第一章三极管1.ppt

1、第1章半导体,1.2三极管及基本放大电路,1.2.1晶体三极管的结构工作原理管脚排列方式1.2.2晶体三极管的特性曲线参数及检测1.2.3放大器的一般概念1.2.4基本放大电路,半导体三极管又称为晶体三极管，后面简称为晶体管，它与二极管一样也是非线性器件，但其主要特性上是截然不同。二极管主要是单向导电性，而晶体管的主要特性与其工作模式有关。当三极管工作在放大模式时，它对信号的电流、电压具有放大作用，从而构成放大器；当三极管工作在饱和和截止模式时，它相当于一个受控开关，从而构成无触点开关电路。,1.2.1晶体三极管的结构工作原理管脚排列方式,1.晶体三极管的结构,在一个极薄的硅或锗的基片上制造出

2、三个掺杂区（三层半导体）形成两个PN结，就构成了晶体管。从三层半导体上各接出一个引线，就是三极管的三个电极，再封装在管壳里就制成了三极管。,三个电极分别叫发射极E、基极B、集电极C，对应的每层半导体分别称为发射区、基区、集电区。发射区与基区交界处的PN结叫发射结，集电区与基区交界处的PN结叫集电结。依据基区材料是P型还是N型半导体，三极管有NPN型和PNP型两种类型。它们的基本结构及符号如图所示。,2.工作原理,当三极管的发射结作用正向电压（又称正向偏置）而集电结作用反向电压时，三极管的基极电流对集电极电流有控制作用。,IB0发射结正偏,IB=0发射结反偏,IB0集电结正偏,IB=0集电结反偏

3、,IB=0两个PN结总有一个反偏,UBBUCC，IB0IC0发射结和集电极正偏，IC不受IB控制。,UBBUCC，IB0IC0发射结正偏，集电极反偏，IC受IB控制。,2.工作原理,当三极管的发射结作用正向电压（又称正向偏置）而集电结作用反向电压时，三极管的基极电流对集电极电流有控制作用。,（1）因为发射结正偏，又因为发射区杂质浓度高，所以发射区向基区扩散（注入）大量电子，形成了扩散电流IEN。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IEIEN。,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流

4、IBIBN。大部分到达了集电区的边缘。,IBN,1)晶体管内部载流子的运动,（3）因为集电结反偏，且结面积较大，收集扩散到集电区边缘的电子形成漂移电流ICN。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,它们共同形成集电极电流IC。,IBN,2）晶体管的电流分配关系,IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP,IBN,IC=ICN+ICBO,IB=IBN+IEPICBO,从外部看,IE=IC+IB,IE扩散运动形成的电流IB复合运动形成的电流IC漂移运动形成的电流,3）共射电流放大系数,定义：共射直流（静态）电流放大系数,共射交流（动态）电流放大系数,3.管脚排列方式,有几种方式管脚以等腰三

5、角形排列管脚呈一字形排列大功率三极管,1）管脚以等腰三角形排列：顶点为B，左为E，右为C。,2）管脚呈一字形排列：中间为B，短远为C，剩为E。,3）大功率三极管：壳体为集电极C管脚；或最远为集电极管脚。,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,半导体三极管的型号,1.2.2晶体三极管的特性曲线参数及检测,%特性曲线%晶体管的检测,1.晶体三极管的特性曲线测量电路,以共射放大电路为例。,1）输入特性曲线iB=f(uBE)uCE=con

6、st,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE1V再增加时，曲线右移很不明显。因为集电结的电场已足够强，iC基本不变，故iB也基本不变。,（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,也存在死区,2）输出特性曲线iC=f(uCE)iB=const,现以iB=60A一条加以说明。,（1）当uCE=0时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2）uCEiC。,（3）当uCE1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电区收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，

7、可作出iB=其他值的曲线。,截止区:,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用,iB=0iC0,晶体管C、E之间相当于开路,uBEUon,输出特性曲线分为四个区域:,放大区:,发射结正偏,集电结反偏,有电流放大作用,输出曲线具有恒流特性,放大区,uBEUon,发射结、集电结处于正偏,失去放大作用,晶体管C、E之间电压UCE0.7V,饱和区,饱和区:,uCE=uBE(uCB=0）晶体管处于临界状态。,饱和压降UCES,饱和压降UCES：硅管0.3V，锗管0.1V,击穿区:,发射结正偏,集电结反偏,随着UCE的增大，加在集电结上的反偏电压增大，超过一定数值时，集电结发生击穿。,晶体三极管的输出特性

