章半导体三极管及放大电路(精).ppt

1、第6章半导体三极管及放大电路,6.1双极型三极管6.2放大电路基础6.3多级放大电路6.4放大电路的频率特性,6.1双极型三极管,图晶体管的几种常见外形,三极管的结构如下图,6.1.1三极管的结构,图晶体管的结构和符号,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺杂浓度较高,集电区：结面积较大,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,基极base基区baseregion发射极emitter发射区emitterregion发射结emitterjunction集电极collector集电区collectorregion集电结collectorjunction,6.1.2三极管的电流控制作用,放大是对模拟信

2、号最基本的处理，由传感器获得的电信号都很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理，或使之具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。,图6.1.3基本共射放大电路,晶体管是放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。,一、晶体管内部载流子的运动二、晶体管的电流分配关系,发射结正偏，发射区电子向基区扩散，形成发射极电流IE。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,进入P区电子少量与基区空穴复合，形成基极电流IBN，多数扩散到集电结。,图1.3.4晶体管内部载流子运动与外部电流,图1.3.4晶体管内部载流子

3、运动与外部电流,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结被收集，形成IC。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,IE=IC+IB,共射直流电流放大系数：,三、晶体管的共射电流放大系数,若有输入电压uI作用，则晶体管的基极电流将在基础上叠加动态电流iB，则集电极电流在基础上叠加动态电流iC，其比值称为共射交流电流放大系数：一般取为几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不够稳定。,图基本共基放大电路,共基交流电流放大系数定义为：,NPN型三极管,PNP型三极管,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,总结:,正向受控（放大模式，即发射结正偏，集电结反偏）三

4、极管电流分配关系式：,6.1.3三极管的特性曲线,一、输入特性曲线,输入特性描述在管压降一定时，基极电流与发射结压降之间的函数关系。当0时，相当于集电极与发射极短路，即发射结与集电结并联，则输入特性曲线与PN结的伏安特性类似，为指数关系。,当增大时，则集电结反向电压增大，则集电结的漂移运动加大，即将发射结注入的电子作为集电结P区的少子更多地收集，则在基区参与复合运动的非平衡少子减少，则iB会减小，曲线右移。当增大到1V左右后，集电结电场足够强，可以将发射区注入基区的绝大多数非平衡少子都收集到集电区，则再增大，iC也不能明显增大，则iB基本不变。,二、输出特性曲线,输出特性曲线描述基极电流IB一

5、定时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。对于一个IB，就有一条曲线。,当uCE增大时，集电结电场增强，收集基区非平衡少子的能力增大，则iC增大。当uCE增大到一定数值时，集电结电场足够强，可以将发射区注入基区的绝大多数非平衡少子都收集到集电区，则再增大uCE，iC也不能明显增大，则曲线几乎平行于横轴，iC几乎仅取决于IB。,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当uCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,晶体管输出特性曲线,晶体管载流子运动,此区域中uCEuBE,集电结正偏，IBIC，称为饱和区。,晶体管输出特性曲线,晶体管载流子运动,此区域中:IB

6、=0,IC=ICEO,uBEIC,(3)截止区：发射结电压uBE开启电压Uon，都反偏。IB=0，IC=ICEO0,将三极管的非线性特性等效为线性电路,6.1.4三极管的微变等效电路,参数的确定,一般用测试仪测出；,rbe与Q点有关。,一般用公式估算rbe,rbe=rb+(1+)re,则,对于低频小功率管rb(100300),电流放大系数，极点反向电流及极间参数。,6.1.5三极管的主要参数,一、直流参数1、共射直流电流放大倍数：2、共基直流电流放大倍数：3、极间反向电流ICBO为发射极开路电集电结的反向饱和电流（集-基极反向截止电流）；ICEO为基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。,IC

7、BO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,电流分配关系式,二、交流参数工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为iB，相应的集电极电流变化为iC，则交流电流放大倍数为：1、共射交流电流放大倍数：2、共基交流电流放大倍数：,例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以

8、后的计算中，一般作近似处理：=,二、极限参数极限参数是指为使晶体管安全工作时对电压、电流、功率损耗的限制。1、最大集电极耗散功率PCM,图6.1.7晶体管的极限参数,2、最大集电极电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。3、极间反向击穿电压UCBOUCEOUEBO,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,会导致结温上升，故PC有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,6.1.6温度对三极管参数的影响,一、温度对ICBO的影响ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，温度升高时，少子浓

