半导体三极管及其放大电路.ppt

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1、第3章 晶体三极管及其放大电路12/7/2022基本要求基本要求1）熟悉晶体三极管结构、工作原理及特性曲线；2）掌握基本放大电路的静态和动态分析，即静态工作点和交流性能参数（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻）的计算；多级放大电路的分析和计算；3）了解放大电路的频率特性等。12/7/20223.1 晶体三极管晶体三极管 3.1.1 晶体三极管的分类及结构晶体三极管的分类及结构 晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。采用光刻、扩散等工艺在同一块半导体硅(锗)片上掺杂形成三个区、两个PN结，并引出三个电极。由两个N区夹一个P区结构的三极管称为NPN型晶体管；由两个P区夹一个N区结构

2、的三极管称为PNP型晶体管。图3-1 常用三极管的外形及管脚排列12/7/2022图图3-2 三极管的结构示意图及其符号三极管的结构示意图及其符号 12/7/2022 三极管都有三个区：基区、集电区和发射区；两个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度很低且很薄，符号中的箭头方向是表示发射极电流的实际流向。12/7/2022三极管的工作原理三极管的工作原理 1.三极管放大交流信号的外部条件 要使三极管正常放大交流，要求：发射结外加

3、正向电压（正偏），集电结外加反向电压（反偏），对于NPN管，；对于PNP管，。为此，利用两个电源、来实现正确偏置，如图3-3所示。12/7/20222.晶体管内部载流子运动过程晶体管内部载流子运动过程 发射区的电子向基区运动 如图3-3所示。由于发射结外加正向电压，多子的扩散运动增强，所以发射区的多子自由电子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流 （电流的方向与电子运动方向相反）。同时电源向发射区补充电子，形成电流 。而此时基区的多子空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流 。但由于基区掺杂浓度低，空穴浓度小，很小，可忽略不计，故基本上等于发射极电流。发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合 当

4、发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，并且由于基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时，电源 不断向基区补充空穴，形成基区复合电流 。由于基区掺杂浓度低且薄，故复合的电子很少，亦即很小。ENI12/7/2022 集电区收集发射区扩散过来的电子 由于集电结加反向电压，有利于少子的漂移运动，所以基区中扩散到集电结边缘的电子少子，在电场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流 。同时，集电区少子空穴和基区本身的少子电子，也要向对方做漂移运动，形成反向饱和电流 。的数值很小，一般可忽略。但由于 是由少子形成的电流，称为集电结反向饱和电流反

5、向饱和电流，方向与 一致，该电流与外加电压关系不大，但受温度影响很大，易使管子工作不稳定，所以在制造管子时应设法减少 。12/7/20223.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系(3-4)(3-3)(3-2)(3-1)12/7/2022三极管的组态三极管的组态 三极管有三个电极，可视为一个二端口网络，其中两个电极构成输入端口、两个电极构成输出端口，输入、输出端口公用某一个电极。根据公共电极的不同，三极管组成的放大电路有3种连接方式，通常称为放大电路的三种组态，即共基极、共发射极和共集电极电路组态，如图3-4所示。12/7/20223.1.3 三极管的放大作用三极管的放大作用 在实际应用中利

6、用三极管放大电路放大微弱信号，其原理电路如图3-5a所示，实际电路中常取，于是有图3-5b所示习惯画法的共射极放大电路图。12/7/2022放大的原理放大的原理12/7/2022放大的实质放大的实质 放大电路实质上是放大器件的控制作用，三极管就是一个电流控制电流器件，由微弱的基极电流，控制较大的集电极电流，放大作用是针对变化量而言的，放大的能量是由直流电源供给。12/7/20223.1.4 三极管的特性曲线及主要参数三极管的特性曲线及主要参数 3.1.4.1 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 晶体三极管的特性曲线是指其各电极间电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线，它们是三极

