半导体三极管及放大电路.ppt

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1、半导体三极管及放大半导体三极管及放大电路电路2.NPN 型晶体管三极管由两个PN结构成：集电结和发射结。箭头的方向从 PN。发射极：发射载流子；基极：控制和传输载流子；集电极：收集载流子。C（集电极）B(基极）E（发射极）NNPBCE基区是P型半导体，尺寸很薄，搀杂浓度很低。发射区和集电区是N型半导体，集电区的面积比发射区要大，发射区的搀杂浓度比集电区要高。23 PNP 型半导体PNP型半导体也具有两个PN结，其结构特点与NPN型半导体相似。EBCPPNC（集电极）B(基极）E（发射极）34-1-2 BJT的电流分配与放大作用1.BJT 内部载流子的传输过程 对于NPN管要使三极管具有放大作用

2、，必须发射区发射电子，集电区收集电子。三极管实现放大的外部条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。41、发射区向基区注入电子发射结正向偏置多子扩散，发射区的多子（电子）向基区扩散，形成电子电流InE。基区的多子（空穴）向发射区扩散，形成空穴电流IpE。IpE基区的搀杂浓度远远小于发射区，InE IpE空穴电流IPE忽略不计。IE=InE+IpEInE电流的实际方向从E流出InE52、电子在基区中的扩散与复合发射区向基区注入的电子，在基区内成为非平衡少子，靠近发射结的地方，电子浓度最高，形成由浓度梯度产生的扩散运动。电子在向集电结扩散过程中与基区中的空穴发生复合，形成基极复合的电流为IB，。

3、基区搀杂少而且很薄，电流IB，很小，大部分电子都可以到达集电结边缘。63、集电区收集扩散过来的电子从发射区注入的电子在基区中为少子。集电结反向偏置，有利于少子的漂移运动。电子扩散到集电结时，很快漂移过集电结，被集电区收集，形成集电极电流 InC 集电结反偏，本征激发产生的少子（基区的电子和集电区的空穴）形成反向漂移电流，称为集电极基极间的反向饱和电流ICBO，大小取决于少子的浓度，受温度影响很大。I IB B，I InEnEInCICBO7集电极电流：IC=ICBO+InC基极电流：IB=IB，-ICBO发射极电流：I IE E=InC+IB，=(IC-ICBO)+(IBICBO)=I=IC

4、C+I+IB B三极管各极电流的代数和为0，满足基尔荷夫电流定律。ICBOInCIB，InE三极管各极的电流：82.电流分配关系定义：共基极电流放大系数共射极电流放大系数9、的关系发射结正偏，集电结反偏，iE与VBE的关系1 典型值为几十几百10外部条件发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度要薄。三极管具有放大作用必须具备如下条件：3.放大作用VCVBVEB BC CE ENPNNPNB BC CE EPNPPNPVCVBVE11vI的变化vBE的变化iE的变化iC的变化vO的变化共基极放大电路动态放大过程：iC=IC+iCiB=IB+iB

5、iE=IE+iE vI=0静态静态时，电路中各电压、电流均为直流量vO=VO+vORLVEEVCCvIVEEVCCVORLIEICIB12例：=0.98,RL=1K,vI=20mV,设由于vI引起的iE=1mA,iC=iE=0.98mAvO=RLiC=0.98VAv=vO/vI=49共基极联结:有电压放大能力，vO、vI同相。输入电流是iE，输出电流iC，无电流放大能力。RLVEEVCCvI13根据输入、输出信号在外端结的连接方式不同，三极管放大电路有三种组态：共基极共发射极共集电极输入端输出端公共端共基极ecb共发射极bce共集电极bec判别三种组态的方法主要看输入、输出信号端连接在哪个电极

6、。144.共射极连接方式iB=IB+iBiE=IE+iEiC=IC+iCvO=VO+vO共射极电路能放大电压能放大电压，输出电压与输入电压反相。共射极电路输入电流是iB，输出电流iC，能放大电流能放大电流，电流放大倍数为。例：=0.98,RL=1K,vI=20mV,设由于vI引起的iB=20A,iC=iB=/(1-)iB=49 iB=0.98mAiE=iB+iC=1mAvO=RLiC=0.98VAV=vO/vI=49RLTVCCVBBvBEvO154-1-3 BJT 的特性曲线1、共射极电路的特性曲线 vCE=0,输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。0vCE1V,输入特性基本不变。集电极已

