第三章 半导体三极管及其应用

Transcription

1 第三章 双极结型三极管及其放大电路 Part 吉林大学电子科学与工程学院李传南 2013 Oct.

2 3.1 BJT- 双极结型晶体管 BJT 是双极结型三极管或双极结型晶体三极管 (Bipolar Junction Transistor), 又称为晶体管, 或晶体三极管 : 是通过一定的工艺将两个 PN 结结合在一起的器件 由于 PN 结之间的相互影响, 使 BJT 表现出 不同于单个 PN 结的特性 具有放大作用

3 3.1.1 半导体三极管的结构 -1 晶体三极管由两个背靠背 PN 结组成的 发射极 (Emitter) 发射结 集电结 发射区基区集电区 集电极 (ollector) 基极 (Base)

4 3.1.1 半导体三极管的结构 -2 发射区的掺杂浓度大 ; 集电区掺杂浓度低, 但集电结面积大 ; 基区很薄, 其厚度一般在几个微米至几十个微米 管芯结构剖面图 PNP 和 NPN 型 BJT 具有几乎等同的特性, 不同的是各电极端的电压极性和电流流向

5 3.1.1 半导体三极管的结构 -3 频率 : 高频管 低频管功率 : 小 中 大功率管材料 : 硅管 锗管类型 :NPN 型 PNP 型

6 3.1.1 半导体三极管的结构 -4 大功率低频三极管 中功率低频三极管 小功率高频三极管

7 3.1.1 半导体三极管的结构 -5

8 3.1.1 半导体三极管的结构 半导体三极管的型号 我国国家标准对半导体三极管的命名如下 : 3 D G 110 B 同一型号中的不同规格 同种器件型号的序号 器件的种类 材料三极管 第二位 :A 锗 PNP 管 B 锗 NPN 管 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

9 3.1.1 半导体三极管的结构 双极型三极管的参数 P M mw M ma BO EO EBO BO μa f T MHz 参数型号 3AX31D * 8 3BX * 8 3G DG DD101D 50W 5A mA 3DK100B DKG23 250W 30A 注 :* 为 f β

10 3.1.1 半导体三极管的结构 -8 名称封装极性功能耐压电流功率频率配对管 PNP 低频放大 A 0.625W NPN 低频放大 A 0.625W NPN 低噪放大 A 0.4W 150M PNP 低噪放大 A 0.4W 150M NPN 高频放大 A 0.4W 1000M NPN 高频放大 A 1W 100M PNP 高频放大 A 1W 100M N NPN 通用 A 0.5W 2N2369 4A NPN 开关 A 0.3W 800M 2N NPN 功率放大 A 15W 2N NPN 视放开关 450 1A 1W 15M 3DA87A 6 NPN 视频放大 A 1W 3DG6B 6 NPN 通用 A 0.1W 150M 3DG6 6 NPN 通用 A 0.1W 250M

11 3.1.1 半导体三极管的结构 -9

12 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -1 双极型三极管工作在放大状态的外部条件 : 发射结加正向电压, 集电结加反向电压, 如图所示 : 以 NPN 型三极 B 管的放大状态为例 NPN, 来说明三极管内部的电流关系 o E 从内部导电情况解 释其放大作用 BB _

13 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -2 1 BJT 内部载流子得传输过程 : (1) 发射极向基区注入电子 : 电场 E 在 BB 作用下, 发射区向基区注入电子形成 EN, 基区空穴向发射区扩散形成 EP EN >> EP 方向相同 BB

14 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -3 (2) 电子在基区复合和扩散由发射区注入基区的电子由于浓度差异继续向集电结扩散, 扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流 BN 电场 E 复合对于放大不利, 为减小复合, 常把基区做得很薄 ( 几微米 ), 并使基区掺杂得浓度很低, 使电子大部分都能到达集电极 BB

15 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -4 (3) 集电结收集电子由于集电结反偏, 集电结势垒增加, 所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结, 到 达集电区, 形成电流 N 集电结收集到的电子包括两部分 : 发射区扩散到基区的电子漂移 N 电场 E 基区的少数载流子漂移 BO BB

16 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -5 电场 E 发射结和集电结的内建电场示意图

17 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -6 三极管内有两种载流子 ( 自由电子和空穴 ) 参与导电, 故称为双极型三极管, 或 BJT (Bipolar Junction Transistor) 以 NPN 为例 : 发射区 : 发射载流子 集电区 : 收集载流子 基区 : 传送和控制载流子

