模电第四章双极结型及放大电路基础.ppt

1、,4 双极结型三极管及放大电路基础,学习内容： BJT；基本共射极放大电路；放大电路的分析方法；放大电路静态工作点的稳定问题；共集电极放大电路和共射极放大电路；组合放大电路 重点：放大状态下BJT的工作原理；基本共射，共集电路的组成及工作原理；静态工作点的分析方法；小信号模型分析方法 难点：不同组态电路的小信号模型分析；组合放大电路的小信号模型分析,4.1 BJT,4.1.1 BJT的结构简介,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,4.1.1 BJT的结构简介,(a) 小功率管 (b

2、) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,图 1.3.2(b)三极管结构示意图和符号NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,4.1.1 BJT的结构简介,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,集成电路中典型NPN型BJT的截面图,4.1.1 BJT的结构简介,4.1.2晶体管的电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三

3、极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,一、晶体管内部载流子的运动,发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流 发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2. 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流 电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,晶体管内部载流子的运动,3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形

4、成集电极电流 Icn。 其能量来自外接电源 VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,晶体管内部载流子的运动,二、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,IC = ICn + ICBO,IE= ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp,IB=IEP+ IBNICBO,IE =IC+IB,图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流,三、晶体管的共射电流放大系数,整理可得：,ICBO 称反向饱和电流,ICEO 称穿透电流,1、共射直流电流放大系数,2、共射交流电流放大系数,3. 三

5、极管的三种组态,(c) 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,(b) 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,(a) 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；,BJT的三种组态,共基极放大电路,4. 放大作用,电压放大倍数,vO = -iC RL = 0.98 V，,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,iB=f(vBE) vCE=co

6、nst.,(2) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。,(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1. 输入特性曲线,（以共射极放大电路为例）,共射极连接,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,iC=f(vCE) iB=const.,2. 输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。,放大区：iC平行于vCE轴的区域

7、，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,(1) 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const.,1. 电流放大系数,4.1.4 BJT的主要参数,与iC的关系曲线,(2) 共发射极交流电流放大系数 =iC/iBvCE=const.,1. 电流放大系数,(3) 共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,(4) 共基极交流电流放大系数 =iC/iEvCB=const.,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,4.1.4 BJT的主要参数,2. 极间反向电流,(1) 集电极基极间反

8、向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,4.1.4 BJT的主要参数,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,4.1.4 BJT的主要参数,2. 极间反向电流,(1) 集电极最大允许电流ICM,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM,PCM= ICVCE,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,3. 极限参数,4.1.4 BJT的主要参数,(3) 反向击穿电压, V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。, V(BR) EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。, V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个

9、击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,(1) 温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO约增加一倍。,(2) 温度对 的影响,温度每升高1， 值约增大0.5%1%。,(3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,2. 温度对BJT特性曲线的影响,1. 温度对BJT参数的影响,end,三极管工作状态的判断,例1：测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ （1） VC 6V VB 0.7V VE 0V （2

10、） VC 6V VB 4V VE 3.6V （3） VC 3.6V VB 4V VE 3.4V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VC VB VE 对PNP管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,例2某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。 电流的正方向和KCL。IE=IB+ IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极 B为基极 A为集电极。 管型为NPN管。,管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。参考实验。,例3：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位

11、U1、U2、U3分别为： （1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V （2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V （3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V （4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅 （4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。 NPN

12、管UBE0， UBC0，即UC UB UE 。 PNP管UBE0， UBC0，即UC UB UE 。,解：,4.2 基本共射极放大电路,4.2.1 基本共射极放大电路的组成,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,4.2.1 基本共射极放大电路的组成,基本共射极放大电路,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,1. 静态(直流工作状态),输入信号vi0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。,直流通路,VCEQ=VCCICQRc,用近似估算法求静态工作点,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,2. 动态,输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在

