三极管放大电路

半导体三极管及其电路分析第二章2.1半导体三极管2.2基本放大电路2.3半导体三极管电路的基本分析方法本章小结§2.1半导体三极管一、结构与符号NPNebcebcNebPNcNPN电路符号集电结注意：•①发射区与集电区显然是同一半导体，但不能互换。原因是发射区掺杂浓度较高，主要任务是发射载流子；而集电区浓度较低，主要任务是接受载流子。（但它比基区浓度高。）•结构特点：是一个具有两个背靠背的PN结、三个电极的半导体器件。集电结•②集电区的尺寸比发射区大，集电结比发射结厚。•③基区掺杂浓度低而且很薄，几个微米~几十个微米，使发射区发射的载流子很容易穿过基区到达集电区（发射区比基区浓度高几百几千倍）任务是传送和控制载流子,同时复合部分电子,控制传送比例。集电结另一种型号的三极管为：PNP型如图所示。符号为：BCE箭头表示电流流向NPN型管子大多由硅材料制成，PNP型管子通常用锗材料制成。集电结发射结三极管分类：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二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路2.1.2三极管的工作原理一、三极管的电流放大作用1.三极管放大的条件三极管实现电流放大的外部偏置条件：发射结正偏，集电结反偏，此时，各电极电位之间的关系是：NPN型UC＞UB＞UEPNP型UC＜UB＜UE如图2.2所示。图2.2三极管放大的外部偏置条件2.电流分配关系图2.3是NPN管放大实验电路。图2.3放大实验电路电路中的三极管的偏置满足发射结正偏，集电结反偏。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)ICNIEIBNICBOIB3)集电结反偏，使集电极电位高于基极电位，于是在集电结上有一个较强的电场，把由发射区注入到基区的自由电子大部分拉到集电区，形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO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+ICBOBNCN=IICEOBCBOBC+=)+1(+=IIIII穿透电流CBOBCBOC+=IIIIBCII≈定义CBOCEOII)1(IE=IC+IBCEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(II通常称为共射极交流电流放大系数。β≈BCII通常均很小,可以忽略不计。CEOCBOII、CEOBEI)Iβ(I1定义为三极管的共发射极直流电流放大系数。调节Rb，改变IB的大小，得出相应的IC和IE的数据，如表2.1所示。表2.1电流放大实验数据IB(mA)-0.00400.010.020.030.040.05IC(mA)0.0040.011.092.083.074.065.05IE(mA)00.011.102.103.104.105.10由表可得：三极管各电极电流分配关系是：IE=IB+IC由于基极电流很小，因而IE≈IC。3.放大作用的实质由上述实验结果可知，当IB有一微小变化时，能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。电流放大作用的实质是通过改变基极电流IB的大小，达到控制IC的目的，而并不是真正把微小电流放大了，因此称三极管为电流控制型器件。（2）标出e、b、c极，并判断出该管是NPN型还是PNP型管。（3）估算其β值。例2.1测得工作在放大状态的三极管两个电极的电流如图2.4所示。（1）求另一个电极的电流，并在图中标出实际方向。图2.4解：（1）图2.4(a)中①、②管脚的电流均为流入，则③管脚的电流必为流出，且大小为0.1+4=4.1(mA)，如图2.4(b)所示。（2）由于③管脚的电流最大，①管脚的电流最小，因此①管脚为b极，②管脚为c极，③管脚为e极。又由于③管脚的发射极电流为流出，故该管为NPN型管。（3）由于IB=0.1mA，IC=4mA，故：401.04BCII二、饱和状态：uCEuBEuCB=uCEuBE0两个结正偏特点：ICIB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)0.1V(锗管)UCE(SAT)=三、截止状态：IB0IC=ICEO0两个结反偏放大状态电流分配关系确定BCEIIIBCIIBCII有电流放大作用三极管发射结正偏，集电结反偏时有电流放大作用三极管有三种工作状态：放大、饱和、截止。都是导通状态总结：例2.2若测得放大电路中工作在放大状态的三个三极管的三个电极对地电位U1、U2、U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管？是NPN型还是PNP型？并确定c、b、e极。(1)U1=2.5VU2=6VU3=1.8V(2)U1=-6VU2=-3VU3=-2.7V(3)U1=-1.7VU2=-2VU3=0V晶体管三个工作区的特点:放大区:截止区:饱和区:发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用,IC=βIB输出曲线具有恒流特性发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用,IC≈0晶体管C、E之间相当于开路发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路CEB+--+CEB+--+CEB+--+解：(1)由于U13=U1-U3=0.7V，故该管为硅管，且1、3管脚中一个是e极，一个是b极，则2脚为c极。又因为2脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，3脚为e极。(2)由于∣U23∣=0.3V，故该管为锗管，且2、3管脚中一个是e极，一个是b极，则1脚为c极。