第二章双极型晶体管及其放大电路-(1)

1、模 拟 电 子 技 术第第2章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路vBipolar Junction Transistor 缩写 BJT简称晶体管晶体管或三极管三极管v双极型双极型 器件两种载流子两种载流子（多子、少子多子、少子）模 拟 电 子 技 术ecb发射极发射极基极基极集电极集电极发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区N+PNcbeNPN(a) NPN管的原理结构示意图管的原理结构示意图(b) NPN的电路符号的电路符号base collector emitter2.1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理一、结构一、结构模 拟 电 子 技 术

2、ecb基区基区发射区发射区集电区集电区P+NPPNPcbe(a) PNP管的结构示意图管的结构示意图(b) PNP的电路符号的电路符号发射结发射结集电结集电结发射极发射极基极基极集电极集电极模 拟 电 子 技 术v三个电极三个电极 发射极，基极，集电极发射极，基极，集电极管子符号的管子符号的箭头方向箭头方向是指发射结正偏时的电流方向是指发射结正偏时的电流方向v三个区三个区 发射区，基区，集电区发射区，基区，集电区v两个两个PNPN结结发射结，集电结发射结，集电结模 拟 电 子 技 术晶体管处于放大状态的工作条件晶体管处于放大状态的工作条件内部条件（内部结构特点）内部条件（内部结构特点）发射区重

3、掺杂发射区重掺杂基区很薄基区很薄(几个几个 m)集电结面积大集电结面积大外部条件外部条件 发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏模 拟 电 子 技 术e区区c区区b区区e结结C结结ecbNNPVBBVCCRbRcVBEVCBVCE例：共发射极接法例：共发射极接法三极管在工作时要三极管在工作时要加上适当的直流偏加上适当的直流偏置电压。置电压。集电结反偏集电结反偏：由由VBB保证保证由由VCC、 VBB保证保证VCB=VCE - VBE 0发射结正偏发射结正偏：onBEUu即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，必须连接成如下形式：必须连接

4、成如下形式：模 拟 电 子 技 术 UC UEUB PNP管管 UC UB UE UC UEUB放大状态下的偏置要求放大状态下的偏置要求NPN管管 UC UB UE模 拟 电 子 技 术VCCeCecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法例：共发射极接法IENIEP（1 1）发射区向基区注入）发射区向基区注入电子，从而形成发电子，从而形成发射极电流射极电流I IE E。2.1.2 晶体管的工作原理晶体管的工作原理1. 放大状态下晶体管中载流子的运动放大状态下晶体管中载流子的运动三极管内部载流子运动分为三个过程：（以三极管内部载流子运动分为三个过程：（以NPN为例）为例）模 拟 电 子 技 术（

5、1 1）发射区向基区注入）发射区向基区注入电子，从而形成发电子，从而形成发射极电流射极电流I IE E。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法例：共发射极接法IE=IEN+IEPIEN三极管内部载流子运动分为三个过程：三极管内部载流子运动分为三个过程：模 拟 电 子 技 术（1 1）发射区向基区注入电子，从）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流而形成发射极电流I IE E。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法例：共发射极接法IE（2 2）在基区中）在基区中多数电子继续向多数电子继续向集电结扩散；集电结扩散；少数电子与基区少数电子与基区空穴相复合，形成空穴相复合

6、，形成I IB B电流。电流。IB复合IBEIBE三极管内部载流子运动分为三个过程：三极管内部载流子运动分为三个过程：模 拟 电 子 技 术（1 1）发射区向基区注入电子，从）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流而形成发射极电流I IE E。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法例：共发射极接法IE（2 2）在基区中）在基区中电子继续向集电结扩散；电子继续向集电结扩散；少数电子与基区空穴相复少数电子与基区空穴相复合，形成合，形成I IB B电流。电流。IB（3 3）集电区收集大部）集电区收集大部分的电子，形成分的电子，形成I IC C电流。电流。ICICNICNIBE三极管内

7、部载流子运动分为三个过程：三极管内部载流子运动分为三个过程：模 拟 电 子 技 术（1 1）发射区向基区注入电子，从）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流而形成发射极电流I IE E。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法例：共发射极接法IE（2 2）在基区中）在基区中电子继续向集电结扩散；电子继续向集电结扩散；少数电子与基区空穴相复少数电子与基区空穴相复合，形成合，形成I IB B电流。电流。IB（3 3）集电区收集大部分的电子，）集电区收集大部分的电子，形成形成I IC C电流。电流。IC另外，集电区的少子形另外，集电区的少子形成反向饱和电流成反向饱和电流ICBOICBO

