晶体三极管及其基本放大电路解读PPT教案

1、会计学1晶体三极管及其基本放大电路解读晶体三极管及其基本放大电路解读一、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、主要参数第1页/共79页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。结。小功率小功率管管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？第2页/共79页（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonB

2、E0uuuUu 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极，复合运动形成基极电流电流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载少数载流子的流子的运动运动因发射区多子浓度高使大量电子从因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合少数与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散第3页

3、/共79页CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系交流电流放大系数数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？路会有穿透电流？第4页/共79页CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲的一条输入特性曲线可以取代线可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲线增大到一定值曲线右移就不明显了？

4、右移就不明显了？1. 输入特性第5页/共79页B)(CECIufi 是常数吗？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 ?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？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii第6页/共79页 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅几乎仅仅决定于输入回路的电流决定于输入回路的电流 iB

5、，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC 。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE第7页/共79页BEBBBECEO )(uiiuIT不变时，即不变时第8页/共79页 直流参数直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电间击穿电压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 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率） 极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii第9页/共79页由图示

6、特性求出由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。CECCMuiP2.7CEBCUiiuCE=1V时的时的iC就是就是ICMU（BR）CEO第10页/共79页约小于约小于0.5V时时截止截止约大于约大于1V时时饱和饱和以以V2作为输入、以作为输入、以节点节点1作为输出，采作为输出，采用直流扫描的方法用直流扫描的方法可得输出电压与输可得输出电压与输出电压之间函数关出电压之间函数关系的曲线，即电压系的曲线，即电压传输特性。传输特性。第11页/共79页一、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12页/共79页VBB、Rb：使：使

7、UBE Uon，且有，且有合适的合适的IB。VCC：使：使UCEUBE，同时作为，同时作为负载的能源。负载的能源。Rc：将：将iC转换成转换成uCE(uO) 。)( oCECBIcuuuiiuR动态信号作用时：动态信号作用时： 输入电压输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电间的电压、管压降称为静态工作点压、管压降称为静态工作点Q，记作，记作IBQ、 ICQ（IEQ）、）、 UBEQ、 UCEQ。共射共射1. 电路的组成及各元件的作用第13页/共79页 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

8、先要解决失真问题，但Q点点几乎影响着所有的动态参数！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？时有合适的直流电流和极间电压？第14页/共79页t tuCEUCEQVCCOt tuCEUCEQVCCO饱和失饱和失真真底部失底部失真真截止失截止失真真顶部失真顶部失真输出和输入反相！输出和输入反相！动态信号动态信号驮载在静驮载在静态之上态之上与与iC变化变化方向相反方向相反 要想不失真，就要要想不失真，就要在信号的整个周期内在信号的整个周期内保证晶体管始终工作保证晶体管始终工作在放大区！在

9、放大区！第15页/共79页1. 组成原则第16页/共79页问题：问题：1. 两种电源两种电源2. 信号源与放大电路不信号源与放大电路不“共地共地”共地，且要使信号共地，且要使信号驮载在静态之上驮载在静态之上静态时，静态时，b1BEQRUU动态时，动态时，b-e间电压是间电压是uI与与VCC的共同作用的结果。的共同作用的结果。将两个电源将两个电源合二为一合二为一有直流分有直流分量量有交流损失有交流损失第17页/共79页 耦合电容的容量应足够耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似大，即对于交流信号近似为短路。其作用是为短路。其作用是“隔离隔离直流、通过交流直流、通过交流”。静态时，静态时，C1

10、、C2上电压？上电压？CEQC2BEQC1UUUU，动态时，动态时，C1、C2为耦合电容为耦合电容！UBEQUCEQuBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。负载上只有交流信号。第18页/共79页第19页/共79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二、二、等效电路法等效电路法三、三、图解法图解法第20页/共79页 通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化的作用共存，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分析，将

11、它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。路的概念。第21页/共79页cCQCCCEQBQCQbBEQBBBQ RIVUIIRUVI 列晶体管输入、输出回路方程，将列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件作为已知条件，令，令ICQIBQ，可估算出静态工作点。，可估算出静态工作点。VBB越大，越大，UBEQ取不同的值所引取不同的值所引起的起的IBQ的误差的误差越小。越小。第22页/共79页cCQCCCEQBQCQbBEQCCBQ RIVUIIRUVI当当VCCUBEQ时，时，bCCBQRVI已知：已知：VCC12V， Rb600k， Rc3k ， 100。 Q？直流通路直流通路第23

