模电 第2章(1)课件

1、2 半导体三极管及放大电路基础半导体三极管及放大电路基础2.1 半导体三极管半导体三极管半导体三极管又称简称晶体管。半导体三极管又称简称晶体管。 半导体三极管的放大作用和开关作用，促半导体三极管的放大作用和开关作用，促使了电子技术的的飞跃。使了电子技术的的飞跃。半导体三极管图片半导体三极管图片2.1.1 半导体三极管的结构半导体三极管的结构1. . NPN型三极管结构示意图和符号型三极管结构示意图和符号（2）根据使用的半导体材料分根据使用的半导体材料分: : 硅管和锗管硅管和锗管 （1） 根据结构分根据结构分: NPN型和型和PNP型型三极管的主要类型三极管的主要类型NNP发射区发射区集电区集

2、电区基区基区发射极发射极E(e)集电极集电极C(c)发射结发射结Je集电结集电结Jc基极基极B(b)NPN型三极管符号型三极管符号B (b)E(e)TC(c)NNP发射区发射区集电区集电区基区基区发射极发射极E(e)集电极集电极C(c)发射结发射结Je集电结集电结Jc基极基极B(b)2、PNP型三极管结构示意图和符号型三极管结构示意图和符号PNP型三极管符号型三极管符号B (b)E(e)TC(c)E(e)发射区发射区集电区集电区基区基区PPNC(c)B(b)JeJc（1）发射区小，掺杂浓度大发射区小，掺杂浓度大。3、三极管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）三极管的内部结构特点（具有放大作

3、用的内部条件）：（2）集电区掺杂浓度低，集电结面积大。集电区掺杂浓度低，集电结面积大。（3）基区掺杂浓度很低，且很薄。基区掺杂浓度很低，且很薄。NNP发射区发射区集电区集电区基区基区EBC2.1.2 三极管工作原理（以三极管工作原理（以NPN型管为例）型管为例）依据两个依据两个PN结的偏置情况结的偏置情况放大状态放大状态饱和状态饱和状态截止状态截止状态倒置状态倒置状态晶体管的工作状态晶体管的工作状态1发射结正向偏置、集电结反向偏置发射结正向偏置、集电结反向偏置放大状态放大状态 原理图原理图电路图电路图ERCREICIBEU CBUBICCVEEVTEEVERCCVCRCIcN NPBEUCBU

4、EIbeBI+ + + (1) 电流关系电流关系a. 发射区向基区扩散电子发射区向基区扩散电子形成发射极电流形成发射极电流IE。发射区向基区扩散电子发射区向基区扩散电子EEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbe称扩散到基区的发射称扩散到基区的发射区多子为非平衡少子区多子为非平衡少子b. 基区向发射区扩散空穴基区向发射区扩散空穴基区向发射区扩散空穴基区向发射区扩散空穴发射区向基区扩散电子发射区向基区扩散电子形成空穴电流。形成空穴电流。EEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbe因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流忽略不记。空穴电流

5、忽略不记。基区向发射区扩散空穴基区向发射区扩散空穴发射区向基区扩散电子发射区向基区扩散电子EEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbec. 基区电子扩散和复合基区电子扩散和复合非平衡少子在基区复非平衡少子在基区复合，形成基极电流合，形成基极电流IBIB非平衡少子向非平衡少子向集电结扩散集电结扩散EEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbe非平衡少子非平衡少子到达集电区到达集电区IBd. 集电区收集从发射区扩散过来的电子集电区收集从发射区扩散过来的电子IC形成发射极电流形成发射极电流ICEEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbe形成反向饱和电流形成反向饱和电流IC

6、BOe.集电区、基区少子相互漂移集电区、基区少子相互漂移少子相互漂移少子相互漂移ICBOICIBEEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbe0ECCBO III 发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。定义定义基极是两个回路的公共端，称三极管这种接法为基极是两个回路的公共端，称三极管这种接法为共基极接法。共基极接法。 称为共基极直流电流放大系数称为共基极直流电流放大系数 输入回路输入回路输出回路输出回路EIERCRCIBEU CBUBICCVEEVT各电极电流之间的关系各电极电流之间的关系CBOECIII IE=IC+IB CBOEB)

