武汉理工大学模电课件第3章三极管放大电路

1、第三章 双极型三极管及其放大电路,信息工程学院 电子技术基础课程组,2019/4/21,3.双极型三极管及其放大电路,双极型三极管(BJT) 基本共射极放大电路 放大电路的分析方法 放大电路静态工作点的稳定问题 共集电极放大电路和共基极放大电路 组合放大电路* 放大电路的频率响应 单级放大电路的瞬态响应*,主要内容,知识点,作业,http:/en.wikipedia.org/wiki/BJT,小结,2019/4/21,本章主要内容,半导体三极管的结构、工作原理、电流分配关系、特性曲线 三极管放大电路的组成、放大电路的分析方法 先静后动 静态分析估算法、图解分析法求Q点 动态分析图解法、小信号模型法求AV、Ri、Ro 分析放大电路三种组态：共射、共集，共基。并进行比较。 放大电路的重要指标频率响应和带宽。,2019/4/21,知识点,NPN管 PNP管 半导体三极管的放大条件 放大作用 共射电流放大系数 共基电流放大系数 输入、输出特性 交、直流通路 直流负载线 静态工作点 交流负载线 放大区 饱和区 截止区 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 共射、共基、共集 幅频响应 相频响应 转折频

2、率 频率失真 低通电路 高通电路 波特图 高频响应 低频响应 带宽,2019/4/21,半导体BJT,一、结构简介(Semiconductor Bipolar Junction Transistor),分类,按频率：高频管、低频管,按功率：大、中、小功率管,按材料：硅管、锗管,按结构：NPN型、PNP型,二、放大状态下BJT的工作原理,三、BJT的V-I 特性曲线,四、BJT的主要参数,五、BJT的选型(自学P3941),六、温度对BJT参数及特性的影响,2019/4/21,e 发射极 emitter,c 集电极 collector,JE 发射结,晶体管内部结构（NPN）,N 集电区,N 发射区,P 基区,b 基极 base,JC 集电结,基区：薄(微米量级)，掺杂度低 传输电子（非平衡少子）,发射区：掺杂度很高 向基区发射电子（多子）,集电区：面积大，掺杂度比发射区小 收集电子（多子）,箭头方向代表发射结正偏情况下，发射极电流的实际方向,2019/4/21,晶体管内部结构（PNP）,基区：薄(微米量级)，掺杂度低 传输空穴（非平衡少子）,发射区：掺杂度很高 向基区发射空穴（多子）,集

3、电区：面积大，掺杂度比发射区小 收集空穴（多子）,箭头方向代表发射结正偏情况下，发射极电流的实际方向,2019/4/21,放大状态下BJT工作原理,在不同偏置条件下的四种工作状态,BJT内部载流子传输过程,BJT的电流分配关系,BJT在放大电路中的应用举例,思考题,三极管正常放大的内部条件与外部条件,2019/4/21,发射区中的多子向基区扩散,形成发射极电流IE,非平衡少子在基区扩散与复合,形成复合电流IBN,集电区收集载流子,形成集电极电流IC,载流子传输过程,2019/4/21,电流分配关系,2019/4/21,应用举例,BJT放大电路的三种连接方式,BJT具有放大作用的条件 内部条件：基区薄，掺杂度很低；发射区掺杂度高，结面积小；集电区掺杂低于发射区，结面积大。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏（基本原则）。,2019/4/21,三种连接方式,基极,集电极,发射极,公共端,电压,电流,电压、电流,放大作用,集电极,发射极,共基组态,发射极,基极,共集组态,集电极,基极,共射组态,输出端,输入端,2019/4/21,BJT工作原理思考题,思考题,1. 保证三极管处于放大的工作状态

4、，其外部条件是什么？,2. 一个三极管和两个背靠背相接的二极管有什么区别？,3. 三极管放大电路有哪几组状态，每组状态电路特点？,4. 共基电路有无电流电压放大作用？共射电路呢？,5. 为什么说三极管是电流控制器件，三极管的电流分配关系怎样？,2019/4/21,BJT的V-I 特性曲线,共射电路中BJT的特性曲线 输入特性曲线 输出特性曲线,非线性元件，常借助于伏安特性来描述,指数方程，直接求解难度大，常采用直观方法（特性曲线）,三个电极，特性曲线需要两张图来表达 a）输入特性曲线（输入回路的伏安特性） b）输出特性曲线（输出回路的伏安特性）,共基电路中BJT的特性曲线,2019/4/21,共射输入特性曲线,输入特性,2019/4/21,共射输出特性曲线,输出特性,b.起始部分很陡,d.曲线比较平坦的部分，随vCE增加略上翘。,特点：,a.各条曲线形状相似,c.输出特性当超过一定值时（约1V），变得平坦,三个工作区域,2019/4/21,三个工作区域,饱和区,放大区,截止区,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE0.7 V。此时发射结正偏，集电结也正偏;ICiB; VCE=

5、 VCES0.3V,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结偏置0.7，集电结反偏; IB0，IC0 , CE极间开路。,放大区曲线基本平行等距。此时，发射结正偏0.7V ，集电结反偏; IC=IB 该区中有：,2019/4/21,共基特性曲线,共基电路的特性曲线,输入特性,输出特性,2019/4/21,BJT的主要参数,电流放大系数（分交、直流两种情况） 极间反向电流 极限参数 a）集电极开路时，V（BR）EBO b）发射极开路时，V（BR）CBO c）基极开路时，V（BR）CEO d）ICM（IC增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的IC称为集电极最大允许电流ICM。） e）集电极最大允许功率耗散PCM,2019/4/21,电流放大系数,共基极电流放大系数：,一般取3080之间,共发射极电流放大系数：,2019/4/21,极间反向电流,（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到的反向电流。本质：PN结的反向（饱和）电流。 其大小与温度有关。,（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到