12、页/共79页1. 直流模型：适于：适于Q点的分析点的分析理想二极管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利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。cCQCEQBQCQbBEQBBBQ RIVUIIRUVICC输入回路等效输入回路等效为恒压源为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源输出回路等效为电流控制的电流源第24页/共79页)()(CEBCCEBBEuifiuifu，低频小信号模型低频小信号模型第25页/共79页ce22b21cce12b11be UhIhIUhIhUCECECBBCCCECEBEBBBEBEddddddBCEBCEuuiiiiiuuuiiuuIUIU交

13、流等效模型（按式子画模型）交流等效模型（按式子画模型）电阻电阻无量纲无量纲无量纲无量纲电导电导第26页/共79页beBBE11CEriuhUBCEBE12IuuhCEBC21UiihceCEC221Bruihib-e间的间的动态电阻动态电阻内反馈内反馈系数系数电流放大系数电流放大系数c-e间的电导间的电导分清主次，合理近似！什么情况下分清主次，合理近似！什么情况下h12和和h22的作用可忽略不计？的作用可忽略不计？第27页/共79页EQTbbebbbbbebe)1 ( IUrrrIUr查阅手册查阅手册基区体电基区体电阻阻发射结电发射结电阻阻发射区体电发射区体电阻数值小可阻数值小可忽略忽略利用利

14、用PN结的电流方程可求得结的电流方程可求得由由IEQ算出算出在输入特性曲线上，在输入特性曲线上，Q点越高，点越高，rbe越小！越小！第28页/共79页)()(bebbbebiirRIrRIUccoRIUbebcio rRRUUAubebiiirRIURcoRR 放大电路的放大电路的交流等效电路交流等效电路第29页/共79页beLbebLcio )(rRrIRRIUUAcubebebirrRRuuARRRUUUUUUAisiiosisoscoRR 输入电输入电阻中不阻中不应含有应含有Rs!输出电输出电阻中不阻中不应含有应含有RL!第30页/共79页bBBBBERiVucCCCCERiVu输入回路

15、负载线输入回路负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线负载线1. 静态分析：图解二元方程：图解二元方程第31页/共79页符号为“”。反相，与给定uuAuuuuAuuiiuIOIOOCECBI)(bBIBBBERiuVuIuBBQBiIICiCEu斜率不变斜率不变第32页/共79页消除方法：增大消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。，即向上平移输入回路负载线。t截止失真是在输入回路首先产生失真！截止失真是在输入回路首先产生失真！减小减小Rb能消除截止失真吗？能消除截止失真吗？第33页/共79页 Q QRb或或或或VBB Rc或或VCC：饱和失真是输出回路产生失真。：饱和失真是

16、输出回路产生失真。2最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uom ：比较：比较UCEQ与（与（ VCC UCEQ ），取其小者，除以，取其小者，除以 。这可不是这可不是好办法！好办法！第34页/共79页11)(bebLcrRRRAuk3coRR20080bbrQIBQ35AUBEQ0.65VV8 . 3mA8 . 2cCQCCCEQBQCQRIVUII 为什么用为什么用图解法求解图解法求解IBQ和和UBEQ？k11bebirRR952)1 (EQTbbbeIUrr第35页/共79页 不能将电子电路中动态参数的表达式看成纯数学式子，注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

17、理意义！意每个字母的物理意义！EQTbbLcbeLio)1 ()( IUrRRrRUUAu增大，不可行！增大，不可行！增大时要适增大时要适可而止！可而止！增大，不增大，不一定行！一定行！第36页/共79页Uom=? Q点在什么位置点在什么位置Uom最大？最大？交流负载线应过交流负载线应过Q点，且点，且斜率决定于（斜率决定于（RcRL）BRILCQ第37页/共79页一、静态工作点稳定的共射放大电路一、静态工作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38页/共79页 所谓所谓Q点稳定，是指点稳定，是指

