模电第04章三极管及放大电路基础(康华光)-1ppt课件

第四章三极管及放大电路基础 重点 1 了解三极管的基本构造 工作原理和特性曲线 理解主要参数的意义 2 理解三极管的电流分配和电流放大作用 3 会判断三极管的工作状态 4 掌握各类三极管放大电路的分析方法 1 静态的工作点估算法 2 动态的微变等效电路分析法 即AV Ri和Ro的计算方法 1 2 4 1半导体三极管简介 晶体三极管 双极型晶体管 BipolarJunctionTransistor 简称BJT 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 一 基本结构 三层半导体 两个PN结 1 3 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 结构特点 集电区 面积最大 二 图形符号 NPN型三极管 PNP型三极管 1 4 三 三极管的三种连接方式 共集电极接法 集电极作为输入输出公共端 用CC表示 共基极接法 基极作为输入输出公共端 用CB表示 共发射极接法 发射极作为输入输出公共端 用CE表示 1 5 四 电流放大原理 以NPN管共e极为例 若 VC VB VE e结正偏 c结反偏则电路特点 IE IC IB 直流电流放大系数 交流电流放大系数 三极管处在放大状态时 二者的数值近似相等 因此 在以后的计算中 一般取 三极管具有放大电流作用的外部条件是 电流变化量 发射结正偏 集电结反偏 1 6 因发射结正偏 发射区电子向基区扩散 从EB EC 补充电子 形成IE 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 被EB 吸引 形成IB 因PN结反偏 C旁边的电子漂移进入集电区而被EC 收集 形成IC 多数扩散到集电结旁边 三极管具有放大电流作用的内部条件是 基区的厚度及其掺杂浓度 放大状态下三极管内部载流子的运动规律 1 7 五 开关特性 以NPN管共e极为例 1 当VB VC VE e结正偏 c结正偏则电路特点 VCE 0 IB IC EC RC 无电流放大作用 称为饱和状态这时三极管CE端相当于接通 原因 VCE小 收集电子的能力不够强 2 当VC VE VB e结反偏 c结反偏 则电路特点 IB 0 IC 0 VCE EC 无电流放大作用 称为截止状态这时三极管CE端相当于断开 原因 VBE 0 VBC 0 1 8 硅管VBE 0 6 0 7V锗管VBE 0 2 0 3V 放大状态 死区电压 硅管0 5V锗管0 2V 放大状态时 VBE越大 IB越大 六 特性曲线 以NPN管共e极为例 1 输入特性 IB VBE VCE constant 当VCE 1V时 硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 3V 饱和状态 VBE 死区电压 截止状态 1 9 2 输出特性 IC VCE IB constant 原因 1 当uCE 0V时 因集电极无收集作用 iC 0 2 uCE Ic 3 当uCE 1V后 收集电子的能力足够强 这时 发射到基区的电子都被集电极收集 形成iC 所以uCE再增加 iC基本保持不变 同理 可作出iB 其他值的曲线 ICEO 饱和区 截止区 放大区 1 10 特点 VCE 硅0 3 锗0 1 V 0 IB IC 1 饱和区 3 三极管的工作状态及其判断方法三极管可工作在三个区域 饱和区 截止状区 放大区 VCE VBE区域 发射结e正偏 集电结c正偏 1 11 如何判断是否饱和 方法1 若VB VC VE且VCE 0方法2 IB ICS三极管可靠饱和 特点 VCE 0 IB IC 本图中 其中 ICS为VCE 0的IC 这时三极管C E端相当于 一个接通的开关 1 12 2 截止区 VBE 0 IB 0区域 发射e结反偏 集电c结反偏 特点 VBE 死区电压 IB 0 0 IC ICEO 0 VCE EC 1 13 如何判断是否截止 方法1 VBE 0 或 死区电压 方法2 VC VE VB三极管可靠截止 特点 VBE 死区电压 IB 0 0 IC ICEO 0 VCE EC 这时三极管C E端相当于 一个断开的开关 1 14 3 放大区 特点 IC IB 且 IC IB VCE EC ICRC IC IB区域 发射结e正偏 集电结c反偏 1 15 判断是否放大的方法 方法1 先判断是否截止 再判断是否饱和 若既不是截止 也不是饱和 且VC VE 放大状态 方法2 VC VB VE且VBE 硅管 0 5 0 7 