第3章半导体三极管及放大电路

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1、1,放大电路是模拟电路的核心和基础。 放大作用实质是：在输入小信号的控制下，将直流电源的能量转化为输出信号能量。 3-1半导体BJT(双极结型晶体管） (Bipolar Junction Transister) 一 BJT简介 1、晶体管的种类 按照频率：高频管、低频管 按照功率：大、中、小功率管 按照材料：硅管、锗管 按照结构：NPN、PNP,第三章 半导体三极管及放大电路,2,2 .NPN 型晶体管,三极管由两个PN结构成：集电结和发射结。,箭头的方向从 PN。,发射极：发射载流子； 基极： 控制和传输载流子； 集电极：收集载流子。,C（集电极）,B(基极）,E（发射极）,基区是P型半导体

2、，尺寸很薄，搀杂浓度很低。 发射区和集电区是N型半导体， 集电区的面积比发射区要大， 发射区的搀杂浓度比集电区要高。,3,3 PNP 型半导体,PNP型半导体也具有两个PN结，其结构特点与NPN型半导体相似。,4,3-1-2 BJT的电流分配与放大作用,1. BJT 内部载流子的传输过程 对于NPN管要使三极管具有放大作用， 必须发射区发射电子，集电区收集电子。,三极管实现放大的外部条件是： 发射结加正向电压， 集电结加反向电压。,5,1、发射区向基区注入电子,发射结正向偏置多子扩散， 发射区的多子（电子）向基区扩散，形成电子电流InE 。 基区的多子（空穴）向发射区扩散，形成空穴电流IpE

3、。,基区的搀杂浓度远远小于发射区， InE IpE空穴电流IPE忽略不计。,IE=InE+IpEInE 电流的实际方向从E流出,6,2、电子在基区中的扩散与复合,发射区向基区注入的电子， 在基区内成为非平衡少子， 靠近发射结的地方，电子浓度最高，形成由浓度梯度产生的扩散运动。 电子在向集电结扩散过程中与基区中的空穴发生复合，形成基极复合的电流为IB，。 基区搀杂少而且很薄，电流IB，很小，大部分电子都可以到达集电结边缘。,7,3、集电区收集扩散过来的电子,从发射区注入的电子在基区中为少子。集电结反向偏置，有利于少子的漂移运动。 电子扩散到集电结时，很快漂移过集电结，被集电区收集，形成集电极电流

4、 InC,集电结反偏，本征激发产生的少子（基区的电子和集电区的空穴）形成反向漂移电流，称为集电极基极间的反向饱和电流ICBO，大小取决于少子的浓度，受温度影响很大。,8,集电极电流：IC=ICBO+InC 基极电流： IB=IB，-ICBO 发射极电流：IE=InC+IB， =(IC-ICBO)+(IBICBO) =IC+IB 三极管各极电流的代数和为0， 满足基尔荷夫电流定律。,三极管各极的电流：,9,2 . 电流分配关系,定义 ： 共基极电流 放大系数,共射极电流 放大系数,10,、的关系,发射结正偏，集电结反偏， iE与VBE的关系,1 典型值为几十几百,11,外部条件 发射结必须正向偏

5、置，集电结必须反向偏置。,内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度， 基区厚度要薄。,三极管具有放大作用必须具备如下条件 ：,3. 放大作用,VCVBVE,NPN,PNP,VCVBVE,12,vI的变化,vBE的变化,iE的变化,iC的变化,vO的变化,共基极放大电路,动态放大过程：,iC =IC+iC,iB =IB+iB,iE=IE+iE,静态时，电路中各电压、电流均为直流量,vO=VO+vO,13,例：=0.98, RL=1K, vI=20mV, 设由于vI引起的iE=1mA, iC= iE= 0.98mA vO=RLiC =0.98V Av= vO/ vI=49,共基极联结: 有电压放

6、大能力， vO、vI同相。 输入电流是iE，输出电流iC，无电流放大能力。,14,根据输入、输出信号在外端结的连接方式不同，三极管放大电路有三种组态：,共基极,共发射极,共集电极,判别三种组态的方法主要看输入、输出信号端连接在哪个电极。,15,4. 共射极连接方式,iB=IB+iB,iE=IE+iE,iC=IC+iC,vO=VO+vO,共射极电路能放大电压， 输出电压与输入电压反相。 共射极电路输入电流是iB，输出电流iC，能放大电流，电流放大倍数为。,例：=0.98, RL=1K, vI=20mV, 设由于vI引起的 iB= 20A, iC= iB = /(1- )iB =49 iB =0.

