电子线路(线性部分)第二章

1、2021-12-16半导体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为参与运行，因此，还被称为双极型晶体双极型晶体管管（Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT）。）。 BJT是由两个是由两个PN结组成的。结组成的。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 三极管三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：

2、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点外，还必须满足放大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。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 1）发射区高掺杂。）发射区高掺杂。2 2）基区很薄。）基区很薄。3 3）集电结面积大。）集电结面积大。 内部载流子传输过程内部载流子传输过程 IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 IC=ICn+ICBOPNN+-

3、- +- - +V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE= IEn+IEpICIBIB= IEp+IBB - -ICBO = IEp+IEn- -ICn - -ICBO =IE - -IC+q 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多子，提高发射效率。基区：减少基区向发射区发射的多子，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，自发射结传输到集电结边界。将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。 基区很薄基区很薄：可：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大

4、部分载流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子扩散到集电结边界集电结边界。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界的载流子全部漂移到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。集电区，形成受控的集电极电流。 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 ，主要受正向发射结电压，主要受正向发射结电压VBE的控制，而与反向集的控制，而与反向集电结电压电结电压VCE近似无关。近似无关。 注意：注意：NPNNPN型管与型管与PNPPNP型管工作原理相似，但

5、由于它们形成电流的载流子性质不同，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，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。 V1NPP+PNN+V2V2V1+ + - - + + - - - + - + - + - + IEICIBIEICIBq 观察输入信号加在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电观察输入信号加在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。注意极即为组态形式。注意基极只能输入，集电极只能输出，发射极可进可出基极只能输入，集电极只能输出，发射极可进可出。 三极管的三种连接方

6、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 放大电路的组态是放大电路的组态是针对交流信号针对交流信号而言的。而言的。 共基极直流电流传输方程共基极直流电流传输方程BCEBTICIE定义：直流电流传输系数：定义：直流电流传输系数： CCBOCnEEIIIII直流电流传输方程：直流电流传输方程： CBOECIII 共发射极直流电流传输方程共发射极直流电流传输方程ECBETICIB1CBOCEO)1 (IICEOBCBOBC)11(1IIIII直流电流传输方程：直流电流传输方程：

7、其中：其中： CBEIIICBOECIIIE : 发射区发射效率B : 基区传输效率， 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（复合电流表示，受发射结电压控制的电流（复合电流IBB ，及，及I EP)对集电极正向受控对集电极正向受控电流电流ICn的控制能力。的控制能力。 若忽略若忽略ICBO, Ic=Icn 则则:BCCnECnIIIIIECBETICIB 可见，可见， 为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。EPBBCnCnECnIIIIII ICEO的物理含义：的物理含义： ICEO指指基极开路基极开路时，集电极直通到发射极的时，集电极

8、直通到发射极的电流电流 IcIc。 IB=0 即即 IC=IE IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 IE - -ICn = =ICBO 因此：因此：CBOCBOCBOCBOCnCEO)1 (IIIIIICnCnECnCBOIIIII 即：即： 可见：可见：ICEO指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极I ICBO 通过基极放大通过基极放大 倍的穿透电流。倍的穿透电流。1CEOBCIIIBCEIIIEBCEO(1)III电流传输方程小结电流传输方程小结 ：因：因 很小：很小：ECIIBCIIBE)1 (II 共集电极直流电流传输方程共集电极直流电流传输方程CEO

9、ICBOI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： 数学模型（指数模型）数学模型（指数模型） TBETBEe) 1e (SEBSEVVVVCIIIIIS指发射结反向饱和电流指发射结反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值，转化到集电极上的电流值，I IS不同于二极管的反不同于二极管的反向饱和电流。向饱和电流。I IEBS指另外一个PN结短路 Ubc=0时,发射结的反向饱和电流。EBSSII式中：式中：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)ECBEICIBI

10、B +- -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)= 0.7V锗管锗管VBE(on)= 0.25Vv 三极管参数的温度特性三极管参数的温度特性q 温度每升高温度每升高1 C， / / 增大（增大（0.50.5 1 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)()(TTTITI005. 0(TC/ )01. 0 2(BE(on)TVC/mV) 5 . 2 PNN+V1

