的规律,而且iC随VCE的变化也是非线性的,所以该区域称为饱和区。
③IB﹥0、VCE≥V,iC随iB的变化情况为:
或
在这个区域中IC几乎不随VCE变化,对应于每一个IB值的特性曲线都几乎与水平轴平行,因此该区域称为线性区或放大区。
四、BJT的主要参数
BJT的参数是用来表征管子性能优劣相适应范围的,它是选用BJT的依据。
了解这些参数的意义,对于合理使用和充分利用BJT到达设计电路的经济性和可靠性是十分必要的。
BJT在共射极接法时的电流放大系数,根据工作状态的不同,在直流和交流两种情况下分别用符号
和
表示。
其中
上式说明:
BJT集电极的直流电流IC与基极的直流电流IB的比值,就是BJT接成共射极电路时的直流电流放大系数,
有时用hFE来代表 。
但是,BJT常常工作在有信号输人的情况下,这时基极电流产生一个变化量
,相应的集电极电流变化量为
,那么
与
之比称为BJT的交流电流放大系数,记作
即
〔〕集电极基极反向饱和电流ICBO。
表示发射极开路,c、b间加上一定的反向电压时的电流。
〔2〕集电极发射极反向饱和电流〔穿透电流〕ICEO。
表示基极开路,c、e间加上一定的反向电压时的集电极电流。
〔〕集电极最大允许电流ICM。
表示BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。
当电流超过ICM时,三极管的性能将显著下降,甚至有烧坏管子的可能。
〔2〕集电极最大允许功耗PCM。
表示BJT的集电结允许损耗功率的最大值。
超过此值时,三极管的性能将变坏或烧毁。
〔3〕反向击穿电压V〔BR〕CEO。
表示基极开路,c、e间的反向击穿电压。
4、晶体管的选择
〔〕依使用条件选PCM在平安区工作的管子,并给予适当的散热要求。
〔2〕要注意工作时反向击穿电压,特别是VCE不应超过V〔BR〕CEO。
〔3〕要注意工作时的最大集电极电流IC不应超过ICM。
〔4〕要依使用要求:
是小功率还是大功率,低频、高频还是超高频,工作电源的极性,β值大小要求。
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第三节 共射极放大电路
在实践中,放大电路的用途是非常广泛的,它能够利用BJT的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值,例如常见的扩音机就是一个把微弱的声音变大的放大电路。
声音先经过话筒变成微弱的电信号,经过放大器,利用BJT的控制作用,把电源供给的能量转为较强的电信号,然后经过扬声器(喇叭)复原成为放大了的声音。
为了了解放大器的工作原理,先从最根本的放大电路开始讨论。
一、共射极根本放大电路的组成
在图3.7所示的单管放大电路中,采用NPN型硅BJT,VCC是集电极回路的直流电源(一般在几伏到几十伏的范围),它的负端接发射极,正端通过电阻R接集电极,以保证集电结为反向偏置;R是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围),它的作用是将BJT的集电极电流iC的变化转变为集电极电压VCE的变化。
VBB是基极回路的直流电源,它的负端接发射极,正端通过基极电阻Rb接基极,以保证发射结为正向偏置,并通过基极电阻Rb(一般在几千欧至几百千欧的范围)(一般在几十千欧至几百千欧的范围),由VBB供给基极一个适宜的基极电流
对于硅管,VBE约为0.7V左右,对于锗管,VBE约为0.2V左右,而VBB一般在几伏至几十伏的范围内(常取VBB=VCC),即VBB>>VBE,所以近似有
由上式可见,这个电路的偏流IB决定于VB,和Rb的大小,VBB和Rb经确定后,偏流IB就是固定的,所以这种电路称为固定偏流电路。
Rb又称为基极偏且电阻。
电容Cb和Cb2称为隔直电容或耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围),它们在电路中的作用是"传送交流,隔离直流"。
值得指出的是,放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的,即在输入端加一个能量较小的信号,通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流,从而将直流电源VCC的能量转化为所需要的形式供给负载。
