模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-第二章課件

1、第二章 雙極型晶體二極管及基本放大電路雙極型晶體三極管放大器的工作原理放大電路的分析方法共集放大電路共基放大電路極間耦合方式第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第五節(jié)第六節(jié) 半導(dǎo)體三極管有兩大類型: 雙極型半導(dǎo)體三極管 場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管一 晶體三極管的工作原理雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個 PN 結(jié)組合而成，是電流控制電流(CCCS)器件。 場效應(yīng)管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是電壓控制電流(VCCS)器件。第一節(jié) 雙極型晶體三極管 7/24/2022（一） 晶體三極管的結(jié)構(gòu)（二） 晶體三極管內(nèi)部載流子傳輸過程（三） 晶體三極管的電流關(guān)系（四） 晶體三極管的特性曲線（五） 晶

2、體三極管的參數(shù)（六） 晶體三極管的型號 一.晶體三極管的工作原理7/24/2022圖 02.01 兩種極性的雙極型三極管（一） 晶體三極管的結(jié)構(gòu)雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.01所示。分兩種類型:NPN型和PNP型：E-B間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je) C-B間的PN結(jié)成為集電結(jié)(Jc) 稱為基區(qū)，加上電極稱為基極，用B或b表示（Base）； 稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）； 稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。7/24/20221.符號：雙極型三極管的符號如圖:發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。2.特點: （1）.發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大

3、。 （2）.集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大。 （3）.基區(qū)要制造得濃度低，且很薄。 （其厚度一般在幾個微米至幾十個微米）（二）.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1.三極管具有放大功能的條件： 必須滿足：(1).內(nèi)部條件: 發(fā)射區(qū)濃度高，基區(qū)濃度低且薄。(2).外部條件:發(fā)射結(jié)加正向電壓,集電結(jié)加反向電壓。1.使三極管的發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子;2.通過發(fā)射結(jié)位壘的控制和基區(qū)的傳送;3.最后由集電極收集電子。結(jié) 論7/24/2022 (1).由于發(fā)射結(jié)正偏，將有大量的電子從發(fā)射基區(qū)擴散，形成的電流為IEN。(3). 電子流在基區(qū)停留時間很短，在集電結(jié)反偏電壓作用下,很快進入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域，被集電極收

4、集，形成集電極電流ICN。圖 02.02 三極管的電流傳輸關(guān)系(2). 基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，但數(shù)量小，形成的電流為IEP，只有少數(shù)電子在基區(qū)被復(fù)合，形成的電流是IBN。2. 載流子的傳輸過程:另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO綜上所述,可得如下電流關(guān)系式: IE= IEN IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ICNIBNIC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) 得:IE =IC+IB 由以上分析可知:1. 發(fā)射區(qū)摻雜

5、濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。2. 兩個PN結(jié)對接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用。3. 基區(qū)從厚變薄，是兩個PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管從量變引起質(zhì)變的過程。結(jié) 論（三）三極管共基連接電流分配關(guān)系1. 三種組態(tài)： 三極管有三個電極，兩個為輸入, 兩個為輸出，必然有一個極是公共電極。共有三種接法也稱三種組態(tài)：(2).共基極接法:基極作為公共電極，用CB表示。(1).共射極接法:射極作為公共電極，用CE表示；圖 02.03 三極管的三種組態(tài)(3).共集電極接法：集電極作為公共電極，用CC表示7/24/20222.三極管的電流放大系數(shù)為表示集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系

6、，定義了共基接法時的直流電流放大系數(shù):IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 1=IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB定義共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù):IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO由于:3.共射極連接時工作原理若：rbe=1k,RL=1k ,=100, 則 ：AU=100.有很小的Ui引起Ib 明顯的變化，導(dǎo)致 Ic較大的變化 ，從而引起較大的Uo變化，以此體現(xiàn)放大作用。輸入電壓Ui; 輸出電壓Uo 共射極電路的電壓增益為： Uo Ui二. 雙極型半導(dǎo)體三極管的特性曲線B是輸入極，C是輸出極，E是公共極。所以

