學(xué)習(xí)情境2-半導(dǎo)體三極管及其放大電路

實(shí)用功放電路的組裝與調(diào)試學(xué)習(xí)情境22.1三極管的識別、檢測與選用2.2三極管電壓放大器的組裝與調(diào)試2.3實(shí)用功放電路的組裝與調(diào)試學(xué)習(xí)情境22.1

三極管的識別、檢測與選用2.1.1晶體三極管2.1.2晶體三極管的特性曲線2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體三極管外型半導(dǎo)體三極管外型及引腳排列EBCEBCEBCBEC第2章半導(dǎo)體三極管雙極型半導(dǎo)體三極管圖2-1幾種半導(dǎo)體三極管的外形(BipolarJunctionTransistor)2.1.1雙極性三極管BJT一、結(jié)構(gòu)、符號和分類NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分類：按材料分：硅管、鍺管按結(jié)構(gòu)分：

NPN、PNP按使用頻率分：

低頻管、高頻管按功率分：小功率管<500mW中功率管0.5

1W大功率管>1WECBECB

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；?

集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；?基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖

放大的概念：變化量，能量控制作用。雙極型半導(dǎo)體三極管在工作時一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸Ｈ粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓（正偏），集電結(jié)加反向電壓（反偏）。二、

BJT的電流分配與放大原理

現(xiàn)以

NPN型三極管的放大狀態(tài)為例，來說明三極管內(nèi)部的電流關(guān)系?；竟采浞糯箅娐罚夯鶚O電流控制集電極電流

三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1)

發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子，形成發(fā)射極電流

IE。ICN多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散形成ICN。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBN。IBN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO

3)

集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO2)電子到達(dá)基區(qū)后(基區(qū)空穴運(yùn)動因濃度低而忽略)三極管內(nèi)載流子運(yùn)動2.三極管的電流分配關(guān)系當(dāng)管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關(guān)系確定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB穿透電流IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS臨界飽和線

飽和區(qū)放大區(qū)三極管的特性

截止區(qū)uBE<UthBEC三極管截止?fàn)顟B(tài)等效電路uIuBE+-iB≥

IB(sat)BEUBE(sat)CUCE(sat)三極管飽和狀態(tài)等效電路2.1.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCVCCiBIERB+uBE

+uCE

VBBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

VBB+

O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導(dǎo)通電壓UBE(on)硅管：(0.6

0.8)V鍺管：

(0.2

0.3)V取0.7V取0.2VVBB+

RB二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321截止區(qū)：

IB

0

IC=ICEO

0條件：兩個結(jié)反偏2.放大區(qū)：3.飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結(jié)正偏特點(diǎn)：IC

IB臨界飽和時：uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：水平、等間隔ICEO輸出特性第2章半導(dǎo)體三極管三、溫度對特性曲線的影響1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1

C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10

C，ICBO

約增大1倍。2.溫度升高，輸出特性曲線向上移。OT1T2>iCuCET1iB

=0T2>iB

=0iB

=0溫度每升高1

C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O2.1.3晶體三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321—直流電流放大系數(shù)（hFE）

—交流電流放大系數(shù)（hfe)一般為幾十

幾百Q(mào)二、極間反向飽和電流CB極間反向飽和電流

ICBO，CE極間反向飽和電流ICEO。三、極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時

值明顯降低。U(BR)CBO

—發(fā)射極開路時C、B極間反向擊穿電壓。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基極開路時C、E極間反向擊穿電壓。U(BR)EBO

—集電極極開路時E、B極間反向擊穿電壓。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO已知:ICM=20mA,PCM

=100mW，U(BR)CEO=20V，當(dāng)UCE

=

10V時，IC<

mA當(dāng)UCE

=

1V，則IC<

mA當(dāng)IC

=

2mA，則UCE<

V

102020iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)練習(xí)：判斷三極管的工作狀態(tài)測量得到三極管三個電極對地電位如圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和三、晶體三極管的選用1.根據(jù)電路工作要求選擇高、低頻管。2.根據(jù)電路工作要求選擇PCM、ICM

、U(BR)CEO，

應(yīng)保證：

PC>PCm

ICM>ＩCm

U(BR)CEO>VCC3.一般三極管的

值在40~100之間為好，9013、

9014等低噪聲、高

的管子不受此限制。4.穿透電流

ICEO

越小越好，硅管比鍺管的小。附錄：半導(dǎo)體器件的命名方式第一部分?jǐn)?shù)字電極數(shù)2—二極管3—

三極管第二部分第三部分字母(漢拼)材料和極性A—鍺材料N型B—鍺材料P型C—硅材料N型D—硅材料P型A—鍺材料PNPB—鍺材料NPNC—硅材料PNPD—硅材料NPN字母(漢拼)器件類型P—普通管W—穩(wěn)壓管Z—整流管K—開關(guān)管U—光電管X—低頻小功率管G—高頻小功率管D—低頻大功率管A—高頻大功率管第四部分第五部分?jǐn)?shù)字序號字母(漢拼)規(guī)格號例如：2CP2AP2CZ2CW3AX313DG12B3DG63CG3DA3AD3DK常用小功率進(jìn)口三極管9011

