第三章半导体三极管及放大电路基础2-课件

3.1 半导体三极管（半导体三极管（BJT）3.2 共射极放大电路共射极放大电路3.3 图解分析法图解分析法3.4 小信号模型分析法小信号模型分析法3.5 放大电路的工作点稳定问题放大电路的工作点稳定问题3.6 共集电极电路和共基极电路共集电极电路和共基极电路3.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应学习指导学习指导小结小结3.8 多级放大电路多级放大电路作业作业3.5 放大电路的工作点稳定问题放大电路的工作点稳定问题 温度变化对温度变化对ICBO的影响的影响 温度变化对输入特性曲线的影响温度变化对输入特性曲线的影响 温度变化对温度变化对 的影响的影响 稳定工作点原理稳定工作点原理 放大电路指标分析放大电路指标分析 固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较3.5.1 温度对工作点的影响温度对工作点的影响3.5.2 射极偏置电路射极偏置电路3.5.1 温度对工作点的影响温度对工作点的影响1.温度变化对温度变化对ICBO的影响的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度变化对输入特性曲线的影响温度温度T 输出特性曲线上移输出特性曲线上移温度温度T 输入特性曲线左移输入特性曲线左移3.温度变化对温度变化对 的影响的影响温度每升高温度每升高1 C，要增加要增加0.5%1.0%温度温度T 输出特性曲线族间距增大输出特性曲线族间距增大总之：总之：ICBO ICEO T VBE IB IC 温度与温度与Q Q点点 动画五动画五3.5.2 射极偏置电路射极偏置电路1.稳定工作点原理稳定工作点原理目标：温度变化时，使目标：温度变化时，使I IC C维持恒定。维持恒定。如果温度变化时，如果温度变化时，b b点电位能基点电位能基本不变本不变，则可实现静态工作点的稳，则可实现静态工作点的稳定。定。T 稳定原理：稳定原理：IC IE IC VE、VB不变不变 VBE IB（反馈控制）（反馈控制）b点电位基本不变的条件：点电位基本不变的条件：I1 IB，此时，此时，不随温度变化而变化。不随温度变化而变化。VB VBE 且且Re可取可取 大些，反馈控制作用更强。大些，反馈控制作用更强。一般取一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V 动画六动画六2.放大电路指标分析放大电路指标分析(1)(1)静态工作点静态工作点IBVBVccIEI1rbeRoRoRiRi(2)(2)动态分析动态分析Ib2.放大电路指标分析放大电路指标分析 3.5.2 射射极偏置极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析电压电压增益增益输出回路：出回路：输入回路：入回路：Ib=Ibrbe+(1+)IbReRi=rbe+(1+)ReRi=Rb1/Rb2/rbe+(1+)Re Ro=Rc 3.5.2 射射极偏置极偏置电路路输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻(1)(1)2.放大电路指标分析放大电路指标分析 3.5.2 射射极偏置极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析输出电阻输出电阻(2)(2)输出出电阻阻求求输出出电阻的等效阻的等效电路路网网络内独立源置零内独立源置零负载开路开路输出端口加出端口加测试电压对回路回路1和和2列列KVL方程方程不忽略不忽略r rcece的的影响影响其中其中则当当时，一般一般（）3.5.2 射射极偏置极偏置电路路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大共射极放大电路路静态：静态：3.5.2 射射极偏置极偏置电路路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 固定偏流共射极放大固定偏流共射极放大电路路电压增益：电压增益：RbviRcRL固定偏流共射极放大固定偏流共射极放大电路路输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：Ro=Rc#射极偏置射极偏置射极偏置射极偏置电电路做如何改路做如何改路做如何改路做如何改进进，既可以使其具有温度，既可以使其具有温度，既可以使其具有温度，既可以使其具有温度稳稳定性，定性，定性，定性，又可以使其具有与固定偏流又可以使其具有与固定偏流又可以使其具有与固定偏流又可以使其具有与固定偏流电电路相同的路相同的路相同的路相同的动态动态指指指指标标？3.5.2 射射极偏置极偏置电路路3.6 共集电极电路和共基极电路共集电极电路和共基极电路 电路分析电路分析 复合管复合管 静态工作点静态工作点 动态指标动态指标 三种组态的比较三种组态的比较3.6.1 共集电极电路共集电极电路3.6.2 共基极电路共基极电路3.6.1 共集电极电路共集电极电路1.电路分析电路分析该电路也称为该电路也称为射极输出器射极输出器求静态工作点求静态工作点由由得得 动画七动画七电压增益电压增益 3.6.1 共共集集电极极电路路1.电路分析电路分析其中其中一般一般，则电压增益接近于增益接近于1 1，即即电压跟随器跟随器输入电阻输入电阻当当，时，3.6.1 共共集集电极极电路路1.