模拟电子技术大学双极型三极管及放大电路基础.pptx

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1、14.1双极型三极管双极型三极管(BJT)又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(Bipolar Junction Transistor)三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三三极极管管有有两两种种类类型型：NPN 和和 PNP 型型。主主要要以以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。三极管的外形三极管的外形第1页/共97页2第2页/共97页3BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型结构与分类 两个PN结、三个引脚，两种类型：NPN和PNP型。一、一、BJTBJT的

2、结构、符号及放大条件的结构、符号及放大条件集电结发射结第3页/共97页4BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管BJT符号NPNCBEPNPCBE由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用。第4页/共97页5BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：基区：较薄，较薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：发射区：掺杂掺杂浓度最高浓度最高结构特点第5页/共97页6BJT放大的内部条件 发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面示

3、意图第6页/共97页7BECNNPEBRBEc发射结正偏，发发射结正偏，发射区电子不断向射区电子不断向基区扩散，形成基区扩散，形成发射极电流发射极电流IE。IE进入进入P区的电子少部分与基区区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。多数扩散到集电结。IBBJT放大的外部条件：发射结正偏，集电结反偏第7页/共97页8BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，移进入集电结而被收集，形成形成IC。ICICIB三极管能放大电流的必要条件：三极管能放大电流的必要条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏

4、。根据KCLIE=IB+IC第8页/共97页9令=IC/IE 为共基极电流放大倍数为共基极电流放大倍数 1 (10100)一般放大电路采用3080为宜，太小放大作用差，太大性能不稳定。第9页/共97页10因为 IC=IE IB=IE IC=IE IE 所以 =IC/IB=IE/(/(IE IE)=/(1-/(1-)即为与的关系对NPN管，放大时VC VB VE对PNP管，放大时VC VB 0，集电结已进入反偏状态，同样的，集电结已进入反偏状态，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vCE=0V vCE 1V(1)当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相

5、当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线二、二、BJTBJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）此时，曲线基本相同，为一般常用曲线。此时，曲线基本相同，为一般常用曲线。第11页/共97页12(3)输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分死区死区非线性区非线性区线性区线性区1.输入特性输入特性曲线曲线第12页/共97页13iC=f(vCE)iB=const2.输出特性曲线饱和区：Je正偏，Jc正偏。该区域内，一般vCE IB，此时，此时，不随温度变化而变化。不随温度变化而变化。VB VBE 且且Re可取可取大些，反馈控制作用更强。大些，反馈控制作用更强。

6、一般取一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V 第61页/共97页622.放大电路指标分析放大电路指标分析静态工作点静态工作点第62页/共97页63电压增益电压增益画小信号等效电路画小信号等效电路确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe增益增益VoVi-Ib(RC/RL)Ibrbe+(1+)Re=AV=-(RC/RL)=rbe+(1+)RecebRb1RLVi+-Vo+-Rb2Rb=Rb1/Rb2ReRcrbe IbIbIeIc小信号等效电路Vi=Ibrbe+IeRe=Ibrbe+Ib(1+)ReVo=-Ib(Rc/RL)第63页/共97页64输入电阻由电路列出方程则输入电

7、阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻IT=IRb+IbVT=IRb(Rb1/Rb2)VT=Ibrbe+IeRe=Ibrbe+Ib(1+)Re=Rb1/Rb2/rbe+(1+)ReTIVTRi=根据定义TIVTRi=射极偏置电路的输入电阻Rb1cebRb2Rb=Rb1/Rb2ReRcrbe IbIbIeIcVT+-ITRi第64页/共97页65输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路的方法：o 网络内独立源置零；o 负载开路；o 输出端口加测试电压。对回路1和2列KVL方程：分析过程考虑rce的影响。其中当当时，时，一般一般（）Ib(rbe+Rs)+(Ib+Ic)Re=0VT-(Ic-Ib)rce

8、-(Ic+Ib)Re=0+则1rce+=)(ReRsrbe+Re RoVTIc=第65页/共97页66 直流通路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较静态：共射极放大电路RCVCCCb1ReRb1bceiCiBiE+vi-_RL+vo_Cb2Rb2i1射极偏置电路直流通路RCVCCReRb1bceRb2第66页/共97页67电压增益：输入电阻：输出电阻：Ro=Rc 思考思考思考思考：射极偏置电路应如何改进，才可以使其既具有温度稳定性，射极偏置电路应如何改进，才可以使其既具有温度稳定性，射极偏置电路应如何改进，才可以使其既具有温度稳定性，射极偏置电路应如何改进，才可以使其既具有温度稳定性，又具有与

