1(三极管)西北工业大学模拟电子技术基础

1、第三章 双极性晶体管和场效应管放大电路 3.1 放大器的基本概念放大的概念：功能：不失真地放大信号对象：对差异的程度和变化量而言实质：能量控制基本放大电路的组成原则晶体管处于放大状态(C反、E正),工作点合适。输入信号加在基极射极回路。合理设置信号通路。回 忆！三种组态的放大电路一般信号不能从集电极输入,也不能从基极输出依据:信号源电 压信号源内 阻输入端口处的信号电压输 出电 压负载电阻输入电流输出电流 放大电路的技术指标反映的是输入端口、输出端口的电流、电压之间的关系。 3.2 性能指标2.电流放大倍数1.电压放大倍数3.功率放大倍数一、 增 益 3.2 性能指标4.互阻放大倍数5.互导放

2、大倍数 3.2 性能指标表明放大电路从信号源吸取信号能力的参数，对高内阻信号源，Ri大放大电路从信号源吸取的电流小，反之则大。对低内阻信号源，Ri大放大电路从信号源吸取的电压大，反之则小。1）Ri的定义为信号源-+-+Rs放大电路ASU&iU&iI二、 输入电阻 Ri 3.2 性能指标考虑到信号源内阻的衰减理想有要想减小衰减，则希望？对低内阻信号源Ri越大,放大器从信号源获取电压信号的能越.对高内阻信号源Ri越小,放大器从信号源获取电流信号的能越.电压源电流源注意物理概念,实验测量方法 3.2 性能指标2）输入电阻测量在信号源和放大电路之间接入R。已知测量电压U和Ui有 3.2 性能指标输出电

3、阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小放大电路带负载能力越强。 -+负载放大电路LRAOU&OI&三、 输出电阻 Ro1）RO的定义为 3.2 性能指标2） 输出电阻测量所以注意：输入、输出电阻为交流电阻已知 3.2 性能指标测开路RL=电压测接入RL后的电压3）其他方法A、加压求流法已知测量B、加流求压法已知测量 3.2 性能指标3.4 共射极放大电路1. 电路组成A.核心器件BJTB.偏置电路提供放大外部条件C.输入、输出电路ui 的引入，uo 引出放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点1. 电路组成Rb+UCCUBBRCC1C2TRL使发射

4、结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。Rb+UCCUBBRCC1C2TRL基极电源与基极电阻1. 电路组成集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。Rb+UCCUBBRCC1C2TRL1. 电路组成集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。Rb+UCCUBBRCC1C2TRL1. 电路组成1. 电路组成Rb+UCCUBBRCC1C2TRL耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F50F作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。单电源供电可以省去Rb+UCCUBBRCC1C2TRL1. 电路组成Rb单电源供电+UCCRCC1C2TRL1. 电路组成2、简化电路

5、及习惯画法习惯画法RLRCRb+UCCC1C2 共射极基本放大电路VBBRLRCRbC1C2UCC3. 各点波形ui=0ui =UsintUCE = UCC -iC RCIBQuiOt iB OtuCEOtuoOt iC OtICQUCEQ-+UT123URBIRBBBECCCCb（+12V）IUUCE放大电路中存在交流和直流两种信号3、电路中各点的波形3.5 放大电路的静态和动态 静态：输入信号为零（ui= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。 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UCE

6、（或IBQ、ICQ、和UCEQ ）表示。 直流通路 共射极放大电路输入信号为零（ui接地）；电容开路静态等效电路Rb+UCCRCC1C2Tui=0时由于电源的存在IB0IC0ICIE=IB+ICRLIB无信号输入时静态工作点ui=0时电路的工作状态Rb+UCCRCC1C2TUBEUCE( IC,UCE )(IB,UBE)RLIB静态工作点IC3.5 放大电路的静态和动态 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。交流通路 共射极放大电路电容短路，直流量为零，UCC成为交流地动态等效电路icvce+- 通常，放大电路中交流信号的作用和直流电源的作用共存，这使得电路的分析复杂化

7、。为简化分析，引入直流通路和交流通路。直流通路和交流通路直流通路： us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。交流通路：大容量电容相当于短路；直流电源相当于短路（内阻为0）。直流分析：（IBQ,ICQ,UCEQ）交流分析:(Au,Ri,Ro,fh)交流通道交流通路：大容量电容相当于短 路；直流电源相当于短路（内阻为0）。Rb+UCCRCC1C2RLRbRCRLuiuo放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变（小信号）等效电路法图解法计算机仿真图解法等效电路法（解析法）3.6 直流偏置电路3.6.1固定电流偏置偏置电路要求： 形式简单； 稳定性好； 对信号损耗小。 R

