模电三极管讲解.ppt

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1、第四章 双极结型三极管及放大电路基础,*,4.1 半导体三极管(BJT)4.2 共射极放大电路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电路4.6 组合放大电路4.7 放大电路的频率响应,第四章 双极结型三极管及放大电路基础,*,4.1 双极型晶体管(BJT),晶体管的结构及类型,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,*,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,BJT的结构特点,*,发射结,集电结,*,4.1.2 放大状态下BJT工作原理,VEE,RB,VCC,基区空穴向发射区的扩散形成IEP。,进入P区的电子少部

2、分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。,1.BJT内部载流子的传输过程,IEN,IE=IEN+IEP,IEN,IEP,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,ICN=IEN-IBN,IB=IEP+IEN-ICN-ICBO,=IE-IC,前提条件：,发射结正偏,集电结反偏,*,B,E,C,NPN型三极管,PNP型三极管,*,晶体管的三种基本接法(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极,*,2.BJT的电流分配关系,为了反映扩散到集电区的电

3、流ICN与射极注入电流IE的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为,称为集电极与发射极间反向饱和电流,反映BJT在共发射极连接时集电极电流IC受基极电流IB控制的关系称为共发射极直流电流放大系数,*,BJT的V-I特性曲线,测试线路,BJT的V-I特性曲线能直观地描述各极间电压和电流的关系,1.共射极连接时的V-I输入特性,*,工作压降：硅管vBE0.60.7V,锗管vBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,vCE一定时iB与vBE的关系,(1)输入特性,*,当vCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，iC=iB。,iB一定时vCE 与iC的关系,iC(mA),IB=0,

4、20A,40A,60A,80A,100A,此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）。,(2)输出特性,*,此区域中vCEvBE,集电结正偏，iBiC，vCE0.3V称为饱和区。,此区域中:vBE 死区电压，iB=0,iC=ICEO,称为截止区。,(2)输出特性,*,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：iC=iB,且 iC=iB,饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：vCEvBE，iBiC，vCE0.3V,截止区：vBE 死区电压，iB=0，iC=ICEO 0,其它状态,*,例：测量三极管三个电极对地电位如图 试判断三极管的工作状态。,2V,*,4.1.4 晶体管的主要参

5、数,共发射极直流电流放大系数,1.电流放大系数,共基极直流电流放大系数,(1)直流电流放大系数,显然，1，一般约为0.970.99。,*,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为iB，相应的集电极电流变化为iC，则共发射极交流电流放大系数为：,(2)交流电流放大系数,共发射极交流电流放大系数,共基极交流电流放大系数,*,例：VCE=6V时：IB=40 A,IC=1.5 mA；IB=60 A,IC=2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,*,(1)集电极-基极反向饱和电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,2

6、.极间反向电流,*,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,(2)集电极-射极反向饱和电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,穿透电流,*,(1)集电极最大允许电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,3.极限参数,*,(2)集电极最大允许耗散功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳 热为：,PC=iCvCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPC

7、M,iCvCE=PCM,安全工作区,*,V(BR)CEO,指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压,(3)反向击穿电压,V(BR)EBO,指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压,V(BR)CBO,指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压,普通晶体管该电压值比较小，只有几伏,当集-射极之间的电压VCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿,手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压V(BR)CEO,*,4.1.5 温度对 BJT参数及特性的影响,1.温度对 BJT参数的影响,(1).温度对ICBO的影响,(2).温度对的影响,(3).温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的

8、影响,对温度非常敏感，温度每升高10，ICBO增加一倍,温度升高，增加,温度升高，V(BR)CBO、V(BR)CEO增加,*,(1)温度对输入特性的影响,2.温度对 BJT特性曲线的影响,(2)温度对输出特性的影响,温度升高，vBE减小,温度升高，ICBO、ICEO、增大,输出特性曲线上移,*,半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同

9、一型号中的不同规格,三极管,*,双极型三极管的参数,*,4.2 基本共射极放大电路,放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,Av,放大的实质：在小信号的作用下，将直流能变为交流能。,*,放大电路的性能指标,一、电压放大倍数Av,vi 和vo 分别是输入和输出电压的有效值。,二、输入电阻Ri,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,*,三、输出电阻R

