第4章~模电PPT课件

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 重点 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 4 1 1BJT三极管的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图所示 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 发射极用E或e表示 集电极用C或c表示 发射区 集电区 基区 三极管符号 结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 管芯结构剖面图 内部条件 4 1 2BJT的电流分配与放大原理 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下 通过载流子传输体现出来的 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 对NPN VC VB VE 对PNP VC VB VE 1 内部载流子的传输过程 以NPN为例 集电区收集载流子形成IC Inc 载流子的传输过程 发射区向基区发射 扩散 载流子形成IE 载流子在基区的的扩散与复合形成IBN 少子的漂移运动形成ICBO 以上看出 三极管内有两种载流子 电子和空穴 参与导电 故称为双极型三极管 或BJT BipolarJunctionTransistor 4 1 2BJT的电流分配与放大原理 2 电流分配关系 根据传输过程可知 IC InC ICBO IB IB ICBO 通常IC ICBO IE IB IC 载流子的传输过程 根据 IE IB IC IC InC ICBO 且令 2 电流分配关系 电流分配关系 IE IC IB IC IEIC IBIE 1 IB 3 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 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 980mV 0 98时 VBB VCC VBE IB IE IC vI vBE iC iE iB vI 20mV 设 若 则 电压放大倍数 iB 20uA vO iC RL 0 98V 0 98 使 4 放大作用 49 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 发射区杂质浓度高 基区浓度低且薄 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 死区死区电压Si0 5VGe0 1V 非线性区 线性区uBESi0 7VGe0 3V 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 对NPN VC VB VE 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 例 VCE 7V时 b点 IB 200 A IC 15mA 则 15mA 200 A 75 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 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 为什么说BJT是电流控制器件 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 书中有关符号的约定 4 2共射极放大电路 1 电路组成 输入回路 基极回路 输出回路 集电极回路 2 简化电路及习惯画法 习惯画法 共射极基本放大电路 Vcc 12V 3 简单工作原理 Vi 0 Vi Vsin t 4 放大电路的静态和动态 静态 输入信号为零 vi 0或ii 0 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 动态 输入信号不为零时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 电路处于静态时 三极管个电极的电压 电流在特性曲线上确定为一点 称为静态工作点 常称为Q点 一般用IB IC 和VCE 或IBQ ICQ 和VCEQ 表示 放大电路为什么要建立正确的静态 5 直流通路和交流通路 共射极放大电路 交流通路 直流电源 内阻为零 耦合电容 通交流 隔直流 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 说明 直流通路 直流电能流通的路径 交流通路 交流电能流通的路径 思考题 1 下列a f电路哪些具有放大作用 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 4 3 1静态工作情况分析 1 用近似估算法求静态工作点 采用该方法 必须已知三极管的 值 根据直流通路可知 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 3V 例 37 5 40 A 1 5mA 12 1 5 4 6V 37 5 300K 4K 4K 12V 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 uce ic Rc RL 因为交流负载线必过Q点 即uce uCE 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 uCE VCEQ iC ICQ R L 即iC 1 R L uCE 1 R L VCEQ ICQ 2 输入交流信号时的图解分析 4 3 2动态工作情况分析 共射极放大电路 通过图解分析 可得如下结论 1 vi vBE iB iC vCE vo 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 动态工作时 iB iC的实际电流方向是否改变 vCE的实际电压极性是否改变 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 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 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 4 3 2动态工作情况分析 3 BJT的三个工作区 放大区是否为绝对线性区 放大电路的动态范围 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 要求 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 4 3 2动态工作情况分析 3 BJT的三个工作区 要有合适的交流负载线 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 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 2 增大Rb时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 3 减小VCC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 4 3 2小信号模型分析法 1BJT的小信号建模 2共射极放大电路的小信号模型分析 意义 思路 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计算非常困难 