第2章双极型晶体管和基本放大电路7ppt课件

.,第2章双极型晶体三极管和基本放大电路,作业：,习题：2-1、2-4、2-7、2-8、2-102-12、2-14、2-17、2-24、2-25,.,第2章双极型晶体三极管和基本放大电路,2.1双极型晶体三极管,2.2晶体管放大电路的性能指标和工作原理,2.3晶体管放大电路的图解分析法,2.4等效电路分析法,2.5其他基本放大电路,2.6组合放大单元电路,.,本章的重点与难点,本章所讲述的基本概念、基本电路和基本分析方法是学习后面各章的基础。,重点:双极型晶体管的特性、放大的概念、放大电路的主要指标参数、基本放大电路和放大电路的分析方法。包括共射、共集、共基放大电路的组成、工作原理、静态和动态分析。,难点:有关放大、动态和静态、等效电路等概念的建立;电路能否放大的判断；各种基本放大电路的性能分析等。而上述问题对于学好本课程至关重要。,.,2.1.1双极型晶体三极管的结构及类型,在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。,2.1双极型晶体三极管,引出的三个电极分别为：发射极e、基极b和集电极c。,基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。,三个区、两个结、三个极,.,2.1双极型晶体三极管,.,2.1双极型晶体三极管,.,按照掺杂方式的不同分为NPN型和PNP型两种类型,NPN型,特点：基区薄掺杂浓度很低发射区掺杂浓度很高集电结面积很大,箭头方向代表发射结PN指向,.,PNP型,箭头方向代表发射结PN指向,.,、两个PN结无外加电压,2.1.2晶体管中的电流控制作用,（以NPN型为例说明）,载流子运动处于动平衡，净电流为零,、发射结加正向电压，集电结加反向电压,.,IB,IC,N,P,N,C,RC,RB,IEP,IBN,ICBO,ICN,IEN,.,1、发射区向基区注入电子,e区的多子电子通过e结扩散到基区，形成扩散电流IEN；同时基区的多子空穴扩散到e区，形成扩散电流IEP。二者实际方向相同，因此发射极电流IE=IEN+IEPIEN。,2、电子在基区的扩散与复合,e区的电子注入b区后，因基区薄且杂质浓度低，极少部分在b区被复合(形成电流IBN)，大部分仍往c区扩散。,.,3、电子被集电极收集,4、集电极的反向电流,因集电结加反向电压且面积大，到达c结边界的电子在电场作用下越过c结到达c区，记作ICN=IEN-IBN。,c结加反向电压，c区和b区的平衡少子形成反向电流，记作ICBO，数量小可忽略。,.,IC,VCC,VBB,RC,RB,晶体管的电流分配关系,IEP：基区向发射区扩散形成的空穴电流。IEN：发射区向基区扩散形成的电子电流。IBN：基区中复合运动形成的电流。,IBN,IEP,ICBO,IEN,ICN,.,IC,VCC,VBB,RC,RB,晶体管的电流分配关系,ICN：发射区扩散到基区未被复合的自由电子(非平衡少子）漂移到集电区形成的电流。ICBO：是平衡少子在集电区与基区漂移运动形成的电流。也是发射极开路时，b-c间的反向饱和电流。,IBN,IEP,ICBO,IEN,ICN,.,发射区发射的总电子数（对应于），绝大部分被集电区收集（对应于），极少部分在基区与空穴复合（对应于I）,一般为0.950.995,.,推导可得:,、电流分配关系,.,.,可以通过稍稍改变电流I，就可以使有很大的变化，如此实现了电流控制和电流放大作用。,.,实现电流控制的条件,（）晶体管结构上的保证（内因）：三个浓度不同的掺杂区、基区薄，掺杂浓度低；集电结面积大。,（）外加直流电源保证（外因）：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:Ube0（UbeUon），UbcVbVe,对于PNP型三极管应满足:Ube0，即VcVbVe,.,NPN管、PNP管在放大电路中外部条件的比较,e,c,e,c,b,b,+,+,+,+,NPN,PNP,（最低）,（最低）,.,、共射接法中的电流关系,射极为公共端，IB为输入回路电流，IC为输出回路电流,晶体管为电流控制器件,.,.,2.1.共射接法晶体管的特性曲线,以NPN型为例说明,.,1.共射接法晶体管的输入特性曲线,UCE=0，输入特性曲线与PN结的伏安特性类似。