第2章 晶体三极管

1、1第第 2 章晶体三极管章晶体三极管2.1放大模式下晶体三极管的工作原理放大模式下晶体三极管的工作原理2.2晶体三极管的其他工作模式晶体三极管的其他工作模式2.3埃伯尔斯埃伯尔斯莫尔模型莫尔模型2.4晶体三极管伏安特性曲线晶体三极管伏安特性曲线2.5晶体三极管小信号电路模型晶体三极管小信号电路模型2.6晶体三极管电路分析方法晶体三极管电路分析方法2.7晶体三极管的应用原理晶体三极管的应用原理2概概 述述 三极管结构及电路符号三极管结构及电路符号发射极发射极 E基极基极 BPNN+集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPP+集电极集电极 CBCEBCE发射结发射结集电结集电结3 三极管三

2、种工作模式三极管三种工作模式发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结反反偏。偏。放大模式：放大模式：发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结正正偏。偏。饱和模式：饱和模式：发射结发射结反反偏，集电结偏，集电结反反偏。偏。截止模式：截止模式：注意：注意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。 三极管内部结构特点三极管内部结构特点1) )发射区高掺杂。发射区高掺杂。2) )基区很薄。基区很薄。3) )集电结面积大。集电结面积大。42.1放大模式下三极管工作原理放大模式下三极管工作原

3、理2.1.1内部载流子传输过程内部载流子传输过程 PNN+- - +- - +V1V2R2R1IEnIEpIBnICnICBOIEIE= IEn+ IEpICIC= ICn+ ICBOIBIB = IEp + IBn - - ICBO = IEp+ (IEn- - ICn) - -ICBO = IE - - IC5q 发射结正偏：发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。保证发射区向基区发射多子。 发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度 基区：减少基区向发射区发射的基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。多子，提高发射效率。q 基区的作用：基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结传输将发射到基区的多

4、子，自发射结传输到集电结边界。到集电结边界。 基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。q 集电结反偏、且集电结面积大：集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。6 三极管特性三极管特性具有正向受控作用具有正向受控作用即三极管输出的集电极电流即三极管输出的集电极电流 IC ，主要受正向发射结，主要受正向发射结电压电压 VBE 的控制，而与反向集电结电

5、压的控制，而与反向集电结电压 VCE 近似无关。近似无关。 注意：注意：NPN 型管与型管与 PNP 型管工作原理相似，但由于它们型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。方向相反，加在各极上的电压极性相反。 V1NPP+PNN+V2V2V1+ + - - + + - - - + - + - + - + IEICIBIEICIB7q 观察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从观察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从哪哪个电个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。极取出，此外的另一个电极即为

6、组态形式。 2.1.2电流传输方程电流传输方程 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式三种组态三种组态BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB( (共发射极共发射极) )( (共基极共基极) )( (共集电极共集电极) )q 放大电路的组态是针对交流信号而言的。放大电路的组态是针对交流信号而言的。8 共基极直流电流传输方程共基极直流电流传输方程BCEBTICIE共基极直流电流传输系数：共基极直流电流传输系数： ECECBOCECnIIIIIII直流电流传输方程：直流电流传输方程： CECBOEIIII 共发射极直流电流传输方程共发射极直流电流传输方程ECBETICIB 1CBO

7、CEO)1(II CBCEOBIIII直流电流传输方程：直流电流传输方程： 其中：其中： CBEIII CBOECIII 9 的物理含义：的物理含义： ECnECn/1/1IIII 表示，受发射结电压控制的电流表示，受发射结电压控制的电流 IBn +ICBO，对集电极，对集电极正向受控电流正向受控电流 ICn =（IC-ICBO）的控制能力。）的控制能力。 若忽略若忽略 ICBO，则：，则：BCCnECnIIIII ECBETICIB 可见，可见， 为共发射极直流电流放大系数。为共发射极直流电流放大系数。CnCECnBCBOCBOIIIIIII10 ICEO 的物理含义：的物理含义： ICEO

8、 指基极开路时，由集指基极开路时，由集电极直通到发射极的电流。电极直通到发射极的电流。 IB = 0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB= 0 IEp+ (IEn ICn) = IE ICn = ICBO 因此因此CBOCBOCBOCBOCnCEO)1(IIIIII CBOCnCnECn IIIII 即即11三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式： 2.1.3放大模式下三极管的模型放大模式下三极管的模型 数学模型数学模型( (指数模型指数模型) ) TBETBEe)1e (SEBSEVVVVCIIII IS 指发射结反向饱和

