半导体三极管及放大电路基础.ppt

3 1半导体三极管 BJT 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 3半导体三极管及放大电路基础 3 1 1BJT的结构简介 3 1半导体三极管 BJT 3 1 2BJT的电流分配与放大原理 3 1 3BJT的特性曲线 3 1 4BJT的主要参数 SemiconductorBipolarJunctionTransistor 3 1 1BJT的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图03 1 01所示 它有两种类型 NPN型和PNP型 两种类型的三极管 发射结 Je 集电结 Jc 基极 用B或b表示 Base 发射极 用E或e表示 Emitter 集电极 用C或c表示 Collector 发射区 集电区 基区 三极管符号 结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 管芯结构剖面图 3 1 2BJT的电流分配与放大原理 1 内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下 通过载流子传输体现出来的 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 发射区 发射载流子集电区 收集载流子基区 传送和控制载流子 以NPN为例 载流子的传输过程 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 BipolarJunctionTransistor 3 1 2BJT的电流分配与放大原理 2 电流分配关系 根据传输过程可知 IC InC ICBO IB IB ICBO 通常IC ICBO IE IB IC 载流子的传输过程 根据 IE IB IC IC InC ICBO 且令 2 电流分配关系 3 三极管的三种组态 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 BJT的三种组态 4 放大作用 若 vI 20mV 使 当 则 电压放大倍数 VEE VCC VEB IB IE IC vI vEB iC iE iB iE 1mA iC iE 0 98mA vO iC RL 0 98V 0 98时 VBB VCC VBE IB IE IC vI vBE iC iE iB vI 20mV 设 若 则 电压放大倍数 iB 20uA vO iC RL 0 98V 0 98 使 4 放大作用 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 实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 3 1 2BJT的电流分配与放大原理 vCE 0V iB f vBE vCE const 2 当vCE 1V时 vCB vCE vBE 0 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vBE下IB减小 特性曲线右移 1 当vCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 1 输入特性曲线 3 1 3BJT的特性曲线 以共射极放大电路为例 3 输入特性曲线的三个部分 死区 非线性区 线性区 1 输入特性曲线 3 1 3BJT的特性曲线 iC f vCE iB const 2 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 3 1 3BJT的特性曲线 3 1 4BJT的主要参数 1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 1 电流放大系数 2 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 3 1 4BJT的主要参数 1 电流放大系数 3 共基极直流电流放大系数 IC ICBO IE IC IE 4 共基极交流电流放大系数 IC IE VCB const 当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 3 1 4BJT的主要参数 1 电流放大系数 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO 1 ICBO 2 极间反向电流 ICEO 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 集电结的反向饱和电流 3 1 4BJT的主要参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM PCM ICVCE 3 极限参数 3 1 4BJT的主要参数 3 反向击穿电压 V BR CBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 V BR EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系V BR CBO V BR CEO V BR EBO 3 极限参数 3 1 4BJT的主要参数 由PCM ICM和V BR CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区 过电流区和击穿区 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 end 1 既然BJT具有两个PN结 可否用两个二极管相联以构成一只BJT 试说明其理由 思考题 2 能否将BJT的e c两个电极交换使用 为什么 3 为什么说BJT是电流控制器件 end 复习 1 三极管NPN和PNP的基本概念2 三极管放大的条件 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 3 BJT的三种工作状态 放大 截止 饱和 BJT的三种工作组态 CE CB CC 4 BJT的特性曲线 1 输入特性曲线 2 输出特性曲线 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 3 2共射极放大电路 电路组成 简化电路及习惯画法 简单工作原理 放大电路的静态和动态 直流通路和交流通路 书中有关符号的约定 3 2共射极放大电路 1 电路组成 输入回路 基极回路 输出回路 集电极回路 2 简化电路及习惯画法 习惯画法 共射极基本放大电路 3 简单工作原理 Vi 0 Vi Vsin t 4 放大电路的静态和动态 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 电路处于静态时 