三極管及其放大電路

返回第三章、半導體三極管及放大電路基礎(chǔ)

§3.2共射極放大電路§3.4小信號模型分析法§3.5共集電極電路和共基極電路

§3.3圖解分析法

§3.1半導體BJT§3.1半導體BJT3.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介3.1.2BJT的電流分配與放大作用3.1.3BJT的特性曲線返回3.1.3BJT的主要參數(shù)

§3.1半導體三極管（BJT）

一、什么是BJT？

半導體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，因此，還被稱為雙極型晶體管（簡稱BJT）。返回3.1.1BJT結(jié)構(gòu)簡介BJT通常是指通過一定工藝將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起從而具有電流放大作用的一種器件

。

1947年誕生于美國貝爾實驗室。二、BJT常見分類1、頻率：高頻管、低頻管2、功率：小、中、大3、材料：硅管、鍺管4、結(jié)構(gòu)：NPN、PNP集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)三、結(jié)構(gòu)：三個區(qū)、兩個PN結(jié)、三個電極，簡稱“三、二、三”?；鶇^(qū)（B區(qū)）三個電極：發(fā)射極（Emitter）:E(e)

基極（Base）:B(b)

集電極（Collctor）:C(c)集電區(qū)（C區(qū)）E發(fā)射極B基極C集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)1．NPN

型

三個區(qū)域：

發(fā)射區(qū)（E區(qū)）兩個PN結(jié)：發(fā)射結(jié)（BE結(jié)）

集電結(jié)（CB結(jié)）E發(fā)射極B基極C集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)NPN+2.PNP型NPP+返回四、結(jié)構(gòu)特點：1、發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；2、集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；3、基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面圖常見BJT實物圖一．BJT的偏置方式：1、發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，BJT處于放大狀態(tài)2、發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)正偏，BJT處于反向應(yīng)用狀態(tài)。3、二個PN結(jié)均正偏，晶體管處于飽合狀態(tài)4、二個PN結(jié)均反偏，晶體管處于截至狀態(tài)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)E發(fā)射極B基極C集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)NPN+E發(fā)射極B基極C集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)NPP+返回3.1.2BJT的電流分配與放大作用二、BJT三種基本組態(tài)共基極(CB)組態(tài),共射極(CE)組態(tài),共集電極(CC)

組態(tài)返回ECEBEBECRCbRbce●●●●

三、BJT的電流分配與放大作用1.載流子的傳輸過程：將NPNBJT接成共射極型：以射極為輸入和輸出回路的公共端即：uBE>>UT,發(fā)射結(jié)正偏→易于E區(qū)多子擴散

uCB＞0，集中結(jié)反偏→易于B區(qū)少子漂移bceiEiBiCiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBien=icn1+ib1iE

=ien

+iEP

≈ienICBO=icn2+icpiEiEiEiEiCiCiCiCiBiBiBiBiC=

ICBO+icn1;iB=ib1

+iEP

-ICBOicn2icp返回(1)多子通過EB(發(fā)射)結(jié)注入B區(qū)EBECRCbRbceiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniEiEiE返回(2)由濃度差引起基區(qū)非平衡少數(shù)載流子的擴散與復(fù)合。EBECRCbRbceib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

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ien返回EBECRCbRbce●●●●

iEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBiEiEiCiCiBiBicn2icp返回ECEBEBECRCbRbce●●●●

載流子的傳輸過程小結(jié)：將NPNBJT接成共射極型：以射極為輸入和輸出回路的公共端即：VBE>>VT,發(fā)射結(jié)正偏→易于E區(qū)多子擴散

VCB＞0，集中結(jié)反偏→易于B區(qū)少子漂移bceiEiBiCiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBien=icn1+ib1iE

=ien

+iEP

≈ienICBO=icn2+icpiEiEiEiEiCiCiCiCiBiBiBiBiC=

ICBO+icn1;iB=ib1+iEP

-ICBOicn2icp127345返回

對于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明，定義:

