第2章_放大电路201434第一次课

第2章双极型晶体管三极管和基本放大电路（9-10学时）122.1双极型晶体三极管2.2晶体管放大电路的性能指标和工作原理2.3晶体管放大电路的图解分析法2.4等效电路分析法2.5其他基本放大电路2.6组合放大单元电路目录作业4,7,14,15,18,24,25自测题12，233本章的重点与难点本章所讲述的基本概念、基本电路和基本分析方法是学习后面各章的基础。重点:双极型晶体管的特性、放大的概念、放大电路的主要指标参数、基本放大电路和放大电路的分析方法。包括共射、共集、共基放大电路的组成、工作原理、静态和动态分析。4难点:有关放大、动态和静态、等效电路等概念的建立；电路能否放大的判断；各种基本放大电路的性能分析等。而上述问题对于学好本课程至关重要。5第2章双极型晶体管三极管和基本放大电路2.1.1双极型晶体三极管的结构及类型在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。2.1双极型晶体三极管引出的三个电极分别为：发射极e、基极b和集电极c。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。6集电区集电结基区发射结发射区NN集电极c基极b发射极ePecb符号按照掺杂方式的不同分为NPN型和PNP型两种类型NPN型7集电区集电结基区发射结发射区PP集电极c基极b发射极eNecb符号PNP型箭头方向代表PN结指向8１、两个PN结无外加电压2.1.2晶体管中的电流控制作用（以NPN型为例说明）载流子运动处于动平衡，净电流为零２、发射结加正向电压，集电结加反向电压（放大区）9发射区向基区发射电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IEＥＥ正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBＥCRCＥＥRBIEPIBNICBOICNIEN10e结正偏，c结反偏（1）发射区向基区注入电子e区的多子电子通过e结扩散到基区，形成扩散电流IEN；同时基区的多子空穴扩散到e区，形成扩散电流IEP。二者实际方向相同，因此发射极电流IE=IEN+IEP≈IEN。（2）电子在基区的扩散与复合e区的电子注入b区后，在b区被复合(IBN)，大部分仍往c区扩散。（3）电子被集电极收集到达c结边界的电子为c结所吸收，记作ICN=IEN-IBN。NPNIEPIBNICBOICNIEN11发射区发射的总电子数（对应于ＩＥ），绝大部分被集电区收集（对应于ＩＣＮ），极少部分在基区与空穴复合（对应于I'Ｂ）IE=ICＮ+I'Ｂ集电区收集的电子数与发射区发射电子数的比值定义为电流放大系数ECNII12CBOBCBOEPBNBCBOCNCEPBNCNEPENEIIIIIIIIIIIIIII'推导可得:BCEIII３、电流分配关系NPNIEPIBNICBOICNIEN13ECNIIECNEBIIII)1(1BCNII可以通过改变电流IＢ，获得较大的电流变化ＩＣＮ其中是到达集电区的电子数和在基区中复合的电子数之比，此值通常为几十至上百14实现电流控制的条件（１）内因：晶体管结构上的保证：三个浓度不同的掺杂区、基区薄，掺杂浓度低；集电结面积大。（２）外因：外加直流电源保证：发射结正向偏置，集电结反向偏置。15４、共射接法中的电流关系BEBCCEOBCBOBCCBOBCBOCBCNIIIIIIIIIIIIIII)1()1(β为共射直流电流放大系数射极为公共端，IB为输入回路电流，IC为输出回路电流16CBii17β为共射交流电流放大系数2.1.３共射接法晶体管的特性曲线(以NPN管为例）输入回路输出回路公共端18晶体管工作在放大状态的外部条件是：（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:Ube0,Ubc0即UcUbUe对于PNP型三极管应满足:Ube0,Ubc0即UcUbUe19课后习题2-41.