电子技术基础第五版第四章模拟部分ppt课件康华光.ppt

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1、1,第四章,2,4 双极结型三极管及放大电路基础,4.1 半导体三极管,4.3 放大电路的分析方法,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,4.2 共射极放大电路的工作原理,4.6 组合放大电路,4.7 放大电路的频率响应,3,4.1 半导体三极管,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VI特性曲线,4.1.4 BJT的主要参数,4,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（

2、Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,4.1.1 BJT的结构简介,5,BJT结构特点：, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,6,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件： 发射结正偏 集电结反偏,4.1.2 放大状态下BJT的工作原理,1. 内部载流子的传输过程,由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transist

3、or)。,7,2. 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= InC+ ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,放大状态下BJT中载流子的传输过程,8,且令,2. 电流分配关系,9,3. 三极管的三种组态,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；,BJT的三种组态,10,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

4、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）,4.1.3 BJT的V-I 特性曲线,11,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，此时，发射结正偏，集电结正偏。,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小于门槛电压。硅管0.5V，锗管0.1V,放大区：iC平行于vCE轴的区域，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,12,(1) 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE

5、=const,1. 电流放大系数,4.1.4 BJT的主要参数,13,4.1.4 BJT的主要参数,(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,当ICBO和ICEO很小时， ，可以不加区分。,14,2. 极间反向电流,(1) 集电极基极间反向饱和电流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,15,(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,16,(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

6、.1.4 BJT的主要参数,17,3. 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。,几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,18,4.1.5 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,

7、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,19,4.2 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,输入回路（基极回路）,输出回路（集电极回路）,20,简化电路及习惯画法,习惯画法,共射极基本放大电路,21,vi=0,4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,22,vi=Vsint,23,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

8、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。,24,直流通路和交流通路,交流通路,直流通路,共射极放大电路,25,4.3 放大电路的分析方法,4.3.1 图解分析法,4.3.2 小信号模型分析法, 静态工作情况分析, 动态工作情况分析, BJT的小信号建模, 共射极放大电路的小信号模型分析,26,共射极放大电路,1. 用近似估算法求静态工作点,根据直流通路可知：,采用该方法，必须已知三极管的 值。,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。,一、 静态工作情况分析,4.3.1 图解分析法,27,采用

9、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,2. 用图解分析法确定静态工作点, 首先，画出直流通路,28, 列输入回路方程：VBE =VCCIBRb, 列输出回路方程（直流负载线）：VCE=VCCICRc, 在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCCIBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。,29,二、 动态工作情况分析,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce= -ic (Rc /RL),因为交流负载线必过Q点，即 vce= vCE

10、- VCEQ ic= iC - ICQ 同时，令RL = Rc/RL,1. 交流通路及交流负载线,则交流负载线为,vCE - VCEQ= -(iC - ICQ ) RL,即 iC = (-1/RL) vCE + (1/RL) VCEQ+ ICQ,如果不外接负载电阻RL，则直流负载线和交流负载线重合,30,2. 输入交流信号时的图解分析,4.3.2 动态工作情况分析,共射极放大电路,通过图解分析，可得如下结论： 1. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo与vi相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数；,31,用图解法分析非线性失真,静态工作点过低，引起 iB、iC、

11、vCE 的波形失真,ib,ui,结论：iB 波形失真, 截止失真,32,iC 、 vCE (vo )波形失真,NPN 管截止失真时的输出 vo 波形。,vo =vce,vo顶部失真,33,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,34,用图解法估算最大输出幅度,输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B 所限定的范围。,Q 尽

12、量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB，CD = DE,问题：如何求最大不失真输出电压？,Vomax=min(VCEQ-VCES), ICQRL,35,放大电路的动态范围,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。,36,BJT的三个工作区,当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。,饱和区特点： iC不再随iB的增加而线性增加，即,此时,截止区特点：iB=0， iC= ICEO,vCE= VCES ，典型值为硅管0.2V-0.3V 锗管0.1V,37,共射极放大电路,4.5,38,解,4.5,39,4.5,4

13、0,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，求放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,共射极放大电路,例题：,例题：PP.185 4.1.1 4.2.3,41,作业：pp.186 4.2.3,42,4.3.2 小信号模型分析法,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

14、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。,43,1. 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：,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以写成：,BJT双口网络,44,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

15、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,45,1. 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,46,1. 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。

16、反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。,47,1. 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在共射连接时，其H参数的数量级一般为,48,1. 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,49,4.3.2 小信号模型分析法,2. 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。,50,2. 用H参数小信号模型分析基

17、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,51,2. 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,52,2. 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,53,3. 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VT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

18、，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参数均是针对变化量(交流量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。,54,1. 电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,55,放大电路如图所示 。 试求：（1）Q点(2),例题,已知=50。,(3)若出现如下图所示的失真现象，问是截至失真还是饱和失真，应如何调整电路中那个元件？,56,作业： 4.3.8(a) (d) 4.3.9 4.3.12,57,4.4 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,

19、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,58,1. 温度变化对ICBO的影响,温度T 输出特性曲线上移,2. 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 输出特性曲线族间距增大,4.4.1 温度对静态工作点的影响,59,4.4.2 射极偏置电路,60,1. 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,IC, VE、VB不变, VBE , IB,（反馈控制）,I1 IB ，,此时，,不随温度变化而变化。,VB VBE,且

20、Re可取大些，反馈控制作用更强。,一般取 I1 =(510)IB ， VB =3V5V,61,2. 放大电路指标分析,静态工作点,62,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,63,输入电阻 提高了，相当于增加了一个(1+)Re的电阻。,输入电阻,64,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,其中,65,4.4.3 4.4.4,作业：,66,4.5 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 共基极放大电路,4.5.3 放大电路三种组态的比较,67,4.5.1 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,

