《模拟电子线路》第3章杨凌.ppt

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1、杨 凌,模 拟 电 子 线 路 第3章,1947年12月23号，贝尔实验室的William B.Shockley、John Bardeen、Walter H.Brattain制造出了世界上第一只半导体放大器件，他们将这种器件命名为“晶体管”,第 3 章半导体三极管及其基本放大电路,3.0 引言 20世纪40年代,由Bardeen,Brattain和Schockley在贝尔实验 室开发的硅晶体管,在20世纪50年代和60年代掀起了第一次电子 革命.这项成果导致了1958年集成电路的开发及在电子电路中应 用广泛的晶体管运算放大器的产生.本章介绍的三极管属于双极型器件,是两类晶体管中的第一 种类型.

2、下面将详细讨论其物理结构、工作原理及其在放大电路 中的应用.,3.1 双 极 型 晶 体 管(Bipolar Junction Transistor),一、结构、分类、符号,图 3.1,3.1 双 极 型 晶 体 管(Bipolar Junction Transistor),图 3.1 常用集成电路中NPN型三极管的结构剖面图,3.1 BJT,图 3.2 几种BJT的外形,结构特点:1、基区很薄(106m),且轻掺杂(1015 cm3);2、发射区重掺杂(1019 cm3);3、集电区面积大,且掺杂较轻(1017 cm3).BJT的结构特点是决定其能进行信号放大的内部物质基础.,3.1 BJT

3、,二、BJT的电流分配与电流放大作用 1、BJT内部载流子的传输过程见图3.3所示.BJT放大所必须具备的外部条件是:Je正偏,Jc反偏.发射区发射电子,形成射极电流IE;电子在基区复合,形成基极电流IB;集电区收集电子,形成集电极电流IC.,3.1 BJT,IB=IEp+(IEnICn1)ICBO,IE=IC+IB,IE=IEp+IEn,IC=ICn1+ICBO,3.1 BJT,3.1 BJT,IB=IEp+(IEnICn1)ICBO=IEICn1ICBO,图 3.4,ICBO 受温度影响较大,(37),3.1 BJT,图 3.5,3.电流分配关系,三、BJT的特性曲线,3.1 BJT,1、

4、输入特性 共射接法,图 3.6,(c)基区宽度调制效应,3.1 BJT,2、输出特性 共射接法,图 3.7,图 3.8,3.1 BJT,(1)放大区 Je正偏,Jc反偏.,图 3.9,3.1 BJT,(2)截止区 Je、Jc均反偏.工程上规定IB=0(IC=ICEO0)以下的区域称为截止区;严格说来,截止区应是IE=0以下的区域.(IC=ICBO,IB=ICBO)(3)饱和区 Je、Jc均正偏.VBE(sat)0.7V;VCE(sat)0.3V(4)击穿区 VCEVCB Jc 雪崩击穿 V(BR)CEO IB V(BR)CEO,3.1 BJT,四、BJT的主要参数 1、表征放大能力的参数,共射

5、极直流电流放大系数(hFE).,共射极交流电流放大系数(hfe).,共基极直流电流放大系数.,3.1 BJT,共基极交流电流放大系数.,2、表征稳定性的参数 极间反向电流 ICBO:集电极 基极反向饱和电流.ICEO:集电极 发射极反向饱和电流.(穿透电流)3、表征安全工作区域的参数,3.1 BJT,(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许耗散功率PCM(3)反向击穿电压 V(BR)EBO:集电极开路时,发射极 基极间的反向击穿电压.V(BR)CBO:发射极开路时,集电极 基极间的反向击穿电压.V(BR)CEO:基极开路时,集电极发射极间的反向击穿电压.V(BR)CBO V(BR)C

6、EO V(BR)EBO,3.1 BJT,V(BR)CBOV(BR)CES V(BR)CER V(BR)CEO,3.1 BJT,4、温度特性 VBE/T=(22.5)mV/oC;/(T)=(0.51)%/oC;,5、结电容 发射结电容Cbe,集电结电容Cbc.五、BJT的电路模型 1、直流等效电路模型(放大区),3.1 BJT,(a),图 3.12,VCE=VCCICRC,2、交流小信号等效电路模型(放大区),3.1 BJT,表3-1,?,mV甚至V,3.1 BJT,图 3.13,iB=IBQ+ib vBE=VBEQ+vbe iC=ICQ+ic vCE=VCEQ+vce vBE=f1(iB,vC

