第2章双极型晶体管及其放大电路演示幻灯片

模拟电子线路,南京邮电大学蔡祥宝E-mail:xbcaiTel第二章双极型晶体管及其放大电路,第2章双极型晶体管及其放大电路,2.1双极型晶体管的工作原理,2.1.1双极型晶体管的结构,2.1.2双极型晶体管的工作原理,一、放大状态下晶体管中载流子的运动,二、电流分配关系,2.2晶体管的特性曲线,2.2.1共射极输出特性曲线,2.2.2共射极输入特性曲线,2.2.3温度对晶体管特性的影响,2.2.4晶体管的主要参数,一、电流放大系数,二、极间反向电流,三、极限参数,2.3晶体管放大电路的放大原理,2.3.1放大电路的组成,2.3.2静态工作点的作用,2.3.3晶体管放大电路的放大原理,2.3.4基本放大电路的组成原则,2.3.5直流通路和交流通路,2.4放大电路的静态分析和设计,2.4.1晶体管的直流模型及静态工作点的估算,2.4.2静态工作点的图解分析法,2.4.3晶体管工作状态的判断方法,2.4.4放大状态下的直流偏置电路,一、固定偏流电路,二、分压式电流负反馈偏置电路,2.5共射放大电路的动态分析和设计,2.5.1交流图解分析法,2.5.2放大电路的动态范围和非线性失真,2.5.3晶体管的交流小信号模型,一、混合型电路模型,二、低频H参数电路模型,2.5.4等效电路法分析共射放大电路,2.5.5共射放大电路的设计实例,2.5.6共射放大电路的一般性设计,2.6共集放大电路（射极输出器）,2.7共基放大电路,2.8多级放大电路,2.8.1级间耦合方式,2.8.2多极放大器的性能指标计算,2.8.3常见的组合放大器,一、CCCE组合放大器,二、CECC组合放大器,三、CECB组合放大器,作业,（1）掌握双极型晶体管的工作原理、特性和参数。（2）掌握双极型晶体管的大信号和小信号模型。了解模型参数的含义。（3）掌握晶体管基本放大器的组成、工作原理及性能特点。（4）掌握静态工作点的基本概念和偏置电路的估算。（5）掌握图解分析方法和小信号等效电路分析方法，掌握动态参数（）的分析方法。（6）掌握多级放大电路动态参数的分析方法。,第2章双极型晶体管及其放大电路,2.1双极型晶体管的工作原理,BJT(BipolarJunctionTransistor)，简称晶体管或三极管。,2.1.1双极型晶体管的结构,e,c,b,发射极,基极,集电极,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,N+,P,N,(a)NPN管的原理结构示意图,(b)电路符号,Base,Collector,Emitter,图2.1.1晶体管的结构与符号,图2.1.2平面管结构剖面,结构特点,1.三区二结,2.基区很薄（10-1m100m）,3.e区重掺杂、c区轻掺杂、b区掺杂最轻,4.Sc结Se结,图2.1.3晶体管内载流子的运动和各极电流,1.发射区向基区注入电子；,2.电子在基区中边扩散边复合；,3.扩散到集电结的电子被集电区收集。,2.1.2双极型晶体管的工作原理,一、放大状态下晶体管中载流子的运动,基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的一个实例。,二、电流分配关系,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,b,I,BN,I,EN,I,CN,电子注入电流IEN；空穴注入电流IEP；发射极电流IE。,IEP都将被忽略,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,b,I,BN,I,EN,I,CN,跨越两个PN节，体现了放大作用。,集电区和基区本身的少子在集电结反向电压作用下，向对方漂移形成反向饱和电流ICBO,从发射区注入到基区的电子只有少部分与空穴复合形成电流IBN,1.直流电流放大系数,共基直流电流放大系数,对于硅管，ICBO很小，,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,I,CBO,b,I,BN,I,EP,I,EN,I,CN,共射直流电流放大系数,若忽略ICEO的影响，,共射、共基直流电流放大系数、间关系,若忽略ICBO,则,2.IC、IE、IB、三者关系,IE=IC+IB,2.2晶体管的特性曲线,全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。