三极管及放大电路基础图例.ppt
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1、3 半导体三极管及放大电路基础,3.1 半导体三极管(BJT),3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 小信号模型分析法,3.5 放大电路的工作点稳定问题,3.6 共集电极电路和共基极电路,3.7 放大电路的频率响应,2,第三章 半导体三极管及放大电路基础,教学内容:本章首先讨论了半导体三极管(BJT)的结构、工作原理、特性曲线和主要参 数。随后着重讨论了BJT放大电路的三 种组态,即共发射极、共集电极和共基 极三种基本放大电路。还介绍了图解法 和小信号模型法,并把其作为分析放大 电路的基本方法。,3,教学要求:本章需重点掌握三极管的模型与 特性;并能熟练进行基本放大电路静 态工作
2、点的确定和输入电阻、输出电 阻、电压放大倍数的计算。,4,图3.1.1 几种BJT的外形,3.1 半导体三极管(BJT),3.1.1 BJT的结构简介,3.1.2 BJT的电流分配与放大原理,3.1.3 BJT的特性曲线,3.1.4 BJT的主要参数,Jc反偏,3.1.1 BJT的结构简介,发射极Emitter,集电极Collector,基极Base,1、结构和符号,发射结(Je),集电结(Jc),发射载流子(电子),收集载流子(电子),复合部分电子 控制传送比例,由结构展开联想,2、工作原理,3、实现条件,Je正偏,6,发射极,基极,集电极,发射区,集电区,基区,7,3.1.2 BJT的电流
3、分配与放大原理,1.内部载流子的传输过程,2.电流分配关系,4.三极管的三种组态,3.放大作用,发射结正偏,发射区发射载流子,基区:传送和控制载流子,集电区收集 载流子,本质:电流分配,5.共射极连接方式,集电结反偏,8,3.1.2 BJT的电流分配与放大原理,1.内部载流子的传输过程,+iB,放大作用?(原理),三极管的放大作用是通过载流子传输体现出来的。本质:电流分配关系 外部条件:发射结正偏,集电结反偏。,9,2.电流分配关系,根据传输过程可知,IE=IB+IC(1),IC=InC+ICBO(2),IB=IB-ICBO(3),定义,通常 IC ICBO,则有,所以,硅:0.1A锗:10A
4、,IE与IC的关系:,10,3.放大作用,vI=20mV,iE=-1mA,+iB,图 3.1.5 共基极放大电路,=0.98,vO=0.98 V,11,4.三极管(放大电路)的三种组态,共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示;,共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示。,共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示;,如何判断组态?,外部条件:发射结正偏,集电结反偏,5.共射极连接方式,问题(1):如何保证?,发射结正偏,VBE=VBB,VBC=VBE-VCE 0,问题(2):信号通路?与共基有何区别?,集电结反偏,或 VCE VBE,但希望,Ri=vI/iB=1k,5.共射极连接方式,
5、IC与IB的关系:,由的定义:,即 IC=IE+ICBO=(IB+IC)+ICBO,整理可得:,令:,是共射极电流放大系数,只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。一般 1(10100),ICBO 硅:0.1A锗:10A,14,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:发射区杂质浓度最高,基区杂质浓度远低于发射区且很薄,集电区杂质浓度低于发射区且面积大。(2)外部条件:发射结正向偏置,集电结反向偏置。,3.1.2 BJT的电流分配与放大原理,15,3.1.3 BJT的特性曲线,vCE=0
