第3章-半导体三极管及其放大电路2课件

第3章-半导体三极管及其放大电路27/23/20234第3章2(3)标出图中电压、电流的正方向。如图3.4.4(b)所示。2.求电压增益由图可以看出，7/23/20235第3章2式中R’L=Rc//RL所以：7/23/20236第3章2例3.4.1如图3.4.4a的电路，若BJT为3DG6，已知在Q点上的β=40，计算电压增益。

解：(1)确定Q点因已知β，故可用简单计算法确定Q点：7/23/20237第3章2IE≈IC＝βIB＝40×40μA＝1.6mAVCE＝VCC－ICRc＝12V－1.6mA×4k＝5.6V(2)求r

be，利用式(3.4.6b)，得:7/23/20238第3章2(3)求利用式(3.4.7)，得7/23/20239第3章23.输入、输出电阻的计算输入电阻计算由图(3.4.5)所示，［转12］7/23/202310第3章27/23/202311第3章2由于Rb>>rbe，所以，Ri≈rbe。按图3.4.4(a)所给数据，可得：

Ri＝Rb∥rbe＝300kΩ∥0.866kΩ≈0.866kΩ7/23/202312第3章2(2)输出电阻的计算如图3.4.6所示，根据输出电阻的定义式，当测试电压加在放大电路的输出端时，由于cJ处于反向偏置，故Ib＝0，所以Ic＝0,得：［转15］7/23/202313第3章27/23/202314第3章2因已知Rc＝4kΩ，故Ro＝4kΩ。7/23/202315第3章2讨论：(P100)对于放大电路来说，一般要求输入电阻高一些，特别是在信号源内阻Rs较大的场合，作为放大电路输入级来说有为重要；对于输出级来说，则往往需要输出电阻Ro越小越好，从而可以提高放大电路的带负载能力。在分析、设计放大电路时，应全面的加以考虑。7/23/202316第3章24.两种分析方法的比较①图解分析法可用来分析放大电路的静态、动态，主要用于静态分析，可以很方便、直观的设计Q点；②当输入的交流信号幅度较小或晶体管基本工作在线性区时，应用小信号模型(微变等效电路)。③当输入的交流信号幅度较大，晶体管工作区延伸到非线性区时，应采用图解分析法。7/23/202317第3章23.5放大电路工作点的稳定如前所述的固定偏置电路，当基极偏置电阻Rb确定以后，Q点已经确定，只要Rb选择合适，即可获得合适的Q点。但是，当更换晶体管或是环境温度发生变化引起管子参数变化时，Q点的位置将引起变化，甚至使Q点移到不合适的位置而使放大电路无法正常工作。7/23/202318第3章2为使在更换晶体管或是温度变化引起管子参数变化时，不影响放大电路正常工作(即使Q点的位置基本不变)，必须设计能自动调整工作点的偏置电路。7/23/202319第3章23.5.1温度对工作点的影响1.温度对晶体管参数的影响(观看教学课件：温度对晶体管V－I特性的影响)当温度升高时，晶体管的参数将发生下列变化：(1)VBE的温度系数为：－(2~2.5)mV／oC。VBE的减小通过IB使Q点的位置上移(此处VBE的减小是指eJ实际所需的工作电压减小)。7/23/202320第3章2(2)温度每升高1oC，β值将增加0.5%~1.0%左右。β值的增大使输出特性曲线的间隔变宽，Q点的位置上移。(3)温度每升高10oC，ICBO增大约一倍(即ICEO增大约一倍)。从而使IC升高，Q点的位置上移。但因为ICBO较小，其影响可以忽略不计。综上所述：温度的变化将使Q点的位置发生变化，从而影响放大电路的正常工作。7/23/202321第3章23.2.5射极偏置电路

(分压式电流负反馈偏置电路)由上分析可知，稳定工作点其实就是稳定晶体管的集电极电流IC。其稳定电路如图3.5.1所示。1.电路组成与要求(1)组成：在放大电路的基极加一下偏置电阻Rb2；在发射极到地之间串联一个电阻R

e。［转24］7/23/202322第3章2［转27］7/23/202323第3章2(2)要求：要使放大电路具有稳定Q点功能，必须满足：I1>>IB(I1为流过Rb1、Rb2的直流电流)2.稳定过程因为I1>>IB，所以，晶体管的基极电位近似为：7/23/202324第3章2当温度升高时，其稳定过程如下：从而保持IC基本不便，Q点基本稳定。

