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第三章半导体三极管及其应用 半导体三极管放大电路的图解分析法放大电路的小信号模型分析法放大电路工作点稳定共集电极和共基极电路放大电路的频率响应 华南师范大学 3 1双极型三极管 半导体三极管的结构三极管内部的电流分配与控制三极管各电极的电流关系三极管的共射极特性曲线半导体三极管的参数三极管的型号三极管应用 3 1 1半导体三极管的结构 双极型半导体三极管的结构示意图如图所示 它有两种类型 NPN型和PNP型 e b间的PN结称为发射结 Je c b间的PN结称为集电结 Jc 中间部分称为基区 连上电极称为基极 用B或b表示 Base 一侧称为发射区 电极称为发射极 用E或e表示 Emitter 另一侧称为集电区和集电极 用C或c表示 Collector 双极型三极管的符号中 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向 半导体三极管的结构 从外表上看两个N区 或两个P区 是对称的 实际上发射区的掺杂浓度大 集电区掺杂浓度低 且集电结面积大 基区要制造得很薄 其厚度一般在几个微米至几十个微米 3 1 2三极管内部的电流分配与控制 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 若在放大工作状态 发射结加正向电压 集电结加反向电压 如图所示 现以NPN型三极管的放大状态为例 来说明三极管内部的电流关系 电流分配与控制 在发射结正偏 集电结反偏条件下 三极管中载流子的运动 1 发射区向基区注入电子 在VBB作用下 发射区向基区注入电子形成IEN 基区空穴向发射区扩散形成IEP IEN IEP方向相同 电流分配与控制 2 电子在基区复合和扩散由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散 扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN 由于基区薄且浓度低 所以IBN较小 3 集电结收集电子由于集电结反偏 所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结 到达集电区 形成电流ICN 电流分配与控制 4 集电极的反向电流集电结收集到的电子包括两部分 发射区扩散到基区的电子 ICN基区的少数载流子 ICBO 电流分配与控制 IE IEN IEP且有IEN IEPIEN ICN IBN且有IEN IBN ICN IBN IC ICN ICBO IB IEP IBN ICBO IE IC IB 3 1 3三极管各电极的电流关系 1 三种组态双极型三极管有三个电极 其中两个可以作为输入 两个可以作为输出 这样必然有一个电极是公共电极 三种接法也称三种组态 见下图 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 2 三极管的电流放大系数 对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明 定义 称为共基极直流电流放大系数 它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值 ICN与IE相比 因ICN中没有IEP和IBN 所以的值小于1 但接近1 一般为0 98 0 999 由此可得 IC ICN ICBO IE ICBO IC IB ICBO 电流放大系数 在忽略ICBO情况下 IC IE和IB之间的关系可近似表示为 式中 称为共发射极接法直流电流放大倍数 3 1 4三极管的共射极特性曲线 输入特性曲线 iB f vBE vCE const输出特性曲线 iC f vCE iB const 共发射极接法三极管的特性曲线 这两条曲线是共发射极接法的特性曲线 iB是输入电流 vBE是输入电压 加在B E两电极之间 iC是输出电流 vCE是输出电压 从C E两电极取出 1 输入特性曲线 VCE一定时 iB与vBE之间的变化关系 由于受集电结电压的影响 输入特性与一个单独的PN结的伏安特性曲线有所不同 在讨论输入特性曲线时 设vCE const 常数 1 VCE 0时 b e间加正向电压 JC和JE都正偏 JC没有吸引电子的能力 所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性 VCE 0V 两个PN结并联 输入特性曲线 2 VCE 1V时 b e间加正向电压 这时JE正偏 JC反偏 发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集 只有小部分与基区多子形成电流IB 所以在相同的VBE下 IB要比VCE 0V时小 VCE 1V iB比VCE 0V时小 3 VCE介于0 1V之间时 JC反偏不够 吸引电子的能力不够强 随着VCE的增加 吸引电子的能力逐渐增强 iB逐渐减小 