第2章：晶體三極管

1、N+NP集電結(jié)集電結(jié)Jc發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)JeP+NP 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :發(fā)射區(qū)高摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜; ;基區(qū)很薄基區(qū)很薄; ;集電結(jié)面積大集電結(jié)面積大 除了發(fā)射極上的箭頭方向不同外，其他都相同，除了發(fā)射極上的箭頭方向不同外，其他都相同，但箭頭方向都是由但箭頭方向都是由P P指向指向N N，即，即PNPN結(jié)的正向電流方向。結(jié)的正向電流方向。發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏：偏：放大模式放大模式發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正正偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)正正偏：偏：飽和模式飽和模式發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)反反偏，集電結(jié)偏，集電結(jié)反反偏：偏：截止模式截止模式（最常用）（最常用）（用于開(kāi)關(guān)電路中）（用于開(kāi)關(guān)電

2、路中）eb 基區(qū)：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射基區(qū)：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子，提高發(fā)射效率。的多子，提高發(fā)射效率。基區(qū)的作用：基區(qū)的作用：將發(fā)射到基區(qū)的多子，自發(fā)射結(jié)傳將發(fā)射到基區(qū)的多子，自發(fā)射結(jié)傳輸?shù)郊娊Y(jié)邊界。輸?shù)郊娊Y(jié)邊界。 基區(qū)很薄：可減少多子傳輸過(guò)程中在基區(qū)的復(fù)合基區(qū)很?。嚎蓽p少多子傳輸過(guò)程中在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，保證絕大部分載流子擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。機(jī)會(huì)，保證絕大部分載流子擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴(kuò)散到集電結(jié)保證擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的載流子全部漂移到集電區(qū)，形成受控的集電邊界的載流子全部漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流。極電流。三極管的正向受

3、控作用，服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系式：三極管的正向受控作用，服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系式： 數(shù)學(xué)模型（指數(shù)模型）數(shù)學(xué)模型（指數(shù)模型） TBETBEe) 1e (SEBSEVVVVCIIIIIS指發(fā)射結(jié)反向飽和電流指發(fā)射結(jié)反向飽和電流IEBS轉(zhuǎn)化到集電極上的電轉(zhuǎn)化到集電極上的電流值，它不同于二極管的反向飽和電流流值，它不同于二極管的反向飽和電流IS。EBSSII式中式中： 電路模型電路模型VBE+- -ECBEICIBIB 直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB +- -VBE(on)為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓，工程上一般取為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓，工程上一般取：硅管硅管VBE(on)= 0.7V鍺管鍺管

4、VBE(on)= 0.25Vv 三極管參數(shù)的溫度特性三極管參數(shù)的溫度特性q 溫度溫度每每升高升高1 C， / 增大增大（0.5 1）%，q 溫度溫度每每升高升高1 C ，VBE(on) 減小減?。? 2.5）mVq 溫度溫度每每升高升高10 C ，ICBO 增大增大一倍一倍 因而溫度對(duì)三極管的影響集中體現(xiàn)在對(duì)集電因而溫度對(duì)三極管的影響集中體現(xiàn)在對(duì)集電極電流的影響。極電流的影響。CEOBCBOBCIIIII ）（ 12.2.1飽和模式飽和模式 ( ( 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)Je正偏，集電結(jié)正偏，集電結(jié)Jc正偏正偏) ) 三極管失去正向受控作用。即三極管的集電極電流三極管失去正向受控作用。即三極管的集電極電

5、流 IC 不再受基極電流不再受基極電流 IB 控制?？刂啤ｋ娐纺Ｐ碗娐纺Ｐ蚔BE+- -ECBEICIB+- -VCE(sat)直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIB+- -+- -VCE(sat)通常，飽和壓降通常，飽和壓降VCE(sat) 硅管硅管VCE(sat) 0.3V鍺管鍺管VCE(sat) 0.1V 若忽略飽和壓若忽略飽和壓降，三極管輸出降，三極管輸出端近似短路。即端近似短路。即三極管工作于飽三極管工作于飽和模式時(shí)，相當(dāng)和模式時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。于開(kāi)關(guān)閉合。2.2.2 截止模式截止模式 ( ( JE結(jié)反偏，結(jié)反偏，JC結(jié)反偏結(jié)反偏) ) 若忽略反向飽和電流，