7、管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。1.输入特性曲线 对于图3-6所示测试电路，输入特性曲线是指在集射极电压为一定值时，输入基极电流与输入基射极电压之间的关系曲线(3-21)12/7/2022饱饱和和区区截止区截止区过过功功耗耗区区放大区放大区12/7/2022输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域12/7/20223.1.4.2 三极管的主要参数三极管的主要参数 1电流放大倍数 1）直流电流放大系数 2）交流电流放大系数2极间反向电流 1）集电极基极之间的反向饱和电流 2）集电极发射极之间的穿透电流 3集电极最大允许电流4集电极发射极之间反向击穿电压5集电极最大允许功率损耗

8、 12/7/20223.2 三极管放大电路的基本分析方法三极管放大电路的基本分析方法 三极管构成的放大电路也有三种组态：共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，如图3-11所示。基极输入集电基极输入集电极输出极输出基极输入发射基极输入发射电极输出电极输出发射极输入集发射极输入集电极输出电极输出12/7/20223.2.2 共发射极放大电路的组成共发射极放大电路的组成 12/7/2022电路与波形电路与波形12/7/20222各元器件的作用各元器件的作用 12/7/202212/7/20223.基本放大电路中电压和电流的表示方法 12/7/20223.2.3 共发射极放大电路的分析共

9、发射极放大电路的分析 三极管放大电路的分析包括静态(直流)分析和动态(交流)分析，其分析方法有图解法和微变等效分析法。图解法主要用于大信号放大器分析，微变等效分析法用于低频小信号放大器的动态分析。12/7/20223.2.3.1 图解法图解法 1.直流通路和交流通路直流通路和交流通路 当 时，放大电路处于静态，直流电路流经的通路称为放大电路的直流通路直流通路。通过直流通路为放大电路提供直流直流偏置偏置，建立合适的静态工作点静态工作点。画直流通路时应令交流信号源为零(交流电压源短路，交流电流源开路)，保留其内阻；相关电容器开路，电感短路。当 时，放大电路处于动态工作状态，交流电流流经的通路称为放

10、大器的交流通路交流通路。画交流通路时，令直流电源为零(直流电压源短路，直流电流源开路)，保留其内阻；令电抗很小的大容量电容和小电感短路；令电抗很大的小容量电容和大电感开路；保留电抗不可忽略的电容或电感。12/7/20222静态分析静态分析 在 时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态静态，对直流通路的分析称为静态分析静态分析。用作图的方法求得Q点的值。其步骤如下：1）给定晶体三极管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在输入特性上作出这条直线。根据图3-14b由KVL得 则 12/7/2022 2）由直流通路得到直流负载线IC f（UCE），并在晶

11、体管的输出特性上作出这条直线。根据图3-14b由KVL得(3-25)12/7/202212/7/202212/7/20222动态分析动态分析 在的情况下对放大电路进行分析，称为放大电路的动态分析动态分析。1）交流通路及交流负载线 12/7/2022输出回路的瞬时电压为 式中 12/7/202212/7/202212/7/202212/7/2022晶体三极管各极间的电压和电流均为直流和交流的分量 电压放大倍数的计算：电压放大倍数的计算：放大电路的电压放大倍数等于输出电压相量与输入电压相量的比值。12/7/20224)非线性失真非线性失真 12/7/20224)非线性失真非线性失真12/7/202

12、2双向失真双向失真 当静态工作点合适但输入信号幅度过大时，在输入信号的正半周三极管会进入饱和区；而在负半周，三极管进入截止区，于是在输入信号的一个周期内，输出波形正负半周都被切削，输出电压波形近似梯形波，这种情况为双向失真。为了消除双向失真，应减小输入信号的幅度。12/7/202212/7/20223.2.3.2 微变等效电路法微变等效电路法 三极管是一个非线性器件，由三极管组成的放大电路属于非线性电路，不能简单地直接采用线性电路的分析方法进行分析。由图3-18可见，当输入交流信号时，工作点在 之间移动，若该信号为低频小信号，则 将在三极管特性曲线的线性范围内移动，因此可将三极管视为一个线性二

