半导体三极管及放大电路基础.ppt

2019/5/4,1,3.1 半导体三极管,3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 小信号模型分析法,3.5 放大电路的工作点稳定问题,3.6 共集电极电路和共基极电路,3.7 放大电路的频率响应,半导体三极管及放大电路基础,2019/5/4,2,3.1 半导体BJT,又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型：NPN 和 PNP 型。,图 3.1.1 三极管的外形,2019/5/4,3,3.3.1 三极管的结构简介,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图3.1.2 三极管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),2019/5/4,4,图 3.1.3 三极管结构示意图和符号 (a)NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,2019/5/4,5,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,2019/5/4,6,3.1.2 BJT的电流分配与放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,图3.1.4 三极管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部条件来保证。,不具备放大作用,2019/5/4,7,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电区面积大。,2019/5/4,8,1.BJT内部载流子的传输过程,1）发射 发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流 IE (基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2）复合和扩散 电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流 Ibn，复合掉的空穴由 VBB 补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,图 3.1.5 三极管中载流子的运动,2019/5/4,9,3） 收集 集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源 VCC 。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,图 3.1.5 三极管中载流子的运动,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,2019/5/4,10,ICBO,IE,IC,IB,IBn,ICn,2. 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= ICn+ ICBO,IB= IBn - ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,2019/5/4,11,根据,IE=IB+ IC,可得,2019/5/4,12,一组三极管电流关系典型数据,1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电流 放大作用。,3. 共射极电流放大系数,共基极电流放大系数,2019/5/4,13,4. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = ICBO，ICBO 称为反向饱和电流。,在表的第二列数据中， I B = 0，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。,2019/5/4,14,若,vI = 20mV,使,当,则,电压放大倍数,iE = -1 mA，,iC = iE = -0.98 mA，,vO = -iC RC = 0.98 V，, = 0.98 时，,VCC,VEB,IC,+vEB,+iC,+iE,+iB,VEE,IE,IB,3.放大作用,2019/5/4,15,vI = 20mV,设,若,则,电压放大倍数,iB = 20 uA,vO = -iC RC = -0.98 V，, = 0.98,使,VBE,IB,IE,IC,vI,+vBE,+iC,+iE,+iB,4.共射极接法,结论：共射放大电路既有电流放大能力又有电压放大能力。,2019/5/4,16,实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度很高，基区很薄，集电区面积很大。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,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，然后到达集电极而实现 的。,2019/5/4,17,+ UCE -,3.1.3 三极管的特性曲线,指BJT各电极电压与电流之间的关系曲线，是BJT内部载流子运动的外部表现，可从半导体器件手册查得。,UCE,图 3.1.6 三极管共射特性曲线测试电路,输入特性：,输出特性：,+ UCE -,+ UCE -,UBE,2019/5/4,18,一、输入特性,(1) UCE = 0 时的输入特性曲线,当 UCE = 0 时，基极和发射极之间相当于两个 PN 结并联。所以，当 b、e 之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。,图 3.1.7(上中图),图 3.1.8(下图),2019/5/4,19,(2) UCE 0 时的输入特性曲线,当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,UCE UBE，三极管处于放大状态。,* 特性右移(因集电结开始吸引电子),* UCE 1 V，特性曲线重合。,图 3.1.8 三极管的输入特性,UCE = 1 V,2019/5/4,20,二、输出特性,图 3.1.9 NPN 三极管的输出特性曲线,放 大 区,放 大 区,1. 截止区,条件：两个结都处于反向偏置。,IB= 0 时，IC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区,截止区,2019/5/4,21,2. 