模電第4章(全)

1、4.1 半導體三極管半導體三極管4.3 放大電路的分析方法放大電路的分析方法4.4 放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題4.5 共集電極放大電路和共基極放大電路共集電極放大電路和共基極放大電路4.2 共射極放大電路的工作原理共射極放大電路的工作原理4.6 組合放大電路組合放大電路4.7 放大電路的頻率響應放大電路的頻率響應第四章第四章 雙極結(jié)型三極管及放大電路雙極結(jié)型三極管及放大電路4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡介的結(jié)構(gòu)簡介4.1.2 放大狀態(tài)下放大狀態(tài)下BJT的工作原理的工作原理4.1.3 BJT的的VI特性曲線特性曲線4.1.4 BJT的主要參數(shù)的主要參數(shù)4.1 半導體三極

2、管半導體三極管由于三極管內(nèi)有兩種載流子由于三極管內(nèi)有兩種載流子( (自由電子和空穴自由電子和空穴) )參與導電，故參與導電，故稱為雙極結(jié)型三極管或稱為雙極結(jié)型三極管或BJTBJT (Bipolar Junction Transistor) (Bipolar Junction Transistor)。 (a)(a)小功率管小功率管 (b)(b)小功率管小功率管 (c)(c)大功率管大功率管 (d) (d) 中功率管中功率管4.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡介的結(jié)構(gòu)簡介三極管的結(jié)構(gòu)與符號三極管的結(jié)構(gòu)與符號結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)符號符號兩種類型兩種類型: :NPNNPN型和型和PNPPNP型型NPNNPNPNPPNPBC

3、E集電區(qū)集電區(qū)摻雜濃度低于摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高摻雜濃度很高基區(qū)基區(qū)很薄很薄摻雜濃度很低摻雜濃度很低集電集電結(jié)結(jié)發(fā)射發(fā)射結(jié)結(jié)各區(qū)域的多子各區(qū)域的多子數(shù)量相差很大數(shù)量相差很大發(fā)射區(qū)多子數(shù)量最多發(fā)射區(qū)多子數(shù)量最多集電區(qū)多子數(shù)量居中集電區(qū)多子數(shù)量居中基區(qū)多子數(shù)量非常少基區(qū)多子數(shù)量非常少三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子的傳輸體現(xiàn)出來的。通過載流子的傳輸體現(xiàn)出來的。4.1.2 放大狀態(tài)下放大狀態(tài)下BJT的工作原理的工作原理外部條件：外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏BCENPN集電結(jié)集電結(jié)反偏反偏

4、少少子漂移子漂移發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏多多子擴散子擴散1、BJT內(nèi)部載流子的傳輸過程內(nèi)部載流子的傳輸過程NBCENP集電結(jié)集電結(jié)反偏反偏少少子漂移子漂移發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏多多子擴散子擴散發(fā)射區(qū)大量多子擴散到發(fā)射區(qū)大量多子擴散到基區(qū)，形成較大的基區(qū)，形成較大的IENBCENP集電結(jié)集電結(jié)反偏反偏少少子漂移子漂移發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏多多子擴散子擴散IE其中少部分與基區(qū)多子其中少部分與基區(qū)多子復合，形成較小的復合，形成較小的IBNBCENP集電結(jié)集電結(jié)反偏反偏少少子漂移子漂移發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏多多子擴散子擴散IEIBNBCENP集電結(jié)集電結(jié)反偏反偏少少子漂移子漂移發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏正偏多多子擴散子擴

5、散IEIBIC其余大部分成為基區(qū)的其余大部分成為基區(qū)的“少子少子”，將漂移到集，將漂移到集電區(qū)，形成較大的電區(qū)，形成較大的IC考慮所有區(qū)域的多子或少子流考慮所有區(qū)域的多子或少子流動后內(nèi)部載流子的傳輸過程動后內(nèi)部載流子的傳輸過程發(fā)射區(qū)多子擴散發(fā)射區(qū)多子擴散基區(qū)多子擴散基區(qū)多子擴散基區(qū)、集電基區(qū)、集電區(qū)少子漂移區(qū)少子漂移ECNII通常通常 IC ICBOEC II所以2. 電流分配關(guān)系電流分配關(guān)系CBOECBOCIIIIICN共基共基電流放大系數(shù)。它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜電流放大系數(shù)。它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般濃度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)。一般 = 0.9 = 0.9

