晶体三极管及应用原理讲义

晶体三极管及应用原理讲义第一页，共五十一页，2022年，8月28日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发射结集电结第二页，共五十一页，2022年，8月28日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。2）基区很薄。3）集电结面积大。第三页，共五十一页，2022年，8月28日2.1放大模式下三极管工作原理

内部载流子传输过程PNN+-+-+V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE=IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB=IEp+IBB-ICBO=IEp+(IEn-ICn)-ICBO=IE-IC第四页，共五十一页，2022年，8月28日发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度>>基区：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。第五页，共五十一页，2022年，8月28日三极管特性——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第六页，共五十一页，2022年，8月28日观察输入信号作用在那个电极上，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。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。第七页，共五十一页，2022年，8月28日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：第八页，共五十一页，2022年，8月28日的物理含义：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。第九页，共五十一页，2022年，8月28日

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。

∵

IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0∴

IEp+(IEn-ICn)=IE-ICn

=ICBO因此：即：第十页，共五十一页，2022年，8月28日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：第十一页，共五十一页，2022年，8月28日放大模式直流简化电路模型电路模型VBE+-ECBEICIBIBECBETICIB共发射极直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-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第十二页，共五十一页，2022年，8月28日

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：

第十三页，共五十一页，2022年，8月28日PNN+V1V2R2R12.2晶体三极管的其它工作模式

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。第十四页，共五十一页，2022年，8月28日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。第十五页，共五十一页，2022年，8月28日

截止模式(E结反偏，C结反偏)若忽略反向饱和电流，三极管IB0，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ECBEIC0IB0第十六页，共五十一页，2022年，8月28日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第十七页，共五十一页，2022年，8月28日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+-第十八页，共五十一页，2022年，8月28日输入特性曲线VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10V0V(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。第十九页，共五十一页，2022年，8月28日输出特性曲线饱和区（VBE0.7V，VCE<0.3V）IC/mAVCE/V0IB=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。第二十页，共五十一页，2022年，8月28日

放大区（VBE0.7V，

VCE>0.3V）IC/mAVCE/V0IB=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/V0VA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）第二十一页，共五十一页，2022年，8月28日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：IC0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，ICVCE0输出曲线不再等间隔平行上移。第二十二页，共五十一页，2022年，8月28日

截止区（VBE0.5V，

VCE

0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。IC

0，IB

0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，仍满足第二十三页，共五十一页，2022年，8月28日

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/V0IB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第二十四页，共五十一页，2022年，8月28日

三极管安全工作区ICVCE0V(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ICICM第二十五页，共五十一页，2022年，8月28日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Π型小信号电路模型。第二十六页，共五十一页，2022年，8月28日混合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第二十七页，共五十一页，2022年，8月28日混合Π型小信号电路模型若忽略rbc影响，整理即可得出混Π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Π电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic第二十八页，共五十一页，2022年，8月28日小信号电路参数

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。第二十九页，共五十一页，2022年，8月28日简化的低频混Π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。第三十页，共五十一页，2022年，8月28日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

第三十一页，共五十一页，2022年，8月28日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。第三十二页，共五十一页，2022年，8月28日（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(VBEIB)。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(VCEIC)。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。第三十三页，共五十一页，2022年，8月28日例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-ICRCICVCE0VBEIB0IB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第三十四页，共五十一页，2022年，8月28日工程近似法--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饱和模式第三十五页，共五十一页，2022年，8月28日例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第三十六页，共五十一页，2022年，8月28日例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，所以三极管工作在饱和模式。第三十七页，共五十一页，2022年，8月28日例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+-VBBRBRC+-VCC<VBE(on)第三十八页，共五十一页，2022年，8月28日2.6.2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。第三十九页，共五十一页，2022年，8月28日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。第四十页，共五十一页，2022年，8月28日例5已知ICQ=1mA,=100,vi

=20sint(mV),试画出图示电路的交流通路及交流等效电路,并计算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k第四十一页，共五十一页，2022年，8月28日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。第四十二页，共五十一页，2022年，8月28日例6输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第四十三页，共五十一页，2022年，8月28日Q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:负载线变徒,

输出动态范围增加。消除截止失真升高Q点:减小RB，增大IBQ第四十四页，共五十一页，2022年，8月28日2.7晶体三极管应用原理

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。iCvCE0iBVCE(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IO，由外电路中的直流电源提供。IO只受IB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