三極管及基本放大電路

1、第5章 三極管及基本放大電路半導(dǎo)體三極管是一種最重要的半導(dǎo)體器件。它的放大作用和開關(guān)作用促使電子技術(shù)飛躍發(fā)展。場(chǎng)效應(yīng)管是一種較新型的半導(dǎo)體器件，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于放大電路和數(shù)字電路中。本章介紹半導(dǎo)體三極管、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管以及由它們組成的基本放大電路。5.1 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管簡(jiǎn)稱為晶體管。它由兩個(gè)PN結(jié)組成。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使三極管表現(xiàn)出電流放大作用和開關(guān)作用，這就促使電子技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。本節(jié)圍繞三極管的電流放大作用這個(gè)核心問題來討論它的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)?；鶚OBTCEBTCEB基極B發(fā)射極E 發(fā)射極E 集電極C 集電極C N集電區(qū)P基區(qū)N發(fā)射區(qū)P集電區(qū)N基區(qū)

2、P發(fā)射區(qū)三極管的種類很多，按功率大小可分為大功率管和小功率管；按電路中的工作頻率可分為高頻管和低頻管；按半導(dǎo)體材料不同可分為硅管和鍺管；按結(jié)構(gòu)不同可分為NPN管和PNP管。無論是NPN型還是PNP型都分為三個(gè)區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，由三個(gè)區(qū)各引出一個(gè)電極，分別稱為發(fā)射極（E）、基極（B）和集電極（C），發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。其結(jié)構(gòu)和符號(hào)見圖5-1，其中發(fā)射極箭頭所示方向表示發(fā)射極電流的流向。在電路中，晶體管用字符T表示。具有電流放大作用的三極管，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上具有其特殊性，這就是：其一是發(fā)射區(qū)摻雜濃度大于集電區(qū)摻雜濃度，集電區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)

3、大于基區(qū)摻雜濃度；其二是基區(qū)很薄，一般只有幾微米。這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是三極管具有電流放大作用的內(nèi)在依據(jù)。（a） (b)圖5-1 兩類三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)三極管的電流分配關(guān)系和放大作用 圖5-2 共發(fā)射極放大實(shí)驗(yàn)電路VBBIBIERBVBBVCCRCmAATmA現(xiàn)以NPN管為例來說明晶體管各極間電流分配關(guān)系及其電流放大作用，上面介紹了三極管具有電流放大用的內(nèi)部條件。為實(shí)現(xiàn)晶體三極管的電流放大作用還必須具有一定的外部條件，這就是要給三極管的發(fā)射結(jié)加上正向電壓，集電結(jié)加上反向電壓。如圖5-2，VBB為基極電源，與基極電阻RB及三極管的基極B、發(fā)射極E組成基極發(fā)射極回路（稱作輸入回路）,VBB使發(fā)射

4、結(jié)正偏，VCC為集電極電源，與集電極電阻RC及三極管的集電極C、發(fā)射極E組成集電極發(fā)射極回路（稱作輸出回路），VCC使集電結(jié)反偏。圖中，發(fā)射極E是輸入輸出回路的公共端，因此稱這種接法為共發(fā)射極放大電路， 改變可變電阻RB, 測(cè)基極電流IB，集電極電流IC和發(fā)射結(jié)電流IE,，結(jié)果如表5-1。表5-1 三極管電流測(cè)試數(shù)據(jù)IB (A)020 40 60 80 100IC (mA)0.005 0.99 2.08 3.17 4.26 5.40IE (mA)0.005 10.01 2.12 3.23 4.34 5.50從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得如下結(jié)論：（1）IE = IB + IC 。此關(guān)系就是三極管的電流分配關(guān)系

5、，它符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC幾乎相等，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流IB.，從第三列和第四列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知IC與IB的比值分別為：， IB的微小變化會(huì)引起IC較大的變化，計(jì)算可得：計(jì)算結(jié)果表明，微小的基極電流變化，可以控制比之大數(shù)十倍至數(shù)百倍的集電極電流的變化，這就是三極管的電流放大作用。、稱為電流放大系數(shù)。通過了解三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以解釋晶體管的電流放大原理。本書從略。三極管的特性曲線是用來表示各個(gè)電極間電壓和電流之間的相互關(guān)系的，它反映出三極管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。特性曲線可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可在晶體管圖示儀上直觀地顯示出來。1輸入特性曲線晶體管的輸入特性曲線表示了V

6、CE為參考變量時(shí)，IB和VBE的關(guān)系。0.2 0.4 0.6 0.8 VBE(V)806040200VCE1V IB (A)圖5-3 三極管的輸入特性曲線 （5-1）圖5-3是三極管的輸入特性曲線，由圖可見，輸入特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 輸入特性也有一個(gè)“死區(qū)”。在“死區(qū)”內(nèi)，VBE雖已大于零，但I(xiàn)B幾乎仍為零。當(dāng)VBE大于某一值后，IB才隨VBE增加而明顯增大。和二極管一樣，硅晶體管的死區(qū)電壓VT（或稱為門檻電壓）約為0.5V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓VBE =（0.60.7）V；鍺晶體管的死區(qū)電壓VT約為0.2V，導(dǎo)通電壓約（0.20.3）V。若為PNP型晶體管，則發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓VBE分別為(-0

7、.6 -0.7)V和(-0.2 -0.3)V。（2）一般情況下，當(dāng)VCE >1V以后，輸入特性幾乎與VCE=1V時(shí)的特性重合，因?yàn)閂CE >1V后，IB無明顯改變了。晶體管工作在放大狀態(tài)時(shí)，VCE總是大于1V的（集電結(jié)反偏），因此常用VCE1V的一條曲線來代表所有輸入特性曲線。2.輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線表示以IB為參考變量時(shí)，IC和VCE的關(guān)系，即:100A80A60A40A20AIB=03 6 9 12 VCE(V)截止區(qū)5飽和區(qū)放 大 區(qū)IC (mA)43210圖5-4 三極管的輸出特性曲線 （5-2）圖5-4是三極管的輸出特性曲線，當(dāng)IB改變時(shí)，可得一組曲線族，由圖

8、可見，輸出特性曲線可分放大、截止和飽和三個(gè)區(qū)域。（1） 截止區(qū) ：IB = 0的特性曲線以下區(qū)域稱為截止區(qū)。在這個(gè)區(qū)域中，集電結(jié)處于反偏，VBE0發(fā)射結(jié)反偏或零偏，即VC>VEVB。電流IC很小，（等于反向穿透電流ICEO）工作在截止區(qū)時(shí)，晶體管在電路中猶如一個(gè)斷開的開關(guān)。（2） 飽和區(qū) ：特性曲線靠近縱軸的區(qū)域是飽和區(qū)。當(dāng)VCE<VBE時(shí)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均處于正偏，即VB>VC>VE。在飽和區(qū)IB增大，IC幾乎不再增大，三極管失去放大作用。規(guī)定VCE=VBE時(shí)的狀態(tài)稱為臨界飽和狀態(tài)，用VCES表示，此時(shí)集電極臨界飽和電流： （5-3）基極臨界飽和電流： （5-4）當(dāng)集

9、電極電流IC>ICS時(shí)，認(rèn)為管子已處于飽和狀態(tài)。IC<ICS時(shí),管子處于放大狀態(tài)。管子深度飽和時(shí)，硅管的VCE約為0.3V，鍺管約為0.1V,由于深度飽和時(shí)VCE約等于0，晶體管在電路中猶如一個(gè)閉合的開關(guān)。（3）放大區(qū) ：特性曲線近似水平直線的區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。在這個(gè)區(qū)域里發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即VC>VB>VE。 其特點(diǎn)是IC的大小受IB的控制，IC=IB，晶體管具有電流放大作用。在放大區(qū)約等于常數(shù)，IC幾乎按一定比例等距離平行變化。由于IC只受IB的控制，幾乎與VCE的大小無關(guān)。特性曲線反映出恒流源的特點(diǎn)，即三極管可看作受基極電流控制的受控恒流源。例5-1 用直流電壓

10、表測(cè)得放大電路中晶體管T1各電極的對(duì)地電位分別為Vx = +10V，Vy = 0V，Vz = +0.7V，如圖5-5（a）所示, T2管各電極電位Vx = +0V，Vy = -0.3V，Vz = -5V，如圖5-5（b）所示，試判斷T1和T2各是何類型、何材料的管子，x、y、z各是何電極？yzyxT2zxT1 (a) (b)圖5-5 例5-1解： 工作在放大區(qū)的NPN型晶體管應(yīng)滿足VC>VB> VE ，PNP型晶體管應(yīng)滿足VC<VB< VE，因此分析時(shí),先找出三電極的最高或最低電位，確定為集電極,而電位差為導(dǎo)通電壓的就是發(fā)射極和基極。根據(jù)發(fā)射極和基極的電位差值判斷管子的

11、材質(zhì)。（1） 在圖（a）中，z與y的電壓為0.7V，可確定為硅管，因?yàn)閂x>Vz> Vy,，所以x為集電極，y為發(fā)射極，z為基極，滿足VC>VB> VE,的關(guān)系，管子為NPN型。（2）在圖（b）中，x與y的電壓為0.3V，可確定為鍺管，又因Vz<Vy< Vx,，所以z為集電極，x為發(fā)射極，y為基極，滿足VC<VB< VE的關(guān)系，管子為PNP型。+10V 1K IC+6V 5K IB+10V 1K IC-2V 5K IB+10V 1K IC+2V 5K IB例5-2 圖5-6所示的電路中，晶體管均為硅管,=30，試分析各晶體管的工作狀態(tài)。(a) (