9、度增加，则ICBO增大。,二、温度对输入特性的影响与二极管伏安特性相似，温度上升时，正向特性左移。,图6.3.8温度对晶体管输入特性的影响,二、温度对输出特性的影响,图6.1.9温度对晶体管输出特性的影响,由图可知，当温度升高时，由于ICEO、增大，且输入特性左移，则集电极电流增大。,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。如电压放大电路，可用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,6.2放大电路基础,由信号的分解，任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号的叠加，则放大电路常以正弦波为测试信号。,6.2.1放大的概念及放大电路的性能指标,放大电路放大的本质是能量的控制和转换，电子电

10、路放大的基本特征是功率放大，即放大电压或电流或都有。在放大电路中能够控制能量的元件，如晶体管和场效应管，称为有源元件。放大的前提是不失真，只有在不失真情况下放大才有意义。晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，为使电路不失真，即输入输出始终保持线性关系，要工作在合适的区域（晶体管在放大区）。,放大电路可看作两端口网络。,图2.1.2放大电路示意图,放大电路的性能指标,正弦波信号源,信号源内阻,负载电阻,一、放大倍数放大倍数为输出量与输入量之比。1、电压放大倍数,Auu是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。,2、电流放大倍数,二、输入电阻,定义：输入电压有效值和输入电流有效值之比。,放大电路要

11、有前级（信号源）为其提供信号，就要从信号源索取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。放大电路所得到的输入电压越接近信号源电压，信号电压损失越小。为了使输入电流大一些时，则应使输入电阻小。,三、输出电阻RO,放大电路对其负载而言，相当于信号源，即一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效电阻称输出电阻。可将其等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,确定电路的输出电阻方法,方法一：计算。1、所有的电源置零（将独立源置零，保留受控源)2、加压求电流,方法二：测量1、测量开路电压（空载时的输出电压有效值

12、Uo）。2、测量带负载的输出电压UO。,放大电路示意图,RO越小，负载电阻RL变化时，UO变化越小，称放大电路的带负载能力越强。,图6.2.1两个放大电路相连的示意图,由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数数值会下降并产生相移。则放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内信号。通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。放大倍数的数值与信号的频率关系曲线称为幅频特性曲线。,四、通频带Bandwidth,图6.2.2放大电路的频率指标,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,下限截止频率,上限截止频率,通频带：fbw=fHfL,6.2.2共射

13、极放大电路,图6.2.1基本共射放大电路,参考点,集电极电阻，将变化的电流转变为电压。,输入信号（正弦波电压）,放大元件IC=IB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,集电极电源，较高，可使集电结反偏,基极电源，使UBE大于开启电压UON,6.2.2图解分析法,图解分析法：利用晶体管的特性曲线以及负载线等，用作图的方法直接描绘出各有关的电压、电流波形；计算分析法：是将晶体管简化成线性等效电路，然后对整个放大电路进行计算，求出各有关的电压、电流值。以共射放大电路为典型进行分析。,1.用图解法分析静态工作情况,静态时常用直流量IB、UBE、IC和UCE来描述晶体管的静态工作情况。IB、U

14、BE可以在输入特性确定一点；IC、UCE在输出特性上确定一点。该点就称为静态工作点。静态工作点通常用Q表示，Q点坐标为IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。用图解法来分析静态的目的：确定Q点。,用图解法求静态工作点的步骤：,画出直流通路ui=0V即可。,1.用图解法分析静态工作情况,利用输入特性曲线来确定IBQ和UBEQ,列输入回路方程。,VBB=iBRb+uBE,写输入特性曲线方程,iB=f(uBE)|uCE=常数,求解，即为IBQ、UBEQ,由VBB=iBRb+uBE得,斜率为-1/Rb。取两点(0,VBB/Rb)及(VBB,0)，在坐标系中画出这条线。,该线称为静态负载线，或直流负载线(S

15、taticLoadLines)，它与输入特性的交点Q就是静态工作点。Q点的坐标就是静态时的基极电流IBQ和基-射极间电压UBEQ,利用输入特性曲线来确定IBQ和UBEQ,利用输出特性曲线确定UCEQ及ICQ,列输出回路及输出特性曲线方程：,iC=f(uCE)|iB=常数,VCC=iCRc+uCE,方程VCC=iCRc+uCE可写成斜截式方程,取两点(0,VCC/Rc)，(VCC,0)，连成直线。,iC,0,uCE,(b),IBQ,-1/Rc,UCEQ,ICQ,该线称为输出特性的直流负载线，交点Q就是静态工作点。,利用输出特性曲线确定UCEQ及ICQ,2.用图解法分析动态工作情况,输入交流信号u

