模拟电子技术第四章双极结型三极管及放大电路基础

模拟电子技术第四章三极管及放大电路基础BJT的简介共射极放大电路放大电路的分析方法放大电路静态工作点的稳定问题共集电极放大和共基极放大电路组合放大电路放大电路的频率响应模拟电子技术§4.1半导体BJT一、BJT结构(BipolarJunctionTransistor)形成:将两个PN结结合到一起;由于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);2个PN结的相互作用，使得三极管具有电流放大作用；三极管包括NPN与PNP两种类型。基本概念模拟电子技术1、几种BJT的外形(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管模拟电子技术半导体三极管图片模拟电子技术N集电区N发射区P基区ebc集电结发射结集电极发射极基极2.三极管的结构与符号ebcNPN管的结构及符号结面积大杂质浓度低，且很薄杂质浓度高，自由电子浓度高箭头表示BJT导通时的电流方向2个PN结不是简单的组合，每个区有各自的特点。模拟电子技术P集电区P发射区N基区ebc集电结发射结集电极发射极基极PNP管的结构及符号bec结面积大杂质浓度低，且很薄杂质浓度高，空穴浓度高箭头表示BJT导通时的电流方向模拟电子技术二、BJT的电流分配与放大原理1.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;集电区的面积大。外部条件：发射结正偏；集电结反偏。模拟电子技术（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散2.BJT内部载流子的传输（以NPN为例）模拟电子技术IBbVEEVCCecIEICNNP电子流BNIICBOICN3.电流分配关系设：发射结、基极与集电极电流分别用IE、IB、IC表示。集电极收集的电子流基极复合电流基极-集电极反相饱和电流ECNIICBOCB)(IIICBOCNCIII由于，CBEIII因而，CBOBC111IIIBCBE)(1IIII为发射电流被集电极收集的比例系数CBOCEO)(1IIBCII忽略，CEOICEOBCBOBC)(1IIIII1令，发射极-集电极反相饱和电流，或称穿透电流模拟电子技术也被称为发射极电流放大系数。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。称为基极电流放大系数。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。由于，，因而一般1。三极管的集电极电流对基极电流具有很好的放大作用1模拟电子技术4.三极管的三种基本连接电路(c)共集电极接法。(b)共发射极接法；(a)共基极接法；基极作为公共电极发射极作为公共电极集电极作为公共电极输入输入输入输出输出输出模拟电子技术结论BJT满足内部条件和外部条件，具有放大作用；电流放大系数发射极电流放大系数：ECII或，ECII基极电流放大系数：BCII或，BCII1α与β满足：BJT的放大作用，按电流分配实现，称之为电流控制元件；CEOBCIII模拟电子技术晶体管具有电流放大作用时的管脚电压：NPN管：UBE0UBC0即VCVBVEPNP管：UBE0UBC0即VCVBVEebcbec对于硅管，UBE≈0.7;对于锗管，UBE≈0.2,模拟电子技术各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.950.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。BECNNPEBRBECRC模拟电子技术例1在晶体管放大电路中，测得三个晶体管的各个电极的电位如图。试判断各晶体管的类型（是NPN管还是PNP管，是硅管还锗管），并区分e、b、c三个电极。2V2.7V6V2.2V5.3V6V4V1.2V1.4V(a)(b)(c)模拟电子技术解：(1)依|VBE|=0.7V(或|VBE|=0.2V)确定硅还是锗。(2)找出c极：极间电压不是0.7V或0.2V的为c极。(3)VB、VE、VC三个电位中，VC最低，是PNP管；VC最高，是NPN管。(4)PNP管：VCVBVE；NPN管：VCVBVE。以确定b,e极。2V2.7V6V2.2V5.3V6V4V1.2V1.4V(a)(b)(c)CCCPNPPNPNPNebbeeb硅硅锗模拟电子技术例2：测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示在圆圈内画出管子，说明管型，标明极性，并判别是锗管还是硅管。硅PNP硅NPN硅NPN锗NPN锗PNP锗PNP模拟电子技术特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。由于BJT为双端口网络，因而包括输入V-I特性与输出V-I特性。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线三、BJT的V-I特性曲线（以共射电路为例）模拟电子技术发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路（共射电路）输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++特性曲线模拟电子技术为什么VCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代VCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么VCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性曲线在C-E之间接固定电压时，基极电流与B-E之间的电压之间的变化关系，称为共射电路的输入特性。