第二章半導(dǎo)體三極管及其基本放大電路

1、第二章 半導(dǎo)體三極管及其基本放大電路本章內(nèi)容簡(jiǎn)介本章首先討論半導(dǎo)體三極管（BJT ）的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。隨后著重討論BJT放大電路的三種組態(tài)，即共發(fā)射極、共集電極和共基極三種放大電路。內(nèi)容安排上是從共發(fā)射極電路入手，再推及其他兩種電路，并將圖解法和小信號(hào)模型法，作為分析放大電路的基本方法。 （一）主要內(nèi)容: 半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理，放大電路的三種基本組態(tài) 靜態(tài)工作點(diǎn)Q的不同選擇對(duì)非線性失真的影響 用H參數(shù)模型計(jì)算共射極放大電路的主要性能指標(biāo) 共集電極電路和共基極電路的工作原理 三極管放大電路的頻率響應(yīng)（二）教學(xué)要點(diǎn)：從半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理入手，重點(diǎn)介紹三種基本組

2、態(tài)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、動(dòng)態(tài)參數(shù)（電壓增益、源電壓增益、輸入電阻、輸出電阻）的計(jì)算方法，H參數(shù)等效電路及其應(yīng)用。（三）基本要求: 了解半導(dǎo)體三極管的工作原理、特性曲線及主要參數(shù) 了解半導(dǎo)體三極管放大電路的分類(lèi) 掌握用圖解法和小信號(hào)分析法分析放大電路的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)工作情況 理解放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題 掌握放大電路的頻率響應(yīng)及各元件參數(shù)對(duì)其性能的影響2.1 半導(dǎo)體三極管（BJT）2.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介：半導(dǎo)體三極管有兩種類(lèi)型:NPN型和PNP型。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低。2.1.2 BJT的電流分

3、配與放大原理三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過(guò)載流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。載流子的傳輸過(guò)程1. 內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程1.發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子；集電區(qū)：收集載流子；基區(qū)：傳送和控制載流子（以NPN為例） 以上看出，三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱(chēng)為雙極型三極管，或BJT (Bipolar Junction Transistor)。2. 電流分配關(guān)系3. 三極管的三種組態(tài)共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示。共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。BJT的三種組態(tài)4. 放大作用綜上所述

4、，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過(guò)基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過(guò)程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。3.1.3 BJT的特性曲線1. 輸入特性曲線 (1) 當(dāng) 時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。vCE = 0VvCE 1V(2) 當(dāng) 時(shí)， ，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開(kāi)始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的 下， 減小，特性曲線右移。(3) 輸入特性曲線的三個(gè)部分：死區(qū)；非線性區(qū)；線性區(qū)2. 輸出特性曲線放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電

5、結(jié)反偏。截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電壓，集電結(jié)反偏。飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。2.1.4 BJT的主要參數(shù) 1. 電流放大系數(shù) (1) 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)(2) 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)(3) 共基極直流電流放大系數(shù)(4) 共基極交流電流放大系數(shù)當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，直流和交流可以不加區(qū)分。2. 極間反向電流(1) 集電極基極間反向飽和電流ICBO；發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。(2) 集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO：即輸出特性曲線I

6、B = 0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。ICEO也稱(chēng)為集電極發(fā)射極間穿透電流。3. 極限參數(shù) (1) 集電極最大允許電流ICM(2) 集電極最大允許功率損耗PCM = ICVCE(3) 反向擊穿電壓V(BR)CBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的集電結(jié)反向擊穿電壓。V(BR) EBO集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。V(BR)CEO基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個(gè)擊穿電壓有如下關(guān)系：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO由PCM、 ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過(guò)損耗區(qū)、過(guò)電流區(qū)和擊穿區(qū)。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性曲線。作業(yè)：3.1.1，3.1.2，

7、3.1.42.2 共射極放大電路1. 電路組成放大電路組成原則： 1提供直流電源，為電路提供能源。2電源的極性和大小應(yīng)保證BJT基極與發(fā)射極之間處于正向偏置；而集電極與基極之間處于反向偏置，從而使BJT工作在放大區(qū)。 3電阻取值與電源配合，使放大管有合適的靜態(tài)點(diǎn)。 4輸入信號(hào)必須能夠作用于放大管的輸入回路。 5當(dāng)負(fù)載接入時(shí)，必須保證放大管輸出回路的動(dòng)態(tài)電流能夠作用于負(fù)載，從而使負(fù)載獲得比輸入信號(hào)大得多的信號(hào)電流或信號(hào)電壓。共射極放大電路2. 簡(jiǎn)化電路及習(xí)慣畫(huà)法3. 簡(jiǎn)單工作原理共射極基本放大電路的電壓放大作用是利用了BJT的電流控制作用，并依靠Rc將放大后的電流的變化轉(zhuǎn)為電壓變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4.

