三极管及其放大电路.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,2,章,半导体三极管及其基本放大电路,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 三极管及其放大电路,半导体三极管放,大电路性能指标,共射基本放大电路,工作点稳定电路,共集电极电路和共基极电路,多级放大电路,反馈放大电路,什么是放大,?,电信号放大,:,窃听器,?,半导体三极管，也叫,晶体三极管,。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为,双极结型晶体管,（,Bipolar Junction Transistor,，,简称,BJT,）。,BJT,是由两个,PN,结组成的。,2.1,半导体三极管,【,分类,】,按频率分,高频管,低频管,按功率分,大功率管,中功率管,小功率管,按半导,体材料分,硅管,锗管,按结构,不同分,NPN,型,PNP,型,(a),小功率管,(b),小功率管,(c),大功率管,(d),中功率管,2.1.1 BJT,的结构与符号,图形符号,发射结,(Je),基极,，,用,B,或,b,表示（,Base,）,集电结,(Jc),发射极,，,用,E,或,e,表示（,Emitter,）；,集电极,，,用,C,或,c,表示（,Collector,）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,箭头代表发射极电流的实际方向,即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，必须连接成如下形式：,e,区,c,区,b,区,J,e,J,c,e,c,b,N,N,P,V,BB,V,CC,R,b,R,c,V,BE,V,CB,V,CE,例：共发射极接法,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,集电结反偏：,由,V,BB,保证,由,V,CC,V,BB,保证,V,CB,=V,CE,-V,BE,0,发射结正偏：,2.,三极管电流分配关系：,V,CC,J,e,J,c,e,c,b,N,N,P,V,BB,R,b,R,c,例：共发射极接法,I,EN,I,EP,（,1,）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流,I,E,。,I,E,=I,EN,+I,EP,I,EN,（,1,）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流,I,E,。,V,CC,J,e,J,c,e,c,b,N,N,P,V,BB,R,b,R,c,例：共发射极接法,I,E,（,2,）在基区中,电子继续向集电结扩散；,少数电子与基区空穴相复合，形成,I,B,电流。,I,B,复合,I,BE,I,BE,（,1,）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流,I,E,。,V,CC,J,e,J,c,e,c,b,N,N,P,V,BB,R,b,R,c,例：共发射极接法,I,E,（,2,）在基区中,电子继续向集电结扩散；,少数电子与基区空穴相复合，形成,I,B,电流。,I,B,（,3,）集电区收集大部分的电子，形成,I,C,电流。,I,C,I,CN,I,CN,I,BE,V,CC,J,e,J,c,e,c,b,N,N,P,V,BB,R,b,R,c,例：共发射极接法,I,E,I,B,I,C,I,CBO,I,C,I,B,I,E,可简化为,将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：,I,C,I,B,I,E,将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：,I,E,=I,C,+I,B,故集电极与基极电流的关系为：,共射电流放大倍数,共基极电流放大系数,I,C,I,B,I,E,I,E,=I,C,+I,B,I,C,I,E,I,B,=,I,E,-I,C,=I,E,-I,E,=(1-)I,E,故集电极与基极电流的关系为：,=,共射电流放大倍数,共基极电流放大系数,2.1.3 .BJT,的特性曲线,BJT,的特性曲线是指,各电极电压与电流之间的关系曲线，它是,BJT,内部载流子运动的外部表现。,工程上最常用的是,BJT,的,输入特性,和,输出特性,曲线。