双极型三极管及其放大电路ppt课件

双极型三极管及其放大电路 三极管的结构三极管的放大原理三极管特性曲线 输入特性曲线 输出特性曲线 共射极放大电路图解分析法小信号模型分析法放大电路的工作点稳定问题共集电极电路和共基极电路放大电路的频率响应 半导体三极管BJT BJT的结构简介BipolarJunctionTransistor BJT 双极结型晶体管BJT是通过一定工艺 将两个PN结结合在一起的器件 具有电流放大作用 中功率管 大功率管 三极管的结构 N P N 发射区 向基区发射多子 电子 集电区 收集载流子 电子 集电极collector 发射极emitter 基区 作用 作用 作用 传输载流子 电子 基极base 由于是N P N结构 称为NPN三极管 集电结 发射结 三极管的结构 同样将半导体材料另行组合 二块P 一块N 构成三极管 它也有两个PN结 发射结 集电结 两个PN结将三极管同样分为三个区 发射区 基区 集电区 称它为PNP三极管 P N P 发射区 向基区发射多子 空穴 集电区 收集载流子 空穴 基区 作用 作用 作用 传输载流子 空穴 三极管的放大原理 1 放大的条件为保证BJT能放大需满足内部和外部条件1 BJT放大的内部条件a 发射区的掺杂浓度最高 b 基区掺杂很低 且基区很薄 c 集电区掺杂浓度低 集电结面积很大 虽然发射区和集电区都是N型半导体 但发射区比集电区掺的杂质多 因此它们并不是对称的 2 BJT放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 这是安排放大电路的基本原则 2 载流子的传输过程 扩散运动形成发射极电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC 少数载流子的运动 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 因基区薄且多子浓度低 使极少数扩散到基区的电子与空穴复合 因集电区面积大 在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区 基区空穴的扩散 电流分配 IE IB ICIE 扩散运动形成的电流IB 复合运动形成的电流IC 漂移运动形成的电流 穿透电流 集电结反向电流 直流电流放大系数 交流电流放大系数 为什么基极开路集电极回路会有穿透电流 3 电流分配关系 在载流子传输过程中 到达集电极电子与发射区注入基区的电子的比例 称为共基极电流放大系数 由三极管的制作工艺决定 直流共基电流放大系数 交流共基电流放大系数 重点记忆 4 三极管放大电路的三种组态共基极组态 CB commonbase 输入是发射极 输出是集电极 基极是输入输出回路的共同端 共射极组态 CE 输入是基极 输出是集电极 发射极是输入输出回路的共同端 共集电极组态 CC 输入是基极 输出是发射极 集电极是输入输出回路的共同端 三极管放大电路的三种组态 BJT的特性曲线 三极管和二极管一样是非线性元件 常用伏安特性 电流 电压关系 描述三极管的电流 电压方程组是超越方程 求解非常复杂 只需掌握伏安特性的直观表示法 伏安特性曲线 三极管有三个电极 其伏安特性不像二极管那么简单 在工程上要表示一个三极管的的伏安特性曲线 要用两张图结合起来 才能全面地表达清楚1 三极管的输入特性 输入回路的伏安特性 2 三极管的输出特性 输出回路的伏安特性 共射极特性曲线 为什么UCE增大曲线右移 对于小功率晶体管 UCE大于1V的任何一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线 为什么像PN结的伏安特性 为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了 1 输入特性 基区宽度调制效应 将UCE变化引起基区有效宽度变化 致使基极电流iB变化的效应 共射极特性曲线 2 输出特性 是常数吗 什么是理想晶体管 什么情况下 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大 为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线 