13、静态值的基础上随输入信号作相应的变化。,交流通路,end,简单工作原理,Vi=0,Vi=Vsint,4. 放大电路的静态和动态,静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,电路处于静态时，三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。,# 放大电路为什么要建立正确的静态？,5. 直流通路和交流通路,交流通路,直流通路,共射极放大电路,4.3 放大电路的分析方法,4.3.1 图解分析法,

14、4.3.2 小信号模型分析法,1. 静态工作点的图解分析,2. 动态工作情况的图解分析,3. 非线性失真的图解分析,4. 图解分析法的适用范围,1. BJT的H参数及小信号模型,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,3. 小信号模型分析法的适用范围,4.3.1 图解分析法,1. 静态工作点的图解分析,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,4.3.1 图解分析法,1. 静态工作点的图解分析, 列输入回路方程, 列输出回路方程（直流负载线） VCE=VCCiCRc, 首先，画出直流通路,直流通路, 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCi

15、CRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。, 在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的波形,2. 动态工作情况的图解分析, 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE 的波形,2. 动态工作情况的图解分析,2. 动态工作情况的图解分析, 共射极放大电路中的电压、电流波形,静态工作点Q设置得不合适，会对放大电路的性能造成影响。导致输出信号的波形不能完全重现输入信号的波形。,(1)定义,(2) 饱和失真 若Q点偏高，当ib按正弦规律变化时，Q/ 进入饱和区，造成ic和uce的

16、波形与ib（或ui）的波形不一致，对NPN管输出电压uo（即uce）的负半周出现平顶畸变。,饱和失真也称为底部失真,3. 静态工作点对波形失真的影响,若Q点偏低，则Q/进入截止区，对NPN管而言，输出电压uo的正半周出现平顶畸变，称为截止失真。,(3) 截止失真,截止失真也称为顶部失真 饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,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=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）,（

17、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,end,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。,4.3.2 小信号模

18、型分析法,1. BJT的H参数及小信号模型,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极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，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,1. BJT的H参数及小信号模型, 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+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：

19、,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以写成：,BJT双口网络,输出端交流短路时的输入电阻；,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端交流开路时的反向电压传输比；,输入端交流开路时的输出电导。,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数的引出,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数小信号模型,根据,可得小信号模型,BJT的H参数模型,BJT双口网络,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数小信号模型, 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

20、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。,受控电流源hfeib ，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。 hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。,1. BJT的H参数及小信号模型, 模型的简化,hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。,BJT在共射极连接时，其H参数的数量级一般为,1. BJT的H参数及小信号模型, H参数的确定, 一般用测试仪测出；,rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。,rbe= rbb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 rbb200,则,4.3.2 小信号模型分析法,2

21、. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（1）利用直流通路求Q点,共射极放大电路,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（2）画小信号等效电路,H参数小信号等效电路,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（3）求放大电路动态指标,根据,则电压增益为,（可作为公式）,电压增益,H参数小信号等效电路,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（3）求放大电路动态指标,输入电阻,输出电阻,解（1）求Q点，作直流通路,例如图，已知BJT的=100，VBE=-0.7V。 （1）试求该电路的静态工作点； （2）画出简

22、化的小信号等效电路； （3）求该电路的电压增益AV， 输出电阻Ro、输入电阻Ri。,2. 画出小信号等效电路,3. 求电压增益,200+（1+100）26/4 =865欧,3. 小信号模型分析法的适用范围,放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其V-T特性曲线的线性范围（即放大区）内。H参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。,优点： 分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。,4.3.2 小信号模型分析法,缺点： 在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的H参数均是针

23、对变化量(交流量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。,4. 求输入电阻,5. 求输出电阻,6.非线性失真判断,底部失真即截止失真 基极电流太小，应减小基极电阻。,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.4.1 温度对静态工作点的影响,4.4.2 射极偏置电路,1. 基极分压式射极偏置电路,2. 含有双电源的射极偏置电路,3. 含有恒流源的射极偏置电路,4.4.1 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