曲线向右移动 0 VCE 1V VCE iB 2 输出特性曲线 表示IB一定时 iC与vCE之间的变化关系 1 放大区JE正偏 JC反偏 对应一个IB iC基本不随vCE增大 IC IB 处于放大区的三极管相当于一个电流控制电流源 截止区 对应IB 0的区域 JC和JE都反偏 IB IC 0 输出特性曲线 3 饱和区对应于vCE vBE的区域 集电结处于正偏 吸引电子的能力较弱 随着vCE增加 集电结吸引电子能力增强 iC增大 JC和JE都正偏 VCES约等于0 3V IC IB 饱和时c e间电压记为VCES 深度饱和时VCES约等于0 3V 饱和时的三极管c e间相当于一个压控电阻 输出特性曲线总结 饱和区 iC受vCE显著控制的区域 该区域内vCE的数值较小 一般vCE 0 7V 硅管 此时发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 放大区 iC平行于vCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 电压大于0 7V左右 硅管 动画2 2 三极管工作情况总结 3 温度对三极管特性的影响 温度升高使 1 输入特性曲线左移 2 ICBO增大 输出特性曲线上移 3 增大 3 1 5半导体三极管的参数 半导体三极管的参数分为三大类 直流参数交流参数极限参数 三极管的直流参数 在放大区基本不变 在共发射极输出特性曲线上 通过垂直于X轴的直线 vCE const 来求取IC IB 如下左图所示 在IC较小时和IC较大时 会有所减小 这一关系见下右图 b 共射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 三极管的直流参数 b 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO之间的关系 ICEO 1 ICBO 相当于基极开路时 集电极和发射极间的反向饱和电流 即输出特性曲线IB 0时曲线所对应的Y坐标的数值 如图所示 极间反向电流a 集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极 O是Open的字头 代表第三个电极E开路 它相当于集电结的反向饱和电流 三极管的交流参数 2 交流参数 交流电流放大系数a 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 在放大区 值基本不变 可在共射接法输出特性曲线上通过垂直于X轴的直线求取 IC IB 或在图上通过求某一点的斜率得到 具体方法如图所示 三极管的交流参数 b 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 特征频率fT三极管的 值不仅与工作电流有关 而且与工作频率有关 由于结电容的影响 当信号频率增加时 三极管的 将会下降 当 下降到1时所对应的频率称为特征频率 用fT表示 三极管的极限参数 如图所示 当集电极电流增加时 就要下降 当 值下降到线性放大区 值的70 30 时 所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM 至于 值下降多少 不同型号的三极管 不同的厂家的规定有所差别 可见 当IC ICM时 并不表示三极管会损坏 3 极限参数 集电极最大允许电流ICM 三极管的极限参数 集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM ICVCB ICVCE 因发射结正偏 呈低阻 所以功耗主要集中在集电结上 在计算时往往用VCE取代VCB 三极管的极限参数 反向击穿电压 反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力 其测试时的原理电路如图所示 BR代表击穿之意 是Breakdown的字头 几个击穿电压在大小上有如下关系 V BR CBO V BR CES V BR CER V BR CEO V BR EBO 三极管的极限参数 a V BR CBO 发射极开路时的集电结击穿电压 下标CB代表集电极和基极 O代表第三个电极E开路 b V BR EBO 集电极开路时发射结的击穿电压 c V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 对于V BR CER表示BE间接有电阻 V BR CES表示BE间是短路的 三极管的安全工作区 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 见下图 3 1 6三极管应用 Vi 5V时 IB 5 0 7 10K 0 43mAICS 10V 5K 2mA IB 22mA三极管饱和 VO 0V Vi 0V时 三极管截止 VO 10V 例如 三极管用作可控开关 50 例3 1 1 判断三极管的工作状态 测量得到三极管三个电极对地电位如图所示 试判断三极管的工作状态 例3 1 