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半导体三极管及放大电路基础 半导体三极管 基本放大电路 半导体三极管 频率 高频管 低频管 功率 材料 小 中 大功率管 硅管 锗管 类型 NPN型 PNP型 半导体三极管是具有电流放大功能的元件 晶体三极管的结构 发射结 集电结 基极 发射极 集电极 晶体三极管是由两个PN结组成的 发射区 基区 集电区 三极管电流分配 半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 在放大工作状态 发射结加正向电压 集电结加反向电压 三极的工作原理 发射结加正偏时 从发射区将有大量的电子向基区扩散 形成的电流为IEN 从基区向发射区也有空穴的扩散运动 但其数量小 形成的电流为IEP 这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低 被复合的机会较少 又因基区很薄 在集电结反偏电压的作用下 电子在基区停留的时间很短 很快就运动到了集电结的边上 进入集电结的结电场区域 被集电极所收集 形成集电极电流ICN 在基区被复合的电子形成的电流是IBN 另外因集电结反偏 使集电结区的少子形成漂移电流ICBO 很小的基极电流IB 就可以控制较大的集电极电流IC 从而实现了放大作用 三极管的电流关系 共集电极接法 集电极作为公共端 共基极接法 基极作为公共端 共发射极接法 发射极作为公共端 各极电流之间的关系式 共基极电流传输系数 因ICBO较小 所以又因则 IC IE 因ICEO较小 所以 共发射极电流放大系数 IE IC IB 1 半导体三极管的特性曲线 iB是输入电流 vBE是加在B E两极间的输电压 输入特性曲线 iB f vBE vCE 常数 共发射极接法的输入特性曲线其中vCE 0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线 当vCE 1V时 vCB vCE vBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 且基区复合减少 IC IB增大 特性曲线将向右稍微移动一些 但vCE再增加时 曲线右移很不明显 导通电压 锗管0 1 0 3V 硅管0 6 0 8V 输出特性曲线 iC f vCE iB 常数 iC是输出电流 vCE是输出电压 放大区 发射结正偏 集电结反偏 截止区 IB 0以下的区域 饱和区 发射结和集电结均为正偏 IC随着VCE的变化而迅速变化 工程上以VCE 0 3伏作为放大区和饱和区的分界线 VCE大于0 7V左右 硅管 发射结和集电结均为反偏 测量三极管三个电极对地电位 试判断三极管的工作状态 放大Vc Vb Ve 放大Vc Vb Ve 发射结和集电结均为反偏 发射结和集电结均为正偏 例1 测得VB 4 5V VE 3 8V VC 8V 试判断三极管的工作状态 放大 例2 半导体三极管的参数 直流参数 交流参数 极限参数 直流电流放大系数1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE 常数 一 直流参数 2 共基极直流电流放大系数 IC ICBO IE IC IE显然与之间有如下关系 IC IE IB 1 IB 1 极间反向电流 1 集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极 O是Open的字头 代表第三个电极E开路 它相当于集电结的反向饱和电流 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO和ICBO有如下关系ICEO 1 ICBO相当基极开路时 集电极和发射极间的反向饱和电流 即输出特性曲线IB 0那条曲线所对应的Y坐标的数值 二 交流参数 交流电流放大系数1 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 在放大区 值基本不变 通过垂直于X轴的直线由 IC IB求得 在输出特性曲线上求 2 共基极交流电流放大系数 IC IE VCB const当ICBO和ICEO很小时 可以不加区分 特征频率fT 三极管的 值不仅与工作电流有关 而且与工作频率有关 由于结电容的影响 当信号频率增加时 三极管的 将会下降 当 下降到1时所对应的频率称为特征频率 用fT表示 集电极最大允许电流ICM 三极管集电极最大允许电流ICM 当IC ICM时 管子性能将显著下降 甚至会损坏三极管 集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM ICVCB ICVCE 因发射结正偏 呈低阻 所以功耗主要集中在集电结上 在计算时往往用VCE取代VCB 三 极限参数 反向击穿电压 1 V BR CBO 发射极开路时的集电结击穿电压 下标BR代表击穿之意 是Breakdown的字头 CB代表集电极和基极 O代表第三个电极E开路 2 V BR EBO 集电极开路时发射结的击穿电压 3 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 