半導體三極管及其放大電路

本章主要內(nèi)容:第2章半導體三極管及其放大電路

三極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)；以共發(fā)射級放大電路為例，討論放大電路的基本分析方法；共集電極放大電路、多級放大電路的基本工作原理和放大電路的頻率響應。2024/3/151三極管的結(jié)構(gòu)三極管的電流分配與放大作用三極管的特性曲線、主要參數(shù)2.1

三極管基本知識本節(jié)重點內(nèi)容:2024/3/152頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管硅管、鍺管結(jié)構(gòu)：NPN型、PNP型2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)2024/3/1532024/3/1542024/3/1552024/3/156發(fā)射結(jié)

集電結(jié)基極發(fā)射極

集電極發(fā)射區(qū)基區(qū)

集電區(qū)NPNPNP三極管結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號2024/3/157

三極管有兩個PN結(jié)——發(fā)射結(jié)和集電結(jié)三個區(qū)——發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)三個電極分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c2024/3/158

半導體三極管在工作時一定要加上適當?shù)闹绷髌秒妷?。在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。三極管中的電流

2.1.2三極管的電流分配與放大作用2024/3/159電子和空穴這兩種載流子參與三極管的工作，因此又稱它為雙極型晶體三極管（簡稱BJT）三極管各電極中的電流（3）電子被集電區(qū)收集的過程（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子的過程

（2）電子在基區(qū)的擴散和復合過程

IC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBO

IE=ICN+IBN=IC+IB

在三極管中發(fā)射極電流IE等于集電極電流IC和基極電流IB之和很小的基極電流IB，就可以控制較大的集電極電流IC，實現(xiàn)了放大作用2024/3/15102.三極管的電流放大作用

從前面的分析知道，從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子（形成IE），只有很小一部分在基區(qū)復合（形成IBN），大部分到達集電區(qū)（形成ICN）。當一個三極管制造出來，其內(nèi)部的電流分配關(guān)系，即ICN和IBN的比值已大致被確定，這個比值稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)：在小信號放大電路中，由于β和差別很小，因此在分析估算放大電路時常取β=而不加區(qū)分。

=ICN/IBN

（2-2）由于IC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBO

故有IC=IB+（1+）ICBO

（2-3）忽略ICBO可簡化為

IC≈IB

（2-4）

共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β為

β=ΔIC/ΔIB

（2-5）2024/3/15111、輸入特性曲線輸入回路輸出回路與二極管特性相似RCVCCIBIERB+uBE

+uCE

VBBCEBIC+

+

+

IBRB+uBE

VBB+

O特性基本重合特性右移導通電壓UBE(on)硅管：(0.6

0.8)

V鍺管：

(0.2

0.3)

V取0.7V取0.2VVBB+

RB2.1.3三極管的特性曲線2024/3/15122、輸出特性曲線iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321①

截止區(qū)：

IB

0

IC=ICEO

0條件：兩個結(jié)反偏②放大區(qū)：③飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個結(jié)正偏特點：IC

IB臨界飽和時：

uCE

=uBE深度飽和時：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點：水平、等間隔ICEO2024/3/1513

電流放大系數(shù)、極間反向電流、極限參數(shù)（1） β

=IC/IB

≥11.電流放大系數(shù)（2） α=IC/IE≤1在選擇三極管時，如果β值太小則電流放大能力差，β值太大會使工作穩(wěn)定性差。β值一般選20~100。

2.1.4三極管的主要參數(shù)2024/3/15142.極間反向電流

(1)集—基極間反向飽和電流ICBO

ICBO的下標CB代表集電極和基極，

O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當于集電結(jié)的反向飽和電流。

(2)集—射極間的反向飽和電流ICEOICEO和ICBO有如下關(guān)系

ICEO=（1+β）ICBO相當基極開路時，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應的Y坐標的數(shù)值。判斷三極管質(zhì)量的重要參數(shù)ICBO受溫度影響很大,每升高10oC,增加10倍

2024/3/1515（1）ICM—集電極所允許流過的最大電流3.極限參數(shù)

三極管集電極最大允許電流ICM。當IC＞ICM時，管子性能將顯著下降，甚至會燒壞三極管。

（3）U(BR)CEO—反向擊穿電壓（2）PCM—集電極最大允許功耗集電結(jié)上允許損耗功率的最大值，超過此值就會使管子性能變壞甚至燒毀。基極開路，集—射極之間的擊穿電壓。三極管的極限損耗區(qū)

ICICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)2024/3/1516半導體三極管的主要用途之一是利用其電流放大作用組成各種放大電路。放大電路的應用十分廣泛，其主要作用是將微弱的信號進行放大，以便人們測量和利用。所謂放大，表面上看是將小信號的幅度由小增大，但放大的本質(zhì)是實現(xiàn)能量的控制。放大電路需要配置直流電源，用能量較小的輸入信號去控制這個電源，使之輸出較大的能量去推動負載。這種小能量對大能量的控制作用，就是放大電路的放大作用。2.2共發(fā)射極放大電路2024/3/1517三極管

起放大作用偏置電路VCC

、Rb提供電源，并使三極管工作在線性區(qū)。耦合電容C1、輸入耦合電容C1保證信號加到發(fā)射結(jié)，不影響發(fā)射結(jié)偏置。輸出耦合電容C2保證信號輸送到負載，不影響集電結(jié)偏置。負載電阻RC、RL將變化的集電極電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。1.組成2.2.1共射基本放大電路的組成及工作原理2024/3/15182.放大原理

輸入信號通過耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)，于是有下列過程：三極管電流放大作用

變化的iC通過RC轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷狠敵?024/3/1519靜態(tài)：ui＝0時電路的工作狀態(tài)靜態(tài)工作點

Q：由IBQ、ICQ、UCEQ決定畫直流通路（電容器開路）+TRb1RCCVc2.2.2共射基本放大電路的基本分析方法1.靜態(tài)分析2024/3/1520例2-1在下圖中，已知VCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，β=37.5，試求放大電路的靜態(tài)值。解：根據(jù)如圖所示的直流通路，可以得到

IBQ≈VCC/RB=12/300=0.04(mA)

ICQ≈βIBQ=37.5×0.04=1.5(mA)

UCEQ=VCC

－ICQRC=12－1.5×4=6(V)2024/3/15212.動態(tài)分析放大電路有信號輸入時的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)分析主要是確定放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro等。放大電路有信號輸入時，三極管各極的電流和電壓瞬時值既有直流分量，又有交流分量。直流分量一般就是靜態(tài)值，而所謂放大，只考慮其中的交流分量。2024/3/1522（1）三極管簡化微變等效電路rbeIbubebceIcβIbuce-ucec+VT+-ubeIbIcbe

從圖中可以看出，三極管的輸入回路可以等效為輸入電阻rbe。在小信號工作條件下，rbe是一個常數(shù)，低頻小功率管的rbe可用下式估算：

26（mV）

rbe=300+(1+β)————（2-10）

IE（mA）三極管發(fā)射極電流的靜態(tài)值IE≈ICQ

2024/3/1523(2)放大電路的簡化微變等效電路交流通路的畫法：將直流電源短路，電容短路交流通路簡化微變等效電路三極管等效電路2024/3/1524

（3）放大電路交流參數(shù)的計算

①電壓放大倍數(shù)Au

式中的負號表示輸出與輸入電壓相位相反。如果電路的輸出端開路，即RL=∞，則有

Au=－βRC/rbe

（2-12）負載電阻越大，放大倍數(shù)越大。

2024/3/1525

解：在例2-1中已求出，ICQ=1.5mA

由公式可求出

rbe=﹝300+（1+37.5）26/1.5﹞=967(Ω)

則Au=－37.5(4∥4)/0.967=－77.6例2-2在下圖中，VCC=12V，RC=4kΩ，RB=300kΩ，β=37.5，試求放大電路的電壓放大倍數(shù)Au。2024/3/1526②輸入電阻Ri

電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望輸入電阻越大越好。通常RB＞＞rbe，因此Ri≈rbe，可見共射基本放大電路的輸入電阻Ri不大。2024/3/1527

③輸出電阻RO

對于負載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負載電阻RL的變化對輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負載能力越強，因此總希望Ro越小越好。2024/3/1528②由直流負載線

UCE=VCC－ICRC

（VCC，0）和（0，

VCC/Rc

）在與IBQ的交點可得到Q點的參數(shù)IB

、IC

和UCE

。①在輸出特性曲線上確定兩個特殊點,即可畫出直流負載線。3.放大電路的圖解分析法簡介

圖解分析法（簡稱圖解法）是放大電路的另一種分析方法

（1）用圖解法分析放大電路的靜態(tài)工作情況2024/3/1529

（2）用圖解法分析動態(tài)工作情況ICICEVCCQIBQ交流負載線直流負載線

斜率為-1/R'L（R'L=RL∥Rc）經(jīng)過Q點

注意：交流負載線是有交流輸入信號時工作點的運動軌跡空載時，交流負載線與直流負載線重合

用圖解法能夠直觀顯示出在輸入信號作用下，放大電路各點電壓和電流波形的幅值大小及相位關(guān)系，尤其對判斷靜態(tài)工作點是否合適、輸出波形是否會失真等十分方便。2024/3/1530

