第四章三极管..ppt

第四章三极管及放大电路基础 半导体三极管 基本放大电路 主要内容 1 半导体三极管的结构及工作原理 放大电路的三种基本组态 2 静态工作点Q的不同选择对非线性失真的影响 3 用H参数模型计算共射极放大电路的主要性能指标 4 共集电极放大电路和共基极放大电路的工作原理 5 组合放大电路 6 三极管放大电路的频率响应 1 了解半导体三极管的工作原理 特性曲线及主要参数 2 了解半导体三极管放大电路的分类 3 掌握用图解法和小信号分析法分析放大电路的静态及动态工作情况 4 理解放大电路的工作点稳定问题 5 了解放大电路的频率响应及各元件参数对其性能的影响 基本要求 半导体三极管 BJT T 频率 高频管 低频管 功率 材料 小 中 大功率管 硅管 锗管 类型 NPN型 PNP型 半导体三极管是具有电流放大功能的元件 2 4 2 9mm 晶体三极管的结构及特点 发射结 集电结 基极 发射极 集电极 晶体三极管是由两个PN结组成的 发射区 基区 集电区 不同名 三极管电流分配 半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 工作在放大状态需要具备如下外部条件 1 发射结加正向电压 正偏 2 集电结加反向电压 反偏 同时 还需要具备内部条件 三个区具有不同的特点 1 发射区高浓度杂质 2 基区很薄 三极管 T 的工作原理 发射结加正偏时 从发射区将有大量的电子向基区扩散 形成的电子流为IEN e区高浓度掺杂 从基区向发射区也有空穴的扩散运动 但其数量相对较少 形成的电流为IEP 这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低 被复合的机会较少 又因基区很薄 在集电结反偏电压的作用下 电子在基区停留的时间很短 很快就运动到了集电结的边上 进入集电结的结电场区域 被集电极所收集 形成集电极电子流ICN 只有 靠近基极的电子被拉走 形成的电子流是IBN 另外因集电结反偏 使集电结区的少子形成漂移电流ICBO 集电结是否会变厚 结论 不会 电子进入集电结后不会停留 迅速又被拉走 不影响原来结的厚度 三极管放大电路组态的判别方法 1 接地的电极决定组态 2 找出与输入信号 输出信号连接的电极 空出的电极决定组态 e接地 b接地 c接地 共射极 共基极 共集电极 b接输入 c接输出 共射极 e接输入 c接输出 共基极 b接输入 e接输出 共集电极 共基极 共射极 共集电极 三极管的电流关系 共集电极接法 集电极作为公共端 共基极接法 基极作为公共端 共发射极接法 发射极作为公共端 各极电流之间的关系式 共基极电流传输系数 因ICBO较小 所以又因则 IC IE 因ICEO较小 所以 共发射极电流放大系数 IE IC IB 1 IE IC IB 三极管的放大作用 发射结外加电压 尽管电流没有放大 但电压得到放大了 首先判断外部条件 共射极方式 是否满足外部工作条件 半导体三极管的特性曲线 以共射极组态为例 iB是输入电流 vBE是加在B E两极间的输入电压 输入特性曲线 iB f vBE vCE 常数 共发射极接法的输入特性曲线 其中vCE 0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线 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 对应相同的vBE iB会有所减少 特性曲线将向右稍微移动一些 但vCE再增加时 曲线右移很不明显 理由 iB iC 锗管0 1 0 3V 硅管0 6 0 8V vBE强调变化的部分 导通电压 输出特性曲线 iC f vCE iB 常数 iC是输出电流 vCE是输出电压 针对前面的电路图 放大区 发射结正偏 集电结反偏 截止区 IB 0以下的区域 饱和区 发射结和集电结均为正偏 IC随着VCE的变化而迅速变化 工程上以VCE 0 3伏作为放大区和饱和区的分界线 发射结和集电结均为反偏 称为 饱和 的原因是 尽管发射结正偏 大量电子来到基区 但由于集电结收集电子能力不足 大量电子无法越过 即使再增加IB也对IC没有作用 相当于 饱和 而随着反偏电压的增加 电流线性增加 详细解析输入特性曲线和输出特性曲线的机理 图a为放大的必要条件 即Je正偏 Jc反偏 从图中可以看出 实际上 VCE VCB VBE 解释 电压从C到E逐渐降低 图b为共射极接法 判断是否在放大区 Je正偏毫无问题 Jc是否反偏 即是否VC VB 即VCB 0 因为VCB VCE VBE 所以 只要VCC VBB就可以满足 图c为输入特性曲线 VCE为0时 即不接C E间电压 就是普通的二极管伏安特性曲线 此时Jc没有拉电子的能力 当VCE 0时 理解为Jc开始反偏 对于同样的VBE 由于C区开始拉走电子 对应的iB必然减小 形成不同的VCE时曲线右移的情况 当VCE 1时 曲线基本不再移动 即此时该被拉走的电子已基本走了 所以不会再减少了 强调今后只研究右边这一条 iB f vBE vCE 常数 图a 图b 图c 详细解析输入特性曲线和输出特性曲线的机理 图d为输出特性曲线放大区 不同的iB对应不同的iC iC iB 以某个iB为例 VCE很小 为0 时 JC无反偏 也就没有iC VCE开始逐渐增加 此时基区堆积已经有固定数量的电子 所以随着Jc开始反偏 iC也开始增加 