雙極結(jié)型三極管及其放大電路ppt課件

.,電子技術(shù)基礎(chǔ),模擬部分（第六版）,.,電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分,1緒論2運算放大器3二極管及其基本電路4場效應(yīng)三極管及其放大電路5雙極結(jié)型三極管及其放大電路6頻率響應(yīng)7模擬集成電路8反饋放大電路9功率放大電路10信號處理與信號產(chǎn)生電路11直流穩(wěn)壓電源,.,5雙極結(jié)型三極管及其放大電路,5.1BJT5.2基本共射極放大電路5.3BJT放大電路的分析方法5.4BJT放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題5.5共集電極放大電路和共基極放大電路5.6FET和BJT及其基本放大電路性能的比較5.7多級放大電路5.8光電三極管,.,5.1BJT,5.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介5.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理5.1.3BJT的V-I特性曲線5.1.4BJT的主要參數(shù)5.1.5溫度對BJT參數(shù)及特性的影響,.,5.1.1BJT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,.,5.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介,.,5.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介,半導體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型：NPN型和PNP型。,NPN型,PNP型,.,5.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介,結(jié)構(gòu)特點：,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)，且面積大；,基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。,集成電路中典型NPN型BJT的截面圖,.,載流子的傳輸過程,5.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理,三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏,1.內(nèi)部載流子的傳輸過程,發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子（以NPN為例）,由于三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。,IC=ICN+ICBO,IE=IB+IC,.,載流子的傳輸過程,2.電流分配關(guān)系,根據(jù)傳輸過程可知,IC=InC+ICBO,通常ICICBO,IE=IB+IC,.,且令,2.電流分配關(guān)系,.,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，簡稱CC。,共基極接法，基極作為公共電極，簡稱CB；,共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，簡稱CE；,iE,iC,iB,iC,iB,iE,iC=iE,iC=iB,iE=(1+)iB,輸出口,輸入口,輸出口,輸入口,輸出口,輸入口,.,共基極放大電路,4.放大作用,電壓放大倍數(shù),vO=-iCRL=0.98V，,.,5.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理,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，然后到達集電極而實現(xiàn)的。實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠大于基區(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。,.,5.1.3BJT的I-V特性曲線,iB=f(vBE)vCE=const,(2)當vCE1V時，vCB=vCE-vBE0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，收集載流子能力增強，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。,(1)當vCE=0V時，相當于發(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）,.,5.1.3BJT的I-V特性曲線,(3)輸入特性曲線的三個部分,死區(qū),非線性區(qū),近似線性區(qū),1.輸入特性曲線,.,5.1.3BJT的I-V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vCE0.7V(硅管)。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。,iC=f(vCE)iB=const,輸出特性曲線的三個區(qū)域:,截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，vBE小于死區(qū)電壓。,放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2.輸出特性曲線,.,5.1.4BJT的主要參數(shù),(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù),1.