模拟电子技术（江晓安）（第三版）全套ppt课件.ppt

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1、模拟电子技术基础,西电出版社,教材：模拟电子技术（第三版）,作者：江晓安,专业基础课课程体系,（低频电子线路）,（计算机硬件）,专业基础课,专业课,学位课,模拟电子技术基础,概述：,四、难点：1.器件非线性、交直流共存 2.“近似”处理(突出主要矛盾,简化实际问题),三、课程特点：,物理、高数、电路.,高频、数电,学习电子元器件种类、结构、参数、原理学习基本电路工作原理、分析方法、指标计算,二、先修课： 后续课：,性质:入门性质的专业基础课(考研课、学位课) 任务：,一、课程的性质和任务,熟悉常用电子仪器的原理、使用及电路的测试 方法,1、工程性：近似计算,2、实践性：电路测试、故障判断和排除

2、、仿真,3.概念多、电路多、分析方法多,五、分析方法 1.电路课程：严密推导、精确计算,3.掌握器件外特性和使用方法，不过分追究内部机理。,4.重视实践环节(实验)。,归纳12个字： 定性分析 定量估算 实验调整,2.非线性器件在一定条件下线性使用(注意其条件)。,电路识图、判断作用、波形失真、是否自激,23位有效位,通过调整达到指标要求,模电课程：近似处理，有时图解,(1)问题复杂，未知参数多 (2)器件分散性 (3)寄生电容、引线电感 (4)RC标称值与实际误差,掌握“近似”的方法 (不片面强调“精确”) (困难且不实用),六、本课程的能力要求,1. 会看：定性分析2. 会算：定量估算,分

3、析问题的能力,3. 会选：电路形式、器件、参数,4. 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、仿真,解决问题的能力设计能力,解决问题的能力实践能力,解题要求：（1）抄题、抄图（描图）； （2）各电压、电流要标明位置、方向、极性；（3）按公式代数结果(含单位)三步骤完成。,八、考核方法,七、几点忠告1.规范化的工程师的基本训练（文字标识、符号、实验）,2.不缺课，认真听，积极提问，会做笔记；,4.认真作业(不应付,不乱抄)，按时作业(跟上进度)，自查自纠；,3.互相学习，多学多问，及时反馈意见；,九、本课程不作要求的内容,电子技术的发展从电子管半导体管集成电路,电子管、晶体管、集成电路比较,1958

4、年只有4个晶体管1997年一芯片中有40亿个晶体管,1904年电子管问世,第一只晶体管的发明者（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）,第一个集成电路及其发明者（ Jack Kilby from TI ）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年后，于2000年获诺贝尔物理学奖。,贝尔实验室三名科学家在1947年11月底发明了晶体管，1956年因此获得诺贝尔物理学奖。 巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,值得纪念的几位

5、科学家！,半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质。,本征半导体纯净的晶体结构的半导体。,1. 什么是半导体？什么是本征半导体？,导体最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动， 多为低价金属元素，如铁、铝、铜等。,绝缘体原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，很 难导电。如惰性气体、橡胶、陶瓷等。,半导体最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体 之间。是四价元素，如硅（Si）、锗（Ge）。,1.1.1 本征半导体,1.1 半导体基础知识,第一章 半导体器件,2. 本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自

6、由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,3. 本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数

7、目多了？少了？为什么？,多子:自由电子 少子:空穴 导电特点： nnpn N型半导体主要靠自由电子导电,1.1.2 杂质半导体,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。,讨论：在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,多子:空穴,少子:自由电子,导电特点： ppnp,P型半导体主要靠空穴导电,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子的浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子

8、的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,N 型半导体,P 型半导体,受温度的影响很小,本征激发产生,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,5. N型半导体对外显 。,（a. 正电、 b. 负电、 c.电中性）,c,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体

9、均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。,1.2 PN结,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,1.2.1 PN结的形成,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程

10、:,因浓度差 ,空间电荷区形成内电场, 内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动 ,由杂质离子形成空间电荷区 ,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,1.2.2 PN结的单向导电性,必要吗？,PN结的伏安特性,PN结u-i特性表达式：,其中,PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,UT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,ID 流过PN结的电流,UD