VCE继续增加 同样因为iB是固定的 堆积的电子数也是固定的 因此 当VCE增加到一定数值后 原来堆积的电子 注意是单位时间内堆积的 就已全部被拉到C区了 此时即使再增加电压VCE也不会使iC增加了 而对于不同的iB 其实也就是不同的VBE 当VCE很小 为0 时堆积在B区的电子数是不一样的 iB越大堆得越多 也就需要更大的VCE才能将堆积的电子全部拉走 即这时VCE增加iC也继续增加 然后才会在某一电压下转折 放大区 曲线的间距相等是因为满足 iC iB iC f vCE iB 常数 图d 详细解析输入特性曲线和输出特性曲线的机理 图d为输出特性曲线 截止区讨论 若iB很小 其实也就是对应的VBE很小 即基区没有从发射区来的多余电子 则VCE再大也只是本身的少子漂移 形成的iC电流很小很小 几乎为0 称为截止区 饱和区讨论 VCE很小的那个区域 由于有一定的VBE 所以大量电子积压在基区 而且VBE不同积压的数量也不同 但即使将VBE iB 增加很多 但由于此时没有VCE 即JC没有收集电子到集电区的能力 所以iC几乎不增加 这种情况当VCE很小的时候也是这样 因此叫饱和区 再怎么增加iBiC也几乎不增加 就像一个小水杯倒满了水 再倒里面的水也不会再增加的现象一样 即 饱和 所以 电子能否通过Jc取决于VCE 而当VCE足够大后 iC的大小就要取决于iB了 那么 VCE多大时认为基区的电子都能过去呢 显然 是因iB的不同而不同 iB大也就堆积的多 就需要VCE也大 工程上 一般取个均值 0 3V左右 图d 注意 截止区和饱和区不满足电流关系 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 发射结正偏集电结反偏 测得VB 4 5V VE 3 8V VC 8V 试判断三极管的工作状态 放大 例2 半导体三极管的参数 直流参数 交流参数 极限参数 直流电流放大系数1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IBvCE 常数 一 直流参数 2 共基极直流电流放大系数 IC ICBO IE IC IE显然与之间有如下关系 IC IE IB 1 IB 1 极间反向电流 1 集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极 O是Open的字头 代表第三个电极E开路 它相当于集电结的反向饱和电流 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系ICEO 1 ICBO相当基极开路时 集电极和发射极间的反向饱和电流 即输出特性曲线IB 0那条曲线所对应的Y坐标的数值 二 交流参数 交流电流放大系数1 共发射极交流电流放大系数 iC iB vCE const 在放大区 值基本不变 通过垂直于X轴的直线由 iC iB求得 在输出特性曲线上求 2 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 特征频率fT 三极管的 值不仅与工作电流有关 而且与工作频率有关 由于结电容的影响 当信号频率增加时 三极管的 将会下降 当 下降到1时所对应的频率称为特征频率 用fT表示 集电极最大允许电流ICM 三极管集电极最大允许电流ICM 当IC ICM时 管子性能将显著下降 甚至会损坏三极管 集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM ICVCB ICVCE 因发射结正偏 呈低阻 所以功耗主要集中在集电结上 在计算时往往用VCE取代VCB 三 极限参数 反向击穿电压 1 V BR CBO 发射极开路时的集电结击穿电压 下标BR代表击穿之意 是Breakdown的字头 CB代表集电极和基极 O代表第三个电极E开路 2 V BR EBO 集电极开路时发射结的击穿电压 3 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 对于V BR CER表示BE间接有电阻 V BR CES表示BE间是短路的 几个击穿电压在大小上有如下关系V BR CBO V BR CES V BR CER V BR CEO V BR EBO 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 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 目前比较常见 常用的三极管型号 9012 PNP 9013 NPN 8050 NPN 基本放大电路 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路 共发射极 共基极 共集电极 放大电路的主要技术指标 1 放大倍数 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro 4 通频带 1 放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大 所以输出功率也会有所放大 对放大电路而言有电压放大倍数 电流放大倍数和功率放大倍数 通常它们都是按正弦量定义的 电压放大倍数 电流放大倍数 功率放大倍数 2 