24、线族间距增大,4.4.2 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，则可实现静态工作点的稳定。,T , IC, IE, VE、VB不变, VBE , IB,（反馈控制）,1. 基极分压式射极偏置电路,(a) 原理电路 (b) 直流通路,b点电位基本不变的条件：,I1 IBQ ，,此时，,VBQ与温度无关,VBQ VBEQ,Re取值越大，反馈控制作用越强,一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V,1. 基极分压式射极偏置电路,（1）稳定工作点原理,1. 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,电压

25、增益,画小信号等效电路,（2）放大电路指标分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,（2）放大电路指标分析,（可作为公式用）,输入电阻,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,（2）放大电路指标分析,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,其中,（2）放大电路指标分析,2. 含有双电源的射极偏置电路,（1）阻容耦合,静态工作点,2. 含有双电源的射极偏置电路,（2）直接耦合,3. 含有恒流源的射极偏置电路,静态工作点由恒流源提供,end,4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,4.5.1 共集电极放大电路,4.5.2

26、 共基极放大电路,4.5.3 放大电路三种组态的比较,4.5.1 共集电极放大电路,1.静态分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为射极输出器,得,直流通路,小信号等效电路,4.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,交流通路,4.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,其中,一般,，则电压增益接近于1，,电压跟随器,4.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,输入电阻,时，,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,时，,输出电阻小,4.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,4.5.1 共集电极放大电路,4.5.2 共基极放大电

27、路,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流通路,小信号等效电路, 输入电阻, 输出电阻,2.动态指标,小信号等效电路,4.5.3 放大电路三种组态的比较,1.三种组态的判别,以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路 信号由发射极输入，集电极输出共基极电路,2.三种组态的比较,3.三种组态的特点及用途,共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。 共集

28、电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。 共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。,4.5.3 放大电路三种组态的比较,end,4.6 组合放大电路,4.6.1 共射-共基放大电路,4.6.2 共集-共集放大电路,4.6.1 共射-共基放大电路,共射共基放大电路,4.6.1 共射-共基放大电路,其中,所以,因为,因此,组合放大电路总的电压增

29、益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。 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RL。,电压增益,4.6.1 共射-共基放大电路,输入电阻,输出电阻,Ro Rc2,T1、T2构成复合管，可等效为一个NPN管,(a) 原理图 (b)交流通路,4.6.2 共集-共集放大电路,4.6.2 共集-共集放大电路,1. 复合管的主要特性,两只NPN型BJT组成的复合管,两只PNP型BJT组成的复合管,rberbe1(11)rbe2,4.6.2 共集-共集放大电路,1. 复合管的主要特性,PNP与NPN型BJT组成的复合管,NPN与PNP型BJT组成的复合管,rberb

30、e1,4.6.2 共集-共集放大电路,end,2. 共集-共集放大电路的Av、 Ri 、Ro,式中 12 rberbe1(11)rbe2 RLRe|RL,RiRb| rbe(1)RL ,4.7 放大电路的频率响应,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,4.7.4 单级共基极和共集电极放大电路的高频响应,4.7.5 多级放大电路的频率响应,研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,1. RC低通电路的频率响应,（电路理论中的稳态分析）,RC电路

31、的电压增益（传递函数）：,则,且令,又,电压增益的幅值（模）,（幅频响应）,电压增益的相角,（相频响应）,增益频率函数,RC低通电路,最大误差 -3dB,频率响应曲线描述,1. RC低通电路的频率响应,2. RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,输出超前输入,RC高通电路,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,1. BJT的高频小信号模型,模型的引出,rbe 发射结电阻re归算到基极回路的电阻,Cbe 发射结电容,rbc 集电结电阻,Cbc 集电结电容,rbb 基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点,互导,BJT的高频小信号模型,简化模型,混合形高频小信号模型,1. BJT的高频小信号模型,2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得,低频时，混合模型与H参数模型等价,又因为,2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得,低频时，混合模型与H参数模型等价,3. BJT的频率参数,由H参数可知,即,根据混合模型得,低频时,所以,令, 的幅频响应,共发射极截止频率,特征频率,共基极截止频率,3.