第 2 章 晶体管及其 基本放大电路 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 双极型半导体三极管 晶体管放大电路的组成及其工作原理 图解分析法 微变等效电路分析法 分压式偏置稳定共射放大电路 共集电极放大电路 共基极放大电路 小 结 本章教学目的与要求 ? 掌握晶体三极管的工作原理,伏安特性,主要参数。 ? 正确理解放大的基本概念,放大电路的主要指标,掌握放大电路的组 成特点。 ? 在放大电路的图解法,主要用来确定静态工作点,分析动态过程和波 形失真。 ? 熟练掌握放大电路的等效电路法,会计算静态工作点,能用H参数微 变等效电路计算放大电路的电压放大倍数、输入和输出电阻。 ? 复合管及组合放大电路 2.1 双极型半导体三极管 2.1.1 晶体三极管 2.1.2 晶体三极管的特性曲线 2.1.3 晶体三极管的主要参数 2.1.1 晶体三极管 (Semiconductor Transistor) 晶体管,即晶体三极管,又称为半导体三极管。因 为晶体管中有两种带有不同极性的载流子参与导电, 所以又称为双极性晶体管。是组成各种放大电路和电 子电路的核心器件。 — 基区 B N 发射结 P c-b间的PN结称为集电结 (Jc) base — 发射区 e-b 间的PN结称为发射结(Je) 中间部分称为基区,连上电极称为 基极, E 发射极 E emitter 用B或 b表示(Base); C C 基极 B P N B B 另一侧称为集电区和集电极, 一、结构、符号和分类 用C或c表示(Collector)。 collector 集电极 C 一侧称为发射区,电极称为 — 集电区 发射极, C N P 集电结 ); 用E或e表示( Emitter NPN 型 E PNP 型 E 分类: 按材料分: 按结构分: 按使用频率分: 按功率分: 硅管、锗管 NPN、 PNP 低频管、高频管 小功率管 < 500 mW 中功率管 0.5 ?1 W 大功率管 > 1 W 二、电流放大原理 1. 三极管放大的条件 内部 条件 发射区掺杂浓度高 外部 基区薄且掺杂浓度低 条件 集电结面积大 发射结正偏 集电结反偏 2. 满足放大条件的三种电路 E ui B 共基极 C uo ui B E C uo ui E B C uo 共发射极 共集电极 3. 三极管内部载流子的传输过程 双极型半导体三极管在工作时一定要加上 适当的直流偏置电压。 若在放大工作状态:发射结加正向电压, 集电结加反向电压。 3. 三极管内部载流子的传输过程 I CBO I CN 1) 发射区向基区注入多子电子, 形成发射极电流 IE。 2)电子到达基区后 (基区空穴运动因浓度低而忽略) 多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。 少数与空穴复合,形成 IBN 。 IB I BN IE 基区空 基极电源提供(IB) 穴来源 集电区少子漂移(ICBO) 即: IBN ? IB + ICBO IB = IBN – ICBO I CBO IC I CN 3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 IC IB I C = ICN + ICBO I BN IE 4. 三极管的电流分配关系 IB = I BN ? ICBO IC = ICN + ICBO 当管子制成后,发射区载流子浓度、基区宽度、集 电结面积等确定,故电流的比例关系确定,即: I C ? I CBO I CN ? ?? I B ? I CBO I BN IC ? ? IB ? (1 ? ? )ICBO ? ? IB ? ICEO 穿透电流 IE = IC + IB IC ? ? IB ? ICEO I E ? (1 ? ? ) I B ? I CEO I E ? IC ? I B IC ? ? IB I E ? (1 ? ? ) I B 2.1.2 晶体三极管的伏安特性曲线 一、输入特性 iB ? f ( uBE ) u CE?常数 输入 回路 输出 回路 与二极管特性相似 uCE ? 0 iB uCE ? 0 uCE ? 1 V uBE O uCE ? 0 特性右移(因集电结开始吸引电子) uCE ? 1 V 特性基本重合(电流分配关系确定) 导通电压 UBE(on) 硅管: (0.6 ? 0.8) V 取 0.7 V 锗管: (0.2 ? 0.3) V 取 0.2 V 二、输出特性 iC ? f ( uCE ) i 4 3 B?常数 iC / mA 50 ? A 40 ? A 30 ? A 2 1 20 ? A 10 ? A 截止区 2 4 6 1. 截止区: IB ? 0 IC = ICEO ? 0 条件:两个结反偏 ICEO O IB = 0 8 uCE /V 4 3 2 1 iC / mA 放大区 2. 放大区: 50 ? A 40 ? A 30 ? A 20 ? A 10 ? A 截止区 IC ? ? IB ? ICEO 条件: 发射结正偏 集电结反偏 特点: 水平、等间隔 ICEO O 2 4 6 IB = 0 8 uCE /V 3. 饱和区: iC / mA 4 50 ? A 饱 40 ? A 3 和 放大区 区 30 ? A 2 1 uCE ? u BE uCB = uCE ? u BE ? 