《《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》cha》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》cha（80頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、本章主要講述如何構(gòu)建一個(gè)合乎自身要求的放大電路。 如何實(shí)現(xiàn)放大，放大倍數(shù)的大小受到哪些因素/元件參數(shù)的影響？ 放大電路如何獲得盡可能多的信號能量？通過改變哪些參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)？ 放大電路的輸出信號如何才能不受外界負(fù)載變化的干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。 設(shè)計(jì)放大電路，有多少種電路模型可以供你選擇，這些模型的各自特色又在哪里？,第四章,第185頁起： 4.1.1 4.1.2 4.2.1 4.2.3 4.3.1 4.3.5 4.3.8 4.3.9 4.3.12 4.4.3 4.4.4 4.5.2 4.5.3,,4 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ),4.1 半導(dǎo)體三極管,4.3 放大電路的分析方法,4.4

2、 放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題,4.5 共集電極放大電路和共基極放大電路,4.2 共射極放大電路的工作原理,4.6 組合放大電路,4.7 放大電路的頻率響應(yīng),,4.1 半導(dǎo)體三極管,4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡介,4.1.2 放大狀態(tài)下BJT的工作原理,4.1.3 BJT的VI特性曲線,4.1.4 BJT的主要參數(shù),4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡介,,,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。,4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡介,,(a) NPN型管結(jié)構(gòu)示意圖 (b) PNP型管結(jié)構(gòu)示意圖 (c) N

3、PN管的電路符號 (d) PNP管的電路符號,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：, 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；, 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積最大；, 基區(qū)最薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。,,管芯結(jié)構(gòu)剖面圖,,集成電路中典型NPN型BJT的截面圖,4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡介,,三極管的放大作用：特定的外部條件實(shí)現(xiàn)了三極管的載流子傳輸，在宏觀上就表現(xiàn)為在輸出端得到與輸入小信號形狀相同的大信號。 外部條件：發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏,,4.1.2 放大狀態(tài)下BJT的工作原理,1. 內(nèi)部載流子的傳輸過程,發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子（Je正偏） 集電區(qū)：收集載流子（Jc反偏） 基區(qū)：傳送和控制載流子 （以

4、NPN為例）,雙極型三極管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,IE=IB+ IC,放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過程,IC= ICN+ ICBO,放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過程,少數(shù)載流子的運(yùn)動,基區(qū)空穴的擴(kuò)散,因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū),因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合,因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū),IE=IB+ IC,IC= ICN+ ICBO,2. 電流分配關(guān)系,根據(jù)傳輸過程可知,通常 IC ICBO，不考慮少子影響,IE=IB+ IC,,載流子的傳輸過程,IC= IC

5、N+ ICBO,2. 電流分配關(guān)系,,且令,3. 三極管的三種組態(tài),共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。,共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；,BJT的三種組態(tài),共基極放大電路,4. 放大作用,電壓放大倍數(shù),vO = -iC RL = 0.98 V，,綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。 實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程的兩個(gè)條件是： （1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。 （2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。,vCE = 0V,iB=f(vBE) vC

6、E=const,(2) 當(dāng)1vCE0V時(shí)， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下 IB減小，特性曲線右移。,(1) 當(dāng)vCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。,,1. 輸入特性曲線,,（以共射極放大電路為例）,(3) 當(dāng)vCE1V時(shí)， 在集電結(jié)附近電子已經(jīng)全部被拉走，再增大vCE，對基區(qū)復(fù)合無影響，特性曲線不變。,4.1.3 BJT的V-I 特性曲線,(3) 輸入特性曲線的三個(gè)部分,死區(qū),非線性區(qū),線性區(qū),,1. 輸入特性曲線,,,4.1.3 BJT的V-I 特性曲線,飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE0

7、.3V 。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏 C,E之間相當(dāng)于閉合的開關(guān),iC=f(vCE) iB=const,2. 輸出特性曲線,輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:,截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0曲線（其對應(yīng)的iC 為穿透電流）的下方。 此時(shí)， vBE小于死區(qū)電壓。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏 C,E之間相當(dāng)于斷開的開關(guān),放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 模擬放大電路的工作區(qū)域,4.1.3 BJT的V-I 特性曲線,,,(1) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=cons1,1. 電流放大系數(shù),4.1.4 BJT的