7、曲線是共射極接法的特性曲線。iB是輸入電流，vBE是輸入電壓。 iC是輸出電流，vCE是輸出電壓。 輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE=const 輸出特性曲線iC=f(vCE) iB=const共發(fā)射極接法三極管的特性曲線:7/24/2022圖02.04 共發(fā)射極接法的電壓電流關(guān)系共射極接法的供電電路和電壓電流關(guān)系如圖:(3). UCE 1V或再增加時: 曲線的右移是三極管內(nèi)部基區(qū)調(diào)制效應(yīng); 右移不明顯說明基區(qū)調(diào)制效應(yīng) 很弱。輸入特性曲線的分區(qū)： 死區(qū) 非線性區(qū) 線性區(qū)1. 輸入特性曲線圖02.05 共射接法輸入特性曲線(1).當(dāng)UCE=0V時: 相當(dāng)于PN結(jié)的正向特性曲線。(2).當(dāng)

8、UCE=1V時: UCB= UCE - UBE0，集電結(jié)進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB增大，特性曲線將向右移動一些。(3). UCE 1V或再增加時: 曲線右移不明顯。曲線的右移是三極管基區(qū)調(diào)制效應(yīng); 右移不明顯說明基區(qū)調(diào)制效應(yīng)很弱。輸入特性曲線的分區(qū)： 死區(qū) 非線性區(qū) 線性區(qū)1. 輸入特性曲線圖02.05 共射接法輸入特性曲線(1).當(dāng)UCE=0V時: 相當(dāng)于PN結(jié)的正向特性曲線。(2).當(dāng)UCE=1V時: UCB= UCE - UBE0，集電結(jié)進入反 偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB增大，特性曲線將向右移動一些。2.輸出特性曲線(1).當(dāng)

9、UCE=0V時:集電極無收集作用，iC=0。VCE剛增大時，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓下，但集電結(jié)反偏電壓很小，如: UCE 1V; UBE=0.7V UCB= UCE- UBE=0.7V集電區(qū)收集電子的能力很弱。iC主要由UCE決定。圖02.06 共射極接法輸出特性曲線共射極接法的輸出特性曲線:為以iB為參變量的一族特性曲線，現(xiàn)以其中任何一條為例:圖02.06 共發(fā)射極接法輸出特性曲線（3）.UCE再增加時： 電流無明顯增加。特性曲線進入與UCE軸基本平行的區(qū)域 (這與輸入特性曲線隨UCE增大而右移的原因是一致的) （2）.UCE 1V時： 如：UBE 0.7V，運動到集電的電子基本上都被收集。輸

10、出特性曲線Ubehre則：Rb可視為開路把三極管用h等效電路代替，可得放大器的等效電路。如圖： Rs+-Us+-RsUsRbUoUiRLIiIoRs+-Us1.輸入電阻Ri：UiRi=Ui/Ii= hie+ hre Uo/ Ii UoUi= Ii hie+ hre UoUo= -Io RL=-( hie Ii+ hie Uo) RL聯(lián)立求得帶入上式得：Ri= hie+ hfe hre/(1/ RL+ hoe) 輸入阻抗是放大器的個 重要指標(biāo)。 Ri的值越大越好。Ri+-RsUsRbUoUiRLIiIoRs+-Us2.電流增益AI：3.電壓增益AU：IoIiUiUo前面求過4.輸出阻抗Ro：Rs

11、Io輸出阻抗可按下圖求解，圖中作如下處理：(1).將輸入信號Us短路，保留 Rs。(2).將負載RL開路，外加激勵 Uo ，產(chǎn)生電流Io。Ro則：Ii輸入：RsIi+hieIi+hreUo=0可得：UoUo(二) 簡化h參數(shù)模型微變等效電路 簡化的三極管h參數(shù)模型，如圖所示。圖中作了兩處忽略： hre反映管子內(nèi)部反饋因數(shù)量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce為電導(dǎo)量綱，與電 并聯(lián)時分流極小，可作開路 處理。圖 03.19 三極管簡化h參數(shù)模型1. h參數(shù)微變等效電路簡化模型:(二) 簡化h參數(shù)模型微變等效電路 簡化的三極管h參數(shù)模型，如圖所示。圖中作了兩處忽略： hre反映管子內(nèi)部反饋因數(shù)

