模拟电子技术基础2晶体三极管及其放大电路chen.ppt
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1、 作为放大电路中的核心部件,晶体管的基本功能是将微弱的电信号不失真地放大到负载所需数值。本章首先介绍晶体管的结构、工作原理、伏安特性曲线、主要参数及其交流小信号等效电路模型,然后介绍放大电路工作原理、电路构成原则、基本分析方法及由晶体管构成的三种基本组态放大电路的分析及性能特点。本章简介本章简介2.1 晶体晶体三极管三极管2.3 放大电路放大电路的基本分析方法的基本分析方法2.2 晶体晶体管放大电路管放大电路基础基础2.4 放放大电路静态工作点的稳定大电路静态工作点的稳定2 晶体三极管及其放大电路模拟电子技术基础2.5 三种基本组态放三种基本组态放大电路大电路2.1.1 2.1.1 晶体三极管
2、的结构与符号晶体三极管的结构与符号2.1.2 2.1.2 晶体管的电流分配与放大作用晶体管的电流分配与放大作用 1.1.晶体管内部载流子的传输过程晶体管内部载流子的传输过程 2.2.晶体管的电流分配关系及电流放大系数晶体管的电流分配关系及电流放大系数2.1.3 2.1.3 晶体管的伏晶体管的伏-安特性曲线安特性曲线1.1.共射输入特性曲线共射输入特性曲线2.2.共射输出特性曲线共射输出特性曲线2.1.4 2.1.4 晶体管的工作状态分析晶体管的工作状态分析1.1.假定放大状态法假定放大状态法 2.2.假定临界饱和状态法假定临界饱和状态法2.1.5 2.1.5 晶体管的主要参数晶体管的主要参数2
3、.1.6 2.1.6 晶体管的交流小信号等效电路模型晶体管的交流小信号等效电路模型1.1.小信号线性化条件小信号线性化条件2.H2.H参数等效模型的引出参数等效模型的引出3.H3.H参数的物理意义参数的物理意义4.H4.H参数模型的简化及参数求取参数模型的简化及参数求取本节内容本节内容2.1 晶体晶体三极管三极管晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结,两结,两各类型(各类型(NPN,PNP)。)。2.1.1 2.1.1 晶体三极管的结构与符号晶体三极管的结构与符号为什么有孔?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2.1.1 2.1.1
4、晶体三极管的结构与符号晶体三极管的结构与符号三种基本组态:三种基本组态:NPN和和PNP管的工作原理及内部载管的工作原理及内部载流子传输过程相同流子传输过程相同;二者所需电源电二者所需电源电压极性相反,产生电流的方向相反。压极性相反,产生电流的方向相反。无论哪种组态,要使晶体管具有放无论哪种组态,要使晶体管具有放大作用必须保证大作用必须保证发射结正偏,集电发射结正偏,集电结反偏。结反偏。PNPNPNiBbeciCiEbeciBiCiE2.1.2 2.1.2 晶体管的电流分配与放大作用晶体管的电流分配与放大作用1.晶体管内部晶体管内部载流子的流子的传输过程程(1)E(B)区多子经Je注入B(E)
5、区电子电流IEn空穴电流IEpIE=IEN+IEP IENE区多子区多子.B B区区(成非平衡少子成非平衡少子)B区多子。区多子。E E区区(成非平衡少子成非平衡少子)(2)注入B区的(非平衡)少子的扩散与复合B区非平衡少子区非平衡少子 扩散扩散(梯度浓度梯度浓度):从从Je边缘边缘Jc边缘边缘(3)C极收集扩散载流子C极吸收ICN=IEN-IBNB区少子 C区C区少子 B区ICBOJc(e极开路时)反向饱和电流大部分大部分少部分少部分被被 复合复合IBNIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP-ICBO受受uBE控制控制(4)电流分配关系 经上分析可得:2.1.2 2.1.2 晶体管的电流
6、分配与放大作用晶体管的电流分配与放大作用(符合符合KCL)定律定律定义定义:整理得整理得 穿透电流穿透电流定义:定义:或或 电流分配关系:(式中各量(式中各量为瞬时量或为瞬时量或交流量时同交流量时同样成立)样成立)2.1.3 2.1.3 晶体管的伏晶体管的伏-安特性曲线安特性曲线1.共射输入特性曲线:共射输入特性曲线:相当于两个相当于两个PN结并并联时的伏安特性的伏安特性;uCE增大,曲线右移增大,曲线右移。uCB增大,对基增大,对基区的非平衡少子作用力增强,复合机区的非平衡少子作用力增强,复合机会少,会少,iB减小减小(若若iB 不变,不变,uBE 需增加)。需增加)。曲线右移不明显。曲线右
