模电第四章学习.pptx

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1、第四章第四章 晶体三极管及其基本放大电路晶体三极管及其基本放大电路4.1 4.1 晶体三极管晶体三极管4.2 4.2 放大电路的组成原则放大电路的组成原则4.3 4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法4.4 4.4 晶体管放大电路的三种接法晶体管放大电路的三种接法4.5 4.5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应第1页/共77页4.1 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

2、数第2页/共77页 一、晶体管的结构和符号一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？第3页/共77页二、晶体管的放大原理二、晶体管的放大原理 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散第4页/共77页电流分配：电流分配：I IE EI IB BI IC C

3、I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？第5页/共77页三、晶体管的共射输入特性和输出特三、晶体管的共射输入特性和输出特性性为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性第6页/共77页2.2.输出特性输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况

4、下?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区第7页/共77页晶体管的三个工作区域晶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几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE第8页/共77页四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响第9页/共77页五、主要参数五、主要参数 直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿电

5、压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCMiCuCE安全工作区 交流参数：、fT（使1的信号频率）极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO第10页/共77页4.2 4.2 放大电路的组成原则放大电路的组成原则一、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、如何组成放大电路第11页/共77页一、一、基本共射放大电路的工作原基本共射放大电路的工作原理理VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。Rc：将iC转换成uCE(uO)。动态信号作用时：输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工

6、作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。共射1.电路的组成及各元件的作用第12页/共77页2.2.设置静态工作点的必要性设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？第13页/共77页三、基本共射放大电路的三、基本共射放大电路的波形分析波形分析输出和输入反相！动态信号驮载在静态之上与iC变化方向相反 要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！第14页/共77页二、如何组成放大电路二、如何组成放大电路静态工作点合

7、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，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。1.组成原则第15页/共77页2 2.两种实用放大电路两种实用放大电路：（1 1）直接耦合放大电路直接耦合放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，动态时，b-e间电压是uI与VCC的共同作用的结果。将两个电源合二为一有直流分量有交流损失第16页/共77页（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大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过

8、交流”。静态时，C1、C2上电压？动态时，C1、C2为耦合电容！UBEQUCEQuBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。第17页/共77页4.3 4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路一、放大电路的直流通路和交流通路二、二、等效电路法等效电路法三、三、图解法图解法第18页/共77页一、放大电路的直流通路和交流通路一、放大电路的直流通路和交流通路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.交流通路：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交流信号的作用共

9、存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。第19页/共77页基本共射放大电路的直流通路和交流通路基本共射放大电路的直流通路和交流通路 列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQIBQ，可估算出静态工作点。VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。第20页/共77页当VCCUBEQ时，直流通路阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路通路第21页/共77页二、等效电路法二、等效电路法半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。1.直

10、流模型：适于Q点的分析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。输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源第22页/共77页2.2.晶体管的晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）参数等效模型（交流等效模型）在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。低频小信号模型第23页/共77页在低频、小信号作用下的关系式交流等效模型（按式子画模型）电阻无量纲无量纲电导第24页/共77页h h参数的物理意义b-e间的动态电阻内反馈系数电流放大系数c-e间的电导分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？第25页/共77页简化的h h参

11、数等效电路交流等效模型查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得由IEQ算出在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！第26页/共77页3 3.放大电路的动态分析放大电路的动态分析放大电路的交流等效电路第27页/共77页阻容耦合共射放大电路的动态分析输入电阻中不应含有Rs!输出电阻中不应含有RL!第28页/共77页三、图解法三、图解法 应实测特性曲线应实测特性曲线 输入回路负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线1.静态分析：图解二元方程第29页/共77页2.2.电压放大倍数的分析电压放大倍数的分析斜率不变第30页/共77页3.3.失真分析失真分析截

12、止失真消除方法：增大VBB，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！减小Rb能消除截止失真吗？第31页/共77页饱和失真消除方法：增大Rb，减小Rc，减小，减小VBB，增大VCC。Rb或或VBB Rc或VCC：饱和失真是输出回路产生失真。o最大不失真输出电压Uom：比较UCEQ与（VCC UCEQ），取其小者，除以 。这可不是好办法！第32页/共77页讨论一讨论一：基本共射放大电路带负载情况下的静态分析和动态分析QIBQ35AUBEQ0.65V 为什么用图解法求解IBQ和UBEQ？第33页/共77页讨论二讨论二：电路如图如何增大电压放大倍数？直流负载线和交流负载线？在Rb变

13、化使Q点变化时，在不失真的情况下，电压放大倍数的数值如何变化？Uom可能如何变化？在Ui不变的情况下，Rb减小，Uo如何变化？Au如何变化？当Uo最大时，再减小Rb，会出现失真吗？在什么情况下，空载时输出电压失真，带上负载后不失真了？不能将电子电路中动态参数的表达式看成纯数学式子，注意每个字母的物理意义！增大，不可行！增大时要适可而止！增大，不一定行！第34页/共77页直流负载线和交流负载线Uom=?Q点在什么位置Uom最大？交流负载线应过Q点，且斜率决定于（RcRL）第35页/共77页4.4 4.4 晶体管放大电路的三种接法晶体管放大电路的三种接法一、静态工作点稳定的共射放大电路一、静态工作

14、点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、三种接法的比较第36页/共77页一、一、静态工作点稳定的共射放大电路静态工作点稳定的共射放大电路 所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。若温度升高时要Q回到Q，则只有减小IBQ。T（）ICQQICEO若UBEQ不变IBQQ1.温度对静态工作点的影响第37页/共77页2 2、静态工作点稳定的静态工作点稳定的典型电路典型电路 直流通路？Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路（1 1）电路组成第38页/共77页（2 2）稳定原理 为了稳

