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第三章 半导体三极管及放大电路

第三章 半导体三极管及放大电路. 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组. 3 半导体三极管及放大电路. 3.1 半导体 BJT 3.2 共射极放大电路 3.3 估算法与图解分析法 3.4 小信号模型分析法 3.5 放大电路的工作点稳定问题 3.6 共集电极电路和共基极电路 3.7 放大电路的频率响应. i C. +E C. t. i C. R C. R B. C 2. C 1. i B. u C. u C. i B. u o. u i. u o. u i. t. t. t.

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第三章 半导体三极管及放大电路

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  1. 第三章半导体三极管及放大电路 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组

  2. 3 半导体三极管及放大电路 • 3.1 半导体BJT • 3.2 共射极放大电路 • 3.3 估算法与图解分析法 • 3.4 小信号模型分析法 • 3.5 放大电路的工作点稳定问题 • 3.6 共集电极电路和共基极电路 • 3.7 放大电路的频率响应

  3. iC +EC t iC RC RB C2 C1 iB uC uC iB uo ui uo ui t t t t 各点波形

  4. 实现放大的条件 1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。 2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。 4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。

  5. §2.3 放大电路的分析方法 估算法 静态分析 图解法 放大电路分析 微变等效电路法 动态分析 图解法 计算机仿真

  6. 2.3.1 直流通道和交流通道 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。 但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。 交流通道：只考虑交流信号的分电路。 直流通道：只考虑直流信号的分电路。 信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。

  7. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.1 放大电路的两种工作状态 • ①静态： • 当放大电路没有输入信号（υi=0）时，电路中各处的电压电流都是不变的直流，这种状态称为直流工作状态或静态。 • 在静态工作情况下，三级管各电极的直流电压和直流电流的数值，将在管子的特性曲线上确定一点，这点常称为静态工作点。（Q点） • 为什么要设置静态工作点呢？因为发射结是单向导电的，而且具有一定的门坎电压，如直接输入交流信号将产生严重失真。 • ②动态： • 当放大电路加入输入信号（υi≠0）时，电路中各处电流电压便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。

  8. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.2 两种工作状态分析 • 静态分析 • 画直流通路 • 原则是大电容开路，大电感短路，直流电源不变 • 估算法或图解法求出静态工作点Q。 • 动态分析 • 画交流通路 • 原则是大电容短路，大电感开路；直流电源是恒压源其内阻为零，直流电源短路；直流恒流源内阻大，开路 • 微变等效电路求出Av、Ri、Ro。

  9. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.2 两种工作状态分析 • 静态分析——求解IBQ、ICQ、UCEQ • 画直流通路 • 原则是大电容开路，大电感短路，直流电源不变 • 估算法或图解法求出静态工作点Q。 直流通路

  10. 交流通路 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.2 两种工作状态分析 • 动态分析 • 画交流通路 • 原则是大电容短路，大电感开路；直流电源是恒压源其内阻为零，直流电源短路；直流恒流源内阻大，开路 • 微变等效电路求出Av、Ri、Ro。

  11. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.3 静态分析估算法 • 静态分析——就是通过放大电路的直流通路求解静态工作点值IBQ、ICQ、UCEQ。 输入方程 VCC=IBRb+VBE 直流通路 输出方程 VCC=ICRC+VCE VCE=VCC – ICRC= 12 – 1.6×4 = 5.6(V)

  12. 直流通路 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.3 静态分析估算法 • 静态分析——求解直流通路静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ。 Q点 VCE= 5.6(V)

  13. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.4 静态分析图解分析法 • 将直流通路分为两个部分： • 非线性部分——非线性元件（三极管）和直流偏置电阻Rb、Vcc • 线性部分——线性元件Rc和电源Vcc 直流通路 非线性部分 线性部分 电路的线性与非线性两条伏安曲线交点 即为所求静态工作点Q

