晶体管及其放大电路.ppt

2 1晶体管 2 2放大的概念及放大电路的性能指标 2 3共发射极放大电路的组成及工作原理 2 4放大电路的图解分析法 2 5放大电路的微变等效电路分析法 2 6分压式稳定静态工作点电路 2 7共集电极放大电路 2 8共基极放大电路 2 9组合单元放大电路 小结 第2章晶体管及其基本放大电路 2 1晶体管 2 1 1晶体三极管 2 1 2晶体三极管的特性曲线 2 1 3晶体三极管的主要参数 SemiconductorTransistor 2 1 1晶体三极管 一 结构 符号和分类 发射极E 基极B 集电极C 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN型 PNP型 分类 按材料分 硅管 锗管 按功率分 小功率管 500mW 按结构分 NPN PNP 按使用频率分 低频管 高频管 大功率管 1W 中功率管0 5 1W 二 电流放大原理 1 三极管放大的条件 内部条件 发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大 外部条件 发射结正偏集电结反偏 2 满足放大条件的三种电路 共发射极 共集电极 共基极 3 三极管内部载流子的传输过程 1 发射区向基区注入多子电子 形成发射极电流IE ICN 多数向BC结方向扩散形成ICN IE 少数与空穴复合 形成IBN IBN ICBO IB IBN IB ICBO 即 IB IBN ICBO 2 电子到达基区后 基区空穴运动因浓度低而忽略 ICN IE IBN ICBO IB 3 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC IC IC ICN ICBO 4 三极管的电流分配关系 当管子制成后 发射区载流子浓度 基区宽度 集电结面积等确定 故电流的比例关系确定 即 IB IBN ICBO IC ICN ICBO 穿透电流 IE IC IB 2 1 2晶体三极管的特性曲线 一 输入特性 输入回路 输出回路 与二极管特性相似 特性基本重合 电流分配关系确定 特性右移 因集电结开始吸引电子 导通电压UBE on 硅管 0 6 0 8 V 锗管 0 2 0 3 V 取0 7V 取0 3V 二 输出特性 截止区 IB 0IC ICEO 0条件 两个结反偏 截止区 ICEO 2 放大区 放大区 截止区 条件 发射结正偏集电结反偏特点 水平 等间隔 ICEO 3 饱和区 uCE uBE uBC uBE uCE 0 条件 两个结正偏 特点 IC IB 临界饱和时 uCE uBE 深度饱和时 0 3V 硅管 UCE SAT 0 1V 锗管 放大区 截止区 饱和区 ICEO 三 温度对特性曲线的影响 1 温度升高 输入特性曲线向左移 温度每升高1 C UBE 2 2 5 mV 温度每升高10 C ICBO约增大1倍 T2 T1 温度每升高1 C 0 5 1 2 温度升高 输出特性曲线向上移 输出特性曲线间距增大 O 2 1 3晶体三极管的主要参数 一 电流放大系数 1 共发射极电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 Q 2 共基极电流放大系数 1一般在0 98以上 Q 二 极间反向饱和电流 CB极间反向饱和电流ICBO CE极间反向饱和电流ICEO 三 极限参数 1 ICM 集电极最大允许电流 超过时 值明显降低 2 PCM 集电极最大允许功率损耗 PC iC uCE U BR CBO 发射极开路时C B极间反向击穿电压 3 U BR CEO 基极开路时C E极间反向击穿电压 U BR EBO 集电极极开路时E B极间反向击穿电压 U BR CBO U BR CEO U BR EBO 2 2 1 放大的概念 2 2概述 一 扩音机示意图 1 输入量控制输出量 2 把直流能量转换成按输入量变化的交流能量 二 方框图 直流电源 信号源 放大电路 负载 示意方框图 三 放大电路的四端网络表示 us 信号源电压 Rs 信号源内阻 RL 负载电阻 ui 输入电压 uo 输出电压 ii 输入电流 io 输出电流 2 2放大电路的主要性能指标 电压增益Au dB 20lg Au 一 放大倍数 