6、三極管若忽略反向飽和電流，三極管IB 0，IC 0。即三極管工作于截止模式時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。即三極管工作于截止模式時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。 電路模型電路模型VBE+- -ECBEICIB直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型ECBEIC 0IB 0直流分析步驟：直流分析步驟： 確定三極管工作模式確定三極管工作模式( (以以NPNNPN為例為例) ) 。 用相應(yīng)簡(jiǎn)化電路模型替代三極管。用相應(yīng)簡(jiǎn)化電路模型替代三極管。 分析電路直流工作點(diǎn)分析電路直流工作點(diǎn) 。 只要只要VBE （發(fā)射結(jié)反偏）（發(fā)射結(jié)反偏）截止模式截止模式假定放大模式，估算假定放大模式，估算VCE : : 若若VE 放大模式放大模式若若VE飽

7、和模式飽和模式解：解：假設(shè)假設(shè)T T工作在放大模式工作在放大模式 A53BBE(on)CCBQRVVImA59. 1BQCQIIV41. 4CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 100k T因?yàn)橐驗(yàn)?VCEQ0.3V，所以三極管工作在，所以三極管工作在放大模式放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 解：解：假設(shè)假設(shè)T工作在放大模式工作在放大模式 A530BBE(on)CCBQRVVImA9 .15BQCQIIV9 . 9CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 10k T因?yàn)橐驗(yàn)?VCEQ0.3V，所以三極管工作在，所以三極管工作在飽和模式。飽和模式。mA7

8、. 5CCE(sat)CCCSRVVIV3 . 0CE(sat)CVV解：解：所以所以三極管三極管工作在工作在截止模式截止模式 。VCCRCRB1(+6V)1k 100k TRB22k + - -VBBRBBRC+ - -VCCV12. 0B2B1CCB2BBRRVRVk95. 1/21BBBBRRR0.3V后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。因此當(dāng)因此當(dāng)VBE一定時(shí)一定時(shí)：VCEVCB 復(fù)合機(jī)會(huì)復(fù)合機(jī)會(huì) IB 曲線右移。曲線右移。VCE /VIB = 40 A30 A20 A10 A0 輸出特性曲線可劃輸出特性曲線可劃分四個(gè)區(qū)域：分四個(gè)區(qū)域：IC 0，IB 00反向擊穿電壓反向擊

9、穿電壓V(BR)CEOIC /mA飽和區(qū)飽和區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)、截止區(qū)截止區(qū)、擊穿區(qū)擊穿區(qū)。V(BR)CEOIC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)：特點(diǎn)：條件：條件： 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。IC不受不受IB控制，而受控制，而受VCE影響。影響。VCE略增，略增，IC顯著增加。顯著增加。飽和區(qū)飽和區(qū)（ VBE 0.7V，VCE0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)特點(diǎn)條件條件發(fā)射發(fā)射結(jié)正偏結(jié)正偏集電集電結(jié)反偏結(jié)反偏VCE曲線略上翹曲線略上翹具有正向受控作用具有正向受控作用滿足滿足IC= IB

10、 + ICEO說(shuō)明說(shuō)明IC /mAVCE /V0VA上翹程度上翹程度取決于厄爾利電壓取決于厄爾利電壓VA上翹原因上翹原因基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（VCE IC略略 ）在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時(shí)，電流在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時(shí)，電流IC的的)1 (eACESCTBEVVIIVV修正方程：修正方程：基寬基寬WB越小越小調(diào)制效應(yīng)對(duì)調(diào)制效應(yīng)對(duì)IC影響越大影響越大則則 VA 越小。越小。 與與I IC C的關(guān)系：的關(guān)系：I IC C0 0 在在IC一定范圍內(nèi)一定范圍內(nèi) 近似為常數(shù)。近似為常數(shù)?？紤]上述因素，考慮上述因素，IB等量增加時(shí)，等量增加時(shí)，I IC CV VCECE0 0輸出曲線

