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1、晶体三极管和放大电路,本章学习目标,晶体三极管,放大电路,晶体三极管,晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。,特点：管内有两种载流子参与导电。,三极管的结构、分类和符号,一、晶体三极管的基本结构,1三极管的外形,特点：有三个电极，故称三极管。,2三极管的结构,三极管的结构图,特点：,有三个区 发射区、基区、集电区；,两个 PN 结 发射结(BE 结)、集电结(BC 结)；,三个电极 发射极 e(E) 、基极 b(B) 和集电极 c(C)；,两种类型 PNP 型管和 NPN 型管。,工艺要求：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。,二、晶体三
2、极管的符号,三极管符号,箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：V,三、晶体三极管的分类,1三极管有多种分类方法。,按内部结构分：有 NPN 型和 PNP 型管；按工作频率分：有低频和高频管；按功率分：有小功率和大功率管；按用途分：有普通管和开关管；按半导体材料分：有锗管和硅管等等。,2国产三极管命名法：见电子线路（陈其纯主编）P261 附录。,例如：3DG 表示高频小功率 NPN 型硅三极管； 3CG 表示高频小功率 PNP 型硅三极管； 3AK 表示 PNP 型开关锗三极管等。,场效晶体管,场效晶体管：是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。,特点：管子内部只有
3、一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。,结型场效晶体管,N 沟道结型场效晶体管,P 沟道结型场效晶体管,一、结构和符号,N 沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；P 沟道结型场效晶体管如图所示。,特点：由两个 PN 结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极 S、漏极 D 和栅极 G。漏极和源极具有互换性。,工作条件：两个 PN 结加反向电压。,二、工作原理,以 N 沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。,动画结型场效晶体管结构,工作原理如下：,VDS 0； VGS 0 。在漏源电压 VDS 不变条件下，改变栅源电压 VGS ，通过 PN 结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从
4、而控制漏极电流 ID。,结论：,1结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。,2所以输入电阻很大。一般可达 107 108 。,三极管的工作电压和基本连接方式,一、晶体三极管的工作电压,三极管的基本作用是放大电信号。,三极管工作在放大状态的外部条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,三极管电源的接法,三极管电源的接法,二、晶体三极管在电路中的基本连接方式,有三种基本连接方式：共发射极、共基极和共集电极接法。最常用的是共发射极接法。,三极管在电路中的三种基本连接方式,三极管内电流的分配和放大作用,一、电流分配关系,测量电路如图,调节电位器，测得发射极电流、基极电流和集电极电流的对应
5、数据如表所示。,因 IB 很小，则IC IE,IE = IC + IB,由表可见，三极管中电流分配关系如下：,说明：,1IE = 0 时，IC = -IB = ICBO 。,ICBO 称为集电极基极反向饱和电流，见图 2.1.7(a) 。一般 ICBO 很小，与温度有关。,2 IB = 0 时，IC = IE = ICEO 。,ICEO 称为集电极发射极反向电流，又叫 穿透电流，见图 (b)。,ICEO 越小，三极管温度稳定性越好。硅管的温度稳定性比锗管好。,ICBO 与 ICEO示意图,二、晶体三极管的电流放大作用,当基极电流 IB 由 0.01 mA 变到 0.02 mA 时，集电极电流
6、IC 由 0.56 mA 变到 1.14 mA 。上面两个变化量之比为,这说明，当 IB 有一微小变化时，就能引起 IC 较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。比值用符号 来表示，称为共发射极交流电流放大系数，简称“交流 ” ，即,结论：,1三极管的电流放大作用基极电流 IB 微小的变化，引起集电极电流 IC 较大变化。,2交流电流放大系数 表示三极管放大交流电流的能力,4通常 ， ，所以可表示为,考虑 ICEO ，则,3直流电流放大系数 表示三极管放大直流电流的能力,三极管的输入和输出特性,一、共发射极输入特性曲线,集射极之间的电压 VCE 一定时，发射结电压 VBE 与基极电流 I
7、B 之间的关系曲线。,共发射极输入特性曲线,由图可见：,1当V CE 2 V 时，特性曲线基本重合。,2当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。,共发射极输入特性曲线,4三极管导通后，VBE 基本不变。硅管约为 0.7 V ，锗管 约为 0.3 V ，称为三极管的导通电压。,5VBE 与 IB 成非线性关系。,3当 VBE 大于门槛电压(硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V)时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。,二、晶体三极管的输出特性曲线,基极电流一定时，集、射极之间的电压与集电极电流的关系曲线。,动画 晶体三极管的输出特性曲线,输出特性曲线可分为三个工作区:,1截止区,条件
8、：发射结反偏或两端电压为零。 特点： IB = 0，IC = ICEO 。,2饱和区,条件：发射结和集电结均为正偏。 特点：VCE = VCES。,VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V。,3放大区,条件：发射结正偏，集电结反偏。特点： IC 受 IB 控制 ，即 IC = IB 。,在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态的三极管具有恒流特性。,三极管主要参数,三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。,一、共发射极电流放大系数,1直流放大系数,2交流放大系数 ,电流放大系数一般在 10 100 之间。太小，放大能力弱，太大