16、i0，此时电路中各处为直流与交流的叠加。,利用输入特性画出iB和uBE波形,设输入信号ui=Uimsint(mV)从输入回路可列出方程：,VBB+ui=iBRb+uBE,=,取两点（VBB+ui，0）和（0，（VBB+ui）/Rb）,图解法求uBE及iB波形,利用输出特性画出iC和uCE波形,当ui0时，有VCC=iCRc+uCE，其中iC与uCE既有直流分量又有交流分量。它反映了瞬时电量之间的关系，故称为动态负载线或交流负载线(DynamicLoadLines)。由输入特性曲线已得到iB的波形，且有VCC=iCRc+uCE取两点（VCC，0）和（0，VCC/Rc）iC=f(uCE)|iB=常

17、数多条曲线。,图解法求uCE和iC,iC(mA),t,4.非线性失真,波形失真：信号经放大电路放大以后，输出波形与输入波形不完全一致。非线性失真(NonlinearDistortion)：由于晶体管特性曲线非线性引起的波形失真。非线性失真主要与静态工作点的位置和输入信号的幅值大小有关。两种主要的非线性失真：截至失真和饱和失真。,截止失真,条件：静态工作点设置偏低，输入信号ui的幅值相对比较大。结果：iB、iC、uCE的波形出现“削顶”失真，见图。这种失真称为截止失真(CutoffDistortion)。消除截止失真的方法：提高Q点位置（如减小Rb的阻值）；减小ui的幅值。,截止失真,饱和失真,

18、条件：静态工作点设置偏高，输入信号ui的幅值相对比较大。结果：iC、uCE的波形出现“削顶”失真这种失真称为饱和失真（SaturationDistortion）。消除饱和失真的方法：降低Q点位置（如Rb或Rc）；减小ui的幅值。,t,饱和失真,6.2.3计算分析法,计算分析法：把工作在放大区的晶体管小范围的特性曲线近似地用直线来代替，从而用相应的线性等效电路来代替具有非线性特性的晶体管，然后运用电路理论进行分析计算。,ui=0时，静态Quiescent,UCEQ=UCC-ICRC,静态工作点的计算,UCEQ=VCC-ICQRC,ui=0时，静态Quiescent,设置静态工作点的必要性,一、静

19、态工作点,UBEQ：发射结正偏的开启电压（Si:0.6-0.8V)(Ge:0.1-0.3V),IBQ,为什么要设置静态工作点,图没有设置合适的静态工作点,当输入信号ui较小而小于三极管的开启电压UON时，则晶体管始终工作在截止区，无输出。当信号较大时，但在交流信号的负半周也工作在截止区，信号会失真。,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。电容对交、直流的作用不同。若电容容量足够大，可认为对交流不起作用，即对交流短路，对直流可看成开路，则交直流所走的通道是不同的。交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,

20、直流通路与交流通路,电容与频率的关系,直流通路：在直流电源的作用下直流电流流经的通路，即静态电流流经的通路，用于研究静态工作点。1）电容开路；2）电感短路；3）信号源短路，保留内阻。交流通路：输入信号作用下交流信号流经的通路，用于研究动态参数。1）容量大的电容短路；2）无内阻的直流电源短路。,ic,ui不为零时，为动态,ib,共射放大电路动态参数的分析（微变等效电路法）,电路动态参数的分析就是：求解电路电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,解题的方法是：作出h参数的交流等效电路,解题的方法是：作出h参数的交流等效电路,图6.3.16基本共射放大电路的动态分析,电压增益为,1、求电压放大倍数（电压

21、增益）,2、求输入电阻,3、求输出电阻,分压式偏置共射放大电路,6.2.4静态工作点稳定电路,静态工作点稳定的必要性,三极管是对温度敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：,1、UBE改变。UBE的温度系数约为2mV/C，即温度每升高1C，UBE约下降2mV。,2、改变。温度每升高1C，值约增加0.5%1%，温度系数分散性较大。,3、ICBO改变。温度每升高10C，ICBQ大致将增加一倍，说明ICBQ将随温度按指数规律上升。,一、温度对ICBO的影响ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，温度升高时，少子浓度增加，则ICBO增大。,二、温度对输入特性的影响与二极管伏安特性