9、固定偏流电路相同的动态指标？又具有与固定偏流电路相同的动态指标？又具有与固定偏流电路相同的动态指标？又具有与固定偏流电路相同的动态指标？rbeLc)/(RR =VAe)=1be(Rr+Lc)/(RR VAibeVbiiIR=/rR=cebRb1RLVi+-Vo+-Rb2Rb=Rb1/Rb2ReRcrbe IbIbIeIc射极偏置电路射极偏置电路RbviRcRL固定偏置电路固定偏置电路第67页/共97页68第68页/共97页691end第69页/共97页704.5 4.5 共集电极电路和共基极电路共集电极电路和共基极电路 静态工作点动态指标 静态工作点 动态指标 三种组态的比较共集电极电路共基极

10、电路第70页/共97页71共集电极电路共集电极电路1.电路分析共集电极电路结构如图示该电路也称为射极输出器（）静态分析求静态工作Q点由得第71页/共97页72电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：画小信号等效电路画小信号等效电路确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe增益增益1.电路分析电路分析其中其中一般一般，则电压增益接近于，则电压增益接近于1 1，即即电压跟随器电压跟随器第72页/共97页73输入电阻输入电阻根据定义根据定义由电路列出方程由电路列出方程则输入电阻则输入电阻当当，时，时，1.电路分析电路分析输入电阻大输入电阻大输出电阻输

11、出电阻由电路列出方程由电路列出方程其中其中则则输出电阻输出电阻当当，时，时，输出电阻小输出电阻小共集电极电路特点：共集电极电路特点：电压增益小于电压增益小于1 1但接近于但接近于1 1，输入电阻大，对电压信号源衰减小输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强#既然共集电极电路的电压增益小于既然共集电极电路的电压增益小于既然共集电极电路的电压增益小于既然共集电极电路的电压增益小于1 1（接近于（接近于（接近于（接近于1 1），那么），那么），那么），那么该电路没有放大作用。这种说法是否正确？该电路没有放大作用。这种说法是否正确？该电路没有放大作用。这种说法是

12、否正确？该电路没有放大作用。这种说法是否正确？第73页/共97页74共基极电路共基极电路1.静态工作Q点 直流通路与射极偏置电路相同直流通路RCVCCReRb1bceRb2第74页/共97页752.动态指标电压增益 输入电阻 输出电阻#共基极电路的输入电阻很小，共基极电路的输入电阻很小，共基极电路的输入电阻很小，共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？最适合用来放大何种信号源的信号？最适合用来放大何种信号源的信号？最适合用来放大何种信号源的信号？输入回路Vi=-IbrbeVo=-IcRL=-IbRL电压增益输出回路AV=ViVo-Ibrbe-IbRL=RLrbe=Ri=reb

13、=Vi-Ierbe1+=-(1+)Ib-Ibrbe=Ri=IiVirbe1+=Re/reb=Re/rbe1+第75页/共97页763.三种组态的比较1)连接方式不同：连接方式不同：基极输入，集电极输出；基极输入，发射极输出；发射极输入，集电极输出；共射极电路共射极电路共集电极电路共集电极电路共基极电路共基极电路第76页/共97页77电压增益：输入电阻：输出电阻：2）动态特性不同：动态特性不同：3）用途不同：用途不同：共发射极电路共发射极电路：既能放大电流又能放大电压，应用广泛，多用于多级放大电路既能放大电流又能放大电压，应用广泛，多用于多级放大电路的中间级；的中间级；共基极电路共基极电路：只能

14、放大电压不能放大电流，稳定性好，频带宽，多用于高频或：只能放大电压不能放大电流，稳定性好，频带宽，多用于高频或宽频带电路及恒流源电路宽频带电路及恒流源电路。end共集电极电路共集电极电路：只能放大电流不能放大电压，输入电阻高、输出电阻低，多用于只能放大电流不能放大电压，输入电阻高、输出电阻低，多用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级；共射极电路共集电极电路共基极电路第77页/共97页78 复合管复合管作用：提高电流放大系数，增大电阻作用：提高电流放大系数，增大电阻r rbebe复合管也称为复合管也称为达林顿管达林顿管第78页/共97页79121212122

15、.复合管（也称为达林顿管）作用：提高电流放大系数，增大输入电阻rbe根据组成复合管的BJT的类型不同分为：（）同种类型的BJT复合，其复合管保持组成管的特性；（2）不同类型的BJT复合，则复合管与第一只管特性相同。=1 2rbe=rbe1+1rbe2第79页/共97页804.6 4.6 多极放大电路多极放大电路 在放大电路的实际应用中，为了使微弱的信号得到足够的放大，即获得在放大电路的实际应用中，为了使微弱的信号得到足够的放大，即获得足够高的增益或考虑输入电阻、输出电阻的特殊要求，常常将多个足够高的增益或考虑输入电阻、输出电阻的特殊要求，常常将多个基本放基本放大电路大电路合理的连接起来，构成合

