第二章-半导体三极管及其放大电路

第二章半导体三极管及其放大电路§2-1半导体三极管§2-2共射极基本放大电路§2-3分压式射极偏置电路§2-4多级放大器§2-5负反馈放大电路§2-6功率放大电路§2-1半导体三极管一、三极管的结构、符号和类型二、三极管的电流放大作用三、三极管的特性曲线四、三极管的主要参数五、三极管的识别和简单测试一、三极管的结构、符号和类型NPN型三极管1、结构和符号PNP型三极管b基极e发射极c集电极集电结发射结N集电区N发射区P基区bceVb基极e发射极c集电极集电结发射结P集电区P发射区N基区Vbce分类方法种类应用按极性分NPN型三极管目前常用的三极管，电流从集电极流向发射极PNP型三极管电流从发射极流向集电极按材料分硅三极管热稳定性好，是常用的三极管锗三极管反向电流大，受温度影响较大，热稳定性差按工作频率分低频三极管工作频率比较低，用于直流放大、音频放大电路高频三极管工作频率比较高，用于高频放大电路按功率分小功率三极管输出功率小，用于功率放大器末前级大功率三极管输出功率较大，用于功率放大器末级（输出级）按用途分放大管应用在模拟电子电路中开关管应用在数字电子电路中2、类型二、三极管的电流放大作用1、三极管的工作电压NPN型三极管PNP型三极管三极管电流分配实验电路通过调节电位器RB的阻值，可调节基极的偏压，从而调节基极电流IB的大小。每取一个IB值，从毫安表可读取集电极电流IC和发射电流IE的相应值，实验数据见表2-4。2、三极管的电流放大作用表2-4三极管的电流放大作用次数项目123456IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.010.561.141.742.332.91IE/mA0.010.571.161.772.372.96电流关系说明集电极与基极电流关系IC=βIB三个电极电流之间的关系IE=IB+IC=（1+β）IB三极管三个电极电流关系三极管电流放大作用的条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。三极管电流放大的实质是：用较小的基极电流控制较大的集电极电流，是“以小控大”。通过实验数据分析，三极管三个电极电流具有下表所示的关系。结论：三极管特性曲线测试电路三、三极管的特性曲线1、输入特性锗管的输入特性曲线硅管的输入特性曲线三极管的输入特性曲线三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似，只有当发射结的正向电压UBE大于死区电压（硅管0.5V，锗管0.2V）时才产生基极电流IB，这时三极管处于正常放大状态,发射结两端电压为UBE（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。2、输出特性三极管的输出特性曲线每条曲线可分为线性上升、弯曲、平坦三部分。对应不同IB值得不同的曲线，从而形成曲线簇。各条曲线上升部分很陡，几乎重合,平坦部分则按IB值从下往上排列，IB的取值间隔均匀，相应的特性曲线在平坦部分也均匀分布，且与横轴平行。在放大区内，有一个特定的基极电流，就有一个特定的集电极电流，实现基极对集电极电流的控制。名称截止区放大区饱和区范围IB=0曲线以下区域，几乎与横轴重合平坦部分线性区，几乎与横轴平行曲线上升和弯曲部分条件发射结反偏（或零偏），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（或零偏）特征IB=0，IC=ICEO≈0（1）当IB一定时，IC的大小与UCE基本无关（但UCE的大小随IC的大小而变化），具有恒流特性；（2）IB不同，曲线也不同，IC受IB控制，具有电流放大特性，IC=hFEIB，△IC=β△IB各电极电流都很大，IC不受IB控制，三极管失去放大作用工作状态截止状态放大状态饱和状态输出特性曲线的三个区域提示：对于NPN型三极管：工作于放大区时，UC﹥UB﹥UE；工作于截止区时，UB≤UE；工作于饱和区时，UC≤UB。PNP型三极管与之相反。