双极结型三极管及放大电路基础.pptx
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1、分类:按材料分:硅管、锗管按结构分:NPN、PNP按使用频率分:低频管、高频管按功率分:小功率管 1W第1页/共55页4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下,通过载流子传输体现出来的。1.三极管放大的条件内部条件 发射区掺杂浓度最高 基区薄且掺杂浓度最低 集电区掺杂浓度低,集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏第2页/共55页NPN+ebcReRcVEEVCC发射结正偏集电结反偏1.三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区扩散载流子(多子自 由电子),形成发射极电流 IE。IE(基区空穴扩散运动因浓度低而忽略)2)载流子在基区中的扩散与复合,形 成
2、复合电流IBN。极少数少子(自由电子),与空穴复合,形成复合电流IBN。绝大多数少子(自由电子)向集电结方向扩散形成。基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)集电结反向饱和电流IBIBNIEPIENICBO3)集电区收集少数载流子(自由电子),形成集电极电流ICN。ICIBN=IB+ICBO;即:IB=IBN ICBO IC=ICN +ICBO 动画(内部载流子的运动)ICN基区的多子空穴因浓度低,其扩散运动可以忽略基区的少子自由电子因浓度很低,其漂移运动可以忽略第3页/共55页2.电流分配关系根据传输过程可知:IE=IB+ICIC=ICN+ICBOIB=IBN-ICBONP
3、N+ebcReRcVEEVCCIEIBIBNIENICBOICICN 为电流放大系数,它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。一般 =0.90.99:共基极直流电流放大系数设=传输到集电极的电流发射极注入电流即=,通常ICICBOICNIE则有ICIE第4页/共55页动画(三极管的电流分配关系)(直流)是另一个电流放大系数,同样,它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。一般 1。:共射极直流电流放大系数设=,则ICNIBN根据IBN=IB+ICBOIE=IB+ICIC=ICN+ICBO=ICNIEIC=ICN+ICBO =IBN+ICBO =(IB+ICBO)+ICB
4、O =IB+(1+)ICBO =IB+ICEO其中ICEO=(1+)ICBO(穿透电流),当ICBO很小时,=ICNIBNIC-ICBOIB+ICBOICIB第5页/共55页3.BJT在放大电路中的应用举例 若vI=20mV,使iE=-1 mA,当=0.98 时,则iC=iE =-0.98 mA,vo=-iC RL=0.98 V,电压放大倍数:iE=+iE共基极放大电路1k+ebcReRLVEEVCCIEIBIC+-vEBvCBvo+-vI+-Av=49vovI0.98V20mV共基极交流电流放大系数第6页/共55页 当vI=20mV,使iB=20A,设=0.98,则电压放大倍数:vO=-iC
5、 RL=-0.9mA1k=-0.98 V4.共射极连接方式动画(三极管的电流放大作用)(交流)共射极放大电路IB+iBvo+-vI+-+ebcVBBVCC-vBE+vBE1kRLIC+iCIE+iEAv=-49vovI-0.98V20mV共射极交流电流放大系数第7页/共55页当vCE=0V时,相当于发射结的正向伏安特性曲线。当vCE1V时,vCB=vCE-vBE0,集电结已进入反偏状态,集电结开始收集 电子,基区复合减少,同样的vBE下 IB减小,特性曲线右移。(1)输入特性曲线4.1.3 BJT的V-I 特性曲线导通电压 VBE硅管:(0.6 0.8)V,通常取 0.7V。锗管:(0.1 0
6、.3)V,通常取 0.2V。1.共射极连接时的V-I 特性曲线动画(入特性曲线)输入回路输出回路iB+ebcVBBVCC-iCiERBRC+vBEvCEO第8页/共55页(2)输出特性曲线共射极连接时输出特性的三个工作区:放大区、饱和区、截止区。放大区饱和区截止区放大区:条件:发射结正偏;集电结反偏。特点:水平、等间隔。vCE对iC的影 响由基区宽度调制效应产生,即iC随vCE增大而略有增加。截止区:条件:两个结反偏 特点:iB=0,iC=ICEO0;iC iB 当三极管进入饱和区或截止区时,将产生非线性失真。因为vCE=vCB+vBE,当vCE增加时,由于vBE变化较小(例如硅管的vBE一般
