《模拟电子技术》大学课件第四章(双极型三极管及放大电路基础).ppt

❖ 综合考虑电路的静态分析结果与动态 分析结果，即得电路的实际工作情况
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放大电路为什么要建立合适的的静态工作点？
1. 静态工作点Q合适
2. 静态工作点 Q 偏高 可能导致饱和失真 3. 静态工作点 Q 偏低 可能导致截止失真
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5. 直流通路和交流通路
耦合电容：隔直流， 可看做为开路。
信号源：不加考虑 去掉所在支路。
C
N
B
B
P
B
N
E
E
NPN型三极管
C
C
P
B
N
P
E
E
PNP型三极管
由于PN结之间的相互影响，使BJT表现出不
同于单个PN结的特性而具有电流放大作用。
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结构特点
集电区： 面积较大
B 基极
C 集电极
N P N
E 发射极
基区：较薄， 掺杂浓度最低
发射区：掺杂 浓度最高
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BJT放大的 内部条件
管芯结构剖面示意图
O
C
D
B
iB = 0
E uCE/V
Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB，CD = DE
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(三)用图解法分析电路参数对静态工作点的影响
1. 改变 Rb，保持
VCC ，Rc ， 不变；
iC
Q3 Q1
IB
Q2
O
uCE
Rb 增大， Q 点下移； Rb 减小， Q 点上移；
2. 改变 VCC，保持 Rb，
根据直流通路可知：
共射极放大电路
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2. 用图解法确定静态工作点 采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输出特性曲线。
• 列输出回路方程（直流负载线）：vCE=VCC－iCRC
• 由直流回路求出 IB (即 IBQ)
• 在输出特性曲线上，
iC
i 直流负载线 vCE=VCC－ CRC， VCC
Rc
➢ 发射区的掺杂浓度最高； ➢ 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； ➢ 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，
且掺杂浓度最低。
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BJT放大的外部条件：发射结正偏，集电结反偏
进入P区的电子少部 分与基区的空穴复合， 形成电流IB ，多数 扩散到集电结。
B
RB
EB
C
N
P
IB
N
E IE
发射结正偏， 发射区电子 不断向基区 扩散，形成 发射极电流
状态，也称直流工作状态；可用估算法和图解法进行分析。
电路处于静态时，三极管各电极的电流、电压在特性曲线上
确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC、 和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。
动态：输入信号不为零时放大电路的工作状态，也称交流工 作状态；可用图解法和小信号模型法分析。其主要性能指标为 Av 、 Ri、 Ro 。
(12 0.7)mA 40 μA 280
做直流负载线，确定 Q 点
根据 vCE = VCC – iC Rc
iC = 0，vCE = 12 V ； vCE = 0，iC = 4 mA .
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iC /mA
4
80 µA
3
60 µA
静态工作点
40 µA
2
Q
20 µA
1
M iB = 0 µA
0
2
4
6
8
Q2
IB
Q1
O
uCE
增大 ，ICQ 增大，
UCEQ 减小，则 Q 点移近饱 和区。
即为α与的关系
对NPN管，放大时 VC > VB > VE 对PNP管，放大时 VC < VB < VE
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二、 BJT的特性曲线
（以共射极放大电路为例）
1. 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const
(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。 (2) 当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状 态，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。
直流通路
直流电源：内阻为零， 相当于对地短路
耦合电容：通交流， 相当于短路
end
交流通路
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4.3 放大电路的分析法
4.3.1 静态工作情况分析 4.3.2 动态工作情况分析 4.3.3 小信号模型分析法
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4.3.1 静态工作情况分析
1. 近似估算静态工作点
采用该方法，必须已知三极管的值。
• 首先，画出直流通路
=（IC－ICEO）/IB≈IC / IB vCE=const
(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const
