低频模拟电路1章.ppt

2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,1,中国地质大学江城学院机电学部 刘志刚 fiberhome126.com 027-62951703,模拟电子技术,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,2,1.处理与传输信息的回路电路。 电子线路由R.C.L及半导体器件或电子管等电子元器件组成 2.电子线路的划分：,一、电子系统与信号,按工作器件状态：线性，非线性电路。 按工作频率范围：高频与低频电路。 低频电路组成既有线性电路又有非线性电路 高频电路以非线性电路组成为主。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,3,3.电子技术： 无确切定义。因为近年来它发展迅猛，分支庞杂。有种说法为“凡是研究含有电子器件的电路、系统及应用的学科”。,4.发展历程： 以电子器件的更新换代为标志！ 电子学近百年发展史上三个重要里程碑： 1904年电子管发明（真正进入电子时代） 1948年晶体管问世 60年代集成电路出现,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,4,（1）第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明了电子管，是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。 电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,5,（2）第二代电子器件晶体管 1948年，肖克利（W.Shckly）等发明了半导体三极管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。 尽管晶体管在体积、重量等方面性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,6,（3）第三代电子器件集成电路 1958年，基尔白等提出将管子、元件和线路集成封装在一起的设想，三年后，集成电路实现了商品化。 当前，单个芯片可集成器件成千上万个，例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。 集成电路按集成度可分作 (1)小规模集成电路（SSI）102 (2)中规模集成电路（MSI）103 (3)大规模集成电路（LSI）105 (4)超大规模集成电路(VLSI)105 当前，微电子已成为最具有发展前途的产业，微电子技术水平已成为衡量一个国家技术水平的重要标志。(国家电子信息振兴计划),2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,7,5.若干蓬勃发展的研究方向,纳米电子学,单芯片系统(system on chip),微型卫星和纳米卫星应用， 一片单芯片系统一颗卫星,纳米空间电子所表现出来的特性（波动性）和功能,生物电子学,生物芯片、计算机,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,8,微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS),是一种外形尺寸在毫米量级，组成元器件尺寸在纳米、微米量级的可运作微型机电装置。将信号探测、处理、控制和执行各子系统集成于一体。 德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直升飞机 应用：军事（小型间谍飞机）,微电子战争,信息化武器，例如精确制导武器。它们实质上是一种能够获得和利用被攻击目标所提供的位置信息修正自己的弹道以准确命中目标的弹药。具有一定的智能。 海湾战争和最近北约空袭南斯拉夫实际上是微电子技术战争。多国部队实施的电子侦察、电子干扰与反干扰的各种电子措施。使伊军的引导雷达和防空雷达等许多重要的电子技术装备失灵。从而掌握整个战争的制空权、制海权和主动权。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,9,二、学习方法：要转变逻辑思维方式。,2) 叠加原理：复杂电路中，任何支路的电压或电流都可以看着是每个独立源单独作用于电路时，在该支路上所产生的电压或电流的代数和。例如瞬态分析DC分析+AC分析;,1）回路定理：KVL , KCL,3) 等效定理：戴维南定理; 诺顿定理。,会综合思考,学习电子线路使用的基本理论:,善于等效,会作近似,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,10,复数与相量：,x,j y,a,b,o,任意复数 可表示为：,其中：,代数式,指数式,若令 则可用复数表示正弦交流信号。相量,模，长度,相角,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,11,学习要求： （1） 看懂电路图，分析、弄清信号流向。 （2） 按图安装。 （3） 计算，设计电路。 （4）抓“三基”：基本概念、基本原理、基本分析方法,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,12,课程特点,1）规律性 2）非线性 3）工程性 4）实践性,基本电子电路的组成具有规律性,半导体器件具有非线性,即近似性。抓主要矛盾,实验和设计硬软件(EDA)实验室,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,13,1、技术基础课,本课程是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。,三、学什么？（What）,2、具体研究对象,电子技术几种典型分类： （1）按处理信号：模拟(A) 数字(D) （2）按信号频率：高频 中频 低频 （3）按应用方向：汽车、医疗、消费,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,14,3.典型应用-简单测控系统,*若配以微机、单片机或DSP等，并利用信号处理技术 可设计智能系统。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,15,4、预期学习效果,在高校学生多有“软件强，硬件弱” 、“数字强，模拟弱”的情况下，拟通过课程学习，初步具备以下四种能力：“看、算、选、干”，成为当今社会急需的电路设计人才。,本课程重点培养看算能力，并贯穿选干的思想。但选干能力尚需配合实践和后续的其他教学环节进一步加强。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,16,教材和主要参考书籍： (1) 熊年禄等，低频模拟电路，武汉大学出版社，2008.2 (2) 谢嘉奎等，电子线路 （线性部分 第四版） 高等教育出版社，2002.2,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,17,(3) 汪胜宁 程东红，电子线路（第四版）教学指导书，高等教育出版社，2003 (4) 康华光等，电子技术基础 （模拟部分 第五版） 高等教育出版社，2006.1. 及相关配套书籍. （5）张肃文编，低频电子线路，高等教育出版社，1998.1。