12、b) (c) 圖5-6 例5-2解: （1）因?yàn)榛鶚O偏置電源+6V大于管子的導(dǎo)通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏，管子導(dǎo)通,基極電流：因?yàn)?IC>ICS，所以管子工作在飽和區(qū)。（2）因?yàn)榛鶚O偏置電源-2V小于管子的導(dǎo)通電壓，管子的發(fā)射結(jié)反偏，管子截止，所以管子工作在截止區(qū)。（3）因?yàn)榛鶚O偏置電源+2V大于管子的導(dǎo)通電壓，故管子的發(fā)射結(jié)正偏,管子導(dǎo)通基極電流:：因?yàn)镮C<ICS，所以管子工作在放大區(qū)。5.1.4 晶體管的主要參數(shù)晶體管的參數(shù)是用來表示晶體管的各種性能的指標(biāo),是評(píng)價(jià)晶體管的優(yōu)劣和選用晶體管的依據(jù),也是計(jì)算和調(diào)整晶體管電路時(shí)必不可少的根據(jù)。主要參數(shù)有以下幾個(gè)。1電流放大系數(shù)(1)

13、共射直流電流放大系數(shù)。它表示集電極電壓一定時(shí)，集電極電流和基極電流之間的關(guān)系。即： (5-5) (2)共射交流電流放大系數(shù)。它表示在VCE保持不變的條件下，集電極電流的變化量與相應(yīng)的基極電流變化量之比，即: (5-6)上述兩個(gè)電流放大系數(shù)和的含義雖不同，但工作于輸出特性曲線的放大區(qū)域的平坦部分時(shí)，兩著差異極小，故在今后估算時(shí)常認(rèn)為。由于制造工藝上的分散性，同一類型晶體管的值差異很大。常用的小功率晶體管，值一般為20200。過小，管子電流放大作用小，過大，工作穩(wěn)定性差。一般選用在40100的管子較為合適。ICEOICEOAAICBOICBOAA2極間電流(a)NPN管 (b)PNP管 (c)NP

14、N管 (d)PNP管 圖5-7 ICBO的測(cè)量 圖5-8 ICEO的測(cè)量(1)集電極反向飽和電流ICBO。ICBO是指發(fā)射極開路，集電極與基極之間加反向電壓時(shí)產(chǎn)生的電流，也是集電結(jié)的反向飽和電流?？梢杂脠D5-7的電路測(cè)出。手冊(cè)上給出的ICBO都是在規(guī)定的反向電壓之下測(cè)出的。反向電壓大小改變時(shí)，ICBO的數(shù)值可能稍有改變。另外ICBO是少數(shù)載流子電流，隨溫度升高而指數(shù)上升，影響晶體管工作的穩(wěn)定性。作為晶體管的性能指標(biāo)，ICBO越小越好，硅管的ICBO比鍺管的小得多，大功率管的ICBO值較大，使用時(shí)應(yīng)予以注意。(2)穿透電流ICEO。 ICEO是基極開路，集電極與發(fā)射極間加電壓時(shí)的集電極電流，由于

15、這個(gè)電流由集電極穿過基區(qū)流到發(fā)射極，故稱為穿透電流。測(cè)量ICEO的電路如圖5-8所示。根據(jù)晶體管的電流分配關(guān)系可知：ICEO=（1+）ICBO。故ICEO也要受溫度影響而改變，且大的晶體管的溫度穩(wěn)定性較差。3極限參數(shù)晶體管的極限參數(shù)規(guī)定了使用時(shí)不許超過的限度。主要極限參數(shù)如下：(1)集電極最大允許耗散功率PCM晶體管電流IC與電壓VCE的乘積稱為集電極耗散功率，這個(gè)功率導(dǎo)致集電結(jié)發(fā)熱，溫度升高。而晶體管的結(jié)溫是有一定限度的，一般硅管的最高結(jié)溫為1001500C，鍺管的最高結(jié)溫為701000C，超過這個(gè)限度，管子的性能就要變壞，甚至燒毀。因此，根據(jù)管子的允許結(jié)溫定出了集電極最大允許耗散功率PCM

16、，工作時(shí)管子消耗功率必須小于PCM。可以在輸出特性的坐標(biāo)系上畫出PCM = ICVCE的曲線，稱為集電極最大功率損耗線。如圖5-9所示。曲線的左下方均滿足PC<PCM的條件為安全區(qū)，右上方為過損耗區(qū)。(2)反向擊穿電壓V(BR)CEO反向擊穿電壓V(BR)CEO是指基極開路時(shí)，加于集電極發(fā)射極之間的最大允許電壓。使用時(shí)如果超出這個(gè)電壓將導(dǎo)致集電極電流IC急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿。從而造成管子永久性損壞。一般取電源VCC<V(BR)CEO。(3)集電極最大允許電流ICM。由于結(jié)面積和引出線的關(guān)系，還要限制晶體管的集電極最大電流，如果超過這個(gè)電流使用，晶體管的就要顯著下降，甚至可能損

17、壞。ICM表示值下降到正常值2/3時(shí)的集電極電流。通常IC不應(yīng)超過ICM。0.707010fT最大功率損耗線IC(mA)00 10 20 30 VCE(V)104 105 fB 106 107 108 f(Hz)203010100PCM ，V(BR)CEO和ICM這三個(gè)極限參數(shù)決定了晶體管的安全工作區(qū)。圖5-9根據(jù)3DG4管的三個(gè)極限參數(shù)：PCM=300mW，ICM=30mA，V(BR)CEO=30V，畫出了它的安全工作區(qū)。 圖5-9 3DG4的安全工作區(qū) 圖5-10 的頻率特性頻率參數(shù)由于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電容效應(yīng)，晶體管在高頻工作時(shí)放大性能下降。頻率參數(shù)是用來評(píng)價(jià)晶體管高頻放大性能的參數(shù)。(