8、主要參數(shù),,,與iC的關(guān)系曲線,(2) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const,1. 電流放大系數(shù),(3) 共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE <1,(4) 共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IEvCB=const,當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)， 、 ，可以不加區(qū)分。,4.1.4 BJT的主要參數(shù),,2. 極間反向電流(質(zhì)量好壞),(1) 集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。,4.1.4 BJT的主要參數(shù),,(2) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO穿透電流,4.1.4 BJT的主要參數(shù),,2. 極間反

9、向電流,集電極最大允許電流ICM（超過導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，不會燒毀）,(2) 集電極最大允許功率損耗PCM,（超過將導(dǎo)致燒毀） PCM= ICVCE,3. 極限參數(shù)（正常工作）,4.1.4 BJT的主要參數(shù),,3. 極限參數(shù),4.1.4 BJT的主要參數(shù),,(3) 反向擊穿電壓, V(BR)CBO發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)反 向擊穿電壓。, V(BR) EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。, V(BR)CEO基極開路時(shí)集電極和發(fā)射 極間的擊穿電壓。,幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,4.1.5 溫度對BJT參數(shù)及特性的影響,,(1) 溫度

10、對ICBO的影響,溫度每升高10，ICBO約增加一倍。 （每條水平線均抬高）,(2) 溫度對 的影響,溫度每升高1， 值約增大0.5%1%。（水平線間距加大）,(3) 溫度對反向擊穿電壓V(BR)CBO、V(BR)CEO的影響,溫度升高時(shí)，V(BR)CBO和V(BR)CEO都會有所提高。,1. 溫度對BJT參數(shù)的影響（溫度升高，IC增大）,,1. 既然BJT具有兩個(gè)PN結(jié)，可否用兩個(gè)二極管相聯(lián)以構(gòu)成一只BJT，試說明其理由。,思 考 題,2. 能否將BJT的e、c兩個(gè)電極交換使用，為什么？,3. BJT是電流控制器件，還是電壓控制器件？,4. 放大電路輸出端增加的能量是從哪里來的？,如何根據(jù)工

11、作在放大區(qū)的三極管管腳電位判定該三極管的類型和材料？？,三極管放大的外部條件,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,PNP 發(fā)射結(jié)正偏 VB

12、， PNP管 3）剩余的最后一個(gè)管腳為集電極C,,,,,,,,,放大的概念,將微弱的變化信號放大成較大的信號。,電壓放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示，如圖。,Au,基本放大電路的組成,放大的概念,放大的對象：變化量 放大的本質(zhì)：能量的控制 放大的特征：功率放大 放大的基本要求：不失真，放大的前提,判斷電路能否放大的基本出發(fā)點(diǎn),放大的表象:,幅度小的變化信號轉(zhuǎn)換成幅度大的變化信號。,放大的實(shí)質(zhì): 用微小的交流能量通過三極管的電流控制作用，將放大電路中大直流能量（直流電源）轉(zhuǎn)成相應(yīng)的大交流能量，并輸出（能量規(guī)模不變，能量性質(zhì)與輸入相同）。,對放大電路的基本要求 ： 1. 要有足夠的

13、放大倍數(shù)(電壓、電流、功率)。 2. 盡可能小的波形失真。 另外還有輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等其它技術(shù)指標(biāo)。,本章主要討論電壓放大電路，同時(shí)介紹功率放大電路。,符號規(guī)定,UA,大寫字母、大寫下標(biāo)，表示直流分量。,uA,小寫字母、大寫下標(biāo)，表示混合量。,ua,小寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流分量。,uA,,混合量,交流分量ua,t,直流分量 UA,基本放大電路的分類：,三極管放大電路有三種形式,,共射極放大器,共基極放大器,共集電極放大器,,以共射極放大器為例講解工作原理,,4.2 共射極放大電路的工作原理,4.2.1 基本共射極放大電路的組成,基本共射極放大電路,,放大元件iC=iB，工作在

14、放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。,使發(fā)射結(jié)正偏，通過Rb提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)偏置電流(基極的直流電流)。,集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。,輸入微小的交流控制信號,集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?,4.2.2 基本共射極放大電路的工作原理,,1. 靜態(tài)(直流工作狀態(tài)),輸入信號vi0時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)或直流工作狀態(tài)。,直流通路,,,VCEQ=VCCICQRc,,4.2.2 基本共射極放大電路的工作原理,,2. 動態(tài),輸入正弦信號vs后，電路將處在動態(tài)工作情況。此時(shí)，BJT各極電流及電壓都將在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上隨輸入信號作相應(yīng)的變化。,交流通路,,4.3 放大電