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,18,第一章 半导体器件 （半导体二极管,三极管 及场效应管）,模拟电子线路,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,19,实际二极管的照片,电路符号,§1.1 半导体器件的基本知识,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,单向导电特性,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,20,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,§1.1 半导体器件的基本知识,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,21,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,22,现代电子学中，用的最多的半导体是硅 Si（+14）和锗Ge（+32），它们的最外层电子（价电子）都是四个。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,半导体的共价键结构,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,23,一、本征半导体： 完全纯净的、结构完整的 半导体晶体。,1) 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,24,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,25,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,26,2) 本征半导体的激发和复合,在绝对温标0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,1.本征激发，载流子、自由电子和空穴,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,27,自由电子,空穴,束缚电子,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 这种热激发称为本征激发。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,28,自由电子,空穴,束缚电子,本征激发使半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。(电子-空穴对),2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,29,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征激发使半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。(电子-空穴对),2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,30,温度越高，本征激发出的载流子浓度越高。半导体的导电能力越强，温度是影响半导体导电性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,31,二、 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 一般有两类：,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,32,(1)、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称磷原子为施主原子。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,33,+4,+5,多余 电子,N 型半导体中的载流子是什么？,是由施主原子提供的电子，其浓度与施主原子浓度（Nd)相同。以及本征激发产生的电子、空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,+4,+4,磷原子,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,34,(2)、P 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子(NA)。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,+4,+3,+4,+4,硼原子,空穴,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,35,(3) 、杂质半导体的电中性,电中性条件：,正电荷量负电荷量,如N 型半导体中，室温时杂质原子已经全部电离， 有： n0 =Nd+ p0Nd,其中： n0 为电子浓度； p0 为空穴浓度； Nd 为正离子浓度。,同理，P 型半导体中： p0 =NA+ n0NA NA为正负离子浓度,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,36,(4) 、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,37,(5) 、载流子的漂移与扩散运动,(一)、漂移与漂移电流,迁移率,p和n分别为空穴和自由电子的 迁移率(Mobility)。迁移率表示单 位场强下的平均漂移速度， 单位为cm2V·S，,q是电子电量，E 为外加电场强度,p、n 空穴与电子浓度,外加电场E产生漂移电流Jt,E,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,38,(二)、扩散与扩散电流,扩散系数,Dn和Dp为比例常数，分别称为自由电子扩散系数和空穴扩散系数(Diffusion Constant)，单位是cm2S (厘米2秒)，其值随温度升高而增大，空穴的Dp小于自由电子的Dn。在硅材料中，室温时Dn=34cm2s，Dp=13cm2s。,N型半导体,光,浓度差dn/dx产生扩散电流Jd,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,39,(1) PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,三、 PN 结及半导体二极管,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,40,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，,内电场越强，漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄。,内电场EP阻止多子的扩散运动,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,41,最后扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于P区、N区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,42,1.