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1、模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系,3 半导体三极管及其放大电路基础,3.1 半导体三极管,3.2 共发射极放大电路,3.3 放大电路的基本分析方法,3.4 放大电路静态工作点的稳定问题,3 半导体三极管及其放大电路基础,3.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,3.6 放大电路的频率响应,3,3.1 半导体三极管,3.1.1 三极管的结构,3.1.2 三极管的工作原理,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,3.1.4 三极管的主要参数,图3.1.1 几种三极管的外形,5,平面型(NPN)三极管制作工艺,在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩
2、散形成 P 型(基区)，再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。,合金型三极管制作工艺：在 N 型锗片(基区)两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。,6,图3.1.3 PNP三极管的结构和符号,PNP三极管,3.1.1 三极管的结构,图3.1.2 NPN三极管的结构和符号,NPN三极管,7, Jc反偏,3.1.1 三极管的结构,发射极 Emitter,集电极Collector,基极Base,1、结构和符号,发射结(Je),集电结(Jc),发射载流子(电子),收集载流子(电子),复合部分电
3、子 控制传送比例,由结构展开联想,2、工作原理,3、实现条件,Je正偏,8,以 NPN 型三极管为例讨论,图3.1.2-2三极管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,3.1 半导体三极管,3.1.2 三极管的工作原理,9,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,3.1.2 三极管的工作原理,10,1. 三极管内部载流子的传输过程,3.1.2 三极管的工
4、作原理,3.1 半导体三极管,2. 三极管的电流分配关系,(2) 共发射极组态的电流传输关系,BJT 的三种连接方式（或称为三种组态）,(1) 共基极组态的电流传输关系,(1) 发射区向基区注入载流子,(2) 载流子在基区扩散与复合,(3) 集电区收集载流子ICN, 内部载流子的传输过程, 放大作用,11,1. 三极管内部载流子的传输过程,3.1.2 三极管的工作原理,图3.1.4 三极管内部载流子的传输过程,发射结 加正偏电压,集电结 加反偏电压,(1) 发射区向基区 注入载流子,(2) 载流子在基区 扩散与复合,(3) 集电区收集载流子ICN,注意：少数载流子的漂移运动ICBO,12,1.
5、 三极管内部载流子的传输过程,3.1.2 三极管的工作原理,+iB,放大作用(原理) ？,分析的关键：,iC与iE的关系,是通过载流子传输体现出来的 本质：电流分配关系 外部条件： 发射结正偏，集电结反偏。, 三极管的放大作用, 实现信号传递, vBE iE 放大,13,(a)共基极 (b)共发射极 (c)共集电极,图3.1.5 BJT 的三种连接方式（或称为三种组态）,注意： 无论是哪种连接方式，要使三极管有放大作用，都必须保证发射结正偏、集电结反偏，则三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化。,电流传输关系: 输出端电流与输入端电流之间的关系。,2. 三
6、极管的电流分配关系,3.1.2 三极管的工作原理,如何判断组态？,14,2. 三极管的电流分配关系,3.1.2 三极管的工作原理,（即IE与IC的关系）,根据传输过程可知：,注意到:电流分配的比例仅与三极管的 几何尺寸和掺杂浓度有关。,定义共基极直流电流放大系数为:,通常 IC ICBO,硅: 0.1A 锗: 10A,显然 1，一般在0.90.99之间。,(1) 共基极组态的电流传输关系,15,共基放大的数量关系,vI = 20mV,iE = -1mA,+iB,图 3.1.5 共基极放大电路, = 0.98,vO = 0.98 V,16,问题(1)：如何保证？,发射结正偏,VBE =VBB,V
7、BC = VBE - VCE 0,问题(2)：信号通路？与共基有何区别？,集电结反偏,或 VCE VBE,但希望,Ri= vI / iB =1k,2. 三极管的电流分配关系,(2) 共发射极组态的电流传输关系,17, IC与IB的关系：,由的定义：,即 IC = IE + ICBO = (IB + IC) + ICBO,整理可得:,令：, 是共射极电流放大系数，只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1（10100）,ICBO 硅: 0.1A锗: 10A,(2) 共发射极组态的电流传输关系,18,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电
8、极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件： 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件： 发射结正向偏置，集电结反向偏置。,3.1.2 三极管的工作原理,19,3.1.1 三极管的结构,3.1.2 三极管的工作原理,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,3.1.4 三极管的主要参数,图3.1.1 几种三极管的外形,3.1 半导体三极管,20,图3.1.7 共射极连接时的输入特性曲线,1. 共发射极连接时的特性曲线,(1) 输入特性曲线,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,3.1 半导体三极管,图3.1.6 共发射极连接,图3.1.8 共射极连接时的输出特性曲线