9018第2章半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管使用基本知識一、外型及引腳排列EBCEBCEBCBEC二、萬用表檢測晶體三極管的方法1.根據(jù)外觀判斷極性；3.用萬用表電阻擋測量三極管的好壞，PN結(jié)正偏時電阻值較小(幾千歐以下)，反偏時電阻值較大(幾百千歐以上)

。插入三極管擋(hFE)，測量

值或判斷管型及管腳；指針式萬用表在R1k擋進(jìn)行測量。紅表筆是(表內(nèi))負(fù)極，黑表筆是(表內(nèi))正極。注意事項：測量時手不要接觸引腳。1kBEC1kBEC指針式萬用表三步走1、基極判別2、類型判別3、集電極判別三極管的識別與檢測數(shù)字萬用表注意事項：?紅表筆是(表內(nèi)電源)正極；黑表筆是(表內(nèi)電源)負(fù)極。?NPN和PNP管分別按EBC排列插入不同的孔。?需要準(zhǔn)確測量

值時，應(yīng)先進(jìn)行校正。2.插入三極管擋(hFE)，測量

值或判斷管型及管腳?？芍苯佑秒娮钃醯膿?，分別測量判斷兩個結(jié)的好壞。三極管電壓放大器的組裝與調(diào)試任務(wù)2.2放大電路的基礎(chǔ)知識2.2.1放大電路的組成2.2.2放大電路的主要性能指標(biāo)

概論

放大的概念電子學(xué)中放大的目的是將微弱的變化信號放大成較大的信號。放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示，如圖：XiXoAu擴(kuò)音機(jī)是怎樣工作的

直流供電電源前置放大器功率放大器

放大的概念放大器的分類直流放大器音頻放大器視頻放大器脈沖放大器信號的特征寬帶放大器諧振放大器信號的大小小信號放大器大信號放大器（功率放大器）1放大電路的組成一、組成框圖直流電源信號源RS+us–RSis放大電路負(fù)載RL信號輸入第一級第二級第三級信號輸出二、多級放大電路三、放大電路的四端網(wǎng)絡(luò)表示１1

22

+us–放大電路RS+ui–+uo–RLioiius—信號源電壓Rs

—信號源內(nèi)阻RL—負(fù)載電阻ui

—輸入電壓uo

—輸出電壓ii—輸入電流io

—輸出電流2放大電路的主要性能指標(biāo)11

22

+us–放大電路RS+ui–+uo–RLioii電壓增益

Au(dB)=20lg|Au|一、放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)

Au=uo/ui電流放大倍數(shù)

Ai=io/ii功率放大倍數(shù)

Ap

=po/pi電流增益Ai(dB)=20lg|Ai|功率增益

Ap

(dB)=10lg|Ap|二、輸入電阻１1

+us–RS+ui–iiRiRi

越大，ui

與us越接近例2－1us=20mV，Rs=600

，比較不同Ri

時的ii

、ui。Riiiui6000

3

A18mV600

16.7

A10mV60

30

A1.82mV三、輸出電阻放大電路的輸出相當(dāng)于負(fù)載的信號源，該信號源的內(nèi)阻稱為電路的輸出電阻。計算：i22

11

usRS+u–放大電路=0Ro測量：uot

—負(fù)載開路時的輸出電壓；uo

—帶負(fù)載時的輸出電壓，Ro越小，uot

和

uo

越接近。22

11

+us–RS+ui–+uo–RLRo+uot–Ri四、通頻帶

電抗元件(主要是電容)使放大電路對不同頻率輸入信號的放大能力不同，反映在：Au(f)—幅頻特性

(f)—相頻特性1.幅頻特性和相頻特性fAu(f)OfO2.頻帶寬度(帶寬)BWAumfLfH下限頻率

上限頻率

中頻段低頻段高頻段BW0.7BW0.7=fH

–

fL

(BandWidth)五、最大輸出功率和效率效率

=最大輸出功率Pom直流提供功率PDC2.2

三極管電壓放大器的組裝與調(diào)試引言2.3.2交流分析2.3.1直流分析uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極實(shí)現(xiàn)電路uiuoRBRCuouiRCRE

