ICTQ Question 6

電子學有效教學示範 ( 電晶體小訊號分析 ) 主講人 : 古紹楷指導教授 : 戴建耘 Psntaton By Tzu-W Chn 1 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

重點闗鍵詞 : 小訊號分析 英文闗鍵詞 :small sgnal analyss 教學重點 : 1. 學生能了解電晶體交流等效電路 2. 學生能理解小訊號分析步驟 3. 學生能利用等效模型分析電晶體的電壓增益, 電流 增益 輸入阻抗 輸出阻抗等重要參數 學習常見問題 : 學生無法有效運用小訊號模型, 分析電晶體放大電路電壓增益, 電流增益 輸入阻抗 輸出阻抗等重要參數 2 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(1) 常用的電晶體組態 : 共射極組態和共集極組態 (2) 構成元件 : 基極交流電阻 π 和集極電流 (3) 基極交流電阻定義 v VT I (4) 集極電流定義 β BQ ( 基極交流電阻 ) ( 集極電流 ) 3 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(1) 常用的電晶體組態 : 共基極組態 (2) 構成元件 : 射極交流電阻 和集極電流 (3) 射極交流電阻定義 v VT IQ 1 β (4) 集極電流定義 ( 集極電流 ) ( 射極交流電阻 ) α 4 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(1) 找電晶體工作點, 求出直流偏壓電流 I BQ (2) 計算小訊號模型相關參數 或 (4) 分析放大電路的交流特性 (3) 轉化小訊號模型等效電路 5 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(1) 電路結構 :V 和 Vo 接地端均為射極, 以射極為共用接地端, 故稱為共射極放大電路 (2) 直流偏壓 IBQ 固定偏壓共射極放大電路圖 I BQ V CC V B B V CC (3) 參數解出混合 π 型小訊號模型參數 VT, VT 25mv I BQ B 6 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

, 電路轉化為 π 模型 (4) 轉化小訊號等效電路 : (a) 直流電壓源以接地取代, 直流電壓源以短路取代 (5) 交流特性分析 (a) 輸入阻抗 Z 電流 源開電阻無限大路 V () 輸出阻抗 Z Z B // o // o 7 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty () 電壓增益 : (d) 電流增益 : 8 o v V V A o A B B o B B Z 反相需加負號

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty (1) 電路結構 : 射極有接, 但未接旁路電容 C 9 輸入阻抗 : 輸出阻抗 : B V Z o o Z // 轉化為 π 型小訊號等效電路 B B Z Z V Z // ) 1 ( ) 1 ( ) 1 (

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 電壓增益 : 電流增益 : 10 o v V V A ] ) (1 [ B B o A 共射極放大電路 π 模型等效電路 ) 1 ( o ) (1 ) ( ) (1 ) (

電路結構 : 信號由基極輸入, 再由射極輸出, 集極為共用端 轉化為 π 型小訊號等效電路 11 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 輸入阻抗 : 12 B B Z Z V Z // ) 1 ( 共集極 π 模型等效電路

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 輸出阻抗 : 先移去輸入信號 ( 令 v=0), 利用外加電源法, 求 o 13 T 模型 模型 ) ( 模型 T V s s s s o ) ( 1 1 模型 V s s s s o

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 14 1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 o v V V A 共集極放大器 π 模型等效電路

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 15 B B B B o o Z A ) (1 ) (1 共集極放大器 π 模型等效電路

轉化為 T 模型小訊號 電路結構 : 等效電路由射極輸入信號, 再由集極輸出, 基極為共用端, 以 T 模型等效電路求解 16 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 17 輸入阻抗 : 輸出阻抗 : Z Z V Z // // o o Z // 共基極放大器 T 模型等效電路

Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty 18 電壓增益 : 電流增益 : 共基極放大器 T 模型等效電路 o v V V A o o A

一 電晶體交流分析 計算電晶體放大器的參數, 例如輸入阻抗 輸出阻抗 電壓增益 電流增益, 以了解電晶體放大器的交流特性 二 電晶體小訊號等效電路 電晶體交流分析時所使用的小訊號模型等效電路, 目前常用的有三種, 分別是混合 h 參數小訊號模型 混合 π 型小訊號模型和 T 型小訊號模型三種等效電路 19 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

元件名稱 電容 C 元件符號 直流分析等效 1 1. X 2f 2直流 f 0 3.X 直流分析口訣 電容於直流分析可視為開路 交流分析特性 1 1. X 2f 2 交流 f 3. X 0 交流分析口訣 電容於交流分析可視為短路 電晶體 基極 - 射極間電壓為 0.7V 以小訊號模型取代 直流電壓源 Vs 交流電壓源 V Vs 交流電壓源於直流分析 20 視為短路 交流分析直流電壓源視為短路 V Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

