第四章康光华模电第五版

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,,4,双极结型三极管及放大电路基础,4.1 BJT,4.3,放大电路的分析方法,4.4,放大电路静态工作点的稳定问题,4.5,共集电极放大电路和共基极放大电路,4.2,基本共射极放大电路,4.6,组合放大电路,4.7,放大电路的频率响应,*4.8,单级放大电路的瞬态响应,4.1 BJT,4.1.1 BJT,的结构简介,4.1.2,放大状态下,BJT,的工作原理,4.1.3 BJT,的,V,-,I,特性曲线,4.1.4 BJT,的主要参数,4.1.5,温度对,BJT,参数及特性的影

2、响,,半导体三极管有两大类型，,,一是,双极型,半导体三极管,(BJT),,二是,场效应,半导体三极管,(FET),,双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个,PN,结组合而成，是一种,CCCS,器件,。,,场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种,VCCS,器件,。,,,,(a),小功率管,(b),小功率管,(c),大功率管,(d),中功率管,4.1.1 BJT,的结构简介,,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型,:,NPN,型和,PNP,型。,,,,,,,,,两种类型的三极管,发射结,(Je),,集电结,(Jc),,基极,，,用,B,或,b,表示

3、（,Base,）,,发射极,，,用,E,或,e,,表示（,Emitter,）；,集电极,，,用,C,或,c,,表示（,Collector,）。,,发射区,集电区,基区,三极管符号,发射极的箭头代表发射极电流的实际方向,。,,集成电路中典型,NPN,型,BJT,的截面图,,结构特点：,•,发射区的掺杂浓度最高；,•,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,•,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,,,,管芯结构剖面图,发射极、集电极不能互换。,4.1.2,放大状态下,BJT,的工作原理,,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。,1.,三极管放大条件,

4、,内部条件：,发射区杂质浓度大，集电区杂质浓度低，基区窄，杂质浓度低。,,外部条件：,发射结正偏，集电结反偏。,2.,内部载流子的传输过程（三极管的放大原理）,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,,以,NPN,型三极管的放大状态为例，来说明三极管,内部的电流关系,，见下图。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,EN,I,CN,,I,EP,,,I,CBO,,I,E,,I,C,I,B,I,BN,1.,内部载流子的传输过程,,,①,发射区向基区注入电子,,发射结正偏，从发射区将有大量的电子向基区扩散

5、，形成的电流为,I,EN,。与,PN,结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为,I,EP,。与电子流相比，这部分空穴流可忽略不计。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度,。,I,E,=I,EN,+I,EP,≈I,EN,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,EN,I,CN,,I,EP,,,I,CBO,,I,E,,I,C,I,B,I,BN,,,②,电子在基区中的扩散和复合,,电子流扩散到基区后，出现,少数,电子填充空穴的复合运动（因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少）。又因基区很薄，在集电结

6、反偏电压的作用下，,大多数,电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上积累起来。,在基区被复合的电子形成的电流是,I,BN,。,电子空穴复合得越多，到达集电极的电子就越少，故要减少复合（基区薄，杂质浓度低）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,EN,I,CN,,I,EP,,,I,CBO,,I,E,,I,C,I,B,I,BN,,,③,集电极收集扩散过来的电子,,在集电结反偏电压的作用下，运动到集电结的边上的电子，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流,I,CN,。另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形

7、成漂移电流,I,CBO,（,值很小，但受温度影响大,）。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,EN,I,CN,,I,EP,,,I,CBO,,I,E,,I,C,I,B,I,BN,I,E,=,I,EN,+,I,EP,,且,I,EN,>>,I,EP,I,C,= I,CN,+I,CBO,,I,CN,= I,EN,,-,I,BN,,I,B,=,I,EP,+,I,BN,–,,I,CBO,,=,I,EP,+,I,EN,,-,I,CN,,–,I,CBO,,=,I,E,,-,I,C,,注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子

8、流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流,,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,,,,以上看出，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),。,,于是可得如下电流关系式：,,,I,E,=,I,EN,＋,I,EP,≈I,EN,,且有,I,EN,>>,I,EP,,,I,EN,=,I,CN,+,I,BN,,且有,I,EN,>>,I,BN,,，,I,CN,>>,I,BN,,,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,,,I,B,=,I,EP,+,I,BN,－,I,CBO,≈

9、,I,BN,－,I,CBO,,,I,C,+,I,B,=,I,CN,+,I,CBO,,+,I,BN,－,I,CBO,=,I,E,动画,2.,电流分配关系,根据传输过程可知,I,C,=,I,NC,+,I,CBO,通常,,I,C,>>,I,CBO,I,E,=,I,B,+,I,C,放大状态下,BJT,中载流子的传输过程,I,B,=,I,BN,-,I,CBO,,,,为,共基极直流,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,,,= 0.90.99,,。,根据,I,B,=,I,BN,－,,I,CBO,I,C,=,I,CN,+,I,CBO,且令,I,CEO,= (1+,,

10、),I,CBO,（穿透电流）,,,是,共射极直流,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,,,,,>>,1 。,,,,α,称为共基极直流电流放大系数,,β,称为共发射极接法直流电流放大系数,,,不论三极管外电路任何连接，其电流分配关系是固定的。控制,I,E,或,I,B,，就能控制,I,C,,,在满足放大条件的情况下，由发射区发射的载流子只有极少部分在基区复合，绝大部分被集电区收集。在基区复合一个载流子，就有,β,个载流子被集电区收集。,I,C,= β I,B,+I,CEO,,I,B,=I,BN,+I,CBO,,I,E,= I,C,+I,B,结论,3.

