第7章 晶體管及其放大電路

1、第第7章章 晶體管及其放大電路晶體管及其放大電路 7.1 晶體管 7.2 放大電路的直流偏置7.3 共射極放大電路7.4 共集電極和共基極放大電路 7.5 組合放大電路 7.6 放大電路的頻率響應7.1 晶體管晶體管7.1.5 溫度對晶體管特性和參數(shù)的影響7.1.1 晶體管的結構7.1.2 晶體管的工作原理7.1.3 晶體管的伏安特性7.1.4 晶體管的主要參數(shù)7.1.1 晶體管的結構晶體管的結構 發(fā)射結 集電結 發(fā)射區(qū) N P N 基區(qū) 集電區(qū) c 集電極 e 發(fā)射極 b 基極 b （a）內(nèi)部結構 （b）結構示意圖 （c）電路符號 集電區(qū) 發(fā)射區(qū) 基區(qū) c e 1、NPN型晶體管的結構和電路

2、符號 發(fā)射結正向電流的方向 發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū)面積很大，摻雜濃度遠低于發(fā)射區(qū)。 2、PNP型晶體管的結構和電路符號 3、常見晶體管的封裝 發(fā)射結 集電結 發(fā)射區(qū) N P P 基區(qū) 集電區(qū) c 集電極 e 發(fā)射極 b 基極 （a）結構示意圖 （b）電路符號 b c e 發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū)面積很大，摻雜濃度遠低于發(fā)射區(qū)。 發(fā)射結正向電流的方向 end7.1.2 晶體管的工作原理 內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū)面積很大，摻雜濃度遠低于發(fā)射區(qū)。 外部條件：發(fā)射結加正向電壓，集電結加反向電壓。1.載流子的傳輸過程 （

3、1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子 發(fā)射結正向偏置，發(fā)射區(qū)的電子源源不斷地注入基區(qū)，基區(qū)的空穴也要注入發(fā)射區(qū)，二者共同形成發(fā)射極電流IE。 ENEPENEIIII 基區(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)小23個數(shù)量級，基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流可以忽略不計 c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE （2）載流子在基區(qū)中的擴散與復合 電子不斷地向集電結方向擴散，擴散過程中少量電子與空穴復合，形成基極電流的一部分IBN。 由于基區(qū)寬度很窄，且摻雜濃度很低，從而大大地減小了電子與空穴復合的機會，使注入基區(qū)的95以上的電子都能到達

4、集電結，它們將形成集電極電流的一部分ICN。 CNBNENIII c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE 集電結兩邊的少數(shù)載流子漂移形成反向飽和電流，記為ICBO。通常，ICBOICN。CNCBOCNCIIIICBOBNCBOEPBNBIIIIII 顯然，電子和空穴都參與電流傳導過程，因此，稱為雙極結型三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT），簡稱晶體管。 由基爾霍夫電流定律: CBEIIIc e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN

5、 ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE （3）集電區(qū)收集載流子 集電結外加反向電壓，基區(qū)中擴散到集電結邊緣的電子，受電場的作用，漂移越過集電結形成集電極電流的一部分ICN。 2.電流控制作用 定義ICN與IE之比為晶體管的共基極直流電流放大系數(shù)。 ECNIICBOEII %95CBEIIICBOCBCBOECIIIIII)(CBOBCIII111令1為共射極直流電流放大系數(shù) CBOCNCIII值越大，發(fā)射極電流對集電極電流的控制能力越強。 CEOBCBOBCIIIII)1 (CBOCEOII)1 (EEECIIII 共基極交流放大系數(shù)共基極交流放大系數(shù)近似等于近似

6、等于共基極直流電流放大系數(shù)。共基極直流電流放大系數(shù)。 定義集電極電流變化量IC與基極電流變化量IB之比為共射極交流放大系數(shù)constvBCCEIIBBBCIIII 共射極交流放大系數(shù)共射極交流放大系數(shù)近似近似等于共基極直流電流放大系數(shù)。等于共基極直流電流放大系數(shù)。 定義集電極電流變化量IC與射極電流變化量IE之比為共基極交流放大系數(shù) constvECCEIICBOECIIICEOBCIIIend 晶體管的特性曲線是指各電極間的電壓與電極電流之間的關系曲線，它是晶體管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。 7.1.3 7.1.3 晶體管的伏安特性晶體管的伏安特性 輸入特性曲線：constvBEBCEvfi)