6、V,iB=f(vBE)vCE=const,(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),16,iC=f(vCE)iB=const,2.输出特性曲线,在vCE小于1V时,输出特性很陡。原因是集电结的反向电压很小,对到达基区的电子吸引力不够,这时,iC受vCE的影响很大。,当vCE大于1V后,输出特性变的比较平坦。因为集电结的电场足够强,能使发射区扩散到基区电子绝大部分都到达集电区,vCE增加,iC增加不多
7、。,特性比较平坦的部分随着vCE的增加略向上倾斜。当vCE增加时,由于vBE变化较少,故vCB增加,集电结加宽,基区宽度减小,载流子复合减少,增大,iC随vCE增大。称为基区宽度调制效应。,17,3.1.4 BJT的主要参数,交流参数,直流参数,极限参数,结电容 Cbc、Cbe,集电极最大允许电流ICM,集电极最大允许功率损耗PCM,反向击穿电压,极间反向电流ICBO、ICEO,交流电流放大系数、,特征频率fT,18,(1)共发射极直流电流放大系数=(ICICEO)/IBIC/IB,1.电流放大系数,(2)共发射极交流电流放大系数=iC/iB,3.1.4 BJT的主要参数,在放大区且当ICBO
8、和ICEO很小时,可以不加区分。,19,3.1.4 BJT的主要参数,2.极间反向电流,(1)集电极基极间反向饱和电流 ICBO O(发射极)开路,(2)集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO,20,3.1.4 BJT的主要参数,3.极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM,(2)集电极最大允许功率损耗PCM=iCvCE,(3)反向击穿电压V(BR)CEO、V(BR)EBO、V(BR)CBO,V(BR)CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压,21,复习思考题,2.要使BJT具有放大作用,发射结和集电结的偏置电压应如何联接?,1.既然BJT具有两个PN结,可否用两个二极管相联以构成一只BJ
9、T,试说明理由。,3.一只NPN型BJT,具有e、b、c三个电极,能否将e、c两个电极交换使用?为什么?,4.为什么BJT的输出特性在VCE1V以后是平坦的?又为什么说BJT是电流控制器件?,22,习题,3.1.1 测得某放大电路中的BJT的三个电极A、B、C的对地电位分别为VA=-9V,VB=-6V,VC=-6.2V,试分析A、B、C中哪个是基极b、发射极e、集电极c,并说明此BJT是NPN型管还是PNP型管。,解 由于锗BJT的VBE=0.2V,硅BJT的VBE=0.7V,已知BJT的电极B的VB=-6V,电极C的VC=-6.2V,电极A的VA=-9V,故电极A是集电极。又根据BJT工作在
10、放大区时,必须保证发射结正偏、集电结反偏的条件可知,电极B是发射极,电极C是基极,且此BJT为PNP管。,23,3.1.3 有两个BJT,其中一个管子的=150,ICEO=200A,另一个管子的=50,ICEO=10A,其他参数一样,你选择哪个管子?为什么?,解 选择=50,ICEO=10A,即ICEO较小的BJT。大的BJT虽然电流放大作用大,但其ICEO大,使放大电路的温度稳定性差,这是因为ICEO受温度影响较大。此外,ICEO也是衡量BJT寿命的一个指标,ICEO小的BJT寿命要长些。,24,3.1.4 某BJT的极限参数ICM=100mA,PCM=150mW,V(BR)CEO=30V,
11、若它的工作电压VCE=10V,则工作电流IC不得超过多大?若工作电流IC=1mA,则工作电压的极限值应为多少?,解 BJT工作时,其电压和电流及功耗不能超过其极限值,否则将损坏。当工作电压VCE确定时,应根据PCM及ICM确定工作电流IC,即应满足ICVCEPCM及ICICM。当VCE=10V时,ICPCM/VCE=15mA,此值小于ICM=100mA,故此时工作电流不超过15mA即可。同理,当工作电流IC确定时,应根据ICVCEPCM及VCEV(BR)CEO确定工作电压VCE的大小。当IC=1mA时,为同时满足上述两个条件,则工作电压的极限值应为30V。,25,3.2 共射极放大电路,1.电
