《模擬電子線路》第二章-雙極型晶體管及放大電路1

1、第二章 雙極型晶體管及其放大電路1Bipolar Junction Transistor 縮寫 BJT簡稱晶體管或三極管雙極型 器件兩種載流子（多子、少子）2ecb發(fā)射極基極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)N+PNcbeNPNPNPcbe(a) NPN管的原理結(jié)構(gòu)示意圖(b) 電路符號2-1 雙極型晶體管的工作原理base collector emitter3(c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖圖2-1 晶體管的結(jié)構(gòu)與符號4 解釋三個電極 發(fā)射極，基極，集電極發(fā)射極箭頭方向是指發(fā)射結(jié)正偏時的電流方向三個區(qū) 發(fā)射區(qū)(重摻雜)，基區(qū)(很薄)，集電區(qū)（結(jié)面積大）兩個PN結(jié)發(fā)射結(jié)(eb結(jié)),集電結(jié)(cb結(jié))5晶體

2、管處于放大狀態(tài)的工作條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)重摻雜(故管子e、 c極不能互換)基區(qū)很薄(幾個m)集電結(jié)面積大外部條件 發(fā)射結(jié)(eb結(jié))正偏集電結(jié)(cb結(jié))反偏6 2-1-1 放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程CUceNPNbUBBRB圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流RCC15V7cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 2-1-1 放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流8內(nèi)部機理晶體管工作的內(nèi)部機理：-“非平衡載流子”的傳輸9在發(fā)射結(jié)處以NPN為例。eb結(jié)正偏，擴散運動漂移運動。發(fā)射區(qū)和基區(qū)多子（電子和空穴）的相互注入

3、。但發(fā)射區(qū)（e區(qū)）高摻雜，向P區(qū)的多子擴散（電子）為主（IEn）,另有P區(qū)向N區(qū)的多子（空穴）擴散，故相互注入是不對稱的。擴散(IEP)可忽略。以上構(gòu)成了發(fā)射結(jié)電流的主體。10在基區(qū)內(nèi)基區(qū)很薄。一部分 (N區(qū)擴散到P區(qū)的）不平衡載流子（電子）與基區(qū)內(nèi)的空穴（多子）的復(fù)合運動（復(fù)合電流IBN ）。大多數(shù)不平衡載流子連續(xù)擴散到cb結(jié)邊緣處。以上構(gòu)成了基極電流（ IBN）的主體。11在集電結(jié)處集電結(jié)反偏。故 漂移運動擴散運動。集電結(jié)（自建電場）對非平衡載流子（電子）的強烈吸引作用(收集作用）形成ICN。另外有基區(qū)和集電區(qū)本身的少子漂移（電子和空穴），形成反向飽和漏電流ICBO 。12非平衡載流子傳輸

4、三步曲(以NPN為例) 發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入 (擴散運動）為主基區(qū)的 復(fù)合 和 繼續(xù)擴散集電結(jié)對非平衡載流子的收集作用（漂移為主）13偏置要求 對 NPN管 要求 UC UB UE UC UEUB14偏置要求 對 PNP管 要求 UC UB UE UC UEUB152-1-2 電流分配關(guān)系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN16晶體管主要功能:電流控制（current control）電流放大（current amplify）17 一、直流電流放大系數(shù)：一般共射極IBNIICNEN含義：基區(qū)每復(fù)合一個電子，就有個電子擴散到集電區(qū)

5、去。18共基極一般兩者關(guān)系：IBNIICNEN19二、IC、 IE、 IB三者關(guān)系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 若忽略 ICBO，IEP , 則2022 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)全面描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線。圖23晶體管的三種基本接法（組態(tài)）(a)cebiBiC輸出回路輸入回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共發(fā)射極；(b)共集電極；(c)共基極 21 221 晶體管共發(fā)射極特性曲線一、共發(fā)射極輸出特性曲線測量電路共發(fā)射極輸出特性曲線：輸出電流iC與輸出電壓uCE的關(guān)系曲線(以iB為參變量)22圖25 共射輸出