10、o,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,*,如何确定电路的输出电阻Ro？,步骤：,1.所有的电源置零(将独立源置零，保留受控源)。,2.加压求流法。,方法一：计算。,VS,*,方法二：测量。,1.测量开路电压。,2.测量接入负载后的输出电压。,步骤：,3.计算。,*,四、通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线,*,符号规定,VA,大写字母、大写下标，表示直流量。,vA,小写字母、大写下标，表示全量。,va,小写字母、小写下标，表示交流分量。,vA,va,全量vA,交流分量va,t,VA直流分量,*,4

11、.2 基本共射极放大电路,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,*,晶体管的三种基本接法(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极,*,4.2.1 共射放大电路的基本组成,？,参考点,Rb,+VCC,VBB,Rc,C2,T,vs,+,-,+,-,+,-,vBE,vCE,iB,iC,iE,图4.2.1 基本共发射极放大电路,*,共发射极放大电路,隔离输入、输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,注意耦合电容的极性！,+,+,*,可以省去,电路改进：采用单电源供电,*,单电源供电电路,*,直流通道和交流通道,放大电路中各点的电压或电

12、流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,在放大器没有输入信号（vi=0)时电路各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或者静止状态，简称静态,rd=VT/ID,*,IR=,IL=,器件,I/V关系,DC 模型,AC模型,电阻,电容,IC=sCV,电感,二极管,ID=IS(eVD/VT-1),独立电压源,VS=常数,独立电流源,IS=

13、常数,直流分析与小信号分析时的元件转换,*,例：,对直流信号（只有+Vcc）,*,对交流信号(输入信号vi),交流通路,*,4.3 放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,*,由于电源的存在IBQ0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,4.3.1 图解分析法,静态工作点,在静态时，三极管各电极的直流电压和直流电流的数值，在管子的特性曲线上所确定的一个点，称静态工作点，通常称为Q点。,*,IBQ,ICQ,(ICQ,VCEQ),(IBQ,VBEQ),*,静态工作点的估算,（1）根据直流通道估算IBQ,RB称为偏置电阻，I

14、BQ称为偏置电流。,*,（2）根据直流通道估算VCEQ、ICQ,ICQ,VCEQ,*,例：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,注意电路中IBQ 和ICQ 的数量级。,注意单位！,ICQ,VCEQ,*,vBEiB满足什么关系？,1.三极管的输入特性。,2.vBE=VCCiBRB。,1.静态工作点的图解分析,VCC,与输入特性的交点就是Q点,(1)输入回路,iB,vBE,4.3.2 静态工作点的图解分析,IBQ,VBEQ,(a)输入回路的图解分析,*,iC,vCE,vCEiC满足什么关系？,1.三极管的输出特性。,2.vCE=VCCiCR

15、C。,直流负载线,与输出特性的交点就是Q点,IBQ,(2)输出回路,ICQ,VCEQ,4.3.2 静态工作点的图解分析,(b)输出回路的图解分析,*,(IBQ,VBEQ)和(ICQ,VCEQ)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点-静态工作点(Q点）。,*,先估算 IBQ，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与 IBQ 对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。,Vcc,*,交流负载线,其中：,*,iC 和 vCE是全量，与交流量ic和vce有如下关系,所以：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,*,交流负载线的作法,IBQ,过Q点作一条直线，斜率为：,交流负载线,*,iB,vCE怎么变化,

16、？,假设vBE有一微小的变化,2.动态工作情况的图解分析,vi,vo,vCE,iB,iC,*,vCE的变化沿一条直线,vce相位如何,？,vce与vi反相！,*,各点波形,图4.3.4 共射极放大电路中的电压、电流波形,*,3.静态工作点对波形失真的影响,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。,*,vo,可输出的最大不失真信号,(1)选择静态工作点,*,iC,vCE,vo,(2

17、)Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生截止失真,ib最小为0，VBE小于死区电压,iC最小为0vo最大为VCC,*,(3)Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生饱和失真,ic最大为VCC/RC，vO=0,*,由于受晶体管截止和饱和的限制，放大器的不失真输出电压有一个范围，其最大值称为放大器输出动态范围。,而因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度则为,因受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为,(3)最大不失真输出电压,*,Vopp则为该幅度的两倍，即 Vopp=2Vom为了充分利用晶体管的放大区，使输出动态范围最大，直流工作点应选在交流负载线的中点处。,式中，VCES表示晶体管的临界

