模拟电路--三极管.ppt

第二章双极型晶体三极管 BJT 晶体三极管的工作原理 三极管的伏安特性曲线 三极管的特性参数 三极管的小信号模型 BipolarJunctionTransistor 2 4BJT简化直流模型及工作状态分析 BJT是一种复杂的非线性器件三种截然不同的工作状态 放大 模拟放大电路截止 数字电路饱和 数字电路工作状态的分析方法图形分析法 输入和输出特性曲线及负载线 见第3章 模型分析法 BJT的直流模型 静态工作点 由外电路偏置的晶体管 其各极直流电流和极间电压将对应于伏安特性曲线上的一个点 简称Q点 2 4 1BJT的简化直流模型 输入 输出特性曲线 简化的输入 输出特性曲线 线性化 简化的直流模型 模型化 图2 9晶体管伏安特性曲线的折线近似 截止状态模型放大状态模型饱和状态模型 特点 三个电极间均开路 模型 条件 e结反偏 c结也反偏时 晶体管处于截止状态 图2 10截止状态模型 截止状态模型 控制的电流源 条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置特点 当外电路使e结正偏而导通时 相当于b e极间接有一个恒压源 c e极间接有一个受 2 放大状态模型 模型 3 饱和状态模型 条件 e结正偏 c结正偏 特点 c结零偏时 即 临界饱和 压降 c结正偏时 BJT处于深度饱和状态 此时饱和压降 对于NPN管 由于 则B极电位最高 对于PNP管 由于 则B极电位最低 模型 2 4 2BJT工作状态分析 BJT的工作状态的分析方法 发射结 导通 截止 截止状态 放大状态 饱和状态 临界饱和假定法放大状态假定法 假定放大状态法 假定BJT处于放大状态 计算VCEVCB 集电结反偏 集电结正偏 放大状态 饱和状态 临界饱和法 假定BJT处于临界饱和状态 计算临界饱和电流ICS和IBS IB IBS IB IBS 放大状态 饱和状态 IB IBS 临界饱和状态 放大电路小信号运用时 在静态工作点附近的小范围内 特性曲线的非线性可忽略不计 近似用一段直线来代替 从而获得一线性化的电路模型 即小信号 或微变 电路模型 2 5BJT交流小信号模型 2 5BJT交流小信号模型 建立BJT交流小信号模型的意义 BJT是非线性器件 线性器件 非线性电路 线性电路 线性化 线性化 静态工作点附近 混合 型电路模型的引出 ib 混合 型小信号电路模型 若忽略rb c影响 整理即可得出混 电路模型 电路低频工作时 可忽略结电容影响 因此低频混 电路模型简化为 ib ib 简化的低频电路模型 13 在稳压电路中 如何保证稳压二极管正常工作 13 在稳压电路中 如何保证稳压二极管正常工作 合理选取限流电阻 才能保证稳压管正常工作 IZmin IZ IZmax 输入电压必须大于反向击穿电压 14 杂质半导体分为 型和 型 自由电子是 型半导体中的多子 空穴是 型半导体中的少子 15 普通硅二极管的导通电压的典型值大约为 V 而锗二极管的导通电压的典型值大约为 V 16 晶体管工作在放大区时 b e极间为 偏置 工作在饱和区时 b e极间为 偏置 b c极间为 偏置 17 与的关系 共射直流电流放大系数 共基直流电流放大系数 18 当输入信号频率增加到使双极型晶体管的 下降为1时 该频率称为晶体管的 频率 14 杂质半导体分为 型和 型 自由电子是 型半导体中的多子 空穴是 型半导体中的少子 15 普通硅二极管的导通电压的典型值大约为 V 而锗二极管的导通电压的典型值大约为 V 16 晶体管工作在放大区时 b e极间为 正向 偏置 b c极间为 反向 偏置 工作在饱和区时 b e极间为 正向 偏置 b c极间为 正向 偏置 17 与的关系 共射直流电流放大系数 共基直流电流放大系数 18 当输入信号频率增加到使双极型晶体管的 下降为1时 该频率称为晶体管的 特征 频率 用小信号模型分析共射极基本放大电路 交流等效电路的画法 a 放大电路中输入 输出电容短接把直流电源短接 b 用简化的三极管低频等效电路代替三极管 c 保证原电路中各元件连接不变 d 正确标示放大电路的输入和输出 第3章晶体管放大电路基础 全书重点 3 1放大电路的工作原理及分析方法3 2BJT偏置电路 直流通路 提供合适的静态工作点Q点 保证BJT发射结正偏 集电结反偏 放大信号始终处在放大工作区 避免出现截止及饱和失真 介绍固定基流电路 基极分压射极偏置电路 第三章晶体管放大电路基础 全书重点 3 3放大电路的技术指标及基本放大电路本节讨论小信号放大器的基本指标 电压放大倍数 电压增益 源电压放大倍数 源电压增益 交流输入电阻 交流输出电阻 功率增益等 第5章将讨论放大器的上 下限频率 通频带 频率失真等频率指标 第6章将讨论大信号放大器的非线性失真 输出功率和效率等指标 基本放大电路 共射 共基 共集 3 4多极放大电路 自学 3 1放大电路的工作原理及分析方法 1放大的概念 所谓 放大 是指将一个微弱的交流小信号 叠加在直流工作点上 通过一个装置 核心为三极管 场效应管 得到一个波形相似 不失真 但幅值却大很多的交流大信号的输出 这个装置通常就是晶体管 场效应管放大电路 因此 