西安交大模電課件

2半導體三極管及放大電路基礎2.1半導體三極管2.2共射極放大電路的組成和工作原理2.3放大電路的靜態(tài)分析2.4放大電路的動態(tài)分析2.5靜態(tài)工作點的選擇和穩(wěn)定2.6共集電極和共基極放大電路2.7多級放大電路2.8放大電路的頻率特性2半導體三極管及放大電路基礎2.1半導體三極管半導體三極管又稱簡稱晶體管。半導體三極管的放大作用和開關作用，促使了電子技術的的躍。半導體三極管圖片2.1.1半導體三極管的結構1.NPN型三極管結構示意圖和符號（2）根據(jù)使用的半導體材料分:硅管和鍺管（1）根據(jù)結構分:NPN型和PNP型三極管的主要類型NN+P發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極E(e)集電極C(c)發(fā)射結Je集電結Jc基極B(b)NPN型三極管符號B(b)E(e)TC(c)NN+P發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極E(e)集電極C(c)發(fā)射結Je集電結Jc基極B(b)（1）發(fā)射區(qū)小，摻雜濃度大。3、三極管的內(nèi)部結構特點（具有放大作用的內(nèi)部條件）：（2）集電區(qū)摻雜濃度低，集電結面積大。（3）基區(qū)摻雜濃度很低，且很薄。NN+P發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)EBC2.1.2三極管工作原理（以NPN型管為例）依據(jù)兩個PN結的偏置情況放大狀態(tài)飽和狀態(tài)截止狀態(tài)倒置狀態(tài)晶體管的工作狀態(tài)1．發(fā)射結正向偏置、集電結反向偏置—放大狀態(tài)

原理圖電路圖+–+–基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散空穴基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散空穴發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子形成空穴電流。因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于基區(qū)濃度，

空穴電流忽略不記。基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴散空穴發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子b.基區(qū)電子擴散和復合非平衡少子在基區(qū)復合，形成基極電流IBIB非平衡少子向集電結擴散形成反向飽和電流ICBO集電區(qū)、基區(qū)少子相互漂移少子相互漂移ICBOICIB三極管的電流分配關系動畫演示發(fā)射結回路為輸入回路，集電結回路為輸出回路。定義基極是兩個回路的公共端，稱三極管這種接法為共基極接法。

稱為共基極直流電流放大系數(shù)

輸入回路輸出回路理解為電流分配關系則發(fā)射100個電子，擴散了99個，復合1個晶體管共射極接法原理圖電路圖IBICICBO定義為三極管共射極直流電流放大系數(shù)IBICICBO得或的關系式由由及的定義與共基極交流電流放大系數(shù)共射極交流電流放大系數(shù)

定義α與β的關系一般可以認為：符號的意義電流：IB

ib

Ib

iB

（一個下標）電壓：UBE

ube

Ube

uBE

（二個下標）

直流交流交流交流＋瞬時值有效值直流晶體管放大的條件：內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，面積小；基區(qū)摻雜濃度低且很薄；集電區(qū)摻雜濃度低，面積大。外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏2．發(fā)射結正向偏置、集電結正向偏置—飽和狀態(tài)

（2）IC

≠bIB，IB失去了對IC的控制。（1）UCB(=UCE-UBE)≤0。集電結零偏或正偏飽和狀態(tài)的特點（3)集電極飽和電壓降UCES較小小功率硅管0.3~0.5V。（5）UCE對IC的影響大，當UCE增大，IC將隨之增加。當UCE增大使集電結從正偏往零偏變化過程中，UCE越大，到達集電區(qū)的非平衡少子就越多，Ic將隨著UCE增大而增加。（4）飽和時集電極電流（2）IC=ICBO，IB=－ICBO3．發(fā)射結反向偏置、集電結反向偏置—截止狀態(tài)截止狀態(tài)的特點：（1）UBE小于死區(qū)電壓。4．發(fā)射結反向偏置、集電結正向偏置—倒置狀態(tài)（1）集電區(qū)擴散到基區(qū)的多子較少。特點:（2）發(fā)射區(qū)收集基區(qū)的非平衡少數(shù)載流子的能力小。（3）電流放大系數(shù)很小。總結