输入电阻Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数 Ri大放大电路从信号源吸取的电流小 反之则大 3 输出电阻Ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力 Ro大表明放大电路带负载的能力差 反之则强 注意 放大倍数 输入电阻 输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数 只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义 使VS 0的原因是 输出端可以等效为一个输出电压 受控电压源 与输出电阻的串联 我们要求输出电阻 但输出电压 即此受控电压源 此时会影响测试电流的大小 只有使VS 0 输出电压才会为0 从而不影响测试电流 4 通频带BW 相应的频率fL称为下限频率 fH称为上限频率 放大电路的增益A f 是频率的函数 在低频段和高频段放大倍数都要下降 当A f 下降到中频电压放大倍数A0的1 时 即 基本放大电路的工作原理 共发射极基本放大电路的组成 三极管T起放大作用 偏置电路VCC Rb提供电源 并使三极管工作在放大区 耦合电容C1 C2输入耦合电容C1保证信号加到发射结 不影响发射结偏置 输出耦合电容C2保证信号输送到负载 不影响集电结偏置 负载电阻RC RL将变化的集电极电流转换为电压输出 组态的判别 外部条件的判别 2 静态和动态 静态 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 使三极管满足外部条件 放大电路建立正确的静态 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要正确地区分静态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 动态 时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 在Q点附件小信号变化 画交流通路原则 1 电容短路 2 直流电源短路 接地 3 直流通路和交流通路 a 直流通路 直流通路仅仅通过直流的通路 交流通路仅仅通过交流的电路通路 b 交流通路 画直流通路原则 1 电容开路 2 去掉无关的器件 可用叠加原理解释 静态 动态 4 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结 于是有下列过程 三极管放大作用 变化的通过转变为变化的电压输出 放大电路的基本分析方法 静态工作状态的计算分析法 IBQ ICQ和VCEQ这些量代表的工作状态称为静态工作点 用Q表示 在测试基本放大电路时 往往测量三个电极对地的电位VBQ VEQ和VCQ即可确定三极管静态工作状态 外部工作条件 根据直流通路对放大电路的静态进行计算 注意顺序 静态工作状态的图解分析法 非线性电路 线性电路 VCEQ 图解法的必要性 1 也可获得工作点 2 直观了解工作点设置不当引起的后果 3 掌握一种分析方法 图是传统的共射极电路 线性电路 在输入特性曲线上 作出直线 两线的交点即是Q点 得到IBQ 静态工作状态的图解分析法 输入特性部分 不仅得到了输入特性中的Q点 也通过这部分确定了在输出特性曲线中所使用的是那一条曲线 为什么 1 由直流负载线vCE VCC iCRC VCC VCC Rc 3 得到Q点的参数IBQ ICQ和VCEQ 2 在输出特性曲线上确定两个特殊点 即可画出直流负载线 4 当Vcc 12V Rc 4k 时 由图 交IBQ 40 A ICQ 1 5mA VCEQ 6V Vcc Rc 3 静态工作状态的图解分析法 输出特性部分 直流负载线 与输出端相连的电阻叫负载电阻 而在直流情况下构成直流负载电阻Rc 此时iC与vCE之间的关系的直线就是直流负载线 放大电路的动态图解分析 1 交流负载线 1 从B点通过输出特性曲线上的Q点做一条直线 其斜率为 1 R L 2 R L RL Rc 是交流负载电阻 3 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹 4 交流负载线与直流负载线相交Q点 交流负载线按下述方法得到 静态工作点 Q 的变化 Rb Rc变化 设置的变化 引起的 有交流信号时工作点的变化 输入交流信号的变化引起的 引入交流负载线的理由 真正的输入信号使电路的工作点沿交流负载线变化 而不是直流负载线 2 交流工作状态的图解分析 可直观地认为导通的发射结相当于一个小电阻 电压变化引起电流变化 且规律相同 特别是相位相同 2 交流工作状态的图解分析 注意相位 反相 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 3 最大不失真输出幅度 注意 对于PNP管 由于是负电源供电 失真的表现形式 与NPN管正好相反 所谓工作点指的就是因为有了交流信号后 瞬时的 CE iC在输出特性曲线坐标系中所处的位置 饱和失真的波形 截止失真的波形 波形 动画3 3 放大电路的最大不失真输出幅度 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 需要 1 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 