模拟电子技术基础第五章BJT三极管及其放大电路.

电子技术•5.1BJT•5.2基本共射极放大电路•5.3BJT放大电路的分析方法•5.4BJT放大电路静态工作点的稳定问题•5.5共集电极放大电路和共基极放大电路•5.6FET和BJT及其基本放大电路性能的比较•5.7多级放大电路•5.8光电三极管电子技术5.1BJT5.1.1BJT的结构简介5.1.2放大状态下BJT的工作原理5.1.3BJT的V-I特性曲线5.1.4BJT的主要参数5.1.5温度对BJT参数及特性的影响电子技术5.1.1BJT的结构简介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管电子技术电子技术半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。发射区集电区基区三极管符号电子技术电子技术集成电路中典型NPN型BJT的截面图电子技术5.1.2放大状态下BJT的工作原理现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系，见下图。NPNebc电子空穴IENICNIEPICBOIEICIBIBNIE=IEN+IEP且IENIEPIC=ICN+ICBOICN=IEN-IBNIB=IEP+IBN–ICBO=IEP+IEN-ICN–ICBO=IE-IC三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。1.内部载流子的传输过程注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子电子技术电子技术IE=IC+IB以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。电子技术2.电流分配关系发射极注入电流传输到集电极的电流设ENCII即根据传输过程可知IC=INC+ICBO通常ICICBOECII则有为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般=0.90.99。IE=IB+IC放大状态下BJT中载流子的传输过程电子技术1又设BCEOCIII则是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般1。根据IE=IB+ICIC=INC+ICBOENCII且令BCCEOCIIII时，当ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）电子技术3.三极管的三种组态(c)共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。(b)共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；(a)共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；BJT的三种组态电路如何实现放大作用？电子技术共基极放大电路4.放大作用若vI=20mV电压放大倍数4920mVV98.0IOvvvA使iE=-1mA，则iC=iE=-0.98mA，vO=-iC•RL=0.98V，当=0.98时，电子技术综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。即表现为很小的发射结电压的变化引起较大的电流变化。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？若两个PN结对接，有无放大作用？电子技术5.1.3BJT的V-I特性曲线iB=f(vBE)vCE=const.(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线（以共射极放大电路为例）共射极连接电子技术(3)输入特性曲线的三个部分①死区②非线性区③线性区导通电压典型值：硅0.7V锗0.3V死区电压典型值：硅0.5V锗0.1V电子技术饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)iB=const.2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。电子技术例：测量三极管三个电极对地电位如图03.23所示，试判断三极管的工作状态。放大截止饱和电子技术例：用数字电压表测得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，试判断三极管的工作状态。电子技术(1)共发射极直流电流放大系数=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const.1.电流放大系数5.1.4BJT的主要参数与iC的关系曲线(2)共发射极交流电流放大系数=iC/iBvCE=const.电子技术(3)共基极直流电流放大系数=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE(4)共基极交流电流放大系数αα=iC/iEvCB=const.当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。电子技术2.极间反向电流(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。电子技术(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO电子技术(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=ICVCE3.极限参数电子技术(3)反向击穿电压V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO电子技术5.1.5温度对BJT参数及特性的影响(1)温度对ICBO的影响温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。(2)温度对的影响温度每升高1℃，值约增大0.5%~1%。(3)温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。2.温度对BJT特性曲线的影响1.温度对BJT参数的影响电子技术5.2基本共射极放大电路5.2.1基本共射极放大电路的组成5.2.2基本共射极放大电路的工作原理电子技术5.2.1基本共射极放大电路的组成基本共射极放大电路电子技术习惯画法共射极基本放大电路三极管T——能量转换元件负载电阻Rc、RL偏置电路VCC、Rb耦合电容C1、C2——隔直和耦合作用电子技术5.2.2基本共射极放大电路的工作原理1.静态(直流工作状态)输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。直流通路bBEQBBBQRVVIBQCEOBQCQβIIβIIVCEQ=VCC－ICQRc电子技术电路如图所示，设VBE=0.6V，=60，RC=2K设计电路参数，使VCEQ=2.5V.VCC=VBB=5VKIVVRAIImARVVIBBEBBBEBCCEQCCE22002.06.05206125.1125.125.25电子技术电子技术2.动态输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。交流通路电子技术电子技术5.3BJT放大电路的分析方法5.3.1图解分析法5.3.2小信号模型分析法1.静态工作点的图解分析2.动态工作情况的图解分析3.非线性失真的图解分析4.图解分析法的适用范围1.BJT的H参数及小信号模型2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路3.小信号模型分析法的适用范围电子技术5.3.1图解分析法1.静态工作点的图解分析采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。共射极放大电路电子技术列输入回路方程列输出回路方程（直流负载线）VCE=VCC－iCRc首先，画出直流通路bBBBBERiVv电子技术在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。在输入特性曲线上，作出直线，两线的交点即是Q点，得到IBQ。bBBBBERiVv电子技术QIBQ402060iB/μАuBE/VOiCOtiBOt0.7ΔuBEUBEQtuBEtuCEUCEQΔuCE0.720.68ΔiB交流负载线iB=80μА60402001226QiC/mAOuCE/V4直流负载线2.动态工作情况的图解分析电子技术3.静态工作点对波形失真的影响iCuCEuo可输出的最大不失真信号ib电子技术iCuCEuoA.Q点过低，信号进入截止区放大电路产生截止失真输出波形输入波形ib电子技术iCuCEB.Q点过高，信号进入饱和区放大电路产生饱和失真ib输入波形uo输出波形电子技术总结BJT的三个工作区QQ1Q2vCE/ViC/mA放大区0iB=40uA80uA120uA160uA200uA饱和区截止区当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点：iC不再随iB的增加而线性增加，即BCii此时CBii截止区特点：iB=0，iC=ICEOvCE=VCES，典型值为0.3VVCE1V、VBE0.7IBICMICMVCC/RCVCEVCC、VBE0.5IB=0，IC=ICEO0IC=IB,且IC=IB发射结正偏，集电结反偏电子技术例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEmA2612maxCSCCRUIIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区电子技术例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICICmax(=2mA)，Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB=2V时：9mA01070702..RUUIBBESBB0.95mA9mA01050.IIBC电子技术USB=5V时:例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于饱和区，此时IC和IB已不是倍的关系。mA061070705..RUUIBBESBBcmaxBII5m0.3mA061.050mA2cmaxcII电子技术①波形的失真饱和失真截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。失真与工作点关系#放大区是否为绝对线性区？电子技术共射极放大电路放大电路如图所示。已知BJT的ß=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）μA40300k2V1bBECCBQRVVI3.2mAμA4080BQCQβII5.6V3.2mA2kV12CQcCCCEQIRVV静态工作点为Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。例电子技术（2）当Rb=100k时，其最小值也只能为0，即IC的最大电流为