第2章晶体三极管及其基本放大电路素材.ppt

1、第2章 晶体三极管及其基本放大电路,单管共集电极和共基极放大电路,2.4,晶体三极管,2.1,单管共射极放大电路,2.2,放大电路静态工作点的稳定,2.3,多级放大电路,2.5,放大电路的频率响应,2.6,2.1 晶体三极管,2.1.1 晶体三极管的结构与类型,中功率管,大功率管,多子浓度高,多子浓度很 低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,2.1.2 晶体三极管的电流放大原理,实验结果：（1）,（2）,称为电流放大系数。,（3）,（4）,IB=0 （将基极开路）时，IC0.001mA=1A。该电流称为穿透电流，一般用ICEO表示,要使晶体管起放大作用，外加电源须满足：发射

2、结 正向偏置，集电结反向偏置。,2.1.2 晶体三极管的电流放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子中的极少数与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,2.1.2 晶体三极管的电流放大原理,穿透电流,集电结反向电流,电流分配： IEIBIC,直流电流放大系数,2.1.3 晶体三极管的特性曲线,(1) 输入特性曲线,对于小功率晶体管，通常只用vCE1V的一条输入特性曲线 。,(2) 输出

3、特性曲线,对应于一个iB就有一条iC随vCE变化的曲线。,饱和区,放大区,截止区,（1）放大区, 发射结正向偏置， 集电结反向偏置。,放大区也称为线性区。, vCE增加时，iC基本不变， 呈恒流特性。也称恒流区。,（2）截止区, 发射结反向偏置， 集电结反向偏置。, iB=0时， iC=ICEO0。 晶体管的集射极之间相 当于开关断开。,（3）饱和区, 发射结正向偏置， 集电结正向偏置。, iC不再受iB控制，晶体管 的集射极之间相当于开关 的导通。,VCE=VCES=0.10.3V,2.1.4 晶体三极管的主要参数,1直流参数,（1）共射极直流电流放大系数,（2）共基极直流电流放大系数,（3

4、）极间反向电流ICBO和ICEO,2交流参数,（1）共射极交流电流放大系数,（2）共基极交流电流放大系数,（3）特征频率fT,当电流放大系数的数值下降到1时，对应的信号频率。,3极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流。,（2）反向击穿电压,（3）集电结最大允许耗散功率PCM,安全工作区,2.1.5 温度对三极管参数及特性的影响,（2）温度升高ICBO增加。,（1）温度升高VBE减小。,（3）温度升高增加。,2.2 单管共射极放大电路,2.2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,1、放大的概念,放大器的作用是将微弱的电信号（电压、电流、功率） 不失真地

5、放大到所需要的数值。,放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现,至少一路直流电源供电，是能源,判断电路能否放大的基本出发点,放大的特征：功率放大,常用正弦波做测试信号,放大的对象：变化量,放大的基本要求：不失真放大的前提,输入信号为零时为静态。,2、性能指标,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,信号源,信号源内阻,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,1. 放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,2. 输入电阻,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的 等效电阻,一般来说， Ri越大越好。 （1）当信号源有内阻时， Ri越大， Vi就越接近VS。

6、 （2）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。,3. 输出电阻,（1）理论计算,（2） 实验测试,输出电阻的大小反映了放大电路带负载能力的好坏。 Ro越小，放大电路的带负载能力越强，反之越差。,3. 最大不失真输出电压,定义：不失真的前提下，电路能够输出的最大电压。,有效值：,最大值：,峰峰值：,4. 最大输出功率与效率,在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率。,效率是最大输出功率与直流电源提供的总功率之比。,这两个参数是功率放大电路的主要技术指标。,2.2.2 单管共射极放大电

