第二章半導(dǎo)體三極管及其基本放大電路

1、第二章 半導(dǎo)體三極管及其基本放大電路本章內(nèi)容簡(jiǎn)介本章首先討論半導(dǎo)體三極管（BJT ）的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。隨后著重討論BJT放大電路的三種組態(tài)，即共發(fā)射極、共集電極和共基極三種放大電路。內(nèi)容安排上是從共發(fā)射極電路入手，再推及其他兩種電路，并將圖解法和小信號(hào)模型法，作為分析放大電路的基本方法。 （一）主要內(nèi)容:² 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理，放大電路的三種基本組態(tài)² 靜態(tài)工作點(diǎn)Q的不同選擇對(duì)非線性失真的影響² 用H參數(shù)模型計(jì)算共射極放大電路的主要性能指標(biāo)² 共集電極電路和共基極電路的工作原理² 三極管放大電路的頻率響應(yīng)（二）教學(xué)

2、要點(diǎn)：從半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理入手，重點(diǎn)介紹三種基本組態(tài)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、動(dòng)態(tài)參數(shù)（電壓增益、源電壓增益、輸入電阻、輸出電阻）的計(jì)算方法，H參數(shù)等效電路及其應(yīng)用。（三）基本要求:² 了解半導(dǎo)體三極管的工作原理、特性曲線及主要參數(shù)² 了解半導(dǎo)體三極管放大電路的分類² 掌握用圖解法和小信號(hào)分析法分析放大電路的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)工作情況² 理解放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定問題² 掌握放大電路的頻率響應(yīng)及各元件參數(shù)對(duì)其性能的影響2.1 半導(dǎo)體三極管（BJT）2.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介：半導(dǎo)體三極管有兩種類型:NPN型和PNP型。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最

3、高；集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。2.1.2 BJT的電流分配與放大原理三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。載流子的傳輸過程1. 內(nèi)部載流子的傳輸過程1.發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子；集電區(qū)：收集載流子；基區(qū)：傳送和控制載流子（以NPN為例） 以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管，或BJT (Bipolar Junction Transistor)。2. 電流分配關(guān)系3. 三極管的三種組態(tài)共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示。共基極

4、接法，基極作為公共電極，用CB表示。共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。BJT的三種組態(tài)4. 放大作用綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。3.1.3 BJT的特性曲線1. 輸入特性曲線 (1) 當(dāng) 時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。vCE = 0VvCE ³ 1V(2) 當(dāng) 時(shí)， ，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的 下， 減小，特性曲線右移。(3) 輸入

5、特性曲線的三個(gè)部分：死區(qū)；非線性區(qū)；線性區(qū)2. 輸出特性曲線放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電壓，集電結(jié)反偏。飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。2.1.4 BJT的主要參數(shù) 1. 電流放大系數(shù) (1) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)(2) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)(3) 共基極直流電流放大系數(shù)(4) 共基極交流電流放大系數(shù)當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，直流和交流可以不加區(qū)分。2. 極間反向電流(1)

6、 集電極基極間反向飽和電流ICBO；發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。(2) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO：即輸出特性曲線IB = 0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。3. 極限參數(shù) (1) 集電極最大允許電流ICM(2) 集電極最大允許功率損耗PCM = ICVCE(3) 反向擊穿電壓V(BR)CBO發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)反向擊穿電壓。V(BR) EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。V(BR)CEO基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO由PCM、 ICM和V(BR)CEO在

7、輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線。作業(yè)：3.1.1，3.1.2，3.1.42.2 共射極放大電路1. 電路組成放大電路組成原則： 1提供直流電源，為電路提供能源。2電源的極性和大小應(yīng)保證BJT基極與發(fā)射極之間處于正向偏置；而集電極與基極之間處于反向偏置，從而使BJT工作在放大區(qū)。 3電阻取值與電源配合，使放大管有合適的靜態(tài)點(diǎn)。 4輸入信號(hào)必須能夠作用于放大管的輸入回路。 5當(dāng)負(fù)載接入時(shí)，必須保證放大管輸出回路的動(dòng)態(tài)電流能夠作用于負(fù)載，從而使負(fù)載獲得比輸入信號(hào)大得多的信號(hào)電流或信號(hào)電壓。共射極放大電路2. 簡(jiǎn)化電路及習(xí)慣畫法3

