基本放大器.ppt

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1、第三章 基本放大器,3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 小信号模型分析法,3.5 放大电路的工作点稳定问题,3.6 共集电极电路和共基极电路,3.1 半导体BJT,3.1 半导体BJT 3.1.1 BJT的结构简介,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。,BJT的结构,3.1.2 BJT的电路

2、分配及放大作用（NPN管）,若在放大工作状态： 发射结正偏：,+ UCE , UBE , UCB ,集电结反偏：,由VBB保证,由VCC、 VBB保证,UCB=UCE - UBE, 0,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,发射结加正向偏置电压,集电结加反向偏置电压,电流均受此电压控制,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,1BJT内部的载流子传输过程,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以

3、基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,三个电极上的电流关系:,IE =IC+IB,定义：,(1)IC与I E之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,2电流分配关系,(KVL),(2)IC与I B之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,3.1.3 BJT的特性曲线（共发射极接法）,(1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。等同PN结的特性曲线,（3）uCE 1V再增加时，曲

4、线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，随着uCE的增大,iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,输入,输出,VBE不变,（2） uCE Ic 。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,iB不变,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域

5、内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：,饱和区,放大区,截止区,输出特性曲线可以分为三个区域:,3.1.4 BJT的主要参数,1.电流放大系数,（2）共基极电流放大系数：,一般取20200之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,静态,动态,2.极间反向电流(know),（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。 其大小与温度有关。,（1）集电极基极间反向饱和电流IC

6、BO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级。,3.极限参数(learn),（1）集电极最大允许电流ICM,（2）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE,PCM, PCM,Ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。, U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反

7、向电压。其值一般为几十伏几百伏。, U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。,在实际使用时，还有 U（BR）CER、U（BR）CES 等击穿电压。,（3）反向击穿电压,BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：,半导体三极管的型号(know),第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C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,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,UD=0.7V,UCES=0.3V,iB0 iC0,3.2 共射极放大电路一. BJT的模型,直流模型,二、 单管共射

8、放大电路的工作原理,UCE（-ICRc）,放大原理：,UBE,IB,IC（bIB）,电压放大倍数：, uo,ui,三极管工作在放大区： 发射结正偏， 集电结反偏。,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。,单管共射极放大电路的结构及各元件的作用,各元件作用：,使发射结正偏，并提供适当的静态的IB和UBE。,基极电源与基极电阻,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC，将变化的电流转变为变化的电压。,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的联系，同时能使信号顺利输入输出。,+,+,各元件作用：,基本放

9、大电路的习惯画法,现实电路中并不使用.只要保证电压大小关系即可.,很重要,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,工作原理演示,2.1 放大电路的基本概念及性能指标,一.放大的基本概念,放大把微弱的电信号的幅度放大。 一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。,三放大电路的主要技术指标,1.放大倍数表示放大器的放大能力,根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。,（1）电压放大倍数定义为: AU=uo/ui,（2）电流放大倍数定义为: AI=io/ii,（3）互阻增益定义为: Ar=u

10、o/ii,（4）互导增益定义为: Ag=io/ui,2. 输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻,Ri=ui / ii,一般来说， Ri越大越好。 （1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。 （2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。,输出电阻是表明放大电路带负载能力的，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。,输出电阻的定义：,3. 输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,4. 通频带,3.3图解分析法,静态：当输入电压,ui,=0时，电路中各点的电压及,电流都是不变的直流，电路此时的工

11、作状态叫直流工作状态，也叫静止状态，简称静态。,Q点：在静态时，BJT各极的电压及电流，在其特性曲线,上会确定一个点，这个点就叫做Q点,动态：当输入电压,ui,=0时，电路中各点的电压及电流,都会处于变动状态，电路此时处于动态工作状态 简称动态,1.静态工作点Ui=0时电路的工作状态,ui=0时,由于电源的存在，电路中存在一组直流量。,IC,+ UBE -,+ UCE -,3.3.1静态工作情况分析,由于(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，所以称为静态工作点。,为什么要设置静态工作点？,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管能够工作在放大区，以

