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1、第二章 半导体三极管及 放大电路分析基础,半导体三极管又称双极型晶体管（简称晶体管），是组成各种放大电路的核心器件。本章首先讨论晶体管的结构、分类、工作原理、特性曲线及主要参数，然后着重讨论放大电路的三种组态。以图解法和微变等效电路法作为放大电路的基本分析方法，分析电路的静态工作点和动态技指标。,2.1 半导体三极管,2.1.1 基本结构 晶体管的种类很多,按照功率的大小分,有小功率管、大功率管等;按照半导体材料分,有硅管和锗管；按PN结组合的方式可NPN型和PNP型。但从总体上讲它们都是具有两个PN结、三个电极的半导体器件。,2.1.2 晶体管的电流放大作用,要使晶体管处于放大状态，必须由它
2、的内部结构和外部条件来保证。 一、晶体管内部结构具有的三个特点： （1）发射区掺杂多，多数载流子浓度远大于基区多数载流子的浓度。 （2）基区做得很薄，而且掺杂少。 （3）集电区面积大，保证尽可能收集到发射区发射多数载流子。 二、晶体管的外部条件 应满足其发射结处正向偏置、集电结反向偏置。,三、NPN管共发射极放大电路的放大过程,1 载流子运动情况 （1） 发射区向基区发射自由电子,形成电流的方向相同,称之为发射极电流IE 。 （2） 自由电子在基区的扩散和复合运动,形成了基极电流IB （3） 集电区收集自由电子，形成较大的集电极电流IC 。,2 电流的分配与放大作用 由上述载流子的运动情况的分
3、析可知，集电结收集的电子流是发射结发射的总电流的一部分，其数值小于但接近于发射极电流，常用一系数与发射极电流的乘积来表示，即 IC=IE （2.1.1） 称为共基极连接时的电流放大系数，其数值小于但接近于1。 根据放大电路，晶体管各极的电流关系为 IE=IC+ IB （2.1.2） IB=(1- )IE （2.1.3） （2.1.4） 称为共射极电路直流电流放大系数 称为共射极 交流电流放大系数,所谓电流放大作用，就是用基极电流的微小变化去控制集电极电流较大的变化。,2.1.3 三晶体管的特性曲线,1 输入特性曲线 共射极输入特性曲线是指以输出电压UCE为参考变量时,输入电流IB和输入电压UB
4、E的关系曲线。用函数表示为IB=f(UBE)UCE=常数 与二极管伏安特性相似,晶体管的输入特性曲线也存在死区,且其死区电压分别等于硅二极管和锗二极管的死区电压。正常工作时,硅晶体管的发射结电压为0.60.7V,锗晶体管为0.20.3V。,2 输出特性曲线,共发射极输出特性曲线是指以输入电流IB为参考变量时,输出电流IC和输出电压UCE的关系曲线。用函数表示为 IC=f(UCE)IB=常数 输出特性曲线可分为三个区域：放大区、饱和区和截止区,3 输出特性曲线三个区域的特点,（1） 放大区（又称线性区） 发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置。晶体管工作在放大区。此时晶体管具有电流放大作用，IC
5、=IB 。 （2） 饱和区 发射结和集电结均处于正向偏置, IC=IB的关系不再成立，IC不再随IB增加而增加。深度饱和时UCE很小(硅管约为0.3V,锗管约为0.1V),此时晶体管集电极C和发射极E之间相当于开关合上。 （3） 截止区 发射结和集电结均处于反向偏置。此时IB=0，IE=0，C与E之间没有电流流过，相当于开关断开。,2.1.4 主要参数, 电流放大系数 （1）共发射极电流放大系数 与定义不同, 反映静态时的电流放大特性，反映动态时的电流放大特性。在线性区内两者数值相近,故在一般估算中,可认为 。 （2） 共基极电流放大系数 同样，在线性区内两者数值相近,故在一般估算中,可认为
