模拟电子技术

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1、模拟电子技术,第2章 半导体三极管及其放大电路,本章主要内容：2.1 半导体三极管 2.2 放大电路的基本工作原理 2.3 放大电路的图解分析法 2.4 放大电路的微变等效分析法 2.5 多级放大电路 2.6 本章小结,2.1 半导体三极管,2.1.1 三极管的结构2.1.2 三极管的工作条件和基本组态2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用2.1.4 三极管的伏安特性曲线2.1.5 三极管的主要参数2.1.6 三极管的命名与检测2.1.7 特殊三极管简介,2.1.1 三极管的结构,一、三极管的基本结构它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为

2、一个具有控制电流作用的半导体器件。其结构模型及电路符号图2-1 。三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。,图2-1 三极管的结构模型和符号,从图2-1中可以看出，一个三极管的基本结构包括：三个区（发射区、集电区、基区）、两个PN结（集电结、发射结）、三个电极（基极B、发射极E、集电极C）。 三极管制作时，通常它们的基区做得很薄，且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则很高；集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。,2.1.1 三极管的结构,二、三极管的分类(1) 按材料可分为:硅管和锗管两类。一般情况下，NPN型多为硅管，PNP型多为锗管。（2）按工作频率高低可分为：低

3、频管（3MHz以下）和高频管（3MHz以上）两类。（3）按照功率可分为：大、中、小功率管等。（4）根据特殊性能要求，又分为：开关管、低噪声管、高反压管等等。,2.1.1 三极管的结构,三、三极管的常见外形,图2-2 常见的三极管外形,2.1.1 三极管的结构,一、三极管的工作条件 三极管要实现放大作用必须满足的条件是：内部条件：发射区掺杂浓度最高，基区掺杂浓度低且很薄，集电结面积大。外部条件：外加电压使发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。,2.1.2 三极管的工作条件和基本组态,二、三极管的基本组态 按信号输入和输出回路公共端的不同，放大电路有3种不同的组态如图2-3所示。,2.1.2 三

4、极管的工作条件和基本组态,图2-3 放大电路的3种基本组态,2.1.2 三极管的工作条件和基本组态,（以NPN形三极管为例分析）一、三极管内部载流子的传输过程 在一定外加电压作用下，三极管内部载流子的运动规律及电流分配关系如图2-4所示。,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,（1）发射区的多数载流子向基区扩散形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合形成基极电流IB 。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子形成集电极电流IC。,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,说明：在外加电压的作用下，发射区的多数载流子（自由电子）扩散到基区后，一部分与基区多数（空穴）复

5、合形成的基极电流IB，大部分被送到集电结边缘被集电区吸收形成电流IC，被吸收和被复合的载流子数量之比是一确定的值（），该值大小主要取决于基区的厚度和基区的掺杂（空穴）浓度，三极管制成后，这个比值（）是一确定值。与外加电压基本无关。,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,（3）三极电流间的关系根据基尔霍夫电压定律有：IE=IB+IC 或 IE=IB+IC=（1+）IB 若考虑集电结反向饱和电流ICBO的影响，各极电流关系为： IC=（1+ ）ICBO=ICEO （称为集电结穿透电流），则：

6、IC=IB+（1+ ）ICBO=IB+ICEO,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,图2-4 ICEO的形成,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,结论：（1）要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。（2）一般有1；通常认为 。（3）三极管的电流分配及放大关系式为： IE=IC+IB IC=IB,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,三、三极管的电流放大作用 原理电路如图2-6所示，三极管放大电路放大的对象是变化量。通过实验可知Ic和Ie的比值为一定值，称该定值为共发射极交流放大系数，用表示，即：,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流

7、放大作用,工程计算上，一般有可认为交流电流放大系数与直流放大系数近似相等，即：,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,IE,图2-5 晶体三极管放大电路原理图,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,所谓放大作用，是指输入一个较小的变化量，输出一个较大的变化量。 三极管的电流放大作用表现在：由基极电流的较小变化量，控制集电极电流发生较大的变化量，所以三极管是一个电流控制器件。 根据能量守恒定律，放大量实际是通过电流的控制作用，将直流电源的能量转换成变化量输出。,2.1.3 三极管的电流分配关系和电流放大作用,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,三极管的特性曲线分输入特性曲线和输

8、出特性曲线两种。它们可以通过晶体管特性图示仪测得，也可以用实验的方法测绘。测绘电路如图2-7所示。,图2-7 晶体三极管特性测试电路,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,一、输入特性曲线,实验测得NPN型三极管的共发射极放大电路的射输入特性曲线如图2-8所示。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,图2-8 三极管的输入特性曲线,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,三极管的输入特性曲线分两种情况讨论：（1）当UCE1V时 三极管的发射结、集电结均正偏，此时的三极管相当于两个PN结的并联，曲线与二极管相似，所以增大UCE时，输入曲线明显右移。（2）当UCE1V时 集电结反偏、发射结正偏，此时再继续增大U

