模拟电子答案第4章

重庆交通大学国际学院工程教学部1第4章晶体三极管及其放大电路本章主要内容：晶体三极管的工作原理放大电路的组成原则放大电路的分析方法放大电路的三种组态放大电路的频率响应4.1晶体三极管一、晶体三极管的结构、类型、内部载流子运动过程1、结构、名称：2、类型：3、典型条件下内部载流子运动过程：条件：发射结正偏，集电结反偏(1)发射区发射多子：因发射结正偏，发射区的多子（电子）向基区扩散（基区的多子亦向发射区扩散，但因基区多子浓度很低，此部分可忽略不计），并形成发射区、发射极电流（IEN，扩散电流）。(2)多子在基区的扩散与复合：发射区扩散的多子存在浓度差，继续向集电结扩散，在此过程中，少部分与基区的少子（空穴）复合，在基极外电压作用下，补充复合的空穴，形成基极电流（IBN），因基区很窄，此电流亦很小；剩下的大部分扩散到集电结附近。(3)集电区收集多子：因集电结反偏，在此外加的反向电压的作用下，扩散来的多子（电子）漂移到集电区（集电区的少子亦漂移到基区，但集电区浓度较低，形成的电流亦较小），形成集电区、集电极的主要电流（ICN，漂移电流）。二、三极管的电流放大特性1、近似条件下的电流关系：忽略基区的扩散电流、集电区的漂移电流，则：ENEII，BNBII，CNCII，则：CNBNENIII。若将三极管看作一个电流节点，依KCL：CBEIII定义：直流电流放大系数：BNCNIIBNCNIIBNENII)1(2、考虑集电区漂移情况下的电流关系：若考虑集电结反偏、集电区的少子漂移产生的电流ICBO（仍忽略基区的扩散电流），则：CBOCNCIIICBOBNBIII重庆交通大学国际学院工程教学部2BCCBOBCBOCBNCNEIIIIIIIII)()(，仍符合KCL。CBOBCBOCBNCNIIIIIICBOBCIII)1(，根据此式，有如下结论：(1)若忽略ICBO，则BCII(2)令IB=0，即基极开路，则：CBOCII)1(，CBOCBEIIII)1(，其物理意义是：在基极开路，集电极与发射极外加反向电压时，C-E间仍有电流，定义此电流为ICEO，并称其为穿透电流。其形成原理如下：A．在集电极与发射极间外加反向电压的情况下，相当于两个PN结串联，发射结正偏，集电结反偏，发射区向基区发射多子（电子），集电区向基区漂移少子（空穴）；B．发射区扩散到基区的多子（电子）在扩散过程中与基区的多子（空穴）复合，此时，由于基极开路，由集电区漂移到基区的少子（空穴）填补了为维持基区电荷平衡所需的多子（空穴），形成ICBO，即CBOBNII；另外大部分被集电结的反向电场拉向集电区，形成ICN。C．根据的定义，BNCNII，而此时的CBOBNII，故CBOCNII，依此可得：CBOCBOCBOCNCBOCIIIIII)1(CBOCBOCBOCNBNEIIIIII)1(3、三极管的电流放大特性：(1)直流状态下：BCII，即较小的基极电流对应于较大的集电极电流。(2)交流状态下：BBBiIiCCCiIi定义：BCii为交流电流放大系数，在输入交流信号为小信号时，，因此，通常不对二者区分。(3)三极管的电流放大特性：共发射极组态下，三极管较小的基极电流或电流变化，引起较大的集电极电流或集电极电流变化（主要强调后者）。(4)共基极组态电流放大系数：定义：直流：ECENCNIIII交流：ECii，通常：根据CBEIII，可得：11，显然，1，若远大于1，则1。三、三极管的伏安特性曲线及其工作区1、输入特性：重庆交通大学国际学院工程教学部3常数CEUBEBufi|)(2、输出特性：常数BICECufi|)(3、输出特性的三个工作区(1)截止区：0BI，ONBEUU，0BCU此时，因发射结反偏（或虽然正偏但外加电压小于开启电压），集电结反偏，形成很小的ICEO。