0 条件:两个结正偏 特点:IC ? ? IB 深度饱和时: 0.3 V (硅管) 0.1 V (锗管) 20 ? A 10 ? A 截止区 2 4 6 ICEO O IB = 0 8 uCE /V 临界饱和时: uCE = uBE UCE(SAT)= 三、晶体管电路的基本问题和分析方法 三种工作状态 判断导通还是截止: 以 NPN为 例: UBE > U(th) 则导通 UBE < U(th) 则截止 状态 放大 饱和 临界 截止 电流关系 条 件 发射结正偏 集电结反偏 两个结正偏 集电结零偏 两个结反偏 I C = ? IB I C ? ? IB ICS = ? IBS IB < 0, IC = 0 判断饱和还是放大: 1. 电位判别法 NPN 管 U C > UB > UE U E < UC ? UB 放大 饱和 放大 饱和 PNP 管 2. 电流判别法 UC < UB < UE UE > UC ? U B IB < IBS 则放大 IB > IBS 则饱和 I CS VCC ? UCE(sat) I BS ? ? ? ? ( RC ? RE ) 四、温度对特性曲线的影响 1. 温度升高,输入特性曲线向左移。 iB T2 >T1 O uBE 温度每升高 1?C,UBE ? (2 ? 2.5) mV。 温度每升高 10?C,ICBO 约增大 1 倍。 2. 温度升高,输出特性曲线向上移。 iC T2 > T1 O =0 0 B= iiB iB = 0u CE 温度每升高 1?C,? ?(0.5 ? 1)%。 输出特性曲线间距增大。 2.1.3 晶体三极管的主要参数 一、电流放大系数 1. 共发射极电流放大系数 4 iC / mA 3 2 ? — 直流电流放大系数 Q ?3 I IC ? 2CN .45 ? 10 A I CBO I C 1 ?? ? ?6 ? 82 ? ? I30 I BA ? I CBO I B O BN ? 10 50 ? A 40 ? A 30 ? A 20 ? A 10 ? A IB = 0uCE /V 6 8 2 4 ? — 交流电流放大系数 ?iC ( 2.45 ? 1.65) ? 10?3 A 0.8 ?? ??? 一般为几十 ? ? 80 ? 几百 ?6 10 ?i B 10 ? 10 A 4 iC / mA 3 2 Q 1 O 2 4 50 ? A 40 ? A 30 ? A 20 ? A 10 ? A IB = 0uCE /V 6 8 2. 共基极电流放大系数 ? ? 1 一般在 0.98 以上。 I C 80I C ? ? ? ? ?? ?.988 ? ?0 ?? 1I B 1 ? ? 1 ? ? I E 80 IC 二、极间反向饱和电流 CE 极间反向饱和电流 ICEO。 CB 极间反向饱和电流 ICBO, 三、极限参数 iC ICM ICEO O 安 全 PCM 工 作 区 U(BR)CEO uCE 1. ICM — 集电极最大允许电流,超过时 ? 值明显降低。 2. PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC ? uCE。 3. U(BR)CEO — 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。 U(BR)CBO — 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。 U(BR)EBO — 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。 U(BR)CBO > U(BR)CEO > U(BR)EBO 已知: ICM = 20 mA, PCM = 100 mW, U(BR)CEO = 20 V, 当 UCE = 10 V 时,IC < 10 mA 当 UCE = 1 V,则 IC < 20 mA 当 IC = 2 mA,则 UCE < 20 V 2.2 放大的概念及放大 电路的性能指标 2.2.1 放大电路的基本概念 2.2.2 放大电路的主要技术指标 一、放大的概念 VCC 至少一路直流 电源供电 ?放大的对象:变化量 ?放大的本质:能量的控制 ?放大的特征:功率放大 判断电路能否放 大的基本出发点 ?放大的基本要求:不失真——放大的前提 二、性能指标 对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。 输入电 流 信号 源内 阻 信号 源 输入电 压 1. 放大倍数:输出量与输入量之比 ? U ? ?A ? ? o A uu u ? U i 输出电 流 输出电 压 ? I ? ? o A iu ? U i ? I ? ?A ? ? o A ii i ? I i ? U ? ? o A ui ? I i 电压放大倍数是最常被研究和 电压放大倍数定义为: 源电压放大倍数定义为: (1) 倍数表示 (2) 分贝表示(dB) AU=UO/UI AUs=UO/Us (3) 分贝和倍数的关系 倍数: Au 分贝 :20lgAu 2. 输入电阻和输出电阻 从输入端看进去的 等效电阻 Ui Ri ? Ii 输入电压与 输入电流有 效值之比。 U ?Uo U Ro ? ? ( ? 1) RL Uo Uo RL ' o ' o 将输出等效 成有内阻的电 压源,内阻就 是输出电阻。 