半导体三极管及其放大电路基础.ppt

模拟电子技术基础,电子教案V1.0,陈大钦主编,华中科技大学电信系邹韬平,3半导体三极管及其放大电路基础,3.1半导体三极管,3.2共发射极放大电路,3.3放大电路的基本分析方法,3.4放大电路静态工作点的稳定问题,3半导体三极管及其放大电路基础,3.5共集电极放大电路和共基极放大电路,3.6放大电路的频率响应,3,3.1半导体三极管,3.1.1三极管的结构,3.1.2三极管的工作原理,3.1.3三极管的伏安特性曲线,3.1.4三极管的主要参数,图3.1.1几种三极管的外形,4,图3.1.2NPN三极管的结构和符号,3.1.1三极管的结构,3.1半导体三极管,1.NPN三极管,(c)NPN管的符号,(a)NPN管的结构示意图,(b)NPN管的管芯结构剖面示意图,5,图3.1.3PNP三极管的结构和符号,3.1半导体三极管,2.PNP三极管,3.1.1三极管的结构,(a)PNP管的符号,(b)PNP管的结构示意图,6,图3.1.4三极管内部载流子的传输过程,1.三极管内部载流子的传输过程,3.1.2三极管的工作原理,3.1半导体三极管,发射结加正偏电压,集电结加反偏电压,(1)发射区向基区注入载流子,(2)载流子在基区扩散与复合,(3)集电区收集载流子ICN,注意：少数载流子的漂移运动ICBO,7,(a)共基极(b)共发射极(c)共集电极,图3.1.5BJT的三种连接方式（或称为三种组态）,3.1.2三极管的工作原理,2.三极管的电流分配关系,注意：无论是哪种连接方式，要使三极管有放大作用，都必须保证发射结正偏、集电结反偏，则三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化。,电流传输关系:输出端电流与输入端电流之间的关系。,8,(1)共基极组态的电流传输关系,3.1.2三极管的工作原理,2.三极管的电流分配关系,定义为共基极直流电流放大系数,图3.1.5BJT的三种连接方式,图3.1.4三极管内部载流子的传输过程,注意:的数值仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关。显然1，一般在0.90.99之间。,9,(2)共发射极组态的电流传输关系,3.1.2三极管的工作原理,2.三极管的电流分配关系,将IEIC+IB代入式,图3.1.5BJT的三种连接方式,令为共射极直流电流放大系数,注意:的数值也仅与三极管的几何尺寸和掺杂浓度有关。一般在50300之间。ICEO称为穿透电流（为基极开路时，集电极与发射极之间的反向饱和电流）,10,图3.1.7共射极连接时的输入特性曲线,1.共发射极连接时的特性曲线,(1)输入特性曲线,3.1.3三极管的伏安特性曲线,3.1半导体三极管,图3.1.6共发射极连接,11,图3.1.8共射极连接时的输出特性曲线,1.共发射极连接时的特性曲线,(2)输出特性曲线,3.1半导体三极管,图3.1.6共发射极连接,3.1.3三极管的伏安特性曲线,12,2.温度对三极管特性的影响,3.1半导体三极管,3.1.3三极管的伏安特性曲线,图3.1.9温度对三极管输出特性的影响,(1)温度对VBE的影响,(2)温度对ICBO的影响,(3)温度对的影响,温度每升高1，vBE减小2mV2.5mV。,温度每升高10，ICBO约增加一倍,温度每升高1，值约增大0.5%1%。,当温度升高时，VBE将减小，ICBO、ICEO、都将增大，使输出特性曲线上移，而各条曲线间的距离加大，如图3.1.9中的虚线所示。,13,3.1.4三极管的主要参数,3.1半导体三极管,1.电流放大系数,(1)共发射极直流电流放大系数,(2)共发射极交流电流放大系数,(3)共基极直流电流放大系数,(4)共基极直流电流放大系数,2.极间反向电流,(1)集电极基极反向饱和电流ICBO,(2)集电极发射极反向饱和电流ICEO,3.