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2020/8/12,1,第六章 半导体三极管及放大电路基础,2020/8/12,2,6.1 双极型晶体管（BJT）,概念：由三个杂质半导体区（发射区，基区，集电区） 及两个PN结（发射结和集电结）构成的，有两 种载流子（自由电子和空穴）在其内部作扩散、 复合、漂移等复杂运动的PNP或NPN晶体管。,B,E,C,IB,IE,IC,NPN型三极管,B,E,C,IB,IE,IC,PNP型三极管,6.1.1 BJT的基本结构,符号与电流的实际流向,T,V,Bipolar Junction Transistor (BJT),2020/8/12,3,双极型晶体管的基本结构：,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,NPN+ PNP+,2020/8/12,4,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,三个杂质半导体区：为了保证具有电流放大,2020/8/12,5,发射结,集电结,两个PN结：,管芯结构剖面图,2020/8/12,6,BJT 的实物图片：,小功率型 中功率型 大功率型,2020/8/12,7,6.1.2 BJT工作原理电流放大（控制）作用,BJT和晶体二极管一样都是非线性器件，但是它们的主要特性却是截然不同的。晶体二极管主要特性是单向导电性，而BJT的主要特性（放大作用和开关作用）则与其工作模式（由外部条件所加电压极性）有关。 当BJT工作在BE结正偏、集电结反偏的模式时，它呈现的主要特性是正向控制作用。这种作用是指BJT的集电极电流和发射极电流只受正偏的发射极电压（基极电流）的控制，而几乎不受反偏集电结电压的控制。即这种作用是实现放大器的基础，所以这种模式也称为放大模式。 当然，除放大模式外，还有饱和模式和截止模式，这两种模式呈现开关特性，是实现开关电路的基础。 本章主要讨论BJT的放大模式。,2020/8/12,8,6.1.2.1 BJT内部载流子的传输过程,1.多子通过EB结（发射结）注入,2.载流子在基区内扩散与复合,3.集电结对载流子收集,BJT结构特点： 基区厚度很小； 发射区掺杂浓度很高； 集电区面积很大。,BJT共有三种接法。 以共射极接法NPN型为例：,（减少寄生电流）,2020/8/12,9,实现电路之一 基本共射放大电路,2020/8/12,10,晶体管内部载流子运动与外部电流,2020/8/12,11,BJT 电流放大原理：,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,基区空穴向发射区的扩散，边扩散边复合，最后全部被复合，含在IBE 中。,2020/8/12,12,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,BJT 电流放大原理（续）：,2020/8/12,13,IB=IBE - ICBOIBE,BJT 电流放大原理（续）：,IE=IBE + ICE ICE,2020/8/12,14,内部载流子传输过程,在忽略支流的情况下： IE =IC+IB,2020/8/12,15,非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例),发射区向基区的注入 (多子，扩散运动为主) 基区的复合和继续扩散 集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）,2020/8/12,16,共射（共E）BJT工作原理综述,以发射极（E极）作为公共端，EB结正偏，CB结反偏。,是共射BJT的交流电流增益,1、电流分配关系： IE = IB + IC,2、： IC 与IB 近似成比例。,是共射BJT的直流电流增益,并且,穿透电流（微安级）,经过推导可得：,2020/8/12,17,重要结论：两种载流子参与导电（双极型的来源）,集电极电流 Ic 远大于 基极电流 IB 基极电流 IB的微小变化，可引起集电极电流 Ic 的较大变化，这就是基极电流对集电极电 流的控制作用（本质特性、固有特性）。 但是，要实现电压放大作用，还需要外电路的 配合（如接入集电极电阻Rc 将电流的变化转 换为电压的变化）。具体后面讲述。,2020/8/12,18,如：实际的电压放大电路,2020/8/12,19,重要结论（续）： 实现BJT电流放大作用（电流控制作用）的条件： 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。 （注意：NPN与PNP的区别）对于NPN型来说： 应为Uc Ub Ue 内部条件：发射极重掺杂，基区薄，集电区面积大。 （减少寄生电流） 发射区掺杂浓度集电区浓度基区浓度 NPN+ PNP+,2020/8/12,20,6.1.3 共射BJT的伏安特性曲线(输入与输出),2020/8/12,21,IC,mA,V,VCE,VBE,RB,IB,EC,EB,测试共射BJT特性曲线的电路：,RC,RW,2020/8/12,22,6.1.3.1 共射BJT的输入特性曲线,三极管是非线性元件,2020/8/12,23,晶体管的输入特性曲线,相当于两个PN结并联,2020/8/12,24,输入特性:,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,2020/8/12,25,在UBE一定时，当UCE 集电结逐渐由正偏到反偏 集电结收集基区非平衡少子（电子） 的能力增强基区非平衡少子 复 合机会减少（基区宽度减小），导致iB 当UCE 曲线进一步右移，但很有限。 因为当UCE=1V时，集电结反偏，从而， 使其收集电子的能力已经足够强。 