模电三极管讲解

第四章双极结型三极管及放大电路基础14:54§4.1半导体三极管(BJT)§4.2共射极放大电路§4.3放大电路的分析方法§4.4放大电路静态工作点的稳定问题§4.5共集电极放大电路和共基极电路§4.6组合放大电路§4.7放大电路的频率响应第四章双极结型三极管及放大电路基础14:54§4.1双极型晶体管(BJT)4.1.1晶体管的结构及类型BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型14:54BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BJT的结构特点14:54BECNNP基极发射极集电极发射结集电结14:544.1.2放大状态下BJT工作原理BECNN+PVEERBVCC基区空穴向发射区的扩散形成IEP。IBN进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。1.BJT内部载流子的传输过程IENIE=IEN+IEP≈IENIEP从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。ICN集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIB=IEP+IBN-ICBOIC=ICN+ICBOICN=IEN-IBNIB=IEP+IEN-ICN-ICBO=IE-IC前提条件：发射结正偏集电结反偏14:54BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管14:54(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极14:542.BJT的电流分配关系1ECNII为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IE的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为CBOECIIIECIICBOBCIII111CBOCEOII11CBOI)1(BCIICBEIIIBI)1(称为集电极与发射极间反向饱和电流CBOCNCIIIBCEIII反映BJT在共发射极连接时集电极电流IC受基极电流IB控制的关系称为共发射极直流电流放大系数14:544.1.3BJT的V-I特性曲线测试线路iCmAAVVvCEvBERBiBVccVBBBJT的V-I特性曲线能直观地描述各极间电压和电流的关系1.共射极连接时的V-I输入特性14:54工作压降：硅管vBE0.6~0.7V,锗管vBE0.2~0.3V。死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。vCE1ViB(A)vBE(V)204060800.40.8vCE=0VvCE=0.5VvCE一定时iB与vBE的关系)(BEBvfi常数CEv|(1)输入特性iCmAAVVvCEvBERBiBVccVBB14:54当vCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，iC=iB。iB一定时vCE与iC的关系iC(mA)1234vCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）。)(CECvfi常数Bi|(2)输出特性iCmAAVVvCEvBERBiBVccVBB14:54iC(mA)1234vCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中vCEvBE,集电结正偏，iBiC，vCE0.3V称为饱和区。)(CECvfi常数Bi|此区域中:vBE死区电压，iB=0,iC=ICEO,称为截止区。(2)输出特性14:54输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：iC=iB,且iC=iB饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：vCEvBE，iBiC，vCE0.3V截止区：vBE死区电压，iB=0，iC=ICEO0其它状态14:54例：测量三极管三个电极对地电位如图试判断三极管的工作状态。放大截止饱和2VT8V3V3.7V(a)T12V3V(b)T3.3V3V3.7V(c)14:544.1.4晶体管的主要参数①共发射极直流电流放大系数1.BCEOCIIIBCII/②共基极直流电流放大系数ECBOCIIIECII/(1)直流电流放大系数显然，1，一般约为0.97~0.99。1114:54工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为iB，相应的集电极电流变化为iC，则共发射极交流电流放大系数为：常数CEviiBC(2)交流电流放大系数①共发射极交流电流放大系数②共基极交流电流放大系数常数CBECvii14:54例：VCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。5.3704.05.1___BCII4004.006.05.13.2BCII在以后的计算中，一般作近似处理：=14:54(1)集电极-基极反向饱和电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。2.极间反向电流14:54BECNNPICBOICEO=ICBO+ICBOIBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO(2)集电极-射极反向饱和电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。+-+-穿透电流14:54(1)集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。3.极限参数14:54(2)集电极最大允许耗散功耗PCM•集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：PC=iCvCE•必定导致结温上升，所以PC有限制。PCPCMiCvCEiCvCE=PCMICMV(BR)CEO安全工作区14:54③V(BR)CEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压(3)反向击穿电压①V(BR)EBO指集电极开路时，发射极—基极间的反向击穿电压②V(BR)CBO指发射极开路时，集电极—基极间的反向击穿电压普通晶体管该电压值比较小，只有几伏当集---射极之间的电压VCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压V(BR)CEO14:544.1.5温度对BJT参数及特性的影响1.温度对BJT参数的影响(1).温度对ICBO的影响(2).温度对β的影响(3).温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响对温度非常敏感，温度每升高10℃，ICBO增加一倍温度升高，β增加温度升高，V(BR)CBO、V(BR)CEO增加14:54(1)温度对输入特性的影响iBvBE25ºC50ºC2.温度对BJT特性曲线的影响(2)温度对输出特性的影响iCvCE温度升高，vBE减小温度升高，ICBO、ICEO、β增大输出特性曲线上移14:54半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下:3DG110B第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管14:54双极型三极管的参数参数型号PCMmWICMmAVBRCBOVVBRCEOVVBREBOVICBOμAfTMHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5W5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DG23250W30A400325814:54§4.2基本共射极放大电路放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：vivoAv放大的实质：在小信号的作用下，将直流能变为交流能。14:54放大电路的性能指标一、电压放大倍数Avvi和vo分别是输入和输出电压的有效值。二、输入电阻Ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。AVit~VtvtiovvvAttiivR14:54三、输出电阻RoAv~VS放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。~RoVS'14:54如何确定电路的输出电阻Ro？步骤：1.所有的电源置零(将独立源置零，保留受控源)。2.加压求流法。vtit方法一：计算。0SvivRttoAvVS14:54方法二：测量。vo1.测量开路电压。~RoVs'2.测量接入负载后的输出电压。~RoVs'RLvo'步骤：3.计算。LoooRvvR1'14:54四、通频带fAvAvm0.7AvmfL下限截止频率fH上限截止频率通频带：fbw=fH–fL放大倍数随频率变化曲线14:54符号规定VA大写字母、大写下标，表示直流量。vA小写字母、大写下标，表示全量。va小写字母、小写下标，表示交流分量。vAva全量vA交流分量vatVA直流分量14:54§4.2基本共射极放大电路三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理14:54(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极14:544.2.1共射放大电路的基本组成参考点Rb+VCCVBBRcC2Tvs+-+-+-vBEvCEiBiCiE图4.2.1基本共发射极放大电路14:54VCCvivoRbVBRCCb1Cb2T+-+-共发射极放大电路放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。隔离输入、输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。基极电源与基极电阻使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。耦合电容集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。注意耦合电容的极性！！++14:54可以省去电路改进：采用单电源供电Rb+VCCVBRCCb1Cb2T14:54单电源供电电路+VccRcCb1Cb2TRb14:54直流通道和交流通道放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。在放大器没有输入信号（vi=0)时电路各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或者静止状态，简称静态rd=VT/ID14:54IR=RVIL=sLV器件I/V关系DC模型AC模型电阻电容IC=sCV电感二极管ID=IS(eVD/VT-1)独立电压源VS=常数独立电流源IS=常数直流分析与小信号分析时的元件转换+-14:54例：对直流信号（只有+Vcc）开路开路RB+VccRCC1C2T直流通道RB+VccRC14:54对交流信号(输入信号vi)短路短路置零RBRCRLvivo交流通路RB+VCCRCC1C2TRLvovi14:544.3放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法计算机仿真14:54vi=0时由于电源的存在IBQ0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQRB+VccRCC1C2T4.3.1图解分析法静态工作点在静态时，三极管各电极的直流电压和直流