空载时输出 电压有效值 带RL时的输出电 压有效值 2. 输入电阻Ri——从放大电路输入端看进去的 RS uS ~ 信号源 ii Ri 等效电阻 输入电阻: Ri=ui / ii ui 输入端 Au 输出端 一般来说, Ri越大越好。 (1)Ri越大,ii就越小,从信号源索取的电流越小。 (2)当信号源有内阻时, Ri越大, ui就越接近uS。 3. 输出电阻Ro——从放大电路输出端 看进去的等效电阻。 输出端 uS ~ Au Ro 输出端 uso ~ 输出电阻的定义: Ro = Uo Io . . ∞ ? ?, RL ?? U S ?0 输出电阻是表明放大电路带负载的能力,Ro越小,放 大电路带负载的能力越强,反之则差。 3. 通频带 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 由于电容、电感及放大管PN结的电容效应,使放大电路在信 号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。 下限频率 f bw ? f H ? f L 上限频率 4. 最大不失真输出电压Uom:交流有效值。 5. 最大输出功率Pom和效率η:功率放大电路的参数 4. 通频带 A Am 0.7Am 3dB带宽 fL 下限截 止频率 放大倍数随频 率变化曲线— —幅频特性曲 线 上限截 fH 止频率 f 通频带: fbw=fH–fL 2.3 共射基本放大电路的 组成及其工作原理 2.3.1 放大电路的组成 2.3.2 共射基本放大电路的工作原理 2.3.3 共射极放大电路的结构及各元件的作用 2.3.1 放大电路的组成 以共射电路为例说明放大电路的组成、电路中各元件的 个数及其数量级,重点指出组成放大电路的四条原则: ? ? ? ? 发射结加正向偏置电压 集电结加反向偏置电压 R 把信号源加到b-e之间 s us+ 在输入信号作用下得 到不失真的输出信号 C1 + + C2 + RL uo + ui - - 以上四条是判断三极管放大电路能否放大的依据,四 条必须同时满足。 2.3.2 共射基本放大电路的工作原理 1.静态: ui=0. Ic IB + ui 0 IBQ 0 ICQ 0 UCEQ 0 uo 0 t t t t t + C1 + C2 + + RL UCE UBE - Rs - IBQ ICQ 基极偏置电流 集电极电流,直流电流 集电极电压,直流电压 UCEQ UCE ? VCC ? RC I C 2.动态:ui C1 + ≠ 0,若输入为正弦信号 Ic+ic ui O IBQ O iC ICQ O uCE iB IB+ib Rs us+ - + ui - UBE + ube UCE + uce + C2 t + RL uo t - 符号说明 u BE ? U BE ? u be t t t i B ? I B ? ib iC ? I C ? i c u CE ? U CE ? u ce UCEQ Ou o O 2.3.3 共射极放大电路的结构 +VCC 及各元件的作用 RC C1 T 输入 ui RB 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。 C2 RL uo 输出 VBB 参考点 使发射结正偏, 并提供适当的 静态工作点IB 和UBE。 +VCC RC T C2 组成演示动画 C1 基极电源与 基极电阻 RB VBB RL +VCC RC C1 T Rb VBB 集电极电源, 为电路提供能 量。并保证集 电结反偏。 C2 RL +VCC RC C1 C2 集电极电阻, 将变化的电流 转变为变化的 电压。 T Rb RL VBB 耦合电容: 电解电容,有极性, 大小为10?F~50?F +VCC RC T C1 + C2 + 作用:隔直通交 隔离输入输出与 电路直流的联系, 同时能使信号顺 利输入输出。 ui RB VBB RL uo 单电源供电 RC C1 +VCC C2 T 可以省去 RB VBB RL 单电源供电 RB RC T +VCC C2 + uo C1 + + ui - + RL - 2.4 图解分析法 引 言 2.4.1 静态工作情况分析 2.4.2 动态工作情况分析 引 言 分析三极管电路的基本思想和方法 基本思想 非线性电路经适当近似后可按线性电路对待, 利用叠加定理,分别分析电路中的交、直流成分。 直流通路(ui = 0)分析静态。 交流通路(ui ? 0)分析动态:只考虑变化的电压 和电流。 2.4.1 静态工作情况分析 放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。 静态分析的任务是根据电路参数和三极管的特 性确定静 态值(直流值)UBE、IB、 IC 和UCE。 可用放大电路的直流通路来分析。 +VCC Rb C1 RC T RL C2 为什么要 设置静态 工作点? 放大电路建立正确的静态工作点,是为了使三极管 工作在线性区以保证信号不失真。 对放大电路的基本要求:1、不失真;2、能放大 一、静态工作点的估算 直流通路的画法: 1、电容开路;2、电感短路 画出放大电路的直流通路 3、信号源短路,保留内阻 +VCC C2 RB C1 Ui=0 RC 开路 RL 开路 直流通路 RB +VCC RC 用估算法分析放大器的静态工作点 ( IB、UBE、IC、UCE) (1)估算IB( UBE ?0.7V) V CC ? UBE +VCC IB ? Rb RC Rb VCC ? 