共射极放大电路课件

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1、第四章,晶体管电路基础,主 讲,刘 坤,三极管及放大电路,半导体三极管 基本放大电路 共集电极放大电路,半导体三极管,三极管的结构 工作原理与伏安特性 三极管的主要参数,三极管的结构(1),双极型晶体三极管(BJT) 由两个PN结构成，有两种类型:NPN型和PNP型。,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e 表示（Emitter）,集电极，用C或c 表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,BJT的电路符号,常用BJT的外形,三极管的结构(2),双极型晶体三极管(BJT) 结构特点：,发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大

2、； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,BJT管芯结构剖面图,三极管的结构(3),双极型晶体三极管(BJT)半导体三极管(晶体管)是最重要的一种半导体器件。 最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。,BJT的工作原理伏安特性(1),三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路共发射极电路，共集电极电路和共基极电路. 共发射极电路基极和发射极组成输入回路,集电极和发射极组成输出回路(最常用). 共集电极电路基极和集电极组成输入回路.发射极和集电极组成输出回路(如射极输出器). 共基极电路集电极和基极组成输入回路,发射极和基极组成输出回路。,

3、BJT的工作原理伏安特性(2),电流分配和放大原理,三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,BJT的工作原理伏安特性(3),电流分配和放大原理,EB,RB,UC,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为直流电

4、流放大倍数,两者变化之比称为交流电流放大倍数,BJT的工作原理伏安特性(4),BJT具有放大作用的条件,要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置具有放大作用的外部条件。,放大作用的内部条件： 基区很薄且掺杂浓度很低。,BJT的工作原理伏安特性(5),BJT具有放大作用小结,在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化。 晶体管放大的外部条件发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置 放大作用的内部条件基区很薄且掺杂浓度很低。,BJT的工作原理伏安特性(6),三极管的伏安特性,1、输入特性曲线：,输入特性曲线是指当集射极之间的电压UCE为某一常数时，

5、输入回路中的基极电流iB与加在基射极间的电压uBE之间的关系曲线。,BJT的工作原理伏安特性(7),三极管的伏安特性,1、输入特性曲线：,当UCE1时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一段距离。只要uBE不变，无论怎样增大UCE，iB都基本不变，曲线基本重合。因此，通常将UCE=1V的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。,当UCE=0，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。,BJT的工作原理伏安特性(9),三极管的伏安特性,2、输出特性曲线,NPN,IB=0,IB3,IB2,IB1,IB3 IB2 IB10,从输出特性上，可将三极管分为三个工作区（工作状

6、态）：,截止(Cut off)、饱和(Saturation)、放大(Active)。,截止,饱和,放大,集电极电流受基极电流控制，所以晶体三极管又称为电流控制器件。,输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流iC与集射极间的电压uCE之间的关系曲线。,uCE=uBE,BJT的工作原理伏安特性(10),三极管的伏安特性,1）截止区,IB = 0 曲线以下的区域。,IB = 0, IC = IE = ICEO 近似为0 (穿透电流),由于ICEO很小，此时UCE近似等于UCC，C与E之间相当于断路。,BJT的工作原理伏安特性(11),三极管的伏安特性,2）饱和区,条件： 发射结正

7、偏，集电结正偏。 即：UBE0，UBE UCE , UCUB。,饱和时UCE电压记为UCES，硅管 UCES = 0.30.5V， 锗管 UCES = 0.10.2V。 C与E之间相当于短路。,此时IB对IC失去了控制作用，管子处于饱和导通状态。,特性曲线左边uCE很小的区域。,BJT的工作原理伏安特性(12),三极管的伏安特性,3）放大区,条件：发射结正偏； 集电结反偏。,特点：, UCE变化时，IC基本不变。 这就是晶体管的恒流特性。改变IC的唯一途径就是改变IB,而这正是IB对IC的控制作用。,特性曲线中，接近水平的部分。, IC=IB，集电极电流与基极电流成正比。因此放大区又称为线性区

8、。, 特性曲线的均匀间隔反映了晶体管电流放大作用的能力，间隔大，即IC大，因而放大能力（）也大。,BJT的工作原理伏安特性(13),放大区此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。,截止区即截止时两个PN结都反向偏置,饱和区饱和时，晶体管的发射结处于正偏、集电结也处于正偏,BJT的工作原理伏安特性(14),BJT的工作原理伏安特性(15),利用MultiSim观察BJT输出特性,主要参数(1),晶体管的特性不仅可用特性曲线表示，还可用一些数据进行说明，即晶体管参数。它是设计电路和选用器件的依据。 电流放大系数， 集-基极反向截止电流ICBO 集-射极反向截止电流ICEO 集电极最大允许电流ICM 集

9、-射极反向击穿电压U(BR)EOC 集电极最大允许耗散功率PCM,主要参数(2),电流放大系数,(a)直流(静态),(b)交流(动态) (hfe),和含义不同，但在输出特性放大区内，曲线接近于平行等距，在ICEO较小的情况下，二者近似相等.,器件手册上给出的是 使用时也作为。,由于制造工艺的分散性，同一型号的晶体管，值也有很大差别。常用的晶体管的值一般在20200之间。,主要参数(3),说明,静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同,但大多数情况下近似相等,可以借用进行定量估算. 晶体管的输出特性曲线是非线性的,只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系,IC与IB成正比,也可认为是基本恒

