BJT及放大电路基础资料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,4,双极结型三极管及放大电路基础,4.1 BJT,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,基本共射极放大电路,4.6,组合放大电路,4.7,放大电路的频率响应,4.1,双极型三极管,BJT,一个,PN,结,二极管,单向导电性,二个,PN,结,三极管,电流放大（控制）,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,分类：,按频率分有高频管、低频管,按功率分有小、中、大功率管,按材料分有硅管、锗管,按结构分有,NPN,型和,PNP,型,三极管的不同封装形式,金属封装,塑料封装,大功率管,中功率管,半导体三极管的结构有两种类型,:,NPN,型和,PNP,型。,4.1.1 BJT,的结构简介,1. NPN,型,NPN,管的电路符号,2.,PNP,型,PNP,管的电路符号,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,结构特点,：,内部条件,4.1.2,放大状态下,BJT,的工作原理,管芯结构剖面图,+,外部条件,发射结正偏，集电结反偏,放大状态下,BJT,中载流子的传输过程,三极管内有两种载流子,(,自由电子和空穴,),都参与导电，故称为双极型三极管,BJT,。,发射区,：发射载流子,集电区,：收集载流子,基区,： 传送和控制载流子,外部条件,发射结正偏，集电结反偏,I,E,=,I,B,+,I,C,电流分配关系,基极电流传输系数,：,集电极电流放大系数,：,和,与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关。一般,= 0.90.99,，,1。,是所加信号频率的函数，信号频率高到一定程度时，,不但数值下降，且产生相移，使,数值下降到,1,的信号频率称为特征频率,f,T,。,3.,三极管的三种组态,(c),共集电极接法,，集电极作为公共电极，用,CC,表示。,(b),共发射极接法,，发射极作为公共电极，用,CE,表示；,(a),共基极接法,，基极作为公共电极，用,CB,表示；,BJT,的三种组态,共基极放大电路,4.,放大作用,若,v,I,= 20mV,电压放大倍数,使,i,E,=,-,1,mA,，,则,i,C,=,i,E,= -0.98,mA,，,v,O,=,-,i,C,R,L,= 0.98 V,，,当,= 0.98,时，,共基极放大电路只实现电压放大，电流不放大（控制作用）,两个条件,（,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。,思考,1,：,可否用两个二极管相连构成一个三极管？,思考,2,：,可否将,e,和,c,交换使用,思考,3,：,外部条件对,PNP,管和,NPN,管各如何实现？,综上所述，三极管的放大作用，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。,I,E,=,I,B,+,I,C,I,C,=,I,B,I,C,=,I,E,一组公式,小结,e,c,b,N,P,N,c,b,e,N,P,P,输入电压的变化,是通过其改变输入电流,再通过输入电流的传输去控制输出电压的变化,所以,BJT,是一种,电流控制器件。,特性曲线是指各,电极之间的电压与电流之间的关系,曲线,输入特性曲线,输出特性曲线,4.1.3 BJT,的,V,-,I,特性曲线,4.1.3 BJT,的,V,-,I,特性曲线,i,B,=,f,(,v,BE,),v,CE,=const,(2),当,v,CE,1V,时，,v,CB,=,v,CE,-,v,BE,0,，,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,v,BE,下,I,B,减小，特性曲线右移。,(1),当,v,CE,=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）,共射极连接,工作在放大状态的条件：,v,CE,1V,饱和区：,特征,I,C,明显受,V,CE,控制,该区域内，一般,V,CE,1V(,硅管,),。即处于,发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区：,特征,I,C,接近零,该区域相当,I,B,=0,的曲线下方。,此时，,发射结反偏或正偏电压很小，集电结反偏。,放大区：,特征,I,C,平行于,V,CE,轴,该区域内，曲线基本平行等距。此时，,发射结正偏，集电结反偏。,2.,输出特性曲线,4.1.3 BJT,的,V,-,I,特性曲线,i,C,=,f,(,v,CE,),i,B,=const,共射极连接,放大：发射结正偏，集电结反偏,饱和：发射结正偏，集电结正偏,截止：发射结反偏，集电结反偏,倒置：发射结反偏，集电结正偏,临界饱和（虚线）,练习：,测量某硅,BJT,各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域。,(1) V,C,6V V,B,0.7V V,E,0V,V,BE,0.7V V,CB,5.3V,放大区域,(2) V,C,6V V,B,2V V,E,1.3V,V,BE,0.7V V,CB,4V,放大区域,(3) V,C,6V V,B,6V V,E,5.4V,V,BE,0.6V V,CB,0V,饱和区域,(3) V,C,6V V,B,6V V,E,5.4V,V,BE,0.4V V,CB,2V,截止区域,(4) V,C,6V V,B,4V V,E,3.6V,(5) V,C,3.6V V,B,4V V,E,3.4V,V,BE,0.6V V,CB,-0.4V,饱和区域,(,1),共射极直流电流放大系数,=,（,I,C,I,CEO,）,/,I,B,I,C,/,I,B,v,CE,=const.,1.,电流放大系数,4.1.4 BJT,的主要参数,(2),共射极交流电流放大系数,=,i,C,/,i,B,v,CE,=const.,(,3),共基极直流电流放大系数,=,（,I,C,I,CBO,）,/,I,E,I,C,/,I,E,(,4),共基极交流电流放大系数,=,i,C,/,i,E,v,CB,=const.,当,I,CBO,和,I,CEO,很小时， ,、 ,，可以不分。