模拟电路第二章-1课件

第二章

双极型晶体管

及其放大电路

BipolarJunctionTransistor缩写BJT简称晶体管或三极管双极型器件两种载流子（多子、少子）ecb发射极基极集电极发射结集电结基区发射区集电区N+PNcbeNPNPNPcbe(a)NPN管的原理结构示意图(b)电路符号2-1双极型晶体管的工作原理basecollectoremitter(c)平面管结构剖面图图2-1晶体管的结构与符号

解释三个电极

发射极，基极，集电极发射极箭头方向是指发射结正偏时的电流方向三个区

发射区(重掺杂)，基区(很薄)，集电区（结面积大）两个PN结发射结(eb结),集电结(cb结)

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：e区c区b区e结C结ecbNNPVBBVCCRbRc＋－VBE＋－VCB＋－VCE例：共发射极接法三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。集电结反偏：由VBB保证由VCC、

VBB保证VCB=VCE-VBE>0发射结正偏：三极管内部载流子运动分为三个过程：VCCeCecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IENIEP（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。2-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程三极管内部载流子运动分为三个过程：（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE=IEN+IEP≈IEN三极管内部载流子运动分为三个过程：（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB复合IBE≈IBE三极管内部载流子运动分为三个过程：（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。ICICN≈ICNIBE三极管内部载流子运动分为三个过程：（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。IC另外，集电区的少子形成反向饱和电流ICBOICBOICNIBE三极管内部载流子运动分为三个过程：VCCececbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IEIB动画演示ICICBOICNIBE实际上：IC=ICN+ICBOIE=IEN+IEP≈IEN≈ICNIB+ICBO=IBE由KCL，有：IB=IBE-ICBO≈IBEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN2-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程图2―2晶体管内载流子的运动和各极电流内部机理晶体管工作的内部机理：-------“非平衡载流子”的传输①在发射结处以NPN为例。eb结正偏，扩散运动﹥漂移运动。发射区和基区多子（电子和空穴）的相互注入。但发射区（e区）高掺杂，向P区的多子扩散（电子）为主（IEn）,另有P区向N区的多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。扩散(IEP)可忽略。以上构成了发射结电流的主体。②在基区内基区很薄。一部分(N区扩散到P区的）不平衡载流子（电子）与基区内的空穴（多子）的复合运动（复合电流IBN）。大多数不平衡载流子连续扩散到cb结边缘处。以上构成了基极电流（IBN）的主体。③在集电结处集电结反偏。故漂移运动＞扩散运动。集电结（自建电场）对非平衡载流子（电子）的强烈吸引作用(收集作用）形成ICN。另外有基区和集电区本身的少子漂移（电子和空穴），形成反向饱和漏电流ICBO。非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例)

①发射区向基区的多子注入(扩散运动）为主②基区的复合和继续扩散③集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）

偏置要求对NPN管要求UC＞UB＞UEUCUEUB偏置要求对PNP管要求UC＜UB＜UEUCUEUB2-1-2电流分配关系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN晶体管主要功能:电流控制（currentcontrol）电流放大（currentamplify）

一、直流电流放大系数：一般共射极含义：基区每复合一个电子，就有β个电子扩散到集电区去。IBNIICNEN共基极一般两者关系：IBNIICNEN二、IC、IE、IB、三者关系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN若忽略ICBO，IEP,则2―2晶体管伏安特性曲线及参数全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。图2―3晶体管的三种基本接法（组态）(a)cebiBiC输出回路输入回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极2―2―1晶体管共发射极特性曲线一、共发射极输出特性曲线测量电路共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压uCE的关系曲线(以iB为参变量)图2―5共射输出特性曲线uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0AcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN现以iB=40uA一条加以说明：vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（1）当vCE=0V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如：vCE<1VvBE=0.7VvCB=vCE-vBE≤0.7V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定：vCE↑→ic↑现以iB=40uA一条加以说明：vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA（3）当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，如：vCE≥1VvCB≥0.7V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显得增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域。同理，可作出iB=其他值的曲线。vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时e正偏，c正偏或反偏电压很小。vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时e正偏，c正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时e反偏，c反偏。vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时e正偏，c正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时e反偏，c反偏。放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。

此时e正偏，c反偏。电压大于0.7V左右（硅管）。模电着重讨论的就是该放大区！1.放大区发射结正偏，集电结反偏（2）uCE变化对IC的影响很小（恒流特性）（1）iB对iC的控制作用很强。用交流电流放大倍数来描述：在数值上近似等于β问题：特性图中β=？为两条不同IB曲线的间隔即IC主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。基区宽度调制效应(厄尔利效应)cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE↑→c结反向电压↑→c结宽度↑→基区宽度↓→基区中电子与空穴复合的机会↓iC↑→基调效应表明：输出交流电阻rCE=ΔuCE/ΔiC<∞QUCEQUA(厄尔利电压)ICQ2.饱和区发射结和集电结均处于正向偏置。由于集电结正偏，不利于集电极收集电子，ICN比放大区的ICN小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1（1）iB一定时，饱和区iC比放大区的小（2）UCE一定时iB增大，iC基本不变（饱和区）临界饱和：UCE=UBE，即UCB=0（C结零偏）。IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。（小功率Si管）UCE(sat)=0.3V；（小功率Ge管）UCE(sat)=0.1V。 三个电极间的电压很小，管子完全导通，相当一个开关“闭合（Turnon）”。3.截止区发射结和集电结均处于反向偏置,三个电极均为反向电流，所以数值很小。

