《半导体三极管》PPT课件.ppt

西北师大物电学院,第三章 半导体三极管及 放大电路,西北师大物电学院,3.1.1基本结构,集电结,发射结,西北师大物电学院,3.1.2晶体管的电流分配及放大基础,IE,IB,RB,UBB,IC,UCC,输入电路,输出电路,公共端,晶体管具有电流放大作用的外 部条件：,发射结正向偏置,集电结反向偏置,NPN 管： UBE0 UBCVBVE,RC,B,C,E,共发射极放大电路,PNP 管： UBE0 即VCVBVE,西北师大物电学院,三极管的电流控制原理,西北师大物电学院,动画演示,西北师大物电学院,由上所述可知:,1,由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：,ICIB 或 ICIB,当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。,复合与扩散到集电区的电子数目满足统计学规律,西北师大物电学院,西北师大物电学院,O,2.晶体管输出特性曲线,IC = g (UCE ) | IB = 常数,IB 减小,IB增加,UCE,IC,IB = 20A,IB =60A,IB =40A,西北师大物电学院,3.1.4.主要参数,集电极基极间反向饱和电流 ICBO,集电极发射极间穿透电流 ICEO,ICEO=(1+)ICBO,交流电流放大系数=IC / IB,西北师大物电学院,集电极最大允许电流 ICM,集-射反向击穿电压 U(BR)CEO,集电极最大允许耗散功率 PCM,过压区,过流区,安全工作区,过损区,PCM=ICUCE,UCE/V,U(BR)CEO,IC/mA,ICM,O,使用时不允许超 过这些极限参数.,西北师大物电学院,3.2 共射放大电路,一三极管的放大原理 三极管工作在放大区： 发射结正偏， 集电结反偏。,UCE（-ICRc）,放大原理：,UBE,IB,IC（bIB）,电压放大倍数：,西北师大物电学院,符号说明,西北师大物电学院,二.单管共射极放大电路的结构及各元件的作用,西北师大物电学院,共射放大电路组成,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,由于电源的存在IB0,IC0,IC,IE=IB+IC,无信号输入时,3.3.1静态工作点Ui=0时电路的工作状态,3.3 图解分析法,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,直流通道,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,西北师大物电学院,西北师大物电学院,交流通道,西北师大物电学院,西北师大物电学院,交流负载线,其中：,uce=-ic（RC/RL） = -ic RL,西北师大物电学院,交流量ic和uce有如下关系：,这就是说，交流负载线的斜率为：,交流负载线的作法： 斜 率为-1/RL 。（ RL= RLRc ）,经过Q点。,西北师大物电学院,交流负载线的作法,IB,交流负载线,直流负载线,斜 率为-1/RL 。 （ RL= RLRc ）,经过Q点。,注意： （1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。,（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。,西北师大物电学院,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合适的静态工作点,4非线性失真与Q的关系,西北师大物电学院,uo,（2）Q点过低信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,西北师大物电学院,饱和失真与截止失真模拟,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,晶体管输出特性曲线分三个工作区,UCE /V,IC / mA,80,60,40,0,IB= 20 A,O,2,4,6,8,1,2,3,4,截止区,饱和区,放大区,西北师大物电学院,西北师大物电学院,建立小信号模型的意义,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，就是在一定的条件下（工作点附近）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。,由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。,3.4 放大电路的交流模型分析法,西北师大物电学院,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。,建立小信号模型的思路,西北师大物电学院,共射极放大电路,3.4.1 BJT的小信号建模的基础直流工作点,先求直流工作点,西北师大物电学院,西北师大物电学院,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；,输入端电流恒定（交流开路）的反向电压传输比,输入端电流恒定（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）。,能构成电路图吗,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,3.4.2电压放大倍数的计算：,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,当信号源有内阻时：,西北师大物电学院,所以：,用加压求流法求输出电阻：,4、输出电阻的计算：,根据定义,西北师大物电学院,小信号模型画法步骤,西北师大物电学院,求：1. 静态工作点。 2.电压增益AU、输入电阻Ri、 输出电阻R0 。 3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截止还是饱和 失真？应调节哪个元件？ 如何调节？,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。,1. 温度对静态工作点的影响,3.5 静态工作点的稳定,西北师大物电学院,温度对UBE的影响,T,UBE曲线左移,IB,IC,西北师大物电学院,温度对值及ICEO的影响,总的效果是：,温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。,西北师大物电学院,常采用射极偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,西北师大物电学院,Q点变化对输出波形的影响动画,西北师大物电学院,2.