7、反偏，已具有足够收集电子的能力。(1)输入特性vBEvCEiCiB16vBC=0(2)输出特性 放大区饱和区截止区（A）放大区处于放大区的条件发射结正偏，集电结反偏。NPN：vBE0 vBC0 （硅管vBE0.7V）,特点：iC=iB+ICEOiB 在放大区内，iC受iB控制。iB不变，iC受vCE的影响很小，呈现很好的恒流特性。因为基区宽度调制效应，iC随vCE增加有微小增加。vBEvCEiCiB击穿区17（B）截止区发射结反偏，集电结反偏。NPN：vBE 0,vBC 0 （vBE0 vBC0 （硅管vBE0.7V）特点：iC随vCE的增加而迅速增加。iCiB，iC不受iB控制。vCE很小，

8、称饱和压降饱和压降VCES硅管：VCES 0.3v锗管：VCES 0.1v(D)击穿区vCE 足够大时，集电结发生反向击穿，iC迅速增大。18NPN PNP三极管的比较NPN PNP 特 点放大区VCVBVEVBE为结电压VCVBVEVBE为结电压 发射结正偏，集电结反偏iC=iE=iB截止区VBVCVB VCVBVE发射结反偏集电结反偏iC iE iB 0饱和区VBVE VBVCVBE为结电压VCE 为饱和压降VBVE VBVCVBE为结电压VCE 为饱和压降发射结正偏集电结正偏iC iB饱和压降硅管：|VCES|0.3V锗管：|VCES|0.1V导通时结电压硅管：|VBE|0.7V锗管：|

9、VBE|0.2V19例:已知NPN型硅三极管各极的电位如下，试判断下列管子的工作状态。VC 6V 6.3V 6V VB 0.7V 6.7V -0.1V VE 0V 6V 0V状 态放大饱和截止例：在一正常放大电路中，测得三极管的三个电极的电压分别如下图，试判断管子的类型和电极的名称。BCEBCEBCEPNP锗NPN硅PNP硅-7V-2V-2.2V-0.7V0V5V-1.3V-2V-10V206v3-1-4 BJT 的主要参数1.电流放大系数 Q21集电极-基极反向饱和电流ICBO小功率锗管，ICBO 约10A，硅管ICBO小于 1A。2 极间反向电流集电极-发射极的反向饱和电流ICEO 也称穿

10、透电流。ICEO=(1+)ICBO 锗管：十几百微安 硅管：几微安vCCICBOvCCICEO极间反向电流大小取决于少数载流子 的浓度,与温度密切相关。223 极限参数 集电极最大允许电流ICM 一般指 下降到最大值的0.5 时的电流值。IC超过ICM时，值大大下降。集电极最大允许功耗PCM 集电极功率损耗PC=ICVCE 当PCPCM 时，集电极过热会烧毁。反向击穿电压 晶体管的两个PN结，在反向电压超过规定值时，会发生电击穿现象。23V(BR)EBO V(BR)CEO V(BR)CER IB VBVBE一般可取：IRB1=（510）IB VB=（35）V（硅管）4-5-2 射极偏置电路RL

11、TRCCb1RB1VCCCb2RSRB2RE58交流通路（RB=RB1/RB2）(3)动态分析RLTRCCb1RB1VCCCb2RSRB2RE(2)静态分析RERLTRBRCRSrbeRBRSBECRERLRC小信号模型59rbeRBRSBECRERLRC1、电压增益RE使增益下降。增加射极旁路电容后CERLTRCCb1RB1VCCCb2RSRB2RE602、输入电阻RiRi射极加旁路电容Ri=RB1/RB2/rbeRE使输入电阻增加。rbeRBRSBECRERLRC射极电阻RE等效到基极回路增加(1+)倍。61不考虑rce的影响输入 回路方程İbrbe+İb(1+)RE+İbRS，=0 İb

