第三章-双极结型三极管及放大电路基础.ppt

模拟电子线路,3.1双极型晶体管（BJT，bipolarjunctiontransistor）双极型晶体管由两个靠得很近的PN结构成。其中，带正电的空穴和带负电的电子均参与导电。一、晶体管的结构及符号晶体管的结构特点：发射区掺杂浓度高，基区薄且浓度低，集电结面积大，以保证晶体管具有电流放大作用。,模拟电子线路,二、晶体管的电流分配与放大作用晶体管内载流子的传输过程发射区向基区注入载流子电子在基区扩散和复合集电结收集电子,模拟电子线路,晶体管直流电流传输方程晶体管做放大器时，三个端中一个作输入端，一个作输出端，另一个作输入和输出的公用端。根据作公用端的电极的不同，晶体管可分为三种不同的连接方式：共基集、共发射极和共集电极连接。在这三种不同连接关系下的晶体管内部直流电流关系，称为晶体管的直流电流传输方程。,模拟电子线路,1、共基极直流电流传输方程(发射极输入，集电极输出)共基极电流放大系数共基极直流电流传输方程若ICICBO，则所以,稍小于1，电流无放大作用,模拟电子线路,2、共发射极直流电流传输方程基极为输入端，集电极为输出端，发射极为公共端输入电流为IB、输出电流为Ic，IcIB，有电流放大作用！利用上节晶体管内载流子关系式令则此式称为共发射极直流电流传输方程。,模拟电子线路,其中，代表基极开路时的集电极到发射极的直通电流，通常称为穿透电流。有表明等于集电极电流与基极电流的比值。由于共发射极电路的直流电流传输方程可表示为,模拟电子线路,3、共集电极直流电流传输方程基极为输入端，发射极为输出端，集电极为公共端由于IE=IC+IB所以上式即为共集电极直流电流传输方程。通常，故共集电极电路的直流电流传输方程与共射电路近似。,模拟电子线路,三、晶体管的共射组态特性曲线晶体管外部各极电流和电压的关系曲线称为晶体管的特性曲线。共发射极晶体管的输入端电流为iB，输入端电压为vBE，输出端电流为iC，输出端电压为vCE。,模拟电子线路,1、输入特性曲线以集电极电压vCE为参变量，输入回路中基极电压vBE与基极电流iB的关系曲线称为输入特性曲线，即iB=f(vBE)|vCE(1)vCE=0时,iB-vBE曲线和普通二极管的特性相似。(2)vCE1V时的IB-VBE曲线与vCE=0时的曲线相比,特性右移,且不同vCE的曲线基本重合。,模拟电子线路,2、输出特性曲线,输出特性是指以输入基极电流iB为参变量,输出集电极电流iC和集电极与发射极之间输出电压vCE的关系,即iC=f(vCE)|iB,模拟电子线路,1)放大区发射结正向偏置，集电结反向偏置iB等变量变化时输出iC基本是平行等距的。受基区调制效应影响，随vCE加大，曲线斜率略有加大。基区调制效应：基区宽度受集电极电压调制：vCE，集电结厚度，基区宽度，电子空穴复合，维持相同iC所需iB，相同iB时iC。,常数,模拟电子线路,2)饱和区vCE较小时，集电结吸引电子能力弱，iC不随iB的增加而增加，晶体管失去放大作用。饱和时集电极电压称为饱和压降VCE(sat)。Si管VCE(sat)0.3V，而发射结的饱和压降VBE(sat)0.8V，故VCB(sat)=VCE(sat)-VBE(sat)-0.5V在饱和区，集电结和发射结均处于正向偏置。3)截止区通常将iB=0以下的区域称为截止区，此时iE=iC=iCEO。严格的说，iE=0，iC50时，AV随IE线性增大,模拟电子线路,C、计算输入电阻和输出电阻放大器的输入电阻放大器的输出电阻若使用完整的h参数等效，不忽略hoe，有,模拟电子线路,D、计算源电压放大倍数根据源电压放大倍数的定义，有而,模拟电子线路,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（40A，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：,BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例,模拟电子线路,3.4放大电路静态工作点的稳定一、温度变化对工作点的影响,温度上升时，BJT的反向电流ICBO、ICEO及电流放大系数或都会增大，而发射结正向压降VBE会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加（ICQ=IBQ+ICEO），从而使Q点随温度变化。,要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流IBQ。