半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ).ppt

1、3章 半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ),半導(dǎo)體三極管,基本放大電路,半導(dǎo)體三極管,頻率：,高頻管、低頻管,功率：,材料：,小、中、大功率管,硅管、鍺管,類型：,NPN型、PNP型,半導(dǎo)體三極管是具有電流放大功能的元件,晶體三極管的結(jié)構(gòu),發(fā)射結(jié),集電結(jié),基極,發(fā)射極,集電極,晶體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)組成的,發(fā)射區(qū),基區(qū),集電區(qū),三極管電流分配,半導(dǎo)體三極管在工作時(shí)一定要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸?在放大工作狀態(tài)： 發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。,三極的工作原理,發(fā)射結(jié)加正偏時(shí)，從發(fā)射區(qū)將有大量的電子向基區(qū)擴(kuò)散，形成的電流為IEN。 從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但其數(shù)量小，形成的電流為IEP。

2、（這是因?yàn)榘l(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度。）,進(jìn)入基區(qū)的電子流因基區(qū)的空穴濃度低，被復(fù)合的機(jī)會(huì)較少。又因基區(qū)很薄，在集電結(jié)反偏電壓的作用下，電子在基區(qū)停留的時(shí)間很短，很快就運(yùn)動(dòng)到了集電結(jié)的邊上，進(jìn)入集電結(jié)的結(jié)電場區(qū)域，被集電極所收集，形成集電極電流ICN。在基區(qū)被復(fù)合的電子形成的電流是 IBN。,另外因集電結(jié)反偏，使集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。,很小的基極電流IB，就可以控制較大的集電極電流IC，從而實(shí)現(xiàn)了放大作用。,三極管的電流關(guān)系,共集電極接法：集電極作為公共端；,共基極接法：基極作為公共端。,共發(fā)射極接法：發(fā)射極作為公共端；,各極電流之間的關(guān)系式,共基極電流傳輸系數(shù)。,因I

3、CBO較小，所以 又因 則，ICIE,因ICEO較小，所以,共發(fā)射極電流放大系數(shù)。,IE =IC+IB, 1,三極管的放大作用,發(fā)射結(jié)外加電壓,半導(dǎo)體三極管的特性曲線,iB是輸入電流，vBE是加在B、E兩極間的輸電壓。,輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE= 常數(shù),共發(fā)射極接法的輸入特性曲線其中vCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線，當(dāng)vCE1V時(shí)， vCB= vCE - vBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB 增大，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。但vCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。,導(dǎo)通電壓,鍺管 0.10.3V,硅管 0.60.8V,輸出特

4、性曲線 iC=f(vCE) iB= 常數(shù),iC是輸出電流，vCE是輸出電壓。,放大區(qū)：,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,截止區(qū)：,IB=0以下的區(qū)域。,飽和區(qū)：,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。,IC隨著VCE的變化而迅速變化。 工程上以VCE=0.3伏作為放大區(qū)和飽和區(qū)的分界線。,VCE大于0.7 V左右(硅管) 。,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏。,動(dòng)畫2-2,測量三極管三個(gè)電極對地電位，試判斷三極管的工作狀態(tài)。,放大VcVbVe,放大VcVbVe,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏。,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。,例1：,測得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，試判斷三極管的工作狀態(tài)。,放大,例2：,

5、半導(dǎo)體三極管的參數(shù),直流參數(shù)、交流參數(shù)、 極限參數(shù),直流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=常數(shù),一.直流參數(shù),2.共基極直流電流放大系數(shù) =（ICICBO）/IEIC/IE 顯然 與 之間有如下關(guān)系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ ,極間反向電流,1.集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極， O是Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開路。 它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。,2.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO和ICBO有如下關(guān)系 ICEO=（1+ ）ICBO 相當(dāng)基極開路時(shí)，集電極和

6、發(fā)射極間的反向 飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng) 的Y坐標(biāo)的數(shù)值。,二.交流參數(shù),交流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvCE=const,在放大區(qū) 值基本不變， 通過垂直于X 軸的直線 由IC/IB求得。,在輸出特性曲線上求,2.共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const 當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，,可以不加區(qū)分。,特征頻率fT,三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號頻率增加時(shí)，三極管的將會(huì)下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。,集電極最大允許電流ICM,三極管集電極最大允許電流ICM。