8、. 簡(jiǎn)單工作原理共射極基本放大電路的電壓放大作用是利用了BJT的電流控制作用，并依靠Rc將放大后的電流的變化轉(zhuǎn)為電壓變化來實(shí)現(xiàn)的。4. 放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靜態(tài)：輸入信號(hào)為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)：輸入信號(hào)不為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。電路處于靜態(tài)時(shí)，三極管個(gè)電極的電壓、電流在特性曲線上確定為一點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，常稱為Q點(diǎn)。一般用IB、IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。5. 直流通路和交流通路根據(jù)疊加原理可將電路中的信號(hào)分解為：直流信號(hào)和交流信號(hào)。直流信號(hào)通過直流通路求解，交流信號(hào)通過交流通路求解。直流通路:當(dāng)沒加輸入信號(hào)時(shí)，電路在直流

9、電源作用下，直流電流流經(jīng)的通路。直流通路用于確定靜態(tài)工作點(diǎn)。直流通路畫法：電容視為開路；電感線圈視為短路；信號(hào)源視為短路，但保留其內(nèi)阻。交流通路:在輸入信號(hào)作用下交流信號(hào)流經(jīng)的通路。交流通路用于計(jì)算電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。交流通路畫法：容量大的電容視為短路；直流電源視為短路。對(duì)于放大電路來說其最基本要求，一是不失真，二是能夠放大。只有在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)BJT始終工作在放大狀態(tài)，輸出信號(hào)才不會(huì)產(chǎn)生失真。靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合適能實(shí)現(xiàn)線性放大；靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏高會(huì)產(chǎn)生飽和失真；靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏低會(huì)產(chǎn)生截止失真。Q點(diǎn)不僅影響電路是否會(huì)產(chǎn)生失真，而且影響著放大電路幾乎所有的動(dòng)態(tài)系數(shù)。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了共射極放

10、大電路簡(jiǎn)單工作原理。作業(yè)：3.2.12.3 圖解分析法2.3.1 靜態(tài)工作情況分析1. 用近似估算法求靜態(tài)工作點(diǎn)：采用該方法，必須已知三極管的值。根據(jù)直流通路：硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V2. 用圖解分析法確定靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))：采用該方法分析靜態(tài)工作點(diǎn)，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。首先，畫出直流通路；在輸入特性曲線上，作出直線VBE =VCCIBRb，兩線的交點(diǎn)即是Q點(diǎn)，得到IBQ 。在輸出特性曲線上，作出直流負(fù)載線 VCE=VCCICRC，與IBQ曲線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)，從而得到VCEQ 和ICQ 。2.3.2 動(dòng)態(tài)工作情況分析 1. 交流通路及交流負(fù)載線 過輸出特性曲線上

11、的Q點(diǎn)做一條斜率為-1/(RLRc)直線，該直線即為交流負(fù)載線。交流負(fù)載線是有交流輸入信號(hào)時(shí)Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。R'L= RLRc，是交流負(fù)載電阻。2. 輸入交流信號(hào)時(shí)的圖解分析通過圖解分析，可得如下結(jié)論：1. 2. vo與vi相位相反；3. 可以測(cè)量出放大電路的電壓放大倍數(shù)；4. 可以確定最大不失真輸出幅度。3. BJT的三個(gè)工作區(qū)飽和區(qū)特點(diǎn)： iC 不再隨iB 的增加而線性增加，截止區(qū)特點(diǎn)：iB = 0，iC = ICEO當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)時(shí)，將產(chǎn)生非線性失真1. 波形的失真1.飽和失真：由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底

12、部失真。截止失真：由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的截止區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。2. 放大電路的動(dòng)態(tài)范圍放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，要求：工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位，即： ；要有合適的交流負(fù)載線。3. 輸出功率和功率三角形3.放大電路向電阻性負(fù)載提供的輸出功率在輸出特性曲線上，正好是三角形DABQ的面積，這一三角形稱為功率三角形。要想Po大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom 和Iom 都要大。放大電路如圖所示。已知BJT的 ß=80， Rb=300K， Rc=2K， VCC= +12V，求：（1）放大電路的Q點(diǎn)。此

