第3章-半导体三极管及放大电路基础

1、电子技术,第三章 半导体三极管,模拟电路部分,第三章 半导体三极管及放大电路基础,3.1 半导体BJT,3.2 共射极放大电路,3.3 图解分析法,3.4 小信号模型分析法,3.5 放大电路的工作点稳定问题,3.6 共集电极电路和共基极电路,3.7 组合放大电路,3.1.1 BJT的结构简介,半导体三极管（BJT）,3.1.2 BJT的工作原理,3.1.3 BJT的特性曲线,3.1.4 BJT的主要参数,半导体三极管的结构,NPN型三极管的结构与符号,集电区,基区,发射区,发射结E结,集电结C结,PNP型三极管的结构与符号,结构特点：, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面

2、积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,BJT的电流分配与放大原理,1. 内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子 （以NPN为例）,载流子的传输过程,2. 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= InC+ ICBO,IB= IB - ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,载流子的传输过程,根据,2. 电流分配关系,BJT的电流分配与放大原理,结论：,1、三极管在E结正偏、C结反偏时具有电流

3、放大作用。,2、三极管是一个电流控制元件，iC由iB控制。,放大电路基本组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,BJT的三种组态,半导体三极管的伏安特性（1）,三极管的伏安特性可分为：,输入伏安特性：,输出伏安特性：,由测量结果，可得输入伏安特性曲线：,uCE=0.5V,uCE1V,结论：三极管输入特性与二极管相似,半导体三极管的伏安特性（2）,由测量结果，可得输出伏安特性曲线：,IB=0,20uA,40uA,60uA,80uA,截止区,饱和区,放大区,截止区：iB0的区域,特点：iB=0

4、，iC=0,等效：,条件：E结反偏,饱和区：uCE1V的区域,特点：uCE=uCES0，iCiB,等效：,条件：E结正偏、C结正偏,放大区：,特点：iC=iB,等效：,条件：E结正偏、C结反偏,半导体三极管的伏安特性（3）,三极管在不同的控制条件下可工作于三种工作状态，即：放大、截止、饱和状态。,结论:,半导体三极管的主要参数,共射电流放大系数,共射直流电流放大系数,共射交流电流放大系数,一般在几十几百之间,极间反向电流,集电极-基极反向饱和电流ICBO,集电极-发射极穿透电流ICEO,受温度影响，硅管ICBO1uA、锗管约十多uA,极限参数,集电极最大允许电流ICM,集电极-发射极击穿电压U

5、（BR）CEO,集电极最大允许耗散功率PCM=UCEIC,ICEO,ICM,U（BR）CEO,PCM,安全工作区SOA,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。,输入,输出,？,参考点,共射极放大电路的组成（1）,作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,共射极放大电路的组成（2）,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,共射极放大电路的组成（3）,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,共射极放大电路的组成（4）,耦合电容： 电解电容，有极性。 大小为10F50F,作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,共

6、射极放大电路的组成（5）,可以省去,采用单电源供电,共射极放大电路的改进（1）,共射极放大电路的改进（2）,放大电路的组成条件（1）,基本放大电路的组成原则：,1、晶体管必须偏置在放大区发射结正偏，集电结反偏。（直流静态）,2、输入、输出信号要有耦合通路隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使交流信号顺利通过。（交流动态）,放大电路的组成条件（2）,如何判断一个电路是否能实现放大？,3. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,1. 信号能否输入到放大电路中。,2. 信号能否从放大电路中输出。,与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：,4. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,

7、共射放大电路的工作原理（1）,当ui=0时，称放大电路处于静态。,静态工作状态,由于电源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,共射放大电路的工作原理（2）,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,共射放大电路的工作原理（3）,共射放大电路的工作原理（4）,当ui0时，称放大电路处于动态。,动态工作状态,IB,uCE怎么变化,？,uCE的变化沿一条直线,uce相位如何,？,uce与ui反相！,共射放大电路的工作原理（5）,各点波形,ui,t,uo,共射放大电路的工