9、,(2) 输出特性曲线,21,图3.1.7 共射极连接时的输入特性曲线,(1) 输入特性曲线,1. 共发射极连接时的特性曲线,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,图3.1.6 共发射极连接,现象：曲线右移；,vCE 1V , 右移很小；,22,图3.1.8 共射极连接时的输出特性曲线,1. 共发射极连接时的特性曲线,(2) 输出特性曲线,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,图3.1.6 共发射极连接,输出特性曲线的三个区域:,放大区: iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行 等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,饱和区: iC明显受vCE控制的区域，vCE0.7V(硅) 发射结正偏,集电结正偏或反
10、偏电压很小,截止区: iC接近零的区域（iB=0的曲线下方） 此时，vBE小于死区电压(发射结反偏),23,图3.1.8 共射极连接时的输出特性曲线,1. 共发射极连接时的特性曲线,(2) 输出特性曲线,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,图3.1.6 共发射极连接,输出特性曲线的三个区域:,放大区: iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行 等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,饱和区: iC明显受vCE控制的区域，vCE0.7V(硅) 发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小,截止区: iC接近零的区域（iB=0的曲线下方） 此时，vBE小于死区电压(发射结反偏),24,例3.1.4 现已测得某电
11、路中几只晶体管三个电极的直流电位如表所示，各晶体管b-e间开启电压均为0.5V。试分别说明各管子的工作状态。,解：,25,1.发射结正偏，集电结反偏，晶体管工作在放大区。,2.发射结正偏，集电结正偏，晶体管工作在饱和区。,3.发射结反偏，集电结反偏，晶体管工作在截止区。,1. 对于NPN管，当UB UE ,且UB - UE 0.5V， UC UB时，晶体管处于放大区。,当UB UE , UB UC时，晶体管处于饱和区。,放大,饱和,放大,截止,当UB UE , UB UC时，晶体管处于截止区。,26,2. 对于PNP管，当UB UE ,且UB - UE 0.5V， UC UB时，晶体管处于放大
12、区。,当UB UE , UB UC时，晶体管处于饱和区。,当UB UE , UB UC时，晶体管处于截止区。,27,3.1.4 三极管的主要参数,3.1 半导体三极管,交流参数,直流参数,极限参数,结电容 Cbc 、 Cbe,集电极最大允许电流ICM,集电极最大允许功率损耗PCM,反向击穿电压,极间反向电流ICBO 、 ICEO,交流电流放大系数 、,特征频率fT,28,(1) 共发射极直流电流放大系数 = (ICICEO)/IBIC / IB,1. 电流放大系数,(2) 共发射极交流电流放大系数 = IC / IBvCE=const,3.1.4 BJT的主要参数,在放大区且当ICBO和ICE
13、O很小时， ，可以不加区分。,29,2. 极间反向电流,(1) 集电极基极间反向饱和电流 ICBO O （发射极）开路,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO,ICEO,3.1.4 BJT的主要参数,30,3. 极限 参数,(1) 集电极最大允许电流ICM,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM = iCvCE,(3) 反向击穿电压V(BR)CEO 、V(BR) EBO 、V(BR)CBO, V(BR)CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压,3.1.4 BJT的主要参数,31,3.1.1 三极管的结构,3.1.2 三极管的工作原理,3.1.3 三极管的伏安特性曲线,3.1.4 三极
14、管的主要参数,图3.1.1 几种三极管的外形,3.1 半导体三极管,32,3.2 共发射极放大电路,3.2.1 共射极放大电路的组成,3.2.2 放大电路的两种工作状态,1. 静态,2. 动态,33,3.2.1 共射极放大电路的组成,1. 电路组成,三极管T : 核心，电流分配、放大作用（Je正偏，Jc反偏）,3. 习惯画法,2. 工作原理,vi 接入问题？,串入Je回路,直接连接,？,电容连接,Cb1、Cb2:隔离直流，传送交流,固定偏流,接地 零电位点,34,耦合方式,阻容耦合,变压器耦合,直接耦合,直接耦合,阻容耦合,负电源,习题3.5.5,3.2.1 共射极放大电路的组成,3.2 共发
15、射极放大电路,1. 电路组成,35,2. 工作原理,vi=0,vi=Vimsint,既有直流、又有交流 ！,动态,静态,分析思路,先静态:,后动态:,# 放大电路为什么要建立正确的静态？,确定静态工作点Q（IBQ 、ICQ、VCEQ）,确定性能指标（AV 、Ri 、Ro 等）（叠加原理？）,36,工作点合适,# 放大电路为什么要建立正确的静态？,合适的 静态工作点,保证Je正偏， Jc反偏,保证有较大的线性工作范围,2. 工作原理,37,3. 习惯画法,3.2.1 共射极放大电路的组成,图3.2.1 共射极放大电路,图3.2.2 共射极放大电路习惯画法,小结:放大电路组成原则,合适的静态工作点
16、(Je正偏Jc反偏),正确的耦合方式,38,？,思 考 题,1. 下列 a f 电路哪些具有放大作用？,39,3.2.2 放大电路的两种工作状态,3.2 共发射极放大电路,图3.2.2 共射极放大电路习惯画法,1.静态:,2.动态:,图3.2.4 基本共射极放大电路的波形图,当vi0时，放大电路处于静态或直流工作状态(静态工作点Q)。,当有正弦输入信号时，电路将处在动态工作情况。,静态分析：求解VCC作用的分量,动态分析：求解 vi 作用的分量,40,3.2.2 放大电路的两种工作状态,图3.2.3 图3.2.2电路的直流通路,图3.2.2 共射极放大电路习惯画法,图3.2.1 共射极放大电路,图3.2.5 图3.2.2电路的交流通路,叠加原理？,41,1. 静态,近似计算法求静态工作点Q,(1) 画出直流通路，标出各支路电流。,