18、饱和压降，一般取为1V。比较以上二式所确定的数值，其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度，而输出动态范围,*,实现放大的条件,1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容只输出交流信号。,*,根据上述交流图解分析，可以画出在输入正弦电压下，放大管各极电流和极间电压的波形，如图所示。观察这些波形，可以得出以下几点结论：(1)放大器输入交变电压时，晶体管各极电流的方向和极间电压的极性始终不变，只是围绕各自的静态值，按输入信号规律

19、近似呈线性变化。(2)晶体管各极电流、电压的瞬时波形中，只有交流分量才能反映输入信号的变化，因此，需要放大器输出的是交流量。(3)将输出与输入的波形对照，可知两者的变化规律正好相反，通常称这种波形关系为反相或倒相。,*,VCC,vCE,Q,直流负载线,VCEQ,ICQRL,VCES,图解法总结,IBQ,交流负载线,斜率为,*,例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k 当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管工作于哪个区？,当VBB=-2V时：,IBQ=0，ICQ=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,*,例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k 当VBB=-2V，2V，5

20、V时，晶体管工作于哪个区？,IC ICmax(=2mA)，Q位于放大区。,VBB=2V时：,*,VBB=5V时:,例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k 当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管工作于哪个区？,IC Icmax(=2 mA)，Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,*,三极管模型的建立h(hybrid)参数,低频,4.3.2 小信号模型分析法,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电路来处理。,1.BJT的H参数的及小信号模型,图4.3.10 双口网络,交

21、流,小信号,*,用小信号交流分量表示,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,在小信号情况下，上两式取全微分得,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,iC=f2(iB,vCE),vBE=f1(iB,vCE),(1)BJT的H参数的引出,i:输入,r:反向传输,f:正向传输,o:输出,图4.3.11(a)BJT在共发射极连接时的双口网络,*,输出端交流短路(vce=0,vCE=VCEQ)时的输入电阻,输出端交流短路时的正向电流传输比,输入端交流开路(ib=0,iB=IBQ)的反向电压传输比,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

22、为混合参数（H参数）。,小信号下b-e间动态电阻，rbe,电流放大系数,r,1/rce,*,(2)BJT的H参数参数小信号模型（微变等效电路）,图4.3.11(b)H参数小信号模型,*,rce很大，一般忽略。,(3)小信号模型的简化,r很小，一般忽略。,图4.3.12 BJT的简化小信号模型,*,发射结电阻,基区体电阻,.输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,vBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,rbe的量级从几百欧到几千欧。,对于小功率三极管：,0.1mAIEQ5mA,(4)H参数的确定,*,.输出回路,所以：,(1)输出端相当于一个受ib 控制的电流源

23、。,(2)考虑 vCE对 iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。,rce的含义,*,2.H参数小信号模型分析共射放大电路,(1)画放大电路的小信号等效电路,图4.3.14(a)基本共射极放大电路原理图,图4.3.14(b)基本共射极放大电路小信号等效电路,图4.3.14(a)电路交流通路,b,c,e,*,(2)估算rbe,(3)求电压增益Av,vi=ib(Rb+rbe),vo=io(Rc/RL),io=-ic,vo=-icRL,=-ibRL,注意电压、电流参考方向！,b,c,e,*,rbe,Rb,Rc,vs,+,-,+,-,ib,ic,RL,vi,+,-,ib,vo,(4)计算输入电阻R

24、i,vT=iT(Rb+rbe),iT=ib,对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。,vT,iT,*,(5)计算输出电阻Ro,vs=0,vs,=0,=0,所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。,所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。,RORC,图4.3.14 基本共射极放大电路的输出电阻,*,例,(1)静态工作点计算,图4.3.16 例的电路图,图4.3.16 所示电路中的BJT的=40,rbb=200,VBEQ=0.7V,其他元件参数如图所示。试求该电路的Av、Ri、Ro。若RL开路，则Av如何变化?,*,图交流等效电路,(

