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第 2 章 三极管基本放大器应用

C. P. C. N. C. N. B. P. B. P. B. N. E. E. E. 第 2 章 三极管基本放大器应用. 2.1 双极型半导体三极管. 2.1.1 晶体三极管. 一、结构与符号. collector. 集电极 C. — 集电区. 集电结. 基极 B. — 基区. 发射结. base. — 发射区. PNP 型. NPN 型. 发射极 E. emitter. 分类：. 按材料分： 硅管、锗管. 按结构分： NPN 、 PNP. 小功率管 < 500 mW. 高频管. 按使用频率分.

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第 2 章 三极管基本放大器应用

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Presentation Transcript

  1. C P C N C N B P B P B N E E E 第2章 三极管基本放大器应用 2.1 双极型半导体三极管 2.1.1 晶体三极管 一、结构与符号 collector 集电极C — 集电区 集电结 基极B — 基区 发射结 base — 发射区 PNP型 NPN型 发射极E emitter 分类： 按材料分：硅管、锗管 按结构分：NPN、PNP 小功率管 < 500 mW 高频管 按使用频率分 按功率分 中功率管 500 mW 1 W 低频管 大功率管 > 1 W

  2. E C B B E C uo uo ui ui C E B ui uo RB RC RE uo uo ui RC ui 二、电流放大原理 1. 三极管放大的条件 发射区掺杂浓度高 发射结正偏 外部 条件 内部 条件 基区薄且掺杂浓度低 集电结反偏 集电结面积大 2. 满足放大条件的三种电路 共基极 共发射极 共集电极 实现电路

  3. 3. 三极管内部载流子的传输过程 1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流IE I C I CN ICBO （基区空穴运动因浓度低而忽略） 2) 电子到达基区后 I B 大部分向BC结方向扩散，形成ICN 少部分与空穴复合，形成 IBN 。 基区空穴来源： I BN 基极电源提供( IB ) 集电区少子漂移 (ICBO) I E 即： I BN I B + I CBO IB = IBN–ICBO 3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 I C I C=ICN +ICBO

  4. 4. 三极管的电流分配关系 IC = ICN + ICBO IB = IBNICBO 当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结 面积等确定，故电流的比例关系确定，即： 穿透电流 IE = IC + IB

  5. iC C iB B +uCE  RC + uBE  RB E +  +  +  VCC iB VBB IE RB + uBE  VBB +  VBB +  O 2.1.2 晶体三极管的特性曲线 一、输入特性 输出 回路 输入 回路 与二极管特性相似 特性右移（因集电结开始吸引电子） 特性基本重合（电流分配关系确定） 取 0.7 V Si 管: 0.6  0.8 V 导通电压 UBE（on） Ge管: 0.2  0.3 V 取 0.2 V

  6. iC/ mA 4 3 2 1 50 µA 40µA 30 µA 20 µA 10 µA IB =0 uCE/V O 2 4 6 8 二、输出特性 1. 截止区：I B  0的区域 条件：两个结反偏 2. 放大区： 饱 和 区 条件：发射结正偏 放大区 集电结反偏 特点：水平、等间隔 uCEuBE 3. 饱和区： uCB = uCEuBE 0 截止区 条件：两个结正偏 1) I C IB 特点： uCE= uBE 2) 临界饱和： U CE（SAT）= 0.3 V (硅管) 3) 深度饱和： U CE（SAT）=0.1 V (锗管)

  7. iC T2 > T2 O iB = 0 uCE 三、温度对特性曲线的影响 1. 温度升高,输入特性曲线向左移 T2 T2 > 温度每升高1C，UBE 2  2.5 mV 温度每升高10 C，ICBO约增大1倍 2. 温度升高,输出特性曲线向上移 温度每升高1 C，0.5%  1% 输出特性曲线间距增大

  8. iC/ mA 50 µA 40µA 30 µA 20 µA 10 µA IB =0 4 3 2 1 uCE/V O 2 4 6 8 2.1.2 晶体三极管的主要参数 一、电流放大系数 1. 共发射极电流放大系数 — 直流电流放大系数  — 交流电流放大系数 P33 例2.1.2 一般为几十  几百 2. 共基极电流放大系数  1 一般为 0.95  0.99 二、极间反向饱和电流 CE间反向饱和电流 ICEO CB间反向饱和电流ICBO

  9. iC ICM 安 全 工 作 区 PCM ICEO uCE O U(BR)CEO 三、极限参数 (P342.1.7)已知: ICM = 20 mA, PCM= 100 mW, U(BR)CEO = 20 V, 当UCE =10V时，IC <mA 当UCE=1V，则 IC <mA 当IC=2 mA，则 UCE <V 10 20 20 1. ICM— 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低 PC = iC uCE 2. PCM — 集电极最大允许功率损耗 3. U（BR）CEO— 基极开路时 C、E 间反向击穿电压 U(BR)CBO—发射极开路时 C、B 间反向击穿电压 U(BR)EBO—集电极极开路时 E、B间反向击穿电压 > U(BR)CEO > U(BR)EBO U(BR)CBO