三極管三種組態(tài)放大電路雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入,兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極。三種接法也稱三種組態(tài)，見下圖放大電路的三種形式引言基本思想非線性電路經(jīng)適當(dāng)近似后可按線性電路對待，利用疊加定理，分別分析電路中的交、直流成分。一、分析三極管電路的基本思想和方法直流通路(ui

=0)分析靜態(tài)。交流通路(ui

0)分析動態(tài)，只考慮變化的電壓和電流。畫交流通路原則：1.固定不變的電壓源都視為短路；2.固定不變的電流源都視為開路；3.視電容對交流信號短路基本方法圖解法：在輸入、輸出特性圖上畫交、直流負(fù)載線，求靜態(tài)工作點(diǎn)“Q”，分析動態(tài)波形及失真等。解析法：根據(jù)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降估算“Q”。用小信號等效電路法分析計算電路動態(tài)參數(shù)。二、電量的符號表示規(guī)則A

AA大寫表示電量與時間無關(guān)(直流、平均值、有效值)；A小寫表示電量隨時間變化(瞬時值)。大寫表示直流量或總電量(總最大值，總瞬時值)；小寫表示交流分量?？偹矔r值直流量交流瞬時值交流有效值直流量往往在下標(biāo)中加注QA—主要符號；

A—下標(biāo)符號。tuOuBE=UBE

+ube

放大的概念討論放大器必須解決的問題1、設(shè)置合適靜態(tài)工作點(diǎn)－－偏置電路2、輸入信號、輸出負(fù)載、放大器三者之間的連接方式－－耦合方式偏置電路的要求：1、提供放大器所需要的工作點(diǎn)。2、工作點(diǎn)在外部條件變化時保持不變。iCuCEuo可輸出的最大不失真信號ib圖解法：合適的偏置電路Q點(diǎn)合適時iCuCE

Q點(diǎn)過高，信號進(jìn)入飽和區(qū)放大電路產(chǎn)生飽和失真ib輸入波形uo輸出波形圖解法：不合適的偏置電路iCuCEuo

Q點(diǎn)過低，信號進(jìn)入截止區(qū)放大電路產(chǎn)生截止失真輸出波形輸入波形ib

圖解法：不合適的偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性為了保證放大電路的穩(wěn)定工作，必須有合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。但是，溫度的變化嚴(yán)重影響靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE、

和ICEO決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化，溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在這一方面。TUBE

ICEOQ2.3.1直流分析一、圖解分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC輸入直流負(fù)載線方程：uCE

=VCC

iC

RCuBE

=VBB

iBRB輸出直流負(fù)載線方程：輸入回路圖解QuBE/ViB/

A靜態(tài)工作點(diǎn)VBBVBB/RB115k

UBEQIBQ0.720輸出回路圖解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCO1k

Q23UCEQICQOiB

=20

A二、工程近似分析法+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC115k

1k

=100Q點(diǎn)的作用不僅影響B(tài)JT的工作區(qū)域，而且還會影響B(tài)JT的動態(tài)參數(shù)，因此在設(shè)計放大電路時必須選擇一個合適的Q點(diǎn)。三、電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響1.改變RB，其他參數(shù)不變uBEiBuCEiCVCCVBBVBBRBQQRB