极限参数,14,3.1.4三极管的主要参数,3.1半导体三极管,3.极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM,(2)集电极最大允许耗散功率PCM,(3)反向击穿电压,图3.1.10三极管的极限损耗线,V(BR)EBO,V(BR)CBO,V(BR)CEO,15,3.2共发射极放大电路,3.2.1共射极放大电路的组成,3.2.2放大电路的两种工作状态,1.静态,2.动态,16,3.2.1共射极放大电路的组成,3.2共发射极放大电路,图3.2.1共射极放大电路,1.电路组成,17,3.2.1共射极放大电路的组成,3.2共发射极放大电路,图3.2.1共射极放大电路,2.工作原理,图3.2.4基本共射极放大电路的波形图,18,图3.2.2共射极放大电路习惯画法,3.2.1共射极放大电路的组成,3.2共发射极放大电路,图3.2.1共射极放大电路,3.习惯画法,19,静态,图3.2.3图3.2.2电路的直流通路,3.2.2放大电路的两种工作状态,3.2共发射极放大电路,图3.2.2共射极放大电路习惯画法,3.2.5图3.2.2电路的交流通路,动态,1.静态:当vi0时，放大电路处于静态或直流工作状态(静态工作点Q)。,2.动态:当有正弦输入信号时，电路将处在动态工作情况。,20,1.静态,近似计算法求静态工作点Q：,(1)画出直流通路，标出各支路电流。,(2)由基极发射极回路求IBQ,简化为,(3)由三极管电流分配关系可得,ICQ=IBQ,(4)由集电极发射极回路求VCEQ,VCEQ=VCCICQRC,3.2.2放大电路的两种工作状态,3.2共发射极放大电路,图3.2.2共射极放大电路习惯画法,图3.2.3图3.2.2电路的直流通路,vi0（短路），耦合电容开路,21,3.2.2放大电路的两种工作状态,3.2共发射极放大电路,图3.2.2共射极放大电路习惯画法,2.动态,3.2.5图3.2.2电路的交流通路,画交流通路的原则是：,(1)隔直电容可视为短路。(2)直流电压源内阻很小可视为短路；直流电流源内阻很大可视为开路。,放大电路的动态分析方法有：,(1)图解法(2)微变等效电路法,22,3.3放大电路的基本分析方法,3.3.1图解法,3.3.2微变等效电路法,23,3.3.1图解法,图3.3.1共射极放大电路原理图,图解法,三极管非线性部分,3.2共发射极放大电路,在三极管的伏安特性曲线上，通过作图对放大电路的静态及动态进行分析。,图解法分析思路,将电路分成三部分,输入回路线性部分,输出回路线性部分,输入回路求解vBE、iB,输出回路求解iC、vCE,直线:输入回路线性部分,非线性曲线:三极管输入特性,直线:输出回路线性部分,非线性曲线:三极管输出特性,交点,交点,24,1.静态工作点的图解分析,3.3.1图解法,在输入回路中:,vBE=VBBiBRb,(b)输出回路的图解分析(a)输入回路的图解分析图3.3.2静态工作点的图解分析,三极管输入特性曲线,输入回路线性部分的方程,交点静态工作点Q（IBQ、VBEQ）,输入直流负载线,25,3.3.1图解法,在输出回路中:,vCE=VCCiCRc,(b)输出回路的图解分析(a)输入回路的图解分析图3.3.2静态工作点的图解分析,三极管一条输出特性曲线,输出回路线性部分的方程,交点静态工作点Q（ICQ、VCEQ）,直流负载线,1.静态工作点的图解分析,26,2.动态工作情况的图解分析,3.3.1图解法,动态图解分析是在静态分析的基础上进行的，分析步骤如下：,(1)根据vi的波形在三极管的输入特性曲线图上画出的iB波形,vBE=VBEQ+vi=VBBiBRb+vi,图3.3.3动态工作情况的图解分析,27,图3.3.3动态工作情况的图解分析,2.