电路分析电路分析输入电阻较大输入电阻较大RiRi输出电阻很小输出电阻很小输出电阻输出电阻RoRoIbRSRbrbeReIb+_ITRoRo共集电极电路特点：共集电极电路特点：电压增益小于增益小于1 1但接近于但接近于1 1，输入入电阻大，阻大，对电压信号源衰减小信号源衰减小 输出出电阻小，阻小，带负载能力能力强IT 3.6.1 共共集集电极极电路路2.复合管复合管作用：提高作用：提高电流放大系数，增大流放大系数，增大电阻阻r rbebe复合管也称复合管也称为达林达林顿管管3.6.2 共基极电路共基极电路1.静静态工作点工作点 直流通路与射极直流通路与射极偏置偏置电路相同路相同 3.6.2 共基极共基极电路路2.动态指指标电压增益电压增益输出回路：出回路：输入回路：入回路：电压增益：增益：3.6.2 共基极共基极电路路#共基极共基极共基极共基极电电路的路的路的路的输输入入入入电电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？2.动态指指标 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻3.三种组态的比较三种组态的比较电压增益：电压增益：输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：3.6.2 共基极共基极电路路3.7.1 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应3.7.3 单级放大电路的高频响应单级放大电路的高频响应 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应3.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应3.7.4 单级放大电路的低频响应单级放大电路的低频响应3.7.2 单级放大电路的频率响应单级放大电路的频率响应 研究放大电路的动态指标（主要是研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。增益）随信号频率变化时的响应。3.7.1 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应1.RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应RC电路的电压增益（传递函数）：电路的电压增益（传递函数）：则则且令且令又又电压增益的幅值（模）电压增益的幅值（模）（幅频响应）（幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角（相频响应）（相频响应）增益频率函数增益频率函数最大误差最大误差-3dB频率响应曲线描述频率响应曲线描述3.7.1 RCRC电路的路的频率率响响应幅频响应幅频响应0分贝水平线分贝水平线斜率为斜率为-20dB/十倍频程十倍频程 的直线的直线相频响应相频响应1.RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应表示输出与输入的相位差表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入高频时，输出滞后输入因为因为所以所以-20dB/-20dB/十倍频程十倍频程-45-45度度/十倍频程十倍频程模拟放大电路模拟放大电路的高频响应的高频响应3.7.1 RCRC电路的路的频率率响响应2.RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应RC电路的电压增益：电路的电压增益：幅频响应幅频响应相频响应相频响应输出超前输入输出超前输入20dB/20dB/十倍频程十倍频程-45-45度度/十倍频程十倍频程模拟放大电路模拟放大电路的低频响应的低频响应高频区高频区中频区中频区低频区低频区3dB 频率点频率点（半功率点）（半功率点）3dB 频率点频率点（半功率点）（半功率点）3.7.2 单级放大电路的频率响应单级放大电路的频率响应 在低频区和高频区，放大电路的增益为什么下降？3.7.3 单级放大电路的高频响应单级放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模 模型的引出模型的引出 模型简化模型简化 模型参数的获得模型参数的获得 的频率响应的频率响应2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路 高频响应高频响应 增益增益-带宽积带宽积 在放大电路的高频区，影响频率响应的主要因素是管子的极间电容和接线电容，它们在电路中与其它支路是并联的。混合混合 型高频小信号模型型高频小信号模型3.7.3 单级放大电路的高频响应单级放大电路的高频响应1.BJT1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模模型的引出模型的引出 rbe-发射结电阻发射结电阻r re e归归算到基极回路的电阻。算到基极回路的电阻。-发射结电容发射结电容-集电结电阻集电结电阻 -集电结电容集电结电容 rbb-基区的体电阻，基区的体电阻，bb是假想的基区内的一个点。是假想的基区内的一个点。