第3章-晶体三极管及其基本放大电路

第3章晶体三极管及其放大电路27第3章晶体三极管及其放大电路本章首先介绍晶体三极管结构、工作原理及特性曲线，在此基础上讨论基本放大电路的分析、静态工作点的稳定、多级放大电路的分析和计算，以及放大电路的频率特性等。重点讨论放大电路的静态和动态分析，即静态工作点和交流性能参数（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻）的计算。3.1晶体三极管3.1.1晶体三极管的分类及结构晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。它是采用光刻、扩散等工艺在同一块半导体硅(锗)片上掺杂形成三个区、两个PN结，并引出三个电极。由两个N区夹一个P区结构的三极管称为NPN型晶体管；由两个P区夹一个N区结构的三极管称为PNP型晶体管。晶体管按照制造材料分为锗管和硅管；按照工作频率分为低频管和高频管；按照允许耗散的功率大小分为小功率管、中功率关和大功率管。常见外形如图3-1所示。NNP集电区发射区基区c集电极b基极e发射极集电结发射结cbeNPNebcPNP集电区发射区基区c集电极b基极e发射极集电结发射结（c）PNP管结构示意图（d）三极管符号cbeNPN管PNP管（a）NPN管结构示意图（b）NPN管芯结构剖面示意图图3-2三极管结构示意图及其符号（a）（b）（c）（d）三极管的结构示意图及其符号如图3-2所示。图3-2a所示为NPN型三极管，图3-2a所示为PNP型三极管。由图可见，两种三极管都有三个区：基区、集电区和发射区；两个PN结：集电区和基区之间的PN称为集电结，基区和发射区之间的PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。其结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂浓度远低于发射区且很薄，三极管符号中的箭头方向是表示发射极电流的实际流向。图3-1常用三极管的外形及管脚排列第3章晶体三极管及其放大电路28尽管NPN型和PNP型三极管的结构不同，使用时外加电源也不同，但接成放大电路时工作原理是相似的，本章将以NPN管为例，讨论三极管放大电路的基本原理、分析和计算方法。3.1.2三极管的工作原理1.三极管放大交流信号的外部条件要使三极管正常放大交流信号，除了需要满足内部条件外，还需要满足外部条件：发射结外加正向电压（正偏压），集电结外加反向电压（反偏压），对于NPN管，0BEU，0BCU；对于PNP管，0BEU，0BCU。为此，可用两个电源BBU、CCU来实现正确偏置，如图3-3所示。2.晶体管内部载流子运动过程①发射区的电子向基区运动如图3-3所示。由于发射结外加正向电压，多子的扩散运动增强，所以发射区的“多子”—自由电子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流ENI（电流的方向与电子运动方向相反）。同时电源向发射区补充电子，形成电流EI。而此时基区的多子—空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流EPI。但由于基区掺杂浓度低，空穴浓度小，EPI很小，可忽略不计，故ENI基本上等于发射极电流EI。②发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，且基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合，同时，电源BBU不断向基区补充空穴，形成基区复合电流BNI。由于基区掺杂浓度低且薄，故复合的电子很少，亦即BNI很小。③集电区收集发射区扩散过来的电子由于集电结加反向电压，有利于“少子”的漂移运动，所以基区中扩散到集电结边缘的非平衡“少子”——电子，在电场力作用下，几乎全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流CNI。