11、,三极管的三种组态,(c),共集电极接法,，集电极作为公共电极，用,CC,表示。,(b),共发射极接法,，发射极作为公共电极，用,CE,表示；,(a),共基极接法,，基极作为公共电极，用,CB,表示；,BJT,的三种组态,,电路如何实现放大作用？,,,,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,,,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种,组态,。,,4.,放大作用,,放大电路是把电源提供的能量转化为变化的输出量，而输出量的变化是与输入量的变化成比例的。,,能量是由电源供给的。,,BJT,的一种最基本的应用就是把微弱电信号放大。,共基放大电路,,电路构成：,e,与,

12、b,构成输入回路；,c,与,b,构成输出回路。,①,当不外加交流信号时：,V,EE,I,E,输出,I,C,=αI,E,基极,I,B,=,（,1-α,）,I,E,输入回路中形成,②,当外加交流输入信号,Δv,I,时：,Δ,v,I,Δ,i,E,输出,Δi,C,=αΔi,E,基极,Δi,B,=,（,1-α,）,Δi,E,输入回路中形成,电路中交、直流并存，,,α,是共基极直流电流放大系数，,α,是共基极交流电流放大系数（在通常情况下，两者接近，可混用）。总的电流为交直流总和：,,,i,E,=I,E,+Δi,E,=I,E,+i,e,,i,C,=I,C,+Δi,C,=I,C,+i,c,,i,B,=I,B

13、,+Δi,B,=I,B,+i,b,,③,所谓放大是指交流的（信号的）输出放大,共基极放大电路,4.,放大作用,若,,v,I,= 20mV,电压放大倍数,使,,i,E,=,-,1 mA,，,则,,i,C,=,,,i,E,=,-,0.98 mA,，,,v,O,=,-,,i,C,•,,R,L,= 0.98 V,，,当,,= 0.98,时，,,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。,即,表现为很小的发射结电压的变化引起较大的电流变化。,不论哪种组态，其放大作用均是由于内部,固定的电流控制关系,产生的，因此，,BJT,被称为电流控制

14、器件。,,实现信号放大的两个条件是：,,（,1,）,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,。,,（,2,）,外部条件：,发射结正向偏置，集电结反向偏置。,1.,既然,BJT,具有两个,PN,结，可否用两个二极管相联以构成一只,BJT,，试说明其理由。,？,思 考 题,2.,能否将,BJT,的,e,、,c,两个电极交换使用，为什么？,3.,为什么说,BJT,是电流控制器件？,4.,可否依据,BJT,各极对地电位或各极电流判断处于放大状态下管子的类型？（硅？锗？,PNP,？,NPN,？）,例：工作在放大电路中的三极管,,三个电极对地电位分别为：,V,A,= 6V,、,V,B,=

15、11.3V,、,V,C,= 12V,，,,则三极管对应的电极是：,,A,为,,极、,B,为,,极、,C,为,,极。,,晶体管属,,型,,三极管；,集电,基,发射,PNP,硅,4.1.3 BJT,的,V,-,I,特性曲线,（以共射极放大电路为例）,,B,是输入电极，,C,是输出电极，,E,是公共电极。两条特性曲线（电压,-,电流关系曲线）是：,,输入特性曲线,——,i,B,=,f,(,v,BE,),,,,,输出特性曲线,——,i,C,=,f,(,v,CE,),,,,i,B,是输入电流，,v,BE,是输入电压，加在,B,、,E,两电极之间。,,,i,C,是输出电流，,v,CE,是输出电压，从

16、,C,、,E,两电极取出。,,i,B,=,f,(,v,BE,),,,v,CE,=const.,(2),当,v,CE,=1V,时，,v,CB,=,v,CE,,-,v,BE,>0,，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的,v,BE,下,I,B,减小，特性曲线右移。,,(1),当,v,CE,=0V,时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1.,输入特性曲线,,共射极连接,(3),当,v,CE,≥1V,后， 基本上与,v,CE,=1V,重合（发射区电子数目一定）,(4),输入特性曲线的三个部分,①,死区,,②,非线性区,③,线性区,,导通电压典型值：硅,0.7V,,,锗,0.2V,死

17、区电压典型值：硅,0.5V,,,锗,0.1V,导通后,v,BE,变化较小,i,C,=,f,(,v,CE,),,,i,B,=const.,2.,输出特性曲线,(2),v,CE,≥ 1V,后，集电区收集大部分电子，,i,C,随,v,CE,增加较,,少，曲线平坦。,(1),起始段，,v,CE,<1V, i,C,随,v,CE,增长较快。,(3),v,CE,继续增加，集电结反偏增大，空间电荷区加宽，基区变窄，被复合的电子减少，,i,C,增大，曲线略向上倾斜。（基区宽度调制效应）,饱和区：,i,C,明显受,v,CE,控制的区域，该区域内，一般,v,CE,＜,0.7V (,硅管,),。此时，,发射结正偏

