第4章-模电.pptx
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1、4.1 半导体三极管(半导体三极管(BJT)4.2 共射极放大电路共射极放大电路 4.3 图解分析法图解分析法4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 放大电路的工作点稳定问题放大电路的工作点稳定问题4.6 共集电极电路和共基极电路共集电极电路和共基极电路4.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应重点!4.1.1 BJT的结构简介的结构简介4.1 半导体三极管(半导体三极管(BJT)4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线4.1.4 BJT的主要参数的主要参数4.1.1 BJT三极管的结构简介三极管的结构简介 半导体三极管的结构示
2、意图如图所示。它有两种类半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极,用B或b表示 发射极发射极用E或e表示集电极集电极用C或c表示 发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号 结构特点:结构特点:发射区发射区的掺杂的掺杂浓度最高浓度最高;集电区集电区掺杂浓度低于发射区,且掺杂浓度低于发射区,且面积大面积大;基区基区很很薄薄,一般在几个微米至几十个微米,且,一般在几个微米至几十个微米,且掺杂掺杂浓度浓度最最低低。管芯结构剖面图管芯结构剖面图内内部部条条件件4.1.2 BJ
3、T的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理 三极管的放大作用是在一定的三极管的放大作用是在一定的外部条件外部条件控制下,通控制下,通过载流子传输体现出来的。过载流子传输体现出来的。外部条件:外部条件:发射结正偏,集电结反偏发射结正偏,集电结反偏。对对NPN:VCVBVE对对PNP:VCVB ICBO 为电流放大系数,为电流放大系数,它它只与管子的结构尺寸和掺只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压杂浓度有关,与外加电压无关无关。一般。一般 =0.9 0.99IE=IB+IC载流子的传输过程载流子的传输过程根据根据 是另一个电流放大系数,是另一个电流放大系数,同样,它也只与管同样,它也只与管
4、子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外加电压无关。一般一般 1IE=IB+IC IC=InC+ICBO且令且令ICEO=(1+)ICBO(穿透电流)(穿透电流)2.电流分配关系电流分配关系电流分配关系电流分配关系I IE E=I=IC C+I+IB BI IC C=I=IE E I IC C=IIB B I IE E=(1+1+)I IB B 3.三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法,集电极作为公共电极,用,集电极作为公共电极,用CC表示表示;共基极接法共基极接法,基极作为公共电极,用基极作为公共电极,用CB表示。表示。共发射极接法共发
5、射极接法,发射极作为公共电极,用,发射极作为公共电极,用CE表示;表示;BJT的三种组态的三种组态RLecb1k 图图 03.1.05 共基极放大电路共基极放大电路4.放大作用放大作用若若 vI=20mV使使当则则电压放大倍数电压放大倍数VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iB iE=-1 mA,iC=iE =-0.98 mA,vO=-iC RL=0.98 V=980mV,=0.98 时,时,+-bceRL1k共射极放大电路 图图 03.1.06 共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iB vI=20mV
6、 设设若若则则电压放大倍数电压放大倍数 iB=20 uA vO=-iC RL=-0.98 V,=0.98使使4.放大作用放大作用49 综上所述,三极管的放大作用,主要是依靠它综上所述,三极管的放大作用,主要是依靠它的的发射极电流能够通过基区传输,然后到达集电极发射极电流能够通过基区传输,然后到达集电极而实现的。而实现的。实现这一传输过程的两个条件是:实现这一传输过程的两个条件是:(1)内部条件:内部条件:发射区杂质浓度高发射区杂质浓度高,基区浓度低且薄基区浓度低且薄,集电区面积大。集电区面积大。(2)外部条件:外部条件:发射结正向偏置,集电结反向偏置。发射结正向偏置,集电结反向偏置。4.1.2