对于V BR CER表示BE间接有电阻 V BR CES表示BE间是短路的 几个击穿电压在大小上有如下关系V BR CBO V BR CES V BR CER V BR CEO V 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 半导体三极管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下 3DG110B 第二位 A锗PNP管 B锗NPN管 C硅PNP管 D硅NPN管 第三位 X低频小功率管 D低频大功率管 G高频小功率管 A高频大功率管 K开关管 材料 器件的种类 同种器件型号的序号 同一型号中的不同规格 三极管 双极型三极管的参数 注 为f 基本放大电路 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路 共发射极 共集电极 共基极 放大电路的主要技术指标 1 放大倍数 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro 4 通频带 1 放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大 所以输出功率也会有所放大 对放大电路而言有电压放大倍数 电流放大倍数和功率放大倍数 通常它们都是按正弦量定义的 电压放大倍数 电流放大倍数 功率放大倍数 2 输入电阻Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数 Ri大放大电路从信号源吸取的电流小 反之则大 3 输出电阻Ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力 Ro大表明放大电路带负载的能力差 反之则强 注意 放大倍数 输入电阻 输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数 只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义 4 通频带BW 相应的频率fL称为下限频率 fH称为上限频率 放大电路的增益A f 是频率的函数 在低频段和高频段放大倍数都要下降 当A f 下降到中频电压放大倍数A0的1 时 即 基本放大电路的工作原理 1 共发射极基本放大电路的组成 三极管T起放大作用 偏置电路VCC Rb提供电源 并使三极管工作在线性区 耦合电容C1 C2输入耦合电容C1保证信号加到发射结 不影响发射结偏置 输出耦合电容C2保证信号输送到负载 不影响集电结偏置 负载电阻RC RL将变化的集电极电流转换为电压输出 2 静态和动态 静态 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 放大电路建立正确的静态 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要正确地区分静态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 动态 时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 3 直流通路和交流通路 a 直流通路 直流通路能通过直流的通路 交流通路能通过交流的电路通路 b 交流通路 4 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程 三极管放大作用 变化的通过转变为变化的输出 放大电路的基本分析方法 静态工作状态的计算分析法 IB IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点 用Q表示 在测试基本放大电路时 往往测量三个电极对地的电位VB VE和VC即可确定三极管的静态工作状态 根据直流通路对放大电路的静态进行计算 静态工作状态的图解分析法 2 由直流负载线VCE VCC ICRC VCC VCC Rc 3 得到Q点的参数IB IC和VCE 1 在输出特性曲线上确定两个特殊点 即可画出直流负载线 放大电路的动态图解分析 1 交流负载线 1 从B点通过输出特性曲线上的Q点做一条直线 其斜率为 1 R L 2 R L RL Rc 是交流负载电阻 3 交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹 4 交流负载线与直流负载线相交Q点 通过图解分析 可得如下结论 1 vi vBE iB iC vCE 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 2 交流工作状态的图解分析 波形的失真 饱和失真 截止失真 由于放大电路的工作点达到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 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 3 最大不失真输出幅度 注意 对于PNP管 由于是负电源供电 失真的表现形式 