8、作原理（6）,共射放大电路的特点,共射放大电路的特点：,1、输入、输出信号相位相差180度。,2、输入、输出信号均是纯交流信号，信号经共射放大电路传输过程中是交直流混合信号。,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流（静态分析）上叠加了小的交流信号。（动态分析）叠加定理。,交流通路：只考虑交流信号的分电路。 直流通路：只考虑直流信号的分电路。,放大电路的分析方法（1）,信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,放大电路的分析方法（2）,放大电路的分析方法（3）,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,放大电路的分析方法（4）,静态工作点的分析(1),共射基本放

9、大电路的直流通路,ui=0 电容开路,静态工作点的分析(2),共射基本放大电路静态工作点的图解分析(Graphical Analysis),对输入回路,由KVL得:,则:,对输出回路,由KVL得:,则:,iB,uBE,0,IBQ,UBEQ,Q,Q,IBQ,UCEQ,ICQ,直流负载线Load Line,UCC,静态工作点的分析(3),共射基本放大电路静态工作点的估算法,根据三极管的伏安特性，有：,根据三极管的电流放大作用,有:,对输入回路,由KVL得:,对输出回路,由KVL得:,静态工作点的估算法举例,解：,请注意电路中IB 和IC 的数量级。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k

10、，=37.5。,静态工作点对放大电路工作的影响（1）,放大电路正常放大工作时的图解过程,加入输入信号,引起基极电流变化,引起集电极电流变化,Q,Q,放大信号输出,Q点对输出信号有影响吗？,静态工作点对放大电路工作的影响（2）,Q点过高时放大电路工作过程图解,加入输入信号,引起集电极电流失真,输出放大信号失真,结论：Q点过高使三极管进入饱和区，引起的失真称为饱和失真，也称为底部失真。,静态工作点对放大电路工作的影响（3）,Q点过低时放大电路工作过程图解,加入输入信号,引起集电极电流失真,输出放大信号失真,结论：Q点过低使三极管进入截止区，引起的失真称为截止失真，也称为顶部失真。,Q点在什么位置，

11、放大工作最好？,uo,可输出的最大不失真信号,最大不失真电压幅度,Q,Q,UOM=minUOM1 UOM2,动态分析之图解法 (1),其中：,动态分析之图解法 (2),IB,交流负载线,直流负载线,动态分析之图解法 (3),1、为什么要过Q点做交流负载线？,2、如何画斜率为 的交流负载线？,微变等效电路 (1),微变等效电路 (2),当输入交流信号变化范围很小时，可认为三极管工作于线性区，此时三极管可用一个线性模型等效，称此线性模型为三极管的微变等效电路。,微变等效电路 (3),uBE,iB,iB,iC,rce很大， 一般忽略。,r很小， 一般忽略。,微变等效电路 (4),共射放大电路的小信号

12、模型,= 交流通路 + 三极管微变等效电路,放大电路的微变等效电路用于计算放大电路的动态参数：AU、ri、rO.,共射基本放大电路动态参数的计算（1）,动态参数的计算必需在放大电路的微变等效电路中进行。,ii,1. 输入电阻ri的计算,根据ri的定义，有：,在右图电路中，显然：,因为一般有：Rbrbe，所以：,共射放大电路的输入电阻较小，往往不能满足电路要求。,共射基本放大电路动态参数的计算（2）,2. 输出电阻rO的计算,根据定义，放大电路的输出电阻即相对于负载的戴维南等效电路的内阻，故可采用外加电压法求解。,端口开路,iO,独立源零处理,外加电源,根据定义，有：,显然，右图电路中受控电流源

13、电流为零， 即ic=0，所以：,共射放大电路的输出电路较大,共射基本放大电路动态参数的计算（3）,3. 电压放大倍数Au、As的计算,在图示电路中，有：,根据定义，则有：,共射放大电路的电压放大倍数可达几十到几百,负号表明输入信号与输出信号相位相反,显然，AU随负载大小而变化。 负载开路时，达到最大值：,共射基本放大电路动态参数的计算（4）,定义对信号源电动势us的电压放大倍数为：,显然，在RS=0时，Aus=AU。即对于电压放大电路，信号源内阻越小越好。,基本放大电路分析举例（1）,例：在图示放大电路中，电容C1、C2与C3在信号频率范围内容抗可忽略不计。试求：（1）画出直流通路，计算静态工