11、PN结两端的电压,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,PN结的电流和温升不断增加，使PN结的发热超过它的耗散功率。,电击穿可逆,PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。,1.2.3 PN结的击穿,1.2.4 PN结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CT。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD。,结电容：,结电容不是常

12、量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,PN结正偏： CjCD,PN结反偏：CjCT,1.2.5 二极管,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,结面积小，结电容小允许的电流小工作频率高用于高频检波等,结面积大，结电容大允许的电流大工作频率低用于整流等,结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大,1.2.5 二极管,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,1. 二极管的特性,1.2.5 二极管,从二极管的伏安特性可以反映出： a. 单向导电性,b. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反

13、向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,-（22.5）mV /oC,2. 二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值。二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。IF取决与PN结的面积，材料和散热情况。最大反向工作电压UR：最大瞬时值。二极管允许的最大工作电压，当反向电压超过此值，二极管可能被击穿。一般手册上给出的最大反向工作电压约为击穿电压的一半（UR=1/2UBR)。反向电流 IR：即IS。二极管未击穿时的反向电流值。IR越小单向导电性越好，它受温度影响较大。最高工作频率fM：因PN结有电容效应。fM的

14、值主要取决于PN结结电容的大小。结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。如果信号频率超过fM，二极管的单向导电性会变差，甚至消失。直流电阻RD交流电阻rd,rd可以利用PN结的电流方程：,两边取I的微分得：,注意：、等效电路只适用于正向导通，且信号较小的场合；,(2)、Q越高，rd越小。,rd的求法,、图解法： 、计算法：,静态电流,1.2.6 稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,

15、斜率？,电压温度系数 ,使用稳压管需要注意的几个问题,1. 外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,2. 稳压管应与负载电阻RL 并联；,3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,限流电阻,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,1. 二极管伏安特性折线化,理想二极管,近似分析中最常用,理想开关导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.2.7 二极管的应用 （单

16、向导电性）,2. 二极管限幅电路,定义：当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压做相应变化，而当输入电压超出范围时，输出电压保持不变。,输出信号电压开始不变的电压值限幅电平输入电压限幅电平，Uo保持不变的限幅上限幅输入电压限幅电平，Uo保持不变的限幅下限幅,1.2.7 二极管的应用 （单向导电性）,E=0（理想二极管）Ui0V时，二极管导通，U00V;Ui0V时，二极管截止，U0=Ui。限幅电平为0V。,以并联二极管上限幅电路为例，来具体讲解,0 +E，二极管导通，UO=E。 限幅电平为+E。,以并联二极管上限幅电路为例，来具体讲解,-UmE0,UiE,二极管导通，UO=-E;Ui

17、E,二极管截止，UO=Ui。限幅电平为-E。,总结：从上述三个波形图可以看出，输出波形图限制了UiE的部分，称为上限幅电路。,以并联二极管上限幅电路为例，来具体讲解,并联二极管上限幅电路,并联二极管下限幅电路,串联二极管上限幅电路,串联二极管下限幅电路,归纳：不论二极管串联限幅还是并联限幅，只要P端接输出正端,就是上限幅; N端接输出正端，就是下限幅。,二极管门电路,双向限幅电路,二极管“与”门电路,二极管“或”门电路,图 1-23 “与”门,“或”门,例. 二极管门电路,电路中+5V、-5V是电源电压，UAUB接直流电压+3V或接地。若考虑二极管正向压降，忽略其反向电流，在给定UAUB的情况

18、下，写出二极管的工作状态、流过的电流和Uo的值。,通,通,0.7V,通,止,0.7V,止,通,0.7V,通,通,3.7V,通,通,-0.7V,止,通,2.3V,止,通,2.3V,通,通,2.3V,思路：先定性分析(电位高低)(电流方向)后定量计算,5k,5k,I,I1,I2,已知：稳压管UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，输入UI=12V，限流R=200 。问:若RL变化范围1.5 k 4 k ,是否还能稳压？,例. 稳压二极管的应用,UO =UZ=10V,IZ在12mA和2mA之间,所以假设正确，稳压管能起稳压作用。,解：设稳压管能够稳压，则 （ 注意语言逻辑性）,=（1

