《晶体管及放大电路》PPT课件.ppt

2.1晶体管,晶体管又称半导体三极管,晶体管是最重要的一种半导体器件之一，它的放大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。,2晶体管及放大电路基础,晶体管图片,2.1.1晶体管的结构,1.NPN型晶体管结构示意图和符号,(2)根据使用的半导体材料分为:硅管和锗管,(1)根据结构分为:NPN型和PNP型,晶体管的主要类型,发射区,集电区,基区,发射极E(e),集电极C(c),发射结JE,集电结JC,基极B(b),NPN型晶体管结构示意图,NPN型晶体管符号,2.PNP型晶体管结构示意图和符号,(1)发射区小，掺杂浓度高。,3.晶体管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）,平面型晶体管的结构示意图,(2)集电区面积大。,(3)基区掺杂浓度很低，且很薄。,2.1.2晶体管的工作原理（以NPN型管为例）,依据两个PN结的偏置情况,放大状态,饱和状态,截止状态,倒置状态,1发射结正向偏置、集电结反向偏置放大状态,原理图,电路图,(1)电流关系,a.发射区向基区扩散电子,形成发射极电流IE,发射区向基区扩散电子,称扩散到基区的发射区多子为非平衡少子,b.基区向发射区扩散空穴,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,形成空穴电流,因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流可忽略不记。,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,c.基区电子的扩散和复合,非平衡少子在基区复合，形成基极电流IB,非平衡少子向集电结扩散,非平衡少子到达集电区,d.集电区收集从发射区扩散过来的电子,形成发射极电流IC,少子漂移形成反向饱和电流ICBO,e.集电区、基区少子相互漂移,集电区少子空穴向基区漂移,基区少子电子向集电区漂移,晶体管的电流分配关系动画演示,发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。,基极是两个回路的公共端，称这种接法为共基极接法。,输入回路,输出回路,定义,称为共基极直流电流放大系数,各电极电流之间的关系,IE=IC+IB,晶体管共射极接法,原理图,电路图,定义,为共射极直流电流放大系数,当UCEUCB时，集电结正偏，发射结反偏，晶体管仍工作于放大状态。,各电极电流之间的关系,ICEO称为穿透电流,或,一般情况,如果UBE0，那么IB0，IC0，IE0,当输入回路电压,UBE=UBE+UBE,那么,IB=IB+IB,IC=IC+IC,IE=IE+IE,如果UBE0，那么IB0，ICIBQ,晶体管基极电位,UBQUBEQ,(2)Q点稳定的条件,直流通路,稳定Q点的机理,这种作用称为直流电流负反馈,小结,负反馈稳定Q的机理,电路将输出电流IC在RE上的压降返送到输入回路，产生了抑制IC改变的作用，使IC基本不变。,电容CE,a.对于交流信号满足,b.交流信号对地短路，使RE只对直流信号有反馈，而对交流信号无反馈。,CE称为旁路电容,例1在图示电路中，RB1=39k，RB2=10k，RC=2.7k，RE=1kW，RL=5.1k，CE=47mF，,(1)ICEQ和UCEQ的值;,(2)Au、RI和Ro的值。,C1=C2=10mF，VCC=15V，,晶体管的UBEQ=0.7V,=100、。,试求：,求静态工作点,解(1),方法一戴维宁等效电路法,对输入回路进行戴维宁等效,等效电路,VBB=IBQRB+UBEQ+IEQRE,写出输入回路方程,VBB=IBQRB+UBEQ+（1+）IBQRE,IEQ=（1+）IBQ,故,将有关数据代入上式，得,ICQ=IBQ=1000.0217mA=2.17mA,UCEQ=VCCICQRCIEQRE,=152.17(2.71)V,VCCICQ(RCRE),=6.97V,UCEQVCCIEQ（RC+RE）=152.36(2.71)V=6.27V,方法二估算法,(2)动态分析,首先画出放大电路的交流通路,交流通路,再画出放大电路的微变等效电路,微变等效电路,图中,Ri=RB1/RB2/rbe,Ro=RC=2.7k,1.2kW,例2图示电路的参数均与例1相同。