动态工作情况的图解分析,3.3.1图解法,(2)根据iB的变化在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形,注意:动态时工作点移动的轨迹是交流负载线，,(3)电压增益的确定,28,图3.3.3动态工作情况的图解分析,2.动态工作情况的图解分析,3.3.1图解法,关于交流负载线有两个特点：,图3.3.3交流通路,它必然通过静态工作点Q；,其斜率为1/RL,由交流通路可得:,所以交流负载线方程为:,29,3.波形非线性失真的图解分析,图3.3.5共射极放大电路的截止失真(a)输入回路的失真波形(b)输出回路的失真波形,因三极管截止而产生的失真称为截止失真,3.3.1图解法,30,图3.3.6饱和失真的波形(a)输入回路的失真波形(b)输出回路的失真波形,因三极管饱和而产生的失真称为饱和失真,三极管的截止失真及饱和失真都是由于三极管特性曲线的非线性引起的，因此称为非线性失真。,3.波形非线性失真的图解分析,3.3.1图解法,31,4.图解分析法的适用范围,图解法特点:直观、形象反映三极管放大电路的交流和直流信号共存现象；输入信号幅值较大时，观察截止失真和饱和失真的现象。合理设置静态工作点的位置确定输出电压的最大动态范围。工作频率较高时不适用由于三极管的特性曲线只反映了信号频率较低时的电压与电流的关系，因此不能用于分析工作频率较高时的电路工作状态。,3.3.1图解法,32,3.3.2微变等效电路法,3.2共发射极放大电路,微变等效电路的基本思想是将放大电路中的三极管用线性模型代替，即将三极管组成的放大电路线性化，然后采用求解线性电路的方法分析计算。,微变等效电路的应用条件三极管的特性曲线是非线性的，但在输入信号幅值比较小的条件下，可以把三极管在静态工作点附近小范围内的特性曲线近似地用直线代替，这样可以把三极管用小信号线性模型代替，从而用处理线性电路的方法分析三极管放大电路，这就是微变等效电路法。“微变”就是指放大电路的输入信号为低频小信号。,图3.3.3交流通路,33,1.三极管的H参数及微变等效模型,3.3.2微变等效电路法,(1)三极管H参数的引出,图3.3.9三极管H参数及等效模型(a)共射极连接时的二端口网络(b)H参数等效模型,34,1.三极管的H参数及微变等效模型,3.3.2微变等效电路法,(1)三极管H参数的引出,式中，dvBE表示vBE中的变化量，即交流量，所以dvBE可用vbe表示。同理，dvCE、diB、diC可以分别用vce、ib、ic表示。,35,1.三极管的H参数及微变等效模型,3.3.2微变等效电路法,(2)三极管H参数等效模型,图3.3.9三极管H参数及等效模型,三极管输出端交流短路(即vce=0，vCE=VCEQ)时的输入电阻，单位为欧姆。（常用rbe表示）,三极管输出端交流短路时的正向电流传输比，或电流放大系数(无量纲)。（常用表示）,三极管输入端交流开路(即ib0，iBIBQ)时的反向电压传输比(无量纲)。（常用表示）,三极管输入端交流开路时的输出电导，单位为西门子(S)。（常用1/rce表示）,36,1.三极管的H参数及微变等效模型,3.3.2微变等效电路法,(3)H参数等效模型的简化,图3.3.9三极管H参数及等效模型,图3.3.10三极管H参数模型,(a)H参数的习惯符号,(b)简化模型,有两点需要特别指出:,一：等效模型中的电流源hfeib是受ib控制的(受控电流源)。,二：微变等效模型中的电压、电流都是变化量，因此不能用微变等效模型来求静态工作点Q。,37,1.三极管的H参数及微变等效模型,3.3.2微变等效电路法,(4)H参数值的确定,图3.3.11三极管内部交流电阻示意图,注:PNP型管与NPN型管的等效模型相同,可用H参数测试仪或晶体管特性图示仪测得。,rbe也可由下面的表达式求得,适用范围为0.1mAIBQ，因此有：I1=I2+IBQI2，,故基极电位VBQ为一固定值(环境温度影响可忽略),在上述稳定过程中，Re电阻起着关键作用。