模拟电子技术(五) .pdf
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1、3.1.1 BJT的结构简介的结构简介 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理 3.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线 3.1.4 BJT的主要参数的主要参数 3.1 半导体三极管(半导体三极管(BJT) 3.1.1 BJT结构简介结构简介 1.三极管的构造核心:一块有两个相互联系的三极管的构造核心:一块有两个相互联系的 PN结单晶;示意图如下结单晶;示意图如下 发射区发射区 发射极发射极,用E或e 表示(Emitter) 发射结发射结(Je) 基极基极,用B或 b表示 (Base) 集电极集电极,用C或c 表示 (Collector) 集电区集电区 基区基区 集电结集电结
2、(Jc) 两种类型的三极管两种类型的三极管 2. 两种两种BJT类型类型NPN型和型和PNP型及其符号型及其符号 3.1.1 BJT简介 3. BJT制造工艺:合金法、扩散法制造工艺:合金法、扩散法 按材料:硅三极管、锗三极管 按用途:高频管、低频管、功率管、开关管 (国标) :国产三极管的命名方案 3.1.1 BJT简介 4. BJT的分类的分类 BJT的外形图的外形图 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理 结构特点:结构特点: 发射区的掺杂浓度最 高; 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; 集电区掺杂浓度低于发射 区,且面积大; 基区很薄,
3、一般在几个微 米至几十个微米,且掺杂 浓度最低。 基区很薄,一般在几个微 米至几十个微米,且掺杂 浓度最低。 管芯结构剖面图管芯结构剖面图 三极管的放大原理归结为 外部条件:发射结正偏,集电结反偏 三极管的放大原理归结为 外部条件:发射结正偏,集电结反偏发射结正偏,集电结反偏发射结正偏,集电结反偏 内部机制:内部机制:载流子传输载流子传输 发射区:发射载流子(发射区:发射载流子(IE) 基区:载流子复合( ) 基区:载流子复合(IB)与 扩散 集电区:收集扩散载流子 ( )与 扩散 集电区:收集扩散载流子 (InC)并存在反向漂 移电流( )并存在反向漂 移电流(ICBO) 载流子的传输过程载
4、流子的传输过程 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理 1. 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程 以上看出,三极管内有 两种载流子 以上看出,三极管内有 两种载流子(自由电子 和空穴 自由电子 和空穴)都参与导电, 故称为双极型三极管。 或 都参与导电, 故称为双极型三极管。 或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 (以 。 (以NPN为例)为例) 载流子的传输过程载流子的传输过程 发射极注入电流 传输到集电极的电流 设= 发射极注入电流 传输到集电极的电流 设= nC E i i =即 通常通常 inC ICBO C E i i 有 为电流放大系 数,
5、为电流放大系 数,与管子的结构尺 寸和掺杂浓度有关, 与管子的结构尺 寸和掺杂浓度有关, 一般一般 = 0.9 0.99 2. 电流分配关系2. 电流分配关系 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理 iC= inC+ ICBO iB= iB- ICBO iE=iB+ iC (1)三个电极电流总关系 (2)基极电流传输系数 (1)三个电极电流总关系 (2)基极电流传输系数 = 1 由由 是另一个电流放大 系数, 是另一个电流放大 系数,同样,它也与管子 的结构尺寸和掺杂浓度有 关。 同样,它也与管子 的结构尺寸和掺杂浓度有 关。一般一般 1 C E i i = 可得可得 C B i i =令 3
6、.1.2 BJT的电流分配与放大原理 EBC iii=+ (1) BE ii= 和 所以 和 所以 (3)集电极电流放大系数(3)集电极电流放大系数 (3)共集电极接法)共集电极接法,集电极作为公共电极,用,集电极作为公共电极,用CC表示表示; (2)共基极接法)共基极接法,基极作为公共电极,用,基极作为公共电极,用CB表示。表示。 (1)共发射极接法)共发射极接法,发射极作为公共电极,用,发射极作为公共电极,用CE表示;表示; BJT的三种组态的三种组态 3. 三极管的三种电路组态(原型电路)3. 三极管的三种电路组态(原型电路) 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理 电压增益(电压放大倍
7、数)电压增益(电压放大倍数) o V i V A V = 电流增益电流增益 o I i I A I = 互阻增益互阻增益 o R i V A() I = 互导增益互导增益 o G i I A(S) V = Rs 放大电路放大电路 IoIi + Vo + Vs + Vi RL 信号源信号源 负载负载 3. 放大作用简释 (1) 3. 放大作用简释 (1)模拟信号的放大(补模拟信号的放大(补 1.2.1) 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理 若若 vI= 20mV使使当 则则 电压放大倍数电压放大倍数 49 20mV V98. 0 I O V = = = v v A vO= - iCRL =
8、0.98 V, IB iE= -1 mA, iC = iE = -0.98 mA, = 0.98 时,时, (2) 共基极放大(2) 共基极放大 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理 RL ec b 1k 共基极放大电路共基极放大电路 VEE VCC VEB IEIC + - vI +vEB vO + - +iC +iE IB+iB + - + - b c e RL 1k 共射极放大电路 共射极放大电路共射极放大电路 VBB VCC VBE IB IE IC vI +vBE vO + - +iC +iE +iB vI= 20mV 设设 若若 则则 电压放大倍数电压放大倍数49 20mV V9
