半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)-模電講義

1、 3-1 半導(dǎo)體三極管（BJT） 3.1. 1 BJT 的結(jié)構(gòu)簡介 在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相關(guān)的PN結(jié)而成的BJT(晶體管) PNP型和NPN型。 小、中、大功率管， 低、高頻管. 3 半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ) 制造時(shí)滿足內(nèi)部條件: 發(fā)射區(qū)參雜濃度高, 基區(qū)和集電區(qū)參雜低,基區(qū)薄, 集電區(qū)面積比發(fā)射區(qū)大。 發(fā)射極箭頭方向表示晶體管的發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)，管子發(fā)射極電流的實(shí)際流向。晶體管有兩個(gè)結(jié)：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。3個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)。3個(gè)極：發(fā)射極、基極、集電極。 3. 1. 2 BJT 的電流分配及放大作用 1. 內(nèi)部載流子的傳輸過程 晶體管的放大作用是通過內(nèi)部載流子的傳輸和控制作用

2、實(shí)現(xiàn)的，即發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子，基區(qū)傳輸和控制載流子，集電區(qū)收集載流子。為此，必須滿足內(nèi)部及外部條件。 內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜多，載流子濃度高；基區(qū)摻雜少載流子濃度低而且??；集電結(jié)面積大。 外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。 圖 3.1.4 表示NPN管的一種接法，叫做共基連接，其中VCCVEE，并滿足上述兩個(gè)條件。以圖 3.1.4(a)為例說明內(nèi)部載流子的傳輸過程。ICBO(1) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子過程 發(fā)射結(jié)正向偏置，擴(kuò)散大于漂移，形成發(fā)射極電流 IE 。(2)復(fù)合與擴(kuò)散過程 大部分電子擴(kuò)散到集電結(jié)，只有很少一部分電子與基區(qū)中的空穴復(fù)合，形成基極復(fù)合電流IBN 。（這里為使基區(qū)空

3、穴濃度不變，復(fù)合掉的空穴由電源VEE補(bǔ)充）(3) 收集過程 由于集電結(jié)反向偏置，擴(kuò)散到集電結(jié)的電子很快漂移到集電區(qū)，形成集電極電流 ICN。此外，集電結(jié)兩邊原來的少數(shù)載流子，在集電結(jié)反偏下，漂移形成反向飽和電流 ICBO，其值很小。ICBO 2. 電流分配關(guān)系 發(fā)射極的總電流與發(fā)射結(jié)的電壓 成指數(shù)關(guān)系 (3.1.1) 共基電流放大系數(shù) , (3.1.2) (3.1.3) 由此可導(dǎo)出 (3.1.4) 稱為共射電流放大系數(shù)，一般為幾十至幾百。 3. 放大作用 則 輸出變化電壓電壓增益 綜上所述，可以歸納下面兩點(diǎn)： （1） BJT 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(dá)集電極

4、而實(shí)現(xiàn)的。為了保證這一傳輸過程，必須滿足外部和內(nèi)部條件。 內(nèi)部條件: 發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)，基區(qū)厚度小。 外部條件: 發(fā)射結(jié)要正向偏置，集電結(jié)反向偏置 。 （2） BJT 各電極間的電流之間有確定的分配關(guān)系 只要輸入電流給定了，輸出電流和輸出電壓便基本確定了。它是通過電流的控制作用來實(shí)現(xiàn)放大的，表征這種控制作用的參數(shù)是電流放大系數(shù) 和 。 4. 共射極連接方式 構(gòu)成放大電路時(shí), 晶體管3個(gè)電極中，一個(gè)作為放大電路輸入端,一個(gè)作為輸出端 , 另一個(gè)作為輸入、輸出回路公共端。 根據(jù)輸入、輸出回路公共端的不同，BJT放大電路有3種基本接法(或組態(tài))：共射、共集、共基。 共基：e 入 ， c 出

