模拟电子技术基础 第二章.ppt

1、第二章 双极型晶体二极管及基本放大电路,双极型晶体三极管 放大器的工作原理 放大电路的分析方法 共集放大电路 共基放大电路 极间耦合方式,第一节,第二节,第三节,第四节,第五节,第六节,半导体三极管有两大类型: 双极型半导体三极管 场效应半导体三极管,一 晶体三极管的工作原理,双极型半导体三极管是由两种 载流子参与导电的半导体器件， 它由两个 PN 结组合而成，是 电流控制电流(CCCS)器件。,场效应管仅由一种载流子参与 导电，是电压控制电流(VCCS) 器件。,第一节 双极型晶体三极管,（一） 晶体三极管的结构 （二） 晶体三极管内部载流子传输过程 （三） 晶体三极管的电流关系 （四） 晶

2、体三极管的特性曲线 （五） 晶体三极管的参数 （六） 晶体三极管的型号,一.晶体三极管的工作原理,图 02.01 两种极性的双极型三极管,（一） 晶体三极管的结构,双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。 分两种类型:NPN型和PNP型：,E-B间的PN结称为发射结(Je),C-B间的PN结成为集电结(Jc),称为基区，加上电极称为基极， 用B或b表示（Base）；,称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,1.符号：双极型三极管的符号如图: 发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。,2.特点: （1）.

3、发射区的掺杂浓度大。 （2）.集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。 （3）.基区要制造得浓度低，且很薄。 （其厚度一般在几个微米至几十个微米）,（二）.三极管内部载流子的传输过程,1.三极管具有放大功能的条件： 必须满足： (1).内部条件: 发射区浓度高，基区浓度低且薄。 (2).外部条件:发射结加正向电压,集电结加反向电压。,1.使三极管的发射区向基区注入电子; 2.通过发射结位垒的控制和基区的传送; 3.最后由集电极收集电子。,(1).由于发射结正偏，将有大量的电子从发射基区扩散，形成的电流为IEN。,(3). 电子流在基区停留时间很短，在集电结反偏电压作用下,很快进入集电结的结电场区域，

4、被集电极收集，形成集电极电流ICN。,图 02.02 三极管的电流传输关系,(2). 基区向发射区也有空穴的扩散运动，但数量小，形成的电流为IEP，只有少数电子在基区被复合，形成的电流是IBN。,2. 载流子的传输过程:,另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO,综上所述,可得如下电流关系式:,IE= IEN IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ICNIBN,IC=ICN+ ICBO,IB=IEP+ IBNICBO,IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) 得:IE =IC+IB,由以上分

5、析可知: 1. 发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。 2. 两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用。 3. 基区从厚变薄，是两个PN结演变为三极管从量变引起质变的过程。,（三）三极管共基连接电流分配关系,1. 三种组态： 三极管有三个电极，两个为输入, 两个为输出，必然有一个极是公共电极。共有三种接法也称三种组态：,(2).共基极接法:基极作为公共电极，用CB表示。,(1).共射极接法:射极作为公共电极，用CE表示；,图 02.03 三极管的三种组态,(3).共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示,2.三极管的电流放大系数,为表示集电极电流IC和发

6、射极电流IE之间的关系，定义了共基接法时的直流电流放大系数:,IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO,因 1, 1,=IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB,IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO,由于:,3.共射极连接时工作原理,若：rbe=1k,RL=1k ,=100, 则 ：AU=100. 有很小的Ui引起Ib 明显的变化，导致 Ic较大的变化 ，从而引起较大的Uo变化， 以此体现放大作用。,输入电压Ui; 输出电压Uo 共射极电路的电压增益为：,二. 双极型半导体三极管的特性曲线,B是输入极，C是输出极，E是公共极。所以

7、曲线是共射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，vBE是输入电压。 iC是输出电流，vCE是输出电压。,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线iC=f(vCE) iB=const,共发射极接法三极管的特性曲线:,图02.04 共发射极接法的电压电流关系,(3). UCE 1V或再增加时: 曲线的右移是三极管内部基区调制效应; 右移不明显说明基区调制效应 很弱。 输入特性曲线的分区： 死区 非线性区 线性区,1. 输入特性曲线,图02.05 共射接法输入特性曲线,(1).当UCE=0V时: 相当于PN结的正向特性曲线。 (2).当UCE=1V时: UCB= UCE -

