第3章-半导体三极管及其放大电路2...ppt

1、2020年8月5日星期三,第3章2,1,3.4.2用 H 参数的简化模型(微变等效电路）分析共射极基本放大电路,1.放大电路的微变等效电路(以图3.4.4为例)(1)先画出放大电路的交流通路，P89图3.3.3(b) (2)用晶体管的简化模型代替交流通路中的晶体管。如图3.4.4(b)所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,2,2020年8月5日星期三,第3章2,3,2020年8月5日星期三,第3章2,4,2020年8月5日星期三,第3章2,5,(3)标出图中电压、电流的正方向。如图3.4.4(b)所示。 2.求电压增益,由图可以看出，,2020年8月5日星期三,第3章2,6,式中RL=R

2、c /RL 所以：,2020年8月5日星期三,第3章2,7,例3.4.1 如图3.4.4a的电路，若BJT为3DG6，已知在Q点上的=40，计算电压增益 。,解：(1)确定Q点 因已知，故可用简单计算法确定Q点：,2020年8月5日星期三,第3章2,8,IE ICIB4040A1.6mA VCEVCCICRc 12 V1.6 mA4 k 5.6 V (2)求 r be，利用式(3.4.6b)，得:,2020年8月5日星期三,第3章2,9,(3)求 利用式(3.4.7)，得,2020年8月5日星期三,第3章2,10,3.输入、输出电阻的计算 输入电阻计算 由图(3.4.5)所示，,转12,202

3、0年8月5日星期三,第3章2,11,2020年8月5日星期三,第3章2,12,由于Rbrbe，所以，Rirbe。按图3.4.4(a)所给数据，可得：RiRbrbe300k0.866k0.866k,2020年8月5日星期三,第3章2,13,(2)输出电阻的计算 如图3.4.6所示，根据输出电阻的定义式，当测试电压加在放大电路的输出端时，由于cJ处于反向偏置，故Ib0，所以Ic0,得：,转15,2020年8月5日星期三,第3章2,14,2020年8月5日星期三,第3章2,15,因已知Rc4k，故Ro4k。,2020年8月5日星期三,第3章2,16,讨论：(P100) 对于放大电路来说，一般要求输入

4、电阻高一些，特别是在信号源内阻Rs较大的场合，作为放大电路输入级来说有为重要；对于输出级来说，则往往需要输出电阻Ro越小越好，从而可以提高放大电路的带负载能力。在分析、设计放大电路时，应全面的加以考虑。,2020年8月5日星期三,第3章2,17,4.两种分析方法的比较 图解分析法可用来分析放大电路的静态、动态，主要用于静态分析，可以很方便、直观的设计Q点； 当输入的交流信号幅度较小或晶体管基本工作在线性区时，应用小信号模型(微变等效电路)。 当输入的交流信号幅度较大，晶体管工作区延伸到非线性区时，应采用图解分析法。,2020年8月5日星期三,第3章2,18,3.5放大电路工作点的稳定,如前所述

5、的固定偏置电路，当基极偏置电阻Rb确定以后，Q点已经确定，只要Rb选择合适，即可获得合适的Q点。但是，当更换晶体管或是环境温度发生变化引起管子参数变化时，Q点的位置将引起变化，甚至使Q点移到不合适的位置而使放大电路无法正常工作。,2020年8月5日星期三,第3章2,19,为使在更换晶体管或是温度变化引起管子参数变化时，不影响放大电路正常工作(即使Q点的位置基本不变)，必须设计能自动调整工作点的偏置电路。,2020年8月5日星期三,第3章2,20,3.5.1温度对工作点的影响,1.温度对晶体管参数的影响(观看教学课件：温度对晶体管VI 特性的影响) 当温度升高时，晶体管的参数将发生下列变化： (

