1、第二章 双极型晶体管 及其放大电路,Bipolar Junction Transistor 缩写 BJT 简称晶体管或三极管 双极型 器件 两种载流子（多子、少子）,(a) NPN管的原理结构示意图,(b) 电路符号,2.1 双极型晶体管的工作原理,base,collector,emitter,e,c,b,发射极,基极,集电极,基区,发射区,集电区,发射极箭头方向是指发射结正偏时的电流方向,2.1.1 结构,图2.1.2 平面管结构剖面图,发射区(重掺杂)，基区(很薄)，集电区（结面积大）,e,c,b,发射极,基极,集电极,基区,发射区,集电区,晶体管具有信号放大作用的条件,内部条件 发射区重
2、掺杂 (故管子e、 c极不能互换) 基区很薄(几个m) 集电结面积大 外部条件 发射结正偏 集电结反偏,UC UB UE,UC UB UE,c区,b区,e区,2.1.2 双极性晶体管的工作原理,图2.1.3 晶体管内载流子的运动和各极电流,以NPN为例。,一、放大状态下晶体管中载流子的运动,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。大部分到达了集电区的边缘。,（3）
3、因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,另外，集电结区和基区本身的少子形成漂移电流ICBO。,图22 晶体管内载流子的运动和各极电流,非平衡载流子传输三步曲,发射区向基区的多子注入 (扩散运动）为主；,集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）。,基区的 复合 和 继续扩散；,二 电流分配关系,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,I,CBO,15V,b,I,BN,I,EP,I,EN,I,CN,晶体管主要功能:,电流放大（current amplify）,定义直流电流放大系数：,共基极,一般,共射极,一般,的物理意义：基区每复合
4、一个电子，就有个电子扩散到集电区去。,当IB=0时，,ICEO=0时称为穿透电流。,IC、 IE、 IB、三者关系：,若忽略 ICBO，IEP , 则,2.2 晶体管的特性曲线,全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。,图2.2.1晶体管的三种基本接法（组态）,(a)共发射极；,(b)共集电极；,(c)共基极,测量电路,共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压uCE的关系曲线(以iB为参变量),图2.2.3 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,动画演示,I,c,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,
5、B,b,2.2.1 共发射极输出特性曲线,图25 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,临界饱和点,图25 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,当 IB=0时, IC=ICEO 称为穿透电流。,图25 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,图25 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1
6、,2,3,4,i,C,/,m,A,1. 放大区,发射结正偏， 集电结反偏,（1）iB 对iC 的控制作用很强。,用交流电流放大倍数来描述：,在数值上近似等于,问题：图2.2.3中=？,=100,（2）uCE 变化对 IC 的影响很小（恒流特性）,即IC主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。,基区宽度调制效应(厄尔利效应),uCE,c结反向电压,c结宽度,基区宽度,基区中电子与空穴复合的机会,iC ,基调效应表明：输出交流电阻rCE=uCE/iC,（1） i B 一定时，饱和区i C 比放大区的小,（2）U CE一定时, i B 增大，i C 基 本不变（饱和区）,临界饱和：UCE = UBE
7、，即UCB=0（C结零偏）。,2. 饱和区,饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。,（小功率Si管） UCE(sat) = 0.3V； （小功率Ge管） UCE(sat) = 0.1V。,三个电极间的电压很小，管子完全导通， 相当一个开关“闭合（Turn on）”。,3. 截止区,发射结和集电结均处于反向偏置,三个电极均为反向电流，所以数值很小。 管子不通，相当于一个“开关”打开（Turn off）。,i B = -i CBO （此时i E =0 ）以下称为截止区。,工程上认为：i B =0 以下即为截止区。,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U
8、,BB,R,B,I,CBO,15V,b,I,CN,I,BEO,二、共发射极输入特性曲线,图26 共发射极输入特性曲线,（1）0 UCE 1 时，随着 UCE 增加，曲线右移，特别在 0 UCE UCE (SAT), 即工作在饱和区时，移动量将更大一些。,（2） UCE 1 时，进入放大区，曲线近似重合。,2.2.3 温度对晶体管特性的影响,T ，uBE：,T ， ICBO ：,T ， ：,2-2-2 晶体管的主要参数,1、电流放大系数,1. 共射直流放大系数,反映静态时集电极电流与基极电流之比。,2. 共射交流放大系数,反映动态时的电流放大特性。一般,在以后的计算中，不必区分。,4.共基交流放