18、，集电结正偏或反偏电压很小,。,输出特性曲线的三个区域,:,截止区：,i,C,接近零的区域，相当,i,B,=0,的曲线的下方。此时，,v,BE,小于死区电压,。,放大区：,i,C,平行于,v,CE,轴的区域，曲线基本平行等距。此时，,发射结正偏，集电结反偏,。,例,1,：,测量三极管三个电极对地电位如图,,所示，试判断三极管的工作状态。,,,放大,例,2,：用数字电压表测得,V,B,=4.5,,V,、,V,E,= 3.8,,V,、,V,C,=8,,V,，试判断三极管的工作状态,。,,(,1),共发射极直流电流放大系数,,,=,（,I,C,－,I,CEO,）,/,I,B,≈,I,C,/,I,B

19、,,v,CE,=const.,1.,电流放大系数,,4.1.4 BJT,的主要参数,,(2),共发射极交流电流放大系数,,,,,=,,i,C,/,,i,B,,v,CE,=const.,(,3),共基极直流电流放大系数,,,=,（,I,C,－,I,CBO,）,/,I,E,≈,I,C,/,I,E,,(,4),共基极交流电流放大系数,α,,,,α,=,,i,C,/,,i,E,,v,CB,=const.,,当,I,CBO,和,I,CEO,很小时， ≈,,、 ≈,,，可以不加区分。,,2.,极间反向电流,(1),集电极基极间反向饱和电流,I,CBO,,,,发射极开

20、,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,I,CEO,,I,CEO,=,（,1+,）,I,CBO,,(1),集电极最大允许电流,I,CM,(2),集电极最大允许功率损耗,P,CM,,P,CM,=,I,C,V,CE,,,3.,极限参数,(,3),反向击穿电压,,,V,(BR)CBO,——,发射极开路时的集电结反 向击穿电压。,,V,(BR) EBO,——,集电极开路时发射结的反 向击穿电压。,,,,V,(BR)CEO,——,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,,V,(BR)CBO,＞,V,(B

21、R)CEO,＞,V,(BR) EBO,4.1.5,温度对,BJT,参数及特性的影响,(1),温度对,I,CBO,的影响,温度每升高,10℃,，,I,CBO,约增加一倍。,(2),温度对,,的影响,温度每升高,1℃,，,,值约增大,0.5%~1%,。,(3),温度对反向击穿电压,V,(BR)CBO,、,V,(BR)CEO,的影响,温度升高时，,V,(BR)CBO,和,V,(BR)CEO,都会有所提高。,,2.,温度对,BJT,特性曲线的影响,1.,温度对,BJT,参数的影响,返回,曲线上移、间距加大,4.2,基本共射极放大电路,4.2.1,基本共射极放大电路的组成,4.2.2,基本共射极放大

22、电路的工作原理,放大的概念,,,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路,。,,,1.,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,。,,,2.,输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载,。,,放大电路的主要技术指标,正弦信号下的交流参数：放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带等。,4.2.1,基本共射极放大电路的组成,基本共射极放大电路,输入回路（基极回路）,输出回路（集电极回路）,,,三 极 管,T,——,起放大作用,。,,,负载电阻,R,C,——,将变化的集电极电流转换为电压

23、输出,。,,,偏置电路,V,BB,，,R,b,——,给电路提供一个合适的静态工作点,Q,，使三极管工作在线性区,。,,,耦合电容,C,1,，,C,2,——,“,隔直通交“,输入电容,C,1,保证信号加到发射结，不影响发射结偏置,。,输出电容,C,2,保证信号输送到负载，不影响集电结偏置,。,1.,电路组成,习惯画法动画,,共射极基本放大电路,2.,简化电路及习惯画法,,,,3.,简单工作原理,v,i,=0,v,i,=V,m,sin,,t,4.,放大电路的静态和动态,,静态：,输入信号为零（,v,i,= 0,或,i,i,= 0,）时，放大电路的工作状态，也称,直流工作状态,。,,动态：,输入信

24、号不为零时，放大电路的工作状态，也称,交流工作状态,。,,电路处于静态时，三极管各个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为,静态工作点,，常称为,Q,点。一般用,I,B,、,I,C,、和,V,CE,,（或,I,BQ,、,I,CQ,、和,V,CEQ,,）表示。,#,,放大电路为什么要建立正确的静态？,5.,直流通路和交流通路,直流通路,，,即能通过直流的通路。从,C,、,B,、,E,向外看，有直流负载电阻,R,c,,、,R,b,。,,,交流通路,，,即,能通过交流的电路通路。如从,C,、,B,、,E,向外看，有等效的交流负载电阻,R,c,//,R,L,、,R,b,。,,,直流电源和耦合电容

25、对交流相当于短路。,因为按叠加原理，交流电流流过,直流电源,时，,没有压降（交流接地）。,设,C,1,、,C,2,足够大，在中频区容抗小（,C=10μf,，,f=1000HZ,，,XC=1/2πfC=15.9Ω,），对信号而言，其上的交流压降近似为零，在交流通路中，可将,耦合电容短路。,,共射极放大电路,电容短路,,V,CC,交流接地,,画出其他元器件,交流通路,,直流通路,,,耦合电容：通交流、隔直流,,直流电源：内阻为零,,直流电源和耦合电容对交流相当于短路,,共射极放大电路,6.,放大原理,,输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程：,三极管放大作用,变化的,ic,通

26、过,Rc,转变为变化的电压,7.,主要技术指标及分析方法,确定,Q,点，放大倍数 ，输入电阻,R,i,，输出电阻,R,o,，允许放大的频率范围,,分析方法：,,静态（求,Q,点）：近似估算法，图解法,,动态（ ，,R,i,，,R,o,）：图解法，等效电路法,,1.,,与放大管种类匹配的正确的电源极性。（发射结正偏，集电结反偏。）,,2.,,必须设置直流（静态）工作点,Q,。,,3.,,外加输入信号,v,i,不能被短路，一定要加在发射结上。,,4.,,电压放大是指电压输出量相对于电压输入量的大小关系，应将,ic,交流量转换成电压，所以输出端必须接负载电阻,R,C,。,,以上四点可用