11、不再等間隔平行上移。輸出曲線不再等間隔平行上移。q 截止區(qū)截止區(qū)（ VBE 0.5V， VCE 0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)：特點(diǎn)：條件：條件： 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC 0，IB 0近似為近似為IB0 0以下區(qū)域以下區(qū)域 嚴(yán)格說(shuō)，截止區(qū)應(yīng)是嚴(yán)格說(shuō)，截止區(qū)應(yīng)是IE = 0即即IB = -ICBO以下的區(qū)域。以下的區(qū)域。 q 擊穿區(qū)擊穿區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：VCE增大到一定值時(shí)，集電結(jié)反向擊穿，增大到一定值時(shí)，集電結(jié)反向擊穿，IC急劇增大。急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿電壓，隨集電結(jié)反向擊穿電壓，隨IB的增大而

12、減小。的增大而減小。注意：注意：IB = 0時(shí)，擊穿電壓為時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CEOIE = 0時(shí)，擊穿電壓為時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBOICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允許集電極電流最大允許集電極電流ICM（若若ICICM 造成造成 ） 反向擊穿電壓反向擊穿電壓V(BR)CEO（若若VCEV(BR)CEO 管子擊穿管子擊穿）VCE PCM 燒管燒管）PCPCM 要求要求IC ICM 放大電路小信號(hào)運(yùn)用時(shí)，在靜態(tài)工

13、作點(diǎn)附近的放大電路小信號(hào)運(yùn)用時(shí)，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，特性曲線的非線性可忽略不計(jì)，近似小范圍內(nèi)，特性曲線的非線性可忽略不計(jì)，近似用一段直線來(lái)代替，從而獲得一線性化的電路模用一段直線來(lái)代替，從而獲得一線性化的電路模型，即小信號(hào)（或微變）電路模型。型，即小信號(hào)（或微變）電路模型。 三極管作為四端網(wǎng)絡(luò)，選擇不同的自變量，可以三極管作為四端網(wǎng)絡(luò)，選擇不同的自變量，可以形成多種電路模型。最常用的是形成多種電路模型。最常用的是混合混合型小信號(hào)型小信號(hào)電路模型。電路模型。 混合混合型電路模型的引出型電路模型的引出ibicbcerbb rb ecb ecb crb cb gmvb erce 若忽略若忽略

14、rb c影響，整理即可得出混影響，整理即可得出混電路模型。電路模型。rb ercecb ccb erbb bcegmvb eb ibic 電路低頻工作時(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混電路低頻工作時(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混電路模型簡(jiǎn)化為：電路模型簡(jiǎn)化為：rb ercerbb bcegmvb eb ibic rbb 基區(qū)體電阻，基區(qū)體電阻，其其值較小，約幾十歐，常忽略不計(jì)。值較小，約幾十歐，常忽略不計(jì)。 rb e三極管輸入電阻三極管輸入電阻，約千歐數(shù)量級(jí)約千歐數(shù)量級(jí)。B EEB EBBEEQQQ26(1)(1)b eevivrriiiIrb ercerbb bcegmvb eb ibic 跨

15、導(dǎo)跨導(dǎo)gm表示三極管具有正向受控作用的增量電導(dǎo)表示三極管具有正向受控作用的增量電導(dǎo)。 CQeEBEECQEBC5 .38 Irviiivigm rce三極管輸出電阻，三極管輸出電阻，數(shù)值較大數(shù)值較大。RL 放大模式放大模式若若VE飽和模式飽和模式解：解：假設(shè)假設(shè)T T工作在放大模式工作在放大模式 A53BBE(on)CCBQRVVImA59. 1BQCQIIV41. 4CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 100k T因?yàn)橐驗(yàn)?VCEQ0.3V，所以三極管工作在，所以三極管工作在放大模式放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 解：解：假設(shè)假設(shè)T工作在放大模式工作在放大模式