8、 放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靜態(tài)：輸入信號(hào)為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)，也稱(chēng)直流工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)：輸入信號(hào)不為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)，也稱(chēng)交流工作狀態(tài)。電路處于靜態(tài)時(shí)，三極管個(gè)電極的電壓、電流在特性曲線上確定為一點(diǎn)，稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，常稱(chēng)為Q點(diǎn)。一般用IB、IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。5. 直流通路和交流通路根據(jù)疊加原理可將電路中的信號(hào)分解為：直流信號(hào)和交流信號(hào)。直流信號(hào)通過(guò)直流通路求解，交流信號(hào)通過(guò)交流通路求解。直流通路:當(dāng)沒(méi)加輸入信號(hào)時(shí)，電路在直流電源作用下，直流電流流經(jīng)的通路。直流通路用于確定靜態(tài)工作點(diǎn)。直流通路畫(huà)法：電容視為開(kāi)路；電感線圈視為短路；信號(hào)源視為短路，但保留其內(nèi)阻

9、。交流通路:在輸入信號(hào)作用下交流信號(hào)流經(jīng)的通路。交流通路用于計(jì)算電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。交流通路畫(huà)法：容量大的電容視為短路；直流電源視為短路。對(duì)于放大電路來(lái)說(shuō)其最基本要求，一是不失真，二是能夠放大。只有在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)BJT始終工作在放大狀態(tài)，輸出信號(hào)才不會(huì)產(chǎn)生失真。靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合適能實(shí)現(xiàn)線性放大；靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏高會(huì)產(chǎn)生飽和失真；靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏低會(huì)產(chǎn)生截止失真。Q點(diǎn)不僅影響電路是否會(huì)產(chǎn)生失真，而且影響著放大電路幾乎所有的動(dòng)態(tài)系數(shù)。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了共射極放大電路簡(jiǎn)單工作原理。作業(yè)：3.2.12.3 圖解分析法2.3.1 靜態(tài)工作情況分析1. 用近似估算法求靜態(tài)工作點(diǎn)：采用該方法，必須已知

10、三極管的值。根據(jù)直流通路：硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V2. 用圖解分析法確定靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))：采用該方法分析靜態(tài)工作點(diǎn)，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。首先，畫(huà)出直流通路；在輸入特性曲線上，作出直線VBE =VCCIBRb，兩線的交點(diǎn)即是Q點(diǎn)，得到IBQ 。在輸出特性曲線上，作出直流負(fù)載線 VCE=VCCICRC，與IBQ曲線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)，從而得到VCEQ 和ICQ 。2.3.2 動(dòng)態(tài)工作情況分析 1. 交流通路及交流負(fù)載線 過(guò)輸出特性曲線上的Q點(diǎn)做一條斜率為-1/(RLRc)直線，該直線即為交流負(fù)載線。交流負(fù)載線是有交流輸入信號(hào)時(shí)Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。RL= RLRc，是交流負(fù)

11、載電阻。2. 輸入交流信號(hào)時(shí)的圖解分析通過(guò)圖解分析，可得如下結(jié)論：1. 2. vo與vi相位相反；3. 可以測(cè)量出放大電路的電壓放大倍數(shù)；4. 可以確定最大不失真輸出幅度。3. BJT的三個(gè)工作區(qū)飽和區(qū)特點(diǎn)： iC 不再隨iB 的增加而線性增加，截止區(qū)特點(diǎn)：iB = 0，iC = ICEO當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)時(shí)，將產(chǎn)生非線性失真1. 波形的失真1.飽和失真：由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。截止失真：由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的截止區(qū)而引起的非線性失真。對(duì)于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。2. 放大電路的動(dòng)態(tài)范圍放大

12、電路要想獲得大的不失真輸出幅度，要求：工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位，即： ；要有合適的交流負(fù)載線。3. 輸出功率和功率三角形3.放大電路向電阻性負(fù)載提供的輸出功率在輸出特性曲線上，正好是三角形DABQ的面積，這一三角形稱(chēng)為功率三角形。要想Po大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom 和Iom 都要大。放大電路如圖所示。已知BJT的 =80， Rb=300K， Rc=2K， VCC= +12V，求：（1）放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？（2）當(dāng)Rb=100K時(shí)，放大電路的Q點(diǎn)。此時(shí)BJT工作在哪個(gè)區(qū)域？（忽略飽和壓降）解：（1）放大電路的Q點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)為Q（40u

