模擬電路第二章-1課件

第二章

雙極型晶體管

及其放大電路

BipolarJunctionTransistor縮寫B(tài)JT簡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

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))

即在滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求的前提下，三極管要實現(xiàn)放大，必須連接成如下形式：e區(qū)c區(qū)b區(qū)e結(jié)C結(jié)ecbNNPVBBVCCRbRc＋－VBE＋－VCB＋－VCE例：共發(fā)射極接法三極管在工作時要加上適當?shù)闹绷髌秒妷?。集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證VCB=VCE-VBE>0發(fā)射結(jié)正偏：三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：VCCeCecbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IENIEP（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。2-1-1放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE=IEN+IEP≈IEN三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE（2）在基區(qū)中①電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散；②少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復合，形成IB電流。IB復合IBE≈IBE三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE（2）在基區(qū)中①電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散；②少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復合，形成IB電流。IB（3）集電區(qū)收集大部分的電子，形成IC電流。ICICN≈ICNIBE三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IE（2）在基區(qū)中①電子繼續(xù)向集電結(jié)擴散；②少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復合，形成IB電流。IB（3）集電區(qū)收集大部分的電子，形成IC電流。IC另外，集電區(qū)的少子形成反向飽和電流ICBOICBOICNIBE三極管內(nèi)部載流子運動分為三個過程：VCCececbNNPVBBRbRc例：共發(fā)射極接法IEIB動畫演示ICICBOICNIBE實際上：IC=ICN+ICBOIE=IEN+IEP≈IEN≈ICNIB+ICBO=IBE由KCL，有：IB=IBE-ICBO≈IBEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN2-1-1放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程圖2―2晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流內(nèi)部機理晶體管工作的內(nèi)部機理：-------“非平衡載流子”的傳輸①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。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。②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）的復合運動（復合電流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。③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。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(擴散運動）為主②基區(qū)的復合和繼續(xù)擴散③集電結(jié)對非平衡載流子的收集作用（漂移為主）

偏置要求對NPN管要求UC＞UB＞UEUCUEUB偏置要求對PNP管要求UC＜UB＜UEUCUEUB2-1-2電流分配關系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)每復合一個電子，就有β個電子擴散到集電區(qū)去。IBNIICNEN共基極一般兩者關系：IBNIICNEN二、IC、IE、IB、三者關系：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現(xiàn)以iB=40uA一條加以說明：vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（1）當vCE=0V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2）當vCE稍增大時，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓很小，如：vCE<1VvBE=0.7VvCB=vCE-vBE≤0.7V集電區(qū)收集電子的能力很弱，iC主要由vCE決定：vCE↑→ic↑現(xiàn)以iB=40uA一條加以說明：vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（3）當uCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時，如：vCE≥1VvCB≥0.7V運動到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后vCE再增加，電流也沒有明顯得增加，特性曲線進入與vCE軸基本平行的區(qū)域。同理，可作出iB=其他值的曲線。vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA輸出特性曲線可以劃分為三個區(qū)域：飽和區(qū)——iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCE<0.7V（硅管）。此時e正偏，c正偏或反偏電壓很小。vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA輸出特性曲線可以劃分為三個區(qū)域：飽和區(qū)——iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCE<0.7V（硅管）。此時e正偏，c正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時e反偏，c反偏。vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA輸出特性曲線可以劃分為三個區(qū)域：飽和區(qū)——iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCE<0.7V（硅管）。此時e正偏，c正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時e反偏，c反偏。放大區(qū)——iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。

此時e正偏，c反偏。電壓大于0.7V左右（硅管）。模電著重討論的就是該放大區(qū)！1.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β問題：特性圖中β=？為兩條不同IB曲線的間隔即IC主要由IB決定，與輸出環(huán)路的外電路無關。基區(qū)寬度調(diào)制效應(厄爾利效應)cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE↑→c結(jié)反向電壓↑→c結(jié)寬度↑→基區(qū)寬度↓→基區(qū)中電子與空穴復合的機會↓iC↑→基調(diào)效應表明：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，飽和區(qū)iC比放大區(qū)的?。?）UCE一定時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，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。 三個電極間的電壓很小，管子完全導通，相當一個開關“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,三個電極均為反向電流，所以數(shù)值很小。

管子不通，相當于一個“開關”打開（Turnoff）。iB=-iCBO（此時iE=0）以下稱為截止區(qū)。工程上認為：iB=0以下即為截止區(qū)。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO二、共發(fā)射極輸入特性曲線BJT共射接法的輸入特性曲線分三部分：①死區(qū)②非線性區(qū)③線性區(qū)iB/μAvBE/V①③②vCE

=1VvCE

>1VvCE

=0V記住：①當vCE>1時，各條特性曲線基本重合。②0<UCE<1時，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，移動量將更大一些。

25℃【參見教材P74圖3.1.7(a)】三、溫度對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。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)射極開路時，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路時，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。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)使用時不應超過管子的極限參數(shù)值。否則使用時可能損壞。

3DG6C

規(guī)格號序號高頻小功率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時的IC值。

（3）集電極最大允許功率損耗PCM表示集電極上允許損耗功率的最大值。PCM=iCvCE過壓區(qū)過流區(qū)【參見29圖2-7】2―3晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路 應用晶體管時，首先要將晶體管設置在合適的工作區(qū)間，如進行語音放大需將晶體管設置在放大區(qū)，如應用在數(shù)字電路，則晶體管工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。 因此，如何設置和分析晶體管的工作狀態(tài)是晶體管應用的一個關鍵。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應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。在下標再加個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)截止狀態(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＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k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UBB從0~0.7V之間時，兩個結(jié)都反偏，管子進入截止區(qū)。IBQ=ICQ≈0。UCEQ≈UCC。分析：(a)電路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k當UBB繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)發(fā)偏，管子進入放大區(qū)。隨著IBQ的增大，ICQ=βIBQ也增大。UCEQ=UCC-ICQ×RC不斷下降。(a)電路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k當UBB增大到UCEQ<UBEQ時，集電結(jié)正偏，管子進入飽和區(qū)。此時，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：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：如果晶體管是淺飽和(即IBQ不大)，則ICQ的近似值計算如下：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，并畫出波形圖。R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uo(a)電路圖2―12例題2電路及ui,uo波形圖05tuo/V0.3(c)uo波形圖03tui/V(b)ui波形圖R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uoβ=50解:當ui=0時，UBE=0，則晶體管截止。此時，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。當ui=3V時，晶體管導通且有而集電極臨界飽和電流為因為所以晶體管處于飽和。ICQ≈IC(sat)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形如圖2―12(c)所示。補充例題1電路補充例題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狀態(tài)：∴晶體管不處于截止狀態(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)；補充例題2電路補充例題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狀態(tài)：∴晶體管不處于截止狀態(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電路形式簡單②偏置下的工作點在環(huán)境溫度變化或更換管子時，應力求保持穩(wěn)定，應始終保持在放大區(qū)。③對信號的傳輸損耗應盡可能小晶體管在放大應用時，要求外電路將晶體管偏置在放大區(qū)，而且在信號的變化范圍內(nèi)，管子始終工作在放大狀態(tài)。此時，對偏置電路的要求是：

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：工作點穩(wěn)定性差；（∵IBQ固定，當β、