这种UCE引起基区实际宽度变化而导致电流变化的效应，称为基区宽度调制效应。,以NPN型的BJT为例,2020/8/12,26,6.1.3.2 共射BJT的输出特性曲线,四个区,2020/8/12,27,晶体管的输出特性曲线,重点三个区,如何获得该曲线？,2020/8/12,28,此区域中 : IB=0, IC=ICBO,UBE 死区电压，称为截止区。,1. 截止区（相当于ce 间开关断开）,iE=0iB= 0,集电结反偏发射结反偏,2020/8/12,29,2. 击穿区（故障）,uCE U(BR)后，iC 开始剧增的区域，iE=0对应的U(BR)为U(BR)CBO；iB=0对应的U(BR)为U(BR)CEO；U(BR)CBOU(BR)CEO。输出特性上的击穿都是集电结雪崩击穿（因为集电极是轻掺杂的）。,反向击穿电压与IB成反比 ?,2020/8/12,30,3. 饱和区（相当于ce 间开关接通）,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。发射有余，收集不足。,UCE0,集电结正偏发射结正偏,UCE(sat)称为饱和压降硅管：0.2V 0.5V锗管：0.1V 0.3V,UCE出现负值，进入倒置工作，不能放大。,2020/8/12,31,UCE,IC,0,放大区,反向工作区,示意图,2020/8/12,32,IC(mA ),此区域满足ICIB称为线性区（放大区）。,4. 放大区,当UCE大于一定的数值时，IC主要与IB有关，ICIB。,iB0 UCEUBE0 UBC0,发射结合适正偏集电结反偏,恒流特性 （电流源）,曲线略有上翘，是由于基区调制效应。,一组平行线,2020/8/12,33,共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const,2020/8/12,34,共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,2020/8/12,35,共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,共基极交流电流放大系数 =IC/IE UCB=const,当ICBO和ICEO很小时， 可以不加区分。,2020/8/12,36,温度对晶体管输出特性的影响,T 升高，则：输入特性左移，输出特性上移。Iceo，增大。,ic ic,2020/8/12,37,共射BJT工作在正向作用区的大信号特性方程,EbersMoll模型：（主要用于EDA计算）,埃伯尔斯莫尔模型,埃伯尔斯莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。,式中： F表示共基极正向电流传输系数； R表示共基极反向电流传输系数；,2020/8/12,38,基区宽度调制效应（厄尔利效应）：,vCE 变化引起集电结反偏电压变化，导致集电结宽度变化，引起基区有效宽度变化，导致基区的复合电流变化，引起集电极电流变化。,2020/8/12,39,考虑基区宽度调制效应后的集电极电流方程：,式中：VA 表示厄尔利电压，典型值为：100V,2020/8/12,40,6.1.4 BJT的主要特性参数,6.1.4.1 性能参数电流增益,性能参数极间反向电流,式中：ICEO 表示基极开路，集电极发射极反向饱和电流； ICBO 表示发射极开路，集电极基极反向饱和电流。,严格说来（）不是一个与Ic 无关的恒定值。,穿透电流,2020/8/12,41,0,UCE,IC,0,IC,与IC关系示意图,2020/8/12,42,集-基极反向饱和电流 ICBO：,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度影响很大。,发射极开路,集电结反偏,2020/8/12,43,B,E,C,N,N,P,ICEO= IBE+ICBO,ICBO进入N区，形成IBE=ICBO。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,集-射极穿透电流 ICEO：,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,ICEO= ICBO+ICBO,ICEO= (1 )ICBO,2020/8/12,44,6.1.4.2 极限参数,2020/8/12,45,1. 集电极最大允许电流 ICM,值下降到额定值的 2/3 时所允许的最大集电极电流值。,2. 集电极最大允许功耗 PCM,集电结允许的最大耗散功率。,3. 反向击穿电压 U(BR),U(BR)CBO: 发射极开路，集电极基极反向击穿电压；U(BR)CEO: 基极开路，集电极发射极反向击穿电压。 U(BR)CBOU(BR)CEO。,4 共射截止频率f频率参数 fT,00.707对应的频率为f BJT的特征频率fT，值下降至 1 时的工作频率。 fT 0 f 增益带宽积,2020/8/12,46,集电极最大允许功耗 PCM,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =ICVCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICVCE=PCM,安全工作区,2020/8/12,47,放大电路的两种工作状态： 静态和动态,1静态 在没有加输入信号（ui=0）时，放大电路中各处的电压、电流都是直流量，称为直流工作状态或静止状态，简称为静态。 静态时，三极管各电极的直流电流及极间的直流电压分别用IB、IC、IE、UBE、UCE表示。其中电流IB、IC和VCE的值可用三极管特性曲线上的一个确定的点表示，故IB、IC和UCE的值习惯上也称它们为静态工作点，用Q表示。通常用变量下标加Q来表示静态工作电。静态工作点必须采用放大电路的直流通路来分析、计算。