12、保证信号不失真。,求电路的Q点有两种方法： 1.估算法 2.图解法 求电路的Q点实际就是求电路中的直流分量: IB, IC,UCE,1. 近似估算Q点,例：共射电路如图，已知三极管为硅管，=40，试求电路中的直流量IB、 IC 、 UCE（Q点）。,UBE=0.7V,画出放大电路的直流通路,将交流电压源短路，将电容开路。,直流通路的画法：,画直流通路：,Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,用估算法分析放大器的静态工作点（ IB、UBE、IC、UCE）,IC= IB,例：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4K，Rb=300K ，=37.5。,解：,请注意电路中IB和IC的数

13、量级,UCE=VCCICRC,直流负载线,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,IBQ,UCEQ,ICQ,2. 用图解法估算Q点,iC=f(uCE) iB=40A,斜率：,iC=f(uCE) iB=40A,M(VCC,0),(12 , 0),(0 , 3),例题:,斜率：,UCEQ 6V,ICQ 1.5mA,Q,+,+,+,+,C,R,c,i,u,b1,T,u,+,b2,-,o,C,+,-,+12V,Rb 300K,RC 4K,1. 放大电路在接入正弦信号时的工作情况（设输出空载）,假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 ui,静态工作点,注意：uce与u

14、i反相！,3.3.2 动态工作情况分析,结论：（1）放大电路中的信号是交直流共存，可表示成：,虽然交流量可正负变化，但瞬时量方向始终不变,（2）输出uo与输入ui相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。,对交流信号(输入信号ui),2.交流负载线,交流通路分析动态工作情况 交流通路的画法：,将直流电压源短路，将电容短路。,交流通路,其中：,交流量ic和uce有如下关系：,即：交流负载线的斜率为：,交流负载线的作法： 斜 率为-1/RL 。（ RL= RLRc ）,经过Q点。,交流负载线的作法：,斜 率为-1/RL 。 （ RL= RLRc ）,经过Q点。,注意： （1）交流负载线是有交流 输

15、入信号时工作点的运动轨迹。,（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。,（3）输出端接入负载RL：不影响Q点， 影响动态！,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合适的静态工作点,3非线性失真与Q的关系,uo,（2）Q点过低信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,uo,（3）Q点过高信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,动画演示,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,EWB演示放大器的饱和与截止失真,思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路,条件：交流小信号,3.4 小信号模型分析法,1、三极管的h参数等效电路,3.4.1 BJT的小信号建模,根据网络参数理论：,求变化量：,在小信号情况下：,

16、各h参数的物理意义：,输出端交流短路时的 输入电阻，用rbe表示。,输入端开路时的电压反馈系数， 用r表示。,输出端交流短路时的电流放大 系数， 用表示。,输入端开路时的输出电导，用1/rce表示。,该式可写为：,由此画出三极管的h参数等效电路：,2、简化的h参数等效电路,（1）r10-3，忽略。,（2）rce105，忽略。,得三极管简化的h参数等效电路。,3、rbe的计算：,由PN结的电流公式：,（常温下）,其中：rbb=200,3.4.2. 用H参数小信号模型分析共射级基本放大电路,1. 画出放大器的微变等效电路,动画演示,（1）画出放大器的交流通路,（2）将交流通路中的三极管用h参数等效

17、电路代替,2、电压放大倍数的计算：,负载电阻越小，放大倍数越小。,定义：,当信号源有内阻时：,由图知：,所以：,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,3、输入电阻的计算：,根据输入电阻的定义：,所以：,4、输出电阻的计算：,根据定义：,例 共射放大电路如图所示。设：VCC12V，Rb=300k,Rc=3k, RL=3k,BJT的b =50。,1、试求电路的静态工作点Q。,解：,2、估算电路的电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：画微变等效电路,Ri=rbe/Rbrbe=993,Ro=Rc=3k,3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截

18、止还是饱和 失真？应调节哪个元件？如何调节？,解：为截止失真。 应减小Rb。,3.5. 放大电路静态工作点的稳定问题,静态工作点的设置，在放大电路中是非常重要的。 它不仅影响电路的增益，同时还会在设置不当时，使 信号的放大产生失真。 固定偏置电路的优点是：电路简单，调整Q点方便； 缺点是：更换电路的管子、或者在环境温度发生变化 使管子的参数有所改变时，会使Q点移动。这会给放 大电路带来不稳定的的因素，严重时会使放大电路无 法正常工作。 所以，有必要讨论Q点的稳定问题。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。,3.5.1 温度对静态工作点

