模擬電子電路課件第5章

1第五章

雙極型晶體管(BJT)2概要

5.1晶體三極管的器件結(jié)構(gòu)及工作原理

5.1.1器件結(jié)構(gòu)

5.1.2放大模式下NPN晶體三極管工作原理

5.1.3晶體三極管的電路符號(hào)及特性曲線

5.2晶體三極管的直流偏置

5.2.1晶體三極管常用偏置電路

5.2.2直流分析與交流分析分離

5.2.3晶體三極管直流電路分析

5.3晶體三極管放大電路分析

5.3.1晶體三極管小信號(hào)模型

5.3.2共射放大器

5.3.3接發(fā)射電阻的共發(fā)射極放大器

5.3.4共基放大器

5.3.5共集電極放大器或射極跟隨器

5.3.63種組態(tài)放大器比較

器件結(jié)構(gòu)

npn

晶體管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

器件結(jié)構(gòu)

pnp

晶體管的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)5.1.1工作模式模式EBJCBJ應(yīng)用截止反偏反偏在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)使用飽和正偏正偏放大正偏反偏放大器反向放大反偏正偏有限的應(yīng)用BACK5.1.2工作在放大模式下的npn晶體管工藝條件：發(fā)射區(qū)高摻雜基區(qū)很薄

CBJ面積遠(yuǎn)大于

EBJ工作過(guò)程：

發(fā)射區(qū)發(fā)射電子

基區(qū)復(fù)合

集電區(qū)收集電子發(fā)射極電流E區(qū)和B區(qū)的多子互相擴(kuò)散注入，形成兩個(gè)擴(kuò)散電流in和ip發(fā)射極電流iE由上面兩個(gè)分量組成發(fā)射區(qū)重?fù)诫s，in>>ip，iE主要由電子電流組成集電極電流集電極電流是漂移電流集電極的電流與CB兩端的電壓無(wú)關(guān).CBJ面積>>EBJ面積基極電流兩個(gè)結(jié)共同形成流入基極的電流

復(fù)合電流占多數(shù).基區(qū)很薄，基極電流的大小非常小電流方程發(fā)射極電流等于集電極電流和基極電流之和

參數(shù)：共基極電流直流傳輸系數(shù)定義：集電極電流可表示為:

的值小于1但非常接近于1.，一般在0.98以上參數(shù)：共發(fā)射極電流增益的說(shuō)明定義：集電極電流可表示為其中發(fā)射極電流典型值在50到200之間,但是對(duì)于特殊器件可以達(dá)到1000BACK

BJT的電路符號(hào)箭頭端為晶體管的發(fā)射極14三極管的三種基本組態(tài)當(dāng)VCE在0～0.3V間變化時(shí)，IB變化較大，此時(shí)晶體三極管工作在飽和模式當(dāng)VCE大于0.3V時(shí)，晶體三極管工作在放大模式，理想情況下電流IB應(yīng)不隨VCE變化，但基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的存在使得當(dāng)VCE增大時(shí)，IB略有減小。共發(fā)射極輸入特性曲線族

共發(fā)射極輸出特性曲線族共發(fā)射極組態(tài)的輸出特性曲線放大區(qū)EBJ正偏,CBJ反偏;鄰近的輸出曲線具有相同的距離曲線盡管還是直線,但是有一個(gè)有限的斜率飽和區(qū)EBJ和CBJ不僅正偏而且還是導(dǎo)通的集電極電流是擴(kuò)散電流不是漂移電流CBJ的導(dǎo)通電壓小于EBJ的導(dǎo)通電壓截止區(qū)IB

=

0

EBJ反偏,CBJ反偏;所有電流為0擊穿區(qū)EBJ正偏,CBJ反偏電壓過(guò)大導(dǎo)致CBJ被擊穿集電極電流明顯的增大BACKreturn厄爾利效應(yīng)——基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)厄爾利效應(yīng)集電極輸出電阻

其中是忽略厄爾利效應(yīng)后的集電極電流，即三極管的主要參數(shù)直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)在工程上，通常不區(qū)分交流和直流，都用、表示三極管的主要參數(shù)極間反向電流（一般可忽略）

（1）反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極和基極間的反向飽和電流

（2）穿透電流ICEO

基極開(kāi)路時(shí)由集電極直通到發(fā)射極的電流

三極管的主要參數(shù)極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

（2）集電極最大允許功耗PCM

（3）反向擊穿電壓V(BR)CEO

三極管的安全工作區(qū)BACK單電源供電的經(jīng)典BJT偏置方法（a)電路（b)向基極提供電源的電壓分壓器用戴維南等效后的得到的電路單電源供電的經(jīng)典BJT偏置方法兩個(gè)約束條件：式(5.71)確保VBE的較小變化將被較大的VBB掩蓋但VBB過(guò)高，IE或IC越大，VCE越小，交流動(dòng)態(tài)范圍受限折中方案單電源供電的經(jīng)典BJT偏置方法兩個(gè)約束條件：式(5.72)使得IE對(duì)β的變化不明顯，可選擇較小的RB，即選擇較小的R1和R2較小的R1和R2會(huì)降低放大器輸入電阻，而VB與β無(wú)關(guān)，因此使分壓器上電流遠(yuǎn)大于IB即可。通常選擇R1、R2以使其電流在(0.1~1)IE范圍內(nèi)雙電源供電的經(jīng)典偏置設(shè)置只有當(dāng)信號(hào)通過(guò)電容耦合到基極時(shí)才需要電阻RB兩個(gè)約束條件都可使用5.5.4恒流源的偏置BACK

直流分析與信號(hào)分析的分離分別分析放大電路的直流通路和交流通路

直流通路：所有電容開(kāi)路，電感短路，獨(dú)立的交流電壓源短路，獨(dú)立的交流電流源開(kāi)路，但保留信號(hào)源內(nèi)阻。交流通路：隔直流電容和旁路電容短路，扼流圈等大電感開(kāi)路，獨(dú)立的直流電壓源短路，獨(dú)立的直流電流源開(kāi)路，但保留信號(hào)源內(nèi)阻。

直流分析與信號(hào)分析的分離（a）直流通路（b）交流通路BACK5.4晶體管電路的直流分析直流分析步驟:（1）采用固定的電壓壓降模型，若EBJ正偏，則假設(shè)電壓，不考慮準(zhǔn)確的電壓值；若EBJ反偏，則認(rèn)為BJT截止工作。（2）假設(shè)晶體管工作在放大區(qū)，可以應(yīng)用IB、IC和IE的關(guān)系來(lái)求解VCE或VCB。（3）檢查VCE：若VCE>0.3V，假設(shè)成立，管子工作在放大區(qū)；若VCE<0.3V，假設(shè)不成立，則BJT工作在飽和區(qū)，因此要重新假設(shè)VCE

=

VCE(sat)

=

0.3V來(lái)求IC

例題5.1假定,確定所有節(jié)點(diǎn)電壓和所有支路電流回路方程假設(shè)BJT工作在放大區(qū)，則集電極電壓為驗(yàn)證假設(shè)成立。例題5.1方法二:(近似估算)，假設(shè)BJT工作在放大區(qū)若，則可認(rèn)為分壓電流遠(yuǎn)大于基極電流，基極電流的分流忽略不計(jì)，即則假設(shè)成立。例題5.1BACK35混合模型等效電路表示BJT作為電壓控制電流源（互導(dǎo)放大器）等效電路表示BJT作為電流控制電流源（電流放大器）36交流小信號(hào)參數(shù)晶體三極管輸入電阻其中為從發(fā)射極看進(jìn)去的基極和發(fā)射極之間的等效小信號(hào)電阻37跨導(dǎo)BACK定義：與MOSFET相比，BJT有相對(duì)較高的跨導(dǎo)38交流小信號(hào)參數(shù)晶體三極管跨導(dǎo)39描述厄爾利效應(yīng)的擴(kuò)充小信號(hào)模型40小信號(hào)模型的應(yīng)用首先畫(huà)出直流電路并計(jì)算集電極的電流IC(ICQ).計(jì)算小信號(hào)模型的一些特定的參數(shù)例如：gm=IC/VT,r=/gm=VT/IB,re=/gm=VT/IE.畫(huà)出交流電路用小信號(hào)模型代替電路中的非線性部分，同時(shí)小信號(hào)模型的選擇應(yīng)該是使得分析最簡(jiǎn)單的確定所要求的交流參數(shù)（增益、輸入輸出電阻）41pnp

晶體管的模型pnp晶體管的小信號(hào)模型與npn的小信號(hào)模型是一樣的，因?yàn)樾⌒盘?hào)模型不改變偏置條件，小信號(hào)模型與極性無(wú)關(guān)無(wú)論是那種構(gòu)造，它的模型是唯一的；到底選擇哪種進(jìn)行分析就看哪種更簡(jiǎn)單BACK425.7.3共發(fā)射極放大器435.7.3共發(fā)射極放大器445.7.3共發(fā)射極放大器45共發(fā)射極放大器的特性輸入電阻電壓增益總電壓增益輸出電阻46共發(fā)射極放大器的小結(jié)較大的電壓增益.較大的電流增益.輸入電阻相對(duì)較低輸出電阻相對(duì)較高BACK475.7.4接發(fā)射極電阻的共發(fā)射極放大器48接發(fā)射極電阻的共發(fā)射極放大器49接發(fā)射極電阻的共發(fā)射極放大器50接發(fā)射極電阻的共發(fā)射極放大器用

替代

，并假設(shè)

，可得51接發(fā)射極電阻的共發(fā)射極放大器的特性輸入電阻電壓增益總電壓增益輸出電阻短路電流增益52接發(fā)射極電阻的共發(fā)射極放大器的小結(jié)輸入電阻Rib增大(1+gmRe)倍從基極到集電極的電壓增益減小(1+gmRe)倍.對(duì)于相同的非線性失真，輸入信號(hào)vi

可以增大(1+gmRe)倍總電壓增益與β的相關(guān)性降低其他性能得到改善是以犧牲增益為代價(jià)的電阻RE

是作為負(fù)反饋引入到電路中的.高頻響應(yīng)大大改善BACK535.7.5共基（CB）放大器54共基（CB）放大器的混合π模型分析55共基（CB）放大器的混合π模型分析56共基（CB）放大器的特性輸入電阻電壓增益總電壓增益輸出電阻短路電流增益57共基（CB）放大器的小結(jié)具有較低的輸入電阻相當(dāng)高的輸出電阻短路電流增益接近于1較高的電壓增益開(kāi)路電壓增益是正的電流跟隨器具有極好的高頻性能BACK585.7.6共集電極（CC）放大器或射極跟隨器59共集電極（CC）放大器混合π模型的分析60共集電極（CC）放大器混合π模型的分析61CC的特性輸入電阻電壓增益總電壓增益輸出電阻短路電流增益62共集電極（CC）放大器或射極跟隨器的特性具有較高的輸入電阻較低的輸出電阻