《《实用电工电子技术教程》-艾建春-电子教案 第05章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《实用电工电子技术教程》-艾建春-电子教案 第05章（127页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、三极管及实用放大电路基础,第五章,半导体三极管具有放大作用；放大是指在输入信号的作用下，利用有源器件的控制作用，将直流电源提供的部分能量转换为与输入信号成比例的输出信号。放大电路的实质是一个受输入信号控制的能量转换器。 本章先介绍晶体三极管和场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数，然后分析三极管的基本放大电路，并由此讨论三极管构成的集成运算放大器。,内容提要,5.1 晶体三极管,通过一定的工艺手段将两个PN结生成在同一片半导体芯片内，即构成晶体三极管。根据结构不同，晶体三极管有NPN、PNP二种类型。,图 5 -1三极管的结构示意图,5.1.1 晶体三极管的工作原理,1.三极管的图形符号
2、及电极命名:,基极,集电极,发射极,NPN,PNP,基极,集电极,发射极,图 5 -2 三极管的图形符号, (a) 塑封管； (b) 超小型管； (c) 小功率管； (d) 大功率管,常见三极管的外形图,图 5 -3 三极管的外形图,5.1.1 晶体三极管的工作原理 （二）,三极管的基本分类： （）按材料分 ： 硅管 锗管 （）按工作频率分：高频 中频 低频 （）按PN结结构分： NPN PNP （）按功率分：大功率 中功率 小功率,5.1.1 晶体三极管的工作原理 （三）,衡量三极管电流放大能力的重要性能指标 电流放大系数值 三极管共发射极电路的直流放大系数,三极管放大器的原理实验,EWB仿
3、真实验,ewb实验-三极管放大,ewb实验-三极管放大,ewb实验-三极管放大,ewb实验-三极管放大,三极管放大器实验结论,三极管电流测量数据表,结论：Ie=Ic+Ib； IbIc ; 所以：IeIc,结论：,三极管放大器的电流关系,(1) 三极管各极之间的电流分配关系 IE=IC+IB (1) 且IC IB (2) (2) 基极电流IB增大时, 集电极电流IC也随之增大。我们把IC与IB的比值叫做三极管的直流电流放大系数,用表示 ,三极管放大器的电流放大,(3) 当IB有微小变化时，IC即有较大的变化。 例如：当IB由71.6A变到188.7A时，集电极电流IC则由9.813mA变为24.
4、39mA。这时基极电流IB的变化量为 IB=188.7-71.6=0.12mA 而集电极电流的变化量为 IC=24.39-9.813=14.58 mA,电流放大系数,这种用基极电流的微小变化来使集电极电流作较大变化的控制作用，就叫做三极管的电流放大作用。我们把集电极电流变化量IC和基极电流变化量IB的比值，叫做三极管交流放大系数，用表示, 即 ： =IC/IB=14.58/0.12=121.48。 在工程计算时可认为 。,5.1.1 晶体三极管的工作原理(四),4.穿透电流 ICEO 衡量三极管质量的主要性能指标,5.1.2 晶体三极管的特性曲线(一),1.NPN型硅三极管共发射极电路输入特征
5、曲线,IB,5.1.2 晶体三极管的特性曲线(二),NPN型硅三极管共发射极电路输出特征曲线,Uce,【例5-1】图5-4为硅三极管在工作时实测的各极对地电压值。试根据各极对地电压判断三极管的工作状态。,图5-4 各硅管各极对地实测电压值,UBE=1.7V1V=0.7V0 U BC=1.7V1.3V=0.4V0 NPN型硅管,工作在饱和状态,UBE=0.7V0 U BC=0.7V3V=-2.3V0 NPN型硅管,工作在放大状态,UBE=0.5V-1.5V=-1V0 U BC=0.5V6V=-5.5V0 NPN型硅管,工作在截止状态,UBE=-1.7V+1V=-0.7V0 PNP型硅管,工作在放