7、为0.7V左右),故vCB(集电结反向偏压)随之增加。vCB的增加使集电结的空间电荷区的宽度增加,致使基区有效宽度减小,这样在基区内载流子的复合机会减少,使电流放大系数增大,在iB不变的情况下,iC将随vCE的增大略有增大,特性曲线略微向上倾斜,此现象称为基区宽度调制效应。动画(输出特性曲线)2.共基极电路的V-I 特性 曲线(见书P110)饱和区:条件:两个结正偏 vCE v BE vCB=vCE vBE 0 特点:iC不再随iB的增加而线性增 加,即iCiB,此时iC V(BR)CEO V(BR)EBOICMV(BR)CEOPCM安 全 工 作 区iCvCE/V过 损 耗 区O第11页/共
8、55页4.2 基本共射极放大电路 组成放大电路时,必须遵循以下几个原则:1给所选用的放大管提供直流电源,以作为电路输出能源和设置合 适的静态工作点。2电源的极性和大小应使BJT的发射结处于正向偏置;同时使集电结 处于反向偏置;即保证BJT工作在放大区。3电阻取值得当,与电源配合,使放大管有合适的静态工作电流。4输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。输入信号必须能够 改变基极与发射极之间的电压,产生vBE,或改变基极电流,产 生iB(或iE)。5当负载接入时,必须保证放大管输出回路的动态电流iC能够作用 于负载,从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。第12页/共55页4.2.1
9、基本共射放大电路的组成基本组成如下:三极管T:是核心元件,起放大作用。直流电源VBB、电阻Rb:通过电阻Rb 使发射结正偏,产生基极直流电流IB。直流电源VCC、电阻Rc:通过电阻Rc,并与VBB和Rb配合,给集电结提供反 偏电压,使BJT工作于放大状态。电 阻Rc的另一个作用是将集电极电流的 变化转换为电压的变化,再送到放大电路的输出端。由于发射极是输 入回路和输出回路的共同端,所以称为共发射极放大电路。动画(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(即放大区),以保证信号几乎不失真地放大。放大作用实际上是放大器件的控制作用,放大器是一种能量控制部件。同时还要注意
10、放大作用是针对变化量而言的。图4.2.1 基本共射极放大电路vs+-VBBVCCTiB+-vBE+-vCERbRciCiE为什么要设置静态工作点?第13页/共55页1.静态(直流工作状态)输入信号vi0时,放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理2.动态 输入正弦信号vs后,电路将处在动态工作情况。此时,BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。直流通路 VBBVCCTIBQ+-VBEQ+-VCEQRbRcICQvs+-iBvBEvCEVBBVCCT+-+-RbRciC交流通路 vs+-Tib+-vbe+-voRbRcic上次课第
11、14页/共55页 4.3.1 图解分析法4.3 放大电路的分析方法1.静态工作点的图解分析 图解分析法就是利用BJT的V-I 特性曲线及管外电路的特性,通过作图对放大电路的静态及动态进行分析。将图4.2.1所示电路改画成图4.3.1的形式,并利用虚线把电路分成三部分:BJT、输入端的管外电路、输出端的管外电路。采用该方法分析静态工作点,必须已知三极管的输入、输出特性曲线。静态时,令图中vs0,既得该电路的直流通路。在输入回路中,静态工作点(IBQ、VBEQ)既应在BJT的输入特性曲线上,又应满足外电路回路方程vBE=VBB-iBRb,显然两点即(VBB,0)、(0,VBB/Rb)决定这一直线。
12、交点Q即为静态工作点VBEQ、IBQ。IBQQOiBvBEQVBEQ电容对直流而言相当于开路;交流电压源内阻很小,对直流而言相当于短路。图4.3.1 基本共射极放大电路原理图vs+-iBvBEvCEiCVBBVCCT+-+-RbRcVBBVCCT+-+-RbRc直流通路 IBQVBEQVCEQICQ第15页/共55页 与输入回路相似,在输出回路中,静态工作点(ICQ、VCEQ)既应在BJT的输出特性曲线上,又应满足外电路回路方程vCE=VCC-iCRc,显然两点即(VCC,0)、(0,VCC/Rc)决定这一直线。交点Q即为静态工作点VCEQ、ICQ。VCCQiC/mAvCE/V100 A80
