模拟电子技术-第六版-第5章-双极结型三极管(BJT)及其放大电路

《电子技术基础》模拟部分（第六版）江苏常熟理工学院罗韩君2电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源35双极结型三极管及其放大电路5.1BJT5.2基本共射极放大电路5.3BJT放大电路的分析方法5.4BJT放大电路静态工作点的稳定问题5.5共集电极放大电路和共基极放大电路5.6FET和BJT及其基本放大电路性能的比较5.7多级放大电路5.8光电三极管45.1BJT5.1.1BJT的结构简介5.1.2放大状态下BJT的工作原理5.1.3BJT的V-I特性曲线5.1.4BJT的主要参数5.1.5温度对BJT参数及特性的影响55.1.1BJT的结构简介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管65.1.1BJT的结构简介75.1.1BJT的结构简介半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型85.1.1BJT的结构简介结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。集成电路中典型NPN型BJT的截面图9载流子的传输过程5.1.2放大状态下BJT的工作原理三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏集电结反偏1.内部载流子的传输过程发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子（以NPN为例）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)。IC=ICN+ICBOIE=IB+IC10载流子的传输过程2.电流分配关系发射极注入电流传输到集电极的电流设EnCII即根据传输过程可知IC=InC+ICBO通常ICICBOECII则有为电流放大系数。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。IE=IB+IC111又设BCEOCIII则是另一个电流放大系数。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。一般1。根据IE=IB+ICIC=InC+ICBOEnCII且令BCCEOCIIII时，当ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）2.电流分配关系123.三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，简称CC。共基极接法，基极作为公共电极，简称CB；共发射极接法，发射极作为公共电极，简称CE；iEiCiBiCiBiEiC=iEiC=iBiE=(1+)iB输出口输入口输出口输入口输出口输入口13共基极放大电路4.放大作用若vI=20mV电压放大倍数4920mVV98.0IOvvvA使iE=-1mA，则iC=iE=-0.98mA，vO=-iC•RL=0.98V，当=0.98时，145.1.2放大状态下BJT的工作原理综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。155.1.3BJT的I-V特性曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCEiB=f(vBE)vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，收集载流子能力增强，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线（以共射极放大电路为例）165.1.3BJT的I-V特性曲线(3)输入特性曲线的三个部分①死区②非线性区③近似线性区iBvBEiBvBEiBvBE1.输入特性曲线175.1.3BJT的I-V特性曲线饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)iB=const输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。2.输出特性曲线185.1.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数β1.电流放大系数constBCBCEOCCEvIIIIIβ(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const195.1.4BJT的主要参数(3)共基极直流电流放大系数=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE(4)共基极交流电流放大系数αα=IC/IEVCB=const当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。1.电流放大系数205.1.4BJT的主要参数(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时，集电结的反向饱和电流。+bce-μAIE=0VCCICBO2.极间反向电流215.1.4BJT的主要参数(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO=（1+）ICBO即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。+bce-VCCICEOmA2.极间反向电流225.1.4BJT的主要参数(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=ICVCE3.极限参数(3)反向击穿电压V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。235.1.4BJT的主要参数由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区过流区过压区245.1.5温度对BJT参数及特性的影响(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。2.温度对BJT特性曲线的影响1.温度对BJT参数的影响255.2基本共射极放大电路5.2.1基本共射极放大电路的组成5.2.2基本共射极放大电路的工作原理265.2.1基本共射极放大电路的组成275.2.2基本共射极放大电路的工作原理1.静态输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。直流通路bBEQBBBQRVVIBQCEOBQCQβIIβIIVCEQ=VCC－ICQRc285.2.2基本共射极放大电路的工作原理2.动态输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。交流通路29BJT放大电路的其它组成形式信号源不共地30BJT放大电路的其它组成形式315.3BJT放大电路的分析方法5.3.1BJT放大电路的图解分析法5.3.2BJT放大电路的小信号模型分析法325.3.1BJT放大电路的图解分析法1.静态工作点的图解分析采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。共射极放大电路首先，画出直流通路直流通路335.3.1BJT放大电路的图解分析法列输入回路方程vBE=VBB－iBRb列输出回路方程（直流负载线）vCE=VCC－iCRc直流通路1.静态工作点的图解分析345.3.1BJT放大电路的图解分析法在输入特性曲线上，作出直线vBE=VBB－iBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。在输出特性曲线上，作出直流负载线vCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ1.静态工作点的图解分析355.3.1BJT放大电路的图解分析法2.动态工作情况的图解分析ωtVsinsmsvbBsBBBERiVvv根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE、iB的波形365.3.1BJT放大电路的图解分析法2.动态工作情况的图解分析cCCCCERiVv根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形375.3.1BJT放大电路的图解分析法2.动态工作情况的图解分析385.3.1BJT放大电路的图解分析法3.静态工作点对波形失真的影响静态工作点太高容易出现饱和失真饱和失真的波形395.3.1BJT放大电路的图解分析法3.静态工作点对波形失真的影响静态工作点太低容易出现截止失真截止失真的波形405.3.1BJT放大电路的图解分析法sv例5.3.1阻容耦合共射极放大电路图解与前一个电路相比，静态时输入回路方程略有差别vBE=VCC－iBRb输出回路方程相同vCE=VCC－iCRc动态时，输入信号vi叠加Cb1上已充的静态电压VBEQ，然后加在BJT的b-e间，即且电容Cb1充电完成后，其电压等于VBEQvBE=VBEQ+vi415.3.1BJT放大电路的图解分析法sv例5.3.1阻容耦合共射极放大电路图解由于输出端有隔直电容，所以动态和静态时有差别。由交流通路可得交流负载线：交流通路vce=-ic(Rc||RL)因为交流信号过零时，电路中电压、电流值就等于静态值，所以交流负载线必过Q点，即vce=vCE-VCEQic=iC-ICQ同时，令RL=Rc||RL则交流负载线为iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ425.3.1BJT放大电路的图解分析法斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1RcQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC斜率-1Rc斜率1Rc//RLQVCEQICQIBQRcVCCVCCvCEiC交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。交流负载线例5.3.1阻容耦合共射极放大电路图解iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ435.3.2BJT放大电路的小信号模型分析法1.BJT的H参数及小信号模型与FET类似，也可通过BJT的小信号模型来分析其放大电路的动态指标。当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把BJT小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。441.BJT的H参数及小信号模型H参数的引出),(CEB1BEvvif在小信号情况下，对上两式取全微分得CECEBEBBBEBEdddBCEvvviivvIV用小信号交流分量表示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以写成：),(CEB2CvifiCECECBBCCdddBCEvviiiiiIVBJT双口网络45CEBBEieVivh输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的输出电导。其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。CEBCfeViihBCEBEreIvvhBCECoeIvihH参数的引出vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce1.BJT的H参数及小信号模型46H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型BJT双口网络vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce受控电流源hfeib，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。1.BJT的H参数