19、2-10）/0.2=10 mA,I=（UI -UZ）/R,RL=1.5 k , IL=UO/RL,=10/1.5=6.7mA, IZ=10-6.7=3.3mA,RL=4 k , IL=UO/RL,=10/4=2.5mA, IZ=10-2.5=7.5mA,思路:学会用假设法分析问题,公式代数结果,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,1.3 半导体三极管,1.3.1 三极管的结构及类型,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；,BJT的三

20、种组态,1.3.2 三极管的三种连接方式,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,1.3.3 三极管的放大作用,(内部条件:结构特点),判断三极管能否放大？,临界,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,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,基区空穴的扩散,2. 载流子的传输

21、过程,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,3. 三极管的电流分配,IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电流放大作用。,3. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。,4. 在表的第二列数据中， I B = 0，IC =

22、0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。,4. 三极管的电流放大系数,、共射电流放大系数,小功率管 =几十几百,、共基电流放大系数,0.970.99,为什么UCE增大曲线右移？,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。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,1.3.4 三极管的特性曲线,UCE 1 时的输入特性具有实用意义。,2. 输出特性,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区

23、,截止区,2. 输出特性,NPN 三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,1. 截止区IB 0 的区域。,两个结都处于反向偏置,IB= 0 时，iC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区,截止区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,2. 放大区：,条件：发射结正偏集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,放大区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放大区,放大区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,NPN 三极管的输出特性曲线,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对 NPN 管UBE 0 , UBC 0,

24、特点：iC 基本上不仅与 iB 有关，在饱和区三极管失去放大作用。 I C IB。,当 uCE = uBE，即 uCB = 0 时，称临界饱和，uBE uCE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0.2 V(锗管),饱和区,饱和区,NPN 三极管的输出特性曲线,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压集电结承受反向电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,1.3.5 三极管的主要参数,温度升高，ICEO、 增大，且输入特性左移，导致集电极电

25、流增大。,1.3.6 温度的影响,1.3.7 二、三极管的命名,2AP102CW17,3AX313BA3CG23DD8,二极管,材料AB锗CD硅,用途P普通W稳压Z整流,序号,三极管,材料结构A锗PNPB锗NPNC硅PNPD硅NPN,用途X低频小功率G高频小功率D低频大功率A高频大功率,序号,例1、某电路中几只NPN型晶体管三个极的直流电位如下表，各晶体管b-e间开启电压Uon约为0.5V。说明管子工作状态。,放大,饱和,放大,截止,例2、在一个单管放大电路中，电源电压30V，已知三只管子的参数如下表，请选用一只管子，并说明理由。,T2,例3、放大电路中，测得三极管三个电极电压U1、U2、U3

26、分别为下列数值，判断：、e、b、c ； 、硅管、锗管； 、NPN型、PNP型。,(1)、 U1=3.3V , U2=2.6V , U3=15V；,(2)、 U1=3.2V , U2=3V , U3=15V；,(3)、U1=6.5V , U2=14.3V , U3=15V；,(4)、U1=8V , U2=14.8V , U3=15V。,硅NPN,锗NPN,硅PNP,锗PNP,例4、由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。,2.7,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,解：PCM=iCuCE=2.710=27mW,U（BR）CEO=25V,第二章 放大电路分析基础,2.1

27、 放大电路工作原理 2.2 放大电路的直流工作状态 2.3 放大电路的动态分析 2.4 静态工作点的稳定及其偏置电路 2.5 多级放大电路,2.1 放大电路工作原理,2.1.1 放大电路的组成原理,图2-1 共发射极基本放大电路,(1) 为保证三极管V工作在放大区, 发射结必须正向运用; 集电结必须反向运用。图中Rb, UBB即保证e结正向运用; Rc, UCC保证c结反向运用。(2)既然我们要放大信号,那么电路中应保证输入信号能加至三极管的e结,以控制三极管的电流。 （3）图中Rs为信号源内阻；Us为信号源电压；Ui为放大器输入信号。电容C1为耦合电容, 其作用是: 使交流信号顺利通过加至放

