半导体三极管及放大电路基础

1、 高频管、低频管 小、中、大功率管 硅管、锗管 NPN型、PNP型 半导体三极管是具有电流放大功能的元件 发射结 集电结 基极 发射极 集电极 晶体三极管是由两个PN结组成的 发射区 基区 集电区 半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。 在放大工作状态： 发射结加正向电压，集电结加反向电压。 发射结加正偏时，从发射区将 有大量的电子向基区扩散，形成 的电流为IEN。 从基区向发射区也有空穴的扩 散运动，但其数量小，形成的电 流为IEP。（这是因为发射区的掺杂浓 度远大于基区的掺杂浓度。） 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。 又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下

2、，电子在基区停留的 时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场 区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电 子形成的电流是 IBN。 另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。 很小的基极电流很小的基极电流IB，就可以控制较大的集电极电，就可以控制较大的集电极电 流流IC，从而实现了放大作用。，从而实现了放大作用。 共集电极接法：集电极作为公共端；共集电极接法：集电极作为公共端； 共基极接法：基极作为公共端。共基极接法：基极作为公共端。 共发射极接法：发射极作为公共端；共发射极接法：发射极作为公共端； 各极电流之间的关系式各极电流之间的关系式 共基

3、极电流传输系数。共基极电流传输系数。 : CBOEC III 因ICBO较小，所以 又因 则，ICIE EC II 1 因ICEO较小，所以 BC II CEOBC III ： 共发射极电流放大系数。共发射极电流放大系数。 BE II)1 (IE =IC+IB 1 iB是输入电流， vBE是加在B、E 两极间的输电压。 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE= 常数 共发射极接法的输入特性曲线其中vCE=0V的那一条相当于 发射结的正向特性曲线，当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集 电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移

4、动一些。但vCE再增加时，曲 线右移很不明显。 导通电压 锗管 0.10.3V硅管 0.60.8V 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB= 常数 iC是输出电流，vCE是输出电压。 放大区：放大区： 发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 截止区：截止区： IB=0以下的区域。 饱和区：饱和区： 发射结和集电结均为正偏。发射结和集电结均为正偏。 IC随着VCE的变化而迅速变化。 工程上以VCE=0.3伏作为放大区和饱和区的分界线。 VCE大于0.7 V左右(硅管) 。 发射结和集电结均为反偏。发射结和集电结均为反偏。 测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的 工作状态。 放大截止饱和

5、 - - + 正偏正偏反偏反偏 - - + + + - - 正偏正偏 反偏反偏 + + - - 放大放大VcVbVe放大放大VcVbVe 发射结和集电结均为反偏。发射结和集电结均为反偏。发射结和集电结均为正偏。发射结和集电结均为正偏。 例1： 测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试 判断三极管的工作状态。 放大放大 例2： 半导体三极管的参数 直流参数、交流参数、直流参数、交流参数、 极限参数极限参数 直流电流放大系数直流电流放大系数 1.1.共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=常数 一一. .直流参数

6、直流参数 2.共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE 显然显然 与与 之间有如下关系之间有如下关系: = IC/IE= IB/ 1+ IB= / 1+ 极间反向电流极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极， O是Open的字头，代表第三个电极E开路。 它相当于集电结的反向饱和电流。 2.集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和和ICBO有如下关系有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向相当基极开路时，集电极和发射极间的反向 饱和电流

7、，即输出特性曲线饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应那条曲线所对应 的的Y坐标的数值。坐标的数值。 二二. .交流参数交流参数 交流电流放大系数交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB vCE=const 在放大区在放大区 值基本不变，值基本不变， 通过垂直于通过垂直于X 轴的直线轴的直线 由由 IC/ IB求得。求得。 在输出特性曲线上求在输出特性曲线上求 2.共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = IC/ IE VCB=const 当当ICBO和和ICEO很小时，很小时， ,可以不加区分。可以不加区分。 特征频率特征频率f

8、T 三极管的三极管的 值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。 由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的 将会下降。将会下降。 当当 下降到下降到1时所对应的频率称为特征频率，用时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。表示。 集电极最大允许电流ICM 三极管集电极最大允许电流三极管集电极最大允许电流ICM。当。当ICICM时，管子性能将时，管子性能将 显著下降，甚至显著下降，甚至会损坏会损坏三极管三极管。 集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗，集电极电流通过集电结时所产生的功