因此,放大作用实质上是放大器件的控制作用;放大器是一种能量控制部件。
同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。
二、共射极根本放大电路的工作过程
待放大的输人电压vi从电路的A、O两点(称为放大电路的输入端)输入,放大电路的输出电压Vo由B、O两点(称为放大电路的输出端)输出。
输入端的交流电压vi通过电容Cb,加到BJT的发射结,从而引起基极电流iB相应的变化。
iB的变化使集电极电流iC随之变化。
iC的变化量在集电极电阻RC上产生压降。
集电极电压vCE=VCC一iCRC,当iC的瞬时值增加时,vCE就要减小,所以vCE的变化恰与iC相反。
vCE中的变化量经过电容Cb,传送到输出端成为输出电压Vo。
如果电路参数选择适当,v0的幅度将比vi大得多,从而到达放大的目的,对应的电流、电压波形示于图3.8中。
在半导体电路中,常把输人电压、输出电压以及直流电源Vcc和VBB的共同端点(0点)称为"地",用符号"⊥"表示(注意,实际上这一点并不真正接到大地上),并以地端作为零电位点(参考电位点)。
这样,电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压(即电位差)。
例如Vc就是指集电极对地的电压。
这些概念和术语,前面已作过初步的介绍,但这里所讨论的放大电路要复杂得多。
三、共射极放大电路的简化
为了分析方便,我们规定:
电压的正方向是以共同端(0点)为负端,其他各点为正端。
图3.9中所标出的"十"、"一"号分别表示各电压的假定正方向;而电流的假定正方向如图中的箭头所示,即ic、ib以流入电极为正;iE那么以流出电极为正。
图中表示电流、电压的符号的意义如下:
VBE、IB〔大写符号,大写下标〕表示直流值。
vbe、ib〔小写符号,小写下标〕表示瞬时值。
vBE、iB〔小写符号,大写下标〕表示交直流量之和。
Vbe、Ib〔大写符号,小写下标〕表示交流有效值。
图3.9是简化后共射极放大电路,它是工程实际中用得较广泛的一种电路组态。
为了简化电路,一般选取VCC=VBB,如图3.9所示。
左图是右图的习惯画法。
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第四节 图解分析法
一、静态工作情况分析
我们把放大电路未参加信号VS时的状态称为静态,此时电路的电压〔电流〕值称为静态值,可用IBQ、ICQ、VCEQ表示。
这些值在特性曲线上确定一点,这一点就称为Q点。
当放大电路输入信号后,电路中各处的电压、电流便处于变动状态,这时电路处于动态工作情况,简称动态。
对于静态工作情况,可以近似地进行估算,也可用图解法求解。
这里以图3.0所示电路为例估算电路的Q点。
〔〕画出电路的直流通路如图3.0所示。
画直流通路时,要将耦合电容Cb、Cb2当成开路;
〔2〕由VCC、Rb和三极管T构成的基极回路可得:
〔3〕利用IC=βIB的关系,可以求得ICQ
〔4〕从VCC、Rc和三极管T构成的集电极回路可得:
2、用图解法确定Q点
〔〕作出电路非线性局部〔包括由厂家提供或从手册中获得特性曲线和确定其偏流的VCC、Rb〕的VI特性如图3.所示。
〔2〕作出线性局部的VI特性直流负载线
根据:
VCEQ=VCCICRC
令iC=0,得vCE=VCC
令vCE=0,得iC=VCC/RC
画出由〔VCC,0〕和〔0,VCC/Rc〕两点决定的直线,显然这是一条斜率为/Rc的直线。
由于讨论的是静态工作情况,电路中的电压、电流值都是直流量,所以上述直线称为直流负载线。
〔3〕由电路的线性与非线性两局部VI特性的交点确定Q点〔VCEQ,ICQ〕
二、动态工作情况分析
、放大电路在接入正弦信号时的工作情况
当接入正弦信号时,电路将处在动态工作情况,可以根据输入信号电压vi通过图解确定输出电压vo,从而可以得出vi与vo之间的相位关系和动态范围。
图解的步骤是先根据输入信号电压vi在输入特性上画出iB的波形,然后根据iB的变化在输出特性上画出ic和vBE的波形。
()根据vi在输入特性上求iB
