模拟电路 第二章(三极管及其放大电路)【上】

一、BJT(三极管)

1、BJT的结构简介

(1)半导体三极管(Bipolar Junction Transistor: BJT)是指通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起的器件。

(2)两种类型BJT的结构示意图如下所示。BJT结构上的特点是基区很薄、掺杂浓度很低,发射区比集电区的掺杂浓度高,集电区的面积比发射区大。

(3)两种类型BJT的电路符号:

2、放大状态下BJT的工作原理

(1)根据发射结和集电结所受的偏压不同,BJT有四种工作状态:

工作状态

发射结偏压

集电结偏压

饱和

正偏

正偏

放大

正偏

反偏

倒置

反偏

正偏

截止

反偏

反偏

(2)以NPN管为例,说明放大状态下BJT中载流子的传输过程(对于PNP管,仅仅是两者偏压的极性、电流的方向相反,其余内容基本一样):

①发射区向基区扩散载流子,形成发射极电流I_{E}

②载流子在基区扩散与复合,形成复合电流I_{BN}

③集电区收集载流子,形成集电极电流I_{C}

(3)BJT的电流分配关系:

(4)BJT有三个电极,在放大电路中可有三种连接方式——共基极、共发射极(简称共射极)和共集电极,即分别把基极、发射极、集电极作为输入和输出端口的共同端

(5)BJT管的放大作用举例:

(6)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。

3、BJT的伏安特性曲线(以共射极放大电路为例)

(1)输入特性曲线:

(2)输出特性曲线:

4、BJT的主要参数

(1)电流放大系数:

(2)极间反向电流:

①集电极基极间反向饱和电流I_{CBO}:发射极开路时,集电结的反向饱和电流。

②集电极发射极间的反向饱和电流I_{CEO}I_{CEO}= \left ( 1+ \beta \right )I_{CBO}

(3)极限参数:

①反向击穿电压:

[1]V_{(BR)CBO}:发射极开路时的集电结反向击穿电压。

[2]V_{(BR)CEO}:基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

[3]V_{(BR)EBO}:集电极开路时发射结的反向击穿电压。

②集电极最大允许电流——I_{CM}

③集电极最大允许功率损耗——P_{CM}=I_{CM}v_{CE}

5、温度对BJT参数及特性的影响

(1)温度对BJT参数的影响:

①温度对I_{CBO}的影响:温度每升高10℃,I_{CBO}约增加一倍。

②温度对\beta的影响:温度每升高1℃,\beta值约增大0.5%~1%。

(2)温度对BJT特性曲线的影响:

①对输入特性的影响:温度升高时,BJT共射极连接的输入特性曲线将向左移动,温度每升高1℃,v_{BE}减小2mv~2.5mV。

②对输出特性的影响:温度升高时,BJT的I_{CEO}I_{CBO}\beta都增大,结果导致BJT的输出特性曲线向上移动,而且各条曲线间的距离加大

二、基本共射极放大电路

1、基本共射极放大电路的组成

        下图是基本共射极放大电路的原理图,其中BJT是核心元件,起放大作用。

        直流电源V_{BB}通过电阻R_{b}给BJT的发射结提供正偏电压,并产生基极直流电流I_{B}(常称为偏流,而提供偏流的电路称为偏置电路)。直流电源V_{CC}通过电阻R_{c},并与V_{BB}R_{b}配合,给集电结提供反偏电压,使BJT工作于放大状态。电阻R_{c}的另一个作用是将集电极电流的变化转换为电压的变化,再送到放大电路的输出端。

        v_{s}是待放大的时变输入信号,加在基极与发射极间的输入回路中,输出信号从集电极-发射极间取出(v_{CE},发射极是输入回路与输出回路的共同端(称为“地”),所以称为共发射极放大电路。

2、基本共射极放大电路的工作原理

(1)静态(直流工作状态):

        输入信号v_{s}=0时,放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态,此时电路中的电压、电流都是直流量