13、A60 A40 A20 AIB=0 AOICEOVCCRc斜率为:IBQICQVCEQVBBVCCT+-+-RbRc直流通路 IBQVBEQVCEQICQ第16页/共55页 放大电路在接入正弦信号时工作情况的图解分析 2 动态工作情况的图解分析假设在静态工作点的基础上,输入一微小的正弦信号 vs。iBvBEQiCvCEib静态工作点iBIBQtiCICQtviVBEtvOVCEQt通过图解分析,可得如下结论:1.vi vBE iB iC vCE|-vo|2.vo与vi相位相反;3.可以测量出放大电路的电压放大倍数;4.可以确定最大不失真输出幅度。vCE怎么变化vCE 与 vi 反相!vCE也沿
14、着负载线变化#动态工作时,iB、iC的实际电流方向是否改变,vCE的实际电压极性是否改变?实际方向均为正值,没有改变。动画(共射放大交流波形)第17页/共55页3.静态工作点对波形失真的影响截止失真的波形 饱和失真的波形截止失真:由于放大电路的静态工作点Q太低,达到了三极管的截止区而引起的非 线性失真。对于NPN管,输出电压 表现为顶部失真。饱和失真:由于放大电路的静态工作点Q太高,达到了三极管的饱和区而引起的非 线性失真。对于NPN管,输出电 压表现为底部失真。动画(Q点与波形失真)第18页/共55页注意:对于PNP管,由于是负电源供电,失真的表现形式与NPN管正 好相反。#放大区是否为绝对
15、线性区放大电路的动态范围放大电路要想获得最大的不失真输出幅度,要求:(1)工作点Q点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。?放大电路建立正确的静态工作点,是为了使三极管工作在(近似的)线性区(即放大区),以保证信号几乎不失真地放大。为什么要设置静态工作点?不是绝对的线性区,而是近似的线性区。(BJT本身为非线性器件)第19页/共55页vs+-+VCC12V+-+-vCEioRsRc4kRb300kRL4k+vi+-vBE+-voCb120FCb220F解:(1)主要区别是:图4.3.1 的信号源没有接地(共同 端),实际应用时因干扰而不稳定。而图4.7.1 的正弦信
16、号源有有一端接共同端。(2)将基极直流电源与集电极直流电源VCC 合并,通过Rb提供基极偏流及偏压。+-RcRbRLvi+-voT+-vceicib交流通路直流通路的画法:耦合电容对直流而言,容抗为无穷大,可视为开路;而交流电压源其内阻很小,对直流而言可视为短路。交流通路的画法:动态工作时,耦合电容Cb1和Cb2在具有一定频率的信号作用下,容抗很小可忽略(即短路),电源VCC的内阻很小,可视为短路。交流通路如图所示。令RL=Rc/RL+VCC12V+-vCERc4kRb300k+-vBEICQIBQ直流通路+VCC12V+-vCERc4kRb300k+-vBEICQIBQ直流通路交流负载线斜率
17、为例4.3.1 电路如下图所示,设VBEQ=0.7V。(1)试从电路组成上说明它与图4.3.1所示电路的主要区别。(2)画出该电路的直流通路与交流通路。(3)估算静态电流IBQ,并用图解法确定ICQ、VCEQ。(4)写出加上输入信号后,电压vBE的表达式及输出交流负载线方程。IBQvCE/V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0 A O 2 4 6 8 10 124321VCCiC/mAICEO斜率为ICQVCEQVCCRc直流负载线由输出回路写出直流负载线方程:vCE=VCC-iCRc 画直流负载线如左图所示从图中可写出:VCEQ=6V ICQ=1.5mA(3)第20页/共55页
18、交流负载线斜率为IBQvCE/V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0 A O 2 4 6 8 10 124321VCCiC/mAICEO斜率为ICQVCEQVCCRc直流负载线(4)写出加上输入信号后,电压vBE的表达式及输出交流负载线方程。交流负载线的作法:斜率为 ;经过Q点。交流负载线:输出端接入负载RL,不影响静态Q;但影响动态!交流量ic和vce有如下关系:其中:注意:交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。空载时(即RL=),交流负载线与直流负载线重合。+-RcRbRLvi+-voT+-vceicib交流通路第21页/共55页4.图解分析法的适用范围幅度较大而工作
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