半导体三极管及放大电路基础1.ppt

2.1半导体三极管（BJT）,2.2共射极放大电路,2.3图解分析法,2.4小信号模型分析法,2.5放大电路的工作点稳定问题,2.6共集电极电路和共基极电路,2.7放大电路的频率响应,2*半导体三极管及放大电路基础,学习指导,小结,2.8多级放大电路,作业,这一章是课程的重要章节，内容涉及放大电路的基本概念、基本电路和基本分析方法。主要内容1、半导体三极管的结构及工作原理，放大电路的三种基本组态。2、静态工作点Q的不同选择对非线性失真的影响。3、用H参数模型计算共射极放大电路的主要性能指标。4、共集电极电路和共基极电路的工作原理。5、三极管放大电路的频率响应。,学习指导,2.1.1BJT的结构简介,2.1半导体三极管（BJT）,2.1.2BJT的电流分配与放大原理,2.1.3BJT的特性曲线,2.1.4BJT的主要参数,BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。,2.1.1BJT的结构简介,半导体三极管的结构示意图如下图所示。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,2.1.2BJT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：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子,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)。,载流子运动动画四,2.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,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=-iCRL=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=-iCRL=-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。,BJT的电流分配与放大原理,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=const,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，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,2.1.3BJT的特性曲线,死区,非线性区,线性区,iC=f(vCE)iB=const,2.输出特性曲线,共射输出特性动画五,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Ube0.5V（Si),|Ube|0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏,2.1.4BJT的主要参数,(1)共发射极直流电流放大系数,1.电流放大系数,(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,(3)共基极直流电流放大系数IC/IE,(4)共基极交流电流放大系数=IC/IEVCB=const,(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。,(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,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2/3时所对应的最大集电极电流。,ICICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低。,(3)反向击穿电压,V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO,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,2.2共射极放大电路,基本放大电路组成,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,放大的概念,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。,1.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。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,1、放大的概念,在半导体电路中,常把输入电压,输出电压及直流电源的共同端点(O点)称为”地”.并以地端为零点电位(参考电位点),规定:1.电压的正方向是以共同端为负端,其他各点为正端2.对NPN管,iBiC以流入电极为正,iE以流出电极为正;PNP相反,2、基本放大电路的组成,输入回路:RbVBB输入端AO:Vi输出回路:RcVcc输出端BO:Vo隔直电容(耦合电容)；Cb1Cb2,三极管T负载电阻RC、RL偏置电路VCc、Rb耦合电容C1、C2,起放大作用,将变化的集电极电流转换为电压输出,使三极管工作在线性区给输出信号提供能量,起隔直作用,对交流起耦合的作用,组成原则：,1、发射结正偏，集电结反偏,2、输入信号能加到三极管上,3、输出信号能有效地传送到负载,4、不失真地放大信号,2、基本放大电路的组成,Vi=0,Vi=Vsint,电路的放大作用动画二,3、简单工作原理,4.放大电路的静态和动态,静态：输入信号为零时，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,三极管各电极的电压、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.常用IB、IC和VCE(或IBQ、ICQ和VCEQ)表示。,#放大电路为什么要建立合适的静态工作点？,工作点合适,工作点偏低,5.直流通路和交流通路,共射极放大电路,(1)直流通路:在放大电路中,直流电流流通的路径画法原则:把电容视为开路,直流通路,5.直流通路和交流通路,交流通路,共射极放大电路,(2)交流通路:在放大电路中,交流电流流通的路径,2.3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的三个工作区与波形失真,1静态工作情况分析,2动态工作情况分析,定义:在已知电路参数和特性曲线条件下,通过作图方法,分析动态和静态情况,静态,vi=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值IBQ、ICQ、VCEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量。,静态分析方法,、计算法,、图解分析法,要借助于放大电路的直流通路，直流通路是通过直流的通道。,只要将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到直流通路。,2.3.1静态工作情况分析,Si管：VBEQ=0.6V0.7V,Ge管:VBEQ=0.2V0.3V,（2）求静态值,（1）首先画出直流通路,求解顺序是先求IBQICQVCEQ,VCEQ=VCC-ICQRC,1.计算法,2.3.1静态工作情况分析,2.图解法,放大电路的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、VBEQ,VBE=VCC-IBRb,直流负载线,Vcc/Rb,Vcc,IBQ,Q,-1/Rb,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定IBQ、VBEQ,VCE=VCC-ICRc,直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、VBEQ,工作原理,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求ICQ、VCEQ,求两点,IC=0VCE=VCC,VCE=0IC=VCC/Rc,作出直流负载线，它和输出特性曲线有多个交点。只有与iB=IBQ对应的那条曲线的交点才是静态工作点。,2.图解法,若改变IB，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量。