12、量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce為電導(dǎo)量綱，與電 并聯(lián)時分流極小，可作開路 處理。圖 03.19 三極管簡化h參數(shù)模型1. h參數(shù)微變等效電路簡化模型:RsUs+-UihieRbUoRLRchfeIih參數(shù)等效電路RiR0R0Ri2.用簡化h參數(shù)模型分析共射電路：IiIo(1).輸入電阻Ri：Ri=Ui/Ii= hie; Ri= RbRi (2).電流增益AI：(3).電壓增益AU：(4).輸出電阻Ro:Ro= Ro Rc; Ro =3.模型中的主要參數(shù)的估算： hie 三極管的交流輸入電阻 根據(jù)二極管的方程式對于三極管的發(fā)射結(jié)求發(fā)射結(jié)的動態(tài)電導(dǎo)，b相當(dāng)基區(qū)內(nèi)一個點，b是基極。 re

13、bVT / iE ; re=rebQVT /IEQ=26mV/ IEQhie= rbeQ= rbb + VT / iE300+26mV/ IEQ 對于小功率三極管rbb 300，相當(dāng)于基區(qū)的體電阻。結(jié)論：(1)輸入電阻hie隨hfe增大而增大，所以hfe大的管AU降低。(2)輸入電阻hie與Ie有關(guān), Ie增大hie降低，AU增大 。 hfeIb輸出電流源 表示三極管的電流放大作用。反映了三極管具有電流控制電流源CCCS的特性。四.放大器工作點穩(wěn)定問題由于溫度變化管子參數(shù)發(fā)生變化 Q漂移，稱為溫漂。(一).晶體管參數(shù)的溫度漂移：(1)晶體管的門限電壓Ube的溫漂：溫度系數(shù) Ube/ t:鍺：-

14、2.1mv/oc;硅：-2.3mv/ocT載流子擴散速度 基區(qū)電流(復(fù)和機會) ICQ(2)晶體管 的溫漂：T禁帶寬度空間電荷區(qū) UbeIBQ(=Ec-Ube)ICQ(3)晶體管Icbo 的溫漂：T少子運動ICBQ)ICQ(= IBQ +(1+ ) Icbo )溫度系數(shù) / ( t )=(0.51)/oc任意溫度時Icbo (toc)= Icbo (20oc)2(t-20)/10綜上所述：T ，ICBO，Ube ICQ= IBQ +(1+ ) Icbo 最終導(dǎo)致靜態(tài)工作點Q升高。(二) 共射偏置電路分壓式電流負反饋穩(wěn)定偏置電路如圖所示:共射偏置電路UBI1圖中作如下假設(shè)：(2). UB 為Rb

15、1. Rb2分壓而得(1).設(shè)I1 IbQ， IbQ=0。Rb1和Rb2系偏置電阻。C1 、C2是耦合電容。RC是集電極負載電阻。Re是發(fā)射極電阻，Ce是Re的旁路電容。組成：1.靜態(tài)分析電路的直流通路如圖所示：基本放大電路的直流通路UCE=VccICRcIERe= VccIC(Rc+Re)靜態(tài)計算如下：IeQ=(UB UBE)/ ReUB= Ucc Rb2 / (Rb1+Rb2)IBQ= IeQ /ICQ IeQUBIeQUCE2. 動態(tài)分析根據(jù)圖畫微變等效電路，有:輸出電阻Ro:Ro = rceRCRC輸入電阻Ri = rbe / Rb1/ Rb2rbe = rbb +(1+)26mV/