互导互导bec.bNNP3.7.4 单级放大电路的低频响应单级放大电路的低频响应1.低频等效电路低频等效电路 放大电路的低频响应主要取决于外接的电容，如隔直（耦合）电容和射极旁路电容。动画一动画一2、多级放大电路的分析计、多级放大电路的分析计算算3、多级放大电路的频率响应、多级放大电路的频率响应3.8 多级放大电路多级放大电路1、多级放大电路的级间耦、多级放大电路的级间耦合形式及其特点合形式及其特点耦合方式耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。耦合耦合：即信号的传送。即信号的传送。第一级第一级放大电路放大电路输输 入入 输输 出出第二级第二级放大电路放大电路第第 n 级级放大电路放大电路 第第 n-1 级级放大电路放大电路功放级功放级 放大电路的级间耦合必须放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输要保证信号的传输，且，且保保证各级的静态工作点正确证各级的静态工作点正确。多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题即耦合问题。问题即耦合问题。阻容耦合阻容耦合UiUoEc优点：结构简单，各优点：结构简单，各静态工作点互不影响，静态工作点互不影响，放大效果好。放大效果好。缺点：不能传送频率缺点：不能传送频率较低的信号或直流信较低的信号或直流信号号,不适宜集成化。不适宜集成化。多级放大电路对耦合电路要求：多级放大电路对耦合电路要求：(1)静态：保证各级静态：保证各级Q点设置点设置(2)动态动态:传送信号。传送信号。要求：要求：波形不波形不失真，减少压失真，减少压降损失。降损失。变压器耦合变压器耦合级与级之间利用变压器来传送交流信号级与级之间利用变压器来传送交流信号 直接耦合直接耦合 各级电路之间直接连接或各级电路之间直接连接或采用对直流呈导通特性的电采用对直流呈导通特性的电阻、二极管等元件相接。阻、二极管等元件相接。存在问题存在问题：(1)(1)前后级工作点相互影响，前后级工作点相互影响，即存在级间电位匹配的问题。即存在级间电位匹配的问题。(2)(2)零点漂移零点漂移(3)(3)集电极电位逐级升高集电极电位逐级升高光电耦合光电耦合工作过程：电工作过程：电光光电电以多级阻容耦合放大器为例讨论以多级阻容耦合放大器为例讨论1、由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。2、前一级的输出电压是后一级的输入电压。3、后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。4、总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积5、总输入电阻为第一级的输入电阻6、总输出电阻为最后一级的输出电阻由此可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。例题例题1.已知已知=50，求求下图所示下图所示放大放大电路路的的 解：解：Rb1Rc1Rb2Re2RLRb1Rc1Rb2Re2RLRSvS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLvo1+_vo+_RiRi2RovS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLvo1+_vo+_RiRi2RovS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLvo1+_vo+_RiRi2Rorbe1Ib1Ib2Ib1rbe2Ib2vS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLvo1+_vo+_RiRi2Rorbe1Ib1Ib2Ib1rbe2Ib2 多级放大电路的通频带比它的任何一级都窄（以两级为例）（以两级为例）当两级增益和频带均相同时，则单级的上下限频率处的增益为当两级增益和频带均相同时，则单级的上下限频率处的增益为两级的增益为两级的增益为即两级的带宽小于单级带宽即两级的带宽小于单级带宽小小 结结 1 1、半导体三极管是由两个半导体三极管是由两个PNPN结组成的三端有源器件。有结组成的三端有源器件。有NPNNPN型和型和PNPPNP型两大类，两者电压、电流的实际方向相反，但型两大类，两者电压、电流的实际方向相反，但具有相同的具有相同的结构特点结构特点，即，即基区宽度薄且掺杂浓度低，发射区基区宽度薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电区面积大掺杂浓度高，集电区面积大，这一结构上的特点是，这一结构上的特点是三极管具三极管具有电流放大作用的内部条件有电流放大作用的内部条件。2 2、三极管是一种、三极管是一种电流控制器件电流控制器件，即用基极电流或发射极，即用基极电流或发射极电流来控制集电极电流。所谓放大作用，实质上是一种能量电流来控制集电极电流。所谓放大作用，实质上是一种能量控制作用。控制作用。放大作用只有在三极管发射结正向偏置、集电结放大作用只有在三极管发射结正向偏置、集电结反向偏置，以及静态工作点的合理设置时才能实现。反向偏置，以及静态工作点的合理设置时才能实现。