18、1)共射截止頻率。晶體管的隨信號(hào)頻率升高而下降的特性曲線如圖5-10所示。頻率較低時(shí), 基本保持常數(shù),用0表示低頻時(shí)的值.當(dāng)頻率升到較高值時(shí)，開始下降，下降到0的0.707倍時(shí)的頻率稱為共射極截止頻率，也叫做的截止頻率。應(yīng)當(dāng)說明，對(duì)于頻率為或高于的信號(hào)，晶體管仍然有放大作用。(2)特征頻率。下降到等于1時(shí)的頻率稱為特征頻率T 。頻率大于T 之后，與近似滿足：T =因此，知道了T 就可以近似確定一個(gè) ( > )時(shí)的值。通常高頻晶體管都用fT表征它的高頻放大特性。5溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響幾乎所有晶體管參數(shù)都與溫度有關(guān)，因此不容忽視。溫度對(duì)下列三個(gè)參數(shù)的影響最大。(1)溫度對(duì)ICBO的影響：I

19、CBO是少數(shù)載流子形成，與PN結(jié)的反向飽和電流一樣，受溫度影很大。無論硅管或鍺管，作為工程上的估算，一般都按溫度每升高10C，ICBO增大一倍來考慮。 (2)溫度對(duì)的影響：溫度升高時(shí)隨之增大。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于不同類型的管子隨溫度增長(zhǎng)的情況是不同的，一般認(rèn)為：以250C時(shí)測(cè)得的值為基數(shù)，溫度每升高10C，增加約（0.51）%。 (3)溫度對(duì)發(fā)射結(jié)電壓VBE的影響：和二極管的正向特性一樣，溫度每升高10C，|VBE|約減小22.5mV。因?yàn)?，ICEO =（1+）ICBO ，而IC = IB+（1+）ICBO，所以溫度升高使集電極電流IC升高。換言之，集電極電流IC隨溫度變化而變化。5.1.5 晶體管

20、開關(guān)的應(yīng)用非門RC F-VBB R2R1A1圖5-11 三極管非門VCC第 I 條 ATF 圖5-11所示的晶體管非門電路及其圖形符號(hào)。晶體管T的工作狀態(tài)或從截止轉(zhuǎn)為飽和，或從飽和轉(zhuǎn)為截止。非門電路只有一個(gè)輸入端A。F為輸出端。當(dāng)輸入端A為高電平1，即VA = 3V時(shí)，晶體管T飽和，使集電極輸出的電位VF = 0V，即輸出端F為低電平0；當(dāng)輸入端A為低電平0時(shí)，晶體管T截止，使集電極輸出的電位VF = VCC，即輸出端F為高電平1。 可見非門電路的輸出與輸入狀態(tài)相反，所以非門電路也稱為反相 器。圖中加負(fù)電源VBB是為了使晶體管可靠截止。從上述分析可知，該電路的輸出電平高低總是和輸入電平高低相反

21、，這種“結(jié)果與條件處于相反狀態(tài)”的邏輯關(guān)系稱為非（Not）邏輯關(guān)系。非邏輯也稱為邏輯反、非運(yùn)算。邏輯變量上的“”是非運(yùn)算符，設(shè)A、F分別為邏輯變量，則非運(yùn)算的表達(dá)式可寫成以下 上式讀作F等于A非。邏輯非的含義是：只要輸入變量A為0，輸出變量F就為1；反之，A為1時(shí)，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“見0出1，見1出0”。以上是晶體管開關(guān)作用具體應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。5.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制型的半導(dǎo)體器件，它具有輸入電阻高（可達(dá)1091015，而晶體三極管的輸入電阻僅有102104），噪聲低，受溫度、幅射等外界條件的影響較小，耗電省、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。，因此得到廣泛應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)

22、的不同可分為結(jié)型和絕緣柵型；從工作性能可分耗盡型和增強(qiáng)型；所用基片（襯底）材料不同，又可分P溝道和N溝道兩種導(dǎo)電溝道。因此，有結(jié)型P溝道和N溝道，絕緣柵耗盡型P溝道和N溝及增強(qiáng)型P溝道和N溝六種類型的場(chǎng)效應(yīng)管。它們都是以半導(dǎo)體的某一種多數(shù)載流子（電子或空穴）來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，所以又稱為單極型晶體管。在本書中只簡(jiǎn)單介紹絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是一種金屬(M)氧化物(O)半導(dǎo)體(S)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱為MOS（Metal Oxide Semiconductor）管。本節(jié)以溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管為主進(jìn)行討論。1 N溝道增強(qiáng)MOS型管(1) 結(jié)構(gòu)圖5-12（a）是溝道增強(qiáng)型MO