V 锗管 0 2 0 3 V则三极管处在放大状态 特点 IC IB 且 IC IB VCE EC ICRC 这时三极管C E端相当于 一个受电流控制的恒流源 1 16 4 倒置状态 若VBE 硅管0 5V 锗管0 2V 且VE VC即 VB VE VC 三极管处在倒置状态 注意 分析PNP管时 须将所有的电压电流方向 大于小于号方向反过来 1 17 5 过损耗区 晶体管不能工作的区域 VCEIC PCM的区域 过损耗区 VCEIC PCM 1 18 七 主要参数1 电流放大系数 1 共发射极直流电流放大系数 IC IB 共发射极交流电流放大系数 IC IB 注意 交直电流放大系数虽含义不同 但当三极管处在放大状态情况下 ICBO和ICEO很小时 两者数值接近 在以后的计算中 一般作近似处理 常用晶体管的 值在20 200之间 共基极交流电流放大系数 IC IE 2 共基极直流电流放大系数 IC IE 且 1 1 19 Q1 Q2 在Q1点 有 由Q1和Q2点 得 例1 解 VCE 6V时Q1点IB 40 A IC 1 5mA Q2点IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 1 20 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流 受温度的影响大 温度 ICBO 3 集 射极反向截止电流 穿透电流 ICEO ICEO受温度的影响大 温度 ICEO 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 注意 ICEO 1 ICBO 1 21 4 集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 集电极最大允许耗散功耗PCM若集电极电流通过集电结时所产生的功耗PC ICVCE过大 温升过高会烧坏三极管 所以要求 PC ICVCE PCM6 集 射极反向击穿电压V BR CEO 基极开路时 集电极与发射极之间允许的最大反向电压 1 22 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 ICVCE PCM 安全工作区 1 23 八 晶体管参数与温度的关系1 温度对ICBO的影响温度每增加10 C ICBO增大一倍 2 温度对VBE 或IB 的影响温度每升高1 C VBE将减小 2 2 5 mV 温度升高时 若保持VBE不变 则IB将会提高 3 温度对 的影响温度每升高1 C 增加0 5 1 0 4 温度对反向击穿电压V BR CBO V BR CEO的影响温度升高时 V BR CBO和V BR CEO都会有所提高 5 温度对BJT特性曲线的影响温度升高时 输入特性曲线将向左移动 输出特性曲线将向上移动 各条曲线间的距离加大 1 24 50 VSC 12V RB 70k RC 6k 当VSB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 当VSB 2V时 此时 VBE 0IB 0 IC 0 IC最大饱和电流 Q位于截止区 例2 1 25 此时 IC 0 95mA Q位于放大区 VSB 2V时 IB 0 95mA ICmax 2mA VSB 5V时 此时 IC ICmax 2mA IC和IB已不是 倍的关系 Q位于饱和区 IB 50 0 061 3 05mA ICmax 2mA 1 26 4 2阻容耦合基本共射放大电路适用范围 放大中高频率信号一 电路组成 条件VC VB VE vi vo 电路改进 采用单电源供电 VC VB VE RB RC 1 27 简化电路 阻容耦合基本共射放大电路 固定偏置电路 1 28 二 放大原理 1 当vi 0时 静态 的各点波形 0 IB IC VCE VCC ICRC VBE VCE 0 IC IB 1 29 结论 1 无输入信号电压时 三极管各电极都是恒定的电压和电流 IBQ VBEQ和ICQ VCEQ 2 点 IBQ VBEQ 和 ICQ VCEQ 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点 称为静态工作点 用Q表示 1 30 vCE VCC iCRC vBE vCE iC iB 2 当vi 0时 动态 的各点波形条件 vi为中高频率信号 结论 若参数选取得当 输出电压可比输入电压大 即电路具有电压放大作用 1 31 三 放大原理总结 1 为使晶体管工作于放大区 使e结正偏 c结反偏 