7、當(dāng)ICICM時(shí)，管子性能將顯著下降，甚至?xí)p壞三極管。,集電極最大允許功率損耗PCM,集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICVCBICVCE， 因發(fā)射結(jié)正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集電結(jié)上。在計(jì)算時(shí)往往用VCE取代VCB。,三.極限參數(shù),反向擊穿電壓,1.V(BR)CBO發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)擊穿電壓。 下標(biāo)BR代表擊穿之意，是Breakdown的字頭，CB 代表集電極和基極，O代表第三個(gè)電極E開路。,2.V(BR) EBO集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。,3.V(BR)CEO基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的 擊穿電壓。 對于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示

8、BE間是短路的。幾個(gè)擊穿電壓在大小上有如下關(guān)系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO,由PCM、 ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。,輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū),半導(dǎo)體三極管的型號,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體三極管的命名如下: 3 D G 110 B,第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、 G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管,材料,器件的種類,同種器件型號的序號,同一型號中的不同規(guī)格,三極管,雙極型三極管的參數(shù),注：*為 f,基本放大電路

9、,基本放大電路一般是指由一個(gè)三極管與相應(yīng)元件組成的三種基本組態(tài)放大電路。,共發(fā)射極、 共集電極、 共基極,放大電路的主要技術(shù)指標(biāo),(1)放大倍數(shù) (2)輸入電阻Ri (3)輸出電阻Ro (4)通頻帶,(1) 放大倍數(shù),輸出信號的電壓和電流幅度得到了放大，所以輸出功率也會(huì)有所放大。對放大電路而言有電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù),通常它們都是按正弦量定義的。,電壓放大倍數(shù),電流放大倍數(shù),功率放大倍數(shù),(2) 輸入電阻 Ri,輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)，Ri大放大電路從信號源吸取的電流小，反之則大。,(3) 輸出電阻Ro,輸出電阻是表明放大電路帶負(fù)載的能力，Ro大表明

10、放大電路帶負(fù)載的能力差，反之則強(qiáng)。,注意：放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻通常都是在正弦信號下的交流參數(shù)，只有在放大電路處于放大狀態(tài)且輸出不失真的條件下才有意義。,(4) 通頻帶 BW,相應(yīng)的頻率fL稱為下限頻率，fH稱為上限頻率。,放大電路的增益A(f) 是頻率的函數(shù)。在低頻段和高頻段放大倍數(shù)都要下降。當(dāng)A(f)下降到中頻電壓放大倍數(shù)A0的 1/ 時(shí)，即,基本放大電路的工作原理,(1) 共發(fā)射極基本放大電路的組成,三極管 T 起放大作用。,偏置電路VCC 、Rb 提供電源，并使三極管 工作在線性區(qū)。,耦合電容C1 、 C2輸入耦合電 容C1保證信號 加到發(fā)射結(jié)， 不影響發(fā)射結(jié) 偏置。輸出耦 合電

11、容C2保證 信號輸送到負(fù) 載，不影響集 電結(jié)偏置。,負(fù)載電阻RC、RL 將變化的集電極電流 轉(zhuǎn)換為電壓輸出。,(2) 靜態(tài)和動(dòng)態(tài),靜態(tài): 時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)， 也稱直流工作狀態(tài)。,放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動(dòng)態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，正確地區(qū)分直流通路和交流通路。,動(dòng)態(tài): 時(shí)，放大電路的工作狀 態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。,直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)于短路,(3) 直流通路和交流通路,(a)直流通路,直流通路 能通過直流的通路。,交流通路 能通過交流的電路通路。,(b)交流通路,(4) 放大原理,輸入信號通過耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)于是有下列過程：,三極管放大