又因为1脚电位最低，故该管为PNP型，从而得出2脚为b极，3脚为e极。(1)U1=2.5VU2=6VU3=1.8V(2)U1=-6VU2=-3VU3=-2.7V(3)由于∣U12∣=0.3V，故该管为锗管，且1、2管脚中一个是e极，一个是b极，则3脚为c极。又因为，3脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，2脚为e极。(3)U1=-1.7VU2=-2VU3=0V2.1.3三极管的伏安特性曲线输入回路输出回路常数CE)(BEBuufi0CEu与二极管特性相似一.输入特性曲线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曲线是非线性的，也存在一段死区，当外加UBE电压小于死区电压时，三极管不能导通，处于截止状态。所以实际用的就是1V的那根线。二.输出特性曲线是指iB为某一常数时，三极管的输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线。常数B)(CECiufi当IB取值不同时，就有一条不同的输出特性曲线OIB减小IB增加UCEICIB=20µAIB=60µAIB=40µA图2.6三极管的输出特性曲线iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321当IB取值不同时，就有一条不同的输出特性曲线，如图2.6所示。1、截止区三极管输出特性曲线中，IB=0的输出特性曲线以下，横轴以上的区域称为截止区。其特点是：发射结和集电结均为反偏，各电极电流很小，相当于一个断开的开关。iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区ICEO三.三极管的三个工作区iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212、放大区：BCII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此时IC受控于IB；同时IC与UCE基本无关，可近似看成恒流。此区内三极管具有电流放大作用。3、饱和区输出特性曲线中，UCE≤UBE的区域，即曲线的上升段组成的区域称为饱和区。饱和区的特点是：发射结和集电结均为正偏。工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关，没有电流放大作用。饱和区iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321放大区截止区ICEO判断是否饱和用临界饱和电流ICS和IBS：CCCCCE(sat)CCCSRVRUVICCCCSBSRVIIiBIBS，则三极管饱和。bBECCBRVVIRBVBB输入输出RCVCCcbe1、共发射极连接实际电路图输入端be;输出端ce输入输出ceb原理图+-+-IbIeIcIc=βIbIe=(1+β)Ib2.1.4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输入端eb;输出端cb输入输出+-输入输出+-RCVCCRbVbe实际电路图原理图cebIbIeIeIc共基极电流放大倍与共射极电流放大倍的关系α=;α==IcIeβ(1+β)(1+β)IbβIb11BCCECIIIII(2).共基极电流放大系数0.981988.0180801共集电极连接RBVBB输入输出VCCcbeRe输入端bC;输出端Ce直流电压源对信号短路输入输出ecb原理图+-+-IbIcIe实际电路图Ie=(1+β)Ib(3).共集电极电流放大系数穿透电流ICEO与ICBO之间的关系为：ICEO=(1+β)ICBO二、极间反向饱和电流CB极间反向饱和电流ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。1.集-基极反向饱和电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。BECNNPICBOICEO=IBE+ICBOIBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBO2.集-射极反向饱和电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。Icbo=Ibe三、极限参数1.ICM—集电极最大允许电流，超过时值明显降低。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iCuCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区U(BR)CBO—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。3.U(BR)CEO—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO已知:ICM=20mA,PCM=100mW，U(BR)CEO=20V，当UCE=10V时，ICmA当UCE=1V，则ICmA当IC=2mA，则UCEV102020习题§2.2三极管基本应用电路三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理放大电路的基本概念一.放大的基本概念放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放大电路。放大电路的主要技术指标•放大倍数A•输入电阻ri•输出电阻ro•通频带BW1、放大倍数A放大倍数又称增益，是衡量放大电路放大能力的指标。通常采用正弦量为输入信号us。A放大电路RLRSSUiUoUoIiI+++−−信号源负载−电压放大倍数：iouUUA源电压放大倍数：sousUUA电流放大倍数：ioiIIA互导放大倍数：互阻放大倍数：