7、E)iC=f2(iB,vCE),3.1 BJT,hie()hre hfe hoe(S),(315),(316),(317),3.1 BJT,b,re 0,图 3.14,3.1 BJT,六、BJT的基本应用 1、电流源,图 3.15,2、开关 图3.16所示为BJT反相器电路,BJT在截止区和饱和区之,3.1 BJT,间切换.负载可以是电动机,发光二极管或其他电子设备.,3、放大器,3.2 放 大 器 概 述,放大器(Amplifier)是应用最广泛的一种功能电路.大多数模拟电子系统都应用了不同类型的放大电路.一、放大的概念 放大器的作用是将输入信号进行不失真的放大,使输出信号强度(功率、电压或

8、电流)大于输入信号强度,且不失真地重现输入信号波形.放大器实际上是一种能量控制装置.它利用三极管(或场效应管)的放大和控制作用,将直流电源的能量转换为放大了的交流输出能量.,3.2 放 大 器 概 述,来自特定信源的时变信号在能被利用之前常常需要放大.(举例说明),3.2 放 大 器 概 述,二、放大器的主要性能指标,图 3.18,1、输入电阻,3.2 放 大 器 概 述,2、输出电阻,3、增益(放大倍数),放大器的四种模型,3.2 放 大 器 概 述,(a)电压放大器,Ri Rs(Ri)Ro RL(Ro0),3.2 放 大 器 概 述,(b)电流放大器,Ri Rs(Ri0)Ro RL(Ro)

9、,3.2 放 大 器 概 述,RiRs(Ri0)RoRL(Ro0),Ri Rs(Ri)RoRL(Ro),3.2 放 大 器 概 述,BW=fH fL(326),4、带宽,5、非线性失真系数,3.2 放 大 器 概 述,三、基本放大器的组成 1、三极管的三种基本接法,图 3.21,(b),2、基本共发射极放大器,3.2 放 大 器 概 述,图 3.22,3、各元件的作用,3.2 放 大 器 概 述,VT:放大电路的核心元件.具有电流放大作用.直流电源VCC:为三极管提供放大的外部条件;并为放大器提供能量来源.基极偏置电阻RB:为三极管提供合适的基极偏置电流IBQ.集电极负载电阻RC:将icvce

10、,以实现电压放大.同时,RC也起直流负载的作用.耦合电容C1、C2:“通交隔直”,一般用电解电容,连接时注意电容的极性.负载电阻RL:放大电路的外接负载,它可以是耳机、扬声器或其他执行机构,也可以是后级放大电路的输入电阻.,3.2 放 大 器 概 述,四、放大器的直流通路和交流通路 1、直流通路的画法:将电容作开路处理,电感作短路处理.2、交流通路的画法:将电容及直流电源作短路处理.3、放大器中电压、电流的符号规定 如表3-1,3.2 放 大 器 概 述,RB=RB1RB2,图 3.23,3.2 放 大 器 概 述,五、放大器的基本工作情况,图 3.24,3.2 放 大 器 概 述,直流电源V

11、CC提供的功率为:,加到RC上的功率为:,加到三极管上的功率为:,PV=VCCICQ=(VCEQ+ICQRC)ICQ=VCEQICQ+ICQ2RC=PL+PC,vi=0,PV=PL+PC;vi,PC，PL.PV PL,VT,3.3 放大器的图解分析方法,图解分析可以提供对放大器工作情况的直观认识.一、静态分析 1、分析目的:确定Q点(VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ)2、分析对象:直流通路,3.3 放大器的图解分析方法,3、分析步骤:,图 3.25,3.3 放大器的图解分析方法,二、动态分析 1、分析目的:确定 Av、Vom,了解非线性失真.2、分析对象:交流通路,3、分析步骤:(1)(2)

