模擬電子線路半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)

1、模擬電子線路 第二章 半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管第三節(jié) 共射極放大電路第四節(jié) 圖解分析法第五節(jié) 小信號模型分析法第六節(jié) 放大電路的工作點穩(wěn)定問題第七節(jié) 共集電極電路第八節(jié) 放大電路的頻率響應(yīng)概述第九節(jié) 本章小結(jié)第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求（1）掌握基本放大電路的兩種基本分析方法-圖解法與微變等效電路法。 會用圖解法分析電路參數(shù)對電路靜態(tài)工作點的影響和分析波形失真等； 會用微變等效電路法估算電壓增益、電路輸入、輸出阻抗等動態(tài)指標(biāo)。（2）熟悉基本放大電路的三種組態(tài)及特點；掌握工作點穩(wěn)定電路的工作原理。（3）掌握頻率響應(yīng)的概念。了解共發(fā)射極電路頻率特性的分析方法和上、下限截止

2、頻率的概念。第二節(jié) 半導(dǎo)體三極管（BJT）BJT是通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，由于PN結(jié)之間的相互影響， 使BJT表現(xiàn)出不同于單個 PN結(jié)的特性而具有電流放大，從而使PN結(jié)的應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。本節(jié)將圍繞BJT為什么具有電流放大作用這個核心問題，討論BJT的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部載流子的運動過程以及它的特性曲線和參數(shù)。一、BJT的結(jié)構(gòu)簡介BJT又常稱為晶體管，它的種類很多。按照頻率分，有高頻管、低頻管； 按照功率分，有小、中、大功率管；按照半導(dǎo)體材料分，有硅管、鍺管；根據(jù)結(jié)構(gòu)不同， 又可分成NPN型和PNP型等等。但從它們的外形來看，BJT都有三個電極，如圖3.1所示。圖3.1是NPN型

3、BJT的示意圖。 它是由兩個 PN結(jié)的三層半導(dǎo)體制成的。中間是一塊很薄的P型半導(dǎo)體(幾微米幾十微米)，兩邊各為一塊N型半導(dǎo)體。從三塊半導(dǎo)體上各自接出的一根引線就是BJT的三個電極，它們分別叫做發(fā)射極e、基極b和集電極c，對應(yīng)的每塊半導(dǎo)體稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體，但是發(fā)射區(qū)比集電區(qū)摻的雜質(zhì)多。在幾何尺寸上， 集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)的大，這從圖3.1也可看到，因此它們并不是對稱的。二、BJT的電流分配與放大作用1、BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程BJT工作于放大狀態(tài)的基本條件：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。在外加電壓的作用下， BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程為：（1）發(fā)射極注入電子

4、 由于發(fā)射結(jié)外加正向電壓VEE，因此發(fā)射結(jié)的空間電荷區(qū)變窄，這時發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷通過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)， 形成發(fā)射極電流IE，其方向與電子流動方向相反，如圖3.2所示。（2）電子在基區(qū)中的擴散與復(fù)合由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后， 就在基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的邊界積累起來， 右基區(qū)中形成了一定的濃度梯度，靠近發(fā)射結(jié)附近濃度最高，離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)濃度越小。因此， 電子就要向集電結(jié)的方向擴散，在擴散過程中又會與基區(qū)中的空穴復(fù)合，同時接在基區(qū)的電源VEE的正端則不斷從基區(qū)拉走電子， 好像不斷供給基區(qū)空穴。電子復(fù)合的數(shù)目與電源從基區(qū)拉走的電子數(shù)目相等， 使基區(qū)的空穴濃度基本維持不變。這樣就形成了基極電流IB，

5、 所以基極電流就是電子在基區(qū)與空穴復(fù)合的電流。 也就是說， 注人基區(qū)的電子有一部分未到達(dá)集電結(jié)， 如復(fù)合越多， 則到達(dá)集電結(jié)的電子越少， 對放大是不利的。 所以為了減小復(fù)合，常把基區(qū)做得很薄 (幾微米)，并使基區(qū)摻入雜質(zhì)的濃度很低，因而電子在擴散過程中實際上與空穴復(fù)合的數(shù)量很少， 大部分都能到達(dá)集電結(jié)。（3）集電區(qū)收集電子集電結(jié)外加反向電壓，其集電結(jié)的內(nèi)電場非常強，且電場方向從C區(qū)指向B區(qū)。使集電區(qū)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結(jié)，但對基區(qū)擴散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強的吸引力， 使電子很快地漂移過集電結(jié)為集電區(qū)所收集，形成集電極電流IC。 與此同時，集電區(qū)的空穴也會在該電場的作用下，漂移到基