2 判断三极管的工作状态 用数字电压表测得VB 4 5V VE 3 8V VC 8V 试判断三极管的工作状态 设 100 求IE和VCE 1 放大电路概念 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路 a 放大电路主要用于放大微弱信号 输出电压或电流在幅度上得到了放大 输出信号的能量得到了加强 b 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的 经过三极管的控制 使之转换成信号能量 提供给负载 3 2基本共射极放大电路 2 基本共射放大电路 电路组成 1 三极管T 3 RC 将iC的变化转换为vo的变化 一般几K 几十K VCE VCC ICRCRC VCC同属集电极回路 2 VCC 为JC提供反偏电压 一般几 几十伏 4 VBB 为发射结提供正偏 基本共射放大电路 5 Rb 一般为几十K 几千K Rb Vbb属基极回路 一般 硅管VBE 0 7V锗管VBE 0 2V 当VBB VBE时 基本共射放大电路 7 vi 输入信号 8 vo 输出信号 6 Cb1 Cb2 耦合电容或隔直电容 其作用是通交流隔直流 基本共射放大电路 RL 负载电阻 3 共射电路放大原理 3 3放大电路的图解分析法 直流通路与交流通路静态分析近似估算法图解分析电路参数变化对Q点的影响动态分析截止失真饱和失真交流负载线最大不失真输出输出功率和功率三角形 1 直流通路与交流通路 静态 只考虑直流信号 即vi 0 各点电位不变 直流工作状态 直流通路 电路中无变化量 电容相当于开路 电感相当于短路 交流通路 电路中电容短路 电感开路 直流电源对公共端短路 放大电路建立正确的静态 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要正确地区分静态和动态 正确地区分直流通道和交流通道 动态 只考虑交流信号 即vi不为0 各点电位变化 交流工作状态 直流通路 即能通过直流的通道 从C B E向外看 有直流负载电阻 Rc Rb 交流通路 若直流电源内阻为零 交流电流流过直流电源时 没有压降 设C1 C2足够大 对信号而言 其上的交流压降近似为零 在交流通道中 可将直流电源和耦合电容短路 交流通路 能通过交流的电路通道 从C B E向外看 有等效的交流负载电阻 Rc RL和偏置电阻Rb 2 静态分析 1 静态工作点的近似估算法已知硅管导通时VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V以及 40 根据直流通路则有 Q 40uA 1 6mA 5 6V 例3 3 1 电路及参数如图 求Q点值 例3 3 1 例3 3 2 电路及参数如图 求Q点值 固定偏压电路 射极偏置电路 动画3 5 例3 3 2 例3 3 2 例3 3 2 2 静态工作点的图解分析 a 画直流通路 b 把基极回路和集电极回路电路分为线性和非线性两部分 如图IB 40uA RC 4K VCC 12V 图解分析 d 作线性部分的伏安特性曲线 直流负载线VCE 12 4IC VCC 12V RC 4K 用两点法做直线M 12V 0 N 0 3mA e 直线MN与IB 40uA曲线的交点 5 6V 1 6mA 就是静态工作点Q IB 40uA RC 4K VCC 12V 讨论 电路参数变化对Q点的影响 Rb改变 Q点沿MN向下移动 电路参数变化对Q点的影响 RC改变 电路参数变化对Q点的影响 VCC改变 2 动态分析 动态分析 动画 截止失真 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 对于NPN管 输出电压表现为顶部失真 截止失真 动画 饱和失真 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 对于NPN管 输出电压表现为底部失真 注意 对于PNP管 由于是负电源供电 失真的表现形式 与NPN管正好相反 饱和失真 动画 交流负载线 交流负载线 交流负载线确定方法 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线 其斜率为 1 R L R L RL Rc是交流负载电阻 c 交流负载线和直流负载线相交与Q点 b 交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹 最大不失真输出 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 需要 1 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 2 要有合适的交流负载线 Q位于交流负载线中间时 Vom ICQ RL 交流动态范围 动画 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 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 