半导体三极管及放大电路课件

半導體三極管及放大電路1.NPN型三極管集電區集電結基區發射結發射區NN集電極C基極B發射極E

一、三極管的結構分類和符號PECB符號第一節半導體三極管集電區集電結基區發射結發射區

CBEN集電極C發射極E基極BNPPN2.PNP型三極管三極管的型號例：3DG6A--鍺PNPB--鍺NPNC--矽PNPD--矽NPNG高頻小功率；A高頻大功率X低頻小功率D低頻大功率K開關管三極管材料功能序號ECRCIC

UCECEBUBE共發射極接法放大電路二、三極管的電流控制作用1.三極管具有電流控製作用的外部條件

（1）發射結正向偏置；（2）集電結反向偏置。以NPN型三極管為例應滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE輸出回路輸入回路公共端EBRBIB發射區向基區擴散電子IEIB電子在基區擴散與複合集電區收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負極向發射區補充電子形成

發射極電流IE

2.三極管的電流控制原理EB正極拉走電子，補充被複合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB在工藝上保證：a、基區很薄,摻雜濃度又很小。因此電子在基區擴散的數量遠遠大於複合的數量。所以：IC>>IB同樣有:

IC>>

IB所以說三極管具有電流控制作用,也稱之為電流放大作用。1.三極管的輸入特性IB

=f(UBE)UCE=常數三、三極管的特性曲線b、發射區的雜質濃度>集電區的雜質濃度。因此兩個區不能互換。輸入特性類似二極體的特性IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V

死區電壓，矽管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：矽管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。（以矽管為例）IB

=40µAIB

=60µAUCE

0IC

IB增加IB

減小IB

=20µAIB=

常數IC

=f

(UCE)2.三極管的輸出特性IC

/mAUCE

/V0放大區三極管輸出特性上的三個工作區

IB=

0µA20µA40µA截止區飽和區60µA80µA1.放大區（工作區）IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特點：滿足IC=IB；IC受IB的控制；IC和UCE無關，呈現恒流特性。稱為線性區（放大區）。條件：發射結正偏，集電結反偏。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A特點：此區域中UCEUBE,集電結正偏，IC不再受IB的控制;IB>IC,IC飽和;UCES0.3V稱為飽和壓降。2.飽和區條件:發射結和集電結均為正偏.IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區域中特點:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區電壓，稱為截止區。3.截止區條件:發射結和集電結均為反偏.電流放大係數：1.電流放大係數

電流放大係數

隨著溫度的變化會變化。溫度增高、

變大。四、主要參數60µA0

20µA1.52.3在輸出特性上求

IC

=IB

=1.5mA40µA=37.5

=IC

IB

=2.3–1.5(mA)60–40(µA)=40設UCE=6V,IB由40µA加為60µA

。IC

/mAUCE

/VIB

=40µA62.集-基極反向截止電流ICBO

AICBOICBO是集電結反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響。3.集-射極反向截止電流ICEO

AICEOBECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO=（

+1）ICBOIBE

IBEICBO進入集電區，形成IBE。根據放大關係，由於IBE的存在，必有電流

IBE。集電結反偏有ICBOIBE=ICBO4.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導致三極管的

值的下降，當

值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。所以集電極電流應為：IC=

IB+ICEO而ICEO受溫度影響很大，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。5.集-射極反向擊穿電壓當集---射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25

C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)CEO。6.集電極最大允許功耗PCMPC=ICUCE集電極電流IC流過三極管，所發出的焦耳熱，必定導致結溫上升，所以PC有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區第二節交流放大電路

放大的概念電子技術中放大的目的是將微弱的變化信號放大成較大的信號。這裏所講的主要是電壓放大電路。uiuoAu一、基本交流放大電路的組成RCC1C2VRLRB2RE+CE++1.電路組成RB1RSus信號源直流電源提供偏置和能量集電極電阻保證交變電壓的輸出基極偏置電阻保證發射結正偏EC

C1、C2

為耦合電容，用來隔斷放大電路與信號源及負載之間的直流通路，同時又起耦合交流的作用。其電容值應足夠大，以保證在一定的頻率範圍內，耦合電容上的交流壓降小到可以忽略不計，即對交流信號可視為短路。CE為旁路電容，對直流開路，對交流短路。2.電容的作用：負載RCC1C2VRLRB2RE+CE++RB1RS信號源uouiusEC+UCC3.基本交流放大電路的電位畫法RCC1C2VRLRB2RE+CE++RB1RSus信號源uiuo

