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晶体管电路

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晶体管电路 双极型晶体管电路 电压和功率放大电路 共射极放大电路 如图1所示的电路称作共射极放大电路。这个电路的重要组成部分是: 1. 偏置电路由电阻R1和R2以及电压源Vcc组成 2. 耦合电容C1. 3. 通过晶体管的集电极和发射极电阻使电路平衡 C1 vi 图 1. 共射极放大电路 共射极放大电路是晶体管放大电路中最常使用的一种形式。 分析任何放大电路都需要遵循的程序如下: 1. 对电路进行直流分析...
晶体管电路
双极型晶体管电路 电压和功率放大电路 共射极放大电路 如图1所示的电路称作共射极放大电路。这个电路的重要组成部分是: 1. 偏置电路由电阻R1和R2以及电压源Vcc组成 2. 耦合电容C1. 3. 通过晶体管的集电极和发射极电阻使电路平衡 C1 vi 图 1. 共射极放大电路 共射极放大电路是晶体管放大电路中最常使用的一种形式。 分析任何放大电路都需要遵循的程序如下: 1. 对电路进行直流分析并确定理想条件的工作点(Q点) 2. 对电路进行交流分析。获得电压增益 122.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 直流电路分析 偏置电路( R1和R2 )决定了电路的Q点。它的直流等效电路如图2所示。 VCC RC RTH VB 参数ICQ,IBQ,IEQ和VOQ是直流工作点-Q点对应的值 图 2. 共射极放大器的直流等效电路 I BQ VTH I EQ RE 考虑到BJT模型工作在直流的条件下,我们可以对电路进一步简化。如图3所示。我们假设BJT适当 偏置,并且工作在放大区。电压VBE ( on )对应于pn结的压降为0.7V。 C ICQ β I BQ B I BQ re V BE(on) E 图3. 一个npn型BJT管的直流模型 222.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 对于BE之间的部分我们用如图4所示的补偿模型。电阻re为 re = VT IE (1.1) 其中VT温度的电压当量, ,室温下它的值为VT = 26 mV。re 通常是阻值为几欧姆的小电 阻。 图 4 加上BJT的直流模型(图3 )后,共射放大器的直流等效电路转化为 VCC RC I CQ C V0Q β I BQ RTH VB I BQ VTH E V BE(on) RE I EQ B re 图 5 322.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 由于晶体管工作在放大区,因此Q点可以由对B-E回路和C-E回路利用KVL定律来确定。方程为: B-E Loop: ⇒ VTH = I BQ RTH + VBE ( on ) + I EQ RE (1.2) C-E Loop: ⇒ VCEQ = VCC − I CQ RC − I EQ RE 由方程式 (1.2) 和 (1.3) 可以得到Q点 交流电路分析 如果一个小信号vi叠加到电路的输入端,输出信号就会在Q上叠加一个信号。并且如图6所示这个 信号取决于vi. VCC ICQ + i c RC ICQ + i c V0Q + voC1 VB RTH vi RE IEQ + i e VTH 图 6 利用叠加定理,电压VB可以下面方法得到:B 1. 设 VTH = 0 这时计算取决于vi ( VB1 )。在这种情况下电容器C1和电阻RTH组成了一个高通滤波器, 并且由于C1的电容值非常高,所以滤波器会允许所有的vi值通过,因此VB1=vi 2. 令 vi=0 这时计算由于于VTH ( VB 2 )产生的结果。在这种情况下VB 2 = VTH 因此叠加得到 VB = vi + VTH (1.4) 422.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 现在将所有的直流电源置零后就可以得到交流等效电路。得到的电路如图7 (a) 和 (b)所示。 下面考 虑到BJT管的交流模型(图 8),共射极放大器的交流等效电路如图 9所示。 RC ib ic vo vi Ri ib + v be - RTH ie ic + v ce - RE Ro + RC vo - + v ce+ v be - - ie RE vi RTH (b) (a) 图 7. 