模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：第四章三極管

1、,4 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ),4.1 半導(dǎo)體三極管,4.3 放大電路的分析方法,4.4 放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問(wèn)題,4.5 共集電極放大電路和共基極放大電路,4.2 共射極放大電路的工作原理,4.6 組合放大電路,4.7 放大電路的頻率響應(yīng),4.1 半導(dǎo)體三極管,4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介,4.1.2 放大狀態(tài)下BJT的工作原理,4.1.3 BJT的VI特性曲線,4.1.4 BJT的主要參數(shù),4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,由于三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電， 故稱(chēng)為雙極型三極管或BJT (Bipo

2、lar Junction Transistor)。,三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過(guò)載流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。,4.1.2 放大狀態(tài)下BJT的工作原理,內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程,發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子 集電區(qū)：收集載流子 基區(qū)：傳送和控制載流子 （以NPN為例）,IE=IB+ IC,放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過(guò)程,三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過(guò)基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。 實(shí)現(xiàn)這一傳輸過(guò)程的兩個(gè)條件是： （1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。 （2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。,放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過(guò)程,電流分配關(guān)

3、系,根據(jù)傳輸過(guò)程可知,IC= ICN+ ICBO,IB= IEP + IBN- ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,根據(jù),IE=IB+ IC,可得,三極管的三種組態(tài),共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。,共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；,BJT的三種組態(tài),雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入, 兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱(chēng)三種組態(tài),工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。,死區(qū)電壓: 硅管0.5V， 鍺管0.1V。,4.1.3 BJT的V-I 特性

4、曲線,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 當(dāng)vCE1V時(shí)， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下 IB減小，特性曲線右移。,(1) 當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。,（以共射極放大電路為例）,輸入特性曲線:,輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:,飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的 數(shù)值較小，一般vCE0.7 V(硅管)。此時(shí) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域， 曲線基本平行等

5、距。 此時(shí)， 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于 0.7 V左右(硅管) 。,(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =IC / IB vCE=const,1. 電流放大系數(shù),4.1.4 BJT的主要參數(shù),(2) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const,(3) 共基極直流電流放大系數(shù) =IC/IE,(4) 共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const,當(dāng)BJT工作于放大區(qū)時(shí)， 、 ，可以不加區(qū)分。,4.1.4 BJT的主要參數(shù),(2) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO,2. 極間反向電流,ICEO,(1) 集電極基極間反向飽和電流ICBO

6、發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。,4.1.4 BJT的主要參數(shù),(3) 反向擊穿電壓, V(BR)CBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)反 向擊穿電壓。, V(BR) EBO集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。, V(BR)CEO基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射 極間的擊穿電壓。,幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,3. 極限參數(shù),4.1.4 BJT的主要參數(shù),(3)極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM,當(dāng)集電極電流增加時(shí)， 就要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的7030時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少，不同型號(hào)的三極管， 不同的廠家的規(guī)定有所

7、差別。 可見(jiàn)，當(dāng)ICICM時(shí)，并不表 示三極管會(huì)損壞。,集電極最大允許功率損耗PCM,集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。,反向擊穿電壓,反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電 壓的能力，其測(cè)試時(shí)的原理電路如圖所示。,1.V(BR)CBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。 下標(biāo)BR代表?yè)舸┲?，是Breakdown的字頭，CB 代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開(kāi)路。,2.V(BR) EBO集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。,3.V(BR)CEO基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的 擊

8、穿電壓。 對(duì)于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過(guò)損耗區(qū)、過(guò)電流區(qū)和擊穿區(qū) 輸出特性曲線上的過(guò)損耗區(qū)和擊穿區(qū),4.1.5 溫度對(duì)BJT參數(shù)及特性的影響,(1) 溫度對(duì)ICBO的影響,溫度每升高10，ICBO約增加一倍。,(2) 溫度對(duì) 的影響,溫度每升高1， 值約增大0.5%1%。,(3) 溫度對(duì)反向擊穿電壓V(BR)CBO、V(BR)CEO的影響,溫度升高時(shí)，V(BR)CBO和V(

