常用半导体器件(一)

1、第五章半导体元件分析第五章半导体元件分析二极管双极性结型三极管(BJT)BJT相关放大电路场效应晶体管（FET)FET相关放大电路CMOS及相关电路放大电路总结多级放大电路半导体元件及相关放大电路的基本分析半导体二极管半导体二极管类型按材料按结构按用途硅管，锗管普通二极管，整流二极管，开关二极管，稳压二极管特点特点点接触型二极管：结面积小，因此结电容小，允许通过的电流小，适用于高频电路的检波或小电流的整流。面接触型二极管：结面积大，结电容大，允许通过较大的电流，一般用于低频整流硅平面二极管：结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。二极管的主要参数二

2、极管的主要参数1 最大整流电流IF：二极管长期运行时候允许通过的最大正向平均电流。2 最大反向工作电压UR：管子使用时候允许加的最大反向工作电压。（一般UR是反向击穿电压的一半）3 反向电流IR：二极管没有击穿时的反向电流。（一般反向的饱和电流）4 最大工作频率fM：二极管单向导电作用开始明显退化的时候交流信号的频率。（超过这个频率，二极管呈现电容特性）后面两个参数一般手册给出。二极管工作区二极管工作区有三个工作区：雪崩区、截止区、导通区工作区PN结雪崩区反向偏压低于雪崩电压截止区反向偏压高于雪崩电压且正向偏压低于门坎电压导通区正向偏压高于门坎电压当反向偏压低于雪崩电压Vbr时，反相电流急速增

3、加，进入雪崩区，此时可将二极管视为电阻值极小的电阻。一般的整流二极管不允许工作这一区，造成二极管元件永久的损坏。整流二极管的雪崩电压大概在50v以上齐纳二极管工作于雪崩区。当正向偏压低于门坎电压Vb且反向偏压高于雪崩电压Vbr时，二极管内的正向透过电流几乎为零，是为截止区，此时二极管可视为有极大值的电阻当正向偏压高于门坎电压Vb时，正向电流会急速增加，视为导通区，此时二极管可视为电阻值极小的电阻。一般，硅二极管的门坎电压约为0.7v，而锗二极管约为0.3v左右例1 测试整流二极管VI特性曲线的模拟实验电路如图所示。图中，D1N4002为硅质的整流二极管，整流电流为1A，雪崩击穿电压为100V测

4、试方法测试方法直流扫描控制设置：V1从-110V起始，终值为10V，步长为0.1V。结果查看结果查看调整坐标调整坐标X轴（轴（0-2v），），Y轴（轴（0-5A）调整坐标调整坐标X轴（轴（-100-99v），），Y轴（轴（-5-1A）二极管的模型参数二极管的模型参数参数名 定义默认值单位IS饱和电流110-14 ARS寄生串联电阻0N发射系数1CJ0零偏结电容0FVJPN结内建电势1VBV反向击穿电压VIBV反向击穿电流A修改二极管的模型参数修改二极管的模型参数选中元件，右键从快捷菜单中，选择edit pspice model子菜单，将IS=14.11E-9改为IS=14.11E-8添加仿真结

5、果添加仿真结果在新的probe窗口下，执行fileAppend waveform命令，将上次的仿真结果添加进来，以作比较比较结果比较结果二极管的应用二极管的应用检波二极管整流二极管输入保护克服交越失真限幅嵌位变容二极管二极管的应用（整流）二极管的应用（整流）输入输出波形输入输出波形二极管的输入保护二极管的输入保护运放一般都处在线性工作状态，因此两个输入端由反馈形成“虚短”。正常情况下这两个二极管不起作用。但一旦由于异常而导致虚短不成立时，此两个二极管保证运放的两个输入端电压不至于相差太离谱。如此也就对运放的输入起着一定的保护作用二极管的应用（限幅）二极管的应用（限幅）输出波形输出波形二极管的应

6、用（钳位）二极管的应用（钳位）要求：RC5T否则输入信号会出现严重失真输出波形输出波形稳压管的工作原理稳压管的工作原理 稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。 稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。 稳压管的参数稳压管的参数1 稳定电压UZ（稳压管的电流为规定的测试电流）2 动态电阻rz（rz越

7、小，稳压作用越好）3 稳定电流IZ,（稳压管工作时的参考电流值，通常手册上给定的电流是正常工作的电流下限）4 额定功耗PZm及最大稳定电流IZm5 电压温度系数（越小，稳压作用越好）稳压管特性曲线稳压管的应用稳压管的应用当外加反向电压小于Uz时，稳压管截止。开关断开；当外加反向电压大于Uz时，稳压管反向击穿稳压，开关闭合，两端电压为Uz 。稳压管的稳压条件稳压管的稳压条件1 UUz,稳压管DZ稳压2 必须适当选择RZ的阻值，使流过稳压管的电流在管子的参数-最大稳定电流IZM和稳定电流IZ之间双极型晶体管（双极型晶体管（BJT）原原 理结理结 构构 图图a=Ic/Ie=Ic/Iba大概在0.95