稱為共基極直流電流放大系數(shù)。它表示最后達到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，值小于1,但接近1，一般為0.98~0.999。由此可得:IC=ICN+ICBO=IE+ICBO=IC+IB+ICBO2、電流分配關(guān)系：在忽略ICBO情況下，IC

、IE

和IB之間的關(guān)系可近似表示為：式中：稱為共發(fā)射極接法直流電流放大倍數(shù)。3.共發(fā)射極BJT電流分配關(guān)系小結(jié)：（1）共發(fā)射極電流放大倍數(shù)：（2）共發(fā)射極電流分配關(guān)系：ICEO=ICBO/(1-α)=（1+

）ICBO≈

ICBOBJT的穿透電流

127345返回3.1.3BJT的靜態(tài)特性曲線iB=iB2iB=iB3飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)臨界飽和線uCEiCU（BR）CEOiB=-ICBOiB=iB1iB=iB4iB=iB5ib

(μA)uBEU（BR）EBOICBO＋ICEOUCE=0UCE=1UCE=10127345返回1、共射BJT的輸入特性曲線BJT的輸入特性曲線為一組曲線ib

(μA)uBEU（BR）EBOICBO＋ICEOUCE=0UCE=1UCE=10返回1、共射BJT的輸入特性曲線iB

(μA)uBEUCE=0UCE=1UCE=10127345返回1、共射BJT的輸入特性曲線ICEOU(BR)EBOib

(μA)uBEUCE=0UCE=1UCE=10ICBO＋ICEO127345返回iB=-ICBO2、共射BJT的輸出特性曲線：

飽和區(qū)U（BR）CEO擊穿區(qū)截止區(qū)臨界飽和線uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1返回EC2、共射BJT的輸出特性曲線：

ICBOiB=-ICBOU（BR）CEO擊穿區(qū)截止區(qū)uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1返回2、共射BJT的輸出特性曲線：iB=-ICBOU（BR）CEO擊穿區(qū)截止區(qū)uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1臨界飽和線飽和區(qū)返回2、共射BJT的輸出特性曲線：iB=-ICBOU（BR）CEO擊穿區(qū)截止區(qū)uCEiCiB=iB5臨界飽和線飽和區(qū)iB=iB1iB=iB2iB=iB3iB=iB4iC1iC2iC3iC4返回3.1.3BJT的主要參數(shù)127345返回ECEC

ICBO3.1.3BJT的主要參數(shù)ICEO127345返回3.1.3BJT的主要參數(shù)iB=-ICBOU（BR）CEO擊穿區(qū)截止區(qū)uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1127345返回

a.V(BR)CBO——發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電壓。下標

CB代表集電極和基極，O代表第三個電極E開路。b.V(BR)EBO——集電極開路時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓。

c.V(BR)CEO

——基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。對于V(BR)CER表示BE間接有電阻，V(BR)CES表示BE間是短路的。3）反向擊穿電壓:反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力

4）特征頻率fT

三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的將會下降。當下降到1時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。βf1fT國家標準對半導體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管§3.2共射極放大電路3.2.共射極放大電路

1.放大電路概念：基本放大電路一般是指由一個三極管與相應(yīng)元件組成的三種基本組態(tài)放大電路。a.放大電路主要用于放大微弱信號，輸出電壓或電流在幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強。b.輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負載。2.基本共射放大電路電路組成:(1)三極管T;(3)RC：將iC的變化轉(zhuǎn)換為vo的變化，一般幾K~幾十K。

VCE=VCC-ICRCRC，VCC同屬集電極回路。(2)VCC：為JC提供反偏電壓，一般幾

~幾十伏;(4)VBB：為發(fā)射結(jié)提供正偏。ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1(5)Rb：一般為幾十K~幾千K，

