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 且基区复合减少 IC IB增大 特性曲线将向右稍微移动一些 但Uce再增加时 曲线右移很不明显 通常只画一条 非线性区 死区 线性区 正常工作区 发射极正偏NPNSi Ube 0 6 0 7VPNPGe Ube 0 2 0 3V 输入特性曲线描述了在基极电流IB一定的情况下 集电极极电流iC与管压降压降uCE之间的函数关系 即 2 输出特性曲线 输出特性曲线分三个区 截止区 放大区 饱和区 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 1 iC受uCE显著控制的区域 该区域内uCE的数值较小 一般uCE 0 7V 硅管 2 Uces 0 3V左右 截止区 发射结和集电结都截止 Ib 0的曲线的下方的区域Ib 0Ic IceoNPN Ube 0 5V 管子就处于截止状态 放大区 IC平行于Uce轴的区域 曲线基本平行等距 发射结正偏 集电结反偏 电压Ube大于0 7V左右 硅管 2 Ic Ib 即Ic主要受Ib的控制 3 输出特性三个区域的特点 放大区 发射结正偏 集电结反偏 即 IC IB 且 IC IB 2 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 即 UCE UBE IB IC UCE 0 3V UCES 3 截止区 UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 rce很大 一般忽略 四 三极管的微变等效电路 五 三极管的主要参数 1 直流参数 2 共基直流电流放大系数 1 共射直流电流放大系数 3 级间反向电流 b 集电极发射极间的穿透电流ICEOICEO和ICBO有如下关系ICEO 1 ICBO a 集电极基极间反向饱和电流ICBO 2 共基交流电流放大系数 1 共射交流电流放大系数 2 交流参数 3 特征频率fT 特征频率为使 的数值下降到1的信号频率fT 3 极限参数 3 极间反向击穿电压晶体管的某一电极开路时 另外两个电极所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压 2 最大集电极电流ICM 1 最大集电极耗散功PCM决定于晶体管的温升 六 温度对晶体管特性及参数的影响 3 温度对输出特性的影响温度升高时 增大集电极电流增大输出特性曲线上移输出特性曲线间距增大 温度对ICBO的影响温度每升高10 ICBO增加约一倍 UBE减小2 2 5mV 2 温度对输入特性的影响温度升时 正向特性将左移 反之将右移 1 放大的对象为变化量2 放大的本质是能量的控制和转换3 放大的基本特征是功率放大4 放大的前提是不失真5 电子电路中必须有能够控制能量的元件 即有源元件 6 2放大电路基础 对电信号进行放大的电路称放大电路 又称放大器 其种类繁多 特点不同 但基本原理相同 一 放大的概念 电子学中放大的目的是将微弱的变化信号 电流或电压 放大成较大的信号 以便进行观察 测量 控制或调节 因此 放大的本质是能量控制 放大电路的核心器件是三极管 本章所讲的主要是电压放大电路 放大电路可以看成一个两端口网络 左边为输入端口 当内阻为Rs的正弦波信号源Us作用时 放大电路得到输入电压Ui 同时产生输入电流Ii 右边为输出端口 输出电压为Uo 输出电流为Io RL为负载电阻 二 放大电路的性能指标 1 放大倍数 Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值 Au是复数 反映了输出和输入的幅值比与相位差 放大倍数是衡量放大电路能力的指标 包括电压放大倍数 电流放大倍数 功率放大倍数 主要讨论电压放大倍数Au 2 输入电阻Ri 放大电路一定要有前级 信号源 为其提供信号 那么就要从信号源索取电流 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数 输入电阻越大 从其前级取得的电流越小 对前级的影响越小 Ri Ui Ii 一般来说 Ri越大越好 ui就越接近uS 3 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 要求 负载开路 信号源短路 外加电源法求解 输入端正弦电压Ui 分别测量空载和输出端接负载RL的输出电压U o Uo 输出电阻越小越好 输出电阻愈小 带载能力愈强 如何确定电路的输出电阻Ro 