电子技术基础刘继承第3章

1、第3章 晶体管与基本放大电路,第1节 晶体管及共射极基本放大电路 第2节 晶体管放大电路三种基本组态 第3节 场效应管及其放大电路 第4节 多级放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,第3章 晶体管与基本放大电路,本章主要介绍构成线性放大电路的基本放大器件晶体三极管和场效晶体管的伏安特性和主要参数，分析有它们构成的基本放大电路的工作特点、性能指标以及分立线性放大电路与集成线性放大电路的主要区别和内在联系。,开 始,作 ？业,3.1 晶体管及共射极基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,晶体管的几种常见外形 晶体管的符号,3.1.1 晶体

2、管的结构、工作原理和特性,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,1. 晶体管的结构（NPN管）,在结构图中，基区比较薄且掺杂浓度很低；发射区掺杂浓度很高；集电区结面较大，掺杂浓度不高。因此，一般情况发射区和集电区不可互换使用。,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2. 晶体管的电流分配和放大原理,NPN型晶体管内部载流子运动如图。放大状态下，要求发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。,退 出,作 ？业,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,由晶体

3、管内部载流子运动的示意图可以 得出,NPN与PNP型晶体管共射组态直流电源电压极性相反，如图3.1.9所示。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,3. 伏安特性（以NPN硅管为例）,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,（1）输入特性,（2）输出特性,输出特性中基极电流,进入截止区，,集-射极电压,进入饱和区。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,晶体管三种工作状态对比表,作 ？业,

4、退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,例：测出处于正常放大状态的晶体管各个电极的电位如下图；试判断各管的类型（PNP，NPN）、材料（硅管？锗管？）并区分e，b，c三个电极。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,解：根据放大状态晶体管直流偏置条件，可知发射结正偏，UBE压差很小；所以对另外两电极压差较大的电极是集电极C。 A：是C；B：是C；C：是C 材料判断：锗管UBE=0.20.3V， 硅管UBE=0.60.7V； A：硅管；B：锗管；C：硅管,作 ？业,退

5、出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,类型判断：VC电位最高， NPN型, VC电位最低， PNP型。 A: NPN型 B: PNP型 C: NPN型 管脚判断：NPN型VCVBVE， PNP型VCVBVE。 A： 是B ， 是E; B ：是E ， 是B; C： 是E， 是B。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,4. 主要参数,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,图3.1.6晶体管的三种输入、输

6、出组态。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,与的关系：, 共射极直流电流放大系数, 共射极交流电流放大系数,一般情况可以认为, 共基极直流电流放大系数, 共基极交流电流放大系数,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.1 晶体管的结构、工作原理和特性,图3.1.7为晶体管极限参数的图示。,I C的最大值,PCM线,UCE的最大值,晶体管正常放大时，应保证：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射极基本放大电路,1.放大电路的工作原理,（1）电路

7、的构成,T: NPN型晶体管； R b: 基极偏置电阻；R C: 直流负载电阻；R L: 交流负载电阻；uS : 交流信号源； R S: 信号源内阻； VCC:直流电压源； C 1、C 2: 耦合电容。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射极基本放大电路,基本放大电路中每个元件都有相应的作用。交流信号源u S是被放大的信号，直流电压源VCC是给晶体管提供直流工作点，同时为信号放大提供能量。,在分析放大电路时，可采用线性电路叠加原理，先来分析VCC单独作用直流分析；再来分析u S单独作用 交流分析；然后将结果叠加起来。,3.1.2 共射基本放大电路,

8、主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,共射极基本放大电路 的组成及放大作用,我们可以通过动画演示理解一下信号叠加放大和传递过程。,3.1.2 共射基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,波形分析 ： 经过以上分析可 以将放大过程波形 叠加放大情况整理 成图3.1.11。,3.1.2 共射基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2放大电路的非线性失真,当信号进入截止区和饱和区，电路将产生非线性失真。如图3.1.12所示。,Q1:电流过大，易产生饱和失真；Q2:电流过小，易产生截止失真。 所

9、以，直流工作点一般设置为中点。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射极基本放大电路,（2）静态分析（直流分析）,VCC单独作用时等效电路直流通路。,此时uS=0，只有直流电源VCC起作用，耦合电容C 1、C 2相当于开路，图3.1.10 （c）等效为图3.1.10 （b），称作放大电路的直流通路。,3.1.2 共射基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,直流参数计算：,晶体管的基极电流IB、集电极电流IC、发射结电压UBE和管压降UCE,称为放大电路的静态工作点，记作IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。,工作