名稱公式定義 射極交流電阻 基極交流電阻 爾利電阻 因為 1 β 1 β o v v V I A V I T V I T B 由射極 () 端看入的小信號輸入電阻 由基極 (B) 端看入的小信號輸入電阻 由集極 (C) 端看入的電阻, 所以唸作 大 π 小 幫助記憶 21 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

B C v (a) 從基極看入的電阻為 π () 從射極看入的電阻為 口訣一 電晶體由基極 (B) 端所看進去的交流電阻為 π 口訣二 電晶體由射極 () 端所看進去的交流電阻為 22 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

由小訊號模型可知 π 和 視為串聯, 二電阻流過電流必須相等, 所以將 電阻的電流 調整為, 而 和 差 (1+β) 倍, 可得 需乘以 (1+β) 倍 口訣三 由電晶體基極看入時, 射極端電阻 放大 (1+β) 倍 由基極看入, 射極端電阻 放大 (1+β) 倍, Z=π + 1 + β Z 串聯 23 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

依小訊號模型可知流過 π 的電流為, 若將 π 的電流 調 整為, 因為 為 的 1 倍, 所以 π 需除以 (1+β) 倍 1+β 口訣四 由電晶體射極看入時, 基極端電阻 π 縮小 (1+β) 倍 I = 1+β 24 由射極看入, 基極端電阻 π 縮小 (1+β) 倍, 可得 o= π 1+β Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

名稱公式定義 共射極放大器 C 電流增益 C B 集極電流與基極電流的比值 共基極放大器 CB 電流增益 C 集極電流與射極電流的比值 共集極放大器 CC 電流增益 1 B 射極電流與基極電流的比值 25 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

經過原理講解後, 電壓增益可歸納為如下表格 名稱 電壓增益 共射極放大器 (C) ( 反相放大 ) Z 共集極放大器 (CC) ( 1 ) Z 共基極放大器 (CB) Z 輸出電流流過電阻口訣五 Av 定義電流增益 Z 26 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

四 經過原理講解後, 電流增益可歸納為 名稱 共射極放大器 (C) 共集極放大器 (CC) 共基極放大器 (CB) 口訣六 A 電流增益 B B Z B ( 1 ) B Z Z 定義電流增益 輸入端電阻分流 27 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

開路 z o 一 輸入阻抗 1. 電容短路, 直流電壓源接地 2. 利用口訣一 電晶體由基極 (B) 端所看進去的交流電阻為 π 3. 可得 z z // 二 輸出阻抗 B z z 1. 理想電流源電阻無限大, 等效開路 2. 由集極端看的輸出電阻 Zo= 28 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

三 電壓增益 ( 一 ) 電容短路, 直流電壓源短路接地 ( 二 ) 畫出小訊號模型參考( 若為選擇題, 可省略 ) ( 三 ) 定義電流增益 = 流出電晶體電流 流入電晶體電流 ( 四 ) 利用口訣五 Av ( 五 ) 可得 Av 輸出電流流過電阻 定義電流增益 Z 29 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

四 電流增益 ( 一 ) 電容短路, 直流電壓源短路接地 ( 二 ) 畫出小訊號模型參考 ( 若為選擇題, 可省略 ) ( 三 ) 利用口訣六,A= 定義電流增益 B ( 四 ) 可得 B A B 30 B+Z Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

z 一 輸入阻抗 z ( 一 ) 畫出小訊號模型參考 ( 若為選擇題, 可省略 ) ( 二 ) 依口訣一 : 射極電阻 反射至基極需乘上 (1+ β) 倍, 再和 π 串聯 ( 三 ) 可得 二 輸出阻抗 B z ( 1 ) z o 31 Z //[ (1 β) ] Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

三 電壓增益 Av ( 一 ) 畫出小訊號模型參考 ( 若為選擇題, 可省略 ) 輸出電流流過電阻 A v Z 三 電流增益 A B B 依口訣 A B Z B ( 1 ) ( 二 ) 依口訣 32 ( 1 ) Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

z z z 一 輸入阻抗 反射至射極端, 需乘上 (1+β); 倍 ( 一 ) 畫出小訊號模型參考 ( 若為選擇題, 可省略 ) ( 二 ) 依口訣一 : 射極電阻 反射至基極需乘上 (1+ β) 倍, 再和 π 串聯 ( 三 ) 可得 B z ( 1 ) Z //[ (1 β) ] 33 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

π 反射至射極需除以 (1+ β) 倍 o o 二 輸出阻抗 ( 一 ) 畫出小訊號模型參考 ( 若為選擇題, 可省略 ) ( 二 ) 輸入信號 V 短路接地,B 無作用,=0, 集極電流源 β 開路 ( 三 ) 依口訣 : 基極電阻 π 反射至射極需除以 (1+ β) 倍, 再和 並聯 ( 三 ) 可得 o 1 Zo Z // 1 o 34 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