三极管个电极的电压 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 放大电路为什么要建立正确的静态 5 直流通路和交流通路 交流通路 直流通路 共射极放大电路 思考题 1 下列a f电路哪些具有放大作用 end 3 3图解分析法 用近似估算法求静态工作点 用图解分析法确定静态工作点 交流通路及交流负载线 输入交流信号时的图解分析 BJT的三个工作区 输出功率和功率三角形 3 3 1静态工作情况分析 3 3 2动态工作情况分析 共射极放大电路 3 3 1静态工作情况分析 1 用近似估算法求静态工作点 根据直流通路可知 采用该方法 必须已知三极管的 值 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V 采用该方法分析静态工作点 必须已知三极管的输入输出特性曲线 共射极放大电路 2 用图解分析法确定静态工作点 首先 画出直流通路 3 3 1静态工作情况分析 列输入回路方程 VBE VCC IBRb 列输出回路方程 直流负载线 VCE VCC ICRc 在输入特性曲线上 作出直线VBE VCC IBRb 两线的交点即是Q点 得到IBQ 在输出特性曲线上 作出直流负载线VCE VCC ICRc 与IBQ曲线的交点即为Q点 从而得到VCEQ和ICQ 3 3 2动态工作情况分析 由交流通路得纯交流负载线 共射极放大电路 vce ic Rc RL 因为交流负载线必过Q点 即vce vCE VCEQic iC ICQ同时 令R L Rc RL 1 交流通路及交流负载线 则交流负载线为 vCE VCEQ iC ICQ R L 即iC 1 R L vCE 1 R L VCEQ ICQ 2 输入交流信号时的图解分析 3 3 2动态工作情况分析 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 vo与vi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 动态工作时 iB iC的实际电流方向是否改变 vCE的实际电压极性是否改变 3 3 2动态工作情况分析 3 BJT的三个工作区 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发射结反偏 集电结反偏 vCE VCES 典型值为0 3V 发射结正偏 集电结正偏 放大区特点 发射结正偏 集电结反偏 非线性失真 静态工作点Q设置得不合适 会对放大电路的性能造成影响 导致输出信号的波形不能完全重现输入信号的波形 1 定义 2 饱和失真若Q点偏高 当ib按正弦规律变化时 Q 进入饱和区 造成ic和uce的波形与ib 或ui 的波形不一致 对NPN管输出电压uo 即uce 的负半周出现平顶畸变 饱和失真也称为底部失真 若Q点偏低 则Q 进入截止区 对NPN管而言 输出电压uo的正半周出现平顶畸变 称为截止失真 3 截止失真 截止失真也称为顶部失真饱和失真和截止失真统称为非线性失真 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 3 3 2动态工作情况分析 要有合适的交流负载线 VCC 4 输出功率和功率三角形 要想PO大 就要使功率三角形的面积大 即必须使Vom和Iom都要大 功率三角形 放大电路向电阻性负载提供的输出功率 在输出特性曲线上 正好是三角形 ABQ的面积 这一三角形称为功率三角形 3 3 2动态工作情况分析 例 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 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V试判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c 1 U1b U2e U3cNPN硅 2 U1b U2e U3cNPN锗 3 U1c U2b U3ePNP硅 4 U1c U2b U3ePNP锗 如何判断三极管的管脚 管型 电位判断法 电流判断法 原则 发射结正偏 集电结反偏 NPN管UBE 0 UBC 0 先求UBE 若等于0 6 0 7V 为硅管 若等于0 2 0 3V 为锗管 PNP管自己分析 解 例某放大电路中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 管脚 管型的判断法也可采用万用表电阻法 参考实验 三极管工作区域的判断 例 测量某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 6VVB 0 7VVE 0V 2 VC 6VVB 4VVE 3 6V 3 VC 3 6VVB 4VVE 3 4V 解 原则 对NPN管而言 放大时VC VB VE对PNP管而言 放大时VC VB VE 1 放大区 2 截止区 3 饱和区 共射极放大电路 放大电路如图所示 已知BJT的 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 忽略BJT的饱和压降 解 1 2 当Rb 100k时 静态工作点为Q 40uA 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 其最小值也只能为0 即IC的最大电流为 所以BJT工作在饱和区 VCE不可能为负值 此时 Q 120uA 6mA 0V 例题 end 3 4小信号模型分析法 3 4 1BJT的小信号建模 3 4 2共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出 H参数小信号模型 模型的简化 H参数的确定 意义 思路 利用直流通路求Q点 画小信号等效电路 求放大电路动态指标 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 1BJT的小信号建模 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 const iC f vCE iB const 可以写成 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 1 H参数的引出 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 3 模型的简化 即rbe hie hfeuT hrerce 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 3 10 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 4 H参数的确定 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 