7、(輸出特性曲線：以射極為公共端定義的特性曲線稱為共射極特性曲線。constiCECBvfi)( 特性曲線用于對晶體管的性能、參數(shù)和晶體管電路的分析估算。 1.輸入特性曲線 當vCE=0時，發(fā)射結和集電結并聯(lián)。輸入特性曲線是PN結的正向特性曲線正向特性曲線。 當vCE增加，基區(qū)寬度變窄。(基區(qū)寬度調(diào)制效應明顯基區(qū)寬度調(diào)制效應明顯）。 在vCE1V以后，基區(qū)寬度基本不變。特性曲線重合。 constvBEBCEvfi)(在相同的vBE時，iB減小，特性曲線右移。 小功率硅管的門坎電壓vth約為0.5V，鍺管約為0.1V。 小功率硅管的導通壓降Von約為0.60.8V，一般取0.7V；小功率鍺管約為0

8、.20.3V，一般取0.2V。 1.輸入特性曲線constvBEBCEvfi)(2.輸出特性曲線constiCECBvfi)(AiB20設 當0vCE1時，集電結由正向偏置逐漸變?yōu)榉聪蚱?，其結寬變化大。 在vCE1V以后，基區(qū)寬度基本不變。CEOBCIIIvCE對基區(qū)寬度調(diào)制效應明顯，iC逐漸隨vCE增大。 2.輸出特性曲線 在輸出特性曲線上可劃分為三個工作區(qū)：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。(1)放大區(qū)（Active region） constiCECBvfi)(放大區(qū)的特點： 發(fā)射結正偏，集電結反偏發(fā)射結正偏，集電結反偏； iCiB+ICEO，體現(xiàn)了晶體管的放大作用（電流控制作用），曲線的間隔越

9、大，值越大；iC 隨vCE增加很小，呈恒流特恒流特性性。 (2)飽和區(qū)（Saturation region） 飽和區(qū)內(nèi)的vCE稱為飽和壓降，小功率硅管的飽和壓降典型值為0.3V，鍺管為0.1V。 特點：特點：發(fā)射結和集電結均為正偏置發(fā)射結和集電結均為正偏置；iC不受iB控制，而近似隨vCE線性增長。由于vCE小、而iC大，故ce（集電極和發(fā)射極）之間等效為開關的導通，或等效為一個小電阻，稱為導通電阻導通電阻。 2.輸出特性曲線constiCECBvfi)(3)截止區(qū)(Cutoff region) 特點：發(fā)射結和集電結都是反向偏置發(fā)射結和集電結都是反向偏置；iC=ICEO0，故ce之間等效為開關

10、的斷開，或等效為一個大電阻，稱為截止電阻截止電阻。 2.輸出特性曲線constiCECBvfi)(PNP型晶體管的特性： 由于發(fā)射結應該正向偏置，集電結應該反向偏置，所以，實際的電流和電壓方向與參考方向相反與參考方向相反，故在特性曲線的坐標變量增加坐標變量增加負號負號。 end7.1.4 晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)（Current amplification factor） 2.極間反向電流極間反向電流 極間反向電流是由少數(shù)載流子形成的，其大小表征了晶體管的溫度特性。 （1）集電結反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向飽和電流。 （2）穿透電流ICEO：基

11、極開路時，通過集電極和發(fā)射極回路的電流，ICEO=(1+)ICBO。 電流放大系數(shù)是表征晶體管放大能力的參數(shù)。 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)共基極直流電流放大系數(shù)共基極交流電流放大系數(shù) 3.極限參數(shù)極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM ICM是指當下降到正常值的2/3時所對應的IC值。當IC超過ICM時，晶體管的放大性能下降，但不一定損壞。（2）反向擊穿電壓（Reverse breakdown voltage） 發(fā)射結反向擊穿電壓V(BR)EBO：集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許施加的最高反向電壓。超過此值，發(fā)射結發(fā)生反向擊穿。 集電結反向擊穿電壓V(BR)CBO：發(fā)射

12、極開路時，集電極與基極之間允許施加的最高反向電壓。超過此值，集電結發(fā)生反向擊穿。 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓V(BR)CEO：在輸出特性曲線中，iB0的曲線開始急劇上翹所對應的電壓。（3）集電極最大允許耗散功率PCM 晶體管消耗的功率使PN結的溫度上升（電流的熱效應）。當超過允許的結溫時，就會引起PN結熱擊穿，損壞晶體管。 CMCECBEBCECCPviviviP 根據(jù)極限參數(shù)，可在輸出特性上繪出晶體管的安全工作區(qū)。 end7.1.5 溫度對晶體管的特性與參數(shù)的影響溫度對晶體管的特性與參數(shù)的影響 （1) 溫度對ICBO的影響 ICBO是少數(shù)載流子形成的集電結反向飽和電流，受溫度影響很大。