,当UCE增大时，由于电场的作用，曲线右移，当UCE增大到一定值后，再增加UCE，曲线右移将不再明显。,.,2、三极管的输出特性,对于每个确定的IB均有一条对应曲线，因此输出特性是一族曲线。,对于一条固定的曲线，随着UCE的增加，iC逐渐增加，当UCE增大到一定的程度，iC几乎不变，iC仅仅决定于iB。,.,晶体管的三个工作区,IB0的区域，两结均反偏。严格说，IE=0,即ICICBO的区域，管子基本不导电。,截止区：,.,IC/mA,UCE/V,0,IB=0A,20A,40A,60A,80A,交流共射电流放大系数：,放大区,直流,.,饱和区,发射结和集电结均处于正向偏置。,此时集电极与发射极之间的电压叫饱和电压降UCES,此时IBUCE较小。IC不仅和IB有关，还和UCE有关。当UCB=0时，晶体管处于临界饱和状态。,.,晶体管的三个工作区域,(发射结正向偏置且集电结反向偏置),工作区域,外部条件,特点,截止区,iB=0，iC0(iCICEO),uBEUon且uCEuBE,（发射结电压小于开启电压且集电结反偏）,放大区,iC=iB(iC仅仅由IB决定),uBEUon且uCEuBE,饱和区,（发射结和集电结均正向偏置）,uBEUon且uCEuBE,iCiB(iC随uCE的增大而增大),临界饱和（临界放大）,uCE=uBE即uCB=0,iCS=iBS,.,（）温度对输入特性曲线的影响,、温度对晶体管特性及参数的影响,温度升高时，正向特性曲线将左移。在室温附近，温度每升高1，正向压降减小22.5mV。,.,）温度对ICEO和ICBO的影响：,UCE/V,IC/mA,(2)温度对输出特性曲线的影响,每升高10，ICBO增大一倍，ICEO也是。,）温度对的影响：,温度升高输出特性上移,温度升高，增大，每升高1，增大0.51%。输出特性曲线间距增大。,.,.4三极管的主要参数,（）在不同接法下的直流电流比,2）直流共射集-基电流比,一般在0.950.995,一般在20100,（2）极间反向电流：ICEO和ICBO,、直流参数,1）直流共基集-射电流比,.,2、交流参数,(1)电流放大系数,(2)特征频率fT,当下降到1时的信号频率，f,.,（1）集电极最大允许耗散功率PCM,3、极限参数,（4）晶体管的安全工作区,（2）集电极最大允许电流ICM,.,.晶体管的类型、型号及选用原则,、类型根据材料分为硅管和锗管；根据三个区的掺杂方式分为NPN型和PNP型；根据使用的频率范围分为低频管和高频管；根据允许的功率损耗分为小功率管、中功率管和大功率管,.,、型号,见第一章表1-1,.,、晶体管的选用原则,（）同型号的管子选反向电流较小的；（）要求反向电流小、工作温度高选硅管；要求导通电压低选锗管；（）工作信号频率高选高频管；开关电路选开关管；（）保证管子工作在安全区。,.,晶体管的应用电路举例,例1：测得某电路中几只NPN晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管b-e间的阈值电压Uth均为0.7V。试分别说明各管子的工作状态。,对NPN管，当UBEUon时，管子截止；当UBEUon且UCEUBE(或UCUB)，管子放大；当UBEUon且UCEUBE(或UCUB)，管子饱和。,放大,放大,饱和,截止,.,例2在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管子的参数如表所示，请选用一只管子，并简述理由。,T1的小，放大能力差；T3的UCEO仅为20V，可能被击穿；T2的ICBO较小、较大，且UCEO大于电源电压，合适。,.,2.1.6光电三极管,光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能可以等效一个光电二极管和一只晶体管相连。,.,光电晶体管的输出特性曲线,光电三极管的输出特性与普通三极管的输出特性曲线相同，只是用入射光强度E取代基极电流IB,.,2.2放大的概念和放大电路的主要性能指标,2.2.1放大的概念和放大电路的组成条件,1.放大的概念,用小的变化量去控制一个较大的量的变化。要求不失真的“线性放大”。放大电路利用晶体管实现能量的控制与转换。,放大作用的实质就是晶体管的电流、电压或功率的控制作用。输出的较大能量来自于直流电源Vcc，而不是晶体三极管。