模拟电子技术基础 第四章 -1双极结型三极管及放大电路基础

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=InC+ICBOIE=IB+IC放大状态下BJT中载流子的传输过程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+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1又设BCEOCIII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=InC+ICBOEnCII且令BCCEOCIIII时，当ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）2.电流分配关系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，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。4.1.3BJT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4.1.4BJT的主要参数2.极间反向电流(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4.1.4BJT的主要参数(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)EBO4.1.5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end4.2共射极放大电路的工作原理4.2.1基本共射极放大电路的组成基本共射极放大电路4.2.2基本共射极放大电路的工作原理1.静态(直流工作状态)输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。直流通路bBEQBBBQRVVIBQCEOBQCQβIIβIIVCEQ=VCC－ICQRc4.2.2基本共射极放大电路的工作原理2.动态输入正弦信号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。交流通路4.3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4.3.1图解分析法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v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。在输入特性曲线上，作出直线，两线的交点即是Q点，得到IBQ。bBBBBERiVv根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE、iB的波形2.动态工作情况的图解分析ωtsinsmsVvbBsBBBERiVvv根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形2.动态工作情况的图解分析cCCCCERiVv2.动态工作情况的图解分析共射极放大电路中的电压、电流波形3.静态工作点对波形失真的影响截止失真的波形饱和失真的波形3.静态工作点对波形失真的影响4.图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。4.3.2小信号模型分析法1.BJT的H参数及小信号模型建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。1.BJT的H参数及小信号模型H参数的引出),(CEB1BEvvif在小信号情况下，对上两式取全微分得CECEBEBBBEBEdddBCEvvvvvIVii用小信号交流分量表示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以写成：),(CEB2CvifiCECECBBCCdddBCEvvIViiiiiBJT双口网络CEBBEieVihv输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的输出电导。其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevceCEBCfeViihBCEBEreIhvvBCECoeIihv1.BJT的H参数及小信号模型H参数的引出1.BJT的H参数及小信号模型H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevceBJT双口网络1.BJT的H参数及小信号模型H参数小信号模型H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与工作点有关，在放大区基本不变。H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。受控电流源hfeib，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。1.BJT的H参数及小信号模型模型的简化hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。BJT在共射连接时，其H参数的数量级一般为S101010~101052433oefereieehhhhh1.BJT的H参数及小信号模型H参数的确定一般用测试仪测出；rbe与Q点有关，可用图示仪测出。rbe=rbb’+(1+)re其中对于低频小功率管rbb’≈200则)mA()mV(26)1(200EQbeIr)mA()mV(26)mA()mV(EQEQeIIVrT而(T=300K)一般也用公式估算rbe（忽略r’e）4.3.2小信号模型分析法2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（1）利用直流通路求Q点共射极放大电路bBEBBBRVVI一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。BCIβILCcCECCCE)(RIRVVV2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（2）画小信号等效电路H参数小信号等效电路2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（3）求放大电路动态指标根据)(bebbirRivbciβi)//(LccoRRiv则电压增益为)()//()()//()()//(bebLcbebbLcbbebbLcciorRRRβrRiRRiβrRiRRiAvvv（可作为公式）电压增益H参数小信号等效电路2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（3）求放大电路动态指标输入电阻输出电阻令0iv0bi0biβRo=Rc所以bebbbebbbiiiirRirRiiiR)(vvLsR,0ttovviR3.小信号模型分析法的适用范围放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其V－T特性曲线的线性范围（即放大区）内。H参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。优点：分析放大电路的动态性能指标(Av、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。4.3.2小信号模