03模电--半导体三极管及其放大电路--康华光

模拟电子技术基础——多媒体教学内江师范学院物学院:邹万全邹万全13568013216物理学与电子信息工程学院3.1半导体三极管（BJT）3.2共射极放大电路3.3图解分析法3.4小信号模型分析法3.5放大电路的工作点稳定问题3.6共集电极电路和共基极电路3.7放大电路的频率响应3.1半导体三极管（BJT）3.2共射极放大电路3.3图解分析法3.4小信号模型分析法3.5放大电路的工作点稳定问题3.6共集电极电路和共基极电路3.7放大电路的频率响应3.1.1BJT的结构简介3.1半导体三极管（BJT）3.1.2BJT的电流分配与放大原理3.1.3BJT的特性曲线3.1.4BJT的主要参数3.1.1BJT的结构简介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。两种类型的三极管发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区NPN型三极管符号PNP型三极管符号结构特点：•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。管芯结构剖面图3.1.2BJT的电流分配与放大原理1.内部载流子的传输过程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。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）以上看出，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)。3.1.2BJT的电流分配与放大原理2.电流分配关系发射极注入电流传输到集电极的电流设EnCII即根据传输过程可知IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO通常ICICBOECII则有为共基电流放大系数，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0.99IE=IB+IC1又设根据是共射电流放大系数，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1IE=IB+ICIC=InC+ICBOEnCII2.电流分配关系CBII注意：ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）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RLecb1k图03.1.05共基极放大电路4.放大作用若vI=20mV使当则电压放大倍数4920mVV98.0IOVvvAVEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iBiE=-1mA，iC=iE=-0.98mA，vO=-iC•RL=0.98V，=0.98时，+-bceRL1k共射极放大电路图03.1.06共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvI=20mV设若则电压放大倍数4920mVV98.0IOVvvAiB=20uAvO=-iC•RL=-0.98V，=0.98mA98.01BBCiii使4.放大作用综上所述，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。3.1.2BJT的电流分配与放大原理iB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，集电区开始收集发射区扩散到基区的自由电子，从而使由发射区扩散到基区的自由电子与基区的空穴复合的数量减少，即在同样的vBE下使IB减小，使输入特性曲线向右移动。(1)当vCE=0V时，输入特性曲线相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）(3)输入特性曲线的三个部分①死区②非线性区③线性区1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线饱和区：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。iC=f(vCE)iB=const输出特性曲线的三个区域:3.1.3BJT的特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的输出特性曲线的下方。此时，vBE小于死区电压0.5V（Si管）[包括0偏和反偏]，集电结反偏。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。2.输出特性曲线3.1.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数≈IC/IBvCE=const1.电流放大系数三周三(2)共发射极交流电流放大系数=iC/iBvCE=const3.1.4BJT的主要参数1.电流放大系数(3)共基极直流电流放大系数≈IC/IEνCB=const(4)共基极交流电流放大系数αα=iC/iEνCB=const当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。3.1.4BJT的主要参数1.电流放大系数(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ICEO(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。3.1.4BJT的主要参数即是IB=0的那条输出特性曲线所对应的Y坐标的值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。+bce-uAIe=0VCCICBO+bce-VCCICEOuA(1)集电极最大允许电流ICMＰ７９(2)集电极最大允许功率损耗PCM3.极限参数3.1.4BJT的主要参数是指ＢＪＴ的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流．当电流超过ＩＣＭ时，管子性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能．它是表示集电结上允许损耗的最大功率值．超过此值就会使管子性能变坏或烧毁．CMCCEPiv(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反向击穿电压。几个击穿电压有如下关系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO3.极限参数3.1.4BJT的主要参数由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区（思考题）3.1BJT1.既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？3.为什么说BJT是电流控制器件？3.2共射极放大电路电路组成简化电路及习惯画法简单工作原理放大电路的静态和动态直流通路和交流通路书中有关符号的约定3.2共射极放大电路1.电路组成－共发射极基本放大器（共射放大器）输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）2.简化电路及习惯画法习惯画法共射极基本放大电路3.2共射极放大电路3.简单工作原理Vi=0Vi=Vsint3.2共射极放大电路4.放大电路的静态和动态静态：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。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。电路处于静态时，三极管各个电极的电压、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。#放大电路为什么要建立正确的静态？3.2共射极放大电路3.2共射极放大电路5.直流通路和交流通路交流通路直流通路耦合电容：通交流、隔直流直流电源：内阻为零直流电源和耦合电容对交流相当于短路共射极放大电路（思考题）交流通路icvce+-TVBBCbRcRb(a)TVCCCb1RcCb2(b)(c)T-VCCCb1RcCb2RcT+VCCCb1RcCb2Rc(d)(f)TVCCCb1RcCb2VBBRbT-VCCCb1RcCb2(e)3.21.下列a~f电路哪些具有放大作用？3.3图解分析法用近似估算法求静态工作点用图解分析法确定静态工作点交流通路及交流负载线输入交流信号时的图解分析BJT的三个工作区输出功率和功率三角形3.3.1静态工作情况分析3.3.2动态工作情况分析共射极放大电路3.3.1静态工作情况分析1.用近似估算法求静态工作点cCCCCEBCbBECCBRIVVIβIRVVI根据直流通路可知：采用该方法，必须已知三极管的值。一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。直流通路+-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2.用图解分析法确定静态工作点首先，画出直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-3.3.1静态工作情况分析3.3图解分析法直流通路IBVBE+-ICVCE+-列输入回路方程：VBE=VCC－IBRb列输出回路方程（直流负载线）：VCE=VCC－ICRc在输入特性曲线上，作出直线VBE=VCC－IBRb，它与输入特性曲线的交点即是Q点，得到IBQ。在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－ICRc，它与IBQ对应的输出曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。vCEiC斜率-1RcRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQICQIBQRcVCCVCCvCEiC3.3.2动态工作情况分析由交流通路得纯交流负载线：共射极放大电路交流通路icvce+-vce=-ic(Rc//RL)因为交流负载线必过Q点，即vce=vCE-VCEQic=iC-ICQ同时令RL=Rc//RL1.交流通路及交流负载线则交流负载线为vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL即iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQiC=(-1/RL)vCE+(VCC/RL)3.3图解分析法斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1Rc斜率1Rc//RLQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/RL直线，该直线即为交流负载线。R'L=RL∥Rc，是交流负载电阻。交流负载线是有交流信号输入时Q点的运动轨迹。3.3图解分析法2.输入交流信号时的图解分析3.3.2动态工作情况分析共射极放大电路QIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQ`Q``IBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQ`Q``IBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uA204060QICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线QQ`Q``ICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线20uA40uA60uAQQ`Q``ICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线20uA40uA60uAQQ`Q``ICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线20uA40uA60uA#动态工作时，iB、iC的实际电流方向是否改变，vCE的实际电压极性是否改变？3.3.2动态工作情况分析3.BJT的三个工作区3.3图解分析法QQ1Q2vCE/ViC/mA放大区0iB=40uA80uA120uA160uA200uA饱和区截止区当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点：iC不再随iB的增加而线性增