模电第04章三极管及放大电路基础ppt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:VCVBVE,e结正偏,c结反偏则电路特点：IE=ICIB,: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VBVCVE,e结正偏,c结正偏则电路特点：VCE0,IBICEC/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VCVEVB,e结反偏,c结反偏:则电路特点：IB0,IC0,VCEEC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:VBE0,VBC0。,.,（1-8）,硅管VBE0.60.7V锗管VBE0.20.3V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(IBVBE/VCE=constant)当VCE1V时：,硅管VBE0.7V,锗管VBE0.3V饱和状态,VBE死区电压:截止状态,.,（1-9）,2、输出特性(ICVCE/IB=constant),原因：(1)当uCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。(2)uCEIc。,(3)当uCE1V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)V0,IBIC,(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,VCEVBE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VBVCVE且VCE0方法2:IBICS三极管可靠饱和,特点：VCE0,IBIC，,本图中：,其中：ICS为VCE0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：,VBE0,IB0区域,发射e结反偏,集电c结反偏,特点:VBE死区电压,IB00,ICICEO0,VCEEC,.,（1-13）,如何判断是否截止？方法1:VBE0(或死区电压)方法2:VCVEVB三极管可靠截止,特点:VBE死区电压,IB00,ICICEO0,VCEEC,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,VCEECICRC,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VCVE放大状态。方法2:VCVBVE且VBE硅管(0.50.7)V,锗管(0.20.3)V则三极管处在放大状态。,特点：IC=IB,且IC=IB，VCEECICRC,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VEVC即:VBVEVC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)VCEICPCM的区域,过损耗区：VCEICPCM,.,（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20200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=40A,IC=1.5mA;Q2点IB=60A,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=ICVCEPCM6.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10C，ICBO增大一倍。2、温度对VBE(或IB)的影响温度每升高1C，VBE将减小(22.5)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1C，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：VBE0IB=0，IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,例2,.,（1-25）,此时：IC0.95mA。Q位于放大区。,VSB=2V时：,IB0.95mAICmax2mA,VSB=5V时:,此时：ICICmax2mA。IC和IB已不是倍的关系。Q位于饱和区。,IB500.0613.05mA,ICmax2mA,.,（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VCVBVE,+vi,+vo,电路改进：采用单电源供电,VCVBVERBRC,.,（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vi0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：VCCIBQRB+VBEQ,VBEQ取硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。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ICQIBQ(4)估算VCEQ根据KVL：VCCICQRC+VCEQVCEQVCCICQRC,.,（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(VCEIC的外特性)直流负载线方程(VCEIC关系):VCEVCCICRC,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vceic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vceic关系：,.,（1-37）,(2)作交流负载线,交直流迭加量vCEiC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=Vimsintv,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：rbe103，r10-310-4102，rce105。由于r0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=rbe103，hre=r10-310-4hfe=102，1/hoe=rce105,简化模型,等效,由于r0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=(0.15)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:RLRC/RLvo=-ibRLvi=ibrbe,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/iRC,.,（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,ICQIB9.6mA,ICQIB3.2mAVCEQVCCICQRC5.6V静态工作点为Q(40A,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：VCC12V，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/Rbrbe=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),ICQIBQ+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,IEQICQ,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:I2IBQ即I2=(510)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：I2IBQ则：I1I2IBQI2,VBI2RB2,.,（1-63）,条件二:VBVBEQ即VB=(510)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：VBVBEQ则：,T,VBEQ,ICQ不再受VBEQ的影响,ICQ,.,（1-64）,VBI2RB2,VCEQVCCICQRCIEQRE,3、稳Q电路的静态分析方法估算法(实际常用,要