5、， b公共; 共射：b 入 ， c 出， e公共;共集：b 入 ， e 出， c 公共 特點(diǎn) (1) 具有電流 放大作用 輸入變化信號引起的相應(yīng)基極電流和集電極電流的變化量 的比值為 (2) 具有電壓放大作用 (3) 反相放大 輸出電壓 vo 與 輸入電壓 vi 反相 , 即相位相差180 。 3.1.3 特性曲線 3.1.4 主要參數(shù) 1. 電流放大系數(shù) 和 2. 極間反向電流 其值很小 , 但與 溫度有關(guān) 。 3. 極限參數(shù) 作業(yè) 3.1. 1 3. 1. 2 3. 1. 3 3. 1. 4 3.2 共射極放大電路 (4) 電源、電路參數(shù)的選擇，應(yīng)保證電路有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。 放大電路

6、的構(gòu)成原則 : (1) 電源VCC的極性應(yīng)保證T的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置而處于放大狀態(tài)。 (2) 輸入回路的接法，使輸入信號 vi 加到放大電路的輸入端并能產(chǎn)生相應(yīng)的變化電流 ib 。 (3) 輸出回 路的接法，使輸出信號 vo 幾乎無衰減地加到負(fù)載上。 放大電路的主要性能指標(biāo) 第一類指標(biāo)為輸入信號幅值一定，頻率一定時(shí)的指標(biāo)，適用于低頻小信號的場合。 1. 放大倍數(shù)(增益) 放大倍數(shù)又叫增益，是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。定義為輸出與輸入變化量之比。有種，常用的有： 電壓放大倍數(shù) 電流放大倍數(shù) 2. 輸入電阻 它是衡量放大電路對信號源影響程度的指標(biāo)。其值越大，放大電路從信號源索取的電流

7、越小，對信號源影響就越小。 3. 輸出電阻其值越小，接入負(fù)載RL后，o下降越小。帶負(fù)載能力越強(qiáng)。 第二類指標(biāo)為輸入信號Vs幅值一定，頻率改變時(shí)的指標(biāo)。適用于輸入為小信號，但頻率變化范圍較寬的場合。 4. 頻率響應(yīng)及帶寬 1) 用分貝表示增益 電壓增益 = 20 l g dB 電流增益 = 20 l g dB 2) 頻率響應(yīng)及帶寬 放大電路存在電抗性元件，放大倍數(shù)要隨信號頻率變化。在中間一段頻率范圍內(nèi)，放大倍數(shù)基本不變。叫做中頻放大倍數(shù)，記作 Avm 。 放大倍數(shù)下降到0.707 Avm(3dB)所對應(yīng)的高、低頻率，分別叫做上限截止頻率 fH 及下限截止頻率 fL,，見下圖。帶寬為通常有故有 對

8、于直接耦合(直流放大)放大電路的下限截止頻率為零, 其頻率響應(yīng)如圖1.2.8所示。3）頻率失真第三類指標(biāo)為輸入信號頻率不變，幅值改變時(shí)的指標(biāo)，適用于輸入低頻但輸出幅值較大的場合。 5. 非線性失真系數(shù) 其值越小，失真越小。 6. 最大輸出幅值 它是指輸入信號增加，輸出波形的非線性失真系數(shù)達(dá)到額定值時(shí)的輸出電壓Vomax(或電流omax)，一般指有效值。也有用峰峰值表示的。作業(yè) 3. 2. 1 3. 2. 2 3. 3 圖解分析法 3.3.1 靜態(tài)工作情況分析當(dāng)放大電路沒有輸入信號( vi =0 ) 時(shí), 電路中各處的電壓、電流都是不變的直流，稱為直流工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，簡稱靜態(tài)。 靜態(tài)時(shí)， 三

9、極管各電極的直流電壓和電流的值，在管子的特性曲線上確定一點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn) Q 。 當(dāng)放大電路輸入信號后，電路中各處的電壓、電流便處于變動狀態(tài)，電路處于動態(tài)工作情況，簡稱動態(tài) 。 放大電路分析一般分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析。 1. 近似估算Q點(diǎn) 例 3.3.1 電路如圖所示 ,試近似估算它的 Q 點(diǎn)。 解： 1）畫電路的直流通路2）利用 VBE=Von， IC= IB 這一靜態(tài)時(shí),工程上適用的晶體管的直流模型，由電路的直流通路列方程：基射回路集電極回路 直流通路有非線性和線性兩部分非線性部分V-I 特性由輸入、輸出特性曲線來描述。線性部分，可列出V-I 特性電路方程為2. 用圖解法確定Q點(diǎn) 圖解法

