第4章BJT及放大电路基础

基本要求：（1）掌握BJT输入及输出特性，了解其工作原理。（2）掌握BJT放大、饱和、截止三种工作状态条件及特点。（3）了解BJT主要参数。（4）掌握放大电路组成原则、工作原理及基本分析方法。（5）熟悉放大电路三种基本组态及特点。（6）了解频响的概念。第四章双极结型三极管及放大电路基础§4.1双极结型三极管（BJT）§4.2基本共射极放大电路§4.3放大电路的分析方法§4.4放大电路静态工作点的稳定问题§4.5共集电极放大电路与共基极放大电路§4.6组合放大电路及多级放大电路§4.7放大电路的频率响应主要内容：(TheBipolarJunctionTransistor)4.1.1BJT的结构简介一、分类：§4.1双极结型三极管（BJT）按频率：低频管和高频管按功率：小功率管、中功率管和大功率管按材料：硅管和锗管按类型：NPN型、PNP型发射极Emitter集电极Collector基极Base发射结Je集电结Jc发射区基区集电区二、结构及符号：ECBNPNTCBETPNP结构特点：•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，且掺杂浓度最低，一般在几个微米至几十个微米作用发射载流子传送控制载流子收集载流子二、结构及符号4.1.2放大状态下BJT工作原理一、保证BJT处于放大状态时外加电压：Je加正向电压，Jc加反向偏置电压。从电位的角度看：NPN发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBPNP发射结正偏VBVE集电结反偏VCVBBECNNPEBRBECRC二、内部载流子传输过程（以NPN型为例）动画IB=IEP+IB’－ICBOIE=IC+IBIE＝IEN+IEPReVEERcVCCIEICIC＝INC+ICBOIB三、：１以IＥ为已知量：IC=INC+ICBO＝IE+ICBOIB=IB’－ICBO＝（１－）IE－ICBOIE=IC+IB其中：共基极电流放大系数电流分配关系发射极发射电流集电极的收集电流ECII集电极-基极间反向饱和电流说明：只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外在电压无关，其值小于1。取值=0.9---0.99２以IＢ为已知量：由IE=IC+IBIC=IE+ICBO＝（IB＋IC）＋ＩCBO其中：共射极电流放大系数CEOBEIII)1(CEOBCBOBCIII11I1IBCBCEOC1IIIIIICEO=ICBO/（1-）=(1+)ICBO（穿透电流）说明：只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外在电压无关。1四.三极管的三种基本组态共集电极接法:集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法:基极作为公共电极，用CB表示;共发射极接法:发射极作为公共电极，用CE表示；共射极电路特性曲线及共基极电路特性曲线。一、共射极连接时特性曲线(以NPN为例)１输入特性曲线iB=f(vBE)constCEv4.1.3BJT的V－I特性曲线：+-bce共射极连接VBBVCCvBEiCiB+-vCERBRC1.输入特性常数CE)(BEBvvfi特点:非线性iB(A)vBE(V)204060800.40.8vCE1V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vBE0.7VPNP型锗管vBE0.2V2.输出特性iB=020A40A60A80A100A常数B)(CECivfi36iC(mA)1234vCE(V)9120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。IB=020A40A60A80A100A36iC(mA)1234vCE(V)9120（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vCEvBE时,饱和状态。vCE0在饱和区，iBiC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏或零偏。深度饱和时，硅管vCES0.3V，锗管vCES0.1V。测量BJT三个电极对地电位如图所示，试判断BJT的工作区域？放大截止饱和4.1.4主要参数1、电流放大倍数α、β一般=0.90.99，1α、β只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。共发射极直流电流放大系数4.1.4主要参数2、极间反向饱和电流(了解)(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO交流电流放大系数=IC/IBvCE=const+bce-uAIe=0VCCICBO4.1.4主要参数2、极间反向饱和电流(2)集电极发射极间反向饱和电流ICEO+bce-VCCICEOuAICEO即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。4.集电极最大允许电流ICM5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO集电极电流IC上升会导致三极管的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。6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM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=ICUCEiCvCEICUCE=PCMICMV(BR)CEO安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区VBE——温度升高，发射结电压下降（T升高1℃，VBE减小2-2.5mV）——温度升高，增大（T升高1℃，增大0.5%-1%）4.1.5温度对BJT主要参数的影响(P114)了解（VBE具有负温度系数）BJT的选择及注意事项1、BJT必须工作在安全工作区2、要依使用要求：小功率还是大功率，低频还是高频，β值大小等要求3、要特别注意温度对三极管的影响。