6、,2 . 极间反向电流 （1） 集基反向饱和电流ICBO ICBO为发射极开路时,集电极与基极间的反向饱和电流。小功率硅管ICBO在1A以下,锗管ICBO约为10A左右。 （2） 穿透电流ICEO ICEO为基极开路时从集电极穿过基极到达发射极的电流 。 ICEO=ICBO+ICBO=(1+)ICBO ICEO和ICBO都是衡量晶体管质量的重要参数,小功率锗管的ICEO约在几十A几百A,硅管在几A以下,它们都随着温度增加而增加。因此,选用管子时,希望这两种电流尽量小一些,以减小温度对管子性能的影响。硅管由于此性能优于锗管而更多地被选用。,3极限参数 （1） 集电极最大允许功耗PCM 指允许在集
7、电极上消耗功率的最大值。超过此值时会使集电结发热、温度升高甚至烧毁。 （2） 集电极最大允许电流ICM 当集电极电流超过一定值时,管子的值将明显下降。ICM就是指管子值下降到正常值三分之二时的集电极电流。 （3） 反向击穿电压 U(BR)EBO:指集电极开路时,发射极与基极之间的反向击穿电压。这是发射结允许的最高反向电压。超过此值时,发射结将会被击穿。 U(BR)CBO:指发射极开路时,集电极与基极之间的反向击穿电压。这是集电结允许的最高反向电压。一般管子的U(BR)CBO约为几十伏。 U(BR)CEO:指基极开路时,集电极与发射极之间的反向击穿电压。,2.1.5 温度对晶体管特性的影响,1
8、温度对UBE的影响：当温度升高时,晶体管输入特性将左移。这样,在IB相同时UBE将减小, 温度每升高1,UBE减小22.5mV。 2 温度对的影响：晶体管的电流放大系数随着温度的增加而增大,其规律是温度每增加1,值增大0.51。的增加使得输出特性曲线上曲线之间的距离增大。 3 温度对ICBO的影响：集电极反向饱和电流ICBO和二极管反向饱和电流一样,对温度反映敏感,即：温度每升高10,ICBO增加一倍。ICEO的变化规律与ICBO基本相同,ICEO的增加使得输出特性曲线上移。 温度在以上三方面的影响集中反映在晶体管集电极电流IC上,它们都使得IC随着温度的升高而增大。,2.2 共射极放大电路,
9、2.2.1 放大电路的组成 组成原则 （1）为保证放大器工作在放大区，T的发射结必须正向偏置，集电结反向偏置。图中UCC和RB保证发射结正向偏置， UCC和RC保证集电结反向偏置，并通过RC 将集电极电流变化转换为电压变化。 （2）保证交流信号的输入和输出。图中C1、C2为耦合电容，其作用是利用电容的“隔直通交”性使交流信号顺利传送至负载，同时使放大器与外电路之间无直流联系。,2.2.2 工作原理,信号源Rs和us进入放大器后，其交流电压u i通过C1加到T的发射极，引起基极电流iB的相应变化，从而使集电极电流iC随之变化。iC的变化在RC上产生压降，使集电极电压uCE随之变化，uCE 中的变
10、化量通过C2传送的输出端成为输出电压uo。如果电路参数选择恰当，则uo幅度比u i的幅度大得多。 由上述过程可知：所谓放大，表面上是信号幅度的增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个能量较小的输入信号控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。放大的作用是针对变化量而言的。,2.2.3 直流通路和交流通路,直流通路用于直流（静态）分析，计算放大电路的静态工作点，IB、IC，、UCE。画直流通路时，将原电路中的电容视为开路，电感视为短路，信号源去掉。 交流通路用于交流（动态）分析，计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻三项性能指标。画交流通路时，在中、低频放大电路中的电容视为短路
11、，电感视为开路，电源对地短路。,2.2.4 放大电路的基本性能指标,（1）电压放大倍数（电压增益） ：是衡量放大电路电压放大能力的指标。其定义为放大电路输出电压与输入电压之比。 （2）电流放大倍数（电流增益）：是衡量放大电路电流放大能力的指标。其定义为放大电路输出电流与输入电流之比。 （3）输入电阻ri: 放大器对信号源而言，相当于一个负载ri，ri的大小表明了放大器对信号源的影响程度。ri愈大放大器索取信号源的电流愈小。ri定义为放大电路输入端电压与电流之比， （4）输出电阻ro: 放大器对负载而言，相当于一个电压源，电压源的内阻就是ro，ro的大小表明了放大器所能带动负载的能力，ro愈小说