,.,对象：变化量实质：能量的控制和转换基本特征：功率放大前提条件：不失真测试信号：正弦波能量控制器件：有源元件,放大电路中能够控制能量转换的元件称为有源元件（如晶体管）。,.,2.放大电路的组成,一般包含电压放大电路和功率放大电路。,扩音机示意图：,电压放大电路将微弱电压加以放大从而推动功率放大电路，通常工作在小信号状态。,功率放大电路输出较大的功率，推动执行元件，工作在大信号状态。,.,要保证放大电路具有放大作用，必须满足条件：,（1）晶体管工作在放大区（发射结正偏、集电结反偏）。,（2)输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。,（3)当负载接入时，放大管输出回路的动态电流或电压能够作用于负载，从而使负载获得比输入回路信号大得多的信号电流或信号电压。,.,.,放大电路示意图,2.2.2放大电路的性能指标,信号源,信号源内阻,输入电压,输出电压,输入电阻,输出电阻,负载电阻,.,输入为小信号时（测试信号为正弦波,保证输出信号不失真）,（1）放大倍数（或增益）衡量放大电路的放大能力，定义为输出变化量与输入变化量之比。,电压放大电路；电流放大电路；互导放大电路；互阻放大电路。,根据输入量与输出量的不同，将放大电路分为四种类型：,.,1）电压放大电路输入量与输出量都是电压。,电压增益：输出电压与输入电压之比。,源电压增益：输出电压与信号源电压之比,.,输入量与输出量都是电流。,电流增益：输出电流与输入电流之比,电压、电流增益都无量纲。,2）电流放大电路,.,3）互导放大电路输入量是电压，输出量是电流。,4）互阻放大电路输入量是电流，输出量是电压。,.,（2）输入电阻Ri,从放大电路输入端看进去的等效电阻。,定义为输入电压有效值Ui和输入电流有效值Ii之比。,Ri表明放大电路从信号源索取电流或电压的能力。Ri越大，电流越小，Ui越接近Us，信号电压Us损失越小。,.,输入信号源是内阻很小的电压源时，要求输入电阻尽量大，以保证信号源电压损失尽可能小。,输入信号源是内阻很大的电流源时，要求输入电阻尽量小，以保证信号源电流尽可能多流进放大电路。,利用Ri和Rs可以求出电压增益与源电压增益的关系式。,.,（3）输出电阻Ro,从放大电路输出端看进去的等效电阻。,负载上输出电压有效值,空载时输出电压有效值,整理后,.,RO表明放大电路的带负载能力(指负载变化时输出电压的变化情况）。Ro越小，放大电路带电压负载的能力越强。（Ro小，RL变化时，UO变化小),放大电路的输出量为电压，要求输出电压尽量不受负载变化影响，电路的输出电阻应尽量小。,放大电路的输出量为电流，要求输出电流尽量不受负载变化影响，电路的输出电阻应尽量大。,.,Ri、Ro是为描述电路在相互连接时彼此之间产生影响而引入的参数。,.,（4）通频带fbw,是用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力的技术指标。,下限截止频率,上限截止频率,通频带fbw=fH-fL,中频放大倍数,.,（1）非线性失真系数D,指输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比(各次谐波有效值与基波有效值之比）。,2.输入信号幅值较大时,.,（2）最大不失真输出电压,当输入电压再增大时就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压（非线性失真系数不超过规定的最大输出电压）。,可表示为：最大输出幅值（Uom）M最大输出有效值（Uo）M,.,最大输出功率指在输出波形基本不失真的情况下，负载上能够获得的最大交流功率。,效率指直流电源能量的利用率。,Po交流输出功率Pv电源提供的平均功率,（3）最大输出功率(Po)M和效率,.,2.2.3单管共射放大电路的工作原理,模拟电路中的符号,直流分量：文字符号和下标均用大写字母。例IB、IC、UBE等。,交流分量：文字符号和下标均用小写字母。ib、ic、ui、uo等。,交直流总量：文字符号用小写字母，下标用大写字母。例：iB、iC、uBE、uCE、uI、uO。,（请阅读本书前面的文字符号说明。）,相量或有效值:在线性放大电路中正弦量为输入量,输入、输出常用相量或有效值表示，文字符号用大写字母，下标用小写字母，例:、Ui等。