模拟电子技术第2章半导体三极管及放大电路基础.ppt

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1、2 半导体三极管及放大电路基础,2.1 半导体三极管,半导体三极管又称简称晶体管。,半导体三极管的放大作用和开关作用，促使了电子技术的的飞跃。,半导体三极管图片,2.1.1 半导体三极管的结构,1. NPN型三极管结构示意图和符号,（2）根据使用的半导体材料分: 硅管和锗管,（1） 根据结构分: NPN型和PNP型,三极管的主要类型,发射区,集电区,基区,发射极E(e),集电极C(c),发射结Je,集电结Jc,基极B(b),NPN型三极管符号,2、PNP型三极管结构示意图和符号,PNP型三极管符号,E(e),（1）发射区小，掺杂浓度大。,3、三极管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）：,（

2、2）集电区掺杂浓度低，集电结面积大。,（3）基区掺杂浓度很低，且很薄。,2.1.2 三极管工作原理（以NPN型管为例）,依据两个PN结的偏置情况,放大状态,饱和状态,截止状态,倒置状态,1发射结正向偏置、集电结反向偏置放大状态,原理图,电路图,(1) 电流关系,a. 发射区向基区扩散电子,形成发射极电流IE。,发射区向基区扩散电子,称扩散到基区的发射区多子为非平衡少子,b. 基区向发射区扩散空穴,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,形成空穴电流。,因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流忽略不记。,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,c. 基区电子扩散和复合,非平衡少子在基

3、区复合，形成基极电流IB,非平衡少子向集电结扩散,非平衡少子到达集电区,d. 集电区收集从发射区扩散过来的电子,形成发射极电流IC,形成反向饱和电流ICBO,e.集电区、基区少子相互漂移,少子相互漂移,发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。,定义,基极是两个回路的公共端，称三极管这种接法为共基极接法。,称为共基极直流电流放大系数,输入回路,输出回路,各电极电流之间的关系,IE=IC+IB,晶体管共射极接法,原理图,电路图,定义,为三极管共射极直流电流放大系数,各电极电流之间的关系,ICEO称为穿透电流,得,或,如果 UBE 0，那么IB 0， IC 0 ，IE 0,当输入回路电压,U B

4、E =UBE+UBE,那么,I B =IB+IB,I C =IC+IC,I E =IE+IE,如果 UBE 0，那么IB 0， IC 0 ，IE 0,共基极交流电流放大系数,共射极交流电流放大系数,定义,与的关系,一般可以认为：,uBE = ube + UBE,(2) 放大原理,设输入信号ui=UimSint V,那么,UCE = VCC- ICRC,放大电路,a. 在RC两端有一个较大的交流分量可供输出。,可知,ui ibicicRc,b. 交流信号的传递过程,2发射结正向偏置、集电结正向偏置饱和状态,（2）IC bIB，IB失去了对IC的控制。,（1）UCEUBE。,饱和状态的特点,（3)

5、 集电极饱和电压降UCES较小,小功率硅管0.30.5V。,（5） UCE对IC的影响大， 当UCE增大，IC将随之增加。,（4）饱和时集电极电流,（2） IC=ICBO，IB=ICBO,3发射结反向偏置、集电结反向偏置截止状态,截止状态的特点：,（1） UBE小于死区电压。,4发射结反向偏置、集电结正向偏置倒置状态,（1）集电区扩散到基区的多子较少。,特点:,（2）发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小。,（3）电流放大系数很小。,2.1.3 半导体三极管共射极接法的伏安特性曲线,1共射极输入特性,共射极输入特性,三极管共射极接法,(1) 输入特性是非线性的，有死区。,(2) 当uBE不变

6、，uCE从零增大，iB减小。,输入特性的特点：,(3) 当uCE1V，输入特性曲线几乎重合在一起，uCE对输入特性几乎无影响。,2共射极输出特性,输出特性曲线,饱和区,截止区,放大区,各区的特点：,（1）饱和区,a. UCEUBE,b. ICIB,c. UCE增大， IC 增大。,饱和区,（3） 截止区,a. IB0,b. IC0,（2） 放大区,a. UCEUBE,b. IC=IB,c. IC与UCE无关,饱和区,放大区,截止区,NPN管与PNP型管的区别,iB、uBE、iC、 iE 、uCE的极性二者相反,硅管与锗型管的区别,（3） 锗管的ICBO比硅管大,2.1.4 半导体三极管的主要电

