第四章三极管及放大电路基础..ppt

4 1半导体三极管 BJT 4 2共射极放大电路 4 3图解分析法 4 4小信号模型分析法 4 5放大电路的工作点稳定问题 4 6共集电极电路和共基极电路 4 7放大电路的频率响应 4半导体三极管及放大电路基础 4 1 1BJT的结构简介 4 1半导体三极管 BJT 4 1 2BJT的电流分配与放大原理 4 1 3BJT的特性曲线 4 1 4BJT的主要参数 晶体三极管的发明 4 1 1BJT的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图04 1 01所示 它有两种类型 NPN型和PNP型 两种类型的三极管 发射结 Je 集电结 Jc 基极 用B或b表示 Base 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 结构特点 硅平面NPN管结构 三极管具有放大作用的内部条件 二氧化硅保护膜 B E 1外加电压 4 1 2BJT的电流分配与放大原理 发射结正向偏置 集电结反向偏置 NPN型直流偏置电路 VEE VCC VC VB VE 晶体三极管 载流子运动过程 1 发射 发射区掺杂浓度高 IE VEE VCC IB IC 同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动 形成的电流为IEP e b c N P N 但其数量小 可忽略 所以发射极电流IE IEN 2 复合 基区参杂浓度很低 IE VEE VCC IB IC 晶体三极管 载流子运动过程 发射区的电子注入基区后 少数将与基区的空穴复合掉 形成IBN e b c N P N 3 收集 集电区面积大 集电区及基区的少数载流子形成的反向饱和电流ICBO 可忽略 因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成电流ICN IE VEE VCC IB IC 晶体三极管 载流子运动过程 e b c N P N 载流子运动过程的动画演示 2 三极管的三种组态 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 BJT的三种组态 3 电流分配关系 根据传输过程可知 IC ICn ICBO 通常IC ICBO IE IB IC IE VEE VCC IB IC e b c N P N 根据 IE IB IC IC InC ICBO 且令 3 电流分配关系 可见 无论哪种连接方式 BJT在发射结正偏 集电结反偏且电流放大系数不变时 输出电流都正比与输入电流 如果能控制输入电流 就能控制输出电流 因此BJT为电流控制器件 3 电流分配关系 4 放大作用 若 vI 20mV 使 当 则 电压放大倍数 VEE VCC VEB IB IE IC vI vEB iC iE iB iE 1mA iC iE 0 98mA vO iC RL 0 98V 0 98时 综上所述 三极管的放大作用 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输 然后到达集电极而实现的 实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 集电区面积大 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 4 1 2BJT的电流分配与放大原理 vCE 0V 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 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 4 1 3BJT的特性曲线 以共射极放大电路为例 3 输入特性曲线的三个部分 死区 非线性区 线性区 1 输入特性曲线 4 1 3BJT的特性曲线 iC f vCE iB const 2 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 4 1 3BJT的特性曲线 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 发射结和集电结均为反偏 发射结和集电结均为正偏 例1 4 1 4BJT的主要参数 1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 1 电流放大系数 2 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 4 1 4BJT的主要参数 1 电流放大系数 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 4 1 4BJT的主要参数 1 电流放大系数 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO 1 ICBO 2 极间反向电流 ICEO 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 4 1 4BJT的主要参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM PCM ICVCE 3 极限参数 4 1 4BJT的主要参数 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 3 极限参数 4 1 4BJT的主要参数 由PCM ICM和V BR CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区 过电流区和击穿区 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 思考题 end 半导体三极管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下 3DG110B 第二位 A锗PNP管 B锗NPN管 C硅PNP管 D硅NPN管 第三位 X低频小功率管 D低频大功率管 G高频小功率管 A高频大功率管 K开关管 材料 器件的种类 同种器件型号的序号 同一型号中的不同规格 三极管 双极型三极管的参数 注 为f 1 既然BJT具有两个PN结 可否用两个二极管相联以构成一只BJT 试说明其理由 思考题 2 能否将BJT的e c两个电极交换使用 为什么 3 BJT是电流控制器件 还是电压控制器件 end 4 放大电路输出端增加的能量是从哪里来的 4 2共射极放大电路 电路组成 简化电路及习惯画法 简单工作原理 放大电路的静态和动态 直流通路和交流通路 1 组成 画法及工作原理 基本共射极放大电路 电路的特点是交直流共存 在分析计算时常将直流和交流分开进行 分析直流时 可将交流源置0 分析交流时 可将直流源置0 总的响应是两个单独响应的叠加 IB IC VBE VCE直流分量 ib ic vbe vce交流分量 iB iC vBE vCE总量 Ib Ic Vbe Vce交流分量有效值 各种符号关系 1 直流通路 电容C1 C2视为开路 为了使三极管工作在放大区 通常要求 2 直流通路和交流通路 2 交流通路 电容C1 C2视为短路 电阻RB保证了输入信号有效地加入到BJT的输入端 电阻RC保证放大后的信号从电路中顺利输出 3 组成原则 外加直流电源的极性必须使三极管的发射结正偏 集电结反偏 电阻的阻值要选择合适 以保证三极管工作在放大区 输入回路的接法应该使输入电压的变化量能传送到三极管的基极回路 并使基极电流产生相应的变化量 输出回路的接法应使集电极电流的变化量能转化成集电极电压的变化量 并传送到电路的输出端 1 静态 直流工作状态 输入信号vi 0时 放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态 静态是放大电路工作的基础 3 放大电路的静态和动态 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 动态是放大的对象和预期的结果 分析放大电路 静态工作情况 动态工作情况 确定静态工作点 研究放大电路的性能指标 分析放大电路的两种方法 图解分析法 小信号模型分析法 思考题 1 下列a f电路哪些具有放大作用 end 4 3图解分析法 用近似估算法求静态工作点 用图解分析法确定静态工作点 交流通路及交流负载线 