0.7 ? IB UBE VCC ? Rb Rb Rb称为偏置电阻,IB称 为偏置电流。 (2)估算UCE、IC +VCC Rb RC IC + IC = ? IB UCE - U CE ? VCC ? I C RC 例:用估算法计算静态工作点。 Rb RC +VCC 已知:VCC=12V,RC=4K?, Rb=300K ?,?=37.5。 解: UBE ?0.7V VCC 12 IB ? ? ? 0.04mA ? 40μ A Rb 300 IC ? ? IB ? 37.5 ? 0.04 ? 1.5mA ? UCE ? VCC ? ICRC ? 12 ? 1.5 ? 4 ? 6V 请注意电路中IB和IC的数量级 二、用图解法确定静态工作点 1.静态工作点——Ui=0时电路的工作状态 +VCC RB RC IC + IB UCE - 静态工作点 Rb +VCC RC IB IC T + + ( IC,UCE ) (IB,UBE) UBE - UCE - (IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲 线上的一个点称为静态工作点。 在输入特性曲线 上,求出IB、UBE IB IB Q UBE UBE 直流负载线 UCE=VCC–ICRC VCC RC IC 静态IC Q IB UCE 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 VCC 静态UCE 三、电路参数对静态工作点的影响 1. 改变 RB,其他参数不变 iB VBB iC R B? ? iB ? Q 趋近截止区; Q R B? ? iB ? VCC uCE C RB Q VBB uBE Q 趋近饱和区。 iB 2. 改变 RC ,其他参数不变 i Q ICQ VCC RC uBE Q RC? Q 趋近饱和区。 UCEQ VCC uCE 例 2.3.2 设 RB = 38 k?,求 VBB = 0 V、3 V 时的 iC、uCE。 5 4 iC/mA 60 ?A [ 解] 当VBB= 0 V: iC ? 0 , 当VBB = 3 V: 3 2 1 O 50 ?A 40 ?A 30 ?A 20 ?A 10 ?A iB= 0 iB ? 0 , 0.3 5 V uCE/V uCE ? 5 V VBB ? U BE(on) ? 0.06 mA iB ? RB UCES ? 0.3 V ? 0, iC ? 5 mA iC = ViCC / R ? C 0C RB B iBiB ? 0C E VCC RC S + uu ??5V 0 CE CE ? 截止 饱和 状态 三极管的开关等效电路 判断是否饱和 VCC ? U CE(sat) VCC I CS ? ? 临界饱和电流 ICS和IBS : RC RC VCC I BS ? ? ? ?RC I CS iB > IBS,则三极管饱和。 2.4.2 用图解法确定动态工作情况 1. 设输出空载时的图解法 根据ui在输入特性上画出ib 根据ib在输出特性上画出ic和uce iC iC/mA 6 ic 5 ICQ 4 3 2 1 t O O O t 直流负载线 UCEQ 60 50 Q? 40 Q 30 IBQ Q? 20 iB=10 ?A O iB iB/?A ib 30 t O O t Q uBE/V 0.7 V 6 uCE/V uce uCE/V Ucem ui uBE/V 说明uce和ui反向,同时可以求出电压放大倍数 各点波形 u BE ? U BE ? u be i B ? I B ? ib iC ? I C ? i c u CE ? U CE ? u ce - +VCC iC Rb C1 + RC uCE C2 + - ui iB uo uo比ui幅度放大且相位相反 2. 放大电路的非线性失真问题 (1) “Q”过低引起截止失真 NPN 管: 顶部失真为截止失真。 PNP 管: 底部失真为截止失真。 不发生截止失真的条件:IBQ > Ibm 。 (2)“Q”过高引起饱和失真 iC ICS iC Q V ?CC uCE uCE 集电极临界 饱和电流 NPN 管: 底部失真为饱和失真。 PNP 管: 顶部失真为饱和失真。 O t O O t IBS — 基极临界饱和电流。 不发生饱和失真的条件: IBQ + I bm ? IBS (3)“Q”的选择 静态工作点Q的位置应该适中,既不能太高,又不能 太低。Q的位置太高引起饱和失真,太低引起截止失真。 Q的选择还需要考虑输入信号的大小。如果输入信号 幅度小,则可把静态工作点选的低一点,减少管子在静 态时的功耗,如果交流输入信号幅度大,则可 把Q点选 的高点,但是都是在不失真的前提下。 3.接上负载为RL时的图解法 输出端接入负载RL,不影响Q ,影响动态! +VCC C1 Rb RC C2 RL 交流通路——分析动态工作情况 (1) 交流通路的画法: 将直流电压源短路,将电容短路。 对交流信号(输入信号ui) 置零 短路 短路 1/?C?0 交流通路 + + ui - RB RC RL uo - (2) 交流负载线 ic ui uce Rb R C RL uo uce=-ic(RC//RL) = -ic RL 其中: R?L ? RL // RC 交流量ic和uce有如下关系: uce=-ic(RC//RL)= -ic RL 或ic=(-1/ RL) uce 1 这就是说,交流负载线的斜率为: ? R ?L 交流负载线的作法: ①斜 率为-1/R'L 。