第3章-半導體三極管及其放大電路2

3.4.2用H參數(shù)的簡化模型(微變等效電路）分析共射極基本放大電路1.放大電路的微變等效電路(以圖3.4.4為例)

(1)先畫出放大電路的溝通通路，P89圖3.3.3(b)(2)用晶體管的簡化模型代替溝通通路中的晶體管。如圖3.4.4(b)所示。2/28/20231第3章22/28/20232第3章22/28/20233第3章22/28/20234第3章2(3)標出圖中電壓、電流的正方向。如圖3.4.4(b)所示。2.求電壓增益由圖可以看出，2/28/20235第3章2式中R’L=Rc//RL所以：2/28/20236第3章2例3.4.1如圖3.4.4a的電路，若BJT為3DG6，已知在Q點上的β=40，計算電壓增益。解：(1)確定Q點因已知β，故可用簡潔計算法確定Q點：2/28/20237第3章2IE≈IC＝βIB＝40×40μA＝1.6mAVCE＝VCC－ICRc＝12V－1.6mA×4k＝5.6V(2)求r

be，利用式(3.4.6b)，得:2/28/20238第3章2(3)求利用式(3.4.7)，得2/28/20239第3章23.輸入、輸出電阻的計算輸入電阻計算由圖(3.4.5)所示，［轉12］2/28/202310第3章22/28/202311第3章2由于Rb>>rbe，所以，Ri≈rbe。按圖3.4.4(a)所給數(shù)據(jù)，可得：

Ri＝Rb∥rbe＝300kΩ∥0.866kΩ≈0.866kΩ2/28/202312第3章2(2)輸出電阻的計算如圖3.4.6所示，依據(jù)輸出電阻的定義式，當測試電壓加在放大電路的輸出端時，由于cJ處于反向偏置，故Ib＝0，所以Ic＝0,得：［轉15］2/28/202313第3章22/28/202314第3章2因已知Rc＝4kΩ，故Ro＝4kΩ。2/28/202315第3章2探討：(P100)對于放大電路來說，一般要求輸入電阻高一些，特殊是在信號源內阻Rs較大的場合，作為放大電路輸入級來說有為重要；對于輸出級來說，則往往須要輸出電阻Ro越小越好，從而可以提高放大電路的帶負載實力。在分析、設計放大電路時，應全面的加以考慮。2/28/202316第3章24.兩種分析方法的比較①圖解分析法可用來分析放大電路的靜態(tài)、動態(tài)，主要用于靜態(tài)分析，可以很便利、直觀的設計Q點；②當輸入的溝通信號幅度較小或晶體管基本工作在線性區(qū)時，應用小信號模型(微變等效電路)。③當輸入的溝通信號幅度較大，晶體管工作區(qū)延長到非線性區(qū)時，應接受圖解分析法。2/28/202317第3章23.5放大電路工作點的穩(wěn)定如前所述的固定偏置電路，當基極偏置電阻Rb確定以后，Q點已經確定，只要Rb選擇合適，即可獲得合適的Q點。但是，當更換晶體管或是環(huán)境溫度發(fā)生變更引起管子參數(shù)變更時，Q點的位置將引起變更，甚至使Q點移到不合適的位置而使放大電路無法正常工作。2/28/202318第3章2為使在更換晶體管或是溫度變更引起管子參數(shù)變更時，不影響放大電路正常工作(即使Q點的位置基本不變)，必需設計能自動調整工作點的偏置電路。2/28/202319第3章23.5.1溫度對工作點的影響1.溫度對晶體管參數(shù)的影響(觀看教學課件：溫度對晶體管V－I特性的影響)當溫度上升時，晶體管的參數(shù)將發(fā)生下列變更：(1)VBE的溫度系數(shù)為：－(2~2.5)mV／oC。VBE的減小通過IB使Q點的位置上移(此處VBE的減小是指eJ實際所需的工作電壓減小)。2/28/202320第3章2(2)溫度每上升1oC，β值將增加0.5%~1.0%左右。β值的增大使輸出特性曲線的間隔變寬，Q點的位置上移。(3)溫度每上升10oC，ICBO增大約一倍(即ICEO增大約一倍)。從而使IC上升，Q點的位置上移。但因為ICBO較小，其影響可以忽視不計。綜上所述：溫度的變更將使Q點的位置發(fā)生變更，從而影響放大電路的正常工作。2/28/202321第3章23.2.5射極偏置電路