12、作用,變化的 通過 轉(zhuǎn)變?yōu)?變化的輸出,放大電路的基本分析方法,靜態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算分析法,IB、IC和VCE這些量代表的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示。在測試基本放大電路時(shí)，往往測量三個(gè)電極對地的電位VB、VE和VC即可確定三極管的靜態(tài)工作狀態(tài)。,根據(jù)直流通路對放大電路的靜態(tài)進(jìn)行計(jì)算,靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析法,2. 由直流負(fù)載線VCE =VCCICRC,VCC 、 VCC /Rc,3. 得到Q點(diǎn)的參數(shù)IB 、IC 和VCE 。,1. 在輸出特性曲線上確定兩個(gè)特殊點(diǎn),即可畫出直流負(fù)載線。,放大電路的動(dòng)態(tài)圖解分析,（1）交流負(fù)載線,1.從B點(diǎn)通過輸出特性曲線上的Q點(diǎn)做一條直線， 其斜率為-1/R

13、L 。,2.RL= RLRc， 是交流負(fù)載電阻。,3.交流負(fù)載線是有交流 輸入信號時(shí)Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。,4.交流負(fù)載線與直流 負(fù)載線相交Q點(diǎn)。,通過圖解分析，可得如下結(jié)論： 1. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo與vi相位相反； 3. 可以測量出放大電路的電壓放大倍數(shù)； 4. 可以確定最大不失真輸出幅度。,(2)交流工作狀態(tài)的圖解分析,（動(dòng)畫3-1）,波形的失真,飽和失真,截止失真,由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管 的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管， 輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。,由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管 的截止區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管， 輸出電壓表

14、現(xiàn)為頂部失真。,(3) 最大不失真輸出幅度,注意：對于PNP管，由于是負(fù)電源供電，失真的表現(xiàn)形式，與NPN管正好相反。,波形,（動(dòng)畫3-3）,放大電路的最大不失真輸出幅度,放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：,1.工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位； 2.要有合適的交流負(fù)載線。,動(dòng)畫3-4,（4）非線性失真,放大器要求輸出信號與輸入信號之間是線性關(guān)系，不能產(chǎn)生失真。 由于三極管存在非線性，使輸出信號產(chǎn)生了非線性失真。 非線性失真系數(shù)的定義：在某一正弦信號輸入下，輸出波形因非線性而產(chǎn)生失真，其諧波分量的總有效值與基波分量之比，用THD表示，即,(5) 輸出功率和功率三角形,要想P

15、O大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom 和Iom 都要大。,放大電路向電阻性負(fù)載提供的輸出功率,在輸出特性曲線上，三角形ABQ的面積，稱為功率三角形。,三極管的低頻小信號模型,(1)模型的建立,1.三極管可以用一個(gè)模型來代替。 2.對于低頻模型可以不考慮結(jié)電容的影響。 3.小信號意味著三極管在線性條件下工作，微變也具有線性同樣的含義。,h參數(shù)模型,（2)模型中的主要參數(shù),rbe 交流輸入電阻,iB輸出電流源,表示三極管的 電流放大作用,hie為輸入電阻，即 rbe。,hre為電壓反饋系數(shù)，即r。,hfe為電流放大系數(shù)，即。,hoe為輸出電導(dǎo)，即1/rce。,(3) 模型簡化,r反映三極

16、管內(nèi)部的電壓反饋，因數(shù)量很小，一般可以忽略。 1/rce與電流源并聯(lián)時(shí)，分流極小，可作開路處理。,用H參數(shù)小信號模型分析共射極基本放大電路,(1)小信號等效電路,(2)電壓增益,(3)輸入電阻,(4)輸出電阻,穩(wěn)定工作點(diǎn),分壓式偏置,VB,I1=(510)IB,VB=(35)V,(1)確定工作點(diǎn): Q,+Ve-,VB,+ VBE -,穩(wěn)定過程,(2)電壓增益,工作點(diǎn)穩(wěn)定，增益下降。,解決這個(gè)矛盾的方法是加電容Ce。,(3)輸入電阻,輸入電阻 提高了，相當(dāng)于增加了一個(gè)(1+)Re的電阻。,(4)輸出電阻,由KVL：,輸出電阻 提高了，即提高了電路的恒流特性。,例1：,解：,求電路的靜態(tài)參數(shù)（IB

