模拟电子技术第2章-双极型晶体管及其放大电路基础课件.ppt

1、第2章双极型晶体管及其放大电路基础2.1晶体管2.2放大电路模型及其技术指标2.3放大电路的静态分析方法2.4 放大电路的动态分析方法2.5 三种基本放大电路2.6 放大电路的频率响应本章教学要求本章教学要求了解双极型晶体管的结构及工艺特点，了解双极型晶体管的结构及工艺特点，掌握晶体管的外特掌握晶体管的外特性和主要参数；性和主要参数；理解晶体管放大的基本原理；理解晶体管放大的基本原理；掌握共射电路、共集电路、掌握共射电路、共集电路、共基电路的电路结构、工作原理和主要性能指标的分析计算共基电路的电路结构、工作原理和主要性能指标的分析计算方法；方法；理解温度对工作点的影响；理解温度对工作点的影响；

2、理解频率响应的基本概念；了解频率失真；理解含有一个理解频率响应的基本概念；了解频率失真；理解含有一个时间常数的单级放大电路的上限截止频率和下限截止频率的时间常数的单级放大电路的上限截止频率和下限截止频率的计算方法。计算方法。2.1晶体管2.1.1晶体管的结构与符号2.1.2晶体管的工作原理2.1.3晶体管的特性曲线2.1.4晶体管的主要电参数2.1.5温度对晶体管参数的影响2.1.6晶体管实际使用应注意的问题2.1.1晶体管的结构与符号常见的晶体管外形2.1.1晶体管的结构与符号晶体管的结构示意图及符号1.晶体管的工作电压：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏2.1.2晶体管的工作原理

3、ECBIIICEII为共基极直流电流放大系数，在为共基极直流电流放大系数，在0.95和和0.995之间之间 2.电流分配ECBIIICBIICBII为共射极直流电流放大系数，为共射极直流电流放大系数，其值在其值在20和和300之间之间 3.放大原理简单的放大电路1.共射极输入特性曲线2.1.3晶体管的特性曲线2.共射极输出特性曲线死区电压：死区电压：0.5V（硅管）（硅管）导通电压：导通电压：0.7V（硅管）（硅管）NPN型晶体管三种工作状态的电压、电流型晶体管三种工作状态的电压、电流2.1.4晶体管的主要电参数1.电流放大系数：2.极间反向电流3.极限参数极间反向电流ICBO测量电路集电极集

4、电极-基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBO是指发射极开路时，在是指发射极开路时，在C、B之间加上之间加上 一定反向电压时的集电极一定反向电压时的集电极-基极回路中所形成的电流基极回路中所形成的电流穿透电流穿透电流a)测量电路测量电路b)载流子运动载流子运动集电极集电极-发射极反向饱和电流发射极反向饱和电流ICEO是指基极开路的情况下，是指基极开路的情况下，C、E之间加上之间加上一定电压时形成的集电极电流一定电压时形成的集电极电流极间反向电流极间反向电流ICEO(1)集电极最大允许电流ICM 集电极电流集电极电流IC超过一定值时，晶体管的超过一定值时，晶体管的值值会下降。会下降。值下降到测试

5、条件规定值时所允许的值下降到测试条件规定值时所允许的最大集电极电流称为集电极最大允许电流最大集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。当。当ICICM时，并不表示晶体管一定会损坏，时，并不表示晶体管一定会损坏，只是晶体管性能将显著下降，甚至有烧坏晶体只是晶体管性能将显著下降，甚至有烧坏晶体管的可能。管的可能。3.极限参数(2)反向击穿电压 反向击穿电压是指晶体管某个电极开路时，另两个电极间反向击穿电压是指晶体管某个电极开路时，另两个电极间的最大允许反向电压。超过这个电压晶体管就会击穿。反向击的最大允许反向电压。超过这个电压晶体管就会击穿。反向击穿电压有多种，其中常用的反向击穿电压穿电压有多种，其

