(2.9)--第五章《双极结型三极管（BJT）及其放大电路》.ppt

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1、半导体三极管（BJT）共射极放大电路 放大电路的分析方法放大电路静态工作点的稳定问题共集电极和共基极放大电路组合放大电路半导体三极管及基本电路BJT的结构简介半导体三极管（BJT）放大状态下BJT的工作原理BJT的特性曲线BJT的主要参数温度对BJT参数及特性的影响三极管（Bipolar Junction Transistor)图片BJT的结构简介小功率管中功率管大功率管BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BJT的结构简介BECNPN型三极管BECPNP型三极管三极管符号NPNCBEPNPCBEBJT的结构简介发射结集电结BECNNP基极发射极集电极+_ _

2、 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+BJT的结构简介BECNNP基极发射极集电极基区(base)：较薄，掺杂浓度低集电区(collector)：面积较大发射区(emitter)：掺杂浓度较高BJT的结构简介集电结外加反压发射结外加正压BECNNPVBBRBVCCIE由于基区掺杂浓度很低，基区空穴向发射区的扩散电流可忽略。IBE进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。放大状态下BJT的工作原理BJT起放大作用的条件：内部条件和外部条件1.BJT内部载流子的传输过程BEC

3、NNPVBBRBVCCIE集电结反偏，有少子形成反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。放大状态下BJT的工作原理IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPVBBRBVCCIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE反向饱和电流ICBO，这个电流对放大没有贡献放大状态下BJT的工作原理BJT的三种连接方式共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示共基极接法：基极作为公共电极，用CB表示共发射极接法：发射极作为公共电极，用CE表示放大状态下BJT的工作原理iC与iB之比称为电流放大

4、倍数：对于正向偏置的发射结：集电结收集的电子流是发射结的总电子流的一部分：共基极电流放大倍数一般在0.98以上，共射极电流放大倍数一般为101002.BJT的电流分配关系放大状态下BJT的工作原理1.共射极连接时的VI 特性曲线BJT的特性曲线mAAVVvCE vBERBiBVCCVBB共射极接法的实验线路vCE 1ViB(A)vBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管vBE 0.60.7V,锗管vBE 0.20.3V。一般用这一条曲线。vCE=0VvCE=0.5V死区电压，硅管0.6V，锗管0.2V。（1）输入特性(input characteristic)BJT的特性曲线IC(

5、mA )1234VCE(V)3691240A60AQQ=IC/IB=2 mA/40A=50=IC/IB=(3-2)mA/(60-40)A=50=IC/IB=3 mA/60A=50（2）输出特性(output characteristic)BJT的特性曲线（2）输出特性(output characteristic)对共射极电路有：vBE不变，vCE vCB反压 集电结的空间电荷区宽度 基区的有效宽度基区内的载流子复合的机会增大在基极电流不变的情况下，集电极电流将随vCE的增大而增大，输出特性比较平坦的部分随着vCE的增加略向上倾斜。基区宽度调制效应BJT的特性曲线（2）输出特性(output c

6、haracteristic)当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点：iC不再随iB的增加而线性增加，即此时截止区特点：iB=0，iC=ICEOvCE=VCES ，典型值为0.3VBJT的特性曲线输出特性三个区域的特点：a.放大区(amplifier region)BE结正偏，BC结反偏，IC=IB,且 IC=IB。b.饱和区(saturation region)BE结正偏，BC结正偏，即VCE VBE，IBIC，VCE 0.3V。c.截止区(cut-off region)VBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0。（2）输出特性(output characteristi

7、c)BJT的特性曲线 iE=f(vBE)vCB=constiC=f(vCB)iE=const2.共基极电路的特性曲线BJT的特性曲线前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。则共射直流电流放大倍数为：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为 iB，相应的集电极电流变化为 iC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数BJT的主要参数例：VCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=一般放大电路采用=3080。1.电流放大倍数BJT的主要参数（

8、1）集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO 是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度变化的影响。2.极间反向电流BJT的主要参数ECNNPIB=0B由BJT的电流分配规律，此处电流为ICBO集电结反偏，空穴漂移到基区。发射结正偏，电子扩散到基区。复合形成ICBO（1）ICBO（2）集-射极反向截止电流ICEO2.极间反向电流BJT的主要参数（1）集电极最大允许电流ICM BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流即为ICM。当电流超过时，管子的性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。3.极限参数BJT的主要参数集电结上允许损耗功率的最大值。PC PCMICVCEICVCE=