12、(3),3.3 放大器的图解分析方法,3.3 放大器的图解分析方法,三、建立Q点的必要性,3.4 放大器的等效电路分析法,一、静态分析 1、分析目的:确定Q点(VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ)2、分析对象:直流通路(a)固定偏置,3.4 放大器的等效电路分析法,ICQ,IBQ,RB2,VT,RC,RB1,VCC,RE,+VCEQ,图 3.29,(b)分压偏置,ICQ=IBQ,VCEQ=VCCICQRCIEQRE VCCICQ(RC+RE),RB=RB1RB2,3.4 放大器的等效电路分析法,IBQ=ICQ/VCEQVCCICQ(RC+RE),若(1+)RE 10RB,可按如下方法确定Q点.

13、,3.4 放大器的等效电路分析法,VCC=6V,RB=270k,RC=2k,T30oC,=130,VBE=0.625V,ICBO=81012A IBQ=19.91A,ICQ=2.59mA,VCEQ=0.82V,(c)两种偏置电路的比较,T=300K,=100,VBE=0.7V,ICBO=1012A IBQ=19.63A,ICQ=1.96mA,VCEQ=2.08V,3.4 放大器的等效电路分析法,分压偏置电路最大的优点是稳定了Q点.,【例 3.1】电路如上图 所示.设RB1=56k,RB2=12.2k,RC=2k,RE=0.4k,VCC=10V,VBE=0.7V,=100.(1)试 确定Q点.(

14、2)当在一定范围内变化时,确定Q点变化范围.,3.4 放大器的等效电路分析法,【解】(1),ICQ=IBQ=10021.6=2.16mA,VCEQ=VCCICQRCIEQRE 4.81V,RB=RB1RB2=5612.2 10 k,IEQ=(1+)IBQ=10121.6=2.18mA,上述结果表明:晶体三极管被偏置在放大区.,3.4 放大器的等效电路分析法,(2)当 变化50时,可得到以下的结果:,表 3-2,当 变化率为3:1时,集电极电流和集-射电压的变化率 只有1.29:1.射极电阻RE能在变化时,稳定静态工作点.【例 3.2】试设计一分压偏置电路,要求ICQ=1mA,VCEQ=4.5V

15、,已知VCC=9V,=100.,3.4 放大器的等效电路分析法,实际情况下,为要使Q点稳定,I1愈大于IB以及VB愈大于VBE愈好,但为兼顾其他指标,对于硅管,一般可选取 I1=(510)IB VEQ=0.2VCC 或 VEQ=(13)V,【解】(1)取 VEQ=0.2VCC=0.29=1.8V 则 RE=VEQ/IEQVEQ/ICQ=1.8/1=1.8k(2)取 I1=10IBQ=10ICQ/=0.1mA 则 RB1+RB2=VCC/I1=90k,3.4 放大器的等效电路分析法,VBQ=VBE+VEQ=0.7+1.8=2.5V,RB1+RB2=90k,RB2=25k,RB1=90RB2=65

16、 k,(3)VCEQVCCICQ(RC+RE),说明:除三极管放大电路外,分压偏置电路还适用于各种场效应管放大电路.,3.4 放大器的等效电路分析法,二、动态分析 1、分析目的:确定 Av、Ai、Ri、Ro.2、分析对象:交流通路 3、分析步骤:(1)(2)(3),图 3.30,3.4 放大器的等效电路分析法,(320),3.4 放大器的等效电路分析法,三、带射极电阻的共发射极放大器 1、电路结构:如图3.32所示.2、静态分析:与图3.29相似.3、动态分析:,3.4 放大器的等效电路分析法,图 3.32,3.4 放大器的等效电路分析法,Ro RC(334),其中:,若考虑rce，Ro的求法

17、如下：,3.4 放大器的等效电路分析法,3.4 放大器的等效电路分析法,其中，rce的意义如下：,3.4 放大器的等效电路分析法,【例 3.3】试确定图3.34所示电路的Av、Ri、Ro.已知晶体管的 参数如下:VBE=0.7V,=150,VA=100V.【解】(1)静态分析,图 3.34,RB=RB1RB2=561511.83k,3.4 放大器的等效电路分析法,ICQ=IBQ=1507.8 103 1.17mA,IEQ=(1+)IBQ=1517.8 103 1.18mA,rceVA/ICQ=100/1.17 85.47k(81.97k),动态分析,3.4 放大器的等效电路分析法,Ri=RB