13、溫度每升高，ICBO增加一倍。反之，溫度降低時ICBO減小。穿透電流ICEO隨溫度變化的規(guī)律與ICBO 類似。CBOCEOII)1 (（2) 溫度對的影響 溫度升高時，晶體管內(nèi)部載流子的擴散能力增強，使基區(qū)內(nèi)載流子的復合概率減小，因而溫度升高時放大倍數(shù)隨之增大。溫度每升高1oC，增加約(0.51)%。（4） 溫度對輸出特性的影響（5）溫度對反向擊穿電壓的影響 溫度升高時，晶體管的ICBO、ICEO、都將增大，導致晶體管的輸出特性曲線向上移。溫度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大（集電結雪崩擊穿集電結雪崩擊穿）。（3）溫度對輸入特性的影響 溫度升高時，對于同樣的基極電流，晶體管所需的

14、|vBE| 減小。 end7.2.1 基本偏置電路和靜態(tài)工作點分析方法7.2.2 電流串聯(lián)負反饋偏置電路7.2.3 電壓并聯(lián)負反饋偏置電路7.2 放大電路的直流偏置放大電路的直流偏置放大電路直流偏置的作用：放大電路直流偏置的作用： 將晶體管偏置在放大狀態(tài)，即發(fā)射結正偏，集電結反將晶體管偏置在放大狀態(tài)，即發(fā)射結正偏，集電結反偏。并且靜態(tài)工作穩(wěn)定。偏。并且靜態(tài)工作穩(wěn)定。 7.2.1 基本偏置電路和靜態(tài)工作點分析方法基本偏置電路和靜態(tài)工作點分析方法1基本偏置電路基本偏置電路 晶體管T的直流電壓和電流在其特性曲線上組成靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點，分別是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。+ R

15、b Rc T VBE + VCE IB IC +VCC（12V） + Rb Rc T VBE + VCE IB IC -VCC（-12V） （a）NPN 管 (b)PNP 管 由于只有直流電源作用，電路元件的電壓和電流都是直流量，不隨時間變化，稱為靜態(tài)靜態(tài)。 發(fā)射結正偏：電源、基極電阻、發(fā)射結正偏：電源、基極電阻、be電極。電極。集電結反偏：電源、集電極電阻、集電結反偏：電源、集電極電阻、ce電極。電極。NPN管作用正電源，PNP管作用負電源。2晶體管的分段線性模型晶體管的分段線性模型輸入特性用垂線逼近，采用恒壓降模型。輸出特性用水平線逼近，采用受控電流模型。在放大區(qū)，理想二極管可以省去。3

16、3靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)工作點的計算bBECCBonBERVVIVV 例 已知：三極管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb=400k，Rc=4k。解：VVVonBE7 . 0CcCCCEBCIRVVIIAkVRVVIbBECCB5 .284007 . 012mAmAIIBC41. 10285. 050VmAkVIRVVCcCCCE35. 6)(41. 14124基本偏置電路的缺點基本偏置電路的缺點CBECEOCBOIvIIT)/( 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的基本方法之一是在直流在直流偏置電路中引入直流負反饋，偏置電路中引入直流負反饋，使集電極直流電流IC和集射直流電壓VCE隨溫度的變化很小，穩(wěn)定靜態(tài)工作

17、點Q（VCE，IC）。 反饋方式主要是電流串聯(lián)負反饋和電壓并聯(lián)負反饋?；酒秒娐返撵o態(tài)工作點受環(huán)境溫度T的影響很大。bBECCBonBERVVIVVCcCCCEBCIRVVIIend7.2.2 電流串聯(lián)負反饋偏置電路電流串聯(lián)負反饋偏置電路 射極電阻Re引入電流串聯(lián)負反饋，所以簡稱為射極偏置電路。 當IB fL，故通頻帶寬BW為CRgCCACCCCRRRrrRCRfffBWLmvHLH)1 ()1 ()/(/21sb2b1bbe bBWCRgARgLmvsMLmisibeebLmvsMRRRrrRgA常數(shù)增益帶寬積beisebivsMrRRRrRBWA)(2 例 已知VCC=12V，Rs=1K

18、，Rb1=100 K，Rb2=16 K，Re=1K，Rc= RL =5K；晶體管是硅管，rbb=100，0100，fT=400MHz，Cob=0.5pF，C1=20uF，C2=1uF，Ce=50uF，試計算該電路的中頻電壓增益及上限頻率和下限頻率。解：（1）靜態(tài)分析 VVRRRVCCbbbB7 . 1121610016212VVVVBEBE17 . 07 . 1mARVIIeEEC111VRRIVRIRIVVecCCCeEcCCCCE6) 15(112)(（2）求解混合模型中的參數(shù) kmAmVIVrETeb63. 2126)1001 ()1 (0mSSmVmAVIgTEm38038. 0261

