第3章-半导体三极管及放大电路基础分解.ppt

电子技术,第三章半导体三极管,模拟电路部分,第三章半导体三极管及放大电路基础,3.1半导体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组合放大电路,3.1.1BJT的结构简介,半导体三极管（BJT）,3.1.2BJT的工作原理,3.1.3BJT的特性曲线,3.1.4BJT的主要参数,半导体三极管的结构,NPN型三极管的结构与符号,集电区,基区,发射区,发射结E结,集电结C结,PNP型三极管的结构与符号,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,BJT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,2.电流分配关系,根据传输过程可知,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,通常ICICBO,IE=IB+IC,载流子的传输过程,根据,2.电流分配关系,BJT的电流分配与放大原理,结论：,1、三极管在E结正偏、C结反偏时具有电流放大作用。,2、三极管是一个电流控制元件，iC由iB控制。,放大电路基本组态,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,半导体三极管的伏安特性（1）,三极管的伏安特性可分为：,输入伏安特性：,输出伏安特性：,由测量结果，可得输入伏安特性曲线：,uCE=0.5V,uCE1V,结论：三极管输入特性与二极管相似,半导体三极管的伏安特性（2）,由测量结果，可得输出伏安特性曲线：,IB=0,20uA,40uA,60uA,80uA,截止区,饱和区,放大区,截止区：iB0的区域,特点：iB=0，iC=0,等效：,条件：E结反偏,饱和区：uCE1V的区域,特点：uCE=uCES0，iCiB,等效：,条件：E结正偏、C结正偏,放大区：,特点：iC=iB,等效：,条件：E结正偏、C结反偏,半导体三极管的伏安特性（3）,三极管在不同的控制条件下可工作于三种工作状态，即：放大、截止、饱和状态。,结论:,半导体三极管的主要参数,共射电流放大系数,共射直流电流放大系数,共射交流电流放大系数,一般在几十几百之间,极间反向电流,集电极-基极反向饱和电流ICBO,集电极-发射极穿透电流ICEO,受温度影响，硅管ICBOrbe，所以：,共射放大电路的输入电阻较小，往往不能满足电路要求。,共射基本放大电路动态参数的计算（2）,2.输出电阻rO的计算,根据定义，放大电路的输出电阻即相对于负载的戴维南等效电路的内阻，故可采用外加电压法求解。,端口开路,iO,独立源零处理,外加电源,根据定义，有：,显然，右图电路中受控电流源电流为零，即ic=0，所以：,共射放大电路的输出电路较大,共射基本放大电路动态参数的计算（3）,3.电压放大倍数Au、As的计算,在图示电路中，有：,根据定义，则有：,共射放大电路的电压放大倍数可达几十到几百,负号表明输入信号与输出信号相位相反,显然，AU随负载大小而变化。负载开路时，达到最大值：,共射基本放大电路动态参数的计算（4）,定义对信号源电动势us的电压放大倍数为：,显然，在RS=0时，Aus=AU。即对于电压放大电路，信号源内阻越小越好。,基本放大电路分析举例（1）,例：在图示放大电路中，电容C1、C2与C3在信号频率范围内容抗可忽略不计。试求：（1）画出直流通路，计算静态工作点Q；（2）画出交流通路与微变等效电路，计算动态参数。,解：画直流通路,什么是直流通路？,基本放大电路分析举例（2）,IBQ,uBEQ,ICQ,ICC,uCEQ,计算静态工作点Q,什么是静态工作点？,根据KVL，有：,根据KCL有：,由三极管的特性有：,-（1）,-（2）,-（3）,-（4）,若对硅管取UBEQ=0.7V，对锗管取UBEQ=0.3V，则可由上述方程组解得：,基本放大电路分析举例（3）,画交流通路,什么是交流通路？,将电容与直流电源短路后的电路就是交流通路,基本放大电路分析举例（4）,画微变等效电路,+,+,-,R1,-,RL,R2,RC,uO,ui,什么是微变等效电路？,根据动态参数的定义，有：,静态工作点的稳定,为保证放大电路正常工作，必须有合适与稳定的静态工作点。,温度变化会导致三极管参数发生变化,温度每升高100C，ICBO增大一倍,温度每升高10C，UBE减小2.5mV,温度每升高10C，增加0.5%-1%,在共射基本放大电路中，因为：,所以，当温度升高时有：,IBQ,Q,UCEQ,ICQ,UCC,结论：共射基本放大电路在温度升高时，可能会出现饱和失真。,ui,一、静态分析,RE射极直流负反馈电阻,RB2下偏压电阻,分压偏置式放大电路（1）,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,分压偏置式放大电路（2）,2.求静态工作点,算法一：,上述四个方程联立，可求出IE，进而，可求出UCE。,本算法比较麻烦，通常采用下面介绍的算法二、三。,分压偏置式放大电路（3）,方框中部分用戴维南定理等效为：,进而，可求出IE、UCE。,算法二：,分压偏置式放大电路（4）,算法三：,分压偏置式放大电路（5）,可以认为与温度无关。,分压偏置式放大电路（6）,例：已知=50，UCC=12V，RB1=7.5k，RB2=2.5k，RC=2k，RE=1k，求该电路的静态工作点。,算法一、二的结果：,算法三的结果：,结论：三种算法的结果近似相等，但算法三的计算过程最简单。,分压偏置式放大电路分析举例一,分压偏置式放大电路（7）,二、动态分析,分压偏置式放大电路（8）,缺点：与基本共射电路相比，分压偏置电路的Au大幅下降。如果想使Au不下降，同时温度稳定性好，该怎么办？,分压偏置式放大电路（9）,增加CE后的交流通路和微变等效电路：,分压偏置式放大电路（10）,可见，增加CE后，放大倍数大大上升。但输入电阻却减小了。电路该如何进一步改进？,分压偏置式放大电路（11）,增加CE后：,增加CE前：,问题2：如果电路如下图所示，如何分析？