6、0.99 0.99 。CBOECIIICBEIIICBOCBIIICBOBCIII111CBOBNEPBIIII CBOCNENEPIIII CEII 1 設(shè)BCEOCIIIBCCEOCIIII 時，時，當當CBOBCIII111CBOCBOCEOIII111CEOBC III則穿透電流穿透電流共射共射電流放大系數(shù)。一般電流放大系數(shù)。一般 1 1CEOBC IIIBCII1 CBOCEOII 1結(jié)論結(jié)論ECIIIBNPNIEIC表示了以表示了以IE作輸入、作輸入、IC作作輸出時的電流放大倍數(shù)輸出時的電流放大倍數(shù)共基電流放大系數(shù)，共基電流放大系數(shù)，小于小于1，但接近于，但接近于1發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)

7、的電子有多大的比例被基區(qū)復合，基本上由發(fā)射區(qū)與基區(qū)各自多子數(shù)目的比例確定，相應地，到達集電區(qū)的電子數(shù)目所占的比例也就確定了，該比例即代表了IC與IE的比例：通過電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓，可以實現(xiàn)通過電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓，可以實現(xiàn)電壓放大電壓放大VLiC=ICiB=IBRLVEEVCCiE=IE+-+-vBE=VEE+vBE+iE+iB+iCvI+vO電壓放電倍數(shù)電壓放電倍數(shù)iLCioVvRivvA選擇適當?shù)倪x擇適當?shù)腞L，可以使，可以使AV大于大于1若將將IB視為輸入， IC視為輸出，定義三極管的共射電流放大倍數(shù)共射電流放大倍數(shù)BCIINPNICIEIB1遠大于遠大于1較小的IB可控制產(chǎn)生較大的I

8、C說明三極管具有電流放大作用三極管具有電流放大作用發(fā)射結(jié)正偏之后，就有了IB，相應地才會有IC；如果發(fā)射結(jié)反偏，沒有了IB也不可能有IC，說明IB對對IC具有有控制作用具有有控制作用三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達集電極而實現(xiàn)的。實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內(nèi)部條件：內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠大于基區(qū)雜發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。 （2）外部條件：外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反

9、偏。共集電極接法共集電極接法，集電極作為公共電極，用，集電極作為公共電極，用CCCC表示。表示。共基極接法共基極接法，基極作為公共電極，用，基極作為公共電極，用CBCB表示；表示；共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用，發(fā)射極作為公共電極，用CECE表示；表示；BJT的三種組態(tài)的三種組態(tài)3. 三極管的三種組態(tài)三極管的三種組態(tài)4.1.3 BJT的特性曲線的特性曲線1、共射電路共射電路的特性曲線的特性曲線（1）共射電路的）共射電路的輸入特性曲線輸入特性曲線 CEvBEBvfi)(常數(shù)常數(shù)（2）共射電路的）共射電路的輸出特性曲線輸出特性曲線BiCECvfi)(常數(shù)常數(shù)2、共基電路共基電路的

10、特性曲線的特性曲線iB( A)vBE(V)204060800.40.8vCE=0VvCE =0.5VvCE 1V輸入特性輸入特性CEvBEBvfi)(常數(shù)iB( A)vBE(V)204060800.40.8實際中，一般滿足實際中，一般滿足vCE 1V，因此可以認為輸入特，因此可以認為輸入特性曲線只有一條曲線性曲線只有一條曲線(與二極管伏安特性曲線相同）與二極管伏安特性曲線相同）vCE 1V導通后電壓導通后電壓硅管約硅管約0.7V鍺管約鍺管約0.3V死區(qū)電壓，硅管約死區(qū)電壓，硅管約0.5V，鍺管約，鍺管約0.1ViB( A)vBE(V)204060800.50.8iC(mA )1234vCE(V

