晶體管放大電路

電子技術(shù)基礎(chǔ)第十章晶體管放大電路講解者:鄒歡E-mail:1404224253@第10章晶體管放大電路10.2

半導(dǎo)體二極管10.3半導(dǎo)體三極管10.4基本放大電路及其分析方法10.5共射極放大電路的靜態(tài)分析10.6共射極放大電路的動(dòng)態(tài)分析10.7靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路10.8多級(jí)放大電路10.9運(yùn)算放大器10.10負(fù)反饋放大電路10.11功率放大器

10.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性退出第10.1章半導(dǎo)體二極管和三極管10.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1本征半導(dǎo)體

自由電子空穴共價(jià)鍵SiSiSiSi本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的形成

用得最多的半導(dǎo)體是硅或鍺,它們都是四價(jià)元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量?jī)r(jià)電子即可掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合。在外電場(chǎng)的作用下，自由電子逆著電場(chǎng)方向定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生另一個(gè)空穴?？昭ū惶钛a(bǔ)和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成空穴電流?？梢?jiàn)在半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電?？昭ㄒ苿?dòng)方向

電子移動(dòng)方向

外電場(chǎng)方向SiSiSiSiSiSiSi2N型半導(dǎo)體和

P型半導(dǎo)體1）.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷，當(dāng)某一個(gè)硅原子被磷原子取代時(shí)，磷原子的五個(gè)價(jià)電子中只有四個(gè)用于組成共價(jià)鍵，多余的一個(gè)很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSiP多余價(jià)電子本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低。如果在其中參入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。2）.P型半導(dǎo)體

在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼，在組成共價(jià)鍵時(shí)將因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，相鄰硅原子的價(jià)電子很容易填補(bǔ)這個(gè)空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。

SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價(jià)電子填補(bǔ)空位3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?）.PN結(jié)的形成

用專(zhuān)門(mén)的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱(chēng)為PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向2）.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)

外加正向電壓內(nèi)電場(chǎng)方向E外電場(chǎng)方向RIP區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場(chǎng)方向IR2）.

外加反向電壓外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過(guò)PN結(jié)形成很小的反向電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行返回10.2.2半導(dǎo)體二極管1基本結(jié)構(gòu)

將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類(lèi)。點(diǎn)接觸型表示符號(hào)正極負(fù)極金銻合金面接觸型N型鍺

正極引線負(fù)極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼2伏安特性

二極管和PN結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線可見(jiàn)，當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過(guò)一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓稱(chēng)為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0

在二極管上加反向電壓時(shí)，反向電流很小。但當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱(chēng)為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦?。產(chǎn)生擊穿時(shí)的電壓稱(chēng)為反向擊穿電壓U(BR)。3主要參數(shù)

1.最大整流電流

IOM

最大整流電流是指二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。

2.反向工作峰值電壓URWM

它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3.反向峰值電流IRM它是指二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。[例1]

在圖中，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R接負(fù)電源–12V。求輸出端電位VY。

[解]

因?yàn)閂A高于VB

，所以DA優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管的正向壓降是0.3V，則VY=+2.7V。當(dāng)DA導(dǎo)通后,DB因反偏而截止。

在這里，DA起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在+2.7V。

二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用與整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件。DA–12VYVAVBDBR返回10.3.3穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號(hào)如下圖所示。

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時(shí)，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向+反向UZIZ

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個(gè)：1.穩(wěn)定電壓UZ

4.穩(wěn)定電流IZ

3.動(dòng)態(tài)電阻rZ2.電壓溫度系數(shù)U5.最大允許耗散功率PZM

[例1]

圖中通過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？R是限流電阻，其值是否合適？IZDZ+20R=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例

1的圖IZ

<IZM

，電阻值合適。[解]10.4.4半導(dǎo)體三極管1基本結(jié)構(gòu)N型硅二氧化硅保護(hù)膜BECN型硅P型硅(a)

平面型N型鍺ECB銦球銦球PP(b)合金型返回1）.NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EP

不論平面型或合金型，都分成NPN或PNP三層，因此又把晶體管分為NPN型和PNP型兩類(lèi)。ECB符號(hào)T集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)N集電極C發(fā)射極E基極BNPPN2）.PNP型三極管

CBET符號(hào)2電流分配和放大原理

我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實(shí)驗(yàn)電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實(shí)驗(yàn)中用的是NPN型管，為了使晶體管具有放大作用，電源EB和EC的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電壓(正向偏置)，集電結(jié)加反向電壓(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100

設(shè)EC=6V，改變可變電阻RB，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表：基極電路集電極電路晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)論：(1)符合基爾霍夫定律(2)IC和IE比IB大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得

這就是晶體管的電流放大作用。稱(chēng)為共發(fā)射極靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化IB可以引起集電極電流較大的變化IC。

式中，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電流(交流)放大系數(shù)(3)當(dāng)IB=0(將基極開(kāi)路)時(shí)，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。(4)要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，發(fā)射區(qū)才可向基區(qū)發(fā)射電子；而集電結(jié)必須反向偏置，集電區(qū)才可收集從發(fā)射區(qū)發(fā)射過(guò)來(lái)的電子。

下圖給出了起放大作用時(shí)NPN型和PNP型晶體管中電流實(shí)際方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的實(shí)際極性。+UBE

ICIEIBCTEB+UCENPN型晶體管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型晶體管3特性曲線1）.

輸入特性曲線對(duì)于NPN型三極管應(yīng)滿(mǎn)足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對(duì)于PNP型三極管應(yīng)滿(mǎn)足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE

輸入特性曲線是指當(dāng)集—射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入電路(基極電路)中，基極電流IB與基—射極電壓UBE之間的關(guān)系曲線IB

=f(UBE)。O0.40.8IB

/AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100

晶體管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生IB。2）.

輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出電路(集電極電路)中集電極電流IC與集—射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線IC

=f(UCE)。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。

晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲組分為三個(gè)工作區(qū)(1)

放大區(qū)

輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，。放大區(qū)也稱(chēng)為線性區(qū)，因?yàn)镮C和IB成正比的關(guān)系。對(duì)NPN型管而言，應(yīng)使UBE

>0，UBC<

0，此時(shí)，UCE

>UBE。ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共發(fā)射極電路IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)(2)

截止區(qū)IB=0的曲線以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。IB=0時(shí),IC=ICEO(很小)。對(duì)NPN型硅管，當(dāng)UBE<

0.5V時(shí)，即已開(kāi)始截止，但為了使晶體管可靠截止，常使UBE

0，截止時(shí)集電結(jié)也處于反向偏置(UBC

<

0)，此時(shí),IC

0，UCE

UCC。(3)

飽和區(qū)

當(dāng)UCE

<

UBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置(UBC

>

0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC和IB不成正比。此時(shí)，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區(qū)

當(dāng)晶體管飽和時(shí)，UCE

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的接通，其間電阻很?。划?dāng)晶體管截止時(shí)，IC

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，其間電阻很大，可見(jiàn)，晶體管除了有放大作用外，還有開(kāi)關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)飽和

UBC>0+晶體管結(jié)電壓的典型值4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，

當(dāng)晶體管接成共發(fā)射極電路時(shí)，在靜態(tài)(無(wú)輸入信號(hào))時(shí)集電極電流與基極電流的比值稱(chēng)為靜態(tài)電流(