输出功率和功率三角形 3 4放大电路的小信号模型分析法 图解法的适用范围 信号频率低 幅度较大的情况 如果电路中输入信号很小 可把三极管特性曲线在小范围内用直线代替 从而把放大电路当作线性电路处理 微变等效电路 1 三极管可以用一个模型来代替 2 对于低频模型可以不考虑结电容的影响 3 小信号意味着三极管在线性条件下工作 微变也具有线性同样的含义 1 h参数等效电路 h参数等效电路 2 三极管共射h参数等效电路 共射接法等效的双端口网络 输入特性表达式 vBE f1 iB vCE 输出特性表达式 iC f2 iB vCE 三极管共射h参数等效电路 求全微分 参数的物理含义 VCEQ时iB对vBE的影响 是三极管在Q点附近b与e之间的动态电阻 用rbe表示 rbe的组成 rbe rbb rb ere很小 忽略 rbb 基区体电阻 rb e 发射结正偏电阻 参数的物理含义 VCEQ附近iB对iC的影响 即 参数的物理含义 IBQ处vCE对iC的影响 是IBQ这条曲线在Q点的导数 三极管共射简化h参数等效电路 3 4 3基本共射电路分析计算 放大电路分析步骤 画直流通路 计算静态工作点Q计算rbe画交流通路画微变等效电路计算电压放大倍数Av计算输入电阻Ri计算输出电阻Ro 1 计算电压放大倍数Av 2 计算输入电阻Ri 3 计算输出电阻Ro 方法一 计算输出电阻Ro 例3 4 3 求Av Ri Ro 解 静态工作点 40uA 2mA 6V 100 51 26 2 0 763K 例3 4 3 7 62 例3 4 3 330K 26 263K 24 3K 例3 4 4 电路及参数如图 40 rbb 100 1 计算静态工作点 2 求Av Ri Ro 解 1 画直流通路求静态工作点 射极偏置电路稳定工作点 动画 例3 4 4 直流通路 例3 4 4 例3 4 4 例3 4 4 2 画微变等效电路 求Av Ri Ro 3 5静态工作点的稳定 为了保证放大电路的稳定工作 必须有合适的 稳定的静态工作点 但是 温度的变化严重影响静态工作点 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 温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面 T UBE ICEO Q 一 温度对UBE的影响 二 温度对 值及ICEO的影响 总的效果是 小结 固定偏置电路的Q点是不稳定的 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区 从而导致失真 为此 需要改进偏置电路 当温度升高 IC增加时 能够自动减少IB 从而抑制Q点的变化 保持Q点基本稳定 常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点 电路见下页 分压式偏置电路 一 静态分析 RE射极直流负反馈电阻 CE交流旁路电容 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 1 静态工作点稳定的原理 方框中部分用戴维南定理等效为 进而 可求出IE UCE 算法一 2 求静态工作点 算法二 可以认为与温度无关 似乎I2越大越好 但是RB1 RB2太小 将增加损耗 降低输入电阻 因此一般取几十k 例 已知 50 EC 12V RB1 7 5k RB2 2 5k RC 2k RE 1k 求该电路的静态工作点 算法一的结果 算法二的结果 结论 二种算法的结果近似相等 但算法二的计算过程要简单得多 二 动态分析 EC uo 问题1 如果去掉CE 放大倍数怎样 去掉CE后的交流通路和微变等效电路 用加压求流法求输出电阻 可见 去掉CE后 放大倍数减小 输出电阻不变 但输入电阻增大了 问题2 如果电路如下图所示 如何分析 静态分析 直流通路 动态分析 交流通路 交流通路 微变等效电路 问题 Au和Aus的关系如何 定义 3 6共集电极电路和共基极电路 共射电路 Ri Rb rbeRo Rc 一共集电极放大电路 一 静态分析 二 动态分析 1 电压放大倍数 1 所以 但是 输出电流Ie增加了 2 输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 结论 2 输入电阻 输入电阻较大 作为前一级的负载 对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大 3 输出电阻 用加压求流法求输出电阻 一般 所以 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 所谓带负载能力强 是指当负载变化时 放大倍数基本不变 例 已知射极输出器的参数如下 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V 求Au ri和ro 设 RS 1k 求 Aus ri和ro 3 RL 1k 时 求Au RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V 1 求Au ri和ro rbe 2 9k RS 0 2 设 RS 1k 求 Aus ri和ro RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 EC 12V rbe 2 9k RS 0 RL 1k 时 3 RL 1k 和 时 求Au 比较 空载时 Au 0 995RL 5 6k 时 Au 0 990RL 1k 时 Au 0 967 RL 时 可见 射极输出器带负载能力强 射极输出器的使用 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 3 将射极输出器放在电路的两级之间 可以起到电路的匹配作用 二共基极放大电路 共基组态放大电路如图 交流 直流通路 交流通路 微变等效电路 共基极组态基本放大电路的微变等效电路 性能指标 输出电阻Ro RC 电压放大倍数 输入电阻 三种组态电路比较 共射电路 电压和电流放大倍数均大 输入输出电压相位相反 输出输出电阻适中 常用于电压放大 共集电路 电压放大倍数是小于且接近于1的正数 具有电压跟随特点 输入电阻大 输出电阻小 常作为电路的输入和输出级 共基电路 放大倍数同共射电路 输入电阻小 频率特性好 常用作宽带放大器 3 7基本放大电路的频率响应 频率失真 幅度失真和相位失真 p20 21图1 2 9 相位频率特性 幅度频率特性 幅频特性是描绘输入信号幅度固定 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律 即 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律 即 3 7 1RC电路的频率响应 1 RC低通滤波电路 其中 是角频率 RC 1 分析 RC低通滤波电路频率响应 RC低通滤波电路频率响应 RC低通滤波电路频率响应 2 波特图 幅频特性 相频特性 幅频特性的X轴采用指数坐标 Y轴采用对数坐标 fH称为上限截止频率 当f fH时 幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降 或写成 20dB dec 在f fH处的误差最大 有 3dB 当f fH时 相频特性将滞后45 并具有 45 dec的斜率 在0 1fH和10fH处与实际的相频特性有最大的误差 其值分别为 5 7 和 5 7 这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图 是分析放大电路频率响应的重要手段 2 RC高通滤波电路 1 分析 RC高通滤波电路频率响应 RC高通滤波电路频率响应 2 波特图 3 7 2三极管的高频等效模型 三极管结构 Cb c 2 10pF C 几十到几百pF C 三极管的高频等效模型 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 推导如下 三极管的高频等效模型 忽略rce和rb c对电路的影响的简化等效模型 三极管的频率参数f 和fT 三极管的频率参数f 和fT 共射极截止频率 与RC低通滤波电路的频响表达式相同 三极管的频率参数f 和fT 三极管的频率参数f 和fT 当 1时对应的频率称为特征频率fT 且有fT 0f 当20lg 下降3dB时 频率f 称为共发射极接法的截止频率 高频等效模型的单向化 在简化混合 型模型中 因存在Cb c 对求解不便 可通过单向化处理加以变换 密勒定理 密勒定理 高频等效模型的单向化 可以用输入侧的C 和输出侧的C 两个电容去分别代替Cb c 但要求变换前后应保证相关电流不变 如图所示 高频等效模型的单向化 利用米勒定理 高频等效模型的单向化 由于C C 所以可忽略C 对电路的影响 图中C Cb e C 3 7 3基本共射电路的频率响应 对于图示的共发射极接法的基本放大电路 分析其频率响应 需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型 然后分低 中 高三个频段加以研究 1 中频段 中频时 C1 C2 Ce容抗较小 可视为短路 C 容抗较大 可视为开路 等效电路如图 Rb Rb1 Rb2Ri Rb rbeRo Rc 2 高频段等效电路 显然这是一个RC低通环节 将全频段小信号模型中的C1 C2和Ce短路 即可获得高频段小信号模型微变等效电路 如图所示 高频段 高频段 高频段 上限截止频率 高频段频响波特图 其频率特性曲线与RC低通电路相似 只不过其幅频特性在Y轴方向上上移了20lgAvsM dB 180o 225o 270o 相频特性则在Y轴方向上向下移180 以反映单级放大电路倒相的关系 3 低频段等效电路 低频段的微变等效电路如图所示 C1 C2和Ce被保留 C 被忽略 显然 该电路有三个RC电路环节 当Re 1 Ce时 在射极电路中 可忽略Re 只剩下Ce 低频段 当R b较大 可忽略Rb的影响 将Ce归算到基极回路