2章 晶体管及其放大电路

模拟电子技术2.1晶体管2.2放大的概念及放大电路的性能指标2.3共发射极放大电路的组成及工作原理2.4放大电路的图解分析法2.5放大电路的微变等效电路分析法2.6分压式稳定静态工作点电路2.7共集电极放大电路2.8共基极放大电路2.9组合单元放大电路小结第2章晶体管及其基本放大电路模拟电子技术2.1晶体管2.1.1晶体三极管2.1.2晶体三极管的特性曲线2.1.3晶体三极管的主要参数模拟电子技术(SemiconductorTransistor)2.1.1晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB模拟电子技术分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管1W中功率管0.51W模拟电子技术为了实现控制和放大作用，具有决定意义的一点是晶体管的三个区在结构尺寸和掺杂浓度上有很大的不同。1、基区很薄，厚度一般只有1—几um，掺杂浓度最低；2、另外两个掺杂区，虽然类型相同，但其中发射区的掺杂浓度远大于集电区。NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区二、电流放大原理模拟电子技术以NPN型晶体管为例。1、两个PN结均无外加电压两个PN结的载流子运动处于动态平衡状态，净电流为零。图2-2两个PN结均无外加电压模拟电子技术2、发射结加正向电压，集电结加反向电压先看发射结的情况模拟电子技术模拟电子技术结论：由e区发射出的电子数（对应于IE）中，只有极少部分有机会在b区与空穴复合（对应于IBN），而其中绝大部分的电子将被反向偏置的集电结的电场吸引（或收集）而到达集电区（对应于ICN）。这三者之间的关系为：CNBNEIII3、电流控制作用及其实现条件在一个结构尺寸和掺杂浓度已定的晶体管中，在正常工作条件下，最终被c区收集的电子数和在e区发射的总电子数中所占的比例是一定的。用表示这个比例。ECNII或ECNII因此有：定义：ECNEBNIIII)1(1BNCNII1模拟电子技术讨论：1）总是小于1，但由于晶体管结构上的保证，又非常接近于1，一般可达0.95~0.995；2）与对应的值为19~199，换言之，ICN比IBN大很多倍。结论：由于电流之间存在一定的比例关系，因此，可实现电流的控制和放大作用，改变IE可以改变ICN，只要稍稍改变IBN，就可以使ICN有很大的变化。模拟电子技术4、晶体管各级电流之间的基本关系式除了IBN、IE、ICN外，在c结反向电压作用下，b区的少子电子和C区的少子空穴还会形成漂移电流，叫做“集电极反向饱和电流”，ICBO表示。模拟电子技术这样就有：CBOCNCII）I宏观的值(CBOBNBII）I宏观的值(CBCBOBCBOCBNCNEIIIIIIIII)()(集电极电流为：基极电流为：发射极电流为：当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：BNCNIICEOBCBOBC)1(IIIII穿透电流CBOBCBOCIIII模拟电子技术IE=IC+IBCEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(IICEOBE)1(III温度不太高时，可简化为模拟电子技术上述结果是必然的，满足基尔霍夫定律。对NPN型管，电流方向是：IC和IB分别流入c极和b极，而IE流出e极。如下图所示。箭头表示发射结正偏时的电流方向，从箭头可知，b区是P型半导体，e区是N型半导体。对PNP型管，电流方向是：IC和IB分别流出c极和b极，而IE流进e极。如图所示。模拟电子技术实现电流控制和放大作用的条件：1.“内因”：三个浓度不同的掺杂区；2.“外因”：外加直流电源的极性必须保证：1）发射结（e结）正偏。对NPN型管，UBE0，使e区向b区注入大量多子电子。对PNP型管，UBE0，使e区向b区注入大量多子空穴。2）集电结（c结）反偏。对NPN型管，UBC0，使c区能够收集来自e区的大部分多子。C结的反向偏置电压越小，这时IE中的ICN减小而IB’增大，即和减小，当UCB=0时，晶体管的电流控制和放大作用就很小了。e结和c结均反偏会出现什么情况？小结：模拟电子技术晶体管在电路中的接法当把晶体管接入电路时，必然涉及两个回路一个是控制电流（例如IB）所在的输入回路，另一个是受控电流（例如IC）所在的输出回路，每个回路都必须有一个直流电源，使e结正偏，c结反偏，两个电源有四个端点，而晶体管只有三个电极，因此输入回路和输出回路的两个电源总有一个公共端。随着这个公共端所接电极的不同，晶体管在电路中就有三种不同的接法，分别为共基极共发射极共集电极模拟电子技术满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极模拟电子技术共射接法下三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)ICBOIBIBNIB+ICBO即：IB=IBN–ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)模拟电子技术ICNIEIBNICBOIB3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO模拟电子技术三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=IBNICBOIC=ICN+ICBOBNCNIICEOBCBOBC)1(IIIII穿透电流CBOBCBOCIIII模拟电子技术IE=IC+IBCEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(IICEOBE)1(III温度不太高时，可简化为模拟电子技术2–1–3现在用图2–3来说明在共基接法下晶体管的放大作用。