( R'L= RL∥Rc ) ②经过Q点。 VCC RC IC 交流负载线 i=u/R’L 直流负载线 Q IB u ①斜 率为-1/R'L 。 ( R'L= RL∥Rc ) UCE VCC ②经过Q点。 直流负载线是用来确定工作点的; 交流负载线是用来画出波形,分析波形失真。 注意: (1)交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运 动轨迹。 (2)空载时,交流负载线与直流负载线重合。 选择工作点的原则: 当 ui 较小时,为减少功耗和噪声,“ Q” 可设得低一些; 为获得最大输出,“ Q” 可设在交流负载线中点。 为提高电压放大倍数,“Q”可以设得高一些; 例 2.3.3 硅管,ui = 10 sin ?t (mV),RB = 176 k?, RC = 1 k?, VCC = VBB = 6 V,图解分析各电压、电流值。 iC C1 iB + RC + R + + uCE + RL ui uBE VCC B V – BB – – – ? [解] 令 ui = 0,求静态电流 IBQ I BQ 6 ? 0.7 ? ? 0.03 (mA) ? 30 (?A) 176 iC ic ICQ iC/mA 6 5 4 3 2 1 t O O t Q? O UCEQ 40 Q 30 IBQ Q? 20 iB=10 ?A O 直流负载线 (交流负载线) iB iB/?A 60 ib 50 30 t O O t Q uBE/V 0.7 V 6 uCE/V uce uCE/V Ucem ui uBE/V 当 ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ uCE = UCEQ 当 ui = Uim sin ?t ib = Ibmsin ?t ic = Icmsin ?t uce = –Ucem sin ?t uo ? ui uo = uce iB = IBQ + Ibmsin ?t iC = ICQ + Icmsin ?t uCE = UCEQ – Ucem sin ?t = UCEQ +Ucem sin (180° – ?t) 2.4 微变等效电路 分析法 引 言 2.4.1 H参数的引出 2.4.2 H参数小信号模型 引 言 一、建立小信号模型的意义 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,就是在 一定的条件下(工作点附近)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。 由于研究对象的多样性和复杂性,往往把对 象的某些特征提取出来,用已知的、相对明了的 单元组合来说明,并作为进一步研究的基础,这 种研究方法称为建模。 二、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。 2.4.1 H参数的引出 对于BJT双口网 络,我们已经知道 输入输出特性曲线 如下: uBE=f(iB,vCE) iC=g(iB ,vCE) 在小信号情况下,对上两式取全微分得: dvBE ? ?vBE ?iB VCE ? diB ? ?iC d iC ? ?iB ?iC VCE ? diB ? ?vCE ?vBE ?vCE IB ? dvCE IB ? dvCE 在低频、小信号作用下的关系式 ?uBE ?uBE ? ?duBE ? ?i U CE diB ? ?u I B duCE ? B CE ? ?iC ?di ? ?iC C U CE diB ? I B duCE ? ?iB ?uCE ? 电阻 无量纲 ? ?h I ? ? ? ?U be 11 b ? h12U ce ? ? ? ? ? ? I c ? h21 I b ? h22U ce 电导 无量纲 交流等效模型(按式子画模型) h参数的物理意义 ?uBE ?iB h11 ? U CE ? rbe h12 ? ?uBE ?uCE IB ?iC h21 ? ?iB b-e间的 动态电 阻 U CE 内反 馈系 数 h22 ? ?iC ?uCE iB ?? ? c-e间的电 导 分清主次,合理近似!什么情况下h12和h22的作用可忽略不计? 电流放大系 数 1 rce 其中: ?vBE h ie ? ?iB VCE vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce 小信号作用下b-e间的动态电阻; 电流放大系数; 能构成电 路图吗 ?iC h fe ? ?iB VCE ?vBE h re ? ?vCE ?iC h oe ? ?vCE IB 晶体管输出回路电压对输入回路电压的影响,称 为内反馈系数; 输入端电流恒定时的输出电导,其倒数就是 晶体管的输出电阻。 IB 四个参数量纲各不相同,故称为混合参数(H参数)。 2.4.2 H参数小信号模型 根据 vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce ib vbe iB c b iC vBE e vCE 可得小信号模型 ?H参数都是小信号参数,即 hie hrevce BJT双口网络 ic vce 微变参数或交流参数。 ?H参数与工作点有关,在放 hfeib hoe 大区基本不变。 BJT的H参数模型 hie b 一般采用习惯符号 ? ? ib 是受控源 ,且为电流 即 rbe= hie ? = hfe 控制电流源(CCCS)。 vbe hrevce uT = hre rce= 1/hoe ? 电流方向与ib的方向是关联 则BJT的H参数模型为 的。 ? hre很小,一般为10-3?10-4 , ? rce很大,约为100k?。故 1. 模型的简化 i ic hfeib hoe vce 一般可忽略它们的影响, 得到简化电路 简化的h参数等效电路-交流等效模型 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻 数值小可忽略 利用PN结的电流方程可求得 U be UT rbe ? ? rbb' ? rb'e ? rbb' ? (1 ? ? ) Ib I EQ 查阅手册 在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小! 由IEQ算出 ? ? 一般用测试仪测出; ? rbe 与Q点有关,可用图 2. H参数的确定 示仪测出。 一般也用公式估算 rbe rbe= rb+ (1+ ? ) re 其中对于低频小功率管 rb≈(100-300)? (T=300K) VT (mV) 26(mV) ? 而 re ? I EQ (mA) I EQ (mA) 26( mV ) 则 rbe ? 200? ? (1 ? ? ) I EQ ( mA ) 3. H参数的应用 (1)电压放大倍数的计算: 共 射 极 放 大 电 路 ui uo 画微变等效电路 Ii ? Ib ? Ic ? ? Ui ? RL RC Rb r be ?IB Uo ? R? U i ? I b rbe A u ? ?? L rbe ? ? U o ? ?? I b R?L ? ? R? L ? R C // R L 负载电阻越小,放大倍数越小。 (2) 输入电阻的计算: 根据输入电阻的定义:? Ri ? Ui Ii ? ? Ii Ib ? Ic ? ? ? R b //rbe ? rbe Ui ? Rb r be ?IB RL Uo ? RC 电路的输入电阻越大,从信号源取 得的电流越小,因此一般总是希望得到 较大的的输入电阻。 当信号源有内阻时: . UO = . Ui . Ui . Us (3) 输出电阻的计算: 根据定义 Ro = Uo Io . . 0 Ib ? 0 Ic ? ? Ii R L ??, US ? 0 ? Io ? 用加压求 流法求输 出电阻: Rb ?Ib rbe RC Uo ? Uo 所以: R o ? ? ? Rc Io ? 4. 晶体三极管交流分析 步骤: ① 分析直流电路,求出“Q”,计算 rbe。 ② 画电路的交流通路 。 ③ 在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。 ④ 分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。 例 2.4.1 求:1. 静态工作点。 2.电压增益AU、 输入电阻Ri、 输出电阻R0 。 3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ,是截止还是饱和失 真?应调节哪个元件?如何调节? Ic 解:1 . VCE 2. 思路:微变等效电路 AU、Ri 、R0 Au ? ? U0 Ui ? ? ?? ' ?RL rbe 43 ? (3.9 // 6.2) ?? ? ?103 0.945 Ri ? Rb // rbe ? 470 // 0.945 ? 0.945(k?) R0 ? RC 3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ,是截止还是饱和失 真?应调节哪个元件?如何调节? 解: 1 .从三极管的符号可以看出,该三极管 是NPN管,出现底部失真,那说明是饱 和失真。 2.饱和失真,说明Q点过高,应该增大Rc。 例 2.4.2 ? = 100,uS = 10sin ?t (mV),求叠加在 “Q” 点上的各交流量。 510 RS 470 k? C1 iB iC 2.7 k? + C2 + RC 3.6 k? uS + RB + – 12 V – + uBE VBB– R uCE + L uo VCC 12 V – ? ? [ 解] 令 ui = 0,求静态电流 IBQ ① 求“Q”,计算 rbe 12 ? 0.7 I BQ ? ? 0.024 (mA) 470 ICQ = ? IBQ = 2.4 mA UCEQ = 12 ? 2.4 ? 2.7 = 5.5 (V) 26 r be ? 200? (1 ? ? ) I EQ 26 ? 200 ? ? 1 283 (? ) 0.024 iC ② 交流通路 RS C1 iB RB + – + RC C2 uce + uS + – + uBE VBB– R uCE + L uo u be V CC – ? ? ③ 小信号等效 RS ib + B + – ic C + RL u o RC R B us ube ? rbe E ? ic ? ④ 分析各极交流量 u be uS ( RB // r be ) ? ? 