试求：,(1)放大电路的Q。,(2)放大电路的Au、Ri和Ro。,(2)首先画出放大电路的交流通路,解(1)由于图示电路的直流通路与例1完全相同，故两电路的静态工作点一样。,交流通路,其次画出微变等效电路,微变等效电路,由图可见,故输入电阻,根据Ro的定义,画出求Ro的等效电路,求电路的输出电阻时，要考虑晶体管的输出电阻。,注意,求Ro的等效电路,化电流源为电压源,由图得（推导过程略）,1.静态工作点不稳定对放大电路有何影响？2.对于分压式偏置电路，为什么只有满足I2IB和VBUBE两个条件，静态工作点才能基本稳定？3.对于分压式偏置电路，当更换晶体管时，对放大电路的静态值有无影响？试说明之。,思考题,2.6共集电极和共基极放大电路,2.6.1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,UCEQ=VCCIEQRE,(1)估算法,直流通路,由图可得,(2)戴维宁等效电路法,等效电路,等效电路中,RB=RB1/RB2,UCEQ=VCCIEQREVCCICQRE,故,2动态分析,交流通路,(1)画出放大电路的交流通路,交流通路,输入回路,输出回路,共集电极电路,另一种画法,(2)画微变等效电路,微变等效电路,图中,(3)动态性能指标,a.电压放大倍数,由图可知,其中,由于,电路无电压放大能力,b.电流放大倍数,即射极输出器有电流放大能力和功率放大能力,整理上式得,c.输入电阻,由于,故,d.输出电阻Ro,画出求Ro的等效电路,图中,故,射极输出器的输出电阻很小,e.射极输出器的特点,(a)无电压放大能力,(b)uo与ui近似相等且同相,(c)具有电流放大能力和功率放大能力,(d)具有高的输入电阻和低的输出电阻,f.射极输出器的用途,(b)在多级放大电路中作输入级和输出级,用在两级放大电路之间,用在高内阻的信号源与低阻抗负载之间,例电路如图所示，试求:,(1)电路的静态工作点ICQ、UCEQ；,(2)电路的输入电阻Ri；,(3)电路的电压放大倍数Au=Uo/Ui、Aus=Uo/Us；,(4)输出电阻Ro。,直流通路,解(1)画出放大电路的直流通路,由图可知,ICQ=IBQ,UCEQ=VCC(1+)IBQRE,(2)求电路的输入电阻Ri,VCC=IBQRB+UBEQ+IEQRE,画出放大电路的微变等效电路,微变等效电路,由图可知,(3)求电压放大倍数,画出求输出电阻的等效电路,(4)求输出电阻Ro,_,+,_,+,+,_,由图可知,2.6.2共基极放大电路,1.电路组成,2.静态分析,画出放大电路的直流通路,直流通路,3.动态分析,交流通路,微变等效电路,(1)电压放大倍数,由于,故,(2)输入电阻Ri,共基极放大电路的输入电阻较小,故,由于,由求Ro的电路图可知,(3)输出电阻Ro,当Ui=0时，Ib=0,故,求Ro的电路图,共基极放大电路的特点,(1)电压放大倍数与共射极放大电路相同,(2)uo与ui同相,(3)没有电流放大能力,(4)输入电阻小，输出电阻大,(5)在低频放大电路很少应用,2.7多级放大电路,2.7.1多级放大电路的组成,输入级输入电阻高，噪声和漂移小。,对各级电路的要求,输出级动态范围大，输出功率大，带载能力强。,中间级具有足够大的放大能力。,多级放大电路的耦合放大电路与信号源、放大电路与信号源、负载以及电路内部各级之间的连接。,2.7.2多级放大电路的耦合方式,能对交流和直流信号进行放大,1直接耦合,特点,又称之为直流放大电路,直接耦合放大电路存在两个特殊的问题,(1)各级静态工作点不独立，不便于设计和调试。,常用的解决方法,提高后级射极电位,电平移位,两种管子互补,(2)零点漂移问题,当输入ui=0时，输出电压uO并不恒定，而是出现缓慢的、无规则的漂动。