7、 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const(2)当当vCE1V时,时,vCB=vCE-vBE0,集电结已进入反偏状态,开始收,集电结已进入反偏状态,开始收 集电子,基区复合减少,同样的集电子,基区复合减少,同样的vBE下下 IB减小,特性曲线右移。减小,特性曲线右移。vCE=0V vCE 1V(1)当当vCE=0V时,相当于发射结的正向伏安特性曲线。时,相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线输入特性曲线4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线(以共射极放大电路为例)(以共
8、射极放大电路为例)(3)输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分死区死区 死区电压死区电压 Si 0.5V Si 0.5V Ge 0.1V Ge 0.1V 非线性区非线性区线性区线性区u uBE BE Si 0.7VSi 0.7V Ge 0.3V Ge 0.3V1.输入特性曲线输入特性曲线4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线饱和区:饱和区:iC明显受明显受vCE控控制的区域,该区域内,制的区域,该区域内,一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时,此时,发射结正偏,集发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。VC VBVEiC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性
9、曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线截止区:截止区:iC接近零的接近零的区域,相当区域,相当iB=0的曲的曲线的下方。此时,线的下方。此时,vBE小于死区电压,小于死区电压,集电结反偏集电结反偏。VCVB VE放大区:放大区:iC平行于平行于vCE轴的轴的区域,曲线基本平行等距。区域,曲线基本平行等距。此时,此时,发射结正偏,集电发射结正偏,集电结反偏结反偏。对对NPN:VCVBVE+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 (1)1)共发射极共发射极直流直流电流放大系数电流
10、放大系数 =(ICICEO)/IBIC/IB vCE=const1.电流放大系数电流放大系数 例:VCE=7V时,b点,IB=200A,IC=15mA,则15mA/200A=75(2)共发射极共发射极交流交流电流放大系数电流放大系数 =IC/IB vCE=const4.1.4 BJT的主要参数的主要参数1.电流放大系数电流放大系数 (3)共基极共基极直流直流电流放大系数电流放大系数=(ICICBO)/IEIC/IE (4)共基极共基极交流交流电流放大系数电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当当I ICBOCBO和和I ICEOCEO很小时,很小时,、,可以不,可以不加区分。加区分。
11、4.1.4 BJT的主要参数的主要参数1.电流放大系数电流放大系数 (2)集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=(1+)ICBO 2.极间反向电流极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时,集电结的反向饱和电流。路时,集电结的反向饱和电流。4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 即输出特性曲即输出特性曲线线IB=0那条曲线所那条曲线所对应的对应的Y坐标的数值。坐标的数值。ICEO也称为集电极也称为集电极发射极间穿透电流。发射极间穿透电流。(1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流I ICMCM(
12、2)集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗P PCMCM P PCMCM=I IC CV VCECE 3.极限参数极限参数4.1.4 BJT的主要参数的主要参数(3)反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结发射极开路时的集电结反反 向击穿电压。向击穿电压。V(BR)EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。V(BR)CEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO 3.极限参数极限参数4.1.4 BJT的