,2020/8/12,48,输入特性上的静态工作点Q,IB(A),VBE(V),20,40,60,80,0.4,0.8,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：硅管VBE0.60.7V,锗管VBE0.20.3V。,Q,2020/8/12,49,晶体管的输出特性曲线上的Q点,Q,2020/8/12,50,=0,非线性部分,线性部分,两者应该同时满足,线性部分,输入回路直流负载线,输出回路 直流负载线,2020/8/12,51,2020/8/12,52,2动态 输入端加上输入信号（ui0）后，电路中既有直流电量，也有交流电量，各电极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。 一般用放大电路的交流通路（交流电流流通的途径）来研究交流量及放大电路的动态性能。,2020/8/12,53,共射BJT的小信号等效模型及等效参数,可以把工作在小信号条件下的BJT等效为线性四端网络,小信号等效模型是在小信号条件下，描述BJT极间交流（动态）电压与电流关系的线性电路。,2020/8/12,54,什么是小信号,根据级数展开理论，当输入信号Vsm10mV时，使用线性等效模型分析所产生的误差不超过10。对于BJT，只要基射间信号电压幅度Vbem10mV，就可以应用小信号等效分析法。,iB,vBE,IB,VBE,Q,左图中用蓝色直线代替黑色曲线，（蓝色线是通过Q点的黑色线的切线）蓝色线越长，离开黑色线就越远，误差越大，因此信号幅度越大，线性化带来的误差越大， 反之越小。,2020/8/12,55,h(hybrid)参数等效模型,BJT低频交流小信号模型,ic,共发射极电路,2020/8/12,56,2020/8/12,57,在小信号时，将无限小的信号增量用有限的增量来代替得到：,第一个下标：i:输入；r:反向; f:正向 ; o: 输出 ；第二个下标：e:共射,2020/8/12,58,简化的H参数等效模型 1、根据以前所述：BJT工作在放大区时，ce间电压对输入特性曲线的影响很小，即管子的内反馈可以忽略不计。可以用uCEUBE 的任意一条特性曲线来代替uCEUBE 故：h12=hre0 这样，BJT的输入回路只等效为一个动态电阻（交流电阻） h11=hie=rbe 2、 BJT工作在放大区时， ce间电压的变化对ic 的影响很小。ce间动态电阻无穷大，故h22=hoe 0 ，从而，BJT输出回路等效为一个ib 控制的电流源 (hfe ib= ib) 这里，均可用相量表示。,2020/8/12,59,h参数的物理意义及求解方法,求解h11=hie =rbe,求解h21=hfe =,求解h12=hre0,求解h22=hoe 0,2020/8/12,60,简化的h参数等效模型 （重点）,rbe 300 +(1+ ) 26(mv) / IE(mA),h11=hie=rbe,电流控制电流源 CCCS,P161,2020/8/12,61, 混合型等效电路及等效参数（不要求）,小信号等效模型是在小信号条件下，描述BJT极间交流（动态）电压与电流关系的线性电路。,1. Vbe 对ib 的控制作用,式中：gm是正向传输跨导，r是输出交流短路下的输入电阻,2020/8/12,62,2. vbe对ic的控制作用,ic=gmvbe,gm=/re,re=VT/IE,式中：re表示发射结正偏电流为IE时 呈现的动态电阻。,3. vce对ic和ib的控制作用,rce=1/gce,rce表示交流短路下的输出电阻,2020/8/12,63,共射BJT的基本小信号等效电路：,2020/8/12,64,共射BJT的小信号混合型等效电路,C和C 是PN结电容，rbb是基区体电阻。本等效电路对工作在放大区的NPN和PNP管均适用。,2020/8/12,65, 共射BJT的频率参数f和fT,f是共射BJT的截止频率。,fT是共射BJT的特征频率。,fT0f,0是共射BJT的低频电流增益。,下降至低频时的 0.707 倍,下降至 1,2020/8/12,66,的幅频特性：,在ff的频率范围内 fT|.f,fT是共射BJT应用的增益带宽积。混合型模型在大约 1/3fT内适用。,2020/8/12,67,例1： =50，USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC0,IC 最大饱和电流：,Q位于截止区,举例：,2020/8/12,68,例1： =50，USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,USB =2V时：,2020/8/12,69,例1： =50，USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,USB =5V时：,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,2020/8/12,70,举例：已知三极管（某等效电路中）电流如下图： I1=-1.2mA ，I2=-0.03mA ，I3=1.23mA 确定是NPN还是PNP，计算,I1,I2,I3,解答：见 P215 根据实际方向（红线）,NPN,PNP,2020/8/12,71,2020/8/12,72,举例： 已知三极管（在某放大电路中），看不出型号，但用数字万用表测试得到：Ux=-9V，UY=-6V，UZ=-6.2V，试判断BJT的类型和X、Y、Z各是什么极。,2020/8/12,73,解：由题意可知：BJT是工作于放大状态。 所以：发射结是正偏，集电结反偏。 同时已知：Si 管的BE结导通压降为0.7V Ge管的BE结导通压降为0.2V,若是NPN,若是PNP,UcUBUE,UcUBUE,2020/8/12,74,NPN,PNP,UcUBUE,UcUBUE,N,N,P,P,P,N,要判断是PNP还是NPN，除了上式外，还需要满足BE导通压降为0.7V或0.2V 。