7、移不明显。uCB足够大,足够大,C C区收区收集绝大部由发射区注入到基区的载流集绝大部由发射区注入到基区的载流子,子,uCB再增大,再增大,iB基本不变。基本不变。对于小功率晶体管,对于小功率晶体管,UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。2.共射输出特性曲线:共射输出特性曲线:对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大?为什么进入放大状态化很大?为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线?曲线几乎是横轴的平行线?是常数
8、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?(1)放大区:放大区:Je正编正编,Jc反偏,反偏,uBEUon且且uCEuBEuCE对对iC影响小影响小(2)截止区:截止区:Je截止截止,Jc反偏,反偏,uBEuBE(3)饱和区:饱和区:Je和和Jc正偏,正偏,uBEUon且且uCEuBE(4)击穿区击穿区:Je正编正编,Jc反偏,反偏,且且uCE足够大足够大,iC急剧增大急剧增大.2.1.3 2.1.3 晶体管的伏晶体管的伏-安特性曲线安特性曲线2.1.4 2.1.4 晶体管的工作状态分析晶体管的工作状态分析状状态NPN管管PNP管管uBEiCuCEuEBiCuEC
9、放大放大 UoniB uBE UoniB uBE截止截止UonICEOVCCUonICEOVCC饱和和 UoniB uBE UoniB uBE晶体管的三个工作区域分别对晶体管的三各工作状态,即晶体管的三个工作区域分别对晶体管的三各工作状态,即晶体管的三个工作区域分别对晶体管的三各工作状态,即晶体管的三个工作区域分别对晶体管的三各工作状态,即放大、截止和饱和。放大、截止和饱和。放大、截止和饱和。放大、截止和饱和。NPN:PNP:工作在放大状态下:2.1.4 2.1.4 晶体管的工作状态分析晶体管的工作状态分析1.假定放大状态法假定放大状态法假定假定BJTBJT处于放大状态,计算处于放大状态,计算
10、iB和和iC=iB,BJT工作状态分析方法:若工作状态分析方法:若UBEUon,BJT截止截止;若若UBEUon则则BJT可能处于放大或饱和状态可能处于放大或饱和状态,用以下两种方法判断用以下两种方法判断:,放大状态放大状态(假定正确假定正确),饱和状态饱和状态(假定不正确假定不正确)2.假定饱和状态法假定饱和状态法假假定定BJTBJT处处于于临临界界饱饱和和状状态态,由由UCE=Uon计计算算集集电电极极临临界饱和电流界饱和电流I ICS,饱和状态饱和状态(假定正确假定正确),放大状态放大状态(假定不正确假定不正确)2.1.4 2.1.4 晶体管的工作状态分析晶体管的工作状态分析工作在放大状
11、态的工作在放大状态的BJT的类型(的类型(NPN or PNP)、管脚及材、管脚及材料(料(Si or Ge)判别方法判别方法:将三个电极的电位从低到高依次排列;将三个电极的电位从低到高依次排列;中间电位对应的管脚是基极中间电位对应的管脚是基极b b;与基极电位相差约一个导通电压的管脚是发射极与基极电位相差约一个导通电压的管脚是发射极e e,另一个管脚即为集电极,另一个管脚即为集电极c c。若集电极的电位在三者中最高,则该晶体管为若集电极的电位在三者中最高,则该晶体管为NPNNPN型;如果在三者中是最低的则此晶体管为型;如果在三者中是最低的则此晶体管为PNPPNP型。型。典型值0.7V典型值0
12、.2V2.1.4 2.1.4 晶体管的工作状态分析晶体管的工作状态分析【例例2-2】测得电路的晶体管各极对地电位如图所示,各测得电路的晶体管各极对地电位如图所示,各晶体管晶体管b-e间的开启电压为间的开启电压为0.5V(Si),0.1V(Ge),试判断,试判断晶体管的工作状态。晶体管的工作状态。【例例2-3 2-3】在晶体管放大电路中,测得晶体管的各个管脚在晶体管放大电路中,测得晶体管的各个管脚对地的直流电位如下图所示。试判断晶体管是对地的直流电位如下图所示。试判断晶体管是NPNNPN型还是型还是PNPPNP型、三个管脚中哪个是基极型、三个管脚中哪个是基极b b、集电极、集电极c c和发射极和