13、A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區(qū)。（2）當(dāng)Rb=100K時(shí)，VCE不可能為負(fù)值，其最小值也只能為0，即IC的最大電流為： 小結(jié)：本節(jié)主要介紹了圖解分析法的原理和主要應(yīng)用。作業(yè)：2.3.1,2.3.2,2.3.4,2.3.6,2.3.82.4 小信號(hào)模型分析法2.4.1 BJT的小信號(hào)建模建立小信號(hào)模型的意義：由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號(hào)模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡(jiǎn)化放大電路的分析和設(shè)計(jì)。建立小信號(hào)模型的思路：當(dāng)放大電路的輸入信號(hào)電壓很小時(shí)，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來(lái)代替，從而可以把三極管這個(gè)非線性器件所組成

14、的電路當(dāng)作線性電路來(lái)處理。H參數(shù)都是小信號(hào)參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。H參數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。H參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對(duì)交流信號(hào)的分析。hrevceibhiehfeibic1/hoevcevbe+-+-+-ebcBJT的H參數(shù)模型ibhiehfeibic1/hoevcevbe+-+-ebcBJT的H參數(shù)簡(jiǎn)化模型ibrbeibicrcevcevbe+-+-ebcBJT的H參數(shù)簡(jiǎn)化模型模型的簡(jiǎn)化：H參數(shù)的確定： 一般用測(cè)試儀測(cè)出；rbe 與Q點(diǎn)有關(guān)，可用圖示儀測(cè)出。一般也用公式估算：2.4.2 用H參數(shù)小信號(hào)模型分析共射極基本放大電路1. 利用直流通路求Q點(diǎn)：共射極放大電路一般

15、硅管VBF=0.7V，鍺管VBE=0.2V， 已知。2. 畫(huà)出小信號(hào)等效電路3. 求電壓增益：4. 求輸入電阻：5. 求輸出電阻：放大電路小信號(hào)模型分析法的一般步驟：1根據(jù)直流通路估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并確定H參數(shù)； 2畫(huà)出放大電路的交流通路； 3根據(jù)交流通路用BJT的H參數(shù)小信號(hào)模型代替電路中的BJT，畫(huà)出放大電路的小信號(hào)模型等效電路。 4根據(jù)放大電路的小信號(hào)模型等效電路計(jì)算放大電路的交流指標(biāo) 、 、 。圖解法和小信號(hào)模型分析方法的比較圖解法的特點(diǎn)是真實(shí)地根據(jù)BJT的非線性特性求解。它在輸入大信號(hào)以及分析輸出幅值和波形失真的情況時(shí)比較合適。小信號(hào)模型分析法的特點(diǎn)是在小信號(hào)條件下，將BJT線性化為我

16、們所熟悉的線性網(wǎng)絡(luò)來(lái)，進(jìn)而利用電路理論的方法分析放大電路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，它適用于放大電路工作于小信號(hào)時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。 小結(jié)：本節(jié)主要介紹了小信號(hào)模型分析法基本原理及應(yīng)用。作業(yè)：3.4.1,3.4.4,3.4.52.5 放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題3.5.1 溫度對(duì)工作點(diǎn)的影響溫度T上升，則輸出特性曲線上移2.5.2 溫度變化對(duì)輸入特性曲線的影響2.5.3 溫度變化對(duì) 的影響1.溫度每升高1，要增加0.5%1.0%；溫度T上升，則輸出特性曲線族間距增大總之： ICBO ICEO T VBE IB IC b 綜合上述： ICBO、b、VBE隨溫度T升高的結(jié)果，都集中表現(xiàn)在Q點(diǎn)電流IC的增大。 硅管的IC

17、BO小，溫度的變化主要考慮對(duì)VBE和b的影響，。 鍺管的ICBO大，ICBO的溫度影響對(duì)鍺管是主要的。 2.5.2 射極偏置電路1. 穩(wěn)定工作點(diǎn)原理：目標(biāo)：溫度變化時(shí)，使IC維持恒定。如果溫度變化時(shí)，b點(diǎn)電位能基本不變，則可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。射極偏置電路電路穩(wěn)定工作點(diǎn)的物理過(guò)程：利用Rb1和Rb2組成的分壓器以固定基極電位。如果I1IB（I1是流經(jīng)Rb1、Rb2的電流），就可近似地認(rèn)為基極電位VBRb2VCC/（Rb1+ Rb2）。在此條件下，當(dāng)溫度上升時(shí)，IC（IE）將增加，由于IE的增加，在Re上產(chǎn)生的壓降IERe也要增加，使外加于管子的VBE減?。ㄒ騐BE=VBIERe，而VB又被R