22、相似，温度上升时，正向特性左移。,图温度对晶体管输入特性的影响,二、温度对输出特性的影响,图1.3.9温度对晶体管输出特性的影响,由图可知，当温度升高时，由于ICEO、增大，且输入特性左移，则集电极电流增大。,温度升高将导致IC增大，Q上移。波形容易失真。,T=20C,T=50C,图2.4.1晶体管在不同环境温度下的输出特性曲线,典型的静态工作点稳定电路,稳定Q点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使IBQ在温度变化时与ICQ产生相反的变化。,图静态工作点稳定电路,(a)直接耦合电路,(b)阻容耦合电路,(c)图a,b的直流通路,一、电路组成和Q点稳定原理,基极电位仅决定于分压，与温度无关。,tI

23、CQIEQUEQUBEQ(=UBQUEQ)IBQICQ,电流负反馈式工作点稳定电路,稳定Q点的电路的交流等效电路,无旁路电容时：,输入为基极，输出为发射极，称为共集电极电路，又称为射极输出器。,6.2.4共集电极放大电路,1、静态分析将上图中电容断开，可得直流通路,2、动态分析,结论：电压放大倍数恒小于1，而接近1，且输出电压与输入电压同相，又称射极跟随器。,输入电阻,输入电阻较大。,输出电阻,输出电阻低，故带载能力比较强。,如输出端加上发射极电阻RE,如输出端无发射极电阻RE,图6-2-21共集放大电路的输出电阻,补充共基极放大电路,图2.5.4共基极放大电路,VBB保证发射结正偏；VCC保

24、证集电结反偏；三极管工作在放大区。,一、静态工作点(IBQ,ICQ,UCEQ),二、动态分析,RoRc,电流放大倍数,微变等效电路,由图可得：,所以,由于小于1而近似等于1，则共基极放大电路没有电流放大作用。,共基极放大电路的等效电路,共基极放大电路没有电流放大作用，但是具有电压放大作用。电压放大倍数与共射电路相等，但没有负号，说明该电路输入、输出信号同相位。,三种基本组态的比较,大(数值同共射电路，但同相),小(小于、近于1),大(十几一几百),小,大(几十一百以上),大(几十一百以上),电路,组态,性能,共射组态,共集组态,共基组态,将多个单级基本放大电路联接，构成多级放大电路，组成多级放

25、大电路的每一个基本电路称为一级。,6.3多级放大电路,输入级：高输入电阻，减少从信号源索取电流；中间级：电压放大；输出级：输出电压稳定，低输出电阻，一定的功率输出；偏置电路：电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。,6.3.1多级放大电路的组成,级与级之间的连接称为级间耦合。四种常见的耦合方式：直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合,1、阻容耦合,图两级阻容耦合放大电路,第一级,第二级,特点：静态工作点相互独立，在分立元件电路中广泛使用。在集成电路中无法制造大容量电容，不便于集成化，尽量不用。低频特性差，无法放大变化缓慢的信号。,2、直接耦合,图两个单管放大电路简单的直接耦合,特点：(1)可以放大

26、交流和缓慢变化及直流信号；(2)便于集成化（无大容量电容）。,(3)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随级数增加而上升；(4)零点漂移（改进电路）。,二、直接耦合特点：(1)可以放大交流和缓慢变化及直流信号；(2)便于集成化（无大容量电容）；(3)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随级数增加而上升；(4)零点漂移（改进电路）。,一、零点漂移现象及其产生的原因直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象。,直接耦合放大电路的零点漂移现象,零点漂移现象,原因：电路中参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化等。阻容耦合放大电路中

27、，缓慢变化的漂移电压将降落在耦合电容上。直接耦合放大电路中，漂移电压会逐级放大。放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。采用高质量的稳压电源和使用经老化实验的元件可减少这类漂移，则温度就是产生零点漂移的主要原因。放大器件的参数受温度影响而使Q点不稳定。也称温度漂移。,二、抑制温度漂移的方法引入直流负反馈以稳定Q点；,采用差分放大电路：即采用特性相同的管子，使其温漂相互抵消。,3变压器耦合,变压器耦合共射放大电路,前后级靠磁路耦合，则各级放大电路静态工作点相互独立；可实现阻抗变换，用于功率放大。低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。,6.3.2多级放大电路性能指标的估算,一、电压放大倍数总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即其中，n为多级放大电路的级数。,二、输入电阻和输出电阻多级放大电路