由已知： 若为NPN型： UY UZUx 但UZX0.7V或0.2V,2020/8/12,75,若为PNP型： Ux 0 （反偏） 所以结论正确。,PNP,P,P,N,（-9V）,（-6V）,（-6.2V）,2020/8/12,76,电路如图所示，晶体管导通时UBE0.7V，=50。试分析VBB为0V、1V、3三种情况下T的工作状态及输出电压 uO的值。,举例：,VBB,2020/8/12,77,解：（1） 当VBB0时，T截止，uO12V。,（2）当VBB1V时，因为,2020/8/12,78,所以：T 是处于放大状态。,（3）当VBB3V时，因为,这时，CB结正偏，所以，T处于饱和状态。,这时Ic就是饱和时的值。,2020/8/12,79,分别判断下图所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。,举例：,解：（a）可能 （b）可能 （c）不能 （d）不能，T的发射结会因电流过大而损坏。 （e）可能,2020/8/12,80,PNP,NPN,PNP,NPN,PNP,2020/8/12,81,如图所示电路中设三极管导通时 UBE=0.7V，试估算： 1、当开关位于a、b、c时，BJT的工作状态。 2、相应的集电极电流IC和管压降UCE各为多少？,补充,2020/8/12,82,解答： 1、,2020/8/12,83,2020/8/12,84,2、,2020/8/12,85,作业：P188,3 4,实验三、四,2020/8/12,86,实验三 微分与积分电路,微分,输入电压为矩形脉冲，其幅度为U，脉冲宽度为tp，在电阻R两端输出的电压为在电路参数满足 tp的条件下，电阻两端的输出电压为正负交变的尖脉冲。,2020/8/12,87,输入电压为矩形脉冲，其幅度为U，脉冲宽度为tp，在电阻R两端输出的电压为在电路参数满足 tp的条件下，电阻两端的输出电压近似为输入信号,可作为阻容耦合电路。,2020/8/12,88,积分,在电路参数满足 tp的条件下，电容两端的输出电压为三角波(锯齿波)。此电路称为积分电路。积分电路能够将矩形脉冲输入信号变换成三角波输出信号。,2020/8/12,89,输入电压为矩形脉冲，其幅度为U，脉冲宽度为tp，在电容R两端输出的电压为在电路参数满足 tp的条件下，电容两端的输出电压近似为输入信号。,2020/8/12,90,示波器 - 电子工程师的眼睛,示波器的首要条件 准确地显示波形 保证信号完整性测量,2020/8/12,91,什么是示波器,示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类 示波器的用途： 电压表，电流表，功率计 频率计，相位计 脉冲特性，阻尼振荡 示波器的应用： 电子，电力，电工 压力，振动，声，光，热，磁,2020/8/12,92,波的类型,大多数波都属于如下类型： 正弦波 方波和矩形波 三角波和锯齿波 阶跃波和脉冲波 噪声波 、复杂波 很多波是上述波形的组合 周期信号和非周期信号 同步信号和异步信号,2020/8/12,93,示波器的类型,模拟示波器 模拟数字混合示波器 数字示波器 数字荧光示波器 取样示波器,2020/8/12,94,示波器的典型结构,ART 模拟示波器,DSO 数字示波器,DPO 数字荧光示波器,放大器,水平 放大器,垂直 放大器,延迟线,触发,放大器,多路 分解器,采集信号 存储器,uP,显示 存储器,A/D,放大器,数字 荧光器,A/D,uP,模拟实时 显示,串行 处理,并行 处理,触发电路和时基,触发和时基电路,2020/8/12,95,示波器的组成,水平系统 垂直系统 扫描系统 触发系统 显示系统,2020/8/12,96,2020/8/12,97,示波器的触发,触发电路的作用就是保证每次时基在屏幕上扫描的时候，都从输入信号上与定义的触发点相同的点开始，这样每一次扫描的波形就同步的，从而显示稳定的波形，见图b；没有触发电路在屏幕上看到的将会是具有随机起点的很多波形杂乱重叠的图象，见图a 。 触发是使用示波器最麻烦的一点，示波器提供了许多触发方式，可根据测量问题加以应用。 作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。,不正常触发,正常触发,a,b,2020/8/12,98,触发扫描：又称等待扫描，指扫描电压是在触发器来的触发脉冲作用下产生的。当无信号输入时，屏幕上无光迹显示；有信号输入，且触发电平旋钮在合适的位置时，信号被触发扫描。适于研究脉冲过程。自动扫描：又称连续扫描，指扫描电压是由扫描发生器自动产生的。当无信号输入时，屏幕上显示扫描基线，一旦有信号输入，则自动转换为触发扫描状态。调节触发电平可使波形稳定。适于研究连续信号的波形。,2020/8/12,99,扫描：要观察加在Y偏转板上的电压Vy 随时间的变化规律，必须在x偏转板上加上锯齿波电压，把Vy 产生的竖直亮线在时间轴向展开，这个展开过程称为扫描。其作用就是将Y轴的信号展开，以便观察。同步：强制扫描电压与信号周期成整数倍的关系的过程称为同步。其作用是使波形稳定。,扫描与同步,2020/8/12,100,波形显示原理图,2020/8/12,101,示波器的刻度,水平刻度,垂直刻度,触发电平,刻度格线,2020/8/12,102,显示不稳定时:,触发电平超过信号的峰值,调整触发电平按钮(LEVEL)。 没有触发源,可能是没有选用INT内部出发方式。 触发信号为被测量信号本身,但信号幅度太小时,可以调整衰减比。,2020/8/12,103,示波器使用注意事项,1.通用示波器通过调节亮度和聚焦旋钮使光点直径最小以使波形清晰，减小测试误差。 2.不要使光点停留在一点不动，否则电子束轰击一点宜在荧光屏上形成暗斑，损坏荧光屏。 