6、特性曲線uCE/V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)iBICBO放大區(qū)iC/mAuCEuBEIB40A30A20A10A0A231. 放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)反偏（2）uCE 變化對 IC 的影響很?。ê懔魈匦裕?）iB 對iC 的控制作用很強。用交流電流放大倍數(shù)來描述：在數(shù)值上近似等于問題：特性圖中=？即IC主要由IB決定，與輸出環(huán)路的外電路無關(guān)。24基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(厄爾利效應(yīng)) cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCEc結(jié)反向電壓 c結(jié)寬度 基區(qū)寬度 基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機會 iC 25基調(diào)效應(yīng)表明：輸出交流電阻rCE=uCE/iCQU

7、CEQUA(厄爾利電壓)ICQ262. 飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。由于集電結(jié)正偏，不利于集電極收集電子，ICN比放大區(qū)的ICN小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC127（1） iB 一定時，飽和區(qū)iC 比放大區(qū)的?。?）UCE一定時 i B 增大，iC 基 本不變（飽和區(qū)）臨界飽和：UCE = UBE，即UCB=0（C結(jié)零偏）。IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC128飽和時，c、e間的電壓稱為飽和壓降，記作UCE(sat)。（小功率Si管） UCE(sat) = 0.3V；（小功率Ge管） UCE(sat

8、) = 0.1V。三個電極間的電壓很小，管子完全導(dǎo)通， 相當(dāng)一個開關(guān)“閉合（Turn on）”。293. 截止區(qū)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置,三個電極均為反向電流，所以數(shù)值很小。 管子不通，相當(dāng)于一個“開關(guān)”打開（Turn off）。i B = -i CBO （此時i E =0 ）以下稱為截止區(qū)。工程上認為：i B =0 以下即為截止區(qū)。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO30 二、共發(fā)射極輸入特性曲線31cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1圖26 共發(fā)射極輸入特性曲線 32（1）0 UCE 1 時，隨著 U

9、CE 增加，曲線右移，特別在 0 UCE1 時，進入放大區(qū)，曲線近似重合。 33三、溫度對晶體管特性曲線的影響T ，uBE：T ， ICBO ：T ， ：342-2-2 晶體管的主要參數(shù) 1、電流放大系數(shù)1. 共射直流放大系數(shù)反映靜態(tài)時集電極電流與基極電流之比。2. 共射交流放大系數(shù)反映動態(tài)時的電流放大特性。由于ICBO、ICEO 很小，因此在以后的計算中，不必區(qū)分。354.共基交流放大系數(shù) 3.共基直流放大系數(shù)由于ICBO、ICEO 很小，因此在以后的計算中，不必區(qū)分。362 極間反向電流極間反向電流 是指管子各電極之間的反向漏電流參數(shù)。37C、B間反向飽和漏電流 發(fā)射極開路時，集電極基極間

10、的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。38 管子C、E間反向飽和漏電流基極開路時，集電極發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。39管子反向飽和漏電流硅管比鍺管小。此值與本征激發(fā)有關(guān)。取決于溫度特性（少子特性）。404.極限參數(shù)使用時不應(yīng)超過管子的極限參數(shù)值。否則使用時可能損壞。（1）反向擊穿電壓（2）集電極最大允許電流ICM 留有一定的余量。ICM 指下降到額定值的2/3時 的IC值41圖27 晶體管的安全工作區(qū) 功耗線（3）集電極最大允許功耗PCM4223 晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路應(yīng)用晶體管時，首先要將晶體管設(shè)置在合適的工作區(qū)間，如進行語音放大需將晶體管設(shè)置在放大區(qū)，如應(yīng)用在數(shù)字電路，則

11、晶體管工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。 因此，如何設(shè)置和分析晶體管的工作狀態(tài)是晶體管應(yīng)用的一個關(guān)鍵。43 231 晶體管的直流模型由外電路偏置的晶體管，其各極直流電流和極間直流電壓所對應(yīng)的伏安特性曲線上的一個點。 靜態(tài)工作點（簡稱Q點）：靜態(tài)工作電壓、電流。在下標(biāo)再加個Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ 44(a) 輸入特性近似 圖28晶體管伏安特性曲線的折線近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB 0(b) 輸出特性近似飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)45(b) 圖29晶體管三種狀態(tài)的直流模型(a)截止?fàn)顟B(tài)模型；(b)放大狀態(tài)模型；(c)飽和狀態(tài)模型 ebcIBIBUBE(on)(a

