模拟电子技术基础-第二章课件

1、第二章 双极型晶体二极管及基本放大电路双极型晶体三极管放大器的工作原理放大电路的分析方法共集放大电路共基放大电路极间耦合方式第一节第二节第三节第四节第五节第六节 半导体三极管有两大类型: 双极型半导体三极管 场效应半导体三极管一 晶体三极管的工作原理双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是电流控制电流(CCCS)器件。 场效应管仅由一种载流子参与导电，是电压控制电流(VCCS)器件。第一节 双极型晶体三极管 7/24/2022（一） 晶体三极管的结构（二） 晶体三极管内部载流子传输过程（三） 晶体三极管的电流关系（四） 晶体三极管的特性曲线（五） 晶

2、体三极管的参数（六） 晶体三极管的型号 一.晶体三极管的工作原理7/24/2022图 02.01 两种极性的双极型三极管（一） 晶体三极管的结构双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。分两种类型:NPN型和PNP型：E-B间的PN结称为发射结(Je) C-B间的PN结成为集电结(Jc) 称为基区，加上电极称为基极，用B或b表示（Base）； 称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）； 称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。7/24/20221.符号：双极型三极管的符号如图:发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。2.特点: （1）.发射区的掺杂浓度大

3、。 （2）.集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。 （3）.基区要制造得浓度低，且很薄。 （其厚度一般在几个微米至几十个微米）（二）.三极管内部载流子的传输过程1.三极管具有放大功能的条件： 必须满足：(1).内部条件: 发射区浓度高，基区浓度低且薄。(2).外部条件:发射结加正向电压,集电结加反向电压。1.使三极管的发射区向基区注入电子;2.通过发射结位垒的控制和基区的传送;3.最后由集电极收集电子。结 论7/24/2022 (1).由于发射结正偏，将有大量的电子从发射基区扩散，形成的电流为IEN。(3). 电子流在基区停留时间很短，在集电结反偏电压作用下,很快进入集电结的结电场区域，被集电极收

4、集，形成集电极电流ICN。图 02.02 三极管的电流传输关系(2). 基区向发射区也有空穴的扩散运动，但数量小，形成的电流为IEP，只有少数电子在基区被复合，形成的电流是IBN。2. 载流子的传输过程:另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO综上所述,可得如下电流关系式: IE= IEN IEP 且有IENIEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ICNIBNIC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) 得:IE =IC+IB 由以上分析可知:1. 发射区掺杂

5、浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。2. 两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用。3. 基区从厚变薄，是两个PN结演变为三极管从量变引起质变的过程。结 论（三）三极管共基连接电流分配关系1. 三种组态： 三极管有三个电极，两个为输入, 两个为输出，必然有一个极是公共电极。共有三种接法也称三种组态：(2).共基极接法:基极作为公共电极，用CB表示。(1).共射极接法:射极作为公共电极，用CE表示；图 02.03 三极管的三种组态(3).共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示7/24/20222.三极管的电流放大系数为表示集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系

6、，定义了共基接法时的直流电流放大系数:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 1=IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB定义共发射极接法直流电流放大系数:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO由于:3.共射极连接时工作原理若：rbe=1k,RL=1k ,=100, 则 ：AU=100.有很小的Ui引起Ib 明显的变化，导致 Ic较大的变化 ，从而引起较大的Uo变化，以此体现放大作用。输入电压Ui; 输出电压Uo 共射极电路的电压增益为： Uo Ui二. 双极型半导体三极管的特性曲线B是输入极，C是输出极，E是公共极。所以

7、曲线是共射极接法的特性曲线。iB是输入电流，vBE是输入电压。 iC是输出电流，vCE是输出电压。 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线iC=f(vCE) iB=const共发射极接法三极管的特性曲线:7/24/2022图02.04 共发射极接法的电压电流关系共射极接法的供电电路和电压电流关系如图:(3). UCE 1V或再增加时: 曲线的右移是三极管内部基区调制效应; 右移不明显说明基区调制效应 很弱。输入特性曲线的分区： 死区 非线性区 线性区1. 输入特性曲线图02.05 共射接法输入特性曲线(1).当UCE=0V时: 相当于PN结的正向特性曲线。(2).当