9、大系数,3.共基直流放大系数,在以后的计算中，不必区分。,二、反向饱和电流,是指管子各电极之间的反向漏电流参数。,发射极开路时，集电极基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。,ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。, 管子C、E间反向饱和漏电流,基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。,即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。, 管子B、E间反向饱和漏电流,集电极开路时，基极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流-IEBO。,三、极限参数,使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。,
10、反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。,1、反向击穿电压,三极管击穿电压的测试电路,例如： U(BR)CBO =115V, U(BR)CEO =60V， U(BR)EBO=8V。,值与IC的关系,在输出特性曲线上决定,2、最大允许集电极电流ICM,ICM 留有一定的余量。 ICM 指下降到额定值的2/3时 的IC值。,3、集电极最大允许功耗PCM,图27 晶体管的安全工作区,功耗线,过流区,过压区,过耗区,半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率
11、管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,常用双极型晶体管的参数,注：*为 f,2.3 晶体管放大电路的放大原理,静态：ui=0,各点电压电流恒定。,2.3.1 放大电路的组成,符号规定,UBE:,大写字母、大写下标，表示直流分量。,uBE:,小写字母、大写下标，表示叠加量或瞬时量。,ube:,小写字母、小写下标，表示交流分量。,uBE,ube,叠加量,交流分量,UBE直流分量,Ube:,大写字母、小写下标，表示交流分量的有效值。,2.3.2 静态工作点的作用,电路处于静态时，三极管
12、各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IBQ、ICQ、和UCEQ表示。,工作点偏低,放大电路为什么要建立正确的静态？,2.3.3 放大原理,iB,2.3.3 放大原理,2.3.3 放大原理,只有设置合适的工作点，才能使输出波形不产生失真。,2.3.4 基本放大器的组成原则,1)提供合适的直流电源，设置合适的工作点；,2)输入信号作用在b-e回路；,3)设置合理的信号通路。,晶体管放大器必须遵守的几个原则：,图2.3.4 阻容耦合共射极放大电路,UCC：直流电源 RB：基极偏置电阻 RC：集电极偏置电阻 RL：负载电阻 ui：正弦信号源电压及内阻,选择合适的
13、电容C1、C2使其电容阻抗对交流信号近似短路，这样交流信号可以毫无损耗的送入输入端。而电容对直流信号而言，又近似开路，因此交流信号的加入不会影响直流工作点。,2.3.5 直流通路和交流通路,为了研究分析方便，常把直流电源和输入信号对电路的作用区分开来，分成直流通路和交流通路。,直流通道：只考虑直流电源作用下直流电流流经的通路。,（1）画直流通路的原则：, C开路, L短路,令交流输入信号为0。,图2.3.4 共射极放大电路,图2.3.5 (a)直流通路,交流通道：输入信号作用下交流信号流经的通路。,画交流通路的原则：,C短路,直流电源对地短路（恒压源处理）,L开路,在分析放大电路时，应遵循“先
14、静态，后动态”的原则，求解静态工作点时应利用直流通路，求解动态参数时应利用交流通路，两种通路切不可混淆。,练习：请画出下面电路的直流通路的交流通路。,(a) (b),直流通路,交流通路,直流通路,交流通路,2.4.1 晶体管的直流模型及静态工作点的估算,2.4 放大电路的静态分析和设计,(a) 输入特性近似,图2.4.1晶体管在放大状态下的直流模型,饱和区,放大区,截止区,a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型,(b)直流等效电路,图2.4.2 晶体管直流电路分析,例2.4.1 试估算下面电路工作在放大状态下的静态工作点。,故有,2.4.2 静态工作点的图解分析法,直流图解分
15、析是在晶体管特性曲线上，用作图的方法确定出直流工作点，并求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。,一、IBQ、UBEQ的求解,IBQ、UBEQ一般不用图解法确定，而用估算法。 UBEQ=0.7（硅管）或0.3（锗管）,二、ICQ、UCEQ的求解,输出特性曲线与输出回路方程的交点为静态工作点。,i,B,I,B,Q,u,C,E,0,N,Q,M,i,C,UCEQ,UCC,ICQ,UCC,RC,(a)直流负载线与Q点,直流负载线,例4 在图220(a)电路中，若RB=560k, RC=3k,UCC=12V，晶体管的输出特性曲线如图221(b)所示，试用图解法确定直流工作点。,(a)直流通路,输出回路满
16、足： UCC=UCEQ+ICQRC,图221放大器的直流图解分析,(b)Q点与RB、RC的关系,u,C,E,/,V,2,10,12,0,1,2,3,40,A,30,A,20,A,10,A,i,C,/,m,A,4,6,8,4,M,N,Q,R,B,Q,3,Q,2,Q,4,R,C,R,B,Q,1,R,C,RB=560k, RC=3k,UCC=12V 直流负载线:UCC=UCEQ+ICQRC 即:12V=UCEQ+ICQ3K,解: 取UBEQ=0.7V，由估算法可得,在输出特性上找两个特殊点：,当uCE=0时，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M点；,当iC =0时，uCE=UCC=12V，得N
