第7章 晶体管及其放大电路

1、第第7章章 晶体管及其放大电路晶体管及其放大电路 7.1 晶体管 7.2 放大电路的直流偏置7.3 共射极放大电路7.4 共集电极和共基极放大电路 7.5 组合放大电路 7.6 放大电路的频率响应7.1 晶体管晶体管7.1.5 温度对晶体管特性和参数的影响7.1.1 晶体管的结构7.1.2 晶体管的工作原理7.1.3 晶体管的伏安特性7.1.4 晶体管的主要参数7.1.1 晶体管的结构晶体管的结构 发射结 集电结 发射区 N P N 基区 集电区 c 集电极 e 发射极 b 基极 b （a）内部结构 （b）结构示意图 （c）电路符号 集电区 发射区 基区 c e 1、NPN型晶体管的结构和电路

2、符号 发射结正向电流的方向 发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区面积很大，掺杂浓度远低于发射区。 2、PNP型晶体管的结构和电路符号 3、常见晶体管的封装 发射结 集电结 发射区 N P P 基区 集电区 c 集电极 e 发射极 b 基极 （a）结构示意图 （b）电路符号 b c e 发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区面积很大，掺杂浓度远低于发射区。 发射结正向电流的方向 end7.1.2 晶体管的工作原理 内部条件：发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区面积很大，掺杂浓度远低于发射区。 外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。1.载流子的传输过程 （

3、1）发射区向基区注入载流子 发射结正向偏置，发射区的电子源源不断地注入基区，基区的空穴也要注入发射区，二者共同形成发射极电流IE。 ENEPENEIIII 基区掺杂浓度比发射区小23个数量级，基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计 c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE （2）载流子在基区中的扩散与复合 电子不断地向集电结方向扩散，扩散过程中少量电子与空穴复合，形成基极电流的一部分IBN。 由于基区宽度很窄，且掺杂浓度很低，从而大大地减小了电子与空穴复合的机会，使注入基区的95以上的电子都能到达

4、集电结，它们将形成集电极电流的一部分ICN。 CNBNENIII c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE 集电结两边的少数载流子漂移形成反向饱和电流，记为ICBO。通常，ICBOICN。CNCBOCNCIIIICBOBNCBOEPBNBIIIIII 显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称晶体管。 由基尔霍夫电流定律: CBEIIIc e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN

5、 ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE （3）集电区收集载流子 集电结外加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的电子，受电场的作用，漂移越过集电结形成集电极电流的一部分ICN。 2.电流控制作用 定义ICN与IE之比为晶体管的共基极直流电流放大系数。 ECNIICBOEII %95CBEIIICBOCBCBOECIIIIII)(CBOBCIII111令1为共射极直流电流放大系数 CBOCNCIII值越大，发射极电流对集电极电流的控制能力越强。 CEOBCBOBCIIIII)1 (CBOCEOII)1 (EEECIIII 共基极交流放大系数共基极交流放大系数近似等于近似

6、等于共基极直流电流放大系数。共基极直流电流放大系数。 定义集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB之比为共射极交流放大系数constvBCCEIIBBBCIIII 共射极交流放大系数共射极交流放大系数近似近似等于共基极直流电流放大系数。等于共基极直流电流放大系数。 定义集电极电流变化量IC与射极电流变化量IE之比为共基极交流放大系数 constvECCEIICBOECIIICEOBCIIIend 晶体管的特性曲线是指各电极间的电压与电极电流之间的关系曲线，它是晶体管内部载流子运动的外部表现。 7.1.3 7.1.3 晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 输入特性曲线：constvBEBCEvfi)

7、(输出特性曲线：以射极为公共端定义的特性曲线称为共射极特性曲线。constiCECBvfi)( 特性曲线用于对晶体管的性能、参数和晶体管电路的分析估算。 1.输入特性曲线 当vCE=0时，发射结和集电结并联。输入特性曲线是PN结的正向特性曲线正向特性曲线。 当vCE增加，基区宽度变窄。(基区宽度调制效应明显基区宽度调制效应明显）。 在vCE1V以后，基区宽度基本不变。特性曲线重合。 constvBEBCEvfi)(在相同的vBE时，iB减小，特性曲线右移。 小功率硅管的门坎电压vth约为0.5V，锗管约为0.1V。 小功率硅管的导通压降Von约为0.60.8V，一般取0.7V；小功率锗管约为0

