模电-课件第3章-半导体三极管及放大电路基础1

1、第3章 半导体三极管及放大电路基础,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,3.1 半导体三极管 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,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

2、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。,2019/4/20,3.1 半导体三极管 3.1.1 半导体三极管的结构 3.1.2 半导体三极管的电流分配与放大作用 3.1.3 半导体三极管的特性曲线 3.1.4 半导体三极管的主要参数 3.1.5 半导体三极管的型号,2019/4/20,3.1.1 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）。,2019/4/20,3.1.2 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

3、。,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3.1。,图 3.1 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 3.1 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3-1),(3) 集电区收集电子形成 集电 极电流 IC 。,2019/4/20,2.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3.2。,图 3.2 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:,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

4、，因IC中没有IB，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:,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：,2019/4/20,3.1.3 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3.3所示。,图3.3 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vCE1V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

5、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：死区 非线性区 线性区,图3.4 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=0 V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 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V 集电区收集电子的能力 很弱，iC主要由vCE决定。 图3.5 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 1 V vBE 0.7 V 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3.5 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vCE0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反

6、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0.7 V左右(硅管) 。vc vb ve,3.1.4 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 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const IC = IB,图3.7 值与IC的关系,图 3.6 在输出特性曲线上决定, 共基极直流电流放大系数,=（ICICBO）/IEIC/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ICBO ICBO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 ICEO,2 交流参数 （1）交流电流放大系数 .共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const,图3.9 在输出特性曲线上求,.共基极交

7、流电流放大系数 =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 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7030 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ICICM时，并不表 示三极管会损坏。 图3.7 值与IC的关系,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= ICVCBICVCE， 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。,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3.10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)

8、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)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO,2019/4/20,3.1.5 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: 3 D G 110 B,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,2019/4/20,表3.1 双极型三极管的参数,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。,3.2 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

9、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：,三极管放大作用,变化的 通过 转 变为变化的输出,图 3.2.2 共发射级放大电路的简化,PNP管用负电源供电,3.3 图解分析法,3.3.1 静态工作情况分析 3.3.2 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。,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。,3.3.1 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,（1） 近似估算Q点,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

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