19、的影响,1、温度对UBE的影响,2、温度对值及ICEO的影响,动画演示,选I2=（510）IB I1 I2,（1） 结构及工作原理,3.5.2 射极偏置电路,静态工作点 稳定过程：,UBE=UB-UE =UB - IE Re,UB稳定,演示,（2）直流通道及静态工作点估算:,IB=IC/,UCE = VCC - ICRC - IERe,IC IE =UE/Re = （UB- UBE）/ Re,电容开路,画出直流通道,将电容短路,直流电源短路，画出电路的交流小信号等效电路,（3）动态分析：,电压放大倍数：,输入电阻：,输出电阻：,i,i,i,思考：若在Re两端并电容Ce会对Au、Ri、Ro有什么

20、影响？,一. 共集电极放大电路,1. 结构：,3.6 共集电级和共基级电路,2. 直流通道及静态工作点分析：,3. 动态分析,（1）交流通道及微变等效电路,（2）电压放大倍数：,),/,)(,1,(,R ib,R,r,i,u,b,+,+,=,（2）输入电阻,3、输出电阻,射极输出器的特点：电压放大倍数=1， 输入阻抗高，输出阻抗小。,演示：,射极输出器的应用,1、放在多级放大器的输入端，提高整个放大器的输入电阻。,2、放在多级放大器的输出端，减小整个放大器的输出电阻。,2、放在两级之间，起缓冲作用。,二. 共基极电路,1. 静态工作点,直流通路：,2. 动态分析,画出电路的交流小信号等效电路,

21、（1）电压放大倍数,（2）输入电阻,（3）输出电阻,),(1,),(1,be,b,be,b,r,i,r,i,+,=,+,-,-,=,+,+,e,b,b,c,i,R,i,be,r,i,-,+,u,e,R,i,i,c,e,i,i,i,R,u,-,+,S,S,R,+,o,u,L,R,-,R,c,i,b,3. 三种组态的比较,共集,共基,共射,三. BJT电流源电路,用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。射极偏置放大电路就具有这一功能。,Ic电流是恒定的：,联立方程组：,用等效电路来求该电路的内阻,可以解出：,可见三极管电流源的内阻比三极管的输出电阻rce还要大。,2.6 多

22、级放大电路,一. 多级放大器的耦合方式,1.阻容耦合,优点：,各级放大器静态工作点独立。,输出温度漂移比较小。,缺点：,不适合放大缓慢变化的信号。,不便于作成集成电路。,2.直接耦合,优点：,各级放大器静态工作点相互影响。,输出温度漂移严重。,缺点：,可放大缓慢变化的信号。,电路中无电容，便于集成化。,二. 多级放大器的分析, 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗, 后级的输入阻抗是前级的负载,1. 两级之间的相互影响,2. 电压放大倍数（以两级为例）,注意：在算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载！,扩展到n级：,3. 输入电阻,4. 输出电阻,Ri=Ri（最前级） (一般情况下）,

23、Ro=Ro（最后级） (一般情况下）,设：1=2=100，UBE1=UBE2=0.7 V。,举例1：两级放大电路如下图示，求Q、Au、Ri、Ro,解：（1）求静态工作点,Ic1Ie1,（2）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,画微变等效电路：,电压增益：,（3）求输入电阻,Ri =Ri1 =rbe1 / Rb1 / Rb2 =2.55 k,（4）求输出电阻,RO =RC2 =4.3 k,2.7 BJT放大电路的频率响应,频率响应放大器的电压放大倍数 与频率的关系,下面先分析无源RC网络的频率响应,其中： 称为放大器的幅频响应,称为放大器的相频响应,1. RC低通网络,（1）频率响应表达式：