设放大电路的输入电压正弦波,当它加到放大电路的输入端后,BJT的基极和发射极之间的电压vBE就是在原有直流电压VBE的根底上叠加了一个交流量vi(vbe),根据vBE的变化规律,便可从输入特性画出对应的iB的波形图,如图3.2所示。
由图上可读出对应于峰值为0.02V的输入电压,基极电流iB将在60μA与20μA之间变动。
〔2〕根据iB在输出特性曲线上求iC和vBE
因为放大电路的直流负载线是不变的,当iB在60μA与20μA之间变动时,直流负载线与输出特性的交点也会随之而变,对应于iB=60μA的一条输出特性与直流负载线的交点是Q'点,对应于iB=20μA的一条输出特性与直流负载线的交点是0''点,所以放大电路只能在负载线的Q'0''段上工作,即放大电路的工作点随着iB的变动将沿着直流负载线在Q'与0''点之间移动,因此,直线段Q'0''是工作点移动的轨迹,通常称为动态工作范围。
由图可见,在vi的正半周,vi先由40μA增大到60μA,放大电路的工作点将由Q点移到Q'点,相应的iC和IC增到最大值,而vCE由原来的VCE减小到最小值;然后iB由60μA减小到40μA,放大电路的工作点将由Q'回到Q,相应的iC也由最大值回到IC,而vCE那么由最小值回到VCE。
在的负半周,其变化规律恰好相反,放大电路的工作点先由Q移到Q",再由Q"回到Q点。
这样,就可在坐标平面上画出对应的iB、iC和vCE的波形图,如图3.2所示,vCE中的交流量vce的波形就是输出电压v0的波形。
综上分析,可总结如下几点:
没有输入信号电压时,BJT各电极都是恒定的电流和电压(IB、IC、VCE),当在放大电路输入端参加输入信号电压后,iB、ic、vCE都在原来静态直流量的根底上叠加了一个交流量,即
iB=IB+ib,iC=IC+ic,vCE=VCE+vce
因此,放大电路中电压、电流包含两个分量:
一个是静态工作情况决定的直流成分IB、IC、VCE;另一个是由输入电压引起的交流成分ib、ic和vce。
虽然这些电流、电压的瞬时值是变化的,但它们的方向始终是不变的。
②vCE中的交流分量vce(即经Cb2隔直后的交流输出电压vo)的幅度远比vi为大,且同为正弦波电压,表达了放大作用。
③从图3.2中还可以看到,v0(vce)与vi相位相反。
这种现象称为放大电路的反相作用,因而共射极放大电路又叫做反相电压放大器,它是一种重要的电路组态。
图3.3共射极电路
④适宜的静态工作点是电路实现不失真放大的必要条件
放大电路在工作时,输出端总要接上一定的负载,如在图3.3中,负载电阻RL=4kΩ,这时放大电路的工作情况是否会因为RL的接人而受到影响呢?
这是下面所要讨论的问题。
〔〕画交流通路
在静态时,由于隔直电容Cb2比的作用,RL对电路的Q点无影响。
动态工作时的情况那么不同,隔直电容Cb和Cb2在具有一定频率的信号作用下,其容抗可以忽略;同时考虑到电源Vcc的内阻很小,可视为短路。
这样便可画出图3.3的交流通路如图3.4所示。
此时图中的电压和电流都是交流成分。
〔2〕计算交流负载电阻的阻值
由图3.4中可以看出,放大电路的交流负载电阻为RL与RC的并联值,即
〔3〕画交流负载线
可见,交流负载线要比直流负载线更陡一些。
另外交流负载线和直流负载线必然在Q点相交,这是因为在线性工作范围内,输人电压在变化过程中是一定经过零点的。
在通过零点时vi=0,因此,这一时刻既是动态过程中的一个点,又与静态工作情况相符,所以这一时刻的iC和vCE应同时在两条负载线上,这只有是两条负载线的交点才有可能。
因此只要再确定一点即可画出交流负载线。
由图3.5中可知,icp≈ICQ=.5mA,RL′=2kW,那么vop=ICQRL′=3V
只要作过Q〔VCEQ,ICQ〕和vCEM〔vCEM,0〕的直线即可获得交流负载线。
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第五节 小信号模型〔微变等效电路〕分析法
如果放大电路的输入信号电压很小,就可以设想把BJT小范围内的特性曲线近似地用直线来代替,从而可以把BJT这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理,这就是BJT小信号建模的指导思想。
这种方法是把非线性问题线性化的工程处理方法。