三 電壓增益 ( 一 ) 畫出小訊號模型 ( 二 ) 利用口訣, A 定義電流增益 流出電晶體電流 ( 三 ) 定義電流增益 = 流入電晶體電流 ( 四 ) 可得電壓增益 v A v (1 ) 輸出電流流過電阻 Z 1 (1 ) 35 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

四 電流增益 ( 一 ) 畫出小訊號模型 ( 二 ) 利用口訣, A 定義電流增益 ( 四 ) 可得電流增益 v B Z B 流出電晶體電流 1 B Av (1 ) B (1 ) ( 三 ) 定義電流增益 = 流入電晶體電流 36 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

z z 一 輸入阻抗 : ( 一 ) 將電路轉成小訊號模型 ( 二 ) 利用口訣, 從射極看入的電阻為, 因此 ( 三 ) 可得 Z // 二 輸出阻抗 :Zo= z 37 z z Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

三 電壓增益 ( 一 ) 畫出小訊號模型 ( 二 ) 利用口訣, A 定義電流增益 流出電晶體電流 ( 三 ) 定義電流增益 = 流入電晶體電流 ( 四 ) 可得電壓增益 v A v 輸出電流流過電阻 Z 38 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

一 如下圖所示電路, 信號源具有電阻 s, 已知 β= 90,π=2kΩ, vo 試求由信號源看入之輸入阻抗 Zs 輸出阻抗 Zo 及電壓增益 Av ( ) vs 為多少? V CC 20V 1 90k C 5k C o S s C v o v s 0.4k v 2 10k 1k C 轉為 π 模型 ZS Zo (1) 畫出小信號等效電路 (2) 從基極看入的電阻為 π Z=(1//2)//π=90k//10k//2k=1.6kΩ (3) Zs=Z+s=1.6kΩ+0.4kΩ=2kΩ 39 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

一 如下圖所示電路, 信號源具有電阻 s, 已知 β= 90,π=2kΩ, vo 試求由信號源看入之輸入阻抗 Zs 輸出阻抗 Zo 及電壓增益 Av ( ) vs 為多少? V CC 20V I=0 v s S 0.4k s v C 1 2 90k 10k C 5k 1k C o C v o 轉為 π 模型 電流源開路 ZS Zo (1) 畫出小信號等效電路 (2) 將信號源移去,V=0,=0,β = 0 集極電流源開路, 電阻無限大 (3)Zo=// = 40 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

V CC 20V 1 90k C 5k C o S s C v o v s 0.4k v 2 10k 1k C 轉為 π 模型 ZS Zo (1) 畫出小信號等效電路 Vo 輸出電流流過電阻 (2) 利用口訣, Av 定義電流增益 V Z (3) 定義電流增益 = 輸出電晶體電流 輸入電晶體電流 5K (4) 電壓增益 Av= 90 225 2K Vo Vo V Z 1.6k (5) 總電壓增益 Avs= 225 225 180 Vs V Vs Z s 1.6k 0.4k 41 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

如圖所示電路,β=100,B=100kΩ,=1kΩ,V=10V, 求放大電路的 Z,Zo,Av,A? IB (1) 先分析直流偏壓電路求 IB V VB IB B ( 1 ) 10 0.7 100K (1 100)(1k ) 0.046mA V I T B 25mV 0.046mA 0.54k 42 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(2) 畫小信號等效電路 (3) 依口訣, 射極電阻 反射至基極需乘上 (1+β) 倍 Z B //[ (1 ) ] 100k //[0.54k (1 100)(1k )] 50k 43 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(1) 畫小信號等效電路 (2) 依口訣, 基極電阻 π 反射至射極需除以 (1+β) 倍 Zo // 0.54k 5 1 1 1100 44 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(2) 畫小信號等效電路 Vo 輸出電流流過電阻 (3) 利用口訣, Av 定義電流增益 V Z 輸出電晶體電流 (4) 定義電流增益 = 1 輸入電晶體電流 (5) 電壓增益 Av= 1K (1 ) 101 1 (1 ) 101.54K 45 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

(2) 畫小信號等效電路 B (3) 利用口訣, A 定義電流增益 Z B 輸出電晶體電流 (4) 定義電流增益 = 1 輸入電晶體電流 B (5) 電壓增益 A= (1 ) 100K 101 B (1 ) 100K 100k 50 46 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty

如圖所示, 假設電晶體 β=79, 則電路之輸入阻抗 約為 (A)80(B)40(C)30(D)120kΩ 一 依口訣一 : 由電晶體基極看入時, 射極端電阻放大 (1+β) 倍 二 射極端電阻為 1k//1k, 反射至基極為 z1=(1+β)(1k//1k) 三 =120k//z1=30kΩ 47 Dpatmnt of Industal duaton Natonal Tawan Nomal Unvsty