11、V2R2R12.2.12.2.1 饱和模式饱和模式 ( E E结正偏，结正偏，C C结正偏结正偏)- - +IF FIF+ - -IR RIRIE= IF- - RIRICIC= 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。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) 0.3V锗管锗管VCE(sat) 0.1V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

12、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式时，相当于开关闭合。 2.2.22.2.2 截止模式截止模式 ( E E结反偏，结反偏，C 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直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC 0IB 0 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。伏安特性曲线是三极

13、管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。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+- - 输入特性曲线输入特性曲线VCE =0IB / AVBE /VVBE(on)0.3V10V0V(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：VCE0.3V后后( (放大区放

14、大区) )，曲线移动（，曲线移动（I Ib b变化变化) )可忽略不计。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。 输出特性曲线输出特性曲线q 饱和区饱和区（ VBE 0.7V，VCE0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点特点条件条件发射发射结正偏结正偏集电集电结反偏结反偏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 /V0VA上翘程度上翘程度取决于厄尔利电压取决于厄尔利电压V A上翘原因上翘原因基区宽度调制效应基

15、区宽度调制效应VCE 基区复合 略略 在考虑三极管基区宽度调制效应（用在考虑三极管基区宽度调制效应（用电阻rce来等效）时，电流）时，电流IC的的修正方程：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：的关系：IC0 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IB 传输效率传输效率 造成造成 。IC过大过大 IEp 发发射效率射效率 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，ICVCE0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。

16、q 截止区截止区（ VBE 0.5V， VCE 0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点：特点：条件：条件：发射发射结反偏，结反偏，集电集电结反偏。结反偏。IC 0，IB 0近似为近似为IB0 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 = 0即即IB = - -ICBO以下的区域。以下的区域。 因为因为IB 在在0 0 - -ICBO时，仍满足时，仍满足CBOBC)1 (IIIq 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

17、，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 /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBOq 三极管安全工作区三极管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允许集电极电流最大允许集电极电流ICM（若（若ICICM 造成造成 ） 反向击穿电压反向击穿电压V(BR)CEO（若（若VCEV(BR)CEO 管子击穿）管子击穿）VCE P

18、CM 烧管）烧管）PCPCM 要求要求IC ICM 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，近似用性可忽略不计，近似用一段直线一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。小信号（或微变）电路模型。 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。最常用的是的是混合混合型小信号电路模型。型小信号电路模型。 混合混合型电路模型的引出型电路模型的引出基区体电

19、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控作用的电反映三极管正向受控作用的电流源流源由基区宽度调制效应引起的输由基区宽度调制效应引起的输出电阻出电阻ibicbcerbb rb ecb ecb crb cb gmvb erce小信号电路模型符号小信号电路模型符号 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

20、型简化为：电路模型简化为：rb ercerbb bcegmvb eb ibic 小信号电路参数小信号电路参数 rbb 基区体电阻，基区体电阻，其其值较小，约几十欧，常忽略不计。值较小，约几十欧，常忽略不计。 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。CQEQQEEBBEQBEB26)1 (26)1 ()1 (IIriviiivreeb 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。 CQeEBEECQEBC5 .38Irviiivigm rce三极管输出电阻，三极管输出电阻，数值较大。数值较大。RL 0.3V放大模式放大模式若若

21、VE0.3V饱和模式饱和模式例例2 已知已知VBE(on)=0.7V ，VCE(sat)=0.3V ， =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VC。解：解：假设假设T工作在放大模式工作在放大模式 A53BBE(on)CCBQRVVImA59. 1BQCQIIV41. 4CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 100k T因为因为 VCEQ0.3V，所以所以三极管三极管工作在工作在放大模式放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 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10k ，试重新试重新 判断三极管工作状态，并计算判断三极

22、管工作状态，并计算VC。解：解：假设假设T T工作在放大模式工作在放大模式 A530BBE(on)CCBQRVVImA9 .15BQCQIIV9 . 9CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k 10k T因为因为 VCEQ0.3V，所以所以三极管三极管工作在工作在饱和模式饱和模式。mA7 . 5CCE(sat)CCCSRVVIV3 . 0CE(sat)CVV例例4 已知已知VBE(on)=0.7V ，VCE(sat)=0.3V ， =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VC。解：解：所以所以三极管三极管工作在工作在截止模式截止模式 。VCCRCRB1(