13、時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？（2）當(dāng)Rb=100K時(shí)，放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？（忽略飽和壓降）解：（1）放大電路的Q點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)為Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區(qū)。（2）當(dāng)Rb=100K時(shí)，VCE不可能為負(fù)值，其最小值也只能為0，即IC的最大電流為： 小結(jié)：本節(jié)主要介紹了圖解分析法的原理和主要應(yīng)用。作業(yè)：2.3.1,2.3.2,2.3.4,2.3.6,2.3.82.4 小信號(hào)模型分析法2.4.1 BJT的小信號(hào)建模建立小信號(hào)模型的意義：由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號(hào)模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡(jiǎn)化放大電路

14、的分析和設(shè)計(jì)。建立小信號(hào)模型的思路：當(dāng)放大電路的輸入信號(hào)電壓很小時(shí)，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個(gè)非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。H參數(shù)都是小信號(hào)參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。H參數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。H參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對(duì)交流信號(hào)的分析。hrevceibhiehfeibic1/hoevcevbe+-+-+-ebcBJT的H參數(shù)模型ibhiehfeibic1/hoevcevbe+-+-ebcBJT的H參數(shù)簡(jiǎn)化模型ibrbeibicrcevcevbe+-+-ebcBJT的H參數(shù)簡(jiǎn)化模型模型的簡(jiǎn)化：H參數(shù)的確定： 一般用測(cè)試儀

15、測(cè)出；rbe 與Q點(diǎn)有關(guān)，可用圖示儀測(cè)出。一般也用公式估算：2.4.2 用H參數(shù)小信號(hào)模型分析共射極基本放大電路1. 利用直流通路求Q點(diǎn)：共射極放大電路一般硅管VBF=0.7V，鍺管VBE=0.2V， 已知。2. 畫出小信號(hào)等效電路3. 求電壓增益：4. 求輸入電阻：5. 求輸出電阻：放大電路小信號(hào)模型分析法的一般步驟：1根據(jù)直流通路估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并確定H參數(shù)； 2畫出放大電路的交流通路； 3根據(jù)交流通路用BJT的H參數(shù)小信號(hào)模型代替電路中的BJT，畫出放大電路的小信號(hào)模型等效電路。 4根據(jù)放大電路的小信號(hào)模型等效電路計(jì)算放大電路的交流指標(biāo) 、 、 。圖解法和小信號(hào)模型分析方法的比較圖解法的

16、特點(diǎn)是真實(shí)地根據(jù)BJT的非線性特性求解。它在輸入大信號(hào)以及分析輸出幅值和波形失真的情況時(shí)比較合適。小信號(hào)模型分析法的特點(diǎn)是在小信號(hào)條件下，將BJT線性化為我們所熟悉的線性網(wǎng)絡(luò)來，進(jìn)而利用電路理論的方法分析放大電路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，它適用于放大電路工作于小信號(hào)時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。 小結(jié)：本節(jié)主要介紹了小信號(hào)模型分析法基本原理及應(yīng)用。作業(yè)：3.4.1,3.4.4,3.4.52.5 放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定問題3.5.1 溫度對(duì)工作點(diǎn)的影響溫度T上升，則輸出特性曲線上移2.5.2 溫度變化對(duì)輸入特性曲線的影響2.5.3 溫度變化對(duì) 的影響1.溫度每升高1，要增加0.5%1.0%；溫度T上升，則輸出特性曲線族間距

17、增大總之： ICBO ­ ® ICEO ­ T ­ ® VBE ¯ ® IB ­ ® IC ­ b ­綜合上述： ICBO、b、VBE隨溫度T升高的結(jié)果，都集中表現(xiàn)在Q點(diǎn)電流IC的增大。 硅管的ICBO小，溫度的變化主要考慮對(duì)VBE和b的影響，。 鍺管的ICBO大，ICBO的溫度影響對(duì)鍺管是主要的。 2.5.2 射極偏置電路1. 穩(wěn)定工作點(diǎn)原理：目標(biāo)：溫度變化時(shí)，使IC維持恒定。如果溫度變化時(shí)，b點(diǎn)電位能基本不變，則可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。射極偏置電路電路穩(wěn)定工作點(diǎn)的物理過程：利用Rb