8、UCE=1V时: UCB= UCE - UBE0，集电结进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右移动一些。(3). UCE 1V或再增加时: 曲线右移不明显。曲线的右移是三极管基区调制效应; 右移不明显说明基区调制效应很弱。输入特性曲线的分区： 死区 非线性区 线性区1. 输入特性曲线图02.05 共射接法输入特性曲线(1).当UCE=0V时: 相当于PN结的正向特性曲线。(2).当UCE=1V时: UCB= UCE - UBE0，集电结进入反 偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右移动一些。2.输出特性曲线(1).当

9、UCE=0V时:集电极无收集作用，iC=0。VCE刚增大时，发射结虽处于正向电压下，但集电结反偏电压很小，如: UCE 1V; UBE=0.7V UCB= UCE- UBE=0.7V集电区收集电子的能力很弱。iC主要由UCE决定。图02.06 共射极接法输出特性曲线共射极接法的输出特性曲线:为以iB为参变量的一族特性曲线，现以其中任何一条为例:图02.06 共发射极接法输出特性曲线（3）.UCE再增加时： 电流无明显增加。特性曲线进入与UCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随UCE增大而右移的原因是一致的) （2）.UCE 1V时： 如：UBE 0.7V，运动到集电的电子基本上都被收集。输

10、出特性曲线Ubehre则：Rb可视为开路把三极管用h等效电路代替，可得放大器的等效电路。如图： Rs+-Us+-RsUsRbUoUiRLIiIoRs+-Us1.输入电阻Ri：UiRi=Ui/Ii= hie+ hre Uo/ Ii UoUi= Ii hie+ hre UoUo= -Io RL=-( hie Ii+ hie Uo) RL联立求得带入上式得：Ri= hie+ hfe hre/(1/ RL+ hoe) 输入阻抗是放大器的个 重要指标。 Ri的值越大越好。Ri+-RsUsRbUoUiRLIiIoRs+-Us2.电流增益AI：3.电压增益AU：IoIiUiUo前面求过4.输出阻抗Ro：Rs

11、Io输出阻抗可按下图求解，图中作如下处理：(1).将输入信号Us短路，保留 Rs。(2).将负载RL开路，外加激励 Uo ，产生电流Io。Ro则：Ii输入：RsIi+hieIi+hreUo=0可得：UoUo(二) 简化h参数模型微变等效电路 简化的三极管h参数模型，如图所示。图中作了两处忽略： hre反映管子内部反馈因数量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce为电导量纲，与电 并联时分流极小，可作开路 处理。图 03.19 三极管简化h参数模型1. h参数微变等效电路简化模型:(二) 简化h参数模型微变等效电路 简化的三极管h参数模型，如图所示。图中作了两处忽略： hre反映管子内部反馈因数

12、量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce为电导量纲，与电 并联时分流极小，可作开路 处理。图 03.19 三极管简化h参数模型1. h参数微变等效电路简化模型:RsUs+-UihieRbUoRLRchfeIih参数等效电路RiR0R0Ri2.用简化h参数模型分析共射电路：IiIo(1).输入电阻Ri：Ri=Ui/Ii= hie; Ri= RbRi (2).电流增益AI：(3).电压增益AU：(4).输出电阻Ro:Ro= Ro Rc; Ro =3.模型中的主要参数的估算： hie 三极管的交流输入电阻 根据二极管的方程式对于三极管的发射结求发射结的动态电导，b相当基区内一个点，b是基极。 re

13、bVT / iE ; re=rebQVT /IEQ=26mV/ IEQhie= rbeQ= rbb + VT / iE300+26mV/ IEQ 对于小功率三极管rbb 300，相当于基区的体电阻。结论：(1)输入电阻hie随hfe增大而增大，所以hfe大的管AU降低。(2)输入电阻hie与Ie有关, Ie增大hie降低，AU增大 。 hfeIb输出电流源 表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性。四.放大器工作点稳定问题由于温度变化管子参数发生变化 Q漂移，称为温漂。(一).晶体管参数的温度漂移：(1)晶体管的门限电压Ube的温漂：温度系数 Ube/ t:锗：-