可用图示仪测出 一般也用公式估算rbe rbe rb 1 re 其中对于低频小功率管rb 200 则 模拟信号的放大 电压增益 电压放大倍数 电流增益 互阻增益 互导增益 3 4 2用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路 共射极放大电路 1 利用直流通路求Q点 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V 已知 3 求电压增益 根据 则电压增益为 可作为公式 2 画出小信号等效电路 共射极放大电路 H参数小信号等效电路 4 求输入电阻 令 共射极放大电路 放大电路如图所示 已知BJT的 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 忽略BJT的饱和压降 解 1 2 当Rb 100k时 静态工作点为Q 40uA 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 其最小值也只能为0 即IC的最大电流为 所以BJT工作在饱和区 VCE不可能为负值 此时 Q 120uA 6mA 0V 例题 end 解 1 求Q点 作直流通路 例如图 已知BJT的 100 VBE 0 7V 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 2 画出小信号等效电路 3 求电压增益 200 1 100 26 4 865欧 4 求输入电阻 5 求输出电阻 6 非线性失真判断 底部失真即截止失真基极电流太小 应减小基极电阻 3 5放大电路的工作点稳定问题 温度变化对ICBO的影响 温度变化对输入特性曲线的影响 温度变化对 的影响 稳定工作点原理 放大电路指标分析 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 3 5 1温度对工作点的影响 3 5 2射极偏置电路 3 5 1温度对工作点的影响 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 温度每升高1 C 要增加0 5 1 0 温度T 输出特性曲线族间距增大 此时 不随温度变化而变化 一般取I1 5 10 IB VB 3V 5V 3 5 2射极偏置电路 1 稳定工作点原理 目标 温度变化时 使IC维持恒定 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现静态工作点的稳定 T IC IE IC VE VB不变 VBE IB 反馈控制 2 放大电路指标分析 静态工作点 2 放大电路指标分析 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 2 放大电路指标分析 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 2 放大电路指标分析 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 3 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路 3 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 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 又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标 end 例电路如下图所示 已知 60 1 用估算法计算Q点 2 求输入电阻 3 用小信号模型分析法求电压增益 解 1 静态工作点 3 求电压增益 2 求输入电阻 1 2K 3 6共集电极电路和共基极电路 静态工作点 动态指标 三种组态的比较 3 6 1共集电极电路 3 6 2共基极电路 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 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 1 电路分析 其中 一般 则电压增益接近于1 即 电压跟随器 输入电阻 根据定义 由电路列出方程 则输入电阻 当 时 1 电路分析 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 既然共集电极电路的电压增益小于1 接近于1 那么它对电压放大没有任何作用 这种说法是否正确 VT 2复合管 作用 提高电流放大系数 增大电阻rbe 复合管 1 组成原则 T1管的c或e极接T2管的b极 两管都处于放大区 电流走的通 2 复合管等效管类型由第一个管子决定 3 复合管也称为达林顿管 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 2 动态指标 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 共基极电路的输入电阻很小 最适合用来放大何种信号源的信号 2 动态指标 输入电阻 输出电阻 3 三种组态的比较 例3 6 1如图属于何种组态 其输出电压的波形是否正确 若有错 请改正 解共集电极组态 不正确 例3 6 4电路如图题所示 BJT的电流放大系数为 输入电阻为rbe 略去了偏置电路 试求下列三种情况下的电压增益AV 输入电阻Ri和输出电阻RO vs2 0 从集电极输出 vs1 0 从集电极输出 vs2 0 从发射极输出 解 共发射极接法 共基极组态 共集电极组态 本章小结 1 三极管的基本知识 2 三极管的三种工作状态 3 三极管的三种工作组态 电路 静态 动态分析 重点掌握CE二种电路的分析 计算方法 本章结束 3 7 1单时间常数RC电路的频率响应 3 7 2单极放大电路的高频响应 RC低通电路的频率响应 RC高通电路的频率响应 3 7放大电路的频率响应 3 7 3单极放大电路的低频响应 3 7 4多级放大电路的频率响应 多级放大电路的增益 多级放大电路的频率响应 低频等效电路 低频响应 3 7 1单时间常数RC电路的频率响应 1 RC低通电路的频率响应 电路理论中的稳态分析 RC电路的电压增益 传递函数 则 且令 又 电压增益的幅值 模 幅频响应 电压增益的相角 相频响应 增益频率函数 最大误差 3dB 频率响应曲线描述 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 1 RC低通电路的频率响应 表示输出与输入的相位差 高频时 输出滞后输入 因为 所以 2 RC高通电路的频率响应 RC电路的电压增益 幅频响应 相频响应 输出超前输入 3 7 2单极放大电路的高频响应 1 BJT的高频小信号建模 模型的引出 模型简化 模型参数的获得 的频率响应 2 共射极放大电路的高频响应 型