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文档简介

第四章三极管及放大电路基础半导体三极管基本放大电路主要内容:

1、半导体三极管的结构及工作原理,放大电路的三种基本组态;

2、静态工作点Q的不同选择对非线性失真的影响;

3、用H参数模型计算共射极放大电路的主要性能指标;

4、共集电极放大电路和共基极放大电路的工作原理;

5、组合放大电路;

6、三极管放大电路的频率响应。

1、了解半导体三极管的工作原理、特性曲线及主要参数;

2、了解半导体三极管放大电路的分类;

3、掌握用图解法和小信号分析法分析放大电路的静态及动态工作情况;

4、理解放大电路的工作点稳定问题;

5、了解放大电路的频率响应及各元件参数对其性能的影响。基本要求:半导体三极管(BJT-----T)频率:高频管、低频管功率:材料:小、中、大功率管硅管、锗管类型:NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件2.4х2.9mm晶体三极管的结构及特点发射结

集电结基极发射极

集电极晶体三极管是由两个PN结组成的发射区基区

集电区?不同名三极管电流分配

半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。工作在放大状态需要具备如下外部条件:1、发射结加正向电压(正偏);2、集电结加反向电压(反偏)。同时,还需要具备内部条件:三个区具有不同的特点:1、发射区高浓度杂质;2、基区很薄三极管(T)的工作原理

发射结加正偏时,从发射区将有大量的电子向基区扩散,形成的电子流为IEN(e区高浓度掺杂)从基区向发射区也有空穴的扩散运动,但其数量相对较少,形成的电流为IEP。(这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。)

进入基区的电子流因基区的空穴浓度低,被复合的机会较少。又因基区很薄,在集电结反偏电压的作用下,电子在基区停留的时间很短,很快就运动到了集电结的边上,进入集电结的结电场区域,被集电极所收集,形成集电极电子流ICN。(只有)靠近基极的电子被拉走,形成的电子流是IBN。另外因集电结反偏,使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。集电结是否会变厚?结论:不会!电子进入集电结后不会停留,迅速又被拉走,不影响原来结的厚度三极管放大电路组态的判别方法:1、接地的电极决定组态2、找出与输入信号、输出信号连接的电极,空出的电极决定组态e接地------b接地------c接地------共射极共基极共集电极b接输入,c接输出------共射极e接输入,c接输出------共基极b接输入,e接输出------共集电极共基极共射极共集电极三极管的电流关系共集电极接法:集电极作为公共端;共基极接法:基极作为公共端。共发射极接法:发射极作为公共端;各极电流之间的关系式共基极电流传输系数。因ICBO较小,所以又因则,IC≈IE因ICEO较小,所以共发射极电流放大系数。IE=IC+IB>>1IE=IC+IB三极管的放大作用发射结外加电压尽管电流没有放大,但电压得到放大了首先判断外部条件共射极方式是否满足外部工作条件?半导体三极管的特性曲线(以共射极组态为例)

iB是输入电流,vBE是加在B、E两极间的输入电压。输入特性曲线—

iB=f(vBE)

vCE=常数共发射极接法的输入特性曲线:其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线;当vCE≥1V时,vCB=vCE

-vBE>0,集电结已进入反偏状态,开始收集电子,基区复合减少,对应相同的vBE,

iB会有所减少,特性曲线将向右稍微移动一些;但vCE再增加时,曲线右移很不明显(理由?iB-----iC)。

锗管0.1~0.3V硅管0.6~0.8VvBE强调变化的部分导通电压输出特性曲线—

iC=f(vCE)

iB=常数

iC是输出电流,vCE是输出电压(针对前面的电路图)。

⑴放大区:发射结正偏、集电结反偏⑵截止区:

IB=0以下的区域。⑶饱和区:发射结和集电结均为正偏IC随着VCE的变化而迅速变化。工程上以VCE=0.3伏作为放大区和饱和区的分界线。发射结和集电结均为反偏称为“饱和”的原因是:尽管发射结正偏,大量电子来到基区,但由于集电结收集电子能力不足,大量电子无法越过,即使再增加IB也对IC没有作用,相当于“饱和”,而随着反偏电压的增加,电流线性增加详细解析输入特性曲线和输出特性曲线的机理:++--图a为放大的必要条件,即Je正偏,Jc反偏从图中可以看出,实际上,VCE=VCB+VBE(解释:电压从C到E逐渐降低)图b为共射极接法,判断是否在放大区:①Je正偏毫无问题;②Jc是否反偏,即是否VC>VB,即VCB>0;因为VCB=VCE-VBE;

所以,只要VCC>VBB就可以满足。图c为输入特性曲线①VCE为0时(即不接C、E间电压),就是普通的二极管伏安特性曲线,此时Jc没有拉电子的能力②当VCE>0时(理解为Jc开始反偏),对于同样的VBE,由于C区开始拉走电子,对应的iB必然减小,形成不同的VCE时曲线右移的情况③当VCE>1时,曲线基本不再移动(即此时该被拉走的电子已基本走了,所以不会再减少了)④强调今后只研究右边这一条!iB=f(vBE)

vCE=常数图a图b图c详细解析输入特性曲线和输出特性曲线的机理:图d为输出特性曲线放大区,不同的iB对应不同的iC,iC=βiB,以某个iB为例。①VCE很小(为0)时,JC无反偏,也就没有iC;②VCE开始逐渐增加,此时基区堆积已经有固定数量的电子,所以随着Jc开始反偏,iC也开始增加;③VCE继续增加,同样因为iB是固定的,堆积的电子数也是固定的,因此,当VCE增加到一定数值后,原来堆积的电子(注意是单位时间内堆积的)就已全部被拉到C区了,此时即使再增加电压VCE也不会使iC增加了;④而对于不同的iB(其实也就是不同的VBE),当VCE很小(为0)时堆积在B区的电子数是不一样的,iB越大堆得越多,也就需要更大的VCE才能将堆积的电子全部拉走,即这时VCE增加iC也继续增加,然后才会在某一电压下转折;⑤放大区,曲线的间距相等是因为满足:iC=βiBiC=f(vCE)

iB=常数图d详细解析输入特性曲线和输出特性曲线的机理:图d为输出特性曲线①截止区讨论:

若iB很小(其实也就是对应的VBE很小),即基区没有从发射区来的多余电子,则VCE再大也只是本身的少子漂移,形成的iC电流很小很小(几乎为0),称为截止区;②饱和区讨论:(VCE很小的那个区域)由于有一定的VBE,所以大量电子积压在基区,而且VBE不同积压的数量也不同,但即使将VBE(iB)增加很多,但由于此时没有VCE,即JC没有收集电子到集电区的能力,所以iC几乎不增加。这种情况当VCE

很小的时候也是这样。因此叫饱和区(再怎么增加iB

iC也几乎不增加,就像一个小水杯倒满了水,再倒里面的水也不会再增加的现象一样,即“饱和”);所以:

电子能否通过Jc取决于VCE,而当VCE足够大后,iC的大小就要取决于iB了

那么,VCE多大时认为基区的电子都能过去呢?显然,是因iB的不同而不同。iB大也就堆积的多,就需要VCE也大。工程上,一般取个均值:0.3V左右。图d注意:截止区和饱和区不满足电流关系测量三极管三个电极对地电位,试判断三极管的工作状态。放大截止饱和-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve发射结和集电结均为反偏。发射结和集电结均为正偏。例1:发射结正偏集电结反偏。