上述过程，实际上就是第七章要讲的负反馈过程。7/23/202325第3章23.实际情况在实际应用中，I1、VBE应满足下列要求：I1＝(5~10)IB(3.5.1)

VB＝(3~5)V

(3.5.2)7/23/202326第3章24.例3.5.1试近似估算图3.5.1的Q点，并计算它的电压增益、输入电阻和输出电阻。解：(1)求静态工作点

因7/23/202327第3章2所以

VCE＝VCC－ICRc－IERc≈VCC－IC(Rc＋Re)(3.5.3)IB＝IC/β利用上式可以分别求得Q点处的IC、IB及VCE。7/23/202328第3章2(2)求电压增益在计算之前，应首先画出放大电路的小信号(微变)等效电路,其过程：①画出放大电路的交流通路(画图(3.5.1)的交流通路)；图中Rb＝Rb1∥Rb2，R'L＝Rc∥RL。［转31］7/23/202329第3章27/23/202330第3章2②画出放大电路的小信号(微变)等效电路(如图3.5.2所示)；③计算增益P104［转33］7/23/202331第3章27/23/202332第3章2(3)求输入、输出电阻①输入电阻计算，如图3.5.3所示；7/23/202333第3章27/23/202334第3章2由此可见，加入电阻Re之后，放大电路的输入电阻提高了。7/23/202335第3章2②输出电阻计算，如图3.5.4所示；先求出R'o，然后再与Rc并联,即可求得放大电路的输出电阻Ro.在基极回路和集电极回路里，根据KVL(回路电压定律)可得：7/23/202336第3章27/23/202337第3章27/23/202338第3章27/23/202339第3章2例如，当BJT的＝60，rce=100k，rbe=1k，

Re=2k，Rs=0.5k，Rb1=40kΩ，

Rb2=20kΩ，R's＝Rs//Rbl//Rb2=0.48kΩ，则由式(3.5.6)可算得R'o=100[1+60×2/(1+0.48+2)]kΩ=3.55MΩ可见R'o的数值是很大的。7/23/202340第3章2由此例可知，当BJT的基极电位固定，并在射极电路里接一电阻Re，便可提高输出电阻，亦即提高电路的恒流特性。第6章所要讨论的微电流源，正是利用这一特点而构成的。书中的解法有些复杂，也可以这样解：7/23/202341第3章27/23/202342第3章23.6共集电极电路和共基极电路3.6.1共集电极电路(射极输出器)原理电路如图3.6.1(a)所示，交流通路如图3.6.1(b)所示。7/23/202343第3章27/23/202344第3章27/23/202345第3章21.电路分析(1)求Q点根据图3.6.1(a)，在基极回路中，按电压方程式：VCC＝IBRb＋VBE＋VE式中VE＝IERe＝(1+β)IBRe，为晶体管发射极的直流电位。7/23/202346第3章2

此外，再有IC＝βIB及VCE＝VCC—ICRe可求出IC和VCE。7/23/202347第3章2(2)电压增益小信号等效电路如图3.6.2所示。［转50］7/23/202348第3章27/23/202349第3章2将式(3.6.1)中的代入式(3.6.2)，得7/23/202350第3章2一般，βR‘L>>rbe，故射极输出器的电压增益近似等于1，而略小于1。原因是：的关系，因此总是略小于。由于射极输出器的电压增益接近于1，且和同相位，因此，射极输出器由称为电压跟随器。7/23/202351第3章2(3)输入电阻

如图3.6.3(a)所示。

由于7/23/202352第3章2

有因β>>1及βR'L>>rbe，则

由此可见，射极输出器与共发射极放大电路相比，其输入电阻高得多。7/23/202353第3章2(4)输出电阻

计算输出电阻的等效电路如图3.6.3(b)所示。按输出电阻定义式：在测试电压的作用下，相应的测试电流为：7/23/202354第3章27/23/202355第3章2上式中，(R's+rbe)／(1+β)为基极回路电阻(R's+rbe)折合到射极回路时的等效电阻。通常有Re>>(R's+rbe)／(1+β)及β>>1所以