25、2)画出该电路的小信号等效电路,图4.3.16 例的电路图,图4.3.17 图 的小信号等效电路,*,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,(3)计算输入电阻Av、Ri、Ro,RL,-92.4,0.866k,=4k,(4)RL开路时Av,-184.8,*,4.4 放大电路静态工作点的稳定问题,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由VBE、和ICBO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,VBE,ICBO,Q,*,温度对静态工作点的影响,*,总的效果是

26、：,*,小结：,固定偏置电路的Q点是不稳定的。,常采用基极分压式偏置电路来稳定静态工作点。,Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。,为此，需要改进偏置电路，当温度升高、ICQ增加时，能够自动减少IBQ，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。,*,1.基极分压式偏置电路：,Rb2,Ce,Re,vo,射极偏置电路：,(1)Q点的估算,直流通路,*,前提条件：,直流通路,VBQ,VEQ,*,可以认为与温度无关。,似乎I2越大越好，但是Rb1、Rb2太小，将增加损耗，降低输入电阻。,为了兼顾其他指标，一般取(1+)Re10Rb1/Rb2,通常为几十k。,*,本电路稳定的过程实

27、际是由于加了Re形成了负反馈过程,(2)稳定静态工作点Q的原理,VBQ,VEQ,*,Ce的作用：,交流通路,旁路电容,(3)动态性能的分析,Re对交流不起作用,交流通路中，Ce将Re短路,*,微变等效电路,vo,*,问题1：如果去掉Ce，放大倍数怎样？,*,Rb1,+Vcc,Rc,C1,C2,Rb2,Ce,Re,RL,vi,vo,无旁路电容交流通路,有旁路电容交流通路,*,去掉 Ce 后的交流通路和微变等效电路：,有旁路电容微变等效电路,有旁路电容微变等效电路,有旁路电容交流通路,无旁路电容交流通路,*,去掉 Ce 后的交流通路和微变等效电路：,大电流回路电阻折算到小电流回路，扩大1+倍,Rb

28、=Rb1/Rb2,*,问题2：如果电路如下图所示，如何分析？,*,静态分析：,直流通路,*,动态分析：,交流通路,*,交流通路：,微变等效电路：,*,利用热敏电阻稳定三极管放大电路静态工作点,负温度系数,正温度系数,(NTC),(PTC),热敏电阻,*,问题：Av 和 Avs 的关系如何？,定义：源电压放大倍数Avs,*,16V,56k,20k,2k,3.3k,6.2k,500,例,如图示电路，电路参数如图，=80,VBEQ=0.7V,(1)估算静态电流ICQ、IBQ 和电压VCEQ,4.2V,1.76mA,22A,=2.67V,*,16V,56k,20k,2k,3.3k,6.2k,500,例

29、,如图示电路，电路参数如图，=80,VBEQ=0.7V,(1)估算静态电流ICQ、IBQ 和电压VCEQ,(2)计算Av、Ri、Avs及RO,1.4k,-1.05,13.52k,-1.01,RoRc,=3.3k,*,16V,56k,20k,2k,3.3k,6.2k,500,例,如图示电路，电路参数如图，=80,VBEQ=0.7V,(1)估算静态电流ICQ、IBQ 和电压VCEQ,(2)计算Av、Ri、Avs及RO,(3)若在Re两端并联50F的电容Ce,重复求解(1)、(2),-88.5,RoRc,=3.3k,-123.07,1.28k,*,电路如图所示，VBE=0.7V，=99 1求静态工作

30、点。,2画出其微变等效电路、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,*,电路如图所示，VBE=0.7V，=99 1求静态工作点。,2画出其微变等效电路、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,*,例题：,电路如图所示，Vcc=12V，晶体管为硅管，VBE=0.7V，=50.试估算：(1)静态工作点；(2)电压放大倍数Av；(3)求放大电路的输入电阻Ri；(4)求放大电路的输出电阻Ro。,vi,*,（2）求电压放大倍数：,画微变等效电路,ib,*,求,求,(3)求 与,*,固定偏流电路与射极偏置电路的比较,*,固定偏流电路与射极偏置电路的比较,Ro=Rc,*,4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,4

