模拟电路半导体三极管及放大电路基础剖析.pptx

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1、的结构简介的结构简介3.1 半导体三极管（半导体三极管（BJT）的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理的特性曲线的特性曲线的主要参数的主要参数第1页/共63页的结构简介的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极，用B或b表示（Base）发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区三极管符号第2页/共63页 结构特点：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；基区很薄，一般在几个微米至几

2、十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图第3页/共63页BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理1.内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子 （以NPN为例）载流子的传输过程第4页/共63页载流子的传输过程载流子的传输过程第5页/共63页 以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(Bipolar Junction Transistor)。BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大

3、原理第6页/共63页2.电流分配关系根据传输过程可知 IC=InC+ICBOIB=IB-ICBO通常 IC ICBO 为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 =0.9 0.99IE=IB+IC载流子的传输过程第7页/共63页根据 是交流（或动态）电流放大系数，同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 1IE=IB+IC IC=InC+ICBO且令ICEO=(1+)ICBO（穿透电流ICEO：当基极开路时，IB0，此时的集电极电流）2.电流分配关系第8页/共63页3.三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示

4、;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；BJT的三种组态第9页/共63页RLecb1k 图 03.1.05 共基极放大电路4.放大作用若 vI=20mV使当则电压放大倍数（增益）VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iB iE=-1 mA，iC=iE =-0.98 mA，vO=-iC RL=0.98 V，=0.98 时，第10页/共63页+-bceRL1k共射极放大电路 图 03.1.06 共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iB vI=20mV

5、设若则电压放大倍数 iB=20 uA vO=-iC RL=-0.98 V，=0.98使4.放大作用第11页/共63页 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理第12页/共63页vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始

6、收 集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。vCE=0V vCE 1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）第13页/共63页(3)输入特性曲线的三个部分死区非线性区线性区1.输入特性曲线的特性曲线的特性曲线第14页/共63页2.2.输出特性曲线输出特性曲线的特性曲线的特性曲线输出特性曲线输出特性曲线第15页/共63页饱和区：饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性曲线

7、输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:的特性曲线的特性曲线截止区：截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压，发射结反偏，集电结反偏。放大区：放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。截止放大饱和发射结反偏反偏正偏正偏正偏正偏集电结反偏反偏反偏反偏正偏正偏各态偏置情况：各态偏置情况：第16页/共63页的主要参数的主要参数 (1)1)共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC/IB vCE=const1.电流放大系数 (hFE)第17页/共63页(2)共发射极交流电流放大系数 =iC/iB vCE=const的主

8、要参数的主要参数1.电流放大系数 (hfe)第18页/共63页(3)共基极直流电流放大系数=（ICICBO）/IEIC/IE (4)共基极交流电流放大系数 =iC/iE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时，、，可以不加区分。的主要参数的主要参数1.电流放大系数 第19页/共63页 (2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+）ICBO 2.极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。的主要参数的主要参数 即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。第20页/共63页(1

9、)集电极最大允许电流ICM 3.极限参数极限参数的主要参数的主要参数ICM是BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过ICM时，管子性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。第21页/共63页(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=iCvCE 3.极限参数极限参数的主要参数的主要参数IC流经集电结时将产生热量使结温上升，从而引起晶体管参数的变化。在参数变化不超过允许值时集电极所消耗的功率称为PCM。因此PCM主要受结温T j制约。第22页/共63页(3)反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。V(BR)EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。V(B

10、R)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR)EBO 3.极限参数极限参数的主要参数的主要参数第23页/共63页 由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区end第24页/共63页第25页/共63页3.2 共射极放大电路共射极放大电路 电路组成电路组成 简化电路及习惯画法简化电路及习惯画法 简单工作原理简单工作原理 放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 直流通路和交流通路直流通路和交流通路第26页/共63页3.2 共射极放大电路共射极放大电路1.