7、98mA iE= iB+ iC=1mA vO=RLiC = 0.98V AV= vO/ vI= 49,16,3-1-3 BJT 的特性曲线,1、共射极电路的特性曲线, vCE=0,输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。 01V,输入特性基本不变。 集电极已反偏，已具有足够收集电子的能力。,(1)输入特性,17,vBC=0,(2) 输出特性,放大区,饱和区,截止区,（A）放大区,处于放大区的条件 发射结正偏，集电结反偏。 NPN：vBE0 vBC0 （硅管vBE0.7V）, 特点： iC=iB+ICEOiB 在放大区内，iC受iB控制。 iB不变，iC受vCE的影响很小，呈现很好的恒流特性。

8、因为基区宽度调制效应，iC随vCE增加有微小增加。,击穿区,18,（B）截止区 发射结反偏，集电结反偏。 NPN：vBE 0, vBC 0 （vBEVth ） 特点： iB0, iCICEO iEiC iB 0,（C）饱和区 发射结正偏，集电结正偏。 NPN：vBE0 vBC0 （硅管vBE0.7V） 特点： iC随vCE的增加而迅速增加。 iCiB ， iC不受iB控制。 vCE很小，称饱和压降VCES 硅管：VCES 0.3v 锗管：VCES 0.1v,(D) 击穿区 vCE 足够大时，集电结发生反向击穿，iC迅速增大。,19,NPN PNP三极管的比较,饱和压降 硅管：|VCES| 0.

9、3V 锗管：|VCES| 0.1V,导通时结电压 硅管：|VBE|0.7V 锗管：|VBE| 0.2V,20,例:已知NPN型硅三极管各极的电位如下，试判断下列管子的工作状态。,放大,饱和,截止,例：在一正常放大电路中，测得三极管的三个电极的电压分别如下图，试判断管子的类型和电极的名称。,B,C,E,B,C,E,B,C,E,PNP锗,NPN硅,PNP硅,21,6v,3-1-4 BJT 的主要参数,1. 电流放大系数,22,集电极-基极反向饱和电流ICBO 小功率锗管，ICBO 约10A， 硅管ICBO小于 1A。,2 极间反向电流,集电极-发射极的反向饱和电流ICEO 也称穿透电流。 ICEO

10、=(1+)ICBO 锗管：十几百微安 硅管：几微安,极间反向电流大小取决于少数载流子 的浓度, 与温度密切相关。,23,3 极限参数, 集电极最大允许电流ICM 一般指 下降到最大值的0.5 时的电流值。 IC超过ICM时，值大大下降。 集电极最大允许功耗PCM 集电极功率损耗PC=ICVCE 当PCPCM 时，集电极过热会烧毁。 反向击穿电压 晶体管的两个PN结，在反向电压超过规定值时，会发生电击穿现象。,24,V(BR)EBO V(BR)CEO V(BR)CER V(BR)CBO,V(BR)EBO,V(BR)CBO,V(BR)CEO,V(BR)CER,集电极开路，发射极-基极允许的最大反压

11、,发射极开路，集电极-基极允许的最大反压,基极开路，集电极-发射极间的最大反压,B-E间接电阻，集电极-发射极间的最大反压,25,晶体管的安全工作范围,安全工作区,过损区,过流区,过压区,PCM,26,3-2 共射极放大电路,放大器组成原则 1)发射结正偏，集电结反偏。 2)具备信号正常传输通道。 3)设置合适的静态工作点。,VBB使三极管发射结正偏，并通过RB给基极一个合适的基极电流。 RB称为基极偏置电阻。,VCC使三极管集电结反偏，并给电路提供能量。,Cb1，Cb2称为隔直电容或耦合电容。 Rc集电极电阻，使电流iC的变化量转化为电压的变化。,27,放大过程,Vi的变化,28, 放大器中