6、大状态,5.1.3 晶体三极管的主要参数(1),1电流的放大系数 （1）共发射极电流放大系数。 直流电流放大系数 :定义为三极管的集电极电流IC与基极电流IB之比，即：,5.1.3 晶体三极管的主要参数(2),(2)交流电流放大系数 :定义为集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量IB之比，即：,5.1.3 晶体三极管的主要参数(3),（2）共基极电流放大系数。 以三极管的基极作为输入、输出回路的公共端称为共基极电路。在共基极电路中，三极管电极电流IC与发射极电流IE之比定义为共基极电路，直流电流放大系数，即：,5.1.3 晶体三极管的主要参数(4),2极间反向电流ICBO和ICEO ICBO
7、为发射极开路时集电极和基极之间的反向饱和电流。 ICEO为基极开路时集电极直通到发射极的电流（穿透电流）。,ICEO=(1+)ICBO,5.1.3 晶体三极管的主要参数(5),3极限参数:极限参数是指三极管工作时允许的各个最大值。 （1）集电极最大允许电流ICM . （2）集电极最大允许功率损耗PCM。 （3）反向击穿电压U(BR)CEO；U(BR)CBO；U(BR)EBO。,自测题,1.二只处于放大状态的三极管，测量、脚对地电位分别是“-8V、-3V -3.2V”和“3V、12V、3.7V”，试判断管脚的名称，并说明是PNP型还是NPN型，是硅管还是锗管？ 2.将二个二极管背靠背连接起来，能
8、否构成一只晶体三极管？为什么？,自测题解答 (“-8V、-3V -3.2V”和 “3V、 12V、3.7V” ),解因为三极管处于放大状态，所以： Ube0； UbcUbUe PNP型： UCUbUe 所以：管1的脚是C极；是e极；是b极。管2的脚是e极；是C极； 是b 极。 另外：根据三极管的导通条件，管1的Ube=-3-（-3.2）=0.2V，为锗管； 管2的Ube=3.7-3=0.7V，为硅管。,自测题解答,？,因为三极管的内部结构有二个基本特点： 基极做得很薄；二极管对接后中间是二块P型材料，达不到这个要求。 发射极掺杂浓度很高，二极管也没有这个特点。 所以二个二极管背靠背连接，不能达
9、到三极管放大的内部结构要求。,实验 三极管的测量,1.辨别三极管的极性：,判定基极,实验 三极管的测量（2）,辨别三极管的极性（2）,判定集电极和估测值,判定集电极和估测值,二种不同极性的三极管的估测值方法,二种三极管电路的比较,5.2 场效应管,从控制角度来看，晶体三极管是电流控制器件，而场效应管是电压控制器件 . 场效应管具有输入阻抗非常高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，寿命长等优点。 根据结构不同，场效应管主要有结型及金属氧化物半导体（简称MOS场效应管）两类。,图 5.5结型场效应管结构与符号图 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (c) P沟道结型场效应管,高浓度掺杂P+区
10、,沟道,N,图5.6 N沟道结型场效应管工作原理,原理在硅棒二侧制造二个P型半导体和N型衬底形成的PN结，若改变加在PN结二端的反向偏压，就可以改变耗尽层宽度，硅棒中的电子流通途径将因耗尽层的加宽而减小，实现了利用电压所产生的电场来控制ID的目的,5.2.2绝缘栅型场效应管 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 1) 结构及符号 2) 工作原理,图 5.7 增强型MOS管结构及符号图 (a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号,高浓度掺杂N+区,制造时sio2绝缘层中具有大量的正离子。,图 5.8 N沟道增强型MOS管工作原理,反型层,反型层：以g极和P衬底为二极、