思考题1、可否用两个二极管背靠背地相联以构成一个BJT？2、BJT符号中的箭头方向代表什么？3、能否将BJT的e、c两电极交换使用？4、要使BJT具有放大作用，Je和Jc的偏置电压应如何连接？5、如何判断BJT的三种组态？6、有哪几个参数确定BJT的安全工作区7、三极管组成电路如左图所示，试分析（1）当Vi=0V时（2）当Vi=3V时电路中三极管的工作状态。解：（1）当Vi=0V时（2）当Vi=3V时∵Vbe=0V,Ib≈0∴此时三极管处于放大状态。三极管Je结处于正偏，Jc结处于反偏状态∴三极管处于截止状态,Vo=Vcc=12V8、设某三极管的极限参数PCM＝150mW，ICM＝100mA，V（BR）CEO＝30V。试问：1、若它的工作电压VCE=10V，则工作电流IC最大不得超过多少？2、若它的工作电压VCE=1V，则工作电流IC最大不得超过多少？3、若它的工作电流IC=1mA,则工作电压VCE最大不得超过多少？分析：（1）PCM＝ICVCE＝150mW，所以当VCE=10V时，IC＝150/10＝15mA是最大工作电流（2）PCM＝ICVCE＝150mW，当VCE=1V时，IC＝150/1＝150mA，超过其最大工作电流，所以ICM＝100mA（3）PCM＝ICVCE＝150mW，当IC＝1mA，VCE＝150/1=150V,超过其最大工作电压，所以VCE＝30V作业：P1864.1.14.2.24.2.3(a、e、d)(Common-EmitterAmplifierCircuit）(CE)4.2.1放大电路基本知识（P7）§4.2基本共射极放大电路4.2.2共射极放大电路的组成及放大作用放大的概念：一是要求放大电信号，即能将微弱的电信号增强到人们所需的数值，以便于人们测量和使用；如高温计，其输出电压仅有毫伏量级。二是要求信号不能失真，即放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同或基本相同，否则就会丢失要传送的信息，失去了放大的意义。放大的本质是小能量对大能量的控制作用。如家用音响系统，其输入信号的能量较微。4.2.1放大电路基本知识4.2.1放大电路的基本知识输入电阻输出电阻电压放大模型电流放大模型放大电路模型放大电路的主要性能指标增益互阻放大模型互导放大模型隔离放大电路模型频率响应及带宽非线性失真4.2.1放大电路模型及其性能指标电压增益（电压放大倍数）Rs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRLioVVAV电流增益ioIIAI互阻增益)(ioIVAR互导增益)S(ioVIAG信号源负载放大电路模型放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。Rs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRL信号源负载输入端口特性可以等效为一个输入电阻输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式放大电路模型——负载开路时的电压增益1.电压放大模型Rs+––Vi+–Vo+RLVsRs+–Vs–Vi+–Vo+RiRLRs+–Vs–Vi+–Vo+–+RiRLViAVORs+–Vs–Vi+Ro–Vo+–+RiRLViAVOOVAiR——输入电阻oR——输出电阻由输出回路得LoLiOoRRRVAVV则电压增益为ioVVAVLoLORRRAV由此可见LRVA即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，则希望…？（考虑改变放大电路的参数）LoRR理想情况0oR放大电路模型另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减Rs+–Vs–Vi+Ro–Vo+–+RiRLViAVOsiRR理想有sisiiVRRRV要想减小衰减，则希望…？iRRs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRLRs+–Vs–Vi+Ro–Vo+–+RiRLViAVO电压放大模型电流放大模型放大电路模型关心输出电流与输入电流的关系2.电流放大模型放大电路模型——负载短路时的电流增益2.电流放大模型ISA由输出回路得LooioRRRIAIIS则电流增益为ioIIAILooRRRAIS由此可见LRIA要想减小负载的影响，则希望…？LoRR理想情况oR由输入回路得isssiRRRII要想减小对信号源的衰减，则希望…？siRR理想0iR放大电路模型3.互阻放大模型（自看）输入输出回路没有公共端安全性强，抗干扰能力强4.互导放大模型（自看）5.隔离放大电路模型Ro–+RiViAVO–Vo+–Vi+放大电路的主要性能指标1.输入电阻iiiIVRRs+–Vs–Vi+RiIi放大电路放大电路的主要性能指标2.输出电阻iOoVAVVRo–Vo+–+RLViAVO放大电路Ro–+ViAVO放大电路–+VoLoLiOoRRRVAVV所以LLoooRRVVR放大电路IT+–VTRo+–Vs=0另一方法LRVIVR0TTos注意：输入、输出电阻为交流电阻放大电路的主要性能指标3.增益反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力其中)dB(lg20VA电压增益“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？四种增益ioVVAVioIIAIioIVARioVIAGIVAA、常用分贝（dB）表示)dB(lg20IA电流增益)dB(lg10PA功率增益放大电路的主要性能指标4.频率响应及带宽（频域指标）A.频率响应及带宽电压增益可表示为)()()(iojVjVjAV在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。Rs放大电路IoIi+–Vo+–Vs+–ViRL)]()([)()(ioiojVjV或写为)()(VVAA其中称为幅频响应)()()(iojVjVAV称为相频响应)()()(io放大电路的主要性能指