8、ICNIBE三极管内部载流子运动分为三个过程：三极管内部载流子运动分为三个过程：模 拟 电 子 技 术CUceNPNbUBBRB图图2.1.3 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流RCC15V模 拟 电 子 技 术cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN图图2.1.3 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流CNBNENEIIIICBOBNBIIICBOCNCIII模 拟 电 子 技 术在发射结处在发射结处v发射结正偏发射结正偏，扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动。v发射区和基区发射区和基区多子多子（电子和空穴

9、）的相互（电子和空穴）的相互注注入入。但。但发射区发射区（e e区）高掺杂区）高掺杂，向，向P区的区的多子多子扩散（电子）扩散（电子）为主（为主（IEn）,另有另有P区向区向N区的区的多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。扩散扩散(IEP)可忽略。可忽略。v以上构成了以上构成了发射结电流的主体发射结电流的主体。模 拟 电 子 技 术在基区内在基区内v基区很薄基区很薄。v一部分一部分 (N区扩散到区扩散到P区的）区的）不平衡载流不平衡载流子（电子）子（电子）与基区内的空穴（多子）的与基区内的空穴（多子）的复合复合运动（运动（复合电流复合电流I IBNBN

10、 ）。）。v大多数不平衡载流子连续扩散到集电结大多数不平衡载流子连续扩散到集电结边缘处。边缘处。v以上构成了以上构成了基极电流基极电流的主体。的主体。模 拟 电 子 技 术在集电结处在集电结处v集电结反偏集电结反偏。v故故 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动。v集电结（集电结（自建电场自建电场）对非平衡载流子（电）对非平衡载流子（电子）的强烈吸引作用子）的强烈吸引作用(收集作用收集作用）形成）形成ICN。v另外有基区和集电区本身的另外有基区和集电区本身的少子漂移（电少子漂移（电子和空穴）子和空穴），形成，形成反向饱和电流反向饱和电流ICBO 。模 拟 电 子 技 术非平衡载流子传输三步曲非平衡载

11、流子传输三步曲(以以NPN为例为例) 发射区向基区的发射区向基区的多子注入（扩散运动）多子注入（扩散运动）为主为主基区的基区的复合复合和和继续扩散继续扩散集电结对集电结对非平衡载流子的收集为主（漂移运动）非平衡载流子的收集为主（漂移运动）晶体管工作的内部机理：晶体管工作的内部机理：-“非平衡载流子非平衡载流子”的传输的传输模 拟 电 子 技 术 IEIBIC BCII电流放大系数2. 电流分配关系电流分配关系 IE扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流结论：晶体管在发射结正偏、集电结反偏的条件下结论：晶体管在发射

12、结正偏、集电结反偏的条件下具有电流放大作用；放大作用的实质是具有电流放大作用；放大作用的实质是IB对对IC的控制。的控制。晶体管属于电流控制器件晶体管属于电流控制器件。模 拟 电 子 技 术图图2.1.1 晶体管的三种基本晶体管的三种基本组态组态(a)cebiBiC输出输出回路回路输入输入回路回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极 晶体管在实际应用时，通常将其中两个端口分别作输入端晶体管在实际应用时，通常将其中两个端口分别作输入端和输出端，第三个端口作为公共端。根据公共端的不同，晶体和输出端，第三个端口作为公共端。根据公共端的不同，晶体管有以下

13、管有以下3中基本组态：中基本组态：2.2 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线模 拟 电 子 技 术全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE图图2.2.2 晶体管特性曲线测试电路晶体管特性曲线测试电路模 拟 电 子 技 术常数BiCECufi)( 2.2.1 共射极输出特性曲线共射极输出特性曲线图图2.2.3 共射输出特性曲线共射输出特性曲线uCE/V5101501234饱饱和和区区截止区截止区iBICBO放放大大区区iC/mAuCEuBEIB40 A30 A20 A10 A0 A模 拟 电 子 技

