半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)(3)課件

1、第3章 半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ) 內(nèi)容提要： 本章討論半導(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)。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基本放大電路。從共發(fā)射極電路入手，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。分析的步驟，首先是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))，然后分析其動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于電壓放大電路來說，主要的技術(shù)指標(biāo)有電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗和頻響帶寬，最后介紹放大電路的頻率響應(yīng)分析法。 本章主要內(nèi)容3.1 半導(dǎo)體三極管3.2 共射極放大電路3.3 圖解分析法3.4 小信號(hào)模型分析法3.5 放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定問題3.

2、6 共集電極電路和共基極電路3.7 放大電路的頻率響應(yīng)本章基本教學(xué)要求熟練掌握:1.三極管的外特性及主要參數(shù)2.共射、共集和共基組態(tài)放大電路的工作原理3.靜態(tài)工作點(diǎn)的分析4.用微變等效電路法分析增益、輸入和輸出電阻正確理解三極管的工作原理、圖解分析法、頻率響應(yīng)法本章重點(diǎn)內(nèi)容用估算法求靜態(tài)工作點(diǎn)。熟悉具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的共射放大電路及電路的分析。掌握用微變等效電路分析放大電路動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（Au、Ri、Ro）的方法。熟悉三種基本放大電路的性能特點(diǎn)。晶體管的放大作用、輸入和輸出特性曲線、主要參數(shù)、溫度對(duì)參數(shù)的影響。3.1 半導(dǎo)體三極管 3.1.1 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu) 3.1.2 半導(dǎo)體三極管的電流分

3、配與放大作用3.1.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線 3.1.4 半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù) 3.1.5 半導(dǎo)體三極管的型號(hào)8/26/20223.1.1 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu) 雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。 圖 02.01 兩種極性的雙極型三極管e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je) c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc) 中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示（Base）； 一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）； 另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。8/26/20223.1.2 半導(dǎo)體三極管的電流分配與放

4、大作用 雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。 現(xiàn)以 NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系， 見圖3.1。圖 3.1 雙極型三極管的電 流傳輸關(guān)系1. 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程8/26/2022 (1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流IE。 (2) 電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合形成基極電流IB。圖 3.1 雙極型三極管的電 流傳輸關(guān)系IE = IC+ IB三極管三個(gè)極間電流的關(guān)系如下：(動(dòng)畫3-1)(3) 集電區(qū)收集電子形成 集電 極電流 IC 。2.半導(dǎo)體三極管的電流分配關(guān)系 (1) 三種組態(tài)

5、三極管有三個(gè)電極，其中一個(gè)可以作為輸入, 一個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見圖3.2。圖 3.2 三極管的三種組態(tài) 共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示; 共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；8/26/2022(2) 三極管的電流放大系數(shù) 對(duì)于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明，定義: 稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流IC與總發(fā)射極電流IE的比值。IC與IE相比，因IC中沒有IB，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:因 1, 所以 1定義: =I

6、C / IB稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是：3.1.3 半導(dǎo)體三極管的特性曲線 這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。 輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE=const 輸出特性曲線 iC=f(vCE) iB=const本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即 共發(fā)射極接法的供電電路和電壓-電流關(guān)系如圖3.3所示。8/26/2022圖3.3 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系 iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E 兩電極取出。iB=f(vBE) vCE=const(1)

7、 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(shí)， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進(jìn)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(dòng)一些。但vCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。輸入特性曲線的分區(qū)：死區(qū) 非線性區(qū) 線性區(qū)圖3.4 共射接法輸入特性曲線 (2)輸出特性曲線 iC=f(vCE) iB=const 共發(fā)射極接法的輸出特性曲線是以iB為參變量的一族特性曲線。 當(dāng)vCE=0 V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。當(dāng)vCE稍增大時(shí)，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之