31、.5.1 共集极电路,图4.5.1 共集电极放大电路(a)原理图,射极输出器,(b)直流通路,*,1.静态分析,(b)直流通路,*,2.动态分析,交流通路,*,b,c,e,b,c,e,图4.5.2 共集电极放大电路的小信号等效电路,图4.5.1(c)交流通路,*,RL=Re/RL,b,c,e,结论：,输出电流ie增加了,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称,Av1,(1)电压放大倍数,射极电压跟随器。,射随器。,*,输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。,图4.5.2 共集电极放大电路的小信号等效电路,结论：,(2)输入阻抗,*,用加压求流法求输出电阻,电源置0,rb

32、e,Re,Rb,ib,ic,ib,vi,+,-,Rs,+,-,vt,负载开路,施加测试电源,(3)输出阻抗,*,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,小电流回路电阻折算到大电流回路，减小为1/(1+),结论：,*,例 在射极输出器中 已知 VCC=12V，Rb=200k，Re=1.2k，RL=1.8k，RS=1k，=50。,试求（1）静态工作点；（2）Av、Ri 和 RO。,Rb,-Vcc,Cb1,Cb2,Re,RL,vi,vo,vs,+,-,+,+,Rs,-,-,Rc,图4.5.4 例的电路图,*,（1）静态工作点,返回,Rb,-Vcc,Re,Rc,IEQ,IBQ,ICQ,图4.5.5

33、例的直流通路,*,（2）Av、Ri 和 R0,图4.5.5 例的小信号等效电路,*,射极输出器的特点：电压放大倍数1，输入阻抗高，输出阻抗小。,*,4.5.2 共基极电路,图4.5.6 共基极放大电路(a)原理图,图4.5.7 共基极放大电路的直流通路,1.静态分析,*,Cb2,RL,vo,-,+,Cb1,vi,vs,Rs,-,+,-,+,Rb1,Rc,Rb2,Re,Cb,2.动态分析,图4.5.6 共基极放大电路(b)交流通路,b,c,e,图4.5.8 共基极放大电路的小信号等效电路,*,图4.5.8 共基极放大电路的小信号等效电路,(1).电压增益,(2).输入电阻,(3).输出电阻,同相

34、放大！,输入阻抗很低,*,例,如图示电路，VCC=15V,RC=2.1k,Re=2.9k,Rb1=Rb2=60k,RL=1k,=100,VBEQ=0.7V,(1)估算电路静态工作点Q的参数,(2)计算Av、Ri、Avs及RO,*,3.三种组态的比较,*,放大电路三种组态比较,*,4.5.3 放大电路三种组态比较,*,PNP,NPN,PNP,NPN,复合管(达林顿),*,2、耦合方式：,4.6组合放大电路,3、多级放大电路对耦合电路要求：,（1）它的加入应尽量不影响前、后级间的静态工作点；（2）把前一级的信号尽可能多地传到后一级；（3）失真小。,1、多级放大器所考虑的问题（1）级间耦合；即信号的

35、传送。（2）估算整个放大器的放大倍数；（3）频率响应。,直接耦合；,光电耦合。,变压器耦合；,阻容耦合；,*,典型电路,*,耦合方式,一、阻容耦合利用电阻和电容将前一级和后一级联接起来。优点：各级直流通道相互独立、互不影响；只要耦合电容足够大，则信号能够顺利地加到后一级。缺点：不适合传送缓慢变化的信号；不适用于线性集成电路。,*,二、直接耦合1、直接耦合是将前一级的输出端直接（或经过电阻）接到下一级的输入端。2、直接耦合所带来的问题：直流电位相互牵制；零点漂移。3、适用场合：多用于直流信号的放大和集成电路中。,*,三、变压器耦合通过变压器将前、后级连接起来的耦合方式。优点：它可以在传送信号的同

36、时实现阻抗的变换，以获得较大的输出功率。另一方面，各级直流通道相互隔离。,阻抗的变换：,对于理想的变压器：P1=P2,即 I1V1=I2V2 则 I2/I1=V1/V2（1）,而,缺点：频带窄，体积、重量大。,用途：多用于功放、中频调谐放大器以及多级放大器的输出级。,*,四、光电耦合通过光耦将前、后级连接起来的耦合方式。优点：实现系统的接地点隔离。缺点：光耦线性较差，信号传输效率低。,*,多级放大器的分析,前级的输出是后一级的输入，前级的输出电阻是后一级的信号源内阻。后一级放大器的输入电阻是前级放大器的交流负载。,*,一、电压放大倍数,每一级的电压放大倍数：,同理，若为n级放大器，则有,两级放