小小 结结 3 3、三极管的特性曲线三极管的特性曲线是指各极间电压与各极电是指各极间电压与各极电流间的关系曲线，最常用的是输出特性曲线和输流间的关系曲线，最常用的是输出特性曲线和输入特性曲线。它们是入特性曲线。它们是三极管内部载流子运动的外三极管内部载流子运动的外部表现部表现，因而也称外部特性。，因而也称外部特性。4 4、器件的参数器件的参数直观地表明了器件性能的好坏和直观地表明了器件性能的好坏和适应的工作范围，适应的工作范围，是人们选择和正确使用器件的是人们选择和正确使用器件的依据依据。在三极管的众多参数中，电流放大系数、。在三极管的众多参数中，电流放大系数、极间反向饱和电流和几个极限参数是三极管的主极间反向饱和电流和几个极限参数是三极管的主要参数，使用中应予以重视。要参数，使用中应予以重视。小小 结结5 5、图解法和小信号模型分析方法是分析放大电路的两种基本方法图解法和小信号模型分析方法是分析放大电路的两种基本方法。图解法的要领图解法的要领是：先根据放大电路直流通路的直流负载线方程作出是：先根据放大电路直流通路的直流负载线方程作出直流负载线，并确定静态工作点直流负载线，并确定静态工作点Q Q，再根据交流负载线的斜率为，再根据交流负载线的斜率为1/1/R R L L及过及过Q Q点的特点，作出交流负载线，并对应画出输入信号、输出点的特点，作出交流负载线，并对应画出输入信号、输出信号（电压、电流）的波形，分析动态工作情况。信号（电压、电流）的波形，分析动态工作情况。小信号模型分析方法的要领小信号模型分析方法的要领是：小信号工作是该方法的应用条件。是：小信号工作是该方法的应用条件。它是用它是用H H参数小信号模型等效电路（一般只考虑三极管的输入电阻和参数小信号模型等效电路（一般只考虑三极管的输入电阻和电流放大系数）代替放大电路交流通路中的三极管，再用线性电路原电流放大系数）代替放大电路交流通路中的三极管，再用线性电路原理分析、计算放大电路的动态性能指标，即电压增益理分析、计算放大电路的动态性能指标，即电压增益 、输入电阻、输入电阻R Ri i和和输出电阻输出电阻R Ro o等。小信号模型等效电路只能用于电路的动态分析，不能等。小信号模型等效电路只能用于电路的动态分析，不能用来求用来求Q Q点，但点，但H H参数值却与电路的参数值却与电路的Q Q点相关。点相关。小小 结结 6 6、温度变化将引起三极管的极间反向电流、发射结电温度变化将引起三极管的极间反向电流、发射结电压压v vBEBE、电流放大系数、电流放大系数 随之变化，从而导致静态电流随之变化，从而导致静态电流I IC C不不稳定。因此，稳定。因此，温度变化是引起放大电路静态工作点不稳定温度变化是引起放大电路静态工作点不稳定的主要原因的主要原因，解决这一问题的办法之一是采用基极分压式，解决这一问题的办法之一是采用基极分压式射极偏置电路。射极偏置电路。7 7、晶体三极管按其连接方式不同，可以有三种组态，晶体三极管按其连接方式不同，可以有三种组态，即共射、共集、共基三种放大电路。即共射、共集、共基三种放大电路。共射电路共射电路：较高电压和电流增益，输入与输出阻抗中等，：较高电压和电流增益，输入与输出阻抗中等，输出电压与输入电压反相。输出电压与输入电压反相。共基电路共基电路：电流增益小于或等于：电流增益小于或等于1 1，电压增益较大，输，电压增益较大，输入阻抗低，输出阻抗高，输出电压与输入电压同相。入阻抗低，输出阻抗高，输出电压与输入电压同相。共集电路共集电路：电压增益小于或等于：电压增益小于或等于1 1，电流增益较大，输，电流增益较大，输入阻抗高，输出阻抗低，输出电压与输入电压同相。入阻抗高，输出阻抗低，输出电压与输入电压同相。8 8、多级放大电路的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、多级放大电路的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。变压器耦合和光电耦合。求解多级放大电路的增益时，必须考虑后级放大电路的求解多级放大电路的增益时，必须考虑后级放大电路的输入电阻对前级放大电路的电压增益的影响。输入电阻对前级放大电路的电压增益的影响。总的放大增益等于各个单级增益的乘积总的放大增益等于各个单级增益的乘积。小小 结结重点难点重点难点 重点重点：(1)(1)放大电路的组成原则与工作特点。放大电路的组成原则与工作特点。(2)(2)近似估算放近似估算放大电路的静态工作点。大电路的静态工作点。(3)(3)工作点合理的设置对实现不失真放工作点合理的设置对实现不失真放大的影响。大的影响。(4)(4)用小信号模型法计算放大电路的增益、输入电用小信号模型法计算放大电路的增益、输入电阻、输出电阻。阻、输出电阻。(5)(5)放大电路频率响应的基本概念，波特图的放大电路频率响应的基本概念，波特图的近似画法。近似画法。(6)BJT(6)BJT放大电路的三种组态及特点。放大电路的三种组态及特点。难点难点：(1)1)三极管载流子的传输规律；三极管载流子的传输规律；(2)(2)静态工作点与波形静态工作点与波形失真；失真；(3)3)多级放大电路的分析；多级放大电路的分析；(4)(4)放大电路频率响应的基本放大电路频率响应的基本概念，波特图的近似画法。概念，波特图的近似画法。作业作业3.1.13.3.2、3.3.5、3.3.63.4.2、3.4.3、3.4.43.2.13.5.1、3.5.4、3.5.53.6.2、3.6.3、3.6.53.7.1