放大区,条件：发射结正偏 集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,放 大 区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放 大 区,放 大 区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,图 3.1.9 NPN 三极管的输出特性曲线,2019/5/4,22,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对 NPN 型管，UBE 0 UBC 0,特点：IC 基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。 I C IB。,当 UCE = UBE，即 UCB = 0 时，称临界饱和，UCE UBE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V(锗管),饱和区,饱和区,2019/5/4,23,例1:三极管工作状态的判断,例：测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？ （1） VC 6V VB 0.7V VE 0V （2） VC 6V VB 4V VE 4.6V （3） VC 3V VB 4V VE 3V,解：,原则：,对NPN管而言，放大时VC VB VE,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,2019/5/4,24,一、电流放大系数,表征管子放大作用的参数，有以下几个：,1. 共射电流放大系数 ,2. 共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,3.1.4 BJT的主要参数,2019/5/4,25,3. 共基电流放大系数 ,4. 共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，, 和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,2019/5/4,26,二、极间反向饱和电流,1. 集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,2.集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,(a)ICBO测量电路,(b)ICEO测量电路,小功率锗管 ICBO 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。,当 b 开路时， c 和 e 之间的电流。,值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。,图 3.1.11 反向饱和电流的测量电路,2019/5/4,27,三、 极限参数,1. 集电极最大允许电流 ICM,BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。,2. 集电极最大允许耗散功率 PCM,将 IC 与 UCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。,ICUCE PCM 为安全工作区,ICUCE PCM 为过损耗区,图 3.1.11 三极管的安全工作区,2019/5/4,28,3. 极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。,U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。,U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。,图 1.3.11 三极管的安全工作区,2019/5/4,29,例2 某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。 IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。,解：电流判断法。 电流的正方向和KCL。IE=IB+ IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极 B为基极 A为集电极。 管型为NPN管。,2019/5/4,30,例3:测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为： （1）U1=3.5V、 U2=2.8V、 U3=12V （2）U1=-3V、 U2=-2.8V、 U3=-12V （3）U1=16V、 U2=5.7V、 U3=5V （4）U1=-6V、 U2=-2.2V、 U3=-2V 判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？确定e、b、c,（1）U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 （2）U1 b、U2 e、U3 c PNP 锗 （3）U1 c、U2 b、U3 e NPN硅 （4）U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗,分析： NPN：UBE0，UCB0 ， Uc Ub Ue PNP： UBE0，UCB0， Uc Ub Ue 先求UBE，若等于0.7V，为硅管；若等于0.2V，为锗管。,解：,2019/5/4,31,补充：放大的概念,本质：实现能量的控制。,在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。,小能量对大能量的控制作用称为放大作用。,放大的对象：是变化量。,核心元件：双极型三极管和场效应管。,作用：将微弱信号放大，以便于人们测量和利用。,3.2 共射极放大电路,2019/5/4,32,1、共射极放大电路的组成,VT：NPN 型三极管，为放大元件；,VCC：为输出信号提供能量；,RC：当 iC 通过电阻，将电流的变化转化为集电极电压的变化，传送到电路的输出端；,VBB (Rb)：为发射结提供正向偏置电压，提供静态基极电流(静态基流)。,VBB,VCC,2019/5/4,33,组成放大电路的原则：,1电源的极性和大小应保证BJT发射结正向偏置，集电结反向偏置，BJT工作在放大区。,2设置直流电源，为电路提供能源。,3电路中电阻的取值与电源电压配合，使BJT有合适的静态工作点，避免产生非线性失真。,5输出回路的接法应该使集电极电流的变化量iC 能够转化为集电极电压的变化量uCE，并传送到放大电路的输出端。,4输入回路的接法应该使输入电压的变化量uI能够输送到三极管的基极回路，并使基极电流产生相应的变化量iB 。,2019/5/4,34,输入回路（基极回路）,输出回路（集电极回路）,2、共射极基本放大电路,2019/5/4,35,该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。