16、IE =300+(1+)26mV/ IE電壓放大倍數(shù)Av = RL / rbe根據(jù)圖03.04(a)求輸出電阻的原理，應(yīng)將微變等效電路的輸入端短路，將負載開路。在輸出端加一個等效的輸出電壓。于是輸出電阻RoRo = rceRCRC bUcc Ui Uce Uo (a)共集組態(tài)放大電路 (b) 直流通道第四節(jié) 共集組態(tài)基本放大電路共集電極組態(tài)基本放大電路如圖(a)所示：(1)直流分析 直流通道如圖，則有： IB=( UCCUBE)/ Rb+(1+)Re IC=IB UCE= UCCIERe= UCCICRe(2)交流分析CC放大電路的微變等效電路如圖所示。中頻電壓放大倍數(shù): 輸入電阻 Ri=Rb

17、1/ Rb2 /rbe +(1+)RL ) RL = RL / Re CC組態(tài)微變等效電路輸出電阻輸出電阻可由圖求出:求Ro的微變等效電路將輸入信號短路，負載開路，由所加的等效輸出信號Uo，求出輸出電流Io第五節(jié) 共基組態(tài)基本放大電路共基組態(tài)放大電路，及其直流通道如圖所示。(1)直流分析 （與共射組態(tài)相同）共基組態(tài)放大電路 共基電路的直流通道(2)交流分析共基極組態(tài)放大電路的微變等效電路如圖所示：CB組態(tài)微變等效電路電壓放大倍數(shù) =RL / rbe輸入電阻 = rbe Re = rbe /(1+) 輸出電阻 Ro RC 第六節(jié) 多級放大電路多級放大電路概述一、二、直接耦合多級放大電路三、多級放

18、大電路電壓放大倍數(shù)的計算四、變壓器耦合的特點多級放大電路的放大倍數(shù)(一)耦合形式(二)零點漂移一 多級放大電路概述(一) 極間耦合方式多級放大電路的級聯(lián)，產(chǎn)生極間耦合問題。放大電路的級間耦合:必須要保證信號的傳輸，且保證各級的靜態(tài)工作點正確。直接耦合:耦合電路采用直接連接或電阻連接，電抗性元件耦合:級間采用電容或變壓器耦合。根據(jù)輸入信號的性質(zhì)，就可決定級間耦合電路的形式。特點：直接耦合電路可傳輸?shù)皖l甚至直流信號，因而緩慢變化的漂移信號也可以通過直接耦合放大電路。特點：電抗性元件耦合，只能傳輸交流信號，漂移信號和低頻信號不能通過。耦合電路的簡化形式如圖所示:直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互

19、相影響，應(yīng)認(rèn)真加以解決。 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)變壓器耦合 耦合電路的形式(二) 零點漂移(1).零點漂移:是三極管的工作點隨時間而逐漸偏離原有靜態(tài)值的現(xiàn)象。產(chǎn)生零點漂移的主要原因是溫度,所以有時也用溫度漂移或時間漂移來表示。工作點參數(shù)的變化往往由相應(yīng)的指標(biāo)來衡量。將一定時間內(nèi)，或一定溫度變化范圍內(nèi)的輸出級工作點的變化值除以放大倍數(shù)，即將輸出級的漂移值歸算到輸入級來表示的。例如 V/C 或 V/min 。(三) 直接耦合放大電路的構(gòu)成 直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，這是構(gòu)成直接耦合多級放大電路時必須要加以解決的問題。電位移動直接耦合放大電路NPN+PNP組合電平

20、移動直接耦合放大電路電流源電平移動放大電路(1)(2)(3)電位移動直接耦合放大電路(1)1. 集電極電位會逐級提高，后面的放大級要加入較大的射極電阻，而無法設(shè)置正確的工作點。2. 該方式只適用級數(shù)較少的電路。將基本放大電路前后級直接連接，如圖所示。 圖07.02 前后級的直接耦合 UC1=UB2UC2= UB2+ UCB2UB2(UC1)由上式可知：(2)NPN+PNP組合電平移動直接耦合放大電路級間采用NPN管和PNP管搭配的方式，如圖07.03所示。由于NPN管集電極電位高于基極電位，PNP管集電極電位低于基極電位，它們的組合使用可避免集電極電位的逐級升高。 圖07.03 NPN和PNP管組合(3)電流源電平移動放大電路但電