,R,L,+,-,v,O,b,c,e,v,I,i,B,=,I,B,+,i,B,i,C,=,I,C,+,i,C,i,E,=,I,E,+,i,E,v,BE,+,-,+,-,v,CE,以共射放大电路为例：,输入回路,输出回路,输入特性：,输出特性：,BJT,共射接法的输入特性曲线,分三部分：,死区,非线性区,线性区,i,B,/A,v,BE,/V,v,CE,=1V,v,CE,1V,v,CE,=0V,记住：,当,v,CE,1,时，各条特性曲线基本重合。,当,v,CE,增大时特性曲线相应的右移。,25,输入特性曲线,输出特性曲线,它是以,i,B,为参变量的一族特性曲线。,v,CE,/V,i,C,/mA,25,BJT,共射接法的输出特性曲线,=20A,=40A,=60A,=80A,v,CE,/V,i,C,/mA,25,=20A,=40A,=60A,=80A,输出特性曲线可以划分为三个区域：,饱和区,i,C,受,v,CE,控制的区域，该区域内,v,CE,的数值较小。此时,J,e,正偏，,J,c,正偏,v,CE,/V,i,C,/mA,25,=20A,=40A,=60A,=80A,饱和区,i,C,受,v,CE,显著控制的区域，该区域内,v,CE,的数值较小。此时,J,e,正偏，,J,c,正偏,。,截止区,i,C,接近零的区域，相当,i,B,=0,的曲线的下方。此时,J,e,反偏，,J,c,反偏,。,v,CE,/V,i,C,/mA,25,=20A,=40A,=60A,=80A,饱和区,i,C,受,v,CE,显著控制的区域，该区域内,v,CE,的数值较小，一般,v,CE,V,b,V,e,放大,V,c,V,b,0,集电结反向偏置,UBC,U,BE,电压放大,(,电流放大,),放大原理,放大的本质,功率（能量）的放大,C,1,、,C,2,称为隔直电容或,耦合电容,该电路又称为,阻容耦合放大电路,。,2.3.2,共射基本放大电路实际电路,基本共射放大电路的简化,共射放大电路改进电路,v,i,v,o,交,直交,直,交,需要使,R,b,R,c,（一般为几十倍）,改成唯一的,直流电源,三极管,T,起放大作用。,偏置电路,V,CC,、,R,b,提供电源，并使三极管,工作在线性区,。,耦合电容,C,1,、,C,2,输入耦合电,容,C,1,保证信号,加到发射结，,不影响发射结,偏置。输出耦,合电容,C,2,保证,信号输送到负,载，不影响集,电结偏置。,负载电阻,R,C,、,R,L,将变化的集电极电流,转换为电压输出。,阻容耦合共射放大电路,放大原理,输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程：,三极管放大作用,变化的 通过 转变为,变化的输出,首先交代各物理量表示方法及其含义：,V,BE,，,V,CE,，,V,I,，,V,O,I,B,，,I,C,，,I,E,，,I,I,v,i,，,v,o,，,v,be,，,i,b,，,i,c,，,i,e,，,i,i,表示,“,直流量,”,：,大写字母大写下标,表示,“,交流量,”,的瞬时值,：,小写字母小写下标,v,BE,，,v,CE,，,v,I,，,v,O,i,B,，,i,C,，,i,E,，,i,I,，,i,O,表示,“,直流量交流量,”,：,小写字母大写下标,2.3.3,放大电路,静态分析,V,c,，,V,b,，,V,e,，,V,i,I,b,，,I,c,，,I,e,，,I,i,表示,“,交流量的向量形式,”,：,大写字母小写下标头上点,表示,“,交流量,”,的有效值,：,大写字母小写下标,请详细参阅教材,P21,表述。,静态和动态,静态,:,时，放大电路的工作状态，,也称,直流工作状态,。,(Q,点,),放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。,动态,:,时，放大电路的工作状 态，也称,交流工作状态,。,v,i,v,o,C,b1,C,b2,断开,断开,直流通路,能通过直流的通路。提供,Q,点,固定偏置,例,.2.2,直流通路,I,B,偏置电阻,偏置电流,2.3.4,动态分析,动态分析讨论的对象：,交流成分,（即变化的量）,放大电路在接入正弦信号时的工作情况,设输入电压,v,i,=0.02,sin,t,(V),v,BE,=V,BE,+v,be,i,B,=I,B,+i,b,v,CE,=V,CE,+v,ce,i,C,=I,C,+i,c,各分量都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，如下：,共射极放大电路中的电压、电流波形,u,CE,=,V,CC,-,i,C,R,C,u,BE,=U,BE,+,u,i,u,o,=u,CE,-U,CE,反相,v,i,v,o,C,b1,C,b2,v,i,v,o,交流通路,i,b,i,e,i,c,非线性部分,线性部分,短路,短路,V=0,直流电源相当于对地短路,分析性能指标,在输出特性曲线上，作出直流负载线,V,CE,=,V,CC,i,C,R,c,，与,I,BQ,曲线的交点即为,Q,点，从而得到,V,CEQ,和,I,CQ,。