13、主要参数的主要参数 由由PCM、ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。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输出特性曲线上的过损耗区和击穿区4.1 BJT1.既然既然BJT具有两个具有两个PN结,可否用两个二极管结,可否用两个二极管相联以构成一只相联以构成一只BJT,试说明其理由。,试说明其理由。2.能否将能否将BJT的的e、c两个电极交换使用,为什么?两个电极交换使用,为什么?3.为什么说为什么说BJT是电流控制器件?是电流控制器件?4.2 共射极放大电路共射极放大电路 电路组成电路组成 简化电路及习惯画法
14、简化电路及习惯画法 简单工作原理简单工作原理 放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 直流通路和交流通路直流通路和交流通路 书中有关符号的约定书中有关符号的约定4.2 共射极放大电路共射极放大电路1.电路组成电路组成输入回路(基极回路)输入回路(基极回路)输出回路(集电极回路)输出回路(集电极回路)2.简化电路及习惯画法简化电路及习惯画法习惯画法习惯画法 共射极基本放大电路共射极基本放大电路4.2 共共射极放射极放大电路大电路Vcc+12V3.简单工作原理简单工作原理Vi=0Vi=Vsin t4.放大电路的放大电路的静态和动态静态和动态 静态:静态:输入信号为零(输入信号为零(v vi=0=
15、0 或或 ii=0=0)时,)时,放大电路的工作状态,也称放大电路的工作状态,也称直流工作状态直流工作状态。动态:动态:输入信号不为零时,放大电路的工作输入信号不为零时,放大电路的工作状态,也称状态,也称交流工作状态交流工作状态。电路处于静态时,三极管个电极的电压、电电路处于静态时,三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点,称为流在特性曲线上确定为一点,称为静态工作点静态工作点,常称为常称为Q点。一般用点。一般用I IB、I IC、和、和V VCE(或(或I IBQ、I ICQ、和、和V VCEQ )表示。)表示。#放大电路为什么要建立正确的静态?放大电路为什么要建立正确的静态?放大电路
16、为什么要建立正确的静态?放大电路为什么要建立正确的静态?3.2 共共射极放射极放大电路大电路5.直流通路和交流通路直流通路和交流通路 共射极放大电路共射极放大电路交流通路交流通路 直流电源:内阻为零直流电源:内阻为零 耦合电容:通交流、隔直流耦合电容:通交流、隔直流 直流电源和耦合电容对交流相当于短路直流电源和耦合电容对交流相当于短路说明说明直流通路直流通路直流电能流通的路径直流电能流通的路径交流通路交流通路交流电能流通的路径交流电能流通的路径(a)(b)(c)(d)(f)(e)4.2 1.下列下列af电路哪些具有放大作用?电路哪些具有放大作用?4.3 图解分析法图解分析法 用近似估算法求静态
17、工作点用近似估算法求静态工作点 用图解分析法确定静态工作点用图解分析法确定静态工作点 交流通路及交流负载线交流通路及交流负载线 输入交流信号时的图解分析输入交流信号时的图解分析 BJT的三个工作区的三个工作区 输出功率和功率三角形输出功率和功率三角形 4.3.1 静态工作情况分析静态工作情况分析 4.3.2 动态工作情况分析动态工作情况分析 4.3.1 静态工作情况分析静态工作情况分析1.用近似估算法求静态工作点用近似估算法求静态工作点采用该方法,必须已知三极管的采用该方法,必须已知三极管的 值值。根据直流通路可知根据直流通路可知:直流通路直流通路+-一般硅管一般硅管VBE=0.7V,锗管,锗
18、管VBE=0.3V。例例:=37.540A=1.5mA=12-1.54=6V=37.5300K4K4K12V 采用该方法分析静态工作点,必须已知三极管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。的输入、输出特性曲线。共射极放大电路共射极放大电路2.用图解分析法确定静态工作点用图解分析法确定静态工作点 首先,画出直流通路首先,画出直流通路直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-4.3.1 静态工作情况分析静态工作情况分析直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-列输入回路方程:列输入回路方程:VBE=VCCIBRb 列输出回路方程(直流负载线):列输出回路方程(直流负载线
19、):VCE=VCCICRc 在输入特性曲线上,作出直线在输入特性曲线上,作出直线 VBE=VCCIBRb,两,两线的交点即是线的交点即是Q点,得到点,得到IBQ。在输出特性曲线上,作出直流负载线在输出特性曲线上,作出直流负载线 VCE=VCCICRc,与与IBQ曲线的交点即为曲线的交点即为Q点,从而得到点,从而得到VCEQ 和和ICQ。4.3.2 动态工作情况分析动态工作情况分析由交流通路得纯交流负载线:由交流通路得纯交流负载线:共射极放大电路共射极放大电路交流通路交流通路icvce+-u uce=-ic (R Rc c/R RL L)因为交流负载线必过因为交流负载线必过Q点,点,即即 uce