饱和区 放大区 截止区 晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时 输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB 即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC 温度对晶体管特性的影响 主要参数 直流参数 ICBO ICEO c e间击穿电压 最大集电极电流 最大集电极耗散功率 PCM iCuCE 安全工作区 交流参数 极限参数 ICM PCM U BR CEO 三极管的选型 半导体三极管 BJT 晶体管 分类 按频率分 高频管 低频管 按功率分 小 中 大功率管 按半导体材料分 硅管 锗管等 按结构分 NPN型 PNP型 选型原则在同型号的三极管中 应选用反向电流小的管子小功率管 选值范围应在70 150之间 大功率管 选值范围应在30 70之间硅管的反向电流小 锗管的正向导通电压低注意三级管反向击穿电压和功耗的选型 讨论 由图示特性求出PCM ICM U BR CEO uCE 1V时的iC就是ICM U BR CEO 放大电路 放大的概念 放大的对象 变化量放大的本质 能量的控制放大的特征 功率放大放大的基本要求 不失真 放大的前提 判断电路能否放大的基本出发点 至少一路直流电源供电 放大电路 性能指标 1 放大倍数 输出量与输入量之比 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 对信号而言 任何放大电路均可看成二端口网络 放大电路 2 输入电阻和输出电阻 将输出等效成有内阻的电压源 内阻就是输出电阻 输入电压与输入电流有效值之比 从输入端看进去的等效电阻 放大电路 3 通频带 由于电容 电感及放大管PN结的电容效应 使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降 并产生相移 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力 共射放大电路的组成 VBB RB 使UBE Uon 且有合适的IB VCC 使UCE UBE 同时作为负载的能源 RC 将 iC转换成 uCE uo 隔离放大电路对信号源和负载的直流影响 沟通信号源 放大电路 负载之间的信号传递通道 动态信号作用时 不画电源符号 只写出电源正极对地的电位 放大电路的两种工作状态 静态 当输入信号为零时电路的工作状态 静态时放大电路中只有直流分量 输入电压ui为零时 晶体管各极的电流 b e间的电压 管压降称为静态工作点Q 记作IBQ ICQ IEQ UBEQ UCEQ 动态 有输入信号时电路的工作状态 动态时电路中的信号为交 直流混合信号 设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真 为什么放大的对象是动态信号 却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压 放大电路的静态分析 静态分析 就是通过放大电路的直流通路求解静态工作点值IBQ ICQ IEQ UBEQ UCEQ 直流通路 求解静态工作点的常用方法 1 静态工作点估算法 UCEQ VCC ICQRC 式中 UBEQ 凡硅管可取为0 7V 锗管0 2V 由输入回路方程 VCC IBQRB UBEQ 得 由输出回路方程 例 共射极电路如图 三极管的 38 VCC 12V RB 300k RC 4k 求该电路的静态工作点Q UCEQ VCC ICQRC 12 1 5mA 4k 12 6 6V 2 静态工作点图解法 1 输入回路 列写输入回路方程 VCC IBRB UBE 直流负载线与晶体管输入特性曲线的交点 即为放大电路的输入静态工作点Qi 在iB uBE坐标系中表示是一条直线 称为输入回路的直流负载线 输入回路直流负载线 2 输出回路 VCC ICRC UCE 输出回路方程 称为输出回路的直流负载线 直流负载线与晶体管输出特性曲线的交点 即为放大电路的输出静态工作点Qo 在iC uCE坐标系中也是一条直线 