半导体三极管及其放大电路.ppt
2023/5/26,第3章 晶体三极管及其放大电路,2023/5/26,基本要求,1）熟悉晶体三极管结构、工作原理及特性曲线；2）掌握基本放大电路的静态和动态分析，即静态工作点和交流性能参数（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻）的计算；多级放大电路的分析和计算；3）了解放大电路的频率特性等。,2023/5/26,3.1 晶体三极管,3.1.1 晶体三极管的分类及结构 晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。,采用光刻、扩散等工艺在同一块半导体硅(锗)片上掺杂形成三个区、两个PN结，并引出三个电极。由两个N区夹一个P区结构的三极管称为NPN型晶体管；由两个P区夹一个N区结构的三极管称为PNP型晶体管。,图3-1 常用三极管的外形及管脚排列,2023/5/26,图3-2 三极管的结构示意图及其符号,2023/5/26,三极管都有三个区：基区、集电区和发射区；两个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。,结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度很低且很薄，符号中的箭头方向是表示发射极电流的实际流向。,2023/5/26,三极管的工作原理,1.三极管放大交流信号的外部条件,要使三极管正常放大交流，要求：发射结外加正向电压（正偏），集电结外加反向电压（反偏），对于NPN管，；对于PNP管，。为此，利用两个电源、来实现正确偏置，如图3-3所示。,2023/5/26,2.晶体管内部载流子运动过程,发射区的电子向基区运动 如图3-3所示。由于发射结外加正向电压，多子的扩散运动增强，所以发射区的多子自由电子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流（电流的方向与电子运动方向相反）。同时电源向发射区补充电子，形成电流。而此时基区的多子空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流。但由于基区掺杂浓度低，空穴浓度小，很小，可忽略不计，故基本上等于发射极电流。,发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合 当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，并且由于基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时，电源 不断向基区补充空穴，形成基区复合电流。由于基区掺杂浓度低且薄，故复合的电子很少，亦即很小。,2023/5/26,集电区收集发射区扩散过来的电子 由于集电结加反向电压，有利于少子的漂移运动，所以基区中扩散到集电结边缘的电子少子，在电场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流。同时，集电区少子空穴和基区本身的少子电子，也要向对方做漂移运动，形成反向饱和电流。的数值很小，一般可忽略。但由于 是由少子形成的电流，称为集电结反向饱和电流，方向与 一致，该电流与外加电压关系不大，但受温度影响很大，易使管子工作不稳定，所以在制造管子时应设法减少。,2023/5/26,3.三极管的电流分配关系,(3-4),(3-3),(3-2),(3-1),2023/5/26,三极管的组态,三极管有三个电极，可视为一个二端口网络，其中两个电极构成输入端口、两个电极构成输出端口，输入、输出端口公用某一个电极。根据公共电极的不同，三极管组成的放大电路有3种连接方式，通常称为放大电路的三种组态，即共基极、共发射极和共集电极电路组态，如图3-4所示。,2023/5/26,3.1.3 三极管的放大作用,在实际应用中利用三极管放大电路放大微弱信号，其原理电路如图3-5a所示，实际电路中常取，于是有图3-5b所示习惯画法的共射极放大电路图。,2023/5/26,放大的原理,2023/5/26,放大的实质,放大电路实质上是放大器件的控制作用，三极管就是一个电流控制电流器件，由微弱的基极电流，控制较大的集电极电流，放大作用是针对变化量而言的，放大的能量是由直流电源供给。,2023/5/26,3.1.4 三极管的特性曲线及主要参数,3.1.4.1 三极管的特性曲线 晶体三极管的特性曲线是指其各电极间电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线，它们是三极管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。,1.