7、参数,1. 直流参数,（3）发射极开路，集电极基极间反向饱和电流ICBO,（1）共基极直流电流放大系数,（2）共射极直流电流放大系数,（4）发射极开路，集电极发射极间反向饱和电流ICEO,2. 交流参数,（1）共基极交流电流放大系数,值与iC的关系曲线,3. 极限参数,(4) 集电极最大允许电流ICM,(1) 集电极开路时发射极基极间反向击穿电压U（BR）EBO,(2) 发射极开路时集电极基极间反向击穿电压U（BR）CBO,(3) 基极开路时集电极发射极间反向击穿电压U（BR）CEO,U (BR)CEO,ICM,PCM,不安全区,安全区,(5) 集电极最大允许功率耗散PCM,晶体管的安工作全区

8、,等功耗线PC=PCM =uCEiC,2.1.5 温度对管子参数的影响,1对的影响,2对ICBO的影响,3对UBE的影响,4温度升高，管子的死区电压降低。,思 考 题,2.如何用万用表判别晶体管的类型和电极？,3. 为什么晶体管基区掺杂浓度小而且做的很薄？,1. 晶体管的发射极和集电极是否可以调换使用？,4. 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数和在放大区工作时是否一样大？,2.2 共射极放大电路的组成和工作原理,2.2.1 放大电路概述,1放大电路的用途 :把微弱的电信号不失真地放大到负载所需的数值。,应用举例,2放大电路的主要性能指标,放大器性能指标测量原理方框图,(2) 输

9、入电阻Ri,Ri越大，Ui也就越大，电路的放大能力越强。,a. 由于,b. Ri越大，输入电流ii越小，信号源的负载越小。,(3) 输出电阻Ro,定义：,测量电路,对输出电压的电路,即 Ro越小，输出电压越稳定，电路带载能力越强。,由于,测量Ro的一种方法,带负载时的输出电压,负载开路时的输出电压,(4) 全谐波失真度D,(5) 动态范围Uo p-p,也称为最大不失真输出电压。,即谐波电压总有效值与基波电压有效值之比,使输出电压uo的非线性失真度达到某一规定数值时的uo的峰峰值。,(6) 频带宽度fbw,相频特性,2.2.2 共射极放大电路的组成及其工作原理,1. 共射极放大电路的组成,电路存

10、在的问题：,（1）信号源与放大电路相互影响。,（2）放大电路与负载相互影响。,各元器件的作用：,T放大器件,隔离放大电路对信号源和负载的直流影响。,沟通信号源、放大电路、负载之间的信号传递通道。,改进的共射极放大电路,为T提供Je正偏电压UBE,提供基极偏置电流IB,为T提供Jc反偏电压UCE,为电路提供能量,使集电极有合适的电流IC,转换集电极电流信号为电压信号, 实现电压放大,只用一个电源，减少电源数。,（1）电路的简化,（2）电路画法,不画电源符号，只写出电源正极对地的电位。,放大电路的两种工作状态：,静态 当输入信号为零时电路的工作状态。,静态时放大电路只有直流分量。,动态有输入信号时

11、电路的工作状态。,动态时电路中的信号为交直流分量的叠加。,注：不同书写体字母的含义,UBEIB 大写字母，大写下标，表示直流量。,ube小写字母，小写下标，表示交流瞬时值。,uBE小写字母，大写下标，表示交、直混合量。,Ube大写字母，小写下标，表示交流分量有效值。,信号的传递过程,思 考 题,1. 通常希望放大电路的输入电阻高一些好，还是低一些好？对输出电阻呢？放大电路的带负载能力是指什么?,2.3 放大电路的静态分析,静态分析就是通过放大电路的直流通路求解静态工作点值IBQ、ICQ、UCEQ。,直流通路,2.3.1 图解法在放大电路静态分析中的应用,1输入回路,列写输入回路方程,VCC=i

12、BRB+uBE,图解法,估算法,直流负载线与三极管输入特性曲线的交点，即为放大电路的输入静态工作点Qi。,在iB、 uBE坐标系上是一条直线,称为输入回路的直流负载线,三极管输入特性曲线,直流负载线,2输出回路,VCC=iCRC+uCE,输出回路方程,称为输出回路的直流负载线,直流负载线,输出特性曲线,直流负载线与晶体管输出特性曲线的交点，即为放大电路的输入静态工作点Qo。,在iC、 uCE坐标系上是一条直线,2.3.2 估算法在放大电路静态分析中的应用,UCEQ=VCCICQRC,式中，|UBEQ |硅管可取为0.7V，锗管0.3V,由输入回路方程,VCC=iBRB+uBE,得,思 考 题,