空间电荷区中没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍 P中的空穴.N 区中的 电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N 区中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,43,(2) PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,44,1)、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的正向扩散电流IF 。(正向导通),IF,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,45,2)、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流IR 。(反向截止),R,E,IR,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,46,小结,正向偏置：扩散运动大于漂移运动 反向偏执：漂移运动大于扩散运动 少数载流子是由本征激发产生的，当管子制成后，其数值就取决于温度，而几乎与外加电压VR无关。在一定温度T下，由于热激发而产生的少数载流子的数量是一定的，电流的值趋于恒定，此时的反向电流IR就是反向饱和电流IS,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,47,3) PN 结伏安特性,iD(mA),uD (v),T1,温度每升高1度，反向饱和电流增加1倍,或,当正、负电源变化时得到uD与iD 的变化曲线,温度增加 正向电流也增加,uDD,uD,ID,+ -,A,R,P,N,VT 热电压 26mV,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,48,4）PN结的反向击穿,反向击穿 分类：雪崩击穿和齐纳击穿 这两种击穿是可逆的，当夹在稳压管两端的反向电压降低后，管子仍然可以恢复原来的状态。前提是反向电压和反向电流的乘积不超过PN结容许的耗散功率。 热击穿,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,49,1、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,触丝线,点接触型,面接触型,1.1. 2 半导体二极管,基片,外壳,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,50,2、伏安特性,导通压降UD(ON): 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,正向特性： 非线性； 有Uth 0.5V； AB 段近似为直线； 其斜率的倒数为导通(直流）电阻RD。 导通电压（UD(ON) 0.7 V。 反向特性：,A,B,uDD,uD,iD,+ -,A,R,死区（门槛）电压 Uth: 硅管0.5V,锗管0.1V。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,51,二极管的模型 1) 指数模型：,通常将上式指数特性称为晶体二极管的理想指数模型，因为它是在理想条件下导出的数学表达式。,根据二极管在直流或交流电路中的不同使用，又可建立二极管的直流和交流模型。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,52,二极管正向V-I特性的模型：, 理想（大信号）模型: 在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。,理想二极管： 死区电压=0 ，正向压降=0,2) 直流模型,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,53, 恒压降模型:,当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。不过，这只有当二极管的电流近似等于或大于1 mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广泛。,二极管：正向压降 0.7V(硅二极管),2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,54, 折线模型:,折线模型认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD (二极管的直流电阻）来作进一步的近似。其中电池的电压为二极管的门槛电压Uth或者导通电压UD(on)。rD的值可以这样来确定，如当二极管的导通电流为1mA时，管压降为07V则： rD =（07 V-05 V）/（1mA） = 200 由于二极管特性的分散性，Uth和rD的值不是固定不变的。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,55,（小信号模型） ：,二极管两端所加信号一般为交直流混合信号（瞬时信号），其中流过的电流为某一直流值（例如iD=IDQ）上叠加交流小信号iD。 如果二极管在它的A-V特性曲线的某一小范围内工作，例如在A-V曲线上的Q点（此时uD=UDQ,iD=IDQ)附近工作，则可把Q点附近的A-V曲线看成为一条直线，（其实是Q点的切线）其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。 rd=uD/iD,小信号电路模型受到V 足够小的限制。工程上，限定|U|5.2mV，由此产生的误差是可容许的。,3）交流模型,IDQ,UDQ,vD,+,-,UDQ,iD,iD,uD,O,uD,Q,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,56,4) 微变电阻 rD (肖特基电阻）：,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是Q附近的微小变化区域内的电阻。,此时二极管还有无整流作用？,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,57,3、主要参数,1). 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。因为电流通过结时要引起管子发热。电流太大，发热量超过限度，就会使结烧坏。例如最大整流电流为mA。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,58,2). 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而实际反向击穿电压可大于40V。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,59,3). 反向电流 IS,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。因而在使用二极管时要注意环境温度的影响。 硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,60,以上均是二极管的直流参数， rD为其交流参数。二极管主要应用于整流、限幅、保护等等。 二极管的参数是正确使用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出不同型号管子的参数。