6、中常用的反向击穿电压U(BR)CEO是指基极开是指基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。当当UCEU(BR)CEO时，集电极电流会大幅上升，导致晶体管时，集电极电流会大幅上升，导致晶体管集电结雪崩击穿。手册中给出的集电结雪崩击穿。手册中给出的U(BR)CEO一般是常温一般是常温25时的时的值，晶体管在高温下，其值，晶体管在高温下，其U(BR)CEO值将会降低，使用时应特别值将会降低，使用时应特别注意。注意。(3)集电极最大允许耗散功率PCM晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区2.1.5温度对晶体管参数的影响(1)温度对的影响：(2)温度对I

7、CBO的影响：(3)温度对UBE的影响：温度增加，温度增加，增加增加温度增加，温度增加，ICBO增加，增加，ICEO增加增加温度增加，温度增加，UBE下降下降1.晶体管的正确选用1)晶体管的工作电流、电压应小于其极限参数，即ICICM，UCEU(BR)CEO，PC 0VCVUIRIIUVIR 因为因为PNP型晶体管应该是负值，不可能大于型晶体管应该是负值，不可能大于0，所以可以判，所以可以判断不成立，也就是说断不成立，也就是说晶体管工作在放大状态的假设不成立晶体管工作在放大状态的假设不成立。由于本电路中的晶体管发射结处于正向偏置，所以可以由于本电路中的晶体管发射结处于正向偏置，所以可以判判断晶

8、体管工作于饱和状态。断晶体管工作于饱和状态。（2）调整电路参数）调整电路参数把基极临界饱和电流把基极临界饱和电流IBS代入输入回路方程可得代入输入回路方程可得CCEBQBBS(9 0.3)V232k37.5AVURI即只有当基极偏置电阻时，电路才能工作在放大状态。即只有当基极偏置电阻时，电路才能工作在放大状态。（3）选择基极电阻和集电极电阻）选择基极电阻和集电极电阻CQBQ1mA12.5A80IICCEBQBBQ(90.3)V700k12.5AVURICCCEQCCQ()(93)V6k1mAVURI 所以要满足所以要满足Q点点ICQ=1mA，UCEQ=3V的要求，电路的基极偏的要求，电路的基极

9、偏置电阻，取置电阻，取680k（标称值），集电极电阻，取（标称值），集电极电阻，取5.6 k（标称（标称值）值）2.4放大电路的动态分析图2-21带负载的共射极放大电路及其交流通路a)共射极放大电路b)交流通路所谓所谓动态，是指放大器在加入输入信号动态，是指放大器在加入输入信号，即，即ui0的情况下，晶体管各的情况下，晶体管各极的电压、电流随输入信号的变化而变化，也即极的电压、电流随输入信号的变化而变化，也即放大器中的信号处在放大器中的信号处在随时变动的状态。随时变动的状态。我们我们把交流信号通过的路径把交流信号通过的路径从电路中划分出来从电路中划分出来 称之称之为交流通路为交流通路。交流通路

10、不是实际存在的电路，是为方便分析而引进的。交流通路不是实际存在的电路，是为方便分析而引进的一种等效电路。一种等效电路。画交流通路的原则是：画交流通路的原则是：（1）由于）由于耦合电容耦合电容C1、C2足够大，其容抗与和它相串联的电阻足够大，其容抗与和它相串联的电阻 相比很小，所以对交流相比很小，所以对交流可视为短路可视为短路。（2）由于）由于直流电源直流电源VCC的内阻很小，其电压的变化量基本等于的内阻很小，其电压的变化量基本等于 零，所以对交流也零，所以对交流也可视为短路可视为短路。2.4.1图解分析法 从图解分析法中可以得到以下信息：1.输入和输出信号的波形 2.直流负载线和交流负载线 3

11、.截止失真和饱和失真 4.最大不失真输出电压UoPP1.输入和输出信号的波形分析2.直流负载线和交流负载线3.截止失真和饱和失真a)截止失真b)饱和失真c)截止失真、饱和失真同时发生4.最大不失真输出电压UoPPoPPCEQCESCQL2 min(),UUUIR2.4.2微变等效电路分析法用线性二端网络等效晶体管a)晶体管b)线性二端网络1.晶体管的H参数微变等效电路晶体管H参数微变等效电路a)H参数微变等效电路b)简化的H参数微变等效电路晶体管的H参数微变等效电路使用注意事项1)晶体管H参数等效电路是交流小信号电路模型，只有当电路工作于交流小信号时才能应用。2)H参数等效电路中的ib是受控源