18、rbe+(1+)RE1=11.83 3.33+(1+150)0.02 4.13k(4.1k),RoRCRo=8.2 102.4 7.59k(7.57k),如果假设VA=,则RoRC=8.2 k 讨论:放大器的增益几乎与的变化无关.表3-3的计算证明了这一事实.,表3-3,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),一、电路结构,二、静态分析,RB=RB1RB2,IEQ=(1+)IBQ,VCEQ=VCCIEQ RE,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),三、动态分析,图 3.36,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),Ri=RBRi=RBrbe+(1+)RL(337),图 3.37,3.5 共集电极放

19、大器(射极跟随器),射极跟随器的特点:(1)(2)(3)四、采用复合管(Darlington)的射极跟随器 1、复合管的构成原则及其特点(1)复合管可由两个或多个BJT组成,也可由BJT和FET组成;(2)复合管的类型取决于第一只管的类型;(3)前、后级晶体管之间的电流应有正常的流通通路.(4)两管复合后,其主要优点是:,12,rbe rbe1+1rbe2,(3-39),3.5 共集电极放大器(射极跟随器),主要缺点是:ICEO ICEO2+2ICEO1(3-40),图 3.38,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),图 3.39,e,3.5 共集电极放大器(射极跟随器),图 3.40,2、采

20、用复合管的射极跟随器,五、射极跟随器的用途 1、输入级;2、输出级;3、中间缓冲级.,3.6 共 基 极 放 大 器,图 3.41,一、电路结构,(a),(b),二、静态分析:与共射放大器相同.三、动态分析,3.6 共 基 极 放 大 器,图 3.42,3.6 共 基 极 放 大 器,图 3.43,其中:,Ro=rcbRCRC(343),3.7 三种基本放大器的比较,三种基本放大器的小信号特性如表3-4所示.,表 3-4,基本放大器的小信号特性将用于指导设计多级放大器.,3.8 多 级 放 大 器,在大多数应用中,单管放大器不能满足特定的放大倍数、输入电阻、输出电阻等各项性能指标的要求.因此,

21、可将多个基本放大器级联起来,构成多级放大器,如图3.44所示.,一、级间耦合方式,3.8 多 级 放 大 器,图 3.45,1、阻容耦合,阻容耦合不适合传递缓慢变化的信号,更不能传递直流信号,不易集成.,3.8 多 级 放 大 器,2、变压器耦合 在某些电子设备中,常用变压器耦合方式传送交变信号.例如,半导体收音机中的中频变压器及其选用的音频输入、输出变压器等.采用变压器耦合的一个重要目的是:耦合变压器在传送信号的同时能起阻抗变换作用.利用变压器可将负载阻抗变换成与信号源内阻相匹配的情况,从而可大大提高信号传输的效率.3、直接耦合 直接耦合方式既可以放大和传递交流信号,也可以放大和传递缓慢变化

22、或直流信号.便于集成.,3.8 多 级 放 大 器,VCQnVCQ3VCQ2VCQ1,图 3.46,图 3.47,(1)电平移动(2)零点漂移,3.8 多 级 放 大 器,二、交流指标分析 1、小信号电压增益为:,2、输入电阻为:,3、输出电阻为:,3.8 多 级 放 大 器,三、组合放大器,(b)共集-共射,3.8 多 级 放 大 器,图 3.49,四、带有源负载的共射放大器,章末总结与习题讨论,一、本章小结 1、熟悉三极管的结构、分类、符号、特性曲线(几个工作区域及其特点)、主要参数.掌握三极管的电流放大作用及电流分配关系.了解三极管的几类应用.2、深刻理解放大的概念及放大器设置Q点的必要