27、于判断电路是否对输入交流信号具有放大作用。,8.,放大电路的构成原则,,4.2.2,基本共射极放大电路的工作原理,1.,静态,(,直流工作状态,),,输入信号,v,i,＝,0,时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。,直流通路,,,V,CEQ,=,V,CC,－,I,CQ,R,c,,电路如图所示，设,V,BE,=0.6V,，,,=60,，,R,C,=2K,设计电路参数，使,V,CEQ,=2.5V,。,V,CC,=V,BB,=5V,,2.,动态,,输入正弦信号,v,s,后，电路将处在动态工作情况。此时，,BJT,各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。,,交流通路,4

28、.3,放大电路的分析方法,4.3.1,图解分析法,4.3.2,小信号模型分析法,1.,静态工作点的图解分析,2.,动态工作情况的图解分析,3.,非线性失真的图解分析,4.,图解分析法的适用范围,1. BJT,的,H,参数及小信号模型,2.,用,H,参数小信号模型分析基本共射极放大电路,3.,小信号模型分析法的适用范围,,4.3.1,图解分析法,1.,静态工作点的图解分析,,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,,共射极放大电路,,,列输入回路方程,,,,列输出回路方程（直流负载线）,,,v,CE,=,V,CC,－,i,C,R,c,,,首先，画出直流通路,直流通路,

29、,,在输出特性曲线上，作出直流负载线,v,CE,=,V,CC,－,i,C,R,c,，与,I,BQ,曲线的交点即为,Q,点，从而得到,V,CEQ,,和,I,CQ,。,,在输入特性曲线上，作出直线,,，两线的交点即是,Q,点，得到,I,BQ,。,直流负载线的确定方法：,,*,,1.,在输入回路列方程式,v,BE,=V,BB,－,i,B,R,b,,*2.,在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是,Q,。得到,I,BQ,。,,（也可通过计算得到：）,,,3.,由直流负载列出方程式,v,CE,=,V,CC,－,i,C,R,c,,4.,在输出特性曲线,X,轴及,Y,轴上确定,两个特殊点,,

30、V,CC,和,V,CC,/,R,C,,,即可画出直流负载线。,,5.,两线交点即为,Q,点，得到参数,I,BQ,、,I,CQ,和,V,CEQ,。,由交流通路得纯交流负载线：,,共射极放大电路,交流通路,i,c,v,ce,+,-,v,ce,= -,i,c,,(,R,c,//,R,L,),,因为交流负载线必过,Q,点，即,v,ce,=,,v,CE,- V,CEQ,,i,c,=,,i,C,- I,CQ,同时，令,R,,L,=,R,c,//,R,L,1.,交流通路及交流负载线,则交流负载线为,v,CE,- V,CEQ,= -(,i,C,-,,I,CQ,),R,,L,,即,i,C,,= (-1/

31、,R,,L,),v,CE,+,(1/,R,,L,),V,CEQ,+,,I,CQ,,,,过输出特性曲线上的,Q,点做一条斜率为,-,1/,R,,L,,直线，该直线即为交流负载线。,,R,',L,=,R,L,∥,R,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。,,2.,动态工作情况的图解分析,交流负载线确定方法：,,通过输出特性曲线上的,Q,点做一条直线，其斜率为,1/R,L,',。,,两个特殊点,[0,，（,V,CE,+,I,C,R,L,',）,/,R,L,',],，（,V,CE,+ I,C,R,L,,',，,0,）,,结论：,,1.,交流负载线与直

32、流负载线交于,Q,点。,,2.,直流负载线反映静态时电压、电流变化关系，用于确定静态工作点,Q,,,交流负载线反映动态时电压、电流变化关系，是有交流输入信号时，工作点,Q,的运动轨迹。 即由,i,b,画,i,c,、,v,ce,的波形时要按交流负载线（除非,R,L,=∞,，两线重合）。,,,3.,交流负载电阻,R,L,’= R,L,∥R,c,。,交流负载线更陡。,,根据,v,s,的波形，在,BJT,的输入特性曲线图上画出,v,BE,,、,i,B,,的波形,,,2.,输入交流信号时的图解分析,,根据,i,B,的变化范围在输出特性曲线图上画出,i,C,和,v,CE,,的波形,,,共射极放大电

33、路中的电压、电流波形,#,,动态工作时，,,i,B,、,,i,C,的实际电流方向是否改变，,v,CE,的实际电压极性是否改变？,3.,静态工作点对波形失真的影响,截止失真的波形,饱和失真的波形,饱和失真,截止失真,,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。,,,,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。,,,注意：对于,PNP,管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与,NPN,管正好相反。,#,,放大区是否为绝对线性区？,动画,①,波形的失真,②,放大电路

34、的动态范围,,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：,,工作点,Q,要设置在交流负载线线放大区的中间部位；（保证不产生失真和一定电压放大倍数的前提下，可把,Q,选得低一些，以降低直流电源的能耗。）,,有合适的交流负载线。,,动画,-1,动画,-2,i,C,v,CE,,v,o,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,i,b,i,C,v,CE,,v,o,A.,Q,点过低，信号进入截止区,放大电路产生,,截止失真,输出波形,输入波形,i,b,i,C,v,CE,,B.,Q,点过高，信号进入饱和区,放大电路产生,,饱和失真,i,b,输入波形,v,o,输出波形,,总结,BJT,的四个工作区,,当工作点

