模拟电子线路PPT教案课件-第2章 双极型晶体管及其放大电路.ppt

1 模拟电子线路 南京邮电大学 2 第二章双极型晶体管及其放大电路 3 第2章双极型晶体管及其放大电路 2 1双极型晶体管的工作原理 2 1 1双极型晶体管的结构 2 1 2双极型晶体管的工作原理 一 放大状态下晶体管中载流子的运动 二 电流分配关系 2 2晶体管的特性曲线 2 2 1共射极输出特性曲线 2 2 2共射极输入特性曲线 4 2 2 3温度对晶体管特性的影响 2 2 4晶体管的主要参数 一 电流放大系数 二 极间反向电流 三 极限参数 2 3晶体管放大电路的放大原理 2 3 1放大电路的组成 2 3 2静态工作点的作用 2 3 3晶体管放大电路的放大原理 5 2 3 4基本放大电路的组成原则 2 3 5直流通路和交流通路 2 4放大电路的静态分析和设计 2 4 1晶体管的直流模型及静态工作点的估算 2 4 2静态工作点的图解分析法 2 4 3晶体管工作状态的判断方法 2 4 4放大状态下的直流偏置电路 一 固定偏流电路 二 分压式电流负反馈偏置电路 6 2 5共射放大电路的动态分析和设计 2 5 1交流图解分析法 2 5 2放大电路的动态范围和非线性失真 2 5 3晶体管的交流小信号模型 一 混合 型电路模型 二 低频h参数电路模型 2 5 4等效电路法分析共射放大电路 2 5 5共射放大电路的设计实例 2 5 6共射放大电路的一般性设计 7 2 6共集放大电路 射极输出器 2 7共基放大电路 2 8多级放大电路 2 8 1级间耦合方式 2 8 2多极放大器的性能指标计算 2 8 3常见的组合放大器 一 cc ce组合放大器 二 ce cc组合放大器 三 ce cb组合放大器 作业 8 1 掌握双极型晶体管的工作原理 特性和参数 2 掌握双极型晶体管的大信号和小信号模型 了解模型参数的含义 3 掌握晶体管基本放大器的组成 工作原理及性能特点 4 掌握静态工作点的基本概念和偏置电路的估算 5 掌握图解分析方法和小信号等效电路分析方法 掌握动态参数 的分析方法 6 掌握多级放大电路动态参数的分析方法 第2章双极型晶体管及其放大电路 9 2 1双极型晶体管的工作原理 bjt bipolarjunctiontransistor 简称晶体管或三极管 2 1 1双极型晶体管的结构 e c b 发射极 基极 集电极 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 n p n a npn管的原理结构示意图 b 电路符号 base collector emitter 图2 1 1晶体管的结构与符号 10 图2 1 2平面管结构剖面 结构特点 1 三区二结 2 基区很薄 10 1 m 100 m 3 e区重掺杂 c区轻掺杂 b区掺杂最轻 4 sc结 se结 11 图2 1 3晶体管内载流子的运动和各极电流 1 发射区向基区注入电子 2 电子在基区中边扩散边复合 3 扩散到集电结的电子被集电区收集 2 1 2双极型晶体管的工作原理 一 放大状态下晶体管中载流子的运动 基区从厚变薄 两个pn结演变为三极管 这是量变引起质变的一个实例 12 二 电流分配关系 c i c e i e n p n i b r c u cc u bb r b b i bn i en i cn 电子注入电流ien 空穴注入电流iep 发射极电流ie iep都将被忽略 13 c i c e i e n p n i b r c u cc u bb r b b i bn i en i cn 跨越两个pn节 体现了放大作用 集电区和基区本身的少子在集电结反向电压作用下 向对方漂移形成反向饱和电流icbo 从发射区注入到基区的电子只有少部分与空穴复合形成电流ibn 14 1 直流电流放大系数 共基直流电流放大系数 对于硅管 icbo很小 15 c i c e i e n p n i b r c u cc u bb r b i cbo b i bn i ep i en i cn 共射直流电流放大系数 若忽略iceo的影响 16 共射 共基直流电流放大系数 间关系 17 若忽略icbo 则 2 ic ie ib 三者关系 ie ic ib 18 2 2晶体管的特性曲线 全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线 图2 2 1晶体管的三种基本接法 组态 a 共发射极 commonemitter b 共集电极 commoncollecter c 共基极 commonbase 输入回路 接信号源 加入信号 输出回路 接负载 取出信号 19 2 2 1共射极输出特性曲线 图2 2 2共发射极特性曲线测量电路 20 