11、电路组成第27页/共63页3.2 共射极放大电路共射极放大电路1.电路组成输入回路（基极回路）输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）输出回路（集电极回路）第28页/共63页2.简化电路及习惯画法习惯画法 共射极基本放大电路3.2 共射极放大电路第29页/共63页3.简单工作原理Vi=0Vi=Vsin t3.2 共射极放大电路第30页/共63页4.放大电路的放大电路的静态和动态静态和动态 静态：静态：输入信号为零（输入信号为零（v vi i=0=0 或或 i ii i=0=0）时，）时，放大电路的工作状态，也称放大电路的工作状态，也称直流工作状态直流工作状态。动态：动态：输入信号不为零时，放

12、大电路的工作输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称状态，也称交流工作状态交流工作状态。电路处于静态时，三极管各电极的电压、电电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点静态工作点，常称为常称为Q点。一般用点。一般用IB、IC、和、和VCE（或（或IBQ、ICQ、和、和VCEQ ）表示。）表示。3.2 共射极放大电路第31页/共63页3.2 共射极放大电路5.直流通路和交流通路直流通路和交流通路 直流通路 共射极放大电路画直流通路的原则：将信号源中的电动势短路，将所有电容开路。直流通路：只研究放大电路中的直流分量的电路。第32页

13、/共63页3.2 共射极放大电路5.直流通路和交流通路直流通路和交流通路交流通路 共射极放大电路画交流通路的原则：将放大电路中直流电源的电动势和所有电容短路。交流通路：只研究放大电路中的交流分量时的电路。第33页/共63页 耦合电容：通交流、隔直流耦合电容：通交流、隔直流 直流电源：内阻为零 直流电源和耦合电容对交流相当于短路直流电源和耦合电容对交流相当于短路end3.2 共射极放大电路5.直流通路和交流通路直流通路和交流通路注意事项：第34页/共63页3.3 图解分析法图解分析法 用近似估算法求静态工作点用近似估算法求静态工作点 用图解分析法确定静态工作点用图解分析法确定静态工作点 交流通路

14、及交流负载线交流通路及交流负载线 输入交流信号时的图解分析输入交流信号时的图解分析 BJT的三个工作区的三个工作区 输出功率和功率三角形输出功率和功率三角形 静态工作情况分析静态工作情况分析 动态工作情况分析动态工作情况分析 第35页/共63页 共射极放大电路 静态工作情况分析静态工作情况分析1.用近似估算法求静态工作点根据直流通路可知：采用该方法，必须已知三极管的 值。一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。直流通路+-第36页/共63页 采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。共射极放大电路2.用图解分析法确定静态工作点 首先，画出直流通路直流通路IBVBE+-

15、ICVCE+-静态工作情况分析静态工作情况分析3.3 图解分析法第37页/共63页直流通路IBVBE+-ICVCE+-列输入回路方程：VBE=VCCIBRb 列输出回路方程（直流负载线）：VCE=VCCICRc 在输入特性曲线上，作出直线在输入特性曲线上，作出直线 VBE=VCCIBRb，两，两线的交点即是线的交点即是Q点，得到点，得到IBQ。在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。第38页/共63页 动态工作情况分析动态工作情况分析由交流通路得纯交流负载线：共射极放大电路交流通路icvce+-vce=-ic (Rc/R

16、L)因为交流负载线必过Q点，即 vce=vCE-VCEQ ic=iC-ICQ 同时，令R L=Rc/RL1.交流通路及交流负载线则交流负载线为vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)R L 即 iC=(-1/R L)vCE+(1/R L)VCEQ+ICQ3.3 图解分析法 过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/R L 直线，该直线即为交流负载线。RL=RL Rc，是交流负载电阻。交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。第39页/共63页3.3 图解分析法2.输入交流信号时的图解分析 动态工作情况分析动态工作情况分析 共射极放大电路第40页/共63页 通过图解分析，可得如下结论：1.1.vi

17、vBE iB iC vCE|-vo|2.2.vo与vi相位相反；3.3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；4.4.可以确定最大不失真输出幅度。3.3 图解分析法2.输入交流信号时的图解分析 动态工作情况分析动态工作情况分析第41页/共63页图解分析图解分析3.3 图解分析法第42页/共63页 动态工作情况分析动态工作情况分析3.BJT的三个工作区3.3 图解分析法当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点：iC不再随iB的增加而线性增加，即此时截止区特点：iB=0，iC=ICEOvCE=VCES ，典型值为0.3V第43页/共63页非线性失真非线性失真第44页/共63页波形波形

18、的失真的失真饱和失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。动态工作情况分析动态工作情况分析3.BJT的三个工作区3.3 图解分析法第45页/共63页 放大电路放大电路的动态范围的动态范围 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：工作点工作点Q要设置在要设置在输出特性曲线放大区输出特性曲线放大区的中间部位；的中间部位；动态工作情况分析动态工作情况分析3.B

