双极型三极管及放大电路

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,*,*,*,3 双极型三极管及其放大电路,3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 小信号模型分析法,3.5 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,3.7 放大电路的频率响应,3.1 半导体BJT,1,3.1双极型三极管,(,BJT,),又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(,Bipolar Junction Transistor,),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：,NPN,和,PNP,型。,主要以 NPN 型为例进行讨论。,三极管的外形,2,3,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN型,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP型,结构与分类,两个PN结、三个引脚，两种类型：NPN和PNP型。,一、 BJT的结构、符号及放大条件,集电结,发射结,4,B,E,C,NPN,型三极管,B,E,C,PNP,型三极管,BJT,符号,N,P,N,C,B,E,P,N,P,C,B,E,由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有,电流放大,作用。,5,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,基区：,较薄，掺杂浓度最低,集电区：,面积较大,发射区：,掺杂浓度最高,结构特点,6,BJT放大的内部条件,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。,管芯结构剖面示意图,7,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,c,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流I,E,。,I,E,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流I,B,，多数扩散到集电结。,I,B,BJT放大的外部条件：,发射结正偏，集电结反偏,8,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,c,I,E,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成I,C,。,I,C,I,C,I,B,三极管能放大电流的必要条件：,发射结正偏，集电结反偏。,根据KCL,I,E,=,I,B,+,I,C,9,令,=,I,C,/,I,E,为共基极电流放大倍（系）数, 1 (10100),一般放大电路采用3080为宜，太小放大作用差，太大性能不稳定。,10,因为,I,C,=,I,E,I,B,=,I,E,I,C,=,I,E,I,E,=,I,E,（1,）,所以,=,I,C,/,I,B,=,I,E,/,I,E,（1,）,=,/(1-,),即为,与的关系,对NPN管，放大时,V,C, V,B, V,E,对PNP管，放大时,V,C, V,B,0，集电结已进入反偏状态，同样的,v,BE,下,I,B,减小，特性曲线右移。,v,CE,= 0V,v,CE,1V,(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,二、 BJT的特性曲线,（以共射极放大电路为例）,此时，曲线基本相同，为一般常用曲线。,12,(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,13,i,C,=,f,(,v,CE,),i,B,=const,2.输出特性曲线,饱和区：Je正偏，Jc正偏,。,该区域内，一般v,CE,I,B,，,此时，,不随温度变化而变化。,V,B,V,BE,且,R,e,可取,大些，反馈控制作用更强。,一般取,I,1,=(510),I,B,，,V,B,=3,V,5,V,62,2. 放大电路指标分析,静态工作点,63,电压增益,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求r,be,增益,V,o,V,i,-,I,b,(,R,C,/,R,L,),I,b,r,be,+(1+,),R,e,=,A,V,=,-,(,R,C,/,R,L,),=,r,be,+(1+,),R,e,c,e,b,R,b1,R,L,V,i,+,-,V,o,+,-,R,b2,R,b,=,R,b1,/,R,b2,R,e,R,c,r,be,I,b,I,b,I,e,I,c,小信号等效电路,V,i,=,I,b,r,be,+,I,e,R,e,=,I,b,r,be,+,I,b,(1+,),R,e,V,o,= -,I,b,(,R,c,/,R,L,),64, 输入电阻,由电路列出方程,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,I,T,=,I,Rb,+,I,b,V,T,=,I,Rb,(,R,b1,/,R,b2,),V,T,=,I,b,r,be,+,I,e,R,e,=,I,b,r,be,+,I,b,(1+,),R,e,=,R,b1,/,R,b2,/,r,be,+(1+,),R,e,T,I,V,T,R,i,=,根据定义,T,I,V,T,R,i,=,射极偏置电路的输入电阻,R,b1,c,e,b,R,b2,R,b,=,R,b1,/,R,b2,R,e,R,c,r,be,I,b,I,b,I,e,I,c,V,T,+,-,I,T,Ri,65, 输出电阻,o,令,R,o,R,c,所以,若考虑,r,ce,的作用，参见67,66,直流通路,3. 