18 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -7 2 电流分配关系 : 根据传输过程可知 : E EN EP N BO B EP BN - BO 且有 : E B BB

19 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -8 设 α 传输到集电极的电流 发射极注入电流 即 α N 通常 >> BO, 则有 E α E α 为电流放大系数, 它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关, 与外加电压无关 一般 α

20 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -9 2 电流分配关系 ( 续前 ): α 又设 β 1 α 根据 E B n BO α E n 且令 则 β EO (1 β ) BO ( 穿透电流 ) B EO 当 >> EO 时, β B β 是另一个电流放大系数, 同样, 它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关, 与外加电压无关 一般 β >> 1

21 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 三极管的三种组态 : BJT 的三种组态

22 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 放大作用 : - E i E i EB e c B i B v veb v O EE - L 1kΩ 共基极放大电路 的微小变化 ( 20m), 引起 i E 的很大变化 i E - 1mA, 相应产生 i 的变化 i, 流过负载电阻 L, 产生一个变化的输出电压 o

23 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 放大作用 ( 续前 ): - v E i E e EB v EB c B i B i vo - L 1kΩ EE 共基极放大电路 若 v 20m 使 i E -1 ma, 当 则 i α i E ma, v O - i L 0.98, v v m O 电压放大倍数 : A 49 α 0.98 时,

24 3.1.2 放大状态下 BJT 的工作原理 -13 三极管实现放大电路的条件两个条件 : 内部条件 : 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度, 且基区很薄 外部条件 : 发射结正向偏置, 集电结反向偏置 NPN 管 : U BE >0 U B <0 即 > B > E PNP 管 : U BE <0 U B >0 即 < B < E

25 3.1.3 BJT 的特性曲线 -1 1 输入特性曲线 : i B f(v BE ) ve 常数 (1) 当 v E 0 时, 相当于 PN 结的正向伏安特性曲线 (2) 当 v E 1 时, 特性曲线右移,?? v E 0 v E 0 v E 1 i c B v BE e - - v E i BB 共射极放大电路

26 3.1.3 BJT 的特性曲线 -2 1 输入特性曲线 ( 续前 ): (3) 输入特性曲线的三个部分 1 死区 2 非线性区 3 线性区

27 3.1.3 BJT 的特性曲线 -1 2 输出特性曲线 : i f(v E ) ib 常数 输出特性曲线的三个区域 : 饱和区 :i 明显受 v E 控制的区域截止区 :i, 该区域内 接近零的, 一般区域放大区 v, E <0.7( 相当 :i i B 0 硅管的曲 平行于 ) v E 轴的此时线的下方 此时区域,, 发射结正偏曲线基本平行等距, 集电结正偏或反偏电压很 v BE 此时小于死区电压, 发射结正偏, 集小 电结反偏

28 3.1.4 BJT 的主要参数 -1 1 电流放大系数: (1) 共发射极直流电流放大系数 β ( - EO )/ B / B v E 常数 β

29 3.1.4 BJT 的主要参数 -2 1 电流放大系数 : (2) 共发射极交流电流放大系数 β β / B ve 常数

30 3.1.4 BJT 的主要参数 -3 1 电流放大系数 (3) 共基极直流电流放大系数 α (4) 共基极交流电流放大系数 α α / E B 常数 α ( - BO )/ E / E 当 BO 和 EO 很小时, α α β β, 可以不加区分

31 3.1.4 BJT 的主要参数 -4 2 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流 BO 发射极开路时, 集电结的反向饱和电流 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流 EO EO (1 β ) BO BO 即输出特性曲 ua - 线 B 0 那条曲线所 e 对应的 Y 坐标的数值 EO 也称为集电极 e 0 发射极间穿透电流 c c e EO EO - ua

32 3.1.4 BJT 的主要参数 -5 3 极限参数 (1) 集电极最大允许电流 M (2) 集电极最大允许功率损耗 P M P M E

33 3 极限参数 BJT 的主要参数 -6 (3) 反向击穿电压 (B)BO 发射极开路时的集电结 反向击穿电压 (B) EBO 集电极开路时发射结的反 向击穿电压 (B)EO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系 : (B)BO > (B)EO > (B) EBO

34 3.1.4 BJT 的主要参数 -7 由 P M M 和 (B)EO 在输出特性曲线上可以确定过损耗区 过电流区和击穿区 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区