输入特性曲线 对于图3-6所示测试电路，输入特性曲线是指在集射极电压,为一定值时，输入基极电流,与输入基射极电压,之间的关系曲线,(3-21),2023/5/26,饱和区,截止区,过功耗区,放大区,2023/5/26,输出特性曲线的三个区域,2023/5/26,3.1.4.2 三极管的主要参数,1电流放大倍数 1）直流电流放大系数 2）交流电流放大系数2极间反向电流 1）集电极基极之间的反向饱和电流 2）集电极发射极之间的穿透电流 3集电极最大允许电流4集电极发射极之间反向击穿电压5集电极最大允许功率损耗,2023/5/26,3.2 三极管放大电路的基本分析方法,三极管构成的放大电路也有三种组态：共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，如图3-11所示。,基极输入集电极输出,基极输入发射电极输出,发射极输入集电极输出,2023/5/26,3.2.2 共发射极放大电路的组成,2023/5/26,电路与波形,2023/5/26,2各元器件的作用,2023/5/26,2023/5/26,3.基本放大电路中电压和电流的表示方法,2023/5/26,3.2.3 共发射极放大电路的分析,三极管放大电路的分析包括静态(直流)分析和动态(交流)分析，其分析方法有图解法和微变等效分析法。图解法主要用于大信号放大器分析，微变等效分析法用于低频小信号放大器的动态分析。,2023/5/26,3.2.3.1 图解法,1.直流通路和交流通路 当 时，放大电路处于静态，直流电路流经的通路称为放大电路的直流通路。通过直流通路为放大电路提供直流偏置，建立合适的静态工作点。画直流通路时应令交流信号源为零(交流电压源短路，交流电流源开路)，保留其内阻；相关电容器开路，电感短路。当 时，放大电路处于动态工作状态，交流电流流经的通路称为放大器的交流通路。画交流通路时，令直流电源为零(直流电压源短路，直流电流源开路)，保留其内阻；令电抗很小的大容量电容和小电感短路；令电抗很大的小容量电容和大电感开路；保留电抗不可忽略的电容或电感。,2023/5/26,2静态分析,在 时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态，对直流通路的分析称为静态分析。用作图的方法求得Q点的值。其步骤如下：1）给定晶体三极管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在输入特性上作出这条直线。根据图3-14b由KVL得,则,2023/5/26,2）由直流通路得到直流负载线IC f（UCE），并在晶体管的输出特性上作出这条直线。根据图3-14b由KVL得,(3-25),2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,2动态分析,在的情况下对放大电路进行分析，称为放大电路的动态分析。,1）交流通路及交流负载线,2023/5/26,输出回路的瞬时电压为,式中,2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,晶体三极管各极间的电压和电流均为直流和交流的分量,电压放大倍数的计算：,放大电路的电压放大倍数等于输出电压相量与输入电压相量的比值。,2023/5/26,4)非线性失真,2023/5/26,4)非线性失真,2023/5/26,双向失真,当静态工作点合适但输入信号幅度过大时，在输入信号的正半周三极管会进入饱和区；而在负半周，三极管进入截止区，于是在输入信号的一个周期内，输出波形正负半周都被切削，输出电压波形近似梯形波，这种情况为双向失真。为了消除双向失真，应减小输入信号的幅度。,2023/5/26,2023/5/26,3.2.3.2 微变等效电路法,三极管是一个非线性器件，由三极管组成的放大电路属于非线性电路，不能简单地直接采用线性电路的分析方法进行分析。由图3-18可见，当输入交流信号时，工作点在 之间移动，若该信号为低频小信号，则 将在三极管特性曲线的线性范围内移动，因此可将三极管视为一个线性二端口网络，并采用线性网络的H参数表示三极管输入、输出电流和电压的关系，从而把包含三极管的非线性电路变成线性电路，然后采用线性电路的分析方法分析三极管放大电路。这种方法称为H参数等效电路分析法，又称为微变等效电路分析法。,2023/5/26,微变等效电路法的分析步骤,1）认识电路。包括电路中各元器件的作用、放大器的组态和直流偏置电路等，这是电子线路读图的基础；2）正确画出放大器的交流、直流通路图；3）在直流通路的基础上，求静态工作点；4)在交流通路图的基础上，画出小信号等效（如H参数）电路图；5）根据定义计算电路的动态性能参数，其中关键在于用电路中的已知量表示待求量。,2023/5/26,1估算法计算静态值,时，放大电路只有直流电源作用，电容相当于开路，放大电路的这种状态称为静态，对应的电路称为直流通路，对直流通路的分析称为静态分析。