,图2.2.1晶体管的三种基本接法（组态）,(a)共发射极(CommonEmitter),(b)共集电极(CommonCollecter),(c)共基极(CommonBase),输入回路（接信号源，加入信号）；,输出回路（接负载，取出信号）；,2.2.1共射极输出特性曲线,图2.2.2共发射极特性曲线测量电路,图2.2.3共射输出特性曲线,共发射极接法输出特性曲线.avi,ActiveRegion,CutoffRegion,SaturationRegion,1.放大区（发射结正偏，集电结反偏）,(1)uCE变化时,IC影响很小（恒流特性）,(2)基极电流iB对集电极电流iC的控制作用很强，引入交流电流放大倍数,2.饱和区（发射结和集电结均处于正向偏置）,E结正偏C结零偏的正向传输,(1)iB一定时，iC比放大时要小；,(2)UCE一定时iB增大，iC基本不变。,C结正偏E结零偏的反向传输,内部载流子的传输过程分解为,临界饱和：UCE=UBE，即UCB=0（C结零偏）。,饱和压降UCE(sat)=0.3V（小功率Si管）；UCE(sat)=0.1V（小功率Ge管）。饱和（saturation）,关于饱和区的说明,3.截止区（发射结和集电结均处于反向偏置）,三个电极均为反向电流，所以数值很小。,(1)iB=-iCBO(此时iE=0)以下称为截止区；,(2)工程上认为：iB=0以下即为截止区。因为在iB=0和iB=-iCBO间，放大作用很弱。,晶体管的工作状态总结,饱和,放大,截止,倒置放大,2.2.2共射极输入特性曲线,图2.2.7共发射极输入特性曲线,(1)UCE=0时，晶体管相当于两个并联二极管，iB很大，曲线明显左移。,(2)0UCE0.3V时，随着UCE增加，曲线右移，特别在0ICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。,3.集电极最大允许耗散功率PCM,PCM(MaximumPowerDissipation)表示集电极上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。,PCM=ICUCE,图2.2.8晶体管的安全工作区,功耗线,过损耗区,击穿区,过流区,SafeOperatingArea,作业,2.1,2.3,2.6,2.3.1放大电路的组成,图2.3.1共射极放大电路,1.当ui=0时，电路处于静态；,2.当ui0时，电路处于动态，,动态时交流量与直流量共存。,2.3晶体管放大电路的放大原理,动态：由交流信号源引起的一种工作状态。,静态：由直流电源引起的一种工作状态。,在放大电路中，当输入信号ui=0时，只存在直流量；当加入ui时，交流量与直流量共存。,以晶体管基极电流、集电极电流、b-e结电压和管压降为例，对各种物理量的表示方法作如下规定：,直流量：字母大写，下标大写，如：IB、IC、UBE、UCE。交流量：字母小写，下标小写，如：ib、ic、ube、uce。交流量的有效值：字母大写，下标小写，如：Ib、Ic、Ube、Uce。瞬时值（直流量与交流量的叠加量）：字母小写，下标大写，如：iB、iC、uBE、uCE。,2.3.2静态工作点的作用,图2.3.2没有设置合适的静态工作点,设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础,2.3.3晶体管放大电路的放大原理,图2.3.3设置合适静态工作点共射放大电路波形,图2.3.3设置合适静态工作点共射放大电路波形,图2.3.4阻容耦合共射放大电路,R,C,U,o,V,U,i,C,1,R,B,(,U,CC,),C,2,R,L,US、RS：正弦信号源电压及内阻,UCC：直流电源,RB：基极偏置电阻,RC：集电极负载电阻,RL：负载电阻,C1(C2)：耦合电容,2.3.4基本放大电路的组成原则,1.只有一个放大管的放大电路，共有三种组态。,(1)RB,RC,UCC使放大器工作在放大区。,(2)采用RB,RC,C1,C2构成阻容耦合连接方式。选择合适的电容C1、C2使其对交流信号的容抗近似为0，交流信号可无损耗地送入发射结。,2.放大电路中各元件的作用,(1)晶体管偏置在放大状态，且有合适的工作点。,(2)输入信号必须加在基极发射极回路。,(3)须有合理的信号通路。