14、作点Q；（2）画出交流通路与微变等效电路，计算动态参数。,解：画直流通路,什么是直流通路？,基本放大电路分析举例（2）,IBQ,uBEQ,ICQ,ICC,uCEQ,计算静态工作点Q,什么是静态工作点？,根据KVL，有：,根据KCL有：,由三极管的特性有：,-（1）,-（2）,-（3）,-（4）,若对硅管取UBEQ=0.7V，对锗管取UBEQ=0.3V，则可由上述方程组解得：,基本放大电路分析举例（3）,画交流通路,什么是交流通路？,将电容与直流电源短路后的电路就是交流通路,基本放大电路分析举例（4）,画微变等效电路,+,+,-,R1,-,RL,R2,RC,uO,ui,什么是微变等效电路？,根据

15、动态参数的定义，有：,静态工作点的稳定,为保证放大电路正常工作，必须有合适与稳定的静态工作点。,温度变化会导致三极管参数发生变化,温度每升高100C，ICBO增大一倍,温度每升高10C，UBE减小2.5mV,温度每升高10C，增加0.5%-1%,在共射基本放大电路中，因为：,所以，当温度升高时有：,IBQ,Q,UCEQ,ICQ,UCC,结论：共射基本放大电路在温度升高时，可能会出现饱和失真。,ui,一、静态分析,RE射极直流负反馈电阻,RB2下偏压电阻,分压偏置式放大电路（1）,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,1. 静态工作点稳定的原理,分压偏置式放大电路（2）,2. 求静

16、态工作点,算法一：,上述四个方程联立，可求出IE ，进而，可求出UCE 。,本算法比较麻烦，通常采用下面介绍的算法二、三。,分压偏置式放大电路（3）,方框中部分用戴维南定理等效为：,进而，可求出IE 、UCE 。,算法二：,分压偏置式放大电路（4）,算法三：,分压偏置式放大电路（5）,可以认为与温度无关。,分压偏置式放大电路（6）,例：已知 =50， UCC=12V， RB1=7.5k，RB2=2.5k， RC=2k， RE=1k， 求该电路的静态工作点。,算法一、二的结果：,算法三的结果：,结论：三种算法的结果近似相等，但算法三的计算过程最简单。,分压偏置式放大电路分析举例一,分压偏置式放大

17、电路（7）,二、动态分析,分压偏置式放大电路（8）,缺点：与基本共射电路相比，分压偏置电路的Au大幅下降。如果想使Au不下降，同时温度稳定性好，该怎么办？,分压偏置式放大电路（9）,增加CE 后的交流通路和微变等效电路：,分压偏置式放大电路（10）,可见，增加CE后，放大倍数大大上升。但输入电阻却减小了。 电路该如何进一步改进？,分压偏置式放大电路（11）,增加CE后：,增加CE前：,问题2：如果电路如下图所示，如何分析？,分压偏置式放大电路举例二 (1),静态分析：,直流通路,分压偏置式放大电路举例二 (2),动态分析：,交流通路,分压偏置式放大电路举例二 (3),交流通路：,微变等效电路：

18、,分压偏置式放大电路举例二 (4),共集电极放大电路（1）,一、静态分析,共集电极放大电路（2）,二、动态分析,共集电极放大电路（3）,共集电极放大电路（4）,1. 电压放大倍数,共集电极放大电路（5）,1.,所以,但是，输出电流Ie增加了。,2.,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,结论：,共集电极放大电路（6）,2. 输入电阻,输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大。,共集电极放大电路（7）,3. 输出电阻,共集电极放大电路（8）,一般：,所以：,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,所谓带负载能力强，是指当负载变化时，放大倍数基本不