12、路组成,4.简化电路及习惯画法,2.简单工作原理,3.放大电路的静态和动态,26,1.电路组成,3.2 共射极放大电路,三极管T:核心,电流分配、放大作用,Cb1、Cb2:隔离直流,传送交流,固定偏流,接地 零电位点,27,2.简单工作原理,vi=0,vi=Vimsint,既有直流、又有交流!,分析思路,先静态:,后动态:,#放大电路为什么要建立正确的静态?,确定静态工作点Q(IBQ、ICQ、VCEQ),确定性能指标(AV、Ri、Ro 等)(叠加原理?),静态,动态,28,工作点合适,工作点偏低,#放大电路为什么要建立正确的静态?,合适的 静态工作点,保证Je正偏,Jc反偏,保证有较大的线性工
13、作范围,3.2 共射极放大电路,29,4.简化电路及习惯画法,3.2 共射极放大电路,习惯画法,小结:放大电路组成原则,合适的静态工作点(Je正偏Jc反偏),正确的耦合方式,共射极基本放大电路,30,?,思 考 题,1.下列 a f 电路哪些具有放大作用?,31,3.3 图解分析法,1.近似估算Q点,2.用图解法确定Q点,2.交流负载线,3.3.1 静态工作情况分析,3.3.2 动态工作情况分析,1.放大电路在接入正弦信号时的工作情况,3.BJT的三个工作区域,(4)交流通路与交流负载线,(3)直流通路和交流通路,2.图解法确定Q点(静态),3.图解法动态分析,4.几个重要概念,(2)叠加原理
14、?,1.近似估算法求Q点,(1)非线性失真与线性工作区,32,1.近似估算法求Q点,共射极放大电路,根据直流通路可知:,如果已知,可以求出IC和VCE。,求IBQ、VBEQ、ICQ、VCEQ,3.3 图解法分析法,33,2.图解法确定Q点,3.3 图解分析法,分析步骤:,(1)vi=0(短路),Cb1、Cb2开路(被充电),(2)把电路分为线性和非线性,(3)写出线性部分直线方程,直流通路,输入回路(Je)方程:,输出回路(Jc)方程:,vBE=VCC iBRb,vCE=VCC iCRc,直流负载线,(4)作图:画直线,与BJT特性曲线的交点为Q点,VCb1=VBEQ;VCb2=VCEQ,34
15、,3.3 图解法分析法,2.图解法确定Q点,(作图过程),在输入特性曲线上,作出直线:vBE=VCC iBRb,在输出特性曲线上,作出直流负载线:vCE=VCC iCRc,即:,与特性曲线的交点即为Q点,IBQ、VBEQ、ICQ、VCEQ。,35,3.图解法动态分析,3.3 图解法分析法,输入特性,输出特性,暂令 RL=(开路),输入回路,vBE=VCb1+vi=VBEQ+vi,分析思路:,设、C 电容电压不能突变,36,3.图解法动态分析,3.3 图解法分析法,(作图过程),可得如下结论:,Q点沿负载线上下移动,Q点沿输入特性上下移动,2.vo 与vi 相位相反(反相电压放大器);,3.可以
16、测量出放大电路的电压放大倍数;,4.可以确定最大不失真输出幅度。,37,3.图解法动态分析,3.3 图解法分析法,(作图过程),几个问题:,Q点沿负载线上下移动,Q点沿输入特性上下移动,几个重要概念!,1.静态工作点Q的位置 非线性失真,2.最大不失真输出幅度 线性范围(动态范围),3.接入负载对放大有无影响?,4.能否使用叠加原理?如何使用?,38,BJT的三个工作区域,饱和区:输出特性直线上升和弯曲部分。发射极发射有余,而集电极收集不足,VCE很小,BJT如同短路。VBE=0.7V,VCE=0.3V,放大区:输出特性的平坦部分接近于 恒流特性,符合IC=IB。VBE=0.7V,VCE1V,
17、截止区:输出特性IB=0曲线以下的部分,IC=ICEO0,VCE VCC,BJT如同断开。VBE0.5V,39,4.几个重要概念,(1)非线性失真与线性范围,饱和失真,截止失真,当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真。NPN管 输出电压为底部失真,当工作点达到了截止区而引起的非线性失真。NPN管 输出电压为顶部失真。,饱和区特点:iC不再随iB的增加而线性增加,即,此时,,vCE=VCES,典型值为0.3V,截止区特点:iB=0,iC=ICEO,非线性失真,注意:对于PNP管,失真的表现形式,与NPN管正好相反。,发射结正偏 集电结正偏,发射结反偏,3.3 图解法分析法,40,线性范围(动态范