8、下，但集電結(jié)反偏電壓很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= vb ve3.1.4 半導(dǎo)體三極管的參數(shù) 半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類: 直流參數(shù) 交流參數(shù) 極限參數(shù) 1. 直流參數(shù)(1) 直流電流放大系數(shù) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const IC = IB 圖3.7 值與IC的關(guān)系圖 3.6 在輸出特性曲線上決定 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 集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標(biāo)CB代表集

9、電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開路。它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。 集電極發(fā)射極間反向飽和電流 ICEO2 交流參數(shù)（1）交流電流放大系數(shù) .共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const 圖3.9 在輸出特性曲線上求 .共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，、，可以不加區(qū)分。（2 ）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(hào)頻率增加時(shí)，三極管的將會(huì)下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。(3)極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM 如圖3.7所示，當(dāng)集電極電流增

10、加時(shí)， 就要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的7030時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少，不同型號(hào)的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別。可見，當(dāng)ICICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。 圖3.7 值與IC的關(guān)系集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 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(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。 反向擊穿電壓 反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力，其測試時(shí)的原理電路如圖3.10所示。 圖3.10 三極管擊穿電壓的測試電路1.V(BR) CBO發(fā) 射 極開路時(shí)集電結(jié)的

11、擊穿電壓。2.V(BR) EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。 3.V(BR)CEO基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的 擊穿電壓。 對(duì)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(gè)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 3.1.5 半導(dǎo)體三極管的型號(hào)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同

12、種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管8/26/2022 表3.1 雙極型三極管的參數(shù) 參 數(shù)型 號(hào) PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* 83BX31C 125 125 40 246* 83CG101C 100 30 450.1 1003DG123C 500 50 40 300.353DD101D 5W 5A 300 25042mA3DK100B 100 30 25 150.1 3003DKG23250W 30A 400 325 8注：*為 f 8/26/2022溫

13、度對(duì)三極管的影響T升高，反向飽和電流增加。T升高， 增加。T升高，反向擊穿電壓增加。3.2 共發(fā)射極放大電路1. 共發(fā)射極放大電路的組成基本組成如下： 三 極 管T 負(fù)載電阻Rc 、RL 偏置電路VBB 、Rb 耦合電容C1 、C2起放大作用。將變化的集電極電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。提供電源，并使三極管工作在線性區(qū)。輸入耦合電容C1保證信號(hào)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(hào)輸送到負(fù)載，不影響集電結(jié)偏置。 2. 放大原理 輸入信號(hào)通過耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)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?圖 3.2.2 共發(fā)射級(jí)放大電路的簡化 PNP管用負(fù)電源供電3.

14、3 圖解分析法3.3.1 靜態(tài)工作情況分析3.3.2 動(dòng)態(tài)工作情況分析1. 靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 靜態(tài) 時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)，即此時(shí)三極管各電極的直流電壓和直流電流的數(shù)值，在特性曲線上對(duì)應(yīng)為一確定點(diǎn)，也叫Q點(diǎn)。 放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動(dòng)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(dòng)態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。 動(dòng)態(tài) 時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。 3.3.1 靜態(tài)工作情況分析 直流通道 交流通道 直流電源和耦合電容對(duì)交流相當(dāng)于短路 即能通過直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻， Rc 、Rb 。 能通過交流的電路通道。如從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻，

15、 Rc/RL和偏置電阻Rb 。 若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過直流電源時(shí)，沒有壓降。設(shè)C1、 C2 足夠大，對(duì)信號(hào)而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。2. 直流通道和交流通道 （1） 近似估算Q點(diǎn) IB、IC和VCE這些量代表的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示。在測試基本放大電路時(shí)，往往測量三個(gè)電極對(duì)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)直流通道可對(duì)放大電路的靜態(tài)進(jìn)行計(jì)算 靜態(tài)分析有計(jì)算法和圖解分析法兩種：近似估算Q點(diǎn)和用圖解法確定Q點(diǎn)共射極放大電路 放大電路如圖所示。已知BJT的 =80， Rb=300k ， Rc=2k， VCC=