16、 A530BBE(on)CCBQRVVImA9 .15BQCQIIV9 . 9CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 10k T因?yàn)橐驗(yàn)?VCEQ0.3V，所以三極管工作在，所以三極管工作在飽和模式。飽和模式。mA7 . 5CCE(sat)CCCSRVVIV3 . 0CE(sat)CVV解：解：所以所以三極管三極管工作在工作在截止模式截止模式 。VCCRCRB1(+6V)1k 100k TRB22k + - -VBBRBBRC+ - -VCCV12. 0B2B1CCB2BBRRVRVk95. 1/21BBBBRRR VBE(on)V6CCCVVq 小信號(hào)等效電路法小信號(hào)等效電路法

17、( (微變等效電路法微變等效電路法) ) 分析電路加交流輸入信號(hào)后，疊加在分析電路加交流輸入信號(hào)后，疊加在Q點(diǎn)上的電壓點(diǎn)上的電壓與電流變化量之間的關(guān)系。與電流變化量之間的關(guān)系。 在交流通路基礎(chǔ)上，將三極管用小信號(hào)電路模型代在交流通路基礎(chǔ)上，將三極管用小信號(hào)電路模型代替得到的線性等效電路即小信號(hào)等效電路。利用該等替得到的線性等效電路即小信號(hào)等效電路。利用該等效電路分析效電路分析Av 、Ri 、Ro的方法即小信號(hào)等效電路法。的方法即小信號(hào)等效電路法。交流通路交流通路: : 即交流信號(hào)流通的路徑。即交流信號(hào)流通的路徑。它是將直流電源短路、耦它是將直流電源短路、耦合、旁路電容短路時(shí)對(duì)應(yīng)的電路。合、旁路

18、電容短路時(shí)對(duì)應(yīng)的電路。 畫交流通路畫交流通路( (直流電源置零，耦合、旁路電容短路直流電源置零，耦合、旁路電容短路) )。 用小信號(hào)電路模型代替三極管，得小信號(hào)等效電路。用小信號(hào)電路模型代替三極管，得小信號(hào)等效電路。 利用小信號(hào)等效電路分析交流指標(biāo)。利用小信號(hào)等效電路分析交流指標(biāo)。 計(jì)算微變參數(shù)計(jì)算微變參數(shù) gm、rb e。 注意注意: : 小信號(hào)等效電路只能用來(lái)分析交流量的變化規(guī)律及小信號(hào)等效電路只能用來(lái)分析交流量的變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，不能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，不能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。virb e ibibicRB+ - -RCRLvo+ - -viibicRBRC+ - -RL+

19、- -vok63. 226)1 (CQebIrvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+ - -+ - -RLC1C25k )/(LCcoRRivLiRrvebLbRiV)(sin52. 1t tvBE0QvBEiB0iCvCE0Q tiBIBQiC tICQ tvCE0- -1/R LVCEQibvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+- -vBE+ - -vCE+ - -+ - -RLC1C2q 圖解法圖解法viibicRBRC+ - -RL+ - -voq 圖解法圖解法 確定靜態(tài)工作點(diǎn)確定靜態(tài)工作點(diǎn)( (方法同前方法同前) )。 畫交流負(fù)載線。畫交流負(fù)載線。 畫波形，分析性能。畫波

