半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)課件

1、半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)半導(dǎo)體三極管基本放大電路半導(dǎo)體三極管頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管硅管、鍺管類型：NPN型、PNP型半導(dǎo)體三極管是具有電流放大功能的元件晶體三極管的結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)基極發(fā)射極 集電極晶體三極管是由兩個PN結(jié)組成的發(fā)射區(qū)基區(qū) 集電區(qū)三極管電流分配 半導(dǎo)體三極管在工作時一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。三極的工作原理 發(fā)射結(jié)加正偏時，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴散，形成的電流為IEN。 從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。（這是因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。）

2、進入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機會較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時間很短，很快就運動到了集電結(jié)的邊上，進入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成的電流是 IBN。 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。 很小的基極電流IB，就可以控制較大的集電極電流IC，從而實現(xiàn)了放大作用。三極管的電流關(guān)系共集電極接法：集電極作為公共端； 共基極接法：基極作為公共端。共發(fā)射極接法：發(fā)射極作為公共端；各極電流之間的關(guān)系式 共基極電流傳輸系數(shù)。因ICBO較小，所以又因 則，ICIE因ICEO較小，所以共發(fā)射極

3、電流放大系數(shù)。IE =IC+IB 1半導(dǎo)體三極管的特性曲線 iB是輸入電流，vBE是加在B、E兩極間的輸電壓。 輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE= 常數(shù) 共發(fā)射極接法的輸入特性曲線其中vCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線，當(dāng)vCE1V時， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB 增大，特性曲線將向右稍微移動一些。但vCE再增加時，曲線右移很不明顯。導(dǎo)通電壓鍺管 0.10.3V硅管 0.60.8V輸出特性曲線 iC=f(vCE) iB= 常數(shù) iC是輸出電流，vCE是輸出電壓。 放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏截止區(qū)：

4、 IB=0以下的區(qū)域。飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。IC隨著VCE的變化而迅速變化。工程上以VCE=0.3伏作為放大區(qū)和飽和區(qū)的分界線。VCE大于0.7 V左右(硅管) 。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏。 測量三極管三個電極對地電位，試判斷三極管的工作狀態(tài)。 放大截止飽和-+正偏反偏-+-正偏反偏+-放大VcVbVe放大VcVbVe發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。例1： 測得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，試判斷三極管的工作狀態(tài)。放大例2：半導(dǎo)體三極管的參數(shù) 直流參數(shù)、交流參數(shù)、 極限參數(shù)直流電流放大系數(shù)1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/

5、IBIC / IB vCE=常數(shù)一.直流參數(shù) 2.共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE 顯然 與 之間有如下關(guān)系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ 極間反向電流 1.集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極， O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。 它相當(dāng)于集電結(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 ICEO和ICBO有如下關(guān)系 ICEO=（1+ ）ICBO 相當(dāng)基極開路時，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。二.交流參數(shù)交流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極交流電

6、流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const 在放大區(qū) 值基本不變，通過垂直于X 軸的直線由IC/IB求得。 在輸出特性曲線上求 2.共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時， 可以不加區(qū)分。特征頻率fT 三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號頻率增加時，三極管的將會下降。當(dāng)下降到1時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。集電極最大允許電流ICM 三極管集電極最大允許電流ICM。當(dāng)ICICM時，管子性能將顯著下降，甚至?xí)p壞三極管。集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCB

7、ICVCE， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結(jié)上。在計算時往往用VCE取代VCB。三.極限參數(shù)反向擊穿電壓 1.V(BR)CBO發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電壓。下標(biāo)BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。 2.V(BR) EBO集電極開路時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。 3.V(BR)CEO基極開路時集電極和發(fā)射極間的 擊穿電壓。 對于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO由PCM、 ICM和V(

8、BR)CEO在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)。 輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)半導(dǎo)體三極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體三極管的命名如下:3 D G 110 B 第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、 G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管材料器件的種類同種器件型號的序號同一型號中的不同規(guī)格三極管雙極型三極管的參數(shù)參 數(shù)型 號 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* 83BX31C 125 125 40