共射极放大器的交流等效电路 C ic β ib B ib re 图 8. npn型BJT管(T模型)的交流模型 ic C + RC vo - ib β ib B re E ie REvi RTH 图 9. npn型BJT管交流模型的共射交流等效电路模型 522.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 如图 9所示的电路的放大器的增益为 对 β >> 1 且 re << RE 增益减小到 Av ≅ −RC RE 现在让我们考虑去掉发射极电阻的效果。首先,我们会看到增益将急剧增大,这是因为re通常很小(几 欧姆)。这似乎是有利的,直到我们认识到RE对于形成稳定的Q点是十分重要的。去掉RE后Q点完全取决 于小电阻re,而小电阻会随着温度而波动,因而静态工作点不稳。对电路进行一个很简单的改进就可 以解决这些问:交流环境下去掉RE来增大放大器的交流增益,直流下加上RE可以获得稳定的Q点。 如图10所示,这个办法可以用增加电容C2的办法实现。电容C2称作旁路电容。 VCC R1 C1 RC + vo - vi R2 RE C2 图 10. 加有旁路电容C2的共射极放大电路 直流条件下,电容C2相当于开路,因此不会影响直流分析且对电路不起作用。 交流条件下由于C2容 值高,它对交流信号的阻抗影响可以忽略不计,因此想当于段路接地。这一条件意味着对于所有频段, C2的阻抗值要远远小于re的值 (1.7) 622.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 输入阻抗 除了增益,输入电阻Ri 和输出电阻Ro是放大电路的另外两个非常重要的参数。两端口放大器模型如 图11所示。 + vi - Ri Av i Ro + vo - 图 11. 双口放大器模型 共射极放大器的输入阻抗可以由下面的比值计算得出 Ri = vi ii 其中有关参数如图 12所示。 C ic + RC vo - ii Ri vi RTH ie/β β ib B re E ie RE 图 12 722.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 输入电阻是电阻RTH和BJT管的基极电阻的并联,而基极电阻等于(1 + β )(re + RE ) Ri = RTH //(1 + β )(re + RE ) (1.9) 输出阻抗 显而易见,放大器的输出阻抗是 Ro = RC (1.10) 8 22.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 共集电极放大器(射极跟随器) 共集电极放大电路如图13所示。 这里从发射极输出,输出通过测量它与地之间的电压值而获得。 VCC R1 C1 RC vi R2 RE + vo - 图 13. 射极跟随放大电路 在这个电路中的所有分析方法都与在共射极放大电路(图 1)中采用的相同,唯一的不同点就是 这时的输出在射极。 而直流的Q点分析也与共射极电路相同 交流模型如图14所示。输出电压由下式得出 而增益变为 (1.11) Av = voRE =≅ 1 vi RE + re C ic (1.12) RC ii ib Ri β ib B re vi RTH E ie RE +vo - 图 14 922.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory 这个电路的重要之处不在于获得电压增益,下面研究一下这个电路的输入阻抗特性. 晶体管的基极阻抗为 Rib = (1 + β )(re + RE ) (1.13) 而输入阻抗又是由阻抗RTH和Rib并联得到的 Ri = RTH //(1 + β )(re + RE ) (1.14) 输出阻抗也可以参考图15而计算出来 ic RC ib β ib A re i x B-E loop RTH + vx - 图 15 在图15中,我们去掉了射极电阻RE从而简化了分析。首先我们将利用RE计算出阻抗Rx,然后总的输出 阻抗就为 RE 和Rx 的并联值 Rx 由下式得出 Rx = vx ix (1.15) 对节点A用KCL定律得 (1.16)ix = −ib (1 + β ) 然后对B-E回路用KVL定律得 联立方程(1.15), (1.16) 和(1.17)得到Rx (1.17) 1022.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory (1.18) 总的输出阻抗由横跨电阻RE得到 1122.071/6.071 Spring 2006, Chaniotakis and Cory
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