-半导体三极管及放大电路.pptx

4 半导体半导体三极管三极管及其基本放大电路及其基本放大电路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 放大电路的分析方法放大电路的分析方法-静态分析静态分析4.5 放大电路静态工作点的稳定放大电路静态工作点的稳定4.6 共集电路和共基放大电路共集电路和共基放大电路4.7 多级放大电路（书中多级放大电路（书中6.1节）节）4.8 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.4 放大电路的分析方法放大电路的分析方法-动态分析动态分析4.1 半导体三极管（半导体三极管（BJT）4.1.1 BJT的结构及类型的结构及类型4.1.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用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4.1.5 温度对温度对BJT特性及参数的影响特性及参数的影响BJT的外形的外形(a)小功率管小功率管 (b)小功率管小功率管 (c)大功率管大功率管 (d)中功率管中功率管 半导体三极管的结构示意图如图。它有两种类型半导体三极管的结构示意图如图。它有两种类型: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4.1.1 BJT的结构及类型的结构及类型 结构特点：结构特点：发射区的掺杂浓度远高于基区和集电区；发射区的掺杂浓度远高于基区和集电区；集电结面积大于发射结面积；集电结面积大于发射结面积；基区很薄，一般在微米级。基区很薄，一般在微米级。管芯结构剖面图管芯结构剖面图 三极管的放大作用是在一定的三极管的放大作用是在一定的外部条件外部条件控制下，通控制下，通过过内部载流子的传输内部载流子的传输而实现的。而实现的。外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。4.1.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用1.内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电，复合运动形成基极电流流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到基因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散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2.三极管的三种组态三极管的三种组态3.电流分配关系电流分配关系例题例题：设三极管处于放大状态，测得各脚对地的电位如下图，试判断管型（NPN或PNP）、材料（硅或锗），并确定B、E、C极。序号U1U2U3管型材料 E B CA00.3-5B822.7C-25-2.3D-10-2.3-3判断方法判断方法：(1)在三个电极电压中判断有无电压差为0.2-0.3V或0.6-0.7V，从而确定材料和C极；（2）如C极电压最高，则为NPN，最低则为PNP。（3）确定B、E极。序号U1U2U3管型材料 E B CA00.3-5B822.7C-25-2.3D-10-2.3-3PNP锗U2U1U3NPN硅U2U3U1NPN锗U3U1U2PNP硅U2U3U1NNPPNP iB=f(vBE)vCE=常数常数（以共射极接法为例）（以共射极接法为例）4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线1.输入特性曲线输入特性曲线共射极连接共射极连接iC=f(vCE)iB=const.2.2.输出特性曲线输出特性曲线4.1.3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线共射极连接共射极连接4.1.3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线iC(mA )1234vCE(V)3691240 A60 AQQ IC/IB=2 mA/40 A=50 =iC/iB=(3-2)mA/(60-40)A=50 IC/IB=3 mA/60 A=50饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控制的区控制的区域，该区域内，一般域，该区域内，一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，。此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏电结正偏。输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:截止区：截止区：iC接近零的区域，相接近零的区域，相当当iB=0的曲线的下方。