模拟第2章晶体管放大

1、,2.1 晶体管,2.2 放大的概念及放大电路的性能指标,2.3 共发射极放大电路的组成及工作原理,2.4 放大电路的图解分析法,2.5 放大电路的微变等效电路分析法,2.6 分压式稳定静态工作点电路,2.7 共集电极放大电路,2.8 共基极放大电路,2.9 组合单元放大电路,小结,第2章 晶体管及其基本放大电路,2.1晶体管,2.1.1 晶体三极管,2.1.2 晶体三极管的特性曲线,2.1.3 晶体三极管的主要参数,(Semiconductor Transistor),2.1.1 晶体三极管,一、结构、符号和分类,发射极 E,基极 B,集电极 C,发射结,集电结, 基区, 发射区, 集电区,

2、emitter,base,collector,NPN 型,PNP 型,分类：,按材料分： 硅管、锗管,按功率分： 小功率管 500 mW,按结构分： NPN、 PNP,按使用频率分： 低频管、高频管,大功率管 1 W,中功率管 0.5 1 W,二、电流放大原理,1. 三极管放大的条件,内部 条件,发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电结面积大,外部 条件,发射结正偏 集电结反偏,2. 满足放大条件的三种电路,共发射极,共集电极,共基极,3. 三极管内部载流子的传输过程,1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。,I CN,多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。,IE,少数与空

3、穴复合，形成 IBN 。,I BN,基区空 穴来源,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),I CBO,IB,IBN IB + ICBO,即：,IB = IBN ICBO,2)电子到达基区后,(基区空穴运动因浓度低而忽略),I CN,IE,I BN,I CBO,IB,3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 IC,IC,I C = ICN + ICBO,4. 三极管的电流分配关系,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,IB = I BN ICBO,IC = ICN + ICBO,穿透电流,IE = IC + IB,2.1.2

4、 晶体三极管的特性曲线,一、输入特性,输入 回路,输出 回路,与二极管特性相似,特性基本重合(电流分配关系确定),特性右移(因集电结开始吸引电子),导通电压 UBE(on),硅管： (0.6 0.8) V,锗管： (0.2 0.3) V,取 0.7 V,取 0.2 V,二、输出特性,截止区： IB 0 IC = ICEO 0 条件：两个结反偏,截止区,ICEO,2. 放大区：,放大区,截止区,条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： 水平、等间隔,ICEO,3. 饱和区：,uCE u BE,uCB = uCE u BE 0,条件：两个结正偏,特点：IC IB,临界饱和时： uCE = uBE,深

5、度饱和时：,0.3 V (硅管),UCE(SAT)=,0.1 V (锗管),放大区,截止区,饱 和 区,ICEO,三、温度对特性曲线的影响,1. 温度升高，输入特性曲线向左移。,温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。,温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。,T2 T1,2. 温度升高，输出特性曲线向上移。,温度每升高 1C， (0.5 1)%。,输出特性曲线间距增大。,O,2.1.3 晶体三极管的主要参数,一、电流放大系数,1. 共发射极电流放大系数, 直流电流放大系数, 交流电流放大系数,一般为几十 几百,Q,2. 共基极电流放大系数, 1 一般在 0.98 以上。,Q,二

6、、极间反向饱和电流,CB 极间反向饱和电流 ICBO，,CE 极间反向饱和电流 ICEO。,三、极限参数,1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。,2. PCM 集电极最大允许功率损耗,PC = iC uCE。,U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。,3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。,U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。,U(BR)CBO, U(BR)CEO, U(BR)EBO,2.2.1.放大的概念,2.2概述,一.扩音机示意图,1) 输入量控制输出量,2)把直流能量转换成按输入量变化的交流能量,二.方框

7、图,直流电源,信 号 源,放大 电路,负 载,方框图的示意图,三、放大电路的四端网络表示,us 信号源电压,Rs 信号源内阻,RL 负载电阻,ui 输入电压,uo 输出电压,ii 输入电流,io 输出电流,.2.2 放大电路的主要性能指标,电压增益 Au (dB) = 20lg |Au|,一、 放大倍数,电压放大倍数 Au = uo/ui,电流放大倍数 Ai = io/ ii,电流增益 Ai (dB) = 20lg |Ai|,二、输入电阻,Ri 越大， ui 与 us 越接近,例 us = 20 mV，Rs = 600 ，比较不同 Ri 时的 ii 、ui。,当信号源有内阻时：,三、输出电阻,