,.,2.2.3单管共射放大电路的工作原理,1.电路组成,3DG6:晶体三极管,有源器件,核心器件。,Rb:提供合适的IB。,Rc：将集电极电流变化量转换为电压变化量。,uiuo：正弦输入信号和输出信号。,C1、C2耦合电容：隔直流、通交流。,Vcc:保证发射结正偏、集电结反偏。,.,正弦输入信号ui通过C1加到晶体管的基极，引起基极电流iB的变化，晶体管的集电极电流iC随之变化，iC的变化通过电阻RC产生电压降。,集电极电压,2.工作原理,.,中的变化量经C2传送到输出端成为输出电压。,若电路参数设置合适，输出信号幅值比输入信号大，可以实现电压放大。,.,1.晶体管放大电路的特点,2.3晶体管放大电路的图解分析法,2.3.1晶体管放大电路的特点和分析方法,（）直流量和交流量共存,直流量是电路具有放大作用的基础，交流量是放大的对象。,（）非线性。,.晶体管放大电路的分析方法,（）小信号线性化分析法（等效电路分析法）,（）图解分析法,.,在直流电源作用下直流量经过的通路.,画直流通路的要点：（1）电容视为开路；（2）电感线圈视为短路；（3）交流信号源视为短路，但应保留其内阻。,1.直流通路,2.静态工作点的图解分析方法,.,1.直流通路,.,2.估算静态工作点,放大电路未加交流输入信号，电路中的电压和电流只有直流成分，叫做放大电路的“直流工作状态”或“静态”。在晶体管的特性曲线上，晶体管各极直流电压和电流的数值确定一点，此点叫做“静态工作点”。,当输入信号为零时，晶体管的基极电流IB、集电极电流Ic、b-e间电压UBE、管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q。,UBEQ：硅管0.7V,锗管0.2V,.,可以用近似计算（估算）的方法求解点。,为什么要设置静态工作点?,设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真，静态工作点还影响着放大电路几乎所有的动态参数。,.,例-用估算法求图示电路的静态工作点.,解：首先画出电路的直流通路.,.,直流通路,基极电流,集电极电流,UBEQ:硅管为0.7V锗管为0.2V,求出静态工作点,.,.图解法确定静态工作点Q,（UCEQ、ICQ）,通常输入回路直接用估算法求出IBQ。,输出回路方程非线性：IC=f(UCE)线性：UCE=VCC-ICRC,两条曲线交点即Q(UCEQ,ICQ)点。,.,斜率-1/RC,VCC/RC,直流负载线过（VCC0),(0VCC/RC)点,斜率-1/RC。,输出回路满足UCE=VCC-ICRC的直线叫直流负载线。,.,.交流通路,输入信号作用下交流信号流经的通路，用于研究动态参数。,（1）容量大的电容视为短路；（2）无内阻的直流电源视为短路。,2.动态工作情况的图解分析,画交流通路的要点：,.,交流通路,.,.放大电路接入正弦信号(未接入负载电阻)各电压和电流都在原静态基础上叠加了一个交流量.,uBE,输出电压与输入电压的变化反相,.,3.电路中电流、电压波形,uo=uce,注意uo和ic反相,.,1）输出电压与输入电压为频率相同的正弦波，但幅值增大，“线性放大”。,2）输出电压与输入电压相位相反，即相差180,Au为负值。,结论:,.,4.交流负载线,（电路输出端接负载电阻）,满足此关系式且过点的直线，叫做“交流负载线”。,根据交流通路可以得到,.,交流负载线的斜率:,直流负载线的斜率:,两者相交于点，交流负载线更陡，动态范围更小。,.,Q点合适且输入信号幅值较小时无波形失真.,2.2.4静态工作点的选择,.静态工作点的位置对输出波形的影响,.,晶体管截止而产生的失真为截止失真.,现象：输出电压波形出现削顶失真.,解决方法：提高静态工作点.,Q点较低时的情况:,.,晶体管饱和而产生的失真为饱和失真.,现象:输出电压波形出现削底失真.,解决方法：降低静态工作点.,增大RB(减小IBQ)减小RC(增大负载线斜率),Q点较高的情况:,.,电路参数对工作状态的影响,为了保证输出幅度大且波形不失真，动态时Q点应选在交流负载线的中点，一般UCEQ选为(VCC-UCES)/2。,.,.最大不失真输出电压幅值、有效值,不饱和最大输出幅值:UCEQ-UCES不截止最大输出幅值:ICQRL,UCEQ-UCES,取二者较小的一个。