9、电流指发射结反向饱和电流 IEBS 转化到集电极上的电流转化到集电极上的电流值，它不同于二极管的反向饱和电流值，它不同于二极管的反向饱和电流 IS。EBSSII 式中式中12 放大模式直流简化电路模型放大模式直流简化电路模型电路模型电路模型VBE+- -ECBEICIBIB ECBETICIB共发射极共发射极直流简化电路模型直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB +- -VBE(on) 为发射结导通电压，工程上一般取：为发射结导通电压，工程上一般取：硅管硅管 VBE(on)= 0.7 V锗管锗管 VBE(on)= 0.25 V13v 三极管参数的温度特性三极管参数的温度特性q 温度

10、每升高温度每升高 1 C， / 增大增大(0.5 1)%，即，即q 温度每升高温度每升高 1 C ，VBE(on) 减小减小 (2 2.5) mV，即，即q 温度每升高温度每升高 10 C ，ICBO 增大一倍，即增大一倍，即101CBO2CBO122)()(TTTITI C/ )01. 0005. 0( T CmV/ )5 . 22(BE(on) TV14PNN+V1V2R2R12.2晶体三极管的其他工作模式晶体三极管的其他工作模式2.2.1饱和模式饱和模式( (E 结正偏，结正偏，C 结正偏结正偏) )- - +IF FIF+ - -IR RIRIE = IF - - RIRICIC =

11、FIF - - IRIE 结论：结论：三极管失去正向受控作用。三极管失去正向受控作用。15 饱和模式直流简化电路模型饱和模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极共发射极通常，饱和压降通常，饱和压降 VCE(sat) 硅管硅管 VCE(sat) 0.3 V锗管锗管 VCE(sat) 0.1 V电路模型电路模型VBE+- -ECBEICIB+- -VCE(sat)直流简化电路模型直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIB+- -+- -VCE(sat)若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。即三极管工作于饱和模

12、式时，相当于开关闭合。 162.2.2截止模式截止模式( (E 结反偏，结反偏，C 结反偏结反偏) ) 若忽略反向饱和电流，三极管若忽略反向饱和电流，三极管 IB 0，IC 0。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。 ECBETICIB共发射极共发射极电路模型电路模型VBE+- -ECBEICIB 截止模式直流简化电路模型截止模式直流简化电路模型直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC 0IB 0172.3埃伯尔斯埃伯尔斯莫尔模型莫尔模型埃伯尔斯埃伯尔斯莫尔模型是三极管通用模型，它适用莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。于任何工作模

13、式。IE = IF- - RIRIC = FIF - - IR其中其中ECBIEIF RIRIC FIFIRIB )1e ()1e (TBCTBECBSREBSFVVVVIIII182.4晶体三极管伏安特性曲线晶体三极管伏安特性曲线伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。于任何工作模式。IB= f1E ( VBE )VCE = 常数常数IC= f2E ( VCE )IB = 常数常数共发射极共发射极输入特性：输入特性：输出特性：输出特性：+- -TVCEIBVBEIC+- -19 输入特性曲线输入特性曲线VCE = 0IB / AVB

14、E /VVBE(on)0.3V10 VOV(BR)BEOIEBO + ICBOq VCE 一定：一定：类似二极管伏安特性。类似二极管伏安特性。q VCE 增加：增加：正向特性曲线略右移。正向特性曲线略右移。由于由于 VCE = VCB + VBEWB WBEBC基区宽度调制效应基区宽度调制效应注：注：VCE 0.3 V 后，曲线移动可忽略不计。后，曲线移动可忽略不计。因此当因此当 VBE 一定时：一定时：VCEVCB 复合机会复合机会 IB 曲线右移。曲线右移。20 输出特性曲线输出特性曲线q 饱和区饱和区( (VBE 0.7 V，VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 4

15、0 A30 A20 A10 A0特点特点条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏VCE曲线略上翘曲线略上翘具有正向受控作用具有正向受控作用满足满足 IC = IB + ICEO说明说明IC /mAVCE /VOVA上翘程度上翘程度取决于厄尔利电压取决于厄尔利电压 VA上翘原因上翘原因基区宽度调制效应基区宽度调制效应 VCE IC略略 )22在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流 IC 的修正方程的修正方程)1(eACESCTBEVVIIVV 基宽基宽 WB 越小越小调制效应对调制效应对 IC 影响越大影响越大则则 VA 越小越小。 与与 IC 的关系：