,与,间的关系：,2.,极间反向电流,(1),集电极基极间反向饱和电流,I,CBO,发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,I,CBO,越小越好,小功率硅管,V,E,PNP,管：,V,C,V,B,V,E,，且,V,BE,V,th,截止状态：,V,BE,V,th,，且,V,CE, V,BE,PNP,管：,放大状态：,V,C, V,B,V,E,，且,V,BE,V,th,饱和状态：,V,BE,V,B,V,E,放大,V,BE,1V,截止,饱和,V,BE,0.7V,V,CE,=0.3VV,BE,4.2,基本共射极放大电路,4.2.1,基本共射极放大电路的组成,4.2.2,基本共射极放大电路的工作原理,基本放大电路：,共射极放大电路,静态工作点,Q,（,I,B,，,I,C,，,V,CE,）,电压放大倍数,输入电阻,R,i,共集电极放大电路,共基极放大电路,分析方法：,图解法,微变等效电路法,待求量：,输出电阻,R,o,4.2.1,基本共射极放大电路的组成,V,BB,R,b,:,使发,射极正偏置，,并提供合适的,基极偏置电流,V,CC,:,通过,Rc,使,T,集电极反偏置,三极管,T,起放大作用。,R,C,:,将集电极电流信号,转换为电压信号。,分析方法：,叠加,前提：,BJT,工作在线性区,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,v,s,0,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,所有电容开路,所有电量大写,画直流通路原则：,短路， 开路,电流关系：,直流通路,V,CEQ,=,V,CC,I,CQ,R,c,硅,:,V,BEQ,=0.7V,锗,:,V,BEQ,=0.2V,I,B,、,I,C,和,V,CE,是,静态工作状态,的三个量,，,用,Q,表示，称为,静态工作点,Q,（,I,BQ,，,I,CQ,，,V,CEQ,）。,2.,动态,输入正弦信号,v,s,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。,三极管放大作用,s,控制,v,c,R,且,s,v,所有电容短路,所有电量小写,画交流通路原则：,， 短路,交流通路,分析动态参数时，使用交流通路,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.,静态工作点对波形失真的影响,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,v,S,=0,，求,Q,（,I,BQ,、,I,CQ,和,V,CEQ,）,线性,线性,非线性,(1).,输入回路,线性部分：,非线性部分：,(2).,输出回路,非线性部分：,得出,Q,（,I,BQ,，,I,CQ,，,V,CEQ,）,线性部分：,称为直流负载线,I,B,MN,下移,（,3,）电路参数对,Q,点的影响：,截距变,Q,点下移,变,R,b,其他参数不变：,变,R,C,变,V,CC,I,B,Q,点上移,R,b,R,b,Q,点左移,斜率,Q,点右移,R,C,R,C,斜率,Q,点左移,MN,上移,Q,点右移,V,CC,V,CC,2.,动态工作情况的图解分析,可得如下结论：,1.,v,i,v,BE,i,B,i,C,v,CE,|-,v,o,|,2.,v,o,与,v,i,相位相反；,3.,可以测量出放大电路的电压放大倍数。,3.,静态工作点对波形失真的影响,Q,点过低,截止失真,Q,点过高,饱和失真,例,4.3.1,一个实际的单管放大电路,C,1,、,C,2,：,耦合电容,R,L,：,负载电阻,R,b,=300K,R,C,=4K,V,CC,=12V,(a),直流通路,(b),交流通路,(1),静态工作情况,得出,Q,（,I,BQ,，,I,CQ,，,V,CEQ,）,=Q,（,40,A,，,1.5mA,，,6V,）,称为交流负载线,(2),动态工作情况,1.,从,Q,点做一条斜率为,-,1/R,L,的,直线。,作法：,2.,截距法,可得如下结论：,直流负载线和交流负载线相交于,Q,点；,不接,R,L,时，两根线重合；,R,L,I,BQ,，,此时，,V,BQ,与温度无关,V,BQ,V,BEQ,R,e,取值越大，反馈控制作用越强,一般取,I,1,=(510),I,BQ,，,V,BQ,=35,V,（,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,输出回路：,输入回路：,电压增益：,确定模型参数,已知，求,r,be,增益,（可作为公式用）,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,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,其中,则,当,时，,一般,（,）,4.5,共集电极放大电路和共基极放大电路,4.5.1,共集电极放大电路,4.5.2,共基极放大电路,4.5.3,放大电路三种组态的比较,4.5.1,共集电极放大电路,1.,静态分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为,射极输出器,由,得,直流通路,小信号等效电路,2.,动态分析,交流通路,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,其中,一般,，则电压增益接近于,1,，,电压跟随器,即,。