35 人----Steve 活着就Jos 是为了改变世界

36

37 第三章 半导体三极管及其放大电路 Part 李传南 2013 年 10 月

38 3.2 基本共射极放大电路 基本共射放大电路 放大原理 性能指标 放大电路的图解分析法 直流通路与交流通路 静态分析 动态分析 放大电路的小信号模型分析法 微变等效电路 指标计算 基本放大电路的三种组态

39 3.2.1 基本共射放大电路的组成 -1 放大电路概念 : 放大电路主要用于放大微弱信号, 输出电压或电流在幅度上得到了放大, 输出信号的能量得到了加强 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的, 经过三极管的控制, 使之转换成信号能量, 提供给负载

40 3.2.1 基本共射放大电路的组成 -2 电路组成 : (1) 三极管 T; (2) : 为 J 提供反偏电压, 一般几 ~ 几十伏 ; (3) : 将 i 的变化转换为 v o 的 _ BB 变化, 一般几 k~ 几十 k 欧姆 E -, 和 同属集电极回路 v i 1 c e T 2 v o _ (4) BB : 为发射结提供正向偏压

41 3.2.1 基本共射放大电路的组成 -3 电路组成 :( 续前 1) (5) : 一般为几十 k~ 几千 k, 和 属基极回路 c 2 B BB BE 一般, 硅管 BE 0.7 锗管 BE 0.3 v i 1 _ BB e T v o _ 当 BB >> BE 时 : B BB

42 3.2.1 基本共射放大电路的组成 -4 电路组成 :( 续前 2) (6 ) 1, 2 : 耦合电容或隔直电容, 其作用是通交流隔直流 (7) v i : 输入信号 (8) v o : 输出信号 (9) 放大作用的实质是放大器件的控制作用 ; 是一种能量控制部件, 放大作用是针对变化量而言的 v i 1 _ BB c e T 2 v o _ (10) 是公共地或共同端

43 3.2.1 基本共射放大电路的组成 -5 v i 1 _ BB c e T 2 v o _ 1 L T v _ i T 2 L v o _ L : 负载电阻 因为 和 cc 的值不同, 两个电路中的 值也不同

44 3.2.1 基本共射放大电路的组成 -6 1 v i 变化 i B 变化 i β i B i 变化 v E - i v E 变化 v o 变化 B E β B 40uA 1.6mA v i i v v _ i K 4K 1m E 0.2mA i i β40 B v o _ 5uA v o

45 3.2.2 基本共射放大电路的指标 -1 放大电路的主要技术指标 : (1) 放大倍数 (2) 输入电阻 i (3) 输出电阻 o (4) 通频带

46 3.2.2 基本共射放大电路的指标 -2 放大倍数 : 电压放大倍数 : 电流放大倍数 : 功率放大倍数 : o / i o / i P / P A v A i A p / o i o o i i

47 3.2.2 基本共射放大电路的指标 -3 i 的定义 : i i i 输入电阻 : 表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数 i 大, 放大电路从信号源吸取的电流小, 反之则大

48 3.2.2 基本共射放大电路的指标 -4 输出电阻 o : 表明放大电路带负载的能力, o 大表明放大电路带负载的能力差, 反之则强 o o 的定义 : o. L, S 0. o (a) 从假想的 ' o 求 o () 从负载特性曲线求 o

49 3.2.2 基本共射放大电路的指标 -5 输出电阻 o ( 续前 ) 图 ( ) 中在带 L 时得 o o, 开路时得 ' o, 则 : 则 : o o / o ( ' o o )/ o ( ' o o ) L / o [( ' o / o ) 1] L 注意 : 放大倍数 输入电阻 输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数, 只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义

50 3.2.2 基本共射放大电路的指标 通频带 放大电路的增益 A( f ) 是频率的函数 在低频段和 高频段放大倍数都要下降 当 A( f ) 下降到中频电压放 大倍数 A 0 的 1/ 时, 即 : 2 A0 A( f ) A( f ) 0. 7A L H 2 0 相应的频率 : f L 称为下限频率 f H 称为上限频率

51 3.3 放大电路的图解分析法 直流通路与交流通路 静态分析 近似估算法 图解分析 电路参数变化对 Q 点的影响 动态分析 截止失真 饱和失真 交流负载线 最大不失真输出 输出功率和功率三角形

52 3.3 放大电路的图解分析法 -1 1 直流通路与交流通路 : 静态 : 只考虑直流信号, 即 v i 0, 各点电位不变 ( 直流工作状态 ); 动态 : 只考虑交流信号, 即 v i 不为 0, 各点电位变化 ( 交流工作状态 ) 直流通路 : 电路中无变化量, 电容相当于开路, 电感相当于短路 ; 交流通路 : 电路中电容短路, 电感开路, 直流电压源短路 注意 : 偏置 ( 提供工作条件 ) 信号 ( 处理的对象, 分为小信号和大信号 )