15、路的分析方法,4.3.1 圖解分析法,4.3.2 小信號模型分析法,1. 靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解分析,2. 動態(tài)工作情況的圖解分析,3. 非線性失真的圖解分析,4. 圖解分析法的適用范圍,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型,2. 用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,3. 小信號模型分析法的適用范圍,,4.3.1 圖解分析法,,1. 靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解分析,采用該方法分析靜態(tài)工作點(diǎn)，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。,共射極放大電路,直流通路,,4.3.1 圖解分析法,,1. 靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解分析, 列輸入回路方程（輸入直流負(fù)載線）, 列輸出回路方程（輸出直流負(fù)載線）, 首先，畫出直流通路,, 在輸

16、出特性曲線上，作出直線 ，與IBQ曲線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)，從而得到VCEQ 和ICQ。, 在輸入特性曲線上，作出直線 ，兩線的交點(diǎn)即是Q點(diǎn)，得到IBQ。, 根據(jù)vs的波形，在BJT的輸入特性曲線圖上畫出vBE 、 iB 的波形,,2. 動態(tài)工作情況的圖解分析,,,, 根據(jù)iB的變化范圍在輸出特性曲線圖上畫出iC和vCE 的波形,2. 動態(tài)工作情況的圖解分析,,圖解分析,RL=,由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大電路的電壓放大倍數(shù)。,2. 動態(tài)工作情況的圖解分析,, 共射極放大電路中的電壓、電流波形,,3. 靜態(tài)工作點(diǎn)對波形失真的影響,截止失真的波形,飽和失真的波

17、形,,3. 靜態(tài)工作點(diǎn)對波形失真的影響,,例題： 電路的改進(jìn),,,耦合電容：隔斷輸入輸出部分與主電路的直流聯(lián)系，使主電路靜態(tài)工作不受干擾。,負(fù)載電阻如喇叭，只接收純粹的交流能量,無輸入信號(ui = 0)時(shí),uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,,,UBE,無輸入信號(ui = 0)時(shí):,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,？,有輸入信號(ui 0)時(shí),uCE = UCC iC RC,,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,vs和RL對靜態(tài)工作沒有任何影響！,,,交流工作則有變化！,,,圖解法的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 形象直觀； 適應(yīng)于Q點(diǎn)分

18、析、失真分析、最大不失真輸出電壓的分析； 能夠用于大信號分析； 缺點(diǎn)： 不易準(zhǔn)確求解； 不能求解輸入電阻、輸出電阻、頻帶等等參數(shù)。,4.3.2 小信號模型分析法,,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型,建立小信號模型的意義,建立小信號模型的思路,當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時(shí)，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個(gè)非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。,由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計(jì)。,在交流通路中可將晶體管看成為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，輸入回路、輸出回路各為一個(gè)端口

19、。,BJT雙口網(wǎng)絡(luò),,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型,小信號模型是指BJT在交流低頻小信號工作狀態(tài)下的模型，考慮電流、電壓間的微變關(guān)系。,,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型, H參數(shù)的引出,在小信號情況下，對上兩式取全微分得,用小信號交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,對于BJT雙口網(wǎng)絡(luò)，已知輸入輸出特性曲線如下：,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以寫成：,BJT雙口網(wǎng)絡(luò),輸出端交流短路時(shí)的輸入電阻；,輸出端交流短路時(shí)的正向電流傳輸比或電流放大系數(shù)；,輸入端交流開路時(shí)的反向電壓傳輸比；,輸入端

20、交流開路時(shí)的輸出電導(dǎo)。,其中：,四個(gè)參數(shù)量綱各不相同，故稱為混合參數(shù)（H參數(shù)）。,,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型, H參數(shù)的引出,,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型, H參數(shù)小信號模型,根據(jù),可得小信號模型,BJT的H參數(shù)模型,BJT雙口網(wǎng)絡(luò),,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型, H參數(shù)小信號模型, H參數(shù)都是小信號參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。 H參數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。 H參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對交流信號的分析。,受控電流源hfeib ，反映了BJT的基極電流對集電極電流的控制作用。電流源的流向由ib的流向決定。 hrevce是一個(gè)受控電壓源。反映了BJT輸出回路電壓對