ui輸入一微小的正弦信號uiuceicibiCuCEiBuBEQib2024/3/1531

結(jié)論

（1）放大電路中的信號是交直流共存可表示為：（2）輸出uo與輸入ui相位相反，但幅度放大了，頻率不變。2024/3/1532

（3）靜態(tài)工作點對輸出波形失真的影響

對一個放大電路來說，要求輸出波形的失真盡可能小。但是，當靜態(tài)工作點設(shè)置不當時，輸出波形將出現(xiàn)嚴重的非線性失真。在圖中，靜態(tài)工作點設(shè)于Q點，可以得到失真很小的Ic和uce波形。但是，當靜態(tài)工作點設(shè)在Q1或Q2點時，會使輸出波形產(chǎn)生嚴重的失真。2024/3/1533①飽和失真當Q點設(shè)置偏高，接近飽和區(qū)時，Ic的正半周和uce的負半周都出現(xiàn)了畸變。這種由于動態(tài)工作點進入飽和區(qū)而引起的失真，稱為“飽和失真”。②截止失真當Q點設(shè)置偏低，接近截止區(qū)時，使得Ic的負半周和uce的正半周出現(xiàn)畸變。這種失真稱為“截止失真”。2024/3/1534

1.溫度對工作點的影響

對于前面的電路（固定偏置電路）而言，靜態(tài)工作點由UBE、

和ICEO決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化?？傊甌ICTUBEIBICT

、ICEOIC2.2.3共射放大電路工作點的穩(wěn)定2024/3/1535

2.靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路

條件

：若I2>>IB，則

UB穩(wěn)定

采用分壓式偏置電路穩(wěn)定工作點。

電路主要采取了兩個措施：一是采用分壓式基極偏置電路；二是增加了發(fā)射極電阻RE，為了不造成交流信號在RE上的損失，在RE兩端并聯(lián)了一個容量足夠大的交流旁路電容CE。直流通路2024/3/1536

（1）Q點穩(wěn)定的過程（2）靜態(tài)工作點的計算

2024/3/1537例2-3在下圖中，已知RB1=7.5kΩ，RB2=2.5kΩ，RC=2kΩ，RE=1kΩ，RL=2kΩ，VCC=12V，UBE=0.7V，β=30。試計算放大電路的靜態(tài)工作點和電壓放大倍數(shù)Au。

解：

先計算Q點

UB≈﹝2.5/(7.5+2.5)﹞12=3(V)

ICQ≈(3－0.7)/1=2.3(mA)

IBQ≈2.3/30=0.077(mA)

UCEQ=12－2.3(2+1)=5.1(V)再計算Au

rbe=300+(1+30)26/2.3=650(Ω)

RL′=RC∥RL=1(kΩ)

Au=－βRL′/rbe=－30×1/0.65=－46.22024/3/1538共集電極放大電路基本工作原理共基極放大電路的基本工作原理2.3

共集電極、共基極放大電路本節(jié)重點內(nèi)容:2024/3/1539

三極管的集電極直接接在VCC上，對交流信號相當于接地，成為輸入、輸出回路的公共端。由于電路是從發(fā)射極輸出信號，故又稱為射極輸出器。2.3.1共集電極放大電路2024/3/15401.

靜態(tài)分析

可以看出，發(fā)射極電阻RE折算到基極回路相當于（1+β）RE。

2024/3/15412.

動態(tài)分析①電壓放大倍數(shù)Au輸入電壓與輸出電壓同相電壓跟隨器微變等效電路

2024/3/1542②輸入電阻③輸出電阻通常有RE＞＞(rbe

+RS′)/(1+β)，所以

RO≈(rbe+RS′)/(1+β)若信號源內(nèi)阻RS很小時，即RS′≈0，且β足夠大時，則有

RO≈rbe/β2024/3/1543共集電極放大電路（射極輸出器）的特點（1）電壓放大倍數(shù)小于1，且輸出與輸入電壓同相

。（2）輸入電阻高。（3）輸出電阻低。射極輸出器的應用⑴放在多級放大器的輸入端，提高整個放大器的輸入電阻。⑵放在多級放大器的輸出端，減小整個放大器的輸出電阻。⑶放在兩級之間，起緩沖作用。2024/3/15441.靜態(tài)分析

與共射組態(tài)相同。2.3.2共基極放大電路直流通路2024/3/15452.動態(tài)分析①電壓放大倍數(shù)②輸入電阻③輸出電阻Ro≈RC

Au＝uo/uI=(-βIb

RL′)/(-Ib

rbe)=βRL′/rbe

Ri≈rbe/（1+β）

微變等效電路

2024/3/1546

與共發(fā)射極電路相比，共基極電路的輸入電阻Ri

減小為1/（1+β），一般是幾~幾十歐姆；輸出電阻RO與共發(fā)射極電路相同，近似等于集電極電阻RC；電壓放大倍數(shù)與共發(fā)射極電路在數(shù)值上相同，只差了一個負號。共基極電路的特點是輸入電阻低，輸出電壓與輸入電壓同相位。