6、1)VBE的温度系数为：(22.5)mVoC。VBE的减小通过IB使Q点的位置上移(此处VBE的减小是指eJ实际所需的工作电压减小)。,2020年8月5日星期三,第3章2,21,(2)温度每升高1oC，值将增加0.5%1.0%左右。值的增大使输出特性曲线的间隔变宽，Q点的位置上移。 (3)温度每升高10oC，ICBO增大约一倍( 即ICEO增大约一倍)。从而使IC升高，Q点的位置上移。但因为ICBO较小，其影响可以忽略不计。 综上所述：温度的变化将使Q点的位置发生变化，从而影响放大电路的正常工作。,2020年8月5日星期三,第3章2,22,3.2.5射极偏置电路(分压式电流负反馈偏置电路),由

7、上分析可知，稳定工作点其实就是稳定晶体管的集电极电流IC。其稳定电路如图3.5.1所示。 1.电路组成与要求 (1)组成：在放大电路的基极加一下偏置电阻Rb2；在发射极到地之间串联一个电阻R e。,转24,2020年8月5日星期三,第3章2,23,转27,2020年8月5日星期三,第3章2,24,(2)要求：要使放大电路具有稳定Q点功能，必须满足： I1 IB(I1为流过Rb1、Rb2的直流电流) 2.稳定过程 因为I1 IB，所以，晶体管的基极电位近似为：,2020年8月5日星期三,第3章2,25,当温度升高时，其稳定过程如下：,从而保持I C基本不便，Q点基本稳定。 上述过程，实际上就是第

8、七章要讲的负反馈过程。,2020年8月5日星期三,第3章2,26,3.实际情况 在实际应用中，I1、VBE应满足下列要求： I1 (510) IB (3.5.1) VB(35) V (3.5.2),2020年8月5日星期三,第3章2,27,4.例3.5.1 试近似估算图3.5.1的Q点，并计算它的电压增益、输入电阻和输出电阻。 解： (1)求静态工作点 因,2020年8月5日星期三,第3章2,28,所以 VCEVCCICRcIERc VCCIC(RcRe) (3.5.3) IBIC / 利用上式可以分别求得Q点处的IC 、IB及VCE 。,2020年8月5日星期三,第3章2,29,(2)求电压

9、增益 在计算之前，应首先画出放大电路的小信号(微变)等效电路,其过程： 画出放大电路的交流通路(画图(3.5.1)的交流通路)； 图中RbRb1Rb2，RLRcRL。,转31,2020年8月5日星期三,第3章2,30,2020年8月5日星期三,第3章2,31,画出放大电路的小信号(微变)等效电路(如图3.5.2所示)； 计算增益P104,转33,2020年8月5日星期三,第3章2,32,2020年8月5日星期三,第3章2,33,(3)求输入、输出电阻 输入电阻计算，如图3.5.3所示；,2020年8月5日星期三,第3章2,34,2020年8月5日星期三,第3章2,35,由此可见，加入电阻Re之

10、后，放大电路的输入电阻提高了。,2020年8月5日星期三,第3章2,36,输出电阻计算，如图3.5.4所示； 先求出Ro，然后再与Rc并联,即可求得放大电路的输出电阻Ro. 在基极回路和集电极回路里，根据KVL(回路电压定律)可得：,2020年8月5日星期三,第3章2,37,2020年8月5日星期三,第3章2,38,2020年8月5日星期三,第3章2,39,2020年8月5日星期三,第3章2,40,例如，当BJT的 60，rce=100k ，rbe=1k ， Re=2 k ，Rs =0.5 k ，Rb1=40k， Rb2=20k，RsRs/Rbl/Rb2=0.48k，则由式(3.5.6)可算得

11、 Ro=1001+602/(1+0.48+2)k =3.55M 可见Ro的数值是很大的。,2020年8月5日星期三,第3章2,41,由此例可知，当BJT的基极电位固定，并在射极电路里接一电阻Re，便可提高输出电阻，亦即提高电路的恒流特性。 第6章所要讨论的微电流源，正是利用这一特点而构成的。 书中的解法有些复杂，也可以这样解：,2020年8月5日星期三,第3章2,42,2020年8月5日星期三,第3章2,43,3.6共集电极电路和共基极电路,3.6.1共集电极电路(射极输出器) 原理电路如图3.6.1(a)所示， 交流通路如图3.6.1(b)所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,44,2