12、=0 受控电流源开路3、输出电阻RoRorbeRBRSBERERCRSC考虑rce的影响rceRo=Ro=RC62(rceRE)RE使三极管集电极对地的输出电阻 Ro大大增加射极加旁路电容后 Ro=rce63例：在下图所示电路中，VCC=12V，RS=600，RB2=33K，RB1=10K RC=3.3K，RE1=200，RE2=1.3K,RL=5.1K 1、求静态工作点解:1、求静态工作点VB=VCCRB2/(RB1+RB2)=2.79V CERLTRCCb1RB1VCCCb2RSRB2RE1RE2IE=(VB-VBE)/(RE1+RE2)VBE=0.7v IE=1.46mAVCE=VCC-

13、(RE1+RE2+RC)IE =5V64RB=RB1/RB2rbeRBRSBECRE1RLRCRo=3.3Krbe=1.1KRo=RC65RLTRBRERS3-6 共集电极电路和共基极电路 3-6-1 共集电极电路（射极跟随器）结构特点：负载接在发射极上，输入、输出公共集电极，输入回路包含了电路的输出电压。RLTRECb1RBVCCCb2RS交流通路661、静态分析2、动态分析输出电压与输入电压同相，且近似相等。RLTRECb1RBVCCCb2RSErbeRBRSBCRERL672)求Ri共集电路的输入电阻比共射电路大大增加射极电阻RL等效到基极回路增加（1+）倍ErbeRBRSBCRERL6

14、8共集电路的输出电阻很小基极回路电阻等效到射极回路，减少为（1+）分之一3)求RoRs=Rs/RBErbeRBRSBCRE69共集电极电路的性能特点：放大倍数近似为1，但小于1，输出电压与输入电压同相。（输出电压总是跟随输入电压的变化而变化）。输入电阻较大。输出电阻很小。共集电极电路一般用于多级放大器的输入级，中间缓冲级和输出级。704-6-2 共基极电路RCReTRb1VCCRb2ICIB1、静态分析CBCb2RSRLCb1RcRb1Rb2VCCReRL=RL/RCRSRLRe712、动态分析 RiRi基极回路电阻等效到射极回路，减少为（1+）分之一输出电压与输入电压同相RL=RL/RCRS

15、RLReRSRLRebecrbe72RcRSRebecrbe共基极电路的特点:输出电压与输入电压同相，有电压放大作用。电流放大倍数近似为1。输入电阻小。RoRo共基极电路频率特性好，多在宽带放大器中应用。734.7 组合放大电路组合放大电路4.7.1 共射共射-共基放大电路共基放大电路4.7.2 共集共集-共集放大电路共集放大电路744.7.1 共射共射-共基放大电路共基放大电路共射共基放大电路共射共基放大电路754.7.1 共射共射-共基放大电路共基放大电路其中其中 所以所以 因为因为因此因此 组合放大电路总的电压增益等于组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益组成它的各

16、级单管放大电路电压增益的乘积。的乘积。前一级的输出电压是后一级的输前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻的负载电阻RL。电压增益电压增益764.7.1 共射共射-共基放大电路共基放大电路输入电阻输入电阻RiRb|rbe1Rb1|Rb2|rbe1 输出电阻输出电阻Ro Rc2 77T T1 1、T T2 2构成复合管，可等效为一个构成复合管，可等效为一个NPNNPN管管(a)(a)原理图原理图 (b)(b)交流通路交流通路4.7.2 共集共集-共集放大电路共集放大电路78复合管=1+2+12 12rbe=rbe1+（1+1）rbe2

17、pNNBCEBCEpNpPpNNNNBCET1T2BCEpNppNpT1T2 同种类型的管子复合79不同类型的管子复合 不同类型的管子复合，复合后的类型取决于第一管的管型，且管脚一致。12 rbe=rbe1pNNBCEBCEpNppPpNNBCET1T2PpNNBCET2pNT1 管子的复合 必须具有合理的电流通路。两个管子 的发射结必须都正偏，集电结必须都反偏。80PNNT2PNT1N如下面的连接方式是错误的PPNNNT1T2P81 AV()幅频特性，增益的模与频率的关系。()相频特性，输出、输入的相位差与频率的关系。4-8 放大器的频率特性输入正弦信号时，放大器特性随频率变化的稳态响应。频

