第4章晶体三极管及其基本放大电路 ? ? ? ? ? 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 晶体三极管 放大电路的组成原则 放大电路的基本分析方法 晶体管放大电路的三种接法 放大电路的频率响应 §4.1 晶体三极管 一、晶体管的结构和符号 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 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数 一、晶体管的结构和符号 小功率管 中功率管 大功率管 BJT的结构 NPN型 发射结 集电结 PNP型 发射结 集电结 发射极 e - N - P 基极 N c 发射区 基区 集电区 集电极 发射极 e - P - N 基极 P c 集电极 发射区 基区 集电区 b 符号: e- b - c eb - b - - c 晶体管有三个极、三个区、两个PN结。 再强化一下三极管的结构 分类和符号 NPN 型三极管 集电极C 集电区 C B E 基极B N 集电结 基区 发射结 P N 符号 发射极E 发射区 PNP型三极管 集电极C 集电区 C P N 基极B N 集电结 基区 发射结 发射区 B E N P 符号 发射极E 三极管的结构特点: (1)发射区的掺杂浓度>>集电区掺杂浓度。 (2)基区要制造得很薄且浓度很低。 二、晶体管的电流放大作用 ? ?外部:发射结正偏,集电结反偏 放大的条件 ? ? ?内部:重掺杂发射区,薄基区,轻掺杂基区 以共射极放大电路为例 题:BJT放大,要求JBE _____JBC_____ 1.内部载流子运动(以NPN型为例) 扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电流IB。 少数载流 子的运动 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 因基区薄且多子浓度低,使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区 基区空穴 的扩散 NOTE 2、电流分配: IE=IB+IC IE-发射区扩散运动形成的电流 IB-基区复合运动形成的电流 IC-集电区收集的电子形成电流 共射直流电 流放大系数 IC ?? IB ?iC ?? ?iB 交流电流放大系数 穿透电流 I CEO ? (1? ? ) I CBO 类似:共基电流放大系数α 等 集电结反向电流 记住 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 1. 输入特性 iB ? f (u BE ) U CE 为什么像PN结的伏安特性? 两PN结并接 为什么UCE增大曲线右移? 集电极电场加强,发射区入基区的电子越进 集电区,基区参与复合的电子减少,同样大 的ib需加大ube,使发射区注更多电子 为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显? 集电极电场足够强,电子几乎收集完 对于小功率晶体管,UCE大于1V的一条输入特性曲线 可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。 2. 输出特性 iC ? f (uCE ) I B 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。 饱和区 uCE较小时iC随uCE变化 很大,进入放大状态曲 线几乎是横轴的平行线 ?iC ? iB ?iC ?? ?iB U CE ?常量 放大区 截止区 此时,发射结反偏,集电结反偏。 饱和区——iC受uCE显著控制的区域,该区域内uCE<0.7 V。 此时发射结正偏,集电结也正偏。 截止区——iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。 放大区—— 饱和区 i C(mA) 放大区 IB =100uA IB =80uA IB =60uA IB =40uA IB =20uA IB=0 uCE (V) 曲线基本平行等 距。 