14、术uCE /ViC /mA25=20A=40A=60A=80A（1 1）当）当uCE= =0V时，因集电极无收集作用，时，因集电极无收集作用，iC=0=0。（2 2）当当uCE增大时，发射结虽处于正向电压之下，增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，集电区收集电子的能力弱但集电结反偏电压很小，集电区收集电子的能力弱iC主要由主要由uCE决定决定uCE iC 现以现以iB=40=40uA一条加以说明：一条加以说明：模 拟 电 子 技 术vCE /ViC /mA25=20A=40A=60A=80A（3 3）当）当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，增加到使集电结反偏电压较大时，运动

15、运动到集电结的电子基本上都可以被集电区到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，收集，此后此后uCE再增加，电流也没有明显得增加，特再增加，电流也没有明显得增加，特性曲线几乎平行于与性曲线几乎平行于与uCE轴轴iC几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于iB模 拟 电 子 技 术输出特性曲线可分为输出特性曲线可分为3个区：截止区、放大区、饱和区个区：截止区、放大区、饱和区（1）截止区）截止区: 发射结反向偏置且集电结反向偏置，即发射结反向偏置且集电结反向偏置，即onBEUuBECEuuuCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE且且0Bi

16、0ci模 拟 电 子 技 术uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE（2）放大区）放大区: 发射结正向偏置且集电结反向偏置，即发射结正向偏置且集电结反向偏置，即BECEuu且且b. 恒流特性恒流特性:当当 恒定时，恒定时，a. 受控特性：受控特性：iC 受受iB的控制的控制即即iC主要由主要由iB决定，与输出环路的外电路无关。决定，与输出环路的外电路无关。BCiiBCiiuCE 变化对变化对 iC 的影响很小的影响很小iBonBEUu模 拟 电 子 技 术uCE/V5101501234饱和区截止区IB40A30A20A1

17、0A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE（3）饱和区）饱和区: 发射结正向偏置且集电结正向偏置，发射结正向偏置且集电结正向偏置，即即临界饱和：临界饱和：UCE = UBE即即UCB=0onBEUuBECEuu 且且随随 增大而增大，增大而增大，CiBiCEUBCii此时此时饱和时，饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。模 拟 电 子 技 术 以上以上3个区域对应于晶体管的个区域对应于晶体管的3种工作状态：种工作状态： 截止状态、放大状态和饱和状态。截止状态、放大状态和饱和状态。 在模拟电子技术中，晶体管主要工作在放大状态，在模拟电子技术中，

18、晶体管主要工作在放大状态，用于模拟信号处理（放大、运算、处理、发生）；用于模拟信号处理（放大、运算、处理、发生）； 在数字电子技术中，晶体管主要工作于饱和和截止在数字电子技术中，晶体管主要工作于饱和和截止状态（即开关状态），实现各种数字信号处理。状态（即开关状态），实现各种数字信号处理。模 拟 电 子 技 术 2.2.2 共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线常数CEuBEBufi)(uCE = 0VuCE 1VuBE /V图图2.2.7 共射输入特性曲线共射输入特性曲线模 拟 电 子 技 术当当uCE=0V时，相当于时，相当于发射结（发射结（PN结）的正向伏结）的正向伏安特性曲线。安特性曲

19、线。(2) 当当0uCEICM时，虽然管子不致于损时，虽然管子不致于损坏，但坏，但值已经明显减小。值已经明显减小。模 拟 电 子 技 术3 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM PCM 表示集电极上允许损耗功率的最大表示集电极上允许损耗功率的最大值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。 PCM =ICUCE模 拟 电 子 技 术图图2.3.1 共射极放大电路共射极放大电路2.4.1 放大电路的组成放大电路的组成2.4 晶体管放大电路的放大原理晶体管放大电路的放大原理需要放大的信号需要放大的信号ui为交流小信号为交流小信号VBB、Rb：使：使UB

20、E Uon，且有合适的且有合适的IB。VCC：使：使UCEUBE，同时作为负，同时作为负载的能源。载的能源。Rc：将：将iC转换成转换成uCE(uo) 。模 拟 电 子 技 术静态时放大电路只有直流分量。静态时放大电路只有直流分量。放大时静态工作状态：放大时静态工作状态： （当（当ui=0时）时）基极电源基极电源VBB使晶体管使晶体管b-e间间电压电压UBEUBE(on) 集电极电源集电极电源VCC应足够高，应足够高，使晶体管的集电结反向偏置使晶体管的集电结反向偏置，以保证晶体管工作在放大，以保证晶体管工作在放大状态状态 ；集电极电流集电极电流IC=IB c-e间电压间电压UCE=VCC-IC