9、PCMICMV(BR)CEO安全工作区（2）集电极最大允许功耗PCM3.极限参数BJT的主要参数（3）反向击穿电压3.极限参数V(BR)EBO，集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。V(BR)CBO，发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。V(BR)CEO，基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。BJT的主要参数温度对BJT参数及特性的影响（1）温度对ICBO的影响（2）温度对 的影响温度每升高1oC，增加0.5%1%1.温度对BJT参数的影响温度每升高10oC，ICBO约增加一倍（3）温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响集电结的反向击穿为雪崩击穿，具有正的温度系

10、数，温度升高，反向击穿电压提高。2.温度对BJT特性曲线的影响温度T 输出特性曲线上移，曲线族间距增大温度T 输入特性曲线左移温度每升高1oC，vBE减小2mV2.5mV温度对BJT参数及特性的影响共射极放大电路电路组成共射极放大电路的工作原理1.电路组成共射极放大电路放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。+iB+b2b-ivC+R-b1vTo+CcRVCCBBViCiEcommonemitter configuration1.电路组成+iB+b2b-ivC+R-b1vTo+CcRVCCBBViCiE基极电源与基极电阻使发射结正偏，并提供适当的静IB和VBE。集电极电

11、阻RC，将变化的电流转变为变化的电压。集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。共射极放大电路简化电路及习惯画法+iB+b2b-ivC+R-b1vTo+CcRVCCBBViCiE+CTb1CCRbV+vov+ib2CcR共射极放大电路2.基本共射极放大电路的工作原理根据直流通路可知：采用该方法，必须已知三极管的值。一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。+CTb1CCRbV+vov+ib2CcRa.静态(直流工作状态)共射极放大电路 放大电路如图所示。已知BJT的=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=

12、100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）（2）当Rb=100k时，静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：所以BJT工作在饱和区。VCE不可能为负值，此时，Q（120uA，6mA，0V），例题+CTb1CCRbVL+voR-v+-ib2CcR+2.基本共射极放大电路的工作原理b.动态+CTb1CCRbVL+voR-v+-ib2CcR+TRbL+voR-v+-icR输入信号不为零时，放大电路的工作状态，即交流工作状态 耦合电容：通交流、隔直流 直流电源：内阻为零直流电源和耦合电容

13、对交流相当于短路共射极放大电路vi=0vi=Vsint先静态：确定静态工作点Q（IBQ、ICQ、VCEQ）后动态：确定性能指标（AV、Ri、Ro 等）放大电路为什么要建立正确的静态？放大电路为什么要建立正确的静态？2.基本共射极放大电路的工作原理共射极放大电路2.基本共射极放大电路的工作原理工作点合适工作点偏低合适的静态工作点保证Je正偏，Jc反偏保证有较大的线性工作范围共射极放大电路(a)(b)1.下列af电路哪些具有放大作用？(c)(d)(f)(e)放大电路的分析方法 静态工作点的图解分析 动态工作情况的图解分析 BJT的H参数及小信号模型 用小信号模型分析共射极放大电路 小信号模型分析法

14、的适用范围 图解分析法小信号模型分析法 静态工作点对波形失真的影响放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法计算机仿真放大电路性能指标的定义放大电路中各个元件的作用放大电路的直流通路与交流通路本节重点 放大电路的分析方法 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。共射极放大电路+CTb1CCRbV+vov+ib2CcR直流通路TCCRbVcRVBEVCEIBIC+1.静态工作点的图解分析图解分析法1.静态工作点的图解分析VCE=VCCICRC直流负载线由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q直流通路TCCRbVcRVBEVCEIBI

15、C+图解分析法2.动态工作情况的图解分析斜率1Rc/RL+CTb1CCRbVL+voR-v+-ib2CcR+由交流通路得纯交流负载线：vce=-ic (Rc/RL)因为交流负载线必过Q点，则交流负载线为+TRbL+voR-v+-icR图解分析法2.动态工作情况的图解分析通过图解分析，可得如下结论：1.vo与vi相位相反；2.可以测量出放大电路的电压放大倍数；3.可以确定最大不失真输出幅度。图解分析法3.静态工作点对波形失真的影响在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把

16、Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。图解分析法3.静态工作点对波形失真的影响iCvCEvoiCvCEvo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Vom=ICQRcVom=VCEQ-VCES图解分析法放大电路的动态范围iCvCEvo可输出的最大不失真信号工作点Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位要有合适的交流负载线信号幅度不大，不产生失真和保证一定的电压增益，Q可选得低些图解分析法1.试分析下列问题：共射极放大电路（1）增大Rc时，负载线将如何变化？Q 点怎样变化？（2）增大Rb时，负载线将如何变化？Q 点怎样变