8、放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。,计算：,= 0,测量：,uot 负载开路时的输出电压；,uo 带负载时的输出电压，,Ro 越小，uot 和 uo 越接近。,四、 通频带,电抗元件(主要是电容)使放大电路对不同频率输入信号的放大能力不同，反映在：,Au( f ) 幅频特性, ( f ) 相频特性,1. 幅频特性和相频特性,2. 频带宽度(带宽)BW,Aum,fL,fH,下限 频率,上限 频率,中频段,低频段,高频段,BW0.7,BW0.7 = fH fL,(Band Width),放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电 流在幅度上得到了放大，这里主要

9、讲电压放大电路。,2. 3晶体管放大电路的组成及其工作原理,2.3.1 共射基本放大电路的组成,输出不失真,发射结加正向电压,集电结加反向电压,1.发射结加正向电压 2.集电结加反向电压 3.把信号源加到b-e之间 4.在输入信号作用下得到不失真的输出信号 以上四条是判断三极管放大电路能否放大的依据，四条必须同时满足。,2.3.2、 共射基本放大电路的工作原理,1.静态： ui=0.,C1,+,2.动态： ui0，若输入为正弦信号,IBQ,ui,O,t,O,t,O,t,uo,O,t,O,t,ICQ,UCEQ,BQ,O,符号说明,IB+ib,Ic+ic,UCE + uce,UBE + uce,I

10、BQ,ui,O,t,iB,O,t,uCE,O,t,uo,O,t,iC,O,t,ICQ,UCEQ,UBEQ,uBE,O,t,2.3.3、放大电路中各元件的作用,做一变换,RB,VBB,RC,C1,C2,T,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。,输入,输出,参考点,+VCC,Rs,us,+,-,使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。,RB,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,基极电源与基极电阻,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,Rb,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,Rb,+VCC,VBB,

11、RC,C1,C2,T,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。,RB,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,+,+,单电源供电,可以省去,RB,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,RB,单电源供电,+VCC,RC,C1,C2,T,uo,+,-,+,+,思考题 1.什么是静态?什么是动态?两者的关系是什么? 2.如何测量输入电阻和输出电阻?习题 2-1.2-3,1.静态：ui=0.,2.动态：若输入为正弦信号,下面研究的问题,2. 4图解分析法,2.4.2 动态工作情况分析,2.4.1 静态工作情况分析,引

12、言,引言,基本思想,非线性电路经适当近似后可按线性电路对待， 利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。,分析三极管电路的基本思想和方法,放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。,静态分析的任务是根据电路参数和三极管的 特性确定静 态值（直流值）UBE、IB、 IC 和UCE。 可用放大电路的直流通路来分析。,2.4.1 静态工作情况分析,Rb,为什么要 设置静态 工作点？,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区以保证信号不失真。,一、静态工作点的估算,1.直流通路,(1)含义,(2)目的,(3)画法,将交流电压源短路 将电容开路。,直流通路的画法：,静态工作点（ IB、

13、UBE、IC、UCE）,2.估算,（1）估算IB（ UBE 0.7V),Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,（2）估算UCE、IC,IC= IB,例：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4K， Rb=300K ，=37.5。,解：,请注意电路中IB和IC的数量级,UBE 0.7V,R,+VCC,RC,T,IC,UBE,UCE,( IC,UCE ),(IB,UBE),+,+,-,-,二、用图解法确定静态工作点,1.在输入回路中确定 (IB,UBE),根据输入特性曲线及直流负载线方程：,BE = V BRB,输入回路图解,Q,静态工作点,VCC,VCC/RB,UBEQ,IBQ,