,习惯画法,3、简化电路及习惯画法,2019/5/4,36,4、 简单工作原理,Vi=0,Vi=Vsint,2019/5/4,37,3.3 图解分析法,基本分析方法,图解法,静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,静态分析,动态分析,计算法,静态分析估算法,动态分析微变等效电路法,2019/5/4,38,电路处于静态时，三极管各个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。,3.3.1 静态工作情况分析,直流通路：,2019/5/4,39,硅管 UBEQ = (0.6 0.8) V 锗管 UBEQ = (0.1 0.2) V,ICQ IBQ,UCEQ = VCC ICQ RC,1. 近似估算Q 点,2019/5/4,40,在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。,过程：,或者1. 先用估算的方法计算输入回路 IBQ、 UBEQ。,2. 用图解法确定Q点,(1) 列输入回路方程：VBE =VCCIBRb,(2) 在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCCIBRb， 两线的交点即是Q点，得到IBQ。,2019/5/4,41,(3) 列输出回路方程（直流负载线）： VCE=VCCICRc,(4) 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点， 从而得到VCEQ 和ICQ。,2019/5/4,42,3.3.2 动态工作情况分析,交流通路：,2019/5/4,43,vce= -ic (Rc /RL),1. 交流负载线,2019/5/4,44,2.输入交流信号时的图解分析,共射极放大电路,通过图解分析，可得如下结论：,1. vi vBE iB iC vCE |-vo| ；,2. vi和vo相位相反；,3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；,4. 可以确定最大不失真输出幅度。,2019/5/4,45,3.BJT的三个工作区域,当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。,饱和区特点： iC不再随iB的增加而线性增加，即,此时,截止区特点：iB=0， iC= ICEO,vCE= VCES ，典型值为0.3V,2019/5/4,46,ib,ui,iB 波形失真,波形的失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管 的截止区而引起的非线性失真。,2019/5/4,47,iC 、 uCE (uo )波形失真,NPN 管截止失真时的输出 uo 波形。,uo = uce,uo顶部失真,2019/5/4,48,O,IB = 0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC / mA,uo = uce,ib(不失真),ICQ,UCEQ,uo波形底部失真,饱和失真,由于放大电路的工作点达到了三极管 的饱和区而引起的非线性失真。,2019/5/4,49,放大电路的动态范围,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：,工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,要有合适的交流负载线。,2019/5/4,50,总结： 图解法的步骤,1. 在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCCIBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。,2.在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。,3. 由放大电路的交流通路计算等效的交流负载电阻RL=RC/ RL.在三极管的输出特性上，通过Q点画出斜率为 的直线，即是交流负载线。,4. 如欲求电压放大倍数。可在Q点附近取一个iB值，在输入特性曲线上找到相应的uBE值，再在输出特性的交流负载线上找到相应的uCE值， uCE和uBE的比值即是放大电路的电压放大倍数。,2019/5/4,51,补充：用图解法分析电路参数对静态工作点的影响,1. 改变 Rb，保持VCC ，Rc ， 不变；,Rb 增大，,Rb 减小，,Q 点下移；,Q 点上移；,2. 改变 VCC，保持 Rb，Rc ， 不变；,升高 VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。,Q2,图 2.4.9(a),图 2.4.9(b),2019/5/4,52,3. 改变 Rc，保持 Rb，VCC ， 不变；,4. 改变 ，保持 Rb，Rc ，VCC 不变；,增大 Rc ，直流负载线斜率改变，则 Q 点向饱和区移近。,Q2,增大 ，ICQ 增大，UCEQ 减小，则 Q 点移近饱和区。,图 2.4.9 (c),图 2.4.9 (d),2019/5/4,53,优点： 直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。,缺点： 不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,图解法小结,2019/5/4,54,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,3.4 小信号模型分析法,3.4.1 BJT的小信号建模,2019/5/4,55,1.H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE) vCE=常数,iC=f(vCE) iB=常数,可以写成：,2019/5/4,56,输出端交流短路时的输入电阻；,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端交流开路时的反向电压传输比；,输入端交流开路时的输出电导。,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,2019/5/4,57,2. H参数小信号模型,根据,可得小信号模型, H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 H参数与工作点有关，在放大区基本不变。 H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,2019/5/4,58,3. 模型的简化,即 rbe= hie = hfe uT = hre rce= 1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为, uT很小，一般为10-310-4 ， rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路, ib 是受控源 ，且为电流控制电流源(CCCS)。 