35、进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真,。,饱和区特点：,,i,C,不再随,i,B,的增加而线性增加，即,此时,截止区特点：,i,B,=0,，,i,C,=,I,CEO,v,CE,=,V,CES,，典型值为,0.3V,V,CE,<1V,、,,V,BE,>0.7,,I,B,>,I,CM,,I,CM,V,CC,/R,C,V,CE,,VCC,、,,V,BE,<0.5,,I,B,=0,，,I,C,=,I,CEO,,0,I,C,=,I,B,,,且,,I,C,,=,,,,,,I,B,,发射结正偏，集电结反偏,当,V,SB,,=-2V,时：,I,C,V,CE,I,B,V,SC,,R,B,V,S

36、B,,C,B,E,,R,C,V,BE,I,B,=0,，,I,C,=,0,I,C,最大饱和电流：,Q,位于截止区,,1,、,,=50,，,U,SC,,=12V,，,,,R,B,,=70k,，,R,C,,=6k,,,当,V,SB,,=,-2V,，,2V,，,5V,时，,,晶体管的静态工作点,Q,位,,于哪个区？,,例题,I,C,<,,I,C,max,(=2mA),,,,Q,位于放大区,。,I,C,V,CE,I,B,V,SC,,R,B,V,SB,,C,B,E,,R,C,V,BE,V,SB,,=2V,时：,1,、,,=50,，,U,SC,,=12V,，,,,R,B,,=70k,，,R,C,,

37、=6k,,,当,V,SB,,=,-2V,，,2V,，,5V,时，,,晶体管的静态工作点,Q,位,,于哪个区？,I,C,最大饱和电流：,,例题,V,SB,,=5V,时,:,I,C,U,CE,I,B,U,SC,,R,B,U,SB,,C,B,E,,R,C,V,BE,Q,位于饱和区，此时,I,C,和,I,B,,已不是  倍的关系。,I,C,最大饱和电流：,1,、,,=50,，,U,SC,,=12V,，,,,R,B,,=70k,，,R,C,,=6k,,,当,V,SB,,=,-2V,，,2V,，,5V,时，,,晶体管的静态工作点,Q,位,,于哪个区？,,例题,2,、,(,题,4.3.5,）图,(

38、b),示出了图,(a),固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线，试求：,,（,1,）电源电压,V,CC,，静态电流,I,B,、,I,C,和管压降,V,CE,的值；,,（,2,）电阻,R,b,、,R,c,的值；,,（,3,）输出电压的最大不失真幅度；,,（,4,）要使该电路能不失真地放大，基极正弦电流的最大幅值是多少？,,,,（,2,）由直流通路基极回路得,,由集,-,射极回路得,,例题,解,（,1,）由作图法可知，直流负载线与输出特性横坐标轴的交点的电压,,值即是,V,CC,值的大小，图（,b,）中直线①为直流负载线，读得,V,CC,=6V,。由,Q,点分别向横、纵轴作垂线，得,:

39、,（,3,）由交流负载线②与静态工作点,Q,的情况可看出，,,,在输入信号的正半周,，,,输出电压,V,CE,在,3V,到,0.8V,范围内，变化范围为,2.2V,；,,,在信号的负半周,,输出电压,V,CE,在,3V,到,4.6V,范围内，变化范围为,1.6V,。,,综合考虑为不出现失真输出电 压的最大不失真幅度为,1.6V,。,（,4,）根据输出电压最大不失真幅度为,1.6V,，可作图求得基极正弦电流最大幅值为,20μA,。,4.,图解分析法的适用范围,幅度较大而工作频率不太高的情况,优点：,,直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理

40、设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。,缺点：,,不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,例,4.3.1:,电路如图所示,,,设,V,BEQ,=0.7V,。,,（,1,）试从电路组成上说明与图,4.3.1,所示电路区别。,,（,2,）画出该电路的直流通路与交流通路。,,（,3,）估算静态,I,BQ,，并用图解法确定之,I,CQ,、,V,CEQ,。,,（,4,）写出加上输入信号后，电压,v,BE,的表达式及输出交流负载线方程。,解,（,1,）,主要区别在于,:,,a),图,4.3.1,是原理图，信号源没接地，不

41、适用。,,b),将基极直流电源与集电极直流,,电源合并为,V,CC,。,,c),信号源与输入、输出与负载各,,接了一个大电容，称为耦合电容,,，该电路又称为阻容耦合共射极,,放大器。耦合电容的接入目的在,,于使信号源、负载对工作点不产生影响，因为大电容的隔直流通交流。,（,2,）,i,c,v,ce,+,-,交流通路,（,3,）,（,4,）,v,O,=v,CE,- V,CEQ,= -(,i,C,-,,I,CQ,),R,,L,,,v,CE,= V,CEQ,-(,i,C,-,,I,CQ,),R,,L,,交流负载线方程,当,v,i,,= 0,时,，,v,BE,= V,BEQ,,当加上,v,i,

42、,时,，,电容对交流短路,,,v,BE,= V,BEQ,+,v,i,4.3.2,小信号模型分析法,1. BJT,的,H,参数及小信号模型,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,,H,参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,v,be,=,h,ie,i,b,+,h,re,v,c