10、是以三極管的的特性曲線為基礎(chǔ)，在特性曲線圖上用作圖的方法來分析放大電路的工作狀態(tài)或求解電路性能指標(biāo)的一種方法。 在輸出特性上作出上述方程表示的直線 稱為直流負(fù)載線。直流負(fù)載線與輸出特性（ ）的交點(diǎn) Q點(diǎn)。 由作圖結(jié)果可得 3.3.2 動態(tài)工作情況分析 1. 接入正弦信號的工作情況 1) 根據(jù) vi 在輸入特性上求iB 2）根據(jù) iB 在輸出特性上求iC 、vCE 由上分析，可得如下結(jié)論： (1) 沒有輸入信號電壓時(shí), 三極管的各電極電流及極間電壓均為直流, 當(dāng)加上輸入信號電壓后, 都是在原來靜態(tài)直流量的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流量, 即 (2) vCE 中的交流分量(交流輸出vce )的幅度遠(yuǎn)比 v

11、i 大, 且同為正弦波電壓 , 具有電壓放大作用。 (3) vO (vce) 與 vi 的相位相反, 稱為反相 , 共射放大電路為反相放大電路。 2. 交流負(fù)載線 放大電路接上負(fù)載會對放大電路的動態(tài)工作情況有影響。 交流通路 僅考慮輸入交流信號作用時(shí)的電流通路。畫交流通路的原則：隔直電容短接，直流電壓源短路。交流負(fù)載線 考慮負(fù)載電阻 時(shí)，電路動態(tài)工作點(diǎn)移動的軌跡 。 由交流通路，有而得此方程代表的直線 交流負(fù)載線 最大不失真輸出幅度 Vom =Vcc VCEQ =3V3. BJT 的三個(gè)工作區(qū)域 (1) 放大區(qū) 當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，對應(yīng)特性曲線比較平坦部分。此時(shí)iC=iB，iC受

12、iB控制。 (2) 飽和區(qū) 當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏，iC I，三極管失去了放大作用, vCE 0. 3 (3) 截止區(qū) 當(dāng)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)也反偏，在輸出特性上iB0的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。 iB=0時(shí)， iC=ICEO0 。 飽和失真和截止失真 BJT 三種工作狀態(tài) 的判斷 (常利用測量BJT各電極電位來判斷它的工作狀態(tài)) 以NPN為例： 放大： 飽和： 截止： 發(fā)射結(jié)正向?qū)妷海汗韫?為 0.7 V; 鍺管為 0.2 V.截止失真飽和失真例 3.3.2 試分析圖示電路對正弦交流信號有無放大作用, 并簡述理由(設(shè)各電容的容抗可忽略). 解: (1) 畫直流通路, 判斷BJT 是否工作在放大狀態(tài)

13、及電路參已知時(shí)估算靜態(tài)工作點(diǎn)并判斷位置是否恰當(dāng); 例3.3.2 電路圖電路的直流通路判斷結(jié)果： 發(fā)射結(jié)沒加正向偏壓 , BJT 為截止?fàn)顟B(tài)。 不能放大。(2) 畫交流通路, 判斷輸入交流信號能否加到 BJT 發(fā)射結(jié)及放大的集電極電流能否送到電路的負(fù)載上產(chǎn)生輸出交流電壓；例 3.3.3 測量某硅 BJT 各電極對地的電壓如下, 試判別管子工作在什么區(qū)域? (1) (2) 解: (1) 由 知 所以該管處于放大區(qū)域。 (2) 由 知 所以該管處于臨介飽和區(qū)域。作業(yè) 3. 3. 1 3. 3. 2 3. 3. 4 3. 3. 5 3. 3. 6 3. 3. 8 3. 4 小信號模型分析法 對于低頻小