9、耗， PCM= ICVCBICVCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算时往往用在集电结上。在计算时往往用VCE取代取代VCB。 三.极限参数 反向击穿电压 1.V(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。 下标BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB 代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。 2.V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。 3.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的 击穿电压。 对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示 BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系

10、V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CEOV(BR) EBO 由由PCM、 、 ICM和 和V(BR)CEO在输出特性曲线上可在输出特性曲线上可 以确定过损耗区、过电流区和击穿区。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输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 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国家标准对半导体三极管的命名如下: : 3 D G 110 B 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 材料材料 器件的种类器件的种类

11、 同种器件型号的序号同种器件型号的序号 同一型号中的不同规格同一型号中的不同规格 三极管三极管 双极型三极管的参数 参 数 型 号 PCM mW ICM mA VR CBO V VR CEO V VR EBO V IC BO A f T MHz 3AX31D 125 125 20 12 6 * 8 3BX31C 125 125 40 246* 8 3CG101C3CG101C 100 30 450.1 100 3DG123C3DG123C 500 50 40 300.35 3DD101D3DD101D 5A 5A 300 25042mA 3DK100B3DK100B 100 30 25 150

12、.1 300 3DKG23 250W 30A 400 325 8 注：*为 f 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件 组成的三种基本组态放大电路。 共发射极、共发射极、 共集电极、共集电极、 共基极共基极 放大电路的主要技术指标放大电路的主要技术指标 n(1)放大倍数 n(2)输入电阻Ri n(3)输出电阻Ro n(4)通频带 (1) (1) 放大倍数放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输 出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大 倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是 按正弦量定义的。 电压放大倍数电压放大倍数 io /VVA v 电流放大倍数电流放大倍数 i

13、o / IIA i 功率放大倍数功率放大倍数 iiooio /IVIVPPAp (2) 输入电阻 Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源 吸取电流大小的参数，Ri大放大电路 从信号源吸取的电流小，反之则大。 i i i I V R (3) 输出电阻Ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，输出电阻是表明放大电路带负载的能力， Ro大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。 0,. o . o o SL = VR I V R 注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常 都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路都是在正弦信号下

14、的交流参数，只有在放大电路 处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。 (4) 通频带 BW 0 0 HL 7.0 2 )()(A A fAfA 相应的频率相应的频率fL称为下限频率，称为下限频率，fH称为上限频率。称为上限频率。 放大电路的增益放大电路的增益A(f) 是频率的函数。在低是频率的函数。在低 频段和高频段放大倍数都要下降。当频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降下降 到中频电压放大倍数到中频电压放大倍数A0的的 1/ 时时，即，即 2 (1) 共发射极基本放大电路 的组成 三极管三极管 T 起放大作用。起放大作用。 偏置电路偏置电路

15、VCC 、Rb 提供电源，并使三极管 工作在线性区。 耦合电容耦合电容C1 、 C2输入耦合电 容C1保证信号 加到发射结， 不影响发射结 偏置。输出耦 合电容C2保证 信号输送到负 载，不影响集 电结偏置。 负载电阻负载电阻RC、RL 将变化的集电极电流 转换为电压输出。 (2) 静态和动态 静态静态: : 时，放大电路的工作状态，时，放大电路的工作状态， 也称直流工作状态。也称直流工作状态。 0 i v 放大电路建立正确的静态，是保证动态工作放大电路建立正确的静态，是保证动态工作 的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和 动态，正确地区分直流通路

16、和交流通路动态，正确地区分直流通路和交流通路。 动态动态: : 时，放大电路的工作状时，放大电路的工作状 态，也称交流工作状态。态，也称交流工作状态。 0 i v 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 (3) 直流通路和交流通路 (a)直流通路 直流通路 能通过直流的通路。 交流通路 能通过交流的电路通路。 (b)交流通路 (4) 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管输入信号通过耦合电容加在三极管 的发射结于是有下列过程：的发射结于是有下列过程： o 2 cccbbbe 1 i v C vRiiiiv C v c 三极管放大作用 变化的 通过 转变为 变化的输出 c i c R 静态工作状态