8、UBE0，集电结进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右移动一些。,(3). UCE 1V或再增加时: 曲线右移不明显。 曲线的右移是三极管基区调制效应; 右移不明显说明基区调制效应很弱。 输入特性曲线的分区： 死区 非线性区 线性区,1. 输入特性曲线,图02.05 共射接法输入特性曲线,(1).当UCE=0V时: 相当于PN结的正向特性曲线。 (2).当UCE=1V时: UCB= UCE - UBE0，集电结进入反 偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右移动一些。,2.输出特性曲线,(1).当UCE=0V时: 集电

9、极无收集作用，iC=0。 VCE刚增大时，发射结虽处于正向电压下，但集电结反偏电压很小，如: UCE 1V; UBE=0.7V UCB= UCE- UBE=0.7V 集电区收集电子的能力很弱。 iC主要由UCE决定。,图02.06 共射极接法输出特性曲线,共射极接法的输出特性曲线:为以iB为参变量的一族特性曲线，现以其中任何一条为例:,图02.06 共发射极接法输出特性曲线,（3）.UCE再增加时： 电流无明显增加。特性曲线进入与UCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随UCE增大而右移的原因是一致的),（2）.UCE 1V时： 如：UBE 0.7V，运动到集电的电子基本上都被收集。,输出特

10、性曲线,UbeU(门限电压)，管子截止。 此时发射结反偏，集电结反偏,共射输出特性曲线,此时发射结正偏，集电结正偏 或反偏电压很小。 IC主要受UCE控制,UCE=常数时Ic 不随Ib增加，IC处于饱和状态。 一般饱和压降UCES=0.2V左右。,此时发射结正偏，集电结反偏 IC主要受Ib控制,IC=Ib IC不随UCE增加，曲线呈水平状。 曲线略有上升.(基区调制效应),3. 输出特性曲线可以分为三个区域:,三. 半导体三极管的参数,.共射极直流电流放大系数 : =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const 共基极直流电流放大系数 : =（ICICBO）/IEIC/IE,半导体

11、三极管的参数分为:直流参数,交流参数,极限参数三大类.,1.直流参数 (1).直流电流放大系数,集电极基极间反向饱和电流ICBO CB表示集电极和基极， O表示第三个电极E开路。 相当于集电结的反向饱和电流。,.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO,(2).极间反向电流,图02.09 ICEO在输出特性曲线上的位置,ICEO 相当于基极开路时，C极和E极间的反向饱和电流。即输出特性曲线IB=0那条曲线对应的Y坐标的值。如图所示：,(1).交流电流放大系数 .共射极交流电流放大系数: =IC/IBUCE=const,图02.10 在输出

12、特性曲线上求,.共基极交流电流放大系数: =IC/IE UCB=const,(2).特征频率fT,三极管的值不仅与工作电流有关，而 且与工作频率有关。 由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。 当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(1).集电极最大允许电流ICM：, 值下降多少，不同型 号的三极管，不同的厂 家的规定有所差别。 当ICICM时，并不表 示三极管会损坏。,3.极限参数,图02.08 值与IC的关系,随IC增加时， 略有下降，当下降到线性放大区 值的7030(2/3的IC)时，此时的IC称为集电极最大允许电流ICM。,(2).集电极最大允许功率损耗PC

13、M,集电极电流通过集电结时所产生的功耗： PCM= ICUCBICUCE 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。 计算时往往用UCE取代UCB。,(3).反向击穿电压,反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图02.11所示。,1.U(BR)CBO射极开路时的集电结击穿电压。 BR表示击穿，CB表示集电极和基极，O表示第三个电极E开路。,2.U(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.U(BR)CEO基极开路时C极和E极间的击穿电压。 U(BR)CER表示BE间接电阻，U(BR)CES表示BE间短路。 击穿电压之间的关系： U(BR)CBOU(

14、BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR) EBO,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可确定过损耗区、过电流区和击穿区，从而确定一个安全工作区。,图02.12 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,四.半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管,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高频小功率管、K开关管,表02.01 双极型三极管的参数,