12、020年8月5日星期三,第3章2,45,2020年8月5日星期三,第3章2,46,1.电路分析 (1)求Q点 根据图3.6.1(a)，在基极回路中，按电压方程式： VCCIBRbVBEVE 式中VEIERe(1+)IBRe，为晶体管发射极的直流电位。,2020年8月5日星期三,第3章2,47,此外，再有ICIB及VCEVCCICRe可求出IC和VCE。,2020年8月5日星期三,第3章2,48,(2)电压增益 小信号等效电路如图3.6.2所示。,转50,2020年8月5日星期三,第3章2,49,2020年8月5日星期三,第3章2,50,将式(3.6.1)中的 代入式(3.6.2)，得,2020

13、年8月5日星期三,第3章2,51,一般，R Lrbe，故射极输出器的电压增益近似等于1，而略小于1。 原因是： 的关系，因此 总是略小于 。 由于射极输出器的电压增益接近于1，且 和 同相位，因此，射极输出器由称为电压跟随器。,2020年8月5日星期三,第3章2,52,(3)输入电阻如图3.6.3(a)所示。由于,2020年8月5日星期三,第3章2,53,有因1及R Lrbe，则,由此可见，射极输出器与共发射极放大电路相比，其输入电阻高得多。,2020年8月5日星期三,第3章2,54,(4)输出电阻计算输出电阻的等效电路如图3.6.3(b)所 示。按输出电阻定义式：,在测试电压 的作用下，相应

14、的测试电流 为：,2020年8月5日星期三,第3章2,55,2020年8月5日星期三,第3章2,56,上式中，(Rs+ rbe)(1+)为基极回路电阻(Rs+ rbe)折合到射极回路时的等效电阻。通常有 Re (Rs+ rbe)(1+)及1 所以 R o (Rs+ rbe),2020年8月5日星期三,第3章2,57,例如： 当BJT的50，rbe1k，Rs=50，Rb=l00k，Rs=Rs/Rb=50时，算得Ro=21。这个数值表明，电压跟随器的输出电阻是很低的，一般在几十欧到几百欧的范围内。为了降低输出电阻，应选用较大的BJT。,2020年8月5日星期三,第3章2,58,(5)射极输出器的特

15、点 电压增益小于1而近似等于1，且输出电压与输入电压同相位；输入电阻高；输出电阻小低。 该电路虽然无电压放大能力，但仍具有电流放大能力，所以该电路仍具有功率放大能力。,2020年8月5日星期三,第3章2,59,2.复合管及其用途 (1)复合管的构成 a.同类型管的复合 如图3.6.4所示，为NPN型复合晶体管， 以图(a)为例，复合管的值和rbe计算如下：,转61,2020年8月5日星期三,第3章2,60,2020年8月5日星期三,第3章2,61,rberbe1(1+1)rbe2 rbe11rbe2,PNP型复合晶体管如图3.6.4所示(下页),2020年8月5日星期三,第3章2,62,202

16、0年8月5日星期三,第3章2,63,b.不同类型管的复合(互补型复合管) 如图3.6.5所示，以图(a)为例，复合管的值和rbe计算如下：,rberbe1,转65,2020年8月5日星期三,第3章2,64,2020年8月5日星期三,第3章2,65,(2)复合管的构成原则a.把两只管子构成一只复合管，必须保证每一只管子的电流都能顺着各管的正常电流方向流动，否则，构成的复合管是错误的。,2020年8月5日星期三,第3章2,66,b. 向内流的复合管为NPN型复合管， 向外流的复合管为PNP型复合管； 的流向由T1的 决定，即复合管的导电极性取决于第一只管子。 c.复合管的12； d.同类型复合管,