17、的计算分析法静态工作状态的计算分析法 b CC R V R VV I b BECC B IB、IC和和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点这些量代表的工作状态称为静态工作点， 用用Q表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对 地的电位地的电位VB、VE和和VC即可确定三极管的静态工作状态即可确定三极管的静态工作状态。 根据直流通路对放大电路的静态进行计算根据直流通路对放大电路的静态进行计算 BC II cCCCCE RIVV 静态工作状态的图解分析法静态工作状态的图解分析法 2. 由直流负载线 VCE =VCCICRC VCC 、 、 VC

18、C /Rc 3. 得到Q点的参数IB 、IC 和VCE 。 1. 在输出特性曲线 上确定两个特殊点, 即可画出直流负载 线。 （1）交流负载线）交流负载线 1.从从B点通过输出特性曲线上的点通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，点做一条直线， 其斜率为其斜率为- -1/RL 。 2.RL= RLRc， 是交流负载电阻。是交流负载电阻。 3.交流负载线是有交流负载线是有 交流交流 输入信号时输入信号时Q 点的运动轨迹。点的运动轨迹。 4.交流负载线与直流交流负载线与直流 负载线相交负载线相交Q点。点。 通过图解分析，可得如下结论：通过图解分析，可得如下结论： 1. 1. vi vBE iB iC

19、vCE |-vo| 2. 2. vo与与vi相位相反；相位相反； 3. 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数；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可以确定最大不失真输出幅度。 (2)(2)交流工作状态的图解分析交流工作状态的图解分析 波形的失真波形的失真 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。对于的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，管， 输出电压表现为底部失真。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

20、失真。对于的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，管， 输出电压表现为顶部失真。输出电压表现为顶部失真。 (3) (3) 最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度 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。 波形波形 （动画3-3） 放大电路的最大不失真输出幅度放大电路的最大不失真输出幅度 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要： 1.工作点工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2.要有合适的交流负载线要有合适的交流负载线。 （4）非线性失真非线性失真 %100 1 2

21、3 2 2 V VV THD 放大器要求输出信号与输入信号之间是线性放大器要求输出信号与输入信号之间是线性 关系，不能产生失真。关系，不能产生失真。 由于三极管存在非线性，使输出信号产生了由于三极管存在非线性，使输出信号产生了 非线性失真。非线性失真。 非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输 入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分 量的总有效值与基波分量之比，用量的总有效值与基波分量之比，用THD表示，即表示，即 (5) (5) 输出功率和功率三角形输出功率和功率三角形 omom omom o 2 1 22 I

22、V IV P 要想要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即大，就要使功率三角形的面积大，即 必须使必须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。 放大电路向电阻性负载提供的输出功率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，在输出特性曲线上， 三角形三角形 ABQ的面积，的面积， 称为功率三角形。称为功率三角形。 (1)(1)模型的建立模型的建立 1.1.三极管可以用一个模型来代替。三极管可以用一个模型来代替。 2.2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。对于低频模型可以不考虑结电容的影响。 3.3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变 也具有

23、线性同样的含义。也具有线性同样的含义。 h参数模型 cerebiebe vhihv ceoebfec vhihi （2)2)模型中的主要参数模型中的主要参数 r rbe be 交流输入电阻 交流输入电阻 i iB B输出电流源输出电流源 表示三极管的表示三极管的 电流放大作用电流放大作用 Ebbbe / mV26)1 (Irr hie为输入电阻，即为输入电阻，即 rbe。 hre为电压反馈系数，为电压反馈系数，即即r r。 hfe为电流放大系数，即为电流放大系数，即 。 hoe为输出电导，即为输出电导，即1/rce。 (3) (3) 模型简化模型简化 r r反映三极管反映三极管 内部的电压反馈

24、，内部的电压反馈， 因数量很小，一般因数量很小，一般 可以忽略。可以忽略。 1/1/r rce ce与电流源并 与电流源并 联时，分流极小，联时，分流极小， 可作开路处理。可作开路处理。 用用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路参数小信号模型分析共射极基本放大电路 (1)(1)小信号等效电路小信号等效电路 (2)(2)电压增益电压增益 beib /rVI bc II L co RIV LcL /= RRR be L be b L b be b Lc i o V r R rI RI rI RI V V A (3)(3)输入电阻输入电阻 T T i I V R Ri beb rRR/ i ( (

