模拟电子技术基础第7章晶体管及其放大电路.

第7章晶体管及其放大电路本章主要内容：7.1晶体管7.2放大电路的直流偏置7.3共射极放大电路7.4共集电极和共基极放大电路7.5组合放大电路7.6放大电路的频率响应7.1晶体管本节主要内容：7.1.1晶体管的结构7.1.2晶体管的工作原理7.1.3晶体管的伏安特性7.1.4晶体管的主要参数7.1.5温度对晶体管特性和参数的影响7.1.1晶体管的结构发射结集电结发射区NPN基区集电区c集电极e发射极b基极b（a）内部结构（b）结构示意图（c）电路符号集电区发射区基区ce1、NPN型晶体管的结构和电路符号（c）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。2、PNP型晶体管的结构和电路符号3、常见晶体管的封装外形如图所示：发射结集电结发射区NPP基区集电区c集电极e发射极b基极（a）结构示意图（b）电路符号bce7.1.2晶体管的工作原理内部条件：发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区面积很大，掺杂浓度远低于发射区。通过制造工艺保证内部条件的实现。外部条件：发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置）。通过电路设计保证外部条件的实现。1.载流子的传输过程（1）发射区向基区注入载流子由于发射结正向偏置，发射区的电子源源不断地注入基区，基区的空穴也要注入发射区，二者共同形成发射极电流IE。ENEPENEIIII由于基区掺杂浓度比发射区小2～3个数量级，基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计cebNPNRcVCCRbVBBIENIEPICNICBOIBNIEICIB+_vCE+_vBE（2）载流子在基区中的扩散与复合电子不断地向集电结方向扩散，扩散过程中少量电子与空穴复合，形成基极电流的一部分IBN。由于基区宽度很窄，且掺杂浓度很低，从而大大地减小了电子与空穴复合的机会，使注入基区的95％以上的电子都能到达集电结，它们将形成集电极电流的一部分ICN。所以CNBNENIIIcebNPNRcVCCRbVBBIENIEPICNICBOIBNIEICIB+_vCE+_vBE（3）集电区收集载流子集电结外加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的电子，受电场的作用，漂移越过集电结形成集电极电流的一部分ICN。另一方面，集电结两边的少数载流子漂移形成反向饱和电流，记为ICBO。通常，ICBOICN。CNCBOCNCIIIICBOEPBNBIIII显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三极管（BipolarJunctionTransistor，BJT），简称晶体管。由基尔霍夫电流定律:CBEIIIcebNPNRcVCCRbVBBIENIEPICNICBOIBNIEICIB+_vCE+_vBE2.电流控制作用定义ICN与IE之比为晶体管的共基极直流电流放大系数，即ECNII得CBOECIII值越大，发射极电流对集电极电流的控制能力越强。CBEIII因为则CBOCBCBOECIIIIII)(得CBOBCIII111令1为共射极直流电流放大系数定义集电极电流变化量ΔIC与射极电流变化量ΔIE之比为共基极交流放大系数α，即constvECCEIIEEECIIII即共基极交流放大系数近似等于共基极直流电流放大系数定义集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB之比为共射极交流放大系数β，即constvBCCEIIBBBCIIII即共射极交流放大系数β近似等于共基极直流电流放大系数7.1.3晶体管的伏安特性1.输入特性曲线输入特性曲线描述了在集射电压vCE一定的情况下，基极电流iB与基射电压vBE之间的函数关系,即constvBEBCEvfi)(图7.1.6NPN管的共射极特性曲线+vBEvCE_+_iBiCiB(A)vBE/V204060800.51.0vCE=0VvCE≥1V（b）输入特性曲线（a）共射极连接0VthVonVthvCE=0.5V100小功率硅管的门坎电压vth约为0.5V，锗管约为0.1V。小功率硅管的导通压降Von约为0.6～0.8V，一般取0.7V；小功率锗管约为0.2～0.3V，一般取0.2V。2.输出特性曲线输出特性曲线描述了在基极电流iB一定的情况下，集电极电流iC与集射电压vCE之间的函数关系,即constiCECBvfi)(图7.1.6NPN管的共射极特性曲线+vBEvCE_+_iBiCiB(A)vBE/V204060800.51.0vCE=0VvCE≥1V（c）输出特性曲线（b）输入特性曲线（a）共射极连接01234VthVonVth0vCE=0.5ViB=0μA100CEv/V2468截止区放大区10080604020饱和区iC/mAICEO在输出特性曲线上可划分为三个工作区：放大区、饱和区和截止区。(1)放大区（Activeregion）放大区的特点是：①发射结正偏，集电结反偏；②iC＝βiB+ICEO，体现了晶体管的放大作用（电流控制作用），曲线的间隔越大，β值越大；③iC随vCE增加很小，呈恒流特性。图7.1.6NPN管的共射极特性曲线+vBEvCE_+_iBiCiB(A)vBE/V204060800.51.0vCE=0VvCE≥1V（c）输出特性曲线（b）输入特性曲线（a）共射极连接01234VthVonVth0vCE=0.5ViB=0μA100CEv/V2468截止区放大区10080604020饱和区iC/mAICEO(2)饱和区（Saturationregion）饱和区内的vCE称为饱和压降，小功率硅管的饱和压降典型值为0.3V，锗管为0.1V。饱和区的特点：①发射结和集电结均为正偏置；②iC不受iB控制，而近似随vCE线性增长。由于vCE小、而iC大，故ce（集电极和发射极）之间等效为开关的导通，或等效为一个小电阻，称为导通电阻。(3)截止区(Cutoffregion)特点：①发射结和集电结都是反向偏置；②iC=ICEO≈0，故ce之间等效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。