3.示波器显示波形一般应调到两到三个周期，波形读数为峰峰值（Vp-p）,若显示正弦信号，其有效值为Vp-p/2.828 。,2020/8/12,104,4.为保证波形稳定显示，应注意调节电平旋钮（level）。 5.读取电压幅值时，应检查V/div开关上的微调旋钮是否顺时针选到底（校准位置），否则读数是错误的。 6.应检查探头是否是10：1衰减探头（一般放在1位置），若放在10位置，读数应10。,2020/8/12,105,7.示波器的X-Y显示方式：（1)被测信号送至Y2通道（通道二）；（2)标准信号送至Y1通道（通道一）；（3)按下X-Y显示方式按键或将t/div旋钮逆时针旋转到底；（4)调整标准信号的幅度出现被测电路的电压传输特性（若采用李沙育图形测频率，应调整标准信号的频率直至显示椭圆，则读取标准信号的频率即为被测信号的频率）。,2020/8/12,106,6.2 放大电路基础 介绍主要的基本放大单元的工作原理、基本概念、主要特性和基本分析方法。 放大电路中的核心器件通常是晶体三极管(BJT)、场效应管(FET)、集成运算放大器(IOP)等，这些器件也称为有源器件。 放大是电子线路中最基本的信号处理. 从电子技术的观点看，所谓“放大”就是用一个能量较小的信号（微小的变化量）控制另一个能源，从而使负载上得到一个能量较大的信号（较大的变化量），即小能量控制大能量，放大对象是变化量, 放大的实质是能量控制作用。,2020/8/12,107,说到放大你最关心什么,?,Av,尽可能不失真,ri,ro,2020/8/12,108,6.2.1放大的概念(总论)及性能指标 在生产和科学实践中，经常会要求用微弱的信号去驱动较大功率的负载，这时就需要利用放大电路。比如在扩音机中放大电路的作用，就是将由话筒产生的微弱信号功率放大到足以推动扬声器发出声音的程度。,扩音机示意图,2020/8/12,109,放大电路示意图,2020/8/12,110,对信号源来说，放大电路就是其负载，可以用一个电阻表示，称为输入电阻Ri。对负载RL来说，放大电路就是其信号源，可以用一个含内阻的电压源表示，其内阻称为输出电阻Ro。负载RL上的输出电压Uo 和放大电路输入电压Ui 之比，称为电压放大倍数，是衡量放大电路放大性能的主要指标。 单个放大电路的放大倍数有限，因此往往需要两个以上放大电路串联起来使用。在多级放大电路中，第一级电路的输入电阻即为整个电路的输入电阻，后级电路的输入电阻即为前级电路的负载，最后一级电路的输出电阻即为整个电路的输入电阻。,2020/8/12,111,放大倍数增益（反映对变化量的放大）,电压放大倍数,电流放大倍数,功率放大倍数,当变化量为正弦小信号时，变化量取相量，当输入与输出没有相移时（低频小信号工作时），可以用有效值之比来表示。可以不必用相量来表示。,2020/8/12,112,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,定义：,即：ri越大，Ii 就越小，ui就越接近uS,输入电阻ri（交流电阻）,2020/8/12,113,注意信号源内阻对放大倍数的影响,输入为电压信号的放大电路，ri 越大，输入端的 越大。,2020/8/12,114,当输入信号不变，负载改变时，输出电压改变量uo与输出电流改变量io之比,对于低频交流信号，输出阻抗是纯电阻性,输出阻抗,输出电阻r0（交流电阻）,2020/8/12,115,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,ro越小，放大电路的负载能力越强。,2020/8/12,116,输出电阻的大小决定了放大电路带负载能力的大小。,2020/8/12,117,如何确定电路的输出电阻ro ？,步骤：,1. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。,2. 加压求流法。,方法一：计算。,2020/8/12,118,方法二：测量。,1. 测量开路电压。,2. 测量接入负载后的输出电压。,步骤：,3. 计算。,2020/8/12,119,放大电路模型,电压放大,电压放大电路模型,R0 应尽量RL，以减小信号的衰减。,R0 = 0,Ri = ,当RiRS时，才能减小信号的衰减。,电压放大 适用于信号源内阻RS较小，负载电阻RL较大的场合。,2020/8/12,120,放大电路的主要性能指标,增益,例1：,放大电路的增益为100倍，应为多少dB？,解：,放大电路的增益为-20dB，应为多少倍？,例2：,解：,2020/8/12,121,放大电路的主要性能指标,频率响应及带宽,幅频响应,相频响应,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,2020/8/12,122,通频带：,fbw = fH fL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,通频带越宽，放大器对信号的频率变化适应能力越强。,2020/8/12,123,信噪比与噪声系数,信噪比：,有用信号功率,噪声信号功率,噪声系数：,信噪比越大越好,NF越小，说明放大器对微弱信号的实际放大能力越强。,2020/8/12,124,6.2.2 基本共射放大电路,基本交流放大电路,信号输入,信号输出,信号“放大”,能量供给,耦合,耦合,2020/8/12,125,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,2020/8/12,126,一、共射放大电路的基本组成：,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。