关于BJT的小信号建模,通常有两种方法,一种是网络的特性方程,按此方程画出小信号模型;另一种那么是从网络所代表的BJT的物理机构出发加以分析,再用电阻、电容、电感等电路元件来模拟其物理过程,从而得出模型。
本节从方程出发结合特性曲线来建立小信号模型。
一、BJT的小信号模型
.BJTH参数的引出
BJT在共射极接法时,可表示为图3.6所示的双口网络。
BJT的特性曲线用图形描述了管子内部电压、电流的关系。
而BJT的参数,那么是用数学形式表示管子内部电压、电流微变量的关系,两种方法都是表征管子性能、反映管内物理过程的,因而两者之间必然具有密切的内在联系。
下面从管子的特性曲线出发,来找出BJT的参数。
图3.6中的输入回路和输出回路电压、电流的关系可分别表示为
vBE=f(iB,vCE) iC=f2(iB,vCE)
如果BJT工作在小信号下,考虑电压、电流之间的微变关系,对上面两式取全微分可得:
在上面两个式子中,由于dvBE、dvCE、diB、diC代表无限小的信号增量,也就是可以用电流、电压的交流分量来代替。
即:
式中hiehrehfehoe称为BJT的H参数,其中
2.BJT的H参数模型
〔〕H参数模型的引出
vbe=hieib+hrevce表示输入回路方程,它说明输人电压vbe是由两个电压相加构成的,其中一个是hfeib,表示输入电流ib在rbe上的电压降;另一个是hfevce,表示输出电压vce对输入回路的反作用,用一个电压源来代表。
如图3.7左边的输入端等效电路,这是戴维南等效电路的形式。
ic=hfeib+hoevce表示输出回路方程,它说明输出电流ic是由两个并联支路的电流相加而成的,一个是由基极电流ib引起的ic=hfeib,用电流源表示;另一个是由于输出电压加在输出电阻l/hoe上引起的电流,即vcehoe。
这样,又得到图3.7右边的输出端等效电路,这是诺顿等效电路的形式。
由此得到包含四个H参数的BJT的小信号模型,这就是把BJT线性化后的线性模型。
在分析计算时,可以利用这个模型来代替BJT,从而可以把BJT电路当作线性电路来处理,使复杂电路的计算大为简化。
因此,它在电子电路分析中应用得很广泛。
用电子电路中的习惯符号表示四个H参数的BJT微变等效电路如图3.7所示。
〔2〕模型的简化
对于共射接法的三极管微变等效电路,H参数的量级一般是:
由这些具体数字可见,hre和hoe相对而言是很小的,对于低频放大电路,输入回路中hrevce比vbe小得多,而输出回路中负载电阻RC(或RL)比BJT输出电阻l/hoe小得多,所以在模型中常常可以把hoe和hre忽略掉,这在工程计算上不会带来显著的误差。
因此图3.7可改画成图3.8。
利用这个简化模型来表示BJT时,将使BJT放大电路的分析计算进一步简化。
当负载电阻Rc(RL)较小,满足Rc(RL)/rce<0.的条件时,利用这个简化模型来分析低频放大电路所得放大电路的各主要指标,如电压增益、电流增益、放大电路的输入电阻及输出电阻等,其误差不会超过0%。
这在工程上已能满足要求了。
〔3〕H参数确实定
应用H参数等效电路来分析放大电路时,首先必须得到BJT在Q点处的H参数。
由于BJT本身参数的分散性以及参数会随Q点变化而改变,实际上在计算时不能直接采用手册上提供的数据,因此在计算电路之前,首先必须确定所用的BJT在给定Q点上的H参数。
获得H参数的方法可采用H参数测试仪,或利用BJT特性图示仪测量β和rbe,rbe也可以借助下面的公式进行估算:
式中rbb'为基区体电阻,对于低频小功率管,rbb'约为200Ω左右。
这样上式可改写为式中VT为温度的电压当量,前已述及在室温(3ooK)时,其值为26mV。
应当注意的是,上式的适用范围为0.mA<IE<5mA,实验说明,超越此范围,将带来较大的误差。
几点说明:
〔〕四个参数均对交流变化量而言,只能解决交流分量的计算,不能用于计算Q。
〔2〕采用此法分析放大电路的步骤是:
确定Q点;
②求出Q点附近的微变等效参数;
③画放大电路的微变等效电路;
④求解AV、Ri、Ro。
二、用H参数小信号模型分析共发射极根本放大电路
例题:
〔〕确定Q点
〔2〕求出Q点附近的微变等效参数
〔3〕画放大电路的微变等效电路
画微变等效电路的步骤:
画出交流等效电路,将电源和电容器视为短路;
②用BJT的H参数等效电路代替交流通路中的BJT符号
③标出各支路和节点之间的电流、电压关系
〔4〕求解Av、Ri、Ro