8、到1之间大概在20-200左右工作区偏压条件工作区偏压条件BE结BC结截止区反反饱和区正正放大区正反三极管的模型参数及其含义三极管的模型参数及其含义.Model NPN(PNP、LPNP) model parameters模型参数单位默认值含义IS A1E-16 饱和电流 BF100理想最大正向电流放大倍数NF1正向电流发射系数NR1反向电流发射系数Ne1.5发射结漏电系数RC0集电极电阻RB0零偏基极电阻RC0集电极电阻ISEA0发射结漏电流ISCA0集电结漏电流TRS0反向传递时间TFS0正向传递时间XTFS0传递时间系数 XTI3IS 的温度影响系数ITFA0集电极电流的传递时间例2 如

9、图所示BJT基本电路，模拟BJT输入输出特性。（以NPN型共射）输出特性。常数CE)(BEBUufiV12.7VdcR1100kQ1Q2N2222V210Vdc0常数B)(CECIufi求输入特性曲线求输入特性曲线 (VbeIb)仿真设置用曲线表示结果用曲线表示结果选中IB(Q1)Plot Axis SettingsY轴变量设置X轴变量设置点击此按钮，出现X轴参数设置V(Q1:b) V(Q1:e)X轴变量设置轴变量设置输入特性曲线输入特性曲线 (VbeIb)仿真设置输出特性曲线输出特性曲线主要扫描参数第二扫描参数常数B)(CECIufi输出特性曲线输出特性曲线饱和区截止区放大区判断三极管的工作

10、状态，可有多种方法判断三极管的工作状态，可有多种方法: : (1)根据发射结和集电结的偏置电压来判别。 (2)根据静态工作点BQ和CQ之来判别： BQ 0, 管子工作在截止区； CQ = BQ ，管子工作在 放大区； BQ CQ /,管子工作在饱和区。 (3)根据UBEQ值来判别， UBEQ 0.5V(对硅管)， 管子工作在截止区； UBEQ 0.7V UCEQ,管子工作 在饱和区。 (4)根据UCEQ值来判别， UCEQ VCC,管子工作在 截止区； UCEQ 0,管子工作在饱和区。例例3 基本共射极放大电路基本共射极放大电路作出其输入特性曲线作出其输出特性曲线R21kVCC20Vdc0R1

11、2.5kVBB1VQ1Q2N4123输入特性曲线输入特性曲线常数CE)(BEBUufi设置：VBB主扫描: 020VVCC次扫描: 1 4 7.5 10 20V (用Value lists)输出特性曲线输出特性曲线设置：VCC主扫描:020VVBB次扫描: 01.7V 每步0.3V常数B)(CECIufi静态工作点的问题静态工作点的问题将VBB直流电压替换成VSIN正弦交流电压，设置如右图。进行时域仿真040ms查看V1的电压和VC(Q1)的电压有何不同。R21kVCC20Vdc0R12.5kQ1Q2N4123V1FREQ = 50VAMPL = 1VVOFF = 0其中一半波形被切掉了。静态

12、工作点电压静态工作点电压设置设置VOFF=1V静态工作点电压静态工作点电压问题问题前面两幅图可以看出，当设置VOFF=1V时，输出波形与输入波形比VOFF=0时要好些。但要求放大波形全在安全工作区内，如何才能做到最佳？这就是静态工作点的问题：（1）不失真（2）放大电路如果将VOFF=2V,输出波形呢？静态工作点电压？如果将VOFF=2V,R1=10K这时候的输出波形呢？工作点电压？如果改变R2呢？例例4 静态工作点的设置静态工作点的设置如下电路图：阻容耦合共射放大电路R22.2kVCC12Vdc0R1240kV1FREQ = 50VAMPL = 10mVVOFF = 0VC110uC210uR

13、38kQ2Q2N2222测试信号测试信号V1，用VSIN来模拟，一般采用小幅值信号。注意：讨论静态工作点，不涉及动态输入，所以可以将上图简化，略去电容。R22.2kVCC12Vdc0R1240kV1FREQ = 50VAMPL = 10mVVOFF = 0VC110uC210uR38kQ2Q2N2222R22.2kVCC12Vdc0R1240koutQ2Q2N2222V112VdcBias Point法法静态工作点是否合适，看一下输出节点电压就知道了，确定Q点就看：Vce Ic Ib三个值。将将V1改成改成1V电压 电流图解法图解法直观！求输出特性曲线直流负载线的交点常数B)(CECIufi输

14、出特性曲线直流负载V-I特性CCECCRVViC仿真设置仿真设置(DC SWEEP)主扫描: VCC, 012V, 0.01次扫描: V1, 04V, 0.4V交点处即为交点处即为Q点点Ib的大小对Q点的影响是：Ib增大，输出特性曲线上移，与直流负载线的交点Q也上移。IB增大R2对对Q点的影响点的影响添加两条线：(12-VC(q2)/2800(12-VC(q2)/4000n当Vcc不变时，R2增加，Ic变小，直流负载线平坦下来。Vcc对对Q点的影响点的影响添加两条线：(10-VC(q2)/2200(8-VC(q2)/2200n当Vcc减小时，直流负载线向左平移。例例5 BJT 动态工作情况分析

15、动态工作情况分析如右图所示BJT共射极放大电路。分析其静态点。静态工作点静态工作点(Bias Point法法)电压n电流n静态工作点A597. 5 mV8 .656A748 V504. 4BBCCIVIV从直观上来讲，它工作在安全区用瞬态分析法进行验证用瞬态分析法进行验证(0100ms)Ib为微安级,Ic为毫安级Vb为毫伏级,Vc为伏级图解法的点图解法的点仿真设置：主扫描常数B)(CECIufiCCECCRVViC输出特性负载特性仿真设置：次扫描输出特性与负载线输出特性与负载线用用Probe Cursor获得点的值获得点的值当Vb=2V时，Vc=4.5036, Ic=748u饱和失真饱和失真将

16、V1改为4V, V2改为3V，Bias Point分析nVcq较小，为165.2mV，可能进入饱和区瞬态分析瞬态分析从左图，可以看出Ib不像正弦波怎么办？输入特性与基极负载特性输入特性与基极负载特性一般来说，放大区是工作在弯曲部分，而目前则是在陡峭的地方。也即，Vbe发生很小的变化，Ib也将产生大的变化。常数CE)(BEBUufiBBERVVi1B例例 6 分析分压式射极偏置电路分析分压式射极偏置电路分析目的分析目的1、了解放大器各参数对静态工作点的设置与调整方法。2、研究静态工作点对非线性失真的影响。 电路特点：电路特点： 1 1、分压式射极偏置电路。、分压式射极偏置电路。 2 2、利用、利

17、用R Rb1b1、R Rb2b2的分压作用固定基极电位的分压作用固定基极电位V VB B。 3 3、如果、如果I I1 1I IB B，当，当TICTIC（IE)VEVBEIBICIE)VEVBEIBIC，牵制了，牵制了I IC C的的增加增加，获得了稳定的，获得了稳定的静态工作点。静态工作点。 静态分析静态分析 静态工作点的选择与计算静态工作点的选择与计算 静态工作点静态工作点Q主要由主要由Rb1、Rb2、 Re、RC及及电源电压电源电压+VCC所决定。所决定。 静态工作点静态工作点Q的调整通常靠改变的调整通常靠改变Rb来实现。来实现。 为了得到最大的动态工作范围，为了得到最大的动态工作范围

18、，Q点设置在交流点设置在交流负载线的负载线的中点中点。 基本关系式 ： Rb2 VB=VCC Rb1+Rb2 VB-VBE IC IE= Re VCEVCC-IC (RC+Re) Rb1 VCE Q点过点过低，易易截止失真。 Rb1 VCE Q点过点过高，易，易饱和失真。静态工作点的选择 要使要使Q Q点稳定，必须点稳定，必须Irb1IBQIrb1IBQ，一般取：，一般取： )(20)(10 )(10)(5 BQ1 BQrb1锗管硅管IIIIrb 要使Q Q点稳定，必须点稳定，必须VBQVBEQVBQVBEQ, , , 一般取：一般取： )(3)V(1 BQ)(5)V(3 BQ锗管硅管VV 电

19、压放大倍数 beLioVrRVVA RL=RC/RL； 26mv rbe =200+( +1) IemAbeLVrRA 输入电阻beB2B1bei/rRRrR 放 大 器 信 号 源 R s Ri Vs Vi RsVVVIiVRisiii用用“串联电阻法串联电阻法”测量输入电阻测量输入电阻R Ri i 输出电阻CCoo/RRrR信 号 源放 大 器RoSRLVoVoLLoLoo)1(RVVRRo的大小反映放大器带负的大小反映放大器带负载的能力，载的能力，Ro愈小，愈小，带负带负载的能力愈强载的能力愈强。观察Q变化对输出波形的影响 在在R Rb1b1回路中串入回路中串入R Rp=100Kp=10

20、0K，R RL L开路，调整开路，调整RpRp的系数的系数 观察Q Q变化对输出波形的影响 R Rp p，这时，这时 VCEVCE，如果出现如果出现VCE VCE 0.5V0.5V，说明晶体管已经说明晶体管已经饱和。在本次中，饱和。在本次中，使使RpRp的的setset系数为系数为0.010.01 说明说明Q Q偏高，偏高，应应 IBQIBQ。 饱和状态输入输出波形饱和状态输入输出波形观察Q Q变化对输出波形的影响 R Rb b， VCE VCE ，如果出现如果出现VCE VCE VCC VCC，说明晶体管工作在，说明晶体管工作在截止截止状态。使状态。使RpRp的的setset系数为系数为1

21、1 说明说明Q Q偏低偏低 应应 IBQIBQ。 截止状态输入输出波形截止状态输入输出波形关于非线性失真关于非线性失真 当静态工作点Q位置偏高，而输入信号幅度又相对比较大时，将导致三极管工作点于部分时间内进入饱和区，由此而引起的波形失真称为饱和失真 当静态工作点Q位置偏低，而输入信号幅度又相对比较大时将导致三极管工作点于部分时间内进入截止区，由此而引起的波形失真称为截止失真 当输入信号幅度过大，可能同时出现以上两种失真，称之为双向失真。以上失真是由于三极管特性的非线性引起的，总称为非线性失真。设置合适的静态工作点设置合适的静态工作点 合理地设置静态工作点是保证放大电路正常工作的一个重要问题。设

22、置静态工作点应遵循的原则是：首先静态工作点必须位于由集电极最大允许电流ICM、集电极一发射极反向击穿电压V(BR)CEO以及集电极最大允许耗散功率PCM三个极限参数所限定的安全工作区内；此外，要根据放大电路的用途和信号幅度来确定静态工作点。 例如，当希望尽可能提高最大不失真输出幅度时，宜将静态工作点设置在交流负载线中央；当信号幅度不大，为了减少电源能量的消耗和噪声（随着Ic的增大，由电子热运动而引起的噪声电压将急剧上升），在不产生失真和保证一定的电压放大倍数的前提下（Ic愈小，则三极管输入电阻rbe，愈大，电压放大倍数Av愈小），常将Q点选得低一些；若要求尽量提高电压放大倍数，同时信号幅度比较

23、小，对噪声方面的指标要求又不高时，在不产生失真的情况下，可将Q点设置高一些。共基极放大电路共基极放大电路1 静态分析，确定工作点2 求AU3 几种状态下，输出电压波形特点特点1 电压放大倍数较大，输出信号电压和输入信号电压同相2 电流放大倍数小于13 输出电阻小。射级放大器射级放大器1 静态分析，确定工作点2 求AU3 几种状态下，输出电压波形特点特点1 电压放大倍数小于1，输出信号电压和输入信号电压同相2 电流放大倍数可大于1，具有电流放大和功率放大的能力3 输入电阻大，向信号源取的电流小。输出电阻小，带负载能力强。三种放大电路的比较三种放大电路的比较共发射级放大电路共集电级放大电路共基级放

24、大电路电压放大倍数较大小于并近似于1较大输出电压与输入电压的相位关系反相同相同相电流放大倍数较大较大小于并近似于1输入电阻大小适中较大较小输出电阻大小适中较小大小适中适用范围低频多级放大电路的输入级、中间级或输出级高输入阻抗的输入级、低输出阻抗的输出级或实现阻抗变换的缓冲级频率特性好，常用于宽频带放大器和高频放大器例例7 分析差分放大电路分析差分放大电路直流特性分析直流特性分析 直流分析是设定电路中某一参数(称为自变量)在一定范围内变化，计算电路的直流偏置特性。在此选定以三极管Q1的电流放大系数(在PSPICE中以BF表示)为自变量，令其取值从100线性增长到300，步长为15。研究差分放大电

25、路的输出电压与三极管电流放大系数的关系。仿真结果仿真结果由于差分放大电路结构对称，Q1与Q2具有相同的直流工作状态，且其集电极电位会随着电流放大系数的增大近似线性地减小 交流分析和噪声分析交流分析和噪声分析 交流分析和噪声分析是计算电路中交流小信号的频率响应特性，并将电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源上。研究差分放大电路的频率特性就是研究其在不同信号频率下的增益以及通频带。 设置交流分析的扫描频率从1HZ到1GHZ。采用10倍频增量进行递增。需要注意的是，应用PSPICE进行交流分析时，必须在电路图中设置相应的独立交流激励源，否则仿真无法进行。在此，可将上图中的正弦激励源

26、Vin改为幅值固定、频率可变的交流激励源VAC，设置VAC =0.1 激励及仿真设置激励及仿真设置仿真结果（差分电路的输出仿真结果（差分电路的输出Vout1与频率的变化关系）与频率的变化关系）当激励源保持幅值0.1V不变，而频率从1HZ递增到1GHZ时。差分放大电路表现出很好的低通特性。这是由于电路结构采用了直接耦合的方式，从而避免了阻容耦合方式时耦合电容对放大电路低频性能的影响。从图中还可直观地看出其通频带宽约为300KHZ。瞬态分析瞬态分析 瞬态分析是指在给定输入激励信号的作用下计算电路输出端的瞬态响应，实质就是计算时域响应。设置瞬态分析的参数为：从零时刻开始记录数据。到5000ns结束，

27、最大步长为0.1ns。这时电源采用开始的正弦源进行PSPICE仿真，研究差分电路在单端输入、单端输出以及双端输出时的工作情况 。瞬态分析设置瞬态分析设置单端输入的正弦信号波形单端输入的正弦信号波形 输出波形输出波形温度分析温度分析 研究电子电路的温度特性是非常必要的，因为半导体器件的显著缺点是其温度稳定性普遍较差。例如三极管，当环境温度变化时，会引起电流放大系数、反向饱和电流等参数发生变化，严重时甚至使电路无法正常工作。PSPICE的温度分析是计算所设计的电路在特定温度下的特性，是其特有的仿真功能 瞬态分析下的温度分析瞬态分析下的温度分析绿色代表27，红色代表40，蓝色代表60交流分析下的温度

28、分析交流分析下的温度分析乙类互补对称的功率放大器（乙类互补对称的功率放大器（OCL） 根据乙类功放导通角只有根据乙类功放导通角只有 ，我们将两个互补单管的乙类功我们将两个互补单管的乙类功放合并在一起，即可在负载上放合并在一起，即可在负载上得到完整的不失真波形，据此得到完整的不失真波形，据此我们可以得到如左图所示的乙我们可以得到如左图所示的乙类互补对称功放电路，也称为类互补对称功放电路，也称为OCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。电路组成工作原理工作原理vi为正半周时，为正半周时，T1导通，导通，T2截止，截止，负载上得到正半周的波形；负载上得到正半周的波形；vi为负半周时，为负半周时，T1

29、截止，截止，T2导通导通，负载上得到负半周的波形；，负载上得到负半周的波形；例9：乙类互补对称功放电路如图所示，试运用PSPICE分析该电路。 (1) Vi幅值为5V，频率为1KHz的正弦波。作瞬态分析，观察输出Vo形的交越失真。进一步作直流扫描分析，求失真所对应的输入电压范围瞬态分析瞬态分析直流扫描分析直流扫描分析信号源Vi的扫描范围为-2V+2V。得电压传输特性如图所示，由图中看出，输入电压在-0.68V+0.68V范围内出现失真 例例10 10 甲乙类互补对称的功率放大器甲乙类互补对称的功率放大器为减小和克服交越失真，在两基极间加上补偿二极管及相应电路，以供给T1和T2两管一定的正向偏压

30、，构成甲乙类互补对称功放电路 瞬态分析瞬态分析传输特性分析传输特性分析直流扫描分析直流扫描分析电压源Vi的扫描范围为-10V+10V。得电压传输特性如图g所示，由图中看出，最大输出电压范围约为-5V+5V 放大电路放大电路放大器的功能：在输入端输入一个微小信号，在输出端得到一个波形与输入相似，幅值比输入信号大得多的信号。图 放大电路的结构和信号的放大流程放大电路的基本要求放大电路的基本要求（1）必须保证放大器件工作在放大区，以实现电流或电压控制作用；（2）元件的安排应保证信号能有效地传输，即有uI时，应有uo输出；（3）元件参数的选择应保证输入信号能得到不失真地放大，否则，放大将失去意义。放大电路的组成原则放大电路的组成原则以基本基本共射放大电路例（1）直流电源要设置合适静态工作点，并做为输出的能源。对于晶体管放大电路，电源的极性和大小应使晶体管基极与发射极之间处于正向偏置，静态电压大于开启电压Uon；而集电极与基极之间处于反向偏置；即保证晶体管工作在放大区。对于场效管放大电路，电源的极性和大小应为场效管的栅极与源极之间、漏极