三极管及放大电路基础.pptx

4.1 半导体三极管（半导体三极管（BJT）4.2 共射极放大电路共射极放大电路4.3 图解分析法图解分析法4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 放大电路的工作点稳定问题放大电路的工作点稳定问题4.6 共集电极电路和共基极电路共集电极电路和共基极电路4.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.1.1 BJT的结构简介的结构简介4.1 半导体三极管（半导体三极管（BJT）4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线4.1.4 BJT的主要参数的主要参数晶体三极管的发明 三极管是具有电流放三极管是具有电流放大作用的半导体器件，由大作用的半导体器件，由肖克利带领的科研团队于肖克利带领的科研团队于1947年在美国的贝尔实验年在美国的贝尔实验室发明的，它开创了微电室发明的，它开创了微电子技术的新时代。子技术的新时代。晶体管之父晶体管之父威廉威廉肖克利肖克利4.1.1 BJT的结构简介的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图半导体三极管的结构示意图如图04.1.01所示。它有所示。它有两种类型两种类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极，用B或b表示（Base）发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号结构特点结构特点硅平面硅平面NPN管结构管结构三极管具有放大作用的内部条件三极管具有放大作用的内部条件集电区面积大集电区面积大N型硅型硅基区窄基区窄,掺杂浓度最小掺杂浓度最小P型型发射区掺杂浓度最大发射区掺杂浓度最大N型型二氧化硅保二氧化硅保护膜膜CBE1 外加电压外加电压4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置NPN型直流偏置电路型直流偏置电路ReRcVEEVCC+NPebcN VCVBVE晶体三极管 载流子运动过程载流子运动过程(1)发射（发射区掺杂浓度高）发射（发射区掺杂浓度高）ReRcIE+VEEVCCIBICIEN发射结正偏，所以发射区向基区注入电子发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流，形成了扩散电流IEN。EPI同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。ebcNPN但其数量小，可忽略但其数量小，可忽略。所以发射极电流所以发射极电流 I E I EN。(2)复合（基区参杂浓度很低）复合（基区参杂浓度很低）IENReRcIE+VEEVCCIBIC晶体三极管 载流子运动过程载流子运动过程发射区的电子注入基区后，少数将与基区的空穴复合掉，发射区的电子注入基区后，少数将与基区的空穴复合掉，形成形成IBN。ebcNPN(3)收集（集电区面积大）收集（集电区面积大）集电区及基区的少数载流子形成集电区及基区的少数载流子形成的反向饱和电流的反向饱和电流ICBO，可忽略可忽略。因为集电结反偏，收集扩散到集因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流电区边缘的电子，形成电流ICN。IENReRcIE+VEEVCCIBIC晶体三极管 载流子运动过程载流子运动过程ICNICBOebcNPN载流子运动过程的动画演示载流子运动过程的动画演示2.三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态3.电流分配关系电流分配关系根据传输过程可知根据传输过程可知 IC=ICn+ICBO通常通常 IC ICBOIE=IB+ICIENReRcIE+VEEVCCIBICICNICBOebcNPNEPI 为电流放大系数，为电流放大系数，它它只与管子的结构尺寸和掺只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压杂浓度有关，与外加电压无关无关。一般。一般 =0.9 0.99根据根据IE=IB+IC IC=InC+ICBO且令且令3.电流分配关系电流分配关系ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）（穿透电流）是另一个电流放大系数，是另一个电流放大系数，同样，它也只与管子同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一一般般 1 可见，无论哪种连接方式，可见，无论哪种连接方式，BJT在发射结在发射结正偏，集电结反偏且电流放大系数不变时，输正偏，集电结反偏且电流放大系数不变时，输出电流都正比与输入电流。如果能控制输入电出电流都正比与输入电流。如果能控制输入电流，就能控制输出电流，因此流，就能控制输出电流，因此BJT为为电流控制电流控制器件器件。3.电流分配关系电流分配关系RLecb1k 图图 03.1.05 共基极放大电路共基极放大电路4.放大作用放大作用若若 vI=20mV使使当则则电压放大倍数电压放大倍数VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iB iE=-1 mA，iC=iE =-0.98 mA，vO=-iC RL=0.98 V，=0.98 时，时，综上所述，三极管的放大作用，主要是依综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄，集电区面积大。杂质浓度，且基区很薄，集电区面积大。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const(2)当当vCE1V时，时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vCE=0V vCE 1V(1)当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线输入特性曲线4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）(3)输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分死区死区非线性区非线性区线性区线性区1.输入特性曲线输入特性曲线4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时，vBE小于死区电压小于死区电压。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。放大截止饱和-+正偏正偏反偏反偏-+-正偏正偏反偏反偏+-放大放大VcVbVe放大放大VcVbIB，此时，此时，不随温度变化而变化。不随温度变化而变化。VB VBE 且且Re可取可取大些，反馈控制作用更强。大些，反馈控制作用更强。