这种现象称为零点漂移，简称零漂。,零漂实质上就是放大电路静态工作点的变化,引起零漂的主要原因,(a)元器件参数，特别是晶体管的参数会随温度的变化而变化。,(b)元器件会出现老化，参数发生了变化。,由温度引起的零漂称为温漂,由元器件老化引起的零漂称为时漂,引起直接耦合放大电路零漂的主要因素是温漂,抑制零点漂移的常用的方法,(a)引入直流负反馈,(b)采用差动放大电路,2.阻容耦合多级放大电路,主要特点,a.各级电路的静态工作点相互独立,便于设计和调试。,b.可以抑制零点漂移。,c.无法放大低频信号和直流信号。,d.在集成电路中，无法制造大电容。,3.变压器耦合,主要特点,e.具有阻抗变换作用，可以实现阻抗匹配。,b.对直流信号起到隔离作用，可以消除零点漂移。,a.对直流信号没有放大能力，只能放大交流信号。,d.体积大、重量重、费用高、不宜集成化。,c.各级电路的静态工作点相互独立，便于设计和调试。,2.7.3多级放大电路的计算,1.直接耦合电路的静态分析,阻容耦合、变压器耦合的各级静态工作点独立，分析方法与前述的单级放大电路的方法相同。,这里只对直接耦合电路进行静态分析,在输入回路,令输入电压ui=0,联立求解可得、,在一、二级之间,联立求解可得、,在输出回路,2.多级放大电路的动态分析,(1)多级放大电路的电压放大倍数,因为ui2=uo1，ui3=uo2，uin=uon-1,故,放大倍数的另一种表示方法,即,(2)输入电阻,(3)输出电阻,多级放大电路动态分析时应注意的两个问题,a.第i级放大电路的输入电阻应视为第i-1级放大电路的负载电阻,b.第i-1级放大电路的输出电阻应视为第i级放大电路的信号源内阻,例试写出图示放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式。,解由图可知，放大电路是由两级放大电路组成。,第一级共射极放大电路，第二级共集电极放大电路。,(1)求电压放大倍数,由于,式中,式中,(2)求输入电阻Ri,(3)求输出电阻Ro,式中,2.8放大电路的频率特性,2.8.1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，不同有的放大能力和相移，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,频率失真说明图,假定输入信号由基波和二次谐波组成,2.8.2放大电路的频率响应和瞬态响应,1频率响应,频域法在频率范畴内研究频率特性的方法，或称稳态法。,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,2瞬态响应,瞬态法通过分析研究放大电路瞬态响应，研究放大电路的频率特性的方法。,瞬态响应将一单位阶跃信号加到放大电路的输入端，观察输出信号随时间变化的情况。,trfH0.35,=2fLtp100%,a.tr与fH的关系,上升时间tr,b.与fL的关系,平顶降落率,2.8.3晶体管的高频特性,1晶体管的高频模型,基区体电阻,发射区体电阻,集电区体电阻,发射结电阻,集电结电阻,C、E极间电阻,发射结电容,集电结电容,C、E极间电容,压控电流源,晶体管混合型等效模型,电路模型,通常re、rc很小，rce、很大，均可以忽略。,简化的混合型等效模型,低频混合型等效电路,晶体管混合型低频等效电路与微变等效电路,型低频等效电路,微变等效电路,故有,型低频等效电路,微变等效电路,gm的物理意义,定义,等效电路,对密勒等效,2晶体管的高频特性和高频参数,由描述晶体管特性的H参数方程,由图可知,由以上各式得,令,或,相频特性,将上式表示为,由此可知，式,的图形是由横轴与斜率为20dB/十倍频的直线合成的曲线。,的图形是由直线,综上所述,这种图形称为波特图,即实际值比小3dB,f称为晶体管的共射极截止频率,当f=f时,b.