18、b1和Rb2所固定），由于VBE的減小使IB自動(dòng)減小，結(jié)果牽制了IC的增加，從而使IC基本恒定。這就是反饋控制的原理。 由上述分析可知，I愈大于IB及VB愈大于VBE，則該電路穩(wěn)定Q的效果愈好。為兼顧其他指標(biāo)，設(shè)計(jì)此種電路時(shí)，一般可選取I1=（510）IB（硅管）；I1=（1020）IB（鍺管） VB=（35）V（硅管）；VB=（13）V；（鍺管） 2. 放大電路指標(biāo)分析靜態(tài)工作點(diǎn)：電壓增益：輸入電阻： 輸出電阻：電路處于放大區(qū)的條件： 3. 射極偏置電路做如何改進(jìn)，既可以使其具有溫度穩(wěn)定性，又可以使其具有與固定偏流電路相同的動(dòng)態(tài)指標(biāo)？VCCRLRCReRb1Rb2Rb可選大電阻 使得：小結(jié)：

19、本節(jié)主要介紹了射極偏置電路的工作原理及改進(jìn)電路。作業(yè)：3.5.1,3.5.2,3.5.3,3.5.4,3.5.52.6 共集電極電路和共基極電路2.6.1 共集電極電路：該電路也稱(chēng)為射極輸出器VCCRLReRbuiuo+-+-求靜態(tài)工作點(diǎn)：電壓增益：VCCRLReRb1Rb2Rbuiuo+-+-輸入電阻：輸出電阻：共集電極電路特點(diǎn)：電壓增益接近于1；輸入電阻大，對(duì)電壓信號(hào)源衰減小；輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)：電壓跟隨器。共集電極電路做如何改進(jìn)，既可以使其具有溫度穩(wěn)定性，又可以不影響其動(dòng)態(tài)指標(biāo)？2.6.2 采用復(fù)合管進(jìn)一步提高輸入電阻電壓增益： 輸入電阻： 輸出電阻： VCCRLReRb1Rb2R

20、buiuo+-+-12由于采用復(fù)合管，使共集放大電路Ri大、Ro小的特點(diǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)揮。 在多級(jí)電子電路中， 因電壓跟隨器的輸入電阻高而用作輸入級(jí)； 因輸出電阻低且電流增益大而用作輸出級(jí)； 因輸入電阻高且輸出電阻低而用作緩沖級(jí)。2.6.2 共基極電路1. 靜態(tài)工作點(diǎn)：VCCRLRCReRb1Rb2RSuSuo+-共基放大電路直流通路與射極偏置電路相同2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)電壓增益： 輸入電阻： 輸出電阻：共基極電路的輸入電阻很小，最適合用來(lái)放大何種信號(hào)源的信號(hào)？電流源。3. 三種組態(tài)的比較電壓增益：輸入電阻：輸出電阻：小結(jié)：本節(jié)主要介紹了共集電極電路和共基極電路的工作原理。作業(yè)：2.7.1,2.7.

21、2,2.7.4+VCC1RLRCR1Rbuiuo+-VCC2例. 已知：Rb=560K，Rc=5.1K，R1=R=560K，RL=1M，VCC1=VCC2=12V，=50RCRLR1VCC1VCC2+-ICVC例. 已知：Rc1=3.9K，Rc2=3.3K，Re2=2K，Rs=88K，VCCRe2Rc1Rc2RSvSvo+-VEEVCC=VEE=12V，VBE1=|VBE2|=0.7V，1=40，2=20，vs=0時(shí)，vo=012VRL12Kvo+-91K5.1K30K7.5K1.5Mvi注：調(diào)節(jié)Rs，使達(dá)到零入零出。例. 已知：=1=2=100，RL=3.6KVBE1=VBE2=0.7V例. 已知：=1=2=100，VBE1=VBE2=0.7V+12V12Kvo+-91K3.6K30K5.1K180Kvi3.6K本章小結(jié)半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)組成的三端有源器件。有NPN型和PNP型兩大類(lèi)，兩者電壓、電流的實(shí)際方向相反，但具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即基區(qū)寬度薄且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電結(jié)面積大，這一結(jié)構(gòu)