11、)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A輸出特性輸出特性iC(mA )vCE(V)IB= 100 A輸出特性輸出特性形成原理形成原理iC(mA )1234vCE(V)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A該區(qū)域該區(qū)域vCE1V輸出電流輸出電流iC與與輸入電流輸入電流iB成成正比正比。放大器放大器必須工作在該必須工作在該區(qū)域區(qū)域，以保證，以保證輸出信號與輸輸出信號與輸入信號成比例入信號成比例增長，防止信增長，防止信號波形嚴重失號波形嚴重失真。所以該區(qū)真。所以該區(qū)域稱為域稱為

12、放大區(qū)放大區(qū)工作區(qū)域的劃分工作區(qū)域的劃分iC(mA )1234vCE(V)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A該區(qū)域輸入電流為該區(qū)域輸入電流為0，輸出電流，輸出電流也幾乎為也幾乎為0，稱為，稱為截止區(qū)截止區(qū)iC(mA )1234vCE(V)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A該區(qū)域該區(qū)域vCE很小，此時很小，此時iC隨隨vCE的變的變化明顯，而化明顯，而iB的增加并的增加并不能引起不能引起iC的明顯增加的明顯增加，該區(qū)域稱為該區(qū)域稱為飽和區(qū)飽和區(qū)各工作區(qū)的特點各工作區(qū)

13、的特點放大區(qū)放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏電流成正比電流成正比iCiBvBE0.7VvCE 較大較大(一般大于一般大于 1V)vCBvCEvBE 0iBvCEvBENNPvCBiEiC截止區(qū)截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏電流為電流為0iB0實際上實際上vBE小于死區(qū)小于死區(qū)電壓時，三極管即電壓時，三極管即已截止。為使其可已截止。為使其可靠截止，一般滿足靠截止，一般滿足vBE 0ViC0飽和區(qū)飽和區(qū)發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏電流不成比例電流不成比例iC iBvBE0.7VvCEVCES飽和壓降飽和壓降，該電壓，該電壓很小約為很小約為0.3V，也，也可

14、近似為可近似為0vCBvCEvBE IBQ ，CCb2b1b2BQVRRRV 此時，此時，VBQ VBEQ一般取一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V 則工作點則工作點IC、VCE幾乎與幾乎與BJT參數(shù)無關(guān)參數(shù)無關(guān)溫度變化導致溫度變化導致BJT參數(shù)變化對工作點的影響很小參數(shù)變化對工作點的影響很小eBeBEBERVRVVIVCEVCCICRCIEReICIE足夠大足夠大（2 2）放大電路指標分析）放大電路指標分析靜態(tài)工作點的估算靜態(tài)工作點的估算CCb2b1b2BQVRRRV eBQeBEQBQEQCQRVRVVII)(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVV IIC

15、QBQ 電壓增益電壓增益畫小信號等效電路畫小信號等效電路（2 2）放大電路指標分析）放大電路指標分析輸出回路：輸出回路：)/(LcboRRi v輸入回路：輸入回路：ebbebeebebi)1(RiriRiri v電壓增益：電壓增益：ebeLcebebLcbio)1()/()1()/(RrRRRriRRiA vvv確定模型參數(shù)確定模型參數(shù) 已知，求已知，求r rbebe)mA()mV(26)1(200EQbeIr 增益增益輸入電阻輸入電阻則輸入電阻則輸入電阻放大電路的輸入電阻不包含信號源的內(nèi)阻放大電路的輸入電阻不包含信號源的內(nèi)阻)1(ebebiRri vb2ib1iei)1( RRRriiivv

16、v bebibRb2b1eiii11)1(11RRRriR bev)1(|ebeb2b1RrRR R RO O=R=RC C輸入電阻輸入電阻輸出電阻輸出電阻4.5 共集電極放大電路和共集電極放大電路和共基極放大電路共基極放大電路4.5.1 共集電極放大電路共集電極放大電路4.5.2 共基極放大電路共基極放大電路4.5.3 放大電路三種組態(tài)的比較放大電路三種組態(tài)的比較4.5.1 共集電極放大電路共集電極放大電路1.1.靜態(tài)分析靜態(tài)分析共集電極電路結(jié)構(gòu)如圖示共集電極電路結(jié)構(gòu)如圖示該電路也稱為該電路也稱為射極輸出器射極輸出器ebBEQCCBQ)1(RRVVI eEQCCCEQRIVVBQCQII e