在模拟电子电路中三极管大多工作在放大状态，作为放大管使用；在数字电子电路中三极管工作在饱和或截止状态，作为开关管使用。【例2-1】已知三极管接在相应的电路中，测得三极管各电极的电位，如下图所示，试判断这些三极管的工作状态？在图（a）中，三极管为NPN型管，UB=2.7V，UC=8V，UE=2V，因UB＞UE，发射结正偏，UC＞UB，集电结反偏，所以图（a）中的三极管工作在放大状态。在图（b）中，三极管为NPN型管，UB=3.7V，UC=3.3V，UE=3V，因UB＞UE，发射结正偏，UC＜UB，集电结正偏，所以图（b）中的三极管工作在饱和状态。在图（c）中，三极管为NPN型管，UB=2V，UC=8V，UE=2.7V，因UB＜UE，发射结反偏，所以图（c）中的三极管工作在截止状态。在图（d）中，三极管为PNP型，UB=-0.3V，UC=-5V，UE=0V。因UB＜UE，发射结正偏，UC＜UB，集电结反偏，所以图（d）中的三极管工作在放大状态。（a）（b）（c）（d）解：【例2-2】若有一三极管工作在放大状态，测得各电极对地电位分别为U1＝2.7V，U2＝4V，U3＝2V。试判断三极管的管型、材料及三个管脚对应的电极。由放大条件的分析知，三个管脚中B极的电位介于C极和E极之间，所以要判断管型、材料及电极，可按下面四步进行。第一步找B极。管脚1为基极。第二步判断材料。U1-U2既不等于0.7V，也不等于0.3V，而U1－U3=2.7－2＝0.7V所以该三极管为硅管。第三步判断发射极和管型。因U1－U3＝0.7V，管脚3为发射极，又因U2U1U3,所以该三极管为NPN型三极管。最后确定剩余的管脚为集电极。解：四、三极管的主要参数1、电流放大系数（1）共射极直流电流放大系数hFE三极管集电极电流与与基极电流的比值，即hFE=IC/IB。反映三极管的直流电流放大能力。（2）共射极交流电流放大系数β三极管集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比，即β=△IC/△IB。反映三极管的交流电流放大能力。同一只三极管，在相同的工作条件下hFE≈β，应用中不再区分，均用β来表示。选管时，β值应恰当，β太小，放大作用差；β太大，性能不稳定，通常选用30～100之间的管子。反映三极管的电流放大能力。基极开路时（IB=0），C-E极间的反向电流。好象是从集电极直接穿透三极管到达发射极的电流，故又叫“穿透电流”。ICEO＝（1＋β）ICBO，反映了三极管的稳定性。选管子时，ICEO越小，管子受温度影响越小，工作越稳定。2、极间反向电流（1）集电极-基极间的反向饱和电流ICBO发射极开路时，C-B极间的反向饱和电流。ICBO越小，集电结的单向导电性越好。（2）集电极-发射极间反向饱和电流ICEO反映三极管的质量好坏。3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM集电极电流过大时，三极管的β值要降低，一般规定β值下降到正常值的2/3时的集电极电流为集电极最大允许电流。使用时一般IC＜ICM，否则管子易烧毁。选管时，ICM≥IC。（2）集电极-发射极间的反向击穿电压U（BR）CEO基极开路时，加在C与E极间的最大允许电压。使用时，一般UCE＜U（BR）CEO，否则易造成管子击穿。选管时，U（BR）CEO≥UCE。（3）集电极最大允许耗散功率PCM集电极消耗功率的最大限额。根据三极管的最高温度和散热条件来规定最大允许耗散功率PCM，要求PCM≥ICUCE。PCM的大小与环境温度有密切关系，温度升高，PCM减小。对于大功率管，常在管子上加散热器或散热片，降低管子的环境温度，从而提高PCM。工作时，ICUCE＜PCM，否则管子会因过热而损坏。选管时，PCM≥ICUCE。表示三极管工作时，不允许超过的极限值。