1、第二章 雙極型晶體二極管及基本放大電路雙極型晶體三極管放大器的工作原理放大電路的分析方法共集放大電路共基放大電路極間耦合方式第一節第二節第三節第四節第五節第六節 半導體三極管有兩大類型: 雙極型半導體三極管 場效應半導體三極管一 晶體三極管的工作原理雙極型半導體三極管是由兩種載流子參與導電的半導體器件，它由兩個 PN 結組合而成，是電流控制電流(CCCS)器件。 場效應管僅由一種載流子參與導電，是電壓控制電流(VCCS)器件。第一節 雙極型晶體三極管 7/24/2022（一） 晶體三極管的結構（二） 晶體三極管內部載流子傳輸過程（三） 晶體三極管的電流關系（四） 晶體三極管的特性曲線（五） 晶

2、體三極管的參數（六） 晶體三極管的型號 一.晶體三極管的工作原理7/24/2022圖 02.01 兩種極性的雙極型三極管（一） 晶體三極管的結構雙極型半導體三極管的結構示意圖如圖02.01所示。分兩種類型:NPN型和PNP型：E-B間的PN結稱為發射結(Je) C-B間的PN結成為集電結(Jc) 稱為基區，加上電極稱為基極，用B或b表示（Base）； 稱為發射區，電極稱為發射極，用E或e表示（Emitter）； 稱為集電區和集電極，用C或c表示（Collector）。7/24/20221.符號：雙極型三極管的符號如圖:發射極的箭頭代表發射極電流的實際方向。2.特點: （1）.發射區的摻雜濃度大

3、。 （2）.集電區摻雜濃度低，且集電結面積大。 （3）.基區要制造得濃度低，且很薄。 （其厚度一般在幾個微米至幾十個微米）（二）.三極管內部載流子的傳輸過程1.三極管具有放大功能的條件： 必須滿足：(1).內部條件: 發射區濃度高，基區濃度低且薄。(2).外部條件:發射結加正向電壓,集電結加反向電壓。1.使三極管的發射區向基區注入電子;2.通過發射結位壘的控制和基區的傳送;3.最后由集電極收集電子。結 論7/24/2022 (1).由于發射結正偏，將有大量的電子從發射基區擴散，形成的電流為IEN。(3). 電子流在基區停留時間很短，在集電結反偏電壓作用下,很快進入集電結的結電場區域，被集電極收

4、集，形成集電極電流ICN。圖 02.02 三極管的電流傳輸關系(2). 基區向發射區也有空穴的擴散運動，但數量小，形成的電流為IEP，只有少數電子在基區被復合，形成的電流是IBN。2. 載流子的傳輸過程:另外因集電結反偏，使集電結區的少子形成漂移電流ICBO綜上所述,可得如下電流關系式: 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. 發射區摻雜

5、濃度高，基區很薄，是保證三極管能夠實現電流放大的關鍵。2. 兩個PN結對接，相當基區很厚，所以沒有電流放大作用。3. 基區從厚變薄，是兩個PN結演變為三極管從量變引起質變的過程。結 論（三）三極管共基連接電流分配關系1. 三種組態： 三極管有三個電極，兩個為輸入, 兩個為輸出，必然有一個極是公共電極。共有三種接法也稱三種組態：(2).共基極接法:基極作為公共電極，用CB表示。(1).共射極接法:射極作為公共電極，用CE表示；圖 02.03 三極管的三種組態(3).共集電極接法：集電極作為公共電極，用CC表示7/24/20222.三極管的電流放大系數為表示集電極電流IC和發射極電流IE之間的關系

6、，定義了共基接法時的直流電流放大系數:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 1=IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB定義共發射極接法直流電流放大系數:IC=ICN+ICBO= IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO由于:3.共射極連接時工作原理若：rbe=1k,RL=1k ,=100, 則 ：AU=100.有很小的Ui引起Ib 明顯的變化，導致 Ic較大的變化 ，從而引起較大的Uo變化，以此體現放大作用。輸入電壓Ui; 輸出電壓Uo 共射極電路的電壓增益為： Uo Ui二. 雙極型半導體三極管的特性曲線B是輸入極，C是輸出極，E是公共極。所以

7、曲線是共射極接法的特性曲線。iB是輸入電流，vBE是輸入電壓。 iC是輸出電流，vCE是輸出電壓。 輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE=const 輸出特性曲線iC=f(vCE) iB=const共發射極接法三極管的特性曲線:7/24/2022圖02.04 共發射極接法的電壓電流關系共射極接法的供電電路和電壓電流關系如圖:(3). UCE 1V或再增加時: 曲線的右移是三極管內部基區調制效應; 右移不明顯說明基區調制效應 很弱。輸入特性曲線的分區： 死區 非線性區 線性區1. 輸入特性曲線圖02.05 共射接法輸入特性曲線(1).當UCE=0V時: 相當于PN結的正向特性曲線。(2).當

