晶体三极管及其基本放大电路解读优秀PPT.ppt

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1、第四章第四章 晶体三极管及其基晶体三极管及其基本放大电路本放大电路4.1 晶体三极管4.2 放大电路的组成原则4.3 放大电路的分析方法4.4 晶体管放大电路的三种接法4.5 放大电路的频率响应4.1 晶体三极管晶体三极管一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数五、主要参数 一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度高多子浓度很多子浓度很低，且很薄低，且很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两

2、个PN结。结。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？二、晶体管的放大原理 扩散运动形成放射极电流扩散运动形成放射极电流IE，复合运动形成基极，复合运动形成基极电流电流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因放射区多子浓度高使大量电子从放因放射区多子浓度高使大量电子从放射区扩散到基区射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到基因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩

3、散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散电流安排：电流安排：IE IEIBIBICIC IE IE扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 IB IB复合运动形成的电流复合运动形成的电流 IC IC漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数沟通电流放大系数沟通电流放大系数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？路会有穿透电流？三、晶体管的共射输入特性和输出特性为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条

4、输入特性曲的一条输入特性曲线可以取代线可以取代UCE大于大于1V的全部输入特性曲线。的全部输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到确定值曲线增大到确定值曲线右移就不明显了？右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变更的曲线。变更的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变更很大？为什么进入放大状变更很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区晶

5、体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅确定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 限制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE平安工作区平安工作区 沟通参数：沟通参数：、fT（使（使1的信号频率）的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO探讨一由图示特性求出由

6、图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。2.7uCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO清华高校 华成英 hchyatsinghua.edu 利用利用Multisim分析分析图示电路在图示电路在V2小于小于何值时晶体管截止、何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱大于何值时晶体管饱和。和。探讨二约小于约小于0.5V时时截止截止约大于约大于1V时时饱和饱和以以V2作为输入、以节作为输入、以节点点1作为输出，接受作为输出，接受直流扫描的方法可得直流扫描的方法可得输出电压与输出电压输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，之间函数关系的曲线，即电压传输特性。即电压传输特性。4.2 放大电

7、路的组成原则一、基本共射放大电路的工作原理一、基本共射放大电路的工作原理二、如何组成放大电路二、如何组成放大电路一、基本共射放大电路的工作原理VBB、Rb：使：使UBE Uon，且有，且有合适的合适的IB。VCC：使：使UCEUBE，同时作为，同时作为负载的能源。负载的能源。Rc：将：将iC转换成转换成uCE(uO)。动态信号作用时：动态信号作用时：输入电压输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、间的电压、管压降称为静态工作点管压降称为静态工作点Q，记作，记作IBQ、ICQ（IEQ）、）、UBEQ、UCEQ。共射共射1.电路的组成及各元件的作用2.设置静

8、态工作点的必要性 输出电压必定失真！输出电压必定失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但但Q点几乎影响着全部的动态参数！点几乎影响着全部的动态参数！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？时有合适的直流电流和极间电压？三、基本共射放大电路的波形分析饱和失真饱和失真底部失真底部失真截止失真截止失真顶部失真顶部失真输出和输入反相！输出和输入反相！动态信号动态信号驮载在静驮载在静态之上态之上与与iC变更变更方向相反方向相反 要想不失真，就要要想不失真，就要在信号的

9、整个周期内在信号的整个周期内保证晶体管始终工作保证晶体管始终工作在放大区！在放大区！二、如何组成放大电路静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。够获得放大了的动态信号。对好用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能对好用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流重量。少、负载上无直流重量。1.组成原则2.两种好用放大电路：（1）干脆耦合放大电路问题：问题：1.两种电源两种电源2.信号源与放大电路不信号源与放大电