6、區(qū)， 形成很小的反向飽和電流ICB0 。2、電流分配關(guān)系與正向偏置的二極管電流類似，發(fā)射極電流iE與vBE成指數(shù)關(guān)系： 集電極電流iC是iE的一部分，即：式中稱為BJT的電流放大系數(shù)三、BJT的特性曲線.共射極電路的特性曲線（1）輸入特性VCE=0V時，b、e間加正向電壓，這時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏，相當(dāng)于兩個二極管正向并聯(lián)的特性。VCE1V時，這時集電結(jié)反偏，從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分都漂移到集電極，只有小部分與空穴復(fù)合形成IB。 vCE1V以后，IC增加很少，因此IB的變化量也很少，可以忽略vCE對IB的影響，即輸入特性曲線都重合。注意:發(fā)射結(jié)開始導(dǎo)通的電壓vBE：0.6V0.7V(硅

7、管)，0.10.3V(鍺管)（2）輸出特性曲線對于一確定的iB值，iC隨VCE的變化形成一條曲線，給出多個不同的iB值，就產(chǎn)生一個曲線族。如圖3.6所示。 IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，無放大作用，因此對應(yīng)IB=0的輸出特性曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)如圖3.6所示。 IB0 ， VCEIbVBVBE其穩(wěn)定過程如下：實際情況下，為了使圖3.24所示電路的Q點穩(wěn)定，可以按以下要求選取I1和VB值。由于Re的存在，使Vi不能全加在be兩端，造成了AV下降。解決的方法是，在Re旁邊并聯(lián)一個大電容Ce- 旁路電容，從交流通路看，它接近短路，而不對靜態(tài)工作點產(chǎn)生影響。（1）靜態(tài)分析（確定Q點

8、）電路如圖3.24所示 利用上式可以分別求出Q點的IC、IB及VCE。（2）求電壓增益 畫H參數(shù)等效電路如圖3.25所示由此電路可得：（3）求輸入和輸出電阻求輸入電阻的交流等效電路如圖3.26所示。求輸出電阻的交流等效電路如圖3.27所示。 若考慮BJT的rce，則求r0的交流等效電路如右圖所示。由圖可知，Ib不為零，即Ro與輸入回路有關(guān)。因此由輸入回路可得：由輸出回路可得：聯(lián)立上述兩式并考慮到rceRe可以解得： 返回第七節(jié)共集電極電路共集放大原理電路如圖3.28所示。輸入信號從基極輸入，發(fā)射極輸出，故又稱射極輸出器。 一、電路分析(2)求電壓增益射極輸出器的H參數(shù)等效電路如圖3.29所示，

9、上述分析表明：共集電路有電流放大但無電壓放大，AV約為，輸出電壓和輸入電壓同相。(3)輸入電阻 注意：這里把RL從輸出回路折合到基極輸入回路，即從大電流支路折合到小電流支路時，要擴大了(1+)倍。(4)輸出電阻求輸出電阻時，VS短路，從Re看進(jìn)去(不含RL)，可以先把Re斷開先求Ro，則Ro=Re|Ro。注意：把輸入回路（Rs+rbe）折合到輸出回路，縮小/(1+)倍，再和Re并聯(lián)。二、共集放大電路小結(jié)(1) 有電流放大，無電壓放大作用；(2) 輸入電壓極性和輸出電壓極性相位相同；(3) 輸入電阻大而輸出電阻小。 輸入電阻大可使流過信號源電流??；輸出電阻小，即帶負(fù)載能力大。 常用于放大電流的輸

10、入級和輸出級。由三極管構(gòu)成的還有一種共基放大電路返回第八節(jié)放大電路的頻率響應(yīng)概述上面對放大電路的分析過程中，都只是考慮其基本的性能。在實際的放大電路中總是存在一些電抗性元件，如電感、電子器件的極間電容以及接線電容與接線電感等。因此，放大電路的輸出和輸人之間的關(guān)系必然和信號頻率有關(guān)。放大電路的頻率響應(yīng)所指的是，在輸入正弦信號情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。若考慮電抗性元件的作用和信號角頻率變量，則放大電路的電壓增益可表達(dá)為：式中為信號的角頻率, Av()表示電壓增益的模與角頻率之間的關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)。而() 表示放大電路輸出與輸人正弦電壓信號的相位差與角頻率之間的關(guān)系， 稱為相頻響應(yīng)，二

11、者綜合起來可全面表征放大電路的頻率響應(yīng)。圖3.32是一個普通音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng)。圖中間一段是平坦的， 即增益保持常數(shù)60dB， 稱為中頻區(qū)。在20Hz和20kHz兩點增益分別下降3dB，而在低于20Hz和高于20kHz的兩個區(qū)域，增益隨頻率遠(yuǎn)離這兩點而下降。在輸入信號幅值保持不變條件下， 增益下降3dB的頻率點，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一半,通常稱為半功率點。一般把幅頻響應(yīng)的高 、 低兩個半功率點間的頻率差定義為放大電路的帶寬 ，即 BW = fH - fL 式中，fH是頻率響應(yīng)的高端半功率點，也稱為上限頻率，而fL則稱為下限頻率。由于通常有FlfH的關(guān)系，故有BWfH。有些放大電路的頻率響應(yīng)，中頻區(qū)平坦部分一直延伸到直流，可以認(rèn)為它是