二、放大電路的靜態分析

靜態分析的任務是根據電路參數和三極管的特性確定靜態值（直流值）UBE、IB、IC

和UCE。可用放大電路的直流通路來分析。放大電路沒有輸入信號時的工作狀態稱為靜態。ICC1C2+++UCCUBEIBUCE直流通路1.靜態工作點的確定對於設計好的電路均能滿足I1>>IB

,I2

>>IB,可以認為I1≈

I2

則RB1VB

=UCCRB2RB2+直流通路BRCIC

UCERB1IBUCCIEI1I2RB2REuo當輸入信號為時ui=0，電路中只有直流電源UCC作用時，電容相當於斷路，交流放大電路的直流通路如圖所示可用估算法求靜態值VB

=UCCRB1RB2RB2+IC≈IE=VB–UBERE

IB=

ICUCE=VCC–ICRC–ICRE直流通路UCE、IC、IB稱為直流靜態工作點Q。BRCICRB1IBUCCIERB2REUCEUBE

=VB

–

VEIB

溫度升高

IC

IE

VE

UBE

IC

該電路的溫度性能好因此被廣泛應用，稱為分壓式偏置電路。

UCEBRCICRB1IBUCCIERB2RE其中VB由溫度穩定性好的UCC、RB1、RB2分壓決定，因此不隨溫度變化而變化。當0IB

=0µA20µA40µA60µA80µA121.5UCCRC+REN24681012VCCMQ直流負載線靜態工作點IC

/mAUCE

/Vtan

=-1/(RC+RE)2.工作點Q示意圖將方程UCE

=UCC-IC

RC-ICRE所表示的直線畫在三極管輸出特性曲線的座標平面上N點:IC

=UCC/RC+RE,UCE=0M點:IC=0,UCE=UCC

直線和三極管輸出特性中相對於IB的曲線的交點就是工作點Q。三、放大電路的動態分析放大電路有輸入信號時的工作狀態稱為動態。動態分析是在靜態值確定後,分析信號的傳輸情況。加入輸入信號後，三極管的各個電壓和電流都含有直流分量和交流分量。

1.輸出端開路輸入信號ui

=Uim

sint=0.02sint(v)以圖解法來看放大電路的工作原理RCC1C2VRB2RE+CE++RB1uoUCCRSuius0iBµAuBE/VQ1QQ260402000604020IB0.680.70.72UBEttµAiBiBibiB=ibIB

+在輸入特性上作圖ubeuBE/V

uBE=UBEUim

sint+=0.7+0.02sint(V)ube

0IB=40µA206080Q1.56N0Mt00Q12.250.752.251.50.75ICicUCEUcemuce

(uo)39uCE

/VuCE

/Vt369在輸出特性上作圖iC=

iB這時交流負載線和上面直流負載線的斜率不同,但也過Q點Q2iC

/mAiC

/mAtan’=-1/RCib=電壓放大倍數Au=UomUimUoUivUCC

對交流可視為短路C1,C2,CE對交流可視為短路++從交流通路來解釋一下負載線C1RCRB1UCCC2usuoRSRLRB2RECE交流通路中：vRCRB2RB1uo交流通路VUCC

對交流可視為短路C1,C2,CE對交流可視為短路2.接入RL的交流通道++畫出交流通路C1RCRB1UCCC2usuoRSRLRB2RECEvRCRB2RB1uo交流通路RL

由基本放大電路的交流通路可以得出:=

–icuo(RC//RL)=

–icRL,與不接RL的電路uce=-icRc相比，uo幅值顯然減小，即電路的電壓放大倍數降低。

vRCRB2RB1uo交流通路RL0IB=40µA2060803Q1.5612N0Mt00Q22.250.752.251.50.75ICicUCE39369Q1uce

(uo)接負載後，Uom減小,Au下降。

uCE

/VuCE

/VtQ1作圖示意如下：Q2空載輸出電壓iC

/mAiC

/mA接入負載,tan=-1/RL’ICUCE020A40A80A123IB=0Qt00uce

(uo)1、靜態工作點偏高引起飽和失真ic正半周變平Q2Q1uCE

/V

IB=60A

四、用圖解法分析非線性失真uo波形tuce負半周變平飽和失真uCE

/ViC

/mAiC

/mAuBE/V0Q5ibube0tt0iB

/µA(a)工作點偏低引起ib失真iB

/µAuBE/V2、工作點偏低引起截止失真t1t2t1t2在ube負半周t1~t2時間內，uBE小於死區電壓，iB=0設靜態值IB=5µAQ2Q10IB=5µA20608031.5612t00Q