图2 2 3共射输出特性曲线 共发射极接法输出特性曲线 avi activeregion cutoffregion saturationregion 21 1 放大区 发射结正偏 集电结反偏 1 uce变化时 ic影响很小 恒流特性 2 基极电流ib对集电极电流ic的控制作用很强 引入交流电流放大倍数 22 2 饱和区 发射结和集电结均处于正向偏置 e结正偏c结零偏的正向传输 1 ib一定时 ic比放大时要小 2 uce一定时ib增大 ic基本不变 c结正偏e结零偏的反向传输 内部载流子的传输过程分解为 23 临界饱和 uce ube 即ucb 0 c结零偏 饱和压降uce sat 0 3v 小功率si管 uce sat 0 1v 小功率ge管 饱和 saturation 关于饱和区的说明 24 3 截止区 发射结和集电结均处于反向偏置 三个电极均为反向电流 所以数值很小 1 ib icbo 此时ie 0 以下称为截止区 2 工程上认为 ib 0以下即为截止区 因为在ib 0和ib icbo间 放大作用很弱 25 晶体管的工作状态总结 饱和 放大 截止 倒置放大 26 2 2 2共射极输入特性曲线 图2 2 7共发射极输入特性曲线 1 uce 0时 晶体管相当于两个并联二极管 ib很大 曲线明显左移 2 0 uce 0 3v时 随着uce增加 曲线右移 特别在0 uce uce sat 即工作在饱和区时 移动量将更大一些 3 uce 0 3v时 曲线近似重合 27 2 2 3温度对晶体管特性的影响 t ube t icbo t t ic 结论 28 2 2 4晶体管的主要参数 一 电流放大系数 反映静态时集电极电流与基极电流之比 2 共射交流放大系数 反映动态时的电流放大特性 体现共射接法时集电极电流和基极电流的变化量之比 即 1 共射直流放大系数 体现集电极电流和基极电流的直流量之比 若忽略iceo的影响 29 在以后的计算中 不必区分 由于 呈线性关系 因此 30 4 共基交流放大系数 在以后的计算中 不必区分 由于 呈线性关系 因此 3 共基直流放大系数 体现集电极电流和基极电流的直流量之比 若忽略icbo的影响 31 二 反向饱和电流 1icbo 发射极开路时 集电极 基极间的反向电流 称为集电极反向饱和电流 2iceo 基极开路时 集电极 发射极间的反向电流 称为集电极穿透电流 3iebo 集电极开路时 发射极 基极间的反向电流 32 三 极限参数 1 击穿电压 u br cbo指发射极开路时 集电极 基极间的反向击穿电压 u br ceo指基极开路时 集电极 发射极间的反向击穿电压 u br ebo指集电极开路时 发射极 基极间的反向击穿电压 该值通常较小 只有几伏 例如 3dg6 npn u br cbo 115v u br ceo 60v u br ebo 8v 33 2 集电极最大允许电流icm icm maximumcollectorcurrent 一般指 下降到正常值的2 3时所对应的集电极电流 当ic icm时 虽然管子不致于损坏 但 值已经明显减小 3 集电极最大允许耗散功率pcm pcm maximumpowerdissipation 表示集电极上允许损耗功率的最大值 超过此值就会使管子性能变坏或烧毁 pcm ic uce 34 图2 2 8晶体管的安全工作区 功耗线 过损耗区 击穿区 过流区 safeoperatingarea 35 作业 2 1 2 3 2 6 36 2 3 1放大电路的组成 图2 3 1共射极放大电路 1 当ui 0时 电路处于静态 2 当ui 0时 电路处于动态 动态时交流量与直流量共存 2 3晶体管放大电路的放大原理 动态 由交流信号源引起的一种工作状态 静态 由直流电源引起的一种工作状态 37 在放大电路中 当输入信号ui 0时 只存在直流量 当加入ui时 交流量与直流量共存 以晶体管基极电流 集电极电流 b e结电压和管压降为例 对各种物理量的表示方法作如下规定 直流量 字母大写 下标大写 如 ib ic ube uce 交流量 字母小写 下标小写 如 ib ic ube uce 交流量的有效值 字母大写 下标小写 如 ib ic ube uce 瞬时值 直流量与交流量的叠加量 字母小写 下标大写 如 ib ic ube uce 38 2 3 2静态工作点的作用 图2 3 2没有设置合适的静态工作点 设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础 39 2 3 3晶体管放大电路的放大原理 图2 3 3设置合适静态工作点共射放大电路波形 40 图2 3 3设置合适静态工作点共射放大电路波形 41 图2 3 4阻容耦合共射放大电路 r