19、MHzMHzffT11004000pFkCfrCfrCob55510163. 2 210 21 21612ebeb95)5/5(038. 0)/(kkRRgVVALcmebcevpFCACCCCv1035 . 0)951 (55)1 (pFCCob5 . 0)( 21ebCCrf（3）求解中頻電壓增益krrrebbbbe73. 22626100kkkkrRRRbebbi28. 273. 2/16/100/21kkkRRRLcL5 . 25/5/得中頻源電壓增益： 6428. 2128. 27 . 263. 25 . 238kkkkkkmSRRRrrRgAisibeebLmvsM（4）求解fH和

20、fLkRRRrrR74. 0/1k100k/16k/02.63k/10)/(/sb2b1bbe bMHzHzkCRfH1 . 21010374. 0212112HzkkRRCCCCfbeseeL4 .88)73. 21 (10501020)1001 (1050102021)()1 (216666111HzkkRRCfLcL9 .15)55(10121)(21622HzffLL4 .881end7.6.4 共集電極放大電路的頻率響應共集電極放大電路的頻率響應由于受密勒效應的影響，共射極放大電路的通頻帶寬較窄。 為了增加帶寬，就必須減小或消除密勒效應。 共集電極放大電路和共基極放大電路能滿足這樣的

21、要求。 由于通頻帶寬主要取決于上限頻率，所以在共集電極放大電路和共基極放大電路的頻率分析中，只介紹高頻響應。 共集放大電路 共集放大電路的高頻小信號等效電路 LeLRRR/C只接在輸入回路中，所以不會產(chǎn)生密勒效應。 電阻和電容是跨接在輸入端和輸出端之間的，因而會產(chǎn)生密勒效應。 但是，因為共集電極放大電路的電壓增益近似為1，即密勒效應很小。 因此，共集電極放大電路的高頻響應特性也較好，上限截止頻率高。 共集放大電路的高頻小信號等效電路 LeLRRR/ 基極偏置電阻Rb遠大于放大電路的輸入電阻Ri，忽略基極偏置電阻Rb的分流作用，則ebebLebLebmLLebmebebeboVrCRrjRrgR

22、RVgVCjVrV)()1()(1oebebebebbVVCjVCjVrIebebebLLebmLebbbsebbbsebeboebbbsebbbseboebbbbssVrCrRjRrgRrCrRjVrRrCrjVVCrRjVrRCjrVVIrRV)(1 )(1)()(1 )(1()()(中頻增益其中)1 ()1 (:LebmebbbsLebmvsMRrgrrRRrgA1)(2)1 (1上限頻率CrRrRRrgrrRfebLbbsLebmebbbsH2)1 ()(2)1 (2上限頻率CRrgrrRRrgrrRfLebmebbbsLebmebbbsH 21零點頻率Crrgfebebmz)1)(1

23、 (121HHvsMvsHffjffjffjAAzLcLRRR/ 例 已知VCC =12V，Rb=300k，Re =RL=2k，Rs=1k；晶體管是硅管，rbb=100，0100，fT=400MHz，Cob=0.5pF，C1=20uF，C2=1uF，Ce=50uF，試計算該電路的中頻電壓增益和上限頻率。解：（1）靜態(tài)分析VIRVVmAIIAkkRRVVIVVVEeCCCEBEebBECCBonBE0 . 75 . 22125 . 227)1201 ()1 (212)1201 (3007 . 012)1 (7 . 0（2）求解混合模型中的參數(shù) kmAmVIVrETeb15 . 226)1001

24、()1 (0mSSmVmAVIgTEm96096. 0265 . 2MHzMHzffT11004000pFkCfrCfrCob55510163. 2 210 21 21612ebebpFCCob5 . 0（3）求解中頻電壓增益kkkrrrebbbbe1 . 111 . 0kkkRRRLeL12/2/98. 01)1961 (1 . 111)1961 ()1 ()1 (kkmSkkkkmSRrgrrRRrgALebmebbbsLebmvsM（4）計算上限頻率和零點頻率 MHzpFkkkkkkmSkkCrRrRRrgrrRfebLbbsLebmebbbsH137551)11 . 01 (14. 3

25、21)1961 (1 . 11)(2)1 (1MHzpFkkmSkkkkkmSkkCRrgrrRRrgrrRfLebmebbbsLebmebbbsH2935 . 01)1961 (1 )1 . 01 (14. 321)1961 (1 . 11)1)(2)1 (2MHzpFkkmSCrrgfebebmz28155114. 3219612)1 (MHzffHH1371 對比例7.7可知，雖然晶體管參數(shù)相同，但共集電極放大電路的高頻響應比共射極放大電路（上限頻率為2.1MHz）好得多。end7.6.5 共基極放大電路的頻率響應共基極放大電路的頻率響應高頻小信號等效電路 0bbbrICC集電結電容發(fā)射結電容均不存在密勒效應。 高