此时，的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压，小于死区电压，即即发射结发射结截止截止。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的区域，轴的区域，曲线基本平行等距。此时，曲线基本平行等距。此时，发发射结正偏，集电结反偏射结正偏，集电结反偏。4.1.3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线iC(mA )1234vCE(V)36912iB=020 A40 A60 A80 A100 A三极管三种工作状态的特点三极管三种工作状态的特点:(1)放大状态放大状态BEBE结正偏，结正偏，BCBC结反偏结反偏，i iC C=i iB B 或或 I IC C=I IB B ，U UCECE1V1V。(2)饱和状态饱和状态 BEBE结正偏，结正偏，BCBC结正偏结正偏 ，即，即U UCECE U UBEBE ，（，（U UCECEU UBEBE称为称为临界饱和临界饱和）iC与与iB不成比例，不成比例，U UCE CE 0.7V，0.3V0.3V,C C、E E电极间相当于短路电极间相当于短路。(3)截止状态 BE结反偏（或 UBEUBUE；工作于截止状态时，UCUEUB；工作于饱和状态时，UBUCUE。例题例题：已知一NPN三极管在电路中的各极电压如下：试判断其工作状态。放大截止饱和4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 直流参数直流参数：、最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM4.1.4 BJT的主要参数（续）的主要参数（续）极间反向电流极间反向电流 (2)集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+）ICBO ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流。路时，集电结的反向饱和电流。4.1.4 BJT的主要参数（续）的主要参数（续）极间反向击穿电压极间反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反发射极开路时的集电结反 向击穿电压。向击穿电压。V(BR)EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。V(BR)CEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO4.2 共射极放大电路共射极放大电路 电路组成原则电路组成原则 电路形式及各个元件的作用电路形式及各个元件的作用 放大电路的两种工作状态放大电路的两种工作状态 放大电路的放大电路的直流通路和交流通路直流通路和交流通路 放大电路中各点电压电流波形放大电路中各点电压电流波形 直流通路和交流通路的画法直流通路和交流通路的画法合并成一个电源合并成一个电源 两个电源两个电源电路形式电路形式直接耦合电路直接耦合电路电容耦合电路电容耦合电路放大电路的两种工作状态放大电路的两种工作状态（1）静态及其特点）静态及其特点 （2）动态及其特点）动态及其特点设置静态工作点的必要性？设置静态工作点的必要性？放大电路的放大电路的直流通路和交流通路直流通路和交流通路直流通路和交流通路的画法直流通路和交流通路的画法放大电路中各点电压电流波形放大电路中各点电压电流波形 共射极放大电路共射极放大电路输出和输入反相！输出和输入反相！结论：？结论：？1、静态分析、静态分析近似计算法近似计算法4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法-静态分析静态分析2、静态分析、静态分析图解分析法图解分析法输入回路输入回路负载线负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线负载线3、直流负载线的物理意义、直流负载线的物理意义4、电路参数变化对静态工作点的影响、电路参数变化对静态工作点的影响4.4 放大电路的分析方法放大电路的分析方法-动态分析动态分析两种分析方法：两种分析方法：图解分析法图解分析法和和微变等效电路分析法微变等效电路分析法它们的侧重点不同：它们的侧重点不同：图解分析法图解分析法主要用于定性分析；主要用于定性分析；微变等效电路分析法微变等效电路分析法主要用于定量分析。主要用于定量分析。直流负载线和交流负载线直流负载线和交流负载线交流负载线应过交流负载线应过Q点，且点，且斜率决定于（斜率决定于（RcRL）4.4.1 图解分析法图解分析法 动态工作电压电流波形动态工作电压电流波形截止失真的波形截止失真的波形 Q点偏低时点偏低时饱和失真的波形饱和失真的波形Q点偏高时点偏高时4.4.2 微变等效电路分析法微变等效电路分析法 （小信号分析法）（小信号分析法）等效等效1、三极管的、三极管的微变等效电路微变等效电路ebcbecrbeic=ibP90图图4.3.18（b）2、放大电路的、放大电路的微变等效电路微变等效电路短路短路短路短路置零置零Rb+ECRCC1C2RLvivoRbRCRLvivo得到交流通路得到交流通路:将将交流通路交流通路中的三极管用微变等效电路代替：中的三极管用微变等效电路代替：RbRCRLvivoRbRCRLvivorbe ibibiiicvivoRbRCRL交交流流通通路路微微变变等等效效电电路路3、电压放大倍数的计算：、电压放大倍数的计算：问题：问题：电压放大倍数与哪些因素有关电压放大倍数与哪些因素有关?