18、ICQ和和UCEQ在温度变化时基本不在温度变化时基本不变，这是靠变，这是靠IBQ的变化得来的。的变化得来的。 若温度升高时要若温度升高时要Q回到回到Q，则只有减小，则只有减小IBQ。T（ ）ICQQICEO若若UBEQ不变不变IBQQ1. 温度对静态工作点的影响第39页/共79页直流通路？直流通路？Ce为旁路电容，在交流为旁路电容，在交流通路中可视为短路通路中可视为短路（1 1）电路组成）电路组成第40页/共79页CCb21b1bBQVRRRUeBEQBQEQ RUUI 为了稳定为了稳定Q点，通常点，通常I1 IB，即，即I1 I2；因此；因此基本不随温度变化。基本不随温度变化。设设UBEQ

19、UBEUBE，若，若UBQ UBEUBE，则，则IEQ稳定。稳定。第41页/共79页T()ICUE UBE（UB基本不变）基本不变） IB IC Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。点越稳定。关于反馈的一些概念：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。措施称为反馈。 直流通路中的反馈称为直流反馈。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。称为正反馈。Re有上、

20、下限值吗有上、下限值吗？IC通过通过Re转换为转换为UE影响影响UBE温度升高温度升高IC增大，反馈的结果使之减小增大，反馈的结果使之减小第42页/共79页b21bbCCb21b1bBBRRRVRRRVeBEQBQEQCCb21b1bBQRUUIVRRRU)( ecEQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU1EQBQII分压式电流负反馈工作点稳定电路分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是上静态电压是否可忽略不计？否可忽略不计？eEQBEQbBQBBRIURIV?)1 (eb2b1RRR判断方判断方法：法：第43页/共79页beLio rRUUAubeb2b1irRRRcoRR

21、ee)1 ( )( beLebebLcbioRrRRIrIRRIUUAu)1 (ebeb2b1iRrRRR利利?弊弊?eLbee)1 (RRArRu，则若无旁路电容无旁路电容Ce时：时：如何提高电压如何提高电压放大能力？放大能力？第44页/共79页Bb1CBBEEC )(URIIUUIT 第45页/共79页图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？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？若采用了措施，则是什么措施？SI第46页/共79页eEQCEQCCeEQBEQbBQBBRIUVRIURIVeEQCCCEQBQEQebBEQBBBQ)1 ()1 (RIV

22、UIIRRUVI1. 静态分析第47页/共79页ebebeeebebbeeio)1 ()1 ( )(RrRRRIrRIRIUUAu。，即，则）若（ 1 1iobebeUUArRRu故称之为射故称之为射极跟随器极跟随器Uo Ui第48页/共79页ebebbiiii)1 (RrRIUIURRi与负载有关！与负载有关！RL)/)(1 (LebebiRRrRR带负载电阻带负载电阻后后从基极看从基极看Re，被增，被增大到（大到（1+）倍）倍第49页/共79页1 )1 (bebebeboeooeooooerRRrRURUUIIUIURRRo与信号源内阻有关与信号源内阻有关！3. 特点：输入电阻大，输出电阻

23、小；只放大电流，不放大电输入电阻大，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！压；在一定条件下有电压跟随作用！ oU令令Us为零，保留为零，保留Rs，在输出端加，在输出端加Uo，产生，产生Io, 。oooIUR 从射极看基极回路电阻，被从射极看基极回路电阻，被减小到（减小到（1+）倍）倍第50页/共79页eBEQBBEQRUVI1EQBQIIBEQcEQCCCEQURIVUCCBEQCEQeCQBBeEQBEQVUURIVRIU1. 静态分析第51页/共79页3. 特点：输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！1beeirR

24、RcoRR ebecbebeeccio)1 ( RrRrIRIRIUUAu第52页/共79页第53页/共79页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54页/共79页第55页/共79页1. 要研究的问题第56页/共79页。超前，时；，当超前900 0 iooioUUUfUUUi.Uo.I.。滞后，时；，当滞后900 iooioUUUfUU 使输出电压幅值下降到使输出电压幅值下降到70.7%，相位为，相位为45的信号频率为的信号频率为截止频率。截止频率。Ui.Uo.I.（1 1）高通电路高通电路:信号频率越高，输出电压越接近输入电压信号频率越高，输出电压越接近输入电压。第5