9、易使管子性能不稳定。一般取 30 80 为宜。,二、极间反向饱和电流,1集电极 基极反向饱和电流 ICBO。,2集电极 发射极反向饱和电流 ICEO。,ICEO = ( 1 + ) ICBO,反向饱和电流随温度增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。,三、极限参数,1集电极最大允许电流 ICM,三极管工作时，当集电极电流超过 ICM 时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。,2集电极最大允许耗散功率 PCM,当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。,3集电
10、极 发射极间反向击穿电压 V(BR)CEO,管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。当电压越过此值时，管子将发生电击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。,三极管的简单测试,判别硅管和锗管的测试电路,一、硅管或锗管的判别,二、估计比较 的大小,NPN 管估测电路如图所示。,估测 的电路,万用表设置在 R 1 k 挡，测量并比较开关 S 断开和接通时的电阻值。前后两个读数相差越大，说明管子的 越高，即电流放大能力越大。,估测 PNP 管时，将万用表两只表笔对换位置。,三、估测 ICEO,NPN 管估测电路如图所示。所测阻值越大，说明管子的 ICEO 越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为
11、零，三极管短路。,测 PNP 型管时，红、黑表笔对调，方法同前。,I CEO 的估测,四、NPN 管型和 PNP 管型的判断,基极 b 的判断,将万用表设置在 R 1 k 或 R 100 k 挡，用黑表笔和任一管脚相接(假设它是基极 b)，红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是 NPN 型的管子。如图(a)所示。如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是 PNP 管的基极。如图 (b)所示。,五、e、b、c 三个管脚的判断,估测 的电路,如图所示，首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测 值的方法判断 c 、e 极。,方法是先假定一个
12、待定电极为集电极(另一个假定为发射极)接入电路，记下电阻表的摆动幅度，然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。,摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极 c，红表笔所连接的管脚为发射极 e。,测 PNP 管时，只要把图 示电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。,场效晶体管,结型场效晶体管,场效晶体管的主要参数和特点,场效晶体管,场效晶体管：是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。,特点：管子内部只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。,结型场效晶体管,N 沟道结型场效晶体管,P 沟道结型场效晶体管,一、结构和符号,N 沟道结型场效晶体管的
13、结构、符号如图所示；P 沟道结型场效晶体管如图所示。,特点：由两个 PN 结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极 S、漏极 D 和栅极 G。漏极和源极具有互换性。,工作条件：两个 PN 结加反向电压。,二、工作原理,以 N 沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。,动画结型场效晶体管结构,工作原理如下：,VDS 0； VGS 0 。在漏源电压 VDS 不变条件下，改变栅源电压 VGS ，通过 PN 结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从而控制漏极电流 ID。,结论：,1结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。,2所以输入电阻很大。一般可达 107 108 。,三、结型场效
14、晶体管的特性曲线和跨导,1转移特性曲线,结型场效晶体管的转移特性曲线,反映栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制作用。如图所示，若漏源电压一定：,当栅源电压 VGS = 0 时，漏极电流 ID = IDSS ，IDSS 称为饱和漏极电流；,当栅源电压 VGS 向负值方向变化时，漏极电流 ID 逐渐减小；,当栅源电压 VGS = VP 时，漏极电流 ID = 0，VP 称为夹断电压。,2输出特性曲线,结型场效晶体管的输出特性曲线,表示在栅源电压一定条件下，漏极电流与漏源电压之间的关系。如图所示。,(1)可调电阻区(图中区),VGS 不变时，ID 随 VDS 作线性变化，漏源间呈现电阻性。,栅
15、源电压 VGS 越负，输出特性越陡，漏源间的电阻越大。,结论：在区中，场效晶体管可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。,二、场效晶体管的特点,场效晶体管与普通三极管比较表,工程应用场效晶体管使用常识,结形场效晶体管的栅源电压必须使 PN 结反偏，不能接反。因结型场效晶体管的源极及漏极通常制成对称的，所以原极和漏极可以调换使用。,绝缘栅场效晶体管中，有的产品将彻底引出(有四个管脚)，此时源极和漏极可以互换使用，但有的产品在制造时已把源极和衬底连接在一起，这种管子源极和漏极就不能调换使用。,绝缘栅场效晶体管由于输入电阻很高，如果在管脚开路状态下保存 ，会使管子还未使用时就已击穿或性能下降。因此，无论
16、管子使用与否，都应将三个电极短路或用铝箔包好。结型场效晶体管可以在开路状态下保存。,基极电源,7.1 共发射极电压放大器,双电源共发射极单管放大电路,输入回路,输出回路,集电极电阻，约为几至几十欧,NPN型管,耦合电容,耦合电容,基极电阻，约几十至几百千欧,集电极电源，约为几至几十伏,负载电阻,电路中发射极是输入、输出回路的公共支路，而且放大的是电压信号，因此称之为共发射极 电压放大器。,电路各部分作用：,晶体管T：放大器的核心部件，在电路中起电流放大作用；,电源EC：为放大电路提供能量和保证晶体管工作在放大状态；,电源EB和电阻RB：使管子发射结处于正向偏置，并提供适当的基极电流IB；,耦合