  14. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.4 静态分析图解分析法 非线性部分 线性部分 非线性元件三极管和偏置回路Rb、Vcc 线性元件Rc、Vcc 作出非线性部分伏安曲线（三极管输出特性） 作出线性部分伏安曲线（直流负载线） 两条伏安曲线交点 即为Q

  15. iC(mA) 100 3 80 2 60 40 1 iB=20mA 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 例：利用图解法求解下图共射放大电路的静态工作点。 （在用图解法解题时，题目须给定T管的输出特性曲线）

  16. iC(mA) 100 3 80 2 60 40 1 iB=20mA 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 例：利用图解法求解下图共射放大电路的静态工作点。 （在用图解法解题时，题目须给定T管的输出特性曲线） 解：直流通路为 1.非线性回路输入方程 VCC=IBRb+VBE 确定输出特性曲线

  17. iC(mA) 100 3 80 2 60 40 斜率为 1 iB=20mA 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 例：利用图解法求解下图共射放大电路的静态工作点。 （在用图解法解题时，题目须给定T管的输出特性曲线） 解：直流通路为 静态工作点Q 2. 线性回路——直流负载线方程 VCE=VCC – ICRC 直线方程 两点（12V,0mA）（0V,3mA）

  18. iC(mA) 100 3 80 2 60 40 1 Q点 iB=20mA 斜率为 0mA VCEQ= 7(V) 0 12 3 6 9 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 3. 确定交点Q 电路的电流电压即满足非线性的输出特性曲线，又满足线性部分的直流负载线； 所以两者交点为电路的静态工作点。 静态工作点Q

  19. iC(mA) 100 3 80 2 60 40 1 iB=20mA 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 4. 讨论——工作点和元件参数 因为直流负载线的斜率为 静态工作点Q 若增大Rc↑，则工作点左移； 当Rc↑↑，Q点会进入饱和区， 三极管电流控制作用失效Ic≠βIB， 斜率为 结论：电路元件参数对工作点有很大影响。

  20. 3.3 估算法和图解分析法 课堂练习：以下电路能不能放大？ (a) (b) • 判断方法 • 直流通路：有没有合适的静态工作点，（是否满足发射结正偏，集电结反偏） • 交流通路：信号能否顺畅的输入与输出。

  21. 3.3 估算法和图解分析法 课堂练习：以下电路能不能放大？ (a) (b) 能 不能

  22. 3.3 估算法和图解分析法 课堂练习：以下电路能不能放大？ (d) (c) 不能 不能

  23. 3.3 估算法和图解分析法 课堂练习：以下电路能不能放大？ (f) (e) 不能 能

  24. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.5 动态工作情况图解分析法 • 当输入端接入正弦信号时，电路将处于动态工作状态；由输入信号vi的波形，通过图解法确定输出电压vo的波形，称为动态工作情况图解分析法。 • 它是在Q点上叠加交变信号的工作过程 • vi vBE iB iC vCE |-vo| • 图解分析步骤： • ①由vi波形在输入特性上画出iB波形； • ②由iB的波形在输出特性上画出iC和vCE的波形； • ③在vCE波形中滤去直流电压得到vo波形。

  25. 0.02V 0 t 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.5 动态工作情况图解分析法 例：用图解法分析基本共射放大电路的动态工作情况。画工作波形，计算电压放大倍数。 设输入信号vi=Vimsinwt =0.02sinwt V

  26. 3.3 估算法和图解分析法 3.3.5 动态工作情况图解分析法 1．当RL=∞时 vBE=VBE+vi 在输入回路 vBE波形图 t 0

  27. 3.3 估算法和图解分析法 （1）iB的形成过程 工作点的移动 a iB的波形图 已知Q b t 0 0 0 uBE波形图 t

  28. 3.3 估算法和图解分析法 (2) 输出波形 已知Q 已知iB M iB1 a iB2 b t N 0 0 输出电压vo 工作点的移动 0 iC波形图 vCE波形图 t