15、定Q点，通常I1 IB，即I1 I2；因此基本不随温度变化。设UBEQ UBEUBE，若UBQ UBEUBE，则IEQ稳定。第39页/共77页Re 的作用：T()ICUE UBE（UB基本不变）IB IC Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。Re有上、下限值吗？IC通过Re转换为UE影响UBE温度升高IC增大，反馈的结果使之减小第40页/共77页（3 3）Q 点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是

16、否可忽略不计？判断方法：第41页/共77页（4 4）动态分析利?弊?无旁路电容Ce时：如何提高电压放大能力？第42页/共77页3.3.稳定静态工作点的方法稳定静态工作点的方法引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数？第43页/共77页讨论一讨论一图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？若采用了措施，则是什么措施？第44页/共77页二、基本共集放大电路二、基本共集放大电路1.静态分析第45页/共77页2.2.动态分析动态分析：电压放大倍数故称之为射极跟随器Uo Ui第46页/共77页2.2.动态分析动态分析

17、：输入电阻的分析Ri与负载有关！RL带负载电阻后从基极看Re，被增大到（1+）倍第47页/共77页2.2.动态分析动态分析：输出电阻的分析（“加压求流法”）Ro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；在一定条件下有电压跟随作用！令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io,。从射极看基极回路电阻，被减小到（1+）倍第48页/共77页三、基本共基放大电路三、基本共基放大电路1.静态分析第49页/共77页2.2.动态分析动态分析3.特点：输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！第50页/共77页四、三种接法的比较四、三种接法的比较：空载情况下 接法 共射

18、共集 共基 Au 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 频带 窄 中 宽第51页/共77页讨论二：讨论二：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cec第52页/共77页4.54.5 放大电路的频率响应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响应三、单管共射放大电路的频率响应第53页/共77页一、一、频率响应的有关概念频率响应的有关概念 放大

19、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。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，使放大倍数为频率的函数。在使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，应满足信号频率的范围要求。1.要研究的问题第54页/共77页2.2.高通电路和低通电路高通电路和低通电路（2 2）低通电路:信号频率越低，输出电压越接近输入电压。使输出电压幅值下降到70.7%，相位为45的信号频率为截止频率。（1 1）高通电路:信号频率越高，输出电压越接近输入电压。第55页/共77页3.3.放大电路中的频率参数放大电路中的频率参数 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁

20、路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。高通电路低通电路 在高频段，随着信号频率逐渐升高，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，使动态信号损失，放大能力下降。下限频率上限频率结电容第56页/共77页(1 1)模型的建立：由结构而建立，形状像，参数量纲各不相同。gm为跨导，它不随信号频率的变化而变。阻值小阻值大连接了输入回路和输出回路二、晶体管的高频等效电路二、晶体管的高频等效电路1.1.混合混合模型模型第57页/共77页（2 2）混合模型的单向化（使信号单向传递）等效变换后电流不变第58页/共77页（3 3）晶体管简化的高频等效电路？第59页/共77页2 2、电流放

21、大倍数的频率响应、电流放大倍数的频率响应为什么短路？（1 1）适于频率从0 0至无穷大的表达式第60页/共77页（2 2）电流放大倍数的频率特性曲线第61页/共77页（3 3）电流放大倍数的波特图:采用对数坐标系 采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为 单位为“分贝”（dB），使得“”“”。lg f注意折线化曲线的误差20dB/十倍频折线化近似画法第62页/共77页3.3.晶体管的频率参数晶体管的频率参数共射截止频率共基截止频率特征频率集电结电容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；截止频率与时间常数的关系；波特图及其折线画法；C的求法。手册查得第63页/共77页

22、讨论一讨论一1.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？2.为什么波特图开阔了视野？同样长度的横轴，在单位长度不变的情况下，采用对数坐标后，最高频率是原来的多少倍？102030405060Of10102103104105106lg f第64页/共77页讨论二讨论二 电路如图。已知各电阻阻值；静态工作点合适，集电极电流ICQ2mA；晶体管的rbb=200，Cob=5pF，f=1MHz。试求解该电路中晶体管高频等效模型中的各个参数。第65页/共77页三、单管共射放大电路的频率响应三、单管共射放大电路的频率响应适用于信号频率从0的交流等效电路中频

23、段：C 短路，开路。低频段：考虑C 的影响，开路。高频段：考虑 的影响，C 开路。第66页/共77页1.1.中频电压放大倍数中频电压放大倍数带负载时：空载时：第67页/共77页2.2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数:定性分析第68页/共77页2.2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数：定量分析C所在回路的时间常数？第69页/共77页2.2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数：低频段频率响应分析中频段20dB/十倍频第70页/共77页3.3.高频电压放大倍数高频电压放大倍数低通电路第71页/共77页3.3.高频电压放大倍数高频电压放大倍数：高频段频率响应分析第72页/共77页4.4.电压放大倍数的

24、波特图电压放大倍数的波特图全频段放大倍数表达式：第73页/共77页5.5.带宽增益积带宽增益积：定性分析fbw fH fL fH矛盾 当提高增益时，带宽将变窄；反之，增益降低，带宽将变宽。第74页/共77页5.5.带宽增益积带宽增益积：定量分析若rbeRb、RsRb、，则可以证明图示电路的说明决定于管子参数 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，必要时需采用共基电路。约为常量根据第75页/共77页讨论讨论：如何利用Multisim求解频率响应静态工作点频率响应 首先分析静态工作点是否合适，然后利用“交流分析”获得频率响应。第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页