8、曲线,在放大器中，晶体三极管工作在放大区；在开关电路中，晶体三极管工作于饱和区和截止区。,2.晶体管的检测,（1）用万用表判别管脚的极性,三极管的结构示意图,三极管的管脚判别,2.晶体管的检测,（2）晶体管好坏的大致判别,根据晶体管PN结的单向导电性，我们可以检查各极间PN结的正反向电阻，如果相差较大，说明管子基本是好的；如果正反向电阻都较大，说明管子内部有断路或PN结性能不好；如果正反向电阻都小，说明管子极间短路或击穿了。,注意：用万用表测晶体管，不宜用RX1挡，因为电表内阻较小，流过晶体管电流较大；也不宜用RX10k挡，这挡电压高，可能损坏一些低反压小功率晶体管。,1.2.3放大器的一般概

9、念,放大器的基本概念放大器的应用,1、放大器的基本概念,放大现象存在于各种场合：,其共同特点是：,将“原物”形状或大小按一定比例放大；,放大前后能量守恒,2、放大器的应用例如：,放大的对象：,放大的本质：,放大的特征：,放大的基本要求：,不失真,变化量,能量的控制和转换,功率放大,线性工作区,电压或电流,有源元件,正弦量,1.2.4基本放大电路,放大电路方框图,任何放大电路均可看成为两端口网络。,信号源,信号源内阻,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,晶体管放大电路,共射放大电路,共基放大电路,共集放大电路,(1)必须具有一个能起到控制、放大作用的器件,晶体管或场效应管；,(2)保证不失真

10、的放大,工作在线性放大区（晶体管）或恒流区（场效应管）,NPN:发射结正偏集电结反偏,电路的组成,保证被放大的交流信号有合适的传输通道。,(3)放大的是变化量,加入动态信号ui后：,ui=0时，称放大电路处于静态。,VCC、VBB保证晶体管工作在线性放大区，,晶体管c-e之间电压UCE,ui,uBE,iB,iC,uRC,uCE,（uo）,=VCC-ICRC,此时IC=IB。,各元件的作用,VBB、Rb：,VCC、Rc：,保证晶体管工作在放大状态,晶体管T：,放大信号、控制能量,使集电极电流的变化,转换为电压的变化；,向被放大的输出信号提供能量。,使UBEUon，且有合适的IB。,使集电结反向偏

11、置，,输入电压ui为零时，将晶体管各极的电流、b-e间电压以及c-e间电压称为静态工作点Q。,各处电压电流值记作IBQ、,ICQ（IEQ）、,UBEQ、,UCEQ。,放大的对象是动态信号，为什么却要晶体管在信号为零时有合适的静态工作点？,quiescent,设置静态工作点的必要性,输出电压必然失真！,为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？,要解决失真问题，必须设置合适的静态工作点,(ube),Q1,Q2,实际放大电路中，为了防止干扰，常要求输入信号、直流电源、输出信号均有一端接在公共端，,称为“共地”,1、信号源与放大电路不“共地”2、两个电源,将两个电

12、源合二而一,共地,静态时，,动态时，b-e间电压是ui与Rb1上电压之和。,%、直接耦合放大电路,问题：,信号损失,Rb1不可去掉、,耦合电容的容量应足够大，,静态时，C1、C2上电压？,动态时，,C1、C2为耦合电容！,uBEuiUBEQ，信号驮载在静态之上。,%、阻容耦合放大电路,耦合电容使负载上只有交流信号。,即对于交流信号近似为短路。,“隔离直流、通过交流”。,对于直流信号近似为断路。,共发射极基本放大电路,PNP组成的共发射极放大器,%、放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,近似估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,通常，放大电路中直流电源的作用和交流信