,模拟电子线路,二、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,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,1、基极分压式射极偏置电路,(a)原理电路(b)直流通路,模拟电子线路,b点电位基本不变的条件：,I1IBQ，,此时，,VBQ与温度无关,VBQVBEQ,Re取值越大，反馈控制作用越强,一般取I1=(510)IBQ，VBQ=35V,模拟电子线路,（2）放大电路指标分析,静态工作点,模拟电子线路,电压增益,画小信号等效电路,模拟电子线路,输出回路：,输入回路：,电压增益：,确定模型参数,已知，求rbe,增益,模拟电子线路,输入电阻,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,模拟电子线路,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,其中,模拟电子线路,2、含有双电源的射极偏置电路,（1）阻容耦合,静态工作点,模拟电子线路,（2）直接耦合,模拟电子线路,3、含有恒流源的射极偏置电路,静态工作点由恒流源提供,模拟电子线路,3.5共集电极电路和共基极电路共集电极电路射极输出器集电极为输入和输出信号的公共端,模拟电子线路,一、静态工作点基极回路电压方程又有,模拟电子线路,二、电压放大倍数输入回路电压方程为输出回路电压方程为电压放大倍数为，射极输出器电压放大倍数小于1但接近1。输出电压跟随输入电压的变化而变化，又称射极跟随器。Io=(1+)Ib远大于输入电流Ib，有电流和功率放大作用。,模拟电子线路,三、输入电阻和输出电阻输入电阻为Vs短路，输出端加Vt，其中输出电阻为通常,模拟电子线路,通常RE较大，1，有射极输出器输入电阻较大，比共发射极的高几十到几百倍。射极输出器输出电阻较小，一般为几十到几百欧。,模拟电子线路,四、主要特点和应用射极输出器具有以下特点：电压放大倍数稍小于1输出电压与输入电压同相输入电阻大，输出电阻小射极输出器的应用多极放大器的输出级，以增强负载能力多极放大器的中间缓冲级，利用其输入电阻大、输出电阻小的特点，实现阻抗变换，隔离前后级的相互影响。,模拟电子线路,共基极电路集电极为输入和输出信号的公共端,模拟电子线路,一、电压放大倍数输入回路电压方程为输出回路电压方程为电压放大倍数为输出电压与输入电压同相。,模拟电子线路,二、输入电阻和输出电阻输入电阻为考虑RE后，输入电阻Ri为输出电阻为共基极放大电路输入电阻比共发射极的小得多。共基极放大电路频率响应特点较好，适用于较高频率场合。,模拟电子线路,三种放大器性能小结,模拟电子线路,三种组态的特点及用途,共射极放大电路：电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路：只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。共基极放大电路：只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。,模拟电子线路,一、共射共基放大电路,共射共基放大电路,3.6组合放大电路,模拟电子线路,其中,所以,因为,因此,组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻RL。,电压增益,模拟电子线路,输入电阻,输出电阻,RoRc2,模拟电子线路,T1、T2构成复合管，可等效为一个NPN管,(a)原理图(b)交流通路,二、共集共集放大电路,模拟电子线路,1、复合管的主要特性,两只NPN型BJT组成的复合管,两只PNP型BJT组成的复合管,rberbe1(11)rbe2,模拟电子线路,PNP与NPN组成的复合管,NPN与PNP组成的复合管,rberbe1,模拟电子线路,2、共集共集放大电路的Av、Ri、Ro,式中12rberbe1(11)rbe2RLRe|RL,RiRb|rbe(1)RL,模拟电子线路,3.7放大电路的频率响应一、放大器频率特性的概念放大电路中由于有耦合电容、旁路电容、分布电容以及放大管的极间电容等电抗元件的存在，使放大倍数与信号的各频率分量有关，这种关系称为放大器的频率特性，又称频率响应。放大器的频率特性可表示为表示电压放大倍数的模与频率的关系，称为放大器的幅频特性，表示输出电压与输入电压间的相位差和频率的关系，称为相频特性。,模拟电子线路,RC低通电路的频率响应,模拟电子线路,幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标,称为上限截止频率。当时，幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降，或写成-20dB/dec。在处的误差最大，有3dB。,当时，相频特性将滞后45，并具有-45/dec的斜率。在0.1和10处与实际的相频特性有最大的误差，其值分别为+5.7和5.7。这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。,模拟电子线路,RC高通电路,式中下限截止频率、模和相角为,模拟电子线路,单极放大电路的高频响应,高频小信号模型,基区体电阻，b是假想的基区内的一个点。,、发射结电阻和电容。,、集电结电阻和电容。,受控电流源,模拟电子线路,高频混合型小信号模型电路,这一模型中用代替，这是因为本身就与频率有关，而gm与频率无关。推导如下:,用代替,模拟电子线路,gm与频率无关。若IE=1mA，gm=1mA/26mV38mS。,gm称为跨导，还可写成,模拟电子线路,在型小信号模型中，因存在Cbc和rbc,对求解不便，可通过单向化处理加以变换。首先因rbc很大，可以忽略，只剩下Cbc。可以用输入侧的C和输出侧的C两个电容去分别代替Cbc，但要求变换前后应保证相关电流不变。,单向化,高频混合型小信号电路,模拟电子线