BJT及放大电路基础.ppt

,基本要求：（1）掌握BJT输入及输出特性，了解其工作原理。（2）掌握BJT放大、饱和、截止三种工作状态条件及特点。（3）了解BJT主要参数。（4）掌握放大电路组成原则、工作原理及基本分析方法。（5）熟悉放大电路三种基本组态及特点。（6）了解频率响应的概念。,第四章双极结型三极管及放大电路基础,4.1双极结型三极管（BJT）,4.2基本共射极放大电路,4.3放大电路的分析方法,4.4放大电路静态工作点的稳定问题,4.5共集电极放大电路与共基极放大电路4.6组合放大电路及多级放大电路,4.7放大电路的频率响应,主要内容：,(TheBipolarJunctionTransistor),4.1.1BJT的结构简介,一、分类：,4.1双极结型三极管（BJT）,按频率：低频管和高频管,按功率：小功率管、中功率管和大功率管,按材料：硅管和锗管,按类型：NPN型、PNP型,二、结构及符号：,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，且掺杂浓度最低，一般在几个微米至几十个微米,作用,发射载流子,传送控制载流子,收集载流子,二、结构及符号,4.1.2电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏VBVB,二、内部载流子传输过程（以NPN型为例）,动画,IB=IEP+IBNICBO,IE=IC+IB,IEIEN+IEP,ICICN+ICBO,三、：,以I为已知量：,其中：共基极电流放大系数,电流分配关系,集电极-基极间反向饱和电流,说明：只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外在电压无关，其值小于1。取值=0.9-0.99,以I为已知量：,由IE=IC+IBIC=IE+ICBO（IBIC）CBO,其中：共射极电流放大系数,ICEO=ICBO/（1-）=(1+)ICBO（穿透电流）,说明：只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外在电压无关。1,四.三极管的三种基本组态,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；,共射极电路特性曲线及共基极电路特性曲线。,一、共射极连接时特性曲线(以NPN为例),输入特性曲线iB=f(vBE),4.1.3BJT的VI特性曲线：,1.输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压：NPN型硅管vBE0.7V,PNP型锗管vBE,0.2V,2.输出特性,iB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有iC=iB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,iB=0以下区域为截止区，有iC0。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。vCEVCC,饱和区,截止区,（3）饱和区,当vCEvBE时,饱和状态。vCE0在饱和区，iBiC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏或零偏。深度饱和时，硅管vCES0.3V，锗管vCES0.1V。,测量BJT三个电极对地电位如图所示，试判断BJT的工作区域？,放大区,截止区,饱和区,课堂讨论题,课堂讨论题,在三极管放大电路中，测得BJT各个电极对地电位如图所示，试判断BJT的类型、材料、电极。,(a),(b),(c),NPN硅管,PNP硅管,PNP锗管,E,B,C,E,C,B,C,E,B,4.1.4主要参数,1、电流放大倍数、,一般=0.90.99，1,、只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。,共发射极直流电流放大系数,4.1.4主要参数,2、极间反向饱和电流,集电极基极间反向饱和电流ICBO,交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,4.1.4主要参数,2、极间反向饱和电流,(2)集电极发射极间反向饱和电流ICEO,ICEO,4.集电极最大允许电流ICM,5.集-射极反向击穿电压V(BR)CEO,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,当集射极之间的电压VCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压V(BR)CEO。,6.集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PCPCM=ICVCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICVCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,VBE温度升高，发射结电压下降（T升高1，VBE减小2-2.5mV）,温度升高，增大（T升高1，增大0.5%-1%）,4.1.5温度对BJT主要参数的影响(P114)了解,（VBE具有负温度系数）,BJT的选择及注意事项,1、BJT必须工作在安全工作区,2、要依使用要求：小功率还是大功率，低频还是高频，值大小等要求,3、注意对应型号选用。