13、号的,1、直流通路和交流通路,为简化，将它们分开作用，,作用共存，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。这使得电路的分析复杂化。,引入直流通路和交流通路。,直流通路,电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。,电容开路；,只考虑直流信号的分电路,信号源置零，保留内阻；,+UCEQ,用于研究静态工作点,交流通路,直流电源相当于短路,大容量电容相当于短路；,只考虑交流信号的分电路,（内阻为0）,用于研究动态参数,2图解法,（一）、静态工作点的分析,实际测出放大管的输入特性、输出特性和已知放大电路中其它各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大电路进行分析即为图解法,输入电压ui=0，

14、,IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。,近似估算法:,图解分析法：,画出直流通路，在此电路上进行近似估算,IBQ,（1）、用近似估算法确定Q点,直流通路,+UBE,+UCE,VCC=,RbIB,+UBE,VCC=,RcIC,+UCE,晶体管工作在线性放大区时：,硅管：,|UBE|=0.60.8V,锗管：,|UBE|=0.10.3V,当VCC大于10V时，,UBE可忽略。,IC,IB,+,-,ui,+VCC,Rb,C1,C2,+,+,iB,iC,iE,+uCE-,+uBE-,从输入回路看,iB与uBE的关系满足：,输入特性,直线方程,通常采用估算法确定IBQ。,输入回路负载线,（2）、

15、用图解法确定Q点,+,-,ui,Rb,C1,C2,+,+,从输出回路看,iC与uCE的关系满足：,IBQ,直线方程的斜率,与集电极负载电阻Rc有关，,故称之为直流负载线,iB,iC,iE,+uCE-,+uBE-,+,-,ui,+VCC,Rb,C1,C2,+,+,输出特性,直线方程,例题,利用图解法求静态工作点。,解：,估算IBQ,VCC=12V,IBQ,令IC=0，,则UCE=VCC,=12V,令UCE=0，,则IC=VCC/RC,=3mA,IBQ=40A,ICQ=1.5mA,UCEQ=6V,图解法静态工作情况,当VCC一定时，静态工作点Q在直流负载线上的位置，取决于静态基极电流IBQ，而IB

16、Q的大小由偏置电阻RB决定。,图解法静态工作情况,当其它条件不变，集电极电阻RC的变化时，直流负载线的斜率变化，引线Q点移动。,图解法静态工作情况,当其它条件不变，仅改变电源电压时，则负载线的向右（或向左）平移，但斜率不会改变。例如：M2N2直线。,电压放大倍数的分析,输出电压与输入电压变化相反,Q点位置对Au的影响,%、直流负载线与交流负载线,（1）、直流负载线,阻容耦合放大电路在工作时，,静态时，,负载对电路的工作状态,没有影响，,直流负载线方程为：,斜率,输出端总要接上一定的负载。,交流通路,2、交流负载线,动态信号遵循的负载线,其中：,交流负载线的斜率,必过Q点,必过Q点,交流负载线的

17、斜率,注意：（1）直接耦合，交、直流负载线是一条。,（2）阻容耦合，只有空载时，交、直流负载线重合。,由斜率定出的负载线称为直流负载线；,它由直流通路决定，,反映了静态时电路的工作状态；,由斜率定出的负载线称为交流负载线；,它由交流通路决定；,表示动态时工作点移动的轨迹。,由于,所以,故交流负载线比直流负载线,更陡，,结果使放大能力降低。,最大不失真输出电压变小。,图解分析法动态工作情况,电压放大倍数Au,电压放大倍数,电流放大倍数,衡量放大电路放大能力的重要指标,静态工作点与波形失真的关系,最大不失真输出电压:,为了使其尽可能大，应将Q点设置在负载线的中点:,%、图解法的适用范围,图解法能够

18、直观形象地反映晶体管的工作情况，,便于对放大电路工作原理的理解。,做图麻烦，,易产生误差。,必须实测所用管的特性曲线，,适用于分析输出信号幅值较大且工作频率不太高的情况。,多用于分析Q点位置、,和失真情况,优点：,缺点：,适用范围,且曲线只反映低频时,的电压电流关系；,%基本共集放大电路,电路的组成,+uo-,+ui-,交流通路,电路的组成,%共基放大电路,+ui-,+uo-,交流通道,共射,共集,共基,放大电压,放大电流,放大电流,放大电压,Au大,Au1,Au大,反相,同相,同相,Ri中,Ri大,Ri小,Ro大,Ro小,Ro大,频带窄,频带窄,频带宽,三种接法的比较,13集成运算放大器,高