电压放大倍数Au uo ui 电流放大倍数Ai io ii 电流增益Ai dB 20lg Ai 放大电路主要用于放大微弱的电信号 输出电压或电流在幅度上得到了放大 这里主要讲电压放大电路 二 输入电阻 Ri越大 ui与us越接近 例us 20mV Rs 600 比较不同Ri时的ii ui 当信号源有内阻时 三 输出电阻 放大电路的输出相当于负载的信号源 该信号源的内阻称为电路的输出电阻 计算 0 测量 uot 负载开路时的输出电压 uo 带负载时的输出电压 Ro越小 uot和uo越接近 四 通频带 电抗元件 主要是电容 使放大电路对不同频率输入信号的放大能力不同 反映在 Au f 幅频特性 f 相频特性 1 幅频特性和相频特性 2 频带宽度 带宽 BW Aum fL fH 下限频率 上限频率 中频段 低频段 高频段 BW0 7 BW0 7 fH fL BandWidth 2 3晶体管放大电路的组成及其工作原理 2 3 1共射基本放大电路的组成 2 3 2共射基本放大电路的工作原理 1 发射结加正向电压 集电结加反向电压2 把信号源加到b e之间3 放大后的交流输出信号能够传送到负载上去以上三条是判断三极管放大电路能否放大的依据 三条必须同时满足 2 3 1共射基本放大电路的组成 交流输出传送到负载 发射结加正向电压 集电结加反向电压 RB 单电源供电 VCC RC C1 C2 T uo 2 3 2共射基本放大电路的工作原理 1 静态 ui 0 2 动态 ui 0 若输入为正弦信号 IBQ ui O t O t O t uo O t O t ICQ UCEQ B Q O 符号说明 IB ib Ic ic UCE uce UBE uce IBQ ui O t iB O t uCE O t uo O t iC O t ICQ UCEQ UBEQ uBE O t 2 4图解分析法 2 4 2动态工作情况分析 2 4 1静态工作情况分析 引言 引言 基本思想 非线性电路经适当近似后可按线性电路对待 利用叠加定理 分别分析电路中的交 直流成分 分析三极管电路的基本思想和方法 放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态 静态分析的任务是根据电路参数和三极管的特性确定静态值 直流值 UBE IB IC和UCE 可用放大电路的直流通路来分析 2 4 1静态工作情况分析 Rb 为什么要设置静态工作点 放大电路建立正确的静态工作点 是为了使三极管工作在线性区以保证信号不失真 将交流电压源短路将电容开路 一 静态工作点的估算 1 直流通路 静态工作点 IB UBE IC UCE 2 估算 1 估算IB UBE 0 7V Rb称为偏置电阻 IB称为偏置电流 2 估算UCE IC IC IB 例 用估算法计算静态工作点 已知 VCC 12V RC 4k Rb 300k 37 5 解 请注意电路中IB和IC的数量级 UBE 0 7V R VCC RC T IC UBE UCE IC UCE IB UBE 二 用图解法确定静态工作点 1 在输入回路中确定 IB UBE 根据输入特性曲线及直流负载线方程 BE V BRB 输入回路图解 Q 静态工作点 VCC VCC RB UBEQ IBQ O 可在输入特性曲线找出静态工作点 uCE VCC iCRC 输出回路图解 VCC VCC RC O Q UCEQ ICQ iB 根据输出特性曲线及直流负载线方程 2 在输出回路中确定 IC UCE IB UBE 和 IC UCE 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 直流负载线 三 电路参数对静态工作点的影响 1 改变RB 其他参数不变 RB iB Q趋近截止区 RB iB Q趋近饱和区 2 改变RC 其他参数不变 RC Q趋近饱和区 2 4 2用图解法确定动态工作情况 一 输出空载时的图解法 1 根据ui在输入特性上画出ib和ube 0 7V Q ui IBQ 2 根据ib在输出特性上画出ic和uce 说明uce和ui反向 同时可以求出电压放大倍数 0 7V Q ui Ot IBQ Q Q Q Ot ICQ UCEQ 各点波形 uo比ui幅度放大且相位相反 二 接上负载为RL时的图解法 RL 