2.250.752.251.50.75icuce

(uo)39400(b)工作點偏低引起

ic

、uce

(uo)失真0.250.25正半周變平uCE

/VuCE

/Vt截止失真uo波形iC=

iBQ1Q2iC

/mAiC

/mA**放大電路的組成原則(1)為了不失真的放大交變電壓信號,必須給放大電路設置合適的靜態工作點。(2)在輸入回路加入ui

應能引起uBE

的變化,從而引起iB和ic

的變化。

(3)輸出回路的接法應當使ic

變化轉化為電壓的變化送到輸出端。課堂討論題：下麵各電路能否放大交流電壓信號？UCCRCC1C2VRLuoui(a)RBUCCRCC1C2VRLuouiEB(b)圖(a)中，沒有設置靜態偏置，不能放大。圖(b)中，有靜態偏置,但ui被EB短路，不能引起iB的變化，所以不能放大。UCCC2VRLuouiRB(c)C1圖(c)中，有靜態偏置,有變化的iB和ic,但因沒有RC

，不能把集電極電流的變化轉化為電壓的變化送到輸出端,所以不能放大交流電壓信號。第三節微變等效電路分析法三極管在小信號(微變數)情況下工作時,可以在靜態工作點附近的小範圍內用直線段近似地代替三極管的特性曲線。一、三極管的微變等效電路

uBE=ube=uBE

–UBE

iBib==iB

–IBrbe

=

uBE

iB=ubeibrbe稱為三極管的輸入電阻，可用下式來估算：rbe

=300()

+(1+

)26(mV)IE

(mA)Q

iB

uBE

iBuBEo(忽略uCE變化對輸入特性的影響)rbe是三極管的交流參數！ic=

ibicuceubeib

ibCBE根據三極管的輸出端近似地看成一個理想的電流源，因此可畫出簡化了的三極管的微變等效電路如下E三極管簡化的微變等效電路icucerbe

ib

ibBCube

先畫出放大電路的交流通路二、放大電路的微變等效電路將交流通路中的三極管用其微變等效電路來代替。vRCRB2RB1uo交流通路RL

基本放大電路的微變等效電路rbe

EBCIi•Uo•riIb•Ib•

Ic•Ui•Us•RCRLRB2RSRB1三、放大電路的性能指標（交流參數）1.電壓放大倍數Au=

rbe

（RC//RL）=Uo•Ui•Ib•–Ib•=–

（RC//RL）rbe（Aus=稱為源電壓放大倍數。）Uo•Us•

基本放大電路的微變等效電路rbe

EBCIi•Uo•riIb•Ib•

Ic•Ui•Us•RCRLRB2RSRB12.放大電路的輸入電阻放大電路的輸入電阻定義為：ri

=RB

1//RB2//rbe

對基本放大電放大電路ri=Ii•riUi•rbe

EBCIi•Uo•Ib•Ib•

Ic•Ui•RCRLRB1RB2roRS放大電路3.放大電路的輸出電阻

對負載而言,放大電路相當於一個具有內阻的信號源，這個信號源的內阻就是放大電路的輸出電阻。

外加電壓在rbe中產生的電流為0U•Ib•=0Us•=0Us•=0IRC•I•U•roro==RC

U•I•可用外加電壓法求roRCRB1RSrbe

RB2Ib•

=0要求：（1）計算靜態值IB

、

IC

和UCE

；C1=C2

=20µF,三極管的

=50。RB2=10K,RC=4K

,RE

=2.2K,RL

=4K,CE

=100µF,例：在分壓式偏置電路中，已知：UCC

=12V，RB1=30K,（2）計算和ro、riAuRCC1C2vRLRB2RE+CE++RB1RSUCC解：（1）可用估算法求靜態值VB

=UCCRB1RB2RB2+=121030+10=3VIC≈IE=VB–UBERE=3–0.72.2=1.05mAIB=

=IC1.0550=21µAUCE=UCC–ICRC–ICRE=12–1.05(4+2.2)=5.49V直流通路（2）動態分析畫出微變等效電路BRCICRB1IBUCCIERB2REUCE