步骤 1 所有的电源置零 将独立源置零 保留受控源 2 加压求流法 方法一 计算 方法二 测量 1 测量开路电压 2 测量接入负载后的输出电压 步骤 3 计算 4 通频带 通频带 fbw fH fL 放大倍数随频率变化曲线 通频带越宽 表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 5 非线性失真系数D 所有谐波总量与基波成分之比 即 6 最大不失真输出电压 在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压 或最大输出电流 可用峰 峰值 UOPP IOPP 表示 或有效值表示 Uom Iom 7 最大输出功率与效率 输出不产生明显失真的最大输出功率 用符号Pom表示 效率PV 直流电源消耗的功率 三 共射极放大电路 三极管放大电路有三种形式 共射放大器 共基放大器 共集放大器 以共射放大器为例讲解放大电路的工作原理 1 基本放大电路类型 符号规定 UA 大写字母 大写下标 表示直流量 uA 小写字母 大写下标 表示全量 ua 小写字母 小写下标 表示交流分量 分析原则 先静态后动态 2 共射放大电路的基本组成 放大元件iC iB 工作在放大区 要保证集电结反偏 发射结正偏 输入 输出 参考点 基极电源与基极电阻与三极管基极和发射极构成输入回路 作用 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点 信号从基极输入 集电极输出 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 耦合电容 电解电容 有极性 大小为10 F 50 F 作用 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 电路改进 实际的共射放大电路采用单电源供电 省去基极电源 3 放大电路的组成原则 a 必须有直流电源 而且电源极性应该与三极管类型配合 保证晶体管工作在放大区 发射结正偏 集电结反偏 b 电阻适当 且同电源配合 保证三极管有适宜的直流电流 为合理设置静态工作点提供条件 c 放大电路输入端与信号源及输出端应有正确连接 保证交流信号进得去出的来 即输入信号必须能够作用于放大管的输入回路 当负载接入时 必须保证放大管的输出回路的动态电流能够作用于负载 从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压 如何判断一个电路是否能实现放大 3 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 4 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 如果已给定电路的参数 则计算静态工作点来判断 如果未给定电路的参数 则假定参数设置正确 1 信号能否输入到放大电路中 2 信号能否输出 与实现放大的条件相对应 判断的过程如下 放大电路的分析方法 放大电路分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 计算机仿真 4 直流通路和交流通路 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号 既有直流成分 又有交流成分 形成交直流共存现象 分析非常复杂 但是 电容对交 直流的作用不同 如果电容容量足够大 可以认为它对交流不起作用 即对交流短路 而对直流可以看成开路 这样 交直流所走的通路是不同的 交直流信号可以分开分析计算 交流通路 只考虑交流信号的分电路 用于动态分析 Au Ri Ro直流通路 只考虑直流信号的分电路 用于静态分析 静态工作点 Q点 信号的不同分量可以分别在不同的通路分析 对直流信号 只有 UCC 交流信号短路 对交流信号 输入信号ui 直流电源短路 由于电源的存在IB 0 IC 0 IBQ ICQ IEQ IBQ ICQ 5 静态分析 图解法和估算法 静态 交流输入信号为零时的状态 又称直流工作状态 此时 三极管各处电流和电压称静态工作点 Q点 IBQ UBEQ UCEQ ICQ IEQ IBQ UBEQ 和 ICQ UCEQ 分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点 1 图解法 在输入特性曲线上估算IBQ 在输出特性曲线上 与IBQ对应的输出特性曲线与直流负载线 UCE