低频电子线路第二章

第2章晶体三极管概述2.1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2.3埃伯尔斯—莫尔模型2.4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2.6晶体三极管电路分析方法2.7晶体三极管的应用原理概述

三极管结构及电路符号发射极E基极BPNN+集电极C发射极E基极BNPP+集电极CBCEBCE发射结集电结第2章晶体三极管晶体管有三个极、三个区、两个PN结。

三极管三种工作模式发射结正偏，集电结反偏。放大模式：发射结正偏，集电结正偏。饱和模式：发射结反偏，集电结反偏。截止模式：注意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。

三极管内部结构特点1)发射区高掺杂（相对于基区）。2)基区很薄。3)集电结面积大。第2章晶体三极管2.1放大模式下三极管工作原理2.1.1内部载流子传输过程PNN+-+-+V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE=IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB=IEp+IBB-ICBO=IEp+(IEn-ICn)-ICBO=IE-IC第2章晶体三极管因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区

发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。

发射区掺杂浓度>>基区掺杂浓度：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。

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。

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。

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集电区，形成受控的集电极电流。第2章晶体三极管

三极管特性——具有正向受控作用即三极管输出的集电极电流IC，主要受正向发射结电压VBE

的控制，而与反向集电结电压VCE

近似无关。注意：NPN型管与PNP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。V1NPP+PNN+V2V2V1+

-+

--+-+IEICIBIEICIB第2章晶体三极管

观察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从哪个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。2.1.2电流传输方程

三极管的三种连接方式——三种组态BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB(共发射极)(共基极)(共集电极)

放大电路的组态是针对交流信号而言的。第2章晶体三极管

共基极直流电流传输方程BCEBTICIE直流电流传输系数：直流电流传输方程：

共发射极直流电流传输方程ECBETICIB直流电流传输方程：其中：第2章晶体三极管

的物理含义：

表示，受发射结电压控制的复合电流IBB，对集电极正向受控电流ICn

的控制能力。

若忽略ICBO，则：ECBETICIB

可见，为共发射极电流放大系数。第2章晶体三极管ICEO

的物理含义：

ICEO

指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。因为

IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0所以

IEp+(IEn-

ICn)=IE

-

ICn=ICBO因此第2章晶体三极管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

数学模型(指数模型)

IS指发射结反向饱和电流IEBS

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IS。式中第2章晶体三极管

放大模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极VBE(on)

为发射结导通电压，工程上一般取：硅管VBE(on)=0.7V锗管VBE(on)=0.25V第2章晶体三极管电路模型VBE+-ECBEICIBIBVCE+-直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-+-VCE

三极管参数的温度特性

温度每升高1C，/

增大0.5%1%，即

温度每升高1C，VBE(on)

减小(22.5)mV，即

温度每升高10C，ICBO

增大一倍，即第2章晶体三极管PNN+V1V2R2R12.2晶体三极管的其他工作模式2.2.1饱和模式(E结正偏，C结正偏)-+IFFIF+-IRRIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE

结论：三极管失去正向受控作用。第2章晶体三极管

饱和模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极通常，饱和压降

VCE(sat)

硅管

VCE(sat)0.3V锗管

VCE(sat)0.1V电路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)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。即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。第2章晶体三极管2.2.2截止模式(E结反偏，C结反偏)

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。ECBETICIB共发射极电路模型VBE+-ECBEICIB

截止模式直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC

0IB0第2章晶体三极管2.3埃伯尔斯—莫尔模型埃伯尔斯—莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。IE=IF-RIRIC=

FIF-IR其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB第2章晶体三极管2.4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，它适用于任何工作模式。IB=f1E(VBE)VCE=常数IC=f2E(VCE)IB=常数共发射极输入特性：输出特性：+-TVCEIBVBEIC+-第2章晶体三极管

输入特性曲线VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10VOV(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE

一定：类似二极管伏安特性。

VCE

增加：正向特性曲线略右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基区宽度调制效应注：VCE>0.3V后，曲线移动可忽略不计。因此当VBE

一定时：VCEVCB复合机会IB曲线右移。第2章晶体三极管

输出特性曲线

饱和区(VBE

0.7V，VCE

<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结正偏，集电结正偏。IC

不受IB

控制，而受VCE

影响。VCE

略增，IC

显著增加。输出特性曲线可划分为四个区域：饱和区、放大区、截止区、击穿区。第2章晶体三极管

放大区(VBE

0.7V，

VCE

>0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特点条件发射结正偏集电结反偏VCE曲线略上翘具有正向受控作用满足IC=IB+ICEO说明IC/mAVCE/VOVA上翘程度—取决于厄尔利电压VA上翘原因—基区宽度调制效应(VCEIC略)第2章晶体三极管在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC

的修正方程基宽WB

越小调制效应对IC

影响越大则VA越小。

与IC

的关系：ICO在IC

一定范围内近似为常数。IC过小使IB造成。IC

过大发射效率

造成。考虑上述因素，IB

等量增加时，ICVCEO输出曲线不再等间隔平行上移。第2章晶体三极管

截止区(VBE

0.5V，VCE

0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。IC0，IB0近似为

IB≤0以下区域

严格说，截止区应是IE=0即IB=-ICBO

以下的区域。因为IB在0-ICBO

时，仍满足第2章晶体三极管

击穿区特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC

急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随IB

的增大而减小。注意：IB=0时，击穿电压为V(BR)CEOIE=0时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEOIC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第2章晶体三极管