,在直流通路中估算,I,BQ,。,2.3.5,图解分析法,为一直线,i,c,0,时，,v,CE,=V,CC,M,点,v,CE,0,时，,且斜率为,-,1,/,R,C,N,点,1.,确定静态工作点,直流负载线,静态工作点,2.,确定放大器的放大倍数,交流负载线,其斜率为,-,1/,R,L,R,L,=,R,L,R,c,，,是交流负载电阻。,交流负载线与直流负载线,相交,Q,点。,交流通路,-,交流负载线,-,波形,根据,v,I,的波形，在,BJT,的输入特性曲线图上画出,v,BE,、,i,B,的波形,3.,根据,vI,的波形求,iB,(,不要求,),4.,根据,i,B,的变化范围在输出特性曲线图上画出,i,C,和,v,CE,的波形,反相,动态工作范围,A,i,C,u,CE,v,o,可输出的最大不失真信号,合适的静态工作点,5.Q,点对波形影响,将,Q,点选在交流负载线,AB,的,中央,，可以获得最大的不失真输出，即可以得到最大的动态工作范围,即：,BQ=AQ,B,Q,i,b,V,CES,V,CEA,截止失真的波形,NPN,管顶部削平,Q,点过低信号进入截止区,饱和失真的波形,NPN,底部削平,Q,点过高信号进入饱和区,例,2.3,2.15,2.14,思路：,将非线性的,BJT,等效成一个线性电路,适用范围：,放大电路的输入信号是变化量且电压很小时适用,2.3.6,小信号等效电路分析法,BJT,双口网络,1.,三极管的小信号等效电路,交流,r,bb,（,1,）利用直流通路求,Q,点,共射极放大电路,一般硅管,V,BEQ,=0.7V,，锗管,V,BEQ,=0.2V,，,已知,。,2.,放大电路的小信号等效电路及其分析,v,i,v,o,C,b1,C,b2,v,i,v,o,C,b1,C,b2,v,i,v,o,交流通路,i,b,i,e,i,c,（,1,）画出放大电路的交流通路,（,2,）画小信号等效电路,v,be,i,b,i,c,v,ce,i,b,b,e,c,v,i,v,o,交流通路,i,b,i,e,i,c,（,2,）将交流通路中的三极管用等效电路代替,v,be,i,b,i,c,v,ce,i,b,b,e,c,v,i,v,o,交流通路,i,b,i,e,i,c,R,b,+,v,i,v,be,i,b,i,c,v,ce,i,b,b,e,c,v,i,v,o,交流通路,i,b,i,e,i,c,R,b,+,v,i,R,c,+,v,o,R,L,则电压增益为,（可作为公式）,电压增益,（,3,）求放大电路动态指标,负号表示输出电压与输入电压反相,R,i,输入电阻,所以：,根据定义：,+,-,0,输出电阻,i,b,i,c,i,v,i,v,o,小结,例,2.4,归纳等效电路法的步骤,先确定,Q,点（,I,BQ,、,I,CQ,、,V,CEQ,）,方法：,近似估算法,图解法,求,Q,点处的,和,r,be,通常会给出,I,EQ,=I,BQ,+I,CQ,I,CQ,三,.,等效电路法的步骤,画出放大电路的微变等效电路,列出电路方程并求解,【,一般要求,增益,、,输入电阻,和,输出电阻,】,小信号模型分析法就是,把非线性的三极管线性化,，这样具有非线性元件的放大电路就转化成为我们熟悉的线性电路了。,经过线性化的三极管等效电路为：,称为,简化的,H,参数小信号模型,（或,微变等效电路,）,2.4,静态点稳定电路,2.4.1,温度对静态工作点的影响,v,i,v,o,R,b1,R,b2,C,b1,C,b2,v,i,v,o,C,b2,C,b1,+,i,B,2.4.2,分压偏置电路,固定偏流电路,固定,射极偏置电路,旁路电容,Q,点稳定原理,v,i,v,o,R,b1,R,b2,C,b1,C,b2,R,b1,R,b2,V,B,V,E,I,1,I,2,直流通路,V,BE,+,-,目标：,温度变化时，使,I,C,维持恒定。,如果温度变化时，,b,点电位能基本不变,，则可实现,Q,点的稳定。,R,b1,R,b2,V,B,V,E,I,1,I,2,直流通路,V,BE,+,-,分析该电路的特性指标,（,1,）,Q,点的估算,:【,I,BQ,、,I,CQ,、,V,CEQ,】,b,e,c,（,2,）动态参数的估算,（,2,）动态参数的估算,v,i,v,o,R,b1,R,b2,C,b1,C,b2,旁路电容,b,c,e,微变等效电路,b,c,e,求电压增益,b,c,e,求输入电阻,R,e,=,0,，代入无旁路电容时输入电阻表达式,有,小！