Rb

,VBB屬基極回路一般，硅管VBE=0.7V

鍺管VBE=0.2V當VBB>>VBE時：ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1(7)vi：輸入信號(8)vo：輸出信號公共地或共同端，電路中每一點的電位實際上都是該點與公共端之間的電位差。圖中各電壓的極性是參考極性，電流的參考方向如圖所示。(6)Cb1，Cb2：耦合電容或隔直電容，其作用是通交流隔直流。ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1RL:負載電阻ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1RLT++vivoRLTCb1VCCCb2+_+_RbRC3.共射電路放大原理++vivoCb1VCCCb2+_+_RbRC12V300K4K=40vi變化——iB

變化————iC

變化——————vCE

變化——vo

變化Cb1iC=iBvCE=VCC-iCRC3.3放大電路的圖解分析法3.3.1直流通路與交流通路3.3.2靜態(tài)工作情況分析近似估算法圖解分析電路參數(shù)變化對Q點的影響3.3.3動態(tài)分析放大工作情況交流負載線三個工作區(qū)域3.3.1.直流通路與交流通路靜態(tài)：只考慮直流信號，即vi=0，各點電位不變（直流工作狀態(tài)）。直流通路：電路中無變化量，電容相當于開路，電感相當于短路交流通路：電路中電容短路，電感開路，直流 電源對公共端短路放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。動態(tài)：只考慮交流信號，即vi不為0，各點電位變化（交流工作狀態(tài)）。直流通路TRRVb1b2bCCCCC++vovi電容Cb1和Cb2斷開TRRVbCCC直流通路即能通過直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負載電阻，Rc

、Rb

。交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio++vovi直流電源和耦合電容對交流相當于短路TRRbC+_+_vovi若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、C2足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。交流通路：能通過交流的電路通道。從C、B、E向外看，有等效的交流負載電阻，Rc//RL和偏置電阻Rb

。3.3.2靜態(tài)工作情況分析(1)近似估算靜態(tài)工作點已知硅管導通時VBE≈0.7V，鍺管VBE≈0.2V以及=40，根據(jù)直流通路則有：Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流電路(2)圖解法求靜態(tài)工作點I求VBE、IB的方法同二極管圖解分析輸入特性VBE=VBB-IBRb輸出特性VCE=VCC-ICRCb、e回路c、e回路(a)畫直流通路(b)把基極回路和集電極回路電路分為線性和非線性兩部分如圖IB=40uA、RC=4K、VCC=12VvCE(v)iC(mA)32124680101220uA40uA60uA80uAIB=100uA(c)作非線性部分的伏安特性曲線=40uA(d)作線性部分的伏安特性曲線—直流負載線

VCE=12-4IC(VCC=12V,RC=4K)

用兩點法做直線M(12V,0)，N(0,3mA)MN(e)直線MN與IB=40uA曲線的交點(5.6V,1.6mA)

就是靜態(tài)工作點Q（5.6V，1.6mA）Q直流負載線IB=40uA、RC=4K、VCC=12ViC(mA)32124680101220uA40uA60uA80uA100uA040vivoiB(uA)6020vi=0.02sint(V)vBE(V)vCE(V)3.3.3動態(tài)分析vi=0.02sint(V)ib=20sint(uA)iB=20uA~60uARRVb1b2bCCCCC++voviβ=40iC=iB=0.8~2.4(mA)vCE=8.8V~2.4Vvo=

vce=-3.2sintRRVb1b2bCCCCC++voviβ=404KTRRbC+_+_voviRL交流通路交流負載線TRRVvvb1b2bCCCCCio+++vo

-viRLRL’=RC//RL交流負載線交流負載線確定方法：通過輸出特性曲線上的Q點做一條直線，其斜率為-1/R'L

。

R‘L=

RL∥Rc

是交流負載電阻。c.交流負載線和直流負載線相交與

Q點。b.交流負載線是有交流輸入信號時

Q點的運動軌跡。BJT三個工作區(qū)域放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：1.工作點Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位；2.要有合適的交流負載線。Q位于交流負載線中間時，Vom≈ICQ×RL’截止失真截止失真：由于放大電路的工作點達到了三極管的截止區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。飽和失真飽和失真：由于放大電路的工作點達到了三極管的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。注意：對于PNP管，由于是負電源供電，失真的表現(xiàn)形式，與NPN管正好相反。I1I2V1V2雙端口網(wǎng)絡(luò)12223.4小信號模型分析法共射極電路H參數(shù)等效電路共射接法等效的雙端口網(wǎng)絡(luò)：輸入特性表達式：vBE=f1(iB