直流负载线 用PNP型三极管设计一个放大电路 放大电路的动态分析 放大电路的动态分析是在静态分析的基础上 分析电路中的信号的传输情况 考虑的只是电压和电流的交流分量 信号分量 图解法 小信号模型分析法 1 图解法在放大电路动态分析中的应用 1 当RL 时 在输入回路 uBE UBEQ ui t O uBE波形图 放大电路的交流通路 耦合电容短路 直流电压源短路 由于 故 iB的波形图 工作点的移动 uBE波形图 1 信号的传递 已知Q a b t O O t O a iB的形成过程 输出信号 a b t M N O O t iB1 iB2 已知Q 已知iB uCE波形图 iC波形图 输出电压uo O 已知输入信号 小结 输出信号波形 输出电压uo与输入电压ui相位相反 为什么 静态工作点与失真 饱和失真 动态工作轨迹进入饱和区 截止失真 动态工作轨迹进入截止区 放大电路产生失真的原因 1 静态工作点选择不合适2 输入信号幅度过大 1 如果静态工作点Q太低 uBE波形图 a b 已知Q iB1 iB2 iB的波形图 a 输入波形 O t t O O a b iB1 iB2 已知Q 已知iB uCE波形图 iC波形图 b 输出波形 截止失真 t M N O O t O 如何消除截止失真 减小Rb或者提高Vcc O t O t O uBE波形图 a b 已知Q iB1 iB2 iB的波形图 a 输入波形 2 如果静态工作点Q太高 a b iB1 iB2 已知Q 已知iB uCE波形图 iC波形图 b 输出波形 输出电压 饱和失真 t M N O O t O 如何消除饱和失真 增大Rb 减小Rc 减小 O t O t O uBE波形 a b 已知Q iB1 iB2 iB的波形 a 输入波形 3 如果输入信号太大 a b iB1 iB2 已知Q 已知iB uCE波形 iC波形 b 输出波形 t M N O O t O 结论 2 共射极放大电路的uo与ui的相位相反 3 ui的幅度过大或静态工作点不合适 将使工作点进入非线性区而产生非线性失真 饱和失真 截止失真 1 4 非线性失真的特点 饱和失真 输出电压波形的下半部被削平 截止失真 输出电压波形的上半部被削平 2 当RL 时 1 放大电路的交流通路 耦合电容短路 直流电压源短路 交流通路 由放大电路的交流通路可知 式中 由于 故 2 交流负载线 在uCE iC的坐标系中也表示一条直线 该直线称为放大电路的交流负载线 式 交流负载线的特点 b 经过静态工作点Qo a 斜率为 c 与横轴的交点为 d 最大不失真电压Uom为中的较小值 2 作图繁琐 图解法的特点 1 便于观察 4 放大电路的一些性能指标无法用图解法求得 3 当信号很小时无法作图 讨论一 1 在什么参数 如何变化时Q1 Q2 Q3 Q4 2 从输出电压上看 哪个Q点下最易产生截止失真 哪个Q点下最易产生饱和失真 哪个Q点下Uom最大 3 设计放大电路时 应根据什么选择VCC 求 Vcc ICQ UCEQ IBQ RC RL Uom 讨论二 2 小信号模型分析法 当放大电路的输入信号很小时 在静态工作点附近 把三极管小范围内的特性曲线用直线来代替 从而可以把三极管组成的非线性电路转化为线性电路来处理 从方法思想看微变等效电路法 小信号模型分析法 只适用于小信号情况下工作 所以 微变 即微小的变化量 微 它不适用于大信号的工作情况 大信号工作情况仍要借助图解法变 静态分析它也不适用 只适用于动态分析 在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络 输入回路 输出回路各为一个端口 三极管的H参数及其等效电路 交流等效模型 按式子画模型 电阻 无量纲 无量纲 电导 h参数的物理意义 b e间的动态电阻 内反馈系数 电流放大系数 c e间的电导 简化的h参数等效电路 交流等效模型 查阅手册 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻 利用PN结的电流方程可求得 在输入特性曲线上 Q点越高 rbe越小 小信号模型法分析步骤 2 画微变等效电路 1 确定静态工作点估算法确定Q点 3 估算rbe 4 求电压放大倍数AV 记忆 5 计算输入电阻 