12、，其大小和方向都受ib的控制，如果ib的方向是be的流向，那么受控源的方向就是ce；如果ib的方向是eb的方向，那么受控源的方向就是ec。3)不管是NPN晶体管还是PNP晶体管，其H参数的形式都一样。4)因为H参数等效电路是交流模型，所以只能用来求解电路的交流性能指标。例2-5已知VCC=9V，=80，RB=560k，RC=5.6k。试求该放大电路的电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。TbebbEQ26mV(1)300(180)2k1.2mAUrrI 例例2-6设计一固定偏置共射极放大电路，要求电路在带设计一固定偏置共射极放大电路，要求电路在带2k负载时的动态范围负载时的动态范围 求电路

13、参数以及该电路允许输入信号的范围。已知电源电压求电路参数以及该电路允许输入信号的范围。已知电源电压12V。oPP8VU例2-6的分析电路2.5三种基本放大电路三种基本放大电路2.5.1共射极放大电路共射极放大电路2.5.2共集电极放大电路共集电极放大电路2.5.3共基极放大电路共基极放大电路2.5.4三种基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较1.温度对静态工作点的影响2.5.1共射极放大电路结论：温度上升，工作点上移。结论：温度上升，工作点上移。(2)稳定静态工作点的途径1)从元器件入手。2)从环境入手。3)从电路入手。2.稳定静态工作点的共射极放大电路分压式偏置共射极放大电路设计要求：设计

14、要求：BQBQBEQIIUUBQBQ(510)(35)VIIUBQBQ(1020)(13)VIIU硅管：硅管：锗管：锗管：例2-5分压式偏置共射极放大电路如图2-36a所示。其中VCC=12V，RB1=39k，RB2=20k，RE=3.3k，RC=2.7k，RL=3k，C1=C2=10F,CE=47F，晶体管VT为硅管，其=100，rbb=300。试求：(1)静态工作点Q的值；(2)、Ri、Ro的值；(3)如果信号源内阻为2k，求源电压放大倍数。解解(1)静态工作点静态工作点Q的分析的分析另一种分析方法：另一种分析方法：BBBEQBQBE9.1A(1)VUIRRCQBQ0.91mAIICEQC

15、CCQCE()6.54VUVIRR结论：比较两种计算方法的结果，可见约有结论：比较两种计算方法的结果，可见约有10%左右的误差。左右的误差。10%的计的计算误差在工程实际中是允许的。因为方法一比较简单，所以常被采用。算误差在工程实际中是允许的。因为方法一比较简单，所以常被采用。2)交流性能指标的分析估算。TbebbEQ26mV(1)300(1100)2.9k1mAUrrI oCLibe()49uURRAUr iiB1B2bebei2.9kURRRrrIiLoC02.7kURURRI求源电压放大倍数 usAooiiususisiS29UU URAAUU URR1.电路形式2.5.2共集电极放大电

16、路2.静态分析CCBEQBQBE(1)VUIRREQBQBQ(1)IIIEQBQBQ(1)IIICEQCCEQEUVIR3.动态分析oLuibeL(1)1(1)URAUrRiiBiiURRRIb bebLiibeLbb(1)(1)I rI RURrRIIiiBbeLi(1)URRrRI输入电阻输入电阻(3)输出电阻4.共集电极放大电路的特点和用途1)电压放大倍数小于电压放大倍数小于1，但是接近于，但是接近于1，输出和输入同相跟随。，输出和输入同相跟随。2)输入电阻较大输入电阻较大，可以在多级放大器中作输入级使用，以减小对信号源的影，可以在多级放大器中作输入级使用，以减小对信号源的影响；如果是测

17、量仪器中的放大器，其输入电阻越大，对被测电路的影响越小，响；如果是测量仪器中的放大器，其输入电阻越大，对被测电路的影响越小，测量精度越高。测量精度越高。3)输出电阻较小输出电阻较小，可以在多级放大器中作输出级使用。，可以在多级放大器中作输出级使用。4)高的输入电阻和低的输出电阻可以作阻抗变换，在两级放大电路之间或者高的输入电阻和低的输出电阻可以作阻抗变换，在两级放大电路之间或者在高内阻信号源和低阻抗负载之间起缓冲作用。在高内阻信号源和低阻抗负载之间起缓冲作用。5)共集电极放大电路没有电压放大能力，但有电流放大和功率放大能力。共集电极放大电路没有电压放大能力，但有电流放大和功率放大能力。例2-6

