[百晓生]-模拟电路笔记(二)

 

 

 

模拟电路基础

By mystery

三.半导体三极管及放大电路基础

#.根据结构不同，BJT(半导体三极管)可分成两种类型：NPN型和PNP型

#.NPN型：虽然发射区和停电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多；在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大。因此它们并不是对称的

#.BJT有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结，两个PN结通过很薄的基区联系着

#.NPN型和PNP型BJT具有几乎等同的特性，只不过各电极端的电压极性和电流流向不同而已

#.BJT内部载流子的传输过程

为使发射区发射电子、集电区收集电子，必须具备的条件是：发射结加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)，在这些处加电压的条件下，管内载流子的传输将发生下列过程：

1）发射区向基区注入电子

这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流Ie，其方向与电子流动方向相反

2）电子在基区中的扩散与复合

由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区中形成了一定的浓度梯度，电子要向集电结的方向扩散，在扩散过各中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源Vee的下端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流Ib，所以电流就是电子在基区与空穴复合的电流；

也就是说，注入基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。所以为了减小复合，常把基区做得很薄，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。

3）集电区收集扩散过来的电子

集电结所加的是反向电压。集电集电结势垒很高，使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但这个势垒对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，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Ic

#.反向饱和电流Icbo：根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流；这部分电流决定于少数载小孩子浓度，称为反向饱和电流。这个电流对放大没有贡献，而且受温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要尽量设法减小Icbo

#.BJT内有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管

#.基极电流是电子在基区与空穴复合的电流

#.放大作用：BJT最基本的一种应用，是把微弱的电信号加以放大

#.在发射极和基极之间的回路(输入回路)上加入一个等放大的输入信号，由于外加电压的变化，将使发射极电流相应地变化，而PN结的正向电压对电流的控制作用是很灵敏的，发射极电流的变化引起集电极电流的变化，集电极电流的变化通过接在集电极上的负载电阻产生一个变化的电压，而从负载电阻上取出来的变化电压随时间的变化规律和输入信号电压变化相同，但幅度却大了旅行倍。所增大的倍数称为电压增益

#.归纳：BJT的放大作用，主要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。为了保证这一个传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置、集电结要反向偏置

#.BJT组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，BJT可有三种连接方式：共基极、共发射极和共集电极

#.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

#.共射极电路与共基极电路放大信号的物理本质是相同的，但共射极电路也有自身的特点：

1）从BJT的输入电流控制输出电流这一点看来，这两种电路的基本区别是：共射极电路以基极电流Ib作为输入控制电流，而共基极电路则是以发射极电流Ie作为输入控制电流。用Ib作为输入控制电流的好处是信号源消耗的功率很小

2）对于共射极电路，研究其放大过程主要是分析集电极电流(输出电流)与基极电流(输入电流)之间的关系

3）共射极电路不但能得到电压放大，而且还可得到电流放大，致使共射极电路是目前应用最广泛的一种组态

#.共射极电路的特性曲线

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

集电结所加的反向电压大到1V以后已能把这些电子中的绝大部分拉到集电结来，以至Uce再增加，Ib也不再明显减小，故Uce>1V后的输入特性基本重合

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(此处指集电极回路)，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

输出特性的起始部分很陡，Uce略有增加时，Ic增加很快，这是由于在Uce很小地(约1V以下)，集电结的反向电压很小，对到达基区的电子吸引力不够，这时Ic受Uce的影响很大，Uce稍有增加，从基区到集电区的电子也增加，故Ic随Uce的增加而增加

当Uce超过某一数值(约1V)后，特性曲线变得比较平坦。这是由于Uce大于1V以后，集电结的电场已足够强，能使发射区扩散到基区的电子绝大部分都到达集电区，故Uce再增加，Ic就增加不多了

#.共射极电路可知：Uce=Ucb-Ube

#.交流电流放大系数表示在工作点处Ic和Ib的变化量的比值

#.BJT的电流放大系数有直流和交流两种，在通常情况下，两者接近，故可混用

#.集电极-基极反向饱和电流Icbo：表示发射极开路，c、b间加上一定反向电压时的反向电流，只决定于温度和少数载流子的浓度，这个电流基本上一个常数，所以称为反向饱和电流，一般值很小

#.集电极-发射极间的反向饱和电流Iceo：表示基极开路，c、e间加上一定反向电压时的集电极电流

#.Icm：集电极最大允许电流 | Pcm：集电极最大允许功率损耗 | V(br)ebo：集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压 | V(br)ceo：基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压 | V(br)cbo：发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压

#.BJT发生电压击穿后，电路中的管子就不能正常工作，但管子并不一定损坏，只要不超过最大功率损耗Pcm，而且进入击穿的时间很短时，管子的特性不会变坏，因此击穿过程还是可逆的

3.2 共射极放大电路

#.在实践中，放大电路的用途是非常广泛的，它能够利用BJT的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值

#.扩音机：声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器，利用BJT的控制作用，把电源供给的能量转换为较强的电信号，然后经过扬声器(喇叭)还原成为放大了的声音