外加测试电压VT对于b点 对于为放大电路提供信号的信号源来说 放大电路是负载 这个负载的大小可以用输入电阻来表示 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输入电阻 6 计算输出电阻 所有独立电源置零 保留受控源 加压求电流法 电路的输出电阻越小越好 可以提高带负载的能力 例 图示电路中 已知的 40 VCC 12V RB 300k RC RL 4k 计算电压增益及输入和输出电阻 假设信号源内阻为0 解 1 确定Q点 UCEQ VCC ICQRC 12 1 6mA 4k 12 6 4 5 6V 2 画出小信号等效电路 交流通路 小信号等效电路 3 求rbe 4 求电压增益 5 输入电阻 6 输出电阻 两种分析方法的比较与使用 1 用图解法定出静态工作点 2 当输入电压幅度较小或BJT基本上在线性范围内工作时 特别是放大电路比较复杂时 可用小信号模型分析 3 当输入电压幅度较大 BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分时 采用图解法 例 两个放大电路如图 a b 所示 试分别画出其微变等效电路 画出求输出电阻电路 已知图 b 电路的三极管微变参数b rbe 并求图 b 电路电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 图 b 电路的电压放大倍数为 射极偏置放大电路 一 温度对静态工作点的影响 所谓Q点稳定 是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变 这是靠IBQ的变化得来的 若温度升高时要Q 回到Q 则只有减小IBQ 二 射极偏置电路 Ce为旁路电容 在交流通路中可视为短路 1 电路组成 2 稳定原理 为了稳定Q点 通常I1 IB 即I1 I2 因此 基本不随温度变化 Re的作用 T IC UE UBE UB基本不变 IB IC Re起直流负反馈作用 其值越大 反馈越强 Q点越稳定 关于反馈的一些概念 将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈 直流通路中的反馈称为直流反馈 反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈 反之称为正反馈 Re有上限值吗 3 Q点分析 分压式电流负反馈工作点稳定电路 Rb上静态电压是否可忽略不计 判断方法 4 动态分析 利 弊 无旁路电容Ce时 三 稳定静态工作点的方法 引入直流负反馈温度补偿 利用对温度敏感的元件 在温度变化时直接影响输入回路 例如 Rb1或Rb2采用热敏电阻 它们的温度系数特性 讨论 图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点 若采用了措施 则是什么措施 例 在图示电路中 Rb1 39k Rb2 10k RC 2 7k Re 1k RL 5 1k C1 C2 10 F Ce 47 F VCC 15V 晶体管的 100 试求 1 静态工作点Q 2 AV Ri Ro的值 VCEQ VCC IEQ RC Re 15 2 36 2 7 1 6 27V 解 1 估算法求解Q点 由 得 交流通路 2 动态分析 Ri Rb1 Rb2 rbe 39 10 1 3 1 2k Ro Rc 2 7k 2 动态分析 求AV Ri Ro的值 加入Re后 射偏电路的电压放大倍数有所降低 所以射偏电路是以牺牲电压放大倍数来稳定其Q点的 加入Re后使输入电阻提高了 增强了放大器向信号源索取电压的能力 改善了放大电路的特性 Ri Rb1 Rb2 rbe 1 Re 7 5k Ri Rb1 Rb2 rbe 1 2k 共集电极放大电路 1 电路组成 电路从发射极与 地 之间输出信号 所以又称之为射极输出器 2 静态分析 画出放大电路的直流通路 求Q点 2静态分析 求解Q点 直流通路 3动态分析 画微变等效电路 交流通路 3动态分析 画微变H参数小信号等效电路 交流通路 b e c 3动态分析 求AV Ri Ro的值 a 电压放大倍数 由于 故 无电压放大能力 a 电压放大倍数 