18、电路如图2-40a所示。已知VCC=12V，RB=240k，RE=3k，RL=3k，RS=2k，晶体管为硅管，=100。试求：(1)静态工作点Q；(2)电压放大倍数，输入电阻，输出电阻；(3)源电压放大倍数；(4)电路的动态范围。解(1)Q点的估算(2)交流指标的估算交流指标的估算be26mA(1)300(1100)15501.55k2.1mATbbEQUrrI oELuibeEL(1)()0.99(1)()URRAUrRRiiBbeLi(1)URRrRI93.5ksLbeoE0351SURrRURRI（3）求源电压放大倍数）求源电压放大倍数ooiiususisSi93.5k10.982k93

19、.5kUU URAAUU URR 结论：共集电极电路的结论：共集电极电路的Au和和Aus很接近，比较共射极放大很接近，比较共射极放大电路，说明共集电路对信号源的影响很小。电路，说明共集电路对信号源的影响很小。(4)求最大不失真输出求最大不失真输出，即动态范围，即动态范围UoPPoPPCEQCESCQL2 min,2 min 4.7V,3.15V6.3VUUUIR 1.电路组成2.5.3共基极放大电路2.静态分析3.动态分析obCLCLuib bebe()()UIRRRRAUI rrbeiiEiEi1+rURRRRI输出电阻：iLoC0URURRI4.共基极放大电路的特点和用途1)具有电压放大能

20、力，输出电压和输入电压同相具有电压放大能力，输出电压和输入电压同相。2)没有电流放大能力，没有电流放大能力，电流放大倍数小于电流放大倍数小于1但接近于但接近于1，所，所以也称该电路为电流跟随器。以也称该电路为电流跟随器。3)输入电阻很小输入电阻很小，一般是几欧到几十欧；输出电阻较大。，一般是几欧到几十欧；输出电阻较大。2.5.4三种基本放大电路的比较组态共射电路共集电路共基电路信号输入端基极B基极B发射极E信号输出端集电极C发射极E集电极C电压放大倍数大（几十至一百以上）略小于1大（几十至一百以上）相位关系反相同相同相输入电阻中（几百欧至几千欧）大（可大于一百千欧）小（可小于一百欧）输出电阻较

21、大（几百欧至十几千欧)小（可小于一百欧）较大（几百欧至十几千欧）电流放大倍数 较大1+较大略小于1通频带较窄较宽宽用途放大交流信号用作多级放大器的中间级缓冲、隔离用作多级放大器的输入级、输出级和中间缓冲级提高频率特性用作宽带放大器2.6放大电路的频率响应放大电路的频率响应2.6.12.6.1频率响应的基本概念频率响应的基本概念2.6.22.6.2晶体管的高频模型及频率参数晶体管的高频模型及频率参数2.6.32.6.3共射极电路的频率响应共射极电路的频率响应频率响应的基本概念(1)(1)频率响应：频率响应：频率响应是指放大电路在频率响应是指放大电路在输入输入端加入端加入频率不同频率不同、但幅度相

22、同的但幅度相同的正弦波信号正弦波信号时，时，输出信号的幅度与相位随信号频输出信号的幅度与相位随信号频率变化而变化的特性。率变化而变化的特性。()uu()jfAAf ef fL L：下限（截止）频率，指下限（截止）频率，指放大倍数放大倍数A Au u下降到中频段放下降到中频段放大倍数大倍数A Aumum的的0.7070.707倍时所对倍时所对应的频率。应的频率。f fH H：上限（截止）频率，指上限（截止）频率，指放大倍数放大倍数A Au u下降到中频段放下降到中频段放大倍数大倍数A Aumum的的0.7070.707倍时所对倍时所对应的频率。应的频率。f fBWBW：通频带（或称频带宽度）：通