21、68,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,69,4.5.1 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,70,4.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,输入电阻,时，,输入电阻大,其中,71,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,72,4.5.1 共集电极放大电路,73,4.5.2 共基极放大电路,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,74,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流

22、通路,小信号等效电路,75, 输入电阻, 输出电阻,2.动态指标,小信号等效电路,76,4.5.3 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,77,2.三种组态的比较,.148 表4.5.1,78,3.三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

23、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。,4.5.3 放大电路三种组态的比较,79,80,4.6 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,81,4.6.1 共射共基放大电路,共射共基放大电路,82,4.6.1 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

24、电阻是前一级的负载电阻RL。,电压增益,83,4.6.1 共射共基放大电路,输入电阻,输出电阻,Ro Rc2,84,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,85,讨论：（1）等效电流放大系数大：12 。（2）等效输入电阻高。（3）根据管子的类型，复合管有四种：,+VCC,vi,T2,vo,T1,86,等效管的类型与T1 相同。,87,4.6.2 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)rbe2,88,4.6.2 共集共集放大电路,1. 复合管

25、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,rberbe1,89,4.6.2 共集共集放大电路,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,90,4.6.2,作业,4.5.2 4.5.3,91,4.7 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 单级共集电极和共基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

26、增益）随信号频率变化时的响应。,92,频率响应概述,频率响应是放大电路的一项重要特性，它是用来衡量一个放大电路对不同输入信号频率的适应程度。,93,94,放大电路频率响应就是指电压放大倍数与频率的关系，即：,幅频特性是描绘放大倍数的幅度随频率变化而变化的规律。即,相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律。即,幅频特性,相频特性,由于电压放大倍数是矢量，故包含两个内容：电压放大倍数的模与频率的关系，称为幅频特性;电压放大倍数的相位与频率的关系，称为相频特性,频率响应的基本概念,1、幅频特性和相频特性,95,典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性,96,2、下限频率、上

27、限频率和通频带,下限频率,上限频率,97,产生频率失真的原因是:1.放大电路中存在电抗性元件，例如 耦合电容、旁路电容、分布电容、变压 器、分布电感等;,2.三极管的()是频率的函数。 在研究频率特性时，三极管的低频小信号模型不再适用，而要采用高频小信号模型。,幅频特性偏离中频值的现象称为幅度频率失真; 相频特性偏离中频值的现象称为相位频率失真。,98,二、波特（Bode）图,1、坐标轴的选取,横坐标（f）：用对数刻度，故每十倍频率在坐标轴上的长度是相等的，称十倍频程,纵坐标：,幅频特性：,相频特性：,目的：,(1)横坐标可以容纳很宽的频率范围,(2)对幅频特性,多项的乘除可以变为各项对数的加

28、减,99,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,1. RC低通电路的频率响应,RC电路的电压增益（传递函数）：,则,且令,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,100,最大误差 -3dB,0分贝水平线,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,101,相频响应,可见：当频率较低时，AVH 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高， AVH下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。,102,当 时，相频特性将滞后45，并具有 -45/dec的斜率。在

29、0.1 和10 处与实际的相频特性有最大的误差，其值分别为+5.7和5.7。 这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。,幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标,fH称为上限截止频率。当 时，幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降，或写成-20dB/dec。在 处的误差最大，有3dB。,103,2. RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,RC高通电路,104,最大误差 -3dB,斜率为 20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,105,可见：当频率较高时，AVL 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低， AVL 下降，相位差增大，且输出电压是超前于

30、输入电压的，最大超前90o。 其中，fL是一个重要的频率点，称为下限截止频率。,相频响应,106,RC高通电路的近似频率特性曲线,107,结论:,1、电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数,2、当信号频率等于下限频率或上限频率时，放大电路的增益下降3dB，且产生+45O或-45O相移。,3、在近似分析中,可用折线化的近似波特图描述放大电路的频率特性。,108,1.放大电路的耦合电容是引起低频响应的主要原因；,2.三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因；,109,110,放大电路的增益带宽积,中频电压增益与通频带的乘积,如果电路的信号源和晶体管均确定了，则其GBP为固定值，

31、若增大电路的通频带，则电路的放大倍数会下降。要使电路的GBP高，应选用rbb和Cbc都很小的高频管。,111,例1：一个单级阻容耦合共射放大电路的中频电压增益为40dB，通频带是20Hz-20kHz，最大不失真交流输出电压的范围为-3-+3V。（1）画出电路的对数幅频特性（假设只有两个转折频率）（2）如果输入信号为ui=20sin（2103t）mV，输出电压的峰值是多少？输出波形是否会失真？（3）如果输入信号为ui=50sin（220t）mV，重复（2）。（4）如果输入信号为ui=sin（2400 103t）mV，重复（2）。,112,解：,（1）,+20dB/dec,-20dB/dec,（2

32、）,113,（3）,波形在顶部和底部都出现失真，而峰值被限制在,114,（4）,uo在相位上滞后于ui的,对数幅频特性下降了,放大电路的电压增益=4026=14dB,波形不失真。,115,4.7.5多级放大电路的频率响应,一、频率响应的表达式和波特图,116,二、fL的计算,三、fH的计算,另外，当某级的上限频率比其他各级小得多时（一般在5倍以上），总的上限频率近似等于该级的上限频率。,当某级的下限频率比其他各级大得多时（一般在5倍以上），总的下限频率近似等于该级的下限频率。,对于多级放大电路的上限频率和下限频率,117,（以两级为例）,多级放大电路的增益虽然提高了，但其通频带却比任何一级都窄。,