53 3.3 放大电路的图解分析法 -2 2 直流通路 : v i 1 T 2 v o T 电容 1 和 2 断开 直流通路 即能通过直流的通道 从 B E 向外看, 有直流负载电阻, c

54 3.3 放大电路的图解分析法 -3 v vi i 1 T 2 v v o 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 v i _ 交流通路 : T v o _ 交流通路 : 能通过交流的电路通道 从 B E 向外看, 有等效的交流负载电阻, c // L 和偏置电阻

55 3.3 放大电路的图解分析法 -4 (1) 静态工作点的近似估算法 : 已知硅管导通时 BE 0.7, 锗管 BE 以及 β40, 根据直流通路则有 : 300K 4K 12 BQ Q EQ β -BE 40μ A 1.6mA BQ Q Q:(40uA,1.6mA,5.6) β40 固定偏流电路

56 3.3 放大电路的图解分析法 -5 例 : 电路及参数如图, 求 Q 点值 330K 4K K 4K β50 v o β50 v i 0.5K e 0.5K e 直流通路

57 3.3 放大电路的图解分析法 -5 续 : B BE 1 β ) ( e uA 330K 4K 15 β 50 >> 1 β50 E 50 40uA 2mA E ( c c E e e) 0.5K e 直流通路

58 3.3 放大电路的图解分析法 -6 例 : 电路及参数如图, 求 Q 点值 68K 1 4K K 1 4K 15 v i 1 β40 v o β40 12K 2 0.5K e 12K 2 0.5K e 固定偏压电路, 射极偏置电路 直流通路

59 例 : ( 续前 1) 68K 1 12K K BB BB 1 1 // K

60 例 : ( 续前 2) 10.2K BB K e 15 4K BB B 50uA (1 β ) E E β B 2 - ( 15-2 (4.5) 6 e e ma ) Q : (50μ A,2mA,6 )

61 共射极放大器各点的信号 2 v v i 1 T v v o

62 3.3 放大电路的图解分析法 静态工作点的图解分析 (a) 画直流通路 () 把基极回路和集电极回路电路分为线性和非线性两部分 : 如图 B 40uA 4K 12 B B e 回路 B _ c e 回路 _ BE BB - B 输入特性求 BE B 的方法同二极管图解分析 输出特性 E -

63 (c) 作非线性部分的伏安特性曲线 : i (ma) i f ( v ) E B 40uA (d) 作线性部分的伏安特性曲线 直流负载线 E 12-4 ( 12, 4K), 用两点法做直线 M(12,0),N(0,3mA) (e) 直线 MN 与 B 40uA 曲线的交点 (5.6,1.6mA) 就是静态工作点 Q B 100uA 直流负载线 N (5.6,1.6mA) Q 80uA 60uA 40uA 20uA B 40uA 4K M v E (v)

64 3.3 放大电路的图解分析法 动态工作情况分析 ( 输入回路 )

65 3.3 放大电路的图解分析法 动态工作情况分析 ( 输出回路 )

66 放大电路的图解分析法 -8 i B (ua) v BE () ---- 动态工作情况分析 i (ma) v i 0.02sinωt() i 20sinωt(uA) i B 20uA~60uA 1 2 4v 6 8 β40 i uA 80uA 60uA 40uA 20uA 2 v o v E () v i v i 0.02sinωt() v o

67 i βi B 0.8~2.4(mA) i B (ua) v E 8.8 ~ 2.4 v o v ce -3.2sin ω t K 10 v BE () β40 v i 2 v o i (ma) uA 80uA 60uA 40uA 20uA v E () v i v i 0.02sinωt() v o

68 讨论 : 电路参数变化对 Q 点的影响 -1 改变 : B E Q 点沿 MN 向下移动 300K 4K β40 12 N i Q Q B B B B B 固定偏流电路 0 M v

69 改变 : 电路参数变化对 Q 点的影响 -2 E MN的斜率变小 MN绕 M点逆时针转动 300K 4K 12 N 3 i B B B β Q Q B B 固定偏流电路 0 M v