23、S管的結(jié)構(gòu)示意圖。用一塊型半導(dǎo)體為襯底，在襯底上面的左、右兩邊制成兩個(gè)高摻雜濃度的型區(qū)，用N+表示，在這兩個(gè)N+區(qū)各引出一個(gè)電極，分別稱為源極S和漏極D，管子的襯底也引出一個(gè)電極稱為襯底引線b。管子在工作時(shí)b通常與S相連接。在這兩個(gè)N+區(qū)之間的型半導(dǎo)體表面做出一層很薄的二氧化硅絕緣層，再在絕緣層上面噴一層金屬鋁電極，稱為柵極G，圖5-12(b)是溝增強(qiáng)型MOS管的符號(hào)。溝道增強(qiáng)型MOS管是以型半導(dǎo)體為襯底，再制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)做源極S和漏極D，其符號(hào)如圖5-12(c)，襯底b的箭頭方向是區(qū)別溝道和溝道的標(biāo)志。 S G 鋁 D P襯底DN+GGGbSSD Sio2N+b 絕緣層 PPP襯

24、 b(襯底引線)（a） （b） （c）圖5-12 增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)(2) 工作原理 如圖5-13所示。當(dāng)VGS = 0時(shí)，由于漏源之間有兩個(gè)背向的結(jié)不存在導(dǎo)電溝道，所以即使D、S間電壓VDS0，但I(xiàn)D = 0，只有VGS增大到某一值時(shí)，由柵極指向P型襯底的電場(chǎng)的作用下，襯底中的電子被吸引到兩個(gè)N+區(qū)之間構(gòu)成了漏源極之間的導(dǎo)電溝道，電路中才有電流ID。對(duì)應(yīng)此時(shí)的VGS稱為開啟電壓VGS(th) = VT。在一定VDS下，VGS值越大，電場(chǎng)作用越強(qiáng)，導(dǎo)電的溝道越寬，溝道電阻越小，ID就越大，這就是增強(qiáng)型管子的含義。 圖5-13 Vgs對(duì)溝道的影響VDSVGS IDS G D N溝道 P襯

25、底N+N+(3) 輸出特性輸出特性是指VGS為一固定值時(shí)，ID與VDS之間的關(guān)系，即 （5-7）同三極管一樣輸出特性可分為三個(gè)區(qū)，可變電阻區(qū)，恒流區(qū)和截止區(qū)。可變電阻區(qū)：圖5-14（a）的區(qū)。該區(qū)對(duì)應(yīng)VGSVT，VDS很小，VGD=VGSVDSVT的情況。該區(qū)的特點(diǎn)是：若VGS不變，ID隨著VDS的增大而線性增加，可以看成是一個(gè)電阻，對(duì)應(yīng)不同的VGS值，各條特性曲線直線部分的斜率不同，即阻值發(fā)生改變。因此該區(qū)是一個(gè)受VGS控制的可變電阻區(qū)，工作在這個(gè)區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控電阻。恒流區(qū)（亦稱飽和區(qū)，放大區(qū)）：圖5-14（a）的區(qū)。該區(qū)對(duì)應(yīng)VGSVT，VDS較大，該區(qū)的特點(diǎn)是若VGS固定為某個(gè)

26、值時(shí)，隨VDS的增大，ID不變，特性曲線近似為水平線，因此稱為恒流區(qū)。而對(duì)應(yīng)同一個(gè)VDS值，不同的VGS值可感應(yīng)出不同寬度的導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生不同大小的漏極電流ID，可以用一個(gè)參數(shù)，跨導(dǎo)gm來表示VGS對(duì)ID的控制作用。gm定義為：I D(mA) 區(qū) 區(qū) 區(qū)VGS=5V4.5V4V3.5V3V2.5V (VT)ID(mA) VDS=常數(shù)4VT0 2 4 6 8 VGS(V)0 2 4 6 8 VDS(V)2541382612 （5-8）（a）輸出特性 (b)轉(zhuǎn)移特性圖5-14N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線截止區(qū)（夾斷區(qū)）：該區(qū)對(duì)應(yīng)于VGSVT的情況，這個(gè)區(qū)的特點(diǎn)是：由于沒有感生出溝道，故電流ID=

27、0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。圖5-14（a）的區(qū)為擊穿區(qū)，當(dāng)VDS增大到某一值時(shí)，柵、漏間的PN結(jié)會(huì)反向擊穿，使ID急劇增加。如不加限制，會(huì)造成管子損壞。 (4) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是指VDS為固定值時(shí)，ID與VGS之間的關(guān)系，表示了VGS對(duì)ID的控制作用。即： （5-9）由于VDS對(duì)ID的影響較小，所以不同的VDS所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線基本上是重合在一起的，如圖5-14（b）所示。這時(shí)ID可以近似地表示為： （5-10）其中IDSS是VGS=2VGS（th）時(shí)的值ID2 溝道耗盡型MOS管I D(mA)3V2V1VVGS=0V1V2V區(qū) 區(qū)區(qū)0 4 8 12 14 VDS(V)VDSVGSS G DI