13、端口网络，并采用线性网络的H参数表示三极管输入、输出电流和电压的关系，从而把包含三极管的非线性电路变成线性电路，然后采用线性电路的分析方法分析三极管放大电路。这种方法称为H参数等效电路分析法，又称为微变等效电路分析法。12/7/2022微变等效电路法的分析步骤 1）认识电路。包括电路中各元器件的作用、放大器的组态和直流偏置电路等，这是电子线路读图的基础；2）正确画出放大器的交流、直流通路图；3）在直流通路的基础上，求静态工作点；4)在交流通路图的基础上，画出小信号等效（如H参数）电路图；5）根据定义计算电路的动态性能参数，其中关键关键在于在于用电路中的已知量表示待求量用电路中的已知量表示待求量

14、。12/7/20221估算法计算静态值估算法计算静态值 时，放大电路只有直流电源作用，电容相当于开路，放大电路的这种状态称为静态，对应的电路称为直流通路直流通路，对直流通路的分析称为静态分析静态分析。由图3-20b的直流通路可得 12/7/20222动态分析动态分析 12/7/2022H参数及其物理意义参数及其物理意义(3-30)对上述方程取全微分得 由三极管输入输出参数得由三极管输入输出参数得(3-31)在输入信号为低频小信号的情况下，可以用交流分量代替相应的电流和电压增量，则式(3-31)可改写为(3-32)12/7/2022为晶体管输出端交流短路时晶体管的输入电阻，单位为欧姆（为晶体管输

15、出端交流短路时晶体管的输入电阻，单位为欧姆（）为晶体管输入端交流开路时反向电压传输比为晶体管输入端交流开路时反向电压传输比，无量纲，无量纲 为晶体管输出端交流短路时电流放大系数，无量纲为晶体管输出端交流短路时电流放大系数，无量纲 为晶体管输入端交流开路时的输出导纳，其单位为西门子（为晶体管输入端交流开路时的输出导纳，其单位为西门子（S）12/7/2022式（3-32）方程组也可写成矩阵形式(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)12/7/20222.放大电路的微变等效电路 在画放大电路的微变等效电路时，首先令图3-20a所示放大电路中的耦合电容、交流旁路电容交流短路，令其直流电压源交流

16、接地，得到如图3-22a所示放大器的交流通路，然后将三极管用图3-21c所示的H参数等效电路来代替三极管符号，即可得到如图3-22b所示放大电路的微变等效电路。由于被放大的交流输入信号ui为正弦量，若已选择了合适的静态工作点，则三极管工作在线性区域，各电极交流电压和电流均为同频率的正弦信号，且用相量表示。12/7/202212/7/20223放大电路动态性能参数的计算放大电路动态性能参数的计算 (3-37)输入电压为 电压放大倍数为(3-38)12/7/2022（2）输入电阻Ri和输出电阻Ro 在图3-22b所示的电路中，放大电路相对于信号源而言相当于负载，可用电阻Ri代替，即放大电路的输入电

17、阻。放大电路相对于负载而言相当于信号源，可用戴维南(或若顿)定理等效为电压源和内阻串联(或电流源和内阻并联)的形式，其内阻即为放大电路的输出电阻。由图3-22b可知 放大器的输入电阻为 12/7/2022放大器输出电阻放大器输出电阻 (3-40)对于一个放大电路来说，输入电阻越大越好，输出电阻小低越好。12/7/20223.3 放大电路静态工作点的稳定放大电路静态工作点的稳定 3.3.1 温度对放大电路静态工作点温度对放大电路静态工作点的影响的影响 固定偏置放大电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。对于图3-14a所示的共发射极放大电路，电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。但由于