13、1. 在晶体管放大电路的分析中，估算法在什么情况下将引起较大的误差？,在静态分析基础上，分析电路中的交流分量之间关系。主要求Au、Ri、Ro及Uopp等参数。,2.4 放大电路的动态分析,图解法,微变等效电路法,2.4.1 图解法在放大电路动态分析中的应用,1当RL=时,在输入回路,uBE=UBE+ui,uBE波形图,iB的波形图,工作点的移动,uBE波形图,（1） iB的形成过程,已知Q,a,b,t,0,0,t,0,a,b,t,M,N,0,0,t,iB1,iB2,(2) 输出波形,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形图,iC波形图,输出电压uo,0,已知输入信号,小结：,输出信号波形

14、,输出电压uo与输入电压ui相位相反,(2) 如果静态工作点Q太低,工作点的移动,uBE波形图,a,b,已知Q,iB1,iB2,iB的波形图,a. 输入波形,a,b,iB1,iB2,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形图,iC波形图,输出电压,b. 输出波形,截止失真,t,M,N,0,t,0,t,0,工作点的移动,uBE波形图,a,b,已知Q,iB1,iB2,iB的波形图,a. 输入波形,(3) 如果静态工作点Q太高,a,b,iB1,iB2,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形图,iC波形图,b. 输出波形,输出电压,饱和失真,t,M,N,0,0,t,0,t,0,工作点的移动,

15、uBE波形,a,b,已知Q,iB1,iB2,iB的波形,a. 输入波形,(4) 如果输入信号太大,a,b,iB1,iB2,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形,iC波形,b. 输出波形,t,M,N,（忽略 UCES和ICBO）,(5) 放大电路的动态范围,a. 如果UCEQ=ICQRC=VCC/2,iB波形,输出波形,=2ICRC,Uopp=2UCEQ,=VCC,0,t,0,M,N,b. 如果UCEQICQRC,iB波形,输出波形,Uopp=2UCEQ,uo1,uo2,uo3,0,t,0,M,N,C. 如果UCEQICQRC,iB波形,输出波形,Uopp=2ICRC,uo1,uo2,u

16、o3,0,t,0,M,N,结论:,(2) 共射极放大电路的uo与ui的相位相反。,(3) ui的幅度过大或静态工作点不合适 ，将产生非线性失真（饱和失真、截止失真）。,(4) 放大电路信号,iB=IB+ib,uBE=UBE+ui,iC=IC+ic,uCE=UCE+uce,(1),(5) 动态范围(忽略ICEO和UCES),(a) Qo点在负载线的中点,UCEQ=ICQRC =VCC/2,Uo pp=2ICQRC,(b) Qo点在负载线中点下方,UCEQICQRC,(c) Qo点在负载线中点上方,(6) 非线性失真的特点：,Uopp=2min UCEQ， ICQRC,UCEQICQRC,饱和失真

17、：输出电压波形的下半部被削平。,截止失真：输出电压波形的上半部被削平。,(d) Uopp的一般表示式,2当RL时,（1）放大电路的交流通路,耦合电容短路,直流电压源短路,交流通路,RL RC/RL,由放大电路的交流通路可知,式中,由于,故,（2） 交流负载线,式中,该直线称为放大电路的交流负载线。,在uCE和iC的坐标中，也表示一条直线,M,直流负载线,式,交流负载线的特点:,d. 电路的工作点沿交流负载线移动。,a. 斜率为1/RL,b. 经过静态工作点Q,c. 与横轴的交点为UCEQ+ICQ RL,e. 动态范围,(a) 比电路空载时小。,(b),(c) 当考虑UCES时,（2）作图烦琐，

18、Ui很小时难以作图。,图解法的特点,（1）便于观察。,（3）放大电路一些性能指标无法由图解法求得。,2.4.2 微变等效电路法在放大电路动态分析中的应用,1晶体管的H参数微变等效电路,（1） 晶体管线性化的条件：,电路工作在小信号状态。,a. iB与 uBE 之间具有线性关系,b. 值恒定,（2）晶体管可线性化的主要依据：,晶体管共射极接法线性化原理,晶体管,等效图,晶体管线性等效电路的H参数描述,式中,晶体管的微变等效电路,称为晶体管的输入电阻,称为晶体管的基极体电阻,式中,hre反向传输电压比,电流放大系数,图中,称为晶体管共射极输出电导,hre、hoe一般比较小，可忽略不计,晶体管微变等效简化电路,2微变等效电路法在放大电路动态分析中的应用,（1）画出放大电路的交流通路,交流通路,（2） 将晶体管微变等效,放大电路的微变等效电路,