,4、要特别注意温度对三极管的影响。,思考题,1、可否用两个二极管背靠背地相联以构成一个BJT？,2、BJT符号中的箭头方向代表什么？,3、能否将BJT的e、c两电极交换使用？,4、要使BJT具有放大作用，Je和Jc的偏置电压应如何连接？,5、如何判断BJT的三种组态？,6、有哪几个参数确定BJT的安全工作区,7、三极管组成电路如左图所示，试分析（1）当Vi=0V时（2）当Vi=3V时电路中三极管的工作状态。,解：（1）当Vi=0V时,（2）当Vi=3V时,Vbe=0V,Ib0,此时三极管处于放大状态。,三极管Je结处于正偏，Jc结处于反偏状态,三极管处于截止状态,Vo=Vcc=12V,8、设某三极管的极限参数PCM150mW，ICM100mA，V（BR）CEO30V。试问：,分析：（1）PCMICVCE150mW，所以当VCE=10V时，IC150/1015mA是最大工作电流,（2）PCMICVCE150mW，当VCE=1V时，IC150/1150mA，超过其最大工作电流，所以ICM100mA,（3）PCMICVCE150mW，当IC1mA，VCE150/1=150V,超过其最大工作电压，所以VCE30V,1、若它的工作电压VCE=10V，则工作电流IC最大不得超过多少？,2、若它的工作电压VCE=1V，则工作电流IC最大不得超过多少？,3、若它的工作电流IC=1mA,则工作电压VCE最大不得超过多少？,(Common-EmitterAmplifierCircuit）(CE),4.2.1放大电路基本知识(P7),4.2基本共射极放大电路,4.2.2共射极放大电路的组成及放大作用,放大的概念：,一是要求放大电信号，即能将微弱的电信号增强到人们所需的数值，以便于人们测量和使用；,如高温计，其输出电压仅有毫伏量级。,二是要求信号不能失真，即放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同或基本相同，否则就会丢失要传送的信息，失去了放大的意义。,放大的本质是小能量对大能量的控制作用。,4.2.1放大电路基本知识,4.2.1放大电路的基本知识,输入电阻,输出电阻,电压放大模型,电流放大模型,放大电路模型(P7),放大电路的主要性能指标(P12),增益,互阻放大模型,互导放大模型,隔离放大电路模型,频率响应及带宽,非线性失真,4.2.1放大电路模型及其性能指标,电压增益（电压放大倍数）,电流增益,互阻增益,互导增益,放大电路模型,放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。,输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式,放大电路模型,负载开路时的电压增益,1.电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响，则希望？（考虑改变放大电路的参数）,理想情况,放大电路模型,另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减,理想,有,要想减小衰减，则希望？,放大电路模型,关心输出电流与输入电流的关系,2.电流放大模型,放大电路模型,负载短路时的电流增益,2.电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,由此可见,要想减小负载的影响，则希望？,理想情况,由输入回路得,要想减小对信号源的衰减，则希望？,理想,放大电路模型,3.互阻放大模型（自看）,输入输出回路没有公共端安全性强，抗干扰能力强,4.互导放大模型（自看）,5.隔离放大电路模型,放大电路的主要性能指标,1.输入电阻,放大电路的主要性能指标,2.输出电阻,所以,另一方法,放大电路的主要性能指标,3.增益,反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力,其中,“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？,四种增益,常用分贝（dB）表示,放大电路的主要性能指标,4.频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。,或写为,其中,放大电路的主要性能指标,4.频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,普通音响系统放大电路的幅频响应,该图称为波特图,纵轴：dB,横轴：对数坐标,放大电路的主要性能指标,4.频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,高频区,中频区,低频区,直流(直接耦合)放大电路的幅频响应与此有何区别？（P16图1.5.5）,放大电路的主要性能指标,4.频率响应及带宽（频域指标）,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：,对不同频率的信号增益不同，产生的失真。,基波,二次谐波,输入信号,输出信号,基波,二次谐波,放大电路的主要性能指标,4.