(分壓式電流負反饋偏置電路)由上分析可知，穩(wěn)定工作點其實就是穩(wěn)定晶體管的集電極電流IC。其穩(wěn)定電路如圖3.5.1所示。1.電路組成與要求(1)組成：在放大電路的基極加一下偏置電阻Rb2；在放射極到地之間串聯(lián)一個電阻Re。［轉24］2/28/202322第3章2［轉27］2/28/202323第3章2(2)要求：要使放大電路具有穩(wěn)定Q點功能，必需滿足：I1>>IB(I1為流過Rb1、Rb2的直流電流)2.穩(wěn)定過程因為I1>>IB，所以，晶體管的基極電位近似為：2/28/202324第3章2當溫度上升時，其穩(wěn)定過程如下：從而保持IC基本不便，Q點基本穩(wěn)定。上述過程，事實上就是第七章要講的負反饋過程。2/28/202325第3章23.實際狀況在實際應用中，I1、VBE應滿足下列要求：I1＝(5~10)IB(3.5.1)VB＝(3~5)V(3.5.2)2/28/202326第3章24.例3.5.1試近似估算圖3.5.1的Q點，并計算它的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。解：(1)求靜態(tài)工作點

因2/28/202327第3章2所以

VCE＝VCC－ICRc－IERc≈VCC－IC(Rc＋Re)(3.5.3)IB＝IC/β利用上式可以分別求得Q點處的IC、IB及VCE。2/28/202328第3章2(2)求電壓增益在計算之前，應首先畫出放大電路的小信號(微變)等效電路,其過程：①畫出放大電路的溝通通路(畫圖(3.5.1)的溝通通路)；圖中Rb＝Rb1∥Rb2，R'L＝Rc∥RL。［轉31］2/28/202329第3章22/28/202330第3章2②畫出放大電路的小信號(微變)等效電路(如圖3.5.2所示)；③計算增益P104［轉33］2/28/202331第3章22/28/202332第3章2(3)求輸入、輸出電阻①輸入電阻計算，如圖3.5.3所示；2/28/202333第3章22/28/202334第3章2由此可見，加入電阻Re之后，放大電路的輸入電阻提高了。2/28/202335第3章2②輸出電阻計算，如圖3.5.4所示；先求出R'o，然后再與Rc并聯(lián),即可求得放大電路的輸出電阻Ro.在基極回路和集電極回路里，依據(jù)KVL(回路電壓定律)可得：2/28/202336第3章22/28/202337第3章22/28/202338第3章22/28/202339第3章2例如，當BJT的＝60，rce=100k，rbe=1k，

Re=2k，Rs=0.5k，Rb1=40kΩ，

Rb2=20kΩ，R's＝Rs//Rbl//Rb2=0.48kΩ，則由式(3.5.6)可算得R'o=100[1+60×2/(1+0.48+2)]kΩ=3.55MΩ可見R'o的數(shù)值是很大的。2/28/202340第3章2由此例可知，當BJT的基極電位固定，并在射極電路里接一電阻Re，便可提高輸出電阻，亦即提高電路的恒流特性。第6章所要探討的微電流源，正是利用這一特點而構成的。書中的解法有些困難，也可以這樣解：2/28/202341第3章22/28/202342第3章23.6共集電極電路和共基極電路3.6.1共集電極電路(射極輸出器)原理電路如圖3.6.1(a)所示，溝通通路如圖3.6.1(b)所示。2/28/202343第3章22/28/202344第3章22/28/202345第3章21.電路分析(1)求Q點依據(jù)圖3.6.1(a)，在基極回路中，按電壓方程式：VCC＝IBRb＋VBE＋VE式中VE＝IERe＝(1+β)IBRe，為晶體管放射極的直流電位。2/28/202346第3章2

此外，再有IC＝βIB及VCE＝VCC—ICRe可求出IC和VCE。2/28/202347第3章2(2)電壓增益小信號等效電路如圖3.6.2所示。［轉50］2/28/202348第3章22/28/202349第3章2將式(3.6.1)中的代入式(3.6.2)，得2/28/202350第3章2一般，βR‘L>>rbe，故射極輸出器的電壓增益近似等于1，而略小于1。緣由是：的關系，因此總是略小于。由于射極輸出器的電壓增益接近于1，且和同相位，因此，射極輸出器由稱為電壓跟隨器。2/28/202351第3章2(3)輸入電阻

如圖3.6.3(a)所示。

由于2/28/202352第3章2

有因β>>1及βR'L>>rbe，則由此可見，射極輸出器與共放射極放大電路相比，其輸入電阻高得多。2/28/202353第3章2(4)輸出電阻

計算輸出電阻的等效電路如圖3.6.3(b)所示。按輸出電阻定義式：在測試電壓的作用下，相應的測試電流為：2/28/202354第3章22/28/202355第3章2上式中，(R's+rbe)／(1+β)為基極回路電阻(R's+rbe)折合到射極回路時的等效電阻。通常有Re>>(R's+rbe)／(1+β)及β>>1所以