10、定的. 由于制造工艺的原因,晶体管的参数具有一定的离散性,即使是同一型号的晶体管,也不可能具有完全相同的参数。常用晶体管的值在20100之间。近年来由于生产工艺的提高,值在100300之间的晶体管也具有很好的特性。,主要参数(4),例：在UCE= 6V时，在Q1点IB=40A, IC=1.5mA；在 Q2 点IB=60A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,主要参数(5),集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,集-射极反向截止电流(穿透电流)I

11、CEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,主要参数(6),集射反向击穿电压U(BR)CEO,当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。集射极之间电压超过U(BR)CEO时，集电极电流会大幅度上升，此时，三极管被击穿而损坏。,U(BR)CEO,集电极最大允许电流ICM,集电极电流IC超过一定值时， 值要下降，当 降到原来值的2/3时，对应的IC称为ICM,ICM,主要参数(7),集电极最大允许耗散功率PCM,两个PN结上消耗的功率分别等于通过结的电流乘以加在结上的电压，一般集电结上消耗的功率比发射结大得多，用PCM表示，这个功率将导致集

12、电 结发热，结温上升，当结温超 过最高工作温度时，管子性能下降，甚至被烧坏。因此集电结的最高工作温度决定了三极管的最大集电极耗散功率。,由U(BR)CEO、PCM、ICM共同确定三极管的安全工作区，如图所示。,安全工作区,UCEIC=PCM,过,损,耗,区,主要参数(8),三极管的安全工作区,ICUCE=PCM,安全工作区,主要参数(9),晶体管参数与温度的关系,1.温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。,2.温度每升高1C,UBE将减小(22.5)mV, 即晶体管具有负温度系数。,3.温度每升高1C， 增加 0.5%1.0%。,主要参数(10),思考题,三极管按制造工艺分可分平面

13、型，合金型。按结构分可分为NPN，PNP。 发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在什么状态；发射结和集电结均反偏，三极管工作在什么状态；发射结和集电结均正偏，三极管工作在什么状态？,基本放大电路,放大电路的组成 放大电路的静态分析 放大电路的动态分析 放大电路的波形失真,放大电路的组成(1),放大的概念,信号功率小,输入、输出信号表现为电压或电流，因此，放大电路具有两个端口。,信号功率增大,所谓放大,实际上是一种能量转换，即通过半导体器件的控制作用，将直流电源的能量转换为信号能量，实现信号功率的增强。,转换,放大电路的组成(2),放大电路中的相关指标： 1. 增益A 增益是指放大电路中放大器的响

14、应与激励的比值。放大器中有多种增益。,放大电路的组成(2),2. 输入电阻 Ri 输入电阻是从放大器输入端口看入的等效电阻，该电阻作为信号源的负载，用以说明放大器实际获取信号的能力。,一般来说，当 时，采用电压源，反之采用电流源。,放大电路的组成(2),3. 输出电阻 Ro 输出电阻是从放大器输出端口看进去的戴维宁等效电阻，该电阻作为负载的信号源内阻，用于说明放大器带负载的能力。,放大电路的组成(2),共射极放大器的组成,+,+,放大的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,放大电路的核心,与EB一起为三极管提供合适的基极电流,将集电极电流的变化转换成集射极电压的变化与EC一起为三极管提供合

15、适的UCE,输入耦合电容,输出耦合电容,放大电路的组成(3),共射极放大器的特点,1.交流放大电路中既有直流电源，又有信号源。当交流信号电压ui=0时，电路中只有直流电流流通。当ui0时，电路电流中既有直流分量，又有交流分量，因此，它是一个交直流共存的电路；,2.晶体管本身是一个非线性元件，因此，放大电路实质上是一个非线性电路。,uBE=UBE+ui,uCE=UCE+uce,iB=IB+ib,iC=IC+ic,+,+,放大电路的静态分析(1),静态分析的概念,（1）静态的概念无信号输入，电路中只有直流电源作用。 （2）静态等效电路直流通路：耦合电容开路。,（3）静态分析的目的确定三极管的静态工

16、作点 IB、IC、UCE、UBE ）,（4）静态分析的方法图解法、近似估算法（等效电路法）,放大电路的静态分析(2),放大电路静态分析的等效电路法,（1）晶体管的静态等效电路（放大状态）,（3）放大电路静态等效电路,把输入输出回路分开处理,（2）近似条件： UBE 0.7V(硅管) 0.3V(锗管),放大电路的静态分析(3),放大电路静态分析的等效电路法,（4）静态工作点的近似估算,（5）检验三极管是否处于放大状态,放大电路的静态分析(4),放大电路静态分析举例,例1:如已知放大电路中的UCC20V,RB480 k, RC6k,晶体管的=40,求放大电路的静态工作点.,放大电路的动态分析(1),动态分析的概念,动态的概念有信号输入，电路中有交流信号源作用也有直流电源作用，通常我们主要讨论交流信号的作用。 动态分析的目地确定放大电路的性能指标( Au、ri、ro ) 动态分析的方法微变等效电路法、