14、信號放大電路主要需計(jì)算的性能指標(biāo)為電壓放大倍數(shù)AV，輸入電阻 Ri，輸出電阻 Ro。常采用的方法是小信號模型分析法（微變等效電路法）。 低頻小信號時(shí)，放大電分析變成了線性電路的求解, 這就是小信號建模的指導(dǎo)思想。常用小信號模型是BJT 的H 參數(shù)模型。 3. 4. 1 BJT 的小信號建模 1. BJT H 參數(shù)的引出 共射接法時(shí)，晶體管的輸入、輸出特性為 式中微變量間的關(guān)系為 由于dvBE代表vBE的變化部分，即輸入的正弦信號vbe。同理diB=ib，diC=ic，dvCE=vce，于是有輸出交流短路的輸入電阻 rbe （）；輸出交流短路的電流傳輸系數(shù) （無量綱）；輸入端交流開路時(shí)的反向電壓

15、傳輸比 r（無量綱）輸入端交流開路時(shí)的輸出電導(dǎo) 1/ rce （S）；2. H 參數(shù)模型 受控電流源 大小受基極交流電流控制 ( ib) ， 方向與基極電流一致。 模型的對象是變化量 小信號模型的參數(shù)是在Q點(diǎn)求出來。 3. H 參數(shù)的確定 需確定的參數(shù)是 和rbe 。 一般很易測得，rbe可用下式近似估算： 室溫下，VT =24mV，只要計(jì)算出靜態(tài)發(fā)射極電流，即可估算出rbe ； 估算式適用范圍 3.4.2 用 H 參數(shù)模型分析共射基本放大電路 分析步驟： 1. 畫出小信號等效電路 2. 求電壓增益 由等效電路有 由電壓增益定義可得3. 計(jì)算輸入電阻和輸出電阻 (1) 輸入電阻 輸入電阻的定義

16、 由等效電路 得 (2) 輸出電阻 由輸出電阻的定義 故 例 3.4.1 計(jì)算電路的電壓增益、輸入和輸出電阻，BJT的 = 40。 解：(1) 計(jì)算 Q 點(diǎn)(2) 計(jì)算交流性能指標(biāo)3. 5 放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定問題 3.5.1 溫度對工作點(diǎn)的影響 1) VBE 、ICBO(ICEO)、 隨溫度 T 升高的結(jié)果，都集中表現(xiàn)在 Q 點(diǎn)電流 IC 的增大； 2) 硅管ICBO 小，受溫度的影響可忽略，主要考慮VBE 和 的溫度影響； 3) 鍺管的 ICBO 較大，其溫度影響是主要要考慮的。 2. 5 .2 射極偏置電路 1. 計(jì)算Q點(diǎn) 在直流通路上，如果流過電阻的電流 I1IB，則 如果VB VBE

17、 ，則 電路具有工作點(diǎn)穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，稱具有這種直流通路結(jié)構(gòu)的電路為工作點(diǎn)穩(wěn)定電路。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，既要穩(wěn)定工作點(diǎn)，又要兼顧放大電路的其它指標(biāo)，一般常取 1) I1 = （510）IB（硅管） 或 （1020）IB（鍺管） 2) VB = （35）V （硅管） 或 （13）V （鍺管） 計(jì)算電壓增益、輸入電阻和輸出電阻 1) 電壓放大倍數(shù) 接入Re，雖然解決了工作點(diǎn)穩(wěn)定問題，卻使電壓增益下降。解決方法： 在 Re 旁并接大電容 Ce . i 加入Re 后，輸入電阻提高了。2) 輸入電阻 3) 輸出電阻由等效電路有（1）（2）（3）將(3)式代入（2）式得考慮 實(shí)際情況下， ，故有 一般情況下，

18、 ，所以3. 6 共集電極電路和共基極電路 3. 6. 1 共集電極電路（射極輸出器） 圖3.6.1 放大電路的交流通路表明，輸入、輸出回路的公共端是集電極，因此叫做共集放大電路。因?yàn)樾盘枏陌l(fā)射極送出，所以又叫做射極輸出器。1. 電路分析 (1) 求 Q 點(diǎn) 由直流通路(2) 電壓增益 由小信號等效電路可得：(3) 輸入電阻式中考慮 及 ，則 (4) 輸出電阻 由輸出電阻定義畫等效電路。 共集電路的特點(diǎn) 共集電路具有電壓跟隨性能，電壓增益小于 1 , 而接近 1, 輸入電阻高，輸出電阻低，常用于放大電路的輸入級，功率輸出級及起隔離作用的中間級。 2. 采用復(fù)合管進(jìn)一步提高輸入電阻 互補(bǔ)型復(fù)合管