测得VB=4.5

V、VE=3.8

V、VC=8

V,试判断三极管的工作状态。放大例2:半导体三极管的参数

直流参数、交流参数、极限参数①直流电流放大系数

1.共发射极直流电流放大系数

=(IC-ICEO)/IB≈IC/IB

vCE=常数一.直流参数

2.共基极直流电流放大系数 =(IC-ICBO)/IE≈IC/IE 显然与之间有如下关系:=IC/IE=IB/1+IB=/1+②极间反向电流

1.集电极基极间反向饱和电流ICBO

ICBO的下标CB代表集电极和基极,

O是Open的字头,代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。

2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO和ICBO有如下关系

ICEO=(1+)ICBO

相当基极开路时,集电极和发射极间的反向饱和电流,即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。二.交流参数①交流电流放大系数

1.共发射极交流电流放大系数

=iC/iBvCE=const在放大区值基本不变,通过垂直于X轴的直线由iC/iB求得。

在输出特性曲线上求β

2.共基极交流电流放大系数α

α=iC/iE

VCB=const当ICBO和ICEO很小时,可以不加区分。②特征频率fT

三极管的值不仅与工作电流有关,而且与工作频率有关。由于结电容的影响,当信号频率增加时,三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率,用fT表示。①集电极最大允许电流ICM

三极管集电极最大允许电流ICM。当IC>ICM时,管子性能将显著下降,甚至会损坏三极管。②集电极最大允许功率损耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗,

PCM=ICVCB≈ICVCE,因发射结正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。三.极限参数③反向击穿电压

1.V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意,是Breakdown的字头,CB代表集电极和基极,O代表第三个电极E开路。

2.V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。

3.V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻,V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系

V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO>V(BR)EBO由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

第二位:A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位:X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管材料器件的种类同种器件型号的序号同一型号中的不同规格三极管双极型三极管的参数参

数型

PCM

mW

ICM

mAVR

CBO

VVR

CEO

VVR

EBO

V

IC

BO

μA

f

T

MHz3AX31D

125

125

20

12≤6*≥

83BX31C

125

125

40

24≤6*≥

83CG101C

100

30

450.1

1003DG123C

500

50

40

300.353DD101D

5A

5A

300

2504≤2mA3DK100B

100

30

25

15≤0.1

3003DKG23250W

30A

400

325

8注:*为f

目前比较常见、常用的三极管型号:

9012(PNP)

9013(NPN)

8050(NPN)

基本放大电路基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。共发射极、共基极、共集电极放大电路的主要技术指标(1)放大倍数(2)输入电阻Ri(3)输出电阻Ro(4)通频带(1)放大倍数

输出信号的电压和电流幅度得到了放大,所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。电压放大倍数电流放大倍数功率放大倍数(2)输入电阻

Ri

输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数,Ri大放大电路从信号源吸取的电流小,反之则大。(3)输出电阻Ro

输出电阻是表明放大电路带负载的能力,Ro大表明放大电路带负载的能力差,反之则强。

注意:放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数,只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。使VS=0的原因是:输出端可以等效为一个输出电压(受控电压源)与输出电阻的串联,我们要求输出电阻,但输出电压(即此受控电压源)此时会影响测试电流的大小,只有使VS=0,输出电压才会为0,从而不影响测试电流(4)通频带BW相应的频率fL称为下限频率,fH称为上限频率。

放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的1/

时,即基本放大电路的工作原理共发射极基本放大电路的组成三极管T起放大作用。偏置电路VCC

、Rb提供电源,并使三极管工作在放大区。耦合电容C1、C2输入耦合电容C1保证信号加到发射结,不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载,不影响集电结偏置。负载电阻RC、RL将变化的集电极电流转换为电压输出。组态的判别外部条件的判别

(2)静态和动态静态:

时,放大电路的工作状态,也称直流工作状态(使三极管满足外部条件)。放大电路建立正确的静态,是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态,正确地区分直流通路和交流通路。动态:

时,放大电路的工作状态,也称交流工作状态(在Q点附件小信号变化)。画交流通路原则:1、电容短路;2、直流电源短路(接地)(3)直流通路和交流通路

(a)直流通路直流通路

仅仅通过直流的通路。交流通路仅仅通过交流的电路通路。

(b)交流通路画直流通路原则:1、电容开路;2、去掉无关的器件可用叠加原理解释静态动态(4)放大原理

输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结,于是有下列过程:三极管放大作用变化的通过转变为变化的电压输出放大电路的基本分析方法