10、点计算公式,在近似分析时，可认为UBEQ已知，硅管取作0.60.7V，锗管取作0.20.3V。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射极基本放大电路,（3）动态分析（交流分析）,uS单独作用时，电容C 1、C 2和直流电源VCC相当于短路，其等效电路交流通路如图3.1.14(a)。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射极基本放大电路,由于放大状态晶体管发射结正向偏置，可用PN结小信号模型电阻rbe来等效；集电结反向偏置相当于开路；根据输出特性可知，放大状态晶体管集-射极可等效一个电流控制电流源。,晶体管放

11、大状态小信号线性模型，如图3.1.13。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射极基本放大电路,将晶体管小信号线性模型，代入图3.1.14(a)所示交流通路中，可得晶体管放大电路微变等效电路，如图3.1.14(b) 。,3.1.2 共射基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,交流参数计算：,放大电路的输入电阻Ri、输出电阻RO 和电压放大倍数Aui及源电压放大倍数AuS，称为晶体管放大电路的交流参数。,基本放大电路交流参数计算公式：,3.1.2 共射基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业

12、,退 出,开 始,例3.1.1 晶体管基本共射放大电路如图3.1.10(C)所示，已知晶体管的rbb=100，=80，导通时UBEQ=0.75V。,（1）估算静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ； （2）估算电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro和电压放大倍数Aui及Aus。,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,作 ？业,3.1.2 共射基本放大电路,解：（1）根据静态工作点计算公式可得,结果分析：UBEQUCEQ(1/2)VCC，因此:晶体管工作在放大状态；电流ICQ过大，若信号过大将可能产生饱和失真。,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,作 ？业,3.1.2

13、 共射基本放大电路,解：（2）根据交流参数计算公式可得,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.2 共射基本放大电路,结果分析： 由于晶体管的rbe较小致使放大电路的输入电阻Ri较小，因此当信号源内阻RS较大时，放大倍数Aus将有较大的衰减。 放大电路输出对负载RL可以看做是信号源。由于放大电路输出是电流源模型，因此在RL一定时，内阻RC越大,负载电阻RL中分流越大，输出电压也越高，所以电压放大倍数Aui越大。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,1. 静态工作点稳定的必要性,电源电压

14、的波动、元器件的老化以及因温度的变化所引起晶体管参数的变化，都会造成静态工作点的不稳定，从而使动态性能不稳定，甚至引起电路无法正常工作。,放大电路静态工作点的变化主要体现在“扰动”使集电极电流ICQ发生改变，因此在电路设计上应采用必要的电流负反馈，以保证ICQ的稳定。,2. 典型静态工作点稳定电路,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,图3.1.18 具有稳定集电极电流IC的功能。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,则晶体管的基极电位VBQ可写

15、作,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（2）工作点的稳定过程,下面举例说明电路的静态分析和动态分析。,例3.1.2 在图3.1.18所示的典型静态工作点稳定电路中，已知晶体管的输出特性曲线如图3.1.19, rbb=100，UBEQ=0.7V。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,解：根据题目要求和已知条件，首先进行直流分析；求得直流工作点Q(UCEQ，ICQ)后，在输出特性上找到相应点的IBQ从而根据 ICQ/ IBQ得到值；再进行交流计算

16、，求出交流参数。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,（1）估算静态工作点IBQ、ICQ和UCEQ；（2）估算输入电阻Ri、输出电阻Ro和电压放大倍数Aui； （3）若信号源内阻RS=1k,求Aus。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,（1）求静态工作点 电路的直流通路如图3.1.18(b)所示，由图可得,（2）估算交流参数 首先画出电路的微变等效电路，根据交流参数定义可求得Ri、Ro和Aui。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前

17、进,最 后,返 回,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,作 ？业,根据放大电路输出回路方程,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,可在输出特性上画出,直流负载线MN，如图,直流负载线MN上Q点对应的IB20mA,电流放大系数 I CQ /IBQ=50,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,作 ？业,根据交流参数计算公式可得,3.1.3 共射放大电路的静态工作点稳定问题,3.2 晶体管放大电路三种基本组态,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.2.1 三种组态电路的主要特点

18、和典型应用,1. 结构特点,图3.2.1 共射基本放大电路,3.2.1 三种组态电路的主要特点和典型应用,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,图3.2.2 共集基本放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,图3.2.3 共基基本放大电路,3.2.1 三种组态电路的主要特点和典型应用,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2. 性能特点,表3.2.1 晶体管三种组态放大电路的指标比较,3.2.1 三种组态电路的主要特点和典型应用,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3. 典型