28、D N溝道 P襯底N+N+(a)8246102(b)溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型一樣，所不同的是在制造過程中，在sio2絕緣層中摻入大量的正離子。當(dāng)VGS=0時(shí)，由正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)就能吸收足夠的電子產(chǎn)生原始溝道，如果加上正向VDS電壓，就可在原始溝道的中產(chǎn)生電流。其結(jié)構(gòu)、符號(hào)如圖5-15所示。ID(mA)IDSS(c)(d)bGDS-4 -2 0 2 4 VGS(V)268圖5-15 N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 輸出特性 c) 轉(zhuǎn)移特性 (d)符號(hào)當(dāng)VGS正向增加時(shí)，將增強(qiáng)由絕緣層中正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)，感生的溝道加寬，ID將增大，當(dāng)VGS加反向電壓時(shí)，削弱由絕緣層中正

29、離子產(chǎn)生的電場(chǎng)，感生的溝道變窄，ID將減小，當(dāng)VGS達(dá)到某一負(fù)電壓值VGS(off) = VP時(shí)，完全抵消了由正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)則導(dǎo)電溝道消失，使ID0，VP稱為夾斷電壓。在VGSVP后，漏源電壓VDS對(duì)ID的影響較小。它的特性曲線形狀，與增強(qiáng)型MOS管類似，如圖5-15（b）、（c）所示.。由特性曲線可見，耗盡型MOS管的VGS值在正、負(fù)的一定范圍內(nèi)都可控制管子的ID，因此，此類管子使用較靈活，在模擬電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管在集成數(shù)字電路中被廣泛采用，可利用VGSVT 和VGSVT來控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，使管子工作在開關(guān)狀態(tài)，數(shù)字電路中的半導(dǎo)體器件正是工作在此種狀態(tài)。5.2.

30、2 場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)1場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管的比較 (1) 場(chǎng)效應(yīng)管的溝道中只有一種極性的載流子（電子或空穴）參于導(dǎo)電，故稱為單極型晶體管。而在雙極型晶體三極管里有兩種不同極性的載流子（電子和空穴）參于導(dǎo)電。(2) 場(chǎng)效應(yīng)管是通過柵源電壓VGS來控制漏極電流ID，稱為電壓控制器件。晶體管是利用基極電流IB來控制集電極電流IC，稱為電流控制器件。(3) 場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻很大，有較高的熱穩(wěn)定性，抗輻射性和較低的噪聲。而晶體管的輸入電阻較小，溫度穩(wěn)定性差，抗輻射及噪聲能力也較低。(4) 場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm的值較小，而雙極型晶體管的值很大。在同樣的條件下，場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力不如晶體管高。(5) 場(chǎng)效

31、應(yīng)管在制造時(shí)，如襯底沒有和源極接在一起時(shí)，也可將D、S互換使用。而晶體管的C和E互換使用，稱倒置工作狀態(tài)，此時(shí)將變得在非常小。(7) 工作在可變電阻區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管，可作為壓控電阻來使用。另外，由于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻很高，使得柵極間感應(yīng)電荷不易泄放，而且絕緣層做得很薄，容易在柵源極間感應(yīng)產(chǎn)生很高的電壓，超過V（BR）GS而造成管子擊穿。因此MOS管在使用時(shí)避免使柵極懸空。保存不用時(shí)，必須將MOS管各極間短接。焊接時(shí)，電烙鐵外殼要可靠接地。2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1) 直流參數(shù)直流參數(shù)是指耗盡型MOS管的夾斷點(diǎn)電位VP(VGS(off)，增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓VT(VGS(on)以及漏極飽和電

32、流IDSS，直流輸入電阻RGS(2) 交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)gm：gm的定義是當(dāng)VDS=常數(shù)時(shí)，vgs的微小變量與它引起的iD的微小變量之比，即： （5-11）它是表征柵、源電壓對(duì)漏極電流控制作用大小的一個(gè)參數(shù)，單位為西門子s或ms。極間電容：場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極間存在極間電容。柵、源電容Cgs和柵、漏電容Cg d一般為13pF，漏源電容Cds約在0.11pF之間。極間電容的存在決定了管子的最高工作頻率和工作速度。(3) 極限參數(shù)最大漏極電流IDM。管子工作時(shí)允許的最大漏極電流。最大耗散功率PDM。由管子工作時(shí)允許的最高溫升所決定的參數(shù)。漏、源擊穿電壓V（BR）DS。VDS增大時(shí)使ID急劇上升時(shí)的VDS

33、值。柵、源擊穿電壓V（BR）GS。在MOS管中使絕緣層擊穿的電壓。3各種場(chǎng)效應(yīng)管特性的比較表52總結(jié)列舉了6種類型場(chǎng)效應(yīng)管在電路中的符號(hào)，偏置電壓的極性和特性曲線。讀者可以通過比較以于區(qū)別。表52 各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性和輸出特性結(jié) 構(gòu)類 型工作方式圖 形符 號(hào)工作時(shí)所需電壓極性 轉(zhuǎn) 移 特 性 輸 出 特 性VDSVGS結(jié)型N溝道 DG ID SIDIDSSVGS（OFF）o VGS ID VGS=0 VGS< 00 VDSP溝道 DG ID S -ID IDSS VGS o VGSS（OFF） -ID VGS=0 VGS >0 o VDS 絕緣柵型N溝道增強(qiáng)型 D IDG

