模拟电子技术第2章双极型三极管及其放大电路

第二章双极型三极管及其放大电路2.1双极型三极管2.2BJT的伏安特性曲线及主要参数2.3BJT的偏置电路与直流分析2.4放大电路的构成及性能指标2.5放大电路的交流图解分析2.6放大电路交流模型分析法2.7共集电极与共基极放大电路2.8BJT多级放大电路2.1.1BJT的原理性结构、分类及其电路符号图1-17半导体三极管器件PPNNNP(1)NPN型BJT(2)PNP型BJT半导体三极管(BipolarJunctionTra-nsistor:BJT)是指通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。图1-18NPN型BJT的结构示意图•发射区比集电区的掺杂浓度高•集电区的面积比发射区大发射极基极集电极发射区基区集电区发射结正偏集电结反偏收集电子发射结集电结EBC发射电子2.1.2BJT三极电流关系2.1.2.1BJT放大状态下的PN结偏置条件NPN型VCVBVEVCVBVE•|VB-VE|的值较小，一般硅管取0.5~0.7V，锗管取0.2~0.3V•发射结正偏，集电结反偏PNP型2.1.2BJT三极电流关系(2)根据KCL，iE=iC+iB，因此，基极电流可表示为CEii(1)集电结收集的电子流是发射结发射的总电子流的一部分，常用系数表示，有BE1ii(3)由此可导出集电极与基极电流的关系为CEBE11iiii其中，和为两种放大系数，它们之间存在如下转换关系11112.1.2.2BJT放大状态下的三极电流关系•电流分配关系当BE之间的正向电压加大时，将会有更多的电子从射区扩散到基区（iE增大），同时到达集电极的电子也会增加（iC增大），基区内复合的电子数也会增加（iB增大）。iE、iC和iB三者之间的比例基本不变。故对于一只特定的三极管，和的值可以近似地看为不变的常数。常用的三极管，值在数十到数百之间。2.1.3BJT的电流放大作用(2)根据KCL，iE=iC+iB，因此，基极电流可表示为CEii(1)集电结收集的电子流是发射结发射的总电子流的一部分，常用系数表示，有BE1ii(3)由此可导出集电极与基极电流的关系为CEBE11iiii其中，和为两种放大系数，它们之间存在如下转换关系11112.1.4BJT的流控开关作用•管内载流子的传输（p75:自学选读资料的第一部分）发射极基极集电极发射区基区集电区发射结正偏集电结反偏发射电子收集电子•管内载流子的传输（p75:自学选读资料的第一部分）发射结集电结(1)发射区向基区注入电子由于发射结正偏，发射区内的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射级电流IE。另外，基区的空穴也扩散到发射区，但由于发射区的掺杂浓度远高于基区，这部分空穴流与电子流相比可忽略不计。VEEVCCIE发射极基极集电极发射区基区集电区发射结正偏集电结反偏发射电子收集电子发射结集电结(2)电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区中形成一定的浓度梯度。因此，电子就要向集电结方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合。VEEVCCIE发射极基极集电极发射区基区集电区发射结正偏集电结反偏发射电子收集电子发射结集电结(2)电子在基区中的扩散与复合同时，VEE的正端不断从基区拉走电子。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度保持不变。这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。VEEVCCIEIB发射极基极集电极发射区基区集电区发射结正偏集电结反偏发射电子收集电子发射结集电结(2)电子在基区中的扩散与复合也就是说，注入基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。所以为了减小复合，通常把基区做的很薄（微米量级），并使基区的掺杂浓度很低，使大部分电子都能到达集电极。VEEVCCIEIB发射极基极集电极发射区基区集电区发射结正偏集电结反偏发射电子收集电子发射结集电结(3)集电极收集扩散过来的电子由于集电结反偏，集电结的势垒很高，集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结。但是这个势垒对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，可使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流IC。VEEVCCIEIBIC发射电子思考：PNP型BJT应该如何连接？E1mAiI20mVv•放大作用vIVEEVCCecb++++----vOvEBvCBEEEiIiCECCiIiiBEBB1iiIiRL图1-19简单的放大电路BJT最基本的一种应用，是把微弱的电信号加以放大。一简单的放大电路如图2-3所示。•PN结的正向电压对电流的控制作用很灵敏，因此ΔvI的微小变化就可以引起IE很大的变化。•IC=αIE，若α=0.98，ΔIC=0.98mA•ΔIC通过集电极的负载电阻RL产生一个变化电压ΔvO,若RL取1kΩ，则ΔvO=ΔIC×RL=0.98V。•ΔvO随时间的变化规律与ΔvI相同，但幅度却大了许多倍。所增大的倍数称为电压增益，即OVI0.98V4920mVvAvBJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。工程上最常用到的是它的输入特性曲线和输出特性曲线。++--RLvOVCCEEEiIiCCCiiiVBBvI+-vBEBBBiIi图1-20共射极放大电路以发射极作为共同端，以基极作为输入端，集电极作为输出端。(1)输入特性：指当集电极与发射极之间的电压vCE为某一常数时，输入回路加在BJT基极与发射极之间的电压vBE与基极电流iB之间的关系曲线。