c u o v u i c 1 r b u cc c 2 r l us rs 正弦信号源电压及内阻 ucc 直流电源 rb 基极偏置电阻 rc 集电极负载电阻 rl 负载电阻 c1 c2 耦合电容 2 3 4基本放大电路的组成原则 1 只有一个放大管的放大电路 共有三种组态 42 1 rb rc ucc使放大器工作在放大区 2 采用rb rc c1 c2构成阻容耦合连接方式 选择合适的电容c1 c2使其对交流信号的容抗近似为0 交流信号可无损耗地送入发射结 2 放大电路中各元件的作用 43 1 晶体管偏置在放大状态 且有合适的工作点 2 输入信号必须加在基极 发射极回路 3 须有合理的信号通路 需进行交流分析 需进行直流分析 r c u o u s v r s u i c 1 r b u cc c 2 r l u cc 3 基本放大电路的组成原则 44 2 3 5直流通路和交流通路 分析对象 直流成份 直流通路 偏置电路 1 直流 静态 分析 2 交流 动态 分析 加入交流信号 即ui 0 当放大器没有送入交流信号时 即ui 0 分析对象 交流成分 交流通路 45 3 画直流通路的原则 1 c开路 2 l短路 4 画交流通路的原则 1 通常c短路 2 通常l保留 3 无内阻 直流电源ucc短路 3 直流电源ucc视为恒压源 4 交流电源us 0 rs保留 4 交流电源us rs保留 46 图2 3 5 a 共射放大器的直流通路 47 习惯用有效值 练习 p632 14 a c 图2 3 5 b 共射放大器的交流通路 48 作业 2 7 2 9 49 2 4放大电路的静态分析和设计 直流工作状态分析 静态分析 将输入 输出特性曲线线性化 即用若干直线段表示 等效电路 模型 50 a 输入特性近似 图2 4 1晶体管伏安特性曲线的折线近似及直流模型 b 输出特性近似 2 4 1晶体管的直流模型及静态工作点的估算 51 e 饱和状态模型 图2 4 1晶体管伏安特性曲线的折线近似及直流模型 c 放大状态模型 d 截止状态模型 si ge 52 例2 4 1晶体管电路如图2 4 2 a 所示 若已知晶体管工作在放大状态 100 试计算晶体管的ibq icq和uceq i c q u ce q 270k r b u bb 6v i b q u cc 12v r c 3k 图2 4 2晶体管直流电路分析 a 电路 53 图2 4 2晶体管直流电路分析 b 直流等效电路 54 2 4 2静态工作点的图解分析法 2 输出回路分析 图2 4 3共射放大器的直流通路 1 输入回路分析 55 i b i b q u c e 0 n q m i c a 直流负载线与q点 图2 4 4放大器的直流图解分析 56 b q点与rb rc的关系 u c e v 2 10 12 0 1 2 3 40 a 30 a 20 a 10 a i c m a 4 6 8 4 m n q 图2 4 4放大器的直流图解分析 练习 p642 17 57 2 4 3晶体管工作状态的判断方法 图2 4 5晶体管直流分析的一般性电路 58 1 先判断晶体管是否处于截止状态 则晶体管处于截止状态 晶体管工作状态的判断步骤 2 判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态 假设晶体管处于放大状态 b 放大状态下的等效电路 59 则晶体管处于放大状态 则晶体管处于饱和状态 c 饱和状态下的等效电路 si ge 60 例2 4 2晶体管电路如图2 4 6所示 已知 50 试求ui分别为0v和3v时的输出电压uo 图2 4 6例2 4 2电路 2 当ui 3v时 1 当ui 0时 ube 0 此时uo ucc 5v 则晶体管截止 晶体管导通 61 与假设不符 假设管子工作在放大区 图2 4 6例2 4 2电路 因此管子进入饱和状态 62 2 4 4放大状态下的直流偏置电路 一 固定偏流电路 图2 4 7固定偏流电路 只要合理选择rb rc的阻值 晶体管将处于放大状态 63 若t 则ic 导致uce 即 电路的静态工作点q uceq icq 不稳定 固定偏流电路的缺点 64 二 分压式电流负反馈偏置电路 图2 4 8分压式电流负反馈偏置电路 兼顾uceq 为确保ub固定 i1 i2 ibq rb1 rb2的取值愈小愈好 增大电源ucc的无谓损耗 取 i1 i2 i1 i2 ub 65 ueq ieqre icq 1 分压式电流负反馈偏置电路如何稳定q点 若icq ieq ubeq ubq ueq ibq 66 分压式电流负反馈偏置电路用戴维南定理等效后的电路 b a rb rb1 rb2 2 如何计算分压式电流负反馈偏置电路q点 67 u cc r c