输入交流信号时的图解分析 BJT的三个工作区 输出功率和功率三角形 4 3 1静态工作情况分析 4 3 2动态工作情况分析 共射极放大电路 4 3 1静态工作情况分析 1 用近似估算法求静态工作点 根据直流通路可知 采用该方法 必须已知三极管的 值 一般硅管VBEQ 0 7V 锗管VBEQ 0 2V 采用该方法分析静态工作点 必须已知三极管的输入输出特性曲线 共射极放大电路 2 用图解分析法确定静态工作点 首先 画出直流通路 4 3 1静态工作情况分析 列输入回路方程 VBE VCC IBRb 列输出回路方程 直流负载线 VCE VCC ICRc 在输入特性曲线上 作出直线VBE VCC IBRb 两线的交点即是Q点 得到IBQ 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 4 3 2动态工作情况分析 由交流通路得纯交流负载线 共射极放大电路 vce ic Rc RL 因为交流负载线必过Q点 即vce vCE VCEQic iC ICQ同时 令R L Rc RL 1 交流通路及交流负载线 则交流负载线为 vCE VCEQ iC ICQ R L 即iC 1 R L vCE 1 R L VCEQ ICQ 根据vs的波形 在BJT的输入特性曲线图上画出vBE iB的波形 2 动态工作情况的图解分析 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 静态工作点Q的选择应满足 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 通过图解分析 可得如下结论 1 vs vBE iB iC vCE 2 vo与vi相位相反 3 可以测量出放大电路的电压放大倍数 4 可以确定最大不失真输出幅度 静态工作点对波形失真的影响 截止失真的波形 饱和失真的波形 静态工作点对波形失真的影响 4 3 2动态工作情况分析 3 BJT的三个工作区 当工作点进入饱和区或截止区时 将产生非线性失真 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 截止区特点 iB 0 iC ICEO vCE VCES 典型值为0 3V 4 输出功率和功率三角形 要想PO大 就要使功率三角形的面积大 即必须使Vom和Iom都要大 功率三角形 放大电路向电阻性负载提供的输出功率 在输出特性曲线上 正好是三角形 ABQ的面积 这一三角形称为功率三角形 4 3 2动态工作情况分析 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 40uA 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 思考题 1 试分析下列问题 共射极放大电路 1 增大Rc时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 4 减小RL时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 共射极放大电路 思考题 2 放大电路如图所示 当测得BJT的VCE接近VCC的值时 问管子处于什么工作状态 可能的故障原因有哪些 截止状态 答 故障原因可能有 Rb支路可能开路 IB 0 IC 0 VCE VCC ICRc VCC C1可能短路 VBE 0 IB 0 IC 0 VCE VCC ICRc VCC end 4 4小信号模型分析法 4 4 1BJT的小信号建模 4 4 2共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出 H参数小信号模型 模型的简化 H参数的确定 意义 思路 利用直流通路求Q点 画小信号等效电路 求放大电路动态指标 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 4 4 1BJT的小信号建模 1 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 我们已经知道输入输出特性曲线如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 可以写成 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 H参数的引出 2 H参数小信号模型 根据 可得小信号模型 BJT的H参数模型 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 3 模型的简化 即rbe hie hfeuT hrerce 1 hoe 一般采用习惯符号 则BJT的H参数模型为 uT很小 一般为10 3 10 4 rce很大 约为100k 故一般可忽略它们的影响 得到简化电路 ib是受控源 且为电流控制电流源 CCCS 电流方向与ib的方向是关联的 4 H参数的确定 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 可用图示仪测出 一般也用公式估算rbe rbe rb 1 re 其中对于低频小功率管rb 200 则 4 4 2用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路 共射极放大电路 1 利用直流通路求Q点 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V 已知 2 画出小信号等效电路 共射极放大电路 H参数小信号等效电路 3 求电压增益 根据 则电压增益为 可作为公式 4 求输入电阻 令 1 电路如图所示 试画出其小信号等效模型电路 解 例题 例题 解 1 2 end 思考题 1 BJT小信号模型是在什么条件下建立的 受控源是何种类型的 2 若用万用表的 欧姆 档测量b e两极之间的电阻 是否为rbe end 4 5放大电路的工作点稳定问题 温度变化对ICBO的影响 温度变化对输入特性曲线的影响 温度变化对 的影响 稳定工作点原理 放大电路指标分析 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 4 5 1温度对工作点的影响 4 5 2射极偏置电路 4 5 1温度对工作点的影响 1 温度变化对ICBO的影响 2 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 3 温度变化对 的影响 温度每升高1 C 要增加0 5 1 0 温度T 输出特性曲线族间距增大 4 5 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 IC VE VB不变 VBE IB 反馈控制 I1 IB 此时 不随温度变化而变化 VB VBE 且Re可取大些 反馈控制作用更强 一般取I1 5 10 IB VB 3V 5V 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 3 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路 3 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 固定偏流共射极放大电路 Ro Rc 射极偏置电路做如何改进 既可以使其具有温度稳定性 又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标 1 end 例1 解 求电路的静态参数 IB IC VCE 及动态参数 AV Ri Ro 根据直流通路求静态参数 VB 根据微变等效电路求动态参数 1 电压放大倍数 根据微变等效电路求动态参数 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro 输出端开路 输入电压为零 例2 解 求电路的静态参数 IB IC VCE 及动态参数 AV Ri Ro 根据直流通路求静态参数 VB 与例1结果完全相同 根据微变等效电路求动态参数 1 电压放大倍数 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro 输出端开路 输入电压为零 根据微变等效电路求动态参数 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