输出端接入负载RL 不影响Q 影响动态 2 目的 3 画法 1 含义 1 交流通路 对交流信号 输入信号ui 1 C 0 将直流电压源短路 将电容短路 方法和步骤 交流通路 2 交流负载线 1 方程 其中 iC UCE VCC IB 交流负载线 直流负载线 Q ICQ UCEQ ICQRL 交流量ic和uce有如下关系 这就是说 交流负载线的斜率为 2 交流负载线的作法 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 IB 交流负载线 直流负载线 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 u i u R L 直流负载线是用来确定工作点的 交流负载线是用来画出波形 分析波形失真 注意 1 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹 2 空载时 交流负载线与直流负载线重合 三 放大电路的非线性失真问题 1 Q 过低引起截止失真 NPN管 顶部失真为截止失真 PNP管 底部失真为截止失真 不发生截止失真的条件 IBQ Ibm 2 Q 过高引起饱和失真 ICS NPN管 底部失真为饱和失真 PNP管 顶部失真为饱和失真 IBS 基极临界饱和电流 不发生饱和失真的条件 IBQ Ibm IBS 3 选择工作点的原则 当ui较小时 为减少功耗和噪声 Q 可设得低一些 为获得最大输出 Q 可设在交流负载线中点 为提高电压放大倍数 Q 可以设得高一些 4 最大输出电压幅度 放大电路在电路参数确定的条件下 输出端不发生饱和失真 和截止失真的最大输出信号电压的幅值称为最大不失真输出 电压幅值 Uom M 放大器最大不失真输出电压的峰值 Uom M为UF UR所确定的数值中较小的一个 1 受截止失真限制最大不失真输出电压UF的幅度 2 受饱和失真限制最大不失真输出电压UR的幅度 Uom M min UR UF 例2 6 优点 可以直观全面地了解放大电路的工作情况 通过选择电路参数在特性曲线上合理地设置静态工作点 分析最大不失真输出电压 失真情况并估算动态工作范围 缺点 在特性曲线上作图比较繁琐 误差大 信号频率较高时 特性曲线不再适用 因此图解法只适合分析输出幅值比较大且工作频率较低的情况 在分析其他动态指标 如输入电阻 输出电阻等时比较困难 下一节将要讨论更为简便有效的分析方法 微变等效电路分析法 图解法的优缺点 2 5微变等效电路分析法 2 5 3H参数小信号模型 2 5 2H参数的引出 2 5 1引言 一建立小信号模型的意义 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 就是在一定的条件下 工作点附近 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 2 5 1引言 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 二建立小信号模型的思路 2 5 2H参数的引出 在小信号情况下 对上两式取全微分得 对于BJT双口网络 我们已经知道输入输出特性曲线如下 uBE f iB uCE iC g iB uCE 一 求变化量之间的关系 输出端交流短路时的输入电阻 2 H参数的含义和求法 输入端电流恒定 交流开路 的反向电压传输比 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数 输入端电流恒定 交流开路 时的输出电导 四个参数量纲各不相同 故称为混合参数 H参数 2 5 3H参数小信号模型 根据 可得小信号模型 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 1 模型的简化 即rbe h11e h21euT h12erce 1 h22e 一般采用习惯符号 则BJT的H参数模型为 uT很小 一般为10 3 10 4 rce很大 约为100k 故一般可忽略它们的影响 得到简化电路 ib是受控源 且为电流控制电流源 CCCS 电流方向与ib的方向是关联的 2 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 