模电_课件第2章_半导体三极管及放大电路基础1

内容提要：本章讨论半导体三极管(BJT)的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。着重讨论BJT放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三种基本放大电路。从共发射极电路入手，推及其他两种电路，并将图解法和小信号模型法作为分析放大电路的基本方法。分析的步骤，首先是电路的静态工作点(Q点)，然后分析其动态技术指标。对于电压放大电路来说，主要的技术指标有电压增益、输入阻抗、输出阻抗和频响带宽，最后介绍放大电路的频率响应分析法。本章主要内容2.1半导体三极管2.2共射极放大电路2.3图解分析法2.4小信号模型分析法2.5放大电路的工作点稳定问题2.6共集电极电路和共基极电路2.7放大电路的频率响应本章基本教学要求熟练掌握:1.三极管的外特性及主要参数2.共射、共集和共基组态放大电路的工作原理3.静态工作点的分析4.用微变等效电路法分析增益、输入和输出电阻正确理解三极管的工作原理、图解分析法、频率响应法本章重点内容用估算法求静态工作点。熟悉具有稳定静态工作点的共射放大电路及电路的分析。掌握用微变等效电路分析放大电路动态性能指标（Au、Ri、Ro）的方法。熟悉三种基本放大电路的性能特点。晶体管的放大作用、输入和输出特性曲线、主要参数、温度对参数的影响。2020/1/192.1半导体三极管2.1.1半导体三极管的结构2.1.2半导体三极管的电流分配与放大作用2.1.3半导体三极管的特性曲线2.1.4半导体三极管的主要参数2.1.5半导体三极管的型号2020/1/192.1.1半导体三极管的结构双极型半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。图02.01两种极性的双极型三极管e-b间的PN结称为发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结(Jc)中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。2020/1/192.1.2半导体三极管的电流分配与放大作用双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见图2.1。图2.1双极型三极管的电流传输关系1.三极管内部载流子的传输过程(1)发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。(2)电子在基区中的扩散与复合形成基极电流IB。图2.1双极型三极管的电流传输关系IE=IC+IB三极管三个极间电流的关系如下：(动画2-1)(3)集电区收集电子形成集电极电流IC。2020/1/192.半导体三极管的电流分配关系(1)三种组态三极管有三个电极，其中一个可以作为输入,一个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图2.2。图2.2三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；(2)三极管的电流放大系数对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:EC/II称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流IC与总发射极电流IE的比值。IC与IE相比，因IC中没有IB，所以的值小于1,但接近1。由此可得:1)1(BCEECECIIIIIII因≈1,所以1定义:=IC/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是：2020/1/192.1.3半导体三极管的特性曲线这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。输入特性曲线——iB=f(vBE)vCE=const输出特性曲线——iC=f(vCE)iB=const本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图2.3所示。图2.3共发射极接法的电压-电流关系iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。iB=f(vBE)vCE=const(1)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-vBE0，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。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区：①死区②非线性区③线性区图2.4共射接法输入特性曲线(2)输出特性曲线iC=f(vCE)iB=const共发射极接法的输出特性曲线是以iB为参变量的一族特性曲线。当vCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如vCE1VvBE=0.7VvCB=vCE-vBE=0.7V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。图2.5共发射极接法输出特性曲线当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE≥1VvBE≥0.7V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域(这与输入特性曲线随vCE增大而右移的图2.5共发射极接法输出特性曲线原因是一致的)。（动画3-2）输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——iC平行于vCE轴的区域，线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7V左右(硅管)。vcvbve2.1.4半导体三极管的参数半导体三极管的参数分为三大类:直流参数交流参数极限参数1.直流参数(1)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=constIC=IB图2.7值与IC的关系图2.6在输出特性曲线上决定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。集电极发射极间反向饱和电流ICEO2交流参数（1）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图2.9在输出特性曲线上求β②.共基极交流电流放大系数αα=IC/IEVCB=const当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。（2）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。(3)极限参数①集电极最大允许电流ICM如图3.7所示，当集电极电流增加时，就要下降，当值下降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。图2.7值与IC的关系②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。③反向击穿电压反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图2.10所示。图3.10三极管击穿电压的测试电路1.V(BR)CBO——发射极开路时集电结的击穿电压。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)EBO2020/1/192.1.5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开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管2020/1/19表2.1双极型三极管的参数参数型号PCMmWICMmAVRCBOVVRCEOVVREBOVICBOμAfTMHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5W5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DKG23250W30A4003258注：*为f温度对三极管的影响T升高，反向饱和电流增加。T升高，增加。T升高，反向击穿电压增加。2.2共发射极放大电路1.共发射极放大电路的组成基本组成如下：三极管T——负载电阻Rc、RL——偏置电路VBB、Rb——耦合电容C1、C2——起放大作用。将变化的集电极电流转换为电压输出。提供电源，并使三极管工作在线性区。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。2.放大原理输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结有下列过程：o2ccc)b(cbbe1ivCvRiiiivCvβ三极管放大作用变化的通过转变为变化的输出cicR图2.2.2共发射级放大电路的简化PNP管用负电源供电2.3图解分析法2.3.1静态工作情况分析2.3.2动态工作情况分析1.静态和动态静态——时，放大电路的工作状态，即此时三极管各电极的直流电压和直流电流的数值，在特性曲线上对应为一确定点，也叫Q点。0iv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，正确地区分直流通道和交流通道。动态——时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。0iv2.3.1静态工作情况分析直流通道交流通道直流电源和耦合电容对交流相当于短路即能通过直流的通道。从C、B、E向外看，有直流负载电阻，Rc、Rb。能通过交流的电路通道。如从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻，Rc//RL和偏置电阻Rb。若直流电源内阻为零，交流电流流过直流电源时，没有压降。设C1、C2足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零。在交流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。2.直流通道和交流通道2（1）近似估算Q点cCCCCEBCbBECCBRIVUIβIRUVI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。根据直流通道可对放大电路的静态进行计算静态分析有计算法和图解分析法两种：近似估算Q点和用图解法确定Q点共射极放大电路放大电路如图所示。已知BJT的ß=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：（1）放大电路的Q点。此时BJT工作区域？（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）μA40300k2V1bBECCBQRVVI（2）当Rb=100k时，3.2mAμA4080BQCQII5.6V3.2mA2k-V12CQcCCCEQIRVV静态工作点为Q（40A，3.2mA