半导体三极管与基本放大电路

1电子技术第2章半导体三极管与基本放大电路模拟电路部分2主要内容•元件：半导体三极管•双极型晶体管（两种极性载流子均参加导电）•场效应晶体管（又称单极型晶体管，只有一种极性载流子参加导电）•基本放大电路（分立元件组成）•共射极放大电路•共集电极电路•差动放大电路•互补对称功率放大电路•结构、原理、分析方法、特点、应用•静态分析•动态分析，微变等效电路分析法3半导体三极管•三端元件，非线性元件。•2个作用：具有电流放大作用和开关作用。•外部特性3个工作区：–放大区（电流放大作用）–饱和区，截止区（开关作用）–工作在不同工作区的条件是什么？如何实现2种作用？4BECNNP基极base发射极emitter集电极collectorNPN型PNP型2.1双极性晶体管transistor2.1.1基本结构：1块基片，2个PN结，3个区BECPPN基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高每个PN结就相当于一个二极管。对于每个PN结，思考：2种偏置，2个电场，2种载流子3种运动。发射结集电结5BECNNPEBRBECIEIBE基区：发射区扩散来的电子:少部分与空穴复合，并由电源等效补充空穴，形成电流IBE(基区薄、掺杂浓度小）；绝大多数扩散到集电结附近。发射结正偏，扩散运动为主。发射区自由电子扩散向基区，并由电源补充电子，形成发射极电流IE。基区空穴扩散运动忽略。2.1.2放大作用电流分配和放大原理载流子运动ICE集电结反偏：从基区内扩散到集电结附近的自由电子作为少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。ICBO集电结反偏：集电区和基区的少子形成的反向电流ICBO。IC=ICE+ICBOICEIB=IBE-ICBOIBEIE=IBE+ICEIBIC6IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIE=IBE+ICEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBE电流分配：IE、IC远远大于IB;IE=IC+IB7ICE与IBE之比称为电流放大倍数（一般在几十倍到上百倍之间）三极管放大的条件：要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。(外因）；内因内部结构。从物质不变和能量守恒角度如何看三极管电流放大作用？BCCBOBCBOCBECEIIIIIIIIBECIBIEICNPN型三极管NPNtransistorBECIBIEICPNP型三极管PNPtransistor电流放大作用8实验线路2.1.3特性曲线各极电压电流关系ICmAAVVUCEUBERBIBECEBRC一、输入特性:IB=f(UBE)|UCE=常数二、输出特性:IC=f(UCE)|IB=常数UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。一、输入特性:IB=f(UBE)|UCE=常数最常用：共发射极接法时的特性曲线UCE1,UCE增加，IB减小；UCE1,UCE增加，IB基本不变；9IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A放大区：发射结正偏，集电结反偏。0UCEUCC,UCE=UCC-RCIC。IC=IB也称为线性区二、输出特性:IC=f(UCE)|IB=常数饱和区：发射结正偏，集电结正偏。UCE0.3V,UCEUBEIBIC。截止区:发射结反偏，集电结反偏。UBE死区电压。UCEUCCIB=0,IC=ICEO。10三个工作区域截止区放大区饱和区PN结发射结反偏集电结反偏发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏IBICIB=0IC=ICEO0IC=IBIB变化,IC基本不变IC≈UCC/RCUBEUBE死区电压UBE=导通压降UBE=导通压降UCEUCEUCCUCE=UCC-RCIC0UCEUCCUCE0.3VCE放大or开关开路,开通路，放大作用短路，关11前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：BCII___工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：BCII1.电流放大倍数___2.1.4主要参数例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。5.3704.05.1___BCII4004.006.05.13.2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：=12BECNNPICEO=ICBO+ICBO发射结正偏ICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO3.集-射极反向截止电流ICEO（穿透电流）ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。2.集-基极反向截止电流ICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。ICBO越小越好AICBOICBOICBO134.集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO当集---射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6.集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC流过三极管，会发热，此时功率：PC=ICUCE导致结温上升，所以PC有限制PCPCMICUCEPC=ICUCEICMU(BR)CEO安全工作区PCM14放大电路的目的是将微弱的变化信号不失真的放大amplification成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：Au2.4放大电路tuiuituouo三极管基本放大电路共射极放大电路共基极放大电路共集电极放大电路以共射放大电路为例讲解工作原理15UA大写字母、大写下标，表示直流量或直流分量。