r e r b i c q u bb i b q i1 i2 ibq 与 等价 所以 68 例电路如下图所示 已知 100 ucc 12v rb1 39k rb2 25k rc re 2k 试计算工作点icq和uceq 69 若按估算法直接求icq 则 误差 70 作业 2 18 2 20 71 2 5共射放大电路的动态分析和设计 线性放大的基本概念 幅度放大 频谱 波形 不变 72 线性放大器 i o u o u i i i 信号源 负载 放大器二端口网络通用模型 73 2 5 1交流图解分析法 瞬时值 直流值 交流值 1 输入回路分析 74 i b i b q t i b i b q u be u be t i bmax i bmin q u be q 放大器的交流图解分析之输入回路的工作波形 75 2 输出回路分析 交流负载线方程 76 图2 5 1放大器的交流图解分析之输出回路的工作波形 q i c i bmax i bmin i c i c q t t u ce u ce u cc i c q r l i c q u c c r c 交流负载线 k r l 1 q 1 q 2 i b q a 放大电路的动态图解分析 avi 77 共射极放大器的电压 电流波形 r c u o u s v r s u i c 1 r b u cc c 2 r l u cc 78 2 5 2放大电路的动态范围和非线性失真 q 交流负载线 i c 0 t 0 i c u ce u ce 0 t 图2 5 2q点不合适产生的非线性失真 a 截止失真 79 图2 5 2q点不合适产生的非线性失真 b 饱和失真 q 交流负载线 i c i c i b 0 t u ce u ce 0 t 0 放大器的截止失真和饱和失真 avi 80 uopp 2uom 放大器输出动态范围 受截止失真限制 其最大不失真输出电压的幅度为 因饱和失真的限制 最大不失真输出电压的幅度为 其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度 而输出动态范围uopp则为该幅度的两倍 即 放大器的最大不失真输出幅度 avi 81 例2 5 1放大电路如下图所示 设ucc 12v rc 2k rl rb 280k 100 忽略晶体管的饱和压降 3 调节rb 使icq 3ma时 uopp 1 试确定该电路的uopp 2 调节rb 使icq 2ma时 uopp 82 1 试确定该电路的uopp 较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度 83 2 调节rb 使icq 2ma时 uopp 84 3 调节rb 使icq 3ma时 uopp 85 2 5 3晶体管的交流小信号模型 交流工作状态分析 动态分析 在q点处对输入 输出特性曲线线性化 即用直线段表示 q点处的交流小信号等效电路 线性等效模型 86 一 混合 型电路模型 图2 5 3共发射极晶体管 87 1 交流小信号情况下三极管伏安特性的近似及简化的三极管等效电路 i b u be q o 88 平面管结构示意图 b 基区的理论基极 rbb 通常取值200 2 考虑基区体电阻及引线接触电阻时如何修改等效模型 89 r bb r b e b b c e 考虑基区体电阻及引线接触电阻引入的参数 e 90 3 考虑基区宽度调制效应时如何修改等效模型 91 见图1 见图2 图1 u be u ce b c e r bb b 92 u be u ce b c e r bb b 图2 93 u be u ce b c e r bb b 考虑基区宽度调制效应引入的参数 94 u ce b c e r bb r b e b 完整的混合 型电路模型 高频模型 e u be 考虑pn结电容引入的参数 4 考虑pn结的电容效应时如何修改等效模型 95 r bb r b e b b c e 实用的低频混合 型电路模型 96 二 低频h参数电路模型 适用范围 电路的网络模型很多 如 z参数 y参数 a参数 h参数模型等 低频 小信号 振幅2 6mv左右 交流信号 97 因在q点处将输入 输出特性曲线线性化 则 1 低频h参数电路模型的推导 98 若为正弦量 99 u be u ce b c e h ie h oe 1 h fe i b i c i b h re u ce 图2 5 9共发射极晶体管h参数电路模型 100 输出交流短路时的输入电阻 输入交流开路时的反向电压传输系数 输出交流短路时的电流放大系数 输入交流开路时的输出电导 2 h参数的物理含义 101 输出交流短路的混合 型电路 3 h参数和混合 型电路模型参数间关系 102 输入交流开路的混合 