《模拟电子技术基础》cha

本章主要讲述如何构建一个合乎自身要求的放大电路。 如何实现放大，放大倍数的大小受到哪些因素/元件参数的影响？ 放大电路如何获得尽可能多的信号能量？通过改变哪些参数就可以实现？ 放大电路的输出信号如何才能不受外界负载变化的干扰，实现稳定输出。 设计放大电路，有多少种电路模型可以供你选择，这些模型的各自特色又在哪里？,第四章,第185页起： 4.1.1 4.1.2 4.2.1 4.2.3 4.3.1 4.3.5 4.3.8 4.3.9 4.3.12 4.4.3 4.4.4 4.5.2 4.5.3,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.1 半导体三极管,4.3 放大电路的分析方法,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,4.2 共射极放大电路的工作原理,4.6 组合放大电路,4.7 放大电路的频率响应,4.1 半导体三极管,4.1.1 BJT的结构简介,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,4.1.3 BJT的VI特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4.1.1 BJT的结构简介,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。,4.1.1 BJT的结构简介,(a) NPN型管结构示意图 (b) PNP型管结构示意图 (c) NPN管的电路符号 (d) PNP管的电路符号,结构特点：, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积最大；, 基区最薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,集成电路中典型NPN型BJT的截面图,4.1.1 BJT的结构简介,三极管的放大作用：特定的外部条件实现了三极管的载流子传输，在宏观上就表现为在输出端得到与输入小信号形状相同的大信号。 外部条件：发射结正偏 集电结反偏,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,1. 内部载流子的传输过程,发射区：发射载流子（Je正偏） 集电区：收集载流子（Jc反偏） 基区：传送和控制载流子 （以NPN为例）,双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,IE=IB+ IC,放大状态下BJT中载流子的传输过程,IC= ICN+ ICBO,放大状态下BJT中载流子的传输过程,少数载流子的运动,基区空穴的扩散,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，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,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,IE=IB+ IC,IC= ICN+ ICBO,2. 电流分配关系,根据传输过程可知,通常 IC ICBO，不考虑少子影响,IE=IB+ IC,载流子的传输过程,IC= ICN+ ICBO,2. 电流分配关系,且令,3. 三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,BJT的三种组态,共基极放大电路,4. 放大作用,电压放大倍数,vO = -iC RL = 0.98 V，,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,vCE = 0V,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 当1vCE0V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。,(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1. 输入特性曲线,（以共射极放大电路为例）,(3) 当vCE1V时， 在集电结附近电子已经全部被拉走，再增大vCE，对基区复合无影响，特性曲线不变。,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,(3) 输入特性曲线的三个部分,死区,非线性区,线性区,1. 输入特性曲线,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.3V 。此时，发射结正偏，集电结正偏 C,E之间相当于闭合的开关,iC=f(vCE) iB=const,2. 输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0曲线（其对应的iC 为穿透电流）的下方。 此时， vBE小于死区电压。发射结反偏，集电结反偏 C,E之间相当于断开的开关,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。 模拟放大电路的工作区域,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,(1) 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=cons1,1. 电流放大系数,4.1.4 BJT的主要参数,与iC的关系曲线,(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,1. 电流放大系数,(3) 共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE 1,(4) 共基极交流电流放大系数 =IC/IEvCB=const,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,4.1.4 BJT的主要参数,2. 极间反向电流(质量好坏),(1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,4.1.4 BJT的主要参数,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO穿透电流,4.1.4 BJT的主要参数,2. 极间反向电流,集电极最大允许电流ICM（超过导致放大倍数下降，不会烧毁）,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM,（超过将导致烧毁） PCM= ICVCE,3. 极限参数（正常工作）,4.1.4 BJT的主要参数,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,(3) 反向击穿电压, V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。, V(BR) EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。, V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,(1) 温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO约增加一倍。 （每条水平线均抬高）,(2) 温度对 的影响,温度每升高1， 值约增大0.5%1%。（水平线间距加大）,(3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,1. 温度对BJT参数的影响（温度升高，IC增大）,1. 既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。,思 考 题,2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？,3. BJT是电流控制器件，还是电压控制器件？,4. 放大电路输出端增加的能量是从哪里来的？,如何根据工作在放大区的三极管管脚电位判定该三极管的类型和材料？,三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,所以：NPN管为VCVBVE PNP管为VCVBVE,所以：NPN管为VCVBVE PNP管为VCVBVE,根据三极管的各管脚电位判断三极管类型及管脚类型： 1）处放大状态的三极管，电位居中的管脚为基极B 2）与基极B电位相近的管脚为发射极E 若电位相差值为0.7,则为硅管 若电位相差值为0.2，则为锗管 VBVE ， NPN管；VBVE， PNP管 3）剩余的最后一个管脚为集电极C,放大的概念,将微弱的变化信号放大成较大的信号。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图。,Au,基本放大电路的组成,放大的概念,放大的对象：变化量 放大的本质：能量的控制 放大的特征：功率放大 放大的基本要求：不失真，放大的前提,判断电路能否放大的基本出发点,放大的表象:,幅度小的变化信号转换成幅度大的变化信号。,放大的实质: 用微小的交流能量通过三极管的电流控制作用，将放大电路中大直流能量（直流电源）转成相应的大交流能量，并输出（能量规模不变，能量性质与输入相同）。,对放大电路的基本要求 ： 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路，同时介绍功率放大电路。,符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流分量。