19、应用,共射放大电路常作为多极放大器的中间级，是中、低频电压放大电路的首选单元电路。,共集放大电路常作为隔离器或阻抗变换器，用于多级放大器的输入级或输出级。它也是恒压源电路、测量放大电路、功率放大电路的首选单元电路。,共基放大电路是实现宽频放大电路的首选方案，可用于无线电通信系统，常用来实现恒流源输出。,3.2.1 三种组态电路的主要特点和典型应用,3.2.2 基本共集、共基放大电路的分析实例,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,共集电极电路的分析,共集电极电路的应用,3.3 场效晶体管及其放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,

20、3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,场效晶体管是利用极间电压产生的电场效应来控制输出电流的半导体器件，所以是一种电压控制电流型器件（简称压控器件）。又因为其工作电流主要由多数载流子的漂移运动形成，因此又称为单极型晶体管。与双极型晶体管相比，它具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强和制造工艺简单、易于大规模集成等优点，得到了广泛的应用。,3.3 场效晶体管及其放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,根据结构与制造工艺的不同，场效晶体管可分为,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退

21、出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,1绝缘栅型场效应管的结构与工作机理,（1）基本结构,在此以N沟道增强型绝缘栅场效晶体管为例，介绍结构和工作原理。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,（2）工作机理,通常衬底B与源极S相连，栅-源电压uGS将使栅极与衬底间产生方向向下的静电场，在衬底靠近绝缘层处感应出电子层，使两个N+区连通，形成N型导电沟道，见图3.3.2所示。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,若在漏-源极之间加上

22、电压uDS，则会产生漏极电流iD。通过增加电压uGS的大小，可增加导电沟道的宽窄，从而实现控制漏极电流iD大小的目的，故称此种场效应管为增强型N沟道场效应管。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,2增强型N沟道绝缘栅型场效应管的符号和伏安特性,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,（1）漏极特性,漏极特性是在电压UGS为常数的条件 下，表示漏极电流与漏-源电压间函数关 系的曲线，也称作输出特性。它有夹断 区、恒流区、可变电阻区三个工作区， 如图3

23、.3.3（C）所示。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,（2）转移特性,图3.3.3（b）为场效晶体管转移特性。当 场效晶体管工作在恒流区时，由于输出特性 可近似为平行于横坐标轴的一组曲线，电流 iD 的大小只与uGS有关，与uDS无关，所以可用 一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,3. N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管的结构与工作机理,（1）基本结构,制造时耗尽型绝缘栅场效晶体管时，在SO2绝缘层中加入正

24、电荷, 因此在uGS=0时,D-S间已存在导电沟道,如图。,导电沟道,SO2中的正电荷,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,下图为耗尽型N沟道绝缘栅场效晶体管 的符号和转移特性。当反向栅-源uGS电压 达到一定值时，导电沟道被夹断。,UP:夹断电压， (UP0)； IDSS:漏极饱和电流。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,4结型场效应管的结构与工作原理,N沟道结型场效应管在结构上与绝缘栅型场效应管不同。其结构是在一块N型半导体的两侧扩散两个

25、高浓度的P+区，形成两个背靠背的PN结。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,下图为N沟道结型场效晶体管的符号 和转移特性。当反向栅-源uGS电压达到 一定值时，导电沟道被夹断。,UP:夹断电压， (UP0)； IDSS:漏极饱和电流。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,各种类型的场效晶体管的符号和转移特性，如表3.3.1所示。,增强型N沟道,增强型P沟道,耗尽型N沟道,结型N沟道,结型P沟道,耗尽型P沟道,主菜单,回 退,前 进,最 后,返

26、 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,为了使场效晶体管电路正常放大，需要设置合适且稳定的静态工作点。表3.3.3列出了各类场效应管工作在放大区时对偏置电压UGSQ和UDSQ的极性要求。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,例：试分析图示各电路能否正常放大， 并说明理由。,(a)不能；N沟道结型UGS应为负偏压。 (b)能； (c) 不能； (d)不能。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,3.3.1 场效晶体管的结构、工作原理和特性,5场效应管的主要参数,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3.4 多级放大电路,单管放大电路的放大倍数只有几十倍，输入电阻和输出电阻也难于满足要求，故常采用多个单管放大电路的级