7、路的组成及工作原理,（1）晶体管T是放大电路的核心元件，起放大作用。,（2）直流电源VCC,为放大电路提供能量。,发射结正向偏置，集电结反偏，使晶体管工作在放大区。,产生大小合适的基极电流IB和集电极电流IC（直流）。,（3）Rb为基极偏置电阻，产生大小合适的基极电流IB 。,2.2.2 单管共射极放大电路的组成及工作原理,（4）Rc是集电极负载电阻。 它的作用是将集电极电流 的变化转化为电压的变化，,（5）Cb1和Cb2称为隔直电容 或者耦合电容，其作用 是“隔直流、通交流”。,（6）vs和Rs分别是信号源电压和信号源内阻。,共射,动态信号作用时：,放大电路的直流通路和交流通路,1. 直流通

8、路： vs=0，保留Rs；电容开路； 电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。 2. 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）。,通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路这两个非常重要的概念。,表示直流量,表示交流量,表示总瞬时值,这时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降分别记作：IBQ、 ICQ（IEQ）、 VBEQ、 VCEQ。,2.2.3 放大电路的静态分析,当输入（交流）信号vi=0时，放大电路中的电压和电流 都是直流量，称电路处于静态或直流工作状态。,称为静态工作点。,1.

9、估算法,直流通路,+ VBE -,+ VCE -,例2.2.1 设图2.2.3电路中的VCC=15V，Rc=3k，晶体管的电流放大系数=150，VBEQ=0.7V。试确定Rb=750k和Rb=300k两种情况下电路的静态工作点，并说明晶体管的工作状态。,解：（1）由图知发射结正偏，可设晶体管处于放大状态。,=0.02mA=20A,ICQ=IBQ =1500.02 ( mA)=3 mA,VCEQ=VCCICQ Rc =（15-33）（V）=6V,晶体管工作在发射结正偏、集电结反偏的放大状态。,+ VBE -,+ VCE -,（2）同样，设晶体管处于放大状态。,=0.05mA=50A,ICQ=IB

10、Q =1500.05 ( mA)=7.5 mA,VCEQ=VCCICQ Rc =（15-37.5）（V）=-7.5V,VBCQ=VBEQ- VCEQ =0.7V-（-7.5）V=8.2V,发射极、集电结均处于正向偏置。,晶体管处于饱和状态。,ICQIBQ,2. 图解法,输入回路负载线,IBQ,负载线,2.2.4 放大电路的动态分析,交流通路,1. 微变等效电路法,一般取100300,阻值大，为几十千欧到几百千欧，常可认为开路,（2） 用微变等效电路分析共射极基本放大电路, 电压放大倍数,负号表示输出与输入电压反相位, 输入电阻, 输出电阻,例2.2.2 根据例2.2.1题给出的参数，试计算Rb

11、=750k时图2.2.3所示放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：,rbe=1.5k,=3 k,解：,（1）求静态工作点Q。,=0.01mA=10A,ICQ=IBQ =1000.01 ( mA)=1 mA,VCEQ=VCCICQ Rc =（15-110）V=5V,rbe=2.8k,=10 k,2. 图解法,（1）动态工作情况的图解分析,其中：,交流负载线的画法：,交流负载线的画法：,直流负载线方程：,斜率为,交流负载线方程：,斜率为,（1）先作直流负载线。,（2）再作交流负载线。,交流负载线通过Q点。,注意： （1）交流负载线是有 交流输入信号时 工作点的运动轨 迹。,（2）空载时

12、，交流负 载线与直流负载线重合。,最大不失真输出电压Vom 。,较小者,（2）波形非线性失真的图解分析,2.3 放大电路静态工作点的稳定,2.3.1 温度对静态工作点的影响,2.3.2 静态工作点稳定电路,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,（1）电路组成,（2）稳定原理,为了稳定Q点，通常I1 IB，即I1 I2；因此,基本不随温度变化。,VBE=VB-VE,VBQ稳定,=VB - IE Re,3. 静态工作点的估算,4. 动态分析,（1）求电压放大倍数,（2）求输入电阻,（3）求输出电阻,无旁路电容Ce时：,例2.3.1 在图2.3.2（a）所示电路中，已知VCC=12V，Rb1=2.