此时,发 射结正偏,集电 结反偏。 该区中有: ?IC=??IB 截止区 晶体管的三个工作区域 ? ? 状态 截止 条件 发射结反偏/小于开启电压、集电结反偏 发射结正偏、集电结反偏 发射结正偏、集电结正偏/0偏 特点 Uce=Vcc,ib=ic=0 放大 饱和 iC ? ?iB Uce=Vcc-ic*Rc Uces=0.3v、 iC不等于?iB 补练习 晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输 入回路的电流 iB,即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。 四、温度对晶体管特性的影响 T (℃) ?? I CBO ? ?? ? ? iB不变时uBE ? 题:受温度影响的三个参数为何?如何影响? 五、主要参数 ? 直流参数: 共射直流电流放大系数 共基直流电流放大系数 极间反向电流 集-基极反向饱和电流ICBO: 发射极开路,C、B极间加一反向电压时的反向电流。 ?? IC IB ? ? IC IE ? ? 1? ? 集-射极反向饱和电流ICEO(穿透电流): 基极开路,C、E间加一反向电压时的反向电流, 又称穿透电流。ICEO=ICBO(1+β) 二者都是衡量BJT质量的重要参数。 题:何为ICBO,为何与温度有关? ? 交流参数: 共射交流电流放大系数 共基交流电流放大系数 通常取 ?? ?iC 记住 ?iB ?? ?iC ? ? ?iE 1 ? ? ? ??; ? ?? 特征频率(截止频率)fT:使β=1的信号频率 ? 极限参数:ICM、PCM、U(BR)CEO 集电极最大允许电流ICM: β下降到额定值的2/3时的集 电极电流 集电极最大允许耗散功率PCM:集电结上允许损耗功率 的最大值。PC=ICUCE 反向击穿电压:三极管的各个电极所允许加的最大反向电压。 U(BR)CEO:集-射极反向击穿电压 U(BR)CBO:集-基极反向击穿电压 U(BR)EBO:射-基极反向击穿电压 安全工作区 三极管的低频微变等效电路 低频小信号模型 26 rbe ? rbb' ? rb'e ? rbb' ? (1 ? ? ) I EQ (mv) rbb’题目若未给,用200;若给,用给值 记住 三种连接组态 共射极电路 练习4.6 4.2 放大电路的组成原则 一、电路的组成及各元件的作用 二、设置静态工作点的必要性 三、波形分析 四、放大电路的组成原则 一、电路的组成及各元件的作用 VBB、Rb:使UBE> Uon,且有合适的IB。 VCC:使UCE≥UBE,同时作为负载的能源。 Rc:将ΔiC转换成ΔuCE(uo) 。 动态信号作用时:?uI ? ib ? ic ? ?uRc ? ?uCE (uo ) 输入电压ui为零时,晶体管 各极的电流、b-e间的电压、管压 降称为静态工作点Q,记作IBQ、 ICQ(IEQ)、 UBEQ、 UCEQ。 共射 由于(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入、输出特 性曲线上的一个点,所以称为静态工作点。 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。 为什么要设置静态工作点? IC IB IB Q UBE UBE IC Q IB UCE UCE 二、设置静态工作点的必要性 如果基极Vbb为0,则Ui=0时IBQ=0, 当输入交流信号的峰值小于be开启电压时,截止; 即使峰值够大,只有大于be开启电压部分才有波形,即失真 三、基本共射放大电路的波形分析 动态信号 驮载在静 态之上 与iC变化 方向相反 输出和输入反相! uCE VCC UCEQ O 饱和失真 uCE VCC UCEQ 截止失真 要想不失真,就要 在信号的整个周期内 保证晶体管始终工作 在放大区! t O t 底部失真 顶部失真 四、放大电路的组成原则 ? 静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电 路参数。 ? 动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负 载上能够获得放大了的动态信号。 ? 对实用放大电路的要求:共地、直流电源种类 尽可能少、负载上无直流分量。 两种实用共射放大电路:(1)直接耦合放大电路 将两个电源 问题: 合二为一 1. 两种电源 2. 信号源与放大电路不“共地” 共地,且要使信号 驮载在静态之上 两种实用放大电路:(2)阻容耦合放大电路 C1、C2为耦合电容! + - + - UCEQ UBEQ 耦合电容的容量应足够 大,即对于交流信号近似 为短路。其作用是“隔离 直流、通过交流”。 静态时,C1、C2上电压? U C1 ? U BEQ,U C2 ? UCEQ 动态时, uBE=uI+UBEQ,信号驮载在静态之上。 §4.3 放大电路的分析方法 一、放大电路的直流通路和交流通路 二、图解法 三、等效电路法 一、放大电路的直流通路和交流通路 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。为简化分析,将它们分开 作用,引入直流通路和交流通路的概念。 放大电路重要参数之1、2 1. 直流通路:① 交流Us短路,保留Rs;②电容开路; ③电感相当于短路(几乎碰不到) 求静态分析--静态工作点Q必须会画直流通路 2. 交流通路:①直流电源相当于短路(接地) ②大容量 电容相当于短路; 。 求动态分析—放大倍数输入输出电阻必须会画交流通路 二、放大电路的微变等效电路 晶体管的h(混合)参数等效模型 (交流等效模型)记住 低频小信号模型 26 rbe ? rbb' ? rb'e ? rbb' ? (1 ? ? ) I EQ (mv) rbb’题目若未给,用200;若给,用给值 基本共射放大电路的直流通路和交流通路 VBB-U BEQ Rb I BQ= I CQ ? ? I BQ U CEQ ? VCC ? I CQ Rc VBB越大, UBEQ取不同的 值所引起的IBQ 的误差越小。 直流通路 交流通路 列晶体管输入、输出回路方程,将UBEQ作为已知条件,令ICQ= βIBQ,可估算出静态工作点。 阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 I BQ= VCC-U BEQ Rb I CQ ? ? I BQ U CEQ ? VCC ? I CQ Rc VCC 当VCC>>UBEQ时,I BQ ? Rb 已知:VCC=12V, Rb=600kΩ, Rc=3kΩ , β =100。 Q =? 练习画直流交流通路微变等效4.9 交流通路 阻容耦合电路的图解分析 (了解) (交流通路与直流通路不一致,因此交流负载线与直流负载线不一样) ① 由放大电路交流通路,计算等效交流负载电阻R’L=Rc//RL, 在三极管输出特性曲线上,过Q作斜率是 -1/ R’L的直线,即 可得到交流负载线。 ② 求放大电路电压放大倍数,方法是:先假设基极电流在静态 值附近有一个变化量△iB,在输入特性上找到相应的△uBE, 如图(a)所示。然后再根据△iB,在输出特性的交流负载线 上找到△uCE,如图(b)所示,则电压放大倍数为 ?u o ?u CE Au ? ? ?ui ?u BE 10 先确定Q点,做出iB波形。 20 在uCE轴上,以UCEQ为起点向正方向取一段ICQ R ’L 的电压值,得到C点。 30 过CQ作直线CD,即为交流负载线。 C 放大电路重要参数之3、4 ? 3. Ri:断开Us,忽略rs,从输入端看进去 的等效电阻 ? 4. Ro:负载RL开路,Us短路,保留rs, 从输出端看进去的等效电阻。 基本放大电路的动态分析 交流通路 放大电路的 交流等效电路 ? ?I ? (R ? r ) ? I ? (R ? r ) U i i b be b b be ? ? ?I ?R U o c c ? U ? Rc o ? Au ? ?? ? U Rb ? rbe i Ui Ri ? ? Rb ? rbe Ii Ro ? Rc 阻容耦合共射放大电路的动态分析 交流通路 ' ? ? (R ∥ R ) U ? I ? R L L ? ? o ? c c A ? ? u ? ?r U I rbe i b be ? ? ? U U U Ri o o i ? ? Aus ? ? ? ? ?A u ? ? U ? U U R ?R 放大电路的 交流等效电路 s s i s i Ri ? Rb∥rbe Ro ? Rc 输入电阻 中不应含 有Rs! 