iB=f(vBE)|vCE=常数(2)输出特性：指在基极电流iB一定的情况下，BJT的输出回路中，集电极与发射极之间的电压vCE与集电极电流iC之间的关系曲线。iC=f(vCE)|iB=常数图1-21NPN型硅BJT共射极接法的输入特性曲线(1)输入特性•vCE=1V的输入特性较vCE=0V的特性向右移动了一段距离，这是由于当vCE=1V时，集电结吸引电子的能力加强，使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区，因此对应于相同的vBE，流向基极的电流iB比原来vCE=0时减小了。•当vCE1V以后，只要vBE保持不变，则从发射区发射到基区的电子一定，而集电结所加的反向电压大到1V以后已能把这些电子中的绝大部分拉到集电结来，以至vCE再增加，iB也不再明显减小，故vCE≥1V后的输入特性基本重合。(2)输出特性•输出特性的起始部分很陡。这是由于在vCE很小时，集电结的反向电压很小，对到达基区的电子吸引力不够，这时vCE稍有增加，从基区到集电区的电子也增加，故iC随之增大。•当vCE超过某一数值后（约1V），特性曲线变得平坦。这是因为这时集电结的电场已经足够强，能使发射区扩散到基区的电子绝大部分都到达集电区。由于iC=βiB，在vCE大于约1V后，输出特性是一组间隔基本均匀，比较平坦的平行直线。图1-22NPN型硅BJT共射极接法的输出特性曲线饱和区截止区放大区放大就是将小信号转换为大信号。例：声音——麦克风——放大——扬声器放大电路的本质是对能量进行控制，用小能量去控制大的能量，并且输入与输出信号的变化形式相同。三极管：基极电流对集电极电流有控制作用。场效应管：栅极电压对漏极电压有控制作用。因此，三极管和场效应管可以组成放大电路。三极管放大电路可以分为共射极、共基极，共集电极三种基本接法。场效应管放大电路可以分为共源极、共栅极，共漏极三种基本接法。交流通路图2-1共射极基本放大电路+-RCVCCVBBRb+-vBE12V12Vvi300kΩiE+-4kΩCb1+-Cb2++iBiCvCEAOBObcevOVBB：保证发射结正向偏置，并供给基极电流IB(常称作偏流)。有bBBbBEBBBRVRVVIVBB和Rb确定后，偏流IB就是固定的，这种电路又称作固定偏流电路。Rb称为基极偏置电阻。VCC：集电极回路的直流电源，保证集电结反向偏置。RC:集电极电阻，作用是将集电极电流iC的变化转化为集电极电压vCE的变化。Cb1、Cb2：称为隔直电容或耦合电容。起“传送交流，隔离直流”的作用。直流通路：C断路，L短路•静态工作情况分析1.近似估算Q点当放大电路没有输入信号时(vi=0)，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。在静态工作情况下，BJT各电极的直流电压和直流电流的数值，将在管子的特性曲线上确定一点，这点常称为Q点。当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。Cb1Rb300kΩRC4kΩiBCb2VCC12ViCvOvi图2-2∵对于直流量，C相当于开路，L相当于短路。bCCbBECCBRVRVVI∴对应于iB的集电流iC为（注意此时iB=IB，iC=IC）BCII由集电极回路，可得CCCCCERIVV•静态工作情况分析2.用图解法确定Q点+-RCVCCVBBRb+-vBE12V12Vvi300kΩiE+-4kΩCb1+-Cb2++iBiCvCEAOBObcevO图2-3静态工作情况图解(a)电路图(b)图解分析(1)把放大电路分为非线性和线性两个部分(2)作出电路非线性部分的V—I特性非线性电路部分线性电路部分BBBb/12/300k40AIVRV(a)(b)BCCE40A()|iifv(*)•静态工作情况分析2.用图解法确定Q点(3)作出线性部分的V—I特性曲线——直流负载线线性部分的电压、电流由下列方程确定：vCE=VCC-iCRC(#)上式表示一条直线，该直线与横轴和纵轴分别相交于M、N两点，其斜率为-1/RC，是由集电极负载电阻RC确定的。由于所讨论的是静态工作情况，电路中的电压、电流都是直流量，所以直线MN称为直流负载线。(VCC,0)(0,VCC/RC)•静态工作情况分析2.用图解法确定Q点(4)由电路的线性和非线性两部分V—I特性的交点确定Q点因为电路的线性和非线性两部分实际上是串联在一起构成一个电路整体。所以只有这两部分V—I特性的交点Q所对应的电流电压值，才能同时满足式(*)和(#)。Q点表示在给定条件下电路的工作状态，由于此时没有信号输入电压，所以Q点就是静态工作点。由图可以读出，IB=40μA，IC=1.5mA,VCE=6V图2-2图2-1简化电路的习惯画法为方便分析，我们规定：电压的正方向是以共同端(O点)为负端，其他各点为正端。电流iC和iB以流入电极为正、iE则以流出电极为正。共射放大电路是工程实际中应用较为广泛的一种电路组态。为了简化电路，一般选取VCC=VBB。图2-1的简化电路见下图。Cb1Rb300kΩRC4kΩiBCb2VCC12ViCvOvi为了衡量一个放大电路的性能，可采用若干技术指标来表示。常用的有增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应和带宽等。今后将结合具体电路逐步加以讨论。•动态工作情况分析当接入正弦信号时，电路处于动态工作情况，可以利用图解法得出vO与vi之间的相位关系和动态范围。图解的步骤是先根据输入信号vi，在输入特性上画出iB的波形，然后根据iB的变化在输出特性上画出iC和vCE的波形。(1)根据vi在输入特性上求iB当正弦输入电压加到放大电路的输入端后，BJT的基极与发射极之间的电压vBE就是在原有直流电压VBE的基础上叠加了一个交流量，如图中曲线①。根据vBE的变化规律，便可以从输入特性曲线画出iB的波形图，如图中的曲线②。1.放大电路接入正弦信号时的情况•动态工作情况分析(2)根据iB在输出特性上求iC和vCE放大电路的直流负载线是不变的。但当iB变化时，直流负载线与输出特性的交点会随之改变。设对应于iB=iBMAX和iB=iBMIN的输出特性与直流负载线分别交于Q1和Q2