模电第二章-2讲解
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①叠加交流信号后,
0
t
iB
晶体管各极电流方向、
IBQ
极间电压极性与静态时
0
t
iC
相同。
ICQ
0
t
uCE
②放大器的输出与
UCEQ
0
t 输入信号是反相(或称
uo
倒相)的。
0
t
图2―23共射极放大器的电压、电流波形
9
ui 0 uBE UBEQ 0 iB
IBQ
0 iC
ICQ
0 uCE UCEQ
0 uo
0
t
6
iB
iB
Q
IBQ
iC
iC
ICQ
0
0 t
Rs
+
Us -
C1 +
+
Ui
-
uBE
t
t 0
uBE
0
(UCC)
t
ui
RC
RB
+
iC
iB
uV C2 CE
RL
0
+
uBE
UBEQ
UCC
0
Uo
iB
IBQ
-
0 iC
ICQ
Q VCEQ
iB
-1/RL
uCE
uCE
t
t
t
7
iB
Q 0 0 t
Rs
+
Us -
C1 +
Ic hfeIb hoeUce
hie
U be Ib
Uce 0
——输出交流短路时的输入电阻
hre
U be Uce
Ib 0
——输入交流开路时的反向电压传输系数
hfe
Ic Ib
Uce 0
------输出交流短路时的电流放大系数
hfe
Ic Ib
Uce 0
------输出交流短路时的电流放大系数
③直流量保证了交
t 流量的不失真。
t
(UCC)
t
RC
RB
+
C1
iC
+
t
Rs
+ +
iB
uV C2 CE RL
UCC Uo
+
Ui
Us
t
-
-
-
图2―23共射极放大器的电压、电流波形
10
2.5.2 放大电路的动态范围和非线性失真
iC
iC
交流负载线
iB Q
0
t0
uCE
0
uCE
(a)截止失真
t
Q点过低→动态工作点进入截止区,出现截止失真。对NPN管的
4
(UCC)
Rs
+
Us -
C1 +
+
Ui
-
RC
RB
+
iC
iB
u V C2 CE
RL
+
+ UCC
Uo
Ui
-
-
+
ic
ib
+ u ce
RC RL Uo
-
RB
-
ic
uce RL'
其中RL’=RC//RL
RL’
因此:iC
特点:
I CQ
1 RL'
uCE UCEQ
----交流负载方程
1、交流负载线经过Q点。
+
Ui
-
iB
IBQ
uBE uBE
iC
ICQ
t
(UCC)
RC
RB
+
iC
iB
uV C2 CE RL
+
UCC Uo
-
iC
ui 0
uBE
UBEQ
t0
0
iB 0
IBQt
0 iC
ICQ
0 uCE
UCEQ
0 uo
0
Q VCEQ
ib t -1/RL
uCE
t
uCE
t
t
t
t 8
ui 0
t 结论:
uBE
UBEQ
UA I CQ
26
2.考虑寄生效应分析
b
bb’ rrbbc’c
+ rbb’
cc’
c
+
rcc’
ube
rbreb’e
rce uce
-
gmgumbUeb’e
-
e
e(b’ ) ree’
e
(b)低频时的电路模型
其中rb’e=(1+β)re,rbe=rbb’+rb’e,rb’c=βrce
c
rcc’ c’
rbb’
rb’c’ b’
rb’e’
ree’ e
27
考虑到PN结的电容特性,在高频时不能按开路处理,得到:
b
r bb′
b′
+
rbe u be
C bc′
rb’c C be′
c + gmub’e rce uce
-
-
e
(a)高频时的电路模型
28
二、低频H参数电路模型
成立条件:低频、小信号(6mV左右)交流信号。
ube
r be
-
rce uce
0
g mube
-
5
10
15
uCE/V
截止区
e
(b)
gm
ic ube
ib
ube
rbe
1
1 re re
rce
uce ic
uCE iC
Q
UA I CQ
rbc
uce ib
uce
ic
rce
25
b
r bc
+
c + 掌握以下关系式:
RC
RB
+
iC
iB
u V C2 CE
RL
uBE
+
UCC
t
Uo
(a)输入回路的工作波形
-
3
iC
UCC M RC
ICQ
Q
0
UCEQ
iB=IBQ
N UCC
Rs +
Us -
uCE
C1 +
+
Ui
-
(UCC)
RC
RB
+
iC
iB
u V C2 CE
RL
+