23、频带（或称频带宽度）BWHLfff图2-49放大电路频率响应波特图a)幅频特性波特图b)相频特性波特图a)幅度失真b)相位失真(2)频率失真频率失真由于放大电路的由于放大电路的A Au u和和均为信号频率的函数，因此在输入非正弦波信号时，由均为信号频率的函数，因此在输入非正弦波信号时，由于非正弦信号频谱中含有不同频率分量，放大电路会因为对不同频率分量具有于非正弦信号频谱中含有不同频率分量，放大电路会因为对不同频率分量具有不同放大能力和相移，而使输出波形与输入波形产生差异，这种现象称为频率不同放大能力和相移，而使输出波形与输入波形产生差异，这种现象称为频率失真。失真。频率失真分为幅度失真（又称幅

24、频失真）和相位失真（又称相频失真）。幅度频率失真分为幅度失真（又称幅频失真）和相位失真（又称相频失真）。幅度失真是放大电路对输入信号中不同频率分量有不同放大倍数造成的；相位失真失真是放大电路对输入信号中不同频率分量有不同放大倍数造成的；相位失真是放大电路对输入信号中不同频率分量的不同相移所造成的。是放大电路对输入信号中不同频率分量的不同相移所造成的。3.简单RC电路的频率响应(1)低通RC电路的频率响应ouiH1()1UAjfUjfH1112fR C(2)高通RC电路的频率响应ouLi1()1UAjfUjfL2212fR C1.晶体管混合形模型晶体管物理结构示意图2.6.2晶体管的高频模型及频

25、率参数1.晶体管混合形模型晶体管混合形等效模型2.混合形等效模型中的参数图2-55低频时晶体管的两种等效电路a)混合形等效电路b)H参数等效电路TbeEQ(1)UrIEQ0b0mbebeTIIgUrU3.混合形等效电路的密勒变换密勒等效后的晶体管高频等效电路Mbc(1)CCAcebc1(1)CCAcebeUAU式中式中CM称为密勒电容称为密勒电容 4.晶体管的高频特性和高频参数01j ffbebebc12()frCCf T：特征频率，是指当 ，即 时，晶体管无电流放大能力时的工作频率。120lg0dBmT0bebc2(C)gffCmbeT2gCf2.6.3共射极电路的频率响应1.中频电压放大倍

26、数共射放大电路的中频等效电路oobembeCLbem beCLumibeibebbbebbbe(/)(/)UUUg URRrg rRRAUUUUrrrr0CLumbe(/)RRAr 2.低频电压放大倍数oumsuLsL1L2s(1)(1)UAAffUjjffL1L1Si11122()fRR CL2L2CL21122()fRR C3.高频电压放大倍数图2-61共射放大电路的高频等效电路a)高频等效电路b)简化的等效电路iMbeCCCSSBbbbeSbbbe(/)/()/RRRrrRrrbeSSSBbbbebeSSbbbe/rUURRrrrURrroumsuHssH(1)UAAfUjfHi12Sf

27、R C4.共射放大电路的频率响应及波特图L1L2ff假设假设 oumsusL1sH(1)(1)UAAffUjjff5.放大电路频率响应的改善和增益带宽积umsBWbbSbc12()AfrR C结论：当晶体管（结论：当晶体管（）和信号源（）和信号源（RS）确定后，）确定后，增益带宽增益带宽积几乎是常数积几乎是常数。bbbcCr 和例2-7放大电路的等效电路如图所示，其中C2为耦合电容，数值为10F，中频时可视为短路，CL为负载电容，数值为33pF，中频时可视为开路，gm=6mS，RS=1k，Ri=10k，RC=RL=5.1k。试求：(1)中频时的电压放大倍数；(2)低频时的频率响应表达式及下限频

28、率；(3)高频时的电压放大倍数和上限频率。解（解（1 1）中频时的等效电路和电压放大倍数中频时的等效电路和电压放大倍数ooiCLiiumsSSiiSiiCLiS(/)()(/)14mmUUg U RRURAUU URRURgRRRR （2）低频时的等效电路和电压放大倍数低频时的等效电路和电压放大倍数oumsuLsLs(1)UAAfUjfLCL211.6Hz2()fRR C（3）高频时的等效电路和电压放大倍数高频时的等效电路和电压放大倍数oumsuHssH(1)UAAfUjfHCLL11.89MHz2(/)fRR C本本 章章 小小 结结1晶体管也称为三极管，有晶体管也称为三极管，有NPN型和型