15、注：*为 f,第二节 放大器的工作原理,一.放大的概念,二.基本放大电路的工作原理,一 放大的概念,放大是基本放大电路最重要的功能之一。,1.放大电路的功能：是把微弱的电信号，增大到所需的数值。输出量在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.放大的实质：是能量的转换（控制），输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,图03.01 放大概念示意图,二 基本放大电路的工作原理,(一). 共射极接法交流基本放大电路的组成 (二). 放大器的静止工作状态 (三). 放大器的交流工作状态 (四). 放大器的放大倍数,1.电源的设置： 2.结

16、构安排： 3.元件参数设置：,基本组成如下： 三 极 管T起放大作用 负载电阻RC 、RL将变化的集电极电流转换为电压输出。 偏置电路UCC 、Rb使三极管有一个合适的静态工作点，从而工作在线性放大区。 耦合电容C1 、C2隔直，通交。,图 03.06 共射极基本放大电路,(一) 共射极基本放大电路的组成,三极管是放大元件，但不能单独使用，要按一定的原则组成：,要满足三极管的放大 条件。射极正偏，集 电极反偏。,使放大器有合适的 静态工作点,使信号有一定的传输 路径。UiUo,(二) 放大电路的静止工作状态,静态: Ui=0 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,放大电路建立合适的静态值

17、，是保证动态工作的前提。 正确地区分静态和动态，是分析放大电路必须要条件。,1.静态工作点的解析法计算,IB、IC和UCE代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。 测试基本放大电路时，测量UB、UE和UC三个电极对地的电位即可确定三极管的工作状态。,利用直流通路可对放大电路进行静态分析:,图 03.08 静态工作状态的图解分析,2.静态工作状态的图解分析法,(1). 根据: Ube=Ec-IbRb做直线与输入特性交于Q,Q点在两线的交点处。,(2). 可把上述电路分成线性和非线性两部分： 线性部分： 由Uce=Ec-IcRc 决定，MN称为支流 负载线。 非线性部分：由输出特性曲线 决定。,1

18、.由直流负载列出方程 UCE=UCCICRc 2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,直流负载线的确定方法：,UCC 、 UCC /Rc,3.在输入回路列方程式UBE =UCCIBRb,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。,3.交流通路的画法： (1).直流电源视为短路。,(2).耦合电容对交流相当于短路。,2.交流通道：交流信号流过的路径。如图,1.交流工作状态:有输入信号时的工作状态。,按迭加原理： 交流电流流过直流电源时，没有压降。 设C1、 C2 足够大，对交流信号而言， 其上的压降近似为零。,（三

19、） 放大器的交流工作状态,电容值很大时， 其交流电阻很小。,(3). RL= RLRc为交流负载电阻,（四）. 放大器的放大倍数,放大倍数也称之为增益，用来表示一个放大器的放大能力。,4.放大原理,(1). 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结有下列过程：,三极管放大作用,变化的 通过 转变为 变化的电压输出,Ui,C1,Ube,ib,ic(ib),icRc,Uc,Uo,C2,(2). 电路参数：在放大电路的放大过程中，各电路参数均具有两种信号叠加：,直流分量：大写字母大写下标表示。 交流分量：小写字母小写下标表示。 交直流叠加：大写字母大写下标表示。,其中：, 真的放大交流信号，交流分量幅

20、值应小于直流分量。, 输入输出反相,第三节 双极型三极管放大电路基本分析方法,一 放大电路的动态图解分析 二 三极管的低频小信号模型 三 共射放大器h参数微变等效电路法 四 放大器的工作点稳定问题,一 放大电路的动态图解分析,1 交流负载线 2 交流工作状态的图解分析 3 最大不失真输出幅度,1 交流负载线,交流负载线确定方法： 1. 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为1/RL。,2. RL= RLRc， 是交流负载电阻。,3. 交流负载线是有交流输 入信号时，工作点 Q 的 运动轨迹。,4. 交流负载线与直流负载线 相交 Q 点。,动态工作状态的图解分析,2 交流工作状态的图解分析

