模拟电子线路半导体三极管及放大电路基础

1、模拟电子线路 第二章 半导体三极管及放大电路基础第一节 学习要求第二节 半导体三极管第三节 共射极放大电路第四节 图解分析法第五节 小信号模型分析法第六节 放大电路的工作点稳定问题第七节 共集电极电路第八节 放大电路的频率响应概述第九节 本章小结第一节 学习要求（1）掌握基本放大电路的两种基本分析方法-图解法与微变等效电路法。 会用图解法分析电路参数对电路静态工作点的影响和分析波形失真等； 会用微变等效电路法估算电压增益、电路输入、输出阻抗等动态指标。（2）熟悉基本放大电路的三种组态及特点；掌握工作点稳定电路的工作原理。（3）掌握频率响应的概念。了解共发射极电路频率特性的分析方法和上、下限截止

2、频率的概念。第二节 半导体三极管（BJT）BJT是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响， 使BJT表现出不同于单个 PN结的特性而具有电流放大，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕BJT为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论BJT的结构、内部载流子的运动过程以及它的特性曲线和参数。一、BJT的结构简介BJT又常称为晶体管，它的种类很多。按照频率分，有高频管、低频管； 按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同， 又可分成NPN型和PNP型等等。但从它们的外形来看，BJT都有三个电极，如图3.1所示。图3.1是NPN型

3、BJT的示意图。 它是由两个 PN结的三层半导体制成的。中间是一块很薄的P型半导体(几微米几十微米)，两边各为一块N型半导体。从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。在几何尺寸上， 集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子

4、 由于发射结外加正向电压VEE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区， 形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反，如图3.2所示。（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后， 就在基区靠近发射结的边界积累起来， 右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此， 电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子， 好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等， 使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB，

5、 所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。 也就是说， 注人基区的电子有一部分未到达集电结， 如复合越多， 则到达集电结的电子越少， 对放大是不利的。 所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少， 大部分都能到达集电结。（3）集电区收集电子集电结外加反向电压，其集电结的内电场非常强，且电场方向从C区指向B区。使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力， 使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流IC。 与此同时，集电区的空穴也会在该电场的作用下，漂移到基

6、区， 形成很小的反向饱和电流ICB0 。2、电流分配关系与正向偏置的二极管电流类似，发射极电流iE与vBE成指数关系： 集电极电流iC是iE的一部分，即：式中称为BJT的电流放大系数三、BJT的特性曲线.共射极电路的特性曲线（1）输入特性VCE=0V时，b、e间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。VCE1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到集电极，只有小部分与空穴复合形成IB。 vCE1V以后，IC增加很少，因此IB的变化量也很少，可以忽略vCE对IB的影响，即输入特性曲线都重合。注意:发射结开始导通的电压vBE：0.6V0.7V(硅

7、管)，0.10.3V(锗管)（2）输出特性曲线对于一确定的iB值，iC随VCE的变化形成一条曲线，给出多个不同的iB值，就产生一个曲线族。如图3.6所示。 IB = 0V， IC=ICEO BJT截止，无放大作用，因此对应IB=0的输出特性曲线以下的区域称为截止区如图3.6所示。 IB0 ， VCEIbVBVBE其稳定过程如下：实际情况下，为了使图3.24所示电路的Q点稳定，可以按以下要求选取I1和VB值。由于Re的存在，使Vi不能全加在be两端，造成了AV下降。解决的方法是，在Re旁边并联一个大电容Ce- 旁路电容，从交流通路看，它接近短路，而不对静态工作点产生影响。（1）静态分析（确定Q点

8、）电路如图3.24所示 利用上式可以分别求出Q点的IC、IB及VCE。（2）求电压增益 画H参数等效电路如图3.25所示由此电路可得：（3）求输入和输出电阻求输入电阻的交流等效电路如图3.26所示。求输出电阻的交流等效电路如图3.27所示。 若考虑BJT的rce，则求r0的交流等效电路如右图所示。由图可知，Ib不为零，即Ro与输入回路有关。因此由输入回路可得：由输出回路可得：联立上述两式并考虑到rceRe可以解得： 返回第七节共集电极电路共集放大原理电路如图3.28所示。输入信号从基极输入，发射极输出，故又称射极输出器。 一、电路分析(2)求电压增益射极输出器的H参数等效电路如图3.29所示，

9、上述分析表明：共集电路有电流放大但无电压放大，AV约为，输出电压和输入电压同相。(3)输入电阻 注意：这里把RL从输出回路折合到基极输入回路，即从大电流支路折合到小电流支路时，要扩大了(1+)倍。(4)输出电阻求输出电阻时，VS短路，从Re看进去(不含RL)，可以先把Re断开先求Ro，则Ro=Re|Ro。注意：把输入回路（Rs+rbe）折合到输出回路，缩小/(1+)倍，再和Re并联。二、共集放大电路小结(1) 有电流放大，无电压放大作用；(2) 输入电压极性和输出电压极性相位相同；(3) 输入电阻大而输出电阻小。 输入电阻大可使流过信号源电流小；输出电阻小，即带负载能力大。 常用于放大电流的输

10、入级和输出级。由三极管构成的还有一种共基放大电路返回第八节放大电路的频率响应概述上面对放大电路的分析过程中，都只是考虑其基本的性能。在实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感等。因此，放大电路的输出和输人之间的关系必然和信号频率有关。放大电路的频率响应所指的是，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益可表达为：式中为信号的角频率, Av()表示电压增益的模与角频率之间的关系，称为幅频响应。而() 表示放大电路输出与输人正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系， 称为相频响应，二

11、者综合起来可全面表征放大电路的频率响应。图3.32是一个普通音响系统放大电路的幅频响应。图中间一段是平坦的， 即增益保持常数60dB， 称为中频区。在20Hz和20kHz两点增益分别下降3dB，而在低于20Hz和高于20kHz的两个区域，增益随频率远离这两点而下降。在输入信号幅值保持不变条件下， 增益下降3dB的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一半,通常称为半功率点。一般把幅频响应的高 、 低两个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽 ，即 BW = fH - fL 式中，fH是频率响应的高端半功率点，也称为上限频率，而fL则称为下限频率。由于通常有FlfH的关系，故有BWfH。有些放大电路的频率响应，中频区平坦部分一直延伸到直流，可以认为它是