23、+6V)1k 100k TRB22k + - -VBBRBRC+ - -VCCV12. 0B2B1CCB2BBRRVRVk95. 1/21BBBBRRR VBE(on)V6CCCVV2.6.2 2.6.2 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点上的电压与电流变化量之间的关系。点上的电压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替得到的线性等效电路即小在交流通路基础上，将三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

24、电路分析信号等效电路。利用该等效电路分析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、耦合它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的旁路电容短路时对应的电路。电路。 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，耦合直流电源短路，耦合、旁路电容短路旁路电容短路) )。 用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。 利用利用小信号小信号等效电路分析交流指标。等效电路分析交流指标。 计算

25、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及动态性能指标，不能分析静态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。工作点。例例5 已知已知ICQ=1mA, =100 , vi =20sin t(mV), 试画出图示电路的交流通路及试画出图示电路的交流通路及交流等效电路交流等效电路, 并计算并计算vo。virb e ibibicRB+ - -RCRLvo+ - -viibicRBRC+ - -RL+ - -vok63. 226)1 (CQebIrvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+ - -+ - -

26、RLC1C25k )/(LCcoRRivLiRrvebLbRiV)(sin52. 1tq 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。 沿沿交流负载线交流负载线画输出电压、电流波形画输出电压、电流波形，分析性能分析性能。过过Q点点、作、作斜率为斜率为- -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，波形是否产生失真，但不适合分点设置是否合适，波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小

27、时作图精确度降低。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。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。 tvBE0QvBEiB0iCvCE0Q tiBIBQiC tICQ tvCE0- -1/R LVCEQibvi+ - -iBVBBiCVCCRBRC+- -vBE+ - -vCE+ - -+ - -RLC1C2Q点: 放大电路产生截止失真；Q点: 放大电路产生饱和失真。QiC tICQ tvCE0VCEQibQibibiCvCE0Q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可改为可改为- -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点点: : 减小减小RB ，增大增大IBQ2.7.12.7.1 电流源电流源 利用三极管放大区利用三极管放大区

29、iB恒定时恒定时iC接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛采用的接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛采用的一种单元电路一种单元电路-电流源。电流源。 iCvCE0iBVCE(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。电流源电路的输出电流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I IO O，由外电，由外电路中的直流电源提供。路中的直流电源提供。I IO O只受只受I IB B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，将其看作控制，与外电路在电流源两端呈现

30、的电压大小几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。为电流源。 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。2.7.22.7.2 放大器放大器q 放大原理放大原理+ - -iBviiCVCCRC+ - -+ - -VIQvoVIQ tvBE0IBQ tiB0 tviICQ tiC0VCEQ tvCE0 tvo0利用利用ib 对对ic的控制的控制作用实现放大。作用实现放大。晶体三极管、偏置电路、信号源、负载4部分组成 电源电源VCC提供的功率：提供的功率：q 放大实质放大实质20CCCD21tdiVPCQCCIV 三极管集电极上的功率：三极管集电极上

31、的功率：20CCEC21tdivPC2cmCQCEQ21RIIV 负载电阻负载电阻RC 上的功率：上的功率：20C2L21tdRiPCC2cmC2CQ21RIRICCQCEQCCRIVVLCDPPP+ - -iBviiCVCCRC+ - -+ - -VIQvo注意：注意： 放大器放大信号的实质：放大器放大信号的实质：是利用三极管的正向受控作用，将电源是利用三极管的正向受控作用，将电源VCC提供的提供的直流功率，部分地转换为输出交流信号功率。直流功率，部分地转换为输出交流信号功率。 电源电源VCC 不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同时还不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同时还是整个是整个电路的能源。电路的能源。 电源电源提供的功率提供的功率PD 除了转换成负载上有用的输出功率除了转换成负载上有用的输出功率PL 外，其余均消耗在晶外，其余均消耗在晶体三极管上（体三极管上（ PC ）。 三极管仅是一个换能器。三极管仅是一个换能器。2.7.3 跨导线性电路跨导线性电路利用工作在放大模式下三极管呈现指数律伏安特性，将偶数个三极管的发射结接成闭合电路，其中一半按顺时针方向，另一半按逆时