10、路不“共地共地”共地，且要使信号共地，且要使信号驮载在静态之上驮载在静态之上静态时，静态时，动态时，动态时，b-e间电压是间电压是uI与与VCC的共同作用的结果。的共同作用的结果。将两个电源将两个电源合二为一合二为一有直流重量有直流重量有沟通损失有沟通损失（2 2）阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路 耦合电容的容量应足够耦合电容的容量应足够大，即对于沟通信号近似大，即对于沟通信号近似为短路。其作用是为短路。其作用是“隔离隔离直流、通过沟通直流、通过沟通”。静态时，静态时，C1、C2上电压？上电压？动态时，动态时，C1、C2为耦合电容！为耦合电容！UBEQUCEQuBEuIUBEQ，信号驮载在静态

11、之上。，信号驮载在静态之上。负载上只有沟通信号。负载上只有沟通信号。探讨：试用PNP型管分别组成干脆耦合和阻容耦合共射放大电路。4.3 放大电路的分析方放大电路的分析方法法一、放大电路的直流通路和沟通通路一、放大电路的直流通路和沟通通路二、二、等效电路法等效电路法三、三、图解法图解法一、放大电路的直流通路和沟通通路1.直流通路：Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.沟通通路：大容量电容相当于短路；直流电源相当于短路（内阻为0）。通常，放大电路中直流电源的作用和沟通信号通常，放大电路中直流电源的作用和沟通信号的作用共存，这使得电路的分析困难化。为简化的作用共存，这

12、使得电路的分析困难化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和沟通通分析，将它们分开作用，引入直流通路和沟通通路的概念。路的概念。基本共射放大电路的直流通路和沟通通路 列晶体管输入、输出回路方程，将列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，作为已知条件，令令ICQIBQ，可估算出静态工作点。，可估算出静态工作点。VBB越大，越大，UBEQ取不同的值所引取不同的值所引起的起的IBQ的误差越的误差越小。小。当当VCCUBEQ时，时，已知：已知：VCC12V，Rb600k，Rc3k，100。Q？直流通路直流通路阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和沟通通路二、等效电路法半导体器件的非线性特

13、性使放大电路的分析困难化。半导体器件的非线性特性使放大电路的分析困难化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。1.直流模型：适于：适于Q点的分析点的分析理想二极管理想二极管利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。输入回路等效为输入回路等效为恒压源恒压源输出回路等效为电流限制的电流源输出回路等效为电流限制的电流源2.晶体管的h参数等效模型（沟通等效模型）在沟通通路中可将晶体管看在沟通通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端回路、输出回路各

14、为一个端口。口。低频小信号模型低频小信号模型在低频、小信号作用下的关系式在低频、小信号作用下的关系式沟通等效模型（按式子画模型）沟通等效模型（按式子画模型）电阻电阻无量纲无量纲无量纲无量纲电导电导h h参数的物理意义参数的物理意义b-e间的间的动态电阻动态电阻内反馈内反馈系数系数电流放大系数电流放大系数c-e间的电导间的电导分清主次，合理近似！什么状况下分清主次，合理近似！什么状况下h12和和h22的作用可忽视不计？的作用可忽视不计？简化的简化的h h参数等效电路参数等效电路沟通等效沟通等效模型模型查阅手册查阅手册基区体电阻基区体电阻发射结电阻发射结电阻发射区体电阻发射区体电阻数值小可忽略数值

15、小可忽略利用利用PN结的电流方程可求得结的电流方程可求得由由IEQ算出算出在输入特性曲线上，在输入特性曲线上，Q点越高，点越高，rbe越小！越小！3.放大电路的动态分析放大电路的放大电路的沟通等效电路沟通等效电路阻容耦合共射放大电路的动态分析阻容耦合共射放大电路的动态分析输入电输入电阻中不阻中不应含有应含有Rs!输出电输出电阻中不阻中不应含有应含有RL!三、图解法 应实测特性曲线应实测特性曲线 输入回路输入回路负载线负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线负载线1.静态分析：图解二元方程：图解二元方程2.电压放大倍数的分析斜率不变斜率不变3.失真分析截止失真截止失真消退方法：增大消退