9、 246* 83CG101C 100 30 450.1 1003DG123C 500 50 40 300.353DD101D 5A 5A 300 25042mA3DK100B 100 30 25 150.1 3003DKG23250W 30A 400 325 8注：*為 f 基本放大電路 基本放大電路一般是指由一個三極管與相應(yīng)元件組成的三種基本組態(tài)放大電路。共發(fā)射極、共集電極、共基極放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)(1)放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri(3)輸出電阻Ro(4)通頻帶(1) 放大倍數(shù) 輸出信號的電壓和電流幅度得到了放大，所以輸出功率也會有所放大。對放大電路而言有電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放

10、大倍數(shù),通常它們都是按正弦量定義的。電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)功率放大倍數(shù)(2) 輸入電阻 Ri 輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)，Ri大放大電路從信號源吸取的電流小，反之則大。(3) 輸出電阻Ro 輸出電阻是表明放大電路帶負(fù)載的能力，Ro大表明放大電路帶負(fù)載的能力差，反之則強。 注意：放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻通常都是在正弦信號下的交流參數(shù)，只有在放大電路處于放大狀態(tài)且輸出不失真的條件下才有意義。(4) 通頻帶 BW相應(yīng)的頻率fL稱為下限頻率，fH稱為上限頻率。 放大電路的增益A(f) 是頻率的函數(shù)。在低頻段和高頻段放大倍數(shù)都要下降。當(dāng)A(f)下降到中頻電壓放大倍數(shù)A0的 1

11、/ 時，即基本放大電路的工作原理(1) 共發(fā)射極基本放大電路的組成三極管 T 起放大作用。偏置電路VCC 、Rb提供電源，并使三極管工作在線性區(qū)。耦合電容C1 、C2輸入耦合電容C1保證信號加到發(fā)射結(jié)，不影響發(fā)射結(jié)偏置。輸出耦合電容C2保證信號輸送到負(fù)載，不影響集電結(jié)偏置。負(fù)載電阻RC、RL將變化的集電極電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 (2) 靜態(tài)和動態(tài) 靜態(tài): 時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。 放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通路和交流通路。 動態(tài): 時，放大電路的工作狀 態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。 直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)

12、于短路(3) 直流通路和交流通路 (a)直流通路 直流通路 能通過直流的通路。交流通路 能通過交流的電路通路。 (b)交流通路(4) 放大原理 輸入信號通過耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)于是有下列過程：三極管放大作用 變化的 通過 轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓妮敵龇糯箅娐返幕痉治龇椒?靜態(tài)工作狀態(tài)的計算分析法 IB、IC和VCE這些量代表的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)工作點，用Q表示。在測試基本放大電路時，往往測量三個電極對地的電位VB、VE和VC即可確定三極管的靜態(tài)工作狀態(tài)。根據(jù)直流通路對放大電路的靜態(tài)進行計算靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析法2. 由直流負(fù)載線VCE =VCCICRC VCC 、 VCC /Rc3. 得到Q點的參

13、數(shù)IB 、IC 和VCE 。1. 在輸出特性曲線上確定兩個特殊點,即可畫出直流負(fù)載線。放大電路的動態(tài)圖解分析（1）交流負(fù)載線1.從B點通過輸出特性曲線上的Q點做一條直線， 其斜率為-1/RL 。2.RL= RLRc， 是交流負(fù)載電阻。 3.交流負(fù)載線是有交流 輸入信號時Q點的運動軌跡。 4.交流負(fù)載線與直流 負(fù)載線相交Q點。通過圖解分析，可得如下結(jié)論： 1. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo與vi相位相反； 3. 可以測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。(2)交流工作狀態(tài)的圖解分析波形的失真飽和失真截止失真 由于放大電路的工作點達到了三極管

14、的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。 由于放大電路的工作點達到了三極管的截止區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。(3) 最大不失真輸出幅度 注意：對于PNP管，由于是負(fù)電源供電，失真的表現(xiàn)形式，與NPN管正好相反。波形（動畫3-3）放大電路的最大不失真輸出幅度 放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要： 1.工作點Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位； 2.要有合適的交流負(fù)載線。 （4）非線性失真 放大器要求輸出信號與輸入信號之間是線性關(guān)系，不能產(chǎn)生失真。 由于三極管存在非線性，使輸出信號產(chǎn)生了非線性失真。 非線性失真系數(shù)的定義：在某一正