23、性;熟悉放大器的构成原则及其各项性能指标的含义.3、熟悉放大器的常用分析方法图解法及等效电路分析法.4、掌握基本放大器常用偏置方式,明确分压偏置方式的优点.5、掌握三种基本放大器(共射、共集、共基)的电路组成及其,章末总结与习题讨论,性能特点.了解其各自的应用场合.6、熟悉多级放大器的级间耦合方式,掌握多级放大器的分析计算方法.二、习题讨论 1、关于BJT【例 3.4】测得放大电路中四个三极管各极电位分别如图3.50 所示，试判断它们各是NPN管还是PNP管？是硅管还是锗 管？并确定每管的B、E、C极。【解】根据三极管的内部结构和工作原理，工作在放大状态,章末总结与习题讨论,下的三极管，通常具

24、有下列关系：（1）对硅管：VBE0.7V；对锗管：VBE0.3V。（2）对NPN管：VCVBVE；对PNP管：VCVBVE。,图 3.50,章末总结与习题讨论,依据上述关系，判断时首先根据极间电位差由关系（1）区分是硅管还是锗管，并区分出C极；然后根据三个电极电位的高低由关系（2）区分是 NPN管还是PNP管，是并区分出B、E极。根据上述分析思路可得出如下结论:图（a）是PNP型锗管，、分别是B、E、C极。图（b）是NPN型硅管，、分别是C、E、B极。图（c）是NPN型锗管，、分别是B、C、E极。图（d）是PNP型硅管，、分别是C、E、B极。,图 3.51,章末总结与习题讨论,【例 3.5】在

25、图3.51所示电路中,已知晶体三极管的=200 VBE=0.7V，ICBO0.(1)试求 IB、IC、VCE.(2)若电路中元件分别作如下变化,试指出三极管的工作状态.(a)RB2=2k,(b)RB1=15k,(c)RE=100.【解】(1):,章末总结与习题讨论,RB=RB1RB2=3010=7.5k,ICQ=IBQ=20032.5 103=6.5mA,VCEQ=1.2V,(2)(a)RB2=2k,章末总结与习题讨论,RB=RB1RB2=1510=6k,(b)RB1=15k,ICQ=IBQ=20062.77 103 12.55mA,章末总结与习题讨论,(c)RE=100,ICQ=IBQ=20

26、056.16 103 11.23mA,2、关于放大器,【例 3.6】图3.52所示为两级放大电路,已知1=2=100,VBE1=VBE2=0.7V，ICBO1=ICBO2 0.,章末总结与习题讨论,(1)试求集电极电流IC1、IC2,集电极电压 VC1、VC2.(2)若RB2改为3k,试确定VT1和VT2管的工作状态.(3)如果RC2改为5.1k,试求2(sat),并与放大状态下的2=100 比较.【解】(1),章末总结与习题讨论,VC1VCCIC1RC19 1.13=5.7V,VC2IC2RC2=1.32.2=2.86V,(2)若RB2改为3k,则:,(3)若RC2改为5.1k,则:,VEC

27、2VCCIC2(RC2+RE2)=91.3(5.1+2)=0.23VVCE2=0.23V VT2饱和.,章末总结与习题讨论,IB2=IC1IRC1=1.11.05=0.05mA=50 A,2(sat)=IC2S/IB2=1.23/0.05=24.6/2(sat)=100/24.64.07,【例 3.7】电路如图3.53所示,试计算小信号电压增益Av,假设 1=2=100,ICQ1=ICQ2=0.5mA.rbb1=rbb2=0.,章末总结与习题讨论,图 3.53,图 3.54,【解】,章末总结与习题讨论,【例 2.8】电路如图3.55所示,试确定VCEQ1、VCEQ2和Av、Avs.已知1=2=100,VBE1=VBE2=0.7V,VB2=5V.且忽略rbb.,章末总结与习题讨论,图 3.55,【解】(1)静态分析,章末总结与习题讨论,图 3.57,ICQ1 ICQ2=IBQ1=10010.7103=1.07 mA IEQ1=(1+)IBQ1=(1+100)10.7103 1.08 mA VCEQ1=VCQ1VEQ1=VB2VBE2IEQ1RE=50.71.081.3=2.896VVCEQ2=VCCICQ2RC VCQ1=151.077.54.3=2.675V(2)动态分析,章末总结与习题讨论,Ri=Ri1=RB1rbe1 rbe1=2.43k,欢 迎 提 出 批 评 指 正!,