70 改变 : 电路参数变化对 Q 点的影响 -3 E 不变 MN向右平移 E i B BB B BE E N Q Q B B B B 0 M v

71 截止失真 : 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真 对于 NPN 管, 输出电压表现为顶部失真 i B i B 3 B B 4 2 B 0 v B 1 0 B Q v v i 截 v o

72 饱和失真 : 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真 对于 NPN 管, 输出电压表现为底部失真 i B i B 8 3 Q B B 2 B 1 B 0 v B 0 v v i v o 饱

73 3.3 放大电路的图解分析法 动态工作情况分析 1 2 o 的幅值远比 i 大, 且同为正弦信号, 体现了放大作用 ; 3 反向电压放大器

74 3.3 放大电路的图解分析法 交流负载线 交流通路 1 vo T v o L vi i - L // L v i _ T v o - L

75 3.3 放大电路的图解分析法 交流负载线交流负载线确定方法 : a. 通过输出特性曲线上的 Q 点做一条直线, 其斜率为 -1/' L L L c 是交流负载电阻. 交流负载线是有交流输入信号时 Q 点的运动轨迹 c. 交流负载线和直流负载线相交与 Q 点

76 最大不失真输出 放大电路要想获得大的不失真输出幅度, 需要 : 1 工作点 Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 ; 2 Q 点过高产生饱和失真, 过低产生截止失真 交流动态范围

77 End of part

78 第三章 双极结型三极管及其放大电路 ----Part 吉林大学电子科学与工程学院李传南

79 3.4 放大电路的小信号模型分析法 图解法的适用范围 : 信号频率低 幅度较大的 情况 如果电路中输入信号很小, 三极管可以用一个 小信号模型来代替 对于低频模型, 可以不考虑结电容的影响 2

80 第三章半导体三极管及其放大电路 - part 的主要内容 放大电路的小信号模型分析法 微变等效电路 ; 利用小信号模型进行电路分析 基本放大电路的三种组态 共射极 共集电极 共基极 ; 三种基本组态的混合连接电路 ; 复合管的使用 ; 3

81 3.4 放大电路的小信号模型分析法 三极管共射 H 参数的引出 c _ e _ ce 输入特性表达式 :v BE f 1 ( i B,v E ) 输出特性表达式 :i f 2 ( i B,v E ) 4

82 5 3.4 放大电路的小信号模型分析法 三极管共射 H 参数等效电路 E E B B E E BE B B BE BE dv v i di i i di dv v v di i v dv B E B E ce c ce e h h h h 小信号时 :

83 3.4 放大电路的小信号模型分析法 三极管共射 H 参数等效电路 - e c _ ce dv di BE v i i i BE B B E E v dib v i dib v E BE E B B dv dv E E c 6

84 h 3.4 放大电路的小信号模型分析法 参数的物理含义 1 v i BE 11 E B r e 的组成 : r e r r e r e 很小, 忽略 : 表示 E 为 EQ 时 i B 对 v BE 的影响, 即 : 在 Q 点 附近 与 e 之间的动态电阻, 用 r e 表示 e r e r e r r c r c c r : 基区体电阻 r e : 发射结正偏电阻 r e r ' (1 β ) 26m E 7

85 h 放大电路的小信号模型分析法 参数的物理含义 2 v v BE E 表示 BQ 附近 v E 对 v BE 的影响 : v E >1 后,h 12 <10-2 B h i 21 E : 表示 EQ 附近 i B 对 i 的影响, 即 β8 B i

86 3.4 放大电路的小信号模型分析法 参数的物理含义 3 h 22 i v E B BQ 处 v E 对 i 的影响, 是 BQ 这条曲线 在 Q 点的导数 通常用 r ce 表示 h 22 : rce h 1 22 一般 r ce >10 5 Ω 9

87 3.4 放大电路的小信号模型分析法 模型的简化 c 忽略 h 12 和 h 22 影响的简化参数等效电路 10

88 3.4 放大电路的小信号模型分析法 模型的简化 小信号模型分析法也成为微变电路模型, 也是因为信号只有微小的变化 11

89 3.4 放大电路的小信号模型分析法 -9 放大电路分析步骤 : 画直流通路, 计算静态工作点 Q; 计算 r e ; 26m re r' (1 β ) E 画交流通路 ; 画微变等效电路 ; 计算电压放大倍数 A v ; 计算输入电阻 i ; 计算输出电阻 o 12

90 13 画出小信号等效电路 计算电压放大倍数 Av T v v i o v o v i T v o v i c e c o e i r -β - e i o v r β A -