放大飽和截止倒置發(fā)射結正正反反集電結反正反正B(b)E(e)TC(c)放大狀態(tài)下晶體管各極電位關系NPN管：UC>>

UB>

UEPNP管：UC<

<

UB<

UEB(b)E(e)TC(c)B(b)E(e)TC(c)2.1.3半導體三極管共射極接法的伏安特性曲線

1．共射極輸入特性

共射極輸入特性三極管共射極接法(1)

輸入特性是非線性的，有死區(qū)。

(2)

當uBE不變，uCE從零增大，iB減小。輸入特性的特點：(3)

當uCE≥1V，輸入特性曲線幾乎重合在一起，uCE對輸入特性幾乎無影響。

2．共射極輸出特性

輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)iiB=20μA04060801002468/VuCE01234C/mA各區(qū)的特點：（1）飽和區(qū)a.

UCE≤UBEb.IC＜βIBc.UCE增大，IC

增大。飽和區(qū)iiB=20μA04060801002468/VuCE01234C/mA（3）截止區(qū)b.IB≈0c.IC≈0

（2）放大區(qū)a.UCE>UBEb.IC=βIBc.IC與UCE無關飽和區(qū)放大區(qū)iiB=20μA04060801002468/VuCE01234C/mA截止區(qū)a.UBE＜死區(qū)電壓NPN管與PNP型管的區(qū)別iB、uBE、iC、iE、uCE的極性二者相反PNP管電路NPN管電路硅管與鍺管的區(qū)別:（3）鍺管的ICBO比硅管大（1）死區(qū)電壓約為硅管0.5V鍺管0.1V（2）

導通壓降|uBE|鍺管0.3V硅管0.7V2.1.4半導體三極管的主要電參數(shù)1.直流參數(shù)（3）發(fā)射極開路，集電極——基極間反向飽和電流ICBO

（1）共基極直流電流放大系數(shù)

（2）共射極直流電流放大系數(shù)

（4）基極開路，集電極——發(fā)射極間反向飽和電流ICEO

2.交流參數(shù)

（1）共基極交流電流放大系數(shù)α

β值與iC的關系曲線（2）共射極交流電流放大系數(shù)β

常數(shù)iC0β3.極限參數(shù)(4)集電極最大允許電流ICM(1)集電極開路時發(fā)射極——基極間反向擊穿電壓U（BR）EBO(2)發(fā)射極開路時集電極——基極間反向擊穿電壓U（BR）CBO(3)基極開路時集電極——發(fā)射極間反向擊穿電壓U（BR）CEO

iCuCE0U

(BR)CEOICMPCM不安全區(qū)安全區(qū)(5)集電極最大允許功率耗散PCM晶體管的安全工作區(qū)等功耗線PC=PCM=uCE×iC2.1.5溫度對管子參數(shù)的影響

1．對β的影響2．對ICBO的影響3．對UBE的影響

判別晶體管工作狀態(tài)方法如果已知各極電位（UB、UC、UE

）直接判斷UBE>0<0求IB及ICS飽和放大正偏倒置反偏截止思考題2.為什么晶體管基區(qū)摻雜濃度小而且做的很??？1.晶體管的發(fā)射極和集電極是否可以調(diào)換使用？3.晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，其電流放大系數(shù)和在放大區(qū)工作時是否一樣大？2.2共射極放大電路的組成和工作原理

2.2.1放大電路概述

1．放大電路的用途: 把微弱的電信號不失真地放大到負載所需的數(shù)值。應用舉例放大器直流電源話筒

輸入喇叭輸出2．放大電路的主要性能指標

放大器性能指標測量原理方框圖

被測放大電路負載正弦波信號源+?直流電源+?++??互導放大倍數(shù)Ag

·······互阻放大倍數(shù)

Ar

····電流放大倍數(shù)Ai·ioUUAu=···電壓放大倍數(shù)Au

·+?直流電源+?++??(1)放大倍數(shù)A

·

(2)輸入電阻Ri

Ri越大，Ui也就越大，電路的放大能力越強。a.由于b.