18、围),(1)非线性失真与线性范围,线性范围 用最大不失真输出幅度Vom来衡量,Q点偏高 易出现饱和失真,Vom为Q点到饱和区边沿的距离,Q点偏低 易出现截止失真,Vom为Q点到截止区边沿的距离,41,(2)叠加原理?,vBE=VBEQ+vi,iB=IBQ+ib,iC=ICQ+ic,vCE=VCEQ+vce,VCC作用的分量,vi作用的分量,叠加原理使用条件 小信号,输入特性:范围小,输出特性:不超出放大区,否则,非线性失真,4.几个重要概念,42,(3)直流通路和交流通路,4.几个重要概念,叠加原理,Cb1、Cb2等电容 隔离直流,传送交流,43,(4)交流通路与交流负载线,4.几个重要概念,
19、由交流通路有:vce=-ic(Rc/RL),交流负载线必过Q点,即 vce=vCE-VCEQ ic=iC-ICQ 同时,令RL=Rc/RL,vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,iC=ICQ;vCE=VCEQ。,44,线性范围(动态范围),放大电路要想获得大的不失真输出幅度,要求:,工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位;,要有合适的交流负载线。,(4)交流通路与交流负载线,例题1,共射极放大电路,已知=80,Rb=300k,Rc=2k,VCC=+12V,VCES 0。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
20、个区域?,解:(1),BJT工作在放大区。,例题1,共射极放大电路,已知=80,Rb=300k,Rc=2k,VCC=+12V,VCES 0。求:,(2)当Rb=100k时,放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域?,解:(2),?,VCE最小值也只能为0,,所以BJT工作在饱和区。,Q(120uA,6mA,0V),例题2(清华习题),2.6 电路如图P2.6所示,已知晶体管50,在下列情况下,用直流电压表测晶体管的集电极电位,应分别为多少?设VCC12V,晶体管饱和管压降UCES0.5V。,(1)正常情况;(2)Rb1短路;(3)Rb1开路;(4)Rb2开路;(5)RC短路。,解:设UBE0.
21、7V。则,(1),UBE=0V T截止 UC=12V。,(2),由于IBIBS,故T饱和,UCUCES0.5V。,(3),T截止,UC12V。,UCVCC12V,(4),(5),48,复习思考题,3.3.1 放大电路为什么要设置合适的Q点?在图中,如果令IB=0uA或80uA,问电路能否正常工作?,3.3.2 在图的电路中,若RL=,问交流负载线是什么?,3.3.3 当测量图中BJT的集电极电压VCE时,发现它的值接近VCC=12V,问管子处于什么工作状态?试分析其原因,并排除故障使之正常工作。,49,习题,3.2.2;3.3.1;3.3.3;,50,3.4 小信号模型分析法,3.4.1 BJ
22、T的小信号建模,3.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析,1.H参数的引出,2.H参数小信号模型,3.模型的简化,4.H参数的确定,利用直流通路求Q点,画小信号等效电路,求放大电路动态指标,51,3.4.1 BJT的小信号建模,建立小信号模型的依据,(1)小信号(微变)(图解)基本满足叠加原理!,输入特性:工作点在Q附近移动范围小,切线代替曲线,输出特性:不超出放大区,不产生非线性失真,(2)双口有源网络的H参数模型,v1=h11i1+h12v2,i2=h21i1+h22v2,52,1.H参数的引出,3.4.1 BJT的小信号建模,已知端口瞬时值之间的关系(即输入输出特性曲线)如下:,iB=
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