37、大器总的电压放大倍数：,*,一、电压放大倍数,注意：Avi并非是各级断开后的电压放大倍数，而是考虑了前后级间的影响后的放大倍数。,*,一、电压放大倍数,二、输入电阻和输出电阻多级放大器的输入电阻，就是输入级（第一级）的输入电阻。而输出级（末级）的输出电阻就是整个放大器的输出电阻。在选择输入、输出级的电路形式时主要从对输入、输出电阻的要求来考虑，而放大倍数则由中间各级来提供。,*,设:1=2=50,rbe1=2.9k,rbe2=1.7 k,典型电路,*,关键:考虑级间影响。,1.静态:Q点同单级。,2.动态性能:,方法:,Ri2=RL1,*,考虑级间影响,1,*,微变等效电路:,*,1.Ri=,

38、Ri=1000/2.9+511.7 82k,2.Ro=,其中:RL1=RE1/RL1,=RE1/Ri2,=RE1/R2/R3/rbe2,1.7k,前级的输出是后一级的输入，前级的输出电阻是后一级的信号源内阻。后一级放大器的输入电阻是前级放大器的交流负载。,R1/rbe1+（+1)RL1,RC2=10k,*,3.第一级电压放大倍数:,其中：,*,第二级电压放大倍数:,总电压放大倍数:,*,=RL1,Ro1,*,=RL1,Ro1,*,多级阻容耦合放大器的特点：,(1)由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。(2)前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3)后一级的输入电阻是前一

39、级的交流负载电阻。(4)总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。(5)总输入电阻 Ri 即为第一级的输入电阻Ri1。(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻Ron。,由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。,*,例1：放大电路由下面两个放大电路组成。已知Vcc=15V，R1=100k，R2=33k，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，；RB=570k，RE2=5.6k，2=100，RS=20k，RL=5k,典型电路,*,求直接采用放大电路一的放大倍数Av和Avs。若信号经放大电路一放大后，再经射极输出

40、器输出，求放大倍数Av、Ri和Ro。若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Av和Avs。,*,Ri=,(1)由于RS大，而Ri小，致使放大倍数降低；(2)放大倍数与负载的大小有关。例：RL=5k 时,Av=-93；RL=1k 时,Av=-31。,求直接采用放大电路一的放大倍数Av和Avs。,R1/R2/rbe=1.52 k,*,2.若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Av、Ri和Ro。,*,*,*,讨论：带负载能力。,2.输出不接射极输出器时的带负载能力：,RL=5k 时：Av=-93RL=1k 时：Av=-31,即：当负载电阻由5k变为1k时，放大倍数

41、降低到原来的92.3%,放大倍数降低到原来的30%,RL=5 k时：Av1=-185，Av2=0.99，Ri2=173 k,RL=1 k时：Av1=-174，Av2=0.97，Ri2=76 k,1.输出接射极输出器时的带负载能力：,*,3.若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Avs。,Av2=-93 Ri2=1.52 k,Av1=0.98 Ri=101 k,*,输入不接射极输出器时：,可见，输入接射极输出器可提高整个放大电路的放大倍数Avs。,典型电路,*,（dB）,（dB）,用对数表示的功率放大倍数增益 GP=lgAP（Bel 贝尔）1Bel=10dB（分贝）用分贝表示

42、有两个好处：（1）把大范围的变化缩小，以利于绘图。（2）将放大倍数的乘法运算，转化为加法运算。,式中：Vo和Vi应该是作用于同等大小电阻上的电压。Io和Ii应该是流过同等大小电阻上的电流。,4.7放大电路的频率响应,*,频率响应的一般概念,一、频率响应,或写为,其中,电路的放大倍数与频率的函数关系放大电路的频率响应或频率特性。放大器的放大倍数本身应该用复数来定义，即,*,二、带宽,该图称为波特图,纵轴：dB,横轴：对数坐标,*,其中,高频区,中频区,低频区,二、带宽,*,三、频率失真（线性失真）,幅度失真：,对不同频率的信号增益不同，产生的失真。,基波,二次谐波,输入信号,输出信号,基波,二次