電流放大系數(shù),(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)=IC/IBvCE=const,.,5.1.4BJT的主要參數(shù),(3)共基極直流電流放大系數(shù)=（ICICBO）/IEIC/IE,(4)共基極交流電流放大系數(shù)=IC/IEVCB=const,當ICBO和ICEO很小時，、，可以不加區(qū)分。,1.電流放大系數(shù),.,5.1.4BJT的主要參數(shù),(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向飽和電流。,2.極間反向電流,.,5.1.4BJT的主要參數(shù),(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO,ICEO=（1+）ICBO,即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng)的Y坐標的數(shù)值。ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。,2.極間反向電流,.,5.1.4BJT的主要參數(shù),(1)集電極最大允許電流ICM,(2)集電極最大允許功率損耗PCM,PCM=ICVCE,3.極限參數(shù),(3)反向擊穿電壓,V(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓。,V(BR)EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。,V(BR)CEO基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。,.,5.1.4BJT的主要參數(shù),由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。,輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū),過流區(qū),過壓區(qū),.,5.1.5溫度對BJT參數(shù)及特性的影響,(1)溫度對ICBO的影響,溫度每升高10，ICBO約增加一倍。,(2)溫度對的影響,溫度每升高1，值約增大0.5%1%。,(3)溫度對反向擊穿電壓V(BR)CBO、V(BR)CEO的影響,溫度升高時，V(BR)CBO和V(BR)CEO都會有所提高。,2.溫度對BJT特性曲線的影響,1.溫度對BJT參數(shù)的影響,.,5.2基本共射極放大電路,5.2.1基本共射極放大電路的組成5.2.2基本共射極放大電路的工作原理,.,5.2.1基本共射極放大電路的組成,.,5.2.2基本共射極放大電路的工作原理,1.靜態(tài),輸入信號vi0時，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,.,5.2.2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，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,.,BJT放大電路的其它組成形式,信號源不共地,.,BJT放大電路的其它組成形式,.,5.3BJT放大電路的分析方法,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法5.3.2BJT放大電路的小信號模型分析法,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,1.靜態(tài)工作點的圖解分析,采用該方法分析靜態(tài)工作點，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。,共射極放大電路,首先，畫出直流通路,直流通路,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,列輸入回路方程vBE=VBBiBRb,列輸出回路方程（直流負載線）vCE=VCCiCRc,直流通路,1.靜態(tài)工作點的圖解分析,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,在輸入特性曲線上，作出直線vBE=VBBiBRb，兩線的交點即是Q點，得到IBQ。,在輸出特性曲線上，作出直流負載線vCE=VCCiCRc，與IBQ曲線的交點即為Q點，從而得到VCEQ和ICQ,1.靜態(tài)工作點的圖解分析,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,2.動態(tài)工作情況的圖解分析,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,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,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,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,2.動態(tài)工作情況的圖解分析,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,3.靜態(tài)工作點對波形失真的影響,靜態(tài)工作點太高容易出現(xiàn)飽和失真,飽和失真的波形,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,3.靜態(tài)工作點對波形失真的影響,靜態(tài)工作點太低容易出現(xiàn)截止失真,截止失真的波形,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,例5.3.1阻容耦合共射極放大電路圖解,與前一個電路相比，靜態(tài)時輸入回路方程略有差別,vBE=VCCiBRb,輸出回路方程相同vCE=VCCiCRc,動態(tài)時，輸入信號vi疊加Cb1上已充的靜態(tài)電壓VBEQ，然后加在BJT的b-e間，即,且電容Cb1充電完成后，其電壓等于VBEQ,vBE=VBEQ+vi,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,例5.3.1阻容耦合共射極放大電路圖解,由于輸出端有隔直電容，所以動態(tài)和靜態(tài)時有差別。