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1、第 6 章半导体三极管及放大电路,6.1 双极型三极管 6.2 放大电路基础 6.3 多级放大电路 6.4 放大电路的频率特性,6.1 双极型三极管,图 晶体管的几种常见外形,三极管的结构如下图,6.1.1 三极管的结构,图 晶体管的结构和符号,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺 杂浓度较高,集电区：结面积较大,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,基极 base 基区 base region 发射极 emitter 发射区 emitter region 发射结 emitter junction 集电极 collector 集电区 collector region 集电结 collecto
2、r junction,6.1.2 三极管的电流控制作用,放大是对模拟信号最基本的处理，由传感器获得的电信号都很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理，或使之具有足够的能量来推动执行机构。 晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。,图6.1.3 基本共射放大电路,晶体管是放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。,一、晶体管内部载流子的运动 二、晶体管的电流分配关系,发射结正偏，发射区电子向基区扩散，形成发射极电流IE。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,进入P区电子少量与基区空穴复合，形成基极电流IBN，多数扩散到集电结
3、。,图1.3.4 晶体管内部载流子运动与外部电流,图1.3.4 晶体管内部载流子运动与外部电流,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结被收集，形成IC。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,IE=IC+IB,共射直流电流放大系数：,三、晶体管的共射电流放大系数,若有输入电压uI作用，则晶体管的基极电流将在基础上叠加动态电流iB，则集电极电流在基础上叠加动态电流iC，其比值称为共射交流电流放大系数： 一般取为几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不够稳定。,图 基本共基放大电路,共基交流电流放大系数定义为：,NPN型三极管,PNP型三极管,要使三极管能放大电流，必须
4、使发射结正偏，集电结反偏。,总结:,正向受控（放大模式，即发射结正偏，集电结反偏）三极管电流分配关系式：,6.1.3 三极管的特性曲线,一、输入特性曲线,输入特性描述在管压降一定时，基极电流与发射结压降之间的函数关系。 当0时，相当于集电极与发射极短路，即发射结与集电结并联，则输入特性曲线与PN结的伏安特性类似，为指数关系。,当增大时，则集电结反向电压增大，则集电结的漂移运动加大，即将发射结注入的电子作为集电结P区的少子更多地收集，则在基区参与复合运动的非平衡少子减少，则iB会减小，曲线右移。 当增大到1V左右后，集电结电场足够强，可以将发射区注入基区的绝大多数非平衡少子都收集到集电区，则再增
5、大， iC也不能明显增大，则iB 基本不变。,二、输出特性曲线,输出特性曲线描述基极电流IB一定时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。 对于一个IB ，就有一条曲线。,当uCE增大时，集电结电场增强，收集基区非平衡少子的能力增大，则iC增大。 当uCE增大到一定数值时，集电结电场足够强，可以将发射区注入基区的绝大多数非平衡少子都收集到集电区，则再增大uCE ， iC也不能明显增大，则曲线几乎平行于横轴， iC几乎仅取决于IB 。,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当uCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,晶体管输出特性曲线,晶体管载流子运动,
6、此区域中uCEuBE,集电结正偏，IBIC，称为饱和区。,晶体管输出特性曲线,晶体管载流子运动,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,uBE 开启电压，称为截止区。,二极管伏安特性,晶体管输出特性曲线,晶体管载流子运动,输出特性三个区域的特点：,放大区：发射结正偏（uBE大于发射结开启电压 Uon），集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：uCEuBE ， IBIC,(3) 截止区： 发射结电压uBE 开启电压Uon，都反偏。 IB=0 ， IC=ICEO 0,将三极管的非线性特性等效为线性电路,6.1.4 三极管的微变等效电路,
7、参数的确定, 一般用测试仪测出；, rbe 与Q点有关。,一般用公式估算 rbe,rbe= rb + (1+ ) re,则,对于低频小功率管 rb(100300),电流放大系数，极点反向电流及极间参数。,6.1.5 三极管的主要参数,一、直流参数 1、共射直流电流放大倍数： 2、共基直流电流放大倍数： 3、极间反向电流 ICBO为发射极开路电集电结的反向饱和电流（集-基极反向截止电流）； ICEO为基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。,ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区,根据放大关系，由于IBE的存在，必有
8、电流IBE。,集电结反偏有ICBO,ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,电流分配关系式,二、交流参数 工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为iB，相应的集电极电流变化为iC，则交流电流放大倍数为： 1、共射交流电流放大倍数： 2、共基交流电流放大倍数：,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,二、极限参数 极限参数是指为使晶体管安全工作时对电压、电流、功率损耗的限制。 1、最大