25、4) )输出电阻输出电阻 0 S V T T o I V R Co RR Ro 稳定工作点稳定工作点 I1 分压式偏置 VB I1=(510)IB VB=(35)V CC bb b B V RR R V 21 2 ，或 1 )1 ( eb BEB B RR VV I 21 / bbb RRR bC II )( eCCCCCE RRIVV IB (1)确定工作点确定工作点: Q , e B e BEB EC R V R VV II C B I I Ie + Ve - - VB + VBE - - BEB BECB VI VVII不变因 稳定过程 C I不变因 B V BE V B I E V B

26、 I (2)(2)电压增益电压增益 L bo RIV LcL /= RRR ebe b L b i o V RrI RI V V A )1 ( eebe RIrIV b i ebe RrI)1 (b ebe L Rr R )1 ( 工作点稳定，增益下降。 be L be b L b be b Lc i o V r R rI RI rI RI V V A 解决这个矛盾的方法是加电容Ce。 (3)(3)输入电阻输入电阻 T T i I V R Ri 21b / bb RRR b RI bRTIII b ebeb T RrR V 1 11 ebeb RrR1/ 输入电阻输入电阻 提高了，相当于增加了

27、一个(1+)Re的电阻。 ( (4) )输出电阻输出电阻 Ro o R C T o I V R 0 e Cb Sbe bRIIRrI 由KVL： bSS RRR/ C eSbe e bI RRr R I 0 ce bC e CbTrIIRIIV eSbe e ce C T o RRr R r I V R 1 Coo RRR/ 输出电阻输出电阻 提高了，即提高了电路的恒流特性。 eBeEE RIRIV)1 ( 集电极电路 （1）求工作点：Q EBEBbCC VVIRV eb BECC B RR VV I )1 ( BC II eCCCCE RIVV Q eb CC RR V )1 ( (2)(2

28、)电压增益电压增益 1 )1 ( )1 ( Lbe L i o Rr R V V A V )(bb Lbe biIIRrIV LeL RRR/ )1 ( Lbe i b Rr V I )(bb L oIIRV b L IR )1 ( 输入电压与输 出电压同相 电压跟随器 （3）输入电阻）输入电阻 + - - TV TI Ri T T i I V R Lb RR/ （4 4）输出电阻）输出电阻 Ro beS rR R o 电压增益电压增益1，输入电压，输入电压 与输出电压同相，输入与输出电压同相，输入 电阻高，输出电阻低。电阻高，输出电阻低。 *复合管可提高输入电阻，复合管可提高输入电阻， 提高

29、提高值。值。 共基极电路 (1)直流分析 与共射组态相同。 (2)(2)交流分析交流分析 io /VVA v 1 / 1 / bebe iii r R r IVR e 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 Ro RC =RL / rbe 放大电路的频率响应 在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念- 幅度频率特性幅度频率特性 相位频率特性相位频率特性 幅频特性是描绘：输入信号幅度幅频特性是描绘：输入信号幅度 固定，输出信号的幅度随频率变化固定，输出信号的幅度随频率变化 而变化的规律。即而变化的规律。即 = = A io /VV f () 相频特性是描绘：输出

30、信号与输入相频特性是描绘：输出信号与输入 信号之间相位差随频率变化而变化信号之间相位差随频率变化而变化 的规律。即的规律。即 )( io fVVA 放大电路的幅频特性和相频特性，称为频 率响应。因放大电路对不同频率成分信号的增 益不同，从而使输出波形产生失真，称为幅度 频率失真，简称幅频失真。放大电路对不同频 率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生 失真，称为相位频率失真，简称相频失真。幅 频失真和相频失真是线性失真。 (动画5-1) 产生频率失真的原因产生频率失真的原因 1. 1.放大电路中存在电抗性元件，例如放大电路中存在电抗性元件，例如 耦合电容、旁路电容、分布电容、变压耦合电容、旁路电容、分布电容、变压 器、分布电感等器、分布电感等; ; 2.2.三极管的三极管的 ( ( ) )是频率的函数。是频率的函数。 在研究频率特性时，三极管的低频小信号在研究频率特性时，三极管的低频小信号 模型不再适用，而要采用高频小信号模型。模型不再适用，而要采用高频小信号模型。 单极放大电路的高频响应单极放大电路的高频响应 （1）高频小信号模型 基区体电阻，b是假想的基区内的一个点。bb r 、 发射结电