13、发射极e e,并,并说明该管是硅材料还是锗材料。说明该管是硅材料还是锗材料。2.1.5 2.1.5 晶体管的主要参数晶体管的主要参数c-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安全工作区安全工作区 极限参数极限参数:ICM、PCM、U(BR)CEO 电流放大系数电流放大系数:近似分析近似分析:极间反向电流极间反向电流:ICBO、ICEO uCE=1V时的时的iC就是就是ICM1.1.小信号线性化条件小信号线性化条件2.1.6 2.1.6 晶体管的交流小信号等效电路模型晶体管的交流小信号等效电路模型2.晶体管晶体管H参数等效电路模
14、型的引出参数等效电路模型的引出小信号含义:若小信号含义:若ui是小信号,则在是小信号,则在BJT输入和输出特性曲线输入和输出特性曲线上,上,ube作用的那一小段曲线可近似为直线。晶体管可由作用的那一小段曲线可近似为直线。晶体管可由Q处的线性二端口网络等效。处的线性二端口网络等效。2.1.6 2.1.6 晶体管的交流小信号等效电路模型晶体管的交流小信号等效电路模型3.H参数的物理意义参数的物理意义输入交输入交流电阻流电阻反向电压传输比,反向电压传输比,几百几百k,常忽略常忽略共射电共射电流增益流增益2.1.6 2.1.6 晶体管的交流小信号等效电路模型晶体管的交流小信号等效电路模型3.H参数模型
15、的简化及参数求取参数模型的简化及参数求取基区体电阻基区体电阻,几十几十几百几百发射区体电发射区体电阻阻,可忽略可忽略Je动态电阻动态电阻很小很小,近似短路近似短路很大很大,近似分析近似分析中开路中开路或或适于求动态参数,不能用于求静态值,要求适于求动态参数,不能用于求静态值,要求0.1mAIEQ5mA。2)没考虑结电容的影响,只适用于低频分析。没考虑结电容的影响,只适用于低频分析。适于工作在任何组态中任何类型适于工作在任何组态中任何类型(NPN或或PNP型型)的的BJT 2.1.6 2.1.6 晶体管的交流小信号等效电路模型晶体管的交流小信号等效电路模型2.2.1 2.2.1 放大电路的主要性
16、能指标放大电路的主要性能指标1.1.输入电阻输入电阻 2.2.输出电阻输出电阻3.3.增益增益4.4.频率特性频率特性5.5.非线性失真系数非线性失真系数2.2.2 2.2.2 放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理 1.1.电路的组成电路的组成 2.2.放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理3.3.构成放大电路的基本原则构成放大电路的基本原则 本节内容本节内容2 2 2 2.2 2 2 2 晶体晶体晶体晶体管放大电路基础管放大电路基础管放大电路基础管放大电路基础2 2 2 2.2.12.12.12.1 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主
17、要性能指标放大放大:保持信号不失真的前提下保持信号不失真的前提下,将微弱信号将微弱信号 变成幅度或能量足够大的信号变成幅度或能量足够大的信号u放大的对象:变化量放大的对象:变化量u放大的本质:能量的控制放大的本质:能量的控制,放大前后能量守恒放大前后能量守恒u放大的特征:功率放大放大的特征:功率放大u放大的基本要求:不失真放大的基本要求:不失真判断电路能否放判断电路能否放大的基本出发点大的基本出发点2 2 2 2.2.12.12.12.1 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标任何放大电路均可看成为二端口网络。任何放大电路均可看成为二端口网络。
18、输入电流输入电流输入电压输入电压输出电压输出电压输出电流输出电流 信号源信号源内阻内阻增益:输出量与输入量之比增益:输出量与输入量之比电压放大倍数是最电压放大倍数是最常常被研究和测试的参数被研究和测试的参数输出端采用输出端采用戴维南等效戴维南等效负载开路输负载开路输出电压出电压输入阻抗输入阻抗输出阻抗输出阻抗空载时输出空载时输出电压有效值电压有效值带带RL时的输出电时的输出电压有效值压有效值输入电压与输入电压与输入电流有输入电流有效值之比。效值之比。输入、输出电阻输入、输出电阻忽略所有电抗元件的影响,输忽略所有电抗元件的影响,输入、输出阻抗为纯电阻入、输出阻抗为纯电阻2 2 2 2.2.12.