9、集电极耗散功率PCM,图6.1.7 晶体管的极限参数,2、最大集电极电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。 3、极间反向击穿电压 UCBO UCEO UEBO,集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =ICUCE,会导致结温 上升，故PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,6.1.6 温度对三极管参数的影响,一、温度对ICBO的影响 ICBO是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，温度升高时，少子浓度增加，则ICBO增大。,二、温度对输入特性的影响 与二极管伏安特性相似，温度上升时，
10、正向特性左移。,图6.3.8 温度对晶体管输入特性的影响,二、温度对输出特性的影响,图6.1.9 温度对晶体管输出特性的影响,由图可知，当温度升高时，由于ICEO、增大，且输入特性左移，则集电极电流增大。,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。 如电压放大电路，可用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,6.2 放大电路基础,由信号的分解，任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号的叠加，则放大电路常以正弦波为测试信号。,6.2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,放大电路放大的本质是能量的控制和转换，电子电路放大的基本特征是功率放大，即放大电压或电流或都有。 在放大电路中能够控制
11、能量的元件，如晶体管和场效应管，称为有源元件。 放大的前提是不失真，只有在不失真情况下放大才有意义。晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，为使电路不失真，即输入输出始终保持线性关系，要工作在合适的区域（晶体管在放大区）。,放大电路可看作两端口网络。,图2.1.2 放大电路示意图,放大电路的性能指标,正弦波信号源,信号源内阻,负载电阻,一、放大倍数 放大倍数为输出量与输入量之比。 1、电压放大倍数,Auu是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。,2、电流放大倍数,二、输入电阻,定义：输入电压有效值和输入电流有效值之比。,放大电路要有前级（信号源）为其提供信号，就要从信号源索取电流。 输入电阻是
12、衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。放大电路所得到的输入电压越接近信号源电压，信号电压损失越小。 为了使输入电流大一些时，则应使输入电阻小。,三、输出电阻RO,放大电路对其负载而言，相当于信号源，即一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效电阻称输出电阻。 可将其等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,确定电路的输出电阻方法,方法一：计算。 1、所有的电源置零（将独立源置零，保留受控源) 2、加压求电流,方法二：测量 1、测量开路电压（空载时的输出电压有效值Uo ）。 2、测量带负载的输出电压UO。,放大电路
13、示意图,RO越小，负载电阻RL变化时，UO变化越小，称放大电路的带负载能力越强。,图6.2.1 两个放大电路相连的示意图,由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数数值会下降并产生相移。则放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内信号。 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。 放大倍数的数值与信号的频率关系曲线称为幅频特性曲线。,四、通频带 Bandwidth,图6.2.2 放大电路的频率指标,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,下限截止频率,上限截止频率,通频带：fbw=fHfL,6.2.2 共射极放大电路,图6.2.1 基本共射放
14、大电路,参考点,集电极电阻，将变化的电流转变为电压。,输入信号（正弦波电压）,放大元件IC= IB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,集电极电源，较高，可使集电结反偏,基极电源，使UBE大于开启电压UON,6.2.2 图解分析法,图解分析法：利用晶体管的特性曲线以及负载线等，用作图的方法直接描绘出各有关的电压、电流波形； 计算分析法：是将晶体管简化成线性等效电路，然后对整个放大电路进行计算，求出各有关的电压、电流值。 以共射放大电路为典型进行分析。,1.用图解法分析静态工作情况,静态时常用直流量IB、UBE、IC和UCE来描述晶体管的静态工作情况。 IB、UBE可以在输入特性确定一
15、点；IC、UCE在输出特性上确定一点。该点就称为静态工作点。 静态工作点通常用Q表示， Q点坐标为IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。 用图解法来分析静态的目的： 确定Q点。,用图解法求静态 工作点的步骤：, 画出直流通路 ui=0V即可。,1.用图解法分析静态工作情况, 利用输入特性曲线来确定IBQ和UBEQ,列输入回路方程。,VBB = iBRb+uBE,写输入特性曲线方程,iB = f (uBE)| uCE = 常数,求解，即为IBQ、UBEQ,由VBB = iBRb+uBE 得,斜率为-1/Rb。取两点(0,VBB/Rb)及(VBB,0)，在坐标系中画出这条线。,该线称为静态负载线，或
16、直流负载线(Static Load Lines)，它与输入特性的交点Q就是静态工作点。 Q点的坐标就是静态时的基极电流IBQ和基-射极间电压UBEQ, 利用输入特性曲线来确定IBQ和UBEQ, 利用输出特性曲线确定UCEQ及ICQ,列输出回路及输出特性曲线方程：,iC = f (uCE) | iB = 常数,VCC = iCRc + uCE,方程VCC = iCRc + uCE 可写成斜截式方程,取两点(0,VCC/Rc)，(VCC,0)，连成直线。,iC,0,uCE,(b),IBQ,-1/Rc,UCEQ,ICQ,该线称为输出特性的直流负载线，交点Q就是静态工作点。, 利用输出特性曲线确定UCEQ及ICQ,2. 用图解法分析动态工作情况,输入交流信号ui0，此时电路中各处为直流与交流的叠加。, 利用输入特性画出