17、rberbe11rbe2；互补型复合管，rberbe1,2020年8月5日星期三,第3章2,67,(3)复合管的用途 a.可以提高单管的输入电阻(同类型复合管)。 b.解决大功率管的配对难的问题。 c.解决大功率管值小的问题。 一般大功率晶体管的值都比较小，在要求工作电流较大的场合(电源调整管)，必须使 Ib较大，但Ib只有A数量级，这时必须采用复合管。,2020年8月5日星期三,第3章2,68,复合管因其等效电流放大系数很高，等效输入电阻亦很高，特别是当它制成集成器件时，使用方便而受到拥护的欢迎。复合管又称为达林顿管。,2020年8月5日星期三,第3章2,69,3射极跟随器(电压跟随器)的用

18、途 a.输入级：减小放大电路对信号源(或前级)索取信号电流； b.中间变换级：实现前后级的阻抗匹配； c.输出级：提高放大电路的带负载能力。,2020年8月5日星期三,第3章2,70,3.6.2共基极放大电路,如图3.6.6(a)所示(分析图中原件及其作用)。图(b)为其交流通路。 1.求Q点 画出直流通路如图3.6.7 所示，同于前述的分压式电流负反馈偏置电路。,转74,2020年8月5日星期三,第3章2,71,2020年8月5日星期三,第3章2,72,2020年8月5日星期三,第3章2,73,2020年8月5日星期三,第3章2,74,2.求电压增益、输入电阻、输出电阻(P112) 画出微变

19、(小信号)等效电路如图3.6.8所示。 a.电压放大倍数,转76,2020年8月5日星期三,第3章2,75,2020年8月5日星期三,第3章2,76,由式(3.6.8.)可以看出，共基极放大电路与共发射极放大电路的电压放大倍数相比，大小相等，只差一个负号，共基极放大电路是一个同相放大电路。,2020年8月5日星期三,第3章2,77,b.输入电阻根据图3.6.8所示，,2020年8月5日星期三,第3章2,78,2020年8月5日星期三,第3章2,79,c.输出电阻 根据图3.6.8所示，RorcbRc，由于rcb是晶体管集电极到基极的交流电阻，而集电结又是反偏的，所以rcbR c，故 Ro rc

20、bRc Rc,2020年8月5日星期三,第3章2,80,综上所述：共基极放大电路电压放大倍数大(大小与共发射极放大电路相同)，输出电压与输入电压同相位；输入电阻小；输出电阻与共发射极放大电路相同；无电流放大能力( Ic / Ie1)。,2020年8月5日星期三,第3章2,81,3.6.3三种基本组态的性能比较,如表3.6.1所示。(P114115),2020年8月5日星期三,第3章2,82,2020年8月5日星期三,第3章2,83,2020年8月5日星期三,第3章2,84,3.7放大电路的频率响应,3.7.1单节RC电路的频率响应 1.RC低通电路的频率响应 RC低通电路有一个电阻和一个电容构

21、成，如图3.7.1所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,85,2020年8月5日星期三,第3章2,86,(1)高频响应 如式(3.7.1)所示(推导该式)，式(3.7.1)中的s为复变量，sj=j2f ，高频电压增益为：,2020年8月5日星期三,第3章2,87,上式的幅值AVH和相角分别为：,a.幅频特性(响应) 当f f H时,2020年8月5日星期三,第3章2,88,用分贝(dB)表示则为 20lg AVH20lg10dB 这是一条与横轴平行的零分贝线，如图3.7.2(a)所示。 当f f H时,转91,2020年8月5日星期三,第3章2,89,转91,2020年8月5日星期三,第

