西安交大模电课件第2章半导体三极管及其放大电路基础

1、2 半导体三极管及放大电路基础,2.1 半导体三极管,2.2 共射极放大电路的组成和工作原理,2.3 放大电路的静态分析,2.4 放大电路的动态分析,2.5 静态工作点的选择和稳定,2.6 共集电极和共基极放大电路,2.7 多级放大电路,2.8 放大电路的频率特性,2 半导体三极管及放大电路基础,2.1 半导体三极管,半导体三极管又称简称晶体管。,半导体三极管的放大作用和开关作用，促使了电子技术的的跃。,半导体三极管图片,2.1.1 半导体三极管的结构,1. NPN型三极管结构示意图和符号,（2）根据使用的半导体材料分: 硅管和锗管,（1） 根据结构分: NPN型和PNP型,三极管的主要类型,发射区,集电区,基区,发射极E(e),集电极C(c),发射结Je,集电结Jc,基极B(b),NPN型三极管符号,2、PNP型三极管结构示意图和符号,PNP型三极管符号,E(e),（1）发射区小，掺杂浓度大。,3、三极管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）：,（2）集电区掺杂浓度低，集电结面积大。,（3）基区掺杂浓度很低，且很薄。,2.1.2 三极管工作原理（以NPN型管为例）,依据两个PN结的

2、偏置情况,放大状态,饱和状态,截止状态,倒置状态,1发射结正向偏置、集电结反向偏置放大状态,原理图,电路图,(1) 电流关系,a. 发射区向基区扩散电子,形成发射极电流IE。,发射区向基区扩散电子,称扩散到基区的发射区多子为非平衡少子,基区向发射区扩散空穴,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,形成空穴电流。,因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度， 空穴电流忽略不记。,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,b. 基区电子扩散和复合,非平衡少子在基区复合，形成基极电流IB,非平衡少子向集电结扩散,非平衡少子到达集电区,C. 集电区收集从发射区扩散过来的电子,形成集电极电流IC,形成反向饱和电流ICBO,集电区、基区少子相互漂移,少子相互漂移,三极管的电流分配关系动画演示,发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。,定义,基极是两个回路的公共端，称三极管这种接法为共基极接法。,称为共基极直流电流放大系数,输入回路,输出回路,理解为电流分配关系 则发射100个电子，扩散了99个，复合1个,各电极电流之间的关系,IE=IC+IB,晶体管共射极接法,原理图,电路图,定义,为三极管共射

3、极直流电流放大系数,得,或,如果 UBE 0，那么IB 0， IC 0 ，IE 0,当输入回路电压,U BE =UBE+UBE,那么,I B =IB+IB,I C =IC+IC,I E =IE+IE,如果 UBE 0，那么IB 0， IC 0 ，IE 0,共基极交流电流放大系数,共射极交流电流放大系数,定义,与的关系,一般可以认为：,符号的意义,电流 ： IB ib Ib iB （一个下标） 电压： UBE ube Ube uBE （二个下标） 直流 交流 交流 交流 瞬时值 有效值 直流,uBE = ube + UBE,(2) 放大原理,设输入信号ui=UimSint V,那么,UCE = VCC- ICRC,放大电路,a. 在RC两端有一个较大的交流分量可供输出。,可知,ui ibicicRc,b. 交流信号的传递过程,晶体管放大的条件： 内部条件：发射区掺杂浓度高，面积小； 基区掺杂浓度低且很薄； 集电区掺杂浓度低，面积大。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏,2发射结正向偏置、集电结正向偏置饱和状态,（2）IC bIB，IB失去了对IC的控制。,（1）UCB (=UCE-UBE)

4、0。集电结零偏或正偏,饱和状态的特点,（3) 集电极饱和电压降UCES较小,小功率硅管0.30.5V。,（5） UCE对IC的影响大， 当UCE增大，IC将随之增加。 当UCE增大使集电结从正偏往零偏变化过程中， UCE越大，到达集电区的非平衡少子就越多，Ic将随着UCE增大而增加。,（4）饱和时集电极电流,（2） IC=ICBO，IB=ICBO,3发射结反向偏置、集电结反向偏置截止状态,截止状态的特点：,（1） UBE小于死区电压。,4发射结反向偏置、集电结正向偏置倒置状态,（1）集电区扩散到基区的多子较少。,特点:,（2）发射区收集基区的非平衡少数载流子的能力小。,（3）电流放大系数很小。,总 结,放大 饱和 截止 倒置 发射结 正 正 反 反 集电结 反 正 反 正,放大状态下晶体管各极电位关系,NPN管：UC UB UE PNP管： UC UB UE,2.1.3 半导体三极管共射极接法的伏安特性曲线,1共射极输入特性,共射极输入特性,三极管共射极接法,(1) 输入特性是非线性的，有死区。,(2) 当uBE不变，uCE从零增大，iB减小。,输入特性的特点：,(3) 当uCE1V，

5、输入特性曲线几乎重合在一起，uCE对输入特性几乎无影响。,2共射极输出特性,输出特性曲线,饱和区,截止区,放大区,各区的特点：,（1）饱和区,a. UCEUBE,b. ICIB,c. UCE增大， IC 增大。,饱和区,（3） 截止区,b. IB0,c. IC0,（2） 放大区,a. UCEUBE,b. IC=IB,c. IC与UCE无关,饱和区,放大区,截止区,a. UBE死区电压,NPN管与PNP型管的区别,iB、uBE、iC、 iE 、uCE的极性二者相反,硅管与锗管的区别:,（3） 锗管的ICBO比硅管大,2.1.4 半导体三极管的主要电参数,1. 直流参数,（3）发射极开路，集电极基极间反向饱和电流 ICBO,（1）共基极直流电流放大系数,（2）共射极直流电流放大系数,（4）基极开路，集电极发射极间反向饱和电流ICEO,2. 交流参数,（1）共基极交流电流放大系数,值与iC的关系曲线,3. 极限参数,(4) 集电极最大允许电流ICM,(1) 集电极开路时发射极基极间反向击穿电压U（BR）EBO,(2) 发射极开路时集电极基极间反向击穿电压U（BR）CBO,(3) 基极开路时集