分壓式偏置電路的微變等效電路Au=–

RC//RLrbe

=–50

4//41.56k

=–64ri

=RB1

//RB2

//rbe

=30//10//1.56=1.29k

ro

=RC=

4

k

Uo•RCRLUi•RB2RB1rbe

Ib•Ib•

rbe

=300+(1+

)26IE=300+51

261.05=1.56k

__例：已知電路中RB=500K

，RC=3K，RL=3KUCC=12V。求靜態工作點Q、Au、ri、ro

。ui

C1VRLRCRBUCCC2uo畫出直流通路UCE

=UCC-IC

RC=12-1.133=8.16VIC

=

IB=5022.6=1.13mA矽管的UBE

約為0.7Vui

C1VRLuoRCRBUCCC2RCIC

UCEUBERBIB+UCCIEIB=UCC–UBERB=22.6A放大電路的微變等效電路rbeibibrceiiicuiuoRBRCRLui

C1VRLRCRBUCCC2uo電壓放大倍數的計算：rbeRBRCRLrbe=300+(50+1)

261.13=1.47K

電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。輸入電阻的計算：rbeRBRCRL放大電路輸出電阻的計算外加電壓在rbe中產生的電流為0U•Us•=0可用外加電壓法求roroIb•=0IRC•I•U•RCRBRSrbe

ro==RC

U•I•=3K

Ib•

=0T++第四節射極輸出器從發射極和地之間取輸出電壓。一、靜態分析IB=UCC–UBERB+(1+

)REUCE=UCC–IEREIE

=(1+

)

IBRE

UCEUBERBIBUCCIE直流通路usuoRSC1RBC2RERLUCC二、動態分析V++uSRSC1RBC2RERLUCC射極輸出器的交流通路1.等效電路

VusuoRERBRLRSBCE

射極輸出器的交流通路由交流通路可以看出，對交流信號而言，集電極C接地，集電極是輸入、輸出電路的公共端，所以射極輸出器是共集電極放大電路。交流通路VusuoRERBRLRSBEC微變等效電路VusuoRERBRLRSBCERBUs•RSUi•Ie•RERLUo•交流通路----微變等效rbe

B

E

Ib•

Ib•C動態分析：2.電壓放大倍數rbeRERL1、所以但是，輸出電流Ie增加了。2、輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。結論3.輸入電阻輸入電阻高，對前級有利。rbeRERLIb•=U•RS//RB+rbe=U•R'S+rbe式中R'S=RS//RB

IbI'•=

Ib

+••=（1+

）Ib•=（1+

）R'S+rbe

U•所以ro=U•I'•=（1+

）R'S+rbe

rbe=輸出電阻roro

//

RE=（1+

）R'S+//

RE4.輸出電阻rbe

RBRSREIb•

Ib•U•I•I'•roro

BCE•計算輸出電阻的電路一般所以射極輸出器的輸出電阻很小，帶負載能力強。射極輸出器的特點：（1）電壓放大倍數小於1，但近似等於1。（2）輸出電壓與輸入電壓同相，具有跟隨作用。（3）輸入電阻高。（4）輸出電阻低。三、射極輸出器的應用可以用射極輸出器作多級放大電路的輸入級、輸出級或中間級。用射極輸出器作輸入級時，因其輸入電阻高，可以減小放大電路對信號源的影響；作輸出級時，利用它輸出電阻低的特點，可以穩定輸出電壓，提高帶負載能力；將射極輸出器接在兩級共發射級放大電路之間，可以起阻抗變換作用，改善整個放大電路的性能。

第一級第二級第n-1級第n級輸入輸出耦合多級放大電路的放大倍數A總=A1×A2×A3An多級放大電路中前後級的關係是：前級是後級的信號源；後級是前級的負載例：在圖(a)所示電路中，已知

1=50，rbe1=

0.99k

，（1）當負載RL變化50%，即由3k

變為1.5k

時，試計算電壓放大倍數的相對變化量UCCRB1RCC1C2VRLuo

++300k

3k

ui（a）解：當RL=3k

時當RL=1.5k

時（1）只有第一級:Au=–

1RC//RLrbe=–503//30.99=–

76Au=–

1RC//RLrbe=–503//1.50.99=–

51電壓放大倍數的相對變化量

|Au||Au|=|–76–

(–51)||–76|=33%（2）如果在這個放大電路和負載之間加一級射極輸出器作輸出級，