uA小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量符号规定16RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB2.4.1共射极放大电路的组成common-emitteramplificationcircuit单电源+信号源++放大电路的本质：实现能量的控制，即能量转换。用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。17放大元件：iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点一共射极放大电路（双电源+信号源）++基极电源与基极电阻：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。集电极电源：为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻：将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2T耦合电解电容，有极性：隔离直流：使放大电路与信号源以及负载之间的直流通路隔离。交流耦合：沟通放大电路与信号源以及负载之间的交流通路。18可以省去共射极放大电路改进：采用单电源供电RB双电源+信号源单电源+信号源RB+ECEBRCC1C2T++ui+ECRCC1C2T++ui思考：电源为直流，信号源呢？电源和信号源共同激励下，各元件上的电压、电流是直流还是交流？19放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法2.4.2放大电路的分析方法静态：输入端未加输入信号时，放大电路的工作状态。此时放大电路为直流电路。动态：输入端加上输入信号时，放大电路的工作状态。此时放大电路为交、直流混合电路。实际工作在动态情况下：注意分析电路中的各电量（电流、电压）为直流电量、交流电量或交直流混合电量。静态与动态20直流通路directcurrentpath：只考虑直流信号的分电路。除去交流源、电容相当于开路。交流通路alternatingcurrentpath：只考虑交流信号的分电路。除去直流源、电容相当于短路。信号的不同分量可以分别在不同的通路分析。直流通路和交流通路（电容的作用）放大电路中各点电压或电流都是在静态直流上附加小的交流信号。电容对交、直流的作用不同。当电容量足够大时，可认为它对对交流短路，对直流开路，这样，交直流所走的通道是不同的。21例：共射极放大电路+EC单独作用开路直流通路，用于静态分析RB+ECRCRB+ECRCC1C2T++开路RB+ECRCC1C2T++短路uoRBRCRLui交流通路，用于动态分析除去交流信号源电容开路除去直流源电容短路短路uiui置零置零ui单独作用22一、放大电路的静态分析=确定静态工作点分析放大电路的直流通路RB+ECRCC1C2T++ICQIBQIEQ=IBQ+ICQui=0由于+EC的存在IB0IC0UCEQUBEQ静态工作点:由(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)确定。分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ输入特性输出特性23IBUBEBBECBRUEIBCRE7.0+EC直流通路RBRC1、估算法CEOBCIIIUCE=EC–ICRCUBE视三极管类型而定，本例中，假设为硅管，则可取0.7V。解：做出直流通路如图，据此图进行静态估算法分析。根据求的(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)，可分别在输入、输出特性曲线上做出静态工作点。24ICUCE输出特性ICUCEECCCREQIB直流通路RB+ECRC2、图解法在输入输出特性上作图求静态工作点QIBUBEQIBQUBEQ输入特性BBECBRUEIQ由UCE、IC、IB唯一确定BBECBRUEI直流负载线与输出特性的交点就是Q点，但是交点有很多个，到底是哪个？UCE=EC–ICRC,作直流负载线25例：用估算法计算静态工作点。已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。求：静态工作点解：A40mA04.030012BCBREImA51040537...IIIBBCV645.112CCCCCERIUU请注意电路中IB和IC的数量级。取UBE≈0V，则26二、放大电路的动态分析主要目的：研究放大电路的放大效果三个主要指标：电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻rooooIUriiiIUriouUUA输入为正弦交流信号时，三个主要指标可定义如下：iouUUAiocoUUAsousUUAiiiIUroooIUr++sUioUAoIsRirorLR信号源放大电路负载iIoUiU放大电路等效图对前级相当于负载对后级相当于信号源271、微变等效电路分析法incrementalequivalentcircuitanalysis思路：把交流通路中的三极管线性化，等效为一个线性元件。此时，整个放大电路等效为一个线性电路。对其进行分析计算。微变等效电路法的条件：在小信号条件下，且三极管工作在放大区。交流通路RBRCRLuiuobiciiiuirbeibibiiicuoRBRCRL微变等效电路28iBuBE当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBEiBbbeBBEbeiuiur对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。对于小功率三极管：)mA()mV(26)1()(200EbeIrrbe的量级从几百欧到几千欧。（1）三极管的微变等效电路iCuCE近似平行iCuCE从输出回路看bBbBcCCiIiIiIi)(所以：bcii(1)输出端相当于一个受ib控制的电流源。(2)考虑uCE对iC的影响