13、5k，Rb2=7.5k，Rc= RL=2k，Re=1k，晶体管 的电流放大系数=30，VBEQ=0.7V。,（1）试估算电路的静态工作点；,（2）计算电路的电压放大倍数,、输入电阻和输出电阻;,（3）如果在输入端加一信号源， 其内阻Rs=10k，计算此时的 源电压放大倍数;,（4）计算去掉电容Ce时电路的电压放大倍数和输入电阻;,（5）如果换上=50的晶体管，电路其它参数不变，静态 工作点有何变化？,解：（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,2.4 单管共集电极放大电路和共基极放大电路,2.4.1 单管共集电极放大电路,静态分析,2. 动态分析,2. 动态分析,（1）求电压放大倍数,（2）求

14、输入电阻,Ri与负载有关！,（3）求输出电阻,Ro与信号源内阻有关！,特点：输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在一定条件下有电压跟随作用！,例2.4.1 电路如图2.4.4所示，已知晶体管的电流放大系数=50，VBEQ=-0.7V。试求该电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻，并说明它属于什么组态。,解：,2.4.2 单管共基极放大电路,与分压式偏置静态工作点稳定电路的直流通路完全一样。,特点：,输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！,求下图所示电路的静态工作点和动态参数。,例2.4.2 在图示电路中，已知VCC=15V，Rb1=30k，Rb2=20k，Rc=

15、2k，RL=1k，Re=2.65k，晶体管的电流放大系数=100，VBEQ=0.7V。各电容对交流信号可视为短路。试估算电路的静态工作点Q和电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：,接法 共射 共集 共基 Av 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 频带 窄 中 宽,2.4.3 三种基本组态放大电路的性能比较,2.5 多级放大电路,阻容耦合,Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。,2.5.1 多级放大电路的耦合方式,2. 直接耦合,既是第一级的集电极电阻，又是第二

16、级的基极电阻,能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，Q点相互影响，存在零点漂移现象。,当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。,直接连接,求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。,例2.5.1 在图示电路中，各元器件参数如图所示，两只晶体管都是硅管，电流放大系数相等，1=2=50，稳压管的工作电压VZ=4V。 （1） 试计算各级电路的静态工作点Q。 （2）若由于温度的升高使ICQ1增加1%，试计算静态输出电压的变化时多少？,解：,（1）先确定T1的静态工作点,再确定T2的静态工作点,所以静态时的输出电压为,（2）当温度升高使IC1Q增加1%时,比原来增加了1

17、.65V， 约变化了33%。,零点漂移,产生零点漂移的主要原因，是放大电路的静态工作点受温度影响而上下波动。,在多级放大电路各级的漂移当中，第一级的漂移 影响最为严重。,2.5.2 多级放大电路的动态分析,电压放大倍数,2. 输入、输出电阻,对电压放大电路的要求：Ri大， Ro小，Av的数值大，最大不失真输出电压大。,注意：在算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载！,例2.5.2 在图2.5.1所示电路中，已知VCC=12V，R1=15k，R2= R3=5k，R4=2.3k，R5=100k，R6=RL=5k；晶体管的电流放大系数均为50，rbe1=1.2 k，rbe2=1 k，VB

18、E1Q= VBE2Q=0.7V。 （1）试估算电路的静态工作点Q。 （2）计算电路的电压放大倍数 、输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：,（1）求静态工作点。,（2）计算电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,2.6 放大电路的频率响应,2.6.1 频率响应的一般概念,1. 幅频特性和相频特性,2. 上限频率、下限频率和通频带,通频带：,上限频率,下限频率,3. 波特图,(1) RC低通电路的波特图, 频率响应表达式：,幅频响应：,相频响应：,令：,则：, RC低通电路的波特图,最大误差 -3dB,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,相频响应,可见：当频率较低时，A v 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高， Av 下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。,这种对数频率特性曲线称为波特图,（2） RC高通电路的波特图,（1）频率响应表达式：,令：,则：,幅频响应：,相频响应：,（2） RC高通电路的波特图,最大误差 -3dB,斜率为 20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,可见：当频率较高时，Av 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低， Av下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。 其中，fL是一个重要的频率点