28、大器输入端，同时隔直流, 使信号源与放大器无直流联系。C1一般选用容量大的电解电容, 它是有极性的, 使用时, 它的正极与电路的直流正极相连, 不能接反。C2的作用与C1相似, 使交流信号能顺利传送至负载, 同时, 使放大器与负载之间无直流联系。 ,图2 2 单电源共发射极放大电路,2.1.2 直流通路和交流通路当输入信号为零时,电路只有直流电流;当考虑信号的放大时,我们应考虑电路的交流通路。所以在分析、计算具体放大电路前,应分清放大电路的交、直流通路。由于放大电路中存在着电抗元件,因而直流通路和交流通路不相同。对于直流通路来说,电容视为开路,电感视为短路;对于交流通路,电容和电感应作为电抗元

29、件处理,当其电抗与其所在回路的串联电阻相比,可忽略其作用时,电容一般按短路处理,电感按开路处理。直流电源因为其两端电压值固定不变,内阻视为零,故在画交流通路时也按短路处理。根据上述原则,图22电路的直流通路和交流通路可画成如图23(a)、(b)所示。,图2 3 基本共e极电路的交、直流通路,放大电路的分析主要包含两个部分: 直流分析, 又称为静态分析, 用于求出电路的直流工作状态, 即基极直流电流IB; 集电极直流电流IC; 集电极与发射极间直流电压UCE。 交流分析, 又称动态分析, 用来求出电压放大倍数、 输入电阻和输出电阻三项性能指标。 ,2.2 放大电路的直流工作状态,2.2.1 解析

30、法确定静态工作点由图2 - 3(a)所示, 首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ:,硅管,锗管,(2-1),(2-2),根据三极管各极电流关系, 可求出静态工作点的集电极电流ICQ：,再根据集电极输出回路可求出UCEQ,(2-3),(2-4),【例1】 估算图2 - 2放大电路的静态工作点。设UCC=12 V, Rc=3k, Rb=280k, 。 解 根据公式(2 - 1)、(2 - 3)、 (2 - 4)得,2.2.2 图解法确定静态工作点,将图2 - 3(a)直流通路改画成图2 - 4(a)。 由图a、 b两端向左看, 其iCuCE关系由三极管的输出特性曲线确定, 如图2 - 4(b)所

31、示。由图a、 b两端向右看, 其iCuCE关系由回路的电压方程表示: uCE=UCC-iCRc,uCE与iC是线性关系, 只需确定两点即可: 令iC=0,uCE=UCC,得M点;令uCE=0,iC=UCC/Rc,得N点。将M、N两点连接起来,即得一条直线,因为它反映了直流电流、电压与负载电阻Rc的关系，所以称为直流负载线,如图2-4(c)所示。 由于在同一回路中只有一个iC值和uCE值,即iC、uCE既要满足图2-4(b)所示的输出特性,又要满足图2-4(c)所示的直流负载线,所以电路的直流工作状态,必然是IB=IBQ的特性曲线和直流负载线的交点。只要知道IBQ即可,一般可通过(2-1)式直接

32、求出。Q点的确定如图2-4(d)所示。,图2 4 静态工作点的图解法,由上可得出用图解法求Q点的步骤: (1) 在输出特性曲线所在坐标中, 按直流负载线方程uCE=UCC-iCRc, 作出直流负载线。 (2) 由基极回路求出IBQ。 (3) 找出iB=IBQ这一条输出特性曲线, 与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求。,【例2】如图2 - 5(a)所示电路, 已知Rb=280k, Rc=3k, UCC=12V, 三极管的输出特性曲线如图2 - 5(b)所示, 试用图解法确定静态工作点。 ,图2 5 例 2 电路图,解 首先写出直流负载方程, 并作出直流负载线:,然后,

33、由基极输入回路, 计算IBQ,直流负载线与iB=IBQ=40A这一条特性曲线的交点, 即为Q点, 从图上查出IBQ=40 A, ICQ=2mA, UCEQ=6V, 与例1结果一致。,2.2.3 电路参数对静态工作点的影响,1. Rb对Q点的影响 为明确元件参数对Q点的影响,当讨论Rb的影响时,固定Rc和UCC。Rb变化,仅对IBQ有影响,而对负载线无影响。如Rb增大,IBQ减小,工作点沿直流负载线下移;如Rb减小,IBQ增大,则工作点将沿直流负载线上移,如图26(a)所示。,图2 6 电路参数对Q点的影响,2. Rc对Q点的影响,Rc的变化, 仅改变直流负载线的N点, 即仅改变直流负载线的斜率