(放大模式下),输入,输出,RB,+EC,EB,RC,C1,C2,T,+,+,2020/8/12,127,一个晶体三极管可以看作为一个双口有源网络，由于晶体三极管只有三个极端，因此其中必须有一个极端作输入和输出的公共端。如果以其中发射极e作为输入和输出的公共端，基极b作为输入，集电极c 作为输出，则该放大电路称为共射放大电路。相应地以基极b作为输入和输出公共端，发射极e作为输入，集电极c 作为输出的称为共基放大电路。以集电极c 作为输入和输出公共端，基极b作为输入，发射极e作为输出的称为共集放大电路。这称为晶体三极管放大电路的三种基本放大组态。,ube,uce,ib,NPN,ic,共射极组态,2020/8/12,128,作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,共射放大电路的基本组成：,+,+,2020/8/12,129,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,共射放大电路的基本组成：,+,+,2020/8/12,130,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。以使电路具有电压放大。,共射放大电路的基本组成：,+,+,2020/8/12,131,耦合电容：电解电容，有极性。数值一般为1F100F,作用：隔离输入输出与电路的直流联系，同时能使交流信号顺利输入输出。,+,+,2020/8/12,132,可以省去,电路改进：采用单电源供电,2020/8/12,133,单电源供电电路：,EB和EC合并成一个电源,固定偏置电路,30F,30F,800K,2K,2020/8/12,134,通过以上的分析，可以概括出组成放大电路的原则为以下几点： 1、要有直流通路，且必须保证合适的直流偏置（静态工作点）。对BJT而言是发射结（BE结）正偏，集电结（CB结）反偏，使晶体管工作在放大区；对与FET而言应使FET工作在恒流区（电压控制），以实现放大。 2、要有交流通路。即待放大信号能有效地加到有源器件的输入端，放大后的信号能从电路顺利取出。信号能送得进来，传得出去。 3、晶体管正向使用，即只能将BJT的B和E作为放大的电路的输入，否则无放大能力。,2020/8/12,135,实现放大的条件,1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,2020/8/12,136,如何判断一个电路是否能实现放大？,3. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,4. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来判断；如果未给定电路的参数，则假定参数设置正确。,1. 信号能否输入到放大电路中。,2. 信号能否输出。,与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：,2020/8/12,137,符号的相关说明： 直流量: IB IC UCE为静态工作点。 (符号、下标均大写） 当有正弦电压vi加入时，电路处于动态。电路中电量为交、直流叠加。 iB=IB+ ib， iC= IC+ ic= IC + ib uCE=UCE+ uce。,交流分量的瞬时值用符号、下标均小写,总瞬时值用符号小写、下标大写,2020/8/12,138,直流通路和交流通路：,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流信号所走的通道是不同的。,交流通路：只考虑交流信号的分电路。 直流通路：只考虑直流信号的分电路。 信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。,2020/8/12,139,直流通路：,RB,+EC,RC,C1,C2,T,RL,2020/8/12,140,vi,交流通路：,RL,2020/8/12,141,二、静态分析 求静态工作点：,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,VBEQ,VCEQ,VCEQ=EC-ICQRC,VBEQ=EC-IBQRB,+,+,这时C1上的电压: VBEQ,这时C2上的电压: VCEQ 是否任何时候都是?,RL,2020/8/12,142,(IBQ,VBEQ) 和( ICQ,VCEQ )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。,IBQ,直流负载线,图解法,2020/8/12,143,确定静态工作点的估算法:,（1）画直流通路并根据直流通路估算IB,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,2020/8/12,144,（2）根据直流通道估算VCE 、IC,2020/8/12,145,举例说明Q点的估算：,如图，已知=50，rbb=100，VBE=0.7V，Re1=500，Re2=1.1K，Rb=200K，Rc=2K，Rl=2K，VCC=12V，设C都足够大，求静态工作点（Q点）。,2020/8/12,146,2020/8/12,147,由直流通路得：,2020/8/12,148,VCC=IBRb+VBE+IE(Re1+Re2) =IBRb+VBE+(1+)IB(Re1+Re2), IB=(VCC-VBE)/Rb+(1+) (Re1+Re2) =(12-0.7)/200+51(0.5+1.1) 0.04(mA), 所以,IE=(1+)IB=510.042(mA) IC=IB=500.042(mA) 即IC IE VCEVCC-IC (Rc+Re1+Re2)=12-3.62 =4.8V,会不会饱和?,2020/8/12,149,三、动态分析（交流分析）,动态分析一般有两种方法： 一、图解分析法 二、微变等效电路法,2020/8/12,150,直流负载线：,IC,VCE,VCEIC满足什么关系？