91 计算输入电阻 i i i i i // r e re r e r e 14

92 计算输出电阻 o 把输入信号源短路 ( s 0) 但保留信号源内阻, 在输出端加信号 o, 求此时的 o, 则 : o o / 如图, 如果 s 0, 则 0, 所以 β 0 o 所以 : o o o 电流源的处理?? 15 o

93 例 3.4.1: 求如下电路的 A v, i, o 电路及参数如图,r 100Ω, 求 A v, i, o 3 4 v vi i 0 e 1 β50 v vo o 解 : 静态工作点 (40uA,2mA,6) r e r' (1 β ) 26m E /20.763K 16

94 17 例 ( 续前 1) e e i β r ) (1 c o β - e e c i o v β r β A ) ( T c e v i v o

95 例 ( 续前 2) i o [ ] i // re (1 β ) e 330K//26.263K24.3K o c 4K 18

96 3.5 放大电路的工作点稳定问题 固定偏流电路, 当更换管子或环境温度变化引起管子参数变化, 电路的工作点就会移动, 需要设计能够自动调整工作点位置的偏置电路 如温度升高导致 : (1) 输入特性曲线左移 ; (2) BO 增大, 输出特性曲线上移 ; (3)β 增大 19

97 3.5 放大电路的工作点稳定问题 ---- 射极偏置电路 1 引入 2 和 e, 使 Q 点稳定 反馈控制的原理 : 0 B0 E0 ( 0 Δ 0 ) E E BE ( 0 Δ 0 -Δ ) B ( B0 -Δ B ) v v i i c 0 e 1 v v o 反馈 (feedack): 这里称之为负反馈 0 e 20 e

98 3.5 放大电路的工作点稳定问题 例 3.5.1: 电路及参数如图, β40,r 100Ω (1) 计算静态工作点 ; (2) 求 A v, i, o 解 : (1) 画直流通路, 求静态工 作点 ; ---- 射极偏置电路 2 v v i i c 0 e 0 e 1 21 v v o e

99 例 3.5.1( 续前 1) c 0 e 0 e e 0 e 直流通路 1 4 c 22

100 23 K BB // 例 3.5.1( 续前 2) BB

101 例 3.5.1( 续前 3) B 50uA (1-0.7 β) BB ( ) e1 e2 10.2k 1 BB 0.1K e1 4K c 15 cc β 2mA E B r e E 15 ( e 1 e 2) 2 (4.5) 6 26m r' (1 β ) 0.633KΩ E K e2 24

102 例 3.5.1( 续前 4) (2) 画微变等效电路, 求 A v, i, o i re (1 β ) e1 o - c -β o -β Av re (1 β ) e1 i i i [ r β ] // e (1 ) e // KΩ o o 4K 25

103 说明 : 带 e 的共射极放大器, BQ 可以由电阻 1 和 2 的分压来确定, 因为 B 远小于电阻 上的电流 BB v v i i c 0 e 0 e 1 v v o e 26

104 v vi i 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共射电路 T v v o v i _ c T e v o _ A v o i β - r e i //r e o c 27

105 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共集电极电路 1 共集电极组态基本放大电路如下图所示, 射极输出 为什么称之谓共集电极放大器, 要看交流电路 *** 28

106 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共集电极电路 2 直流分析 B ( BB - BE )/ [ (1β) e ] β B 直流通路 E - E e - e 1 // 2 29

107 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共集电极电路 3 交流分析 交流通路 : 共集电极 30

108 3.6 基本放大电路的三种组态 交流通路 ---- 共集电极电路 4 交流分析 微变等效电路 31

109 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共集电极电路 5 放大倍数和输入电阻 1 中频电压放大倍数 A v o o r e (1 β ) ' L (1 β ) ' L 1 比较 E 和 组态放大电路的电压放大倍数公式, 它们的分子都是 β 乘以输出电极对地的交流等效负载电阻, 分母都是三极管基极对地的交流输入电阻 2 输入电阻 : i 1 // 2 //[r e (1β) L )] 大 ' L L // e 32

110 基本放大电路的三种组态 ---- 共集电极电路 5 输出电阻将输入信号短路, 负载开路, 加, 信号源短路, 内阻保留 ' o β r r β r β β 1 ' // ' ' ) / ' )] ( ' /( ' ) [(1 ' // // ', ) ' /( ' ) / ' ( ) (1 ' s e e o o o e o s e o o 2 1 s s s e o e o o e 小用途?