,动态,输入信号vi0时放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,动态分析要借助于交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数AV或AI输入电阻ri和输出电阻ro,(1)将放大电路中电容视作短路；,1、交流通路的画法：,(2)直流电源内阻很小，对交流信号可视作短路。,2.3.2动态工作情况分析,vi,vo,vo与vi的相差为1800,2.放大电路的工作过程,当交流信号加到放大器输入端时,管子各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量,电路中的信号既有直流又有交流。,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RL=Rc/RL,3.交流通路及交流负载线,则交流负载线为,vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,即iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,交流负载线特点:、斜率为RL，交流负载线比直流负载线陡、交流负载线一定通过静态工作点,交流负载线画法：、通过作直流负载线，定出静态工作点Q、,iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,令iC=0,则vCE=VCEQ+ICQRL,在横轴上得到S点、连接QS两点，即得到交流负载线,不截止Ucm1,不饱和Ucm2,4.输入交流信号时的图解分析,4.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.vivBEiBiCvCE|-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？,5.BJT的三个工作区与波形失真,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,uo,Q点过低，动态工作点进入截止区会产生截止失真,Q点与失真动画三,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。,由于放大电路的工作点到达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。,Q点过高，动态工作点进入饱和区会产生饱和失真,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点到达了三极管的饱和区而引起的非线性失真。,由于放大电路的工作点到达了三极管的截止区而引起的非线性失真。,波形的失真,双向失真,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。,3.输入信号的幅度不能太大。,静态工作点位置合适，但信号过大所引起的非线性失真。,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,2.4小信号模型分析法,1BJT的小信号建模,2共射极放大电路的小信号模型分析,（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。,BJT的小信号建模,1.输入回路的等效电路,vCE=0V,2.输出回路的等效电路,3.晶体管的微变等效电路,H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与静态工作点有关，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。,ib是受控电流源，其方向与ib的方向是关联的。,4.参数的确定,一般用测试仪测出；,rbe（三极管输入电阻）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rb300,则,、rbe为交流电阻、与静态工作点有关、在几百几千欧,.晶体管的微变等效电路的几点说明,、模型中的ibicvbevce均为交流量、ib是受控电流源，当ib=0时，电源就消失了、NPNNPN管的微变等效电路完全相同、只适用于小信号、低频时动态情况、绝对不能用来计算静态工作点，但反映Q点附近情况,2.4.1放大电路的基本知识,输入电阻,输出电阻,1模拟信号的放大,2放大电路模型,3放大电路的主要性能指标,增益,频率响应及带宽,非线性失真,1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,2放大电路模型,放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。,输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式,2放大电路模型,负载开路时的电压增益,（1）电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响，则希望？（考虑改变放大电路的参数）,理想情况,2放大电路模型,另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减,理想,有,要想减小衰减，则希望？,电压放大电路适用于信号源内阻RS较小且负载电阻RL较大的场合。,3放大电路的主要性能指标,（1）输入电阻,对Ri的要求:尽可能大些原因1)是衡量放大电路对信号源衰减程度的一个重要指标2)在多级放大电路中,后级输入电阻为前级放大电路负载电阻,有,注意问题:1)是交流电阻2)要把Ri与rbe区分,3放大电路的主要性能指标,(2)输出电阻,对R0的要求:尽可能小些原因是衡量放大电路带负载能力的一个重要指标,注意问题:1)是交流电阻2)Ro中决不包含RL,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。,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,等效电路的画法动画四,3.求电压增益,根据,则电压增益为,4.求输入电阻,5.求输出电阻,1.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,例题2,解：,（1）,H参数小信号等效电路,RS,Rb,RL,RC,RS,(2),2.5静态工作点稳定的放大电路分压式偏置电路,稳定工作点原理,动态参数计算,固定偏流电路与射极偏置电路的比较,2.5.1温度对静态工作点的影响,2.5.2射极分压式偏置电路,静态工作点估算,2.5.1为什么要给放大电路建立合适的静态工作点,1、静态工作点不合适，输出波形会失真,、电压放大倍数也和Q点有关,2.5.1固定偏流放大电路的优缺点,一、优点、电路简单，电压放大倍数高、调试方便,二、缺点环境温度变化、更换管子时，Q点也发生变化,偏流？,2.5.1温度对工作点的影响,一、影响Q点因素、Vcc变化、电路参数变化、管子老化（下降）、环境温度变化,解决措施、采用稳压电源、采用高质量元件、环境温度变化是造成Q点不稳定主要原因,二、温度变化对放大电路静态工作点的影响,2.5.2射极分压式偏置电路,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。,电路特点、Rb1、Rb2组成分压器，固定Vb点电位Rb1上偏流电阻，Rb2下偏流电阻、加入Re，既在输入回路又在输出回路,T,IC,IE,IC,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,I1IB，,此时，,不随温度变化而变化。,VBVBE,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,一般取I1=(510)IB，VB=3V5V,1.稳定工作点原理,2静态工作点估算,3动态参数计算,(1)电压增益,输出回路：,输入回路：,很小,3动态参数计算,Ib,=,Ibrbe+(1+)IbRe,Ri=rbe+(1+)Re,Ri=Rb1/Rb2/rbe+(1+)Re,Ro=Rc,(2)输入电阻,(3)输出电阻,3动态参数计算,4.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,共射极放大电路,4.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？,1.静态分析,该电路也称为射极输出器,求Q点,由,得,2.6共集电极电路(射极输出器),(1)电压增益,2.动态分析,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,电压跟随器,(2)输入电阻,当,，,时，,输入电阻较大,输出电阻很小,(3)输出电阻,经常作为多级放大电路的中间级，以隔离前后级之间的影响，起阻抗变换作用输入电阻大，对电压信号源衰减小，经常