,由图3-20b的直流通路可得,2023/5/26,2动态分析,2023/5/26,H参数及其物理意义,(3-30),对上述方程取全微分得,由三极管输入输出参数得,(3-31),在输入信号为低频小信号的情况下，可以用交流分量代替相应的电流和电压增量，则式(3-31)可改写为,(3-32),2023/5/26,为晶体管输出端交流短路时晶体管的输入电阻，单位为欧姆（）,为晶体管输入端交流开路时反向电压传输比，无量纲,为晶体管输出端交流短路时电流放大系数，无量纲,为晶体管输入端交流开路时的输出导纳，其单位为西门子（S）,2023/5/26,式（3-32）方程组也可写成矩阵形式,(3-33),(3-34),(3-35),(3-36),2023/5/26,2.放大电路的微变等效电路,在画放大电路的微变等效电路时，首先令图3-20a所示放大电路中的耦合电容、交流旁路电容交流短路，令其直流电压源交流接地，得到如图3-22a所示放大器的交流通路，然后将三极管用图3-21c所示的H参数等效电路来代替三极管符号，即可得到如图3-22b所示放大电路的微变等效电路。由于被放大的交流输入信号ui为正弦量，若已选择了合适的静态工作点，则三极管工作在线性区域，各电极交流电压和电流均为同频率的正弦信号，且用相量表示。,2023/5/26,2023/5/26,3放大电路动态性能参数的计算,(3-37),输入电压为,2023/5/26,（2）输入电阻Ri和输出电阻Ro,在图3-22b所示的电路中，放大电路相对于信号源而言相当于负载，可用电阻Ri代替，即放大电路的输入电阻。放大电路相对于负载而言相当于信号源，可用戴维南(或若顿)定理等效为电压源和内阻串联(或电流源和内阻并联)的形式，其内阻即为放大电路的输出电阻。,由图3-22b可知,放大器的输入电阻为,2023/5/26,放大器输出电阻,(3-40),对于一个放大电路来说，输入电阻越大越好，输出电阻小低越好。,2023/5/26,3.3 放大电路静态工作点的稳定,3.3.1 温度对放大电路静态工作点的影响 固定偏置放大电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。对于图3-14a所示的共发射极放大电路，电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。但由于，当电源电压 和偏置电阻 确定后，基极电流 就为某一常数。当环境温度变化、电源电压波动或组件参数变化时，静态工作点将不稳定，尤其是温度变化引起Q点漂移。,2023/5/26,2023/5/26,3.3.2 分压偏置式共发射极放大电路,各元件的作用,2023/5/26,稳定静态工作点的原理,2023/5/26,2.静态工作点的估算,2023/5/26,由直流通路可知，,(3-43),2023/5/26,根据三极管电流分配原理，可得基极电流为,(3-44),集射极电压为,(3-45),由式(3-42)、(3-43)、(3-44)及(3-45)可估算放大电路的静态工作点。,2023/5/26,3动态参数的计算,1）电压放大倍数,(3-46),2023/5/26,2）输入电阻、输出电阻,由KCL得,于是,(3-48),2023/5/26,旁路电容Ce的影响,如果将图3-24a的电容去掉，其直流通路没有变化，其交流通路和微变等效电路如图3-26所示。电路的电压放大倍数为,(3-49),2023/5/26,由图3-26b 可得无旁路电容时分压偏置放大电路得输入电阻为,(3-50),2023/5/26,应用示例,解：1)选择电路方案。由于本例需要设计一个简易光控开关，因此选用例3-11图所示共发射极放大电路。其中图a为驱动一只LED(或其他小灯泡)；图b为驱动一个继电器(开关)，由继电器的触点的接通与否去控制其他负载，图中二极管D的作用是当三极管T从饱和到截止状态时，吸收继电器线圈的反峰压，从而保护三极管不被击穿。,2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,BJT应用电路例1,2023/5/26,BJT应用电路例2,2023/5/26,BJT应用电路例3,2023/5/26,3.4 共集电极放大电路及共基极放大电路,3.4.1 共集电极放大电路,共集电极放大电路如图3-27所示，由于输出取自集电极，故也称射级输出器。由其交流通路来看，从基极输入发射极输出，输入输出公用集电极，故称为共集电极放大电路。,2023/5/26,1静态分析,由图3-27b可得,由于,(3-51),(3-52),(3-53),由上述三式确定放大电路的静态工作点。,2023/5/26,2动态分析,（1）电压放大倍数,（RLRe/RL）,2023/5/26,输入电压为,电压放大倍数为,(3-54),（2）输入电阻,(3-55),2023/5/26,（3）输出电阻,其中,共集电极放大电路的输出电阻为,2023/5/26,(3-56),2023/5/26,提高输入电阻和降低输出电阻方法,2023/5/26,3.4.2 共基极放大电路,共基极放大电路如图3-30a所示，其输入信号由发射极输入，输出电压取自集电极。由图3-31a所示交流流通路可见，输入回路和输出回路共享基极，故称为共基极放大电路。