2 要有合适的交流负载线 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 三极管的低频小信号模型 1 模型的建立 1 三极管可以用一个模型来代替 2 对于低频模型可以不考虑结电容的影响 3 小信号意味着三极管在线性条件下工作 h参数模型 回想输入 输出特性曲线 问题 1 前面的计算法只解决了静态工作点的计算 但动态如何计算 2 在小信号时第三章曾经有模型 使计算简化 如何利用这种模式 很奇怪的形式 输入输出好像没有关系了 hfeib 1 二极管小信号模型2 vce对输入特性曲线有微弱的影响 物理概念 1 输出特性曲线的近似形状2 略微上翘的特性曲线代表对的微弱影响 2 模型中的主要参数 rbe交流输入电阻 iB 输出电流源 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 关于rbe的计算 P104 从PN结着手 rbe rbb 1 re这里 rbb 是基区体电阻 一般认为约为200 300 re是发射结电阻忽略发射区电阻 3 模型简化 r反映三极管内部的电压反馈 因数量很小 一般可以忽略 1 rce与电流源并联时 分流极小 可作开路处理 用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路 1 小信号 微变 等效电路 原理图 交流通路 微变等效电路 H参数模型 画交流通路原则 1 电容短路 2 直流电源短路 接地 注意 这是在对交流信号通过电路时的效果进行分析 2 电压增益 3 输入电阻 4 输出电阻 注意条件 Vs 0 RL 稳定工作点 分压式偏置 VBQ I1 5 10 IBQ VBQ 3 5 V 1 确定工作点 Q VE VB VBE 稳定过程 IB IC VCE 基本放大电路存在缺点 2 电压增益 工作点稳定 增益下降 解决这个矛盾的方法是加电容Ce 3 输入电阻 输入电阻提高了 相当于增加了一个 1 Re的电阻 4 输出电阻 由KVL Rc 例1 解 求电路的静态参数 VB IB IC VCE 及动态参数 AV Ri Ro rbb 300 根据直流通路求静态参数 VBQ 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 主要取决于rbe 例2 解 求电路的静态参数 VB IB IC VCE 及动态参数 AV Ri Ro rbb 300 根据直流通路求静态参数 与例1结果完全相同 VBQ 根据微变等效电路求动态参数 1 电压放大倍数 电流有放大 小于1 有意义吗 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 主要取决于Rb 例3 电路的参数不变 若 增加一倍 静态参数 IB IC VCE 及动态参数 AV Ri Ro 如何变化 1 静态参数 增加一倍 ICQ VCEQ不变 IBQ减小一倍 2 动态参数 Ro不变 rbe增加 使得Ri增加 值增加一倍 AV略有增大 例4 电路的参数不变 若断开Ce 静态参数 IBQ ICQ VCEQ 及动态参数 AV Ri Ro 如何变化 1 断开Ce后 静态参数不变 2 断开Ce后 动态参数AV减小 Ri增大 Ro不变 共集电极电路 1 求工作点 Q Q 先画直流通路判断外部工作条件 再画交流通路 2 电压增益 输入电压与输出电压同相 电压跟随器 小于1 3 输入电阻 4 输出电阻 电压增益 1 输入电压与输出电压同相 输入电阻高 输出电阻低 再次注意电流方向 很容易与前后级电路配合 所以常用作 隔离级 或 输出级 共基极电路 1 直流分析与分压式偏置的共射组态完全相同 先画直流通路判断外部工作条件 再画交流通路 VBQ ICQ IBQ VCEQ 2 交流分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 Ro RC 放大电路的频率响应 幅频特性是描绘输入信号幅度固定 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律 在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念 幅度频率特性 相位频率特性 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律 放大电路的幅频特性和相频特性 统称为频率响应 因放大电路对不同频率成分信号的增益不同 从而使输出波形产生失真 称为幅度频率失真 简称幅频失真 放大电路对不同频率成分信号的相移不同 从而使输出波形产生失真 称为相位频率失真 简称相频失真 幅频失真和相频失真是线性失真 产生频率失真的原因 1 放大电路中存在电抗性元件 例如 耦合电容 旁路电容 分布电容 变压器 分布电感等 2 三极管的 是频率的函数 在研究频率特性时 三极管的低频小信号模型不再适用 而要采用高频小信号模型 RC低通电路的频率响应 电压放大倍数 传递函数 为 RC低通电路的频率特性曲线 幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标 称为上限截止频率 当时 幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降 或写成