（1）负载电阻越小，电压放大倍数越小。）负载电阻越小，电压放大倍数越小。（2）由上述两式可看出，在静态电流）由上述两式可看出，在静态电流I IE E 不变的条件下，选用不变的条件下，选用 较大的三极管并不一定能够成正比地增大电压放大倍数。较大的三极管并不一定能够成正比地增大电压放大倍数。（3）如果将）如果将静态电流静态电流 I IEQEQ 提高，可以在一定范围内使提高，可以在一定范围内使 A Au u 明显增明显增大大，但，但I IEQEQ 不能无限制地增加不能无限制地增加,否则否则U UCEQCEQ 将减小，使工作点靠近饱将减小，使工作点靠近饱和区，容易产生饱和失真。和区，容易产生饱和失真。除非电源电源也同时增大。除非电源电源也同时增大。4、输入电阻与输出电阻的概念及计算：、输入电阻与输出电阻的概念及计算：一个放大电路的输入端输入端总是与信号源（或前级放大电路）相联的，其输出端输出端总是与负载（或后级放大电路）相联的。放大电路放大电路对信号源来说，是一个负载负载，这个负载的大小可以用一个等效电阻等效电阻来代替。该等效电阻就是放大电路的输入电阻输入电阻。放大 电路负载信号源 放大电路放大电路对于负载来说，是一个信号源信号源，这个信号源的内阻内阻就是放大电路的输出电阻输出电阻。1.温度变化对温度变化对ICBO的影响的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度变化对输入特性曲线的影响温度温度T 输出特性曲线上移输出特性曲线上移温度温度T 输入特性曲线左移输入特性曲线左移3.温度变化对温度变化对 的影响的影响温度每升高温度每升高1 C，要增加要增加0.5%1.0%温度温度T 输出特性曲线族间距增大输出特性曲线族间距增大4.5 放大电路静态工作点的稳定放大电路静态工作点的稳定 P96总之：总之：ICBO ICEO T VBEQ IBQ ICQ 所谓所谓Q点稳定，是指当温度变化时点稳定，是指当温度变化时ICQ和和UCEQ基本不变，基本不变，基极分压式射极偏置电路一基极分压式射极偏置电路一静态工作点稳定的放大电路形式静态工作点稳定的放大电路形式Rb1+VCCRcC1C2Rb2CeReRLvivo基极分压式射极偏置电路二基极分压式射极偏置电路二静态工作点稳定的放大电路形式静态工作点稳定的放大电路形式静态工作点的稳定原理：静态工作点的稳定原理：P96静态分析求静态工作点。静态分析求静态工作点。动态分析求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。动态分析求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。利利?弊弊?无旁路电容无旁路电容Ce时：时：RB+ECC1C2RERLvivo4.6 共集放大电路和共基放大电路共集放大电路和共基放大电路共集放大电路共集放大电路交流通路交流通路RB+ECC1C2RERLvivo微变等效电路微变等效电路rbeRERLEB CRBRERLvivoBCE问题：发射极电流IE通过哪个电阻？动态分析：动态分析：LbbebLbRI)1(rIRI)1(+=1、电压放大倍数：rbeRERLRLIeuA=UoUi1、所以所以2、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称故称电压跟随器电压跟随器。讨论讨论输出电压与输入电压近似相等，电输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。输出功率被放大了。Au2、输入电阻、输入电阻rbeRERLIRBIb=Uirbe+(1+)RLIi=IRB+Ib=UiRB+Uirbe+(1+)RLri=UiIi=UiUiRB+Uirbe+(1+)RL=RB/rbe+(1+)RL由上式可看出，（1）其输入电阻要比共射接法高；（2）输入电阻与负载电阻有关；ri=UiIi=UiUiRB+Uirbe+(1+)RL=RB/rbe+(1+)RL3、输出电阻、输出电阻用加压求流法求输出电阻。用加压求流法求输出电阻。rbeRERsro 信号源置0，内阻保留保留保留RsrbeRE输出电阻输出电阻（加压求流法）（加压求流法）信号源为零，则由它产生的 及相应 的 为零。而由外加电压产生的 的参考方向如图，以示区别。射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强带负载能力强。ro所谓带负载能力强，是指当负载变化时，输出电压基本不变。讨论讨论小结：小结：射极输出器的输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数约为1，输出电压与输入电压同相。