R

o≈(R's+rbe)／β2/28/202356第3章2例如：當BJT的β＝50，rbe＝1kΩ，Rs=50Ω，Rb=l00kΩ，R's=Rs//Rb=50Ω時，算得Ro=21Ω。這個數(shù)值表明，電壓跟隨器的輸出電阻是很低的，一般在幾十歐到幾百歐的范圍內。為了降低輸出電阻，應選用β較大的BJT。2/28/202357第3章2(5)射極輸出器的特點電壓增益小于1而近似等于1，且輸出電壓與輸入電壓同相位；輸入電阻高；輸出電阻小低。該電路雖然無電壓放大實力，但仍具有電流放大實力，所以該電路仍具有功率放大實力。2/28/202358第3章22.復合管及其用途(1)復合管的構成a.同類型管的復合如圖3.6.4所示，為NPN型復合晶體管，以圖(a)為例，復合管的β值和rbe計算如下：［轉61］2/28/202359第3章22/28/202360第3章2

rbe＝rbe1＋(1+β1)rbe2≈rbe1＋β1rbe2PNP型復合晶體管如圖3.6.4’所示(下頁)2/28/202361第3章22/28/202362第3章2b.不同類型管的復合(互補型復合管)如圖3.6.5所示，以圖(a)為例，復合管的β值和rbe計算如下：rbe＝rbe1

［轉65］2/28/202363第3章22/28/202364第3章2(2)復合管的構成原則

a.把兩只管子構成一只復合管，必需保證每一只管子的電流都能順著各管的正常電流方向流淌，否則，構成的復合管是錯誤的。2/28/202365第3章2b.向內流的復合管為NPN型復合管，向外流的復合管為PNP型復合管；的流向由T1的確定，即復合管的導電極性取決于第一只管子。c.復合管的β≈β1β2；d.同類型復合管,rbe≈rbe1＋β1rbe2；互補型復合管，rbe＝rbe12/28/202366第3章2(3)復合管的用途a.可以提高單管的輸入電阻(同類型復合管)。b.解決大功率管的配對難的問題。c.解決大功率管β值小的問題。一般大功率晶體管的β值都比較小，在要求工作電流較大的場合(電源調整管)，必需使Ib較大，但Ib只有μA數(shù)量級，這時必需接受復合管。2/28/202367第3章2復合管因其等效電流放大系數(shù)很高，等效輸入電阻亦很高，特殊是當它制成集成器件時，運用便利而受到擁護的歡迎。復合管又稱為達林頓管。2/28/202368第3章23射極跟隨器(電壓跟隨器)的用途a.輸入級：減小放大電路對信號源(或前級)索取信號電流；b.中間變換級：實現(xiàn)前后級的阻抗匹配；c.輸出級：提高放大電路的帶負載實力。2/28/202369第3章23.6.2共基極放大電路如圖3.6.6(a)所示(分析圖中原件及其作用)。圖(b)為其溝通通路。1.求Q點畫出直流通路如圖3.6.7所示，同于前述的分壓式電流負反饋偏置電路。［轉74］2/28/202370第3章22/28/202371第3章22/28/202372第3章22/28/202373第3章22.求電壓增益、輸入電阻、輸出電阻(P112)畫出微變(小信號)等效電路如圖3.6.8所示。a.電壓放大倍數(shù)［轉76］2/28/202374第3章22/28/202375第3章2由式(3.6.8.)可以看出，共基極放大電路與共放射極放大電路的電壓放大倍數(shù)相比，大小相等，只差一個負號，共基極放大電路是一個同相放大電路。2/28/202376第3章2b.輸入電阻

依據(jù)圖3.6.8所示，2/28/202377第3章22/28/202378第3章2c.輸出電阻依據(jù)圖3.6.8所示，Ro＝rcb∥Rc，由于rcb是晶體管集電極到基極的溝通電阻，而集電結又是反偏的，所以rcb>>Rc，故Ro＝rcb∥Rc≈Rc2/28/202379第3章2綜上所述：共基極放大電路電壓放大倍數(shù)大(大小與共放射極放大電路相同)，輸出電壓與輸入電壓同相位；輸入電阻?。惠敵鲭娮枧c共放射極放大電路相同；無電流放大實力(α＝Ic/Ie≈1)。2/28/202380第3章23.6.3三種基本組態(tài)的性能比較如表3.6.1所示。(P114~115)2/28/202381第3章22/28/202382第3章22/28/202383第3章23.7放大電路的頻率響應3.7.1單節(jié)RC電路的頻率響應1.RC低通電路的頻率響應RC低通電路有一個電阻和一個電容構成，如圖3.7.1所示。2/28/202384第3章22/28/202385第3章2(1)高頻響應如式(3.7.1)所示(推導該式)，式(3.7.1)中的s為復變量，s＝jω=j2πf，高頻電壓增益為：2/28/202386第3章2上式的幅值AVH和相角分別為：a.幅頻特性(響應)①當f<<fH時2/28/202387第3章2用分貝(dB)表示則為20lgAVH≈20lg1＝0dB這是一條與橫軸平行的零分貝線，如圖3.7.2(a)所示。②當f>>f