14、2.1mv/oc;硅：-2.3mv/ocT载流子扩散速度 基区电流(复和机会) ICQ(2)晶体管 的温漂：T禁带宽度空间电荷区 UbeIBQ(=Ec-Ube)ICQ(3)晶体管Icbo 的温漂：T少子运动ICBQ)ICQ(= IBQ +(1+ ) Icbo )温度系数 / ( t )=(0.51)/oc任意温度时Icbo (toc)= Icbo (20oc)2(t-20)/10综上所述：T ，ICBO，Ube ICQ= IBQ +(1+ ) Icbo 最终导致静态工作点Q升高。(二) 共射偏置电路分压式电流负反馈稳定偏置电路如图所示:共射偏置电路UBI1图中作如下假设：(2). UB 为Rb

15、1. Rb2分压而得(1).设I1 IbQ， IbQ=0。Rb1和Rb2系偏置电阻。C1 、C2是耦合电容。RC是集电极负载电阻。Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容。组成：1.静态分析电路的直流通路如图所示：基本放大电路的直流通路UCE=VccICRcIERe= VccIC(Rc+Re)静态计算如下：IeQ=(UB UBE)/ ReUB= Ucc Rb2 / (Rb1+Rb2)IBQ= IeQ /ICQ IeQUBIeQUCE2. 动态分析根据图画微变等效电路，有:输出电阻Ro:Ro = rceRCRC输入电阻Ri = rbe / Rb1/ Rb2rbe = rbb +(1+)26mV/

16、IE =300+(1+)26mV/ IE电压放大倍数Av = RL / rbe根据图03.04(a)求输出电阻的原理，应将微变等效电路的输入端短路，将负载开路。在输出端加一个等效的输出电压。于是输出电阻RoRo = rceRCRC bUcc Ui Uce Uo (a)共集组态放大电路 (b) 直流通道第四节 共集组态基本放大电路共集电极组态基本放大电路如图(a)所示：(1)直流分析 直流通道如图，则有： IB=( UCCUBE)/ Rb+(1+)Re IC=IB UCE= UCCIERe= UCCICRe(2)交流分析CC放大电路的微变等效电路如图所示。中频电压放大倍数: 输入电阻 Ri=Rb

17、1/ Rb2 /rbe +(1+)RL ) RL = RL / Re CC组态微变等效电路输出电阻输出电阻可由图求出:求Ro的微变等效电路将输入信号短路，负载开路，由所加的等效输出信号Uo，求出输出电流Io第五节 共基组态基本放大电路共基组态放大电路，及其直流通道如图所示。(1)直流分析 （与共射组态相同）共基组态放大电路 共基电路的直流通道(2)交流分析共基极组态放大电路的微变等效电路如图所示：CB组态微变等效电路电压放大倍数 =RL / rbe输入电阻 = rbe Re = rbe /(1+) 输出电阻 Ro RC 第六节 多级放大电路多级放大电路概述一、二、直接耦合多级放大电路三、多级放

18、大电路电压放大倍数的计算四、变压器耦合的特点多级放大电路的放大倍数(一)耦合形式(二)零点漂移一 多级放大电路概述(一) 极间耦合方式多级放大电路的级联，产生极间耦合问题。放大电路的级间耦合:必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。直接耦合:耦合电路采用直接连接或电阻连接，电抗性元件耦合:级间采用电容或变压器耦合。根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。特点：直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。特点：电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。耦合电路的简化形式如图所示:直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互

19、相影响，应认真加以解决。 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合 耦合电路的形式(二) 零点漂移(1).零点漂移:是三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。产生零点漂移的主要原因是温度,所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。将一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如 V/C 或 V/min 。(三) 直接耦合放大电路的构成 直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。电位移动直接耦合放大电路NPN+PNP组合电平

20、移动直接耦合放大电路电流源电平移动放大电路(1)(2)(3)电位移动直接耦合放大电路(1)1. 集电极电位会逐级提高，后面的放大级要加入较大的射极电阻，而无法设置正确的工作点。2. 该方式只适用级数较少的电路。将基本放大电路前后级直接连接，如图所示。 图07.02 前后级的直接耦合 UC1=UB2UC2= UB2+ UCB2UB2(UC1)由上式可知：(2)NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，如图07.03所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。 图07.03 NPN和PNP管组合(3)电流源电平移动放大电路但电