7、1(III EEVERCCVCRcN NPBEU CBU EIbeIBICICBO晶体管共射极接法晶体管共射极接法原理图原理图电路图电路图TCI CEUCRCCVEIBBVBRBEUBI BBVBRCCVCRcN NPBEU CEU EIbeIBICICBO0BCCBO III 定义定义为三极管共射极直为三极管共射极直流电流放大系数流电流放大系数BBVBRCCVCRcN NPBEU CEU EIbeIBICICBO各电极电流之间的关系各电极电流之间的关系BCIIBBCE)1 (IIIIBBVBRCCVCRcN NPBEU CEU EIbeIBICICBO995. 095. 0 20020 1得

8、得 1或或的关系式的关系式 由由BCEIII 由由及及的定义的定义 与与共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 共射极交流电流放大系数共射极交流电流放大系数 ECII BCII 定义定义与与的关系的关系 1 1 ，一般可以认为一般可以认为：uBE = ube + UBE(2) 放大原理放大原理设输入信号设输入信号ui=UimSintt V那么那么iB = ib + IBiC = ic + ICuCE = uce + UCEuce = - icRC其中其中UCE = VCC- ICRC放大电路放大电路TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iEa. 在在RC两端有一个较大

9、两端有一个较大的交流分量可供输出。的交流分量可供输出。uce = - icRCuCE = uce + UCE由由可知可知ui ibicicRcb. 交流信号的传递过程交流信号的传递过程TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iE2发射结正向偏置、集电结正向偏置发射结正向偏置、集电结正向偏置饱和状态饱和状态 （2）IC IB，IB失去了对失去了对IC的控制。的控制。（1）UCEUBE。饱和状态的特点饱和状态的特点（3) 集电极饱和电压降集电极饱和电压降UCES较小较小小功率硅管小功率硅管0.3 0.5V。TCI CEUCRCCVEIBBVBRBEUBI （4）饱和时集电极电流）

10、饱和时集电极电流CCESCCCS/ )(RUVI TCI CEUCRCCVEIBBVBRBEUBI 3发射结反向偏置、集电结反向偏置发射结反向偏置、集电结反向偏置截止状态截止状态截止状态的特点：截止状态的特点：（1） UBE小于死区电压。小于死区电压。TCI CEUCRCCVEIBBVBRBEUBI 4发射结反向偏置、集电结正向偏置发射结反向偏置、集电结正向偏置倒置状态倒置状态（1）集电区扩散到基区的多子较少。集电区扩散到基区的多子较少。特点特点: :（2）发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小。（3 3）电流放大系数很小。电流放大系数很小。TCI C

11、EUCRCCVEIBBVBRBEUBI 2.1.3 半导体三极管共射极接法的伏安特性曲线半导体三极管共射极接法的伏安特性曲线 1共射极输入特性共射极输入特性 一定一定CE)(BEBUufi 4 . 08 . 0ABi0CE u1CE uVBEu0共射极输入特性共射极输入特性三极管共射极接法三极管共射极接法BiBEuCiCEu Ei一一定定B)(CECIufi 2共射极输出特性共射极输出特性 输出特性曲线输出特性曲线饱和区饱和区截止区截止区放大区放大区BiBEuCiCEu EiiiB=20A04060801002468/ V uCE01234C/ mA 各区的特点：各区的特点：（1 1）饱和区）

12、饱和区a. UCEUBEb. ICIBc. UCE增大增大， IC 增大增大。饱和区饱和区iiB=20A04060801002468/ V uCE01234C/ mA （3） 截止区截止区a. IB0b. IC0 （2） 放大区放大区a. UCEUBEb. IC=IBc. IC与与UCE无关无关饱和区饱和区放大区放大区iiB=20A04060801002468/ V uCE01234C/ mA 截止区截止区2.1.4 半导体三极管的主要电参数半导体三极管的主要电参数1. 直流参数直流参数（3）发射极开路，集电极发射极开路，集电极基极间反向饱和电流基极间反向饱和电流ICBO （1）共基极直流电流