,1. 三极管的输出特性。,2. VCE=ECICRC 。,直流 负载线,与输出特性的交点就是Q点,IB,RB,+EC,RC,2020/8/12,151,交流负载线的作法：,iB,过 Q 点作一条直线，斜率为：,交流负载线,2020/8/12,152,图解分析:利用三极管的输入特性与输出特性曲线，通过作图法分析放大器的基本特性，称为图解法。,具体步骤如下: .由Vi 在输入特性曲线上画出iB 波形。 (1)作出输入特性(iB-VBE)的特性曲线； (2)在输入特性曲线下方画出正弦交流电压VBE随时间变化 的波形， (3)在输入特性的右面画出iB随时间变化波形。 注意:iB=IBQ+ib uBE=UBEQ+ube iC=IC+ic uCE=UCEQ+uce,2020/8/12,153,输入信号vi为正弦小信号：,iB,ib,t,2020/8/12,154,2、由iB 在输出特性曲线上画出iC、uCE 的波形。 作出BJT的输出特性曲线图，并根据交流通路确定交流负载线从而确定放大器输出特性曲线上的静态工作点Q, 如果放大器的输出端不带任何负载（RL开路），则此时放大器输出部分的交流通道与直流通道没有本质上的区别，直流负载线也就是交流负载线。 此时便可以通过Q点上iB 变化作出iC 和uCE变化， 注意:iB=IBQ+ib uBE=UBEQ+ube iC=IC+ic uCE=UCEQ+uce,2020/8/12,155,uCE的变化沿一条直线，该直线称为交流负载线,iC,uCE,交流负载线的作法： 交流负载线的斜率为1/RL (RL是RL和RC的并联值）交流负载线通过Q,Q,问：当RL开路时，交流负载线的斜率为？,ib,2020/8/12,156,共射放大器各点波形：,2020/8/12,157,输入信号,输出信号,2020/8/12,158,输入信号,输出信号,电容电压,2020/8/12,159,IBQ,UCEQ,输入信号,输出信号,iB(交直流并存）,uCE (交直流并存）,共射放大器各点波形,参考EWB例子,2020/8/12,160,放大电路的图解分析： 由于用图解法要用到特性曲线，故比较麻烦及误差较大。同时，晶体管特性曲线只能反映信号变化较慢的电压电流关系，故图解法一般多适用于输出幅度较大而工作频率不高时的情形。 如：可以用来估算电压放大倍数。,2020/8/12,161,2020/8/12,162,可用来估算放大器的放大倍数,9V,Vom=3.5V,2020/8/12,163,共射电路的非线性失真:,基本共射放大电路的波形分析,2020/8/12,164,基本共射放大电路的截止失真（输出电压正半周失真）,ib 失真,2020/8/12,165,如工作点Q点设置偏低，在输入信号负半周靠近峰值的某段时间内，晶体管b-e间电压总量 小于其开启电压，BJT截止。因此基极电流 ib 将产生底部失真。集电极电流 ic 和集电极电阻Rc上电压的波形必然会随之产生同样的失真，从而导致 uo 波形产生顶部失真。由BJT进入截止区工作而产生的失真称为截止失真。,2020/8/12,166,基本共射放大电路的饱和失真,ib 不失真,（输出电压负半周失真）,2020/8/12,167,如工作点Q点设置偏高，虽然基极动态电流 ib 为不失真的正弦波，但是由于在输入信号正半周，靠近峰值的某段时间内晶体管进入了饱和区，导致集电极动态电流ic 产生顶部失真，集电极电阻Rc 上的电压波形必然随之产生同样的失真。由于输出电压uo 与Rc 上电压的变化相位相反，从而导致uo 波形产生底部失真，此种由于晶体管进入饱和区工作而产生的失真现象称为饱和失真。,2020/8/12,168,在共射基本放大电路中，设输入电压为正弦波如： 工作点Q点设置合适能实现线性放大 工作点Q点设置偏高会产生饱和失真 工作点Q点设置偏低会产生截止失真 应当指出，截止失真和饱和失真都是比较极端的情况。实际上，在输入信号的整个周期内，即使晶体管始终工作在放大区域，也会因为输入特性和输出特性的非线性使输出波形产生失真，只不过当输入信号幅值较小时，这种失真非常小，可忽略不计而已。,2020/8/12,169,下列三种不同的静态工作点情况下的最大不失真输出幅值为：,Q1：不失真输出最大幅值,2020/8/12,170,Q2：不失真输出最大幅值,2020/8/12,171,Q3：不失真输出最大幅值,2020/8/12,172,从图可知，它们的不失真输出最大幅值=MIN（VCET-VCEQ，VCEQ-VCES）。当Q点在负载线中间时，能使电路不失真输出最大。,2020/8/12,173,2020/8/12,174,动态分析（微变等效电路分析）,BJT的小信号建模思路 由于放大电路中BJT是一个非线性器件，电路的分析不能运用我们在电路理论中已掌握的公式和定律。如能在一定条件下，建立BJT的线性化模型，将BJT非线性器件线性化，那么，对放大电路的分析就迎刃而解了。从实际的BJT特性曲线可见，在小范围内可将其非线性作线性化处理，此时，BJT的电流、电压有线性关系存在。这样，在小信号范围可建立BJT的线性模型了。 BJT为有源双口网络:,2020/8/12,175,如图为一个双口网络，我们可以选择Vi、Vo和I1、I2（交流量）这四个参数中的两个作为自变量，其余两个作为应变量，就可得到不同的网络参数，如y参数、z参数、H参数等。其中H参数在低频时应用广泛。,2020/8/12,176,模型的建立 主要参数 共射电路的动态分析,2020/8/12,177,(1)模型的建立h(hybrid)参数,BJT低频交流小信号模型,ic,2020/8/12,178,晶体管的共射h参数等效模型,2020/8/12,179,2020/8/12,180,在小信号时，将无限小的信号增量用有限的增量来代替得到：,第一个下标：i:输入；r:反向; f:正向 ; o: 输出 ；第二个下标：e:共射,2020/8/12,181,简化的H参数等效模型 1、根据以前所述：BJT工作在放大区时，ce间电压对输入特性曲线的影响很小，即管子的内反馈可以忽略不计。