  10. 2.3 半导体三极管电路的基本分析方法 一、分析三极管电路的基本思想和方法 基本思想： 根据叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分 直流通路(ui = 0)称为静态 只考虑变化的电压和电流 交流通路(ui 0, 动态) 1. 固定不变的电压源都视为短路 画交流通路原则： 2. 固定不变的电流源都视为开路 3. 视电容对交流信号短路 基本方法： 在输入、输出特性图上画交、直流负载线， 求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。 图解法： 解析法： 根据发射结导通压降估算“Q” 用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。

  11. u o t 二、电量的符号表示规则 AA A — 主要符号A — 下标符号 大写表示电量与时间无关（直流、平均值、有效值） A 小写表示电量随时间变化（瞬时值） 大写表示直流量或总电量（总最大值，总瞬时值） A 小写表示交流分量 总瞬时值 交流瞬时值 直流量 直流量往往在下标中加注Q 交流有效值

  12. iB/A iC RB iB RC + uCE – + uBE  + – + – VCC VBB 3V 5V uBE/V iC/mA Q uCE/V 2.3.1 直流分析 输入回路图解 一、图解分析法 VBB/RB Q 静态工作点 IBQ 1k 20 115k 0.7 VBB UBEQ 输入直流负载线方程: 输出回路图解 uBE = VBB  iBRB VCC/RC 输出直流负载线方程: iB=20A uCE = VCC  iCRC ICQ 2 二、工程近似分析法 VCC 3 UCEQ

  13. iC iB VBB RB Q Q uBE uCE VCC VBB iC iB Q Q ICQ VCC RC uBE uCE UCEQ VCC 三、电路参数对静态工作点的影响 1. 改变RB，其它参数不变 R BiB  Q 趋近截止区 R BiB Q 趋近饱和区 2. 改变RC ，其它参数不变 RCQ趋近饱和区

  14. iC RB iB RC + uCE – + uBE  + – VCC + – VBB 3V 5V VCC iC/mA 60A RC 50A C +  4 40A VCC 30A +  3 RB B S RC 20A 2 10A C E +  1 iB=0 uCE/V RB B S E 例2.3.1 设RB = 38 k, 求VBB = 0 V、3V时的 iC、uCE。 VBB= 0 V [解] 则iB  0 iC 0 uCE 5 V VBB = 3 V uCE 0.3 V  0 iC  5 mA 5 判断是否饱和 iC = VCC /RC 临界饱和电流: iC  0 iB iB  0 5 uCE 5V 0.3 uCE  0 若iB > IBS，则三极管饱和 饱和状态的等效 截止状态的等效

  15. RD iD D + uO – + VDD – G S RG RS 例2.3.2耗尽型N沟道MOS管，RG = 1 M，RS= 2 k，RD= 12 k，VDD = 20 V。IDSS = 4 mA，UGS（off）= – 4V， 求 iD 和 uO 。  iG = 0  uGS = iDRS uGS = – 8 V < UGS(off) iD1= 4 mA 增根 iD2= 1 mA uGS = – 2V uDS = VDD –iD(RS + RD)= 20 – 14 = 6 (V) 在放大区 uO = VDD –iDRD = 20 – 14 = 8 (V)

  16. A B iC iC iB iB RC + uCE – + uCE – RB + uBE  + uBE  + – VCC + – VBB 2.3.2 交流分析 一、图解分析法 线性 非线性 线性 (A左) 输入回路 (A右) (B左) 输出回路 (B右)

  17. iC + uCE  iB C1 RC RL RS + uBE – RB + – + – + – VCC uS VBB iC/mA iB/A iC iB ic ib 50 5 Q' 50 4 Q 40 3 Q’’ 30 2 20 uBE/V iB=10 A 1 UCEQ t t uCE/V uCE/V uce uBE/V t t 例2.3.3 硅管，ui= 10 sin t (mV)，RB = 176 k， RC = 1 k VCC = VBB = 6 V，图解分析各电压、电流值。 令ui = 0，求静态电流 IBQ [解] 直流负载线 （交流负载线） 6 30 ICQ IBQ Q 6 0.7V ui Ucem

  18. 直流负载线 （交流负载线） iB/A 6 30 ICQ IBQ Q uBE/V 6 0.7V ui Ucem iC/mA iC iB ic ib 60 5 Q' 50 4 Q 40 3 Q’’ 30 2 20 iB=10 A 1 UCEQ t t uCE/V uCE/V uce uBE/V t t 1)当ui = 0, uBE = UBEQ , iB = IBQ , iC = ICQ, uCE = UCEQ

  19. iC iC iB iB ic ib Q Q uCE t O O O t uBE/V uCE O uBE/V uce ui t t 放大电路的非线性失真问题 因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。 1. “Q” 过低引起截止失真 交流负载线 NPN管： 顶部失真为截止失真 PNP管： 底部失真为截止失真 不发生截止失真的条件:IBQ > Ibm

  20. 集电极临界 饱和电流 iC iC Q uCE t O uCE t 2. “Q” 过高引起饱和失真 NPN管： 底部失真为饱和失真 ICS PNP管： 顶部失真为饱和失真 V’CC IBS — 基极临界饱和电流 不接负载时，交、直流负载线重合，V’CC= VCC 不发生饱和失真的条件： IBQ + I bm  IBS