①静态工作状态的计算分析法

IBQ、ICQ和VCEQ这些量代表的工作状态称为静态工作点,用Q表示。在测试基本放大电路时,往往测量三个电极对地的电位VBQ、VEQ和VCQ即可确定三极管静态工作状态(外部工作条件)。根据直流通路对放大电路的静态进行计算注意顺序!!②静态工作状态的图解分析法非线性电路线性电路+VCEQ–图解法的必要性:1、也可获得工作点;2、直观了解工作点设置不当引起的后果;3、掌握一种分析方法图是传统的共射极电路线性电路在输入特性曲线上,作出直线

,两线的交点即是Q点,得到IBQ。②静态工作状态的图解分析法输入特性部分不仅得到了输入特性中的Q点,也通过这部分确定了在输出特性曲线中所使用的是那一条曲线!(为什么?)1.由直流负载线vCE=VCC-iCRC

VCC、VCC/Rc3.得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可画出直流负载线。4.当Vcc=12V、Rc=4kΩ时,由图,交IBQ=40μA,ICQ=1.5mA,VCEQ=6V,Vcc/Rc=3②静态工作状态的图解分析法输出特性部分直流负载线:与输出端相连的电阻叫负载电阻,而在直流情况下构成直流负载电阻Rc,此时iC与vCE之间的关系的直线就是直流负载线。放大电路的动态图解分析(1)交流负载线1.从B点通过输出特性曲线上的Q点做一条直线,其斜率为-1/R'L。2.R'L=RL∥Rc,是交流负载电阻。

3.交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。

4.交流负载线与直流负载线相交Q点。交流负载线按下述方法得到:静态工作点(Q)的变化:Rb、Rc变化(设置的变化)引起的;有交流信号时工作点的变化:输入交流信号的变化引起的。引入交流负载线的理由:真正的输入信号使电路的工作点沿交流负载线变化,而不是直流负载线(2)交流工作状态的图解分析可直观地认为导通的发射结相当于一个小电阻。电压变化引起电流变化,且规律相同(特别是相位相同)。(2)交流工作状态的图解分析注意相位反相①波形的失真饱和失真截止失真

由于放大电路的工作点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。

由于放大电路的工作点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。(3)最大不失真输出幅度

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。所谓工作点指的就是因为有了交流信号后,瞬时的CE、iC在输出特性曲线坐标系中所处的位置饱和失真的波形截止失真的波形波形(动画3-3)②放大电路的最大不失真输出幅度

放大电路要想获得大的不失真输出幅度,需要:

1.工作点Q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。

(4)图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况优点:直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存,静态和动态等重要概念;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。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。缺点:不能分析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。三极管的低频小信号模型

(1)模型的建立

1.三极管可以用一个模型来代替。2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。3.小信号意味着三极管在线性条件下工作。h参数模型(回想输入、输出特性曲线)问题:

1、前面的计算法只解决了静态工作点的计算,但动态如何计算?

2、在小信号时第三章曾经有模型,使计算简化,如何利用这种模式很奇怪的形式!输入输出好像没有关系了!!hfeib1、二极管小信号模型2、vce对输入特性曲线有微弱的影响(物理概念)1、输出特性曲线的近似形状2、略微上翘的特性曲线代表对的微弱影响(2)模型中的主要参数rbe