18、率特性分析方法频率特性分析方法求出放大器的传输函数，画出幅频与相频特性曲线。波特图：幅频曲线，水平轴采用频率对数坐标，垂直轴用增益的db值。相频曲线，水平轴采用频率对数坐标，垂直轴用相位的线性坐标。常用渐近线组成的折线近似绘制。常用渐近线组成的折线近似绘制。82阻容放大器的幅频特性截止频率：AV下降至AV(max)的0.707 倍(1/2)时对应的频率。fH-上限频率 fL-下限频率截止频率处所对应的 AV(db)值下降了3db。也称为半功率点半功率点.AV(db)fL 20db 40db 60db110 102103104105ffH3db幅频特性分为：中频段、低频段、高频段。高频段增益下降

19、的原因是：极间电容和接线电容的影响。低频段增益下降的原因是：耦合电容和旁路电容的影响。中频段：极间电容和接线电容可视为开路，耦合电容和旁路电容可视为短路。83频率失真频率失真（线性失真）产生原因：电路中存在电抗元件，其阻抗随频率变化，导致对不同频率信号分量有不同的增益和相移，使输出波形失真。特点:输出信号中不产生新的频率成分，输入单一频率的正弦信号，输出波形不失真。不产生失真的条件：增益与频率无关，幅频特性为常数。输出、输入相位差与频率成正比例。844-8-1 单时间常数RC电路的频率响应1、一阶RC低通电路的频率响应电压传输函数R1C1用一阶RC低通电路的频率特性来模拟放大器的高频响应。用一

20、阶RC高通电路的频率特性来模拟放大器的低频响应。85 ffH (f10fH)AV(db)=-20lg(f/fH)=-20lgf+20lgfH(高频渐近线)是一条以-20dB/十倍频下降的斜线，与0db线交于fH。f=fH称转折频率。f=fH AV(db)=-3dBfH即上截止频率。最大误差在f=fH处,误差值为3dB幅频特性-20db/十倍频-3dbf20lgAVH-20dbfH10fH102fH-40db0.1fH幅频特性由0db水平线和在截止频率处以-20db/十倍频下降的斜线组成。86用三段直线来描述:f0.1fH,H(f)0(低频渐近线)45/十倍频相频响应H=-arctg f/fH相

21、频特性由三段组成：0水平线、90水平线和斜率为45/十倍频的斜线。转折频率点在0.1 fH和10 fH。最大误差点在0.1 fH和10 fH处,误差值为5.7 f10fH,H(f)-90(高频渐近线)0.1fH f 10fH f=fH H(f)-45 用斜率45/十倍频的斜线近似表示。872、RC高通电路 的频率响应R2C2f20lgAVL-20dbfL0.1fL10fL10fLfL0.1fL4590L45/十倍频20db/十倍频884-8-2 单级放大器的高频响应1、BJT高频小信号建模（1）模型引出三极管高频小信号模型是根据三极管的物理特性，抽象而成的等效电路。频率高时，三极管极间电容不可

22、忽略。rcebbecrcebbce混合型高频小信号模型导致放大器高频段增益下降的原因是三极管的极间电容和接线电容。89基区体电阻rbb（50300欧）发射结参数rbe和cbe rbe 发射结动态电阻re折合到基极回路中的值。rb,e=(1+0)re re=26(mv)/IECbe 发射结电容，正偏时主要为扩散电容。(几十几百PF)集电结参数rbc和cbcrbc 集电结电阻，因集电结反偏，故rbc很大，(100K10M)Cbc 集电结电容，反偏时为势垒电容(210PF)rcebbce90受控电流源gmvb,e表示发射结电压对集电极电流的控制，与低频模型中的0Ib相对应。（0低频共射电流放大倍数）