2024/3/1547

三種放大器性能比較

①共射電路既有電壓放大作用，又有電流放大作用；其輸入電阻不大，輸出電阻也不大；輸出電壓與輸入電壓相位相反；得到廣泛應用。

②共集電極電路只有電流放大作用，沒有電壓放大作用；輸入電阻大，輸出電阻小，帶負載能力強；可用于放大器的輸入級、輸出級和緩沖級；它的輸入電壓和輸出電壓同相位。

③共基極電路只有電壓放大作用，沒有電流放大作用；其輸入電阻較小，輸入電壓與輸出電壓同相位；廣泛應用于高頻放大電路中。

2024/3/1548在許多情況下，單級放大電路的電壓放大倍數(shù)往往不能滿足要求。為此，要把放大電路的前一級輸出接到后一級的輸入端，級聯(lián)成二級、三級或者多級放大電路。級和級之間的連接方式稱為耦合方式。放大電路級間的耦合方式，既要將前級的輸出信號順利傳遞到下一級，又要保證各級都有合適的靜態(tài)工作點。常見的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合等各種形式。

2.4多級放大電路2024/3/1549

輸入級和中間級主要用作電壓放大，可以將微弱的輸入電壓放大到足夠的幅度。后面的末前級和輸出級用作功率放大，向負載輸出足夠大的功率。

多級放大電路的組成框圖2.4.1多級放大電路的組成框圖2024/3/15501.電路組成兩級阻容耦合放大電路

2.4.2阻容耦合多級放大電路第一級放大電路的輸出是經(jīng)過CB2與第二級放大電路的輸入電阻Ri2聯(lián)系起來的，故稱為阻容耦合方式。阻容耦合的特點是，各級的靜態(tài)工作點相互獨立，所以阻容耦合多級放大電路的靜態(tài)分析與單級放大電路的靜態(tài)分析完全相同。

2024/3/15512.

阻容耦合多級放大電路的計算

電壓放大倍數(shù)

Au=Au1·Au2

(2)輸入電阻(3)輸出電阻

Ri=Ri1=RB1∥rbe1

RO=RO2=RC2

2024/3/1552頻率響應和通頻帶的概念單級阻容耦合放大電路的頻率響應三極管的頻率參數(shù)2.5放大電路的頻率響應本節(jié)重點內(nèi)容:2024/3/1553

電子電路中所遇到的信號往往不是單一頻率的，而是工作在一段頻率范圍內(nèi)的。

頻率響應——放大電路對不同頻率正弦信號的放大效果。2.5.1頻率響應和通頻帶的概念2024/3/1554

放大電路的頻率響應可直接用放大電路的電壓放大倍數(shù)對頻率的關(guān)系來描述，即

表示電壓放大倍數(shù)的模與頻率的關(guān)系，稱為幅頻特性

放大電路輸出電壓與輸入電壓之間的相位差與頻率的關(guān)系，稱為相頻特性

放大電路的頻率響應2024/3/1555BW=f

H－f

L

通頻帶是放大電路頻率響應的一個重要指標。通頻帶愈寬，表示放大電路工作的頻率范圍愈寬。例如，質(zhì)量好的音頻放大器，其通頻帶可從20Hz至20kHz。相頻特性幅頻特性2024/3/1556輸入回路的分布電容

輸出回路的分布電容

2.5.2單級阻容耦合放大電路的頻率響應2024/3/1557

在中頻區(qū)，由于耦合電容C1、C2以及發(fā)射極旁電容CE的容量比較大，呈現(xiàn)的容抗很小，因而可以視為短路而忽略不計。另一方面，由于Ci

和Co容量很小，在中頻范圍內(nèi)呈現(xiàn)容抗很大，可視為開路而忽略不計。放大電路的電壓放大倍數(shù)與頻率無關(guān)，輸出電壓與輸入電壓之間的相位差始終維持－180°不變。1.中頻區(qū)2024/3/15582.低頻區(qū)

當信號頻率低于中頻區(qū)頻率時：Ci

和CE的容抗更大，完全可以視為開路而忽略不計。耦合電容C1、C2以及旁路電容CE的容抗增大，不能視為短路。它們將對低頻區(qū)的頻率特性產(chǎn)生影響，使放大倍數(shù)減小、相位差超前。

為了減少C1、C2

和CE

的影響，應當使其容量足夠大，CE

容量的大小是影響放大倍數(shù)減小的主要因素。2024/3/15593.高頻區(qū)

當信號頻率進入高頻區(qū)時：耦合電容C1、C2和旁