29、和PNP型，常用的晶体管有硅管和锗管。型，常用的晶体管有硅管和锗管。2晶体管有三种工作状态，分别是晶体管有三种工作状态，分别是放大、饱和和截止放大、饱和和截止状态。模拟电路中晶状态。模拟电路中晶体管常工作于放大状态；数字电路中晶体管常工作于饱和和截止状态（称体管常工作于放大状态；数字电路中晶体管常工作于饱和和截止状态（称为开关状态）。为开关状态）。3晶体管的伏安特性有输入特性和输出特性。硅管和锗管的晶体管的伏安特性有输入特性和输出特性。硅管和锗管的导通电压导通电压分别分别约为约为0.7V和和0.3V；在放大区有；在放大区有 ，即，即较小的基极电流可以控制较较小的基极电流可以控制较大的集电极电流

30、大的集电极电流，所以通常称晶体管是一种，所以通常称晶体管是一种电流控制器件电流控制器件。4温度对晶体管参数的影响是：温度对晶体管参数的影响是：温度升高时，温度升高时，、ICEO增大，增大，UBE减小减小。5晶体管放大电路有晶体管放大电路有共射极、共集电极、共基极三种基本组态共射极、共集电极、共基极三种基本组态，共射极放共射极放大电路有电压和电流放大能力，输出与输入反相；共集电极放大电路又称大电路有电压和电流放大能力，输出与输入反相；共集电极放大电路又称为射极跟随器，没有电压放大能力，输入电阻大，输出电阻小，输出与输为射极跟随器，没有电压放大能力，输入电阻大，输出电阻小，输出与输入同相；共基极放

31、大电路有电压放大能力，没有电流放大能力，输入电阻入同相；共基极放大电路有电压放大能力，没有电流放大能力，输入电阻小，输出与输入同相。小，输出与输入同相。CBii6放大电路的静态通过直流通路分析，分析方法有图解法和估算法，分析放大电路的静态通过直流通路分析，分析方法有图解法和估算法，分析的目的是获得静态工作点的目的是获得静态工作点Q的值。的值。7放大电路的动态分析方法有图解法和微变等效电路分析法。图解法在输放大电路的动态分析方法有图解法和微变等效电路分析法。图解法在输出特性曲线上作图分析可以获得电路的最大动态范围；微变等效电路分析出特性曲线上作图分析可以获得电路的最大动态范围；微变等效电路分析法

32、通过微变等效电路可以获得放大电路的主要性能指标：电压放大倍数、法通过微变等效电路可以获得放大电路的主要性能指标：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、带宽等。输入电阻、输出电阻、带宽等。8放大电路的失真分线性失真和非线性失真。放大电路的失真分线性失真和非线性失真。频率失真属于线性失真，分频率失真属于线性失真，分为幅度失真和相位失真，主要是由于外接电容和晶体管的结电容等线性元为幅度失真和相位失真，主要是由于外接电容和晶体管的结电容等线性元件等造成的；截止失真和饱和失真属于非线性失真，是由于输入信号过大件等造成的；截止失真和饱和失真属于非线性失真，是由于输入信号过大或者或者Q点不适合使晶体管工作在非线

33、性区而造成的。点不适合使晶体管工作在非线性区而造成的。9影响放大电路频率特性的主要因素是外接电容和晶体管结电容。影响放大电路频率特性的主要因素是外接电容和晶体管结电容。耦合电耦合电容、旁路电容等外接电容造成了放大倍数低频段的下降，晶体管结电容、容、旁路电容等外接电容造成了放大倍数低频段的下降，晶体管结电容、分布电容等造成了放大倍数高频段的下降。分布电容等造成了放大倍数高频段的下降。放大电路的频率特性可以用波放大电路的频率特性可以用波特图表示。从波特图上可以得到放大电路的三个参数：特图表示。从波特图上可以得到放大电路的三个参数：上限频率上限频率fH、下限、下限频率频率fH和通频带和通频带fBW。