同时，集电区“少子”—空穴和基区本身的“少子”—电子，也要向对方做漂移运动，形成反向饱和电流CBOI。CBOI的数值很小，一般可忽略。但由于CBOI是由“少子”形成的电流，称为集电结反向饱和电流，方向与CNI一致，该电流与外加电压关系不大，但受温度影响很大，易使三极管工作不稳定，所以在制造管子时应设法减少CBOI。图3-3是将三极管连接成共发射极组态是内部载流子运动的示意图，由图可得CNBNENEIIII(3-1)CBOCNCIII(3-2)CBOBNBIII(3-3)将式(3-2)、(3-3)代入(3-1)中，有CBCBOCCBOBE)()(IIIIIII(3-4)即发射极的电流等于基极电流与集电极电流之和。cbe图3-3三极管内部载流子运动示意图CNICBOIBNIEBIENINPNbRBBUcRCCUCIBIEI第3章晶体三极管及其放大电路29综上所述，三极管在发射结正偏电压、集电结反偏电压的作用下，形成BI、CI和EI，其中CI和EI主要由发射区的多数载流子从发射区运动到集电区而形成，BI主要是电子和空穴在基区复合形成的电流。可见三极管内部电流由两种载流子共同参与导电而形成，因此称之为“双极型三极管”。3.三极管的电流分配关系三极管有三个电极，可视为一个二端口网络，其中两个电极构成输入端口、两个电极构成输出端口，输入、输出端口公用某一个电极。根据公共电极的不同，三极管组成的放大电路有3种连接方式，通常称为放大电路的三种组态，即共基极、共发射极和共集电极电路组态，如图3-4所示。无论是哪种连接方式，要使三极管有放大作用，都必须保证发射结正偏、集电结反偏，则三极管内部载流子的运动和分配过程，以及各电极的电流将不随连接方式的变化而变化。根据图3-4中晶体三极管的三种组态，可分别用三个电流放大系数来表示它们之间的关系。①共基极直流电流放大系数将集电极电流CI与发射极电流EI之比称为共基极直流电流放大系数，即ECII(3-5)的值小于1但接近1，一般为0.95~0.99，即意味着CI≈EI。晶体三极管的基区越薄，掺杂浓度越低，发射区发射到基区的电子复合的机会就越少，的值就1越接近1。由3-4式和3-5式可得ECII(3-6)EEECEB)1(IIIIII(3-7)②共发射极直流电流放大系数将集电极电流CI与基极电流BI之比称为共发射极直流电流放大系数，即BCII(3-8)β的值远大于1，一般在10～100左右，说明BCII。此值表征了三极管对直流电流的放大能力。它也表示了基极电流对集电极电流的控制能力，就是以小的BI(μA)，控制大的CI(mA)。所以三极管是一个电流控制器件，利用这一性质可以实现放大作用.由式(3-4)和(3-8)可得BCII(3-9)BBBCBE)1(IIIIII(3-10)图3-4晶体三极管的三种组态(a)共基极接法(b)共发射极接法(c)共集电极接法第3章晶体三极管及其放大电路30③共集电极直流电流放大系数将发射极电流EI与基极电流BI之比称为共集电极直流电流放大系数，即BEII(3-11)由于BEII，故的值也远大于1。由3-4式和3-11式可得BEII(3-12)BBBBEC)1(IIIIII(3-13)由此可得出β、和的三者关系为11)1(EEBCIIII(3-14)11ECII(3-15)111)1(BBBEIIII(3-16)若考虑CBOI的影响，则由图3-4可得CBOCNCIII(3-17)CBOBNBIII(3-18)实际上β值应为CNI和BNI之比，即BNCNII(3-19)综合3-17式、3-18式和3-19式可得CBOBCBOCBOBCBOBNCBOCNC)1()(IIIIIIIIII令CBOCEO)1(II，则CEOBCIII(3-20)CEOI称为三极管的反向穿透电流，它在数值上等于CBOI的)1(倍。在温度变化时，CEOI对CI的影响较大，必要时须考虑CEOI的影响。在常温情况下，工程计算一般忽略CEOI。