17、EQBEQbBQCCRIVRIV BQEQ)1(II 由由得得直流通路直流通路 小信號等效電路小信號等效電路2.2.動態(tài)分析動態(tài)分析交流通路交流通路 電壓增益電壓增益輸出回路：輸出回路：輸入回路：輸入回路：Lbbebi)1 ( Ririv電壓增益：電壓增益：1)1()1()1()1(LbeLLbeLLbebLbio RrRRrRRriRiAvvv其中其中LeL/ RRR Lbo)1 (Riv一般一般beLrR ，則電壓增益接近于，則電壓增益接近于1 1，同同相相與與iovv射極電壓跟隨器射極電壓跟隨器1 vA即即。輸入電阻輸入電阻當當1 ，beLrR 時，時，Lbi/RRR 輸入電阻大輸入電阻

18、大)1(| )1(LbLibiiiiiRrRRrRiR bebevvvv輸出電阻輸出電阻由電路列出方程由電路列出方程ebbtRiiii )(sbebtRri veteRiR v其中其中bss/RRR 則則輸出電阻輸出電阻rRRiR 1/besettov當當 1beserRR，1 時，時， besorRR 輸出電阻小輸出電阻小rRRR 1/beseo共集電極電路特點：共集電極電路特點：同同相相與與iovv 電壓增益小于電壓增益小于1 1但接近于但接近于1 1， 輸入電阻大，對電壓信號源衰減小輸入電阻大，對電壓信號源衰減小 輸出電阻小，帶負載能力強輸出電阻小，帶負載能力強)1(/LbebiRrRR

19、 1 vA。4.5.2 共基極放大電路共基極放大電路1.1.靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點 直流通路與射極偏置電路相同直流通路與射極偏置電路相同CCb2b1b2BQVRRRV eBEQBQEQCQRVVII )( ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVV IICQBQ 2.2.動態(tài)指標動態(tài)指標電壓增益電壓增益輸出回路：輸出回路：輸入回路：輸入回路：電壓增益：電壓增益：LcL/ RRR 交流通路交流通路 LboRi vbebiri vbeLiorRA vvv小信號等效電路小信號等效電路 輸入電阻輸入電阻 輸出電阻輸出電阻coRR 小信號等效電路小信號等效電路 beeeiiiiiRR)1(i

20、eeRiR/iv bebri/iv beieiiiii)1(/rRiRvvvvrR 1|bee4.5.3 放大電路三種組態(tài)的比較放大電路三種組態(tài)的比較1.1.三種組態(tài)的判別三種組態(tài)的判別以輸入、輸出信號的位置為判斷依據(jù)：以輸入、輸出信號的位置為判斷依據(jù)： 信號由基極輸入，集電極輸出信號由基極輸入，集電極輸出共射極放大電路共射極放大電路 信號由基極輸入，發(fā)射極輸出信號由基極輸入，發(fā)射極輸出共集電極放大電路共集電極放大電路 信號由發(fā)射極輸入，集電極輸出信號由發(fā)射極輸入，集電極輸出共基極電路共基極電路 2.2.三種組態(tài)的比較三種組態(tài)的比較3.3.三種組態(tài)的特點及用途三種組態(tài)的特點及用途共射極放大電路

21、：共射極放大電路： 電壓和電流增益都大于電壓和電流增益都大于1 1，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關(guān)系。適用于低頻情況下，作多級放大電路的中間級。電極電阻有很大關(guān)系。適用于低頻情況下，作多級放大電路的中間級。共集電極放大電路：共集電極放大電路： 只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用。在三種組態(tài)中，只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用。在三種組態(tài)中，輸入電阻最高，輸出電阻最小。可用于輸入級、輸出級或緩沖級。輸入電阻最高，輸出電阻最小?？捎糜谳斎爰墶⑤敵黾壔蚓彌_級。共基極放大電路：共基極放大電路： 只有電壓放大作用，