43、e,i,c,=,h,fe,i,b,+,h,oe,v,ce,,对于,BJT,双口网络，已知输入输出特性曲线如下：,i,B,=,f,(,v,BE,),,,v,CE,=const,i,C,=,f,(,v,CE,),,,i,B,=const,可以写成：,BJT,双口网络,输出端交流短路时的输入电阻；,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端交流开路时的反向电压传输比；,输入端交流开路时的输出电导。,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（,H,参数）。,,v,be,=,h,ie,i,b,+,h,re,v,ce,i,c,=,h,fe,i,b,+,h,oe,v,ce,,H,参数

44、的引出,BJT,双口网络,,H,参数小信号模型,根据,可得小信号模型,BJT,的,H,参数模型,,v,be,=,h,ie,i,b,+,h,re,v,ce,i,c,=,h,fe,i,b,+,h,oe,v,ce,BJT,双口网络,,H,参数小信号模型,,H,参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。,,,H,参数与工作点有关，在放大区基本不变。,,,H,参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,,受控,电流源,h,fe,i,b,，反映了,BJT,的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由,i,b,的流向决定。,,,h,re,v,ce,是一个受控电压源。反映了,BJT,输出回路

45、电压对输入回路的影响。,,模型的简化,h,re,和,h,oe,都很小，常忽略它们的影响。,,BJT,在共射极连接时，其,H,参数的数量级一般为,,,,i,b,,是受控源,,，且为电流控制电流源,(CCCS),。,,电流方向与,i,b,的方向是关联的。,,模型中的对象都是变化量。,,,H,参数的确定,,,一般用测试仪测出；,r,be,,与,Q,点有关，可用图示仪测出。,r,be,=,r,bb,′,+ (1+,,,),r,e,其中对于低频小功率管,r,bb,′,≈200,,,,而,,,(,T,=300K),,,,一般也用公式估算,r,be,,（忽略,r,′,e,,）,则,,,,4.3

46、.2,,思 考 题,1. BJT,小信号模型是在什么条件下建立的？受控源是何种类型的？,2.,若用万用表的“欧姆”档测量,b,、,e,两极之间的电阻，是否为,r,be,?,2.,用,H,参数小信号模型分析基本共射极放大电路,（,1,）利用直流通路求,Q,点,,共射极放大电路,一般硅管,V,BE,=0.7V,，锗管,V,BE,=0.2V,，,,已知,。,1.,找出,b,、,e,、,c,用,h,参数小信号模型表示,BJT,（模型参数由,Q,点确定）,,2.,画交流通路（,C1,、,C2,短路，,V,CC,交流接地）,,3.,画各电极的外接电阻。,,4.,标出规定的电压、电流方向：,,典型输入为

47、正弦波信号，电压、电流用相量表示；受控源的方向由控制因素决定，不能随意假设。,,微变等效电路画法动画,（,2,）画小信号等效电路,（,2,）画小信号等效电路,H,参数小信号等效电路,（,3,）求放大电路动态指标,根据,则电压增益为,电压增益,H,参数小信号等效电路,共射接法，输入输出反相,,输入电阻,输出电阻,令,,,R,o,=,R,c,所以,,基本共射放大电路：,,输入输出反相,,,发射极直接接地。,,只有一个偏置电阻,R,b,，基极电流（偏流）固,,定,I,B,=V,CC,/R,b,，,又称为固定偏流电路。,,信号加在基极对地。,3.,小信号模型分析法的适用范围,,放大电路的输入信号幅度较

48、小，,BJT,工作在其,V-T,特性曲线的线性范围（即放大区）内。,H,参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。,优点,：,,分析放大电路的动态性能指标,(,A,v,,、,R,i,和,R,o,等,),非常方便，且适用于频率较高时的分析。,缺点,：,,在,BJT,与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及,BJT,的,H,参数均是针对变化量,(,交流量,),而言的，不能用来分析计算静态工作点。,图解法和模型法的比较,,图解法：,求,Q,点，分析波形是否失真求最大动态范围，求电压放大倍数，直观、繁琐、误差较大（作图误差），不能求输入、

49、输出电阻。,,模型法：,针对交流信号，求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻（不能求静态工作点）,,1.,,图解法或近似估算法求,Q,点。,,2.,,求,Q,点处的,H,参数。,,3.,,作放大器微变等效电路。,,4.,,求 、,Ri,、,Ro,,共射极放大电路,1,、放大电路如图所示。已知,BJT,的,ß,=80,，,R,b,=300k,,,，,R,c,=2k,,，,V,CC,= +12V,，求：,（,1,）,放大电路的,Q,点。此时,BJT,工作在哪个区域？,（,2,）当,R,b,=100k,,时，放大电路的,Q,点。此时,BJT,工作在哪个区域？（忽略,BJT,的饱和压降）,解

50、：,（,1,）,静态工作点为,Q,（,40,,A,，,3.2mA,，,5.6V,），,BJT,工作在放大区。,例题,（,2,）当,R,b,=100k,,时，,其最小值也只能为,0,，即,I,C,的最大电流为：,所以,BJT,工作在饱和区。,V,CE,不可能为负值，,此时，,Q,（,120uA,，,6mA,，,0V,）,2,、电路如图所示。,试画出其小信号等效模型电路。,,,,解：,,解：,（,1,）,（,2,）,3,、放大电路如图所示。试求：（,1,）,Q,点；（,2,）,、,、,。,已知,,=50,。,返回,4.4,放大电路静态工作点的稳定问题,4.4.1,温度对静态工作点的影响,4.