16、理的连接起来，构成多级放大电路多级放大电路。组成多极放大电路的每一个基本放大电路称为一级，组成多极放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接级与级之间的连接称称为为级间耦合，级间耦合，常见的级间耦合方式有：常见的级间耦合方式有：（1）阻容耦合 （2）直接耦合 （3）变压器耦合（4）光电耦合。不不管采用何种耦合方式，都必须保证：管采用何种耦合方式，都必须保证：各级都有合适的静态工作点；各级都有合适的静态工作点；前级的输入信号能顺利的传送到后一级的输入端。前级的输入信号能顺利的传送到后一级的输入端。第80页/共97页81一、阻容耦合 将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为将

17、放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合两极阻容耦合放大电路特点：特点：级与级之间无直流通路，各级电路的静态工作点相互独级与级之间无直流通路，各级电路的静态工作点相互独立，在求解或调试点时可按单级处理，所以电路的分立，在求解或调试点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行；析、设计和调试简单易行；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；由于在集成电路中制造大电容很困难，甚至不可能，所由于在集成电路中制造大电容很困难，甚至不可能，所以不便于集成化。以不便于集成化。多极放大电路的耦合方式多极放大电路的耦合方式第81页/共97页82二、直接耦

18、合 将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合直接耦合放大电路静态工作点的设置特点：特点：各级之间直流通路相连，静态工作点相互影响，给电路的各级之间直流通路相连，静态工作点相互影响，给电路的分析、设计和调试带来一定困难（当然可通过运用计算机辅助分析分析、设计和调试带来一定困难（当然可通过运用计算机辅助分析软件解决之）；软件解决之）；具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；电路中没有大电容易于制成集成放大电路；电路中没有大电容易于制成集成放大电路；存在存在零点漂移零点漂移现象。现象。第82页

19、/共97页83三、变压器耦合将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为变压器耦合图（图（a）为变压器耦合共射放大电路，）为变压器耦合共射放大电路，RL既可以是实际的负载电阻，既可以是实际的负载电阻，也可以代表后级放大电路，图（也可以代表后级放大电路，图（b）是他的交流等效电路。）是他的交流等效电路。特点：特点：前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样静态工作点相互独立，前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试；便于分析、设计和调试；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号

20、，且非常笨重更不能集成化；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重更不能集成化；可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。第83页/共97页84变压器耦合的阻抗变换第84页/共97页85四、光电耦合。光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。而得到越来越广泛的应用。光电耦合器光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（二极管）是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（二极管）与光敏元件（光电三

21、极管）相互绝缘的组合在一起，如下图所示：与光敏元件（光电三极管）相互绝缘的组合在一起，如下图所示：光电耦合器及其传输特性光电耦合器及其传输特性第85页/共97页86信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路。当动态信号为零时，信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路。当动态信号为零时，输入回路有静态电流输入回路有静态电流 IDQ，输出回路有静态电流，输出回路有静态电流 I ICQCQ ，从而确定出静态管压降，从而确定出静态管压降UCEQ。光电耦合放大电路 当有动态信号时，随着当有动态信号时，随着 i iD D 的变化的变化,i ic c 将产生线性变化，电阻将产生线性变化，电

22、阻 RC 将电流的变化转将电流的变化转换成电压的变化。换成电压的变化。第86页/共97页87多极放大电路的动态分析多极放大电路的动态分析多级放大电路方框图 前级的输出电压是下级的输入电压；前级的输出电压是下级的输入电压；前级的输出电阻是下级的信号源内阻；前级的输出电阻是下级的信号源内阻；下级的输入电阻是前级的负载电阻；下级的输入电阻是前级的负载电阻；第一级的输入电阻就是放大电路的输入电阻；第一级的输入电阻就是放大电路的输入电阻；最后一级的输出电阻就是放大电路的输出电阻。最后一级的输出电阻就是放大电路的输出电阻。第87页/共97页88多级放大电路的电压放大倍数多级放大电路的电压放大倍数和输入、输

23、出电阻和输入、输出电阻一、电压放大倍数一、电压放大倍数总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即其中，其中，n 为多级放大电路的级数。为多级放大电路的级数。二、二、输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 通通常常，多多级级放放大大电电路路的的输输入入电电阻阻就就是是输输入入级级的的输输入入电电阻阻；输出电阻就是；输出电阻就是输出级的输出电阻。输出级的输出电阻。具具体体计计算算时时，有有时时它它们们不不仅仅仅仅决决定定于于本本级级参参数数，也也与与后级或前级的参数有关。后级或前级的参数有关。第88页/共97页89多极放大电路的微变等效电路多极放大电路的