7.2 sin? t (mV) RS ? RB // r be u be ib ? ? 5.5 sin? t (?A) ic ? ? i b ? 0.55sin? t (mA) r be uce ? uo ? ?ic ( RC // RL ) ? 0.85sin? t (V) ⑤ 分析各极总电量 uBE = (0.7 + 0.0072sin?t )V iB = (24 + 5.5sin?t) ?A iC = ( 2.4 + 0.55sin?t ) mA uCE = ( 5.5 – 0.85sin?t ) V 2.5 射极偏置放大电路 2.5.1 单管共射放大电路存在的问题 2.5.2 电路组成及稳定静态工作点的原理 2.5.3 静态分析 2.5.4 动态分析 2.5.1 单管共射放大电路存在的问题 一、 实验中出现的现象 当环境温 度升高时 二、 静态工作点的位置发生变化的原因 1、 温度对晶体管参数的影响 T↑→ICBO↑,温度每升高10oC, ICBO↑一倍 T↑→ UBE ↓,温度每升高1oC, UBE↓2.5mv T↑→β ↑,温度每升高1oC,Δ β /β ↑ 0.5—1% 2 温度对静态工作点的影响 ICQ=β IBQ +(1+β ) ICBO IBQ=(Vcc- UBE)/ RB } T↑→ICQ↑→Q↑→饱和失真 3 工作点上移时输出波形分析 “Q”过高引起饱和失真 iC ICS iC Q 集电极临界 饱和电流 静态是基础,动态是目的 V ?CC uCE uCE O t O O t NPN 管: 底部失真为饱和失真。 不接负载时,交、直流负载线重合 2.5.2 电路组成及稳定静态工作点的原理 一、电路组成 特点: RB1—上偏流电阻、 RB2—下偏流电阻、 RE—发射极电阻 共发射极电路 二、稳定静态工作点的原理 1.直流通路 IBQ ICQ IEQ U I1 BEQ ? + 直流通路的画法 2.稳定过程(原理) T↑→ICQ↑→ICQ×RE↑→→UBE↓→IBQ↓→ICQ↓ UB固定 若电路调整适当,可以使ICQ基本不变。 3.稳定的条件 UB固定 UB=VCC×RB2 / (RB1+RB2) 硅管I1=(5--10)IBQ 锗管I1=(10--20)IBQ (1)I1 >> IB (2)UB >> UBE 硅管UB=(3--5)V 锗管UB=(1--3)V 2.5.3 静态分析 ? 求Q点(IBQ、ICQ 、UCEQ) ? 求法:画出直流通路求解 解: +VCC U BQ ? U BEQ I EQ ? RE ICQ ? I EQ RB1 RB2 IBQ RC + UCEQ UBEQ ? I1 R IEQ ?E ICQ + I BQ ? IC Q / ? UCEQ ? VCC ? ICQ ( RC ? RE ) 说明Q是否合适 2.5.4 动态分析-求AU、Ri、RO 一、画出放大电路的微变等效电路 1.画出交流通路 2.画出放大电路的微变等效电路 二、计算动态性能指标 1.计算Au A ? u /u u o i A ?? u r be L ? (1 ? ? ) R ?R ' E “-”表示Uo和Ui反相。 Au的值比固定偏流放大电路小了。 2.计算输入电阻 R ? u /i i i i Ri ? RB1 // RB2 //[rbe ? (1 ? ? )RE ] Ri↑,同时说明公式的记法和折合的概念。 3、计算输出电阻Ro Ro=uo/io Us=0 RL=∞ u 在RE两端的电压可以忽略不计,因此Ro≈Rc 。 o 2.5.5 举例讨论 如何提高电压放大倍数Au 在RE两端并联一个电容,则放大倍数 与固定偏置放大电路相同。 例 ? = 100,RS= 1 k?,RB1= 62 k?,RB2= 20 k?, RC= 3 k?,RE = 1.5 k?,RL= 5.6 k?,VCC = 15 V。 求:“Q”,Au,Ri,Ro。 +VCC [解] 1)求“Q” R R C C1 B1 C 2 R +S us RB2 ? + + RE 20 ? 15 U BQ ? ? 3. 7 ( V ) RL uo 20 ? 62 + 3.7 ? 0.7 CE ? I CQ ? I EQ ? ? 2 (mA ) 1.5 + I BQ ? 2 / 100 ? 0.02 (mA) ? 20 (?A) UCEQ ? 15 ? 2(3 ? 1.5) ? 6 (V) RB1 C1 + RS RB2 us ? RC + +VCC C2 RL + + + 2)求 Au,Ri,Ro , Aus RE uo ? CE r be ? 200? 26 / I BQ ? 200? 26 / 0.02 ? 1 500?? ?? ? ? 100? 3//5.6 ? ? RL Au ? ? ? ?130 rbe 1.5 Ri ? RB1 // RB2 // rbe ? 20 // 62 // 1.5 ? 1.36 (k?) ui Ri 1.36( ?130) Aus ? Au ? Au ? ? ?75 us Ri ? RS 1 ? 1.36 Ro = RC = 3 k? 小 结 ?分析了固定偏置放大电路产生失真的原因。 ?分析了射极偏置放大电路稳定静态工作点 的原理。 ?重点分析计算了分压式偏置放大电路的性 能指标。 ?