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 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 在工程上常用以下公式估算 则 其中 解释 为半导体的体电阻 一般较小 小功率管一般为200 300 几 常忽略 为PN结的结电阻 相对较大 反偏 很大几百K 根据PN结方有程 所以 200 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 一般步骤 估算Q 画出小信号模型等效电路 求出rbe 求 AV Ri RO AVS 例 Vcc 12V Rb 560K RC 5K RL 5K 50 则 50 0 02mA 1mA IEQ 12V 1mA 5K 7V 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rbe 4 求电压增益AV 输入电阻Ri 输出电阻RO 外观电压增益AVS 根据 则电压增益为 可作为公式 求输入电阻 令 1 5K 560K 1 5K 5K 一般地说 希望放大器的输入电阻要高 输出电阻要低 考虑信号源内阻RS时的电压增益AVS Ri AV 可作为公式 4 3 8 a电路如图所示 试画出其小信号等效模型电路 解 先画出交流通路 例题 4 3 8 d 例题 解 1 直流通路 2 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 4 4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 4 1温度对工作点的影响 4 4 2射极偏置电路 4 4 1温度对工作点的影响 1 温度变化对ICBO的影响 温度T ICBO ICEO 输出特性曲线上移 2 温度变化对输入特性曲线的影响 温度T 输入特性曲线左移IB IC 3 温度变化对 的影响 温度T 输出特性曲线族间距增大 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 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 静态工作点的估算 例 设 50 VCC 12V Rb1 50K Rb2 20K RC 5K Re 2 7K RL 5K 12 1 5 2 7 4 3V 1 50 0 02mA 20 A 画直流通路 2 放大电路动态指标分析 AV Ri Ro 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 可见 由于Re的接入Q稳定了 但AV下降了 且Re越大AV下降越多 有待改进 输入电阻 根据定义 则输入电阻 可见 加了Re后输入电阻提高了 Ii 输出电阻 输出电阻 求输出电阻的等效电路 输入端短路 输出端开路 输出端口加测试电压VT 对回路1和2列KVL方程 rce对分析过程有影响 不能忽略 其中 则 当 时 由式 得 将式 代入式 并适当整理得 考虑实际情况下 rce Re 电路改进 输入电阻 3 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路 可见 两种放大电路计算静态工作点的方法是不一样的 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 射极偏置电路经改进后 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 例 射极分压式射极偏置电路如图所示 已知 80 VBE 0 7V 试求 1 估算静态工作点 IBQ ICQ VCEQ 2 计算AV Ri Ro及AVS 3 若在Re两端并联一个50 F的电容Ce 重新求解 1 和 2 解 1 2 求AV Ri Ro 先求 3 若在Re旁并一个电容 则 RO RC 3 3K 不变 4 5共集电极电路和共基极电路 电路分析 复合管 静态工作点 动态指标 三种组态的比较 4 5 1共集电极电路 4 5 2共基极电路 4 5 1共集电极电路 也称为射极输出器 1 求静态工作点 由 得 Re 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 动态分析 其中 一般 则电压增益接近于1 即 电压跟随器 输入电阻 根据定义 则输入电阻 当 时 可见 输入电阻很大 比共射电路要大几十 几百倍 其中 则输出电阻 其中 当 输出电阻 时 输出电阻很小且 越大RO越小 根据定义 共集放大电路的 射极输出器 的应用 VO Vi RL 多级放大电路 Ri RO 共集 共集 共集 共射 共射 2 复合管 作用 提高电流放大系数 增大电阻rbe 复合管也称为达林顿管 4 5 2共基极电路 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 共基极电路的输入电阻很小 最适合用来放大高频信号 输入电阻 输出电阻 输入电阻小 3 三种组态的比较 例题 解 T59 4 6组合放大电路 补充 增益 AV Ai Ap 的db表示 电压增益AV 电流增益Ai和功率增益Ap 实际它们反映的是放大电路在输入信号的控制下 将直流电源供给的能量转换为信号能量的能力 它们是没有量纲的增益 在工程上常用以10为底的对数增益来表达 其基本单位为Bel 例 功率增益AP Bel 但在实际应用中嫌 Bel 这个单位太大 故取其十分之一作单位 称为 分贝 db 即 电压增益用db表示为 所以 功率增益用db表示为 电流增益用db表示为 当输出量 PO VO IO 大于输入量 Pi Vi Ii 时 db为正值 即放大 当输出量 PO VO IO 小于输入量 Pi Vi Ii 时 db为负值 即衰减 当输出量 PO VO IO 等于输入量 Pi Vi Ii 时 为0db 即A 1 例 某放大器的电压增益AV 1000 用db表示为 某放大器的电压增益AV 0 01 用db表示为 用对数方式表达放大电路的增益 在工程上得到广泛应用的理由是 1 当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线时 可大大扩大增益变化的视野 2 可将乘除运算化为加减运算 3 4 7放大电路的频率响应只作简单的定性分析 输入信号Vi的频率并不是单一频率 而是包含多种频率 低的几个HZ 高的几百KHZ 几百MHZ 1 频率响应的一般概念 把电压增益的模与频率的关系 把VO与Vi的相位差与频率的关系 称幅频特性 称相频特性 AVm 0 707AVm 下限频率fL fH fL 上限频率fH 低频区 中频区 高频区 fH fL BW通频带 BW 20db 十倍频程 20db 十倍频程 超前 滞后 45 十倍频程 45 十倍频程 例 一个优质的音频放大器要求 BW 20HZ 20KHZ 那么为什么随f 或f AV 呢 为什么随f 相位滞后随f 相位超前 2 单级RC耦合放大电路的低频响应 考虑到频率很低 于是放大电路可以抽象为一个RC高通电路来模拟 然后经数学推导得出结论 对幅频特性 频率每下降十倍增益下降20db对相频特性 频率每下降十倍相位超前45 见 P157 158 下面从物理意义的角度来解释AV下降和产生相移的原因 1 低频区AV下降的原因 C1对Vi有分压作用 使净输入减小 AV Re 1 j C产生负反馈作用 使AV C2对VO有分压作用 使净输出减小 AV 综合结果使频率每下降十倍 增益下降20db 2 产生附加相移的原因 用相量图解释 先单独考虑C1的影响 并设Rb rbe Ib Vbe VO VC1 Vi 小于180 若再分别考虑C2 Ce的影响结论类似 综合考虑C1 C2 Ce的影响将使频率下降十倍 相移超前45 3 展宽低频区频带的简单措施 C1 C2 Ce取大些 一般 C1 C2取