34、。 Rc减小, N点上升, 直流负载线变陡, 工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线右移。 Rc增大, N点下降, 直流负载线变平坦, 工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线向左移。如图2 - 6(b)所示。,3. UCC对Q点的影响 UCC的变化不仅影响IBQ, 还影响直流负载线, 因此, UCC对Q点的影响较复杂。 UCC上升, IBQ增大, 同时直流负载线M点和N点同时增大, 故直流负载线平行上移, 所以工作点向右上方移动。 UCC下降, IBQ下降, 同时直流负载线平行下移。所以工作点向左下方移动。如图2 - 6(c)所示。 实际调试中, 主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点, 而很少通过改变

35、UCC来改变工作点。 ,2.3 放大电路的动态分析,2.3.1 图解法分析动态特性1. 交流负载线的作法,图2 7 交流负载线的画法,交流负载线具有如下两个特点: (1) 交流负载线必通过静态工作点, 因为当输入信号ui的瞬时值为零时, 如忽略电容C1和C2的影响, 则电路状态和静态时相同。 (2) 另一特点是交流负载线的斜率由 表示。 ,过Q点, 作一条 的直线, 就是交流负载线。,具体作法如下: 首先作一条 的辅助线(此线有无数条), 然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负载线, 如图2 - 7所示。 由于 , 故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。 交流负载线也可以通过求出在uCE坐

36、标的截距, 再与Q点相连即可得到。,连接Q点和 点即为交流负载线。,(2-5),图2 8 例 3 中交流负载线的画法,2. 交流波形的画法,表 2-1,仍以例3为例, 设输入加交流信号电压为ui=Uimsint, 则基极电流将在IBQ上叠加进ib, 即iB=IBQ+Ibmsint, 如电路使Ibm=20A,则,图2-9 基极、 集电极电流和电压波形,由以上可看出,在放大电路中,三极管的输入电压uBE、电流iB,输出端的电压uCE、电流iC均含直流和交流成分。交流是由信号ui引起的,是我们感兴趣的部分。直流成分是保证三极管工作在放大区不可少的。在输入端,直流成分叠加交流成分,然后进行放大;在输出

37、端,用电容将直流隔掉,取出经放大后的交流成分。它们的关系式为,由图29可看出,基极、集电极电流和电压的交流成分保持一定的相位关系。ic、ib和ube三者相位相同;uce与它们相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的。这是共e极放大电路的特征之一。,2.3.2 放大电路的非线性失真,1.由三极管特性曲线非线性引起的失真这种失真主要表现在输入特性的起始弯曲部分,输出特性间距不匀,当输入信号又比较大时,将使ib、uce和ic正负半周不对称,即产生了非线性失真,如图210所示。,图2 10 三极管特性的非线性引起的失真,2.工作点不合适引起的失真当工作点设置过低,在输入信号的负半周,工作状态进入截止

38、区,因而引起iB、iC和uCE的波形失真,这称为截止失真。由图211(a)可以看出,对于NPN三极管共e极放大电路,对应截止失真,输出电压uCE的波形出现顶部失真。如果工作点设置过高,则在输入信号的正半周,三极管工作状态会进入饱和区,此时,iB继续增大而iC不再随之增大,因此引起iC和uCE的波形失真,这称为饱和失真。由图211(b)可看出,对于NPN三极管共e极放大电路,当产生饱和失真时,输出电压uCE的波形出现底部失真。,图2 11 静态工作点不合适产生的非线性失真,图2 12 最大不失真输出电压,关于图解法分析动态特性的步骤归纳如下: (1) 首先作出直流负载线, 求出静态工作点Q。 (

39、2) 作出交流负载线。 根据要求从交流负载线可画出输出电流、 电压波形, 或求出最大不失真输出电压值。 ,2.3.3 微变等效电路法,1.物理等效电路三极管的微变等效电路，可从电路知识引入h参数微变等效电路。下面我们从管子工作原理直接得出简化微变等效电路。电路如图213(a)所示。对信号而言三极管发射结是信号源的负载，它向信号索取电流Ib，如在信号源间接入电阻rbe，如图213(b)所示，此时信号源也向rbe提供电流Ib，则称rbe是三极管be间的等效电阻，即三极管be间可用电阻rbe等效；根据三极管输出特性，只要三极管工作在放大区，三极管就可视为电流源，输出电流ICIb,它是一个受控电流源，