21、,1.vO与vi相位相反; 2.可量出放大电路的电压放大倍数； 3.可确定最大不失真输出幅度。,Ui UBE iB iC UCE |-Uo| ,波形的失真,饱和失真,截止失真,3 最大不失真输出幅度,放大电路的工作点达到了三极管 的饱和区而引起的非线性失真。,放大电路的工作点达到了三极管 的截止区而引起的非线性失真。,放大电路的最大不失真输出幅度,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1. 工作点 Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,图 03.14 最大不失真输出幅度,2. 要有合适的交流负 载线。,二. 晶体管的低频小信号模型,1.低频模型可以不考虑结电容的影响。 2.小信号意

22、味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。,晶体管h参数模型是分析低频小信号放大器的 重要工具。 其应用条件为：,（一）. 共射h参数等效电路,三极管的低频小信号模型如图所示:,三极管的模型也可以用网络方程导出。,讨论共射极电路的输入输出时,已知三极管的电压电流之间的函数关系：,输出交流短路 时的输入电阻。,输出交流短路时 共射交流电流 放大系数,输入交流开路时的 反向电压传输系数,输入交流开路时 的传输电导,hie hre hfe hoe,bUCC Ube Ui Uo,二 共基共集参数,采用同样的方法可导出共基共集参数：,共基：hib 、 hfb、hrb、hob,共集：hic 、

23、 hfc、hrc、hoc,其换算公式按P38、表2-1换算,图03.17 hie和hre的意义,h参数的物理含义见图:,图 03.18 hfe和hoe的意义,h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 h参数与工作点有关，在放大区基本不变。 h参数都是微变参数所以只适合对交流信号的分析。,hie hre hfe hoe,（二）共基共集参数,1.采用同样的方法可推导出共基共集连接时的h参数:,共基：hib hfb hrb hob ;,共集：hic hfc hrc hoc,例题2-1：试将晶体管的共射参数换算为共基h参数，已知：hie(rbe)=1.4k ; hre(r)=3.3710-4 ;

24、hfe()=44; hoe=27 10-6 s。,2.各组态的h参数之间的变换关系，按书中P38.表2-1换算。,三. 共射基本放大电路的h参数等效电路分析法,（一）采用完整参数等效电路分析：,下面分析放大器的几个性能指标：Ri ,Ro ,AU ,AI,首先根据交流通路画等效电路：,若：Rbhre 则：Rb可视为开路,把三极管用h等效电路代替，可得放大器的等效电路。如图：,1.输入电阻Ri：,Ri=Ui/Ii= hie+ hre Uo/ Ii,Ui= Ii hie+ hre Uo Uo= -Io RL=-( hie Ii+ hie Uo) RL,联立求得,带入上式得：,Ri= hie+ hfe

25、 hre/(1/ RL+ hoe),输入阻抗是放大器的个 重要指标。,Ri的值越大越好。,2.电流增益AI：,3.电压增益AU：,前面求过,4.输出阻抗Ro：,输出阻抗可按下图求解，图中作如下处理：,(1).将输入信号Us短路，保留 Rs。,(2).将负载RL开路，外加激励 Uo ，产生电流Io。,则：,输入：RsIi+hieIi+hreUo=0可得：,(二) 简化h参数模型微变等效电路,简化的三极管h参数模型，如图所示。,图中作了两处忽略： hre反映管子内部反馈因数量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce为电导量纲，与电 并联时分流极小，可作开路 处理。,图 03.19 三极管简化h参数

26、模型,1. h参数微变等效电路简化模型:,(二) 简化h参数模型微变等效电路,简化的三极管h参数模型，如图所示。,图中作了两处忽略： hre反映管子内部反馈因数量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce为电导量纲，与电 并联时分流极小，可作开路 处理。,图 03.19 三极管简化h参数模型,1. h参数微变等效电路简化模型:,h参数等效电路,2.用简化h参数模型分析共射电路：,(1).输入电阻Ri：,Ri=Ui/Ii= hie; Ri= RbRi,(2).电流增益AI：,(3).电压增益AU：,(4).输出电阻Ro:,Ro= Ro Rc; Ro =,3.模型中的主要参数的估算：, hie 三极