16、方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。，即向上平移输入回路负载线。截止失真是在输入回路首先产生失真！截止失真是在输入回路首先产生失真！减小减小Rb能消退截止失真吗？能消退截止失真吗？饱和失真饱和失真消退方法：增大消退方法：增大RbRb，减小，减小RcRc，减小，减小，减小，减小VBBVBB，增大，增大VCCVCC。Rb或或或或VBB Rc或或VCC：饱和失真是输出回路产生失真。：饱和失真是输出回路产生失真。最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uom：比较：比较UCEQ与（与（VCC UCEQ），），取其小者，除以取其小者，除以 。这可不是这可不是好办法！好办法！探讨一：基本共射放大电路带

17、负载状况下的静态分析和动态分析QIBQ35AUBEQ0.65V 为什么用为什么用图解法求解图解法求解IBQ和和UBEQ？探讨二：电路如图如何增大电压放大倍数？如何增大电压放大倍数？直流负载线和沟通负载线？直流负载线和沟通负载线？在在Rb变更使变更使Q点变更时，在不失真的状况下，电压放大倍点变更时，在不失真的状况下，电压放大倍数的数值如何变更？数的数值如何变更？Uom可能如何变更？可能如何变更？在在Ui不变的状况下，不变的状况下，Rb减小，减小，Uo如何变更？如何变更？Au如何变更如何变更？当？当Uo最大时，再减小最大时，再减小Rb，会出现失真吗？，会出现失真吗？在什么状况下，空载时输出电压失真

18、，带上负载后不失真在什么状况下，空载时输出电压失真，带上负载后不失真了？了？不能将电子电路中动态参数的表达式看成纯数学式子，留不能将电子电路中动态参数的表达式看成纯数学式子，留意每个字母的物理意义！意每个字母的物理意义！增大，不行行！增大，不行行！增大时要适增大时要适可而止！可而止！增大，不增大，不确定行！确定行！直流负载线和沟通负载线直流负载线和沟通负载线Uom=?Q点在什么位置点在什么位置Uom最大？最大？沟通负载线应过沟通负载线应过Q点，且点，且斜率确定于（斜率确定于（RcRL）4.4 4.4 晶体管放大电路的晶体管放大电路的三种接法三种接法一、静态工作点稳定的共射放大电路一、静态工作点

19、稳定的共射放大电路二、基本共集放大电路二、基本共集放大电路三、基本共基放大电路三、基本共基放大电路四、三种接法的比较四、三种接法的比较一、静态工作点稳定的共射放大电静态工作点稳定的共射放大电路路 所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变更时基本不变，这是靠IBQ的变更得来的。若温度上升时要若温度上升时要Q回到回到Q，则只有减小则只有减小IBQ。T（）ICQQICEO若若UBEQ不变不变IBQQ1.温度对静态工作点的影响2、静态工作点稳定的典型电路 直流通路？直流通路？Ce为旁路电容，在沟通为旁路电容，在沟通通路中可视为短路通路中可视为短路（1 1）电路组成）电路组成（2 2）稳定原）稳定原理

20、理 为了稳定为了稳定Q点，通常点，通常I1 IB，即，即I1 I2；因此；因此基本不随温度变更。基本不随温度变更。设设UBEQ UBEUBE，若，若UBQ UBEUBE，则，则IEQ稳定。稳定。Re 的的作用：作用：T()ICUE UBE（UB基本不变）基本不变）IB IC Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。点越稳定。关于反馈的一些概念：关于反馈的一些概念：将输出量通过确定的方式引回输入回路影响输入量的措将输出量通过确定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反

21、馈的结果使输出量的变更减小的称为负反馈，反之称反馈的结果使输出量的变更减小的称为负反馈，反之称为正反馈。为正反馈。Re有上、下限值吗？有上、下限值吗？IC通过通过Re转换为转换为UE影响影响UBE温度升高温度升高IC增大，反馈的结果使之减小增大，反馈的结果使之减小（3 3）Q 点分点分析析分压式电流负反馈工作点稳定电路分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是上静态电压是否可忽视不计？否可忽视不计？判断方判断方法：法：（4 4）动态分析）动态分析利利?弊弊?无旁路电容无旁路电容Ce时：时：如何提高电压如何提高电压放大实力？放大实力？3.稳定静态工作点的方法引入直流负反馈引入直流负反馈温度补