可以用uCEUBE 的任意一条特性曲线来代替uCEUBE 故：h12=hre0 这样，BJT的输入回路只等效为一个动态电阻 h11=hie=rbe 2、 BJT工作在放大区时， ce间电压的变化对ic 的影响很小。ce间动态电阻无穷大，故h22=hoe 0 ，从而，BJT输出回路等效为一个ib 控制的电流源 (hfe ib= ib) 这里，均可用相量表示。,2020/8/12,182,h参数的物理意义及求解方法,求解h11=hie =rbe,求解h21=hfe =,求解h12=hre0,求解h22=hoe 0,2020/8/12,183,简化的h参数等效模型 （重点）,rbe 300 +(1+ ) 26(mv) / IE(mA),h11=hie=rbe,2020/8/12,184,1根据直流通路估算静态工作点，并确定H参数； 主要是： rbe 2画出放大电路的交流通路； 3根据交流通路用BJT的H参数小信号模型代替电路中的 BJT，画出放大电路的小信号模型等效电路。 （注意：由于输入信号常用正弦电压,所以,小信号等效电路中的电压、电流均用相量表示。） 4根据放大电路的小信号模型等效电路计算放大电路的交流指标 、ri、ro。,利用BJT的H参数小信号模型分析放大电路的步骤,2020/8/12,185,举例：,2020/8/12,186,2020/8/12,187,交流计算,1)电压放大倍数,rbe=300+(1+)26 mV/ IE,rbb,基区体电阻,2020/8/12,188,3)输出电阻,2)输入电阻,= rbe / Rbrbe,4)电源电压放大倍数,如何实际输出电阻测量？,2020/8/12,189,工程中，可用实验的方法求取输出电阻。在放大电路输入端加一正弦电压信号，测出负载开路时的输出电压U/o；然后再测出接入负载RL时的输出电压Uo，则有 式中： U/o 、Uo 是用交流毫伏表测出的交流有效值。,2020/8/12,190,例题: 如图， 已知=50，rbb =100，VBE=0.7V，Re1=500，Re2=1.1K，Rb=200K，Rc=2K，Rl=2K，VCC=12V，设C都足够大，求AV、Ri、Ro .,2020/8/12,191,2020/8/12,192,首先求Q点(因为rbe未知),由直流通路得：,2020/8/12,193,VCC=IBRb+VBE+IE(Re1+Re2) =IBRb+VBE+(1+)IB(Re1+Re2), IB=(VCC-VBE)/Rb+(1+) (Re1+Re2) =(12-0.7)/200+51(0.5+1.1) 0.04(mA), 所以,IE=(1+)IB=510.042(mA) IC=IB=500.042(mA) 即IC IE VCEVCC-IC (Rc+Re1+Re2)=12-3.62 =4.8V,2020/8/12,194,rbe= rbb+(1+)26mV/IEmA =100+5126/2=763().,根据交流通路画出微变等效电路：,2020/8/12,195,交流通路,2020/8/12,196,ib,ie,ib,Vo,Vi,ic=ib ie=(1+)ib,微变等效电路,+,+,_,_,Ii,Io,2020/8/12,197,AV=Vo/Vi = -ic(Rc/RL)/ibrbe+(1+)ibRe1 = - ib(Rc/Rl)/ibrbe+(1+)ibRe1 = -(Rc/Rl)/rbe+(1+)Re1 = -50(2/2)/(0.736+510.5) = -1.9 Ri=Rb/rbe+(1+) Re1 =200/(0.736+510.5) =23.24(K); Ro=RC=2K;,2020/8/12,198,上面计算，可以得到：Vi=Ibrbe+IeRe1=Ibrbe+(1+)Re1,形式上如同Ib通路，Re1的阻值扩大(1+)倍。阻抗折算法则：发射极阻抗折算到基极，其值扩大(1+)倍。即从基极往电路看，发射极的等效阻抗为(1+)Re.而基极阻抗折算到发射极，其值缩小(1+)倍。即从发射极往电路看，基极的等效阻抗为Rb/(1+).（Rb基极回路的总阻抗） 注意：关于AV、Ri、Ro的计算式无需死记硬背，可根据画出的微变等效电路通过简单的推导甚至直接观察到。如输入Ri放大器两个输入端间的总电阻（信号源除外）。通常，在两个输入端中总有一个接地，所以非接地输入端与地之间的总电阻输入电阻。,2020/8/12,199,例：如图， 已知 =150，VCC=24V，Rb1=33K，Rb2=10K，Re=1.5K，Rc=3.3K，Rl=5.1K，VS=15(mV)，Rs=600.求： （1）画出微变等效电路； （2）求Ri、Ro；（3）求AV、AVS、VO .,2020/8/12,200,2020/8/12,201,解：（1）交流通路及微变等效电路,首先通过直流通路求Q点,以得到 rbe,2020/8/12,202,由戴维南等效电路可得到:,2020/8/12,203,2020/8/12,204,交流通路,2020/8/12,205,ib,ib,+,+,_,_,微变等效电路,Vs,Vi,Vo,+,ic,Ii,2020/8/12,206,计算: (输入电阻Ri 、输出电阻Ro 、电压放大倍数） Ri= Vi / Ii = Rb1/Rb2/rbe =1/(1/Rb1+1/Rb2+1/rbe) =Rb1Rb2rbe/(Rb2rbe+Rb1rbe+Rb1Rb2) =33101.55/(101.55+331.55+3310) 1.2(K) Ro=Rc=3.3K
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