,1静态分析,2023/5/26,2动态分析,共基极放大电路的微变等效电路如图3-31b所示。,（1）电压放大倍数,(3-57),2023/5/26,（2）输入电阻,(3-58),共基极放大电路的输入电阻很小,（3）输出电阻,(3-59),总之共基极放大电路的电压放大倍数较高，输入电阻低，输出电阻高，主要用与高频电路和恒流源电路。,2023/5/26,3.5 多级放大电路,1多级放大电路的组成,2023/5/26,3.5.1 多级放大电路的级间耦合,2多级放大电路的耦合方式,在多级放大电路中，将把级与级之间的连接方式称为耦合方式。而级与级之间耦合时，必须满足：,（1）耦合后，各级电路仍具有合适的静态工作点；,（2）保证信号在级与级之间能够顺利地传输；,（3）耦合后，多级放大电路的性能指标必须满足实际的要求。,为了满足上述要求,一般常用的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。,2023/5/26,1）阻容耦合,2023/5/26,阻容耦合放大电路的特点：,(1)因电容具有“隔直”作用，所以各级电路的静态工作点相互独立，互不影响。这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。此外，还具有体积小、重量轻等优点。,(2)因电容对交流信号具有一定的容抗，在信号传输过程中，会受到一定的衰减。尤其对于变化缓慢的信号容抗很大，不便于传输。此外，在集成电路中，制造大容量的电容很困难，所以这种耦合方式下的多级放大电路不便于集成。,2023/5/26,2）直接耦合,为了避免在信号传输过程中，耦合电容对缓慢变化的信号带来不良影响，也可以把级与级之间直接用导线连接起来，这种连接方式称为直接耦合。,2023/5/26,3）变压器耦合,放大器的级与级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦合。其电路如图3-35所示。变压器耦合电路多用于低频放大电路中，变压器可以通过电磁感应进行交流信号的传输，并且可以进行阻抗匹配，以使负载得到最大功率。,2023/5/26,4）光电耦合,光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。图3-36a所示为常用的三极管型光电耦合器(4N25)原理图。当电信号施加道光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏三极管受到光照后饱和导通，产生电流。,；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止。,2023/5/26,光电耦合开关电路,2023/5/26,红外光耦合话筒电路,2023/5/26,多级放大电路的分析和计算,1.电压增益,(3-60),2023/5/26,2023/5/26,3.6 放大电路的频率响应,3.6.1 频率响应基本概念,、RC 低通电路的频率特性,1.RC低通电路,(3-61),(3-63),2023/5/26,2.频率特性的波特图,2023/5/26,二、RC 高通电路的频率特性,RC高通电路如图3-40a所示，其电压传输系数为,2023/5/26,2023/5/26,3.6.2 BJT的高频小信号混合型模型,1.BJT的高频小信号模型,(a)按三极管物理机构等效,2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,共射极电流放大系数的频响,输出回路与三极管H参等效电路比较得到,2023/5/26,(3-71),(3-72),由图3-42可得到,(3-73),2023/5/26,共发射极截止频率,式(3-73)中,称为共发射极截止频率,随频率升高而下降到0dB时，所对应的频率称为三极管的特征频率。,通常,2023/5/26,2.共发射极放大电路的高频响应,2023/5/26,1)求密勒等效电容,(3-76),(3-77),为从基极到集电极的电压放大倍数；,2023/5/26,求密勒等效电容,2023/5/26,2023/5/26,2023/5/26,2)高频响应上限频率,(3-78),式中,2023/5/26,(3-79),(3-80),(3-81),(3-82),2023/5/26,3.6.3 单级阻容耦合放大电路的频率特性,1.低频段小信号微变等效电路,低频段时图3-45b 所示单级共射极RC耦合放大器的小信号等效电路如图3-45b 所示，若满足,(3-83),2023/5/26,图3-45c所示电路，实际上为RC高通电路，其电压增益为：,(3-84),2023/5/26,(3-85),2023/5/26,3.6.4 多级放大器的频率响应,2023/5/26,本章小结,1）熟悉PN结及其特性2）掌握三极管的组成原理、放大的原理、三种组态放大电路的分析方法、设计与应用思路3）熟悉放大电路频率特性的基本概念和分析方法,