20、=uCE-VCEQ ic=iC-I ICQ 同时,令同时,令R R L L=R Rc c/R RL L1.交流通路及交流负载线交流通路及交流负载线则交流负载线为则交流负载线为u uCECE-V-VCEQCEQ=-(iC-I ICQ CQ)R R L L 即即 iC=(-1/(-1/R R L L)u uCECE+(1/(1/R R L L)V VCEQCEQ+I ICQCQ 过过输输出出特特性性曲曲线线上上的的Q点点做做一一条条斜斜率率为为-1/R L 直直线线,该该直直线线即即为交流负载线。为交流负载线。R R L L=R RL LR Rc c,是是交流负载电阻。交流负载电阻。交流负载线是交
21、流负载线是有交流输入信号时有交流输入信号时Q点的运动轨迹。点的运动轨迹。2.输入交流信号时的图解分析输入交流信号时的图解分析 4.3.2 动态工作情况分析动态工作情况分析 共射极放大电路共射极放大电路通过图解分析,可得如下结论:通过图解分析,可得如下结论:1.1.vi vBE iB iC vCE|-vo|2.2.vo与与vi相位相反;相位相反;3.3.可以测量出放大电路的电压放大倍数;可以测量出放大电路的电压放大倍数;4.4.可以确定最大不失真输出幅度可以确定最大不失真输出幅度。#动态工作时,动态工作时,动态工作时,动态工作时,i iB B、i iC C的实际电流方向是否改变,的实际电流方向是
22、否改变,的实际电流方向是否改变,的实际电流方向是否改变,v vCECE的实的实的实的实际电压极性是否改变?际电压极性是否改变?际电压极性是否改变?际电压极性是否改变?4.3.2 动态工作情况分析动态工作情况分析3.BJT的三个工作区的三个工作区当工作点进入饱和区或截止区时,将产生非线性失真当工作点进入饱和区或截止区时,将产生非线性失真。饱和区特点:饱和区特点:iC不再随不再随iB的增加而线性增加,即的增加而线性增加,即此时此时截止区特点:截止区特点:iB=0,iC=ICEOvCE=VCES ,典型值为,典型值为0.3V波形波形的失真的失真饱和失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管由于放
23、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。对于的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管,管,输出电压表现为底部失真。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。对于的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管,管,输出电压表现为顶部失真。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。4.3.2 动态工作情况分析动态工作情况分析3.BJT的三个工作区的三个工作区#放大区是否为绝对线性区?放大区是否为绝对线性区?放大区是否为绝对线性区?放大区是否为绝对线性区?放大电路
24、放大电路的动态范围的动态范围 放大电路要想放大电路要想获得大的不失真输获得大的不失真输出幅度,要求:出幅度,要求:工作点工作点Q要设置在要设置在输出特性曲线放大区输出特性曲线放大区的中间部位;的中间部位;4.3.2 动态工作情况分析动态工作情况分析3.BJT的三个工作区的三个工作区 要有合适的交流负载线要有合适的交流负载线。共射极放大电路共射极放大电路 放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知BJT的的=80,Rb=300k,Rc=2k,VCC=+12V,求:,求:(1)放大电路的)放大电路的Q点。此时点。此时BJT工作在哪个区域?工作在哪个区域?(2)当)当Rb=100k时,放大电路的时
25、,放大电路的Q点。此点。此时时BJT工作在哪个区域?(忽略工作在哪个区域?(忽略BJT的饱的饱和压降)和压降)解:解:(1)(2)当)当Rb=100k时,时,静态工作点为静态工作点为Q(40uA,3.2mA,5.6V),),BJT工作在放大区。工作在放大区。其最小值也只能为其最小值也只能为0,即,即IC的最大电流为:的最大电流为:所以所以BJT工作在饱和区。工作在饱和区。VCE不可能为负值,不可能为负值,此时,此时,Q(120uA,6mA,0V),),例题例题例题例题1.试分析下列问题:试分析下列问题:共射极放大电路共射极放大电路(1)增大)增大Rc时,负载线将如时,负载线将如何变化?何变化?
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