21、輸入回路的影響。,,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型, 模型的簡化,hre和hoe都很小，常忽略它們的影響。,BJT在共射極連接時(shí)，其H參數(shù)的數(shù)量級一般為,,1. BJT的H參數(shù)及小信號模型, H參數(shù)的確定, 一般用測試儀測出；,rbe 與Q點(diǎn)有關(guān)，可用圖示儀測出。,rbe= rbb + (1+ ) re,其中對于低頻小功率管 rbb200,則,,在輸入特性曲線上，Q點(diǎn)越高，rbe越?。?基區(qū)體電阻,發(fā)射結(jié)電阻,發(fā)射區(qū)體電阻數(shù)值小可忽略,4.3.2 小信號模型分析法,,2. 用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,（1）利用直流通路求Q點(diǎn),共射極放大電路,一般硅管VBE=0.7V，鍺管VBE

22、=0.2V， 已知。,,,,2. 用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,（2）畫小信號等效電路,H參數(shù)小信號等效電路,,,2. 用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,（3）求放大電路動態(tài)指標(biāo),根據(jù),則電壓增益為,（可作為公式）,電壓增益,H參數(shù)小信號等效電路,,2. 用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,（3）求放大電路動態(tài)指標(biāo),輸入電阻,輸出電阻,,3. 小信號模型分析法的適用范圍,放大電路的輸入信號幅度較小，BJT工作在其VT特性曲線的線性范圍（即放大區(qū)）內(nèi)。H參數(shù)的值是在靜態(tài)工作點(diǎn)上求得的。所以，放大電路的動態(tài)性能與靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)值的大小及穩(wěn)定性密切相關(guān)。,優(yōu)點(diǎn)： 分析放

23、大電路的動態(tài)性能指標(biāo)(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且適用于頻率較高時(shí)的分析。,4.3.2 小信號模型分析法,,缺點(diǎn)： 不能用來分析計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和大輸入信號情況。,共射極放大電路,,放大電路如圖所示。已知BJT的 =80， Rb=300k ， Rc=2k， VCC= +12V，求：,（1）放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？,（2）當(dāng)Rb=100k時(shí)，放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？（忽略BJT的飽和壓降）,解：（1）,（2）當(dāng)Rb=100k時(shí)，,靜態(tài)工作點(diǎn)為Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區(qū)。,其最小值也只能為0，即IC的最大電流為：,，所以BJT工作

24、在飽和區(qū)。,VCE不可能為負(fù)值，,此時(shí)，Q（120uA，6mA，0V），,例題,,4.4 放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題,4.4.1 溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,4.4.2 射極偏置電路,1. 基極分壓式射極偏置電路,2. 含有雙電源的射極偏置電路,3. 含有恒流源的射極偏置電路,4.4.1 溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,,,4.1.6節(jié)討論過，溫度上升時(shí)，BJT的反向電流ICBO、ICEO及電流放大系數(shù)或都會增大，而發(fā)射結(jié)正向壓降VBE會減小。這些參數(shù)隨溫度的變化，都會使放大電路中的集電極靜態(tài)電流ICQ隨溫度升高而增加（ICQ= IBQ+ ICEO） ，從而使Q點(diǎn)隨溫度變化。,要想使ICQ基本穩(wěn)定不變，

25、就要求在溫度升高時(shí)，電路能自動地適當(dāng)減小基極電流IBQ 。,,4.4.2 射極偏置電路,,（1）穩(wěn)定工作點(diǎn)原理,目標(biāo)：溫度變化時(shí)，使IC維持恒定。,如果溫度變化時(shí)，b點(diǎn)電位能基本不變，則可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。,,T , IC, IE, VE、VB不變, VBE , IB,（反饋控制）,1. 基極分壓式射極偏置電路,(a) 原理電路 (b) 直流通路,b點(diǎn)電位基本不變的條件：,I1 IBQ ，,此時(shí)，,VBQ與溫度無關(guān),VBQ VBEQ,Re取值越大，反饋控制作用越強(qiáng),一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V,,1. 基極分壓式射極偏置電路,（1）穩(wěn)定工作點(diǎn)原理,,1. 基極分壓式射極偏置電路,（2）放大電路指標(biāo)分析,靜態(tài)工作點(diǎn),電壓增益,畫小信號等效電路,（2）放大電路指標(biāo)分析,電壓增益,輸出回路：,輸入回路：,電壓增益：,,畫小信號等效電路,確定模型參數(shù),已知，求rbe,,增益,（2）放大電路指標(biāo)分析,（可作為公式用）,Re的影響？,輸入電阻,則輸入電阻,放大電路的輸入電阻不包含信號源的內(nèi)阻,（2）放大電路指標(biāo)分析,輸出電阻,求輸出電阻的等效電路,,（2）放大電路指標(biāo)分析,0,0,