45三极管工作原理(详解)

4.1半导体三极管4.3放大电路的分析方法4.4放大电路静态工作点的稳定问题4.5共集电极放大电路和共基极放大电路4.2共射极放大电路的工作原理4.6组合放大电路4.7放大电路的频率响应1.掌握BJT的电流分配、放大原理、特性曲线和主要参数；重点3.能熟练地利用图解分析法确定静态工作点，掌握工作点的设置与非线性失真的关系；2.掌握共射、共集电路的组成、工作原理和计算；4.能熟练地应用H参数小信号等效电路计算放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻；5.掌握射极偏置电路的工作原理和静态、动态指标的计算；6.正确理解影响放大电路频率特性的因素，重点掌握放大电路的高频特性；难点1.H参数小信号等效电路的分析和计算；2.放大电路的频率特性及高频响应;3.组合放大电路的分析和计算。4.1半导体三极管4.1.1BJT的结构简介4.1.2放大状态下BJT的工作原理4.1.3BJT的V－I特性曲线4.1.4BJT的主要参数•按频率分：高频管、低频管；•按功率分：小、中、大功率管；•按半导体材料分：硅、锗管；4.1.1BJT的结构简介BJT的类型：•按结构分：NPN和PNP管；4.1.1BJT的结构简介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。4.1.1BJT的结构简介(a)NPN型管结构示意图(b)PNP型管结构示意图(c)NPN管的电路符号(d)PNP管的电路符号集成电路中典型NPN型BJT的截面图4.1.1BJT的结构简介结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏集电结反偏4.1.2放大状态下BJT的工作原理1.内部载流子的传输过程发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子（以NPN为例）由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。IC=ICN+ICBOIB=IEP+IBN-ICBO=IEP+IEN-ICN–ICBO=IE-IC放大状态下BJT中载流子的传输过程IE=IEN+IEP2.电流分配关系发射极注入电流传输到集电极的电流设CNEII即根据传输过程可知IC=ICN+ICBO通常ICICBOECII则有为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般=0.90.99。IE=IB+IC放大状态下BJT中载流子的传输过程4.1.2放大状态下BJT的工作原理1又设BCBOCIII则是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般1。根据IE=IB+ICIC=ICN+ICBOCNEII且令BCCBOCIIII时，当ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）2.电流分配关系4.1.2放大状态下BJT的工作原理3.三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；BJT的三种组态4.1.2放大状态下BJT的工作原理共基极放大电路4.放大作用若vI=20mV电压放大倍数4920mVV98.0IOvvvA使iE=-1mA，则iC=iE=-0.98mA，vO=-iC•RL=0.98V，当=0.98时，4.1.2放大状态下BJT的工作原理综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。4.1.2放大状态下BJT的工作原理4.1.3BJT的V-I特性曲线iB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线（以共射极放大电路为例）共射极连接饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，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。iC=f(vCE)iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。4.1.3BJT的V-I特性曲线(1)共发射极直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1.电流放大系数4.1.4BJT的主要参数与iC的关系曲线(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const1.电流放大系数(3)共基极直流电流放大系数=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE(4)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。4.1.4BJT的主要参数2.极间反向电流(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。4.1.4BJT的主要参数(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO2.极间反向电流4.1.4BJT的主要参数(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=ICVCE3.极限参数4.1.4BJT的主要参数3.极限参数(3)反向击穿电压V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO4.1.4BJT的主要参数4.1.5温度对BJT参数及特性的影响(1)温度对ICBO的影响温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。(2)温度对的影响温度每升高1℃，值约增大0.5%~1%。(3)温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。2.温度对BJT特性曲线的影响1.温度对BJT参数的影响讨论一1、分别分析uI=0V、5V时T是工作在截止状态还是导通状态；2、已知T导通时的UBE＝0.7V，若当uI=5V，则β在什么范围内T处于放大状态，在什么范围内T处于饱和状态？通过uBE是否大于Uon判断管子是否导通。μA431007.05bBEIBRUuimA4.2512cCCCmaxRVi56BCmaxii临界饱和时的讨论二由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、β。CECCMuiP2.7ΔiCCEBCUiiuCE=1V时的iC就是ICMU（BR）CEOend4.2.1电路组成4.2.2共射放大电路的工作原理4.2.3两种实用放大电路4.2共射极放大电路4.2.1电路组成输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）习惯画法共射极基本放大电路习惯画法4.2.1电路组成4.2.2共射放大电路的工作原理Vi=0Vi=Vsint1.简单的工作原理2.静态电路处于静态时，三极管三个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、IC和VCE（或IBQ、ICQ和VCEQ）表示。#思考题：放大电路为什么要建立正确的静态？输入信号为零（vi=0或ii=0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。4.2.2共射放大电路的工作原理设置正确静态的必要性设置合适的静态工作点，主要是为了解决失真问题；但Q点将影响所有动态参数！电路的放大对象是动态信号，为什么要求晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？不设置正确的静态：输出电压必然失真！4.2.2共射放大电路的工作原理（1）画直流通路①Us=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）3.静态工作点(Q点）的分析计算步骤：直流电流流经的通路直流通路共射极放大电路原则：求IB、IC、VCE4.2.2共射放大电路的工作原理（2）计算静态工作点CCBEQBQbVVIRBQCEOBQCQβIIβIIVCEQ=VCC－ICQRc直流通路3.静态工作点(Q点）的分析计算4.2.2共射放大电路的工作原理4.动态输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。4.2.2共射放大电路的工作原理②直流电源相当于交流接地。交流通路：信号电流流经的通路①大容量电容相当于短路；原则：共射极放大电路交流通路4.动态4.2.2共射放大电路的工作原理4.2.3两种实用放大电路问题：1、两种电源2、信号源与放大电路不“共地”将两个电源合二为一共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，b1BEQRUU动态时，uBE＝uI＋URb11.直接耦合放大电路耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时，C1、C2上电压？CEQC2BEQC1UUUU，动态时，C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQuBE＝uI＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。2.阻容耦合放大电路4.2.3两种实用放大电路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工作在哪个区域？（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，5.6V），BJT工作在放大区。其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：μA120100k2V1bCCBQRVImA6.9μA12080BQCQIIV2.79.6mA2k-V12CQcCCCEQIRVVmA62k2V1cCESCCCMRVVICMBQII由于，所以BJT工作在饱和区。VCE不可能为负值，此时，Q（120uA，6mA，0V），例题讨论1放大电路的组成原则•静态工作点合适：合适的直流电源合适的电路参数•输入信号能够作用于晶体管的输入端，输出信号能够传送给负载。•对实用放大电路的要求：共地；直流电源种类尽可能少；负载上无直流分量。1.用NPN型管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。2.用PNP型管组成一个共射放大电路。照葫芦画瓢！讨论2end4.3放大电路的分析方法4.3.1图解分析法4.3.2小信号模型分析法1.静态工作点的图解分析2.动态工作情况的图解分析3.非线性失真的图解分析4.图解分析法的适用范围1.BJT的H参数及小信号模型2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路3.小信号模型分析法的适用范围1.静态工作点的图解分析采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。共射极放大电路4.3.1图解分析法—静态1.静态工作点的图解分析列输入回路方程列输出回路方程（直流负载线）VCE=VCC－iCRc首先，画出直流通路直流通路bBBBBERiVv4.3.1图解分析法—静态在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。