,b,c,e,求输出电阻,2.5.1,共集电极放大电路,电路结构,2.5,共集电极电路和共基极电路,又称,射极输出器,为正值,表明输出电压与输入电压同相。,又称,电压跟随器,共集电极放大电路的特点：,电压放大倍数,1,（略小于,1,），对电压基本无放大作用；,输入阻抗高,对信号源影响小；,输出阻抗小,带负载能力强。,输出电压与输入电压同相；,电压跟随器,对电流具有放大作用。,射极输出器的应用,（,1,）放在多级放大器的输入端，提高整个放大器的输入电阻。,（,2,）放在多级放大器的输出端，减小整个放大器的输出电阻。,（,3,）放在两级之间，起缓冲作用。,2.5.2,共基极电路,电路结构,C,B,R,e,：引入直流负反馈以稳定工作点,Q,R,b1,、,R,b2,：是偏置电阻，为了建立合适的,Q,点而加的。,三种组态比较,组态,电压增益（）,电流放大,输入电阻（,R,i,）,输出电阻（,R,o,）,应用情况,共射放大电路,较大，与,V,o,反相,有电流放大,适中,较大,RC,频带较窄，常作为低频放大单元电路,共集放大电路,与,V,o,同相，有电压跟随特性,不放大电压,有电流放大,最大,最小,常用于电压放大的输入、输出级,共基放大电路,较大，数值与共射同,与,V,o,同相,无电流放大,小,较大,RC,在三种组态中其频率特性最好，常用于宽带放大电路,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,2.6.1,放大电路的频率特性与通频带,2.6,多级放大电路,1.,放大电路的频率特性与通频带,b,e,c,R,b,+,-,R,e,R,c,R,L,+,-,R,s,C,b1,C,e,C,b2,完全等效电路,v,o,R,b1,R,b2,C,b1,C,b2,v,s,R,s,+,-,R,b,=R,b1,/R,b2,2.,单极放大电路的频率特性分析,分析该电路的,低频响应,时，不应该再忽略,隔直电容,和,射极旁路电容,低频,主要影响,中频段,R,b,=R,b1,/R,b2,R,i,=R,b,/r,be,R,o,=R,c,中频时,:C,1,、,C,2,、,C,e,容抗较小，可视为短路；,C,容抗较大，可视为开路。等效电路如图。,高频段,将全频段小信号模型中的,C,1,、,C,2,和,C,e,短路，即可获得高,频段小信号模型微变等效电路，如图所示。,1)RC,耦合,第一级,第二级,C,R,2.6.2,多级放大电路的分析,1.,耦和方式,v,i,v,o,2),直接耦合,优点：低频性能好，,易于继集成,缺点：静态点相互影响,（温度漂移问题）,前级的开路电压是下级的信号源电压,前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗,下级的输入阻抗是前级的负载,2,多级放大电路的性能分析,则单级的上下限频率处的增益为,当两级增益和频带均相同时，,两级的增益为,即两级的带宽小于单级带宽。,结论：将几级放大电路串联起来后，总电压增益为各单级电路电压增益的乘积，较单级时提高了，但,f,L,及,f,H,，通频带变窄了。,2.7.1,反馈的基本概念,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。,2.7,反馈放大电路,举两个例子，比如：一,.,我们使用冰箱制冷,由于外界温度较高,冰箱向外界释放热量,冰箱内温度会朝着我们制定的度数降低,而外壳温度会越来越高,一段时间后,当冰箱内的温度达到所设置的度数后,冰箱会进行自动调节,让温度不再进一步地降低。这便是反馈调节。二,.,我们在家里使用洗衣机时会设置一个注水量，启动机器后，水开始注入机桶，在未达到注水量前，机器会产生动力驱动水位上升，然而水位上升至设置量后，反馈调节便开始了，洗衣机停止注水工作。,例如在教小狗的时候，,1+1=,？，如果它衔的是写有,2,图片的时候，你给它骨头吃，那它看到,1+1,的时候就会衔含有,2,的图片，就有骨头吃，这就是正反馈。当它衔的不是,2,，你打一棍子它，那它下次就不敢再衔那张图片了，这就是负反馈,基本放大电路,A,反馈网络,F,放大：,迭加：,A,称为开环放大倍数,+,反馈：,A,F,称为闭环放大倍数,A,F,=X,o,/X,i,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,F,称为反馈系数,设,X,f,与,X,i,同相,负反馈放大器,1.,正反馈与负反馈,正反馈：,负反馈：,反馈信号增强了外加输入信号的作用，,使得净输入量增加,，最终使,A,F,。