12、各个变量都是直流量与交变量的叠加。 放大作用是对输入输出端的信号量vi、vo而言的。 共射放大器输出电压与输入电压反相。 放大的实质是：在输入信号控制下将直流电源的能量转化为输出信号的能量。,实际共射基本放大器,VBB=VCC,29,放大器的直流通路(静态电路) 令输入信号为0。 （电压输入时vi=0，即短路） 耦合电容和旁路电容开路。 （Cb1 ，Cb2开路）,静态是指输入信号为0时，放大电路所处的状态。 此时电路中的电压、电流均为直流量。,对放大电路的分析，总是先进行静态分析，然后再进行动态分析。,3-3 图解分析法,30,3.3.1静态分析 1、估算静态工作点,三极管处于放大区的直流模型

13、,31,2、 图解法确定静态工作点Q,Q,输入端口图解法,VBE, 、IB 既要满足三极管的输入特性，又要满足方程：VBE=VCCIBRB,32,VCC,VCC/RC,直流负载线的 斜率为：-1/RC,VCEQ,ICQ,IBQ,输出端口图解法,VCE 、IC 既要满足三极管的输出特性， 又要满足方程：VCE=VCCICRC,33,3.3.2 动态工作情况分析,输入信号不为0时，放大电路在直流电源和信号源共同作用下，电路中各电压、电流的瞬时值均随时间变化，是直流量与交变量的叠加。,用图解法分析时，研究的是电压，电流瞬时值的关系。,瞬态时，Cb1 、Cb2上的电压可认为不变化，其值等于静态时电压。

14、,VCb1=VBE VCb2=VCE,34,图解法步骤,（1） vBE=VCb1+vi=VBE+vi 在输入特性上由 vBE求 iB,35,（2）在输出特性上由 iB 求 iC、vCE,设RL开路,输出端口的特性方程与静态相同。 vCE=VCC-iCRC 交流负载线同直流负载线。,36,总结： 放大电路中电压、电流的瞬时值包括直流分量和交流分量。 直流分量由放大电路的静态工作点决定，交流分量与输入信号有关，叠加在直流分量上。 当输入信号较小时， 输出交流信号与输入信号形状相同，但幅度大很多，实现了电压的放大。 在共发射极放大电路，输出信号与输入信号反相。,37,2 、交流负载线,交流通路(信号

15、通路) VCC=0（只考虑信号源的作用） Cb1 、Cb2 短路,输出端接入负载，输出端口特性与静态时不同，交流负载线不再与直流负载线相同。,根据电压、电流的瞬时值等于直流分量和交流分量叠加的原则，推导动态时的输出端口瞬时值方程。,38,vce=icRL，（交流变量关系） vCEVCEQ=(iCICQ) RL， vCE = (VCEQ+ ICQ RL,) iCRL， （瞬时值方程） 静态工作点Q满足此直线方程。 该直线的斜率：tg=-1/RL，,动态负载 RL，=RL/RC,ICQ RL，,交流负载线是过Q点， 斜率为 -1/RL，的直线。,39,3 、 静态工作点的正确设置与波形失真,交流负载线是放大器输入交流信号时，工作点移动的轨迹，而且交流负载线必过静态工作点Q。 Q点位置会影响三极管的工作区域。,静态工作点过低可能产生截止失真,对于NPN型管的共射放大器，截止时输出波形顶部产生失真。,40,静态工作点过高可能造成饱和失真,调节工作点的方法是：改变基极偏置电阻Rb ，从而改变基极电流IB。,对于NPN型管的共射放大器，饱和时输出波形底部产生失真。,41,如果要得到最大不失真输出幅度， 静态工作点应设置在交流负载线的中点。,电路参数确定后， 最大不失真输出幅度为： min (ICQRL VCEQ-VCES),输入信号比较小时，在不失真的前提下，静态