14、O,可在输入特性曲线 找出静态工作点,uCE = VCC iC RC,输出回路图解,VCC,VCC/RC,O,Q,UCEQ,ICQ,iB,根据输出特性曲线及直流负载线方程：,2.在输出回路中确定 (IC,UCE),(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,直流负载线,三、电路参数对静态工作点的影响,1. 改变 RB，其他参数不变,R B iB ,Q 趋近截止区；,R B iB ,Q 趋近饱和区。,2. 改变 RC ，其他参数不变,RC Q 趋近饱和区。,2.4.2 用图解法确定动态工作情况,一. 输出空载时的图解法,1.根据ui在输入特性上画

15、出ib和ube,0.7 V,Q,ui,IBQ,2.根据ib在输出特性上画出ic和uce,说明uce和ui反向，同时可以求出电压放大倍数,0.7 V,Q,ui,O t,IBQ,Q,Q,Q,O t,ICQ,UCEQ,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,二. 放大电路的非线性失真问题,1. “Q”过低引起截止失真,NPN 管： 顶部失真为截止失真。,PNP 管： 底部失真为截止失真。,不发生截止失真的条件：IBQ Ibm 。,2.“Q”过高引起饱和失真,ICS,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。,不发生饱和失真的条件： IBQ +

16、I bm IBS,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,三.接上负载为RL时的图解法,RL,输出端接入负载RL，不影响Q ，影响动态！,(2) 目的,(3) 画法,(1) 含义,1.交流通路,对交流信号(输入信号ui),1/C0,将直流电压源短路，将电容短路。,方法和步骤,交流通路,2. 交流负载线,(1) 方程,其中：,iC,UCE,VCC,IB,交流负载线,直流负载线,Q,ICQ,UCEQ,ICQRL,交流量ic和uce有如下关系：,这就是说，交流负载线的斜率为：,(2).交流负载线的作法： 斜 率为-1/RL 。（ RL= RLRc ）,经过Q点。,IB,交流负载线,直流负载线,斜 率

17、为-1/RL 。 （ RL= RLRc ）,经过Q点。,u,iu/RL,直流负载线是用来确定工作点的； 交流负载线是用来画出波形，分析波形失真。,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，交流负载线与直流负载线重合。,3.选择工作点的原则：,当 ui 较小时，为减少功耗和噪声，“Q” 可设得低一些；,为获得最大输出，“Q” 可设在交流负载线中点。,为提高电压放大倍数，“Q”可以设得高一些；,4.最大输出电压幅度,放大电路在电路参数确定的条件下，输出端不发生饱和失真,和截止失真的最大输出信号电压的幅值称为最大不失真输出,电压幅值(Uom)M,放大器最大不失真

18、输出电压的峰值(Uom)M为UF、UR所确定 的数值中较小的一个，,(1) 受截止失真限制最大不失真输出电压UF的幅度,(2) 受饱和失真限制最大不失真输出电压UR的幅度,(Uom)M = minUR,UF,例 :硅管，ui = 10 sin t (mV)，RB = 176 k， RC = 1 k， RL = 1 k, VCC = VBB = 6 V，图解分析各电压、电流值和最大输出电压幅度。,解,令 ui = 0，求静态电流 IBQ,当 ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ uCE = UCEQ,当 ui = Uim sin t ib = Ibmsin t

19、ic = Icmsin t uce = Ucem sin t uo = uce,iB = IBQ + Ibmsin t iC = ICQ + Icmsin t uCE = UCEQ Ucem sin t = UCEQ +Ucem sin (180 t),优点:可以直观全面地了解放大电路的工作情况，通过选择电路参数在特性曲线上合理地设置静态工作点，分析最大不失真输出电压、失真情况并估算动态工作范围。 缺点:在特性曲线上作图比较繁琐，误差大，信号频率较高时，特性曲线不再适用。因此图解法只适合分析输出幅值比较大且工作频率较低的情况。在分析其他动态指标，如输入电阻、输出电阻等时比较困难。下一节将要讨论

20、更为简便有效的分析方法，微变等效电路分析法。,图解法的优缺点,2. 5微变等效电路 分析法,2.5.3 H参数小信号模型,2.5.2 H参数的引出,2.5.1引 言,一 建立小信号模型的意义,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，就是在一定的条件下（工作点附近）将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。,2.5.1 引 言,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