Ri越大，輸入電流ii越小，信號源的負載越小。+?直流電源+?++??Ri(3)輸出電阻Ro

定義：測量電路被+–測放大電路直流電源+–Ro對輸出電壓的電路即Ro越小，輸出電壓越穩(wěn)定，電路帶載能力越強。+?直流電源+?++??由于測量Ro的一種方法

——帶負載時的輸出電壓——負載開路時的輸出電壓+?直流電源+?++??S(4)全諧波失真度D

(5)動態(tài)范圍Uop-p也稱為最大不失真輸出電壓。即諧波電壓總有效值與基波電壓有效值之比使輸出電壓uo的非線性失真度達到某一規(guī)定數(shù)值時的uo的峰—峰值。(6)頻帶寬度fbw相頻特性由得····幅頻特性··fL幅頻特性曲線fHf·fBW相頻特性曲線90_o180_o225_o270_o135_ofBWf2.2.2共射極放大電路的組成及其工作原理

1.共射極放大電路的組成電路存在的問題：（1）信號源與放大電路相互影響。（2）放大電路與負載相互影響。TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRC+_+_RL_uO+各元器件的作用：T——放大器件隔離放大電路對信號源和負載的直流影響。溝通信號源、放大電路、負載之間的信號傳遞通道。耦合電容C1、

C2改進的共射極放大電路為T提供Je正偏電壓UBEVBB、RB提供基極偏置電流IBVCC為T提供Jc反偏電壓UCE為電路提供能量RC使集電極有合適的電流IC轉換集電極電流信號為電壓信號,

實現(xiàn)電壓放大只用一個電源，減少電源數(shù)。（1）電路的簡化（2）電路畫法不畫電源符號，只寫出電源正極對地的電位。放大電路的兩種工作狀態(tài)：靜態(tài)—當輸入信號為零時電路的工作狀態(tài)。靜態(tài)時放大電路只有直流分量。動態(tài)—有輸入信號時電路的工作狀態(tài)。動態(tài)時電路中的信號為交直流分量的疊加。注：不同書寫體字母的含義UBE

IB—大寫字母，大寫下標，表示直流量。ube—小寫字母，小寫下標，表示交流瞬時值。uBE—小寫字母，大寫下標，表示交、直混合量。Ube—大寫字母，小寫下標，表示交流分量有效值。

信號的傳遞過程C2隔直作用BEC2.3放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)分析——就是通過放大電路的直流通路求解靜態(tài)工作點值IBQ、ICQ、UCEQ。直流通路2.3.1圖解法在放大電路靜態(tài)分析中的應用

1．輸入回路列寫輸入回路方程VCC=iBRB+uBE求解靜態(tài)工作點的常用方法圖解法估算法直流負載線與三極管輸入特性曲線的交點，即為放大電路的輸入靜態(tài)工作點Qi。在iB、uBE坐標系上是一條直線稱為輸入回路的直流負載線VCC=iBRB+uBE方程PK三極管輸入特性曲線直流負載線0iBuBE2．輸出回路VCC=iCRC+uCE輸出回路方程稱為輸出回路的直流負載線MN直流負載線輸出特性曲線直流負載線與晶體管輸出特性曲線的交點，即為放大電路的輸出靜態(tài)工作點Qo。在iC、uCE坐標系上是一條直線iC0uCE2.3.2估算法在放大電路靜態(tài)分析中的應用

