模拟电路第4章 半导体三极管及放大电路基础

.,4.1半导体三极管（BJT）,4.2共射极放大电路,4.3图解分析法,4.4小信号模型分析法,4.5放大电路的工作点稳定问题,4.6共集电极电路和共基极电路,4.7放大电路的频率响应,4半导体三极管及放大电路基础,.,4.1.1BJT的结构简介,4.1半导体三极管（BJT）,4.1.2BJT的电流分配与放大原理,4.1.3BJT的特性曲线,4.1.4BJT的主要参数,.,4.1.1BJT的结构简介,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,.,.,.,.,.,.,.,.,.,结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,.,4.1.2BJT的电流分配与放大原理,1.内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子（以NPN为例）,载流子的传输过程,.,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。,4.1.2BJT的电流分配与放大原理,.,2、电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,发射结正偏，集电结反偏,.,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,.,IB=IBE-ICBOIBE,1、发射区发射电子2、电子在基区扩散和复合3、集电区收集电子,.,2.电流分配关系,根据传输过程可知,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,通常ICICBO,IE=IB+IC,载流子的传输过程,.,根据,IE=IB+IC,IC=InC+ICBO,且令,2.电流分配关系,.,3.三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,BJT的三种组态,.,VBB,VCC,VBE,IB,IE,IC,vI,+vBE,+iC,+iE,+iB,vI=20mV,设,若,则,电压放大倍数,iB=20uA,vO=-iCRL=-0.98V，,=0.98,使,4.放大作用,.,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,4.1.2BJT的电流分配与放大原理,注意：NPN:VCVBVE；PNP:VCIC，UCE0.3V,(3)截止区发射结反偏，集电结反偏，UBEIB，,此时，,不随温度变化而变化。,VBVBE,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,一般取I1=(510)IB，VB=(35)VBE,.,2.放大电路指标分析,静态工作点,.,2.放大电路指标分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,.,2.放大电路指标分析,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,.,2.放大电路指标分析,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,对回路1和2列KVL方程,rce对分析过程影响很大，此处不能忽略,其中,则,当,时，,.,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,共射极放大电路,.,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,固定偏流共射极放大电路,Ro=Rc,#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？,Re的接入稳定了Q点,但却使电压增益下降了,为此,常在Re上并联旁路电容Ce,消除了Re对交流分量的影响。,.,.,电路如下图所示，已知=60。（1）用估算法计算Q点；（2）求输入电阻；（3）用小信号模型分析法求电压增益。,解：,(1)静态工作点,例题10,.,（3）求电压增益,(2)求输入电阻,1.2K,.,（2）若电容Ce开路，则将引起电路的哪些动态参数发生变化？如何变化？,例题11,.,解：（1）静态分析：,动态分析：,.,（2）Ri增大，Ri4.1k；,减小，,1.92。,.,电路如图所示，晶体管的60，,=100。,（2）设US10mV（有效值），问,若C3开路，则,Ui？UO？,Ui？UO？,例题12,.,解：（1）Q点：,、Ri和Ro的分析：,.,若C3开路，则,（2）设US10mV（有效值），则,.,(1).直流通路的连接、静态工作点的调试,单管放大电路仿真实验：,.,.,(2).完整电路图:接负载RL=5.1K和旁路电容C3=100F,.,(3)RL=，旁路电容C3=100F时的动态仿真图,.,(4)旁路电容C3断开时的动态仿真图,.,接负载RL=5.1K,.,(5)饱和失真仿真图,.,(6)截止失真仿真图,.,4.5共集电极电路和共基极电路,电路分析,复合管,静态工作点,动态指标,三种组态的比较,4.6.1共集电极电路,4.6.2共基极电路,.,4.5.1共集电极电路,1.电路分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为射极输出器,求静态工作点,由,得,.,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,1.电路分析,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,电压跟随器,.,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,时，,1.电路分析,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,当,，,时，,输出电阻小,#既然共集电极电路的电压增益小于1（接近于1），那么它对电压放大没有任何作用。这种说法是否正确？,.,2.复合管,作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe,复合管也称为达林顿管,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,.,4.5.2共基极电路,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,.,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,.,#共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？,2.动态指标,输入电阻,输出电阻,.,3.三种组态的比较,.,三种接法的比较：空载情况下,接法共射共集共基Au大小于1大Ai1Ri中大小Ro大小大频带窄中宽,.,4.6组合放大电路,1.共射-共基放大电路,.,.,2.共集-共集放大电路,.,组合放大电路的输入电阻等于第一级放大电路的输入电阻,组合放大电路的输出电阻等于最后一级放大电路的输出电阻,组合放大电路总的电压放大倍数为各级放大电路电压放大倍数的乘积,结论：,.,Ri=?Ro=?,讨论,.,.,.,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,4.7.2单极放大电路的高频响应,RC低通电路的频率响应,RC高通电路的频率响应,4.7放大电路的频率响应,4.7.3单极放大电路的低频响应,4.7.4多级放大电路的频率响应,多级放大电路的增益,多级放大电路的频率响应,低频等效电路,低频响应,.,研究的问题,放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为频率的函数。