放大作用的实质是晶体管的电流 电压或功率的控制作用 电压放大电路可以用有输入口和输出口的双端口网络表示 如图 Au 1 放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号 输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大 输出信号的能量得到了加强 基本放大电路 一般是指由一个三极管或场效应管 第四章介绍 组成的放大电路 可以将基本放大电路看成一个双端口网络 2 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的 只是经过三极管的控制 使之转换成信号能量 提供给负载 3 晶体管为耗能元件 2放大器的组成原则 直流偏置电路 即直流通路 要保证器件工作在放大模式 交流通路要保证信号能正常传输 即有输入信号ui时 应有uo输出 2放大器的组成原则 判断一个电路是否具有放大作用 关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理 若有任何一部分不合理 则该电路就不具有放大作用 元件参数的选择要保证信号能不失真地放大 即电路需提供合适的Q点和适合的放大倍数 放大器的工作原理 基本放大电路的组成 简化 1 两个电源用一个VCC 去掉VBB Rb改接由VCC供电 输入 输出端加上耦合电容 2 公共端接地 设其电位为0V 其他各点电位以它做参考点 因此可不画VCC 只标出极性和大小 1 基本放大电路的组成 放大器的工作原理 基本组成如下 三极管T负载电阻RL偏置电路VCC RC Rb耦合电容C1 C2 起放大作用 将变化的集电极电流转换为电压输出 使三极管工作在线性区给输出信号提供能量 起隔直作用 对交流起耦合的作用 3放大电路的分析方法 放大电路分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变 小信号 等效电路法 图解法 计算机仿真 静态 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 放大管的直流电流电压称为放大器的静态工作点Q 静态工作点Q由直流通路求解 动态 时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 放大器工作时 信号 电流 电压 均叠加在静态工作点上 只反映信号电流 电压间关系的电路称为交流通路 放大器中的电压参考点称为 地 放大电路建立正确的静态工作点 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要正确地区分静态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 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 直流通路 ui 0 分析静态 交流通路 ui 0 分析动态 只考虑变化的电压和电流 直流通路和交流通路 直流通路 只考虑直流信号的分电路 交流通路 只考虑交流信号的分电路 直流通路和交流通路 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号 但是 电容对交 直流的作用不同 如果电容容量足够大 可以认为它对交流不起作用 即对交流短路 而对直流可以看成开路 这样 交直流所走的通道是不同的 直流通路 只考虑直流信号的分电路 画直流通路时应将电容开路 电容不通直流 电感短路 电感上直流电压为零 直流通路是能通过直流的通道 将电路中的耦合电容和旁路电容开路 即可得到 直流通路 只考虑直流信号的分电路 画直流通路时应将电容开路 电容不通直流 电感短路 电感上直流电压为零 直流通路 只考虑直流信号的分电路 求静态工作点Q IBQ ICQ UCEQ 画直流通路时应将电容开路 电容不通直流 电感短路 电感上直流电压为零 交流通路 只考虑交流信号的分电路 请同学画 画交流通路时应将电压源短路 无交流电压 电流源开路 无交流电流 耦合 傍路电容短路 无交流电压 工作原理 放大电路的交流通路 交流通路 只考虑交流信号的分电路 画交流通路时应将恒压源短路 无交流电压 恒流源开路 无交流电流 耦合 傍路电容短路 无交流电压 一 放大电路的静态分析 工作原理 静态 i 0时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 静态分析 确定放大电路的静态值IBQ ICQ UCEQ 即静态工作点Q 静态工作点的位置直接影响放大电路的质量 静态分析方法 计算法 图解分析法 1 计算法 借助于放大电路的直流通路来求 直流通路是能通过直流的通道 将电路中的耦合电容和旁路电容开路 即可得到 放大电路的静态分析 工作原理 1 估算法 重点 Si管 UBEQ 0 7V Ge管 UBEQ 0 3V 2 求静态值IBQ ICQ和UCEQ 1 首先画出直流通路 求解顺序是先求IBQ ICQ UCEQ 1 直流通路 用估算法分析放大器的静态工作点 