,由交流通路可得交流負載線：,交流通路,vce=-ic(Rc|RL),因為交流信號過零時，電路中電壓、電流值就等于靜態(tài)值，所以交流負載線必過Q點，即vce=vCE-VCEQic=iC-ICQ同時，令RL=Rc|RL,則交流負載線為,iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,.,5.3.1BJT放大電路的圖解分析法,交流負載線是有交流輸入信號時Q點的運動軌跡。,交流負載線,例5.3.1阻容耦合共射極放大電路圖解,iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,.,5.3.2BJT放大電路的小信號模型分析法,1.BJT的H參數(shù)及小信號模型,與FET類似，也可通過BJT的小信號模型來分析其放大電路的動態(tài)指標。當放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把BJT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非線性器件所組成的電路當作線性電路來處理。,.,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：,.,輸出端交流短路時的輸入電阻；,輸出端交流短路時的正向電流傳輸比或電流放大系數(shù)；,輸入端交流開路時的反向電壓傳輸比；,輸入端交流開路時的輸出電導。,其中：,四個參數(shù)量綱各不相同，故稱為混合參數(shù)（H參數(shù)）。,H參數(shù)的引出,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,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,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,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是一個受控電壓源。反映了BJT輸出回路電壓對輸入回路的影響。,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。,模型的簡化,hre和hoe都很小，常忽略它們的影響。常用習慣符號rbe=hie，=hfe,BJT的H參數(shù)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點有關(guān)，可用圖示儀測出,一般也用公式估算rbe（忽略re）,=rb+(1+)re,對于低頻小功率管rb200,則,而,(T=300K),(估算公式),#若用萬用表的“歐姆”檔測量b、e兩極之間的電阻，是否為rbe?,1.BJT的H參數(shù)及小信號模型,.,5.3.2BJT放大電路的小信號模型分析法,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,共射極放大電路,一般硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V，已知。,vs=0,.,5.3.2BJT放大電路的小信號模型分析法,（2）畫小信號等效電路,2.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,H參數(shù)小信號等效電路,.,5.3.2BJT放大電路的小信號模型分析法,（3）求放大電路動態(tài)指標,已知，估算rbe,則電壓增益為,（可作為公式）,電壓增益,2.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,根據(jù),.,5.3.2BJT放大電路的小信號模型分析法,輸入電阻,（3）求放大電路動態(tài)指標,2.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路,令,輸出電阻,.,1.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。此時BJT工作在哪個區(qū)域？,（2）當Rb=100k時，放大電路的Q點。此時BJT工作在哪個區(qū)域？（忽略BJT的飽和壓降）,解：（1）,（2）當Rb=100k時，,靜態(tài)工作點為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工作在飽和區(qū)。,VCE不可能為負值，,此時，Q（120uA，6mA，0V），,例題,.,解：,（1）,（2）,2.放大電路如圖所示。試求：（1）Q點；（2）,、,、,。已知=50。,例題,.,2.放大電路如圖所示。試求：（1）Q點；（2）,、,、,。已知=50。,例題,.,5.4BJT放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題,5.4.1溫度對靜態(tài)工作點的影響5.4.2射極偏置電路,.,5.4.1溫度對靜態(tài)工作點的影響,5.1節(jié)曾討論過，溫度變化將導致下列結(jié)果：,要想使ICQ基本穩(wěn)定不變，就要求在溫度升高時，電路能自動地適當減小基極電流IBQ。,溫度T,(內(nèi)部)VBE,ICBO、ICEO、,ICQ,.,5.4.2射極偏置電路,（1）穩(wěn)定工作點的原理,目標：溫度變化時，使ICQ維持恒定,如果溫度變化時，b點電位能基本不變，則可實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。,T,ICQ,IEQ,VE、VB不變,VBEQ,IBQ,（反饋控制）,1.基極分壓式射極偏置電路,.,5.4.2射極偏置電路,b點電位基本不變的條件：,I1IBQ，,此時，,VB與溫度無關(guān),VBVBEQ,Re取值越大，反饋控制作用越強,一般取I1=(510)IBQ，VB=35V,（1）穩(wěn)定工作點的原理,1.