型电路 103 104 如果忽略rb c的影响 则上式可简化为 1k 左右 20 200 10 5 10 3 10 4 105 图2 5 10晶体管的h参数简化模型 106 2 5 4等效电路法分析共射放大电路 根据直流通路估算直流工作点 确定放大器交流通路 交流等效电路 计算放大器的各项交流指标 107 图2 5 11共射放大器及其交流等效电路 a 电路 108 b 交流等效电路 图2 5 11共射放大器及其交流等效电路 109 1 电压放大倍数au 110 2 电流放大倍数ai 111 3 输入电阻ri 112 4 输出电阻ro 113 5 源电压放大倍数aus 114 6 发射极接有电阻re时的情况 图2 5 12发射极接电阻时的交流等效电路 115 ri rb1 rb2 r r i r i 116 例2 5 3在图2 5 11电路中 若rb1 75k rb2 25k rc rl 2k re 1k ucc 12v 晶体管的 80 rbb 100 rs 0 6k 试求该放大器的直流工作点icq uceq及au ri ro和aus指标 117 解按估算法计算q点 118 119 例2 5 4在上例中 将re变为两个电阻re1和re2串联 且re1 100 re2 900 而旁通电容ce接在re2两端 其它条件不变 试求此时的交流指标 120 解由于re re1 re2 1k 所以q点不变 对于交流通路 现在射极通过re1接地 此时 各项指标分别为 121 动态分析方法小结 1 图解法 在晶体管特性曲线上通过作图确定信号变化量之间的关系 特点 形象 直观 便于理解放大原理 波形关系及非线性失真 适用于大信号分析 对于小信号放大器 用图解法难以准确地进行定量分析 2 等效电路法 利用器件的小信号模型进行电路分析 确定信号变化量之间的关系 特点 适用于小信号 运算简便 误差小 122 2 5 5共射放大电路的设计实例 例2 5 5试设计一个共射放大电路 要求电路的au 50 rl 1k ri 1k ro 2k uopp 5v 123 1 确定电源电压ucc 1 输出电压峰峰值uopp 5v 2 饱和压降uces 0 7 1v 3 发射极电阻re上的直流压降ure 1v 若 ure 25mv ure 1v ure ure 2 5 则 icq icq 2 5 ucc uopp uces ure 取ucc 15v 124 2 选择晶体管型号 1 u br cbo ucc u br ceo ucc 2 pcm 10pl 3dg6c的主要参数为 u br cbo u br ceo 45v pcm 100mw 120 125 3 确定rc uceq icq re的值 1 rc ro 2k 取uceq 5 5v 2 取icq 4ma 3 126 4 re的确定 取re 0 39k 127 5 rb1和rb2的确定 取i1 10ibq 取rb2 6 6k 取rb1 39k 128 6 验证放大电路的ri和au 7 耦合电容c1 c2和射极旁路电容ce的确定 c1 c2 10 f ce 47 f 8 电源去耦电容c3与c4的确定 c3 0 1 f c4 10 f 129 作业 2 23 130 2 6共集放大电路 射极输出器 a 电路 图2 6 1共集放大电路及交流等效电路 131 图2 6 1共集放大电路及交流等效电路 b 交流等效电路 132 1 电压放大倍数au 133 2 电流放大倍数ai 134 3 输入电阻ri 135 4 输出电阻ro 图2 6 2求共集放大器ro的等效电路 式中 而 136 所以 输出电阻 137 2 7共基放大电路 图2 7 1共基极放大器及交流等效电路 138 b 交流等效电路 图2 7 1共基极放大器及交流等效电路 139 1 电压放大倍数au 140 2 电流放大倍数ai 141 3 输入电阻ri 142 4 输出电阻ro 143 表2 7 1三种基本放大器性能比较 144 2 8多级放大电路 2 8 1级间耦合方式 3 直接耦合方式 1 阻容耦合方式 2 变压器耦合方式 收音机中用的中周 中频变压器 广泛用于集成电路中 4 光电耦合方式 广泛用于分立元件电路中 145 2 8 2级联放大器的性能指标计算 146 2 8 3常见的组合放大器 一 cc ce组合放大器 图2 8 7cc ce组合放大器的交流通路 147 二 ce cc组合放大器 图2 8 8ce cc组合放大器的交流通路 148 例2 8 2放大电路如图2 8 9所示 已知晶体管 100 rbe1 3k rbe2 2k rbe3 1 5k 试求放大器的输入电阻 输出电阻及源电压放大倍数 图2 8 9例2 8 2电路 149 解 该电路为共集 共射和共集三级直接耦合放大