IBQ ICQ UCEQ 2 估算IBQ UBEQ 0 7V Rb称为偏置电阻 IBQ称为偏置电流 3 估算UCEQ ICQ ICQ UCEQ ICQ IBQ 例1 用估算法计算静态工作点 已知 VCC 12V RC 4K RB 300K 37 5 例1 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 UBEQ 0 7V 放大电路的静态分析 工作原理 2 图解法 放大电路的输入和输出直流负载线 三极管的输入和输出特性曲线 确定静态工作点 1 由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ UBEQ UBE VCC IBRb 直流负载线 VCC Rb VCC IBQ Q 1 Rb 作出直流负载线 直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q 由Q可确定IBQ UBEQ UCE VCC ICRc 直流负载线 1 由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ UBEQ 放大电路的静态分析 工作原理 2 图解法 2 由输出特性曲线和输出直流负载线求ICQ UCEQ 求两点 IC 0UCE VCC UCE 0IC VCC Rc 作出直流负载线 直流负载线和输出特性曲线的有多个交点 只有与iB IBQ对应的那条曲线的交点才是静态工作点Q 放大电路的静态分析 2 图解法 工作原理 由图可见 如改变IBQ的数值 便可改变静态工作点的位置 从而影响放大电路的放大质量 1 由直流负载列出方程UCE UCC ICRc2 在输出特性曲线上确定两个特殊点 即可画出直流负载线 关键 直流负载线的确定方法 3 在输入回路列方程式UBE UCC IBRb 4 在输入特性曲线上 作出输入负载线 两线的交点即是Q 5 得到静态工作点Q点的参数IBQ ICQ和UCEQ 放大电路的静态分析 2 图解法 工作原理 VCC VCC Rc 二 放大电路交流 动态 分析 工作原理 动态 有输入信号Ui 0时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 放大电路的交流通路 动态分析 确定放大电路的放大倍数AU或AI输入电阻ri和输出电阻ro 画交流通路原则 1 固定不变的电压源都视为短路 2 固定不变的电流源都视为开路 3 视电容对交流信号短路 放大电路交流 动态 分析 工作原理 1 放大电路的交流通路 2 放大电路的工作过程 当有交流信号ui加到放大器的输入端时 晶体管各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量 此时电路中的信号既有直流 又有交流 放大电路的图解分析方法 通过作图的方法求AU AI及放大电路的最大不失真电压 交流负载线 放大器工作时动态工作点的运动轨迹 交流负载线确定方法 1 通过输出特性曲线上过Q点做一条斜率为1 RL 直线 2 交流负载电阻RL RL Rc 3 交流负载线是有交流输入信号时 放大器工作时动点 vCE iC 的运动轨迹 比直流负载线要陡 图解分析方法 图解分析 1 求出静态工作点Q 2 画出交流通路 求出交流负载电阻 RL Rc RL 3 以Q为基准 在输入特性曲线上 根据ui的变化波形求出ib的波形及幅值Ibm 作出交流负载线 放大电路交流 动态 分析 图解分析方法 图解分析 确定放大器的最大工作范围 最大不失真电压 Ucm min Ucm1 Ucm2 通过图解分析 可得如下结论 1 可确定输出信号的动态范围 2 可以计算出放大电路的电压放大倍数 3 可以确定最大不失真输出幅度 Rb 为什么要设置静态工作点Q 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 A合适的静态工作点Q 图解分析 不截止Ucm1 不饱和Ucm2 B Q点过高 信号进入饱和区 放大电路产生饱和失真 C Q点过低 信号进入截止区 放大电路产生截止失真 D双向失真 不截止Ucm1 不饱和Ucm2 饱和失真 截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真 波形的失真 双向失真 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 需要 1 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 2 要有合适的交流负载线 3 输入信号的幅度不能太大 工作点位置合适信号过大而引起的非线性失真 4 放大倍数不能太大 厄利电压当这些曲线外插到零电流之数值时 他们会相交于负电压轴上之一点 基极宽度的减少导致少数载子浓度的梯度增加 故而增大了流经基极的扩散电流 所以当集 射极电压增加时 集极电流随之增加 此即厄利效应的成因 练习 固定基流偏置电路如图所示 已知 BJT的 1 计算静态工作点Q 并分析Q点设置的是否合适 2 当 和BJT不变时 要使 可以改变哪些参数