43、谐波,相位失真：,对不同频率的信号延迟时间不同，产生的失真。,*,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,（电路理论中的稳态分析）,RC电路的电压增益（传递函数）：,则,且令,又,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,上限频率,*,最大误差-3dB,频率响应曲线描述,幅频响应,0分贝水平线,斜率为-20dB/十倍频程 的直线,*,相频响应,表示输出与输入的相位差,高频时，输出滞后输入,所以,频率响应曲线描述,*,结论：,随着频率的提高，AV 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。,在此频率响应中，

44、上限截止频率fH是一个重要的频率点。,当频率较低时，AV 1，输出与输入电压之间的相位差=0。,*,2.RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,幅频响应,相频响应,输出超前输入,令,下限频率,*,当频率较高时，AV 1，输出与输入电压之间的相位差=0。,结论：,随着频率的降低，AV 下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。,在此频率响应中，下限截止频率fL是一个重要的频率点。,*,(1)电路的截止频率决定于相关电容所在回路时间常数=RC,(2)当输入信号的频率等于上限频率fH或下限频率fL时，放大电路的增益比通带增益下降3dB，或下降为通带增益的 0.707倍，且

45、在通带相移的基础上产生-45o或者+45o的相移。,(3)工程上常用折线化的近似波特图表示放大电路的频率响应。,时间常数法分析电路频率响应：,*,4.7.2 单极放大电路的低频响应,1.低频等效电路,计算低频响应时，耦合电容及旁路电容不能按短路处理,计算时分别考虑各电容的影响,*,rbe,RC,RL,RE,RB,RS,VS,VO,+,-,+,-,考虑电容影响的微变等效电路,*,L1=RS+(RB/rbe)C1,单独考虑输入耦合电容的影响,*,L2=(Rc+RL)C2,单独考虑输出耦合电容的影响,*,单独考虑旁路耦合电容的影响,RC,RL,RE,CE,VO,+,-,*,L1=RS+(RB/rbe

46、)C1 L2=(Rc+RL)C2,fLmax由fLn中最高的决定(高于4倍以上),*,中频增益,当,则,rbe,RC,RL,C1,C2,RS,VS,VO,+,-,+,-,CE足够大，RE1/CE,忽略RB影响,C,*,波特图:确定fL1、fL2和fL3，分别做出三条曲线，然后相加。,*,耦合电容和旁路电容的选择,1.耦合电容,2.旁路电容,*,钽电容,*,求放大倍数Av、Ri和Ro。,分别求C1、C2、C3引起的电路下限频率fl1、fl2、fl3=?,*,4.7.3 单级放大电路的高频响应,一、BJT的高频小信号建模,模型的引出,互导,混合型高频小信号模型,*,模型简化,一、BJT的高频小信号

47、建模,模型的引出,*,又因为,所以,模型参数的获得,（与H参数的关系）,低频时，混合模型与H参数模型等效,所以,又 rbe=rb+(1+)re,一、BJT的高频小信号建模,*,的频率响应,由H参数可知,即,根据混合模型得,低频时,所以,一、BJT的高频小信号建模,*,共发射极截止频率,的幅频响应,令,则,特征频率,共基极截止频率,一、BJT的高频小信号建模,的频率响应,当=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT0f,当20lg下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率,*,2.共射极放大电路的高频响应,型高频等效电路,等效电路,*,对节点 c 列KCL得,电路简化,忽略 的分流得,称为密勒电容,等效后断开了输入输出之间的联系,*,电路简化,最后,*,高频响应,由电路得,电压增益频响,又,其中,低频增益,上限频率,*,增益-带宽积,BJT 一旦确定，,带宽增益积基本为常数,*,高频响应,列 e 点的KCL,而,所以电流增益为,其中,电压增益为,其中,特征频率,忽略,3.共基极放大电路的高频响应,*,几个上限频率的比较,的上限频率,特征频率,共基极上限频率,共发射极上限频率,共基极电路频带最宽，无密勒电容,3.共基极放大电路的高频响应,*,单级放大电路波特图,综合：总电压放大倍数的复数形式为,*,多级放大电路的频率特性,二、波特图,一、频率特性关系式,