,.,(1)Q1Q2：RC减少；,IB=10A,Q3Q4：VCC增大；,Q2Q3：Rb减少或VBB增大；,例：1.电路中静态工作点从Q1移到Q2、Q2移到Q3、Q3移到Q4的原因有哪些?,.,2.当电路的静态工作点分别是Q1Q4时，哪种情况下最容易产生截止失真？那种情况下最容易产生饱和失真？那种情况下最大不失真输出电压(Uom)M最大？,Q1Q2最容易截止失真；,Q4的最大不失真电压最大。,Q3最容易饱和失真；,.,图解法的适用范围:,适用于分析输入信号幅值比较大而工作频率f不太高时的情况。实际应用中，多用于分析Q点位置、最大不失真输出电压和波形失真。,.,.晶体管的直流模型,2.等效电路法,在一定条件下,将晶体管的特性线性化,建立线性模型,在误差允许范围内用线性电路分析晶体管电路。,2.晶体管的直流模型及静态工作点的计算,.,静态工作点的计算,直流等效电路,.,放大电路的输入信号很小时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替晶体管特性曲线，三极管就可以用线性双口网络来等效。,2.晶体管的低频小信号模型及其参数,低频是指信号频率远低于晶体管的“特征频率”。,.,1.晶体管在共射接法下的参数,.,将各式以有效值代替，可得:,取全微分得:,晶体管共射条件下四个参数有不同的量纲故称混合参数(H参数)。,.,2.参数的定义,.,（）,反映ib对ic的控制能力，常用表示。,.,.,3.简化的参数等效模型,.,IEQ单位为mA,rbe与点有关。,rbe为发射结电阻,求rbe(以NPN管为例),根据晶体管的电流方程存在:,.,.,）该模型只能用于求各交流量之间的关系，不能用来求静态量。,4.应用参数模型应注意的问题,）参数都是在点处定义，与点有关，且只能用于低频小信号。,）PNP型和NPN型晶体管的参数模型相同。,.,2.4.共射基本放大电路动态性能的参数模型分析法,、画出微变等效电路图,电路图,微变等效电路,.,1.电压增益,交流参数与直流参数有关，即交流性能指标受静态工作点影响。,分析放大电路的交流性能指标时，应先进行静态分析,先静态，后动态。,注意负号!,.,2.输入电阻,.,3.输出电阻,(令输入信号短路后,基极及集电极电流均等于0。),.,例:在图示电路中，Rs=500;晶体管的=38,导通时的UBEQ=0.7V。求电路的、Ri、Ro和。,解：先确定静态工作点。,.,输入电阻,电压增益,微变等效电路:,.,输出电阻,输出电阻不含负载电阻,源电压放大倍数,.,问题的提出：,环境温度变化、电源电压波动、元件老化会引起晶体管参数的变化，造成电路静态工作点不稳定。其中温度影响最为突出。,必需从电路设计上解决静态工作点稳定问题。,2.5其他基本放大电路,2.分压式偏置稳定共射放大电路,Q点不稳，会产生失真,影响动态参数rbe，从而影响Au、Ri。严重时可能会造成电路无法正常工作。只有Q点合适时动态分析才有意义。,.,RB1、RB2为基极分压电阻,1.分压式偏置稳定共射放大电路的静态分析,电路组成:,.,UB几乎只与电阻和电源有关，与晶体管参数无关。,（）基极电位UB,.,（）电流ICQ、IEQ的稳定,形成负反馈,.,Q点稳定的原因：UBQ在温度变化时基本稳定。RE的直流负反馈作用。,.,.分压式偏置稳定共射放大电路的动态分析,画出微变等效电路,（）电压增益,利用阻抗折算原理需乘(1+),.,（）输入电阻,.,（3）输出电阻,.,分压式偏置电路引入的射极电阻RE稳定了静态工作点，提高了输入电阻,但降低了电压增益。,在RE上并联旁路电容CE可以在不影响动态性能的前提下，稳定静态工作点。,.,（1）电压增益,（2）输入电阻,（3）输出电阻,.,2.5.基本共集放大电路(射极输出器）,.共集放大电路的特点及分析,负载接在发射极,集电极直接(或通过小电阻)接电源。,.,(1)静态工作点分析,.,(2)电压增益,画交流等效电路,Au0（Uo、Ui同相），Au1,UoUi，又称射极跟随器。,.,（）输入电阻,利用阻抗折算原理,输出回路电阻折合到输入回路需乘(1+),Rs,.,3.输出电阻Ro,（输入信号短路，去掉负载，在输出端加电压）,利用阻抗折算原理,输入回路电阻折合到输出回路需除(1+),.,共集电极放大电路特点:,.,2.5.基本共基放