13、放大系数共基极直流电流放大系数 0ECCBO III （2）共射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数 0BCCBO III （4）发射极开路，集电极发射极开路，集电极发射极间反向饱和电流发射极间反向饱和电流ICEO 2. 交流参数交流参数 （1）共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 ECii 值与值与iC的的关系曲线关系曲线（2）共射极交流电流放大系数共射极交流电流放大系数 BCii 常数常数iC03. 极限参数极限参数(4) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM(1) 集电极开路时发射极集电极开路时发射极基极间反向击穿电基极间反向击穿电压压U（BR）EBO(2) 发射极开路

14、时集电极发射极开路时集电极基极间反向击穿基极间反向击穿电压电压U（BR）CBO(3) 基极开路时集电极基极开路时集电极发射极间反向击穿发射极间反向击穿电压电压U（BR）CEO iCuCE0U (BR)CEOICMPCM不安全区不安全区安全区安全区(5) 集电极最大允许功率耗散集电极最大允许功率耗散PCM晶体管的安工作全区晶体管的安工作全区等功耗线等功耗线PC=PCM =uCEiC2.2 共射极放大电路的组成和工作原理共射极放大电路的组成和工作原理 2.2.1 放大电路概述放大电路概述 1放大电路的用途放大电路的用途 : : 把微弱的电信号不失真地放大把微弱的电信号不失真地放大到负载所需的数值。

15、到负载所需的数值。 应用举例应用举例放放大大器器直直 流流 电电 源源话筒话筒 输入输入喇叭喇叭输出输出2放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 放大器性能指标测量原理方框图放大器性能指标测量原理方框图 被被 测测 放放 大大 电电 路路负负载载正正弦弦波波信信号号源源+ +直直 流流 电电 源源suiuouLRoRSRi0uAuoiiiiR+ + + +互导放大倍数互导放大倍数Ag ioUIAg ioIUAr 互阻放大倍数互阻放大倍数 Ar ioIIAi 电流放大倍数电流放大倍数AiioUUAu 电压放大倍数电压放大倍数Au + +直直流流电电源源suiuouLRoRSRi0uAuoi

16、iiiR+ + + +(1) 放大倍数放大倍数 A (2) 输入电阻输入电阻Ri iiiIUR Ri越大，越大，Ui也就越大，电路的放大能力越强。也就越大，电路的放大能力越强。SiSiiURRRU a. 由于由于b. Ri越大，输入电流越大，输入电流ii越小，越小，信号源的负载越小。信号源的负载越小。+ +直直流流电电源源suiuouLRoRSRi0uAuoiiiiR+ + + +Ri(3) 输出电阻输出电阻Ro 定义：定义： Ls0oRUIUR测量电路测量电路被被+ +测测 放放大大 电电 路路直直 流流 电电源源susRu+ +iRo对输出电压的电路对输出电压的电路即即 Ro越小，输出电压

17、越稳定，电路带载能力越强。越小，输出电压越稳定，电路带载能力越强。iu0oLLouARRRu 0ORiuoOuAu + +直直流流电电源源suiuouLRoRSRi0uAuoiiiiR+ + + +由于由于(4) 全谐波失真度全谐波失真度D 12n2UUDn (5) 动态范围动态范围Uo p-p也称为最大不失真输出电压。也称为最大不失真输出电压。即谐波电压总有效值与基波电压有效值之比即谐波电压总有效值与基波电压有效值之比使输出电压使输出电压uo的非线性失真度达到某一规定数值时的非线性失真度达到某一规定数值时的的uo的峰的峰峰值。峰值。(6) 频带宽度频带宽度fbw)( f 相频特性相频特性 u