,需进行交流分析,需进行直流分析,R,C,U,o,U,s,V,R,s,U,i,C,1,R,B,(,U,CC,),C,2,R,L,U,CC,3.基本放大电路的组成原则,2.3.5直流通路和交流通路,分析对象：直流成份、直流通路（偏置电路）,1.直流（静态）分析：,2.交流（动态）分析：,加入交流信号，即ui0,当放大器没有送入交流信号时，即ui=0,分析对象：交流成分、交流通路,3.画直流通路的原则,(1)C开路,(2)L短路,4.画交流通路的原则,(1)通常C短路,(2)通常L保留,(3)(无内阻)直流电源UCC短路,(3)直流电源UCC视为恒压源,(4)交流电源Us=0,Rs保留,(4)交流电源Us,Rs保留,图2.3.5(a)共射放大器的直流通路,习惯用有效值,练习：P632.14(a)(c),图2.3.5(b)共射放大器的交流通路,作业,2.7,2.9,2.4放大电路的静态分析和设计,直流工作状态分析（静态分析）,将输入、输出特性曲线线性化（即用若干直线段表示）,等效电路（模型）,(a)输入特性近似,图2.4.1晶体管伏安特性曲线的折线近似及直流模型,(b)输出特性近似,2.4.1晶体管的直流模型及静态工作点的估算,(e)饱和状态模型,图2.4.1晶体管伏安特性曲线的折线近似及直流模型,(c)放大状态模型,(d)截止状态模型,(Si|Ge),例2.4.1晶体管电路如图2.4.2(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。,I,C,Q,U,CE,Q,270k,R,B,U,BB,6V,I,B,Q,U,CC,12V,R,C,3k,图2.4.2晶体管直流电路分析(a)电路,图2.4.2晶体管直流电路分析(b)直流等效电路,2.4.2静态工作点的图解分析法,2.输出回路分析,图2.4.3共射放大器的直流通路,1.输入回路分析,i,B,=,I,B,Q,u,C,E,0,N,Q,M,i,C,(a)直流负载线与Q点,图2.4.4放大器的直流图解分析,(b)Q点与RB、RC的关系,u,C,E,/,V,2,10,12,0,1,2,3,40,A,30,A,20,A,10,A,i,C,/,m,A,4,6,8,4,M,N,Q,图2.4.4放大器的直流图解分析,练习：P642.17,2.4.3晶体管工作状态的判断方法,图2.4.5晶体管直流分析的一般性电路,1.先判断晶体管是否处于截止状态,则晶体管处于截止状态；,晶体管工作状态的判断步骤,2.判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态,假设晶体管处于放大状态,(b)放大状态下的等效电路,则晶体管处于放大状态；,则晶体管处于饱和状态；,(c)饱和状态下的等效电路,(Si|Ge),例2.4.2晶体管电路如图2.4.6所示。已知=50，试求ui分别为0V和3V时的输出电压uo。,图2.4.6例2.4.2电路,2.当ui=3V时，,1.当ui=0时，UBE=0，,此时uo=UCC=5V,则晶体管截止。,晶体管导通。,与假设不符，,假设管子工作在放大区,图2.4.6例2.4.2电路,因此管子进入饱和状态,2.4.4放大状态下的直流偏置电路,一、固定偏流电路,图2.4.7固定偏流电路,只要合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于放大状态。,若T，则IC,导致UCE,即：电路的静态工作点Q(UCEQ,ICQ)不稳定。,固定偏流电路的缺点,二、分压式电流负反馈偏置电路,图2.4.8分压式电流负反馈偏置电路,兼顾UCEQ,为确保UB固定,I1I2IBQ,RB1、RB2的取值愈小愈好,增大电源UCC的无谓损耗,取,I1,I2,I1=I2=?UB=?,UEQ(=IEQRE),ICQ,1.分压式电流负反馈偏置电路如何稳定Q点?,若ICQ,IEQ,UBEQ(=UBQ-UEQ),IBQ,分压式电流负反馈偏置电路用戴维南定理等效后的电路,b,a,RB=RB1RB2,2.如何计算分压式电流负反馈偏置电路Q点?,U,CC,R,C,R,E,R,B,I,C,Q,U,BB,I,B,Q,I1I2IBQ,与,等价,所以,例电路如下图所示。已知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计算工作点ICQ和UCEQ。