必须正确设置静态工作点 2 放大实质 vi变化 vBE变化 iB变化 iC变化 vCE变化 经电容耦合只输出交流信号vo 3 在有信号输入时 放大电路内部同时存在着交 直流两种成分 而且信号正负半周迭加在静态值 以Q为中心点 的基础上变化 但不改变各电量的极性 从而保证e结正偏 c结反偏 四 符号规定直流量 大写字母 大写下标VA交直迭加量 小写字母 大写下标vA 交流量 瞬时值 小写字母 小写下标va有效值 大写字母 小写下标Va 1 32 1 画直流通道 直流电流能流通之处 4 3放大电路的分析方法 阻容耦合基本电路 一 静态分析 求vi 0时 VCC单独作用时 的IBQ VBEQ ICQ VCEQ 断开 断开 vi vo 直流通道 1 估算法 1 33 2 估算IBQ根据KVL VCC IBQRB VBEQ VBEQ取硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V RB称为偏置电阻 IBQ称为偏置电流 3 估算ICQ根据晶体管电流放大作用ICQ IBQ 4 估算VCEQ根据KVL VCC ICQRC VCEQVCEQ VCC ICQRC 1 34 2 图解法 使用条件 已知输出特性曲线 3 与IBQ对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点 Q点对应在纵轴与横轴上的就是静态工作值ICQ与VCEQ 1 在输出特性曲线上作出直流负载线 VCE IC的外特性 直流负载线方程 VCE IC关系 VCE VCC ICRC 直负线 IBQ 2 估算IBQ 1 35 二 动态分析 1 画交流通路 vS单独作用且频率较高 交流通路中VCC C1 C2应短接 VCC C1 C2短接 求vS单独作用时vo Av ri ro1 图解法 使用条件 已知输入 输出特性曲线 vi vo vce 1 36 为线性关系 即交流电压vce 电流ic是沿着斜率为 1 RL RC 的直线轨迹变化的 该轨迹怎样画在输出特性坐标上 注意 输入 输出特性坐标是交直流情况均包含 动态时vce ic是叠加在直流值VCEQ ICQ基础上变化的 这条直线通过Q点 称为交流负载线 动态时vce ic关系 1 37 2 作交流负载线 交直流迭加量vCE iC的动态轨迹 交流负载线 直流负载线 最大输出电压范围 vce可以变化范围 ic可以变化范围 作法 过Q点且斜率为 1 RL RC 的直线 1 38 3 若已知vi 特性曲线 Q点 如何用图解法求vo Av 画出vCE 将输入vi迭加在静态值VBE上 画出vBE的变化量设vi Vimsin tv 画出iB 画出iC 交流负载线 先按前述步骤作出交流负载线 1 39 由图看出 vo与vi反相 放大倍数 Vom Vim 1 40 vCE 可输出最大而不失真信号 4 失真分析 若选择合适的静态工作点 交负线 1 41 若Q设置过低 信号易进入截止区 晶体管进入截止区工作 造成截止失真 截止失真 交负线 适当增加基极电流可消除截止失真 减小RB 1 42 若Q设置过高 信号易进入饱和区 晶体管进入饱和区工作 造成饱和失真 饱和失真 交负线 适当减小基极电流可消除饱和失真 增加RB 1 43 vCE iC 如果Q设置合适 输入信号幅值过大也可产生失真 既有饱和失真又有截止失真 交负线 减小输入信号幅值可消除失真 1 44 2 小信号模型分析法 微变等效电路法 1 三极管的线性化 小信号 模型 等效条件 BJT处在线性放大状态 分析动态 信号很小 工作在中低频段 等效 简化模型 2 三极管的简化线性化 小信号 模型各参数经推导与实验证明 rbe 103 r 10 3 10 4 102 rce 105 由于 r 0和rce 三极管等效为 1 45 三极管的线性化 小信号 模型的推导过程 当 BJT处在线性放大状态 分析动态 信号很小 工作在中低频段时 BJT相当于一个无源线性双口网络 任何一个无源线性双口网络 其两个端口上的电压电流vbe ib vce ic关系可用H参数方程表示 vbe hieib hrevceic hfeib hoevce 变量前的系数hie hre hfe hoe均为常数 由方程三极管可等效为 等效 1 46 各参数的物理意义 数量级经推导与实验证明 hie rbe 103 hre r 10 3 10 4hfe 102 1 hoe rce 105 简化模型 等效 由于 r 0和rce 可忽略它们的影响 则三极管等效为 各h参数的物理意义 自己看 输出端交流短路时的输入电阻 用rbe表示 输入端开路时的电压反馈系数 