18、1和Rb2組成的分壓器以固定基極電位。如果I1>>IB（I1是流經(jīng)Rb1、Rb2的電流），就可近似地認(rèn)為基極電位VBRb2VCC/（Rb1+ Rb2）。在此條件下，當(dāng)溫度上升時(shí)，IC（IE）將增加，由于IE的增加，在Re上產(chǎn)生的壓降IERe也要增加，使外加于管子的VBE減?。ㄒ騐BE=VBIERe，而VB又被Rb1和Rb2所固定），由于VBE的減小使IB自動(dòng)減小，結(jié)果牽制了IC的增加，從而使IC基本恒定。這就是反饋控制的原理。 由上述分析可知，I愈大于IB及VB愈大于VBE，則該電路穩(wěn)定Q的效果愈好。為兼顧其他指標(biāo)，設(shè)計(jì)此種電路時(shí)，一般可選取I1=（510）IB （硅管）

19、；I1=（1020）IB （鍺管） VB=（35）V （硅管）；VB=（13）V ；（鍺管） 2. 放大電路指標(biāo)分析靜態(tài)工作點(diǎn)：電壓增益：輸入電阻： 輸出電阻：電路處于放大區(qū)的條件： 3. 射極偏置電路做如何改進(jìn)，既可以使其具有溫度穩(wěn)定性，又可以使其具有與固定偏流電路相同的動(dòng)態(tài)指標(biāo)？VCCRLRCReRb1Rb2Rb可選大電阻 使得：小結(jié)：本節(jié)主要介紹了射極偏置電路的工作原理及改進(jìn)電路。作業(yè)：3.5.1,3.5.2,3.5.3,3.5.4,3.5.52.6 共集電極電路和共基極電路2.6.1 共集電極電路：該電路也稱為射極輸出器VCCRLReRbuiuo+-+-求

20、靜態(tài)工作點(diǎn)：電壓增益：VCCRLReRb1Rb2Rbuiuo+-+-輸入電阻：輸出電阻：共集電極電路特點(diǎn)：電壓增益接近于1；輸入電阻大，對(duì)電壓信號(hào)源衰減小；輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)：電壓跟隨器。共集電極電路做如何改進(jìn)，既可以使其具有溫度穩(wěn)定性，又可以不影響其動(dòng)態(tài)指標(biāo)？2.6.2 采用復(fù)合管進(jìn)一步提高輸入電阻電壓增益：       輸入電阻：    輸出電阻： VCCRLReRb1Rb2Rbuiuo+-+-12由于采用復(fù)合管，使共集放大電路Ri大、Ro小的特點(diǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)揮。 在多級(jí)電子電路中， 因電壓跟隨器的輸入電阻高而用

21、作輸入級(jí)； 因輸出電阻低且電流增益大而用作輸出級(jí)； 因輸入電阻高且輸出電阻低而用作緩沖級(jí)。2.6.2 共基極電路1. 靜態(tài)工作點(diǎn)：VCCRLRCReRb1Rb2RSuSuo+-共基放大電路直流通路與射極偏置電路相同2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)電壓增益： 輸入電阻： 輸出電阻：共基極電路的輸入電阻很小，最適合用來放大何種信號(hào)源的信號(hào)？電流源。3. 三種組態(tài)的比較電壓增益：輸入電阻：輸出電阻：小結(jié)：本節(jié)主要介紹了共集電極電路和共基極電路的工作原理。作業(yè)：2.7.1,2.7.2,2.7.4+VCC1RLRCR1Rbuiuo+-VCC2例. 已知：Rb=560K，Rc=5.1K，R1=R=560K，RL=1M，VC

22、C1=VCC2=12V，=50RCRLR1VCC1VCC2+-ICVC例. 已知：Rc1=3.9K，Rc2=3.3K，Re2=2K，Rs=88K，VCCRe2Rc1Rc2RSvSvo+-VEEVCC=VEE=12V，VBE1=|VBE2|=0.7V，1=40，2=20，vs=0時(shí)，vo=012VRL12Kvo+-91K5.1K30K7.5K1.5Mvi注：調(diào)節(jié)Rs，使達(dá)到零入零出。例. 已知：=1=2=100，RL=3.6KVBE1=VBE2=0.7V例. 已知：=1=2=100，VBE1=VBE2=0.7V+12V12Kvo+-91K3.6K30K5.1K180Kvi3.6K本章小結(jié)半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)組成的三端有源器件。有NPN型和PNP型兩大類，兩者電壓、電流的實(shí)際方向相反，但具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即基區(qū)寬度薄且摻雜濃