16、的关系：ICO 在在 IC 一定范围内一定范围内 近似为常数。近似为常数。IC 过小过小使使 IB 造成造成 。IC 过大过大发射效率发射效率 造成造成 。考虑上述因素，考虑上述因素，IB 等量增加时，等量增加时，ICVCEO输出曲线不再等间隔平行上移。输出曲线不再等间隔平行上移。23q 截止区截止区( (VBE 0.7 V， VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特点：特点：条件：条件：发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为近似为 IB 0 以下区域以下区域 严格说，截止区应是严格说，截止区应是 IE

17、= 0 即即 IB = ICBO 以下的区域。以下的区域。 因为因为 IB 在在 0 ICBO 时，仍满足时，仍满足CBOBC)1(III 24q 击穿区击穿区特点：特点：VCE 增大到一定值时，集电结反向击穿，增大到一定值时，集电结反向击穿，IC 急剧增大。急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随集电结反向击穿电压，随 IB 的增大而减小。的增大而减小。注意：注意：IB = 0 时，击穿电压为时，击穿电压为 V(BR)CEOIE = 0 时，击穿电压为时，击穿电压为 V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A

18、0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBO25q 三极管安全工作区三极管安全工作区ICVCEOV(BR)CEOICMPCM 最大允许集电极电流最大允许集电极电流 ICM( (若若 IC ICM 造成造成 ) ) 反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CEO( (若若 VCE V(BR)CEO 管子击穿管子击穿) )VCE PCM 烧管烧管) )PC PCM 要求要求IC ICM 26放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一

19、线性化的电路模型，即小信直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号号( (或微变或微变) )电路模型。电路模型。2.5晶体三极管小信号电路模型晶体三极管小信号电路模型三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是形成多种电路模型。最常用的是混合混合 型小信号电路型小信号电路模型。模型。27 混合混合型电路模型的引出型电路模型的引出基区体电阻基区体电阻发射结电阻与电容发射结电阻与电容集电结电阻与电容集电结电阻与电容反映三极管正向受反映三极管正向受控作用的电流源控作用的电流源由基区宽度调制效由基区宽度调制效应引起的输出电阻应引

20、起的输出电阻ibicbcerbb rb ecb ecb crb cb gmvb erce28 混合混合 型小信号电路模型型小信号电路模型 若忽略若忽略 rb c 影响，整理即可得出混影响，整理即可得出混 电路模型。电路模型。rb ercecb ccb erbb bcegmvb eb ibic电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混 电路模型简化为：电路模型简化为：rb ercerbb bcegmvb eb ibic29 小信号电路参数小信号电路参数 rbb 基区体电阻，其基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。值较小，约几十欧，常忽略不计。

21、rb e 三极管输入电阻三极管输入电阻，约千欧数量级。约千欧数量级。CQeEEBBEBEBeb26)1()1(IriviiivrQQ 跨导跨导 gm 表示三极管具有正向受控作用的增量电导。表示三极管具有正向受控作用的增量电导。 CQeEBEECQEBCm5 .38Irviiivig rce 三极管输出电阻，数值较大。三极管输出电阻，数值较大。RL 0.3 V放大模式放大模式若若 VE 0.3 V，所以三极管工作在，所以三极管工作在放大模式放大模式 。VC = VCEQ = 4.41 V 37例例 3 若将上例电路若将上例电路中的中的电阻电阻 RB 改为改为 10 k ，试重新试重新 判断三极管

22、工作状态，并计算判断三极管工作状态，并计算 VC。解：解： 假设假设 T 工作在放大模式工作在放大模式 A 530BBE(on)CCBQ RVVImA 9 .15BQCQ II V 9 . 9CCQCCCEQ RIVVVCCRCRB(+6V)1 k 10 k T因为因为 VCEQ 0.3 V，所以三极管工作在，所以三极管工作在饱和模式。饱和模式。mA 7 . 5CCE(sat)CCCS RVVIV 3 . 0CE(sat)C VV38例例 4 已知已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 30 ，试，试判断三极管工作状态，并计算判断三极管工作状态，并计算

23、VC。解：解：所以三极管工作在所以三极管工作在截止模式，截止模式，VCCRCRB1(+6V)1 k 100 k TRB22 k + - -VBBRBRC+ - -VCCV 12. 0B2B1CCB2BB RRVRV k 95. 1/2B1BBBRRR VBE(on)。V 6CCC VV392.6.2交流分析法交流分析法q 小信号等效电路法小信号等效电路法( (微变等效电路法微变等效电路法) )分析电路加交流输入信号后，叠加在分析电路加交流输入信号后，叠加在 Q 点上的电压点上的电压与电流变化量之间的关系。与电流变化量之间的关系。在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代在交流通路基础上，将三