40、其大小和方向均受基极电流Ib的控制。故三极管ce间可用受控电流源Ib等效，如图214所示。,图213三极管电路及其be间等效电路,综合上述结论，三极管的微变等效电路可用图215所示。该等效电路称为三极管的简化微变等效电路，因为它没考虑ce间的电压变化引起的基区宽度变化，从而使基极电流Ib变化(有时称此为基区宽变效应)。由于该影响较小，一般情况下均将此影响忽略。而ce间的等效电路中，没考虑电阻rce，由于其数值较大，一般在数十千欧到数百千欧，远大于负载电阻，其影响也很小，故也将此影响忽略。在放大电路指标分析和计算中，一般均采用简化等效电路。,图214三极管输出特性及ce间等效电路,图2-15三极

41、管的简化等效电路,rbe如何计算呢?画出三极管内部结构示意图,如图2-16(a)所示,基极与发射极之间由三部分电阻组成:基区体电阻rbb,对于低频小功率管， rbb约为300,对于高频小功率管， rbb约为几十100；re为发射区体电阻,由于重掺杂,故re很小,一般可忽略；re为发射结电阻。基极和集电极之间,rc为集电结电阻,rc为集电区体电阻,Ib是受控电流源。一般由于集电结反向运用,rc很大,可视为开路，则输入等效电路如图2-16(b)所示。,图2-16rbe估算等效电路,分析输入等效电路可以写出,又,Ie=(1+)Ib,则,故,其中,发射结动态电阻re可由公式(1-5)求出，即,所以,(

42、IEQ取mA),2. 三极管的h参数微变等效电路 三极管处于共e极状态时, 输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示: 输入特性:,输出特性:,式中iB、 iC、 uBE、uCE代表各电量的总瞬时值, 为直流分量和交流瞬时值之和, 即,(2-7),(2-8),用全微分形式表示uBE和iC， 则有,（2-9）,（2-10）,令,(2-11),(2-12),(2-13),(2-14),则(2 - 9)、 (2 -10)式可写成,（2-15）,（2-16）,则式(2 - 15)、 (2 - 16)可改写成,（2-17）,（2-18）,图2 17 完整的h参数等效电路,*3. h参数的意义和求

43、法三极管输出交流短路时的输入电阻(也可写成hie),三极管输入交流开路时的电压反馈系数(也可写成hre）,三极管输出交流短路时的电流放大系数(也可写成hfe）,三极管输入交流开路时的输出导纳(也可写成hoe),图2 18 从特性曲线上求出h参数,由于h12、h22是uCE变化通过基区宽度变化对iC及uBE的影响, 一般这个影响很小, 所以可忽略不计。这样(2 - 16)、 (2-17)式又可简化为,(2-19),(2-20),2.3.4 三种基本组态放大电路的分析,放大电路的性能指标(1) 电压放大倍数Au。,(2-21),(2-22),(2) 电流放大倍数Ai。,(3) 功率放大倍数Ap。,

44、(2-23),(2-24),(4) 输入电阻ri。,(5) 输出电阻ro。,(2-25),(2-26),图2 19 ro测量原理图,实际中, 也可通过实验方法测得ro, 测量原理图如图2- 17 所示。 第一步令RL时, 测出放大器开路电压Uo。 第二步接入RL, 测得相应电压为Uo。而,(2-27),2. 共e极放大电路电路如图2-20(a)所示,画出其微变等效电路如图2-20(b)所示。画微变等效电路时,把电容C1、C2和直流电源UCC视为短路。,图2 20 共e极放大电路及其微变等效电路,(1) 电压放大倍数,由图2-20(b)等效电路得,(2-28),(2) 电流放大倍数,考虑Rb的作