固定偏流电路与射极偏置电路的比较,静态：,共射极放大电路,R,C,V,CC,C,b1,R,e,R,b1,b,c,e,i,C,i,B,i,E,+,v,i-,_,R,L,+,v,o_,C,b2,R,b2,i,1,射极偏置电路,直流通路,R,C,V,CC,Re,R,b1,b,c,e,R,b2,67,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,R,o,=,R,c,思考,：,射极偏置电路应如何改进，才可以使其既具有温度稳定性，,又具有与固定偏流电路相同的动态指标？,r,be,L,c,),/,(,R,R,b,-,=,V,A,e,),-,=,1,be,(,R,r,b,+,+,L,c,),/,(,R,R,b,V,A,i,be,V,b,i,i,I,R,=,/,r,R,=,c,e,b,R,b1,R,L,V,i,+,-,V,o,+,-,R,b2,R,b,=,R,b1,/,R,b2,R,e,R,c,r,be,I,b,I,b,I,e,I,c,射极偏置电路,R,b,v,i,R,c,R,L,固定偏置电路,68,69,1,end,70,3.5 共集电极电路和共基极电路,静态工作点,动态指标,静态工作点,动态指标,三种组态的比较,3.5.1 共集电极电路,3.5.2 共基极电路,71,3.5.1 共集电极电路,1. 电路分析,共集电极电路,结构如图示,该电路也称为,射极输出器,（）静态分析,求静态工作Q点,由,得,72,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,r,be,增益,1. 电路分析,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,电压跟随器,73,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,当,，,时，,1. 电路分析,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则,输出电阻,当,，,时，,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,#,既然共集电极电路的电压增益小于1（接近于1），那么该电路没有放大作用。这种说法是否正确？,74,3.5.2 共基极电路,1. 静态工作Q点,直流通路与射极偏置电路相同,直流通路,R,C,V,CC,Re,R,b1,b,c,e,R,b2,75,2. 动态指标,电压增益, 输入电阻, 输出电阻,# 共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？,输入回路,V,i,=-,I,b,r,be,V,o,=-I,c,R,L,=-,I,b,R,L,电压增益,输出回路,A,V,=,V,i,V,o,-,I,b,r,be,-,I,b,R,L,=,R,L,r,be,=,R,i,=,r,eb,=,V,i,-,I,e,r,be,1,+,=,-(1,+,),I,b,-,I,b,r,be,=,R,i,=,I,i,V,i,r,be,1,+,=R,e,/,r,eb,=,R,e,/,r,be,1,+,76,3. 三种组态的比较,1) 连接方式不同：,基极输入，集电极输出；,基极输入，发射极输出；,发射极输入，集电极输出；,共射极电路,共集电极电路,共基极电路,77,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,2） 动态特性不同：,3） 用途不同：,共发射极电路,：,既能放大电流又能放大电压，应用广泛，多用于多级放大电路的中间级；,共基极电路,：只能放大电压不能放大电流，稳定性好，频带宽，多用于高频或宽频带电路及恒流源电路,。,end,共集电极电路,：,只能放大电流不能放大电压，输入电阻高、输出电阻低，多用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级,；,共射极电路共集电极电路共基极电路,78,1,2,1,2,1,2,1,2,复合管（,也称为,达林顿,管,）,作用：提高电流放大系数，,增大输入电阻,r,be,根据组成复合管的BJT的类型不同,分为：,（,）,同种类型的BJT复合，其复合管保持组成管的特性；,（2）不同类型的BJT复合，则复合管与第一只管特性相同。, = ,1,2,79,3.6 多极放大电路,在放大电路的实际应用中，为了使微弱的信号得到足够的放大，即获得足够高的增益或考虑输入电阻、输出电阻的特殊要求，常常将多个,基本放大电路,合理的连接起来，构成,多级放大电路,。,组成多极放大电路的每一个基本放大电路称为一级，,级与级之间的连接,称为,级间耦合，,常见的级间耦合方式有：,（1）,阻容耦合 （2）直接耦合,（3）变压器耦合（4）光电耦合。,不,管采用何种耦合方式，都必须保证：,各级都有合适的静态工作点；前级的输入信号能顺利的传送到后一级的输入端。,80,一、阻容耦合,将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为,阻容耦合,两极阻容耦合放大电路,特点：,级与级之间无直流通路，各级电路的静态工作点相互独立，在求解或调试点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行；,低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；,由于在集成电路中制造大电容很困难，甚至不可能，所以不便于集成化。,多极放大电路的耦合方式,81,二、直接耦合,将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为,直接耦合,直接耦合放大电路静态工作点的设置,特点：,各级之间直流通路相连，静态工作点相互影响，给电路的分析、设计和调试带来一定困难（当然可通过运用计算机辅助分析软件解决之）；,具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；,电路中没有大电容易于制成集成放大电路；,存在,零点漂移,现象。