22、沒有電流放大，有電流跟隨作用，輸入電阻小，輸只有電壓放大作用，沒有電流放大，有電流跟隨作用，輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關(guān)。高頻特性較好，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗出電阻與集電極電阻有關(guān)。高頻特性較好，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗的場合。的場合。 4.7 放大電路的頻率響應放大電路的頻率響應電容、電感對不同頻率的信號具有不同的阻抗電容、電感對不同頻率的信號具有不同的阻抗電路中有電容、電感存在時，將導致頻電路中有電容、電感存在時，將導致頻率不同，則放大倍數(shù)（傳輸系數(shù)）不同率不同，則放大倍數(shù)（傳輸系數(shù)）不同放大倍數(shù)（傳輸系數(shù)）與頻率的關(guān)系放大倍數(shù)（傳輸系數(shù)）與頻率的關(guān)系頻率響應頻率響應頻率

23、響應包括幅度頻率響應（頻率響應包括幅度頻率響應（幅頻響應幅頻響應） 和相位頻率響應（和相位頻率響應（相頻響應相頻響應）一、單時間常數(shù)一、單時間常數(shù)RC電路的頻率響應電路的頻率響應放大電路若考慮耦合電容、放大電路若考慮耦合電容、PN結(jié)電容的影響，經(jīng)結(jié)電容的影響，經(jīng)過化簡往往可成為單時間常數(shù)的過化簡往往可成為單時間常數(shù)的RC電路電路1、RC低通電路的頻率響應低通電路的頻率響應CjRCjVVAioVH 11 o oR-. .-i i+V VV VC. .+)/(11HffjRCfH21其中其中RCjRCj/11111Hj11)/(11HVHffjA RCfH21其中其中HjVHeA幅頻響應幅頻響應2

24、)/(11HVHffA相頻響應相頻響應)/(HHffarctg2/1fAVH幅頻響應幅頻響應2)/(11HVHffARCfH21fH低通：低頻能通過低通：低頻能通過上限上限頻率頻率1采用采用對數(shù)對數(shù)坐標坐標ffH10fH100fH0.1fH0.01fH-3dBlg(f /fH)20lgAVH /dB012-1-20dB2)/(11lg20lg20HVHffA2)/(11lg20lg20HVHffA當當f fH時，忽略時，忽略120lgAVH20lg(f /fH)lg(f /fH)20lgAVH /dB012-1-2ffH10fH100fH0.1fH0.01fH-20dB用兩段用兩段折線近似折線

25、近似實際曲線實際曲線最大誤差出現(xiàn)在最大誤差出現(xiàn)在轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率fH 處（最大誤差為處（最大誤差為3dB）20dB /十倍頻程十倍頻程-3dB實際實際曲線曲線幅頻特性曲線的折線近似幅頻特性曲線的折線近似相頻響應相頻響應)/(HHffarctgffH10fH100fH0.1fH0.01fH用折線近似實際曲線時，最大誤差出用折線近似實際曲線時，最大誤差出現(xiàn)在現(xiàn)在0.1fH和和10fH處（最大誤差約處（最大誤差約5.7O)-45Olg(f /fH)012-1-20O-90O-5.7OffH時時oH90ffH時時oH45-90O+5.7O結(jié)論結(jié)論o oR-. .-i i+V VV VC. .+HjVHioVHeAVVA 用折線近似的頻率用折線近似的頻率特性也稱為特性也稱為波特圖波特圖折線與實際曲線折線與實際曲線的最大誤差的最大誤差3dB折線與實際曲線折線與實際曲線的最大誤差的最大誤差5.7O-20dBlg(f /fH)20lgAVH /dB012-1-2ffH10fH100fH0.1fH0.01fH0dBlg(f /fH)012-1-20OH-45O-90O幅幅頻頻響響應應相相頻頻響響應應2、RC高通電路的頻率響應i i+V Vo o-R. .V VC.