34、 S ID o VGS(th) VGS ID 增大 VGS>0 o VDSP溝道D I DG S -ID VGS(th) o VGS -ID 減小 VGS<0 o VDSN溝道耗盡型 D G S， IDIDS VGS（OFF） o VGS ID VGS>0 VGS=0 VGS<0 o VDSP溝道 D IDSG S， -ID o VGS（OFF） VGS -ID VGS<0 VGS=0 VGS>0 o VDS5.3 晶體管共發(fā)射極放大電路模擬信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，處理模擬信號(hào)的電路稱為模擬電子電路。模擬電子電路中的晶體三極管通常都工作在放大狀態(tài)，它和電路中的

35、其它元件構(gòu)成各種用途的放大電路。而基本放大電路又是構(gòu)成各種復(fù)雜放大電路和線性集成電路的基本單元。晶體管基本放大電路按結(jié)構(gòu)有共射、共集和共基極三種，本書討論前兩種放大電路。在圖5-16（a）的共發(fā)射極交流基本放大電路中，輸入端接低頻交流電壓信號(hào)i（如音頻信號(hào)，頻率為20HZ20KHZ）。輸出端接負(fù)載電阻L（可能是小功率的揚(yáng)聲器，微型繼電器、或者接下一級(jí)放大電路等），輸出電壓用o表示。電路中各元件作用如下：o IC +VCCis VCE VBE IB +VCC +VCC C1 +RB RC + C2 RS RL RB RC i (a) (b)圖5-16 共發(fā)射交流放大1.集電極電源VCC是放大電路

36、的能源，為輸出信號(hào)提供能量，并保證發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，使晶體管工作在放大區(qū)。VCC取值一般為幾伏到幾十伏。 2.晶體管T是放大電路的核心元件。利用晶體管在放大區(qū)的電流控制作用，即ic = ib的電流放大作用，將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大。3.集電極電阻RC是晶體管的集電極負(fù)載電阻，它將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實(shí)現(xiàn)電路的電壓放大作用。RC一般為幾千到幾十千歐。4.基極電阻RB以保證工作在放大狀態(tài)。改變RB使晶體管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。RB一般取幾十千歐到幾百千歐。5耦合電容C1、C2起隔直流通交流的作用。在信號(hào)頻率范圍內(nèi)，認(rèn)為容抗近似為零。所以分析電路時(shí)，在直流通路中電容視

37、為開路，在交流通路中電容視為短路。C1、C2一般為十幾微法到幾十微法的有極性的電解電容。放大電路未接入vi前稱靜態(tài)。動(dòng)態(tài)則指加入vi后的工作狀態(tài)。靜態(tài)分析就是確定靜態(tài)值，即直流電量,由電路中的IB、IC和VCE一組數(shù)據(jù)來表示。這組數(shù)據(jù)是晶體管輸入、輸出特性曲線上的某個(gè)工作點(diǎn)，習(xí)慣上稱靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q（IB、IC、VCE）表示。放大電路的質(zhì)量與靜態(tài)工作點(diǎn)的合適與否關(guān)系甚大。動(dòng)態(tài)分析則是在已設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的前提下；討論放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等技術(shù)指標(biāo)。1 由放大電路的直流通路確定靜態(tài)工作點(diǎn)將耦合電容C1、C2視為開路，畫出圖5-16（b）所示的共發(fā)射極放大電路的直流通路

38、，由電路得： （5-12）用式（5-12）可以近似估算此放大電路的靜態(tài)作點(diǎn)。晶體管導(dǎo)通后硅管VBE 的大小約在0.60.7V之間（鍺管VBE的大小約在0.20.3V 之間）。而當(dāng)VCC較大時(shí)，VBE可以忽略不計(jì)。2由圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)Q（1） 用輸入特性曲線確定IBQ和VBEQ根據(jù)圖5-16（b）中的輸入回路，可列出輸入回路電壓方程： （5-13）同時(shí)VBE和IB還符合晶體管輸入特性曲線所描述的關(guān)系，輸入特性曲線用函數(shù)式表示為： （5-14）用作圖的方法在輸入特性曲線所在的VBEIB平面上作出式（5-13）對(duì)應(yīng)的直線，那么求得兩線的交點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q，如圖5-17（a）所示，Q點(diǎn)的坐標(biāo)就是靜

39、態(tài)時(shí)的基極電流IBQ和基射極間電壓VBEQ。(2) 用輸出特性曲線確定ICQ和VCEQ 由圖5-16（b）電路中的輸出回路，以及晶體管的輸出特性曲線，可以寫出下面兩式： （5-15）OOVCC VCEVCEQI CICQQIB=IBQVCC VBEVBEQIBQQIB （5-16）（a） (b)圖5-17 圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的輸出特性可由已選定管子型號(hào)在手冊(cè)上查找，或從圖示儀上描繪，而式（5-15）為一直線方程，其斜率為tg=-1/RC，在橫軸的截距為VCC，在縱軸的截距為VCC/ RC。這一直線很容易在圖5-17（b）上作出。因?yàn)樗侵绷魍返贸龅模遗c集電極負(fù)載電阻有關(guān)，故稱之為直流