9、BR)CEO都會(huì)有所提高。,2. 溫度對(duì)BJT特性曲線的影響(左移+上移),1. 溫度對(duì)BJT參數(shù)的影響,例4.1：測(cè)量三極管三個(gè)電極對(duì)地電位如圖 04.13所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。,圖 04.13 三極管工作狀態(tài)判斷,例4.2：用數(shù)字電壓表測(cè)得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，試判斷三極管的工作狀態(tài)。,end,4.2 共射極放大電路的工作原理,三種三極管放大電路,共射極放大電路,共基極放大電路,共集電極放大電路,以共射極放大電路為例講解工作原理,符號(hào)規(guī)定:,UA,大寫(xiě)字母、大寫(xiě)下標(biāo)，表示直流量。,uA,小寫(xiě)字母、大寫(xiě)下標(biāo)，表示交直流量。,ua,小寫(xiě)字母、小寫(xiě)

10、下標(biāo)，表示交流分量。,放大電路的目的是將微弱的變化信號(hào)不失真的放大成較大的信號(hào)。這里所講的主要是電壓放大電路。,電壓放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示：,Au,放大元件iC= iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。,輸入,輸出,參考點(diǎn),作用：使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)。,基極電源與基極電阻,集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。,集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?耦合電容： 電解電容，有極性。 大小為10F50F,作用：隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時(shí)能使信號(hào)順利輸入輸出。,可以省去,電路改進(jìn)：采用單電源供電,RB,(4) 放大原理,輸入信號(hào)

11、通過(guò)耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)于是有下列過(guò)程：,三極管放大作用,變化的 通過(guò) 轉(zhuǎn)變?yōu)?變化的Vo輸出,4.2.2 基本共射極放大電路的工作原理,靜態(tài)和動(dòng)態(tài),靜態(tài) 時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)， 也稱(chēng)直流工作狀態(tài)。,放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動(dòng)態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。,動(dòng)態(tài) 時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)，也稱(chēng)交流工作狀態(tài)。,對(duì)直流信號(hào)（只有+VCC）,直流通道即能通過(guò)直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻， Rc 、RB 。,對(duì)交流信號(hào)(輸入信號(hào)ui),直流電源和耦合電容對(duì)交流相當(dāng)于短路,若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過(guò)直流電源時(shí)，沒(méi)有

12、壓降。設(shè)C1、 C2 足夠大，對(duì)信號(hào)而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。,能通過(guò)交流的電路通道。如從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻， Rc/RL和偏置電阻Rb,end,(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )分別對(duì)應(yīng)于輸入輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)。,4.3.1 圖解分析法,采用該方法分析靜態(tài)工作點(diǎn)，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。,3. 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)波形失真的影響,截止失真的波形,飽和失真的波形,3. 靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)波形失真的影響,波形的失真,飽和失真,截止失真,由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管 的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于N

13、PN管， 輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。,由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管 的截止區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管， 輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。,注意：對(duì)于PNP管，由于是負(fù)電源供電，失真的表現(xiàn)形式，與NPN管正好相反。,放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：,1.工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位； 2.要有合適的交流負(fù)載線。,（4）非線性失真,放大器要求輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間是線性關(guān)系，不能產(chǎn)生失真。 由于三極管存在非線性，使輸出信號(hào)產(chǎn)生了非線性失真。,4. 圖解分析法的適用范圍,幅度較大而工作頻率不太高的情況,優(yōu)點(diǎn)： 直觀、形象。有助于建立和理解交、直流共存，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)等重要概念