UCC Uo
-
iB变化时,在输出特性曲线上瞬时工作点(uCE 和iC)移动的轨迹称为交流负载线。
icΔiC
++
ibΔiB
RB RB
++
-uΔc-eUCE
RC RC RL RuLo uo
--
--
(a)直流通路
(b)交流通路
IBQ b
ICQ c+
RB UBE(on)
βI BQ
UCEQ -
RC UCC
e
晶体管直流(b) 大信号模型
晶体管交流小信号模型 19
当输入小信号时,Q点处可用线性关系来 近似伏安特性。因此,可把晶体管看作线性 有源器件,并用相应的线性元件来等效,便 可得到Q点处的交流小信号模型。
Uom UCEQ UCES
其中较小的即为放大器最大不失真输出电压 的幅度,而输出动态范围Uopp则为该幅度的两倍, 即
Uopp=2Uom
16
Q点位置与波形失真:
NPN管
Q点过低,uO正半周易截止失真。 Q点过高,uO负半周易饱和失真。
由于PNP管电压极性与NPN管相反,故横轴uCE可改为-uCE。
21
uCE UCE
uce Ucem
uCE(min)
uCE(max)
uCE UCE uce 瞬 时 值 t
Ucem 峰 值
Uce
Ucem 2
有效值
22
iB
iB
一、共射混合π iBma x
1.忽略寄生效应分析
IBQ
iBmin
Q IBQ
首先分析输入端的等效电路:
+
ic
ib
+
+
+ uce
RC RL Uo
14
iC
iC
iB
Q
交流负载线
0
t0
uCE
(b)饱和失真
0
uCE
图2―24 Q点不合适产生的 非线性失真
t
因饱和失真的限制,最大不失真输出电压的幅度为
Uom UCEQ UCES
15
放大器输出动态范围:
受截止失真限制,其最大不失真输出电压的幅度为
Uom ICQ RL
因饱和失真的限制,最大不失真输出电压的幅度为
解:先求π型电路参数:
rb'e
(1 )re
(1 100) UT I EQ
100 UT ICQ
100 26mV 13k 0.2m A
gm
1 re
I EQ UT
0.2 26
77ms
rce
UA ICQ
100 500k 0.2m A
34
例2.5.2:设某双极性晶体管的UCEQ=5V,ICQ=0.2mA ,β=100,UA=100V,rbb’=100。试求混合π型电路和 H参数模型的参数
解:再求H电路参数:
hie rbe rbb' rb'e 100 13k 13.1k
hfe 100
hoe
1 rce
2106 s
35
PNP管
Q点过低,uO负半周易截止失真。 Q点过高,uO正半周易饱和失真。
消除饱和失真
降低Q点: 增大RB ,减小IBQ 减小RC : 负载线变徒。
消除截止失真 升高Q点: 减小RB ,增大IBQ
17
2.5.3 晶体管的交流小信号模型 (UCC)
Rs
+
Us -
C1 +
+
Ui
-
RC
RB
+
iC
iB
iE
IS
e
UT
1
re
uBE iE
Q
UT I EQ
室温下 re
26m V I EQ
24
再分析输出 等效电路 :
b
r bc
+
c βib
饱 和 区
+
iC/mA uCE=uBE
4 放
3 大
2 区
1
IB=40μ A 30μ A
20μ A
10μ A 0μ A
iB=-ICBO
-
RB IBQ
RC ICQ + UCEQ -
UCC + + Ui Ui
icΔiC
++
ibΔiB
RB RB
++
-uΔc-eUCE
RC RC RL RuLo uo
--
--
2
(a)直流通路
(b)交流通路
iB
iB
iBmax IBQ iBmin
I BQ
Q
Rs
+
Us -
C1 +
+
Ui
-
(UCC)
t
UBEQ uBE
物理型电路模型(如:混合π型电路模型) 网络参数模型(如:H参数电路模型) 它们是等价的,相互之间可以进行转换。
20
各类符号的表示说明:(以集电极电流为例)
ICQ ——集电极静态电流 ic ——集电极电流交流分量 iC ——集电极总电流(iC=ICQ+ic) Ic ——集电极电流交流分量有效值 Icm——集电极电流交流分量最大 值
Ui
RB
ube -
-
-
-
t
(a) t
b ib
+
UBEQ
uBE
uBE
ube
rbe
-
23
e
iB
iB
b ib
+
ube
iBma x
IBQ iBmin
rbe
Q
IBQ
ib
t
UBEQ
uBE
ube