3.1.3三极管的放大作用iu1CbR+-BEubici+-CEu+2C+ou-BBUCCU+-CR+-T图3-5三极管放大电路原理图++ou+-bRcR2C1Ciu+-+-susRT+-susR(a)(b)CCUBEu+-+-CEu2k300k300k2k第3章晶体三极管及其放大电路31在实际应用中利用三极管放大电路放大微弱信号，其原理电路如图3-5a所示，实际电路中常取CCBBUU，于是有图3-5b所示习惯画法的共射极放大电路图。其中输入电压iu为微弱变化的电压信号，它引起三极管基极电流bi的变化。若输入交流电压iu变化量为mV40iu，使bi变化μA20bi，使集电极电流ci变化mA2bcii，其中)100(称为共发射极交流电流放大系数(其数值和共发射极直流电流放大系数接近，即在几十至上百倍之间)，则在集电极电阻cR两端产生的交流电压为(V)422ccoRiu，于是该放大器的电压放大系数50402000iouuuA。可见，输入一个微弱的基极电压iu，便可在cR两端得到“放大”了的输出电压ou。如果各电阻选择的合适，则可得到放大的电压和相应的功率，这就是三极管的放大原理。需要指出的是，放大电路实质上是放大器件的控制作用，三极管就是一个电流控制电流器件，由微弱的基极电流bi，控制较大的集电极电流bi，放大作用是针对变化量而言的，放大的能量是由直流电源CCU供给。3.1.4三极管的特性曲线及主要参数3.1.4.1三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线是指其各电极间电压和电流之间的关系曲线，包括输入特性曲线和输出特性曲线，它们是三极管内部特性的外部表现，是分析放大电路的重要依据。这两组曲线可通过晶体管特性图示仪测得，也可通过实验的方法得到。图3-6所示是以共发射极放大电路为例的三极管特性测试电路示意图。1.输入特性曲线对于图3-6所示测试电路，输入特性曲线是指在集射极电压CEu为一定值时，输入基极电流Bi与输入基射极电压BEu之间的关系曲线，即常数CE)(BEBuufi(3-21)图3-7a是NPN型硅晶体三极管的输入特性曲线。实际上输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线很相似，也是存在死区电压。当BEu小于死区电压时，三极管截止，0Bi。一般硅晶体三极管的死区电压典型值为0.5V，锗晶体三极管的死区电压典型值为0.1V。当BEu大于死区电压时，基极电流随着BEu的增加迅速增大，此时三极管导通。在图中只给出两条曲线：0CEuV和V1CEu，并且V1CEu的输入特性曲线右移了一段距离。这是由于在V0CEu时，集电结处于正向偏置，集电区没有收集电子的能力或很弱，此时发射区发射的电子iu1CbR+-BEuBiCi+-CEu+bC+ou-BBUCCU+-CR+-T图3-6三极管特性测试电路示意图mA/CiV/CEuμA20Bi4060800图3-7三极管的特性曲线0μA/BiBEvV0CEuV1CEu(a)(b)(a)输入特性(b)输出特性0BiBECEuu饱和区放大区CMI(BR)CEOU过功耗区截止区0.40.8AB8VC第3章晶体三极管及其放大电路32在基区复合的多，V1CEu后，集电结处于反向偏置，集电区收集电子的能力增强，更多的发射区电子被“收集”到集电区，因此在相同的BEu的情况下，基极电流较V0CEu小。此外V1CEu以后，只要BEu一定，发射区发射到基区的电子数目就一定，这时CEu已足以把这些电子的大部分收集到集电区，再增大CEu基极电流Bi也不再随之明显变化，V1CEu以后的输入特性曲线时重合的。实际放大电路中大都满足V1CEu，因此，三极管的输入特性曲线都是指这条曲线。三极管导通后，发射结的导通电压和二极管基本一致，工程计算典型值一般硅管取V7.0BEU，锗管取V2.0BEU。2.输出特性对于图3-6所示共发射极放大电路，三极管输出特性是指当Bi为定值时，集电极电流Ci与集射极之间电压CEu的关系曲线，即常数B)(CECiufi(3-22)不同的基极电流Bi对应的曲线不同，因此，三极管的输出特