,vCE

)輸出特性表達式：iC=f2(iB

,vCE

)+_+_對上式求全微分：c+_+-參數(shù)的物理含義ebcb’rerb’erbb’rb’crcVCEQ時iB

對vBE的影響，是三極管在Q點附近b與e之間的動態(tài)電阻，用rbe表示。rbe的組成：rbe=rbb’+rb’ere

很小，忽略rbb’

：基區(qū)體電阻rb‘e：發(fā)射結(jié)正偏電阻IBQ附近vCE

對vBE的影響：vCE>1V后，h12<10-2VCEQ附近iB

對iC的影響，即參數(shù)的物理含義IBQ處vCE

對iC的影響，是IBQ這條曲線在Q點的導數(shù)通常用rce表示h22：一般

rce

>105參數(shù)的物理含義共射極電路h參數(shù)等效電路忽略h12和h22影響的簡化參數(shù)等效電路c用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極電路放大電路分析步驟：畫直流通路，計算靜態(tài)工作點Q計算rbe畫交流通路畫微變等效電路計算電壓放大倍數(shù)Av計算輸入電阻Ri計算輸出電阻Ro直流通路TRRVb1b2bCCCCC++vovi電容Cb1和Cb2斷開TRRVbCCC直流通路交流通路TRRVvvb1b2bCCCCCio++vovi直流電源和耦合電容對交流相當于短路TRRbC+_+_vovi靜態(tài)分析(1)近似估算靜態(tài)工作點已知硅管導通時VBE≈0.7V，鍺管VBE≈0.2V以及=40，根據(jù)直流通路則有：Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流電路1.計算電壓放大倍數(shù)Avvovivovibce2.計算輸入電阻RiRi3.計算輸出電阻

Ro方法一：Ro

計算輸出電阻Ro方法二：把輸入信號源短路（Vs=0）但保留信號源內(nèi)阻，在輸出端加信號Vo，求此時的Io，則：如圖，如果Vs＝0，則Ib=0，所以Ib=0Ro返回3.5放大電路的工作點穩(wěn)定問題3.5.1溫度對工作點的影響

溫度變化對ICBO的影響

溫度變化對輸入特性曲線的影響

溫度變化對的影響

穩(wěn)定工作點原理

放大電路指標分析

固定偏流電路與射極偏置電路的比較3.5.2射極偏置電路溫度T少子濃度IC

ICBO,

ICEO

IC=IB+(1+)ICBOIBVBE載流子運動加劇，發(fā)射相同數(shù)量載流子所需電壓輸入特性曲線左移

載流子運動加劇，多子穿過基區(qū)的速度加快，復(fù)合減少

ICIB輸出特性曲線上移輸出特性曲線族間隔加寬3.5.1溫度對工作點的影響

Q點上移

rbe

AV3.5.2射極偏置電路1.穩(wěn)定工作點原理 目標：溫度變化時，使IC維持恒定。射極偏置電路固定偏流電路分壓式射極偏置電路只能單向設(shè)置具有檢測Q點位置，并自動調(diào)整的功能T

IC～IEIC

VE=IERe

IB（反饋控制）分壓式射極偏置電路如果溫度變化時，b點電位能基本不變，則可實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。T

IC～IEIC

VE

VBE利用穩(wěn)定Q思路則可實現(xiàn)如下自動調(diào)整過程b點電位基本不變的條件：I1>>IBVB>>VBEI1=(5~10)IB(硅)I1=(10~20)IB(鍺)VB=3V~5V

(硅)VB=1V~3V

(鍺)求Q點方法2.放大電路指標分析①確定靜態(tài)工作點Je回路KVL方程一般采用方法三②畫小信號等效電路并確定模型參數(shù)2.放大電路指標分析輸出回路：輸入回路：電壓增益：③電壓