17、电容C1和C2：一般为几微法至几十微法，利用其通交隔直作用，既隔离了放大器与信号源、负载之间的直流干扰，又保证了交流信号的畅通；,电阻RC：将集电极的电流变化变换成集电极的电压变化，以实现电压放大作用。,第2页,单电源共发射极单管放大电路,实用中，一般都采用单电源供电，而且把发射极的公共端作为“地”点，并按习惯画法把集电极电源以电位形式标在图中。,放大电路的直流通道,晶体管放大电路实际上是一个交、直流共存的电路。当交流信号ui=0时，电路所处的工作状态称为“静态”， 静态时等效电路称为它的直流通道。,直流通道中耦合电容相当于开路，电路中的各电压、电流都是直流量。电路中仅有直流量时的工作状态称为
18、“静态”。,放大电路的直流通道,第2页,静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。,放大电路的静态分析,由直流通道可对Q点进行估算：,例：已知图中UCC=10V，RB=250K，RC=3K，=50，求放大电路的静态工作点Q。,解：,所以，Q=IB=37.2A，IC=1.86mA，UCE=4.42V。,第2页,由于放大器一般都工作在小信号状态，即工作点在特性曲线上的移动范围很小。因此晶体管虽然工作在非线性状态下，但采用它的等效线性模型微变等效电路所分析得出的结果，与其真实状况相比仅有微小误差，可运
19、用线性电路模型分析问题则带给我们极大的方便。,仅有交流信号作用下，电容相当于短路，UCC=0相当于“地”电位，因此电路为左图所示。,放大电路的动态分析（交流通道）,上述微变等效电路中：,第2页,1. 什么是反馈,放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。,一、反馈的基本概念,要研究哪些问题？,反馈放大电路可用方框图表示。,2. 正反馈和负反馈,从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈，否则为正反馈；,引入反馈后其变化是增大？还是减小？,引入反馈后其变化是增大？还是减小？,或者，凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，否则为正反馈。,3. 直
20、流反馈和交流反馈,直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通路中存在的反馈称为交流反馈。,引入交流负反馈,4. 局部反馈和级间反馈,只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部反馈，将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输入回路的称为级间反馈。,通过R3引入的是局部反馈,通过R4引入的是级间反馈,通常，重点研究级间反馈或称总体反馈。,二、交流负反馈的四种组态,将输出电压的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电压反馈，即,将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电流反馈，即,描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式，即反馈网络的取样对象。,1. 电压反馈和电流反馈,2. 串
21、联反馈和并联反馈,描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。,-串联负反馈,-并联负反馈,负反馈,3. 四种反馈组态：注意量纲,电压串联负反馈,电流串联负反馈,电压并联负反馈,电流并联负反馈,为什么在并联负反馈电路中不加恒压源信号？ 为什么在串联负反馈电路中不加恒流源信号？,左图所示为A741集成运算放大器的芯片实物外形图,从实物外形图上可看出，A741集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：,空脚,正电源端,输出端,调零端,调零端,反相输入端,同相输入端,负电源端,集成运放的电路图符号,外部接线图,第2页,2集成运算的主要技术指标,（1）开环电
22、压放大倍数Au0,指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为104107；,集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间；,（2）差模输入电阻ri和输出电阻r0,（1）开环电压放大倍数Au0,指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。,（3）最大共模输入电压Uicmax,第2页,3理想集成运算及其传输特性,Auo=、 ri=、 r0=0 、KCMR=。,根据集成运放
23、的实际特性和理想特性，可画出相应的电压传输特性。,为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：,电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系。 可以看出，当集成运放工作在线性区（+U0MU0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态使输出电压保持稳定。,线性区,饱和区,输出、输入电压的关系：,第2页,根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：,（1）虚断：由ri=，得ii0，即理想运放内部不需要向信号源索取任何电流，两个输入端的电流恒为零。电流为零相当于断路，但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为虚断；（2）虚短：由Ado=，得uu，即理想运放两个输入端的电位相等。两点等电位相当于短路，实际上两个输入端并未真正短接，因此称为虚短。,第2页,1反相比例运算电路,集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。当集成运放通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环并工作在线性区，可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；若工作在非线性区，集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。 先介绍集成运放的线性应用。,集成运放的应用,式中负号表示输出电压与输入电压的相位相反,R2是平衡电阻：,第2页,
