半导体三极管及放大电路基础.ppt

3.1半导体三极管（BJT）,3.2共射极放大电路,3.3图解分析法,3.4小信号模型分析法,3.5放大电路的工作点稳定问题,3.6共集电极电路和共基极电路,3.7放大电路的频率响应,3半导体三极管及放大电路基础,学习指导,小结,3.8多级放大电路,作业,学习目标：1、掌握BJT的电流分配关系、放大条件及放大工作原理；2、掌握静态、动态、直流通路、交流通路、频率特性及温度漂移等基本概念；3、掌握结合具体电路进行合理近似的估算法；4、学会用图解法分析放大电路的静态、动态工作情况；5、熟练掌握运用小信号模型等效电路法计算放大电路的动态性能指标；6、熟练掌握共射（包括工作点稳定电路）、共集和共基放大电路的工作原理及特点；7、掌握放大电路频率特性的相关概念；8、会画出近似波特图；9、定性了解多级放大电路频带宽度与单级的关系。10、多级放大电路的分析,3.1.1BJT的结构简介,3.1半导体三极管（BJT）,3.1.2BJT的电流分配与放大原理,3.1.3BJT的特性曲线,3.1.4BJT的主要参数,BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结之间的相互影响，使BJT表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。,3.1.1BJT的结构简介,半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,3.1.2BJT的电流分配与放大原理,1.内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子,载流子的传输过程,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。,载流子运动动画四,2.电流分配关系,根据传输过程可知,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,通常ICICBO,IE=IB+IC,载流子的传输过程,3.三极管的三种组态,共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示。,共基极接法：基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法：发射极作为公共电极，用CE表示。,BJT的三种组态,4.放大作用,若,vI=20mV,使,当,则,电压放大倍数,VEE,VCC,VEB,IB,IE,IC,vI,+vEB,+iC,+iE,+iB,iE=-1mA，,iC=iE=-0.98mA，,vO=-iCRL=0.98V，,=0.98时，,VBB,VCC,VBE,IB,IE,IC,vI,+vBE,+iC,+iE,+iB,vI=20mV,设,若,则,电压放大倍数,iB=20uA,vO=-iCRL=-0.98V，,=0.98,使,4.放大作用,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,BJT的电流分配与放大原理,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=const,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。,(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1.输入特性曲线,3.1.3BJT的特性曲线,死区,非线性区,线性区,iC=f(vCE)iB=const,2.输出特性曲线,3.1.3BJT的特性曲线,共射输出特性动画五,特性曲线,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Ube0.5V（Si),|Ube|0.2V（Ge),放大区:,发射结正偏，集电结反偏,3.1.4BJT的主要参数,(1)共发射极直流电流放大系数,1.电流放大系数,(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,(3)共基极直流电流放大系数IC/IE,(4)共基极交流电流放大系数=IC/IEVCB=const,(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO,2.极间反向电流,ICEO,(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,3.1.4BJT的主要参数,(1)集电极最大允许电流ICM,(2)集电极最大允许功率损耗PCM,PCM=ICVCE,3.极限参数,3.1.4BJT的主要参数,当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的2/3时所对应的最大集电极电流。,ICICM时，并不表示三极管会损坏。只是管子的放大倍数降低。,(3)反向击穿电压,V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO,由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,基本放大电路组成,简单工作原理,放大电路的静态和动态,直流通路和交流通路,放大的概念,3.2共射极放大电路,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.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。,1、放大的概念,三极管T负载电阻RC、RL偏置电路VBB、Rb耦合电容Cb1、Cb2电源VBB、VCC,起放大作用,将变化的集电极电流转换为电压输出,使三极管工作在线性区给输出信号提供能量,起隔直作用,对交流起耦合的作用,组成原则：,1、发射结正偏，集电结反偏,2、输入信号能加到三极管上,3、输出信号能有效地传送到负载,4、不失真地放大信号,2、基本放大电路的组成,发射结正偏，极电结反偏,Vi=0,Vi=Vsint,3、简单工作原理,工作点合适,工作点偏低,静态：输入信号为零时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,电路处于静态时,三极管各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点,称为静态工作点,常称为Q点.常用IB、IC和VCE(或IBQ、ICQ和VCEQ)表示。,#放大电路为什么要建立合适的静态工作点？,4.放大电路的静态和动态,共射极放大电路,5.简化电路形式,放大电路的分析指标:增益(放大倍数)、输入阻抗、输出阻抗、非线性失真、频率响应等。,交流通路,直流通路,共射极放大电路,6.直流通路和交流通路,3.3图解分析法,用近似估算法求静态工作点,用图解分析法确定静态工作点,交流通路及交流负载线,输入交流信号时的图解分析,BJT的三个工作区与波形失真,输出功率和功率三角形,3.3.1静态工作情况分析,3.3.2动态工作情况分析,静态,vi=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值IBQ、ICQ、VCEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量。,静态分析方法,计算法,图解分析法,要借助于放大电路的直流通路，直流通路是通过直流的通道。,只要将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到直流通路。,3.3.1静态工作情况分析,Si管：VBEQ=0.6V0.7V,Ge管:VBEQ=0.2V0.3V,（2）求静态值,（1）首先画出直流通路,求解顺序是先求IBQICQVCEQ,VCEQ=VCC-ICQRC,1.