8、b+UCCRCC1C2RL为什么要设置静态工作点？ 建立正确的静态工作点， 使三极管工作在线性区以保证信号不失真。（1）估算IB（ UBE 0.7V)Rb+UCCRCIBUBERb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。（2）估算UCE、ICRb+UCCRCICUCEIC= IB例1：用估算法计算静态工作点。已知：UCC=12V，RC=4K，Rb=300K ，=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级UBE 0.6VRb+UCCRC静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。Q变UBEICEO变T变IC变2、 固定偏流电路存在的问题 温度对静态工作点的影响常采用射极偏置电路来稳定静

9、态工作点。失真UCC=IBRb+ UBE +IERe =IBRb+ UBE +(1+ ）IBReIBIEUBEUCEIC= IB 3.6.2、电流反馈型偏置Rb+UCCReRC稳定工作点的过程3.6.3分压式偏置1. 稳定工作点原理目标：温度变化时，使IC维持恒定。 如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。分压式偏置可稳定静态工作点I1I2IB2. 静态工作点稳定的放大器Rb1+UCCRCC1C2Rb2CeReRLuiuoBEC分压式偏置电路Re射极直流负反馈电阻Ce 交流旁路电容ICIE为了使B电位UB稳定，设计电路时，可使I1比IB大许多倍：I1=（510）IBUB=

10、（35）V 硅管：锗管：I1=（1020）IBUB=（13）V Rb1+VCCRCC1C2Rb2CeReRLuiuoI1I2IB静态工作点稳定过程TUBEICICIEUEUBE=UB-UE =UB - IE REUB被认为较稳定ICIEIB由输入特性曲线本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程ECB3.直流通道及静态工作点估算IB=IC/UCE = UCC - ICRC - IEReIC IE =UE/Re = （UB- UBE）/ Re UBE 0.7V +UCCRb1RCRb2ReICIEIBUCE电容开路,画出直流通道Rb1+UCCRCC1C2Rb2CeReRLuiuoI1I2

11、IB 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路 3.7 放大电路的图解分析法 3.7.1 直流图解分析法三极管使用输入特性曲线表示基极回路的直流通方程式表示Rb+UCCRCC1C2RL 特性曲线 直流负载线输入回路分 析 特性曲线 直流负载线输出回路3.7 放大电路的图解分析法 3.7.1 直流图解分析法放大电路静态工作状态的图解分析两个特殊点两个特殊点 3.7 放大电路的图解分析法 3.7.1直流图解分析法直流负载线直流负载线图解法分析放大器的静态工作点另一种方法UCE=UCCICRCUCCICUCE直流负载线由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点QQIBQ

12、静态UCE静态IC 3.7.1直流图解分析法3. 在输出回路由直流负载列出方程 UCE=UCC ICRc 4. 在输出特性曲线上确定两个特殊点，即可画出 直流负载线。x:UCC 、y:UCC / Rc 1. 在输入回路列方程式UCC UBE= IBRb2. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点 即是Q，由此可确定IBQ 。 IBQ也可通过计算得到。5. 得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。 3.7 放大电路的图解分析法直流负载线的确定方法： 3.7.1直流图解分析法共射基本放大电路交流通道 以分压偏置共射组态基本放大电路为例说明这个问题： 一、交流负载线的确定方法： 3.7.1交流

13、图解分析法2. 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为-1/RL 。交流负载线是有交流 输入信号时Q点的运动轨迹。 交流负载线与直流负载线相交Q点。一、交流负载线的确定方法：1. 确定输出回路交流通道的交流负载电阻为 RL= RLRc 关于交流负载线归纳如下： 1确定输出回路的交流负载电阻， RL= RLRc 2过输出特性曲线上的Q点做斜率为1/RL的直线，得交流负载线。 3交流负载线与直流负载线相交于Q点。 4交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。一、交流负载线的确定方法： 3.7.2交流图解分析法 共射极放大电路2. 交流放大原理（设输出空载RL非0）放大电路的动态图解分

14、析（动画3-1）1. 首先画出输入电压波形uBE(t)2. 根据输入特性曲线和uBE(t)画出iB波形3.根据iB波形和交流负载线画出iC波形4.根据交流负载线和iC波形画出uCE波形交流负载线3. 交流放大原理（设输出空载RL非0）通过图解分析，可得如下结论： 1. ui uBE iB iC uCE |-uo| 2. uo与ui相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数； 4. 可以确定最大不失真输出幅度。测量出ube的幅度测量出uce的幅度三极管的电流放大作用 3.7.2交流图解分析法 3.7.3直流工作点与放大器的非线性失真的关系iCuCEuo1、Q点过低信号进入截止区称为截止失