-
e
(a)
uBE
t
rbe
ube ib
ie
ube
1
(1 )re
ic uce
ie
uBE
u V C2 CE
RL
+
UCC Uo
-
RB IBQ
RC ICQ + UCEQ -
UCC + + Ui Ui
icΔiC
++
ibΔiB
RB RB
++
-uΔc-eUCE
RC RC RL RuLo uo
--
--
18
(a)直流通路
(b)交流通路
RB IBQ
RC ICQ + UCEQ -
UCC + + Ui Ui
u be
r be
rce uce
rbe (1 )re
-
g mu be
-
e (b)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、rbe:反映ube对ib的控制作用
2、gm:反映ube对ic的控制作用
re
UT I EQ
gm
rbe
ICQ UT
3、rce:反映uce对ic的控制作用 4、rbc:反映uce对ib的控制作用
rce
共射极放大器,发生截止失真时,其输出电压出现“胖顶”的1现1 象(顶部限幅),
iC
iC
iB
Q
交流负载线
0
t0
uCE
(b)饱和失真
0
uCE
图2―24 Q点不合适产生的 非线性失真
t
Q点过高→动态工作点进入饱和区,出现饱和失真
。对NPN管的共射极放大器,发生饱和失真时,其
输出电压出现“削底”现象(底部限幅)
-
e
图2―28 共发射极晶(b体) 管混合π型模型
hoe
1 rce
···10-
5
hre 0 ···10-3~10-4 32
b
+ Ib
Ube
hie (rbe )
-
hfeIb (βI b)
c
+ Ic
1
hoe
Uce
(rce)
-
e
图2―32 实用的低频H参数电路模型
33
例2.5.2:设某双极性晶体管的UCEQ=5V,ICQ=0.2mA ,β=100,UA=100V,rbb’=100。试求混合π型电路和 H参数模型的参数
2.5 共射放大电路的动态分析和设计
静态分析
分析指标:IBQ、ICQ、UCEQ 分析方法:图解法、估算法
动态分析
分析指标:Au 、Ri 、Ro 分析方法:图解法、小信号等效电路法
1
2.5.1 交流图解分析 (UCC)
Rs
+
Us -
C1 +
+
Ui
-
RC
RB
+
iC
iB
u V C2 CE
RL
+
UCC Uo
ic hfeib hoeuce
Ic hfe Ib hoeUce 29
Ube hieIb hreUce
Ib Ic hfeIb hoeUce
b
+
hie
hfeI b
Ube
+
hreUce
1 hoe
-
-
e
Ic c +
Uce
-
图2―28 共发射极晶体管H参数电路模型
30
Ube hieIb hreUce
2、斜率:
k
1 RL'
5
iC
iC UCC
交流负载线 k =- 1 RL′
RC
Q1
iBmax
ICQ
ICQ
Q
IBQ
t U CEQ
iBmin
Q2
A
I CQRL′
UCC
uCE
uCE
(b)输出回路的
工作波形
t
图2―22放大器的交流图解分析
交流负载线:iC
I CQ
1 RL'
uCE UCEQ
+
ic
ib
ic
+
ib
+
+ uce
RC RL Uo +
Ui
RB
ube -
-
ube
-
+
线性双端 口网络
uce
-
-
-
取ib和uce为自变量,则有: ube f1(ib , uce )
ic f2 (ib , uce )
改成有效值
ube hieib hreuce
Ube hie Ib hreUce
12
非线性失真:当输入某一频率的正弦信号时, 其输出波形中除基波I1m成分之外,还包含有一定 数量的谐波In,n=2,3,…,该失真为非线性失真。它 是由于方法电路中的非线性器件引起。
13
iC
iC
交流负载线
iB Q
0
t0
uCE
0
uCE
(a)截止失真
t
受截止失真限制,其最大不失真输出电压的幅度为
Uom ICQ RL
31
b
Ib
Ic c
+
+
hie Ube hreUce +
hfeIb
1 hoe
Uce 得到:
-
-
-
e
图2―28 共发射极晶体管H参数电路模型
b
rbb′
b′ rb′c
c hie rbe ···1KΩ左右
+ ib
+ h fe ···20~200
ube
rb′ e
rce uce
-
gmiubb′ e