6、电极发射极间反向击穿电压U（BR）CEO,U (BR)CEO,ICM,PCM,不安全区,安全区,(5) 集电极最大允许功率耗散PCM,晶体管的安全工作区,等功耗线PC=PCM =uCEiC,2.1.5 温度对管子参数的影响,1对的影响,2对ICBO的影响,3对UBE的影响,判别晶体管工作状态方法,如果已知各极电位（ UB 、UC、 UE ）直接判断,思 考 题,2. 为什么晶体管基区掺杂浓度小而且做的很薄？,1. 晶体管的发射极和集电极是否可以调换使用？,3. 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数和在放大区工作时是否一样大？,2.2 共射极放大电路的组成和工作原理,2.2.1 放大电路概述,1放大电路的用途 : 把微弱的电信号不失真地放大到负载所需的数值。,应用举例,2放大电路的主要性能指标,放大器性能指标测量原理方框图,(2) 输入电阻Ri,Ri越大，Ui也就越大，电路的放大能力越强。,a. 由于,b. Ri越大，输入电流ii越小，信号源的负载越小。,(3) 输出电阻Ro,定义：,测量电路,对输出电压的电路,即 Ro越小，输出电压越稳定，电路带载能力越强。,由于,测量R

7、o的一种方法,带负载时的输出电压,负载开路时的输出电压,(4) 全谐波失真度D,(5) 动态范围Uo p-p,也称为最大不失真输出电压。,即谐波电压总有效值与基波电压有效值之比,使输出电压uo的非线性失真度达到某一规定数值时的uo的峰峰值。,(6) 频带宽度fbw,相频特性,2.2.2 共射极放大电路的组成及其工作原理,1. 共射极放大电路的组成,电路存在的问题：,（1）信号源与放大电路相互影响。,（2）放大电路与负载相互影响。,各元器件的作用：,T放大器件,隔离放大电路对信号源和负载的直流影响。,沟通信号源、放大电路、负载之间的信号传递通道。,改进的共射极放大电路,为T提供Je正偏电压UBE,提供基极偏置电流IB,为T提供Jc反偏电压UCE,为电路提供能量,使集电极有合适的电流IC,转换集电极电流信号为电压信号, 实现电压放大,只用一个电源，减少电源数。,（1）电路的简化,（2）电路画法,不画电源符号，只写出电源正极对地的电位。,放大电路的两种工作状态：,静态 当输入信号为零时电路的工作状态。,静态时放大电路只有直流分量。,动态有输入信号时电路的工作状态。,动态时电路中的信号为交直流

8、分量的叠加。,注：不同书写体字母的含义,UBE IB 大写字母，大写下标，表示直流量。,ube小写字母，小写下标，表示交流瞬时值。,uBE小写字母，大写下标，表示交、直混合量。,Ube大写字母，小写下标，表示交流分量有效值。,信号的传递过程,2.3 放大电路的静态分析,静态分析就是通过放大电路的直流通路求解静态工作点值IBQ、ICQ、UCEQ。,直流通路,2.3.1 图解法在放大电路静态分析中的应用,1输入回路,列写输入回路方程,VCC=iBRB+uBE,图解法,估算法,直流负载线与三极管输入特性曲线的交点，即为放大电路的输入静态工作点Qi。,在iB、 uBE坐标系上是一条直线,称为输入回路的直流负载线,三极管输入特性曲线,直流负载线,2输出回路,VCC=iCRC+uCE,输出回路方程,称为输出回路的直流负载线,直流负载线,输出特性曲线,直流负载线与晶体管输出特性曲线的交点，即为放大电路的输出静态工作点Qo。,在iC、 uCE坐标系上是一条直线,2.3.2 估算法在放大电路静态分析中的应用,UCEQ=VCCICQRC,式中，|UBEQ |硅管可取为0.7V，锗管0.3V,由输入回路方程

9、,VCC=IBQRB+UBEQ,得,（1）,（3）,（2）,三步法！,在静态分析基础上，分析电路中的交流分量之间关系。主要求出各种动态参数。,2.4 放大电路的动态分析,图解法,微变等效电路法,2.4.1 图解法在放大电路动态分析中的应用,1当RL=时,在输入回路,uBE=UBEQ+ ui,uBE波形图,iB的波形图,工作点的移动,uBE波形图,（1） iB的形成过程,已知Q,a,b,t,0,0,t,0,a,b,t,M,N,0,0,t,iB1,iB2,(2) 输出波形,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形图,iC波形图,输出电压uo,0,已知输入信号,小结：,输出信号波形,输出电压uo与输入电压ui相位相反,(2) 如果静态工作点Q太低,工作点的移动,uBE波形图,a,b,已知Q,iB1,iB2,iB的波形图,a. 输入波形,a,b,iB1,iB2,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形图,iC波形图,输出电压,b. 输出波形,截止失真,t,M,N,0,t,0,t,0,工作点的移动,uBE波形图,a,b,已知Q,iB1,iB2,iB的波形图,a. 输入波形,(3) 如果静态工作点Q太高,a,b,iB1,iB2,已知Q,已知 iB,工作点的移动,uCE波形图,iC波形图,b. 输出波形,输出电

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