UCEQ=VCC－ICQRC式中，|UBEQ|硅管可取為0.7V，鍺管0.3V

由輸入回路方程VCC=IBQRB+UBEQ得（1）（3）（2）三步法！

在靜態(tài)分析基礎上，分析電路中的交流分量之間關系。主要求出各種動態(tài)參數(shù)。2.4放大電路的動態(tài)分析

常用的分析方法圖解法微變等效電路法2.4.1圖解法在放大電路動態(tài)分析中的應用

設輸入信號ui=UimsinwtV1．當RL=∞時在輸入回路uBE=UBEQ+uit0uBE波形圖iB的波形圖工作點的移動uBE波形圖（1）iB的形成過程已知Qabt00t0abtMN00tiB1iB2(2)輸出波形已知Q已知iB工作點的移動uCE波形圖iC波形圖輸出電壓uo0已知輸入信號小結：輸出信號波形輸出電壓uo與輸入電壓ui相位相反0t0t(2)如果靜態(tài)工作點Q太低工作點的移動uBE波形圖ab已知QiB1iB2iB的波形圖a.輸入波形0tt00abiB1iB2已知Q已知iB工作點的移動uCE波形圖iC波形圖輸出電壓b.輸出波形截止失真tMN00t00t0t0工作點的移動uBE波形圖ab已知QiB1iB2iB的波形圖a.輸入波形(3)如果靜態(tài)工作點Q太高abiB1iB2已知Q已知iB工作點的移動uCE波形圖iC波形圖b.輸出波形輸出電壓飽和失真tMN00t0小結：

靜態(tài)工作點不合適，將使工作點進入非線性區(qū)而產(chǎn)生非線性失真（飽和失真、截止失真）。

工作點合適就一定不會失真？0t0t0工作點的移動uBE波形ab已知QiB1iB2iB的波形a.輸入波形(4)如果輸入信號太大abiB1iB2已知Q已知iB工作點的移動uCE波形iC波形b.輸出波形tMN00t0（忽略UCES和ICBO）(5)放大電路的動態(tài)范圍a.如果UCEQ=ICQRC=VCC/2iB波形iB1iB2iB3uo1uo2uo3輸出波形=2ICRCUopp=2UCEQ=VCC0t0MNb.如果UCEQ<ICQRCiB波形iB1iB2iB3輸出波形Uopp=2UCEQuo1uo2uo30t0MNC.如果UCEQ>ICQRCiB波形iB1iB2iB3輸出波形Uopp=2ICRCuo1uo2uo30t0MN基本共射極放大電路的波形分析動畫演示結論:(2)

uo與ui的相位相反。(3)ui的幅度過大或靜態(tài)工作點不合適，將產(chǎn)生非線性失真（飽和失真、截止失真）。(4)放大電路信號iB=IB+ibuBE=UBE+uiiC=IC+icuCE=UCE+uce(1)共射極放大電路有電壓放大能力。(5)動態(tài)范圍(忽略ICEO和UCES)(a)

Qo點在負載線的中點UCEQ=ICQRC=VCC/2Uopp=2ICQRC(b)

Qo點在負載線中點下方

UCEQ＞ICQRC

(c)

Qo點在負載線中點上方(6)非線性失真的特點：Uopp=2×min[UCEQ，ICQRC]UCEQ＜ICQRC飽和失真：輸出電壓波形的下半部被削平。截止失真：輸出電壓波形的上半部被削平。

(d)Uopp的一般表示式Uopp=2UCEQ2．當RL≠∞時（1）放大電路的交流通路交流通路畫法：耦合電容短路直流電壓源短路(接地）VCC如何處理？交流通路R'L＝RC//RL由放大電路的交流通路可知式中ic由于故（2）交流負載線式中該直線稱為放大電路的交流負載線。在uCE和iC的坐標中，也表示一條直線M直流負載線交流負載線PUCEQ+ICQR'LiCuCE0QONICQab式交流負載線及放大電路波形分析交流負載線的特點:d.電路的工作點沿交流負載線移動。a.斜率為－1/R'Lb.經(jīng)過靜態(tài)工作點Qc.與橫軸的交點為UCEQ+ICQR'L

iCuCE0QOMNICQabPUCEQ+ICQR'L直流負載線交流負載線e.動態(tài)范圍(a)比電路空載時小。(b)(c)當考慮UCES時iCuCE0QOMNICQabPUCEQ+I