在使用时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,61,计算题： 1）如图所示，输入交流信号vi为5mV，设C对交流短路， 求：1， 流过二极管支路电流ID等于多少（设D采用 恒压降模式）？ 2， 画出该电路的小信号模型电路图； 3， 交流输出电压vo的值。,C 25,vi,+,-,+,-,vo,5.1k,D 6V,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,62,解: 1. 求ID:,25,vi,+,-,+,-,vo,R 5.1k,2.,rD=26,3. 求vo: R/rDrD , vo = vi ( rD / (25+rD) ) vi/2 = 2.5mV,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,63,5). 二极管的极间电容Cj,二极管的两极之间有电容Cj，此电容由两部分组成： 势垒电容CT和扩散电容CD。,利用二极管的两极之间有电容Cj的特点，可制成 变容二极管。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,64,变容二极管,一个PN结，外加反向电压时，它的反向电流很小，近似开路，因此是一个主要由势垒电容 CT构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加反向电压而变化。利用这种特性制作的二极管称为变容二极管，简称变容管( Varactor Diode)，它的电路符号如图。,主要参数有变容指数n；电容变化范围；品质因数Q；最大允许反向电压等。,变容管是应用十分广泛的一种半导体器件。例如，谐振回路的电调谐；压控振荡器；频率调制；参量电路等。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,65,(1) 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,-,UZ,4. 特殊二极管,IZmin,曲线越陡，稳压误差愈小，电压越稳定。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,66,（4）稳定电流IZ和最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,稳压管电路,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,67,(2) 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,68,(3) 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。可作成七段数码管。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,69,1.1.3 半导体三极管(BJT),BJT常称晶体管，种类很多,但从外形看，BJT都有三个电极。,根据结构不同，BJT可分成两种类型：NPN型和PNP型。,结构上可分成： 三个区域：基区、发射区、集电区。 三个电极：从三个区各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c。 两个PN结：发射结、集电结。,低频电子线路,1、BJT的结构简介：,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,70,三极管的制造工艺： （1）发射区比基区、集电区掺杂浓度大。 （2）集电结面积比发射区的大。 （3）基区薄(几um几十um),高频几um，低频几十um 因此发射区、集电区并不是对称的。,1、BJT的结构简介：,PNP型三极管的结构,低频电子线路,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,71,共发射极,共基极,共集电极,2 .三极管的连接方式,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,72,约定: 1) 大写字母、大写下标表示直流量如 ： IB、UBEQ、UCEQ 2) 小写字母、小写下标表示交流量如 ： 3) 小写字母、大写字母下标表示总瞬时量(直流叠加交流）如:,电压、电流符号的规定：,i B IBQ = ib,uBE -UBEQ = ube ,iC ICQ = ic,uCE- UCEQ = uce ,显然：,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,73,3、BJT的放大作用与电流分配：,1 BJT内部载流子的传输过程: (NPN) 使发射区发射电子，集电区收集电子，必须具备的条件是： a.发射结加正向电压(正向偏置):UBE0,N,N,P,UBB,RB,UCC,RC,b.集电结加反向电压(反向偏置):UBC0,低频电子线路,b,c,e,UBE代表 b、e 间的电压,UBC代表 b、c 间的电压,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,74,(1)发射区向基区注入电子: 发射区的多数载流子扩散到基区，形成电流IEn 基区空穴也扩散到发射区形成电流IEp. 总发射极电流 IE= IEn+IEp IE IEn,1)，三极管内部载流子的运动,低频电子线路,IEp,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,75,1)、三极管内部载流子的运动,(2)集电区收集扩散过来的电子： 集电结所加的是反向电压，可使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流 ICN。,低频电子线路,基区和集电区的少子都要 向对方漂移，形成一个反 向饱和电流ICBO ，(受温度 影响很大)。,集电极总电流 IC=ICN+ ICBOICN,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,76,1)、三极管内部载流子的运动,N,N,P,UBB,RB,UCC,IE = IEn+ IEp,ICBO,ICN,IC=ICN+ICBO ICN,RC,IEn,IB,发射区扩散电子在扩散过程中又会与基区中的空穴复合形成电流 IBn,低频模拟电子线路, ICBO + IB = IBn + IEp = IBN IB= IEP +IBn ICBO = IBN ICBO,IEp,在基区(节点)处,(3)电子在基区中的扩散与复合,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,77,2)电流分配关系：,IE= IEN+IEPIEN (1) IB=IBn +IEP -ICBOIBN - ICBO IBN (2) IC=ICN+ ICBO ICN (3),IC +IB = IE,又因为：,所以：,定义：,将 （2）（3）：,IB+ IC= IBn +IEP -ICBO +ICN+ ICBO = (IBn +ICN )+IEP,电流传输方程,为共基极直流电流传输系数 或共基极直流电流放大倍数,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,78,各极电流之间关系式 - 的物理意义：,共基极连接时输出电流IC受输入电流IB控制的电流传输方程。式中， 称为共基极直流电流传输系数(Common Base Current)，表示IE转化为ICN的能力。显然，其值恒小于1，但十分接近于1，一般在0.98以上，且在IE的大变化范围内几乎保持恒值。