#.NPN型放大电路中，集电结为反向偏置，发射极为正向偏置；对于PNP型管，保证集电结为反向偏置，发射结为正向偏置

#.放大电路中的电容称为隔直电容或耦合电容，它们在电路中的作用是：传送交流，隔离直流

#.放大：输入端的交流电压V1通过电容Cb1加到BJT的发射结，从而引起基极电源Ib相应的变化，Ib的变化使集电极电流Ic随之变化，Ic的变化量在集电极电阻Rc上产生压降。集电极电压Uce=Vcc-IcRc，当Ic的瞬时值增加时，Uce就要减小，所以Uce的变化与Ic相反。Uce中的变化量经过Cb2传送到输出端成为输出电压Vo

#.值得指出的是：放大作用是利用BJT的基极对集电极的控制作用来实现的，即在输入端加一个能量较小的信号，通过BJT的基极电流去控制流过集电极电路的电流，从而将直流电源Vcc的能量转化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。同时还要注意放大作用是针对变化量而言的

#.在半导体电路中，常把输入电压、输出电压以及直流电源Vcc和Vbb的共同端点称为“地”，并以地端作为零电位点(参考电位点)。这样，电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压(即电位差)

#.为了分析方便，我们规定：电压的正方向是以共同端为负端，其他各点为正端。在图中用“+”、“-”号分别表示假定正方向；而电流的假定正方向在图中用箭头表示

#.分析放大电路的方法主要有图解分析法和小信号模型分析法

3.3 图解分析法

#.当放大电路没有输入信号(Vi=0)时，电路中各自的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。在静态工作情况下，BJT各电极的直流电压和直流电流的数值，将在管子的特性曲线上确定一点，这点常称为Q点

#.当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态

#.电路的线性与非线性两部分实际上是串联在一起构成一个电路整体，只有这两部分V-I特性的交点Q所对应的电流电压值，才能同时满足所有表达式。Q点表示在给定条件下电路的工作状态，由于此时没有输入信号电压，所以Q点就是静态工作点；Q点对应的电流、电压值就是静态工作情况下的电流和电压，Q点确定后，就可以在此基础上进行动态分析了

#.放大电路的直流负载线是不变的，Ib最大时，输出特性与直流负载线的交点是Q'点,Ib最小时，输出特性与直流负载线的交点是Q"点，所以放大电路只能在负载线的Q'Q"段上工作，即放大电路的工作点随着Ib的变动将沿着直流负载线在Q'与Q"点之间移动，因此，直线段Q'Q"是工作点移动的轨迹，通常称为动态工作范围。

#.Uce中的交流量Uce的波形就是输出电压Vo的波形

#.总结

1.没有输入信号电压时，BJT各电极都是恒定的电流和电压(Ib、Ic、Vce)，当在放大电压输入端加入输入信号电压后，ib、ic、v(ce)都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，即ib=Ib+ib;ic=Ic+ic;v(ce)=Vce+v(ce)。因此，放大电路中电压、电流包含两个分量：一个是静态工作情况决定的直流成分Ib、Ic、Vce；另一个是由输入电压引起的交流成分ib、ic和v(ce)。虽然这些电流、电压的瞬时值是变化的，但它们的方向始终是不变的

2.Vo(v(ce))与Vi相位相反。这种现象称为放大电路的反相作用，因而共射极放大电路又叫反相电压放大器，它是一种重要的电路组态。

#.对于交流分量来说，就当用Rl"来表示电流、电压之间的关系；把由斜率为-1/Rc定出的负载线称为直流负载线，它由直流通路决定；而把由斜率-1/Rl"定出的负载线称为交流负载线，它由交流通路决定。

#.交流负载线和直流负载线必然在Q点相交，这是因为在线性工作范围内，输入电压在变化过程中是一定经过零点的

#.所以，通过Q点作一条斜率为-1/Rl"的直线就可得到交流负载线

#.Q点选得过低，将导致产生截止失真；反之，若Q点选得过高，又将引起饱和失真。一般来说，Q点选在交流负载线AB的中央，这时可获得最大的不失真输出，亦即可得到最大的动态工作范围

#.BJT的基本特点是通过电流控制实现放大作用，饱和、放大、截止称为BJT的三种工作状态。

#.饱和现象的产生是由于工作点上移使Uce减小到一定的程度后，集电结收集载流子的能力减弱，发射极有余，而集电极收集不足，这时即使Ib增加，但Ic却不能增加即不再服从Ic=βIb的规律了，Q1点即属于这种情况。一般把输出特性直线上升和弯曲部分划为饱和区

#.BJT工作在饱和状态时的管压降称为饱和压降

#.BJT输出特性的平坦部分接近恒流特性，这部分符合Ic=βIb的规律，称为放大区，这是放大电路的工作区域

#.其它条件不变时，Ib减小，则Q点就会沿直流负载线向下移动，当Ib=0时，工作到Q"点，Ic=Iceo≈0，这时Ib=0，Ic≈0，Vce≈Vcc，BJT如同工作在断开状态，一般把输出特性Ib=0曲线以下的部分称为截止区

#.改变Ib就可使BJT的三种状态互相转化。在放大电路中要尽量避免工作到饱和区和截止区，以免产生饱和失真和截止失真，甚至失去放大作用，而在脉冲数字电路中恰好相反，它正是利用饱和、截止状态使BJT作为一个可以控制的无触点开关

#.在实际工作中，常可利用测量BJT各电极之间的电压来判断它的工作状态