一般也用公式估算rbe rbe rb 1 re 其中对于低频小功率管rb 100 300 则 一 等效电路的画法 共射极放大电路 2 5 4 放大电路的微变等效电路分析法 画微变等效电路 二 动态指标的计算 1 电压放大倍数的计算 负载电阻越小 放大倍数越小 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的的输入电阻 2 输入电阻的计算 根据输入电阻的定义 所以 用加压求流法求输出电阻 3 输出电阻的计算 根据定义 三 晶体管放大电路动态分析步骤 分析直流电路 求出 Q 计算rbe 画电路的交流通路 在交流通路上把三极管画成H参数模型 分析计算叠加在 Q 点上的各极交流量 分析计算电压放大倍数 输入 输出电阻及各极交流量 求 1 静态工作点 例 2 电压增益AU 输入电阻Ri 输出电阻R0 3 若输出电压的波形出现如下失真 是截止还是饱和失 真 应调节哪个元件 如何调节 解 1 2 思路 微变等效电路 AU Ri R0 3 判断非线性失真 1 是截止还是饱和失真 2 应调节哪个元件 如何调节 例 100 uS 10sin t mV 求叠加在 Q 点上的各交流量 12V 12V 510 470k 2 7k 3 6k 解 令ui 0 求静态电流IBQ 求 Q 计算rbe ICQ IBQ 2 4mA UCEQ 12 2 4 2 7 5 5 V 交流通路 小信号等效电路 分析各极交流量 分析各极总电量 uBE 0 7 0 0072sin t V iB 24 5 5sin t A iC 2 4 0 55sin t mA uCE 5 5 0 85sin t V 图解法 微变等效电路法比较 1 图解法 精度低 繁琐 适合大信号的场合 其要点是 首先确定静态工作点Q 然后根据电路的特点 做出直流负载线 进而画出交流负载线 最后 画出各极电流电压的波形 求出最大不失真输出电压 2 微变等效电路法 首先用直流通路分析静态工作点Q 画出交流通路 用晶体管的微变模型代替交流通路中的晶体管 得到放大电路的微变等效电路 通过微变等效电路求解动态性能指标 放大倍数 输入电阻和输出电阻 2 6射极偏置放大电路 当环境温度升高 这是什么失真 为什么产生失真 二 静态工作点的位置发生变化的原因 1温度对晶体管参数的影响 T ICBO 温度每升高10oC ICBO 一倍 T UBE 温度每升高1oC UBE 2 5mV T 温度每升高1oC 0 5 1 2温度对静态工作点的影响 ICQ IBQ 1 ICBO IBQ Vcc UBE RB T ICQ Q 饱和失真 ICS NPN管构成的共射放大电路 Q 过高引起底部失真 饱和失真 3工作点上移时输出波形分析 2 6 2射极偏置放大电路 特点 RB1 上偏流电阻 RB2 下偏流电阻 RE 发射极电阻 电路组成 共发射极电路 UBEQ IBQ I1 IEQ 二 稳定静态工作点的原理 1 直流通路 ICQ 若电路调整适当 可以使ICQ基本不变 2 稳定过程 原理 T ICQ ICQ RE UB固定 UBE IBQ ICQ 3 稳定的条件UB固定UB VCC RB2 RB1 RB2 1 I1 IB硅管I1 5 10 IBQ锗管I1 10 20 IBQ 2 UB UBE硅管UB 3 5 V锗管UB 1 3 V 当I1 IBQ时 只要参数RB1 RB2固定 则UB就是固定的 如果满足UB UBEQ 则可求出 故ICQ固定 达到了稳定静态工作点的目的 2 6 3静态分析求Q点 IBQ ICQ UCEQ 求法 画出直流通路求解 1 估算法 2 利用戴维南定理 同学自己做 2 6 4动态分析求AU Ri RO一画出放大电路的微变等效电路1 画出交流通路 2 画出放大电路的微变等效电路 二 计算动态性能指标 1 计算Au 2 计算输入电阻 Ri 说明公式的记法和折合的概念 uo在RE两端的电压可以忽略不计 因此Ro Rc 3 计算输出电阻RoRo uo ioUs 0RL 在RE两端并联一个电容 则放大倍数与固定偏置放大电路相同 2 6 5讨论 Ri RB1 RB2 rbe rbe 例 100 RS 1k RB1 62k RB2 20k RC 3k RE 1 5k RL 5 6k VCC 15V 求 Q Au