40、負(fù)載線。由于已確定了IBQ的值，因此直流負(fù)載線與IB=IBQ所對(duì)應(yīng)的那條輸出特性曲線的交點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q。如圖5-17（b）所示，Q點(diǎn)的坐標(biāo)就是靜態(tài)時(shí)晶體管的集電極電流ICQ和集一射極間電壓VCEQ。由圖5-17可見，基極電流的大小影響靜態(tài)工作點(diǎn)的位置。若IBQ偏低，則靜態(tài)工作點(diǎn)Q靠近截止區(qū)；若IBQ偏高則Q靠近飽和區(qū)。因此，在已確定直流電源VCC集電極電阻RC的情況下，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的合適與否取決于IB的大小，調(diào)節(jié)基極電阻RB，改變電流IB，可以調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。 圖5-18 放大電路中電壓、電流的波形（a）ooooovovceVCEvCEiciCICIBiBibvittttt+VCCiB

41、= IB + ibvCEoiC1 +RB RC + C2iC = IC + ic（b）（c）（d）（e）（f）靜態(tài)工作點(diǎn)確定以后，放大電路在輸入電壓信號(hào)vi的作用下，若晶體管能始終工作在特性曲線的放大區(qū)，則放大電路輸出端就能獲得基本上不失真的放大的輸出電壓信號(hào)o。放大電路的動(dòng)態(tài)分析，就是要對(duì)放大電路中信號(hào)的傳輸過程、放大電路的性能指標(biāo)等問題進(jìn)行分析討論，這也是模擬電子電路所要討論的主要問題。微變等效電路法和圖解法是動(dòng)態(tài)分析的基本方法。1信號(hào)在放大電路中的傳輸與放大以圖5-18（a）為例來討論，圖中IB、IC、VCE表示直流分量（靜態(tài)值），ib、ic、vce表示輸入信號(hào)作用下的交流分量（有效值用

42、Ib、Ic、Vce），iB、iC、vCE表示總電流或總電壓，這點(diǎn)務(wù)必搞清。設(shè)輸入信號(hào)vi為正弦信號(hào)，通過耦合電容C1加到晶體管的基射極，產(chǎn)生電流ib，因而基極電流iB = IB + ib。集電極電流受基極電流的控制，iC = IC + ic =（IB + ib）。電阻RC上的壓降為iCRC，它隨iC成比例地變化。而集射極的管壓降vCE = VCC - iCRC = VCC -（IC + ic）RC = VCE - ic RC，它卻隨iCRC的增大而減小。耦合電容C2阻隔直流分量VCE，將交流分量vce = - ic RC送至輸出端，這就是放大后的信號(hào)電壓vo = vce = - ic RC。v

43、o為負(fù)，說明vi、ib、ic為正半周時(shí)，vo為負(fù)半周，它與輸入信號(hào)電壓vi反相。圖5-18（b）（f）為放大電路中各有關(guān)電壓和電流的信號(hào)波形。綜上所述，可歸納以下幾點(diǎn)：（1）無輸入信號(hào)時(shí)，晶體管的電壓、電流都是直流分量。有輸入信號(hào)后，iB、iC、vCE都在原來靜態(tài)值的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流分量。雖然iB、iC、vCE的瞬時(shí)值是變化的，但它們的方向始終不變，即均是脈動(dòng)直流量。（2）輸出vo與輸入vi頻率相同，且幅度vo比vi大的多。（3）電流ib、ic與輸入vi同相，輸出電壓vo與輸入vi反相，即共發(fā)射極放大電路具有“倒相”作用。2微變等效電路法(1) 晶體管的微變等效電路所謂晶體管的微變等效電路

44、，就是晶體管在小信號(hào)（微變量）的情況下工作在特性曲線直線段時(shí)，將晶體管（非線性元件）用一個(gè)線性電路代替。由圖5-19（a）晶體管的輸入特性曲線可知，在小信號(hào)作用下的靜態(tài)工作點(diǎn)Q鄰近的Q1 Q2工作范圍內(nèi)的曲線可視為直線，其斜率不變。兩變量的比值稱為晶體管的輸入電阻，即 （5-17）式（5-17）表示晶體管的輸入回路可用管子的輸入電阻rbe來等效代替，其等效電路見圖5-20（b）。根據(jù)半導(dǎo)體理論及文獻(xiàn)資料，工程中低頻小信號(hào)下的rbe可用下式估算 （5-18）Q2VCEIBICQ1VBEQ2Q1IBOOvCEVCEQi CICQQVCC vBEVBEQIBQQi B 小信號(hào)低頻下工作時(shí)的晶體管的rbe一般為幾百到幾千歐。（a） （b）圖5-19從晶體管的特性曲線求rbe、和rce由圖5-19（b）晶體管的輸出特性曲線可知，在小信號(hào)作用