24、微变等效电路第89页/共97页90图图示示两两级级直直接接耦耦合合放放大大电电路路中中，已已知知：Rb1=240 k，【例例1】Rc1=3.9 k ，Rc2=500 ，稳稳压压管管 VDz 的的工工作作电电压压 UZ=4 V，三三极极管管 VT1 的的 1=45，VT2 的的 2=40，VCC=24 V，试计算各级静态工作点。试计算各级静态工作点。Rc1Rb1+VCC+VT1+Rc2VT2VDzuIuOiB1iC1iRc1iB2iC2解：设解：设 UBEQ1=UBEQ2=0.7 V，则则UCQ1=UBEQ2+Uz=4.7 V如如 ICQ1 由由于于温温度度的的升高而增加升高而增加 1%，计算静

25、态输出电压，计算静态输出电压 的变化。的变化。第90页/共97页91ICQ1=1 IBQ1=4.5 mAIBQ2=IRc1 ICQ1=(4.95 4.5)mA=0.45 mAICQ2=2 IBQ2=(40 0.45)mA=18 mAUO=UCQ2=VCC ICQ2RC2=(24 18 0.5)V=15 V UCEQ2=UCQ2 UEQ2=(15 4)V=11 V当当 ICQ1 增加增加 1%时，即时，即ICQ1=(4.5 1.01)mA=4.545 mAIBQ2=(4.95 4.545)mA=0.405 mAICQ2=(40 0.405)mA=16.2 mAUO=UCQ2=(24 16.2 0

26、.5)V=15.9 V比原来升高了比原来升高了 0.9 V，约升高约升高 6%。第91页/共97页92Rc1Rb1+VCC+VT1+Rc2VT2VDzuIuOiB1iC1iRc1iB2iC2【例例2】图示电路中，图示电路中，Rb1=240 k，Rc1=3.9 k ，Rc2=500 ，UZ=4 V，1=45，2=40，VCC=24 V，设稳压管的设稳压管的 rz=50 。试估算总的电压放大倍数，。试估算总的电压放大倍数，以及输入、输出电阻以及输入、输出电阻 Ri 和和 Ro。解解：估估算算 Au1 时时，应应将将第第二二级级 Ri2 作作为为第第一一级的负载电阻。级的负载电阻。第92页/共97页

27、93所以所以第93页/共97页94直接耦合放大电路的零点漂移现象直接耦合放大电路的零点漂移现象 一个理想的直接耦合放大电路，当输入信号为零时，其输出信号应保持为恒定（即静态输出电压）。但实际的直接耦合放大电路，输入端短路时（即ui=0），输出电压会随时间的变化而偏离原来的起始值而上下缓慢地波动，这种现象称为零点漂移，简称 零漂。零点漂移现象零点漂移现象第94页/共97页95 零漂零漂-就是就是工作点的漂移工作点的漂移。在直接耦合电路中，前级的零漂将被逐在直接耦合电路中，前级的零漂将被逐级放大，从而在输出端可能将有用的信号淹没，严重时甚至使后级电路进入饱和或级放大，从而在输出端可能将有用的信号淹

28、没，严重时甚至使后级电路进入饱和或截止状态而无法正常地工作。所以要截止状态而无法正常地工作。所以要抑制零点漂移抑制零点漂移。输入级的输入级的零漂零漂对电路的影响最大。看一个放大器的对电路的影响最大。看一个放大器的零漂零漂是否严重，不能是否严重，不能只看输出级的电压漂移的大小，还要看放大器的放大倍数。所以，一般都是只看输出级的电压漂移的大小，还要看放大器的放大倍数。所以，一般都是将输出零漂值折算到输入端，用将输出零漂值折算到输入端，用等效输入零漂电压等效输入零漂电压来衡量来衡量零漂零漂的大小。的大小。折算公式折算公式vid=vodAVvodAV=输出漂输出漂移电压移电压电压放电压放大倍数大倍数输

29、入端等效漂移电压第95页/共97页96抑制抑制温度漂移温度漂移的方法归纳如下的方法归纳如下：）在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点）在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路中的稳定电路中的ReRe所起的作用；所起的作用；）采用温度补偿的方法利用热敏元件来抵消放大管的变化）采用温度补偿的方法利用热敏元件来抵消放大管的变化；）采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成）采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分式放大电差分式放大电路路”，这就是集成运放均采用差分式放大电路做为输入级的主要原因之一。这，这就是集成运放均采用差分式放大电路做为输入级的主要原因之一。这个方法也可归结为个方法也可归结为温度补偿温度补偿。由由温度变化温度变化引起的半导体器件参数的变化，是产生零点漂移的引起的半导体器件参数的变化，是产生零点漂移的主要原因主要原因，因而，因而零点漂移也称为零点漂移也称为温度漂移温度漂移，简称，简称温漂温漂。end第96页/共97页97感谢您的观看。第97页/共97页