8、.20.3V，一般取0.2V。 1.输入特性曲线constvBEBCEvfi)(2.输出特性曲线constiCECBvfi)(AiB20设 当0vCE1时，集电结由正向偏置逐渐变为反向偏置，其结宽变化大。 在vCE1V以后，基区宽度基本不变。CEOBCIIIvCE对基区宽度调制效应明显，iC逐渐随vCE增大。 2.输出特性曲线 在输出特性曲线上可划分为三个工作区：放大区、饱和区和截止区。(1)放大区（Active region） constiCECBvfi)(放大区的特点： 发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏； iCiB+ICEO，体现了晶体管的放大作用（电流控制作用），曲线的间隔越

9、大，值越大；iC 随vCE增加很小，呈恒流特恒流特性性。 (2)饱和区（Saturation region） 饱和区内的vCE称为饱和压降，小功率硅管的饱和压降典型值为0.3V，锗管为0.1V。 特点：特点：发射结和集电结均为正偏置发射结和集电结均为正偏置；iC不受iB控制，而近似随vCE线性增长。由于vCE小、而iC大，故ce（集电极和发射极）之间等效为开关的导通，或等效为一个小电阻，称为导通电阻导通电阻。 2.输出特性曲线constiCECBvfi)(3)截止区(Cutoff region) 特点：发射结和集电结都是反向偏置发射结和集电结都是反向偏置；iC=ICEO0，故ce之间等效为开关

10、的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻截止电阻。 2.输出特性曲线constiCECBvfi)(PNP型晶体管的特性： 由于发射结应该正向偏置，集电结应该反向偏置，所以，实际的电流和电压方向与参考方向相反与参考方向相反，故在特性曲线的坐标变量增加坐标变量增加负号负号。 end7.1.4 晶体管的主要参数1.电流放大系数电流放大系数（Current amplification factor） 2.极间反向电流极间反向电流 极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。 （1）集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。 （2）穿透电流ICEO：基

11、极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，ICEO=(1+)ICBO。 电流放大系数是表征晶体管放大能力的参数。 共发射极直流电流放大系数共发射极交流电流放大系数共基极直流电流放大系数共基极交流电流放大系数 3.极限参数极限参数（1）集电极最大允许电流ICM ICM是指当下降到正常值的2/3时所对应的IC值。当IC超过ICM时，晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。（2）反向击穿电压（Reverse breakdown voltage） 发射结反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时，发射极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。 集电结反向击穿电压V(BR)CBO：发射

12、极开路时，集电极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。 集电极与发射极之间的反向击穿电压V(BR)CEO：在输出特性曲线中，iB0的曲线开始急剧上翘所对应的电压。（3）集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管消耗的功率使PN结的温度上升（电流的热效应）。当超过允许的结温时，就会引起PN结热击穿，损坏晶体管。 CMCECBEBCECCPviviviP 根据极限参数，可在输出特性上绘出晶体管的安全工作区。 end7.1.5 温度对晶体管的特性与参数的影响温度对晶体管的特性与参数的影响 （1) 温度对ICBO的影响 ICBO是少数载流子形成的集电结反向饱和电流，受温度影响很大。

13、温度每升高，ICBO增加一倍。反之，温度降低时ICBO减小。穿透电流ICEO随温度变化的规律与ICBO 类似。CBOCEOII)1 (（2) 温度对的影响 温度升高时，晶体管内部载流子的扩散能力增强，使基区内载流子的复合概率减小，因而温度升高时放大倍数随之增大。温度每升高1oC，增加约(0.51)%。（4） 温度对输出特性的影响（5）温度对反向击穿电压的影响 温度升高时，晶体管的ICBO、ICEO、都将增大，导致晶体管的输出特性曲线向上移。温度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大（集电结雪崩击穿集电结雪崩击穿）。（3）温度对输入特性的影响 温度升高时，对于同样的基极电流，晶体管所需的