51、4.2,射极偏置电路,1.,基极分压式射极偏置电路,2.,含有双电源的射极偏置电路,3.,含有恒流源的射极偏置电路,4.4.1,温度对静态工作点的影响,,,4.1.6,节讨论过，温度上升时，,BJT,的反向电流,I,CBO,、,I,CEO,及电流放大系数,,或,,都会增大，而发射结正向压降,V,BE,会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流,I,CQ,随温度升高而增加,（,I,CQ,=,,,I,BQ,+,I,CEO,）,，从而使,Q,点随温度变化。,为什么？,,,要想使,I,CQ,基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流,I,BQ,,。,总之，

52、,T↑→ Q,点上移→易产生饱和失真。,,对放大器而言，不应因温度的改变，导致工作点的改变，从而引起失真。,I,B,随温度升高自动减小。,,发射结外加电压随温度升高自动减小。,{,为稳定静态工作点希望：,,4.4.2,射极偏置电路,1.,基极分压式射极偏置电路,(a),原理电路,(b),直流通路,,稳定工作点原理,目标：温度变化时，使,I,C,维持恒定。,,如果温度变化时，,b,点电位能基本不变,，则可实现静态工作点的稳定。,,T,,稳定原理：,,,I,C,,,I,E,,I,C,,,,V,E,,、,V,B,不变,,,V,BE,,,,I,B,,（反馈控制）,b,点电位基本

53、不变的条件,：,I,1,>>,I,BQ,，,此时，,V,BQ,与温度无关,V,BQ,>>,V,BEQ,R,e,取值越大，反馈控制作用越强,一般取,I,1,=(5~10),I,BQ,，,V,BQ,=3~5,V,,（,2,）放大电路指标分析,①,静态工作点,②,电压增益,,画小信号等效电路,（,2,）放大电路指标分析,②,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,,,画小信号等效电路,,确定模型参数,,已知，求,r,be,,,增益,（可作为公式用）,,基本共射电路的输入输出回路是无关的，而射极偏置电路的输入输出回路是相互联系的。（有反馈）,,净输入电压被,Re,分掉一部分， 减小。,,要使

54、 同基本共射电路，,Re,旁并上一个旁路电容,Ce,，,Ce,对交流短路，但不影响直流，使工作点稳定。,,③,输入电阻,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,加入,Re,后，输入电阻加大。,④,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,,网络内独立源置零,,负载开路,,输出端口加测试电压,,其中,则,,当,时，,,一般,（,）,集电极输出电路，其输出电阻均可近似认为是,Rc,2.,含有双电源的射极偏置电路,（,1,）,阻容耦合,静态工作点,,V,B,=0,（,2,）,直接耦合,V,B,=0,V,C,=0,3.,含有恒流源的射极偏置电路,静态工作点电流由恒流源提供,分析该电路的,

55、Q,点及,、 、,,例,:,已知图所示电路中的,V,CC,=16V,，,R,b1,=56k,,，,R,b2,=20k,,，,,R,e,=2k ,，,R,c,=3.3k ,R,L,=6.2k ,，,R,s,=500 ,BJT,的,=80,，,ce,=100k ,V,BEQ,=0.7V,，设,C,1,、,C,2,对交流信号可视为短路。试：,,（,1,）估算静态电流,I,CQ,、,I,BQ,和电压,V,CEQ,；,,（,2,）计算,A,v,、,R,i,、,A,vs,=v,o,/v,s,及,R,o,；,,（,3,）若在,R,e,两端并联,50uF,的电容,C,e,，重复求解（,1

56、,）、（,2,）。,解,（,1,）,（,2,）画小信号等效电路,因为,时，,一般,（,）,（,3,）①,在,R e,两端并联,50uF,的电容,Ce,，由于电容对直流开路，,,因此对静态工作点的计算结果没有影响。,,②对于动态指标，由于旁路电容对交流等效于短路，,,所以,R e,被短路,,,由于并联旁路电容，解决了稳定静态工作点与提高增益的矛盾,4.5,共集电极放大电路和共基极放大电路,4.5.1,共集电极放大电路,4.5.2,共基极放大电路,4.5.3,放大电路三种组态的比较,4.5.1,共集电极放大电路,共集电极电路结构如图示,该电路也称为,射极输出器,,电路结构特点（识图关键）：输入加在

57、基极对地，输出在射极对地，而交流接地点是集电极，故为共集电路,.,电路分析动画,4.5.1,共集电极放大电路,,1.,静态分析,,由,得,直流通路,,①,小信号等效电路,2.,动态分析,交流通路,,②,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,,其中,一般,，则电压增益接近于,1,，,电压跟随器,,即,。,#,,既然共集电极电路的电压增益小于,1,（接近于,1,），那么它对电压放大没有任何作用。这种说法是否正确？,③,输入电阻,当,，,时，,输入电阻大,④,输出电阻,由电路列出方程,,其中,则,输出电阻,,当,，,时，,输出电阻小,,,共集电极电路特点：,◆,电压增益小于,1,但接近于,1