21、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。,二 建立小信号模型的思路,2.5.2 H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,uBE=f(iB，uCE),iC=g(iB ，uCE),一.求变化量之间的关系,输出端交流短路时的输入电阻；,2.H参数的含义和求法,能构成电路图吗,输入端电流恒定（交流开路）的反向电 压传输比,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端电流恒定（交流开路）时的输出电导。,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,2.5.3 H参数小信号模型,根据,可得小信号模型

22、,H参数都是小信号参数，即微变 参数或交流参数。 H参数与工作点有关，在放大 区基本不变。,1. 模型的简化,即 rbe= h11e = h21e uT = h12e rce= 1/h22e,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为, uT很小，一般为10-310-4 ， rce很大，约为100k。故 一般可忽略它们的影响， 得到简化电路, 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。,2. 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,rbe= rb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 rb

23、(100300）,则,一.等效电路的画法,共 射 极 放 大 电 路,2.5.4. 放大电路的微变等效电路分析法,画微变等效电路,二.动态指标的计算,1.电压放大倍数的计算,负载电阻越小，放大倍数越小。,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,2. 输入电阻的计算：,根据输入电阻的定义：,所以：,用加压求流法求输出电阻：,3.输出电阻的计算：,根据定义,三. 晶体管放大电路动态分析步骤, 分析直流电路，求出“Q”，计算 rbe。, 画电路的交流通路 。, 在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。,分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。, 分析计算电压

24、放大倍数,输入,输出电阻及各极交流量。,求：1. 静态工作点。,例,2.电压增益AU、 输入电阻Ri、 输出电阻R0 。,3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截止还是饱和失,真？应调节哪个元件？如何调节？,解：1 .,2. 思路：微变等效电路,AU、Ri 、R0,3.判断非线性失真,(1)是截止还是饱和失真？,（2）应调节哪个元件？如何调节？,例 = 100，uS = 10sin t (mV)，求叠加在 “Q” 点上的各交流量。,12 V,12 V,510,470 k,2.7 k,3.6 k,解,令 ui = 0，求静态电流 IBQ, 求“Q”，计算 rbe,ICQ = IBQ = 2.

25、4 mA,UCEQ = 12 2.4 2.7 = 5.5 (V),uce, 交流通路,ube, 小信号等效电路, 分析各极交流量, 分析各极总电量,uBE = (0.7 + 0.0072sint )V,iB = (24 + 5.5sint) A,iC = ( 2.4 + 0.55sint ) mA,uCE = ( 5.5 0.85sint ) V,图解法、微变等效电路法比较,(1) 图解法，精度低，繁琐，适合大信号的场合。其要点是：首先确定静态工作点Q，然后根据电路的特点，做出直流负载线，进而画出交流负载线，最后，画出各极电流电压的波形。求出最大不失真输出电压。,(2) 微变等效电路法。 首先

26、用直流通路分析静态工作点Q。 画出交流通路，用晶体管的微变模型代替交流通路中的晶体管，得到放大电路的微变等效电路。 通过微变等效电路求解动态性能指标：放大倍数、输入电阻和输出电阻。,习题：,2.6.1 问题的提出,单管共射放大电路存在的问题,一 实验中出现的现象,2.6 射极偏置放大电路,当环境温度,二 静态工作点的位置发生变化的原因,1 温度对晶体管参数的影响,TICBO,温度每升高10oC, ICBO一倍,TUBE,温度每升高1oC, UBE2.5mv,T,温度每升高1oC,/ 0.51%,2 温度对静态工作点的影响,ICQ=IBQ+(1+) ICBO,IBQ=（Vcc- UBE）/ RB

27、 TICQQ饱和失真,3 工作点上移时输出波形分析,“Q”过高引起饱和失真,ICS,NPN 管： 底部失真为饱和失真。,不接负载时，交、直流负载线重合,静态是基础，动态是目的,2.6.2 电路组成及稳定静态 工作点的原理,特点：RB1上偏流电阻、RB2下偏流电阻、 RE发射极电阻 共发射极电路,电路组成,+ UBEQ ,IBQ,I1,IEQ,二 稳定静态工作点的原理,1.直流通路,ICQ,直流通路的画法,若电路调整适当，可以使ICQ基本不变。,2.稳定过程（原理）,TICQICQREUB固定UBEIBQICQ,3.稳定的条件 UB固定 UB=VCCRB2 / (RB1+RB2),（1）I1 I