,若按估算法直接求ICQ，则：,误差：,作业,2.18,2.20,2.5共射放大电路的动态分析和设计,线性放大的基本概念,幅度放大,频谱（波形）不变,线性放大器,I,o,+,_,U,o,+,_,U,i,I,i,信号源,负载,放大器二端口网络通用模型,2.5.1交流图解分析法,瞬时值,直流值,交流值,1.输入回路分析,i,B,I,B,Q,t,i,B,I,B,Q,u,BE,u,BE,t,i,Bmax,i,Bmin,Q,U,BE,Q,放大器的交流图解分析之输入回路的工作波形,2.输出回路分析,交流负载线方程,图2.5.1放大器的交流图解分析之输出回路的工作波形,Q,i,C,i,Bmax,i,Bmin,i,C,I,C,Q,t,t,u,CE,u,CE,U,CC,I,C,Q,R,L,I,C,Q,U,C,C,R,C,交流负载线,k,R,L,1,Q,1,Q,2,I,B,Q,A,放大电路的动态图解分析.avi,共射极放大器的电压、电流波形,R,C,U,o,U,s,V,R,s,U,i,C,1,R,B,(,U,CC,),C,2,R,L,U,CC,2.5.2放大电路的动态范围和非线性失真,Q,交流负载线,i,C,0,t,0,i,C,u,CE,u,CE,0,t,图2.5.2Q点不合适产生的非线性失真(a)截止失真,图2.5.2Q点不合适产生的非线性失真(b)饱和失真,Q,交流负载线,i,C,i,C,i,B,0,t,u,CE,u,CE,0,t,0,放大器的截止失真和饱和失真.avi,Uopp=2Uom,放大器输出动态范围：,受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为,因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度为,其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度，而输出动态范围Uopp则为该幅度的两倍，即,放大器的最大不失真输出幅度.avi,例2.5.1放大电路如下图所示。设UCC=12V,RC=2k,RL=,RB=280k,=100，忽略晶体管的饱和压降。,（3）调节RB，使ICQ=3mA时，Uopp=？,（1）试确定该电路的Uopp=？,（2）调节RB，使ICQ=2mA时，Uopp=？,（1）试确定该电路的Uopp=？,较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度,（2）调节RB，使ICQ=2mA时，Uopp=？,（3）调节RB，使ICQ=3mA时，Uopp=？,2.5.3晶体管的交流小信号模型,交流工作状态分析（动态分析）,在Q点处对输入、输出特性曲线线性化（即用直线段表示）,Q点处的交流小信号等效电路（线性等效模型）,一、混合型电路模型,图2.5.3共发射极晶体管,1.交流小信号情况下三极管伏安特性的近似及简化的三极管等效电路,i,B,u,BE,Q,O,平面管结构示意图,b：基区的理论基极,rbb通常取值200,2.考虑基区体电阻及引线接触电阻时如何修改等效模型？,r,bb,r,b,e,b,b,c,e,考虑基区体电阻及引线接触电阻引入的参数,e,3.考虑基区宽度调制效应时如何修改等效模型？,见图1,见图2,图1,u,be,u,ce,b,c,e,r,bb,b,u,be,u,ce,b,c,e,r,bb,b,图2,u,be,u,ce,b,c,e,r,bb,b,考虑基区宽度调制效应引入的参数,u,ce,b,c,e,r,bb,r,b,e,b,完整的混合型电路模型(高频模型),e,u,be,考虑PN结电容引入的参数,4.考虑PN结的电容效应时如何修改等效模型？,r,bb,r,b,e,b,b,c,e,实用的低频混合型电路模型,二、低频H参数电路模型,适用范围：,电路的网络模型很多，如：Z参数、Y参数、A参数、H参数模型等。,低频、小信号（振幅2.6mV左右）交流信号。,因在Q点处将输入、输出特性曲线线性化，则,1.