15、弦信號輸入下，輸出波形因非線性而產(chǎn)生失真，其諧波分量的總有效值與基波分量之比，用THD表示，即 (5) 輸出功率和功率三角形 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。放大電路向電阻性負(fù)載提供的輸出功率 在輸出特性曲線上，三角形ABQ的面積，稱為功率三角形。三極管的低頻小信號模型 (1)模型的建立 1.三極管可以用一個模型來代替。 2.對于低頻模型可以不考慮結(jié)電容的影響。 3.小信號意味著三極管在線性條件下工作，微變也具有線性同樣的含義。h參數(shù)模型（2)模型中的主要參數(shù)rbe 交流輸入電阻 iB輸出電流源表示三極管的電流放大作用hie為輸入電阻，即 rbe。hre

16、為電壓反饋系數(shù)，即r。hfe為電流放大系數(shù)，即。 hoe為輸出電導(dǎo)，即1/rce。 (3) 模型簡化 r反映三極管內(nèi)部的電壓反饋，因數(shù)量很小，一般可以忽略。 1/rce與電流源并聯(lián)時，分流極小，可作開路處理。用H參數(shù)小信號模型分析共射極基本放大電路 (1)小信號等效電路(2)電壓增益(3)輸入電阻Ri(4)輸出電阻Ro穩(wěn)定工作點I1分壓式偏置VBI1=(510)IBVB=(35)VIB(1)確定工作點: QIe+Ve-VB+ VBE -穩(wěn)定過程(2)電壓增益工作點穩(wěn)定，增益下降。解決這個矛盾的方法是加電容Ce。(3)輸入電阻Ri輸入電阻 提高了，相當(dāng)于增加了一個(1+)Re的電阻。(4)輸出電

17、阻Ro由KVL：輸出電阻 提高了，即提高了電路的恒流特性。集電極電路（1）求工作點：QQ(2)電壓增益輸入電壓與輸出電壓同相電壓跟隨器（3）輸入電阻+-Ri（4）輸出電阻Ro電壓增益1，輸入電壓與輸出電壓同相，輸入電阻高，輸出電阻低。*復(fù)合管可提高輸入電阻，提高值。共基極電路(1)直流分析 與共射組態(tài)相同。(2)交流分析電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻Ro RC=RL / rbe放大電路的頻率響應(yīng) 在放大電路的通頻帶中給出了頻率特性的概念- 幅度頻率特性 相位頻率特性 幅頻特性是描繪：輸入信號幅度固定，輸出信號的幅度隨頻率變化而變化的規(guī)律。即 = = 相頻特性是描繪：輸出信號與輸入信號之間相位差隨

18、頻率變化而變化的規(guī)律。即 放大電路的幅頻特性和相頻特性，稱為頻率響應(yīng)。因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同，從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為幅度頻率失真，簡稱幅頻失真。放大電路對不同頻率成分信號的相移不同，從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為相位頻率失真，簡稱相頻失真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。(動畫5-1)產(chǎn)生頻率失真的原因 1.放大電路中存在電抗性元件，例如 耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓 器、分布電感等; 2.三極管的()是頻率的函數(shù)。 在研究頻率特性時，三極管的低頻小信號 模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。單極放大電路的高頻響應(yīng)（1）高頻小信號模型 基區(qū)體電阻，b是假想的基區(qū)內(nèi)的一個點。 、 發(fā)射結(jié)電阻和電容。 、 集電結(jié)電阻和電容。 受控電流源 根據(jù)這一物理模型可以畫出混合型高頻小信號模型。高頻混合型小信號模型電路 這一模型中用 代替 ，這是因為本身就與頻率有關(guān)，而gm與頻率無關(guān)。推導(dǎo)如下: （2）用 代替 由此可見gm是與頻率無關(guān)的0和rbe的比，因