应用：应用：1、将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。2、将射极输出器放在电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。共基放大电路共基放大电路接法接法共射共射共集共集共基共基输入输入bbe输出输出cec三种组态的判断三种组态的比较 共射共射 共集共集 共基共基 Au 大大 小于小于1 大大 Ai 1 Ri 中中 大大 小小 Ro 大大 小小 大大 频带频带 窄窄 中中 宽宽第一级第一级第二级第二级第第n-1级级第第n级级输输入入输输出出耦合耦合耦合方式及特点：耦合方式及特点：(1)阻容耦合阻容耦合 (2)直接耦合直接耦合(3)变压器耦合变压器耦合为获得足够大的电压放大倍数为获得足够大的电压放大倍数,需将各单级放需将各单级放大路串接，组成多级放大电路。大路串接，组成多级放大电路。4.7 多级放大电路（书中多级放大电路（书中6.1节）节）共射共射-共基放大电路（直接耦合）共基放大电路（直接耦合）共射共射-共射放大电路（直接耦合）共射放大电路（直接耦合）共射共射放大电路（阻容耦合）共射共射放大电路（阻容耦合）R11RC1C11C12R12CE1RE1uiR21+ECRC2C21C22R22CE2RE2RLuouiRBC1RER11+ECRC1C11C12R12CE1RE1RLui2uousRS共集共射放大电路（阻容耦合）共集共射放大电路（阻容耦合）R11+ECRC1C11C12R12CE1RE1RLuiuoRB+ECC1C2RERLui2uo共射共集放大电路（阻容耦合）共射共集放大电路（阻容耦合）共集共集放大电路（阻容耦合）共集共集放大电路（阻容耦合）uiRBC1REusRSRB+ECC1C2RERLui2uo多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析(1)(1)后一级的后一级的输入电阻输入电阻是前一级的是前一级的交流负载电阻交流负载电阻；前；前一级的一级的输出电阻输出电阻是后一级的是后一级的信号源内阻信号源内阻。(2)(2)总电压放大倍数总电压放大倍数 =各级电压放大倍数的乘积。各级电压放大倍数的乘积。但在计算某一级的电压放大倍数时，应将但在计算某一级的电压放大倍数时，应将后一级放大后一级放大电路的输入电阻作为负载电阻电路的输入电阻作为负载电阻。(3)(3)总输入电阻总输入电阻r ri i即为第一级的输入电阻即为第一级的输入电阻r ri1 i1。总输出。总输出电阻即为最后一级的输出电阻。但电阻即为最后一级的输出电阻。但同时同时必须考虑必须考虑级间级间的影响的影响。Rb1+VCCRcC1C2Rb2CeReRLvivo4.8 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.8.1 4.8.1 基本概念基本概念下限频率下限频率上限频率上限频率(1 1)模型的建立模型的建立：由结构而建立，由结构而建立，形状像形状像，参数量，参数量纲各不相同。纲各不相同。gm为跨导，它不随信为跨导，它不随信号频率的变化而变。号频率的变化而变。阻值小阻值小阻值大阻值大连接了输入回路连接了输入回路和输出回路和输出回路 4.8.2 4.8.2 BJT的高频小信号电路模型的高频小信号电路模型图图4.5.3图图4.5.4(a)（2 2）混合）混合模型的单向化（使信号单向传递）模型的单向化（使信号单向传递）图图4.5.4(b)（3 3）晶体管简化的高频等效电路）晶体管简化的高频等效电路书：书：p109图图4.5.4（c）4.8.3 4.8.3 电流放大系数的频率响应电流放大系数的频率响应共射截止频率共射截止频率特征频率特征频率4.8.4 4.8.4 单管共射放大电路的频率响应单管共射放大电路的频率响应适用于信号频率从适用于信号频率从0的的交流等效电路交流等效电路中频段：中频段：C 短路，短路，开路。开路。低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响，开路。开路。高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 短路。短路。书：书：p109图图4.5.4（c）1.中频电压放大倍数中频段：中频段：C 短路，短路，开路。开路。2.低频电压放大倍数:低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响，开路。开路。可可推推导导出出以后计算下限频率时，可直接应用该结论。以后计算下限频率时，可直接应用该结论。3.高频电压放大倍数高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 短路。短路。戴维南定理戴维南定理可推可推导出导出以后计算上限频率时，可直接应用该结论。以后计算上限频率时，可直接应用该结论。4.完整的波特图全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达式：