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

§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的結構簡介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結構簡介BJT通常是指通過一定工藝將兩個PN結結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、結構：NPN、PNP集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)三、結構：三個區(qū)、兩個PN結、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)射結集電結1．NPN

型

三個區(qū)域：

發(fā)射區(qū)（E區(qū)）兩個PN結：發(fā)射結（BE結）

集電結（CB結）E發(fā)射極B基極C集電極發(fā)射結集電結NPN+2.PNP型NPP+返回四、結構特點：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。管芯結構剖面圖常見BJT實物圖一．BJT的偏置方式：1、發(fā)射結正偏、集電結反偏，BJT處于放大狀態(tài)2、發(fā)射結反偏、集電結正偏，BJT處于反向應用狀態(tài)。3、二個PN結均正偏，晶體管處于飽合狀態(tài)4、二個PN結均反偏，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)射結集電結NPN+E發(fā)射極B基極C集電極發(fā)射結集電結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)射結正偏→易于E區(qū)多子擴散

uCB＞0，集中結反偏→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：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)射結正偏→易于E區(qū)多子擴散

VCB＞0，集中結反偏→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、電流分配關系：在忽略ICBO情況下，IC

、IE

和IB之間的關系可近似表示為：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電流分配關系小結：（1）共發(fā)射極電流放大倍數(shù)：（2）共發(fā)射極電流分配關系：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，而且與工作頻率有關。由于結電容的影響，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，經過三極管的控制，使之轉換成信號能量，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若直流電源內阻為零，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設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雙端口網絡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絡：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置具有檢測Q點位置，并自動調整的功能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