UCC ICRC 的交点就是Q点 由于输入特性曲线不易测量 IBQ通常采用估算法 1 根据直流通路估算IBQ 由直流通路的输入回路列方程求解静态工作点 2 估算法 常用 2 根据直流通路估算UCEQ IBQ ICQ UCEQ 例 图示单管共射放大电路及特性曲线中 已知Rb 280k Rc 3k 集电极直流电源VCC 12V 试用图解法确定静态工作点 解 首先估算IBQ 做直流负载线 确定Q点 根据UCEQ VCC ICQRc iC 0 uCE 12V uCE 0 iC 4mA 0 iB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 3 4 2 2 4 6 8 10 12 M IBQ 40 A ICQ 2mA UCEQ 6V uCE V 由Q点确定静态值为 iC mA 6 动态分析 图解法和微变等效电路法 用于分析动态参数 1 交流通路 输出回路的外电路是Rc和RL的并联 2 交流负载线 过Q点 交流负载线斜率为 动态 放大电路接入交流输入信号后电路的工作状态 用交流通路 直流信号短路 一 图解法 3 动态工作情况图解分析 假设uBE在静态工作点的基础上有一微小的变化ui uCE怎么变化 输出回路工作情况分析 过Q点作一条斜率为的直线 4 波形非线性失真情况分析 a 静态工作点过低 引起iB iC uCE的波形失真 ib ui 结论 iB波形失真 截止失真 在放大电路中 输出信号应该成比例地放大输入信号 即线性放大 如果两者不成比例 则输出信号不能反映输入信号的情况 放大电路产生非线性失真 iC uCE uo 波形失真 NPN管截止失真时的输出uo波形 uo波形顶部失真 截止失真又称顶部失真 uo uce b 静态工作点过高 引起iB iC uCE的波形失真 结论 iB波形不失真 饱和失真 iC uCE uo 波形失真 NPN管饱和失真时的输出uo波形底部失真 饱和失真又称底部失真 为了得到尽量大的输出信号 要把Q设置在交流负载线的中间部分 如果Q设置不合适 信号进入截止区或饱和区 则造成非线性失真 5 用图解法分析电路参数对静态工作点的影响 a 改变Rb 保持VCC Rc 不变 Rb增大 Rb减小 Q点下移 Q点上移 b 改变UCC 保持Rb Rc 不变 升高UCC 直流负载线平行右移 动态工作范围增大 但管子的动态功耗也增大 Q2 c 改变Rc 保持Rb UCC 不变 d 改变 保持Rb Rc UCC不变 增大Rc 直流负载线斜率改变 则Q点向饱和区移近 Q2 增大 ICQ增大 UCEQ减小 则Q点移近饱和区 图解法小结 1 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系 2 方便估算最大输出幅值的数值 3 可直观表示电路参数对静态工作点的影响 4 有利于对静态工作点Q的检测等 5 计算复杂 误差大 1 三极管的微变等效电路 rbe的量级从几百欧到几千欧 二 微变等效电路法 2 放大电路的微变等效电路 将交流通道中的三极管用微变等效电路代替 3 动态参数的计算 特点 负载电阻越小 放大倍数越小 1 电压放大倍数Au 2 输入电阻的计算 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的的输入电阻 3 输出电阻的计算 对于负载而言 放大电路相当于信号源 可以将它进行戴维南等效 戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 计算输出电阻的方法 信号源置零 负载开路保留受控源 外加电源法 解 1 求Q点 作直流通路 1 试求该电路的静态工作点 2 画出小信号等效电路 3 求该电路的电压放大倍数Au 输出电阻Ro 输入电阻Ri 例如图 已知三极管的 100 UBE 0 7V 2 画出微变等效电路 3 求电压放大倍数 200 1 100 26 4 865 4 求输入电阻 5 求输出电阻 Ro Rc 2K 微变等效电路法的步骤 归纳 1 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q 2 求出静态工作点处的微变等效电路参数rbe 3 画出放大电路的微变等效电路 可先画出三极管的等效电路 然后画出放大电路其余部分的交流通路 4 列出电路方程并求解 四 静态工作点稳定电路 为了保证放大电路的稳定工作 必须有合适的 稳定的静态工作点 三极管是一种对温度十分敏感的元件 温度变化对管子参数的影响主要表现有 1 UBE改变 