9、8 . 0 I O V = = = v v A iB= 20 uA vO= - iCRL = -0.98 V = 0.98 mA98. 0 1 B BC = = = i ii 使使 (3) 共射极放大(3) 共射极放大 3.1.2 BJT的电流分配与放大原理 两个条件两个条件 (1)内部条件: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。 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:外部条件: 发射结正向偏置, 集电结反向偏置。 发射结正向偏置, 集电结反向偏置。 思考思考思考思考1 1:可否用两个二极管相可否用两个二极管相可否用两个二极管相可否用两个二
10、极管相 连构成一个三极管?连构成一个三极管?连构成一个三极管?连构成一个三极管? 思考思考思考思考2 2:可否将可否将可否将可否将e e和和和和c c交换使用交换使用交换使用交换使用 思考思考思考思考2 2:外部条件对外部条件对外部条件对外部条件对PNPPNP管和管和管和管和 NPNNPN管各如何实现?管各如何实现?管各如何实现?管各如何实现? IE=IB+ IC IC=IB IC=IE 综上所述,三极管的放大作用,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。 综上所述,三极管的放大作用,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。 3.1.2 BJT的
11、电流分配与放大原理 一组公式一组公式 + - b c e 共射放大电路 VBB VCC vBE iC i B + - vCE iB=f(vBE) vCE=const (2) 当(2) 当V VCE CE1V 1V时,集电结进入反偏 状态( 时,集电结进入反偏 状态(V VCB CB= = V VCE CEV VBE BE 0 0);集电结 收集电子,使基区复合减少,达 到相同的 );集电结 收集电子,使基区复合减少,达 到相同的I IB B需要更大需要更大V VBE BE, ,表现为特 性曲线右移。这是正常使用状态 表现为特 性曲线右移。这是正常使用状态 vCE= 0VvCE= 0VvCE 1
12、V (1) 当(1) 当V VCE CE=0V时,相当于C和E短 接,表现为PN结的正向伏安特性 曲线。 =0V时,相当于C和E短 接,表现为PN结的正向伏安特性 曲线。 1. 共射电路输入特性曲线1. 共射电路输入特性曲线 3.1.3 BJT的特性曲线3.1.3 BJT的特性曲线 死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区 (3) 输入特性曲线分为三个部分输入特性曲线分为三个部分 3.1.3 BJT的特性曲线 饱和区:饱和区:特征特征IC明显受明显受VCE控制控制 该区域内,一般该区域内,一般VCE0.7V(硅 管 硅 管)。即处于。即处于发射结正偏,集电结 正偏或反偏电压很小 发射结正偏,集
13、电结 正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE) iB=const 输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域 截止区:截止区:特征特征IC接近零接近零 该区域相当该区域相当iB=0的曲线下方。 此时, 的曲线下方。 此时,发射结反偏或正偏电压很 小,集电结反偏 发射结反偏或正偏电压很 小,集电结反偏。 放大区:放大区:特征特征IC平行于平行于VCE轴轴 该区域内,曲线基本平行等距。 此时, 该区域内,曲线基本平行等距。 此时,发射结正偏,集电结反 偏 发射结正偏,集电结反 偏。 2. 共射电路输出 特性曲线 2. 共射电路输出 特性曲线 3.1.3 BJT的特性曲线 (1)共发射极直流电流放大
14、系数(1)共发射极直流电流放大系数 =IC/ IB | | VCE=const 1. 电流放大系数1. 电流放大系数 3.1.4 BJT的主要参数的主要参数 = IC/ IB vCE=const 3.1.4 BJT的主要参数 (2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const (4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = IC/ IE VCB=const 当当BJT工作于放大区时, 工作于放大区时, 、 、 ,可以不 加区分。 ,可以不 加区分。 3.1.4 BJT的主要参数 (3) 共基极直流电流放大系数(3) 共基极直流电流放大系数 (2
15、) 集射间反向饱和电流集射间反向饱和电流ICEO 基极开路时,晶体管的穿 透电流。 基极开路时,晶体管的穿 透电流。 (1) 集基间反向饱和电流集基间反向饱和电流ICBO 发射极开路时,集电结的 反向饱和电流。 发射极开路时,集电结的 反向饱和电流。 3.1.4 BJT的主要参数 2. 极间反向电流极间反向电流 ICEO=(1+ )ICBO + b c e - VCC ICEO uA + b c e - uA Ie=0 VCC ICBO ICEO 即输出特性曲 线 即输出特性曲 线IB=0那条曲线所 对应的 那条曲线所 对应的Y坐标的数 值。 坐标的数 值。 ICEO也称为集 电极发射极间穿透