25、7页/共79页 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。高通高通电路电路低低通通电电路路 在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和在高频段，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。损失，放大能力下降。下限频率下限频率上限频率上限频率LHbwfff结电容结电容第58页/共79页( (1 1) )模型的建立模型的建立：由结构而建

26、立，形状像由结构而建立，形状像，参数量纲各不相同。，参数量纲各不相同。 gm为跨导，它不随信为跨导，它不随信号频率的变化而变。号频率的变化而变。阻值小阻值小阻值大阻值大连接了输入回连接了输入回路和输出回路路和输出回路第59页/共79页Lmebceeb)1 (RgkXUkXUUICCCLmeb 1RgXIUXCCCLm)1 (CRgC 1CkkC同理可得，等效变换后电流不变等效变换后电流不变第60页/共79页EQT0ebbb)1 (CCCIUrCr可从手册查得、TEQeb0mebbmebmb0 UIrgrIgUgI？如何得到模型中的参数？为什么不考虑 C？第61页/共79页CEbc UIILm

27、0CCCRgk所以，因为)( 21j1 )( j1 eb0ebebebmCCrfffCCrUUg为什么短路为什么短路？（1 1）适于频率从）适于频率从0 0至无穷大的表达式至无穷大的表达式第62页/共79页ffffff1200tg )(1j1 -90 0 -45 707. 02 0000，时，；时，；，时，；时，fffffffffo第63页/共79页71. 5， lg20 采用对数坐标系，横轴为采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为，可开阔视野；纵轴为 单位为单位为“分贝分贝” （dB），使得），使得 “ ” “ ” 。lg fdB32lg20注意折线化曲线的误差注意折线化曲线的误

28、差20dB/十倍频折线化近似画法折线化近似画法第64页/共79页 1 0TTffff 时的频率为使)CC(rfffeb0 21 j1 。、)(obTCCfff共射共射截止频截止频率率共基共基截止频率截止频率特征频特征频率率集电结电容集电结电容通过以上分析得出的结论：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；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；截止频率与时间常数的关系； 波特图及其折线画法；波特图及其折线画法； C的求法。的求法。手册手册查得查得第65页/共79页1. 若干个放大电路的放大倍数分别为若干个放大电路的放大倍数分别为1、10、102、103、1

29、04、105，它们的增益分别为多少？，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？率是原来的多少倍？102030405060Of10102103104105106lg f第66页/共79页 电路如图。已知各电阻阻值；电路如图。已知各电阻阻值；静态工作点合适，集电极电流静态工作点合适，集电极电流ICQ2mA；晶体管的；晶体管的rbb=200，Cob=5pF， f=1MHz。 试求解该电路中晶体管高频等试求解该电路中晶体管高频

30、等效模型中的各个参数。效模型中的各个参数。ebmCQrgI、Lcmob)(CRRgCC、ebob)(CrCCf、CCC第67页/共79页适用于信号频率从适用于信号频率从0的的交流等效电路交流等效电路中频段：中频段：C 短路，短路， 开路。开路。CC低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响， 开路。开路。高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 开路。开路。C第68页/共79页eboiebsisosmUUUUUUUUAu)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu带负载时：带负载时：)( cmbeebisismoRgrrRRRAu空载时：空载时：第69页/共79页0U.ooU.oI.

31、o。超前，时，当超前900 0 oooooooUUUfUU)(cmbeebisismoRgrrRRRAuAu.Ui.Uoo.Uo.CRLsURs第70页/共79页 j1LcLsmoooosoososlRCRRAUUUUUUAuuCRRARRRRRCRRAAuuu)(j11j1LcsmLcLcLcLsmosl)(cmbeebisismoRgrrRRRAuCRRfffffAffAAuuu)(21 j1) j ()(j1LcLLLsmLsmslC所在回路的时间常数所在回路的时间常数？Au.Ui.Uoo.Uo.CRLsURs第71页/共79页)arctan90(180 )(11lg20lg20lg20L2LsmslffffAAuuCRRfffffAAuu)( 21 j1)j ( LcLLLsmsl135 dB3lg20 sL，下下降降时时，uAff)lg(20l