16、+12V，求：（1）放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作區(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BJT的飽和壓降）解：（1）（2）當(dāng)Rb=100k時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)為Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區(qū)。其最小值也只能為0，即IC的最大電流為：，所以BJT工作在飽和區(qū)。VCE不可能為負(fù)值，此時(shí)，Q（120uA，6mA，0V）， 例題1.把電路分成非線性和線性部分2.作出電路非線性部分的V-A特性即三極管輸出特性曲線。3. 由電路線性部分的V-A特性即直流負(fù)載線: UCE=VCCICRc在輸出特性曲線上確定兩個(gè)特殊點(diǎn),即可畫出直流負(fù)載線。4. 得到

17、Q點(diǎn)的參數(shù)IBQ、ICQ和UCEQ。VCC 、 VCC /Rc（2）靜態(tài)工作狀態(tài)圖解分析法3.3.2 動(dòng)態(tài)情況分析 1. 交流負(fù)載線 2. 交流工作狀態(tài)的圖解分析 3. 最大不失真輸出幅度 4. 非線性失真1. 交流負(fù)載線 交流負(fù)載線確定方法： (1)通過輸出特性曲線上的Q點(diǎn)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(hào)時(shí)Q點(diǎn)的運(yùn) 動(dòng)軌跡。 (4) 交流負(fù)載線與直流 負(fù)載線相交Q點(diǎn)。圖 3.3.3 放大電路的動(dòng)態(tài) 工作狀態(tài)的圖解分析2. 交流工作狀態(tài)的圖解分析通過圖解分析，可得如下結(jié)論：(1) vi vBE iB iC vC

18、E 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。(1) vi vBE iB iC vCE vo (2) vo與vi相位相反；(1) 波形的失真飽和失真: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。3. 最大不失真輸出幅度 注意：對(duì)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。 動(dòng)畫3-3(2) 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

19、輸出幅度 1.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； 2.要有合適的交流負(fù)載線。 圖 3.3.7 放大器的最大不失真輸出幅度（動(dòng)畫3-4） 4. 非線性失真 放大器要求輸出信號(hào)與輸入信號(hào)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(hào)產(chǎn)生了非線性失真。 非線性失真系數(shù)的定義：在某一正弦信號(hào)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D表示，即4. 圖解分析法的適用范圍適用于幅度較大而工作頻率不太高的工作情況。優(yōu)點(diǎn)： 直觀、形象。有助于建立和理解交、直流共存，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)等重要概念；有助于理解正確選擇電路參數(shù)、合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性。能全面

20、地分析放大電路的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工作情況。缺點(diǎn)： 不能分析工作頻率較高時(shí)的電路工作狀態(tài)，也不能用來分析放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。1. BJT的H參數(shù)及小信號(hào)模型建立小信號(hào)模型的意義建立小信號(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。 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，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計(jì)。3.4 微變等效電路分析法3.4 微變等效電路分析法3.4.1 模型的建立3.4.2 主要參數(shù)3.4.3

21、 h參數(shù)3.4.4 h參數(shù)微變等效電路簡化模型3.4.5 用微變等效電路法分析共射放大電路3.4.1 模型的建立 1.三極管可以用一個(gè)模型來代替。 2.對(duì)于低頻模型可以不考慮結(jié)電容的影響。 3.小信號(hào)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。三極管的低頻小信號(hào)模型如圖3.4.1所示。vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce3.4.3 h參數(shù)，稱為輸入電阻，即 rbe。，稱為電壓反饋系數(shù)。，稱為電流放大系數(shù)，即。 ，稱為輸出電導(dǎo)，即1/rce。 受控電流源hfeib ，反映了BJT的基極電流對(duì)集電極電流的控制作用。電流源的流向由ib的流向決定。 hrevce是受控電壓源。反映了BJT輸出回路電壓對(duì)輸入回路的影響。 圖3.4.2 h11和h12的意義h參數(shù)的物理含義見圖3.4.2和圖3.4.3。 圖 3.4.3 h21和h22的意義 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)