UBE的温度系数约为 2mV C 即温度每升高1 C UBE约下降2mV 2 改变 温度每升高1 C 值约增加0 5 1 温度系数分散性较大 3 ICBO改变 温度每升高10 C ICBQ大致将增加一倍 说明ICBQ将随温度按指数规律上升 对于基本共射放大电路而言 静态工作点由UBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面 1 温度对UBE的影响 2 温度对 值及ICEO的影响 常采用分压式偏置共射放大电路来稳定静态工作点 为此 需要改进偏置电路 当温度升高时 能够自动减少IB 从而减小IC 来抑制Q点的变化 保持Q点基本稳定 电路设计时 选择适当参数使 I2 5 10 IB I1 I2 IB I2 RE射极直流负反馈电阻 CE交流旁路电容 分压式偏置共射电路 UB UBE UB UE UB IERE UB被认为较稳定 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 1 静态工作点稳定的原理 电路设计时 选择适当参数使I2 5 10 IB I1 I2 IB I2 IBQ ICQ UCEQ UCC ICQRC IEQRE UCC ICQ RC RE ICQ IEQ UE RE UB UBEQ RE 硅管UBEQ 0 7V 电容开路 画出直流通路 2 静态分析 Q点与基本共射放大电路不同 交流通路 微变等效电路 3 动态分析 电容短路 直流电源短路 画出交流通路 动态参数 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻的计算 Ri RB1 RB2 rbe Ro RC 动态参数表达式与基本共射放大电路基本相同 例 上述静态工作点稳定的放大电路中 各参数如下 RB1 100k RB2 33k RE 2 5k RC 5k RL 5k 60 求 1 估算静态工作点 2 空载电压放大倍数 带负载电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 3 若信号源有RS 1k 的内阻 带负载电压放大倍数将变为多少 RB1 100k RB2 33k RE 2 5k RC 5k RL 5k 60EC 15V 解 1 估算静态工作点 直流通路 ICQ IEQ UE RE UB UBEQ RE 3 7 0 7 2 5 1 2mA IBQ ICQ 1 2 60 0 02mA 20 A UCEQ UCC ICQRC IEQRE 12 1 2 5 2 5 6V RB1 100k RB2 33k RE 2 5k RC 5k RL 5k 60EC 15V 解 2 空载电压放大倍数 带负载电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 Ri RB1 RB2 rbe 100 33 1 62 1 52k Ro RC 5k RB1 100k RB2 33k RE 2 5k RC 5k RL 5k 60EC 15V 解 3 信号源有RS 1k 的内阻时 带负载电压放大倍数为Aus载 信号源内阻为RS时的电压放大倍数 Aus载 56 Au载 93 信号源有内阻时 电压放大倍数Aus减小 输入电阻越大 若Ri RS 则Aus Au CE的作用 交流通路中 CE将RE短路 RE对交流不起作用 放大倍数不受影响 问题1 如果去掉CE 电路如何分析 参数怎样 静态分析 去掉CE 直流通路不变 静态工作点不变 去掉CE后的交流通路和微变等效电路 动态分析 用加压求流法求输出电阻 信号源短路 负载开路 可见 去掉CE后 放大倍数减小 输出电阻不变 但输入电阻增大了 问题2 如果电路如下图所示 如何分析 直流通路 先静态后动态 静态分析 动态分析 交流通路 微变等效电路 上例电路变为下图 若RF 100 再求静态与动态参数 RB1 100k RB2 33k RE 2 4k RC 5k RL 5k 60UCC 15V RE 2 4k RF 100 静态分析 直流通路及静态工作点 RE和RF共同起直流负反馈的作用 稳定静态工作点 因RE RF 2 5k 所以较上述电路静态工作点不变 动态分析 微变等效电路及电压放大倍数 RB1 100k RB2 33k RE 2 4k RF 100 RC 5k RL 5k 60EC 15V 微变等效电路及输入电阻输出电阻 输出电阻RO RC 输人电阻 Ri Ui Ii RB1 RB2 rbe 1 RF 5 9k 对比Ri RB1 RB2 rbe