22、偿：利用对温度敏温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变更时感的元件，在温度变更时干脆影响输入回路。干脆影响输入回路。例如，例如，Rb1或或Rb2接受热接受热敏电阻。敏电阻。它们的温度系数它们的温度系数？探讨一图示两个电路中是否接受了措施来稳定静态工作点？图示两个电路中是否接受了措施来稳定静态工作点？若接受了措施，则是什么措施？若接受了措施，则是什么措施？清华高校 华成英 hchyatsinghua.edu 二、基本共集放大电路1.静态分析2.动态分析：电压放大倍数：电压放大倍数故称之为射故称之为射极跟随器极跟随器Uo Ui2.动态分析：输入电阻的分析：输入电阻的分析Ri与负载有关！与负载有关

23、！RL带负载电阻后带负载电阻后从基极看从基极看Re，被增，被增大到（大到（1+）倍）倍2.动态分析：输出电阻的分析（：输出电阻的分析（“加压求加压求流法流法”）Ro与信号源内阻有关！与信号源内阻有关！3.特点：输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在确定条件下有电压跟随作用！令令Us为零，保留为零，保留Rs，在输出端加，在输出端加Uo，产生，产生Io,。从射极看基极回路电阻，被减从射极看基极回路电阻，被减小到（小到（1+）倍）倍三、基本共基放大电路1.静态分析2.动态分析3.特点：输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！四、三种接法的比

24、较：空载状况下 接法接法 共射共射 共集共集 共基共基 Au 大大 小于小于1 大大 Ai 1 Ri 中中 大大 小小 Ro 大大 小小 大大 频带频带 窄窄 中中 宽宽探讨二：图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。接法接法共射共射共集共集共基共基输入输入bbe输出输出cec4.54.5 放大电路的频率响应一、频率响应的有关概念一、频率响应的有关概念二、晶体管的高频等效电路二、晶体管的高频等效电路三、单管共射放大电路的频率三、单管共射放大电路的频率响应响应一、频率响应的有关概念频率响应的有关概念 放大电路对信号

25、频率的适应程度，即放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。信号频率对放大倍数的影响。由于放大电路中耦合电容、旁路电容、由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存在，使放大倍数半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为频率的函数。为频率的函数。在运用一个放大电路时应了解其信号在运用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放大电路时，应频率的适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频率的范围要求。满足信号频率的范围要求。1.要探讨的问题2.高通电路和低通电路（2 2）低通电路）低通电路:信号频率越低，输出电压越接近信号频率越低，输出电压越接近输入电压。输入电压。使

26、输出电压幅值下降到使输出电压幅值下降到70.7%，相位为，相位为45的信号的信号频频率率为为截截止止频频率。率。（1 1）高通电路高通电路:信号频率越高，输出电压越接近输入电压。信号频率越高，输出电压越接近输入电压。3.放大电路中的频率参数 在低频段，随着信号频率渐渐降低，耦合电容、在低频段，随着信号频率渐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大实旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大实力下降。力下降。高通高通电路电路低通低通电路电路 在高频段，随着信号频率渐渐上升，晶体管极间电容和在高频段，随着信号频率渐渐上升，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，

27、使动态信号分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大实力下降。损失，放大实力下降。下限频率下限频率上限频率上限频率结电容结电容(1)(1)模型的建立：由结构而建立，形态像模型的建立：由结构而建立，形态像，参数量纲各不相同。，参数量纲各不相同。gm为跨导，它不随信号频率的变更而变。阻值小阻值小阻值大阻值大连接了输入回路连接了输入回路和输出回路和输出回路二、晶体管的高频等效电路1.混合模型（2 2）混合）混合模型的单向化（使信号单向传递）模型的单向化（使信号单向传递）等效变换后电流不变等效变换后电流不变（3 3）晶体管简化的高频等效电路）晶体管简化的高频等效电路？2、电流放大倍数