12、明放大器带负载的能力愈强。计算ro的方法是将放大器信号源Us 短路（保留R s），断开放大器负载，从负载端看进去的等效电阻。,2.3 图解分析法,由于放大电路的核心器件晶体管是非线性元件，因而无法直接利用公式进行分析计算。图解分析法（简称图解法）是通过作图对放大电路进行分析计算 2.3.1 静态分析 当没有输入信号（ui=0）时，放大电路的工作状态称为直流工作状态，简称静态。此时电路中各极直流电流和电压数值将表现在晶体管特性曲线上确切的一点，这一点称为静态工作点，简称Q点。 1近似估算Q点 在已知电流放大倍数的条件下，根据放大电路的直流通路可以估算出Q点。,Q点计算公式,IB=（ UCC -
13、UBE ）/RB IC=IB UC=UCC - ICRC 硅管 UBE=0.6V0.7V， 锗管 UBE=0.1V0.2V，,2. 图解法确定Q点,已知IB，未知时，利用晶体管特性曲线，作图确定Q点。具体步骤如下 ： 1）根据 IB确定一条输出特性曲线IC= f(UCE)IB 2）在输出特性曲线上，作出输出回路线性部分的直流负载线IC= -UCE/RC + UCC/RC 3）输出特性曲线IC= f(UCE)IB与直流负载线的交点就是Q的值（IC，UCE）,3.电路参数对静态工作点的影响,(1) RB对静态工作点的影响 只有RB变化时，仅对静态工作点IBQ有影响，而对负载线无影响。 (2) RC
14、对静态工作点的影响 当RC变化时，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。 (3) UCC对静态工作点的影响 当UCC变化时，不仅改变直流负载线的N点，同时也改变直流负载线的M点，即直流负载线平行移动。,2.3.2 动态分析,1. 交流负载线 将ui0时电路的工作状态称为动态，在此状态下，对电路的分析称为动态分析。此时，电路的负载应按交流通路来考虑，交流负载 RL= RCRL 。引入了交流信号，其工作状态将沿交流负载线来回变动 。 交流负载线是一条过Q点，斜率为-1/RL的直线。 2. 加入正弦交流信号时工作情况的图解分析 设ui=0.02sint(V)，已知Q点，IB、IC、UCE
15、，根据输入电压ui，通过图解确定输出电压uo，从而得出uo与ui的相位关系和动态范围。,ui0时放大电路的图解分析,综上所述,（1）没有输入信号电压时，放大电路处于静态，晶体管各极电流和电压恒定。加入ui后，放大电路处于动态，各极电流和电压在原静态值上叠加一个交流量，但它们的方向始终没变，数值为 iB = IB + ib iC = IC + ic uC = UCE +uce （2）交流输出电压uo的幅度远比输入信号电压ui的幅度大，而且同为正弦波电压，体现了放大作用。 （3） uo与ui相位相反，这是共射极放大电路的特征，因此共射极放大器又称为相反电压放大器。,2.3.3 非线性失真,1. 失真： 是指输出信号的波形与输入信号的波形不一样。 2. 非线性失真：由于静态工作点不合适或者输入信号过大，使放大电路的工作范围超出了三极管特性曲线上的线性范围，而引起的失真称为非线性失真，非线性失真可分为截止失真和饱和失真。,3. 非线性截止失真输出波形顶部出现的失真,4. 非线性饱和失真输出波形底部出现的失真,2.4 微变等效电路分析法,微变等效电路分析法的基本思想是：当输入信号变化微小时（微变），可以认为晶体管电流和电压变化量之间关系近似为线性关系，即在很小的范围内，输入特性和输出特性均可近似看作一段直线，使得晶体管可以建立一个小信号的线性模型，这就是微变等效电路。,