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三、BJT的主要参数
1. 电流放大系数
(4) 共基极交流电流放大系数α
α=IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时， ≈、 ≈，可以不
加区分。
➢ 放大电路的基本概念
➢ 共射电路组成 ➢ 简单工作原理 ➢ 放大电路的静态和放大电路的基本概念
放大电路的作用：
将微弱的电信号放大到一定的数值去驱动负载，使之 正常工作。
放大电路的分类：
分类1：连接方式不同(组态不同）
共射极放大电路
共集电极放大电路
共基极放大电路
交流负载电阻。
O
斜率
1
Rc// RL
斜率 - 1
Q
IBBQQ
Rcc
VCCEEQQ
VCCCC vCCEE
共射极放大电路
交流负载线是 有交流输入信号时 工作点Q的运动轨迹
过输出特ic 性曲线上
的1/RQL点直做线一，v+条该-ce 直斜线率即为为-
交流负载线。
交流通路 33
2. 输入交流信号时的图解分析
iB/uA
iB/uA
60 40
20 IBQ t
Q` Q Q``
vBE/V vBE/V
iC/mA
iC/mA 交流负载线
Q`
60uA
Q
40uA
ICQ
Q`` 20uA
t
vC E/V
vC E/V
VBEQ t
VC EQ t
通过图解分析，可得如下结论：
1. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo与vi相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数；
分类2：放大元件的个数的不同
单级放大电路
多级放大电路
分类3：所放大的信号不同
直流放大电路
交流放大电路
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二、 共射极放大电路
1. 电路组成
输入回路（基极回路） 输出回路（集电极回路）
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2.习惯画法
BJT: 放大电路的核心
Vcc: 电路的能源
Rb: 基极电阻，用于设置偏压
Rc: 集电极电阻，用于实现集电
4 双极型三极管及放大电路基础
4.1 半导体BJT 4.2 共射极放大电路 4.3 图解分析法 4.4 小信号模型分析法 4.5 放大电路的工作点稳定问题 4.6 共集电极电路和共基极电路 4.7 放大电路的频率响应
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4.1 双极型三极管(BJT)
(Bipolar Junction Transistor) 又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。 三极管的外形如下图所示。
与IBQ曲线的交点即为Q点，
从而得到VCEQ 和ICQ。
ICQ
O
斜率 - 1
Q
IBQ
Rc
VC EQ
VCC vCE
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【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知
Rb = 280 k，Rc = 3 k ，集电极直流电源 VCC = 12 V， 试用图解法确定静态工作点。
解：首先估算 IBQ
I BQ
VCC VBE Rb
三极管的外形
三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。主要以 NPN 型为例进行讨论。
2
3
一、 BJT的结构、符号及放大条件
结构与分类 两个PN结、三个引脚，两种类型：NPN和PNP型。
NPN型 C 集电极
集电极 C PNP型
N
B
P
基极
N
集电结
P
B
N
基极
P
E 发射极
发射结
E
发射极
4
BJT符号
C
10 12
uCE /V
由 Q 点确定静态值为：
IBQ = 40 µA ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.
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4.3.2 动态工作情况分析
1. 交流通路及交流负载线
iCC
VCCCC
由交流通路得纯交流负载线： Rcc
vce= -ic (Rc //RL) ICCQQ
R'L= RL∥Rc， 是
此时，曲线基本相同，为一般常用曲线。
vvCCEE == 00VV vCE 1V
iC
iB
c+ b
+ vCE
vBE e -
VCC
VBB
-
共射极放大电路
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1. 输入特性曲线
(3) 输入特性曲线的三个部分 ①死区 ②非线性区 ③线性区
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2.输出特性曲线
iC=f(vCE) iB=const
输出特性曲线的三个区域
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三、BJT的主要参数
2. 极间反向电流
(1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO
发射极开路时，集电结的反向饱和电流。
(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO
ICEO=（1+ ）ICBIOCBO c
即输出特性u曲A b
线IB=0那条曲线- 所 +
e
ICEO -
c b
uA
+
对应的Y坐标的数
Ve CC
iB / µA
—— 截止失真
ib
IBQ
O
结论：iB 波形失真
iB / µA
Q
uBE/V
tO
O
uBE/V
t
ui