交流输入电阻

iB——输出电流源表示三极管的电流放大作用①hie为输入电阻,即rbe。②hre为电压反馈系数,即μr。③hfe为电流放大系数,即。

④hoe为输出电导,即1/rce。关于rbe的计算:(P104)从PN结着手rbe=rbb’+(1+β)re这里,rbb’是基区体电阻,一般认为约为200~300;

re是发射结电阻

忽略发射区电阻b’be

(3)模型简化

μr反映三极管内部的电压反馈,因数量很小,一般可以忽略。

1/rce与电流源并联时,分流极小,可作开路处理。用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路

(1)小信号(微变)等效电路原理图→交流通路微变等效电路(H参数模型)↓画交流通路原则:1、电容短路;2、直流电源短路(接地)注意:这是在对交流信号通过电路时的效果进行分析对位替换(2)电压增益(3)输入电阻Ri(4)输出电阻(注意条件:Vs=0,RL=)Ro稳定工作点I1分压式偏置VBQI1=(5~10)IBQVBQ=(3~5)VIBQ(1)确定工作点:QIE+VE-VB+VBE-稳定过程IBICVCE基本放大电路存在缺点(2)电压增益工作点稳定,增益下降。解决这个矛盾的方法是加电容Ce。(3)输入电阻Ri输入电阻提高了,相当于增加了一个(1+β)Re的电阻。(4)输出电阻Ro由KVL:Rc例1:解:求电路的静态参数(VB、IB、IC、VCE),及动态参数(AV、Ri、Ro)。(rbb’=300)根据直流通路求静态参数VBQIBQICQ根据微变等效电路求动态参数1.电压放大倍数2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro(输出端开路,输入电压为零)RiRi'根据微变等效电路求动态参数主要取决于rbe例2:解:求电路的静态参数(VB、IB、IC、VCE),及动态参数(AV、Ri、Ro)。(rbb’=300)根据直流通路求静态参数与例1结果完全相同VBQIBQICQ根据微变等效电路求动态参数1.电压放大倍数电流有放大!小于1!有意义吗?根据微变等效电路求动态参数2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro(输出端开路,输入电压为零)RiRi'主要取决于Rb’例3:电路的参数不变,若β增加一倍,静态参数(IB、IC、VCE),及动态参数(AV、Ri、Ro)如何变化。(1)静态参数∴

β增加一倍,ICQ、VCEQ不变,

IBQ减小一倍。(2)动态参数Ro

不变rbe增加,使得Ri增加值增加一倍:AV略有增大。例4:电路的参数不变,若断开Ce,静态参数(IBQ、ICQ、VCEQ),及动态参数(AV、Ri、Ro)如何变化。(1)断开Ce后,静态参数不变。(2)断开Ce后,动态参数AV减小,Ri增大,Ro

不变。共集电极电路(1)求工作点:QQ先画直流通路判断外部工作条件再画交流通路(2)电压增益输入电压与输出电压同相电压跟随器(小于1)(3)输入电阻+-Ri(4)输出电阻Ro电压增益<1,输入电压与输出电压同相,输入电阻高,输出电阻低。再次注意电流方向!!很容易与前后级电路配合,所以常用作“隔离级”或“输出级”共基极电路(1)直流分析

与分压式偏置的共射组态完全相同。先画直流通路判断外部工作条件再画交流通路VBQICQIBQVCEQ(2)交流分析①电压放大倍数②输入电阻③输出电阻Ro≈RC放大电路的频率响应幅频特性是描绘输入信号幅度固定,输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念:幅度频率特性:相位频率特性相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律。

放大电路的幅频特性和相频特性,统称为频率响应。因放大电路对不同频率成分信号的增益不同,从而使输出波形产生失真,称为幅度频率失真,简称幅频失真。放大电路对不同频率成分信号的相移不同,从而使输出波形产生失真,称为相位频率失真,简称相频失真。幅频失真和相频失真是线性失真。产生频率失真的原因

1.放大电路中存在电抗性元件,

例如:耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等;

2.三极管的()是频率的函数。在研究频率特性时,三极管的低频小信号模型不再适用,而要采用高频小信号模型。RC低通电路的频率响应电压放大倍数(传递函数)为

RC低通电路的频率特性曲线幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标,称为上限截止频率。当时,幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降,或写成-20dB/dec。在处的误差最大,有-3dB。当时,相频特性将滞后45°,并具有

-45/dec的斜率。在0.1和10

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