R

o≈(R's+rbe)／β7/23/202356第3章2例如：当BJT的β＝50，rbe＝1kΩ，Rs=50Ω，Rb=l00kΩ，R's=Rs//Rb=50Ω时，算得Ro=21Ω。这个数值表明，电压跟随器的输出电阻是很低的，一般在几十欧到几百欧的范围内。为了降低输出电阻，应选用β较大的BJT。7/23/202357第3章2(5)射极输出器的特点电压增益小于1而近似等于1，且输出电压与输入电压同相位；输入电阻高；输出电阻小低。该电路虽然无电压放大能力，但仍具有电流放大能力，所以该电路仍具有功率放大能力。7/23/202358第3章22.复合管及其用途(1)复合管的构成a.同类型管的复合如图3.6.4所示，为NPN型复合晶体管，以图(a)为例，复合管的β值和rbe计算如下：［转61］7/23/202359第3章27/23/202360第3章2

rbe＝rbe1＋(1+β1)rbe2≈rbe1＋β1rbe2PNP型复合晶体管如图3.6.4’所示(下页)7/23/202361第3章27/23/202362第3章2b.不同类型管的复合(互补型复合管)如图3.6.5所示，以图(a)为例，复合管的β值和rbe计算如下：rbe＝rbe1

［转65］7/23/202363第3章27/23/202364第3章2(2)复合管的构成原则

a.把两只管子构成一只复合管，必须保证每一只管子的电流都能顺着各管的正常电流方向流动，否则，构成的复合管是错误的。7/23/202365第3章2b.向内流的复合管为NPN型复合管，向外流的复合管为PNP型复合管；的流向由T1的决定，即复合管的导电极性取决于第一只管子。c.复合管的β≈β1β2；d.同类型复合管,rbe≈rbe1＋β1rbe2；互补型复合管，rbe＝rbe17/23/202366第3章2(3)复合管的用途a.可以提高单管的输入电阻(同类型复合管)。b.解决大功率管的配对难的问题。c.解决大功率管β值小的问题。一般大功率晶体管的β值都比较小，在要求工作电流较大的场合(电源调整管)，必须使Ib较大，但Ib只有μA数量级，这时必须采用复合管。7/23/202367第3章2复合管因其等效电流放大系数很高，等效输入电阻亦很高，特别是当它制成集成器件时，使用方便而受到拥护的欢迎。复合管又称为达林顿管。7/23/202368第3章23射极跟随器(电压跟随器)的用途a.输入级：减小放大电路对信号源(或前级)索取信号电流；b.中间变换级：实现前后级的阻抗匹配；c.输出级：提高放大电路的带负载能力。7/23/202369第3章23.6.2共基极放大电路如图3.6.6(a)所示(分析图中原件及其作用)。图(b)为其交流通路。1.求Q点画出直流通路如图3.6.7所示，同于前述的分压式电流负反馈偏置电路。［转74］7/23/202370第3章27/23/202371第3章27/23/202372第3章27/23/202373第3章22.求电压增益、输入电阻、输出电阻(P112)画出微变(小信号)等效电路如图3.6.8所示。a.电压放大倍数［转76］7/23/202374第3章27/23/202375第3章2由式(3.6.8.)可以看出，共基极放大电路与共发射极放大电路的电压放大倍数相比，大小相等，只差一个负号，共基极放大电路是一个同相放大电路。7/23/202376第3章2b.输入电阻

根据图3.6.8所示，7/23/202377第3章27/23/202378第3章2c.输出电阻根据图3.6.8所示，Ro＝rcb∥Rc，由于rcb是晶体管集电极到基极的交流电阻，而集电结又是反偏的，所以rcb>>Rc，故Ro＝rcb∥Rc≈Rc7/23/202379第3章2综上所述：共基极放大电路电压放大倍数大(大小与共发射极放大电路相同)，输出电压与输入电压同相位；输入电阻小；输出电阻与共发射极放大电路相同；无电流放大能力(α＝Ic/Ie≈1)。7/23/202380第3章23.6.3三种基本组态的性能比较如表3.6.1所示。(P114~115)7/23/202381第3章27/23/202382第3章27/23/202383第3章23.7放大电路的频率响应3.7.1单节RC电路的频率响应1.RC低通电路的频率响应RC低通电路有一个电阻和一个电容构成，如图3.7.1所示。7/23/202384第3章27/23/202385第3章2(1)高频响应如式(3.7.1)所示(推导该式)，式(3.7.1)中的s为复变量，s＝jω=j2πf，高频电压增益为：7/23/202386第3章2上式的幅值AVH和相角分别为：a.幅频特性(响应)①当f<<fH时7/23/202387第3章2用分贝(dB)表示则为20lgAVH≈20lg1＝0dB这是一条与横轴平行的零分贝线，如图3.7.2(a)所示。②当f>>f

