模擬電子技術(shù)第二章1

第二章

雙極型晶體管

及其放大電路

BipolarJunctionTransistor縮寫(xiě)B(tài)JT簡(jiǎn)稱晶體管或三極管雙極型器件兩種載流子（多子、少子）ecb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(hào)2-1雙極型晶體管的工作原理basecollectoremitter(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(hào)

解釋三個(gè)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(shí)的電流方向三個(gè)區(qū)

發(fā)射區(qū)(重?fù)诫s)，基區(qū)(很薄)，集電區(qū)（結(jié)面積大）兩個(gè)PN結(jié)發(fā)射結(jié)(eb結(jié)),集電結(jié)(cb結(jié))

晶體管處于放大狀態(tài)的工作條件①內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)重?fù)诫s(故管子e、c極不能互換)基區(qū)很薄(幾個(gè)m)集電結(jié)面積大

②外部條件

發(fā)射結(jié)(eb結(jié))正偏集電結(jié)(cb結(jié))反偏

2-1-1放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過(guò)程CUceNPNbUBBRB圖2―2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流RCC15VcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN2-1-1放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過(guò)程圖2―2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流動(dòng)畫(huà)演示內(nèi)部機(jī)理晶體管工作的內(nèi)部機(jī)理：-------“非平衡載流子”的傳輸①在發(fā)射結(jié)處以NPN為例。eb結(jié)正偏，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)﹥漂移運(yùn)動(dòng)。發(fā)射區(qū)和基區(qū)多子（電子和空穴）的相互注入。但發(fā)射區(qū)（e區(qū)）高摻雜，向P區(qū)的多子擴(kuò)散（電子）為主（IEn）,另有P區(qū)向N區(qū)的多子（空穴）擴(kuò)散，故相互注入是不對(duì)稱的。擴(kuò)散(IEP)可忽略。以上構(gòu)成了發(fā)射結(jié)電流的主體。②在基區(qū)內(nèi)基區(qū)很薄。一部分(N區(qū)擴(kuò)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(yùn)動(dòng)（復(fù)合電流IBN

）。大多數(shù)不平衡載流子連續(xù)擴(kuò)散到cb結(jié)邊緣處。以上構(gòu)成了基極電流（IBN）的主體。③在集電結(jié)處集電結(jié)反偏。故漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。集電結(jié)（自建電場(chǎng)）對(duì)非平衡載流子（電子）的強(qiáng)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

。非平衡載流子傳輸三步曲(以NPN為例)

①發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入

(擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）為主②基區(qū)的復(fù)合和繼續(xù)擴(kuò)散③集電結(jié)對(duì)非平衡載流子的收集作用（漂移為主）

偏置要求

對(duì)NPN管要求

UC＞UB＞UEUCUEUB偏置要求

對(duì)PNP管要求

UC＜UB＜UEUCUEUB2-1-2電流分配關(guān)系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶體管主要功能:電流控制（currentcontrol）電流放大（currentamplify）

一、直流電流放大系數(shù)：一般共射極含義：基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子，就有β個(gè)電子擴(kuò)散到集電區(qū)去。IBNIICNEN共基極一般兩者關(guān)系：IBNIICNEN二、IC、IE、IB、三者關(guān)系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN

若忽略ICBO，IEP,則2―2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2―3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2―2―1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(cè)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)圖2―5共射輸出特性曲線uCE/V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)iB＝－ICBO放大區(qū)iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0AcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN動(dòng)畫(huà)演示1.放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏（2）uCE

變化對(duì)IC

的影響很小（恒流特性）（1）iB

對(duì)iC

的控制作用很強(qiáng)。用交流電流放大倍數(shù)來(lái)描述：在數(shù)值上近似等于β問(wèn)題：特性圖中β=？即IC主要由IB決定，與輸出環(huán)路的外電路無(wú)關(guān)?；鶇^(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(厄爾利效應(yīng))cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE↑→c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(jī)會(huì)↓iC↑→基調(diào)效應(yīng)表明：輸出交流電阻rCE=ΔuCE/ΔiC<∞QUCEQUA(厄爾利電壓)ICQ2.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。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1（1）iB

一定時(shí)，飽和區(qū)iC

比放大區(qū)的小（2）UCE一定時(shí)

iB

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）。IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1飽和時(shí)，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)=0.1V。

三個(gè)電極間的電壓很小，管子完全導(dǎo)通，相當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)“閉合（Turnon）”。3.截止區(qū)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置,三個(gè)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(gè)“開(kāi)關(guān)”打開(kāi)（Turnoff）。iB=-iCBO

（此時(shí)iE=0）以下稱為截止區(qū)。工程上認(rèn)為：iB=0以下即為截止區(qū)。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO

二、共發(fā)射極輸入特性曲線cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1圖2―6共發(fā)射極輸入特性曲線（1）0<UCE<1時(shí)，隨著UCE增加，曲線右移，特別在0<UCE<UCE(SAT),即工作在飽和區(qū)時(shí)，移動(dòng)量將更大一些。（2）UCE

>1時(shí)，進(jìn)入放大區(qū)，曲線近似重合。三、溫度對(duì)晶體管特性曲線的影響T↑，uBE↓：T↑，ICBO↑：T↑，β

↑：2-2-2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(shí)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(dòng)態(tài)時(shí)的電流放大特性。由于ICBO、ICEO

很小，因此在以后的計(jì)算中，不必區(qū)分。4.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(jì)算中，不必區(qū)分。2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)。①C、B間反向飽和漏電流

發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極—基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。②管子C、E間反向飽和漏電流基極開(kāi)路時(shí)，集電極—發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。