18、 ，当电源电压 和偏置电阻 确定后，基极电流 就为某一常数。当环境温度变化、电源电压波动或组件参数变化时，静态工作点将不稳定，尤其是温度变化引起Q点漂移。12/7/202212/7/20223.3.2 分压偏置式共发射极放大电路分压偏置式共发射极放大电路 1.各元件的作用12/7/2022稳定稳定静态工作点静态工作点的原理的原理TbCBOICQIEEQRI)(EEQBQBEQRIUU-=BQICQIT+_+_b1Rb2RI1I2BQIBEQUBQUCCU+CEQUEQICQICReR12/7/2022基极电位为（3-41）工程应用中各电极电流和电压的选择如下（3-42）2.静态工作点的估算静态

19、工作点的估算12/7/2022由直流通路可知，(3-43)12/7/2022根据三极管电流分配原理，可得基极电流为(3-44)集射极电压为(3-45)由式(3-42)、(3-43)、(3-44)及(3-45)可估算放大电路的静态工作点。12/7/20223动态参数的计算 1）电压放大倍数(3-46)12/7/20222）输入电阻、输出电阻 由KCL得 于是(3-48)12/7/2022旁路电容Ce的影响 如果将图3-24a的电容去掉，其直流通路没有变化，其交流通路和微变等效电路如图3-26所示。电路的电压放大倍数为(3-49)12/7/2022由图3-26b 可得无旁路电容时分压偏置放大电路得

20、输入电阻为(3-50)12/7/2022应用示例应用示例解：1)选择电路方案。由于本例需要设计一个简易光控开关，因此选用例3-11图所示共发射极放大电路。其中图a为驱动一只LED(或其他小灯泡)；图b为驱动一个继电器(开关)，由继电器的触点的接通与否去控制其他负载，图中二极管D的作用是当三极管T从饱和到截止状态时，吸收继电器线圈的反峰压，从而保护三极管不被击穿。12/7/202212/7/202212/7/202212/7/2022BJT应用电路例112/7/2022BJT应用电路例212/7/2022BJT应用电路例312/7/20223.4 共集电极放大电路及共基极放大电路共集电极放大电路

21、及共基极放大电路 3.4.1 共集电极放大电路共集电极放大电路 共集电极放大电路如图3-27所示，由于输出取自集电极，故也称射级输出器。由其交流通路来看，从基极输入发射极输出，输入输出公用集电极，故称为共集电极放大电路。12/7/20221静态分析 由图3-27b可得 由于(3-51)(3-52)(3-53)由上述三式确定放大电路的静态工作点。12/7/20222动态分析（1）电压放大倍数）电压放大倍数（RLRe/RL）12/7/2022输入电压为 电压放大倍数为(3-54)（2）输入电阻）输入电阻(3-55)12/7/2022（3）输出电阻 其中其中 共集电极放大电路的输出电阻为 12/7/

22、2022(3-56)12/7/2022提高输入电阻和降低输出电阻方法 12/7/20223.4.2 共基极放大电路共基极放大电路 共基极放大电路如图3-30a所示，其输入信号由发射极输入，输出电压取自集电极。由图3-31a所示交流流通路可见，输入回路和输出回路共享基极，故称为共基极放大电路共基极放大电路。1静态分析静态分析 12/7/20222动态分析动态分析 共基极放大电路的微变等效电路如图3-31b所示。（1）电压放大倍数）电压放大倍数 (3-57)12/7/2022（2）输入电阻）输入电阻 (3-58)共基极放大电路的输入电阻很小（3）输出电阻）输出电阻 (3-59)总之共基极放大电路的

23、电压放大倍数较高，输入电阻低，输出电阻高，主要用与高频电路和恒流源电路。12/7/20223.5 多级放大电路多级放大电路 1多级放大电路的组成多级放大电路的组成 12/7/20223.5.1 多级放大电路的级间耦合多级放大电路的级间耦合 2多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式 在多级放大电路中，将把级与级之间的连接方式称为耦合方式。而级与级之间耦合时，必须满足：（1）耦合后，各级电路仍具有合适的静态工作点；（2）保证信号在级与级之间能够顺利地传输；（3）耦合后，多级放大电路的性能指标必须满足实际的要求。为了满足上述要求,一般常用的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。12/7/