五、三极管的识别和简单测试§2-2共射极基本放大电路三、共射极放大电路的分析方法一、概述二、共射极基本放大电路的组成及工作原理一、概述放大器的基本结构可能是某种用电设备，也可能是一级放大器也可能是一级放大电路放大电路的种类分类方法种类应用信号的大小小信号放大器位于多级放大电路的前级,专门用于小信号的放大大信号放大器位于多级放大电路的后级，如功率放大器，专门用于大信号的放大所放大的信号频率直流放大器专门用于放大直流信号和变化缓慢的信号，集成电路采用的就是直流放大器低频放大器专门用于低频信号的放大高频放大器专门用于高频信号的放大三极管的连接方式共射极放大器最常用的放大器，具有电压和电流放大能力，是唯一能够同时放大电流和电压的放大器共集电极放大器常用放大器，只有电流放大能力，没有电压放大能力，又称为射极输出器或射极跟随器。共基极放大器用于高频放大电路中，只有电压放大能力，没有电流放大能力，很少用元件集约程度分立元件放大器是由单个分立的元器件组成的电子线路集成放大器将电子元器件和连线按照电子线路的连接方法，集中制作在一小块晶片上的电子器件二、共射极基本放大电路的组成及工作原理1．放大电路组成及各元件的作用输入耦合电容其作用一是隔直流；二是通交流输出耦合电容其作用一是隔直流；二是通交流基极偏置电阻其作用为电路提供静态偏流IBQ。集电极电阻其作用将三极管的电流放大作用变换成电压放大作用。直流电源其作用一是为电路提供能源；二是为电路提供工作电压。三极管其作用可以将微小的基极电流转换成较大的集电极电流，它是放大器的核心。2、放大器中电压、电流符号及正方向的规定物理量表示符号直流量用大写字母带大写下标。如：IB、IC、IE、UBE、UCE交流量用小写字母带小写下标。如：ib、ic、ie、ube、uce、ui、uo交直流叠加量用小写字母带大写下标。如：iB、iC、iE、uBE、uCE交流分量的有效值用大写字母带小写下标。如：Ib、Ic、Ie、Ube、Uce电压用“+”、“-”表示电流用箭头表示。（1）电压、电流符号：（2）电压、电流的正方向：3、静态工作点的设置（1）静态工作点直流通路输入、输出特性曲线上的Q点三极管的IB、IC、UBE和UCE值叫静态值。这些静态值分别在输入、输出特性曲线上对应着一点Q，称为静态工作点，或简称Q点。静态：ui=0用IBQ、ICQ和UCEQ表示。（UBEQ为常数）（2）静态工作点的作用未设静态工作点时ui和iB波形设置静态工作点的目的：使放大器能不失真放大交流信号。Q具有合适静态工作点时ui和iB波形思考：放大电路为什么要设置静态工作点？4、工作原理（1）静态（ui=0）工作情况共射极基本放大电路静态时电路的工作情况所谓静态指的是放大器在没有交流信号输入（即ui=0）时的工作状态。静态：ui→uBE→iB→iC→uCE→uoiB+-uBEiC+-uCEuiuo+-+-uBE＝UBEQ＋uiiB=IBQ＋ibiC=ICQ+icuCE＝UCEQ＋（－icRC）输出uo＝uce=－icRC即uCE＝UCEQ＋uce输入ui（2）动态工作情况uCE＝UCC－iCRC=VCC－ICQRC－icRC用示波器观察到的输入输出电压波形只要电路参数能使三级管工作在放大区，且RC足够大，则uo的变化幅度将比ui变化幅度大很多倍。如输入信号电压波形如下图a所示，那么用示波器观察到的输出电压波形如图b所示。ab视频（1）输出电压uo的幅度比输入电压ui大，说明放大器实现了电压放大。ui、ib、ic三者频率相同，相位相同，而uo与ui相位相反,这叫做共射极放大器的“反相”作用。从工作波形我们可以看出：（2）动态时，uBE、iB、iC、uCE都是直流分量和交流分量的叠加，波形也是两种分量的合成。（3）虽然动态时各部分电压和电流大小随时间变化，但方向却始终保持和静态时一致，所以静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ是交流放大的基础。三、共射极放大电路的分析方法1、近似估算法已知电路各元器件的参数，利用公式通过近似计算来分析放大器性能的方法称为近似估算法。（1）近似估算放大器的静态工作点直流通路——所谓直流通路是指直流信号流通的路径。画法:把电容看作断路IIBQCQRIVUCCQCCCEQBCCBBEQCCBQRVRUVI静态工作点直流通路（2）近似估算放大器的输入电阻、输出电阻和电压放大倍数交流通路——所谓交流通路是指交流信号流通的路径。画法:把电容和直流电源都视为交流短