基極分壓式射極偏置電路,直流通路,.,5.4.2射極偏置電路,（2）放大電路指標分析,靜態(tài)工作點,1.基極分壓式射極偏置電路,直流通路,.,5.4.2射極偏置電路,電壓增益,畫小信號等效電路,（2）放大電路指標分析,1.基極分壓式射極偏置電路,.,電壓增益,輸出回路：,輸入回路：,電壓增益：,確定模型參數(shù),已知，求rbe,增益,（2）放大電路指標分析,（可作為公式用）,.,輸入電阻,根據(jù)定義,由電路列出方程,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）放大電路指標分析,.,輸出電阻,求輸出電阻的等效電路,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)獨立源置零,負載開路,輸出端口加測試電壓,對回路1和2列KVL方程,為便于分析考慮rce的影響,其中,則,（2）放大電路指標分析,.,5.4.2射極偏置電路,2.含有雙電源的射極偏置電路,穩(wěn)定工作點作用？,（1）阻容耦合,靜態(tài)工作點,.,5.4.2射極偏置電路,電壓增益,小信號等效電路,2.含有雙電源的射極偏置電路,（1）阻容耦合,.,5.4.2射極偏置電路,（2）直接耦合,電路如圖所示，求：（1）靜態(tài)工作點（2）畫出小信號等效電路（3）電壓增益（Av=vo/vi）、輸入電阻和輸出電阻,Re,2.含有雙電源的射極偏置電路,.,5.4.2射極偏置電路,靜態(tài)工作點由恒流源提供,3.含有恒流源的射極偏置電路,恒流源對交流信號而言相當于開路,.,5.5共集電極放大電路和共基極放大電路,5.5.1共集電極放大電路5.5.2共基極放大電路5.5.3BJT放大電路三種組態(tài)的比較,.,三種組態(tài)的判別,以輸入、輸出信號的位置為判斷依據(jù)：信號由基極輸入，集電極輸出共射極放大電路信號由基極輸入，發(fā)射極輸出共集電極放大電路信號由發(fā)射極輸入，集電極輸出共基極電路,.,5.5.1共集電極放大電路,1.靜態(tài)分析,共集電極電路結(jié)構(gòu)如圖示,該電路也稱為射極輸出器,直流通路,得,.,5.5.1共集電極放大電路,小信號等效電路,2.動態(tài)分析,.,5.5.1共集電極放大電路,電壓增益,輸入回路：,2.動態(tài)分析,輸出回路：,電壓增益：,其中,一般,，則電壓增益接近于1，,電壓跟隨器,.,5.5.1共集電極放大電路,輸入電阻,根據(jù)定義,由電路列出方程,則輸入電阻,時，,輸入電阻大,2.動態(tài)分析,.,5.5.1共集電極放大電路,輸出電阻,由電路列出方程,輸出電阻小,2.動態(tài)分析,其中,則輸出電阻,.,5.5.1共集電極放大電路,#既然共集電極電路的電壓增益小于1（接近于1），那么它對電壓放大沒有任何作用。這種說法是否正確？,.,5.5.2共基極放大電路,1.靜態(tài)工作點,直流通路與射極偏置電路相同,.,5.5.2共基極放大電路,2.動態(tài)指標,交流通路,小信號等效電路,.,5.5.2共基極放大電路,2.動態(tài)指標,電壓增益,輸出回路：,輸入回路：,電壓增益：,輸入電阻,.,5.5.2共基極放大電路,#共基極電路的輸入電阻很小，最適合用來放大何種信號源的信號？,輸出電阻,2.動態(tài)指標,.,5.5.3BJT放大電路三種組態(tài)的比較,.,5.5.3BJT放大電路三種組態(tài)的比較,三種組態(tài)的特點及用途,共射極放大電路：電壓和電流增益都大于1，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關(guān)系。適用于低頻情況下，作多級放大電路的中間級。,共集電極放大電路：只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用。在三種組態(tài)中，輸入電阻最大，輸出電阻最小，頻率特性好?？捎糜谳斎爰?、輸出級或緩沖級。,共基極放大電路：只有電壓放大作用，沒有電流放大，有電流跟隨作用，輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關(guān)。高頻特性較好，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗的場合，模擬集成電路中亦兼有電位移動的功能。,.,5.6FET和BJT及其基本放大電路性能的比較,5.6.1FET和BJT重要特性的比較5.6.2FET和BJT放大電路性能的比較,.,5.6.1FET和BJT重要特性的比較,FET和BJT內(nèi)部都含有兩個PN結(jié)，外部都有3個電極。它們有如下的對應(yīng)關(guān)系：FETBJT柵極g基極b源極s發(fā)射極e漏極d集電極c,.,5.6.1FET和BJT重要特性的比較,雖然這兩類器件的工作原理不相同，但它們都可以利用兩個電極之間的電壓控制流過第三個電極的電流來實現(xiàn)輸入對輸出的控制。MOS管：柵-源電壓vGS控制漏極iDBJT：基-射極間電壓vBE控制集電極電流iC在放大區(qū)域內(nèi)，MOS管的iD與vGS之間是平方律關(guān)系，而BJT的iC與vBE之間是指數(shù)關(guān)系。顯然，指數(shù)關(guān)系更加敏感，所以通常BJT管的跨導要大于MOS管的跨導。因MOS管的柵極電流iG=0，而BJT管的基極電流iB0，且電壓vBE首先影響iB（或iE），然后通過iB（或iE）實現(xiàn)對iE的控制，故常將BJT稱為電流控制器件，MOS管稱為電壓控制器件，以示兩者之差別。,.,5.6.1FET和BJT重要特性的比較,MOS管的跨導gm不僅與VGSQ和開啟（夾斷）電壓的差值（或IDQ）有關(guān)，而且還與其溝道的寬長比W/L有關(guān)。而BJT的gm僅與ICQ有關(guān)。這兩類器件的輸出電阻ro都等于Early電壓VA與靜態(tài)電流（IDQ或ICQ）的比值。通常BJT的VA比MOS管的VA大。意味著BJT的輸出電阻ro比MOS管的大。MOS管的Kn與BJT的或具有類似的性質(zhì)，即它們主要取決于管子的固有參數(shù)（如，尺寸、參雜濃度