9、CE特性曲线右移不明显，不同的UCE输入曲线几乎重合。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,二、输出特性曲线,实验测得三极管的输出特性曲线如图2-9所示。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,图2-9 三极管的输出特性曲线,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,由图2-9可见，三极管的工作状态分为三个区：（1）放大区工作条件：发射结正偏，集电结反偏。工作特点：基极电流的控制作用，即： =Ic/Ib恒流性特性，即iB一定时，iC基本不随uCE变化（对uCE而言，iC具有恒流性）。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,（2）截止区工作条件：发射结反偏，集电结反偏。工作特点：基极电流iB=0，集电极电流iC很

10、小，此时iC=ICEO0。集电极和发射极之间电阻很大， 相当于开关断开。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,（3）饱和区 工作条件：发射结正偏，集电结正偏。工作特点：在iB一定条件下，uCE略有增加，iC则迅速上升。在uCE一定条件下，iC几乎不随iB变化。UCE很小，称之为饱和电压，用UCES表示。一般硅管的饱和电压UCES为0.3V，锗管的UCES为0.1V。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,集电极与发射极间近似短路，三极管等效于开关接通。非线性区：饱和区和截止区。对应的工作状态叫饱和状态与截止状态，三极管工作在这两个区的特性称为三极管的开关特性。线性区：放大区，对应的工作状态叫放大状态

11、。,2.1.4 三极管的伏安特性曲线,2.1.5 三极管的主要参数,一、放大倍数（1）直流电流放大系数 或 。（2）交流电流放大系数 或。二、极间饱和电流（1）基极反向饱和电流ICBO 。（2）穿透电流ICEO。,三、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM。（2）集电极最大允许耗散功率PCM 。 PC=ICUCE （3）反向击穿电压 U（BR）CBO、U（BR）CEO、 U（BR）EBO。 一般情况下，U（BR）EBOU（BR）CEOU（BR）CBO。且极少发生U（BR）CBO击穿现象，所以在选择最大工作极限电压时参考击穿电压U（BR）CEO。,2.1.5 三极管的主要参数,四、温度对三极管参

12、数的影响 （1）对ICBO的影响 T ICBO （2）对的影响 T （3）对发射结导通电压UBE的影响 T UBE,2.1.5 三极管的主要参数,图2-10 三极管的安全工作区,2.1.5 三极管的主要参数,1三极管的命名方法 见附录一 2三极管的检测（见图2-12）（1）三极管极性、管型的判别基极的判别 管型的判别 集电极的判别,2.1.6 三极管的命名与检测,图2-12 c、e的判别电路示意图（一）,2.1.6 三极管的命名与检测,图2-12 c、e的判别电路示意图（二）,2.1.6 三极管的命名与检测,（2）三极管性能的简易判别 穿透电流ICEO,图2-13 ICEO的测量电路,2.1.

13、6 三极管的命名与检测,电流放大系数 在三极管的极性确定后，用如图2-12（一）所示方式判断，若指针偏转角度越大，说明值越大。 稳定性能 用图2-13所示方法测试，并借助人体体温改变三极管的温度，若表头指针向右偏转不大，则管子的稳定性较好；若表头指针迅速向右偏转，则管子的稳定性较差。,2.1.6 三极管的命名与检测,2.1.7 特殊三极管简介,一、光电三极管光电三极管也称光敏三极管，能把输入的光信号变成电信号，并能将光信号产生的电信号进行放大，因而其灵敏度比光电二极管高得多。等效电路和符号如图2-14所示。,图2-14 光电三极管的等效电路与电路符号,2.1.7 特殊三极管简介,二、光电耦合器

14、 光电耦合器是由发光二极管和光敏元件（光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等）组装在一起而形成的二端口器件的总称。其电路符号如图2-15所示。,2.1.7 特殊三极管简介,图2-15 光电耦合器电路符号,三、光电三极管与光电耦合器应用举例：（1）光电检测与控制电路见图2-16,2.1.7 特殊三极管简介,图2-16 光电检测与控制电,2.1.7 特殊三极管简介,2.1.7 特殊三极管简介,（2）光电耦合器脉冲放大电路见图2-17,图2-17 光电耦合脉宽放大电路,2.1.7 特殊三极管简介,2.2 放大电路的基本工作原理,2.2.1 概述2.2.2 放大电路的组成原理2.2.3 直流通路和

15、交流通路,2.2.1 概述,一、放大电路的作用和分类作用：就是将微弱的信号放大到便于测量和利用的程度。图2-18是一个扩音机的组成方框图。,图2-18 扩音机方框图,2.2.1 概述,分类 ：（1）按信号的强弱不同分为：电压放大电路和功率放大电路。（2）按被放大信号的频率不同可分为：直流放大电路、低频放大电路、高频放大电路。（3）按使用的器件不同分为：电子管放大电路、晶体管放大电路、场效应管放大电路以及集成运算放大电路等。,2.2.1 概述,（4）按级与级间的耦合方式不同分为：阻容耦合放大电路、变压器耦合放大电路和直接耦合放大电路等。 （5）按被放大信号的工作频带不同可分为：宽带放大电路、窄频带放大电路。,2.2.1 概述,2.2.1 概述,二、放大电路的主要性能指标（1）放大倍数（或增益） 放大电路可用方框图表示，如图2-19所示。,图2-19 放大电路的连接框图,2.2.1 概述,放大倍数是衡量放大电路对信号放大能力的主要技术参数。电压放大倍数Au：,