  29. 3.3 估算法和图解分析法 结论： 1. 电流、电压=直流分量+交流分量； 说明在放大器中电量既有直流又有交流，电量是交直流共存的——反映了模拟电子技术的特点。 2. 电量的瞬时值是变化的，但方向不变（都在横轴以上） |交流分量|<|直流分量|， 即电量的最终方向由直流决定。 3. vo比vi幅度大得多，频率相同，相位差180∘。 ∵ 当iC增大时，vCE却减小。

  30. t 0 t 0 3.3 估算法和图解分析法 结论： 3. vo比vi幅度大得多，频率相同，相位差180∘。 ∵ 当iC增大时，vCE却减小。 输出电压vo与输入电压vi相位相反

  31. 3.3 估算法和图解分析法 输入回路不变，但输出回路改变了，集电极电流的交流分量ic不仅要通过Rc，也要流过RL，这样在输出回路中Rc和RL是并联的。 2．当RL = 4kW≠∞时 ic RL = 4kW的交流通路 直流通路没有变，Q点不变 交流通路改变，动态工作轨迹变化

  32. 3.3 估算法和图解分析法 由放大电路的交流通路可知 ic R'L＝RC//RL 式中 新概念——交流负载线 交流负载线的斜率为： 交流负载线是直线（有斜率，还要确定直线上的一点才行） 放大器输入信号是正弦波，输入电压在变化过程中一定要经过零点，即vi=0，又因为vi=0时就是静态工作情况——Q点 结论：交流负载线是一定要经过Q点，斜率为-的直线。

  33. 3.3 估算法和图解分析法 ic 新概念——交流负载线 交流负载线的斜率为： 交流负载线是过Q点，斜率为 的直线。 交流负载线物理含义——表示放大器动态时工作点移动的轨迹 那么当放大器不带负载时，交流负载线就是——直流负载线。

  34. iC M a 直流负载线 Q 交流负载线 O b N 0 vCE VCEQ+ICQ R'L 3.3 估算法和图解分析法 作交流负载线 过Q点 斜率为 的直线 I CQ 绿线称为放大电路的交流负载线。 交流负载线将减小放大电路动态工作的范围

  35. iC M a 直流负载线 Q 交流负载线 O b N 0 vCE VCEQ+ICQ R'L 3.3 估算法和图解分析法 交流负载线的特点: a. 斜率为－1/R'L I CQ b. 经过静态工作点Q c. 与横轴的交点为UCEQ+ICQ R'L d. 电路的工作点沿交流负载线移动。

  36. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.6 静态工作点与失真 • 1. 失真的类型 • 放大电路的目的是实现信号不失真的放大，即使动态工作轨迹在输出特性的放大区（线性工作区）。 • 若动态工作轨迹进入了饱和区，电路将产生饱和失真 • 若动态工作轨迹进入了截止区，电路将产生截止失真 • 饱和失真和截止失真通称为非线性失真。

  37. 3.3 估算法和图解分析法 • 3.3.6 静态工作点与失真 • 2. 放大电路产生失真的原因 • 静态工作点选择的不合适。 • 输入信号幅度过大。

  38. 3.3 估算法和图解分析法 斜率为 iC(mA) • 3.3.6 静态工作点与失真 • 3. 饱和失真 100 3 80 ↑RC=7kW时，直流负载线斜率改变，工作点Q左移Q’点 2 60 Q’ Q 40 1 当ib不变时， ib=20mA~60mA iC和vCE波形将饱和失真。 iB=20mA 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) vo(V) 0 t 0 t

  39. vo(V) t 0 3.3 估算法和图解分析法 斜率为 iC(mA) • 3.3.6 静态工作点与失真 • 3. 饱和失真 100 Q’’ ↓↓Rb=150kW时，此时ibQ=80mA，工作点Q上移Q’’点 3 80 2 60 ib=60mA~100mA iC和vCE波形将饱和失真。 Q 40 1 iB=20mA 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) 0 输出电压vo底部失真为饱和失真 静态工作点过高，易产生饱和失真 t