画相频特性曲线,当ff(实际只要f10f)时,当f=f时,实际上当f=0.1f或f=10f时,或,(2)晶体管特征频率fT,由于,定义,故,即,fT是衡量晶体管高频特性的最常用指标,由,得,f和fT都与晶体管的静态工作点有关,可以证明,式中,0晶体管共基极低频电流放大系数,f晶体管共基极截止频率,晶体管共基极截止频率,由与的关系,通常将的晶体管称为高频管,将的晶体管称为低频管,晶体管共基极截止频率,特征频率,f、fT和fa之间的关系为,(4)f、fT和fa的关系,2.8.4单管共射极放大电路的频率响应,单管共射极放大电路,电路中存在的电容,a.耦合电容、旁路电容。,b.结电容、极间电容、分布电容及负载电容等。,放大电路频率响应的分析方法,a.将放大电路分为中频、低频和高频三个工作区域。,b.分别画出三个区域的微变等效电路。,c.分别写出电路在三个区域频率响应的表达式。,d.求出相应的参数Aum、fH和fL。,e.画出幅频和相频特性曲线。,不同电容对电路性能的影响,a.耦合电容、旁路电容较大，主要影响电路的低频性能。,b.结电容、极间电容及分布电容等很小，主要影响电路的高频性能。,画各个区域等效电路的原则,a.低频区,考虑耦合电容、旁路电容的作用。,结电容、极间电容及分布电容视为开路。,b.中频区,耦合电容、旁路电容视为短路。,结电容、极间电容及分布电容视为开路。,c.高频区,耦合电容、旁路电容视为短路。,考虑结电容、极间电容及分布电容的作用。,1中频区的频率响应,中频区微变等效电路,忽略RB,对电路进行简化,电压放大倍数,2低频区的频率响应和下限截止频率,低频区微变等效电路,忽略RB,对电路进行简化与等效,忽略RE(因RE1/LCE),将CE等效到输入回路,将电流源转换为电压源,将输入回路电容合并,图中,在输出回路,在输入回路,得低频区放大电路电压放大倍数,上式中，令,、分别为输入、输出回路的时间常数。,令,中频电压放大倍数,即C2的影响可以忽略时,当,知当时,当,即的影响可以忽略时,知当时,故fL2为仅考虑C2时放大电路的下限截止频率,故在一般情况下，对整个电路下限截止频率起决定作用的是旁路电容的容量。,由于旁路电容CE折算到基极回路的等效电容为,又由于,3高频区的频率响应和上限截止频率,高频区等效电路,对密勒等效,对输入回路简化、等效,Ci=CM+Cbe,进行戴维宁等效,图中,等效电路,对输出回路简化、等效,图中,将电流源转换为电压源,由图可知,高频区电压放大倍数,.,令,、分别为输入、输出回路的时间常数,或,那么,当CiCo,即Co的影响可以忽略时,知当时,即fH1为仅考虑Ci时放大电路的上限截止频率,当CoCi时,即Ci的影响可以忽略时,知当时,故fH2为仅考虑Co时放大电路的上限截止频率,名词解释,惯性环节含惯性元件的回路,惯性元件指其上能量不能突变的元件(如电容）,放大电路的电压放大倍数可表示为,即当低、高频区的等效电路都只含一个惯性环节时,当低频区只考虑一个电容或C2,高频区只考虑一个电容Ci或Co,讨论,由以上分析可画出放大电路的幅频和相频特性曲线(低、高频区等效电路都只含一个惯性环节),幅频特性,相频特性,2.8.5放大电路的增益带宽积,放大电路的带宽,可见，扩展放大电路带宽的关键就在于提高fH。,由于fHfL,故,可见，提高电路的Au，CM增大，fH1降低。,由于,1.通过fH1,而,提高fH的途径,2.通过fH2,由于,那么，增大，Au提高，fH2降低。,可见，提高放大电路的增益与扩展放大电路带宽之间存在矛盾。,为了全面的衡量电路的高频性能，采用指标,增益带宽积GBP（gainbandwidthproduct）,GBP的定义,GBP=Aumsfbw,AumsfH,设放大电路的低、高频区的等效电路均有多个惯性环节。,2.8.6多级放大电路的频率响应,如果各个惯性环节决定的下限截止频率分别为,则，电路的下限截止频率fL,电路上限截止频率fH,各个惯性环节决定的上限截止频率分别为,特别地，当（）时,特别地，当（）时,对于多级放大电路（相对于单级放大电路）,(1)增益高,(2)下限截止频率fL增大,(3)上限截止频率fH减小,(4)频带fbw变窄,小结,思考题,1.通常影响晶体管上限截止频率的主要因素有哪些？,3.放大电路频率特性用波特图表示有何好处？,2.影响放大电路下限截止频率的主要