电流方向与ib的方向是关联的。,2019/5/4,59,小信号模型,从另外一个角度得到小信号模型,2019/5/4,60,小信号模型, =IC/IBvCE=const,ic = ib,2019/5/4,61,小信号模型,2019/5/4,62,4. rbe 的近似估算公式,rbb ：基区体电阻。,reb ：基射之间结电阻。,低频、小功率管 rbb 约为 200 。,UT ：温度电压当量。,图 2.4.13,2019/5/4,63,(二) 等效电路法的步骤(归纳),1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q 。 2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数 rbe 。 3. 画出放大电路的微变等效电路。 4. 列出电路方程并求解。,2019/5/4,64,共射极放大电路,H参数小信号等效电路,3.4.2 用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,2019/5/4,65,根据,则电压增益为,2019/5/4,66,令,2019/5/4,67,例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。,图 2.4.14 接有发射极电阻的放大电路,2019/5/4,68,根据微变等效电路列方程,引入发射极电阻后， 降低了。,若满足(1 + ) Re rbe,与三极管的参数 、rbe 无关。,2019/5/4,69,2. 放大电路的输入电阻,引入 Re 后，输入电阻增大了。,3. 放大电路的输出电阻,将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL 开路 ，忽略 c 、e 之间的内电阻 rce 。,图 2.4.14(b),2019/5/4,70,解：（1）求Q点，作直流通路,例：如图，已知BJT的=100， VBE=-0.2V。 （1）试求该电路的静态工作点； （2）画出简化的小信号等效电路； （3）求该电路的电压增益AV， 输出电阻Ro、输入电阻Ri。,2019/5/4,71,2. 画出小信号等效电路,3. 求电压增益,300+（1+100）26/4 =965欧,2019/5/4,72,4.求输入电阻,5.求输出电阻,Ro = Rc =2K,2019/5/4,73,3.5 工作点的稳定问题,3.5.1 温度对静态工作点的影响,三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：,1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 2 mV/C，即温度每升高 1C，UBE 约下降 2 mV 。,2. 改变。温度每升高 1C， 值约增加 0.5% 1 %， 温度系数分散性较大。,3. ICBO 改变。温度每升高 10C ，ICBQ 大致将增加一倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。,2019/5/4,74,1. 温度变化对ICBO的影响,2. 温度变化对输入特性曲线的影响,温度T 输出特性曲线上移,温度T 输入特性曲线左移,3. 温度变化对 的影响,温度T 输出特性曲线族间距增大,2019/5/4,75,3.5.2 射极偏置电路,一、电路组成,分压式偏置电路,由于 UBQ 不随温度变化，,电流负反馈式工作点稳定电路,T ICQ IEQ UEQ UBEQ (= UBQ UEQ) IBQ ICQ ,2019/5/4,76,二、静态与动态分析,静态分析,由于 IR IBQ， 可得(估算),静态基极电流,2019/5/4,77,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,动态分析,2019/5/4,78,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,2019/5/4,79,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,对回路1和2列KVL方程,rce对分析过程影响很大，此处不能忽略,其中,则,当,时，,2019/5/4,80,3.6 共集电极电路和共基极电路,三种基本接法,共射组态CE,共集组态CC,共基组态CB,2019/5/4,81,三极管的三种组态,BJT的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,2019/5/4,82,3.6.1 共集电极电路,1. 电路分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为射极输出器,求静态工作点,由,得,2019/5/4,83,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数, 已知，求rbe,增益,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,电压跟随器,2019/5/4,84,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,当,，,时，,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,当,，,时，,输出电阻小,2019/5/4,85,2. 复合管,作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe,复合管也称为达林顿管,2019/5/4,86,复合管的组成原则 在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作在放大区。 为实现电流放大，将第一只管的集电极或发射极电流作为第二只管子的基极电流。,2019/5/4,87,结 论,1. 两个同类型的三极管组成复合管，其类型与原来相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe = rbe1+（1+ 1） rbe2 。 2. 两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的 1 2，复合管的 rbe = rbe1 。,2019/5/4,88,3.6.2 共基极电路,1. 静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2019/5/4,89,2. 动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,2019/5/4,90, 输入电阻, 输出电阻,201