12、)ebc(c)ebcUBE(on)UCE(sat)46例1 晶體管電路如圖210(a)所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，=100，試計算晶體管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a) 電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k47 (b)直流等效電路圖210晶體管直流電路分析eRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB48 解 因為UBB使e結(jié)正偏，UCC使c結(jié)反偏，所以晶體管可以工作在放大狀態(tài)。這時用圖29(b)的模型代替晶體管，便得到圖2-10(b)所示的直流等效電路。由圖可知故有49(a) 電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12V

13、RC3k例2：若UBB從零增加，說明晶體管的工作區(qū)間以及IBQ、ICQ、UCEQ的變化情況？ 當(dāng)UBB從00.7V之間時，管子進入截止區(qū)。IBQ=ICQ0UCEQUCC 分析：50(a) 電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k當(dāng)UBB繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，管子進入放大區(qū)。隨著IBQ的增大，ICQ=IBQ也增大。UCEQ=UCC- ICQRC不斷下降。 51(a) 電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k當(dāng)UBB增大到UCEQUBE(on)則發(fā)射結(jié)正偏，下面關(guān)鍵是判斷集電結(jié)是 正偏還是反偏。54若假定為放大狀態(tài)：則直流等效電路如圖

14、2-11(b)所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)IB圖2-11(b) 放大狀態(tài)下的等效電路55 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE則晶體管處于放大狀態(tài)；則晶體管處于飽和狀態(tài)；56 圖211晶體管直流分析的一般性電路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)飽和狀態(tài)下的等效電路UCE(sat)57晶體管處于飽和狀態(tài)時：58例2 晶體管電路及其輸入電壓ui的波形如圖2-12(a),(b)所示。已知=50，試求ui作用下輸出電壓uo的值，并畫出波形圖。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a)電路59 圖212例題2電路及ui,uo波形

15、圖05tuo/V0.3(c) uo波形圖03tui/V(b) ui波形圖R33kUCC5VRB39kuiuo=5060 解:當(dāng)ui=0時，UBE=0，則晶體管截止。此時，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5VR33kUCC5VRB39kuiuo當(dāng)ui =3V時，晶體管導(dǎo)通且有61 而集電極電流為 因為 R33kUCC5VRB39kuiuoICQ=IBQ=500.06=3mAUCEQ=UCC-ICQR3=5-33=-4V0.7V 所以晶體管處于飽和。62uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3Vuo波形如圖212(c)所示。R33kUCC5VRB39kuiuo ICQ=ICE(sat) =63

16、補充例題1電路補充例題1 晶體管電路如下圖所示。已知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V641.先判斷晶體管是否處于截止?fàn)顟B(tài)：晶體管不處于截止?fàn)顟B(tài)；2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)： UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE65晶體管處于放大狀態(tài)；66補充例題2電路補充例題2 晶體管電路如下圖所示。已知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。5VRBUBBRCUCC50K2K 12V671.先判斷晶體管是否處于截止?fàn)顟B(tài)：晶體管不處于截止?fàn)顟B(tài)；2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)： UBB - UBE(on) =IB

17、QRB68晶體管不可能處于放大區(qū)，而應(yīng)工作在飽和區(qū)6970Op Amp Slew rate (or rise time) The maximum rate of change of the output of an opamp is known as the slew rate (in units of V/s) The slew rate affects all signals - not just square waves For example, at high enough frequencies, a sine wave input is converted to a triangu

18、lar wave output due to limited slew rate square wave input71Slew rate example Consider an inverting amplifier, gain A=10, built using an opamp with a slew rate of S0=1V/s. Input a sinusoid with an amplitude of Vi=1V and a frequency, . For a sinusoid, the slew rate limit is of the form AViS0. We can therefore avoid this non-linear behaviour by decreasing the frequency () lowering the Amplifier gain (A) lower the input signal amplitude (Vi) Typical values: 741C: 0.5V/s, LF356: 50V/ s, LH0063C: 6000V/ s, 72作業(yè)2.12.62.77374AmplifiersConvert a weak signal into a higher power signalTypi