24、极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效电路分析电路分析 Av 、Ri 、Ro 的方法即小信号等效电路法。的方法即小信号等效电路法。交流通路：交流通路：即交流信号流通的路径。即交流信号流通的路径。它是将直流电源短路、耦它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的电路。合、旁路电容短路时对应的电路。 40小信号等效电路法分析步骤：小信号等效电路法分析步骤： 画交流通路画交流通路( (直流电源短路，耦合、旁路电容短路直流电源短路，耦合、旁路电容短路) )。 用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型

25、代替三极管，得小信号等效电路。 利用小信号等效电路分析交流指标。利用小信号等效电路分析交流指标。 计算微变参数计算微变参数 gm、rb e。 注意：注意：小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标，不能分析静态工作点。及动态性能指标，不能分析静态工作点。41例例 5 已知已知 ICQ= 1 mA， = 100 , vi = 20sin t (mV)，试画试画 出图示电路的交流通路及交流等效电路出图示电路的交流通路及交流等效电路, 并计算并计算 vo 。virb e ibibicRB+ - -RCRLvo+ - -viibicRBRC+ -

26、 -RL+ - -vo k 63. 226)1(CQebIr vi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+ - -+ - -RLC1C25 k )/(LCcoRRiv LebiRrv LbRi V)( sin52. 1t 42q 图解法图解法 确定静态工作点确定静态工作点( (方法同前方法同前) )。 画交流负载线。画交流负载线。 画波形，分析性能。画波形，分析性能。过过 Q 点、作斜率为点、作斜率为 1/R L 的直线即交流负载线。的直线即交流负载线。其中其中 R L= RC / RL 。分析步骤：分析步骤：图解法直观、实用，容易看出图解法直观、实用，容易看出 Q 点设置是否合适，点设置是否

27、合适，波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。43例例 6 输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。 tvBEOQvBEiBOiCvCEOQ tiBIBQiC tICQ tvCEO- -1/R LVCEQibvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+- -vBE+ - -vCE+ - -+ - -RLC1C244Q 点位置与波形失真：点位置与波形失真：Q 点过点过低低，vO 负负半周易半周易截止截止失真失真。 PN

28、P 管管 Q 点过点过高高，vO 正正半周易半周易饱和饱和失真失真。 Q 点过点过低低，vO 正正半周易半周易截止截止失真失真。 NPN 管管 Q 点过点过高高，vO 负负半周易半周易饱和饱和失真失真。 由于由于 PNP 管电压极性与管电压极性与 NPN 管相反，故横轴管相反，故横轴 vCE 可可改为改为 vCE。 消除饱和失真消除饱和失真降低降低 Q 点点： 增大增大 RB ，减小减小 IBQ减小减小 RC：负载线变徒：负载线变徒, , 输出动态范围增加。输出动态范围增加。消除截止失真消除截止失真 升高升高 Q 点：减小点：减小 RB ，增大增大 IBQ452.7晶体三极管应用原理晶体三极管

29、应用原理2.7.1电流源电流源利用三极管放大区利用三极管放大区 iB 恒定时恒定时 iC 接近恒流的特性，可构接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛采用的一种单元电路成集成电路中广泛采用的一种单元电路电流源。电流源。 iCvCEOiBVCE(sat)QiCR+ - -VQ+ viB 恒值恒值外电路外电路( (负载电路负载电路) )该电流源不是普通意义上的电流源，因它本身不提供能量。该电流源不是普通意义上的电流源，因它本身不提供能量。电流源电路的输出电流电流源电路的输出电流 IO，由外电路中的直流电源提供。，由外电路中的直流电源提供。IO 只受只受 IB 控制，与外电路在电流源两端呈现的电压大小几

30、控制，与外电路在电流源两端呈现的电压大小几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。 46放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。2.7.2放大器放大器q 放大原理放大原理+ - -iBviiCVCCRC+ - -+ - -VIQvoVIQ tvBEOIBQ tiBO tviICQ tiCOVCEQ tvCEO tvoO利用利用 ib 对对 ic 的控的控制作用实现放大制作用实现放大。47 电源电源 VCC 提供的功率：提供的功率：q 放大实质放大实质 20CCCDd21tiVP CQCCIV 三极管集电极上的功率：三极管集电极上的功率： 20CCECd21tiVP C2cmCQCEQ21RIIV 负载电阻负载电阻 RC 上的功率：上的功率： 2