输出电阻 中不应含 有RL! 记住 总结:求放大电路参数 1.求静态工作点Q( IBQ、 ICQ(IEQ)、 UCEQ) 画直流通路:① 交流Us短路,保留Rs;②电容开路; 2. 求交流参数Au、Ri、Ro、Aus 画交流通路:①电容短路;②直流电源短路(接地)。 并画微变等效电路:用模型替换 3. Ri:断开Us,忽略rs,从输入端看进去的等效电阻 4. Ro:负载RL开路,Us短路,保留rs,从输出端看进去 的等效电阻。 rbe 26 ? rbb' ? rb'e ? rbb' ? (1 ? ? ) I EQ (mv) rbb’题目若未给,用200;若给,用给值 例p93 4.3.5 练习:求放大电路的静态分析和动态分析 ? ? 80,rbe ? 1k? I BQ ? VCC ? U BEQ Rb VCC ? ? 20μA Rb I CQ ? ? I BQ ? 1.6mA U CEQ ? VCC ? I CQ Rc ? 7.2V ? ( Rc ∥ RL ) ? Au ? ? ? ?120 rbe ? ? ? U U ? ( Rc ∥ RL ) U Ri o o i ? Aus ? ? ? ?? ? ? ?60 ? ? ? U U U R ?R r s s i s i be Ri ? Rb ∥rbe ? rbe ? 1k? Ro ? Rc ? 3k? 4.4 晶体管放大电路的三种接法 4.4.1 Q点稳定的共射放大电路 一、温度对静态工作点的影响 对于前面的电路(固定偏置电路)而言, 静态工作点由UBE、?和ICBO决定,这三个参 数随温度而变化。 UBE T变 ? 变 ICBO IC变 Q变 1、温度对UBE的影响 iB 50? C T 25 ? C UBE IB uBE IC 2、温度对?值及ICBO的影响 T iC Q? Q uCE ?、 ICBO IC 温度上升时, 输出特性曲线 上移,造成Q 点上移。 总之: T IC 二、静态工作点稳定的典型电路 分压偏置共射电路!掌握 1. 电路组成 黑板上慢慢讲 直流通路? Ce为旁路电容,在交流 通路中可视为短路 2. 稳定原理 为了稳定Q点,通常I1>> IB,即 I1≈ I2;因此 U BQ Rb1 ? ?VCC Rb1 ? Rb2 ***分压式偏置 放大电路 基本不随温度变化。 I EQ ? U BQ ? U BEQ Re 设UBEQ= UBE+ΔUBE,若UBQ- UBE>>ΔUBE,则IEQ稳定。 3 静态分析(Q点) U BQ Rb1 ? ?VCC Rb1 ? Rb2 U BQ ? U BEQ Re I EQ ? I BQ ? I EQ 1? ? U CEQ ? VCC ? I CQ Rc ? I EQ Re ? VCC ? I EQ ( Rc ? Re ) 4. 动态分析 ' ? Uo ? RL ? Au ? ?? ? U r i be Ri ? Rb1 ∥ Rb2 ∥ rbe Ro ? Rc 若原电路无旁路电容Ce,求交流参数 ' U o ? ? I b ( Rc∥RL ) ? RL Au ? ? ?? Ui I b rbe ? I e Re rbe ? (1 ? ? ) Re Ri ? Rb1 ∥ Rb2 ∥[rbe ? (1 ? ? ) Re ] ' RL 若(1 ? ? ) Re ?? rbe,则Au ? ? Re Ro ? Rc 练习p123 4.12 4.4.2 共集放大电路1 分压偏置共集电路!掌握 黑板上慢慢讲 U o ? ? I b ( rbe ? Rs? ) Ri ? RB1 RB2 Ri? Rs? ? Rs RB1 RB 2 ? ? ? I e ? ?(1 ? ? ) I b Io Au ? Uo I e Re (1 ? ? ) Re ? ? Ui I b ( Rb ? rbe ) ? I e Re Rb ? rbe ? (1 ? ? ) Re ?? Ro U o rbe ? Rs? ? ? Io 1? ? Uo Ib ? ? RE ? RE Ro rbe ? Rs? 1? ? Ro ? U s ?0 ? 