iB

Q趨近截止區(qū)；RB

iB

Q趨近飽和區(qū)。2.改變RC，其他參數(shù)不變RC

Q

趨近飽和區(qū)。iCuBEiBuCEVCCUCEQQQICQVCCRCiC

0iC

=VCC/RC例2.3.1設(shè)RB

=

38

k

，求VBB=0

V、3

V時的iC、uCE。+–RBRC+uCE–+

uBE

+–VCCVBB3V5ViBiC1

k

[解]uCE/ViC/mAiB=010

A20

A30

A40

A50

A60

A41O235當(dāng)VBB=0V：iB

0，iC

0，5VuCE

5V當(dāng)VBB=3V：0.3uCE

0.3

V0，iC

5mA三極管的開關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)SBCEVCC+

RCRBiB

0uCE

5ViB飽和狀態(tài)uCE

0判斷是否飽和臨界飽和電流

ICS和IBS

：iB

>IBS，則三極管飽和。2.3.2交流分析一、圖解分析法線性非線性線性輸入回路(A左)(B右)輸出回路(B左)(A右)+–RBRC+uCE–+uBE

+–VCCVBBiBiCiBiC+uBE

+uCE–AB例2.3.3

硅管，ui

=10sint(mV)，RB=176k，RC=1k，VCC=VBB=6V，圖解分析各電壓、電流值。[解]令ui

=0，求靜態(tài)電流IBQuBE/ViB/

AO0.7V30QuiOtuBE/VOtiBIBQ(交流負(fù)載線)uCE/ViC/mA41O23iB=10

A20304050505Q6直流負(fù)載線Q

Q

6OtiCICQUCEQOtuCE/VUcemibicuceRL

+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE

+uBE–

當(dāng)ui

=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

當(dāng)ui

=Uimsint

ib=Ibmsin

t

ic=Icmsin

t

uce=–Ucem

sint

uo=uceiB=

IBQ

+Ibmsin

tiC

=

ICQ

+Icmsin

tuCE=

UCEQ

–

Ucem

sin

t=

UCEQ

+Ucem

sin

(180°–

t)uBE/ViB/

A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流負(fù)載線)uCE/ViC/mA4123iB=10

A20304050605Q6直流負(fù)載線Q

Q

6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO第2章半導(dǎo)體三極管基本共發(fā)射極電路的波形：

+–

iBiCRBVCCVBBRCC1ui+–

+

–

+uCE

+uBE–

IBQuiOt

iB

OtuCEOtuoOt

iC

OtICQUCEQ基本放大電路的放大作用第2章半導(dǎo)體三極管放大電路的非線性失真問題因工作點(diǎn)不合適或者信號太大使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍，從而引起非線性失真。1.“Q”過低引起截止失真NPN管：頂部失真為截止失真。PNP管：底部失真為截止失真。不發(fā)生截止失真的條件：IBQ>Ibm

。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBui

uCEiCictOOiCOtuCEQuce交流負(fù)載線非線性失真第2章半導(dǎo)體三極管2.“Q”過高引起飽和失真ICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不接負(fù)載時，交、直流負(fù)載線重合，V

CC=VCC不發(fā)生飽和失真的條件：IBQ+I

bm

IBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC第2章半導(dǎo)體三極管飽和失真的本質(zhì)：負(fù)載開路時：接負(fù)載時：受RC的限制，iB

增大，iC

不可能超過VCC/RC。受R

L的限制，iB

增大，iC

不可能超過V

CC/R

L。C1+

RCRB+VCCC2RL+uo

++iBiCVui(R

L=RC//RL)第2章半導(dǎo)體三極管選擇工作點(diǎn)的原則：當(dāng)ui

較小時，為減少功耗和噪聲，“Q”

可設(shè)得低一些；為提高電壓放大倍數(shù)，“Q”可以設(shè)得高一些；為獲得最大輸出，“Q”可設(shè)在交流負(fù)載線中點(diǎn)。第2章半導(dǎo)體三極管二、小信號等效分析法(微變等效)1.晶體三極管電路小信號等效電路分析法三極管電路可當(dāng)成雙口網(wǎng)絡(luò)來分析(1)

晶體三極管H(Hybrid)參數(shù)小信號模型從輸入端口看進(jìn)去，相當(dāng)于電阻rberbe

—Hie從輸出端口看進(jìn)去為一個受

ib

控制的電流源

ic

=

ib

，

—Hfe+uce–+ube–

ibicCBErbe

Eibic

ic+ube

+uce

BCrbb

—三極管基區(qū)體電阻第2章半導(dǎo)體三極管(2)

晶體三極管交流分析步驟：①

分析直流電路，求出“Q”，計算rbe。②

畫電路的交流通路。③

在交流通路上把三極管畫成H參數(shù)模型。④

分析計算疊加在“Q”點(diǎn)上的各極交流量。微變等效電路的畫法第2章半導(dǎo)體三極管例2.3.4

=100，uS

=10sint(mV)，求疊加在“Q”

點(diǎn)上的各交流量。+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

12V12V510470k

2.7k

3.6k

[解]令ui

=0，求靜態(tài)電流IBQ①求“Q”，計算rbeICQ=

IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.4

2.7=5.5(V)第2章半導(dǎo)體三極管②交流通路+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

ubeuce③小信號等效+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

icBCusRC+ube

④分析各極交流量⑤

分析各極總電量uBE

=(0.7+0.0072sin

t

)ViB

=(24+5.5sin

t)

AiC

=(2.4+0.55sin

t

)

mAuCE

=(5.5–

0.85sin

t

)V第2章半導(dǎo)體三極管練習(xí)：判斷三極管的工作狀態(tài)用數(shù)字電壓表測得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，試判斷三極管的工作狀態(tài)，設(shè)β=100，求IE和VCE。3.2.1共發(fā)射極放大電路（分壓式偏置電路）一、電路組成+VCCRCC1C2RLRE+CE++