11、sio2层为介质所形成的电容，若在g、s之间加一正电压，则在P衬底和sio2层的界面上感应出负电荷与P衬底的多子极性相反。,图5.9 耗尽型MOS管结构及符号图 (a) N沟道结构图; （b） N沟道符号; （c） P沟道符号,N沟道中被正离子感应出的负电荷,5.2.1 MOS场效应管的工作原理及特性曲线(1),一.增强型场效应管的转移特征曲线 :,G,5.2.1 MOS场效应管的工作原理及特性曲线(2),二.增强型N沟道MOS场效应管的输出特征曲线,ID,U,IDUDS（线性变化）,放大区：ID只受UGS控制，与UDS无关。（恒流特性）,5.2.1 MOS场效应管的工作原理及特性曲线(3),
12、输出特性曲线簇可分为三个不同的工作区域 : 1.可变电阻区:当UGS变化时沟道电阻变化，ID与UDS的线性关系不变，只是直流斜率沟道电阻的倒数变化. 场效应管D、S间相当于一个受UGS控制的可变电阻。,MOS场效应管的工作原理及特性曲线(),2饱和区:UDS UGS - UGS(th)时的工作区域 ID为一簇平行于横轴的直线， ID仅受UGS的控制而与UDS无关。 场效应管用于放大电路时工作在饱和区，所以饱和区又称放大区。,MOS场效应管的工作原理及特性曲线(5),3截止区: UGS UGS(th)时的区域。 这时导电沟道消失，ID0，场效应管处于截止状态。,5.2.2 场效应管的主要参数(1
13、),1开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(Off) 指UDS为某一定值，使漏极电流ID等于某一微小电流时栅、源之间所加的电压UGS。对于增强型管称为开启电压UGS(th)，对于耗尽型管称为夹断电压UGS(Off)。,5.2.2 场效应管的主要参数(2),2饱和漏电流IDSS 指工作于饱和区的耗尽型场效应管在UGS=0时的漏极电流 . 增强性管没有该参数。,5.2.2 场效应管的主要参数(3),3直流输入电阻RGS: 指漏源间短路时，栅、源间加一定电压时的栅源直流电阻值 . 该值大于108。,5.2.2 场效应管的主要参数（）,4低频跨导gm: 指UDS为某定值时，漏极电流的微变量与栅源电压
14、微量之比，即： =常数,gm反映了UGS对ID的控制能力，即,其单位为西门子，符号为S，一般为n毫西（ms）。,图 5.10 场效应管共源放大电路,5.3 三极管电路分析方法,1.直流分析（静态分析）： 在直流电源的作用下，且无信号输入的情况下，对三极管各直流量的分析 ,并由此确定的三极管各级直流电压和电流称为直流工作点（静态工作点）。 2.交流分析（动态分析）： 当输入交流信号后，对叠加在各静态工作点上的交流量进行分析。,三极管电路的实际电路,UC,UB,UCUBUE,IB,IC,5.3.1 直流分析,输入回路中，由输入特性可知，当UBEUBE(on)后，UBE很小的变化能引起IB很大的变化
15、,可得：,根据图5-7所标定的电压，电阻值 ，实际有,图5-7,直流分析,图5-7,输出分析,设：三极管的电流放大系数=100，可求得:,ICQ=IBQ =20100=2(mA) UCEQ=VCCICQRC =521=3(V),结论三极管的静态工作点为： UBEQ=0.7V， IBQ=20mA UCEQ=3V ICQ=2mA,习题五 5-9： 已知=100，Ube(on)=0.7V,求静态工作点（Ib、Ic和Uce）？,解 Ib=12-0.7/470K 24A,IC=Ib=10024=2.4mA,Uce=Ucc-IcRc =12-2.43.9 =2.64V,图5-8 题5-9电路,解法二图解法-静态工作点的意义,根据：Uce=Ucc-IcRc 有：Ic=0；Uce=12V Uce=0；Ic=Ucc/Rc =12/3.9 3.08mA 作出二点A（0、3.08）、 B（12、0）的连线，称为直流负载线。,4,8,12,16,A,B,直流负载线,24A,Q,非线性元件的伏安特性线和直流负载线的交点即为Q点，称为静态工作点。,三极管电路的交流分析（动态分析）,1.交流分析的概念：在已设置了合适的静态工作点的前提下，讨论放大器的放大倍数、输入电阻和输出电阻等技术指标的过程（即讨论信号传输过程，放大器的性能指标）。主要