通常ICBO很小，对于硅管，其值为(10-9-10-16)A，一般可忽略，因而电流传输方程可简化为 ：,低频模拟电路,得：,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,79,共发射极电流放大系数 穿透电流,定义：,称：,考虑到：,为穿透电流,（共发射极电流放大系数）,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,80,3) 和I CEO的物理含义,它实际上表示IB中受发射结电压控制的电流成分(IB+ICBO)对集电极正向受控电流成分 ICN 的控制能力，通常ICBO很小可忽略。表示IB对IC的控制能力。,） 的物理含义 ：,三极管是电流控制 （放大）器件,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,81,） 再讨论ICEO:它是基极开路（即IB=0）时由集电极直通到发射极的电流。当基极开路时，加在集电极和发射极间的正电压UCE被分配到两个结上，即UCB为正值，集电结上加的是反偏；UBE为正值，发射结上加的是正偏，晶体三极管仍工作在放大模式，具有正向受控作用。由于IB=0，IB中的受控成分等于ICBO，其值被放大了 倍。,3 和I CEO 的物理含义,当IB=0(基极开路)时：,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,82,4 ) 三极管放大机制,共发射极电路以发射极作为共同端，以基极为输入端，集电极为输出端。,其信号放大的原理如下： VBB+vi iB iB iC vo=iC·RL, IC=IB IC=IB,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,83,I B,I C,+,_,UBE,U CE,+,_,共发射极连结时端电压和端电流,V,UBB,UCC,RB,RC,V,4 ) 三极管特性曲线的测量：,A,A,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,84,三、BJT的特性曲线（AV特性曲线）：,(1) 输入特性: 输入特性是指当集电极与发射极之间的电压uCE为某一常数时，输入回路中加在BJT基极与发射极之间的电压uBE与基极电流iB之间的关系曲线，用函数关系表示为:,iB=f(uBE)|uCE=常数,1共射极电路的特性曲线:,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,85,(2) 输出特性: 输出特性是在基极电流iB一定的情况下，BJT的输出回路中，集电极与发射极之间的电压uCE 与集电极电流iC之间的关系曲线。 用函数表示为: iCf(uCE)|iB=常数,三、BJT的特性曲线：,iC/mA,uCE/V,0,iB=60A,iB=40A,iB=20A,iB=80A,iB=100A,输出特性曲线,iB=0A,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,86,（ 一）放大区(Active Region),在这个区域内，晶体三极管工作在放大模式。IB与IC之间满足直流传输方程，即IC=IBICEO, 若设为常数，则当IB等量增加时，输出特性曲线也将等间隔地平行上移。,当uCE增大时，基区复合减小，导致和相应 略有增大，这称为基区宽度调制效应。基区宽度调制效应使得每条以IB为参变量的曲线都随uCE增大而略有上翘。,（3）BJT输出特性曲线的分区：,（b） 输出特性曲线,iCmA,1,3,2,4,O,2,4,6,8,iB100 µA,80 µA,0 µA,60 µA,40 µA,20 µA,区,大,uCEV,放,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,87,从输出特性曲线可定义交流放大系数:,严格说来， 不是一个与 ICE无关的恒定值。 实际上，仅在IC的一定范围内，随IC的变化很小，可近似认为是常数。而超出这个范围时，将降低。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,88,（二）截止区(Cutoff Region),工程上，规定IB=0的区域称为截止区，这时的IC=ICEO很小可以忽略。,iC,uCE,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,89,（三）饱和区（Saturation Region),减小uCE，直到两个结都正偏，随着uCE的减小，iC的值迅速减小，直到为零，IC、IB之间不再满足电流的传输方程。 工程上一般令UCE=0.3V=UCS为放大区和饱和区的分界限。,0.3V,iC,uCE,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,90,（四）击穿区(Breakdown Region),随着uCE增大，加在集电结上的反偏电压uCB相应增大。当uCE增大到一定值时，集电结发生反向击穿，造成电流iC剧增。集电结是轻掺杂的，产生的反向击穿主要是雪崩击穿，击穿电压较大。,在基区宽度很小的三极管中，还会发生特有的穿通击穿。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,91,BJT的合成特性曲线：,特征曲线完整描述了三极管的特征,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,92,2.5,1.7,直流放大倍数,交流放大倍数,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,93,四、 BJT的主要参数：,1电流放大系数：,1）共射极接法时的电流放大系数分 一般：,2）对共基极接法的电流放大系数，也有直流放大系数和交流放大系数的区别。 和之间的关系是：,当BJT工作于放大区时， 、 ，可以不加区分。,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,94,3。 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO,ICEO,2 。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。,四、 BJT的主要参数：,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,95,(1) 集电极最大允许电流ICM,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM,PCM= ICMVCE,4。 极限参数,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,96,(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)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,（3） 极限参数,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,97,任何电路可看成一个二端网络（两端口),只关心 其输入、输出电压与电流的关系。,iI,+ -,uO,+ -,iO,uI,三极管有两个端口，可以看成一个双口网络（两端口)。,五、 BJT等效电路（直流与h参数模型）,2019/6/17,机电学部电子与通信教研室,98,IB,+ -,UCE,+ -,I