17、、IC、VCE)，及動(dòng)態(tài)參數(shù)（AV、Ri、Ro)。,根據(jù)直流通路求靜態(tài)參數(shù),VB,根據(jù)微變等效電路求動(dòng)態(tài)參數(shù),1. 電壓放大倍數(shù),2. 輸入電阻Ri,3. 輸出電阻Ro（輸出端開路，輸入電壓為零）,根據(jù)微變等效電路求動(dòng)態(tài)參數(shù),例2：,解：,求電路的靜態(tài)參數(shù)（IB、IC、VCE)，及動(dòng)態(tài)參數(shù)（AV、Ri、Ro)。,根據(jù)直流通路求靜態(tài)參數(shù),與例1結(jié)果完全相同,VB,根據(jù)微變等效電路求動(dòng)態(tài)參數(shù),1. 電壓放大倍數(shù),根據(jù)微變等效電路求動(dòng)態(tài)參數(shù),2. 輸入電阻Ri,3. 輸出電阻Ro（輸出端開路，輸入電壓為零）,例3：,電路的參數(shù)不變，若增加一倍，靜態(tài)參數(shù)（IB、IC、VCE)，及動(dòng)態(tài)參數(shù)（AV、Ri、

18、Ro)如何變化。,(1)靜態(tài)參數(shù), 增加一倍， IC、VCE不變， IB減小一倍。,（2）動(dòng)態(tài)參數(shù), 增加一倍， Ri、Ro 不變， AV增大。,例4：,電路的參數(shù)不變，若斷開Ce，靜態(tài)參數(shù)（IB、IC、VCE)，及動(dòng)態(tài)參數(shù)（AV、Ri、Ro)如何變化。,(1)斷開Ce后，靜態(tài)參數(shù)不變。,（2）斷開Ce后，動(dòng)態(tài)參數(shù)AV減小， Ri增大，Ro 不變。,共集電極電路,（1）求工作點(diǎn)：Q,Q,(2)電壓增益,輸入電壓與輸出電壓同相,電壓跟隨器,（3）輸入電阻,（4）輸出電阻,電壓增益1，輸入電壓與輸出電壓同相，輸入電阻高，輸出電阻低。,*復(fù)合管可提高輸入電阻，提高值。,（動(dòng)畫3-6）,共基極電路,(

19、1)直流分析 與共射組態(tài)相同。,(2)交流分析,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,輸出電阻,Ro RC,=RL / rbe,放大電路的頻率響應(yīng),在放大電路的通頻帶中給出了頻率特性的概念- 幅度頻率特性 相位頻率特性,幅頻特性是描繪：輸入信號幅度 固定，輸出信號的幅度隨頻率變化 而變化的規(guī)律。即 = =,相頻特性是描繪：輸出信號與輸入 信號之間相位差隨頻率變化而變化 的規(guī)律。即,放大電路的幅頻特性和相頻特性，稱為頻率響應(yīng)。因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同，從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為幅度頻率失真，簡稱幅頻失真。放大電路對不同頻率成分信號的相移不同，從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為相位頻率失真，簡稱相頻失

20、真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。,(動(dòng)畫5-1),產(chǎn)生頻率失真的原因,1.放大電路中存在電抗性元件，例如 耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓 器、分布電感等;,2.三極管的()是頻率的函數(shù)。 在研究頻率特性時(shí)，三極管的低頻小信號 模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。,RC低通電路的頻率響應(yīng),電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為,RC低通電路的頻率特性曲線,幅頻特性的X軸和Y軸都是采用對數(shù)坐標(biāo), 稱為上限截止頻率。當(dāng) 時(shí)，幅頻特性將以十 倍頻20dB的斜率下降，或?qū)懗?20dB/dec。在 處的誤差最大，有3dB。,當(dāng) 時(shí)，相頻特性將滯后45，并具有 -45/dec的斜率。在0.1 和10 處與實(shí)際的相頻 特性有最大的誤差，其值分別為+5.7和5.7。 這種折線化畫出的頻率特性曲線稱為波特圖，是 分析放大電路頻率響應(yīng)的重要手段。,RC高通電路,式中 下限截止頻率、模和相角分別為,RC高通電路的近似頻率特性曲線,單極放大電路的高頻響應(yīng),（1）高頻小信號模型,基區(qū)體電阻，b是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。,、 發(fā)射結(jié)電阻和電容。,