19、 3.6.2 共基放大電路 圖3.6.6(a)電路的交流通路中輸入、輸出回路的公共端是基極，因此叫做共基放大電路。 1 . 靜態(tài)工作點(diǎn)畫放大電路的直流通路 2) 輸入電阻 其值很小，一般為幾歐至幾十歐。 3) 輸出電阻2. 動態(tài)分析1) 電壓增益 綜上所述，3種基本組態(tài)的主要特點(diǎn)和應(yīng)用大致歸納如下： 1) 共射放大電路具有較大的電壓、電流及功率放大作用，輸入電阻適中。被廣泛用作低頻電壓放大的輸入級、輸出級和中間級。 2) 共集電路具有電壓跟隨性能，輸入電阻高，輸出電阻低，常用于放大電路的輸入級，功率輸出級及起隔離作用的中間級。 3) 共基電路的主要特點(diǎn)是輸入電阻低，晶體管的結(jié)電容影響小，頻率特

20、性好，常用于寬頻帶放大器。3. 7 放大電路的頻率響應(yīng) 3. 7. 1 頻率響應(yīng)的基本概念 放大電路的頻率響應(yīng)就是放大電路的增益與信號頻率的關(guān)系, 即 AV( f ) 表示電壓增益的模與頻率的關(guān)系，叫做幅頻特性。 ( f ) 表示輸出電壓與輸入電壓的相位差與頻率的關(guān)系， 叫做相頻特性。 右圖(a)、(b)分別是 一個(gè)基本共射放大電路的幅頻特性和相頻特性，統(tǒng)稱為頻率特性。 f L以下的頻率范圍叫做低頻區(qū)。當(dāng)頻率降低時(shí)，容抗增加，由于極間電容與電路參數(shù)并聯(lián)，其影響可以忽略；而耦合電容與電路參數(shù)串聯(lián)，分壓作用增加，加到放大元件兩端的有效信號減小，電壓增益減小，且產(chǎn)生 090的超前附加相移。 fH 以

21、上的頻率范圍叫做高頻區(qū)。當(dāng)頻率升高時(shí)，容抗減小，耦合電容的影響可以忽略，而極間電容的影響必須考慮，并聯(lián)結(jié)果使信號源電流增加，信號源內(nèi)阻壓降增加，放大元件兩端有效信號減小，放大倍數(shù) Av(f) 下降，且產(chǎn)生090的滯后附加相移。 波特圖 電子技術(shù)中，信號頻率大致是幾赫茲至幾十兆赫茲，放大倍數(shù)大致是幾倍到幾百萬倍。畫頻率響應(yīng)曲線時(shí)，為了縮短坐標(biāo)，擴(kuò)大視野，簡化分析，代表頻率的橫坐標(biāo)采用對數(shù)刻度，用分貝表示電壓增益和用角度表示相位的縱坐標(biāo)采用線性分度，這種半對數(shù)坐標(biāo)圖，叫做 對數(shù)頻率響應(yīng)或波特圖。 3.7.2 單級放大電路的頻率響應(yīng) h 參數(shù)等效電路用于高頻信號時(shí)，必須考慮極間電容效應(yīng)，4個(gè)參數(shù)將是隨頻率變化的復(fù)數(shù)，分析時(shí)很不方便。為此，引出一種包括極間電容在內(nèi)的高頻小信號模型，即混合模型。 高頻混合模型1 混合模型 1) 模型的引出 受控電流源為 gmvbe 它與加在發(fā)射結(jié)上的電壓成正比。 跨導(dǎo) gm 表示這種控制關(guān)系，單位為 mS 。 2) 混合模型中的參數(shù)的確定 高頻等效模型的簡化 放大電路中，由于三極管的集電結(jié)處于反向偏置，rbc 很大，可視作開路。而rce 與 負(fù)載 RL 并聯(lián)，一般 rce RL，也可忽略, 并將集電結(jié)結(jié)電容進(jìn)行