6、发射极间的电流穿透电流 。 其大小与温度有关。,锗管：微安数量级， 硅管：纳安数量级。,2019/4/21,晶体管的安全工作区,V (BR)CEO,ICM,PCM,不安全区,安全区,等功耗线PC = PCM = vCEiC,2019/4/21,三极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名如下（GB249-74）：,3DG6C,用数字表示序号。,器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管，U为光电管，X为低频小功率管，G为高频小功率管，D为低频大功率管，A为高频大功率管，3DJ为场效应管，BT打头为半导体特殊器件。,器件的材料，A为PNP型Ge，B为NPN型Ge， C为PNP型Si， D为NPN型Si。,3代表三极管。,目前电子制作中常用90xx系列。,用汉语拼音表示规格号，表明规格参数。,2019/4/21,基本共射极放大电路,二、电路组成(P49例3.4.2) 三极管 偏置电路 输入、输出电路,一、BJT放大原理(P9899 3.3.1、3. 3.2),三、电路习惯画法、交流通路和直流通路,四、工作原理,2019/4/21,+vCE,BJT放大原理,vCE(iCRc）,放大原理：

7、,vBE,iB,iC（iB）, vo,电压放大倍数：,vi,三极管工作在放大区的基本原则： 发射结正偏， 集电结反偏。,+iB,+iC,+vBE,共发射极接法,静态与动态工作状态,2019/4/21,电路组成1,信号的输入输出电路 以正弦波为标准输入信号 在实际应用中，正弦波容易识别。 任何周期信号或非周期信号都可以用不同频率正弦波的叠加来表达。 信号从输入端加入，经电路放大后，推动负载。 电路的直流信号不影响输入输出的交变信号。 要求信号能顺畅的输入输出。 大电容隔直流通交流 信号分别通过一个电解电容（容量要大）输入、输出电路。注意，电解电容有正负极，在接入电路时要将其正极靠近电源正极。,2019/4/21,电路组成2,基极电源与基极电阻，使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和vBE。,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,集电极电阻RC，将变化的电流转变为变化的电压。,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,2019/4/21,电路组成3,耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F50F 作用：隔直通交。隔离输入输出与电路直流偏置的联系，同时能

8、使信号顺利输入输出。,2019/4/21,习惯画法和交、直流通路,+,+,交流通路动态分析:,小内阻的直流电压源、较大容量的电容等视作短路,大内阻的直流电流源、大电感等视作开路,2019/4/21,放大电路的分析方法,二、小信号模型分析法（例题） 思路：非线性特性的线性化 应用条件：低频小信号 BJT的参数模型及简化模型 用小信号模型分析共射极放大电路 其他电路组态的小信号模型*,一、图解分析方法（例题） 静态分析 动态分析 非线性失真与静态工作点的关系,低频 “大”信号 不能求动态指标,2019/4/21,图解分析法(静态分析),直流负载线：VCE=VCCICRC,由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q,Q,IB,静态VCE,静态IC,2019/4/21,图解分析法（动态分析）,图解的交流放大原理（假设输出开路）,Q,假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 vi,静态工作点,注意：vce与vi反相！,2019/4/21,图解动态分析,1）信号是交直流共存：,2）虽然交流量可正负变化，但瞬时量方向始终不变,3）输出vo与输入vi相比，幅度被放大了，频

9、率不变，但相位相反。,2019/4/21,图解动态分析,考虑负载的影响 a）静态工作不受影响？ b）交流通路有所不同,交流负载线,2019/4/21,交流负载线,Q,IB,交流负载线,直流负载线,斜率为-1/RL 。 （ RL= RLRc ）,经过Q点。,交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。,空载时，交流负载线与直流负载线重合。,2019/4/21,非线性失真与静态工作点的关系1,a）Q点过低信号容易进入截止区：截止失真,2019/4/21,非线性失真与静态工作点的关系2,b）Q点过高信号容易进入饱和区：饱和失真,c）为减小和避免非线性失真，必须合理设置Q点。,最大不失真输出,2019/4/21,图解例题,2019/4/21,BJT的共射低频H参数模型1,H参数的引出,根据网络参数理论：,求微小变化量（全微分）：,小信号,2019/4/21,BJT的共射低频H参数模型2,各 H参数的物理意义,输出端交流短路时的 输入电阻，rbe，103。,输入端交流开路时的反向电压传输比，r，10-310-4。,输出端交流短路时的电流放大 系数，102。,输入端交流开路时的输出电导，1/rce，10-5S。,简化模型,2019/4/21,各h参数的物理意义1：,2019/4/21,各h参数的物理意义2：,2019/4/21,各h参数的物理意义3：,2019/4/21,各h参数的物理意义4：,2019/4/21,简化模型H参数的确定,求静态工作点,求静态工作点处,2019/4/21,小信号模型与共射电路动态分析,步骤1：确定静态工作点 为什么是？ 如何求？,直流通路静态分析,图解法或估算法EQ,步骤2：估算微变电阻rbe,2019/4/2

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