频率响应及带宽（频域指标）,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：,对不同频率的信号增益不同，产生的失真。,相位失真：,对不同频率的信号相移不同，产生的失真。,放大电路的主要性能指标,5.非线性失真,由元器件非线性特性引起的失真。,非线性失真系数,一、电路组成：,输入端-b(基极）,输出端-c(集电极）,公共端（地点）-e(发射极）,4.2.2基本共射极放大电路组成及放大作用：,二、各器件作用：,1三极管T核心部件，起放大作用。,4耦合电容Cb1，Cb2隔断直流传送交流。取值一般为几-几十uF电解电容。电容极性：Cb1+-bCb2+-c,简化电路,4.2.3基本共射极放大电路的工作原理：,一、符号表示规则：,总瞬时值：小大如iB,直流分量：大大如IB,IB,交流分量：,瞬时值：小小如ib,峰值：大小m如Ibm,有效值：大小如Ib,=IB+ib,二、工作原理：,1直流工作状态：,vi=0V,IB=（VBB-VBE）/Rb,IC=IB,VCE=VCC-ICRC,vo=0V,Vcb1=VBE,Vcb2=VCE,2、交流工作状态：,vi=Vimsin(wt),vBE=vi+Vcb1=vi+VBE,iB=ib+IB,iC=ic+IC,vCE=vce+VCE=VCC-iCRC,vo=vCE-Vcb2=vCE-VCE,结论：,（1）直流为基础，交流为对象。交直共存。,（2）相位关系：vo与vi相位相反。共射极放大电路为反相放大电路。,放大电路的本质：,能量转换器。,（3）放大电路的静态和动态,静态：输入信号为零（vi=0或ii=0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、IC、和VCE（或IBQ、ICQ、和VCEQ）表示。,#放大电路为什么要建立正确的静态？,（4）直流通路与交流通路：,静态分析：分析电路的直流工作状态求Q(IB、IC、VCE)-电路静态工作点。,直流通路：直流信号的流通路径,确定方法：电容开路,动态分析：分析电路的交流工作状态,交流通路：交流信号的流通路径,例：画出下面电路的直流通路。,例：画出下面电路的交流通路。,C,e,(5)用估算法确定静态值,1)直流通路估算IB,根据电流放大作用,2)由直流通路估算VCE、IC,当VBEIB，,若,不随温度变化而变化。,一般取I1=(510)IB，VB=3V5V,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,1.稳定工作点原理,基极分压式射极偏置电路,b点电位基本不变的条件,I1IB，,VBVBE,4.4.2射极偏置电路,2.放大电路指标分析,静态工作点,电容开路,画出直流通道,4.4.2射极偏置电路,2.放大电路指标分析,b,e,c,小信号电路,2.放大电路指标分析,电压放大倍数,输出回路：,输入回路：,电压增益：,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,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,不考虑电阻rce，,考虑电阻rce，是什么情况？自学P137,3.基本射极放大电路与分压式射极偏置电路的比较,共射极放大电路,分压式射极偏置电路,3.基本射极放大电路与分压式射极偏置电路的比较,基本共射极放大电路,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？,end,例：如图所示，VCC=12V，Rb1=5k，Rb2=15k，Re=2.3k，Rc=5.1k，RL=5.1k；=50，rbe=1.5k，VBEQ=0.7V。(1).估算静态工作点Q(2).分别求有、无Ce时的Au和Ri,解：(1)静态工作点:,(2)求AU和Ri当有Ce时:,当无Ce时，因为(1+)Rerbe且1，所以,可以看出，当无Ce时，电压放大倍数很低,解决办法如图：,Re1较小，直流通路中Re1与Re2均起作用交流通路中只有Re1起作用这样既能保证静态工作点稳定又能使电路有较高的放大倍数,共射极放大电路特点：1.放大倍数高;2.输入电阻低;3.输出电阻高.,4.5.1共集电极电路,共集电极电路如图示,该电路也称为射极输出器,求静态工作点,由,得,小信号电路,4.5.1共集电极电路,电压放大倍数,4.5.1共集电极电路,输入电阻,4.5.1共集电极电路,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,输出电阻,4.5.1共集电极电路,（加压求流法）,4.5.1共集电极电路,输出电阻,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,1.电压放大倍数小于1，约等于1;2.输入电阻高；3.输出电阻低；4.输出与输入同相。,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1.因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2.因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3.