若在图中VEE上叠加一幅度为20mV的正弦电压Δui，则正向发射结电压会引起相应的变化。)II(EE图2--3模拟电子技术ΔIC通过接在集电极上的负载电阻RL产生一个变化的电压Δuo（Δuo=ΔICRL=0.98*1KΩ=0.98V）。从RL取出来的变化电压Δuo随时间变化规律和Δui相同，但幅度却大了许多倍，所增大的倍数称为电压放大倍数。由于e结正向电流与所加电压呈指数关系，所以发射极会产生一个较大的注入电流ΔIE，例如为1mA，而IC=IE，（当=0.98时，ΔIC=0.98mA），模拟电子技术现在用图2–4来说明共射接法下晶体管的放大作用。若在图中UBB上叠加一幅度为20mV的正弦电压Δui，则正向发射结电压会引起相应的变化。由于e结正向电流与所加电压呈指数关系，所以发射极会产生一个较大的注入电流ΔIB图2-4例如为ΔIB=20uA，=0.98。则ΔIE=1mA，ΔIC=0.98mA，Δuo=ΔICRL=0.98*1KΩ=0.98V模拟电子技术•共基只是电压得到了放大，且输出电压与输入电压同相；•共射不但电压得到了放大，电流也得到了放大，且输出电压与输入电压反相。•但无论是只放大了电压还是电压和电流都得到放大，总之输出时功率得到了放大。模拟电子技术结论（1）晶体管放大器实际上是一种能量转换器，它的作用是将直流能量转换为所需要的交流能量。因此也叫做有源器件。（2）放大器的放大作用确切说是指功率的放大作用，而不是指电压或电流的放大作用。如果仅就电压放大作用而言，升压变压器就应该是一种放大器，实际上，它不可能有功率放大作用，只能是无源四端网络。模拟电子技术2.1.4晶体三极管的特性曲线因为有两个回路，所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用如图电路逐点测出。共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线。模拟电子技术一、输入特性输入回路输出回路常数CE)(BEBuufi0CEu与二极管特性相似模拟电子技术BEuBiO0CEuV1CEu0CEuV1CEu特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.3)V取0.7V取0.2V一般情况下，发射结正偏，直流电压保持在下述导通电压值上：模拟电子技术二、输出特性常数B)(CECiufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843211.截止区：IB0IC=ICEO0条件：两个结反偏截止区ICEO模拟电子技术截止区在特性曲线的位置：IE=0以下的区域为截止区。还有一种说法是IB=0以下的区域为截止区。因此进入截止区的条件为：e结为反偏，c结反偏模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.饱和区：uCEuBEuCB=uCEuBE0条件：两个结正偏特点：ICIB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO模拟电子技术3、饱和区饱和区所在的区域：IB0和UCE0.7V的区域。进入饱和区的条件：∵IB0∴发射结要正偏又∵UBC=UBE-UCE，UBE0.7V，∴UBC0即集电结也要正偏。饱和区的特点：A、UCE小，晶体管C、E之间的电压叫饱和压降，记为Uces，对于小功率管约为0.3V，对于大功率管常达1V。B、IC与UCE有很大的关系。解释如下：∵UBC=UBE－UCE∴UCE小，UCB大，c结正向偏置程度大，c结吸引来自e区多子的能力小，IC小；UCE大，UCB小，c结正向偏置程度小，c结吸引来自e区多子的能力大，IC大。即UCE大，IC大。C、各输出特性曲线的起始部分比较密集。模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放大区：CEOBCIII放大区截止区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO模拟电子技术放大区有以下三个特点：(1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔIB时，iC就会有很大的变化量ΔIC。为此，用共发射极交流电流放大系数β来表示这种控制能力。β定义为常数EuBCII反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔(2)UCE变化对IC的影响很小。由于基区宽度调制效应，每条曲线也不是完全水平，而是随UCE的增大向上倾斜的。（3）IB=0的曲线相当于b极断开，即IC=ICEO的情况，从这条特性曲线可以估计穿透电流ICEO的大小。模拟电子技术模拟电子技术三、温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO约增大1倍。BEuBiOT2T1模拟电子技术2.温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCET1iB=0T2iB=0iB=0温度每升高1C，(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O模拟电子技术2.1.6晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数BCCBOBCBOCBNCNIIIIIIII—交流电流放大系数BiiC一般为几十几百Q82A1030A1045.26380108.0A1010A10)65.145.2(63模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共基极电流放大系数11BCCECIIIII1一般在0.98