三极管安全工作区ICVCEOV(BR)CEOICMPCM

最大允许集电极电流ICM(若IC>ICM造成

)

反向击穿电压V(BR)CEO(若VCE>V(BR)CEO管子击穿)VCE<V(BR)CEO

最大允许集电极耗散功率PCM(PC=ICVCE，若PC>PCM烧管)PC<PCM

要求IC

ICM第2章晶体三极管放大电路小信号作用时，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，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号(或微变)电路模型。2.5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，可以形成多种电路模型。最常用的是混合

型小信号电路模型。第2章晶体三极管

混合Π型电路模型的引出基区体电阻发射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流源由基区宽度调制效应引起的输出电阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce第2章晶体三极管

混合型小信号电路模型

若忽略rbc

影响，整理后即可得出混合型电路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混合型电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic第2章晶体三极管

小信号电路参数rbb

基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。

rbe

三极管输入电阻，约千欧数量级。

跨导gm

表示三极管具有正向受控作用的增量电导。rce

三极管输出电阻，数值较大。RL<<rce

时，常忽略。第2章晶体三极管

简化的低频混电路模型由于因此，等效电路中的gmvbe，也可用ib

表示。cbeTiCiBrbebcegmvbeibic=ib注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在Q

点上各交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。第2章晶体三极管由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。2.6晶体三极管电路分析方法

直流分析法分析指标：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：图解法、估算法

交流分析法分析指标：Av

、Ri、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法

第2章晶体三极管即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。2.6.1

直流分析法

图解法即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。优点：便于直接观察Q

点位置是否合适，输出信号波形是否会产生失真。第2章晶体三极管(1)由电路输入特性确定IBQ

写出管外输入回路直流负载线方程(VBE

-

IB)。图解法分析步骤：

在输入特性曲线上作直流负载线。

找出对应交点，得IBQ

与VBEQ。(2)由电路输出特性确定ICQ

与VCEQ

写出管外输出回路直流负载线方程(VCE

-

IC)

。

在输出特性曲线上作直流负载线。

找出负载线与特性曲线中IB=IBQ

曲线的交点，即Q

点，得到ICQ

与VCEQ。第2章晶体三极管例1

已知电路参数和三极管输入、输出特性曲线，试求IBQ、ICQ、VCEQ。Q

输入回路直流负载线方程

VBE=VBB

-

IBRBVBBVBB/RBVBEQIBQ+-IBVBBIC-+VCCRBRC+-VBE+-VCE

输出回路直流负载线方程

VCE=VCC

-

ICRCICVCEOVBEIBOIB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第2章晶体三极管

工程近似法--估算法即利用直流通路，计算静态工作点。直流通路是指输入信号为零，耦合及旁路电容开路时对应的电路。分析步骤：

确定三极管工作模式。

用相应简化电路模型替代三极管。

分析电路直流工作点。只要VBE

0.5V(E结反偏)截止模式假定放大模式，估算VCE

：若VＣE

>0.3V放大模式若VＣE<0.3V饱和模式第2章晶体三极管例2

已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，

=30

，试判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因为VCEQ>0.3V，所以三极管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V第2章晶体三极管例3若将上例电路中的电阻RB

改为10k，试重新判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因为VCEQ<0.3V，假设不成立，所以三极管工作在饱和模式。第2章晶体三极管例4已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，

=30

，试判断三极管工作状态，并计算VC。解：所以三极管工作在截止模式，VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k<VBE(on)第2章晶体三极管+-VBBRBRC+-VCC2.6.2

交流分析法

小信号等效电路法(微变等效电路法)分析电路加交流输入信号后，叠加在Q

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。交流通路：

即交流信号流通的路径。它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的电路。第2章晶体三极管小信号等效电路法分析步骤：

画交流通路(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。

利用小信号等效电路分析交流指标。

计算微变参数gm、rbe。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，不能分析静态工作点。第2章晶体三极管例5已知ICQ=1mA，

=100,vi

=20sint(mV)，ＲC=ＲＬ=４k

，画电路的交流通路及交流等效电路,计算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k第2章晶体三极管

图解法

确定静态工作点(方法同前)。

画交流负载线。

画波形，分析性能。过Q

点、作斜率为-1/RL

的直线即交流负载线。其中RL=RC//

RL。分析步骤：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。第2章晶体三极管例6输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。tvBEOQvBEiBOiCvCEOQIBQICQtvCEO交流负载线-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第2章晶体三极管tiBOiCtOQ

点位置与波形失真：Q

点过低，vO

负半周易截止失真。PNP管

Q

点过高，vO

正半周易饱和失真。

Q

点过低，vO正半周易截止失真。

NPN管

Q

点过高，vO

负半周易饱和失真。

由于PNP管电压极性与NPN管相反，故横轴vCE

可改为-vCE。

消除饱和失真降低Q点：增大RB，减小IBQ减小RC：负载线变陡,

输出动态范围增加。消除截止失真升高Q

点：减小RB，增大IBQ第2章晶体三极管2.7晶体三极管应用原理2.7.1电流源利用三极管放大区iB

恒定时iC

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——电流源。iCvCEOiBVCE(sat)QiCR+-VQ+viB恒值外电路(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I０，由外电路中的直流