用 r表示 输出端交流短路时电流放大系数 输入端开路时的输出电导 用1 rce表示 1 49 分析动态 信号很小 中低频 rbe的量级从几百欧到几千欧 注意 当题目中rbe已给定时不用再计算 3 rbe的计算公式rbe与Q点有关 可用图示仪测出 当静态值IE 0 1 5 mA时可用公式估算 等效 对于低频小功率管 1 50 4 微变等效电路 小信号等效电路 用线性化模型代替交流通道中的三极管即可 交流通路 微变等效电路 1 51 5 电压增益 电压放大倍数 Av的计算 特点 负载电阻越小 放大倍数越小 设 R L RC RLvo ib R Lvi ib rbe 电压增益定义 Av vo vi 1 52 6 输入电阻Ri的计算 输入电阻的定义 Ri vi ii 是动态电阻 信号源的负载 等效 RB rbe 输入电阻Ri越大 vi越大 输入电阻Ri越大越好 Ri vi ii 1 53 7 输出电阻Ro的计算 对于负载RL而言 放大电路相当于有源二端线性网络 可用戴维南定理等效 戴维南等效内阻就是Ro 等效 输出电阻Ro越小越好 1 54 计算Ro方法 加压求流法 去掉负载 将输出端开路 将电路中的恒压源短接 恒流源断开 其余留下 外加一个电压v 引起一个电流i Ro v i 0 0 v 0 相当于断开 Ro v i Ro v i RC 1 55 3 小信号模型分析法的适用范围 三极管处在线性放大状态 分析动态 输入信号很小 此外 H参数的值是在静态工作点上求得的 所以 放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关 优点 分析放大电路的动态性能指标 Av Ri和Ro等 非常方便 且适用于频率较高时的分析 缺点 在BJT与放大电路的小信号等效电路中 电压 电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量 交流量 而言的 不能用来分析计算静态工作点 1 56 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 所以BJT工作在饱和区 此时Q 120vA 6mA 0V 例1 ICQ IB 9 6mA ICQ IB 3 2mAVCEQ VCC ICQRC 5 6V静态工作点为Q 40 A 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 2 当Rb 100k 时 共射放大电路如图所示 设 VCC 12V Rb 300k Rc 3k RL 3k BJT的b 60 试求 1 电路的静态工作点Q 2 估算电路的电压放大倍数 输入电阻Ri和输出电阻Ro 3 若输出电压的波形出现如下失真 是截止还是饱和失真 应调节哪个元件 如何调节 解 1 例2 3 为截止失真 应减小Rb 2 画微变等效电路 Ri rbe Rb rbe 993 Ro Rc 3k 1 59 4 4静态工作点的稳定合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件 但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动 一 影响静态工作点Q稳定的因素晶体管的老化 电源的波动 温度的变化等 其中影响最大的是温度的变化 温度对Q点的影响如下 T IBQ VBEQ恒定 ICEO Q变 ICQ 对NPN单管电路 造成Q点上移 易产生饱和失真 VBEQ IBQ恒定 ICQ IBQ ICEO 1 60 二 稳Q电路 分压式偏置电路 射极偏置电路 1 电路 RE射极直流负反馈电阻 CE交流旁路电容 为何此电路能稳定Q点 2 静态分析 1 直流通路 1 61 T VBEQ VB VE IBQ IEQ ICQ VE IEQRE ICQ 2 静态工作点基本稳定的原理 只要VB稳定 3 稳Q的条件 只要VB稳定 怎样稳定VB Q点稳定 1 62 条件一 I2 IBQ即I2 5 10 IBQ 通过选择RB1 RB2来实现 RB1 RB2越小 I2越大 稳Q效果越好 但I2太大将增加损耗 降低输入电阻 因此一般取几十k VB与参数无关 基本稳定 若 I2 IBQ则 I1 I2 IBQ I2 VB I2 RB2 1 63 条件二 VB VBEQ即VB 5 10 VBEQ 通过选择RB1 RB2的比例来实现 这时可以认为Q点与温度无关 可见 IC受VBEQ的影响 若 VB VBEQ则 T VBEQ ICQ不再受VBEQ的影响 ICQ 1 64 VB I2 RB2 VCEQ VCC