16、 电流。 也称为集 电极发射极间穿透 电流。 3.1.4 BJT的主要参数 (3)穿透电流在特性曲线上表现)穿透电流在特性曲线上表现 (1) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM 注意:任何时候晶体管功耗注意:任何时候晶体管功耗 PC= ICVCE 3. 极限参数极限参数 3.1.4 BJT的主要参数 V(BR)CBO发射极开路时的集 电结反向击穿电压 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 集电极开路时发射 结的反向击穿电压 V(BR)CEO基极开路时集射间 的击穿电压,它与
17、穿透电流直接联系 基极开路时集射间 的击穿电压,它与 穿透电流直接联系 几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO b c e VCC ICEO 3.1.4 BJT的主要参数3. 极限参数 (3) 反向击穿电压反向击穿电压 极限参数决定晶体管是否能安全工作极限参数决定晶体管是否能安全工作 由由PCM、 、 ICM和和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定晶体管 安全工作区。 在输出特性曲线上可以确定晶体管 安全工作区。 (4) 晶体管安全工作区晶体管安全工作区 3.1.4 BJT的主要参数3. 极限参数 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区输
18、出特性曲线上的过损耗区和击穿区 BJT构造与构造与BJT类型类型 BJT的电流分配关系的电流分配关系 BJT的放大作用:条件、机理的放大作用:条件、机理 BJT的主要工作参数:的主要工作参数: 、ICEO 本节中的有关概念本节中的有关概念 end BJT的特性曲线:输入、输出的特性曲线:输入、输出 BJT的主要极限参数,安全工作区的主要极限参数,安全工作区 思考与习题思考与习题 思考题: P.81-3.1.1 、 3.1.3、 3.1.6 习题: P.140-3.1.1 、 3.1.2、 3.1.4 3.2 共射极放大电路共射极放大电路 1. 电路组成电路组成电路组成电路组成 2. 简化电路及
19、习惯画法简化电路及习惯画法 3. 工作原理说明工作原理说明 4. 放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 5 5. 直流通路和交流通路直流通路和交流通路 A.核心器件核心器件BJT B.偏置电路偏置电路提供放大外 部条件 提供放大外 部条件 C.输入、输出电路输入、输出电路vi 的 引入, 的 引入,vo引出引出 1. 电路组成电路组成 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 D.公共地公共地各信号电平的 参考点 各信号电平的 参考点 习惯画法习惯画法 共射极基本放大电路共射极基本放大电路 2. 简化电路及习惯画法简化电路及习惯画法 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 vBE
20、 t (1)vi=0 VCC Rc Rb Cb2 Cb1 + - vo + - vi + + VCb1 = VBE , VCb2 = VCE 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 3. 工作原理说明工作原理说明 vBE t vCE= VCC-iC RC vBE= VCb1 + vi = VBE + vi vo= vCEVCb2 = vCEVCE 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 vi=0 VCb1 = VBE , VCb2 = VCE vBE t (2)vi=V1sin t电容的阻抗:设电容的阻抗:设Cb1=10uF,f=1kHz。 = = 16 1010102 1 2 1
21、1 63 b1b1 Cb1 fCCj Z (1)(1)静态(直流工作状态)静态(直流工作状态) 输入信号为零(输入信号为零(v vi i= 0 或= 0 或i ii i= 0)时,放大电路的工作状态= 0)时,放大电路的工作状态 电路处于静态时,三极管 各电极有确定不变的电 压、电流,在特性曲线上 表现为一个确定点,称为 电路处于静态时,三极管 各电极有确定不变的电 压、电流,在特性曲线上 表现为一个确定点,称为 静态工作点静态工作点,即,即Q点。点。 4. 放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 一般用一般用IB、 IC和和VCE(或(或IBQ
22、、ICQ和和VCEQ)表示。)表示。 输入信号不为零时,放大电路的工作状态输入信号不为零时,放大电路的工作状态 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 (2)(2)动态(交流工作状态)动态(交流工作状态) 电路处于动态时,三极管 各电极在 电路处于动态时,三极管 各电极在Q点上叠加输入 信号,即有交变的电压、 电流。通常都用正弦波信 号来表示。 点上叠加输入 信号,即有交变的电压、 电流。通常都用正弦波信 号来表示。 直流通路直流通路 耦合电容:通交流、隔直流,即对直流开 路,交流短路 直流电源:内阻为零,即对交流相当于短路 耦合电容:通交流、隔直流,即对直流开 路,交流短路 直流电源:
23、内阻为零,即对交流相当于短路 共射极放大电路共射极放大电路 5. 直流通路和交流通路直流通路和交流通路 3.2 共射极放大电路3.2 共射极放大电路 交流通路交流通路 共射极放大电路共射极放大电路 放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知BJT的的 =80, 电路中, 电路中VCC= +12V,求: ( ,求: (1) 当) 当Rb=300k, Rc=2k时放大 电路的 时放大 电路的Q点。此时点。此时BJT工作在哪个区域? ( 工作在哪个区域? (2)当)当Rb=100k时,时, Rc=2k时放大电路的时放大电路的 Q点。此时点。此时BJT工作在哪个区域?工作在哪个区域? 解:解:(1)
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