28、的频率响应为什么短路？为什么短路？（1 1）适于频率从）适于频率从0 0至无穷大的表达式至无穷大的表达式（2 2）电流放大倍数的频率特性曲线）电流放大倍数的频率特性曲线（3 3）电流放大倍数的波特图）电流放大倍数的波特图:接受对数坐标系接受对数坐标系 采用对数坐标系，横轴为采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为，可开阔视野；纵轴为 单位为单位为“分贝分贝”（dB），使得），使得“”“”。lg f留意折线化曲线的误差留意折线化曲线的误差20dB/十倍频折线化近似画法折线化近似画法3.晶体管的频率参数共射共射截止频率截止频率共基共基截止频率截止频率特征频率特征频率集电结电容集电结电容通

29、过以上分析得出的结论：通过以上分析得出的结论：低频段和高频段放大倍数的表达式；低频段和高频段放大倍数的表达式；截止频率与时间常数的关系；截止频率与时间常数的关系；波特图及其折线画法；波特图及其折线画法；C的求法。的求法。手册手册查得查得探讨一1.若干个放大电路的放大倍数分别为若干个放大电路的放大倍数分别为1、10、102、103、104、105，它们的增益分别为多少？，它们的增益分别为多少？2.为什么波特图开阔了视野？同样长度的横轴，在为什么波特图开阔了视野？同样长度的横轴，在单位长度不变的状况下，接受对数坐标后，最高频单位长度不变的状况下，接受对数坐标后，最高频率是原来的多少倍？率是原来的多

30、少倍？102030405060Of10102103104105106lg f探讨二 电路如图。已知各电阻阻值；电路如图。已知各电阻阻值；静态工作点合适，集电极电流静态工作点合适，集电极电流ICQ2mA；晶体管的；晶体管的rbb=200，Cob=5pF，f=1MHz。试求解该电路中晶体管高频等试求解该电路中晶体管高频等效模型中的各个参数。效模型中的各个参数。三、单管共射放大电路的频率响应适用于信号频率从适用于信号频率从0的的交流等效电路交流等效电路中频段：中频段：C 短路，短路，开路。开路。低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响，开路。开路。高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 开路

31、。开路。1.中频电压放大倍数带负载时：带负载时：空载时：空载时：2.低频电压放大倍数:定性分析定性分析2.低频电压放大倍数：定量分析：定量分析C所在回路的时间常数？所在回路的时间常数？2.低频电压放大倍数：低频段频率响应分析：低频段频率响应分析中频段中频段20dB/十倍频十倍频3.高频电压放大倍数低通电路低通电路3.高频电压放大倍数：高频段频率响应分析：高频段频率响应分析4.电压放大倍数的波特图全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达式：5.带宽增益积：定性分析：定性分析fbw fH fL fH矛盾矛盾 当提高增益时，当提高增益时，带宽将变窄；反带宽将变窄；反之，增益降低，之，增益降低，带宽将变宽。带宽将变宽。5.带宽增益积：定量分析：定量分析若若rbeRb、RsRb、，则可以证明，则可以证明图示电路的图示电路的说明决定于说明决定于管子参数管子参数 对于大多数放大电路，增益提高，带宽都将变窄。对于大多数放大电路，增益提高，带宽都将变窄。要想制作宽频带放大电路需用高频管，必要时需接受共要想制作宽频带放大电路需用高频管，必要时需接受共基电路。基电路。约为常量约为常量依据依据探讨：如何利用Multisim求解频率响应静态工作点静态工作点频率响应频率响应 首先分析静态工作点是否合首先分析静态工作点是否合适，然后利用适，然后利用“沟通分析沟通分析”获获得频率响应。得频率响应。