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iC 、 uCE (uo )波形失真
iC / mA iC
NPN 管截止失真时 的输出 uo 波形。
ICQ
O
tO
O
t
Q UCEQ
uCE/V uCE/V
uo = uce
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2. Q 点过高，引起 iC、uCE的波形失真—饱和失真
极的电流与电压的转换
C1、C2: 耦合电容，作用为
1）隔直流，使BJT的直流工作点
Q不受外界直流影响；
注意：零电位点是指电路中各点电位
均以此点为参考。
2）通交流，使交流信号无 衰减地通过。
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3. 简单工作原理
vi=0(静态)
vi=Vsint（动态）
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4. 放大电路的静态和动态
静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时放大电路的工作
令 = IC / IB 为共射极电流放大倍数
>> 1 (10～100) 一般放大电路采用30～80为宜，太小放 大作用差，太大性能不稳定。
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因为 IC = α IE IB = IE － IC = IE －α IE
所以 = IC / IB = α IE /(IE －α IE ) = α /(1-α)
iC ICQ
iC / mA Q
ib(不失真) NPN 管 uo波形
O
tO
UCEQ
O
t
uo = uce
IB = 0
uCE/V uCE/V
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(二)用图解法估算最大输出幅度
输出波形没有 明显失真时能够输 出最大电压。即输 出特性的 A、B 所 限定的范围。
iC / mA
交流负载线
A
Q
Uom
CD 2
DE 2
饱和区：Je正偏，Jc正偏。 该区域内，一般vCE <1V (硅)。
放大区： Je正偏，Jc反偏。 曲线基本平行等距。
截止区： Je反偏，Jc反偏。
ic轴接近零的区域，
相当iB=0的曲线的下方。 此时， vBE小于死区电压。
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三、BJT的主要参数
1. 电流放大系数 (1)共发射极直流电流放大系数
IE。 Ec
8
根据KCL
IE=IB+ IC
IB B
RB EB
IC C
从基区扩散来的
IC N 电子漂移进入集
电结而被收集，
P 形成IC。Ec N
E IE
三极管能放大电流的必要条件： 发射结正偏，集电结反偏。
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根据KCL IE=IB+ IC
令 α= IC / IE 为共基极电流放大倍数
α< 1 (0.9～0.99)
• V(BR)CEO—基极开路时集电极和发射极间的
几个击穿电压有如下关系
反向击穿电压。
V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR) EBO
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由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以 确定过损耗区、过电流区和击穿区。
输出特性曲线上的过损耗区和击穿区
end
19
4.2 共射极放大电路
4. 可以确定最大不失真输出幅度。
34
单管共射放大电 路当输入正弦波 ui 时，放大电路中相应
的 uBE、iB、iC、uCE、
uO 波形。
单管共射放大电路的 电压电流波形
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3. BJT的三个工作区
iC/mA 饱和区
200uA
放大区（线性区）：
160uA
Q1
放大区
120uA 80uA
Q
iB =40uA
Q2 0
O
截止区
vCE/V
饱和区： iC随iB的增加而非线性增加，即
iC iB 此时 iB iC VCE= VCES ，典型值为0.3V
截止区：iB=0， iC= ICEO
当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。
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◆ 图解法的应用
(一)用图解法分析非线性失真
1. 静态工作点
过低，引起 iB、iC、 uCE 的波形失真
Rc ， 不变；
iC
Q2 IB
Q1
O
uCE
升高 VCC，直流负载线平 行右移，动态工作范围增大， 但管子的动态功耗也增大。
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3. 改变 Rc，保持 Rb，
4. 改变 ，保持 Rb，Rc ，
VCC ， 不变；
VCC 不变；
iC
iC
Q1
IB
Q2
O
uCE
增大 Rc ，直流负载 线斜率改变，则 Q 点向 饱和区移近。
值。 ICEO也称为集 Ie=0
ICEO
VCC
电极发射极间穿透
电流。
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3. 极限参数 (1) 集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗PCM，PCM= ICVCE (3) 反向击穿电压
• V(BR)CBO—发射极开路时的集电结反向击穿电压。
• V(BR) EBO—集电极开路时发射结的反向击穿电压。