练习 共集放大电路2 基本共集电路 1. 静态分析 直流通路 I BQ ? VBB ? I BQ Rb ? U BEQ ? I EQ Re VCC ? U CEQ ? I EQ Re VBB ? U BEQ Rb ? (1 ? ? ) Re I EQ ? (1 ? ? ) I BQ U CEQ ? VCC ? I EQ Re 2. 动态分析: 电压放大倍数 交流通路 微变等效电路 Uo I e Re (1 ? ? ) Re Au ? ? ? Ui I b ( Rb ? rbe ) ? I e Re Rb ? rbe ? (1 ? ? ) Re 若(+ 1 ?)Re ?? Rb ? rbe,则 Au ? 1,即 故称之为射 Uo ? Ui 。 极跟随器 2. 动态分析:输入电阻的分析 RL Ui Ui Ri ? ? ? Rb ? rbe ? (1 ? ? ) Re Ii Ib 带负载电阻后 从基极看Re,被增 大到(1+β)倍 Ri ? Rb ? rbe ? (1? ? )(Re // RL ) Ri与负载有关! 2. 动态分析:输出电阻的分析 令Us为零,保留Rs,在输出端加Uo,产生Io, Ro ? U o I o 。 ? ? U o ? Ro ? ? Uo Uo ? Io I Re ? I e Uo 即 Uo ?U o + ? Ib ? ? Ib Rb ? rbe Rb ? rbe Ro与信号源内阻有关! Uo Uo ? (1 ? ? ) Re Rb ? rbe Rb ? rbe 1? ? 从射极看基极回路电阻,被减 小到(1+β)倍 压;具有电压跟随作用! ? Re∥ 3. 特点:输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电 练习画微变等效电路,求交流参数 Uo I e Re Au ? ? Ui I b rbe ? I e Re (1 ? ? ) Re ? rbe ? (1 ? ? ) Re Ui Ri ? ? Rb //[ rbe ? (1 ? ? ) Re ] Ii Uo Uo Ro ? ? Io I Re ? I e ? Uo Uo Uo ? (1 ? ? ) Re Rb ? rbe Rb ? rbe ? Re∥ 1? ? 4.4.3 共基放大电路1 分压偏置共基电路!掌握 黑板上慢慢讲 U o ? I c ( Rc // RL ) Au ? ? Ui ? I b rbe ? ? ( Rc // RL ) rbe Ui rbe Ri ? ? Re // Ii 1? ? Ro ? Rc 4.4.3 共基放大电路2 1. 静态分析 基本共集 ? ?U BEQ ? I EQ Re ? VBB ? ? ? I CQ Re ? U CEQ ? U BEQ ? VCC I EQ ? VBB ? U BEQ Re I BQ ? I EQ 1? ? UCEQ ? VCC ? I EQ Rc ? U BEQ 2. 动态分析 电流方向反 ? ?R U I ? Rc o c c ? Au ? ? ? ? ? R ?I ?r U I rbe ? (1 ? ? ) Re i e e b be rbe Ri ? Re ? 1? ? Ro ? Rc 3. 特点:输入电阻小,只放大电压,不放大电流! 4.4.4 三种接法的比较:空载情况下 接法 Au 共射 大 共集 =1 共基 大 Ai Ri β 中 1+β 最大 α 很小 Ro 频带 大=Rc 窄 最小 中 大=Rc 宽 练习4.12 VCC RB1 C1 T Rc C2 + C3 + RE u02 u01 - rS + + RB2 us Ri Ro2 Ro1 4.5 放大电路的频率响应 NOTE 4.5.1 概述 一、研究的问题 放大电路对信号频率的适应程度,即信号频率对放 大倍数的影响。 由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极 间电容的存在,使放大倍数为频率的函数。这种函数关系 称为频率响应或频率特性。频率特性包括幅频特性和相频 特性。即有: Au ( f ) ?