14、；有助于理解正確選擇電路參數(shù)、合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性。能全面地分析放大電路的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工作情況。,缺點(diǎn)： 不能分析工作頻率較高時(shí)的電路工作狀態(tài)，也不能用來(lái)分析放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。,共射極放大電路,放大電路如圖所示。已知BJT的 =80， Rb=300k ， Rc=2k， VCC= +12V，求：,（1）放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？,（2）當(dāng)Rb=100k時(shí)，放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？（忽略BJT的飽和壓降）,解：（1）,（2）當(dāng)Rb=100k時(shí)，,靜態(tài)工作點(diǎn)為Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區(qū)。,其最小值也只能為0，

15、即IC的最大電流為：,，所以BJT工作在飽和區(qū)。,VCE不可能為負(fù)值，,此時(shí)，Q（120uA，6mA，0V），,例題1,4.3.2 小信號(hào)模型分析法,1. BJT的H參數(shù)及小信號(hào)模型,建立小信號(hào)模型的意義,建立小信號(hào)模型的思路,當(dāng)放大電路的輸入信號(hào)電壓很小時(shí)，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來(lái)代替，從而可以把三極管這個(gè)非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來(lái)處理。,由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號(hào)模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡(jiǎn)化放大電路的分析和設(shè)計(jì)。,1. BJT的H參數(shù)及小信號(hào)模型, H參數(shù)的引出,在小信號(hào)情況下，對(duì)上兩式取全微分得,用

16、小信號(hào)交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,對(duì)于BJT雙口網(wǎng)絡(luò)，已知輸入輸出特性曲線如下：,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以寫(xiě)成：,BJT雙口網(wǎng)絡(luò),1. BJT的H參數(shù)及小信號(hào)模型, H參數(shù)小信號(hào)模型,BJT的H參數(shù)模型,BJT雙口網(wǎng)絡(luò), H參數(shù)都是小信號(hào)參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。 H參數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。 H參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對(duì)交流信號(hào)的分析。,1. BJT的H參數(shù)及小信號(hào)模型, 模型的簡(jiǎn)化,1. BJT的H參數(shù)及小信號(hào)模型, H參數(shù)的確定, 一般用測(cè)試儀測(cè)出；,rb

17、e 與Q點(diǎn)有關(guān)，可用圖示儀測(cè)出。,rbe= rbb + (1+ ) re,其中對(duì)于低頻小功率管 rbb200,則,4.3.2 小信號(hào)模型分析法,2. 用H參數(shù)小信號(hào)模型分析基本共射極放大電路,（1）利用直流通路求Q點(diǎn),共射極放大電路,一般硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V， 已知。,2. 用H參數(shù)小信號(hào)模型分析基本共射極放大電路,（2）畫(huà)小信號(hào)等效電路,H參數(shù)小信號(hào)等效電路,2. 用H參數(shù)小信號(hào)模型分析基本共射極放大電路,（3）求放大電路動(dòng)態(tài)指標(biāo),根據(jù),則電壓增益為,（可作為公式）,電壓增益,H參數(shù)小信號(hào)等效電路,2. 用H參數(shù)小信號(hào)模型分析基本共射極放大電路,（3）求放大電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)

18、,輸入電阻,輸出電阻,3. 小信號(hào)模型分析法的適用范圍,4.3.2 小信號(hào)模型分析法,end,4.4 放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問(wèn)題,4.4.1 溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,4.4.2 射極偏置電路,1. 基極分壓式射極偏置電路,2. 含有雙電源的射極偏置電路,3. 含有恒流源的射極偏置電路,要想使ICQ基本穩(wěn)定不變，就要求在溫度升高時(shí)， 電路能自動(dòng)地適當(dāng)減小基極電流IBQ,4.4.2 射極偏置電路,4.4.2 射極偏置電路,（1）穩(wěn)定工作點(diǎn)原理,目標(biāo)：溫度變化時(shí)，使IC維持恒定。,如果溫度變化時(shí)，b點(diǎn)電位能基本不變，則可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。,T , IC, IE, VE、VB不變, VBE , IB,（反饋控制）,1. 基極分壓式射極偏置電路,(a) 原理電路