③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）。

3、結(jié)電容發(fā)射結(jié)電容Ce集電結(jié)電容Cc

4.極限參數(shù)使用時(shí)不應(yīng)超過(guò)管子的極限參數(shù)值。否則使用時(shí)可能損壞。

3DG6C

規(guī)格號(hào)序號(hào)高頻小功率

NPN型硅材料

三極管U(BR)CBO

=115V,U(BR)CEO=60V，U(BR)EBO=8V。（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β下降到額定值的2/3時(shí)的IC值。

（3）集電極最大允許功耗PCM

＝

圖2―7晶體管的安全工作區(qū)功耗線2―3晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路

應(yīng)用晶體管時(shí)，首先要將晶體管設(shè)置在合適的工作區(qū)間，如進(jìn)行語(yǔ)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(gè)關(guān)鍵。2―3―1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(duì)應(yīng)的伏安特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)（簡(jiǎn)稱Q點(diǎn)）：

靜態(tài)工作電壓、電流。在下標(biāo)再加個(gè)Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ

(a)輸入特性近似圖2―8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)(a)ebc(b)ebcβIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat)

圖2―9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)模型例1晶體管電路如圖2―10(a)所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，β=100，試計(jì)算晶體管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a)電路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k(b)直流等效電路圖2―10晶體管直流電路分析eRBUBE(on)bIBQβIBQcICQUCCRC＋－UCEQUBB

解因?yàn)閁BB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(shí)用圖2―9(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(a)電路ICQ＋－UCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k例2：若UBB從零增加，說(shuō)明晶體管的工作區(qū)間以及IBQ、ICQ、UCEQ的變化情況？當(dāng)UBB從0~0.7V之間時(shí)，兩個(gè)結(jié)都反偏，管子進(jìn)入截止區(qū)。IBQ=ICQ≈0。UCEQ≈UCC。分析：(a)電路ICQ＋－UCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k當(dāng)UBB繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)發(fā)偏，管子進(jìn)入放大區(qū)。隨著IBQ的增大，ICQ=βIBQ也增大。UCEQ=UCC-ICQ×RC不斷下降。(a)電路ICQ＋－UCEQ270kRBUBBIBQUCC12VRC3k當(dāng)UBB增大到UCEQ<UBEQ時(shí)，集電結(jié)正偏，管子進(jìn)入飽和區(qū)。此時(shí)，IBQ的增加，不能引起ICQ的增加。UCEQ≈UCE（sat）≈0，ICQ≈UCC/RC。2―3―2晶體管工作狀態(tài)分析RBUBBUEERERCUCC(a)電路UBB-UEE≤UBE(on)且UBB＜UCC，則晶體管截止1、首先判斷晶體管是否截止：此時(shí)：IB=IC=IE=0，UBE=UBB-UEE，UCE=UCC-UEE。RBUBBUEERERCUCC(a)電路2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：若UBB-UEE>UBE(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。若假定為放大狀態(tài)：則直流等效電路如圖2-11(b)所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)βIB圖2-11(b)放大狀態(tài)下的等效電路∵UBB-UEE-UBE(on)=IBQRB+(1+β)IBQRE方法1：則晶體管處于放大狀態(tài)；則晶體管處于飽和狀態(tài)；∴方法2：則晶體管處于放大狀態(tài)；則晶體管處于飽和狀態(tài)；

圖2―11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)晶體管處于飽和狀態(tài)時(shí)：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β=50，試求ui作用下輸出電壓uo的值，并畫(huà)出波形圖。R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uo(a)電路03tui/V(b)ui波形圖

解:當(dāng)ui=0時(shí)，UBE=0，則晶體管截止。此時(shí)，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。當(dāng)ui=3V時(shí)，晶體管導(dǎo)通且有

而集電極臨界飽和電流為因?yàn)樗跃w管處于飽和。ICQ≈IC(sat)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形如圖(c)所示。05tuo/V0.3(c)uo波形圖03tui/V(b)ui波形圖補(bǔ)充例題1電路補(bǔ)充例題1晶體管電路如下圖所示。已知β=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。5VRBUBBRERCUCC500KΩ1KΩ2KΩ12V1.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+β)IBQRE∴晶體管處于放大狀態(tài)；補(bǔ)充例題2電路補(bǔ)充例題2晶體管電路如下圖所示。已知β=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。5VRBUBBRCUCC50KΩ2KΩ12V1.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∴晶體管不可能處于放大區(qū)，而應(yīng)工作在飽和區(qū)；

2―3―3放大狀態(tài)下的偏置電路①電路形式簡(jiǎn)單②偏置下的工作點(diǎn)在環(huán)境溫度變化或更換管子時(shí)，應(yīng)力求保持穩(wěn)定，應(yīng)始終保持在放大區(qū)。③對(duì)信號(hào)的傳輸損耗應(yīng)盡可能小

一、固定偏流電路圖2―13固定偏流電路RBUCCRC單電源供電。UEE=0，UBB由UCC提供只要合理選擇RB，RC的阻值，晶體管將處于放大狀態(tài)。圖2―13固定偏流電路RBUCCRC缺點(diǎn)：工作點(diǎn)穩(wěn)定性差；（∵IBQ固定，當(dāng)β、ICBO等變化ICQ、UCEQ的變化→工作點(diǎn)產(chǎn)生較大的漂移→使管子進(jìn)入飽和或截止區(qū)）優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。二、電流負(fù)反饋型偏置電路

圖2―14電流負(fù)反饋型偏置電路RBUCCRCRE在固定偏置電路的發(fā)射極加一個(gè)RE電阻若

ICQ↑→IEQ↑→UEQ(=IEQRE)↑↓ICQ↓←IBQ↓←UBEQ(=UBQ-UEQ)RBUCCRCRE負(fù)反饋機(jī)制工作點(diǎn)計(jì)算式：三、分壓式偏置電路(