共集电极电路的电压放大倍数接近而略小于1 且为正 说明其输入电压和输出电压同相 其输出电压的大小和相位跟随输入电压变化 具有电压跟随作用 因此共集电极电路常称为射极跟随器 b 电流放大倍数 c e b 即射极输出器有电流放大能力和功率放大能力 Ri Rb R i Rb rbe 1 R L 由于 故 c e b Ri通常很大 c 输入电阻 共集电极电路的输入电阻约为105 106量级 而基本共射输入电阻 约为103量级 所以与基本共射放大电路相比较 共集电极放大电路的输入电阻比较高 Ri Rb R i Rb rbe 1 R L c e b d 输出电阻Ro d 输出电阻Ro 输出电阻很低 仅有十几 几十欧姆 若想进一步降低输出电阻 应选 较大的三极管 共集电极电路的特点 电压放大倍数略小于1 近似等于1 输出电压与输入电压同相 输入电阻高 输出电阻低 虽然它不具备电压放大作用 但它具有电流放大作用 仍然有功率放大作用 例题 50 VBEQ 0 7 Q点 动态性能 Q点 动态性能 Ri Rb rbe 1 R L 共基放大电路 在射极偏置电路中 从射极输入信号 从集电极输出信号 则电路的组态变为共基组态 1电路组成 2 静态分析求解Q点 直流通路 共基极放大电路 2 静态分析求解Q点 用估算法求静态工作点Q 从VB固定入手 共基极放大电路 3 动态分析画微变等效电路 交流通路 3 动态分析画微变等效电路 微变等效电路 共基极放大电路 交流通路 3 动态分析画微变等效电路 微变等效电路 共基极放大电路 a 电压放大倍数 与基本共射放大电路相比少了一个负号 说明共基电路是同相放大器 微变等效电路 共基极放大电路 b 输入电阻 共基电路输入电阻通常只有几到十几欧姆 这是致命的缺点这个致命的缺点 限制了共基电路在低频放大电路中的使用 求解输出电阻电路 共基极放大电路 c 输出电阻 共基电路输出电阻与共射电路相同 共基极放大电路的特点 1 有电压放大能力 电压放大倍数与共射极放大电路相同 Vo与Vi同相 2 没有电流放大能力 3 输入电阻小 输出电阻大 4 在低频放大电路很少应用 5 共基电路的频率特性好 常用于高频放大器和宽频带放大器 三种接法的比较 空载情况下 接法共射共集共基Au大小于1大Ai 1 Ri中大小Ro大小大频带窄中宽 图示电路为哪种基本接法的放大电路 它们的静态工作点有可能稳定吗 求解静态工作点 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻的表达式 电路如图 所有电容对交流信号均可视为短路 1 Q为多少 2 Re有稳定Q点的作用吗 3 电路的交流等效电路 4 V变化时 电压放大倍数如何变化 改变电压放大倍数 放大电路的频率响应 频率响应和频率失真 频率响应 放大电路输入幅度相同的正弦波信号时 输出信号的幅度与相位随信号频率变化而变化的特性 频率失真 放大电路对不同频率的输入信号 有不同的放大能力和相移 而使输出信号产生的失真 频率失真也称为线性失真 输出信号 二次谐波 基波 二次谐波 基波 输入信号 输出信号 二次谐波 基波 幅度失真 相位失真 假定输入信号由基波和二次谐波组成 频率响应 幅频 相频特性曲线 描述频率特性的参数 fL fH fbw 描述频率特性的方法 RC电路的频率响应 电路理论中的稳态分析 RC电路的电压增益 传递函数 则 且令 又 电压增益的幅值 模 幅频响应 电压增益的相角 相频响应 增益频率函数 1 RC低通电路的频率响应 最大误差 3dB 频率响应曲线描述 幅频响应 0分贝水平线 斜率为 20dB 十倍频程的直线 相频响应 所以 频率响应曲线描述 RC低通电路频率特性曲线 折线波特图 呈现低通特性 RC电路的电压增益 幅频响应 相频响应 令 2 RC高通电路的频率响应 幅频响应 RC高通电路频率特性曲线 折线波特图 0dB 20dB 3dB 经过点 fL 0dB 转折频率处 直线 RC高通电路频率特性曲线 折线波特图 相频响应 直线 近似折线 实际曲线 RC高通电路频率特性曲线 折线波特图 0dB 20dB 3dB 密勒定理 单极放大器的频率响应 晶体管的高频模型 gm为跨导 它不随信号频率的变化而变 连接了输入回路和输出回路 一 混合 模型 2 混合 模型的单向化 使信号单向传递