第4章--晶体三极管及其基本放大电路

模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronic第四章晶体三极管及其基本放大电路第四章晶体三极管及其基本放大电路§4.1晶体三极管§4.2放大电路的组成原则§4.3放大电路的分析方法§4.4晶体管放大电路的三种接法§4.5放大电路的频率响应§4.1晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？二、晶体管的放大原理（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散电流分配：IE＝IB＋ICIE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(1IIiiII穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？三、晶体管的共射输入特性和输出特性CE)(BEBUufi为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性B)(CECIufiβ是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区BiCi常量CEBCUii晶体管的三个工作区域晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC。状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE四、温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO)(uiiuIT不变时，即不变时℃五、主要参数•直流参数：、、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作区•交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率）•极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii讨论一由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、β。CECCMuiP2.7CEBCUiiuCE=1V时的iC就是ICMU（BR）CEO利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。讨论二约小于0.5V时截止约大于1V时饱和以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，即电压传输特性。§4.2放大电路的组成原则一、基本共射放大电路的工作原理二、如何组成放大电路一、基本共射放大电路的工作原理VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合适的IB。VCC：使UCE≥UBE，同时作为负载的能源。Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uO)。)(oCECBIcuuuiiuR动态信号作用时：输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。共射1.电路的组成及各元件的作用2.设置静态工作点的必要性输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？三、基本共射放大电路的波形分析tuCEUCEQVCCOtuCEUCEQVCCO饱和失真底部失真截止失真顶部失真输出和输入反相！动态信号驮载在静态之上与iC变化方向相反要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！二、如何组成放大电路静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。1.组成原则2.两种实用放大电路：（1）直接耦合放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，b1BEQRUU动态时，b-e间电压是uI与VCC的共同作用的结果。将两个电源合二为一有直流分量有交流损失（2）阻容耦合放大电路耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时，C1、C2上电压？CEQC2BEQC1UUUU，动态时，C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQuBE＝uI＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。讨论：试用PNP型管分别组成直接耦合和阻容耦合共射放大电路。§4.3放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路二、等效电路法三、图解法一、放大电路的直流通路和交流通路1.直流通路：①Us=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路：①大容量电容相当于短路；②直流电源相当于短路（内阻为0）。通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。cCQCCCEQBQCQbBEQBBBQRIVUIIRUVI－＝基本共射放大电路的直流通路和交流通路列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQ＝βIBQ，可估算出静态工作点。VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。cCQCCCEQBQCQbBEQCCBQRIVUIIRUVI－＝当VCCUBEQ时，bCCBQRVI已知：VCC＝12V，Rb＝600kΩ，Rc＝3kΩ，β＝100。Q＝？直流通路阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路二、等效电路法半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。1.直流模型：适于Q点的分析理想二极管利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。cCQCEQBQCQbBEQBBBQRIVUIIRUVICC－＝输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源2.晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。)()(CEBCCEBBEuifiuifu，，低频小信号模型ce22b21cce12b11beUhIhIUhIhU在低频、小信号作用下的关系式CECECBBCCCECEBEBBBEBEddddddBCEBCEuuiiiiiuuuiiuuIUIU交流等效模型（按式子画模型）电阻无量纲无量纲电导h参数的物理意义beBBE11CEriuhUBCEBE12IuuhCEBC21UiihceCEC221Bruihib-e间的动态电阻内反馈系数电流放大系数c-e间的电导分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？简化的h参数等效电路——交流等效模型EQTbb'eb'bb'bbebe)1(IUrrrIUr查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得由IEQ算出在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！3.放大电路的动态分析)()(bebbbebiirRIrRIUccoRIUbebciorRRUUAubebiiirRIURcoRR放大电路的交流等效电路阻容耦合共射放大电路的动态分析be'LbebLcio)(rRrIRRIUUAcu∥bebebirrRR∥uuARRRUUUUUUAisiiosisoscoRR输入电阻中不应含有Rs!输出电阻中不应含有RL!三、图解法应实测特性曲线bBBBBERiVucCCCCERiVu输入回路负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线1.静态分析：图解二元方程2.电压放大倍数的分析符号为“－”。反相，与给定uuAuuuuAuuiiuIOIOOCECBI)(bBIBBBERiuVuIuBBQBiIICiCEu斜率不变3.失真分析截止失真消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。t截止失真是在输入回路首先产生失真！减小Rb能消除截止失真吗？饱和失真消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，减小VBB，增大VCC。''Q'''QRb↑或β↓或VBB↓Rc↓或VCC↑：饱和失真是输出回路产生失真。2最大不失真输出电压Uom：比较UCEQ与（VCC－UCEQ），取其小者，除以。这可不是好办法！讨论一：基本共射放大电路带负载情况下的静态分析和动态分析11)(bebLcrRRRAu∥k3coRR20080bb'rQIBQ≈35μAUBEQ≈0.65VV8.3mA8.2'cCQ'CCCEQBQCQRIVUII为什么用图解法求解IBQ和UBEQ？k11bebirRR952)1(EQTbb'beIUrr讨论二：电路如图如何增大电压放大倍数？直流负载线和交流负载线？在Rb变化使Q点变化时，在不失真的情况下，电压放大倍数的数值如何变化？Uom可能如何变化？在Ui不变的情况下，Rb减小，Uo如何变化？Au如何变化？当Uo最大时，再减小Rb，会出现失真吗？在什么情况下，空载时输出电压失真，带上负载后不失真了？不能将电子电路中动态参数的表达式看成纯数学式子，注意每个字母的物理意义！EQTbb'Lcbe'Lio)1()(IUrRRrRUUAu∥增大，不可行！增大时要适可而止！增大，不一定行！直流负载线和交流负载线Uom=?Q点在什么位置Uom最大？交流负载线应过Q点，且斜率决定于（Rc∥RL）B'RILCQ§4.4晶体管放大电路的三种接法一、静态工作点稳定的共射放大电路二、基本共集放大电路三、基本共基放大电路四、三种接法的比较一、静态工作点稳定的共射放大电路所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。若温度升高时要Q’回到Q，则只有减小IBQ。T（℃）→β↑→ICQ↑→Q’ICEO↑若UBEQ不变IBQ↑Q’1.温度对静态工作点的影响2、静态工作点稳定的典型电路直流通路？Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路（1）电路组成CCb21b1bBQVRRRUeBEQBQEQRUUI（2）稳定原理为了稳定Q点，通常I1IB，即I1≈I2；因此基本不随温度变化。设UBEQ＝UBE＋ΔUBE，若UBQ－UBEΔUBE，则IEQ稳定。Re的作用：T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓（UB基本不变）→IB↓→IC↓Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。Re有上、下限值吗？IC通过Re转换为ΔUE影响UBE温度升高IC增大，反馈的结果使之减小（3）Q点分析b21bbCCb21b1bBBRRRVRRRV∥eBEQBQEQCCb21b1bBQRUUIVRRRU