19、12.12.1 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标频率特性:频率特性:衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。2 2 2 2.2.12.12.12.1 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 由于电容、电感及半导体器件由于电容、电感及半导体器件PNPN结的电容效应,使放大电路结的电容效应,使放大电路在在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。幅频幅频特性特性相频相频特性特性下限截下限截止频率
20、止频率上限截上限截止频率止频率通频带越宽,表明放大电路对通频带越宽,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强不同频率信号的适应能力越强。1.1.电路的组成电路的组成以以NPN-CE放大电路为例放大电路为例2 2 2 2.2.22.22.22.2 放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理VBB、Rb:使:使UBE Uon,且有合适的且有合适的IB。VCC:使:使UCEUon,同同时作为负载的能源时作为负载的能源。Rc:将:将iC转换成转换成uCE(uo)。将将两个电源两个电源合二为一合二为一信号源与放信号源与放大电路共地大电路共地电容应足够大电容应
21、足够大,“隔直通交隔直通交”C1、C2为耦合电容为耦合电容uBEuiUBEQ,信号驮载在静信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。态之上。负载上只有交流信号。信号的传递是直接通过信号的传递是直接通过导线或电阻进行导线或电阻进行 利用耦合电容进行信号利用耦合电容进行信号传递传递 2 2 2 2.2.22.22.22.2 放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理2.2.放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理由于电抗元件的存在,直流信号由于电抗元件的存在,直流信号所流经的通路与交流信号所流经所流经的通路与交流信号所流经的通路不同。为分析之便,将直
22、的通路不同。为分析之便,将直流信号和交流信号的作用分开进流信号和交流信号的作用分开进行,相应地分为静态和动态。行,相应地分为静态和动态。ui=0直流电源直流电源作用下电流流作用下电流流经的通路经的通路 电容开路,电感短电容开路,电感短路路(如有);交流信交流信号源为零号源为零(电压源短路,电流源则开路),内阻内阻保留保留。(1)静态静态 ui=0,分析目的:,分析目的:根据直流通路确定根据直流通路确定Q点点数值数值直流分析直流分析(UBEQ,IBQ)和和(ICQ,UCEQ)2 2 2 2.2.22.22.22.2 放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理放大电路的基本工作原理放大电路的基本
23、工作原理(2)动态动态 ui0,分析目的:根据交流通路是求放大电路的分析目的:根据交流通路是求放大电路的的输入、输出电阻,增益等指标的输入、输出电阻,增益等指标交流分析交流分析交流电流所流经交流电流所流经的通路。的通路。原则:原则:耦合或旁路电容短路,电耦合或旁路电容短路,电感保留;感保留;无内阻的直流电源为零无内阻的直流电源为零。实现电压实现电压放大放大(3)瞬态瞬态:直流电源和交流信号直流电源和交流信号ui共同作用共同作用瞬时量瞬时量=直流量直流量+交流量交流量 输出电压必然失真!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,但设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但Q点
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