8、UCE=1V時: UCB= UCE - UBE0，集電結進入反偏狀態，開始收集電子，且基區復合減少， IC / IB增大，特性曲線將向右移動一些。(3). UCE 1V或再增加時: 曲線右移不明顯。曲線的右移是三極管基區調制效應; 右移不明顯說明基區調制效應很弱。輸入特性曲線的分區： 死區 非線性區 線性區1. 輸入特性曲線圖02.05 共射接法輸入特性曲線(1).當UCE=0V時: 相當于PN結的正向特性曲線。(2).當UCE=1V時: UCB= UCE - UBE0，集電結進入反 偏狀態，開始收集電子，且基區復合減少， IC / IB增大，特性曲線將向右移動一些。2.輸出特性曲線(1).當

9、UCE=0V時:集電極無收集作用，iC=0。VCE剛增大時，發射結雖處于正向電壓下，但集電結反偏電壓很小，如: UCE 1V; UBE=0.7V UCB= UCE- UBE=0.7V集電區收集電子的能力很弱。iC主要由UCE決定。圖02.06 共射極接法輸出特性曲線共射極接法的輸出特性曲線:為以iB為參變量的一族特性曲線，現以其中任何一條為例:圖02.06 共發射極接法輸出特性曲線（3）.UCE再增加時： 電流無明顯增加。特性曲線進入與UCE軸基本平行的區域 (這與輸入特性曲線隨UCE增大而右移的原因是一致的) （2）.UCE 1V時： 如：UBE 0.7V，運動到集電的電子基本上都被收集。輸

10、出特性曲線Ubehre則：Rb可視為開路把三極管用h等效電路代替，可得放大器的等效電路。如圖： Rs+-Us+-RsUsRbUoUiRLIiIoRs+-Us1.輸入電阻Ri：UiRi=Ui/Ii= hie+ hre Uo/ Ii UoUi= Ii hie+ hre UoUo= -Io RL=-( hie Ii+ hie Uo) RL聯立求得帶入上式得：Ri= hie+ hfe hre/(1/ RL+ hoe) 輸入阻抗是放大器的個 重要指標。 Ri的值越大越好。Ri+-RsUsRbUoUiRLIiIoRs+-Us2.電流增益AI：3.電壓增益AU：IoIiUiUo前面求過4.輸出阻抗Ro：Rs

11、Io輸出阻抗可按下圖求解，圖中作如下處理：(1).將輸入信號Us短路，保留 Rs。(2).將負載RL開路，外加激勵 Uo ，產生電流Io。Ro則：Ii輸入：RsIi+hieIi+hreUo=0可得：UoUo(二) 簡化h參數模型微變等效電路 簡化的三極管h參數模型，如圖所示。圖中作了兩處忽略： hre反映管子內部反饋因數量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce為電導量綱，與電 并聯時分流極小，可作開路 處理。圖 03.19 三極管簡化h參數模型1. h參數微變等效電路簡化模型:(二) 簡化h參數模型微變等效電路 簡化的三極管h參數模型，如圖所示。圖中作了兩處忽略： hre反映管子內部反饋因數

12、量 很小，可以忽略。 hoe =1/rce為電導量綱，與電 并聯時分流極小，可作開路 處理。圖 03.19 三極管簡化h參數模型1. h參數微變等效電路簡化模型:RsUs+-UihieRbUoRLRchfeIih參數等效電路RiR0R0Ri2.用簡化h參數模型分析共射電路：IiIo(1).輸入電阻Ri：Ri=Ui/Ii= hie; Ri= RbRi (2).電流增益AI：(3).電壓增益AU：(4).輸出電阻Ro:Ro= Ro Rc; Ro =3.模型中的主要參數的估算： hie 三極管的交流輸入電阻 根據二極管的方程式對于三極管的發射結求發射結的動態電導，b相當基區內一個點，b是基極。 re

13、bVT / iE ; re=rebQVT /IEQ=26mV/ IEQhie= rbeQ= rbb + VT / iE300+26mV/ IEQ 對于小功率三極管rbb 300，相當于基區的體電阻。結論：(1)輸入電阻hie隨hfe增大而增大，所以hfe大的管AU降低。(2)輸入電阻hie與Ie有關, Ie增大hie降低，AU增大 。 hfeIb輸出電流源 表示三極管的電流放大作用。反映了三極管具有電流控制電流源CCCS的特性。四.放大器工作點穩定問題由于溫度變化管子參數發生變化 Q漂移，稱為溫漂。(一).晶體管參數的溫度漂移：(1)晶體管的門限電壓Ube的溫漂：溫度系數 Ube/ t:鍺：-

14、2.1mv/oc;硅：-2.3mv/ocT載流子擴散速度 基區電流(復和機會) ICQ(2)晶體管 的溫漂：T禁帶寬度空間電荷區 UbeIBQ(=Ec-Ube)ICQ(3)晶體管Icbo 的溫漂：T少子運動ICBQ)ICQ(= IBQ +(1+ ) Icbo )溫度系數 / ( t )=(0.51)/oc任意溫度時Icbo (toc)= Icbo (20oc)2(t-20)/10綜上所述：T ，ICBO，Ube ICQ= IBQ +(1+ ) Icbo 最終導致靜態工作點Q升高。(二) 共射偏置電路分壓式電流負反饋穩定偏置電路如圖所示:共射偏置電路UBI1圖中作如下假設：(2). UB 為Rb