15、真信号波形NPN管上半周失真, 不发生截止失真的条件：最大不失真电压： 1、Q点过低信号进入截止区 NPN 管：顶部失真为截止失真。 PNP 管： 底部失真为截止失真。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBui uCEiCict OOiCOtuCEQuce交流负载线1、Q点过低信号进入截止区iCuCEuo称为饱和失真信号波形截止失真和饱和失真统称“非线性失真”2、 Q点过高信号进入饱和区NPN管下半周失真, 不发生饱和失真的条件：最大不失真电压： 2、 Q点过高信号进入饱和区ICS集电极临界饱和电流NPN 管：底部失真为饱和失真。PNP 管：顶部失真为饱和失真。IBS 基极临界饱和电流。

16、不接负载时，交、直流负载线重合，U CC= UCC不发生饱和失真的条件： IBQ + I bm IBSuCEiCt OOiCO tuCEQU CC2、 Q点过高信号进入饱和区饱和失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。 注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。波形的非线性失真：3、波形的非线性失真(a)饱和失真(b)截止失真（动画3-3）3、波形的非线性失真iCuCEuo可输出的最大不失真信

17、号选择静态工作点ib4、最大不失真输出幅度放大器的不失真输出幅度的确定。最不失真输出幅度1. Q点要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2.要有合适的交流负载线。 （动画3-4）输出幅度4、最大不失真输出幅度放大器的不失真输出幅度的确定。4、最大不失真输出幅度 最佳工作点：总之： 建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。 由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析

18、和设计。3.8.1 BJT的小信号建模3.8 小信号模型分析法1. H参数的引出对上两式取全微分得用小信号交流分量表示vbe= hieib+ hreuceic= hfeib+ hoeuce对于BJT已知输入输出特性曲：iB=f(uBE) uCE=constiC=f(uCE) iB=const可写成：uBEuCEiBcebiCBJT双口网络小信号输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的输出电导。其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。1. H参数的引出vbe= hieib+ hrevceic=

19、hfeib+ hoevce2. H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型hfeibicuceibubehreucehiehoevbe= hieib+ hreuceic= hfeib+ hoeuceuBEuCEiBcebiCBJT双口网络h参数的物理意义分清主次，合理近似！b-e间动态电阻内反馈系数电流放大系数c-e间电导3. 模型的简化hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即 rbe= hie = hfe uT = hre rce= 1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为 ibicuceibubeuT ucerberce uT很小，一般为10-310-4

20、rce很大，约100k。可忽略 ib 是受控源 ，且为电流控制电流源(CCCS)。 电流方向与ib的方向是关联的。 uBEuCEiBcebiCBJT双口网络 H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。 H参数与工作点有关。3. 模型的简化等效ebcebcrbeic =ib注意问题： 电流源为一受控源，而不是独立的电源。 电流源的流向不能随意假定，而是由ib决定。 该模型仅适用于交流小信号，不能用于静态分析和大信。4. H参数的确定 一般用测试仪测出； rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。一般也用公式估算 rbe 3.8.2 放大器的交流分析1

21、. 固定偏置放大电路动画演示（1）画出放大器的交流通路（2）将交流通路中的三极管用h参数等效电路代替1） 画出小信号等效电路RbviRbRbviRc共射极放大电路icvce+-交流通路RbviRcRLH参数小信号等效电路2） 求电压增益根据RbviRcRL则电压增益为（可作为公式）3） 求输入电阻RbRcRLRi4） 求输出电阻RbRcRLRo令Ro = Rc 所以 共射极放大电路 放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300k， Rc=2k， VCC= +12V，求： （1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域

22、？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）（2）当Rb=100k时，静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：所以BJT工作在饱和区。UCE不可能为负值，此时，Q（120uA，6mA，0V）， 例题1、电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。 解：例题 2、 电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。 解：例题例题 解：（1）（2）3、 放大电路如图所示。试求：（1）Q点；（2）、。已知=50。end动态分析求AU、Ri、RO 1）画出交流通路2. 分压式偏置放大电路2）画出放大电路的微变等效电路3、计算动态性能指标1）.计算Au