45、用, 电流在输入端存在分流关系。考虑负载Rc、RL的影响, 电流在输出端也存在一个分流关系。,由等效电路图2 20(b)可得IiIb, 流过负载的电流为输出电流Io，则 IoIc=Ib, 所以,(3) 输入电阻ri: 由图2 - 18(b)可直接看出ri=Rbri, 式中,由于 Ui=Ibrbe，所以 ri=rbe。当Rbrbe时, 则ri=Rbrberbe,(2-30),(4) 输出电阻ro: 由于当Us=0时, Ib=0, 从而受控源Ib=0, 因此可直接得出 ro=Rc。 注意, 因ro常用来考虑带负载RL的能力, 所以, 求ro时不应含RL, 应将其断开。 ,(5) 源电压放大倍数,(

46、2-31),3. 共c极放大电路电路如图2-21(a)所示,信号从基极输入,射极输出,故又称为射极输出器。图2-21(b)为其微变等效电路。,图2 21 共c极放大电路及其微变等效电路,(1) 电压放大倍数,(2-32),(2) 电流放大倍数,流过Re=ReRL的电流为Io，则,所以,(2-33),(3) 输入电阻ri:,共c极放大电路输入电阻高, 这是共c极电路的特点之一。,因,故,(2-34),(4) 输出电阻ro: 按输出电阻计算方法,信号源Us短路,在输出端加入U2,求出电流I2,则,其等效电路如图2-22所示。由图可得,图2 22 求ro等效电路,则,综上所述, 共c极放大电路是一个

47、具有高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1的放大电路。所以共c极放大电路可用来作输入级、 输出级, 也可作为缓冲级, 用来隔离它前后两级之间的相互影响。,4. 共b极放大电路,图2 23 共b极放大电路及其微变等效电路,(1) 电压放大倍数,：,(2-36),(2) 输入电阻ri:,与共e极放大电路相比, 其输入电阻减小到rbe/(1+)。,(2-37),(3) 输出电阻ro:,(4) 电流放大倍数,(2-38),(2-39),表2-2三种基本放大器的比较,2.4 静态工作点的稳定及其偏置电路,(1) 温度上升, 反向饱和电流ICBO增加, 穿透电流ICEO=(1+)ICBO也增加。 反映在

48、输出特性曲线上是使其上移。 (2) 温度上升, 发射结电压UBE下降, 在外加电压和电阻不变的情况下, 使基极电流IB上升。 (3) 温度上升, 使三极管的电流放大倍数增大, 使特性曲线间距增大。 ,综合起来,温度上升,将引起集电极电流IC增加,使静态工作点随之升高。我们知道,静态工作点选择过高,将产生饱和失真,如图2-24所示;反之亦然。显然,不解决此问题,三极管放大电路难于应用,冬天设计的电路,夏天可能工作不正常;北方的电路,南方用不成。,图2 24 温度对Q点和输出波形的影响实线: 20时的特性曲线虚线: 50时的特性曲线,解决办法应从两个方面入手:使外界环境处于恒温状态,把放大电路置于

49、恒温槽中,但这样所付出的代价较高,因而此方法只用于一些特殊要求的地方。再有一个办法就是本节所介绍的从放大电路自身去考虑,使其在工作温度变化范围内,尽量减小工作点的变化。,图2 25 电流反馈式偏置电路,我们知道,工作点的变化集中在集电极电流IC的变化。因此,工作点稳定的具体表现就是IC的稳定。为了克服IC的漂移,可将集电极电流或电压变化量的一部分反过来馈送到输入回路,影响基极电流IB的大小,以补偿IC的变化,这就是反馈法稳定工作点。反馈法中常用的电路有电流反馈式偏置电路、电压反馈式偏置电路和混合反馈式偏置电路三种,其中最常用的是电流反馈式偏置电路,如图2-25所示。该电路利用发射极电流IE在R

50、e上产生的压降UE,调节UBE,当IC因温度升高而增大时,UE将使IB减小,于是便减小了IC的增加量,达到稳定工作点的目的。由于IEIC,因而只要稳定IE,IC便稳定了。为此，电路上要做到下述两点。,(1) 要保持基极电位UB恒定, 使它与IB无关, 由图2 - 23可得,此式说明UB与晶体管无关, 不随温度变化而改变, 故UB可认为恒定不变。,(2-40),(2-41),(2) 由于IE=UE/Re, 所以要稳定工作点, 应使UE恒定, 不受UBE的影响, 因此要求满足条件,稳定工作点的过程可表示如下:,(2-42),(2-43),实际中公式(2 - 40)、 (2 - 42)满足如下关系: