半导体三极管及放大电路基础课件2

半導體三極管及放大電路基礎半導體三極管頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管矽管、鍺管類型：NPN型、PNP型半導體三極管是具有電流放大功能的元件晶體三極管的結構發射結

集電結基極發射極

集電極晶體三極管是由兩個PN結組成的發射區基區

集電區三極管電流分配

半導體三極管在工作時一定要加上適當的直流偏置電壓。在放大工作狀態：發射結加正向電壓，集電結加反向電壓。三極的工作原理

發射結加正偏時，從發射區將有大量的電子向基區擴散，形成的電流為IEN。從基區向發射區也有空穴的擴散運動，但其數量小，形成的電流為IEP。（這是因為發射區的摻雜濃度遠大於基區的摻雜濃度。）

進入基區的電子流因基區的空穴濃度低，被複合的機會較少。又因基區很薄，在集電結反偏電壓的作用下，電子在基區停留的時間很短，很快就運動到了集電結的邊上，進入集電結的結電場區域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區被複合的電子形成的電流是IBN。

另外因集電結反偏，使集電結區的少子形成漂移電流ICBO。

很小的基極電流IB，就可以控制較大的集電極電流IC，從而實現了放大作用。三極管的電流關係共集電極接法：集電極作為公共端；

共基極接法：基極作為公共端。共發射極接法：發射極作為公共端；各極電流之間的關係式

共基極電流傳輸係數。因ICBO較小，所以又因則，IC≈IE因ICEO較小，所以共發射極電流放大係數。IE=IC+IB

>>1三極管的放大作用發射結外加電壓~~~半導體三極管的特性曲線

iB是輸入電流，vBE是加在B、E兩極間的輸電壓。輸入特性曲線—iB=f(vBE)

vCE=常數

共發射極接法的輸入特性曲線其中vCE=0V的那一條相當於發射結的正向特性曲線，當vCE≥1V時，vCB=vCE

-vBE>0，集電結已進入反偏狀態，開始收集電子，且基區複合減少，IC/IB

增大，特性曲線將向右稍微移動一些。但vCE再增加時，曲線右移很不明顯。

導通電壓鍺管0.1~0.3V矽管0.6~0.8V輸出特性曲線—

iC=f(vCE)

iB=常數

iC是輸出電流，vCE是輸出電壓。

⑴放大區：發射結正偏、集電結反偏⑵截止區：

IB=0以下的區域。⑶飽和區：發射結和集電結均為正偏。IC隨著VCE的變化而迅速變化。工程上以VCE=0.3伏作為放大區和飽和區的分界線。VCE大於0.7

V左右(矽管)。發射結和集電結均為反偏。動畫2-2

測量三極管三個電極對地電位，試判斷三極管的工作狀態。

放大截止飽和-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve發射結和集電結均為反偏。發射結和集電結均為正偏。例1：

測得VB=4.5

V、VE=3.8

V、VC=8

V，試判斷三極管的工作狀態。放大例2：半導體三極管的參數

直流參數、交流參數、極限參數①直流電流放大係數

1.共發射極直流電流放大係數

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=常數一.直流參數

2.共基極直流電流放大係數

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

顯然與之間有如下關係:=

IC/IE=IB/

1+

IB=/

1+

②極間反向電流

1.集電極基極間反向飽和電流ICBO

ICBO的下標CB代表集電極和基極，

O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當於集電結的反向飽和電流。

2.集電極發射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO和ICBO有如下關係

ICEO=（1+）ICBO

相當基極開路時，集電極和發射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應的Y座標的數值。二.交流參數①交流電流放大係數

1.共發射極交流電流放大係數

=

IC/

IB

vCE=const

在放大區

值基本不變，通過垂直於X軸的直線由

IC/

IB求得。

在輸出特性曲線上求β

2.共基極交流電流放大係數α

α=

IC/

IE

VCB=const當ICBO和ICEO很小時，可以不加區分。②特徵頻率fT

三極管的

值不僅與工作電流有關，而且與工作頻率有關。由於結電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的

將會下降。當

下降到1時所對應的頻率稱為特徵頻率，用fT表示。①集電極最大允許電流ICM

三極管集電極最大允許電流ICM。當IC＞ICM時，管子性能將顯著下降，甚至會損壞三極管。②集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過集電結時所產生的功耗，

PCM=ICVCB≈ICVCE，因發射結正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集電結上。在計算時往往用VCE取代VCB。三.極限參數③反向擊穿電壓

1.V(BR)CBO——發射極開路時的集電結擊穿電壓。下標BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。

2.V(BR)EBO——集電極開路時發射結的擊穿電壓。3.V(BR)CEO——基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓。對於V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。幾個擊穿電壓在大小上有如下關係

V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區、過電流區和擊穿區。

輸出特性曲線上的過損耗區和擊穿區半導體三極管的型號國家標準對半導體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C矽PNP管、D矽NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關管材料器件的種類同種器件型號的序號同一型號中的不同規格三極管雙極型三極管的參數參

數型

號

PCMmWICMmAVR

CBO

VVR

CEO

VVR

EBO

VIC

BO

μAf

T

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5A5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DKG23250W30A4003258注：*為f

基本放大電路

基本放大電路一般是指由一個三極管與相應元件組成的三種基本組態放大電路。共發射極、共集電極、共基極放大電路的主要技術指標(1)放大倍數(2)輸入電阻Ri(3)輸出電阻Ro(4)通頻帶(1)放大倍數

輸出信號的電壓和電流幅度得到了放大，所以輸出功率也會有所放大。對放大電路而言有電壓放大倍數、電流放大倍數和功率放大倍數,通常它們都是按正弦量定義的。電壓放大倍數電流放大倍數功率放大倍數(2)輸入電阻

Ri

輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數，Ri大放大電路從信號源吸取的電流小，反之則大。(3)輸出電阻Ro

輸出電阻是表明放大電路帶負載的能力，Ro大表明放大電路帶負載的能力差，反之則強。

注意：放大倍數、輸入電阻、輸出電阻通常都是在正弦信號下的交流參數，只有在放大電路處於放大狀態且輸出不失真的條件下才有意義。(4)通頻帶BW相應的頻率fL稱為下限頻率，fH稱為上限頻率。

放大電路的增益A(f)是頻率的函數。在低頻段和高頻段放大倍數都要下降。當A(f)下降到中頻電壓放大倍數A0的1/

時，即基本放大電路的工作原理(1)共發射極基本放大電路的組成三極管T起放大作用。偏置電路VCC

、Rb提供電源，並使三極管工作線上性區。耦合電容C1、C2輸入耦合電容C1保證信號加到發射結，不影響發射結偏置。輸出耦合電容C2保證信號輸送到負載，不影響集電結偏置。負載電阻RC、RL將變化的集電極電流轉換為電壓輸出。

(2)靜態和動態

靜態:

時，放大電路的工作狀態，也稱直流工作狀態。

放大電路建立正確的靜態，是保證動態工作的前提。分析放大電路必須要正確地區分靜態和動態，正確地區分直流通路和交流通路。

動態:

時，放大電路的工作狀態，也稱交流工作狀態。

直流電源和耦合電容對交流相當於短路(3)直流通路和交流通路

(a)直流通路直流通路

能通過直流的通路。交流通路能通過交流的電路通路。(b)交流通路(4)放大原理

輸入信號通過耦合電容加在三極管的發射結於是有下列過程：三極管放大作用變化的通過轉變為變化的輸出放大電路的基本分析方法

①靜態工作狀態的計算分析法

IB、IC和VCE這些量代表的工作狀態稱為靜態工作點，用Q表示。在測試基本放大電路時，往往測量三個電極對地的電位VB、VE和VC即可確定三極管的靜態工作狀態。根據直流通路對放大電路的靜態進行計算②靜態工作狀態的圖解分析法2.由直流負載線VCE=VCC－ICRC

VCC、VCC/Rc3.得到Q點的參數IB、IC和VCE。1.在輸出特性曲線上確定兩個特殊點,即可畫出直流負載線。放大電路的動態圖解分析（1）交流負載線1.從B點通過輸出特性曲線上的Q點做一條直線，其斜率為-1/R'L

。2.R'L=RL∥Rc，是交流負載電阻。

3.交流負載線是有交流輸入信號時Q點的運動軌跡。

4.交流負載線與直流負載線相交Q點。通過圖解分析，可得如下結論：

1.vi

vBE

iB

iC

vCE

|-vo|

2.vo與vi相位相反；

3.可以測量出放大電路的電壓放大倍數；

4.可以確定最大不失真輸出幅度。(2)交流工作狀態的圖解分析（動畫3-1）①波形的失真飽和失真截止失真

由於放大電路的工作點達到了三極管的飽和區而引起的非線性失真。對於NPN管，輸出電壓表現為底部失真。

由於放大電路的工作點達到了三極管的截止區而引起的非線性失真。對於NPN管，輸出電壓表現為頂部失真。(3)最大不失真輸出幅度

注意：對於PNP管，由於是負電源供電，失真的表現形式，與NPN管正好相反。波形（動畫3-3）②放大電路的最大不失真輸出幅度

放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：

1.工作點Q要設置在輸出特性曲線放大區的中間部位；

2.要有合適的交流負載線。

動畫3-4

（4）非線性失真

放大器要求輸出信號與輸入信號之間是線性關係，不能產生失真。由於三極管存在非線性，使輸出信號產生了非線性失真。

非線性失真係數的定義：在某一正弦信號輸入下，輸出波形因非線性而產生失真，其諧波分量的總有效值與基波分量之比，用THD表示，即

(5)輸出功率和功率三角形

要想PO大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom

和Iom

都要大。放大電路向電阻性負載提供的輸出功率

在輸出特性曲線上，三角形

ABQ的面積，稱為功率三角形。三極管的低頻小信號模型

(1)模型的建立

1.三極管可以用一個模型來代替。

2.對於低頻模型可以不考慮結電容的影響。

3.小信號意味著三極管線上性條件下工作，微變也具有線性同樣的含義。h參數模型（2)模型中的主要參數rbe

交流輸入電阻

iB——輸出電流源表示三極管的電流放大作用①hie為輸入電阻，即rbe。②hre為電壓回饋係數，即μr。③hfe為電流放大係數，即

。

④hoe為輸出電導，即1/rce。

(3)模型簡化

μr反映三極管內部的電壓回饋，因數量很小，一般可以忽略。

1/rce與電流源並聯時，分流極小，可作開路處理。用H參數小信號模型分析共射極基本放大電路

(1)小信號等效電路(2)電壓增益(3)輸入電阻Ri(4)輸出電阻Ro穩定工作點I1分壓式偏置VBI1=(5~10)IBVB=(3~5)VIB(1)確定工作點:QIe+Ve-VB+

VBE-穩定過程(2)電壓增益工作點穩定，增益下降。解決這個矛盾的方法是加電容Ce。(3)輸入電阻Ri輸入電阻提高了，相當於增加了一個(1+β)Re的電阻。(4)輸出電阻Ro由KVL：輸出電阻提高了，即提高了電路的恒流特性。例1：解：求電路的靜態參數（IB、IC、VCE)，及動態參數（AV、Ri、Ro)。根據直流通路求靜態參數VBIBIC根據微變等效電路求動態參數1.電壓放大倍數2.輸入電阻Ri3.輸出電阻Ro（輸出端開路，輸入電壓為零）RiRi'根據微變等效電路求動態參數例2：解：求電路的靜態參數（IB、IC、VCE)，及動態參數（AV、Ri、Ro)。根據直流通路求靜態參數與例1結果完全相同VBIBIC根據微變等效電路求動態參數1.電壓放大倍數根據微變等效電路求動態參數2.輸入電阻Ri3.輸出電阻Ro（輸出端開路，輸入電壓為零）RiRi'例3：電路的參數不變，若β增加一倍，靜態參數（IB、IC、VCE)，及動態參數（AV、Ri、Ro)如何變化。(1)靜態參數∴

β增加一倍，IC、VCE不變，

IB減小一倍。（2）動態參數∴

β增加一倍，Ri、Ro

不變，

AV增大。例4：電路的參數不變，若斷開Ce，靜態參數（IB、IC、VCE)，及動態參數（AV、Ri、Ro)如何變化。(1)斷開Ce後，靜態參數不變。（2）斷開Ce後，動態參數AV減小，Ri增大，Ro

不變。共集電極電路（1）求工作點：QQ(2)電壓增益輸入電壓與輸出電壓同相電壓跟隨器（3）輸入電阻+-Ri（4）輸出電阻Ro電壓增益<1，輸入電壓與輸出電壓同相，輸入電阻高，輸出電阻低。*複合管可提高輸入電阻，提高β值。（動畫3-6）共基極電路(1)直流分析

與共射組態相同。(2)交流分析①電壓放大倍數②輸入電阻③輸出電阻Ro≈RC=βR'L/rbe放大電路的頻率回應

在放大電路的通頻帶中給出了頻率特性的概念---

幅度頻率特性相位頻率特性

幅頻特性是描繪：輸入信號幅度固定，輸出信號的幅度隨頻率變化而變化的規律。即∣∣=∣∣=

相頻特性是描繪：輸出信號與輸入信號之間相位差隨頻率變化而變化的規律。即

放大電路的幅頻特性和相頻特性，稱為頻率回應。因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同，從而使輸出波形產生失真，稱為幅度頻率失真，簡稱幅頻失真。放大電路對不同頻率成分信號的相移不同，從而使輸出波形產生失真，稱為相位頻率失真，簡稱相頻失真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。(動畫5-1)產生頻率失真的原因1.放大電路中存在電抗性元件，例如耦合電容、旁路電容、分佈電容、變壓器、分佈電感等;

2.三極管的

(

)是頻率的函數。在研究頻率特性時，三極管的低頻小信號模型不再適用，而要採用高頻小信號模型。RC低通電路的頻率回應電壓放大倍數(傳遞函數)為

RC低通電路的頻率特性曲線

幅頻特性的X軸和Y軸都是採用對數座標,稱為上限截止頻率。當時，幅頻特性將以十倍頻20dB的斜率下降，或寫成-20dB/dec。在處的誤差最大，有－3dB。

當時，相頻特性將滯後45°，並具有

-45

/dec的斜率。在0.1和10處與實際的相頻特性有最大的誤差，其值分別為+5.7°和－5.7°。

這種折線化畫出的頻率特性曲線稱為波特圖，是分析放大電路頻率回應的重要手段。RC高通電路式中

下限截止頻率、模和相角分別為RC高通電路的近似頻率特性曲線單極放大電路的高頻回應（1）高頻小信號模型

基區體電阻，b'是假想的基區內的一個點。

、發射結電阻和電容。

、集電結電阻和電容。

受控電流源