模拟电子技术 2基本放大电路.ppt
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1、第2章 半导体三极管和交流电压放大电路1. 掌握半导体三极管的基本结构、特性、电流分配和放大原理。2. 理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、 共集电极放大电路的性能特点。3. 掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变 等效电路分析法。4. 了解放大电路输入、输出电阻和多级放大的概念,了解放大电路的频率特性。,放大的概念:,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。,放大的实质: 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用,将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。,对放大电路的基本要求 : 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、
2、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路。,2.1 半导体三极管,2.1.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号:,NPN型三极管,PNP型三极管,基区:最薄,掺杂浓度最低,发射区:掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点:,集电区:面积最大,B,E,输入,输出,C,B,输入,输入,输出,输出,B,E,E,C,C,共基极,共发射极,共集电极,2.1. 2 电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看: NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,2. 各电极电流关系及电流
3、放大作用,结论:,1)三电极电流关系 IE = IB + IC2) IC IB , IC IE 3) IC IB = IC / IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化,是CCCS器件。,3.三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合,形成电流IBE ,多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子,漂移进入集电结而被收集,形成ICE。,集电结反偏,有少子形成的反向电流ICBO
4、。,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极直流电流放大倍数,集射极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),若IB =0, 则 IC ICE0,2.1.3 特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线,是管子内部载流子运动的外部表现,反映了晶体管的性能,是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线: 1)直观地分析管子的工作状态 2)合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测
5、量晶体管特性的实验线路,1. 输入特性,特点:非线性,死区电压:硅管0.5V,锗管0.1V。,正常工作时发射结电压: NPN型硅管 UBE 0.60.7VPNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,2. 输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区:,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ,也称为线性区,具有恒流特性。,在放大区,发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置,晶体管工作于放大状态。,(2)截止区,IB 0 以下区域为截止区,有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置,集电结处于反向偏置,晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,(3)饱和区,当UCE UBE时,晶
6、体管工作于饱和状态。 在饱和区,IB IC,发射结处于正向偏置,集电结也处于正偏。 深度饱和时, 硅管UCES 0.3V, 锗管UCES 0.1V。,工作状态(晶体管工作状态的判定) 放大 截止 饱和1.根据PN结 UBE 0 UBE 0 UBE 0偏置电压 (正偏) (反偏) (正偏) UB C 0 UB C 0 UB C 0 (反偏) (反偏) (正偏)2.根据 IB 0 IB IBS 0 IBS IB IC IE IC IB 0 IB IE IB IC 0 (1+) IB IBS =EC UCES / RC 硅管临界饱和UCES =0.5V 深饱和UCES 0.10.3V,工作状态(晶体
7、管工作状态的判定)3.测量管压 UBE UCE 放大 0.7V UCE S UCE EC 截止 0 EC 饱和 0.7V UCE S,2.1.4 主要参数,1. 电流放大系数,,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时,,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数,晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意:,和 的含义不同,但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下,两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。100左右为宜。,例:在UCE= 6 V时, 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA; 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA,求,
8、在以后的计算中,一般作近似处理: = 。,Q1,Q2,在 Q1 点,有,由 Q1 和Q2点,得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流,受温度的影响大。 温度ICBO,ICBO越小越好。(硅管的较小1微安以下),ICEO = ICBO + ICBO =(1+ ) ICBO,IC = ICE + ICBO = IB + ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO,所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会
9、导致三极管的值的下降,当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时,三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升,消耗功率过大,温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C,锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C,ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C,UBE将减 小(2-2.5)mV,
10、 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C, 增加 0.5%1.0%。,2.2 基本放大电路的组成,2.2.1 共发射极基本放大电路组成,共发射极基本电路,2.2.2 基本放大电路各元件作用,晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏,并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,集电极电源EC -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C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系,同时使信号顺利输入、输出。,信号源,负载,共发射极基本