一般取一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析静态工作点静态工作点电压增益电压增益画小信号等效电路画小信号等效电路（2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：画小信号等效电路画小信号等效电路确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe增益增益（2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析（可作为公式用）（可作为公式用）输入电阻输入电阻则输入电阻则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻（2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路求输出电阻的等效电路 网络内独立源置零网络内独立源置零 负载开路负载开路 输出端口加测试电压输出端口加测试电压其中其中则则当当时，时，一般一般（）（2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路共射极放大电路静态：静态：4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 固定偏流共射极放大电路固定偏流共射极放大电路电压增益：电压增益：RbviRcRL固定偏流共射极放大电路固定偏流共射极放大电路输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：Ro=Rc#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路1 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路end例1：解：解：求电路的静态参数（求电路的静态参数（IB、IC、VCE)，及动态，及动态参数（参数（AV、Ri、Ro)。根据直流通路求静态参数根据直流通路求静态参数VBIBIC根据微变等效电路求动态参数根据微变等效电路求动态参数1.电压放大倍数根据微变等效电路求动态参数根据微变等效电路求动态参数2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro（输出端开路，输入电压为零）RiRi例例2：解：解：求电路的静态参数（求电路的静态参数（IB、IC、VCE)，及动态，及动态参数（参数（AV、Ri、Ro)。根据直流通路求静态参数根据直流通路求静态参数VBIBIC与例1结果完全相同根据微变等效电路求动态参数根据微变等效电路求动态参数1.电压放大倍数2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro（输出端开路，输入电压为零）RiRi根据微变等效电路求动态参数根据微变等效电路求动态参数4.5 共集电极放大电路和共集电极放大电路和共基极放大电路共基极放大电路4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路4.5.2 共基极放大电路共基极放大电路4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路1.1.静态分析静态分析共集电极电路结构如图示共集电极电路结构如图示该电路也称为该电路也称为射极输出器射极输出器由由得得直流通路直流通路 小信号等效电路小信号等效电路4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路2.2.动态分析动态分析交流通路交流通路 4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路2.2.动态分析动态分析电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：其中其中一般一般，则电压增益接近于，则电压增益接近于1 1，电压跟随器电压跟随器即即。4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路2.2.动态分析动态分析输入电阻输入电阻当当，时，时，输入电阻大输入电阻大输出电阻输出电阻由电路列出方程由电路列出方程其中其中则则输出电阻输出电阻当当，时，时，输出电阻小输出电阻小4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路2.2.动态分析动态分析共集电极电路特点：共集电极电路特点：电压增益小于电压增益小于1 1但接近于但接近于1 1，输入电阻大，对电压信号源衰减小输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强。4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路4.5.2 共基极放大电路共基极放大电路1.1.静态工作点静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同直流通路与射极偏置电路相同2.2.动态指标动态指标电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：交流通路交流通路 小信号等效电路小信号等效电路 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻2.2.动态指标动态指标小信号等效电路小信号等效电路 4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较1.1.三种组态的判别三种组态的判别以输入、输出信号的位置为判断依据：以输入、输出信号的位置为判断依据：信号由基极输入，集电极输出信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路共集电极放大电路 信号由发射极输入，集电极输出信号由发射极输入，集电极输出共基极电路共基极电路 2.2.三种组态的比较三种组态的比较3.3.三种组态的特点及用途三种组态的特点及用途共射极放大电路：共射极放大电路：电压和电流增益都大于电压和电流增益都大于1 1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路：共集电极放大电路：只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。级。共基极放大电路：共基极放大电路：只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合。的场合。4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较end4.6 组合放大电路组合放大电路4.6.1 共射共射共基放大电路共基放大电路4.6.2 共集共集共集放大电路共集放大电路4.6.1 共射共射共基放大电路共基放大电路共射共基放大电路共射共基放大电路4.6.1 共射共射共基放大电路共基放大电路其中其中 所以所以 因为因为因此因此 组合放大电路总的电压增益等于组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。的乘积。前一级的输出电压是后一级的输前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻的负载电阻RL。电压增益电压增益4.6.1 共射共射共基放大电路共基放大电路输入电阻输入电阻RiRb|rbe1Rb1|Rb2|rbe1 输出电阻输出电阻Ro Rc2 T T1 1、T T2 2构成复合管，可等效为一个构成复合管，可等效为一个NPNNPN管管(a)(a)原理图原理图 (b)(b)交流通路交流通路4.6.2 共集共集共集放大电路共集放大电路4.6.2 共集共集共集放大电路共集放大电路1.复合管的主要特性复合管的主要特性两只两只NPN型型BJT组成的复合管组成的复合管 两只两只PNP型型BJT组成的复合管组成的复合管 rberbe1(1 1)rbe2 1 2 4.6.2 共集共集共集放大电路共集放大电路复合管的主要特性复合管的主要特性PNP与与NPN型型BJT组成的复合管组成的复合管 NPN与与PNP型型BJT组成的复合管组成的复合管 rberbe1 1 2