17、化？（3）减小VCC时，负载线将如何变化？Q 点怎样变化？（4）减小RL时，负载线将如何变化？Q 点怎样变化？思考题 共射极放大电路2.放大电路如图所示。当测得BJT的VCE 接近VCC=的值时，问管子处于什么工作状态？可能的故障原因有哪些？截止状态答：故障原因可能有：Rb支路可能开路，IB=0，IC=0，VCE=VCC-IC Rc=VCC。C1可能短路，VBE=0，IB=0，IC=0，VCE=VCC-IC Rc=VCC。思考题5.图解分析法的适用范围特别适用于分析信号幅度较大而工作频率不太高的情况直观、形象，有助于一些重要概念的建立和理解，如交直流共存、静态和动态等能全面分析放大电路的静态、

18、动态工作情况，有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性不能分析信号幅值太小或工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标图解分析法小信号模型分析法BJT的H参数及小信号建模共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出 H参数小信号模型 小信号模型的简化 利用直流通路确定Q点 画小信号等效电路 H参数的确定 求放大电路动态指标小信号模型分析法的适用范围 BJT的H参数及小信号建模建立小信号模型(small signal model)的意义建立小信号模型(small signal model)的思路当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极

19、管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件作线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。1.H参数的引出在小信号情况下，对上两式取全微分得用小信号交流分量表示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce 对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以写成：BJT双口网络vBEvCEiBcebiCBJT双口网络+T+-+-iBvBE vBE iB输出端

20、交流短路时的输入电阻，用rbe表示。输入端开路时的电压反馈系数，用uT表示。iBvBE vBE vCE1.H参数的引出 iC iBiCvCE输出端交流短路时的电流放大 系数，用表示。输入端开路时的输出电导，用1/rce表示。iCvCE iC vCE1.H参数的引出2.H参数小信号模型根据可得小信号模型vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络+T+-+-H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与工作点有关，在放大区基本不变。H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。BJT的H参数模型v-+ceebccbiiiehv-+

21、be+-hfeibhrevce即 rbe=hie =hfe uT=hre rce=1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为uT很小，一般为10-3 10-4，rce很大，约100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路v-+ceebccbiiberv-+be ceuT vcev-+ebccbiiberv-+becer+-3.小信号模型的简化4.H参数的确定 一般用万用表测出；rbe 与Q点有关，可用示波器测出。一般也用公式估算 rbe rbe=rb+(1+)re其中对于低频小功率管 rb200 则 而 (T=300K)v-+ceebccbiiberv-+be用H参数小信号模型分析共射极

22、基本放大电路1.利用直流通路求Q点一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。+CTb1CCRbVL+voR-v+-ib2CcR+2.画小信号等效电路共射极放大电路.H参数小信号等效电路.+ebcVo-i-+VcbI+.IcLbbeRrRR+CTb1CCRbVL+voR-v+-ib2CcR+交流通路+TRbL+voR-v+-icR3.求放大电路动态指标根据则电压增益为.+ebcVo-i-+VcbI+.IcLbbeRrRR对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。输入电阻的定义：是动态电阻。电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一

23、般总是希望得到较大的的输入电阻。ebccbII.cLbbeRrRRV-+T.TI.Ri3.求放大电路动态指标V-+T.ebccbII.cbbeRrRTRsI.Ro 对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：所有独立电源置零，保留受控源，加压求电流法。3.求放大电路动态指标 小信号模型分析法的适用范围用图解法定出静态工作点当输入电压幅度较小或BJT基本工作在线性区，放大电路较复杂，可用小信号模型分析当输入电压幅度较大，BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分，需要采用图解法。分析放大电路输出电压的最大幅值等应用图解法较方便

24、例题放大电路如图所示。试求：（1）Q 点；（2）（已知=40）空载时的电压放大系数：有载时的电压放大系数：输出电压与信号源电压之间有如下关系：例题放大电路工作点的稳定问题 温度变化对ICBO的影响 温度变化对输入特性曲线的影响 温度变化对 的影响 基极分压式射极偏置电路 含有双电源的射极偏置电路温度对工作点的影响射极偏置电路 含有恒流源的射极偏置电路温度对工作点的影响1.温度变化对ICBO的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度T 输出特性曲线上移温度T 输入特性曲线左移3.温度变化对 的影响温度每升高1 C，要增加0.5%1.0%温度T 输出特性曲线族间距增大QvCE/ViC/mAiB=0

25、IBQ1动画演示动画演示小结：固定偏置电路的Q点是不稳定的。Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。ICBO ICEO T VBE IB IC 温度对工作点的影响射极偏置电路（1）稳定工作点原理目标：温度变化时，使IC维持恒定。如果温度变化时，b点电位能基本不变，则射极偏置电路(four-resistor circuit)可实现静态工作点的稳定。T 稳定原理：IC IE IC VE、VB不变 VBE IB（反馈控制）+