(2)放大区：ONBEUU，0BCU此时，发射结正偏，集电结反偏，处于正常的电流放大状态。IB的小变化引起IC的大变化。(3)饱和区：ONBEUU，0BCU此时，两结均正偏，表现为IC不仅与IB有关，亦与UCE有关，IC随IB、UCE的较小变化发生较大变化，解释如下：A．保持IB不变，改变UCE：当由放大区开始，逐步减小UCE时，集电结的反偏电压逐步减小，对发射区扩散来的多子的电场力逐步减小，IC逐步减小，当使UBC为0时，此时的状态称为临界饱和状态（IC与IB间仍维持β关系），过此状态后，集电结开始正偏，阻碍发射区扩散来的多子，IC急剧减小（虽然集电子区的多子此时可扩散到基区形成一定电流，但因集电区掺杂浓度不高，此电流变化不明显）。B．保持UCE不变，改变IB：在保持UCE不变且维持集电结正偏的情况下，若需改变IB，需改变UBE，UBE越小，IB越小，UBC越大，集电结的正偏电压越高，阻碍力越大，IC越小。四、三极管的主要参数1、直流参数：(1)共射直流放大系数(2共基直流放大系数(3)极间反向电流2、交流参数：(1)共射交流放大系数(2)共基交流放大系数(3)特征频率fT：当信号频率升高到一定程度时，β会下降且产生相移，即β是信号频率的函数，记作；使下降到1时对应的信号频率称为三极管的特征频率。3、极限参数：(1)最大集电极耗散功率PCM(2)最大集电极电流ICM(3)极间反向击穿电压U（BR）CBO、U（BR）CEO、U（BR）EBO五、温度对三极管参数及性能的影响1、温度对ICBO的影响：温度每升高10oC，ICBO增加一倍；硅管比锗管的温度稳定性好。2、温度对输入特性的影响：温度升高，输入曲线左移——在相同UBE的情况下，IB增大。3、温度对输出特性的影响：温度升高，输出曲线整体上移，且间隔加大——在相同IB情况下，ICEO、β增大。重庆交通大学国际学院工程教学部44.2放大电路的组成与工作原理一、基本共射放大电路的组成与工作原理1、组成及各器件作用：（1）三极管：使其工作于放大区，实现电流放大。（2）基极偏置电阻：为基极提供合适的电源，使发射结正偏；提供小信号输入通道。（3）集电极负载电阻：为集电极提供合适电源，使集电结反偏；将iC的变化转换大幅度的电压变化，实现电压放大。2、静态工作点及其设置必要性：（1）概念：在输入信号为0时，基极电流、集电极电流、B-E间电压、C-E间电压值称为静态工作点，分别表示为：IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。（2）求法：CEQcCQCCBEbBQBBURIVURIVQBQCQbBEQBBBQIIRUVICCQCCCEQRIVU（3）设置静态工作点的必要性：保证在输入信号较小或输入信号为负时，发射结均处于正偏状态，集电结均处于反偏状态。3、工作原理：在VBB与输入小信号共同作用下（以正弦信号为例，rbe为交流状态下基极-发射极间的动态电阻）：（1）输入信号引起iB微变：)(bbebRbeiBBRriuuuVb)(1)(1)(tSinURItSinURrRrVRrtSinUViimbBQimbbebbeBBbbeimBBb（2）三极管电流放大，iC发生大变化：)(tSinURIiiimbBQBC（3）集电极负载将大变化的电流转换为大变化、但反相的电压变化：)()()()]([tSinURRItSinURRRIVRtSinRUIVRiVuVuuimbcCQimbcCBQCCcbimBQCCcCCCRCCCEOc二、常见的实用单管（级）共射放大电路1、电路改进：（1）单电源供电（2）信号源与输出共同接地（3）根据需要，可在输入、输出端加电容——隔直流、通交流2、静态工作点的计算：（1）a图：22bBEQCCRRUVIb11bBEQRRUIb1212bBEQbBEQCCRRBRURUVIIIbb（2）b图：bBEQCCBRUVI重庆交通大学国际学院工程教学部54.3放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路与交流通路1、直流通路：指放大电路在只有直流电源作用、没有交流信号作用的情况下，电路各处的直流电流通路。