共射接法晶体管的输入特性曲线IB=f(UBE)UCE=常数2.1.3晶体管的共射特性曲线UCE=0，输入特性曲线与PN结的伏安特性类似。当UCE增大时，由于电场的作用，曲线右移，当UCE增大到一定值后，再增加UCE，曲线右移将不在明显。202、三极管的输出特性对于每个确定的IB均有一条对应曲线，因此输出特性是一族曲线。21IB=常数IC=f(UCE)截止区晶体管的三个工作区1)截止区截止区：IB=0以下的区域而实际上ＩC≤ICEO发射结电压和集电结都处于反偏状态。晶体管的三个工作区2)放大区交流共射电流放大系数：BCII放大区：曲线几乎水平，仅仅由IB决定，条件：发射结正向偏置、集电结反向偏置直流放大区23通常认为CBI/I晶体管的三个工作区3)饱和区饱和区：此时IB＞０UCE较小。IC不仅和IB有关，还和UCE有关。当UCB=0时，晶体管处于临界饱和状态。反射结和集电结均处于正向偏置。此时集电极与发射极之间的电压叫饱和电压降UCES饱和区24晶体管的三个工作区域比较(发射结正向偏置且集电结反向偏置)工作区域外部条件特点截止区iB=0，iC0(iC≤ICEO)uBEUon且uCB0（发射结电压小于开启电压且集电结反偏）放大区iC=iB(iC仅仅由iB决定)uBEUon且uCB0饱和区（发射结和集电结均正向偏置）uBEUon且uCB0iCiB(iC随uCE的增大而增大)临界饱和（临界放大）uCE=uBE即uCB=0iCS=iBS25NPN、PNP管在放大电路中外部条件比较ececbbNPNPNP（UE最低）（UC最低）（UC最高）（UE最高）（UBE=UON）正值（UBE=UON）负值26（１）温度对输入特性曲线的影响温度升高时，正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降减小2~2.5mV；温度每升高10℃，反向电流增加约1倍。UBR0I/mAU/V75℃20℃３、温度对晶体管特性及参数的影响27１）温度对ICEO和ICBO的影响：UCE/VIC/mA75℃20℃(2)温度对输出特性曲线的影响75℃20℃75℃20℃每升高10℃，ICBO增大一倍，ICEO也是。２）温度对的影响：温度升高输出特性上移温度升高，β增大，每升高1℃，β增大0.5～1%。输出特性曲线间距增大。282.1.4三极管的主要参数1.直流参数1）直流共基电流系数２）直流共射电流系数BCBCEOCIIIIIECECBOCIIIII一般在0.950.995一般在201003）极间反向电流：ICEO和ICBO292、交流参数(1)电流放大系数,,,CBCEIIII(2)特征频率fT当β下降到1时的信号频率，f↑β↓30（1）集电极最大允许耗散功率PCM（2）集电极最大允许电流ICM（3）极间反向击穿电压UCEO(BR)3、极限参数（４）晶体管的安全工作区PCM=ICUCE312.1.5晶体管的类型、型号及选用原则１、类型根据材料分为硅管和锗管；根据三个区的掺杂方式分为NPN和PNP；根据使用的频率范围分为低频管和高频管；根据允许的功率损耗分为小功率管、中功率管和大功率管２、型号322.1.5晶体管的类型、型号及选用原则３、晶体管的选用原则（１）同型号的管子选反向电流较小的；（２）要求反向电流小、工作温度高选硅管；要求导通电压低选锗管；（３）工作信号频率高选高频管；开关电路选开关管；（４）保证管子工作在安全区33晶体管的应用电路举例例1：测得某电路中几只NPN晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管b-e间的阈值电压Uth均为0.7V。试分别说明各管子的工作状态。晶体管基极直流电位UB/V发射极直流电位UE/V集电极直流电位UC/V工作状态T1T2T3T40.70.31-10050.7-1.7001534对NPN管，当UBE＜UON时，管子截止；当UBE＞UON且UCB≥0(或UC≥UB)，管子放大；当UBE＞UON且UCB＜0(或UC＜UB)，管子饱和。