111 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共基极放大电路 1 电路的构成??? 34

112 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共基极放大电路 2-- 交流和直流通路 交流通路 35

113 3.6 基本放大电路的三种组态 ---- 共基极放大电路 3-- 微变等效电路 e 36

114 基本放大电路的三种组态 ---- 共基极放大电路 4-- 性能指标 3 输出电阻 o e L e L v r r A ' / ' i o β β 1 电压放大倍数 β β β 1 // 1 // ) (1 / e e e i i i r r r e e 2 输入电阻

115 3.6 基本放大电路的三种组态 -- 三种组态电路比较 共射电路 : 电压和电流放大倍数均大, 输入输出电压相位相反, 输入和输出电阻适中 常用于电压放大 ; 共集电路 : 电压放大倍数是小于且接近于 1 的正数, 具有电压跟随特点, 输入电阻大, 输出电阻小 常作为电路的输入和输出级 ; 共基电路 : 放大倍数同共射电路, 输入电阻小, 频率特性好 电流放大系数接近于 1, 电流跟 38 随器 常用作宽带放大器

116 PNP 晶体管放大电路举例 直流偏压和电流的方向与 NPN 晶体管相反 ( 镜像 ), 其他的基本一致 39

117 The End of Part 40

118 第三章 双极结型三极管及其放大电路 -----Part 吉林大学电子科学与工程学院 2013 年 10 月

119 3.6 组合放大电路 -1 1 共发- 共基组合放大电路 理想的电压放大器 : 输入电阻无穷大, 输出电阻为零的放大器 -- 共集放大器相似 ; 理想的电流放大器 : 输入电阻为 0, 输出电阻为无穷大的放大器 -- 共基放大器相似 而共发射极放大器既有电压增压, 又有电流增益, 但是其输入电阻和输出电阻和理想放大器相差较大, 须组合达到理想放大器相似的性质

120 3.6 组合放大电路 -2 v v i i c 0 e 0 e 1 v e v o o

121 3.6 组合放大电路 -3 交流回路

122 3.6 组合放大电路 v v o o i i o v A A v v v v v v A ) ( ' 1 β β β e e e L A r r r v ' ) ( e L c e L v r r A β β ) ( ) ( ) 1 ( e L e L e e A r r r r v β β β β e e i i r r i o 2

123 3.6 组合放大电路 -5 2 共集 - 共集放大电路 放大倍数更接近 1, 输入电阻更大, 输出电阻更小

124 采用复合管 -- 提高放大倍数和输入电阻 B β c e β 1 β 2 T 2 T B B β β β β 1) ( ) ( β β β β β β B B B β β 1 β 2 所以 ) 1 ( e e e r r r r e β β

125 采用复合管 -- 提高放大倍数和输入电阻 -2 NPNNPNNPN PNPPNPPNP NPNPNPNPN PNPNPNPNP

126 采用复合管 -- 提高放大倍数和输入电阻 -3

127 入放大电路输多级放大器 -- 与级之间的耦合方式 第一级 放大电路 1 多级放大器所考虑的问题 (1) 级间耦合 ; 即信号的传送 (2) 估算整个放大器的放大倍数 ; 第 n 级放大电路 输出第二级 (3) 频率响应 2 耦合方式: 直接耦合 ; 阻容耦合 ; 变压器耦合 ; 光电耦合 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

128 多级放大器的电路形式 -1

129 多级放大器的电路形式 -2 U (24) 1M 2 82k 10k 1 3 T 1 T 2 S L U S 20k U i E1 27k 3 43k E2 8k 10k E U o 前级 后级

130 3.7 基本放大电路的频率响应 频率失真 : 幅度失真和相位失真 幅度频率特性 : 幅频特性是描绘输入信号幅度固定, 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律 即 A o /i f ( ω ) 相位频率特性 : 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律 即 A o i f ( ω)

131 3.7.1 电路的频率响应 低通滤波电路 A v o i 1 jω 1 jω 1 1jω 令 : f ωh 1 1, ( ωh 2π 2π H ), 上限截止频率

132 3.7.1 电路的频率响应 -2 A 1 v 1j ω 1 ω 1j ω H 1 1j f f H A v 1 1 f f H 2 幅频特性 φ tg 1 f f H tg 1 f f H 相频特性

133 3.7.1 电路的频率响应 -3 A v 1 1 ( f ) f H φ tg -1 (- ) -tg -1 2 H H f f ( f f ) 当 f << f H 时 A v φ 1 0 o 当 f >> f H 时 Av 0 φ 90 o 当 f f H 时 Av 1 2 o φ