管子不通，相当于一个“开关”打开（Turnoff）。iB=-iCBO（此时iE=0）以下称为截止区。工程上认为：iB=0以下即为截止区。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO二、共发射极输入特性曲线BJT共射接法的输入特性曲线分三部分：①死区②非线性区③线性区iB/μAvBE/V①③②vCE

=1VvCE

>1VvCE

=0V记住：①当vCE>1时，各条特性曲线基本重合。②0<UCE<1时，随着UCE增加，曲线右移，特别在0<UCE<UCE

(SAT),即工作在饱和区时，移动量将更大一些。

25℃【参见教材P74图3.1.7(a)】三、温度对晶体管特性曲线的影响T↑，uBE↓：T↑，ICBO↑：T↑，β

↑：2-2-2晶体管的主要参数1、电流放大系数1.共射直流放大系数反映静态时集电极电流与基极电流之比。2.共射交流放大系数反映动态时的电流放大特性。由于ICBO、ICEO很小，因此在以后的计算中，不必区分。4.共基交流放大系数3.共基直流放大系数由于ICBO、ICEO很小，因此在以后的计算中，不必区分。2极间反向电流

极间反向电流是指管子各电极之间的反向漏电流参数。①C、B间反向饱和漏电流

发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。②管子C、E间反向饱和漏电流基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。

③管子反向饱和漏电流硅管比锗管小。此值与本征激发有关。取决于温度特性（少子特性）。

3、结电容发射结电容Ce集电结电容Cc

4.极限参数使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。

3DG6C

规格号序号高频小功率NPN型硅材料

三极管U(BR)CBO

=115V,U(BR)CEO=60V，U(BR)EBO=8V。（1）反向击穿电压

（2）集电极最大允许电流

ICM留有一定的余量。ICM指β下降到额定值的2/3时的IC值。

（3）集电极最大允许功率损耗PCM表示集电极上允许损耗功率的最大值。PCM=iCvCE过压区过流区【参见29图2-7】2―3晶体管工作状态分析及偏置电路 应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在饱和区或截止区。 因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是晶体管应用的一个关键。2―3―1晶体管的直流模型 由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的一个点。静态工作点（简称Q点）： 静态工作电压、电流。在下标再加个Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ

(a)输入特性近似图2―8晶体管伏安特性曲线的折线近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB＝0(b)输出特性近似饱和区放大区截止区(a)ebc(b)ebcβIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat)图2―9晶体管三种状态的直流模型(a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型例1晶体管电路如图2―10(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，β=100，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k(b)直流等效电路图2―10晶体管直流电路分析eRBUBE(on)bIBQβIBQcICQUCCRC＋－UCEQUBB解因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图2―9(b)的模型代替晶体管，便得到图2--10(b)所示的直流等效电路。由图可知故有(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k例2：若UBB从零增加，说明晶体管的工作区间以及IBQ、ICQ、UCEQ的变化情况？当UBB从0~0.7V之间时，两个结都反偏，管子进入截止区。IBQ=ICQ≈0。UCEQ≈UCC。分析：(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当UBB继续增大，发射结正偏，集电结发偏，管子进入放大区。随着IBQ的增大，ICQ=βIBQ也增大。UCEQ=UCC-ICQ×RC不断下降。(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当UBB增大到UCEQ<UBEQ时，集电结正偏，管子进入饱和区。此时，IBQ的增加，不能引起ICQ的增加。UCEQ≈UCE（sat）≈0，ICQ≈UCC/RC。2―3―2晶体管工作状态分析RBUBBUEERERCUCC(a)电路UBB-UEE≤UBE(on)且UBB＜UCC，则晶体管截止1、首先判断晶体管是否截止：此时：IB=IC=IE=0，UBE=UBB-UEE，UCE=UCC-UEE。RBUBBUEERERCUCC(a)电路2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：若UBB-UEE>UBE(on)则发射结正偏，下面关键是判断集电结是正偏还是反偏。若假定为放大状态：则直流等效电路如图2-11(b)所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)βIB图2-11(b)放大状态下的等效电路∵UBB-UEE-UBE(on)=IBQRB+(1+β)IBQRE方法1：则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；∴方法2：则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；图2―11晶体管直流分析的一般性电路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)饱和状态下的等效电路UCE(sat)晶体管处于饱和状态时：如果晶体管是浅饱和(即IBQ不大)，则ICQ的近似值计算如下：例2晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2--12(a),(b)所示。已知β=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uo(a)电路图2―12例题2电路及ui,uo波形图05tuo/V0.3(c)uo波形图03tui/V(b)ui波形图R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uoβ=50解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui=3V时，晶体管导通且有而集电极临界饱和电流为因为所以晶体管处于饱和。ICQ≈IC(sat)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形如图2―12(c)所示。补充例题1电路补充例题1晶体管电路如下图所示。已知β=100，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRERCUCC500KΩ1KΩ2KΩ12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：∴晶体管不处于截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：∵UBB-UBE(on)=IBQRB+(1+β)IBQRE∴晶体管处于放大状态；补充例题2电路补充例题2晶体管电路如下图所示。已知β=100，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRCUCC50KΩ2KΩ12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：∴晶体管不处于截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：∵UBB-UBE(on)=IBQRB∴晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；

2―3―3放大状态下的偏置电路①电路形式简单②偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。③对信号的传输损耗应尽可能小晶体管在放大应用时，要求外电路将晶体管偏置在放大区，而且在信号的变化范围内，管子始终工作在放大状态。此时，对偏置电路的要求是：

一、固定偏流电路图2―13固定偏流电路RBUCCRC单电源供电。UEE=0，UBB由UCC提供只要合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于放大状态。图2―13固定偏流电路RBUCCRC缺点：工作点稳定性差；（∵IBQ固定，当β、