模电的电子教程

2.1半导体三极管2.3放大电路的分析方法2.5放大电路静态工作点的稳定问题2.4共集电极放大电路和共基极放大电路2.2共射极放大电路的工作原理2.6多级放大电路2.1半导体三极管2.1.1BJT的结构简介2.1.2放大状态下BJT的工作原理2.1.3BJT的V－I特性曲线2.1.4BJT的主要参数2.1.1BJT的结构简介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。2.1.1BJT的结构简介(a)NPN型管结构示意图(b)PNP型管结构示意图(c)NPN管的电路符号(d)PNP管的电路符号结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图集成电路中典型NPN型BJT的截面图2.1.1BJT的结构简介三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏集电结反偏2.1.2放大状态下BJT的工作原理1.内部载流子的传输过程发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子集电区：收集载流子(以NPN为例）IC=ICN+ICBOIE=IB+IC各极电位关系：NPN管：VCVBVEPNP管：VCVBVE由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。放大状态下BJT中载流子的传输过程因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散少数载流子的运动扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。2.电流分配关系传输到集电极的电流设发射极注入电流CNEII即根据传输过程可知IC=ICN+ICBO通常ICICBOCEII则有为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般=0.90.99。IE=IB+IC放大状态下BJT中载流子的传输过程CNCCBOBNBCBOIIIIII又设CCEOBIII则其中CCCEOBIIII当时，ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）2.电流分配关系(1)CBCBOBCEOIIIII是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般1。11或BCEIIICBIIEB(1)IIIE=IC+IBCEOBCIIICEOBE)1(III上述电流分配关系说明:BJT在发射结正偏,集电结反偏,而且保持不变时,输出电流IC(或者IE)正比于输入电流IE(或IB)。如果能控制输入电流，就能控制输出电流，所以常将BJT称为电流控制器件。利用这一个特性，可以把微弱的电信号加以放大。CBii共射极接法交流电流放大倍数CEii共基极接法交流电流放大倍数3.三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；BJT的三种组态共基极放大电路4.放大作用若vI=20mV电压放大倍数4920mVV98.0IOvvvA使iE=-1mA，则iC=iE=-0.98mA，vO=-iC•RL=0.98V，当=0.98时，+-bceRL1k共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvO=-iC•RL=-0.98V，4.放大作用举例vI=20mV若iB=20uA使设=0.98则mA98.01BBCiii电压放大倍数4920mVV98.0IOVvvA综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。2.1.3BJT的V-I特性曲线iB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线（以共射极放大电路为例）共射极连接饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。2.1.3BJT的V-I特性曲线晶体管的三个工作区域晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC。状态uBEiCuCE截止＜VonICEOVCC放大≥VonβiB≥vBE饱和≥Von＜βiB≤vBE2.1.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1.电流放大系数与iC的关系曲线(2)共发射极交流电流放大系数2.1.4BJT的主要参数1.电流放大系数β是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?|CCEBivi常数1.电流放大系数(3)共基极直流电流放大系数=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE(4)共基极交流电流放大系数αα=iC/iEvCB=const当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。2.1.4BJT的主要参数当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO2.极间反向电流ICEO(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。2.1.4BJT的主要参数即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。+bce-uAIe=0VCCICBO+bce-VCCICEOuA(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=ICVCE3.极限参数2.1.4BJT的主要参数是一个常数，在输出特性坐标平面中为双曲线中的一条3.极限参数2.1.4BJT的主要参数(3)反向击穿电压V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO2.1.5温度对BJT参数及特性的影响(1)温度对ICBO的影响温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。(2)温度对的影响温度每升高1℃，值约增大0.5%~1%。(3)温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。2.温度对BJT特性曲线的影响1.温度对BJT参数的影响endBEBBBECEO)(uiiuIT不变时，即不变时℃2.2共射极放大电路的工作原理2.2.1基本共射极放大电路的组成基本共射极放大电路VBB、Rb：使VBE＞Von，且有合适的IB。VCC：使VCE≥VBE，同时作为负载的能源。Rc：将ΔiC转换成ΔvCE(vo)。2.2.2基本共射极放大电路的工作原理1.静态(直流工作状态)直流通路bBEQBBBQRVVIBQCEOBQCQβIIβIIVCEQ=VCC－ICQRc输入电压vi为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、VBEQ、VCEQ。1.直流通路：①Vs=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。设置静态工作点的必要性输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？2.2.2基本共射极放大电路的工作原理2.动态输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。交流通路cIbcCEo()()sbeRvvviiuvv动态信号作用时：2.交流通路：①大容量电容相当于短路；②直流电源相当于短路（内阻为0）。2.3放大电路的分析方法2.3.1图解分析法2.3.2小信号模型分析法1.静态工作点的图解分析2.动态工作情况的图解分析3.非线性失真的图解分析4.图解分析法的适用范围1.BJT的H参数及小信号模型2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路3.小信号模型分析法的适用范围2.3.1图解分析法1.静态工作点的图解分析采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。共射极放大电路2.3.1图解分析法1.静态工作点的图解分析列输入回路方程列输出回路方程（直流负载线）VCE=VCC－iCRc首先，画出直流通路直流通路bBBBBERiVv在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。在输入特性曲线上，作出直线，两线的交点即是Q点，得到IBQ。bBBBBERiVv符号为“－”。反相，与给定uuAuuuuAuuiiuIOIOOCECBI)(bBIBBBERiuVuIuBBQBiIICiCEu斜率不变2.动态工作情况的图解分析根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE、iB的波形2.动态工作情况的图解分析ωtsinsmsVvbBsBBBERiVvv根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形2.动态工作情况的图解分析cCCCCERiVv2.动态工作情况的图解分析共射极放大电路中的电压、电流波形3.静态工作点对波形失真的影响截止失真的波形截止失真是在输入回路首先产生失真！消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。(可行？）减小Rb能消除截止失真吗？•饱和失真•消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，减小VBB，增大VCC。''Q'''QRb↑或β↓或VBB↓Rc↓或VCC↑：饱和失真是输出回路产生失真。2•最大不失真输出电压Vom：比较VCEQ与（VCC－UCEQ），取其小者，除以。这可不是好办法！4、放大电路的组成原则•静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。•动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。•对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。两种实用放大电路：（1）直接耦合放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，b1BEQRUU动态时，VCC和uI同时作用于晶体管的输入回路。将两个电源合二为一有直流分量有交流损失－＋UBEQ两种实用放大电路：（2）阻容耦合放大电路耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时，C1、C2上电压？CEQC2BEQC1UUUU，动态时，C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQuBE＝uI＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负