26、CTb1CCRb1VL+voR-v+-ib2CcR+eRb2R1.基极分压式射极偏置电路（2）放大电路指标分析静态工作点+CTb1CCRb1VL+voR-v+-ib2CcR+eRb2R射极偏置电路电压增益.Voi-+VcbI.I+ebcRRb1berRc+-LRb2ReeI.射极偏置电路输入电阻根据定义则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻VcbII.+ebcRRb1berRcLRb2ReRbI.Rib-+TR.TI.射极偏置电路输出电阻输出电阻其中当时，一般（）可见三极管电流源的内阻比三极管的输出电阻rce还要大。coRR.IRc.cbII.ebcRRsberRcbResV-+TR.

27、TI.rceoRoR 射极偏置电路2.含有双电源的射极偏置电路RcRsReRLvs+VCCT+-VEERcRsCb1Cb2RbRe1RLvs+VCCT+-VEERe2Ce射极偏置电路3.含有恒流源的射极偏置电路+VCCRcRsCbRbRLvsT+-VEECerbeRbRCRLib+-voicib-+-vi射极偏置电路共集电极电路和共基极电路 静态分析 动态分析 静态分析 动态分析共集电极电路共基极电路三种组态的比较共集电极放大电路1.静态分析该电路也称为射极跟随器(emitter follower)。由得+-RvRVevib-+CCoTRL+-RSsv+2.动态分析+-RvRVevib-+CC

28、oTRL+-RSsv+ebcRberLRi-+VbIcbIRV-+SseR.+Vo-+共集电极放大电路电压增益其中一般，则电压增益接近于1，电压跟随器ebcRberLRi-+VbIcbIRV-+SseR.+Vo-+，与 同相位。共集电极放大电路输入电阻根据定义由电路列出方程则输入电阻当，时，输入电阻大+ebcRiRberLRbIcbIV-+TeR.TI.IRb.共集电极放大电路输出电阻由电路列出方程其中则输出电阻.+ebcRberVT-bTbI+RseRI.ReI.RoRs共集电极放大电路射极输出器的输入输出同相，电压增益小于1而近似于1，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。没有电压放大能力

29、，仍具有电流和功率放大能力输入电阻大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大。常用作放大器的输入级输出电阻很小，带负载能力强，用于输出级用于中间级起阻抗变换的作用，隔离前后级间的影响共集电极放大电路共基极放大电路+s+Vb11b2vi-v+2SCbCbR-RCCRcRR+vLo-eRCB+T共基极放大电路(common-base amplifier)如图所示。电流分配关系当 =0.98 时，+s+Vb11b2vi-v+2SCbCbR-RCCRcRR+vLo-eRCB+T共基极放大电路直流通路：1.静态分析+s+Vb11b2vi-v+2SCbCbR-RCCRcRR+vLo-e

30、RCB+T共基极放大电路2.动态分析+s+Vb11b2vi-v+2SCbCbR-RCCRcRR+vLo-eRCB+T+ebcRiberi-+VeRiIceIIiRV-+SSR+oVLR-RcIb.电压增益共基极放大电路输入电阻输出电阻+ebcRiberi-+VeRiIceIIiRV-+SSR+oVLR-RcIb.共基极放大电路三种组态的比较电压增益：输入电阻：输出电阻：组合放大电路 复合管的主要特征 共集共集放大电路的动态分析共射共基放大电路共集共集放大电路共射共基极放大电路+Rb11Rb21Rb12Rb22Cb1Cb2Cb3Ce1Re1Rc2RLvivoVCCT1T2串接放大电路高频特性好，

31、具有较宽的频带+RbRc2RLvivoT1T2-vo1iiib1ic2ic1=ie2Ri=Rb11|Rb21|Rbe1Ro Rc2+RbRc2RLvivoT1T2-vo1iiib1ic2ic1=ie2在计算各级电压增益时，必须考虑级间的相互影响，前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻共射共基极放大电路作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe。复合管（darlingdon connection）也称为达林顿管。T1T2TT1T2TT1T2TT1T2T必须保证两只管子均工作在放大状态1.复合管的主要特征共射共基极放大电路IC=IC1+IC2 =1 IB+2(1+1)IB =1+2(1+1)IB=IC/IB =1+2(1+1)1 2 ICIBIE12IC1IC2IB2共射共基极放大电路+RbReRLvivoT1T2-Rsvs+RbRsCb1Cb2Re1ReRLvsvoVCCT1T2+-+-vi2.动态分析共射共基极放大电路