H时［转91］7/23/202388第3章2［转91］7/23/202389第3章2［转95］7/23/202390第3章2用分贝(dB)表示则为20lgAVH≈20lgfH／f这是一条斜率为－20dB/十倍频程的斜线，如图3.7.2(a)所示。由上两条直线构成的折线，是近似的幅频特性。图中f

H对应于两条直线的交点，称之为转折频率。7/23/202391第3章2又有式(3.7.4)可知，当f=f

H时，即在fH处，电压放大倍数下降到中频区时的1/(即0.707)倍，故fH又是放大电路的上限频率。7/23/202392第3章2b.相频特性(响应)如图3.7.2(b)所示①f<<fH时，→0o，得一条＝0o的直线。此时，的相位差等于零。②f>>fH时，→－90o，得一条＝－90o的直线。此时，的相位差等于－90o。7/23/202393第3章2③f＝fH时，＝－45o。由上三点分析可知，在0.1fH~10fH之间，为一条斜率为－45o/十倍频程的直线。如图3.7.2(b)所示。7/23/202394第3章22.RC高通电路的频率响应RC高通电路如图3.7.3所示。7/23/202395第3章2由上式可得低频区电压增益的幅值AVL和相角分别为如图(3.7.4)所示，图(a)为其幅频响应7/23/202396第3章2a.幅频特性(响应)①当f>>fL时用分贝(dB)表示则为20lgAVH≈20lg1＝0dB这是一条与横轴平行的零分贝线，如图(3.7.4)(a)所示；［转99］7/23/202397第3章27/23/202398第3章2②当f<<f

L时用分贝(dB)表示则为20lgAVH≈20lgf/fL这是一条斜率为20dB/十倍频程的斜线，如图3.7.4(a)所示。由上两条直线构成的折线，是近似的幅频特性。7/23/202399第3章2图中f

L对应于两条直线的交点，称之为转折频率。又有式(3.7.9)可知，当f=f

L时，即在fL处，电压放大倍数下降到中频区时的1/(即0.707)倍，故fL又是放大电路的下限频率。7/23/2023100第3章2b.相频特性(响应)如图3.7.4(b)所示①f>>fL时，→0o，得一条＝0o的直线。此时，的相位差等于零。②f<<fL时，→90o，得一条＝90o的直线。此时，的相位差等于90o。7/23/2023101第3章2③f

＝fL时，＝45o。由上三点分析可知，在0.1fH~10fH之间，为一条斜率为－45o/十倍频程的直线。如图3.7.4(b)所示。7/23/2023102第3章27/23/2023103第3章23.7.2单级放大电路的频率特性(响应)1.BJT的小信号建模(1)模型的引出如图3.7.5(a)所示。(了解等效电路中的各元件)。7/23/2023104第3章27/23/2023105第3章2rbb'：基区的体电阻，通常约为50~300Ω；rb'e：为发射结的小信号交流电阻，实际值约为几十Ω；Cb'e：为发射结结电容，小功率管约为几十~几百pF；rb'c：集电结小信号时的交流电阻，此值一般约为100kΩ~10MΩ；7/23/2023106第3章2Cb'c：为集电结结电容，约为2~10pF；gm：受控电流源，iC受控于。在高频的情况下，rb‘c的数值很大，与Cb’c并联时可以忽略不记；而rce与负载并联，而rce>>RL，rce也可以忽略不记，这样可得到图3.7.5(a)的简化模型，如图3.7.5(b)所示。图3.7.5(b)又称为混合π型高频小信号模型。7/23/2023107第3章27/23/2023108第3章2(2)参数的获得a.rbe＝rbb'+rb'e、rb'e＝(1+β0)VT／IE，(β0由β来，这里主要是加以区别)b.gm---称为互导(跨导)c.结电容Cb'c、Cb'e。Cb‘c，就是手册中的Cob。Cb’e可用(3.7.17)式求得。Cb‘c＝gm／2πfT(3.7.17)7/23/2023109第3章2(3)BJT的频率参数如图(3.7.7)'所示。7/23/2023110第3章2a.共发射极截止频率fβfβ：表示晶