射极偏置电路,I2=（510）IB I1 I2,分压式偏置电路,Re射极直流负反馈电阻,Ce 交流旁路电容,西北师大物电学院,静态工作点稳定过程,UBE=UB-UE =UB - IE RE,UB被认为较稳定,由输入特性曲线,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,E,C,B,西北师大物电学院,西北师大物电学院,电容短路,直流电源短路，画出交流通道,交流通道及微变等效电路,西北师大物电学院,交流通道,微变等效电路,西北师大物电学院,微变等效电路及电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算,Ri= Rb1/ Rb2/ rbe,Ro= RC,西北师大物电学院,电容CE的作用：,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,例题：,西北师大物电学院,西北师大物电学院,西北师大物电学院,静态工作点稳定电路,其他形式的工作点稳定电路,西北师大物电学院,一. 共集电极放大电路,1. 结构：,3.6 共集和共基放大电路,西北师大物电学院,2. 直流通道及静态工作点分析：,VCC=IBRb+ UBE +IERe =IBRb+ UBE +(1+ ）IBRe,IC= IB,西北师大物电学院,3. 动态分析,交流通道及微变等效电路,西北师大物电学院,交流通道及微变等效电路,西北师大物电学院,西北师大物电学院,2、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,讨论,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，即输出功率被放大了。,Au,西北师大物电学院,（2）输入电阻,西北师大物电学院,3、输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,西北师大物电学院,输出电阻,（加电压求流法）,西北师大物电学院,例3.2.1 在射极输出器中 已知 UCC = 12V， RB = 240k， RE = 3k， RL = 6k， RS = 150， = 50 。,试求（1）静态工作点；（2）Au、ri 和 rO 。,ro=Re/,rbe,1+ ,当RS=0时,r,o,b,+,+,=,1,R,r,/,R,s,be,E,RS,uS,+,RL,iC,iB,T,C2,C1,+,+,RB,RE,+UCC,+,uO,西北师大物电学院,（1）静态工作点,返回,西北师大物电学院,（2）Au、ri 和 r0,ri = RB / rbe+ （1+）RL ,= 240 / 1.2+ （1+50）（2/6） = 72.17k,= 1.20k,西北师大物电学院,射极输出器的特点：电压放大倍数=1， 输入阻抗高，输出阻抗小。,西北师大物电学院,3.6.2 共基极电路,西北师大物电学院,西北师大物电学院,2. 动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,西北师大物电学院,2. 动态指标, 输入电阻, 输出电阻,西北师大物电学院,3. 三种组态的比较,西北师大物电学院,3.7 放大电路的频率响应,频率响应放大器的电压放大倍数 与频率的关系,下面先分析无源RC网络的频率响应,西北师大物电学院,1. RC低通网络,RC低通电路,（1）频率响应表达式：,一. 无源RC电路的频率响应,西北师大物电学院,图3.7.1 低频电路及其频率响应,西北师大物电学院,最大误差 -3dB,幅频响应,0分贝水平线,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,相频响应,（2） RC低通电路的波特图,RC低通电路的频率特性曲线,可见：当频率较低时，AV 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高， AV 下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。在此频率响应中，上限截止频率fH是一个重要的频率点。,西北师大物电学院,2. RC高通网络,式中 下限截止频率、模和相角分别为,（1）频率响应表达式：,西北师大物电学院,图3.7.3 高通电路及频率响应,西北师大物电学院,RC高通电路的频率特性曲线,（2） RC高通网络的波特图,可见：当频率较高时，AV 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低， AV 下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。在此频率响应中，下限截止频率fL是一个重要的频率点。,西北师大物电学院,二.BJT的高频响应,混合型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。,-发射结电容，,-集电结电阻,-集电结电容,rbb -基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。,三极管的物理模型,1.BJT的混合型模型,（1）物理模型,西北师大物电学院,根据这一物理模型可以画出混合型高频小信号模型。,高频混合型小信号模型电路,这一模型中用 代替 ，这是因为本身就与频率有关，而gm与频率无关。,（2）用 代替,（C）,（C）,西北师大物电学院,rbc很大，可以忽略。 rce很大，也可以忽略。,（3）简化的混合模型,西北师大物电学院,将C等效到输入端，条件是流过电容器C的电流不变。,从输出端等效C？,西北师大物电学院,合并电容,很小,西北师大物电学院,低频时，混合模型与H参数模型等效,所以,又 rbe= rb + (1+ ) re,2. 混合参数 的估算,又因为,所以,bo,：低频电流放大系数,.,.,西北师大物电学院,3. BJT的频率参数f、fT,由定义：,由可求出共射接法交流电流放大系数。,e,b,e,b,b,),(,+,),/,1,(,C,C,j,r,V,I,+,=,w,.,.,e,b,m,c,V,g,I,=,.,.,.,),(,2,1,c,b,e,b,C,C,Rbe,f,+,=,p,b,：共射截止频率,一般f与Cbc已知，通过此式可求C be即C =,C,1,f,b,2,e,b,r,p,c,b,C,1,),(,1,0,c,b,e,b,e,b,e,b,m,f,j,C,C,r,j,r,g,+,=,+,+,b,w,b,=,f,b,.,0,b,c,ce,=,=,V,I,I,b,.,.,.,约去V be，分母通分,西北师大物电学院,做出的幅频特性和相频特性曲线。 三极管的幅频特性和相频特性曲线,当=1时对应的频率称为 特征频率fT，且有fT0f,当20lg下降3dB时,频率f 称为共发射极接法的截止频率,西北师大物电学院,三. 阻容耦合共射放大电路的频率响应,对于如图所示的共射放大电路，分低、中、高三个频段加以研究。,共射放大电路,1 .中频段 所有的电容均可忽略。可用前面讲的h参数等效电路分析。 中频电压放大倍数：,西北师大物电学院,西北师大物电学院,共射放大电路低频段的波特图,幅频响应 ：,相频响应 ：,西北师大物电学院,其中：,3. 高频段,为电压放大倍数,在高频段，耦合电容C1、C2可以可视为短路，三极管的极间电容不能忽略。 这时要用混合等效电路，画出高频等效电路如图所