利用Ri大、RO小以及Av1的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,4.5.2共基极电路,静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,3.6共集电极电路和共基极电路,4.5.2共基极电路,小信号电路,4.5.3三种组态的比较P148,4.6组合放大电路,概念：多只BJT构成复合管或两个不同组态电路配合使用，如：CC-CE，CC-CC，CE-CB等,1、复合管的构成,ic1=1ib1,ic2=2ib2=2(1+1)ib1,ic=ic1+ic2=1+2(1+1)ib.,方式1(同一类型复合),ib2=ie1=(1+1)ib1,ib=ib1,复合管的电流放大系数12,复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同,方式2(不同类型复合),结论：,A复合管类型同T1管；,B连接原则：T1、T2中实际电流不冲突且都工作在放大区。,C复合管=12；同类型rbe=(1+1)rbe2+rbe1互补型rbe=rbe1,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,4.6.2基本放大电路派生电路,电压放大倍数？,4.6.2基本放大电路派生电路,复合管共射放大电路,电路交流等效电路,0,0,可见，电压放大倍数与没用复合管时相当，输入电阻明显增大，电流放大能力明显增强。,4.6.1共射-共基放大电路：(CE-CB)P149,CE,CB,特点：1.高频信能好，有较宽的带宽。2.增益较大，放大能力强。,自学,4.7多级放大电路(补充),为获得足够大的放大倍数，,将若干单级放大器按一定方式串接，,组成多级放大器,耦合,级,(1)直接耦合(2)阻容耦合(3)变压器耦合,4.7.1基本概念,1、多级放大器,2、级,3、耦合方式,级与级之间的连接方式,直接耦合：,将放大电路的前级输出端直接接至后级输入端。,缺点：各级Q互相影响，设计调试不便，有严重漂移问题。,优点：可放大低频甚至直流信号，利于集成。,应用：交直流集成放大器。,将放大电路的前级输出端通过电容接至后级输入端。,缺点：只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过，不利于集成。,优点：各级Q独立，设计、调试方便，体积小、成本低。,应用：交流放大器。,阻容耦合：,变压器耦合,放大电路的前级输出端通过变压器接至后级输入端或负载上。,优点：各级Q独立，设计、调试方便，能实现阻抗变换。,缺点：低频特性差，不能放大缓变信号，笨重，不利于集成。,应用：分立器件功率放大电路。,4.7多级放大电路,4.7.2多级放大电路分析,由于电容的隔直作用，各级放大器的Q点相互独立。,(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.,以阻容耦合为例,4.7多级放大电路,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交流负载电阻。,4.7多级放大电路,第二级的输入电阻,ri=ri1=R11/R12/rbe1,4.7多级放大电路,ri2=R21/R22/rbe2,ro=RC2,4.7多级放大电路,=Au1Au2,Au为正，输入输出同相,总放大倍数等于各级放大倍数的乘积,例：如图，R1=15k,R2=R3=5k,R4=2.3k,R5=100k,R6=RL=5k;VCC=12V;=50,rbe1=1.2k,rbe2=1k,VBEQ1=VBEQ2=0.7V求:Q点、Av、Ri和Ro,解：1、求静态工作点Q,2、求Av、Ri和Ro,首先求出第一级的负载电阻即第二级的输入电阻：,4.8放大电路的频率响应（了解）(P154),一、研究放大电路频率响应的必要性：,放大倍数(增益)是信号频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性（简称为频响）。,实际放大电路的输入信号不是单一频率的信号：,如：广播中语音及音乐20Hz20KHz视频信号DC4.5MHz,放大电路中存在电抗元件(耦合电容、旁路电容、BJT结电容)，其电抗随信号频率变化而变化，放大电路对不同频率信号放大能力不同。,二、频率响应：(P15),1放大电路的频率响应：放大电路对不同f正弦信号的稳态响应特性。,幅频响应,相频响应,纵轴（dB),横轴对数坐标,低频区,中频区,高频区,fL-下限频率,fH-上限频率,通频带：BW=fH-fL,2通频带(带宽)：,1幅度失真：对不同频率成分信号增益不同，使输出波形产生失真，称为幅度频率失真，简称幅度失真。,2相位失真：对不同频率成分信号的相移不同，使输出波形产生的失真，称为相位失真。,三、线性失真（频率失真）：,4.8放大电路的频率响应,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,3.8放大电路的频率响应,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,3.8放大电路的频率响应,相频响应,表示输出与输入的相位差,高频时，输出滞后输入,所以,频率响应曲线描述,RC电路的电压增益：,幅频响应,相频响应,输出超前输入,3.8放大电路的频率响应,例：一两级放大电路，,每级放大电路的增益、,上限及下限频率都相,同。