低频H参数电路模型的推导,若为正弦量,U,be,U,ce,b,c,e,h,ie,h,oe,1,h,fe,I,b,I,c,I,b,h,re,U,ce,图2.5.9共发射极晶体管H参数电路模型,输出交流短路时的输入电阻,输入交流开路时的反向电压传输系数,输出交流短路时的电流放大系数,输入交流开路时的输出电导,2.H参数的物理含义,输出交流短路的混合型电路,3.H参数和混合型电路模型参数间关系,输入交流开路的混合型电路,如果忽略rbc的影响，则上式可简化为,1K左右,20200,10-5,10-310-4,图2.5.10晶体管的H参数简化模型,2.5.4等效电路法分析共射放大电路,根据直流通路估算直流工作点,确定放大器交流通路、交流等效电路,计算放大器的各项交流指标,图2.5.11共射放大器及其交流等效电路,(a)电路,(b)交流等效电路,图2.5.11共射放大器及其交流等效电路,1.电压放大倍数Au,2.电流放大倍数Ai,3.输入电阻Ri,4.输出电阻Ro,5.源电压放大倍数Aus,6.发射极接有电阻RE时的情况,图2.5.12发射极接电阻时的交流等效电路,Ri=RB1/RB2/R,R,i,R,i,例2.5.3在图2.5.11电路中，若RB1=75k,RB2=25k,RC=RL=2k,RE=1k,UCC=12V，晶体管的=80,rbb=100,Rs=0.6k,试求该放大器的直流工作点ICQ、UCEQ及Au,Ri,Ro和Aus指标。,解按估算法计算Q点,例2.5.4在上例中，将RE变为两个电阻RE1和RE2串联，且RE1=100,RE2=900，而旁通电容CE接在RE2两端，其它条件不变，试求此时的交流指标。,解由于RE=RE1+RE2=1k，所以Q点不变。对于交流通路，现在射极通过RE1接地。此时，各项指标分别为,动态分析方法小结,1.图解法：在晶体管特性曲线上通过作图确定信号变化量之间的关系。,特点：形象、直观，便于理解放大原理、波形关系及非线性失真；适用于大信号分析，对于小信号放大器，用图解法难以准确地进行定量分析。,2.等效电路法：利用器件的小信号模型进行电路分析，确定信号变化量之间的关系。,特点：适用于小信号，运算简便，误差小。,2.5.5共射放大电路的设计实例,例2.5.5试设计一个共射放大电路，要求电路的Au=50，RL=1K,Ri1K,Ro=2k,UOPP=5V。,1.确定电源电压UCC,(1)输出电压峰峰值Uopp=5V,(2)饱和压降Uces=0.71V,(3)发射极电阻RE上的直流压降URE1V,若URE=25mV,URE=1V,URE/URE=2.5%,则ICQ/ICQ=2.5%,UCCUopp+Uces+URE,取UCC=15V,2.选择晶体管型号,(1)U(BR)CBOUCC,U(BR)CEOUCC,(2)PCM10PL,3DG6C的主要参数为,U(BR)CBO=U(BR)CEO=45V,PCM=100mW,=120,3.确定RC、UCEQ、ICQ、RE的值,(1)Rc=Ro=2k,取UCEQ=5.5V,(2),取ICQ=4mA,(3),4.RE的确定,取RE=0.39k,5.RB1和RB2的确定,取I1=10IBQ,取RB2=6.6k,取RB1=39k,6.验证放大电路的Ri和Au,7.耦合电容C1、C2和射极旁路电容CE的确定,C1=C2=10F,CE=47F,8.电源去耦电容C3与C4的确定,C3=0.1F,C4=10F,作业,2.23,2.6共集放大电路（射极输出器）,(a)电路,图2.6.1共集放大电路及交流等效电路,图2.6.1共集放大电路及交流等效电路,(b)交流等效电路,1.电压放大倍数Au,2.电流放大倍数Ai,3.输入电阻Ri,4.输出电阻Ro,图2.6.2求共集放大器Ro的等效电路,式中：,而,所以，输出电阻,2.7共基放大电路,图2.7.1共基极放大器及交流等效电路,(b)交流等效电路,图2.7.1共基极放大器及交流等效电路,1.电压放大倍数Au,2.电流放大倍数Ai,3.输入电阻Ri,4.输出电阻Ro,表2.7.1三种基本放大器性能比较,2.8多级放大电路,2.8.1级间耦合方式,3.直接耦合方式,1.阻容耦合方式,2.变压器耦合方式,收音机中用的中周（中频变压器）。,广泛用于集成电路中。,4.光电耦合方式,广泛用于分立元件电路中。,2.8.2级联放大器的性能指标计算,2.8.3常见的组合放大器,一、CCCE组合放大器,图2.8.7CCCE组合放大器的交流通路,二、CECC组合放大器,图2.8.8CECC组合放大器的交流通路,例2.8.2放大电路如图2.8.9所示。已知晶体管=100,rbe1=3k,rbe2=2k,rbe3=1.5k，试求放大器的输入电阻、输出电阻及源电压放大倍数。,图2.8.9例2.8.2电路,解：该电路为共集、共射和共集三级直接耦合放大器。,(1)输入电阻Ri：,