134 3.7.1 电路的频率响应 -4 当波特图 f f 20lg A v (db) H 时, 相频特性将滞后 45, 并具有 -45 /dec -3dB的 0.1fH fh 10fH 斜率 在 0.1 f H 和 10 f H 处与实际的相频特性有最大的误 0 f 差, 其值分别为 5.7 和 幅频特性这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图 -20, 是分 -20dB/ 十倍频析放大电路频率响应的重要手段 -40 幅频特性的 X 轴采用指数坐标 φ fH,Y 轴采用对数坐 fh 10fH f 标,f 0 相频特性 H 称为上限截止频率 当 f >> f H 时, 幅频特性将以十倍频 20dB 的斜率下降, 或写成 -20dB/dec 在 f f H 处的误差最大 -45, 有 dB

135 3.7.1 电路的频率响应 高通滤波电路 Av 1 jω 令 : f 1, L 2 π A v jω 1j ω 下限截止频率 f j jω f L 1 j f 1 ω 1j jω f L

136 3.7.1 电路的频率响应 -6 高通滤波电路频率响应 : 幅频 : Av 1 1 ( f f L ) 2 相频 :φ c tan -1 ( f f L ) 当 f << f L 时 A v 0 φ 90 o 当 f f L 时 当 f >> f L 时 1 Av o φ 45 Av 1 φ 0 o

137 3.7.1 电路的频率响应 -7 波特图幅频特性 20lg A v (db) 0.1fL f L 10fL dB/Ê ± Ƶ -40 φ f 相频特性 f

138 3.7.2 三极管的高频等效模型 1 模型的引出 : e r e r r c r c r e c e c ' e :2~10pF : 几十到几百 pf ' c

139 3.7.2 三极管的高频等效模型 -1 形高频小信号模型

140 3.7.2 三极管的高频等效模型 -2 模型中参数的获得 低频时两个模型的比较 : r r r r (1 β ) T r r r e ' ' e ' e 0 ' e ' e E

141 3.7.2 三极管的高频等效模型 -3. 模型中用 g m 'e 代替 β, 这是因为 β 本身就与频率有关, 而 g m 与频率无关. g m i v ' B E E β r 0 ' e EQ T 约几十 ms, 见 P161

142 3.7.2 三极管的高频等效模型 三极管的频率参数 f β 和 f T F β :BJT 的共射极截止频率, 表示 β 下降到 β 0 时的信号频率, 决定于管子的结构 f T : 频率增大使 β 下降到 0dB ( β 1) 时的频率, 称为特征频率 f β f T 0 β

143 3.7.2 三极管的高频等效模型 三极管的频率参数 f β 和 f T 当 20lgβ 下降 3dB 时, 频率 f β 称为共发射极接法的截止频率 当 β1 时对应的频率称为特征频率 f T, 且有 f T β0f β

144 3.7.3 基本共射电路的频率响应 密勒电容 : 在简化混合 π 型模型中, 因存在 c, 对求解不便, 可通过单向化处理加以变换

145 3.7.3 基本共射电路的频率响应 -2 用输入侧的 µ 和输出侧的 µ 两个电容分别代替 c, 但变换前后相关电流不应变

146 3.7.3 基本共射电路的频率响应 -3 ' ' 利用米勒定理, 令放大倍数 A g, 则 : A ' ' (1 ) µ ' c µ '' (1 ) ' ' c A 1 m L

147 单级基本共射极放大电路的波特图 全频段放大倍数波特图

148 放大电路的增益带宽积 带宽 : f BW f H - f L f H 增益带宽积 : A f H 2 π ( r )[ (1 ' ' s g e m ' L g m ' L ) ' c ] 三极管一旦选定, 带宽增益积就确定下来, 放大倍数增大多少倍, 带宽就减少多少倍

149 本章总结 三极管结构及其工作原理 ; 放大电路的静态 动态 ; 直流通路 交流通路 ; 静态工作点估算 ; 放大电路的图解分析 ( 静态 动态 ); 三极管小信号模型及微变等效电路分析法 ; 共射 共集 共基电路分析及性能比较 ; 三极管高频模型及共射电路的频率响应

150 好玩的图片 : 人到底是站 在哪里呢?

151 附录 -- 密勒定理 -1 i - Z K o - i - Z K Z 1 2 o - - Z - K Z i o i i 1- i K Z i Z Z 1- K 1

152 密勒定理 -2 Z K Z K Z o o o o i Z K Z o Z Z Z i - o - K K i - o - 1 2