PNP型晶体管的特性如图7.1.7所示图7.1.7PNP管的共射极特性曲线+vBEvCE_+_iBiC-iB(A)-vBE/V204060800.51.0vCE=0VvCE≥1V（c）输出特性曲线（b）输入特性曲线（a）共射极连接01234VthVonVth0vCE=0.5ViB=0μA100-vCE/V7.1.4晶体管的主要参数1.电流放大系数（Currentamplificationfactor）电流放大系数是表征晶体管放大能力的参数。有共发射极直流电流放大系数、共发射极交流电流放大系数、共基极直流电流放大系数和共基极交流放大系数α。它们的含义见7.1.2节。2.极间反向电流极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。（1）集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。（2）穿透电流ICEO：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，ICEO=(1+β)ICBO。3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICMICM是指当β下降到正常β值的2/3时所对应的IC值。当IC超过ICM时，晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。（2）反向击穿电压（Reversebreakdownvoltage）发射结反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时，发射极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。集电结反向击穿电压V(BR)CBO：发射极开路时，集电极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。集电极与发射极之间的反向击穿电压V(BR)CEO：在输出特性曲线中，iB＝0的曲线开始急剧上翘所对应的电压。图7.1.9晶体管的安全工作区CECCMviPCEvV(BR)CEO（3）集电极最大允许耗散功率PCMPC=iCvCE当PCPCM时，晶体管的实际结温小于允许的结温，不会损坏晶体管。为了可靠工作，通常选择PCM=（1.5～２）PC。7.1.5温度对晶体管的特性与参数的影响（1)温度对ICBO的影响ICBO是少数载流子形成的集电结反向饱和电流，受温度影响很大。温度每升高，ICBO增加一倍。反之，温度降低时ICBO减小。因为，故穿透电流ICEO随温度变化的规律与ICBO类似。CBOCEOII)1(当温度升高时，ICEO的增大体现为整个输出特性曲线族向上平移（2)温度对β的影响温度升高时，晶体管内部载流子的扩散能力增强，使基区内载流子的复合概率减小，因而温度升高时放大倍数β随之增大。以时测得的β值为基数，温度每升高，β增加约(0.5～1)%。C25C1（3）温度对输入特性的影响温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的|vBE|减小。BiO图7.1.11温度对三极管输入特性的影响BI100251BEV2BEVBEv020015010050μAO图7.1.10温度对三极管输出特性的影响CiCEvμAμAμA（4）温度对输出特性的影响（5）温度对反向击穿电压的影响温度升高时，晶体管的ICBO、ICEO、β都将增大，导致晶体管的输出特性曲线向上移温度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大7.2放大电路的直流偏置将晶体管偏置在放大状态:发射结正偏，集电结反偏。7.2.1基本偏置电路和静态工作点分析方法1．基本偏置电路晶体管T的直流电压和电流在其特性曲线上组成静态工作点，分别是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。+RbRcTVBE+VCEIBIC+VCC（12V）+RbRcTVBE+VCEIBIC-VCC（-12V）（a）NPN管(b)PNP管2．晶体管的分段线性模型246810080604020iB=0uA12340iC/mACEv/ViB(A)vBE/V0.51.0vCE≥1V（a）恒压降输入特性曲线0VthVonVth20406080100（b）恒流输出特性曲线图7.2.2NPN管的分段线性模型Von+BEv+CEvBiCiBiebc（c）分段线性模型在输入特性曲线中，用垂足为导通电压（Von）的垂直线段逼近输入特性的导通区，用过原点的水平线段逼近输入特性的死区，如图7.2.2（a）所示。在输出特性曲线中，用一组水平直线段逼近晶体管的放大区特性，用垂足为原点的垂直线段逼近晶体管的饱和特性，如图7.2.7（b）所示。3．静态工作点的计算+RbRcTVBE+VCE图7.2.1放大电路的基本偏置电路IBIC+VCC（12V）+RbRcTVBE+VCEIBIC-VCC（-12V）（a）NPN管(b)PNP管CcCCCECCbBECCBonBEIRVVIIRVVIVV例7.1试计算图7.2.1电路的静态工作点。已知：三极管是硅管，其β=50；VCC=12V，Rb=400kΩ，Rc=4kΩ。解：将电路参数代入（7.2.1），得VmAkVIRVVmAmAIIAmAkVRVVIVVVCcCCCECCbBECCBonBE35.6)(41.141241.10285.0505.280285.04007.0127.0（7.2.1）4．基本偏置电路的缺点CBECEOCBOIvIIT)///(+RbRcTVBE+VCE图7.2.1放大电路的基本偏置电路IBIC+VCC（12V）+RbRcTVBE+VCEIBIC-VCC（-12V）（a）NPN管(b)PNP管稳定静态工作点的基本方法之一是在直流偏置电路中引入直流负反馈，使集电极直流电流IC和集射直流电压VCE随温度的变化很小，稳定静态工作点Q（VCE，IC）。反馈方式主要是电流串联负反馈和电压并联负反馈。的影响很大。基本偏置电路的静态工作点受环境温度T的影响很大。7.2.2电流串联负反馈偏置电路图中射极电阻Re引入电流串联负反馈，所以简称为射极偏置电路。基极电流IB远远小于基极偏置电阻上的电流