模电第二章-三极管课件

,2 三极管及放大电路基础,2.1 半导体三极管,2.3 放大电路的分析方法,2.4 放大电路静态工作点的稳定问题,2.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,2.2 共射极放大电路的工作原理,2.6 多级放大电路,2.1 半导体三极管,2.1.1 BJT的结构简介,2.1.2 放大状态下BJT的工作原理,2.1.3 BJT的VI特性曲线,2.1.4 BJT的主要参数,2.1.1 BJT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,按照所用的半导体材料分：硅管、锗管； 按照工作频率分：低频管、高频管； 按照功率分：小、中、大功率管。,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。,2.1.1 BJT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,2.1.1 BJT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。,2.1.2 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 (Bipolar Junction Transistor)。,IC= ICN+ ICBO,IE=IB+ IC,放大状态下BJT中载流子的传输过程,外部条件： 发射结正偏 集电结反偏,放大状态下BJT中载流子的传输过程,发射结正偏,多子扩散,IE=IEN+ IEP,很多电子扩散到基区,IEIEN,发射极电流IE,放大状态下BJT中载流子的传输过程,基极复合电流IBN,扩散到基区的电子与基区的多子（空穴）复合，形成复合电流IBN,放大状态下BJT中载流子的传输过程,集电极电流IC,集电结反偏,漂移增强,载流子被集电极收集形成电流ICN,加上集电极和基极间的反相饱和电流,集电极电流,2. 电流分配关系,根据传输过程可知,IC= ICN+ ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,放大状态下BJT中载流子的传输过程,2. 电流分配关系,则,3. 三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极。,共基极接法，基极作为公共电极；,共发射极接法，发射极作为公共电极；,BJT的三种组态,共基极放大电路,4. 放大作用,电压放大倍数,vO = -iC RL = 0.98 V，,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。,2.1.3 BJT的V-I 特性曲线,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 当vCE1V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vCE0.7V (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=const,2. 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。,2.1.3 BJT的V-I 特性曲线,（1）共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/ IBIC / IB vCE=常数,1. 电流放大系数,2.1.4 BJT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/IBvCE=常数,1. 电流放大系数,（3） 共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/ IEIC/IE,（4） 共基极交流电流放大系数 =IC/IEvCB=常数,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,2.1.4 BJT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。,2.1.4 BJT的主要参数,（2） 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,2.1.4 BJT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PCM,PCM= ICVCE,3. 极限参数,2.1.4 BJT的主要参数,3. 极限参数,2.1.4 BJT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)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,2.1.5 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,2.2 共射极放大电路的工作原理,2.2.1 基本共射极放大电路的组成,基本共射极放大电路,偏置电路： 直流电源VBB通过电阻Rb给BJT的发射结提供正偏电压，并产生基极直流电流IB(常称为偏流，而提供偏流的电路称为偏置电路),2.2 共射极放大电路的工作原理,基本共射极放大电路,直流电源VCC是放大电路的能源，为输出信号提供能量，通过集电极负载电阻Rc，并与VBB和Rb配合，给集电结提供反偏电压，使BJT工作于放大状态。,2.2 共射极放大电路的工作原理,基本共射极放大电路,vs是待放大的时变输入信号，加在基极与发射极间的输入回路中，输出信号从集电极一发射极间取出,2.2. 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vs0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,VCEQ=VCCICQRc,2.2.2 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,集电极-发射极间的电压,2.3 放大电路的分析方法,2.3.1 图解分析法,2.3.2 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,直流通路原则：,（1）信号源（交流信号）视为短路；,（2）电容开路；,（3）电感短路。,交流通路原则：,（1）直流源视为短路；,（2）电容短路；,（3）电感开路。,2.3.1 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,2.3.1 图解分析法,1. 静态工作点的图解分析,列输入回路方程 （输入直流负载线）,列输出回路方程 （输出直流负载线） VCE=VCCiCRc, 首先，画出直流通路,直流通路, 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCiCRc，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。, 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, 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,2. 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,截止失真： 因静态工作点Q偏低而产生的失真称为截止失真。,饱和失真的波形,3. 静态工作点对波形失真的影响,饱和失真： 因静态工作点Q偏高而产生的失真称为饱和失真。,例画出电路的直流通路。,直流通路：,解：,4.交流负载线,动态工作情况分析,交流通路的画法：将电路中的直流电源置零、耦合电容及旁路电容短路。 举例：,U,D,交流负载线,5.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。,2.3.2 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,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= 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=const,iC=f(vCE) iB=const,可以写成：,BJT双口网络,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）。,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,BJT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,1. 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 rbb200,则,2.3.2 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,前提:利用直流通路求Q点,共射极放大电路,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。,求IEQ，估算rbe,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,第一步：画小信号等效电