23、gm称为跨导rcebbceebbcrce输出电阻表示输出电压对输出电流的影响。简化高频小信号模型91cebb(2)模型中参数的计算高频小信号模型的元件参数在很宽的频率范围内与频率无关。低频时该模型的元件参数，应与低频小信号模型的参数一致。Cbc由手册中查出rbebce92(3)BJT的频率参数共发射极截止频率共发射极截止频率f下降到0的0.707时所对应的频率cebb93当ff时:特征频率特征频率fT：当下降为1时所对应的频率fT94共基极截止频率共基极截止频率 f 下降到0的0.707时所对应的频率952 共射极放大电路的高频响应(1)密勒电容 RB，RL视为开路共射放大器简化交流通路：2Z

24、1图 1Z112Z2图2RLvsRCTRBvo96用密勒定理将Cbc等效到输入回路和输出回路。ebbcRcRsRsebbcRcCM很小，结电容的影响可忽略，但如果有较大负载电容，输出回路的时间常数必须考虑。97RsebbcRcRcRsebbcCRebcC利用戴维南定理将输入回路简化为一阶RC电路.98(2)高频响应与上限频率RebcC991、高频增益下降的主要原因是管子的极间电容。2、电路的高频响应取决于高频等效电路的时间常数。3、求高频截止频率的方法：画出三极管高频等效电路。利用密勒定理将跨接在输入与输出端的电容Cbc分别等效到输入回路和输出回路。将输入和输出回路分别化简为简单一阶RC电路。

25、分别求输入回路和输出回路的时间常数(1、2)。计算 fH1=1/(21)（结电容的作用）fH2=1/(22)（负载电容的作用）如果其中有一个低的多，则由此确定上限频率。如果相近，1/f2H1/f2H1+1/f2H24、共射放大电路由于密勒效应，使Cbc等效到输入回路的电容大大增加，导致高频截止频率较低。100提高高频截止频率的措施：选择fT高的管子,Cbc 、Cbe、rbb 都小。减小信号源内阻。减小负载电阻，（将使增益下降）一方面使密勒等效电容减小，提高输入回路的截止频率；另一方面，减小了输出电阻，提高输出回路的截止频率。减小分布电容和负载电容。101例:设共射放大器在室温下运行,其参数为:

26、RS=1K,rbb=100,Ic=1mA,0=100,fT=400MHZ,Cbc=0.5pF,Rc=5K 求低频源电压增益和上限频率。C=Cbe+(1+gmRc)Cbc =111.5pFR=(RS+rbb)/rbe =0.77KfH=1/(23.14RC)=1.58MHZRLvsRCTRBvoRs解：gm=IE/VT=1/26=0.038ms rbe=0/gm=100/0.038=2.6K Cbe=(gm/2fT)-Cbc=14.8pF CM=(1+gmRC)Cbc=96.7pF AVs=-0RC/(RS+rbe)=-133.5 102(3)增益带宽积(4)低频电压增益与通频带相乘的积称为增益

27、带宽积.RCAVO RCCM fH在BJT管确定后,共射放大电路增益带宽积基本上是一个常数.因此提高低频电压增益和增加频带宽度存在矛盾103(3)共基极电路的高频响应RLRSecbRSRLbecbRLb104共基放大电路的输入和输出之间没有反馈电容，所以不存在密勒效应。共基电路输入电阻很小，时间常数很小，输入截止频率很高。共基电路输出回路输出电阻较大，如果有负载电容，将制约上限频率。共基电路常用于到宽频带,低输入阻抗的场合。105串接放大器VB1=VCCRb21/(Rb11+Rb21)IC1=IC2=(VB1-0.7)/Re1VB2=VCCRb22/(Rb12+Rb22)VCE2=VCC-IC

28、Rc2-VB2+0.7VCE1=VB2-0.7-ICRe1直流通路T1Rc2Rb11VCCRb21Re1Rb22Rb12T2静态分析T1Ce1Rc2Cb1Rb11VCCCb2RSRb21Re1Rb22Rb12T2CB106(2)动态分析交流通路Rc2T1Rb1T2直接求增益Ri2T1Rb1107串接放大器特点:由共射放大电路和共基放大电路串联组成。整个电路增益与单级共射电路的电压增益相同。共射放大电路电压增益近似为-1,因而上限频率大大提高。共基放大电路具有电压放大作用,且上限频率很高.该电路适应于宽带放大。输入电阻由共射放大电路决定。1084-8-3 单级放大电路的低频响应频率较低时,耦合电