| Au ( f ) | ?? ( f ) 其中:Au( f )称为幅频特性;φ( f )称为相频特性 二、放大电路中的频率参数 f bw ? f H ? f L 结电容 下限频率 上限频率 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。 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,使动态信号损失,放大能力下降。 若中频电压放大倍数Am。下降到0.707 Am时,相应的低 频频率和高频频率分别称为下限频率fL 和上限频率fH。二 者之差即为带宽。 三、 波特图 用对极坐标来绘制放大电路的幅频特性和相频特性,这种 对数频率特性称为波特图。 幅频: 横坐标是频率的对数lgf 纵坐标为 20lgA u ,即对数增益。单位为 dB (分贝)。由于 20lgAu =-3dB,则在波特图中,上、下限频率对应的增益 值为下降3dB。 相频: 纵坐标为放大倍数的相角,不取对数。 4.5.2 高频等效模型-混合π模型 1. 模型的建立:由结构而建立,形状像Π,参数量纲各不相同。 阻值小 阻值大 连接了输入回路 和输出回路 gm为跨导,它不随信 号频率的变化而变。 密勒定理 ? 跨接在输入输出间的导纳,可用并接在输 入Yi(s)和输出Yo(s)的导纳代替,等值关系 如下 ? Yi(s)=[1-Au(s)]Y(s) ? Yo(s)=[1-1/Au(s)]Y(s) 2. 混合π模型的单向化(使信号单向传递) ? ?U ? ? U U b'e ce ? ? (1 ? k ) b'e X Cμ X Cμ ? I Cμ ' k ? ? g m RL 等效变换后电流不变 ? X Cμ U b'e X C 'μ ? ? ? I 1 ? g R' Cμ m L ' ' Cμ ? (1? gm RL )Cμ k ?1 同理可得, C ? ? Cμ k '' μ 3. 晶体管简化的高频等效电路 '' 为什么不考虑 Cμ ? 如何得到模型中的参数 ? rbb'、Cμ可从手册查得 ? ?g U ? ? ?0 I b m b'e ? g m I b rb'e gm ? ?0 rb'e ? I EQ UT UT rb'e ? (1 ? ? 0 ) I EQ ' ' Cπ ? Cπ ? Cμ 二、电流放大倍数的频率响应 1. 适于频率从0至无穷大的表达式 ? I ?? c ? ? I b U CE ' ' 因为k ? ?gm RL ? 0, 所以Cπ ? Cπ ? Cμ ?? ? ? g mU b'e ? [ 1 ? j? (C ? C )] U b'e π μ rb'e ? ?0 f 1? j f? 1 2 π rb'e (Cπ ? Cμ ) f? ? 2. 电流放大倍数的频率特性曲线 ?0 ? ? ?? ? f 2 ? 1? ( ) ? ? 0 ?? f? ? ?? f ? 1? j f f? ?? ? ? tg-1 f? ? ? ? ??; f ?? f ? 时,? 0 ? ? f ? f ? 时,? ? ? ?o ?0 2 f? f ? 0.707? 0 ,? ? -45?; ? ? 0 ,? ? -90? ? ? 0;f ? ? 时,? ? ? f ?? f ? 时,? 3. 电流放大倍数的波特图: 采用对数坐标系 折线化近似画法 20lg 2 ? 3dB -20dB/十倍频 lg f 5.71 ? 注意折线化曲线的误差 ? , 采用对数坐标系,横轴为lg f,可开阔视野;纵轴为 20 lg ? 单位为“分贝” (dB),使得 “ ×” →“ +” 。 三、晶体管的频率参数 共基截 止频率 共射截 止频率 ?? ? 特征 频率 集电结电容 ?0 f 1? j f? ? ? 1时的频率为 f 使 ? T f ?、f?、fT、Cob (C? )。 f T ? f? ? ? 0 f ? 1 f? ? 2 π rb'e ( Cπ ? Cμ ) 手册 查得 通过以上分析得出的结论: ① 低频段和高频段放大倍数的表达式; ② 截止频率与时间常数的关系; ③ 波特图及其折线画法; ④ Cπ的求法。 基本共射 分压偏置共射 Rb2 C1 20KΩ Rc VCC=12V 3KΩ C2 RS + us 0.5KΩ Rb1 10KΩ + RL 3KΩ RE1 300Ω RE2 3KΩ Ce uo - 基本共集 分压偏置共基