14、|vBE| 减小。 end7.2.1 基本偏置电路和静态工作点分析方法7.2.2 电流串联负反馈偏置电路7.2.3 电压并联负反馈偏置电路7.2 放大电路的直流偏置放大电路的直流偏置放大电路直流偏置的作用：放大电路直流偏置的作用： 将晶体管偏置在放大状态，即发射结正偏，集电结反将晶体管偏置在放大状态，即发射结正偏，集电结反偏。并且静态工作稳定。偏。并且静态工作稳定。 7.2.1 基本偏置电路和静态工作点分析方法基本偏置电路和静态工作点分析方法1基本偏置电路基本偏置电路 晶体管T的直流电压和电流在其特性曲线上组成静态工作点静态工作点，分别是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。+ R

15、b Rc T VBE + VCE IB IC +VCC（12V） + Rb Rc T VBE + VCE IB IC -VCC（-12V） （a）NPN 管 (b)PNP 管 由于只有直流电源作用，电路元件的电压和电流都是直流量，不随时间变化，称为静态静态。 发射结正偏：电源、基极电阻、发射结正偏：电源、基极电阻、be电极。电极。集电结反偏：电源、集电极电阻、集电结反偏：电源、集电极电阻、ce电极。电极。NPN管作用正电源，PNP管作用负电源。2晶体管的分段线性模型晶体管的分段线性模型输入特性用垂线逼近，采用恒压降模型。输出特性用水平线逼近，采用受控电流模型。在放大区，理想二极管可以省去。3

16、3静态工作点的计算静态工作点的计算bBECCBonBERVVIVV 例 已知：三极管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb=400k，Rc=4k。解：VVVonBE7 . 0CcCCCEBCIRVVIIAkVRVVIbBECCB5 .284007 . 012mAmAIIBC41. 10285. 050VmAkVIRVVCcCCCE35. 6)(41. 14124基本偏置电路的缺点基本偏置电路的缺点CBECEOCBOIvIIT)/( 稳定静态工作点的基本方法之一是在直流在直流偏置电路中引入直流负反馈，偏置电路中引入直流负反馈，使集电极直流电流IC和集射直流电压VCE随温度的变化很小，稳定静态工作

17、点Q（VCE，IC）。 反馈方式主要是电流串联负反馈和电压并联负反馈。基本偏置电路的静态工作点受环境温度T的影响很大。bBECCBonBERVVIVVCcCCCEBCIRVVIIend7.2.2 电流串联负反馈偏置电路电流串联负反馈偏置电路 射极电阻Re引入电流串联负反馈，所以简称为射极偏置电路。 当IB fL，故通频带宽BW为CRgCCACCCCRRRrrRCRfffBWLmvHLH)1 ()1 ()/(/21sb2b1bbe bBWCRgARgLmvsMLmisibeebLmvsMRRRrrRgA常数增益带宽积beisebivsMrRRRrRBWA)(2 例 已知VCC=12V，Rs=1K

18、，Rb1=100 K，Rb2=16 K，Re=1K，Rc= RL =5K；晶体管是硅管，rbb=100，0100，fT=400MHz，Cob=0.5pF，C1=20uF，C2=1uF，Ce=50uF，试计算该电路的中频电压增益及上限频率和下限频率。解：（1）静态分析 VVRRRVCCbbbB7 . 1121610016212VVVVBEBE17 . 07 . 1mARVIIeEEC111VRRIVRIRIVVecCCCeEcCCCCE6) 15(112)(（2）求解混合模型中的参数 kmAmVIVrETeb63. 2126)1001 ()1 (0mSSmVmAVIgTEm38038. 0261

19、MHzMHzffT11004000pFkCfrCfrCob55510163. 2 210 21 21612ebeb95)5/5(038. 0)/(kkRRgVVALcmebcevpFCACCCCv1035 . 0)951 (55)1 (pFCCob5 . 0)( 21ebCCrf（3）求解中频电压增益krrrebbbbe73. 22626100kkkkrRRRbebbi28. 273. 2/16/100/21kkkRRRLcL5 . 25/5/得中频源电压增益： 6428. 2128. 27 . 263. 25 . 238kkkkkkmSRRRrrRgAisibeebLmvsM（4）求解fH和