29、容，射极旁路电容的容抗增大，不能视为短路，对放大器低频增益产生影响。CeRLTRcCb1Rb1VCCCb2RSRb2Re设RbRiRb看作开路设Re XCeRe看作开路ReCeCb1RLTRbRSCb2Rc1、低频等效电路的简化109Xce折合到输入回路增大(1+)倍.Xce1=(1+)/CeCe1=Ce/(1+)Xce折合到输出回路,容抗值近似不变，Ce2=CeerbeRSbcRLRCCeCb1Cb2eRSbcRLCe1Cb1Cb2Ce2rbeRCRSbcRLC1Cb2rbeRC根据密勒定理的对偶定理，把Ce等效到输入输出回路。1102、低频响应RCRSbcRLC1Cb2rbe111如果两个

30、转折频率的比值在4倍以上，则较大的那个决定低频转折频率。Ce等效到输入回路减小到1/(1+)，通常：C1Cb2 Rs+rbefL2Ce是影响低频响应的主要因素。低频截止频率也由低频等效电路输入、输出回路的时间常数决定。1123-8-4 多级放大器的频率响应1、放大器的级间耦合方式阻容耦合方式优点:各级静态工作点相互独立,设计调节容易，由于工作点不稳而引起的每级漂移不会逐级放大和传输。电路简单，体积小，重量轻。缺点:耦合电容割断直流，不能放大直流信号和频率较低的信号。耦合电容容量大，不易集成。A1A2CR113变压器耦合优点:各级的静态工作点相互独立。可进行阻抗变换，使后级或负载上得到最大功率。

31、缺点：变压器体积大，无法采用集中工艺。低频和高频段频率特性不太好。A1A2直接耦合优点：电路中没有大电容和变压器，易于集成。能放大交流信号，同时也能放大直流和变化缓慢的信号。缺点：各级工作点相互影响，因此必须合理解决级间电平配置问题。产生零点漂移。A1A2114多级放大器的输入电阻为第一级的输入电阻。多级放大器的输出电阻为最后一级的输出电阻。多级放大器的电压增益：计算每级增益和输入输出电阻时，要考虑前后级影响。2、多级放大器的分析115计算多级放大器的电压增益有两种方法：法一：计算前级时，后级的输入电阻作为前级的负载电阻，求带负载的增益。RLRo2Ri2Ro1RsRi1法二：对前级只求开路增益

32、，然后将前级视为后级的信号源，前级输出电阻为后级信号源内阻，对后级求源增益。116静态分析:rbe1=200+(1+1)VT/IE1=2800=2.8Krbe2=200+(1+2)VT/IE2=1067=1.1K例：1=2=100，电容足够大，求静态工作点及电压增益，输入、输出电阻。33K7.5KT1RC1Cb1RB1VCCRB2RE1T2RE2RLCb25.1K3.3K15K2K15VT1共射放大，T2共集放大VB1=VCC RB2/(RB1+RB2)=2.78VIE1=(VB1-0.7)/RE1=1mAVCE1=VCC-IC1(RC1+RE1)=8VVB2=VCC-IC1RC1=10VIE2=(VB2-0.7)/RE2=3mAVCE2=VCC-RE2IE2=5V117动态分析T1Rc1RBT2RLRB=RB1/RB2RL=RE/RLT1Rc1RBRi2T2RL118输入电阻等于第一级输入电阻RoRc1T1RBT2RET2RERo1RoT1Rc1RBRi2输出电阻等于最后一级输出电阻1193、多级放大器的频率特性多级放大器总的通频带一般比每级的通频带窄。放大器的级数越多，则通频带越窄。多级放大器的频率特性曲线只要在波特图上将各单级放大器的幅频特性和相频特性在纵坐标上相加即可。120