23、“-”表示Uo和Ui反相。 Au的值比固定偏流放大电路小了。2）.计算输入电阻uo在RE两端的电压可以忽略不计，因此RoRc 。3）. 计算输出电阻Ro =0 如何提高电压放大倍数Au？ 在RE两端并联一个电容，则放大倍数与固定偏置放大电路相同。 4） 举例讨论例 = 100，RS= 1 k，RB1= 62 k，RB2= 20 k, RC= 3 k，RE = 1.5 k，RL= 5.6 k，VCC = 15 V。求：“Q”，Au，Ri，Ro。1)求“Q”+UCCRCC1C2RLRE+CE+RB1RB2RS+us+uo解+UCCRCC1C2RLRE+CE+RB1RB2RS+us+uo2)求 Au

24、，Ri，Ro ， Aus Ro = RC = 3 kEND3.8共集电极放大 电路共集电极放大电路也称 ： 射极输出器、射极跟随器以下不用IBQIEQ+C1RS+ui RERB+VCCC2RL+uo+usIBQ = (VCC UBEQ) / RB +(1+ ) REICQ = I BQUCEQ = VCC ICQ RE交流通路RsRB+uoRLibiciiRE1、电路组成与静态工作点2、性能指标分析交流通路RsRB+uoRLibiciiRE小信号等效电路usRB+uoRLibiciirbe ibRERs+RL = RE / RL电压放大倍数： 1输入电阻：输出电阻：usRB+uoRLibici

25、irbe ibRERs+RBibiciirbe ibRERsus = 0+uiiRERS = Rs / RBi = iRE ib ib射极输出器特点Au 1 输入输出同相Ri 高Ro 低用途：输入级 输出级 中间隔离级例 2.5.1 =120，RB = 300 k，rbb= 200 ，UBEQ = 0.7 V, RE = RL = Rs = 1 k，VCC = 12V。求：“Q ”，Au，Ri，Ro。IBQIEQ+C1RS+ui RERB+VCCC2RL+uo+us解1)求 “Q”IBQ = (VCC UBE) / RB + (1+ ) RE = (12 0.7) / 300 +121 1 2

26、7 (A)IEQ I BQ = 3.2 (mA)UCEQ = VCC ICQ RE = 12 3.2 1 = 8.8 (V)2)求 Au，Ri，RoRbe = 200 + 26 / 0.027 1.18 (k)Ri = 300/(1.18 121) = 51.2 (k)RL= 1 / 1 = 0.4 (k)提高 Ri 的电路：无 C3、RB3：Ri = (RB1 / RB2) / rbe + (1 + ) RERi = 50 / 510 = 45 (k)Ri = (RB3 + RB1 / RB2) / rbe + (1+ )RERi = (100 + 50) / 510 = 115 (k)无

27、C3 有 RB3 ：接 C3 ：RB3 / rbe rbeRi = rbe+ (1 + ) (RB/ RE) = (1 + ) (RB / RE )Ri = 51 50 / 10 = 425 (k)+C1RSRERB1+VCCC2+uo+us+RB2RB3C3 = 50100 k100 k100 k10 kRB+uoibiciirbe ibRE+ uiRB33.9共基极放大电路 1、共基极放大电路组成+VCCRCC2C3RLRE+RB1RB2RS +us +uoC12、求“Q”(略)3、性能指标分析RiRiRoRo = RC特点：1. Au 大小与共射电路相同。2. 输入电阻小，Aus 小。R

28、CRERS +us RL+uoRCRERS+usRLrBEioicieiiib ib+ui3.9场效应管放大电路3.9.2 场效应管电路小信号 等效电路分析法3.9.1 场效应管放大电路的组态3.9.1 场效应管放大电路的组态三种组态：共源、共漏、共栅特 点：输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好1、直流偏置电路 1）. 自给偏压电路+UDDRDC2CS+uoC1+uiRGRSGSD栅极电阻 RG 的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻 RS 的作用：提供负栅偏压漏极电阻 RD 的作用：把 iD 的变化变为 uDS 的变化UGSQ = UGQ USQ = IDQRS+UDDR

29、DC2CS+uoC1+uiRGRSGSD2）. 分压式自偏压电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ 0UGSQ = 0UGSQ 0RL+UDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3例1 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 M， RS = 2 k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。 IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求 iD 和 uO 。iG = 0 uGS = iDRSRDGDSRGRSiD+uO+UDDiD1= 4 mAiD2= 1 mAuGS = 8 V UGS(off)增根 uGS = 2 V uDS = UDD iD(RS + RD) = 20 14 = 6 (V) uO = UDD iD RD = 20 14 = 8 (V)在放大区例 2 已知 UGS(off)= 0.8 V，IDSS = 0.18 mA， 求