20、fLkRRRrrR74. 0/1k100k/16k/02.63k/10)/(/sb2b1bbe bMHzHzkCRfH1 . 21010374. 0212112HzkkRRCCCCfbeseeL4 .88)73. 21 (10501020)1001 (1050102021)()1 (216666111HzkkRRCfLcL9 .15)55(10121)(21622HzffLL4 .881end7.6.4 共集电极放大电路的频率响应共集电极放大电路的频率响应由于受密勒效应的影响，共射极放大电路的通频带宽较窄。 为了增加带宽，就必须减小或消除密勒效应。 共集电极放大电路和共基极放大电路能满足这样的

21、要求。 由于通频带宽主要取决于上限频率，所以在共集电极放大电路和共基极放大电路的频率分析中，只介绍高频响应。 共集放大电路 共集放大电路的高频小信号等效电路 LeLRRR/C只接在输入回路中，所以不会产生密勒效应。 电阻和电容是跨接在输入端和输出端之间的，因而会产生密勒效应。 但是，因为共集电极放大电路的电压增益近似为1，即密勒效应很小。 因此，共集电极放大电路的高频响应特性也较好，上限截止频率高。 共集放大电路的高频小信号等效电路 LeLRRR/ 基极偏置电阻Rb远大于放大电路的输入电阻Ri，忽略基极偏置电阻Rb的分流作用，则ebebLebLebmLLebmebebeboVrCRrjRrgR

22、RVgVCjVrV)()1()(1oebebebebbVVCjVCjVrIebebebLLebmLebbbsebbbsebeboebbbsebbbseboebbbbssVrCrRjRrgRrCrRjVrRrCrjVVCrRjVrRCjrVVIrRV)(1 )(1)()(1 )(1()()(中频增益其中)1 ()1 (:LebmebbbsLebmvsMRrgrrRRrgA1)(2)1 (1上限频率CrRrRRrgrrRfebLbbsLebmebbbsH2)1 ()(2)1 (2上限频率CRrgrrRRrgrrRfLebmebbbsLebmebbbsH 21零点频率Crrgfebebmz)1)(1

23、 (121HHvsMvsHffjffjffjAAzLcLRRR/ 例 已知VCC =12V，Rb=300k，Re =RL=2k，Rs=1k；晶体管是硅管，rbb=100，0100，fT=400MHz，Cob=0.5pF，C1=20uF，C2=1uF，Ce=50uF，试计算该电路的中频电压增益和上限频率。解：（1）静态分析VIRVVmAIIAkkRRVVIVVVEeCCCEBEebBECCBonBE0 . 75 . 22125 . 227)1201 ()1 (212)1201 (3007 . 012)1 (7 . 0（2）求解混合模型中的参数 kmAmVIVrETeb15 . 226)1001

24、()1 (0mSSmVmAVIgTEm96096. 0265 . 2MHzMHzffT11004000pFkCfrCfrCob55510163. 2 210 21 21612ebebpFCCob5 . 0（3）求解中频电压增益kkkrrrebbbbe1 . 111 . 0kkkRRRLeL12/2/98. 01)1961 (1 . 111)1961 ()1 ()1 (kkmSkkkkmSRrgrrRRrgALebmebbbsLebmvsM（4）计算上限频率和零点频率 MHzpFkkkkkkmSkkCrRrRRrgrrRfebLbbsLebmebbbsH137551)11 . 01 (14. 3

25、21)1961 (1 . 11)(2)1 (1MHzpFkkmSkkkkkmSkkCRrgrrRRrgrrRfLebmebbbsLebmebbbsH2935 . 01)1961 (1 )1 . 01 (14. 321)1961 (1 . 11)1)(2)1 (2MHzpFkkmSCrrgfebebmz28155114. 3219612)1 (MHzffHH1371 对比例7.7可知，虽然晶体管参数相同，但共集电极放大电路的高频响应比共射极放大电路（上限频率为2.1MHz）好得多。end7.6.5 共基极放大电路的频率响应共基极放大电路的频率响应高频小信号等效电路 0bbbrICC集电结电容发射结电容均不存在密勒效应。 高