Ri Ro 1 求 Q 解 2 求Au Ri Ro Aus Ro RC 3k 小结 分析了固定偏置放大电路产生失真的原因 分析了射极偏置放大电路稳定静态工作点的原理 重点分析计算了分压式偏置放大电路的性能指标 深入讨论了射极电阻对静态和动态的影响 为今后学习反馈建立基础概念 2 7共集电极放大电路 2 7 1电路组成及特点 射极输出器 射极跟随器 特点 1 输入b 输出e 交流地c 称共集电极电路 2 负载电阻RL接到发射极回路 故称射极输出器 IBQ VCC UBEQ RB 1 RE ICQ IBQ UCEQ VCC ICQRE 2 7 2静态分析 直流通路 交流通路 小信号等效电路 R L RE RL 2 7 3动态分析 1 电压放大倍数 1 讨论 是输入和输出同相 Au 1 Au 接近于1 即Uo与Ui相同 故称射极跟随器 2 输入电阻 讨论 Ri提高了 注意rbe与RL 串联时 一定要乘 1 即rbe 1 RL 3 输出电阻 us 0 u i iRE R S Rs RB i iRE ib ib 讨论 Ro 一般为几 几十 注意RE与rbe Rs 并联时 一定要除一个折合系数 1 射极输出器特点 应用 输入级输出级中间隔离级 Au 1输入输出同相 Ri高 Ro低 在输入级中应用 可提高输入电阻 在中间级中应用 进行阻抗变换 在输出级中应用 减小输出电阻 提高带负载能力 4 例 120 RB 300k r bb 200 UBEQ 0 7V RE RL Rs 1k VCC 12V 求 Q Au Ri Ro 解 1 求 Q IBQ VCC UBE RB 1 RE 12 0 7 300 121 1 27 A IEQ IBQ 3 2 mA UCEQ VCC ICQRE 12 3 2 1 8 8 V 2 求Au Ri Ro rbe 300 26 0 027 1 18 k Ri 300 1 18 121 0 4 51 2 k RL 1 1 0 4 k 5 自举电路 2 电路组成及特点 3 输入电阻的计算 1 问题的提出 提高Ri的电路 无C3 RB3 Ri RB1 RB2 rbe 1 RE Ri 50 510 45 k Ri RB3 RB1 RB2 rbe 1 RE Ri 100 50 510 115 k 无C3有RB3 接C3 RB3 rbe rbe Ri rbe 1 R B RE 1 R B RE Ri 51 50 10 425 k 10k 2 8共基极放大电路 2 8 1电路组成及特点 输入 发射极e输出 集电极c基极b 交流地 共基极放大电路 2 8 2 静态分析 同射极偏置放大电路 直流通路 2 8 3 动态性能指标分析 讨论 是输入和输出同相 数值与基本的共射放大电路相同 Ro RC Ri R i Ro 讨论 rbe为晶体管等效的输入电阻 当折合到发射极回路时减小到1 1 共基极放大电路的输入电阻很低 一般为几欧到几十欧 讨论 数值与基本的共射放大电路相同 共基极放大电路的特点 1 Au RO大小与共射电路相同 2 输入电阻小 Aus小 应用 很低的输入电阻 使得晶体管的结电容影响不明显 所以其频率特性是三种接法中最好的 常用于宽频带放大电路和高频电压放大的场合 基本共射放大电路 共集放大电路 Ro RC 共基放大电路 三种基本组态放大电路的比较 共发射极放大电路 电压和电流增益都较大 功率增益是最大 输入和输出电阻并不理想 频带较窄 常用作低频电压放大电路中的主放大级 多级放大电路中的中间级 共集电极放大电路 有电流增益 电压放大倍数小于且接近于1 具有电压跟随的特点 输入电阻大 输出电阻小 常被用于多级放大电路的输入级和输出级 或作为隔离用的中间级 共基极放大电路 有电压增益 没有电流增益 电流增益小于1 且具有很低的输入电阻 这使得晶体管的结电容影响不明显 所以其频率特性是三种接法中最好的 常用于宽频带放大电路和高频电压放大的场合 教学基本要求 掌握1 晶体管的特性和主要参数2 晶体管放大电路的组成原则 图解法 微变等效电路法 3 会计算晶体管放大电路的静态工作点和动态性能指标 4 掌握共射 共集放大电路的工作原理和分析方法 理解 1 晶体管结构和工作原理2 放大的基本概念 放大电路的主要指标3 各种基本放大电路的组成特点4 复合管的工作原理 了解 H参数微变等效电路的推导过程