19、性能的直接耦合多级放大电路，简称集成运放。,13.1集成运算放大器,(1),级间采用直接耦合方式；,用有源器件取代电阻；,(2)相邻元件具有良好的对称性，,受环境温度和干扰,等影响后的变化也相同，,所以大量采用各种差分放大电路,(作输入级),和恒流源电路（作偏置电路或有源负载)；,(3)不同形式的集成电路，,只增加元件不增加工序，,通常用复杂的电路形式来实现提高各方面性能的目的；,(4)常采用复合管,1集成运放的组成和工作原理,2集成运放电路的组成及其各部分的作用,输入级,一般为差分放大电路,中间级,主放大级，多为有源负载的共射(源)电路,输出级,互补输出电路，带载能力强,偏置电路,电流源电路

20、，为各级提供合适静态工作点,减少温漂,3集成运放的电压传输特性,输出电压与两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,线性区域：,Aod为差模开环放大倍数,非线性区域：,输出电压只有两种可能：,+UOM或-UOM,UOM为输出电压的饱和电压。,几十万倍,参数典型数值理想值,uo=A(u+-u-)=Aud,（2）、运放电路模型,（1）、运放电路符号,（3）、运放特点,虚断,虚短,电子电路将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响输入量的措施称为反馈。,反馈放大电路可用方框图表示:,+,放大电路,反馈网络,反向传输,正向传输,从输入端到输出端,从输出端到输入端,净输入量,输入量

21、,反馈量,4、由运算放大器构成的反馈放大器,（1）反馈分类及判断,按照对净输入信号的影响，分为正反馈和负反馈,按照反馈信号所取的输出信号不同，分为电压反馈和电流反馈,按照反馈信号加在输入回路的形式，分为串联反馈和并联反馈,按照反馈所含有的信号，分为直流反馈和交流反馈,（2）、有无反馈的判断,若放大电路中存在将输出回路与,输入回路相连接的通路，,并由此影响了放大电路的净输入，,则表明电路中引入了反馈。,无,有,无,有,无,（3）、负反馈和正反馈,1.负反馈使放大电路净输入量减小的反馈，或使输出量的变化减小的反馈。2.正反馈使放大电路净输入量增大的反馈，或使输出量的变化增大的反馈。,正反馈和负反馈

22、的判断法之一：瞬时极性法,在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的极性，可用“+”、“-”或“”、“”表示。,按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。,+uf,负反馈,如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,瞬时极性法,uf+,正反馈,瞬时极性法,5、集成运放的种类及选择,(1)、按工作原理分类,电压放大型,电流放大型,跨导型,互阻型,(2)、按可控性分类,可变增益运放,选通控制运放,(3)、按性能指标分类,高阻型,高速型,高精度型,低功耗型,高压型,(4)、运放的选择,信号源的性质,负载的性质,精度要求,环境条件,根据:,6.集成运放的

23、使用,%、使用时必做的工作,(1)、集成运放的外引线,金属壳封装,(F007),双列直插式封装,(LM741),2反相输入端,3同相输入端,6输出端,4负电源端,7正电源端,1、5外接调零电位器,8闲置端,8脚、,10脚、,12脚、,16脚,单运放、,双运放、,四运放,(2)、参数测量,(3)、调零或调整偏置电压,(4)、消除自激振荡,%、保护措施,(1)、输入保护,防止输入差模信号幅值过大,防止输入共模信号幅值过大,(2)、输出保护,(3)、电源端保护,1.3.2运算放大器的应用,一、运算放大器的开环应用,当集成运放处于开环状态或引入正反馈时，由于运放的开环放大倍数很大，使在运放的两个输入端之间有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和，使运放工作在非线性区。,利用这一特性，运放可以作电压比较器，信号发生器等。,电压比较器电路,集成运放处于开环状态或引入正反馈,虚短？,虚断？,%、电压比较器的种类,1、单限比较器,一个阈值电压,增大或减小的过程中只要通过UT，,uo都会发生跃变。,+UOM,2、滞回比较器,两个阈值电压,uI和过程中，,uo发生跃变对应的阈值电压不同。,+UOM,-UOM,3、窗口比较器,两个阈值电压,uI单方向变