,反馈信号削弱了外加输入信号的作用，,使得净输入量减小,，最终使,A,F,。,例,2.4,判别方法：,瞬时极性法,。即在电路中，从输入端开始，沿着,信号流向，标出某一时刻有关节点,电压变化,的斜率,（正斜率或负斜率，用“,+”,、“,-”,号表示）。,负反馈,2.,交流反馈和直流反馈,直流反馈：,交流反馈：,反馈量中只含有直流量，或者说，,只在直流通路中存在的反馈,。,反馈量中只含有交流量，或者说，,只在交流通路中存在的反馈,。,3.,串联反馈与并联反馈,由反馈网络在放大电路,输入端的,连接方式判定,串联,串联：,输入以电压形式求和,（,KVL,）,-,v,i,+,v,id,+,v,f,=,0,即,v,id,=,v,i,-,v,f,并联：,输入以电流形式求和,（,KCL,）,i,i,-,i,id,-,i,f,=,0,即,i,id,=,i,i,-,i,f,并联,判断方法：,（,a,）反馈量与输入量在不同输入端，对应的是,电压求和,，说明是串联反馈；,（,b,）反馈量与输入量在同一输入端，对应的是电流求和，说明是并联反馈；,4.,电压反馈与电流反馈,电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路,输出端的,取样对象决定,电压反馈,：反馈信号,x,f,和输出电压成比例，即,x,f,=,F,v,o,电流反馈,：反馈信号,x,f,与输出电流成比例，即,x,f,=,Fi,o,并联结构,串联结构,方法一：假设把输出端交流短路（即令输出电压等于,0,），观察是否仍有反馈信号。如果反馈信号不存在了，即反馈量为,0,，则说明是电压反馈；若反馈量不等于,0,，则说明是电流反馈。,方法二：将负载,R,L,开路（即,R,L,=,），致使,i,0,=0,，从而使,i,F,=0,，即由输出引起的反馈信号消失了，可以确定为电流反馈。,判断方法：,电压负反馈：,稳定输出,电压,，具有恒压特性,串联反馈：,输入端,电压,求和（,KVL,）,电流负反馈：,稳定输出,电流,，具有恒流特性,并联反馈：,输入端,电流,求和（,KCL,）,特点小结：,5.,负反馈放大电路的四种组态,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,对于三极管电路：,若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极，则为并联反馈。,若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。,小知识,开环增益,反馈系数,闭环增益,因为,所以,已知,闭环增益的一般表达式,记住,2.7.2,负反馈放大器的计算,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,即,闭环时,对,A,求导得,只考虑幅值有,即闭环增益相对变化量比开环减小了,1+,AF,另一方面,在深度负反馈条件下,即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。,1.,增益稳定性的提高,2.7.3,负反馈对放大器性能的影响,A,u,i,u,f,u,i,u,o,u,d,加反馈前,加反馈后,A,F,+,失真,改善,u,o,u,o,2,非线性失真减小,放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。,无反馈时放大器的通频带：,f,bw,=,f,H,f,L,f,H,有反馈时放大器的通频带：,f,bwf,=,f,Hf,f,Lf,f,Hf,可以证明：,f,bwf,=(1+,AF,),f,bw,放大器的一个重要特性：,增益与通频带之积为常数。,即：,A,mf,f,bwf,=,A,m,f,bw,0,20lg|A|,（,dB,）,F,（,Hz,）,A,m,f,L,f,H,f,Lf,f,Hf,A,mf,3.,扩展通频带,负反馈对放大电路性能的改善，是以牺牲增益为代价的。,串联,负反馈,并联,负反馈,电压,负反馈,电流,负反馈,增大输入电阻,减小输入电阻,减小输出电阻，稳定输出电压,增大输出电阻，稳定输出电流,闭环输入电阻,R,if,=,v,i,/,i,i,4.,改变输入电阻和输出电阻,闭环输入电阻,闭环输出电阻,闭环输出电阻,5.,引入负反馈的一般原则,电压稳定,电压负反馈,电流稳定,电流负反馈,输入电阻小,串联负反馈,输入电阻大,并联负反馈,电压源,串联负反馈,电流源,并联负反馈,