20、形，分析性能。過(guò)過(guò)Q點(diǎn)、作斜率為點(diǎn)、作斜率為-1/R L的直線即交流負(fù)載線。的直線即交流負(fù)載線。其中其中 R L= RC / RL分析步驟分析步驟: : 圖解法直觀、實(shí)用，容易看出圖解法直觀、實(shí)用，容易看出Q點(diǎn)設(shè)置是否合適，點(diǎn)設(shè)置是否合適，波形是否產(chǎn)生失真，但不適合分析含有電抗元件的復(fù)波形是否產(chǎn)生失真，但不適合分析含有電抗元件的復(fù)雜電路。同時(shí)在輸入信號(hào)過(guò)小時(shí)作圖精確度降低。雜電路。同時(shí)在輸入信號(hào)過(guò)小時(shí)作圖精確度降低。QiC tICQ tvCE0VCEQibQ點(diǎn)在中點(diǎn)，動(dòng)態(tài)范圍最大，輸出波形不易失真。點(diǎn)在中點(diǎn)，動(dòng)態(tài)范圍最大，輸出波形不易失真。Q點(diǎn)波動(dòng)對(duì)輸出波形的影響：點(diǎn)波動(dòng)對(duì)輸出波形的影響：Q點(diǎn)

21、升高，不失真動(dòng)態(tài)范圍減小，輸出易飽和失真點(diǎn)升高，不失真動(dòng)態(tài)范圍減小，輸出易飽和失真( (底部失真底部失真) )。Q點(diǎn)降低，不失真動(dòng)態(tài)范圍減小，輸出易截止失真點(diǎn)降低，不失真動(dòng)態(tài)范圍減小，輸出易截止失真( (頂部失真頂部失真) )。QibibiCvCE0Qvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+- -vBE+ - -vCE+ - -+ - -RLC1C2 tvBE0QvBEiB0iCvCE0Q tiBIBQiC tICQ tvCE0- -1/R LVCEQibvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+- -vBE+ - -vCE+ - -+ - -RLC1C2viibicRBRC+ - -R

22、L+ - -voiCvCE0iBVCE(sat)iCR+ - -VQ+ viB恒值恒值外電路外電路(負(fù)載電路負(fù)載電路)2.7.1 電流源電流源 利用三極管放大區(qū)利用三極管放大區(qū)iB恒定時(shí)恒定時(shí)iC接近恒流的特性，可接近恒流的特性，可構(gòu)成集成電路中廣泛采用的一種單元電路構(gòu)成集成電路中廣泛采用的一種單元電路-電流源。電流源。 該電流源不是普通意義上的電流源，因它本身不提供能量。電該電流源不是普通意義上的電流源，因它本身不提供能量。電流源電路的輸出電流流源電路的輸出電流IO，由外電路中的直流電源提供。，由外電路中的直流電源提供。IO只受只受IB控制，與外電路在電流源兩端呈現(xiàn)的電壓大小幾乎無(wú)控制，與外

23、電路在電流源兩端呈現(xiàn)的電壓大小幾乎無(wú)關(guān)。就這個(gè)意義而言，將其看作為電流源。關(guān)。就這個(gè)意義而言，將其看作為電流源。 2.7.2 放大器放大器放大器的作用就是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。放大器的作用就是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。q 放大原理放大原理+ - -iBviiCVCCRC+ - -+ - -VIQvoVIQ tvBE0IBQ tiB0 tviICQ tiC0VCEQ tvCE0 tvo0利用利用ib 對(duì)對(duì)ic的控制的控制作用實(shí)現(xiàn)放大。作用實(shí)現(xiàn)放大。q 放大實(shí)質(zhì)放大實(shí)質(zhì) 電源電源VCC提供的功率：提供的功率：20CCCD21tdiVPCQCCIV 三極管集電極上的功率：三極管集電極上的功率：20CCEC21tdiVPC2cmCQCEQ21RIIV 負(fù)載電阻負(fù)載電阻RC 上的功率：上的功率：20C2L21tdRiPCC2cmC2CQ21RIRICCQCEQCCRIVVLCDPPP注意：注意： 放大器放大信號(hào)的實(shí)質(zhì)：放大器放大信號(hào)的實(shí)質(zhì)：是利用三極管的正向受是利用三極管的正向受控作用，將電源控作用，將電源VCC提供的直流功率，部分地轉(zhuǎn)換提供的直流功率，部分地轉(zhuǎn)換為輸出功率。為輸出功率。 電源電源VCC 不僅要為三極管提供偏置，保證