58、,，,◆,输入电阻大，对电压信号源衰减小,◆,输出电阻小，带负载能力强,,,,,用于多级放大器的输出级（,R,o,小）用于输入级（,R,i,大，并可进一步提高）用于中间缓冲级，起阻抗变换作用（,R,i,大，,R,o,小）,4.5.2,共基极放大电路,1.,静态工作点,,直流通路与射极偏置电路相同,2.,动态指标,①,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流通路,小信号等效电路,②,输入电阻,③,输出电阻,小信号等效电路,#,,共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？,4.5.3,放大电路三种组态的比较,1.,三种组态的判别,以输入、输出信号的位置为判断依据：,,

59、信号由基极输入，集电极输出,—,共射极放大电路,,信号由基极输入，发射极输出,—,共集电极放大电路,,信号由射极输入，集电极输出,—,共基极电路,2.,三种组态的比较,3.,三种组态的特点及用途,共射极放大电路：,,,电压和电流增益都大于,1,，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。,,共集电极放大电路：,,,只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。,,共基极放大电路：,,,只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻

60、与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。,,4.6,组合放大电路,4.6.2,共射,-,共基放大电路,4.6.3,共集,-,共集放大电路,☆ 4.6.1,多级放大器级连,1.,阻容耦合,2.,直接耦合,4.6.1,多级放大器级连,耦合方式：,直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,耦合：,即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1.,静态：保证各级,Q,点设置,2.,动态,:,传送信号。,第一级,,放大电路,输 入,输 出,第二级,,放大电路,第,n,级,,放大电路,… …,第,n-,1,,级,,放大电路,,,,,,,,

61、功放级,要求：,波形不失真，减少压降损失。,,设,:,,,1,=,,2,=50,,,r,be,1,= 2.9k,,,,,r,be,2,= 1.7 k,,,,前级,,后级,+V,CC,R,S,1M,(+24V),R,1,20k,27k,C,2,C,3,R,3,R,2,R,L,R,E,2,82k,43k,10k,8k,10k,,,,C,1,R,C2,T,1,R,E,1,,,C,E,,T,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.,阻容耦合,,关键,:,考虑级间影响。,1),静态,:,,Q,点同单级。,2),动态性能,:,方法,:,R,i,2,=,R,L,1,,R,i,2,+,V,

62、CC,R,S,1M,(+24V),R,1,20k,27k,C,2,C,3,R,3,R,2,R,L,R,E,2,82k,43k,10k,8k,10k,,,,C,1,R,C2,T,1,R,E,1,,,C,E,,T,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.,阻容耦合,考虑级间影响,2,R,i,,,,R,o,,:,概念同单级,1,R,i,R,o,R,i,2,+,V,CC,R,S,1M,(+24V),R,1,20k,27k,C,2,C,3,R,3,R,2,R,L,R,E,2,82k,43k,10k,8k,10k,,,,C,1,R,C2,T,1,R,E,1,,,C,E,,T,2,,,,,,,,

63、,,,,,,,,,,,,,,,微变等效电路,:,R,i,2,+,V,CC,R,S,1M,(+24V),R,1,20k,27k,C,2,C,3,R,3,R,2,R,L,R,E,2,82k,43k,10k,8k,10k,,,,C,1,R,C2,T,1,R,E,1,,,C,E,,T,2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,E,1,R,2,R,3,R,C,2,R,L,R,S,R,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.,R,i,,=,R,1,//,[ r,be,1,,+,（,,,+,1,),R,L,1,',],其中,:,R,L,1,,= R,E,1,//,R,i,

64、2,= R,E,1,//,R,2,//,R,3,,//,r,be,1,=R,E,1,//,R,L,1,,,= R,E,1,//,R,i,2,= 27 // 1.7,,1.7k,,,,,R,i,,=1000//(2.9+51×1.7),,82k,,2.,R,o,,=,R,C,2,= 10k,,R,E,1,R,2,R,3,R,C,2,R,L,R,S,R,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.,中频电压放大倍数,:,其中：,R,E,1,R,2,R,3,R,C,2,R,L,R,S,R,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,E,1,R,2,R,

65、3,R,C,2,R,L,R,S,R,1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,多级阻容耦合放大器的特点：,(1),由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。,,(2),前一级的输出电压是后一级的输入电压。,,(3),后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。,,(4),总电压放大倍数,=,各级放大倍数的乘积。,,(5),总输入电阻,R,i,即为第一级的输入电阻,R,i,1,。,,(6),总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。,例

66、题,1.,放大电路如图所示。试求,。,已知,,=50,。,,解：,,两者比较可看出增益明显提高,例,2,：,放大电路由下面两个基本放大电路组成。已知,V,CC,=15V,,，,R,1,=100k,,，,R,2,=33k,,，,R,E,1,=2.5k,,，,R,C,=5k,,，,,1,=60,，；,R,B,=570k,,，,R,E,2,=5.6k,,，,,2,,=100,，,R,S,=20k,,，,R,L,=5k,,+V,CC,R,1,,,,,,R,C,C,11,C,12,,,,R,2,,,,,,C,E,R,E,1,v,i,,R,i,,,,v,o,T,1,放大电路一,R,B,,+,V,CC,,,,,C,21,C,22,,,,,R,E,2,v,i,,,v,o,,,T,2,放大电路二,+V,CC,R,1,,,,,,R,C,C,11,C,12,,,,R,2,,,,,,C,E,R,E,1,v,i,,R,i,,,,v,o,T,1,R,B,,+,V,CC,,,,,C,21,C,22,,,,,R,E,2,v,i,,,v,o,,,T,2,求直接采用放大电路一的放大倍数,A,v,和,