晶体管基极直流电位UB/V发射极直流电位UE/V集电极直流电位UC/V工作状态T1T2T3T40.70.31-10050.7-1.70015放大放大饱和截止35例2在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管子的参数如表所示，请选用一只管子，并简述理由。晶体管参数ICBO/μAβUCEO/VT1T2T30.010.10.0550502015100100T1的β小，放大能力差；T3的UCEO仅为20V，可能被击穿；T2的β较大，且UCEO大于电源电压，合适361.电源电压2.放大倍数3.反向电流2.1.6光电三极管光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能可以等效一个光电二极管和一只晶体管相连。e符号cce等效电路37光电晶体管的输出特性曲线38光电三极管的输出特性与普通三极管的输出特性曲线相同，只是用入射光强度E取代基极电流。2.2晶体管放大电路的性能指标和工作原理2.1.1放大的概念和放大电路的组成条件1、放大的概念用小的变化量去控制一个较大量的变化，使变化量得到放大。并且要求“线性放大”，不能“失真”。放大电路中必须有能够控制能量的元件，称为有源器件，如晶体管。39放大电路放大的本质是能量的控制和转换。电子电路放大的基本特征是功率放大。放大电路中存在能够控制能量的元件（称为有源元件）前提条件：不失真扩音器示意图402、放大电路的组成输入信号源（uS，内阻RS）、放大电路、直流电源及负载（uO、iO）41放大电路一般包含小信号放大电路和功率放大电路。小信号放大电路是将微弱的信号电压加以放大，电路工作在小信号状态。功率放大电路输出足够大的功率，推动执行元件，电路工作在大信号状态。42要保证放大电路具有放大作用，必须满足条件（1）晶体管工作在放大区：发射结正偏、集电结反偏。通过静态偏置电路实现。（2）放大信号可以输入、输出：被放大信号能加在晶体管的输入端口，放大后信号送到负载上判断电路能否正常放大的依据放大电路组成的基本原则4344课后习题2-5放大电路示意图2.2.2放大电路的性能指标信号源信号源内阻输入电压输出电压输入电阻输出电阻负载电阻空载时的输出电压45放大电路的性能指标测试信号：正弦波1、输入为小信号（1）放大倍数（或增益）衡量放大电路的放大能力定义为输出变化量与输入变化量之比。根据输入量与输出量的不同，将放大电路分为四种类型:电压放大电路；电流放大电路；互导放大电路；互阻放大电路。461）电压放大电路输入量与输出量都是电压iouuuUUAA/电压增益：输出电压与输入电压之比源电压增益:输出电压与信号源电压之比sousUUA/472）电流放大电路输入量与输出量都是电流电流增益：输出电流与输入电流之比ioiiiIIAA/电压、电流增益都无量纲48互导增益iorIUA/iogUIA/3）互导放大电路输入量是电压，输出量是电流量纲为西门子S4）互阻放大电路输入量是电流，输出量是电压互阻增益量纲为欧姆49（2）输入电阻从放大电路输入端看进去的等效电阻Ri定义为输入电压有效值Ui和输入电流有效值Ii之比iiiIURRi表明放大电路从信号源索取电流大小及索取电压的能力:Ri越大，电流越小，Ui越接近Us，信号电压Us损失越小，50输入电阻表达式中不包含Rs（2）输入电阻输入端信号源是内阻很小的电压源，要求输入电阻尽量大，可保证信号源电压尽可能无损；输入端信号源是内阻很大的电流源，要求输入电阻尽量小，可保证信号源电流更多流近放大电路。51利用输入电阻可以求电压增益与源电压增益的关系usiisiiiosousARRRRRRUUUUAiusuisRAARR52（3）输出电阻从放大电路输出端看进去的等效电阻。LoooRUUR)1'(空载时输出电压有效值实验室测量方法：带负载时输出电压有效值53RO表明放大电路