15、1. Rb2分壓而得(1).設I1 IbQ， IbQ=0。Rb1和Rb2系偏置電阻。C1 、C2是耦合電容。RC是集電極負載電阻。Re是發射極電阻，Ce是Re的旁路電容。組成：1.靜態分析電路的直流通路如圖所示：基本放大電路的直流通路UCE=VccICRcIERe= VccIC(Rc+Re)靜態計算如下：IeQ=(UB UBE)/ ReUB= Ucc Rb2 / (Rb1+Rb2)IBQ= IeQ /ICQ IeQUBIeQUCE2. 動態分析根據圖畫微變等效電路，有:輸出電阻Ro:Ro = rceRCRC輸入電阻Ri = rbe / Rb1/ Rb2rbe = rbb +(1+)26mV/

16、IE =300+(1+)26mV/ IE電壓放大倍數Av = RL / rbe根據圖03.04(a)求輸出電阻的原理，應將微變等效電路的輸入端短路，將負載開路。在輸出端加一個等效的輸出電壓。于是輸出電阻RoRo = rceRCRC bUcc Ui Uce Uo (a)共集組態放大電路 (b) 直流通道第四節 共集組態基本放大電路共集電極組態基本放大電路如圖(a)所示：(1)直流分析 直流通道如圖，則有： IB=( UCCUBE)/ Rb+(1+)Re IC=IB UCE= UCCIERe= UCCICRe(2)交流分析CC放大電路的微變等效電路如圖所示。中頻電壓放大倍數: 輸入電阻 Ri=Rb

17、1/ Rb2 /rbe +(1+)RL ) RL = RL / Re CC組態微變等效電路輸出電阻輸出電阻可由圖求出:求Ro的微變等效電路將輸入信號短路，負載開路，由所加的等效輸出信號Uo，求出輸出電流Io第五節 共基組態基本放大電路共基組態放大電路，及其直流通道如圖所示。(1)直流分析 （與共射組態相同）共基組態放大電路 共基電路的直流通道(2)交流分析共基極組態放大電路的微變等效電路如圖所示：CB組態微變等效電路電壓放大倍數 =RL / rbe輸入電阻 = rbe Re = rbe /(1+) 輸出電阻 Ro RC 第六節 多級放大電路多級放大電路概述一、二、直接耦合多級放大電路三、多級放

18、大電路電壓放大倍數的計算四、變壓器耦合的特點多級放大電路的放大倍數(一)耦合形式(二)零點漂移一 多級放大電路概述(一) 極間耦合方式多級放大電路的級聯，產生極間耦合問題。放大電路的級間耦合:必須要保證信號的傳輸，且保證各級的靜態工作點正確。直接耦合:耦合電路采用直接連接或電阻連接，電抗性元件耦合:級間采用電容或變壓器耦合。根據輸入信號的性質，就可決定級間耦合電路的形式。特點：直接耦合電路可傳輸低頻甚至直流信號，因而緩慢變化的漂移信號也可以通過直接耦合放大電路。特點：電抗性元件耦合，只能傳輸交流信號，漂移信號和低頻信號不能通過。耦合電路的簡化形式如圖所示:直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互

19、相影響，應認真加以解決。 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)變壓器耦合 耦合電路的形式(二) 零點漂移(1).零點漂移:是三極管的工作點隨時間而逐漸偏離原有靜態值的現象。產生零點漂移的主要原因是溫度,所以有時也用溫度漂移或時間漂移來表示。工作點參數的變化往往由相應的指標來衡量。將一定時間內，或一定溫度變化范圍內的輸出級工作點的變化值除以放大倍數，即將輸出級的漂移值歸算到輸入級來表示的。例如 V/C 或 V/min 。(三) 直接耦合放大電路的構成 直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，這是構成直接耦合多級放大電路時必須要加以解決的問題。電位移動直接耦合放大電路NPN+PNP組合電平

20、移動直接耦合放大電路電流源電平移動放大電路(1)(2)(3)電位移動直接耦合放大電路(1)1. 集電極電位會逐級提高，后面的放大級要加入較大的射極電阻，而無法設置正確的工作點。2. 該方式只適用級數較少的電路。將基本放大電路前后級直接連接，如圖所示。 圖07.02 前后級的直接耦合 UC1=UB2UC2= UB2+ UCB2UB2(UC1)由上式可知：(2)NPN+PNP組合電平移動直接耦合放大電路級間采用NPN管和PNP管搭配的方式，如圖07.03所示。由于NPN管集電極電位高于基極電位，PNP管集電極電位低于基極電位，它們的組合使用可避免集電極電位的逐級升高。 圖07.03 NPN和PNP管組合(3)電流源電平移動放大電路但電