,输入电阻,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则,输出电阻,输出电阻小,共集电极电路特点：,电压增益小于,1,但接近于,1,，,输入电阻大，对电压信号源衰减小,输出电阻小，带负载能力强,总结,电流折算法记公式：,电流关系,：,把所有电流都折算为,i,b,4.5.2,共基极放大电路,1.,静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2.,动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流通路,小信号等效电路, 输入电阻, 输出电阻,小信号等效电路,4.5.3,放大电路三种组态的比较,1.,三种组态的判别,以输入、输出信号的位置为判断依据：,信号由基极输入，集电极输出,共射极放大电路,信号由基极输入，发射极输出,共集电极放大电路,信号由发射极输入，集电极输出,共基极电路,2.,三种组态的比较,3.,三种组态的特点及用途,共射极放大电路：,电压和电流增益都大于,1,，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。,共集电极放大电路：,只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。,共基极放大电路：,只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。,4.6,组合放大电路,4.6.1,共射,-,共基放大电路,4.6.2,共集,-,共集放大电路,补：多级放大器的动态计算,1.,多级放大器的电路结构,多级放大器中，前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻,R,L,。,2.,电压增益的计算,推广至,n,级：,多级放大器总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。,3.,输入电阻的计算,4.,输出电阻的计算,4.6.1,共射,-,共基放大电路,共射共基放大电路,其中,所以,因为,因此,电压增益,输入电阻,R,i,R,b,|,r,be1,R,b1,|,R,b2,|,r,be1,输出电阻,R,o,R,c2,电压增益与单级共射电路接近，优点是频带宽。,T,1,、,T,2,构成,复合管,（达林顿管,),4.6.2,共集,-,共集放大电路,1.,复合管的主要特性,两只,NPN,型,BJT,组成的复合管,两只,PNP,型,BJT,组成的复合管,r,be,r,be1,(1,1,),r,be2,PNP,与,NPN,型,BJT,组成的复合管,NPN,与,PNP,型,BJT,组成的复合管,r,be,r,be1,两只管子相复合，类型取决于第一只管子。,2.,共集,-,共集放大电路的,A,v,、,R,i,、,R,o,式中,1,2,r,be,r,be1,(1,1,),r,be2,R,L,R,e,|,R,L,R,i,R,b,|,r,be1,(,1,1,),r,be2,+,（,1+,2,）,R,L,或：,R,i,R,b,|,r,be,(,1,),R,L,4.2,4.6,小结,三种组态基本放大电路的静态工作点估算,三极管的小信号模型,各种电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算,4.2,4.6,试题常见类型,1,，关于放大器的概念，放大器静态和动态参数物理意义正确性的判断（例如给一个电路，并给出其相关参数计算结果，判断正确性）；,2,，电子电路是否能放大动态信号的判断；,3,，如何用三极管构成放大电路；,4,，判断电路属于什么组态；,5,，正确画出直流和交流通道，画,H,参数小信号模型；,6,，基本组态放大电路静态工作点、放大倍数、输入电阻、输出电阻计算,7,，失真分析及消除办法；,8,，最大不失真电压求解,9,，各种基本放大电路的性能特点及应用,例,1,判断图示各电路是否能放大交流信号,判断依据,（,1,）能够满足,BJT,的外部工作条件：发射结正偏置，集电结反偏置；,（,2,）能设置合适的静态工作点,；,（,3,）交流通道信号能够顺利通过。,例,2,电路如图示，三极管的,=100,，,r,be,=1.5K,，静态时,V,BE,=0.7V,，所有电容对交流可视为短路,（,1,）静态工作点,Q,，,A,v,、,R,i,、,R,o,、,A,vs,（,2,）若管子的饱和压降为,V,CES,=0.7V,，当增大输入电压时，空载和,3K ,负载时电路各首先出现饱和失真还是截止失真？,（,3,）若,C3,开路，则,Q,点和,A,v,、,R,i,、,R,o,如何变化？,例,3,判断多级放大组态，并写出电压增益表达式,多级放大器的组合方式：,（,1,）阻容耦合,Q,点独立设置，要求电容大，对集成不利；,（,2,）直接耦合,有利集成，但,Q,点相互影响；,（,3,）变压器耦合。,例,4,电路如图示，三极管的,=120,，,r,be,=3K,，静态时,V,BE,=0.7V,，所有电容对交流可视为短路,（,1,）直流通道和交流通道,（,2,）静态工作点,Q,（,3,）,A,v,、,R,i,、,R,o,例,5,电路如图示，三极管的,=100,，,r,bb,=100,，静态时,V,BE,=0.7V,，所有电容对交流可视为短路,（,1,）静态时集电极电位,V,CQ,=,？,（,2,）若输入电压有效值,10mV,，则输出电压有效值多少？,