11、电路,2.2 基本放大电路的组成,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,2.2.3 共射放大电路的电压放大作用,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,结论:,(1) 无输入信号电压时,三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点,称为静态工作点。,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,?,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE
12、+ uo,2.2.3 共射放大电路的电压放大作用,结论:,(2) 加上输入信号电压后,各电极电流和电压的大 小均发生了变化,都在直流量的基础上叠加了 一个交流量,但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论:,(3) 若参数选取得当,输出电压可比输入电压大, 即电路具有电压放大作用。,(4) 输出电压与输入电压在相位上相差180, 即共发射极电路具有反相作用。,1. 实现放大的条件,(1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏,集 电结反偏。(2) 正确设置静态工作点,使晶体管工作于放大 区。(3) 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电 流。(4) 输出回路将
13、变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压,经电容耦合只输出交流信号。,2. 直、流通路和交流通路,因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大,可以认为它对交流分量不起作用,即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样,交直流所走的通路是不同的。,直流通路:无信号时电流(直流电流)的通路, 用来计算静态工作点。,交流通路:有信号时交流分量(变化量)的通路, 用来计算电压放大倍数、输入电阻、 输出电阻等动态参数。,例:画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路(即将电容断开),断开,断开,对交
14、流信号(有输入信号ui时的交流分量),XC 0,C 可看作短路。忽略电源的内阻,电源的端电压恒定,直流电源对交流可看作短路。,短路,短路,对地短路,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,2. 放大电路的静态分析,静态:放大电路无信号输入(ui = 0)时的工作状态。,分析方法:估算法、图解法。分析对象:各极电压电流的直流分量。所用电路:放大电路的直流通路。,设置Q点的目的: (1) 使放大电路的放大信号不失真; (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态,静态是动态的基础。,静态工作点Q:IB、IC、UCE 。,静态分析:确定放大电路的静态值。,2.2.3 共射放大电路的
15、电压放大作用,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,IB,IC,UBE,UCE 直流分量,ib,iC,ube,uce 交流分量,iB,iC,uBE,uCE 总 量,Ib,IC,Ube,Uce 交流分量有效值,各种符号关系:,结论:,(1) 无输入信号电压时,三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点,称为静态工作点。,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,?,有输入信号(ui 0)时,uCE = U
16、CC iC RC,uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uo,2.2.3 共射放大电路的电压放大作用,结论:,(2) 加上输入信号电压后,各电极电流和电压的大 小均发生了变化,都在直流量的基础上叠加了 一个交流量,但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论:,(3) 若参数选取得当,输出电压可比输入电压大, 即电路具有电压放大作用。,(4) 输出电压与输入电压在相位上相差180, 即共发射极电路具有反相作用。,1. 实现放大的条件,(1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏,集 电结反偏。(2) 正确设置静态工作点,使晶体管工作于放大 区。
17、(3) 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电 流。(4) 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压,经电容耦合只输出交流信号。,2. 直、流通路和交流通路,因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大,可以认为它对交流分量不起作用,即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样,交直流所走的通路是不同的。,直流通路:无信号时电流(直流电流)的通路, 用来计算静态工作点。,交流通路:有信号时交流分量(变化量)的通路, 用来计算电压放大倍数、输入电阻、 输出电阻等动态参数。,2.3 放大电路的静态分析,静态:放大电路无信号输入(ui = 0)时的工作状态。,分析方法:估算法、
18、图解法。分析对象:各极电压电流的直流分量。所用电路:放大电路的直流通路。,设置Q点的目的: (1) 使放大电路的放大信号不失真; (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态,静态是动态的基础。,静态工作点Q:IB、IC、UCE 。,静态分析:确定放大电路的静态值。,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路(即将电容断开),断开,断开,2.3.1用估算法计算静态工作点,2.3.1用估算法计算静态工作点,UCC = UBE +I B RBI B = UCC - UBE / RB UCC / RB 若UCC UBE I C= I B +
19、I CEO I B UCE = UCC - I C RC,例1:用估算法计算静态工作点。,已知:UCC=12V,RC=4k,RB=300k, =37.5。,解:,注意:电路中IB 和 IC 的数量级不同,例2:用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例1、例2可知,当电路不同时,计算静态值的公式也不同。,由KVL可得:,由KVL可得:,2.3.2静态图解法,UBE =UCC - RBIB,IB = IBQ,下页,翻页,iB = (uBE),UBE = UBEQ,线性部分,非线性部分,线性部分,返回,0,UCE = UCC RCIC,IB = IBQ,Q,翻页,直流负载线,返回,UCC,UCC,U
20、CE,IC,+,IB,UBE,+,RB,RC,iC,翻页,返回,图(a)中,没有设置静态偏置,不能放大。,图(b)中,有静态偏置,但ui被EB 短路,不能引起iB的变化,所以不能放大。,翻页,UCC,RC,C1,C2,T,RL,uo,ui,(a),+,_,+,_,如图所示电路,能否放大交流信号?请说明理由。,思考与练习,+,+,返回,图(c)中,有静态偏置,有变化的iB和ic, 但因没有RC ,不能把集电极电流的变化转化为电压的变化送到输出端,所以不能放大交流电压信号。,翻页,+,+,+,返回,2.3.4 放大电路的动态分析,动态:放大电路有信号输入(ui 0)时的工作状态。,分析方法: 微变
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