,82,三、变压器耦合,将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为,变压器耦合,图（a）为变压器耦合共射放大电路，R,L,既可以是实际的负载电阻，也可以代表后级放大电路，图（b）是他的交流等效电路。,特点：,前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试；,低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重更不能集成化；,可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用,。,83,变压器耦合的阻抗变换,84,四、光电耦合,光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。,光电耦合器,是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘的组合在一起，如下图所示：,光电耦合器及其传输特性,85,信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路。当动态信号为零时，输入回路有静态电流 I,DQ,，输出回路有静态电流,I,CQ,，从而确定出静态管压降U,CEQ,。,光电耦合放大电路,当有动态信号时，随着,i,D,的变化,i,c,将产生线性变化，电阻 R,C,将电流的变化转换成电压的变化。,86,多极放大电路的动态分析,多级放大电路方框图,前级的输出电压是下级的输入电压；,前级的输出电阻是下级的信号源内阻；,下级的输入电阻是前级的负载电阻；,第一级的输入电阻就是放大电路的输入电阻；,最后一级的输出电阻就是放大电路的输出电阻。,87,多级放大电路的电压放大倍数,和输入、输出电阻,一、电压放大倍数,总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即,其中，,n,为多级放大电路的级数。,二、 输入电阻和输出电阻,通常，多级放大电路的输入电阻就是,输入级的输入电阻,；输出电阻就是,输出级的输出电阻。,具体计算时，有时它们不仅仅决定于本级参数，也与后级或前级的参数有关。,88,多极放大电路的微变等效电路,89,图示两级直接耦合放大电路中，已知：,R,b1,= 240 k,，,【,例1,】,R,c1,= 3.9 k,，,R,c2,= 500,，稳压管 VDz 的工作电压,U,Z,= 4 V，三极管 VT,1,的,1,= 45,，VT2 的,2,= 40，,V,CC,= 24 V，,试计算各级静态工作点。,R,c1,R,b1,+V,CC,+,VT,1,+,R,c2,VT,2,VDz,u,I,u,O,i,B1,i,C1,i,R,c1,i,B2,i,C2,解：设,U,BEQ1,=,U,BEQ2,= 0.7 V，,则,U,CQ1,=,U,BEQ2,+,U,z,= 4.7 V,如,I,CQ1,由于温度的升高而增加 1%，计算静态输出电压 的变化。,90,I,CQ1,=,1,I,BQ1,= 4.5 mA,I,BQ2,=,I,R,c1,I,CQ1,= (4.95 4.5 ) mA = 0.45 mA,I,CQ2,=,2,I,BQ2,= (40, 0.45 ) mA = 18,mA,U,O,=,U,CQ2,=,V,CC,I,CQ2,R,C2,= (24 18, 0.5 ) V = 15 V,U,CEQ2,=,U,CQ2,U,EQ2,= ( 15 4 ) V = 11 V,当,I,CQ1,增加 1% 时，即,I,CQ1,= (4.5, 1.01) mA = 4.545 mA,I,BQ2,= (4.95,-,4.545,) mA = 0.405 mA,I,CQ2,= (40, 0.405) mA = 16.2 mA,U,O,=,U,CQ2,= (24 16.2, 0.5)V = 15.9 V,比原来升高了 0.9 V ， 约升高 6%。,91,R,c1,R,b1,+V,CC,+,VT,1,+,R,c2,VT,2,VDz,u,I,u,O,i,B1,i,C1,i,R,c1,i,B2,i,C2,【,例2,】,图示电路中，,R,b1,= 240 k,，,R,c1,= 3.9 k,，,R,c2,= 500,，,U,Z,= 4 V，,1,= 45,，,2,= 40，,V,CC,= 24 V，,设稳压管的,r,z,= 50,。试估算总的电压放大倍数，,以及输入、输出电阻,R,i,和,R,o,。,解：,估算,A,u,1,时，应将第二级,R,i2,作为第一级的负载电阻。,92,所以,93,直接耦合放大电路的零点漂移现象,一个理想的直接耦合放大电路，当输入信号为零时，其输出信号应保持为恒定（即,静态输出电压,）。但实际的直接耦合放大电路，输入端短路时（即,u,i,=0），输出电压会随时间的变化而偏离原来的起始值而上下缓慢地波动，这种现象称为,零点漂移,，简称,零漂,。,零点漂移现象,94,零漂,-,就是,工作点的漂移,。,在直接耦合电路中，前级的零漂将被逐级放大，从而在输出端可能将有用的信号淹没，严重时甚至使后级电路进入饱和或截止状态而无法正常地工作。所以要,抑制零点漂移,。,输入级的零漂,对电路的影响最大。看一个放大器的,零漂,是否严重，不能只看输出级的电压漂移的大小，还要看放大器的放大倍数。所以，一般都是将输出零漂值折算到输入端，用,等效输入零漂电压,来衡量,零漂,的大小。,折算公式,v,id,=,v,od,A,V,v,od,A,V,=,输出漂移电压,电压放大倍数,输入端等效漂移电压,95,抑制,温度漂移,的方法归纳如下,：,）在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路中的Re所起的作用；,）采用温度补偿的方法利用热敏元件来抵消放大管的变化,；,）采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成,“,差分式放大电路,”,，这就是集成运放均采用差分式放大电路做为输入级的主要原因之一。这个方法也可归结为,温度补偿,。,由,温度变化,引起的半导体器件参数的变化，是产生零点漂移的,主要原因,，因而零点漂移也称为,温度漂移,，简称,温漂,。,end,96,