28、B 硅管I1=（5-10）IBQ 锗管I1=（10-20）IBQ （2）UB UBE 硅管UB=（3-5）V 锗管UB=（1-3）V,2.6.3 静态分析 求Q点（IBQ、ICQ 、UCEQ） 求法：画出直流通路求解 方法有二： 一 估算法,说明Q是否合适,二 利用戴维南定理（同学自己做）,2.6.4 动态分析 求AU、Ri、RO 一 画出放大电路的微变等效电路 1.画出交流通路,2.画出放大电路的微变等效电路,二 计算动态性能指标,1.计算Au,“-”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,Ri，同时说明公式的记法和折合的概念。,uo在RE两端的电压可以忽略

29、不计，因此RoRc 。,3. 计算输出电阻Ro Ro=uo/io Us=0 RL=,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。,2.5.5 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”,解,2)求 Au，Ri，Ro ， Aus,Ro = RC = 3 k,分析了固定偏置放大电路产生失真的原因。 分析了射极偏置放大电路稳定静态工作点 的原理。 重点分析计算了分压式偏置放大电路的性 能指

30、标。 深入讨论了射极电阻对静态和动态的影响， 为今后学习反馈建立基础概念。,2. 7共集电极放大 电路,2.7.1 电路组成及特点 (射极输出器、射极跟随器),IBQ = (VCC UBEQ) / RB +(1+ ) RE,ICQ = I BQ,UCEQ = VCC ICQ RE,2.7.2 静态分析,交流通路,小信号等效电路,RL = RE / RL,2.7.3 动态分析,1.电压放大倍数：, 1,2.输入电阻：,3.输出电阻：,us = 0,+ u ,i,iRE,RS = Rs / RB,i = 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

31、输出级 中间隔离级,4.例 =120，RB = 300 k，rbb= 200 ， UBEQ = 0.7 V, RE = RL = Rs = 1 k，VCC = 12V。 求：“Q ”，Au，Ri，Ro。,解,1)求 “Q”,IBQ = (VCC UBE) / RB + (1+ ) RE = (12 0.7) / 300 +121 1 27 (A),IEQ I BQ = 3.2 (mA),UCEQ = VCC ICQ RE = 12 3.2 1 = 8.8 (V),2)求 Au，Ri，Ro,Rbe = 200 + 26 / 0.027 1.18 (k),Ri = 300/(1.18 121) =

32、 51.2 (k),RL= 1 / 1 = 0.4 (k),5. 自举电路,(2)电路组成及特点,(3)输入电阻的计算,（1）问题的提出：提高 Ri 的电路,无 C3、RB3：,Ri = (RB1 / RB2) / rbe + (1 + ) RE,Ri = 50 / 510 = 45 (k),Ri = (RB3 + RB1 / RB2) / rbe + (1+ )RE,Ri = (100 + 50) / 510 = 115 (k),无 C3 有 RB3 ：,接 C3 ：,RB3 / rbe rbe,Ri = rbe+ (1 + ) (RB/ RE) = (1 + ) (RB / RE ),Ri

33、 = 51 50 / 10 = 425 (k),10 k,2. 8共基极放大 电路,2.8 .1 电路组成及特点,2.8.2、静态分析,2.8.3、动态性能指标分析,Ri,Ri,Ro,Ro = RC,特点：,1. Au 大小与共射电路相同。,2. 输入电阻小，输出电阻大。 3.输入与输出同相,放大倍数高。 4.有较好的高频特性。,2. 9组合单元放大电路,2.9.2 共集-共射和共射-共集组合放大电路,2.9.1 复合管,2. 9.3 共射-共基组合放大电路,实际应用的放大电路，除了要有较高的放大倍数之外，往往还要对输入、输出电阻及其它性能提出要求。在放大电路中常用两个晶体管以不同的组态相互配合、联合使用，以发挥各自的优势。这样就形成了组合单