与NPN管正好相反 波形 动画3 3 放大电路的最大不失真输出幅度 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 4 非线性失真 放大器要求输出信号与输入信号之间是线性关系 不能产生失真 由于三极管存在非线性 使输出信号产生了非线性失真 非线性失真系数的定义 在某一正弦信号输入下 输出波形因非线性而产生失真 其谐波分量的总有效值与基波分量之比 用THD表示 即 5 输出功率和功率三角形 要想PO大 就要使功率三角形的面积大 即必须使Vom和Iom都要大 放大电路向电阻性负载提供的输出功率 在输出特性曲线上 三角形 ABQ的面积 称为功率三角形 三极管的低频小信号模型 1 模型的建立 1 三极管可以用一个模型来代替 2 对于低频模型可以不考虑结电容的影响 3 小信号意味着三极管在线性条件下工作 微变也具有线性同样的含义 h参数模型 2 模型中的主要参数 rbe交流输入电阻 iB 输出电流源 表示三极管的电流放大作用 hie为输入电阻 即rbe hre为电压反馈系数 即 r hfe为电流放大系数 即 hoe为输出电导 即1 rce 3 模型简化 r反映三极管内部的电压反馈 因数量很小 一般可以忽略 1 rce与电流源并联时 分流极小 可作开路处理 用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路 1 小信号等效电路 2 电压增益 3 输入电阻 4 输出电阻 稳定工作点 分压式偏置 VB I1 5 10 IB VB 3 5 V 1 确定工作点 Q Ve VB VBE 稳定过程 2 电压增益 工作点稳定 增益下降 解决这个矛盾的方法是加电容Ce 3 输入电阻 输入电阻提高了 相当于增加了一个 1 Re的电阻 4 输出电阻 由KVL 输出电阻提高了 即提高了电路的恒流特性 集电极电路 1 求工作点 Q Q 2 电压增益 输入电压与输出电压同相 电压跟随器 3 输入电阻 4 输出电阻 电压增益 1 输入电压与输出电压同相 输入电阻高 输出电阻低 复合管可提高输入电阻 提高 值 共基极电路 1 直流分析与共射组态相同 2 交流分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 Ro RC R L rbe 放大电路的频率响应 在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念 幅度频率特性相位频率特性 幅频特性是描绘 输入信号幅度固定 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律 即 相频特性是描绘 输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律 即 放大电路的幅频特性和相频特性 称为频率响应 因放大电路对不同频率成分信号的增益不同 从而使输出波形产生失真 称为幅度频率失真 简称幅频失真 放大电路对不同频率成分信号的相移不同 从而使输出波形产生失真 称为相位频率失真 简称相频失真 幅频失真和相频失真是线性失真 动画5 1 产生频率失真的原因 1 放大电路中存在电抗性元件 例如耦合电容 旁路电容 分布电容 变压器 分布电感等 2 三极管的 是频率的函数 在研究频率特性时 三极管的低频小信号模型不再适用 而要采用高频小信号模型 单极放大电路的高频响应 1 高频小信号模型 基区体电阻 b 是假想的基区内的一个点 发射结电阻和电容 集电结电阻和电容 受控电流源 根据这一物理模型可以画出混合 型高频小信号模型 高频混合 型小信号模型电路 这一模型中用代替 这是因为 本身就与频率有关 而gm与频率无关 推导如下 2 用代替 由此可见gm是与频率无关的 0和rb e的比 因此gm与频率无关 若IE 1mA gm 1mA 26mV 38mS gm称为跨导 还可写成 0反映了三极管内部 对流经rb e的电流的放大作用 是真正具有电流放大作用的部分 0即低频时的 而 在 型小信号模型中 因存在Cb c和rb c 对求解不便 可通过单向化处理加以变换 首先因rb c很大 可以忽略 只剩下Cb c 可以用输入侧的C 和输出侧的C 两个电容去分别代替Cb c 但要求变换前后应保证相关电流不变 3 单向化 高频混合 型小信号电路 输入侧 高频混合 型小信号电路 输出侧 所以 由于C C 所以可简化为图中C Cb e C 简化高频小信号电路 几点结论 1 放大电路的耦合电容是引起低频响应的主要原因 下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定 2 三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因 上限截止频率由高频时间常数中较大的一个决定 4 CB组态放大电路由于输入电容小 所以CB组态放大电路的上限截止频率比CE组态要高许多 符号约定 小写符号 小写下标vi 表示交流电压 电流 瞬时值 大写符号 大写下标VI 表示直流电压 电流 小写符号 大写下标vI 表示包含有直流的电压 电流 的瞬时值 大写符号 小写下标Vi 表示交流电压 电流 有效值