计算法求Q,3.3.1静态工作情况分析,2.图解法-求Q,放大电路的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、VBEQ,VBE=VCC-IBRb,直流负载线,Vcc/Rb,Vcc,IBQ,Q,-1/Rb,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定IBQ、VBEQ,VCE=VCC-ICRc,直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、VBEQ,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求ICQ、VCEQ,求两点,IC=0VCE=VCC,VCE=0IC=VCC/Rc,作出直流负载线，它和输出特性曲线有多个交点。只有与iB=IBQ对应的那条曲线的交点才是静态工作点。,2.图解法,若改变IB，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量。,动态,输入信号vi0时放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,动态分析要借助于交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数AV或AI输入电阻ri和输出电阻ro,(1)将放大电路中电容视作短路；,1、交流通路的画法：,(2)直流电源内阻很小，对交流信号可视作短路。,3.3.2动态工作情况分析,vi,vo,vo与vi的相差为1800,2.放大电路的工作过程,当交流信号加到放大器输入端时,管子各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量,电路中的信号既有直流又有交流。,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce=-ic(Rc/RL),因为交流负载线必过Q点，即vce=vCE-VCEQic=iC-ICQ同时，令RL=Rc/RL,3.交流通路及交流负载线,则交流负载线为,vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,即iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,不截止Ucm1,不饱和Ucm2,4.输入交流信号时的图解分析,3.3.2动态工作情况分析,共射极放大电路,通过图解分析，可得如下结论：1.vivBEiBiCvCE|-vo|2.vo与vi相位相反；3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输出幅度min（VCEQ，ICQ.RL）。,#动态工作时，iB、iC的实际电流方向是否改变，vCE的实际电压极性是否改变？,5.BJT的三个工作区与波形失真,当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。,饱和区特点：iC不再随iB的增加而线性增加，即,此时,截止区特点：iB=0，iC=ICEO,vCE=VCES，典型值为0.3V,Q点过低，动态工作点进入截止区会产生截止失真,由于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。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,截止失真,由于放大电路的工作点到达了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,Q点过高，动态工作点进入饱和区会产生饱和失真,饱和失真,饱和失真,截止失真,原因：工作点在饱和区消除：调节b增大或减小,原因：工作点工作点消除：调节b减小,波形的失真,双向失真,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。,2.要有合适的交流负载线。,3.输入信号的幅度不能太大。,原因：静态工作点位置合适，但信号过大消除：减小输入，或增大电源,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJT的=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：,（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,（2）当Rb=100k时，,静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。,其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：,所以BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例题,3.4小信号模型分析法,3.4.1BJT的小信号建模,3.4.2共射极放大电路的小信号模型分析（）,H参数的引出,H参数小信号模型,模型的简化,H参数的确定,（意义、思路）,利用直流通路求Q点,画小信号等效电路,求放大电路动态指标,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,3.4.1BJT的小信号建模,1.H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,对于BJT双口网络，其输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE)vCE=const,iC=f(vCE)iB=const,可以写成：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数(H参数)。,输出端交流短路时的输入电阻,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数,输入端交流开路时的反向电压传输比,输入端交流开路时的输出电导,2.H参数小信号模型,H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与静态工作点有关，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。,3.模型的简化,即rbe=hie=hfeur=hrerce=1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为,ur很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路,ib是受控电流源，其方向与ib的方向是关联的。,4.H参数的确定,一般用测试仪测出；,rbe与Q点有关，可用图示仪测出。,一般也用公式估算rbe,rbe=rb+(1+)re,其中对于低频小功率管rb200,则,3.4.2用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,共射极放大电路,1.利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,2.画出小信号等效电路,共射极放大电路,H参数小信号等效电路,画微变等效电路的基本步骤：画出交流通路三极管的等效电路，参考地点补齐输入回路、输出回路的其他元器件标注极性,模拟信号的放大,3.求电压增益,根据,则电压增益为,4.求输入电阻：从输入端看过去整个电路的等效电阻,5.求输出电阻：负载开路，信号源短路条件下，输出短看过来，整个电路的等效电阻,例题,解：,（1）,H参数小信号等效电路,RS,Rb,RL,RC,RS,(2),Ri,