19、JT的三个工作区3.3 图解分析法 要有合适的交流负载线要有合适的交流负载线。第46页/共63页 4.输出功率和功率三角形 要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。功率三角形放大电路向电阻性负载提供的输出功率 在输出特性曲线上，正好是三角形 ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。动态工作情况分析动态工作情况分析3.3 图解分析法第47页/共63页 共射极放大电路 放大电路如图所示。已知BJT的=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区

20、域？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）（2）当Rb=100k时，静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：所以BJT工作在饱和区。VCE不可能为负值，此时，Q（120uA，6mA，0V），例题例题end第48页/共63页3.4 小信号模型分析法小信号模型分析法的小信号建模的小信号建模共射极放大电路的小信号模型分析共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出参数的引出 H参数小信号模型参数小信号模型 模型的简化模型的简化 H参数的确定参数的确定（意义、思路）（意义、思路）利用直流通路求利用直流通路求Q点点 画小信号等效电路画小信

21、号等效电路 求放大电路动态指标求放大电路动态指标第49页/共63页建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。的电路当作线性电路来处理。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理

22、，从而简化放大电路的建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。分析和设计。的小信号建模的小信号建模第50页/共63页1.H参数的引出参数的引出在小信号情况下，对上两式取全微分得用小信号交流分量表示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce3.4.1 BJT的小信号建模 对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以写成：vBEvCEiBcebiCBJT双口网络第51页/共63页3.4.1 BJT的小信号建模输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流

23、传输比或电流放大系数；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的输出电导。其中：其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H H参数）。1.H参数的引出参数的引出vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce第52页/共63页3.4.1 BJT的小信号建模2.H参数小信号模型参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型hfeibicvceibvbehrevcehiehoevbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络 H H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H H参数与工作点有关，在放大区基本不变

24、。H H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。第53页/共63页3.4.1 BJT的小信号建模3.模型的简化模型的简化hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即 rbe=hie =hfe uT=hre rce=1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为 ibicvceibvbeuT vcerberce uT很小，一般为10-3 10-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路 ib 是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。第54页/共63页3.4.1 BJT的小信号建模4.H参数的确定参数的确定 一般用测试仪测出；一般用测试仪测出；rbe

25、与与Q点有关，可用图点有关，可用图示仪测出。示仪测出。一般也用公式估算 rbe rbe=rb+(1+)re其中对于低频小功率管 rb200 则 而 (T=300K)第55页/共63页用用H参数小信号模型分析共参数小信号模型分析共 射极基本放大电路射极基本放大电路 共射极放大电路1.利用直流通路求利用直流通路求Q点点一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。第56页/共63页2.画出小信号等效电路画出小信号等效电路RbviRbRbviRc 3.4.2 小信号模型分析共射极放大电路icvce+-交流通路RbviRcRLH参数小信号等效电路画小信号等效电路（微变等效电路）的方法：先画出放

26、大电路的交流通路（将直流电源的电动势和所有电容短路），再将交流通路中的BJT用小信号模型代替。第57页/共63页3.求电压增益求电压增益根据RbviRcRL则电压增益为 3.4.2 小信号模型分析（可作为公式）第58页/共63页4.求输入电阻求输入电阻 3.4.2 小信号模型分析RbRcRLRi5.求输出电阻求输出电阻RbRcRLRo令Ro=Rc 所以第59页/共63页 1.电路如图所示。电路如图所示。试画出试画出其小信号等效模型电路。其小信号等效模型电路。解：解：例题例题第60页/共63页例题例题 解：解：（1）（2）2.放大电路如图所示。试求：（1）Q点；（2）、。已知=50。第61页/共63页end小结小结放大电路的分析方法：1)用图解法定出静态工作点2)当输入电压幅度较小或BJT基本上在线性范围内工作时，特别是放大电路比较复杂时，可用小信号模型来分析。3)当输入电压幅度较大，BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分时，需要用图解法，此外，如果要求分析放大电路输出电压的最大幅值是多少，或者要求合理安排电路工作点和参数以便得到最大的动态范围等，用图解法较直观、方便。第62页/共63页感谢您的观看。第63页/共63页