22、3章2,90,转95,2020年8月5日星期三,第3章2,91,用分贝(dB)表示则为 20lgAVH20lg f Hf 这是一条斜率为20dB/十倍频程的斜线，如图3.7.2(a)所示。由上两条直线构成的折线，是近似的幅频特性。 图中f H对应于两条直线的交点，称之为转折频率。,2020年8月5日星期三,第3章2,92,又有式(3.7.4)可知，当f = f H时，,即在fH处，电压放大倍数下降到中频区时的1/ (即0.707)倍，故fH 又是放大电路的上限频率。,2020年8月5日星期三,第3章2,93,b.相频特性(响应) 如图3.7.2(b)所示 f fH时，90o，得一条 90o的直

23、线。此时， 的相位差等于90o。,2020年8月5日星期三,第3章2,94,f fH时，45o。 由上三点分析可知，在0.1 fH 10 fH之间，为一条斜率为45o/十倍频程的直线。如图3.7.2(b)所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,95,2.RC高通电路的频率响应 RC高通电路如图3.7.3所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,96,由上式可得低频区电压增益的幅值AVL 和相角 分别为,如图(3.7.4)所示，图(a)为其幅频响应,2020年8月5日星期三,第3章2,97,a.幅频特性(响应) 当f f L时,用分贝(dB)表示则为 20lg AVH20lg10dB 这是

24、一条与横轴平行的零分贝线，如图(3.7.4)(a)所示；,转99,2020年8月5日星期三,第3章2,98,2020年8月5日星期三,第3章2,99,当f f L时,用分贝(dB)表示则为 20lgAVH20lg f /fL 这是一条斜率为20dB/十倍频程的斜线，如图3.7.4(a)所示。由上两条直线构成的折线，是近似的幅频特性。,2020年8月5日星期三,第3章2,100,图中f L对应于两条直线的交点，称之为转折频率。 又有式(3.7.9)可知，当f = f L时，,即在fL处，电压放大倍数下降到中频区时的1/ (即0.707)倍，故fL又是放大电路的下限频率。,2020年8月5日星期三

25、,第3章2,101,b.相频特性(响应) 如图3.7.4(b)所示 f fL时， 0o，得一条0o的直线。此时， 的相位差等于零。 f fL时，90o，得一条 90o的直线。此时， 的相位差等于90o。,2020年8月5日星期三,第3章2,102, f fL时，45o。 由上三点分析可知，在0.1f H 10fH之间，为一条斜率为45o/十倍频程的直线。如图3.7.4(b)所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,103,2020年8月5日星期三,第3章2,104,3.7.2单级放大电路的频率特性(响应),1.BJT的小信号建模 (1)模型的引出 如图3.7.5(a)所示。(了解等效电路中的

26、各元件)。,2020年8月5日星期三,第3章2,105,2020年8月5日星期三,第3章2,106,rbb：基区的体电阻，通常约为50300； rbe：为发射结的小信号交流电阻，实际值约为几十； Cbe：为发射结结电容，小功率管约为几十几百pF； rbc：集电结小信号时的交流电阻，此值一般约为100k10M；,2020年8月5日星期三,第3章2,107,Cbc：为集电结结电容，约为210pF； gm ：受控电流源，iC受控于 。 在高频的情况下，rbc的数值很大，与Cbc并联时可以忽略不记；而rce与负载并联，而rce RL，rce也可以忽略不记，这样可得到图3.7.5(a)的简化模型，如图3

27、.7.5(b)所示。图3.7.5(b)又称为混合型高频小信号模型。,2020年8月5日星期三,第3章2,108,2020年8月5日星期三,第3章2,109,(2)参数的获得 a.rberbb + rbe、 rbe(1+0)VTIE，(0由来，这里主要是加以区别) b.gm-称为互导(跨导) c.结电容Cbc、Cbe。 Cbc，就是手册中的Cob。Cbe可用(3.7.17)式求得。 Cbcgm2fT (3.7.17),2020年8月5日星期三,第3章2,110,(3)BJT的频率参数如图(3.7.7)所示。,2020年8月5日星期三,第3章2,111,a.共发射极截止频率f f ：表示晶体管共发射极联接时，值随频率增加而发生变化，当值下降到中频区的