H時［轉91］2/28/202388第3章2［轉91］2/28/202389第3章2［轉95］2/28/202390第3章2用分貝(dB)表示則為20lgAVH≈20lgfH／f這是一條斜率為－20dB/十倍頻程的斜線，如圖3.7.2(a)所示。由上兩條直線構成的折線，是近似的幅頻特性。圖中f

H對應于兩條直線的交點，稱之為轉折頻率。2/28/202391第3章2又有式(3.7.4)可知，當f=f

H時，即在fH處，電壓放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)時的1/(即0.707)倍，故fH又是放大電路的上限頻率。2/28/202392第3章2b.相頻特性(響應)如圖3.7.2(b)所示①f<<fH時，→0o，得一條＝0o的直線。此時，的相位差等于零。②f>>fH時，→－90o，得一條＝－90o的直線。此時，的相位差等于－90o。2/28/202393第3章2③f＝fH時，＝－45o。由上三點分析可知，在0.1fH~10fH之間，為一條斜率為－45o/十倍頻程的直線。如圖3.7.2(b)所示。2/28/202394第3章22.RC高通電路的頻率響應RC高通電路如圖3.7.3所示。2/28/202395第3章2由上式可得低頻區(qū)電壓增益的幅值AVL和相角分別為如圖(3.7.4)所示，圖(a)為其幅頻響應2/28/202396第3章2a.幅頻特性(響應)①當f>>fL時用分貝(dB)表示則為20lgAVH≈20lg1＝0dB這是一條與橫軸平行的零分貝線，如圖(3.7.4)(a)所示；［轉99］2/28/202397第3章22/28/202398第3章2②當f<<f

L時用分貝(dB)表示則為20lgAVH≈20lgf/fL這是一條斜率為20dB/十倍頻程的斜線，如圖3.7.4(a)所示。由上兩條直線構成的折線，是近似的幅頻特性。2/28/202399第3章2圖中f

L對應于兩條直線的交點，稱之為轉折頻率。又有式(3.7.9)可知，當f=f

L時，即在fL處，電壓放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)時的1/(即0.707)倍，故fL又是放大電路的下限頻率。2/28/2023100第3章2b.相頻特性(響應)如圖3.7.4(b)所示①f>>fL時，→0o，得一條＝0o的直線。此時，的相位差等于零。②f<<fL時，→90o，得一條＝90o的直線。此時，的相位差等于90o。2/28/2023101第3章2③f

＝fL時，＝45o。由上三點分析可知，在0.1fH~10fH之間，為一條斜率為－45o/十倍頻程的直線。如圖3.7.4(b)所示。2/28/2023102第3章22/28/2023103第3章23.7.2單級放大電路的頻率特性(響應)1.BJT的小信號建模(1)模型的引出如圖3.7.5(a)所示。(了解等效電路中的各元件)。2/28/2023104第3章22/28/2023105第3章2rbb'：基區(qū)的體電阻，通常約為50~300Ω；rb'e：為放射結的小信號溝通電阻，實際值約為幾十Ω；Cb'e：為放射結結電容，小功率管約為幾十~幾百pF；rb'c：集電結小信號時的溝通電阻，此值一般約為100kΩ~10MΩ；2/28/2023106第3章2Cb'c：為集電結結電容，約為2~10pF；gm：受控電流源，iC受控于。在高頻的狀況下，rb‘c的數(shù)值很大，與Cb’c并聯(lián)時可以忽視不記；而rce與負載并聯(lián)，而rce>>RL，rce也可以忽視不記，這樣可得到圖3.7.5(a)的簡化模型，如圖3.7.5(b)所示。圖3.7.5(b)又稱為混合π型高頻小信號模型。2/28/2023107第3章22/28/2023108第3章2(2)參數(shù)的獲得a.rbe＝rbb'+rb'e、rb'e＝(1+β0)VT／IE，(β0由β來，這里主要是加以區(qū)分)b.gm---稱為互導(跨導)c.結電容Cb'c、Cb'e。Cb‘c，就是手冊中的Cob。Cb’e可用(3.7.17)式求得。Cb‘c＝gm／2πfT(3.7.17)2/28/2023109第3章2(3)BJT的頻率參數(shù)如圖(3.7.7)'所示。2/28/2023110第3章2a