17、点。,由图中Q点的坐标可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。,总 结,输出特性曲线方程，由晶体管的特性决定,直流负载线方程，由外电路特性决定,静态工作点为下面两条曲线的交点：,例：放大电路如图所示，正常工作时静态工作点为Q。(1)如工作点变为图(b)中的Q和Q”，试分析是出电路中哪一元件参数改变而引起的?(2)如工作点变为图 (c)中的Q和Q”，又是电路中哪一元件参数改变而引起的?,解：(1)UCC不变RB不变，IBQ不变，RC变化，工作点的变化可见(b)。若原工作点为Q， RC减小时，移至Q，RC增加时，移至Q”。(2) RC不变，负载线斜率不变，UCC和RB同时变化，工作点的变化如图(c)
18、所示。若原工作点为Q，UCC增加，RB也增加，工作点可移至Q，反之， UCC下降，RB也下降工作点可移至Q”。,2.4.3 晶体管工作状态的判断方法,UBBUBE(on) 且UBBUCC， 则晶体管截止,1、首先判断晶体管是否截止：,此时：IB=IC=IE=0， UBE=UBB， UCE=UCC。,2.判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：,U,图2.4.5(b) 放大状态下的等效电路,若UBBUBE(on),则发射结正偏，下面关键是判断集电结是正偏还是反偏。,方法：假设法。, UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,则晶体管处于放大状态；,则晶体管处于饱和状态；,方法1
19、,UCEQ=UCC-ICQ(RC+RE),(c)饱和状态下的等效电路,R,B,U,BB,R,C,U,CC,R,E,U,BE(on),U,CE(sat),ICQ=IC(sat)临界 UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,若工作在饱和状态下，静态工作点的求解可近似为：,例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2-12(a),(b)所示。已知=50，试求ui分别在0V和3V时的输出电压uo。,图2.4.6,解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。,当ui =3V时，晶体管发射结导通，且,例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2-12(a),
20、(b)所示。已知=50，试求ui分别在0V和3V时的输出电压uo。,图2.4.6,假设晶体管工作在放大区，则：,因此晶体管处于饱和状态。,例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2-12(a),(b)所示。已知=50，试求ui分别在0V和3V时的输出电压uo。,uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,则：,例2 晶体管电路如图所示。已知=50，试求ui分别在0V和3V时的输出电压uo。,补充例题1电路,补充例题1、 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。,1.先判断晶体管是否处于截止状态：,晶体管不处于截止状态；,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：,晶体
21、管处于放大状态；,补充例题2电路,补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。,5V,R,B,U,BB,R,C,U,CC,500K50K,2K ,12V,1.先判断晶体管是否处于截止状态：,晶体管不处于截止状态；,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：, UBB - UBE(on) =IBQRB,晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；,2.4.4 放大状态下的直流偏置电路,电路形式简单,偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。,一、固定偏流电路,图2.4.7固定偏流电路,单电源供电。UEE=0，UBB由UCC提供,只要
22、合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于放大状态。,图2.4.7固定偏流电路,缺点：工作点稳定性差；（IBQ固定，当、ICBO等变化ICQ、UCEQ的变化工作点产生较大的漂移使管子进入饱和或截止区）,优点：电路结构简单。,电流负反馈型偏置电路,在固定偏置电路的发射极加一个RE电阻,二、分压式直流负反馈偏置电路,若 ICQ,UBEQ(= UBQ -UEQ),负反馈机制,IEQ, UEQ(=IEQRE),IBQ ,ICQ,为了稳定UBQ，引入了电阻RB2。,例2.4.3 电路如图215(a)所示。已知UCC=28V, RB1=90k,RB2=10k,RC=6.8,RE=1.2k，试=60, =150计算工作点Q。,解：,=60, UCC=28V, RB1=90k,RB2=10k,RC=6.8,RE=1.2k,若增加，工作点是否发生改变？设=150。,与=100时计算得到的ICQ=1.9mA，UCEQ=4.4V没有变化，说明了该电路的稳定性。,为确保UB固定，要求RB1、RB2的取值愈小愈好。 但是RB1、RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取,