  21. +VCC RC C2 + RB iC + uo  C1 iB + V +  RL ui 饱和失真的本质： 负载开路时： 受RC 的限制，iB 增大，iC 不可能超过VCC/RC 。 接负载时： 受R’L的限制，iB 增大，iC 不可能超过V’CC/R’L 。 (R’L= RC //RL)

  22. 选择工作点的原则： 当 ui 较小时，为减少功耗和噪声，“Q”可设得低一些； 为提高电压放大倍数，“Q”可以设得高一些； 为获得最大输出，“Q”可设在交流负载线中点。

  23. ib ic ic C C B ib + uce – + uce  + ube  B  ic rbe + ube – E E 2.3.2 交流分析 二、小信号等效分析法(微变等效) 1. 晶体三极管电路小信号等效电路分析法 (1) 晶体三极管H (Hybrid)参数小信号模型 三极管电路可当成 双口网络来分析 从输入端口看进去，相当于电阻rbe rbe— Hie 从输出端口看进去为一个受ib控制的电流源 ic= ib  — Hfe

  24. iC C2 + uo  + uCE  C1 iB RC RL + uBE – RB RS + – + – + – VCC uS VBB (2) 晶体三极管交流分析 步骤： 1. 分析直流电路，求出“Q”，计算rbe。 2. 画电路的交流通路 。 3. 在交流通路上把三极管画成H 参数模型。 4. 分析计算叠加在“Q” 点上的各极交流量。 例2.3.4= 100，uS= 10sin t (mV)，求叠加在“Q” 点上的各交流量。 [解] 令ui = 0，求静态电流 IBQ 1. 求“Q”，计算 rbe 470k 2.7k 3.6k 510 12V 12V

  25. ic ib + uo  C B + ube  RS RB rbe RL + – us  ic RC E iC C2 + uo  + uCE  C1 iB RC RL + uBE – RB RS + – + – + – VCC uS VBB 3.小信号等效 2. 交流通路 uce ube 5. 分析各极总电量 4. 分析各极交流量 uBE = (0.7 + 0.0072sint)V iB = (24 + 5.5sint )A iC = ( 2.4 + 0.55sint) mA uCE = ( 5.5 –0.85sint) V

  26. id D G + uds  + ugs  rgs gmugs id D G S + ugs  + uo  RD D + ui  S + uO – gmugs RD G iD RD S RS RG D id RS + uO – + VDD – G VGG +  ui S RG RS +  +  VGG ui +  2. 场效应管电路小信号等效电路分析法 小信号模型 从输入端口看入，相当于电阻rgs() 从输出端口看入为受ugs控制的电流源 id = gmugs 例2.3.4 gm= 0.65 mA/V, ui= 20sint (mV), 求交流输出uo。 10k 4k 小信号等效电路 交流通路 ui = ugs+ gmugsRS ugs= ui / (1+gmRS) uo = – gmugsRD / (1 + gmRS) = –36sin t (mV)

  27. E B C E C E C B B 2.4 半导体三极管的测试与应用 2.4.1 半导体三极管使用基本知识 一、外型及引脚排列

  28. 1k 1k E E C C B B 二、万用表检测晶体三极管的方法 1. 根据外观判断极性 2. 插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚 3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏 PN结正偏时电阻值较小(几千欧以下) 反偏时电阻值较大(几百千欧以上) 指针式万用表 注意事项: 红表笔是(表内)负极 , 黑表笔是(表内)正极 在 R1k 挡进行测量 测量时手不要接触引脚

  29. 数字万用表 1. 可直接用电阻挡的PN结挡分别测量判断两个结 的好坏 2. 插入三极管挡(hFE)，测量  值或判断管型及管脚 注意事项: 红表笔是(表内)正极 , 黑表笔是(表内)负极 NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔 需要准确测量  值时，应先进行校正 三、晶体三极管的选用 1. 根据电路工作要求选择高、低频管 2. 根据电路工作要求选择PCM、 ICM、 U(BR)CEO 应保证： PC > PCｍ ICM > ＩCｍ U（BR）CEO > ＶCＣ 3. 一般三极管的  值在40~100之间为好, 9013、9014等 低噪声、高 的管子不受此限制….. 4. 穿透电流 ICEO越小越好，硅管比锗管的小

  30. 附录：半导体器件的命名方式 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 字母(汉拼) 字母(汉拼) 数字 字母(汉拼) 数字 材料和极性 器件类型 器件序号 规格号 电极数 P — 普通管 A — 锗材料N型 2—二极管 W — 稳压管 B — 锗材料P型 Z — 整流管 C — 硅材料N型 K — 开关管 D — 硅材料P型 U — 光电管 A — 锗材料PNP X — 低频小功率管 3—三极管 G — 高频小功率管 B — 锗材料NPN D — 低频大功率管 C — 硅材料PNP A — 高频大功率管 D — 硅材料NPN 2CP 2AP 2CZ 2CW 例如: 3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK 9011  9018 常用小功率进口三极管

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