即：常数CE)(BEBvvfi模拟电子技术1.输入特性曲线常数CE)(BEBvvfivBE(V)iB(A)C25802040600.20.40.60.8OvCE=0VVCE=1VvCE=0，没有电子被集电极收集，相当于二极管的正向特性。vCE1V后，vCE，iC基本不变，iB亦基本不变，因而，一般使用vCE=1V的曲线作为输入特性。vCE=1V，集电结反偏，电子大部分被集电区收集引起iB，需要更大的B-E电压才能产生同样的基极电流，曲线右移在C-E之间接固定电压时，基极电流与B-E之间的电压之间的变化关系，称为共射电路的输入特性。即：VCE1V模拟电子技术vCE(V)iC(mA)C25432102468ICE02.输出特性曲线常数B)(CECivfi100806020iB=0iB=40(A)改变iB，得到一组曲线簇CE0BCIii当vCE很小时，曲线很陡，由于集电结反偏小，收集载流子能力弱，此时，βiB≥iC值，称为饱和区。vCEiC当vCE1V后，iC大致与横轴平行，β基本不变，为线性放大区；在基极电流一定时，集电极电流与C-E之间的电压之间的变化关系，称为共射电路的输出特性。即：饱和区线形放大区截止区模拟电子技术2.输出特性B)(CECIufi对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区BiCi常量CEBCUii模拟电子技术晶体管的三个工作区域晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC。状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE模拟电子技术四、BJT的主要参数1.电流放大系数BCEOCIII若ICICEO则BCII交流时，用表示BCII对于共射电路，直流电流放大系数为：对于共基电路，直流电流放大系数为：ECII交流时，用α表示ECIIβ是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?模拟电子技术5374051.m.iiAABQCQ4040605132..iiBCvCE(V)iC(mA)C254321024682.31.5iCiBQ100806040iB=20(A)例模拟电子技术电流放大系数不是固定不变的值，只有在特性曲线较平坦的部分，基本保持不变，可以看作为常数直流放大系数反映的是静态工作时的放大倍数，而交流放大系数是动态工作时的放大倍数。只有在忽略ICEO且工作在线性区时，直流放大系数与交流放大系数接近。由于ICEO较小，工程上放大器一般工作在线性区，因而一般认为：结论模拟电子技术2.集电极－基极反向饱和电流ICBO由三极管的集电极-基极之间的PN结的少数载流子的反向漂移引起的电流；可以通过在c、b间加上一定反向电压进行测试；VCCeA+–cbICBO-ICBO随温度升高而升高；硅管的ICBO较小，1A锗管：约为10A。模拟电子技术3.集电极－发射极反向饱和电流ICE0（穿透电流）基极开路，c、e间加一定反向电压时的集电极电流VCCecbICEOACBOCEO)1(IIICEO也可通过外加电压测试；ICEO随温度升高而升高；模拟电子技术4.极限参数a.集电极最大允许电流ICM三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过ICM，管子性能下降，甚至烧坏。（几十毫安～几百安培）模拟电子技术b.集电极最大允许功率PCM集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值会使管子性能变坏或烧毁。因此，集电极电流与C-E间的电压必须满足：CMCECcPviP安全工作区模拟电子技术c.反向击穿电压VBRV(BR)EBO:集电极开路时，e-b间的反向击穿电压。V(BR)CBO:发射极开路时，c-b间的反向击穿电压。V(BR)CEO:基极开路时，c-e间的反向击穿电压。设计放大电路时，应选择合适的三极管与电路参数，保证工作在BJT的安全工作区域。模拟电子技术BEBBBECEO)(uiiuIIITCC不变时，即不变时℃五、温度对BJT参数的影响模拟电子技术(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。五、温度对BJT参数的影响模拟电子技术一、电路的组成及各元件的作用VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合适的IB。VCC：使UCE≥UBE，同时作为负载的能源。Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uo)。)(oCEcbIcuuuiiuR动态信号作用时：输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。共射§4.2共射极放大电路模拟电子技术二.共射放大电路的电压放大作用UBEIBICUCE（1）无输入信号(ui=0)时:uo=0uBE=UBEuCE=UCE+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtO模拟电子技术ICUCEOIBUBEO结论：(1)无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE。(IB、UBE)和(IC