,uA,小写字母、大写下标，表示混合量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,uA,混合量,交流分量ua,t,直流分量 UA,基本放大电路的分类：,三极管放大电路有三种形式,共射极放大器,共基极放大器,共集电极放大器,以共射极放大器为例讲解工作原理,4.2 共射极放大电路的工作原理,4.2.1 基本共射极放大电路的组成,基本共射极放大电路,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。,使发射结正偏，通过Rb提供适当的静态偏置电流(基极的直流电流)。,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,输入微小的交流控制信号,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,1. 静态(直流工作状态),输入信号vi0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。,直流通路,VCEQ=VCCICQRc,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,2. 动态,输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。,交流通路,4.3 放大电路的分析方法,4.3.1 图解分析法,4.3.2 小信号模型分析法,1. 静态工作点的图解分析,2. 动态工作情况的图解分析,3. 非线性失真的图解分析,4. 图解分析法的适用范围,1. BJT的H参数及小信号模型,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,3. 小信号模型分析法的适用范围,4.3.1 图解分析法,1. 静态工作点的图解分析,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,共射极放大电路,直流通路,4.3.1 图解分析法,1. 静态工作点的图解分析, 列输入回路方程（输入直流负载线）, 列输出回路方程（输出直流负载线）, 首先，画出直流通路, 在输出特性曲线上，作出直线 ，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。, 在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的波形,2. 动态工作情况的图解分析, 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE 的波形,2. 动态工作情况的图解分析,图解分析,RL=,由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大电路的电压放大倍数。,2. 动态工作情况的图解分析, 共射极放大电路中的电压、电流波形,3. 静态工作点对波形失真的影响,截止失真的波形,饱和失真的波形,3. 静态工作点对波形失真的影响,例题： 电路的改进,耦合电容：隔断输入输出部分与主电路的直流联系，使主电路静态工作不受干扰。,负载电阻如喇叭，只接收纯粹的交流能量,无输入信号(ui = 0)时,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,vs和RL对静态工作没有任何影响！,交流工作则有变化！,图解法的特点,优点： 形象直观； 适应于Q点分析、失真分析、最大不失真输出电压的分析； 能够用于大信号分析； 缺点： 不易准确求解； 不能求解输入电阻、输出电阻、频带等等参数。,4.3.2 小信号模型分析法,1. BJT的H参数及小信号模型,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和设计。,在交流通路中可将晶体管看成为一个两端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。,BJT双口网络,1. BJT的H参数及小信号模型,小信号模型是指BJT在交流低频小信号工作状态下的模型，考虑电流、电压间的微变关系。,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以写成：,BJT双口网络,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. BJT的H参数及小信号模型, H参数的引出,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数小信号模型,根据,可得小信号模型,BJT的H参数模型,BJT双口网络,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数小信号模型, 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。 H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,受控电流源hfeib ，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。 hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。,1. BJT的H参数及小信号模型, 模型的简化,hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。,BJT在共射极连接时，其H参数的数量级一般为,1. BJT的H参数及小信号模型, 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。,rbe= rbb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 rbb200,则,在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！,基区体电阻,发射结电阻,发射区体电阻数值小可忽略,4.3.2 小信号模型分析法,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（1）利用直流通路求Q点,共射极放大电路,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（2）画小信号等效电路,H参数小信号等效电路,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（3）求放大电路动态指标,根据,则电压增益为,（可作为公式）,电压增益,H参数小信号等效电路,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（3）求放大电路动态指标,输入电阻,输出电阻,3. 小信号模型分析法的适用范围,放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其VT特性曲线的线性范围（即放大区）内。H参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。,优点： 分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。,4.3.2 小信号模型分析法,缺点： 不能用来分析计算静态工作点和大输入信号情况。,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？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,（2）当Rb=100k时，,静态工作点为Q（40A，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。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例题,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.4.1 温度对静态工作点的影响,4.4.2 射极偏置电路,1. 基极分压式射极偏置电路,2. 含有双电源的射极偏置电路,3. 含有恒流源的射极偏置电路,4.4.1 温度对静态工作点的影响,4.1.6节讨论过，温度上升时，BJT的反向电流ICBO、ICEO及电流放大系数或都会增大，而发射结正向压降VBE会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加（ICQ= IBQ+ ICEO） ，从而使Q点随温度变化。,要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流IBQ 。,4.4.2 射极偏置电路,（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。,T , IC, IE, VE、VB不变, VBE , IB,（反馈控制）,1. 基极分压式射极偏置电路,(a) 原理电路 (b) 直流通路,b点电位基本不变的条件：,I1 IBQ ，,此时，,VBQ与温度无关,VBQ VBEQ,Re取值越大，反馈控制作用越强,一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V,1. 基极分压式射极偏置电路,（1）稳定工作点原理,1. 基极分压式射极偏置电路,（2）放大电路指标分析,静态工作点,电压增益,画小信号等效电路,（2）放大电路指标分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,（2）放大电路指标分析,（可作为公式用）,Re的影响？,输入电阻,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,（2）放大电路指标分析,输出电阻,求输出电阻的等效电路,（2）放大电路指标分析,0,0,