1、第二章 雙極型晶體管及其放大電路,Bipolar Junction Transistor 縮寫 BJT 簡稱晶體管或三極管 雙極型 器件 兩種載流子（多子、少子）,(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,base,collector,emitter,e,c,b,發(fā)射極,基極,集電極,基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),發(fā)射極箭頭方向是指發(fā)射結(jié)正偏時的電流方向,2.1.1 結(jié)構(gòu),圖2.1.2 平面管結(jié)構(gòu)剖面圖,發(fā)射區(qū)(重摻雜)，基區(qū)(很薄)，集電區(qū)（結(jié)面積大）,e,c,b,發(fā)射極,基極,集電極,基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),晶體管具有信號放大作用的條件,內(nèi)部條件 發(fā)射區(qū)重摻

2、雜 (故管子e、 c極不能互換) 基區(qū)很薄(幾個m) 集電結(jié)面積大 外部條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏,UC UB UE,UC UB UE,c區(qū),b區(qū),e區(qū),2.1.2 雙極性晶體管的工作原理,圖2.1.3 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流,以NPN為例。,一、放大狀態(tài)下晶體管中載流子的運動,（1）因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了擴散電流IEN 。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN 。,（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。大部分到達了集電區(qū)的邊緣。,（3）因

3、為集電結(jié)反偏，收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN 。,另外，集電結(jié)區(qū)和基區(qū)本身的少子形成漂移電流ICBO。,圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流,非平衡載流子傳輸三步曲,發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入 (擴散運動）為主；,集電結(jié)對非平衡載流子的收集作用（漂移為主）。,基區(qū)的 復(fù)合 和 繼續(xù)擴散；,二 電流分配關(guān)系,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,I,CBO,15V,b,I,BN,I,EP,I,EN,I,CN,晶體管主要功能:,電流放大（current amplify）,定義直流電流放大系數(shù)：,共基極,一般,共射極,一般,的物理意義：基區(qū)每復(fù)合一

4、個電子，就有個電子擴散到集電區(qū)去。,當(dāng)IB=0時，,ICEO=0時稱為穿透電流。,IC、 IE、 IB、三者關(guān)系：,若忽略 ICBO，IEP , 則,2.2 晶體管的特性曲線,全面描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線。,圖2.2.1晶體管的三種基本接法（組態(tài)）,(a)共發(fā)射極；,(b)共集電極；,(c)共基極,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(guān)系曲線(以iB為參變量),圖2.2.3 共射輸出特性曲線,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,動畫演示,I,c,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B

5、,b,2.2.1 共發(fā)射極輸出特性曲線,圖25 共射輸出特性曲線,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,臨界飽和點,圖25 共射輸出特性曲線,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,當(dāng) IB=0時, IC=ICEO 稱為穿透電流。,圖25 共射輸出特性曲線,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,圖25 共射輸出特性曲線,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,

6、2,3,4,i,C,/,m,A,1. 放大區(qū),發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)反偏,（1）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,問題：圖2.2.3中=？,=100,（2）uCE 變化對 IC 的影響很小（恒流特性）,即IC主要由IB決定，與輸出環(huán)路的外電路無關(guān)。,基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(厄爾利效應(yīng)),uCE,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(fù)合的機會,iC ,基調(diào)效應(yīng)表明：輸出交流電阻rCE=uCE/iC,（1） i B 一定時，飽和區(qū)i C 比放大區(qū)的小,（2）U CE一定時, i B 增大，i C 基 本不變（飽和區(qū)）,臨界飽和：UCE = UBE，

7、即UCB=0（C結(jié)零偏）。,2. 飽和區(qū),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(dǎo)通， 相當(dāng)一個開關(guān)“閉合（Turn on）”。,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(dāng)于一個“開關(guān)”打開（Turn off）。,i B = -i CBO （此時i E =0 ）以下稱為截止區(qū)。,工程上認為：i B =0 以下即為截止區(qū)。,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,

8、BB,R,B,I,CBO,15V,b,I,CN,I,BEO,二、共發(fā)射極輸入特性曲線,圖26 共發(fā)射極輸入特性曲線,（1）0 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。,（2） UCE 1 時，進入放大區(qū)，曲線近似重合。,2.2.3 溫度對晶體管特性的影響,T ，uBE：,T ， ICBO ：,T ， ：,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。一般,在以后的計算中，不必區(qū)分。,4.共基交流放大

9、系數(shù),3.共基直流放大系數(shù),在以后的計算中，不必區(qū)分。,二、反向飽和電流,是指管子各電極之間的反向漏電流參數(shù)。,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。,ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。, 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。,即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。, 管子B、E間反向飽和漏電流,集電極開路時，基極發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流-IEBO。,三、極限參數(shù),使用時不應(yīng)超過管子的極限參數(shù)值。否則使用時可能損壞。,反

10、向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向電壓的能力。,1、反向擊穿電壓,三極管擊穿電壓的測試電路,例如： U(BR)CBO =115V, U(BR)CEO =60V， U(BR)EBO=8V。,值與IC的關(guān)系,在輸出特性曲線上決定,2、最大允許集電極電流ICM,ICM 留有一定的余量。 ICM 指下降到額定值的2/3時 的IC值。,3、集電極最大允許功耗PCM,圖27 晶體管的安全工作區(qū),功耗線,過流區(qū),過壓區(qū),過耗區(qū),半導(dǎo)體三極管的型號,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體三極管的命名如下: 3 D G 110 B,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

11、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,常用雙極型晶體管的參數(shù),注：*為 f,2.3 晶體管放大電路的放大原理,靜態(tài)：ui=0,各點電壓電流恒定。,2.3.1 放大電路的組成,符號規(guī)定,UBE:,大寫字母、大寫下標(biāo)，表示直流分量。,uBE:,小寫字母、大寫下標(biāo)，表示疊加量或瞬時量。,ube:,小寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流分量。,uBE,ube,疊加量,交流分量,UBE直流分量,Ube:,大寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流分量的有效值。,2.3.2 靜態(tài)工作點的作用,電路處于靜態(tài)時，三極

12、管各電極的電壓、電流在特性曲線上確定為一點，稱為靜態(tài)工作點，常稱為Q點。一般用IBQ、ICQ、和UCEQ表示。,工作點偏低,放大電路為什么要建立正確的靜態(tài)？,2.3.3 放大原理,iB,2.3.3 放大原理,2.3.3 放大原理,只有設(shè)置合適的工作點，才能使輸出波形不產(chǎn)生失真。,2.3.4 基本放大器的組成原則,1)提供合適的直流電源，設(shè)置合適的工作點；,2)輸入信號作用在b-e回路；,3)設(shè)置合理的信號通路。,晶體管放大器必須遵守的幾個原則：,圖2.3.4 阻容耦合共射極放大電路,UCC：直流電源 RB：基極偏置電阻 RC：集電極偏置電阻 RL：負載電阻 ui：正弦信號源電壓及內(nèi)阻,選擇合適

13、的電容C1、C2使其電容阻抗對交流信號近似短路，這樣交流信號可以毫無損耗的送入輸入端。而電容對直流信號而言，又近似開路，因此交流信號的加入不會影響直流工作點。,2.3.5 直流通路和交流通路,為了研究分析方便，常把直流電源和輸入信號對電路的作用區(qū)分開來，分成直流通路和交流通路。,直流通道：只考慮直流電源作用下直流電流流經(jīng)的通路。,（1）畫直流通路的原則：, C開路, L短路,令交流輸入信號為0。,圖2.3.4 共射極放大電路,圖2.3.5 (a)直流通路,交流通道：輸入信號作用下交流信號流經(jīng)的通路。,畫交流通路的原則：,C短路,直流電源對地短路（恒壓源處理）,L開路,在分析放大電路時，應(yīng)遵循“

14、先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，求解靜態(tài)工作點時應(yīng)利用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)利用交流通路，兩種通路切不可混淆。,練習(xí)：請畫出下面電路的直流通路的交流通路。,(a) (b),直流通路,交流通路,直流通路,交流通路,2.4.1 晶體管的直流模型及靜態(tài)工作點的估算,2.4 放大電路的靜態(tài)分析和設(shè)計,(a) 輸入特性近似,圖2.4.1晶體管在放大狀態(tài)下的直流模型,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),a)截止?fàn)顟B(tài)模型；(b)放大狀態(tài)模型；(c)飽和狀態(tài)模型,(b)直流等效電路,圖2.4.2 晶體管直流電路分析,例2.4.1 試估算下面電路工作在放大狀態(tài)下的靜態(tài)工作點。,故有,2.4.2 靜態(tài)工作點的圖解分析法,直流圖解

15、分析是在晶體管特性曲線上，用作圖的方法確定出直流工作點，并求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。,一、IBQ、UBEQ的求解,IBQ、UBEQ一般不用圖解法確定，而用估算法。 UBEQ=0.7（硅管）或0.3（鍺管）,二、ICQ、UCEQ的求解,輸出特性曲線與輸出回路方程的交點為靜態(tài)工作點。,i,B,I,B,Q,u,C,E,0,N,Q,M,i,C,UCEQ,UCC,ICQ,UCC,RC,(a)直流負載線與Q點,直流負載線,例4 在圖220(a)電路中，若RB=560k, RC=3k,UCC=12V，晶體管的輸出特性曲線如圖221(b)所示，試用圖解法確定直流工作點。,(a)直流通路,輸出回路

16、滿足： UCC=UCEQ+ICQRC,圖221放大器的直流圖解分析,(b)Q點與RB、RC的關(guān)系,u,C,E,/,V,2,10,12,0,1,2,3,40,A,30,A,20,A,10,A,i,C,/,m,A,4,6,8,4,M,N,Q,R,B,Q,3,Q,2,Q,4,R,C,R,B,Q,1,R,C,RB=560k, RC=3k,UCC=12V 直流負載線:UCC=UCEQ+ICQRC 即:12V=UCEQ+ICQ3K,解: 取UBEQ=0.7V，由估算法可得,在輸出特性上找兩個特殊點：,當(dāng)uCE=0時，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M點；,當(dāng)iC =0時，uCE=UCC=12V，得

17、N點。,由圖中Q點的坐標(biāo)可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。,總 結(jié),輸出特性曲線方程，由晶體管的特性決定,直流負載線方程，由外電路特性決定,靜態(tài)工作點為下面兩條曲線的交點：,例：放大電路如圖所示，正常工作時靜態(tài)工作點為Q。 (1)如工作點變?yōu)閳D(b)中的Q和Q”，試分析是出電路中哪一元件參數(shù)改變而引起的? (2)如工作點變?yōu)閳D (c)中的Q和Q”，又是電路中哪一元件參數(shù)改變而引起的?,解：(1)UCC不變RB不變，IBQ不變，RC變化，工作點的變化可見(b)。若原工作點為Q， RC減小時，移至Q，RC增加時，移至Q”。 (2) RC不變，負載線斜率不變，UCC和RB同時變化，工作點的變化如

18、圖(c)所示。若原工作點為Q，UCC增加，RB也增加，工作點可移至Q，反之， UCC下降，RB也下降工作點可移至Q”。,2.4.3 晶體管工作狀態(tài)的判斷方法,UBBUBE(on) 且UBBUCC， 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， UCE=UCC。,2.判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：,U,圖2.4.5(b) 放大狀態(tài)下的等效電路,若UBBUBE(on),則發(fā)射結(jié)正偏，下面關(guān)鍵是判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。,方法：假設(shè)法。, UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,則晶體管處于放大狀態(tài)；,則晶體管處于飽和狀態(tài)；

19、,方法1,UCEQ=UCC-ICQ(RC+RE),(c)飽和狀態(tài)下的等效電路,R,B,U,BB,R,C,U,CC,R,E,U,BE(on),U,CE(sat),ICQ=IC(sat)臨界 UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,若工作在飽和狀態(tài)下，靜態(tài)工作點的求解可近似為：,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=50，試求ui分別在0V和3V時的輸出電壓uo。,圖2.4.6,解:當(dāng)ui=0時，UBE=0，則晶體管截止。此時，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。,當(dāng)ui =3V時，晶體管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，且,例2 晶體管電路及其輸入電壓ui的波形如圖2-12

20、(a),(b)所示。已知=50，試求ui分別在0V和3V時的輸出電壓uo。,圖2.4.6,假設(shè)晶體管工作在放大區(qū)，則：,因此晶體管處于飽和狀態(tài)。,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=50，試求ui分別在0V和3V時的輸出電壓uo。,uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,則：,例2 晶體管電路如圖所示。已知=50，試求ui分別在0V和3V時的輸出電壓uo。,補充例題1電路,補充例題1、 晶體管電路如下圖所示。已知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。,1.先判斷晶體管是否處于截止?fàn)顟B(tài)：,晶體管不處于截止?fàn)顟B(tài)；,2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：,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=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)。,5V,R,B,U,BB,R,C,U,CC,500K50K,2K ,12V,1.先判斷晶體管是否處于截止?fàn)顟B(tài)：,晶