,分压偏置式放大电路举例二(1),静态分析：,直流通路,分压偏置式放大电路举例二(2),动态分析：,交流通路,分压偏置式放大电路举例二(3),交流通路：,微变等效电路：,分压偏置式放大电路举例二(4),共集电极放大电路（1）,一、静态分析,共集电极放大电路（2）,二、动态分析,共集电极放大电路（3）,共集电极放大电路（4）,1.电压放大倍数,共集电极放大电路（5）,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：,共集电极放大电路（6）,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。,共集电极放大电路（7）,3.输出电阻,共集电极放大电路（8）,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。,共集电极放大电路（9）,例：已知射极输出器的参数如下：RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V,求Au、ri和ro。设：RS=1k，求：Aus、ri和ro。3.RL=1k时，求Au。,共集电极放大电路举例（1）,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,共集电极放大电路举例（2）,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,1.求Au、ri和ro。,rbe=2.9k，RS=0,共集电极放大电路举例（3）,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,共集电极放大电路举例（4）,RL=1k时,3.RL=1k和时，求Au。,RL=时,共集电极放大电路举例（5）,比较：空载时,Au=0.995RL=5.6k时,Au=0.990RL=1k时,Au=0.967,结论：射极输出器带负载能力强。,共集电极放大电路举例（6）,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。,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。,共集电极放大电路的应用,共基极放大电路（1）,ui,动态分析,共基极放大电路（2）,输出电流接近输入电流，故称电流跟随器。,三种基本组态的比较,1.共射电路主要应用在多级放大电路的中间级。,2.共集电路主要应用在输入、输出或缓冲级。,3.共基电路主要应用在高频或宽频电路。,组合放大电路,复合管放大电路,复合管:两个以上的BJT按照一定规则（电流流向不冲突）组合起来,又称达林顿管。,同形复合管,异形复合管,多级放大电路的组成与耦合方式（1）MultistageAmplifiers,理想放大器的条件：,0,因为任何一个单管放大电路都不可能同时满足上述要求，故必须利用各单管电路的特点构成多级放大电路。,作用：获取信号,要求：ri大,电路：共集、MOS管电路,作用：电压放大,要求：AU大,电路：共射、共源电路,作用：带负载能力强,要求：ro小,电路：共集、共漏、功率放大电路,多级放大电路的组成与耦合方式（2）,多级放大电路的耦合方式,阻容耦合,直接耦合,变压器耦合,阻容耦合方式,直接耦合方式,阻容耦合放大电路（1）,静态工作点分析,由电路结构可见，前后两个放大电路的Q点相互独立，可按单管电路分别计算。,阻容耦合放大电路（2）,动态参数分析,1、电压放大倍数AU,其中：,结论：（1）AU=AU1AU2AUN（2）各级电压放大倍数可按单管电路计算,注意：后级放大电路的输入电阻是前级放大电路的等效负载,阻容耦合放大电路（3）,输入电阻ri,结论：多级放大电路的输入电阻=第一级的输入电阻,输出电阻ro,根据定义，得r0=RC2,=ro2,结论：多级放大电路的输出电阻=最后一级的输出电阻,阻容耦合放大电路的特点（1）各级电路Q点相互独立、便于调整。（2）由于存在耦合电容，不能放大直流信号和变化缓慢的信号。（3）不利于集成化。,阻容耦合电路的频率特性,fH,fL,fH上限频率,fL下限频率,阻容耦合电路的低频特性（1）,阻容耦合电路的低频特性（2）,阻容耦合电路的高频特性（1）,阻容耦合电路的高频特性（2）,阻容耦合电路的高频特性（3）,混合模型,耦合电容造成,三极管结电容造成,阻容耦合电路缺点：不能放大直流信号。不能放大高频信号。？,阻容耦合电路的频率特性,增益带宽积不变,直接耦合放大电路特点（1）,直接耦合放大电路的优点（1）不存在耦合电容，可放大直流信号和变化缓慢的信号。（2）便于集成化。,直接耦合方式带来的问题,电平配合问题,零点漂移问题,1、电平配合问题,0.7V,0.7V,导致T1管饱和,前后级Q点相互影响，导致电路不能正常工作。,静态输出电平不为零。,直接耦合放大电路特点（2）,2、电平移动电路,静态工作点移动电路,抬高后级发射极电位,带来的缺点？,降低电压放大倍数,用稳压管代替电阻,为什么用稳压管？,直接耦合放大电路特点（3）,其它常见静态工作点移动电路,利用稳压管的Q点移动电路,利用NPN与PNP互补性的Q点移动电路,直接耦合放大电路特点（4）,静态输出电平的移动电路,设ICQ=1mA,Re2=5K,则只要UEE=5V,即UO=0,直接耦合放大电路特点（5）,2、零点漂移问题,零点漂移现象,输入信号为零,输出信号不为零,产生零点漂移的原因,零点漂移的本质是Q点漂移,温度变化是导致Q点漂移的主要原因,零点漂移也称为温漂,零漂引起的后果,Q点严重偏离，不能正常工作。,输入信号可能会淹没于零漂之中。,衡量零漂的方法,将放大器输出端的零漂UO折算到输入端电压UO/|AU|进行比较,例如:放大器A|AU|=1000,零漂UO=100mV则折算到输入端零漂为:UO/|AU|=0.1mV,放大器B|AU|=5000,零漂UO=200mV则折算到输入端零漂为:UO/|AU|=0.04mV,则A比B零漂严重,阻容耦合放大电路有零漂吗？,直接耦合放大电路特点（6）,克服零漂的措施,从外部