27、管的交流输入电阻,根据二极管的方程式,对于三极管的发射结,求发射结的动态电导，b相当基区内一个点，b是基极。,rebVT / iE ; re=rebQVT /IEQ=26mV/ IEQ hie= rbeQ= rbb + VT / iE300+26mV/ IEQ 对于小功率三极管rbb 300，相当于基区的体电阻。,结论：,(1)输入电阻hie随hfe增大而增大，所以hfe大的管AU降低。,(2)输入电阻hie与Ie有关, Ie增大hie降低，AU增大 。,hfeIb输出电流源,表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性。,四.放大器工作点稳定问题,由于温度变化管子参

28、数发生变化 Q漂移，称为温漂。,(一).晶体管参数的温度漂移：,(1)晶体管的门限电压Ube的温漂：,温度系数 Ube/ t:锗：-2.1mv/oc;硅：-2.3mv/oc,T载流子扩散速度 基区电流(复和机会) ICQ,(2)晶体管 的温漂：,T禁带宽度空间电荷区 UbeIBQ(=Ec-Ube)ICQ,(3)晶体管Icbo 的温漂：,T少子运动ICBQ)ICQ(= IBQ +(1+ ) Icbo ),温度系数 / ( t )=(0.51)/oc,任意温度时Icbo (toc)= Icbo (20oc)2(t-20)/10,(二) 共射偏置电路,分压式电流负反馈稳定偏置电路如图所示:,共射偏置

29、电路,UB,图中作如下假设：,(2). UB 为Rb1. Rb2分压而得,(1).设I1 IbQ， IbQ=0。,Rb1和Rb2系偏置电阻。 C1 、C2是耦合电容。,RC是集电极负载电阻。 Re是发射极电阻， Ce是Re的旁路电容。,组成：,1.静态分析,电路的直流通路如图所示：,基本放大电路的直流通路,UCE=VccICRcIERe= VccIC(Rc+Re),静态计算如下：,IeQ=(UB UBE)/ Re,UB= Ucc Rb2 / (Rb1+Rb2),IBQ= IeQ /,ICQ IeQ,UB,2. 动态分析,根据图画微变等效电路，有:,根据图03.04(a)求输出电阻的原理，应将微

30、变等效电路的输入端短路，将负载 开路。在输 出端加一个 等效的输出 电压。于是,bUcc Ui Uce Uo,(a)共集组态放大电路 (b) 直流通道,第四节 共集组态基本放大电路,共集电极组态基本放大电路如图(a)所示：,(1)直流分析 直流通道如图，则有： IB=( UCCUBE)/ Rb+(1+)Re IC=IB UCE= UCCIERe= UCCICRe,(2)交流分析,CC放大电路的微变等效电路如图所示。,中频电压放大倍数:,输入电阻 Ri=Rb1/ Rb2 /rbe +(1+)RL ) RL = RL / Re,CC组态微变等效电路,输出电阻,输出电阻可由图求出:,求Ro的微变等效

31、电路,将输入信号短路，负载开 路，由所加的等效输出信 号Uo，求出输出电流Io,第五节 共基组态基本放大电路,共基组态放大电路，及其直流通道如图所示。,(1)直流分析 （与共射组态相同）,共基组态放大电路,共基电路的直流通道,(2)交流分析,共基极组态放大电路的微变等效电路如图所示：,CB组态微变等效电路,电压放大倍数 =RL / rbe 输入电阻 = rbe Re = rbe /(1+) 输出电阻 Ro RC,第六节 多级放大电路,多级放大电路概述,一、,二、,直接耦合多级放大电路,三、,多级放大电路电压放大倍数的计算,四、,变压器耦合的特点,多级放大电路的放大倍数,(一)耦合形式,(二)零

32、点漂移,一 多级放大电路概述,(一) 极间耦合方式,多级放大电路的级联，产生极间耦合问题。 放大电路的级间耦合:必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,直接耦合:耦合电路采用直接连接或电阻连接，,电抗性元件耦合:级间采用电容或变压器耦合。,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,特点：直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而 缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,特点：电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。,耦合电路的简化形式如图所示:,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决。,(a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合,耦合电路的形式,(二) 零点漂移,(1).零点漂移:是三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。,产生零点漂移的主要原因是温度,所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。,工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,将一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如 V/C 或 V/min 。,(三) 直接耦合放大电路的构成,直接耦合或电阻耦合使各放