        静态时,BJT各电极的直流电流及各电极间的直流电压分别用I_{B}I_{C}V_{BE}V_{CE}表示,这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上的一个确定的点表示,该点习惯上称为静态工作点Q,因此常将上述四个电量写成I_{BQ}I_{CQ}V_{BEQ}V_{CEQ}

        在放大电路中设置静态工作点是必不可少的,因为放大电路的作用是将微弱的输入信号进行不失真地放大,为此电路中的BJT必须始终工作在放大区域。如果没有直流电压和电流,如设V_{BB}=0,当输入电压v_{s}的幅值小于发射结的门坎电压V_{th}时,则在输入信号的整个周期内BJT始终是截止的,因而输出电压没有变化量,即使输入电压幅值足够大,BJT也只能在输入信号正半周大于V_{th}的时间内导通,这必然使输出电压出现严重失真,所以必须要给放大电路设置合适的静态工作点

        静态工作点可以由放大电路的直流通路(直流电流流通的路径)用近似计算法求得,具体步骤如下:

        ①令输入信号v_{s}=0,画出放大电路的直流通路(电感视为短路,电容视为断路),标出各支路电流

        ②使用基尔霍夫定律,由基级-发射极回路求I_{BQ}。(V_{BEQ}常被认为是已知量,硅管约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V)

        ③由BJT的电流分配关系求得

        ④由集电极-发射极回路求V_{CEQ}

(2)动态:

        输入正弦信号v_{s}后,电路将处在动态工作情况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

        基极-发射极间的电压v_{BE}=V_{BEQ}+v_{be}v_{be}v_{s}在发射结上产生的交流电压。v_{be}的幅值小于V_{BEQ},且使发射结上所加正向电压仍然大于V_{th}时,v_{be}v_{s}的变化必然导致受其控制的基极电流i_{B}、集电极电流i_{C}产生相应变化,即i_{B}=I_{BQ}+i_{b}i_{C}=I_{CQ}+i_{c},其中i_{c}=\beta i_{b}是交流电流。与此同时,集电极-发射极间的电压v_{CE}也将发生变化v_{CE}=V_{CC}-i_{C}R_{c}=V_{CEQ}+v_{ce}

        需要说明的是,v_{s}的正半周,v_{be}i_{B}i_{C}都将在静态值的基础上增加,电阻R_{C}上的电压降也在增加,因此,电压v_{CE}在静态V_{CEQ}的基础上将减小,而在v_{s}的负半周情况则相反,于是v_{ce}v_{s}反相

        将v_{ce}用适当方式取出来,作为该放大电路的输出电压。只要选择合适的电路参数,就可以使输出电压的幅度比输入电压的幅度大得多,实现电压放大作用。

        如果只分析放大电路的交流参数,一般要画出交流通路(交流电流流通的路径)。画交流通路的原则是

        ①对交流信号,电路中内阻很小的直流电压源可视为短路内阻很大的电流源或恒流源可视为开路

        ②对一定频率范围内的交流信号,容量较大的电容可视为短路

(3)只要在电路中设置合适的静态工作点,并在输入回路加上一个能量较小的信号,利用发射结正向电压对各极电流的控制作用,就能将直流电源提供的能量,按输入信号的变化规律转换为所需要的形式供给负载。因此,放大作用实质上是放大器件的控制作用,放大器是一种能量控制部件。

3、放大电路静态工作点的稳定问题

(1)温度对静态工作点的影响:

(2)基极分压式射极偏置电路:

①基极分压式射极偏置电路的完整电路图如下所示。

②基极分压式射极偏置电路稳定工作点的原理:

③Q点的估算:

三、放大电路模型及主要性能指标

1、放大器的符号

(1)如下图所示,A所标识的器件即放大器的符号。

(2)下图虚线框内的是放大器的简化表示方法。

2、放大器的主要性能指标

(1)输入电阻:

        

(2)输出电阻:

(3)增益:反映放大电路在输入信号控制下,将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。(计算增益时,所使用的电流量和电压量均有正负之分,这也意味着增益的值可能为负,但是增益为负仅代表输入输出的方向不同,而增益的大小仅取决于增益的绝对值)

3、两个放大电路模型

(1)电压放大模型:

(2)电流放大模型:

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