  40. 3.3 估算法和图解分析法 3.3.6 静态工作点与失真 4. 截止失真 iC(mA) 100 ↑Rb=1200kW时，IB=10mA， 工作点Q下移Q’’’点 3 80 2 60 当ib=10mA， ib=0mA~30mA iC和vCE波形将截止失真。 Q 40 1 Q’’’ iB=20mA vo(V) t 0mA 0 0 12 3 6 9 vCE(V) 0 输出电压vo顶部失真为截止失真 静态工作点过低，易产生截止失真 t

  41. 3.3 估算法和图解分析法 3.3.6 静态工作点与失真 5. 最大不失真输出幅度 iC(mA) 100 3 Q点过低，易产生截止失真 Q点过高，易产生饱和失真 80 2 60 Q 当Q点选在交流负载线中间，就可尽量避免失真。但有没有产生失真的可能呢？有！ 40 1 iB=20mA 0mA 0 当信号幅度过大时，Q点即使在交流负载线中间，仍有可能产生失真！ 12 3 6 9 vCE(V) 0 当ibQ=40mA， ib幅度为60mA iC和vCE波形将双向失真。 t

  42. 3.3.6 静态工作点与失真 iC(mA) 5. 最大不失真输出幅度 100 忽略 VCES和ICBO 3 M 80 取VCEQ和ICQRC中的小者 Q 2 60 因为 VCEQ<ICQRC 40 1 iB=20mA 最大不失真输出幅度 Vopp=VCES N 0mA 0 12 3 6 9 vCE(V) 0 输出波形 t

  43. iC(mA) 8 3DG4 100 6 80 4 60 40 2 iB=20mA 0 15 5 10 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 例：射极偏置电路和3DG4的输出特性曲线如图示，已知b=60 (1)分别用估算法和图解法求解静态工作点Q， (2)求输出电压最大不失真幅度。

  44. 3.3 估算法和图解分析法 解（1）由电路知，使用估算法得：

  45. iC(mA) 8 3DG4 100 6 80 4 60 40 Q点 2 iB=20mA 0 15 5 10 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 解（1）使用图解法求静态工作点得： 作直流负载线： VCE=VCC – （IC+ IE）RC 连接两点M(0,3.2)和N(16,0) 得： M(0,3.2) Q N(16,0)

  46. iC(mA) 8 3DG4 100 6 80 M(0,3.2) 4 60 Q 40 2 N(16,0) iB=20mA 0 15 5 10 vCE(V) 3.3 估算法和图解分析法 解（2）在输出特性曲线上作交流负载线： 直流负载线的斜率为： 交流负载线的斜率为： 点斜式求解交流负载线的方程为： 取Vop1和Vop2中的小者，最大不失真输出幅度为3.3V。

  47. 3.3 估算法和图解分析法 • 若在实验或动手制作时出现输出波形失真，应先判断为何种失真，再想法解决。对共射npn管，顶部是截止失真即Q点过低，所以应将Rb↓，底部是饱和失真即Q点进入饱和区，所以应将Rb↑或Rc↓。 非线性失真的特点： 饱和失真：NPN管组成的放大电路输出电压波形的下半部被削平。 截止失真： NPN管组成的放大电路输出电压波形的上半部被削平。

  48. 3.3 估算法和图解分析法 • 估算法和图解法讲完了，回顾所学内容 • 估算法：在两点近似①VBE=0.7V ②Ic=βIB下近似求解Q点。 • 图解法 • 优点：直观、全面地了解放大器的工作情况 • 缺点：是要在输出特性上作图比较，麻烦费事，不能分析放大器的其它动态指标Ri、Ro，望能在动态上寻找更好的办法。

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