21、RC模 拟 电 子 技 术)( oCEcbIcuuuiiuR动态信号作用时：动态信号作用时：动态时电路中的信号为交直流分量的叠加。动态时电路中的信号为交直流分量的叠加。输入回路中，静态基础上产生动输入回路中，静态基础上产生动态的基极电流态的基极电流ib；输出回路中，产生动态电流输出回路中，产生动态电流ic；集电极电阻集电极电阻RC将集电极电流的变将集电极电流的变化转化为电压的变化，使得管压降化转化为电压的变化，使得管压降产生变化产生变化管压降管压降uce的变化量就是输出动态的变化量就是输出动态电压电压uO 若电路参数选择得当，若电路参数选择得当，uO的幅度的幅度将比将比ui大得多，且波形形状相

22、同，大得多，且波形形状相同，从而达到放大的目的从而达到放大的目的 放大时动态工作状态：放大时动态工作状态： （当（当ui不为不为0时）时）模 拟 电 子 技 术 输入电压输入电压ui为零，即直流电源单独作用时晶体管各极为零，即直流电源单独作用时晶体管各极的电流、的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点间的电压、管压降称为静态工作点Q，记，记作作IBQ、 ICQ（IEQ）、）、UBEQ、 UCEQ。对各种物理量的表示方法作如下规定：对各种物理量的表示方法作如下规定：直流量：字母大写，下标大写，如：直流量：字母大写，下标大写，如：IB、IC、UBE、UCE。交流量：字母小写，下标小写，如：交流

23、量：字母小写，下标小写，如：ib、ic、ube、uce。交流量的有效值：字母大写，下标小写，如：交流量的有效值：字母大写，下标小写，如：Ib、Ic、Ube、Uce。瞬时值（直流量与交流量的叠加量）：字母小写，下标大写，瞬时值（直流量与交流量的叠加量）：字母小写，下标大写，如：如：iB、iC、uBE、uCE。模 拟 电 子 技 术图图8 没有设置合适的静态工作点没有设置合适的静态工作点假设没有基极电源，静态时假设没有基极电源，静态时将输入端短路，将输入端短路，IBQ=0，则，则ICQ=0，UCE=UCC，因而晶体管处于截止，因而晶体管处于截止状态；状态； 当加入输入电压当加入输入电压ui时，时，

24、uBEui，由于输入信号为交流小，由于输入信号为交流小信号，通常其峰值小于发射结信号，通常其峰值小于发射结的开启电压的开启电压UBE(on)，无法使发，无法使发射结正偏，则在信号的整个周射结正偏，则在信号的整个周期内晶体管始终工作在截止状期内晶体管始终工作在截止状态，因而输出电压为态，因而输出电压为0；2.3.2 静态工作点的作用静态工作点的作用模 拟 电 子 技 术 即使即使ui的幅值足够大，晶体管也只可能在信号正的幅值足够大，晶体管也只可能在信号正半周大于发射结的开启电压半周大于发射结的开启电压UBE(on) 的时间间隔内导通，的时间间隔内导通，所以输出电压必然严重失真。所以输出电压必然严

25、重失真。设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础 对于放大电路最基本的要求：不失真，能够放大。对于放大电路最基本的要求：不失真，能够放大。模 拟 电 子 技 术图图9 共射极放大器的电压、电流波形共射极放大器的电压、电流波形2.3.3 基本共射放大电路的放大原理基本共射放大电路的放大原理bBQBiIicCQCiIiceCEQCEuUu利用晶体管的电流放大作用，利用晶体管的电流放大作用，电流的变化转换电流的变化转换并依靠并依靠Rc将将成电压的变化成电压的变化模 拟 电 子 技 术 2.3.4 基本放大电路的组成原则基本放大电路的组成原则（2） 动态信号能够作用于晶体管的输入回路（基极动态信号能够作用于晶体管的输入回路（基极-发射极回路），在负载上能够获得放大了的动态信号。发射极回路），在负载上能够获得放大了的动态信号。 （3）必须设置合理的信号通路。当加入信号源和负载时，一）必须设置合理的信号通路。当加入信号源和负载时，一方面不能破坏已设置好的静态工作点，一方面尽可能减小信号方面不能破坏已设置好的静态工作点，一方面尽可能减小信号通路中的损耗。