24、20221）阻容耦合）阻容耦合 12/7/2022阻容耦合放大电路的特点：阻容耦合放大电路的特点：(1)因电容具有“隔直”作用，所以各级电路的静态工作点相互独立，互不影响。这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。此外，还具有体积小、重量轻等优点。(2)因电容对交流信号具有一定的容抗，在信号传输过程中，会受到一定的衰减。尤其对于变化缓慢的信号容抗很大，不便于传输。此外，在集成电路中，制造大容量的电容很困难，所以这种耦合方式下的多级放大电路不便于集成。12/7/20222）直接耦合）直接耦合 为了避免在信号传输过程中，耦合电容对缓慢变化的信号带来不良影响，也可以把级与级之间直接用导线连接起

25、来，这种连接方式称为直接耦合。12/7/20223）变压器耦合）变压器耦合 放大器的级与级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦合变压器耦合。其电路如图3-35所示。变压器耦合电路多用于低频放大电路中，变压器可以通过电磁感应进行交流信号的传输，并且可以进行阻抗匹配，以使负载得到最大功率。12/7/20224）光电耦合）光电耦合 光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。图3-36a所示为常用的三极管型光电耦合器(4N25)原理图。当电信号施加道光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏三极管受到光照后饱和

26、导通，产生电流。；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止。12/7/2022光电耦合开关电路光电耦合开关电路 12/7/2022红外光耦合话筒电路红外光耦合话筒电路 12/7/2022 多级放大电路的分析和计算多级放大电路的分析和计算 1.电压增益(3-60)12/7/202212/7/20223.6 放大电路的频率响应放大电路的频率响应 3.6.1 频率响应基本概念频率响应基本概念 1、RC 低通电路的频率特性1.RC低通电路 (3-61)令令 或 (3-63)12/7/20222.频率特性的波特图频率特性的波特图 12/7/2022二、二、RC 高通电路的频率特性高通电路的频率特性

27、RC高通电路如图3-40a所示，其电压传输系数为 其中其中 或 12/7/2022幅频特性幅频特性(3-66)相频特性相频特性(3-67)12/7/20223.6.2 BJT的高频小信号混合型模型的高频小信号混合型模型 1.BJT的高频小信号模型的高频小信号模型(a)按三极管物理机构等效12/7/202212/7/202212/7/2022共射极电流放大系数的频响 输出回路与三极管H参等效电路比较得到 12/7/2022(3-71)(3-72)由图3-42可得到(3-73)12/7/2022共发射极截止频率 式(3-73)中 称为共发射极截止频率 随频率升高而下降到0dB时，所对应的频率称为三

28、极管的特征频率。通常 12/7/20222.共发射极放大电路的高频响应共发射极放大电路的高频响应 12/7/20221)求密勒等效电容(3-76)(3-77)为从基极到集电极的电压放大倍数；12/7/2022求密勒等效电容12/7/202212/7/202212/7/20222)高频响应上限频率高频响应上限频率(3-78)式中 12/7/2022(3-79)(3-80)(3-81)(3-82)12/7/20223.6.3 单级阻容耦合放大电路的频率特性单级阻容耦合放大电路的频率特性 1.低频段小信号微变等效电路 低频段时图3-45b 所示单级共射极RC耦合放大器的小信号等效电路如图3-45b 所示，若满足 (3-83)12/7/2022图3-45c所示电电路，实际上为RC高通电路，其电压增益为：(3-84)12/7/2022(3-85)12/7/20223.6.4 多级放大器的频率响应 12/7/2022本章小结本章小结1）熟悉PN结及其特性2）掌握三极管的组成原理、放大的原理、三种组态放大电路的分析方法、设计与应用思路3）熟悉放大电路频率特性的基本概念和分析方法12/7/2022