称为直流负反馈,47,(2)静态工作点的估算,3.4.2射极偏置电路,(a)原理电路(b)直流通路图3.4.2基极分压式射极偏置电路,根据直流通路，进行静态分析。,在I1IBQ的条件下有,通常，为使Q点具有良好的稳定性，要求I1IBQ、VBQVBEQ，但为了综合考虑，常取,VBQ=(35)VBEQ（硅管）VBQ=(13)VBEQ（锗管）,I1=(510)IBQ（硅管）I1=(1020)IBQ（锗管）,48,(3)动态性能的分析,3.4.2射极偏置电路,图3.4.2基极分压式射极偏置电路,(a)无旁路电容Ce时的微变等效电路(b)有旁路电容Ce时的微变等效电路图3.4.3图3.4.2a的微变等效电路,注意:旁路电容Ce对Re的影响,画放大电路的微变等效电路并确定H参数Rbe,49,求电压增益,(3)动态性能的分析,3.4.2射极偏置电路,(a)无旁路电容Ce时的微变等效电路(b)有旁路电容Ce时的微变等效电路图3.4.3图3.4.2a的微变等效电路,有旁路电容,无旁路电容,Re的接入提高了静态工作点的稳定性，但使电压增益下降了,为了解决这个矛盾，通常在Re两端并联一只电容Ce（旁路电容）,50,计算输入电阻Ri,(3)动态性能的分析,3.4.2射极偏置电路,(a)无旁路电容Ce时的微变等效电路(b)有旁路电容Ce时的微变等效电路图3.4.3图3.4.2a的微变等效电路,无旁路电容,有旁路电容,发射极电阻Re等效到基极回路时，将增加(1+)倍，电路的Ri提高了。,51,计算输出电阻Ro,(3)动态性能的分析,3.4.2射极偏置电路,图3.4.3图3.4.2a的微变等效电路,图3.4.4求图3.4.2a电路的输出电阻,(1),(2),将式(1)代入式(2)得,通常，rceRe，所以,由于RorceRc，于是,由图可列出回路电压方程：,52,3.5共集电极放大电路和共基极放大电路,3.5.1共集电极放大电路,3.5.2共基极放大电路,3.5.3放大电路三种组态的比较,53,3.5.1共集电极放大电路,3.5共集电极放大电路和共基极放大电路,(a)原理图(b)直流通路(c)交流通路图3.5.1共集电极放大电路,54,1.静态分析,3.5.1共集电极放大电路,(a)原理图(b)直流通路图3.5.1共集电极放大电路,在图(b)所示的直流通路中，可以列出输入回路电压方程VCC=IBQRb+VBEQ+IEQRe=IBQRb+VBEQ+(1+)IBQRe,当VCCVBEQ时,ICQ=IBQIEQ,VCEQ=VCCIEQRe,55,2.动态分析,3.5.1共集电极放大电路,(a)原理图图3.5.1共集电极放大电路,图3.5.2共集电极放大电路的微变等效电路,图3.5.1(c)交流通路,56,图3.5.2共集电极放大电路的微变等效电路,2.动态分析,3.5.1共集电极放大电路,求电压增益,共集放大电路的电压增益(1Cbc)可近似开路,一般有rceRL，因此rce也可忽略,受控电流源,在高频区，由于电容Cbe和Cbc的影响，不仅包含流过rbe和rbc的电流，还包括流过结电容Cbe和Cbc的电流，此时受控电流不再与成正比，而是与基、射极之间的结电压成正比，故用跨导gm来表示它们的控制关系。,rce仍然表示三极管的输出电阻。,69,2.模型中参数的获得,3.6.1三极管高频小信号模型,发射结电阻rbe和跨导gm,发射结电容Cbe,集电结电容Cbc,可从器件手册中查到,(fT特征频率，查手册),基区体电阻rbb,可从器件手册中查到,在低频时，两个极间电容的容抗很大，可以忽略(开路)，如图a所示。此时剩下的部分应该和H参数小信号模型(图b)等效。,图3.6.4两个等效模型的比较,70,3.三极管的频率参数,3.6.1三极管高频小信号模型,图3.6.3简化混合型等效电路,图3.6.5计算的等效电路,的频率响应,根据的定义,考虑到Cbc约在2-10pF范围内，在讨论的频率范围一般有gmCbc，,集电极短路电流为：,将电路c、e端短路，则得右下图。,71,3.