在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频率的范围要求。,.,放大器的频率响应,阻容耦合电路中，由于耦合电容、旁路电容和极间电容的影响，其频率特性一般近似地分为三个频段来分析。,低频段,中频段,高频段,中频段,管子极间电容可视为开路，管子的电路模型可用纯电阻电路模型来表示，耦合电容和旁路电容可视为短路。这时放大倍数几乎与频率没有关系而保持恒定。,低频段,管子极间电容可视为开路，耦合电容和旁路电容的容抗增大使得低频段的放大倍数下降，这时，放大器实际上是一个高通滤波器。,高频段,器件的极间电容的容抗变小，分流的作用增大，因而使放大倍数下降，这时，放大器实际上是一个低通滤波器。,放大电路的频率特性实际上是一个带通滤波器，其截止频率为,通频带,.,放大器的整个频率特性曲线波特图为,-20dB/10倍频程,20dB/10倍频程,幅频特性波特图,低频截止频率,高频截止频率,相频特性曲线,.,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,1.RC低通电路的频率响应,（电路理论中的稳态分析）,RC电路的电压增益（传递函数）：,则,且令,又,电压增益的幅值（模）,（幅频响应）,电压增益的相角,（相频响应）,增益频率函数,.,最大误差-3dB,频率响应曲线描述,幅频响应,0分贝水平线,斜率为-20dB/十倍频程的直线,相频响应,1.RC低通电路的频率响应,表示输出与输入的相位差,高频时，输出滞后输入,因为,所以,.,2.RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,幅频响应,相频响应,输出超前输入,.,4.7.2单极放大电路的高频响应,1.BJT的高频小信号建模,模型的引出,模型简化,模型参数的获得,的频率响应,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,高频响应,3.共基极放大电路的高频响应,增益-带宽积,高频等效电路,高频响应,几个上限频率的比较,.,4.7.2单极放大电路的高频响应,1.BJT的高频小信号建模,模型的引出,-发射结电容,-集电结电阻,-集电结电容,rbb-基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。,gm为跨导或互导，它表明发射结电压对受控电流的控制，它不随信号频率的变化而变。,.,4.7.2单极放大电路的高频响应,1.BJT的高频小信号建模,模型简化,混合型高频小信号模型,.,又因为,所以,模型参数的获得,（与H参数的关系）,1.BJT的高频小信号建模,低频时，混合模型与H参数模型等效,所以,又rbe=rb+(1+)re,.,的频率响应,由H参数可知,1.BJT的高频小信号建模,即,根据混合模型得,低频时,所以,.,的频率响应,1.BJT的高频小信号建模,的幅频响应,令,则,共基极截止频率,共发射极截止频率(下降到时对应的工作频率),特征频率（下降为1时的工作频率）,.,电流放大倍数的频率特性曲线,.,电流放大倍数的波特图:采用对数坐标系,采用对数坐标系，横轴为lgf，可开阔视野；纵轴为单位为“分贝”（dB），使得“”“”。,lgf,注意折线化曲线的误差,20dB/十倍频,折线化近似画法,.,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,等效电路,.,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,对节点c列KCL得,电路简化,忽略的分流得,称为密勒电容,等效后断开了输入输出之间的联系,.,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,电路简化,最后,.,2.共射极放大电路的高频响应,高频响应,由电路得,电压增益表达式,又,其中,低频增益,上限频率,.,高频电压放大倍数：高频段频率响应分析,.,2.共射极放大电路的高频响应,增益-带宽积,BJT一旦确定，,带宽增益积基本为常数,RC增加可提高电压增益但会使米勒效应显著增加，引起通频带变窄。共射极放大电因存在米勒效应，其高频响应受到限制。若采用共基极电路，则不存在米勒效应，频带将得到展宽。,.,例题,解：,模型参数为,低频电压增益为,又因为,所以上限频率为,.,3.共基极放大电路的高频响应,高频等效电路,.,3.共基极放大电路的高频响应,高频响应,列e点的KCL,而,所以电流增益为,其中,电压增益为,其中,特征频率,忽略,.,3.共基极放大电路的高频响应,几个上限频率的比较,的上限频率,特征频率,共基极上限频率,共发射极上限频率,共基极电路具有很宽的频带，因输入输出间无反馈电容顾不存在密勒效应。,.,4.7.3单极放大电路的低频响应,1.低频等效电路,.,为简化分析，假设Rb远大于放大电路的输入电阻，Rb的影响可以忽略。Ce的值足够大，在低频范围内，它的容抗远小于Re，即：,再将电容Ce折合到基极回路。,Ce与Cb1串联后基极回路的总电容为：,.,4.7.3单极放大电路的低频响应,2.低频响应,按图3.7.13参数计算,中频增益,当,则,下限频率取决于,即,.,由输入回路（图的左端）：,.,由输出回路得（图的右端）：,.,式代入式得：,.,.,低频电压放大倍数：低频段频率响应分析,中频段,20dB/十倍频,.,全频段电压放大倍数的波特图,全频段放大倍数表达式：,.,耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,4.7.4多级阻容耦合放大电路,耦合：即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1.静态：保证各级Q点设置,2.动态:传送信号。,要求：波形不失真，减少压降损失。,.,4.7.4多级阻容耦合放大电路,1.多级放大电路的增益,前级的开路电压是下级的信号源电压,前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗,下级的输入阻抗是前级的负载,.,4.7.4多级阻容耦合放大电路,2.多级放大电路的频率响应,（以两级为例）,则单级的上下限频率处的增益为,当两级增益和频带均相同时，,两级的增益为,即两级的带宽小于单级带宽,.,阻容耦合电路的频率特性：,耦合电容造成,三极管结电容造成,采用直接耦合的方式可放大缓慢变化的信号，扩大通频带。后面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。,阻容耦合电路缺点：不能放大直流信号。,.,多级阻容耦合放大器的特点：,(1)由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。(2)前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3)后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4)总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。(5)总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1。(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,.,设:1=2=50,rbe1=2.9k,r