24、,一. 无源RC电路的频率响应,令：,则：,幅频响应：,相频响应：,（2） RC低通电路的波特图,最大误差 -3dB,0分贝水平线,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,相频响应,可见：当频率较低时，AU 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高， AU 下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。,这种对数频率特性曲线称为波特图,2. RC高通网络,（1）频率响应表达式：,令：,则：,幅频响应：,相频响应：,（2） RC高通网络的波特图,最大误差 -3dB,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应

25、：,可见：当频率较高时，AU 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低， AU 下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。 其中，fL是一个重要的频率点，称为下限截止频率。,相频响应,二.BJT的混合型模型,混合型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。,rbb 基区的体电阻,1.BJT的混合型模型,rbe发射结电阻,b是假想的基区内的一个点。,Cbe发射结电容,rbc集电结电阻,Cbc集电结电容,受控电流源，代替了,（2）用 代替了 。因为本身就与频率有关，而gm与频率无关。,2.BJT的混合等效电路,特点：（1）体现了三极管的电容效应,rbc很大，可以

26、忽略。 rce很大，也可以忽略。,3、简化的混合等效电路,低频时，忽略电容，混合模型与H参数模型等效,所以,4. 混合参数的估算,由：,所以,5. BJT的频率参数f、 fT,根据定义：,将c、e短路。,得：,其中：,做出的幅频特性曲线：,当=1时对 应的频率,当20lg下降3dB 时对应的频率,fT,当fT f 时, 可得： fT 0 f,f共发射极截止频率 fT特征频率,三. 阻容耦合共射放大电路的频率响应,对于如图所示的共射放大电路，分低、中、高三个频段加以研究。,1 .中频段 所有的电容均可忽略。可用前面讲的h参数等效电路分析,中频电压放大倍数：,2. 低频段,在低频段，三极管的极间电

27、容可视为开路，耦合电容C1、C2不能忽略。 为方便分析，现在只考虑C1，将C2归入第二级。画出低频等效电路如图所示。,可推出低频电压放大倍数：,该电路有 一个RC高通环节。 有下限截止频率：,共射放大电路低频段的波特图,幅频响应 ：,相频响应 ：,在高频段，耦合电容C1、C2可以可视为短路，三极管的极间电容不能忽略。 这时要用混合等效电路，画出高频等效电路如图所示。,3. 高频段,用“密勒定理”将集电结电容单向化。,用“密勒定理”将集电结电容单向化：,其中：,用戴维南定理将C左端的电路进行变换：,忽略CN，并将两个电容合并成一个电容: 得简化的高频等效电路。,其中：,可推出高频电压放大倍数：,

28、其中：,其中：,该电路有 一个RC低通环节。 有上限截止频率：,共射放大电路高频段的波特图,幅频响应 ：,相频响应 ：,4. 完整的共射放大电路的频率响应,（1）通频带：,（2）带宽-增益积：fbwAum,BJT 一旦确定，带宽增益积基本为常数,5. 频率失真由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。,频率失真动画演示,两个频率响应指标：,本章小结,1基本放大电路的组成。 BJT加上合适的偏置电路（偏置电路保证BJT 工作在放大区）。 2交流与直流。正常工作时，放大电路处于交直流共存的状态。为了分析方便，常将两者分开讨论。 直流通路：交流电压源短路，电容开路。 交流通路：直流电压源短

29、路，电容短路。 3三种分析方法。 （1）估算法（直流模型等效电路法）估算Q。 （2）图解法分析Q（Q的位置是否合适）；分析动态（最大不失真输出电压）。 （3）h参数交流模型法分析动态（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等）。,4三种组态。 （1）共射AU较大，Ri、Ro适中，常用作电压放大。 （2）共集AU1，Ri大、Ro小，适用于信号跟随、信号隔离等。 （3）共基AU较大，Ri小，频带宽，适用于放大高频信号。 5多级放大器。 两种耦合方式：阻容耦合与直接耦合。 电压放大倍数：AU=AU1AU2AUn 6频率响应两个截止频率 下限截止频率fL频率下降，使AU下降为0.707Aum所对应的频率.由电路中的耦合电容和旁路电容所决定。 上限截止频率fH频率上升，使AU下降为0.707Aum所对应的频率，由电路中三极管的极间电容所决定。,