主要用于分析、计算静态工作点。电容：开路处理；电感：短路处理；信号源：为0但保留内阻。2、交流通路：指放大电路在只有交流信号作用、没有直流电源的情况下，电路各处的交流电流通路。主要用于分析电路在信号作用下的动态情况。电容：短路处理；电感：开路处理；直流电源：作为恒压源处理——短路。二、图解分析法（简介）1、静态分析（只有直流电源作用，无输入信号作用）：（1）输入回路方程：bBBBBERiVu，将该直线画于输入特性曲线图上，其交点即为输入回路的静态工作点。此直线称为输入回路直流负载线。（2）输出回路方程：cCCCCERiVu，将该直线画于输出特性曲线图上，直线与相应IB值所对应的曲线交点即为输出回路的静态工作点。此直线称为输出回路直流负载线。（3）可分析温度变化对静态工作点的影响：2、动态分析（只有交流输入信号作用）：（1）输入回路方程：bBiBBBERiuVu)(，根据输入的交流信号及其变化范围，找出直流负载线与输入曲线交点的变化范围，再求出iB的变化范围。（2）输出回路方程：与静态时的直流负载线相同，故也称为交流负载线。根据的iB变化范围，找出交流负载线与输出曲线交点的变化范围，再求出iC、uCE的变化范围。（3）可求解电路的电压放大倍数；可进行失真分析：截止失真——因静态工作点位置过低，靠近截止区，而导致输出电压信号正半周失真。饱和失真——因静态工作点位置过高，靠近饱和区，而导致输出电压信号负半周失真。3、图解法的优缺点：（1）优点：直观，易于理解，适合于静态工作点的定性分析、失真问题的定性分析，尤其适用于非小信号时——功率放大器的分析。（2）缺点：不准确，过程繁琐。三、等效电路分析法1、三极管的直流等效模型：（1）输入回路：若将UBE作为一个常量，则B-E间可等效为一个理想二极管与恒压源UBE的串联。（2）输出回路：根据BQCQII，C-E间可等效为一个理想二极管与恒流源BQI的串联。2、三极管的交流等效模型：（1）根据输入、输出特性求三极管的h参数：CEICEBEBUBBEBEduuudiiuduBCE||CEICECBUBCCduuidiiidiBCE||重庆交通大学国际学院工程教学部6CEUBBEiuh|11BICEBEuuh|12CEUBCiih|21BICECuih|22（2）各h参数的物理意义：h11——在UCE为常量时，B-E间的动态电阻，记作rbe，近似计算时可取1KΩ左右。h12——在IB为常量时，uCE的变化对uBE的影响，称为内反馈系数，此值通常很小。h21——在UCE为常量时，iC与iB变化量的比值——β。h22——在IB为常量时，C-E间动态电导，记作1/rce。rce通常为几百KΩ以上。（3）输入/输出回路的h参数表达式（变化量用正弦信号代替）：cecebcebccebbecebberUIUhIhIUhIrUhIhU/2221121211（4）三极管的h参数等效模型：A．完整模型：输入回路等效为rbe与受控源ceUh12的串联；输出回路等效为电阻rce与受控源bI的并联。ebbbbebcbbbbebebbbebbbbbeberririiriririuuiur,)1(,,)(,,,,,，根据)1(,TebUuSeeIi，TebUUSTebeeIUdudi,1,，EQTUUSTUUSTeebebIUeIUeIUdidurTebTeb)1(,,,,，所以，EQTbbebbbbeIUrrrr)1(