19、变。,共集电极放大电路（9）,例：已知射极输出器的参数如下：RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V,求Au 、ri和ro 。 设：RS=1 k， 求：Aus 、ri和ro 。 3 . RL= 1k 时，求Au 。,共集电极放大电路举例（1）,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,共集电极放大电路举例（2）,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,1. 求Au 、ri和ro 。,rbe=2.9 k，RS=0,共集电极放大电路举例（3）,2. 设：RS=1 k， 求：Aus 、 ri和ro,RB=5

20、70k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,rbe=2.9 k，RS=0,共集电极放大电路举例（4）,RL=1k时,3. RL=1k和时，求Au 。,RL=时,共集电极放大电路举例（5）,比较：空载时, Au=0.995 RL=5.6k时, Au=0.990 RL=1k时, Au=0.967,结论：射极输出器带负载能力强。,共集电极放大电路举例（6）,1. 将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。,2. 将射极输出器放在电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能。,3. 将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。,共集电极放大电路的应用,共基极放大电路（

21、1）,ui,动态分析,共基极放大电路（2）,输出电流接近输入电流，故称电流跟随器。,三种基本组态的比较,1. 共射电路主要应用在多级放大电路的中间级。,2. 共集电路主要应用在输入、输出或缓冲级。,3. 共基电路主要应用在高频或宽频电路。,组合放大电路,复合管放大电路,复合管:两个以上的BJT按照一定规则（电流流向不冲突）组合起来,又称达林顿管。,同形复合管,异形复合管,多级放大电路的组成与耦合方式（1）Multistage Amplifiers,理想放大器的条件：,0,因为任何一个单管放大电路都不可能同时满足上述要求，故必须利用各单管电路的特点构成多级放大电路。,作用：获取信号,要求：ri大

22、,电路：共集、MOS管电路,作用：电压放大,要求：AU大,电路：共射、共源电路,作用：带负载能力强,要求：ro小,电路：共集、共漏、功率放大电路,多级放大电路的组成与耦合方式（2）,多级放大电路的耦合方式,阻容耦合,直接耦合,变压器耦合,阻容耦合方式,直接耦合方式,阻容耦合放大电路（1）,静态工作点分析,由电路结构可见，前后两个放大电路的Q点相互独立，可按单管电路分别计算。,阻容耦合放大电路（2）,动态参数分析,1、电压放大倍数AU,其中：,结论： （1）AU=AU1AU2AUN （2）各级电压放大倍数可按单管电路计算,注意：后级放大电路的输入电阻是前级放大电路的等效负载,阻容耦合放大电路（3

23、）,输入电阻ri,结论： 多级放大电路的输入电阻=第一级的输入电阻,输出电阻ro,根据定义，得 r0 = RC2,= ro2,结论： 多级放大电路的输出电阻=最后一级的输出电阻,阻容耦合放大电路的特点 （1）各级电路Q点相互独立、便于调整。 （2）由于存在耦合电容，不能放大直流信号和变化缓慢的信号。 （3）不利于集成化。,阻容耦合电路的频率特性,fH,fL,fH上限频率,fL下限频率,阻容耦合电路的低频特性（1）,阻容耦合电路的低频特性（2）,阻容耦合电路的高频特性（1）,阻容耦合电路的高频特性（2）,阻容耦合电路的高频特性（3）,混合模型,耦合电容造成,三极管结电容造成,阻容耦合电路缺点：不能放大直流信号。 不能放大高频信号。？,阻容耦合电路的频率特性,增益带宽积不变,直接耦合放大电路特点（1）,直接耦合放大电路的优点 （1）不存在耦合电容，可放大直流信号和变化缓慢的信号。 （2）便于集成化。,直接耦合方式带来的问题,电平配合问题,零点漂移问题,1、电平配合问题,0.7V,0.7V,导致T1管饱和,前后级Q点相互影响，导致电路不能正常工作。,静态输出电平不为零。,直接耦合放大电路特点（2）,2、电平