三极管的频率参数,3.6.1三极管高频小信号模型,共射极截止频率f,图3.6.6的波特图,的频率响应具有低通特性,的频率响应,特征频率fT,共射极截止频率f就是频响的上限频率,当的幅值下降到0dB时对应的频率,此时,72,3.6.2单级放大电路的频率响应,3.6放大电路的频率响应,图3.6.7单级共射放大电路及其等效电路,一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段。根据各频段的特点对图3.6.7b所示等效电路进行简化，从而得到各频段的放大倍数。,晶体管用简化的混合型模型,分析方法仍为“微变等效电路”法,保留所有的电容,耦合电容Cb1、Cb2一般为几十F,三极管极间电容Cbe和Cbc一般只有几pF几十pF，,采用分频段的方法,73,1.中频源电压增益,3.6.2单级放大电路的频率响应,极间电容Cbe和Cbc均很小，有1/Cbc1/Cberbe，可视为交流开路。,耦合电容比较大，有1/Cb2RL、1/Cb1(rbb+rbe)，可忽略,74,2.高频区的频率响应和上限频率fH,3.6.2单级放大电路的频率响应,图3.6.7单级共射放大电路及其等效电路,极间电容Cbe和Cbc的容抗，不能视为交流开路，其影响必须予以考虑。,信号频率f电容的容抗,耦合电容，仍可视为交流短路；,图3.6.9单级共射电路的高频等效电路,图3.6.9的分析仍很复杂，化简如下：,Cbc用密勒定理进行等效变换,输入回路：戴维南等效,输出回路：诺顿戴维南,75,2.高频区的频率响应和上限频率fH,3.6.2单级放大电路的频率响应,Cbc用密勒定理进行等效变换,图3.6.9单级共射电路的高频等效电路,图3.6.10(a)密勒等效,密勒定理,为确定系数，可对图3.6.9集电极列KCL,一般有，上式中最后一项表示通过Cbc的电流，与前两项相比可以忽略，则得：,密勒电容,76,2.高频区的频率响应和上限频率fH,3.6.2单级放大电路的频率响应,Cbc用密勒定理进行等效变换,图3.6.10(a)密勒等效,输入回路：戴维南等效,输出回路：诺顿戴维南,(b)输入回路的等效变换(c)输出回路的等效变换图3.6.10高频等效电路的简化,密勒电容,77,2.高频区的频率响应和上限频率fH,3.6.2单级放大电路的频率响应,(b)输入回路的等效变换(c)输出回路的等效变换图3.6.10高频等效电路的简化,可求得高频源电压增益,放大器的上限频率分别为,由于密勒电容的影响，fH1(RS+rbe)，满足fL15fL2。则fLfL1,输入回路,输出回路,Rb(rbb+rbe)，可忽略(开路),诺顿戴维南,80,3.低频区的频率响应和下限频率fL,3.6.2单级放大电路的频率响应,图3.6.11单级共射电路的低频等效电路,(b)输出回路的等效变换,81,4.完整的波特图,3.6.2单级放大电路的频率响应,综上所述,中频段,高频段,低频段,图3.6.1共射放大电路的频率响应,82,5.频率响应的改善和增益带宽积,3.6.2单级放大电路的频率响应,频率响应的改善,增益带宽积,BW=fHfL,Cb1,Cbc，Cbe,选fT大,Cbc小的三极管,(1+gmRL),或采用直接耦合,合理的解决办法是设立一个综合指标来衡量：,当三极管选定后，放大器的增益-带宽积基本上是个常数。因此，要改善放大电路的高频特性，可采用rbb、Cbc、Cbe都比较小的或特征频率fT大的三极管。,83,例3.6.1,图3.6.12例3.6.1的放大电路图,单级共射放大电路如图3.6.12所示。已知三极管的=0=50，rbb=100，Cbc=4pF，特征频率fT=400MHz。试估算中频源电压增益、上限频率fH和下限频率fL，并画出的波特图。,（1）求解Q点和混合型参数,（2）计算中频源电压增益,解:,84,（3）估算下限频率fL,显然有fL15fL2=0.5Hz。应取,（4）估算上限频率,85,图3.6.13例3.6.1的波特图,