深入讨论了射极电阻对静态和动态的影响, 为今后学习反馈建立基础概念。 2.6 共集电极放大电路 -射极输出器、射极跟随器 2.6.1 电路组成与静态分析 2.6.2 动态分析 2.6.1 电路组成与静态分析 IBQ C1 RB +VCC C2 + ii + Rs ? ib RB ic + Ruo L + – ++ RS u IEQ i us – RE RB IEQ + RE RL uo – ? 交流通路 IBQ +VCC RE + uo – IBQ = (VCC – UBEQ) / [RB +(1+ ? ? RE] ICQ = ? I BQ UCEQ = VCC – ICQ RE 直流通路 2.6.2 性能指标分析 ii ib RB ic + Ruo L + Rs ? RE ? 交流通路 ii R ib ic + ? us s rbe ? ib + RB RE RL uo ? R?L = RE // RL 小信号等效电路 电压放大倍数: ? uo (1 ? ?)ib RE // RL (1 ? ? ) RL Au ? ? ? ?1 ? ui ib rbe ? (1 ? ? )ib RE // RL rbe ? (1 ? ? ) RL 输入电阻: ui ui Ri ? ? ui ui ii ? ? RB rbe ? (1 ? ? ) RL ?] ? RB // [rbe ? (1 ? ? ) RL 输出电阻: 将输入信号短路,负载开 ? 'o 路,由所加的等效输出信号 V 可以求出输出电流 ?' ? I ? ?I ? ?? I ? ? (V ?' / R ) - I ? (1 ? ? ) I o Re b b o e b ? ?V ? ' /(r + R' ) I , R's ? Rs // Rb1 // Rb2 b o be s ?' ? [(1 ? ? )V ? ' /(r + R' )] ? (V ?' / R ) I o o be s o e ?' V r + R's Ro = o ? Re // be ?' I 1? ? o 射极输出器特点 Au ? 1 输入输出同相 Ri 高 Ro 低 u u i = iRE – ib – ? ib ? ? (1 ? ? ) ? RE 输出级 中间隔离级 rbe ? RS 用途:输入级 例 2.6.1 ? =120,RB = 300 k?,r?bb= 200 ?, UBEQ = 0.7 V, RE = RL = Rs = 1 k?,VCC = 12V。 求:“Q ”,Au,Ri,Ro。 [ 解 ] 1 ) 求 “ Q” IBQ = (VCC – UBE) / [RB + (1+ ? ) RE] = (12 – 0.7) / [300 +121 ? 1] + ? 27 (?A) IEQ ? ? I BQ = 3.2 (mA) – UCEQ = VCC – ICQ RE = 12 – 3.2 ? 1 = 8.8 (V) RB C1 IBQ +VCC ++ C2 + I RS u EQ + i uo R L R us – E – 2)求 Au,Ri,Ro Rbe = 200 + 26 / 0.027 RL?= 1 // 1 = 0.4 (k?) ? 1.18 (k?) ? (1 ? ? ) RL Au ? ? 0.98 ? rbe ? (1 ? ? ) RL Ri = 300//(1.18 ?121) = 51.2 (k?) ?) ( rbe ? RS Ro ? RE // 1? ? ? 18 (? ) 提高 Ri 的电路: 100 k? RB1 C1 +VCC ii + ui ? ib ic + 100 k? + RB2 us – 100 k? RS RB3 + ? = 50 C2 RE 10 k? RB3 rbe R?B ? ib + uo ? C3 + + uo – RE 无 C3、RB3: Ri = (RB1 // RB2) // [rbe + (1 + ? ) RE] Ri = 50 // 510 = 45 (k?) 无 C3 有 RB3 : Ri = (RB3 + RB1 // RB2) // [rbe + (1+ ? )RE] Ri = (100 + 50) // 510 = 115 (k?) 接 C3 : RB3 // rbe ? rbe Ri = rbe+ (1 + ?) (R?B// RE) = (1 + ?) (R?B // RE ) Ri = 51 ? 50 // 10 = 425 (k?) 2.7 共基极放大电路 2.7.1 求静态工作点 RB1 RC + + C2 +VCC C3 C1 + uo ? RB2 + RS + RE u s ? RL 求“Q” 与共射组态相同 2.7.2 性能指标分析 + us ? RS RE RC RL ? ? uo ? ? ib RL ? RL Au ? ? ? ui ? ib r be rbe Ri? ? ii ie ic io + uo ? + us ? RS + ui R ib r ? ib E B R ? E ? ib rbe r be ui ? ? ? ie ? (1 ? ? )ib 1 ? ? rbe Ri ? RE // (1 ? ? ) Ro = RC C RL Ri R?i Ro 特点: 1. Au 大小与共射电路相同。 2. 输入电阻小,Aus 小。 2.8 组合单元放大电路 2.8.1 复合管的组成原则 2.8.1 复合管的组成原则