18、uAUUAio由由得得幅频特性幅频特性)(uufAA fL幅频特性曲线幅频特性曲线fHfuAmuA2muAfBW相频特性曲线相频特性曲线90_o180_o225_o270_o135_ofBWf2.2.2 共射极放大电路的组成及其工作原理共射极放大电路的组成及其工作原理 1. 共射极放大电路的组成共射极放大电路的组成电路存在的问题：电路存在的问题：（1）信号源与放大电信号源与放大电路相互影响。路相互影响。（2）放大电路与负载放大电路与负载相互影响。相互影响。TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCiu+_+_RL_uO+各元器件的作用：各元器件的作用：T放大器件放大器件隔离放大电路对信号源

19、和负载隔离放大电路对信号源和负载的直流影响。的直流影响。沟通信号源、放大电路、负载沟通信号源、放大电路、负载之间的信号传递通道。之间的信号传递通道。耦合电容耦合电容C1、 C2改进的共射改进的共射极放大电路极放大电路ou2CiuCCVBRCR1CBBVTLR 为为T提供提供Je正偏电压正偏电压UBEVBB、RB提供基极偏置电流提供基极偏置电流IBVCC为为T提供提供Jc反偏电压反偏电压UCE为电路提供能量为电路提供能量ou2CiuCCVBRCR1CBBVTLR RC使集电极有合适的电流使集电极有合适的电流IC转换集电极电流信号为电压信号转换集电极电流信号为电压信号, , 实现电压放大实现电压放

20、大ou2CiuCCVBRCR1CBBVTLR 只用一个电源，只用一个电源，减少电源数。减少电源数。（1）电路的简化）电路的简化（2）电路画法）电路画法ou2CiuCCVBRCR1CTLR 不画电源符号，不画电源符号，只写出电源正只写出电源正极对地的电位。极对地的电位。ou2CiuCCV BRCR1C TLR放大电路的两放大电路的两种工作状态：种工作状态：静态静态 当输入信号为零时电路的工作状态。当输入信号为零时电路的工作状态。静态时放大电路只有直流分量。静态时放大电路只有直流分量。动态动态有输入信号时电路的工作状态。有输入信号时电路的工作状态。动态时电路中的信号为交直流分量的叠加。动态时电路中

21、的信号为交直流分量的叠加。ou2CiuCCV BRCR1C TLR注：不同书写体字母的含义注：不同书写体字母的含义UBEIB 大写字母，大写下标，表示直流量。大写字母，大写下标，表示直流量。ube小写字母，小写下标，表示交流瞬时值。小写字母，小写下标，表示交流瞬时值。uBE小写字母，大写下标，表示交、直混合量。小写字母，大写下标，表示交、直混合量。Ube大写字母，小写下标，表示交流分量有效值。大写字母，小写下标，表示交流分量有效值。信号的传递过程信号的传递过程ceouu iBEQBEuUu bBQBiIi cCQCiIi ceCEQCEuUu C2隔直作用隔直作用ou2CiuCCV BRCR1

22、C TLR2.3 放大电路的静态分析放大电路的静态分析 静态分析静态分析就是通过放大就是通过放大电路的直流通路求解静态工电路的直流通路求解静态工作点值作点值IBQ、ICQ、UCEQ。直流通路直流通路CEUCCV BRCRTBEUCIBIou2CiuCCV BRCR1C TLR2.3.1 图解法在放大电路静态分析中的应用图解法在放大电路静态分析中的应用 1输入回路输入回路列写输入回路方程列写输入回路方程VCC=iBRB+uBE 求解静态工作点的常用方法求解静态工作点的常用方法图解法图解法估算法估算法CEUCCV BRCRTBEUCIBI直流负载线与三极管输入特性曲线的交点，即为直流负载线与三极管

23、输入特性曲线的交点，即为放大电路的输入静态工作点放大电路的输入静态工作点Qi。在在iB、 uBE坐标系上是一条直线坐标系上是一条直线称为输入回路的直流负载线称为输入回路的直流负载线VCC=iBRB+uBE 方程方程BQIBEQUiQBCC/ RVPKCCV三极管输入三极管输入特性曲线特性曲线直流负载线直流负载线0iBuBE2输出回路输出回路VCC=iCRC+uCE输出回路方程输出回路方程称为输出回路的直流负载线称为输出回路的直流负载线CCC/ RVCCVMN直流负载线直流负载线输出输出特性特性曲线曲线直流负载线与晶体管输出特直流负载线与晶体管输出特性曲线的交点，即为放大电性曲线的交点，即为放大

24、电路的输入静态工作点路的输入静态工作点Qo。oQCQICEQU在在iC、 uCE坐标系上是一条直线坐标系上是一条直线iC0uCECEUCCV BRCRTBEUCIBI2.3.2 估算法在放大电路静态分析中的应用估算法在放大电路静态分析中的应用 BQCQII UCEQ=VCCICQRC式中，式中，|UBEQ |硅管可取为硅管可取为0.7V，锗管锗管0.3V 由输入回路方程由输入回路方程VCC=iBRB+uBEBBEQCCBQRUVI 得得 在静态分析基础上，分析电路中的交流分量之间在静态分析基础上，分析电路中的交流分量之间关系。主要求关系。主要求Au、Ri、Ro及及Uopp等参数等参数。2.4

25、放大电路的动态分析放大电路的动态分析 常用的分析方法常用的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法2.4.1 图解法在放大电路动态分析中的应用图解法在放大电路动态分析中的应用 设输入信号设输入信号ui=Uimsinw wt Vou2CiuCCV BRCR1C TLR1当当RL=时时在输入回路在输入回路uBE=UBE+uit0BEuBEQUiuuBE波形图波形图ou2CiuCCV BRCR1C TLRiQBQIBQIB2iB1iBEQUiB的波形图的波形图工作点的移动工作点的移动uBE波形图波形图（1） iB的形成过程的形成过程已知已知Qabt0BEu0tBiBi0BEuabBQBIi

26、oQtMNCCC/ RVCCV0CEuCi0tCEuCEQUCEQUCQICQIiB1iB2(2) 输出波形输出波形已知已知Q已知已知 iB工作点的移动工作点的移动uCE波形图波形图iC波形图波形图输出电压输出电压uo0Ci已知输入信号已知输入信号小结：小结：输出信号波形输出信号波形输出电压输出电压uo与输入电压与输入电压ui相位相反相位相反0tou0tiu(2) 如果静态工作点如果静态工作点Q太低太低iQBQIBQIBEQU工作点的移动工作点的移动uBE波形图波形图ab已知已知QiB1iB2iB的波形图的波形图a. 输输入入波波形形0tBit0BEuBi0BEuabBQBIi oQCEQUC

27、EQUCQICQIiB1iB2已知已知Q已知已知 iB工作点的移动工作点的移动uCE波形图波形图iC波形图波形图输出电压输出电压b. 输出波形输出波形截止截止失真失真tMNCCC/ RVCCV0CEuCi0tCEu0CiiQBQIBQIBEQU0Bit0t0BiBEuBEu工作点的移动工作点的移动uBE波形图波形图ab已知已知QiB1iB2iB的波形图的波形图a. 输输入入波波形形(3) 如果静态工作点如果静态工作点Q太高太高abBQBIi oQCEQUCEQUCQICQIiB1iB2已知已知Q已知已知 iB工作点的移动工作点的移动uCE波形图波形图iC波波形图形图b. 输出波形输出波形输出输出电压电压饱和饱和失真失真tMNCCC/ RVCCV0CEuCi0tCEu0CiiQBQIBQIBEQU0Bit0t0BiBEuBEu工作点的移动工作点的移动uBE波形波形ab已知已知QiB1iB2iB的波形的波形a. 输输入入波波形形(4) 如果输入信号太大如果输入信号太大abBQBIi oQCEQUCEQUCQICQIiB1iB2已知已知Q已知已知 iB工作点的移动工作点的移动uCE波形波形iC波形波形b. 输出波形输出波形tMNCCC/ RVCCV0CEuCi0tCEu0Ci2当当RL时时（1）放大电路的交流通