晶体三极管及其基本放大电路

2020/3/11电路与模拟电子技术基础1第5章晶体三级管及其放大电路2020/3/11电路与模拟电子技术基础2•BJT：BipolarJunctionTransistor——双极型晶体管——（晶体三极管、半导体三极管）﹡双极型器件两种载流子（多子、少子）2020/3/11电路与模拟电子技术基础3几种常见晶体管的外形2020/3/11电路与模拟电子技术基础45.1.1晶体管的结构及其类型ecb发射极基极集电极发射结集电结基区发射区集电区NPNcbeNPN(a)NPN管的原理结构示意图(b)电路符号（base）（collector）（emitter）符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。2020/3/11电路与模拟电子技术基础5晶体管的结构2020/3/11电路与模拟电子技术基础6PNPcbe(b)电路符号(a)PNP型三极管的原理结构符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。2020/3/11电路与模拟电子技术基础7P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区ec(b)N＋衬底N型外延PN＋cebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN图2-3平面管结构剖面图＊结构特点1、三区两结2、基区很薄3、e区重掺杂c区轻掺杂b区掺杂最轻4、集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。2020/3/11电路与模拟电子技术基础85.1.2晶体管的电流分配与放大作用（以NPN管为例）一、放大状态下晶体管中载流子的运动BJT处于放大状态的条件：内部条件：发射区重掺杂(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2020/3/11电路与模拟电子技术基础9NPN型晶体管的电流关系2020/3/11电路与模拟电子技术基础10外加偏置电压要求对NPN管UC＞UB＞UEUCUEUB对PNP管要求UC＜UB＜UEUCUEUB2020/3/11电路与模拟电子技术基础11共射极直流电流放大系数BCII一般200~201、直流电流放大系数2020/3/11电路与模拟电子技术基础125.1.3晶体管的共射特性曲线晶体管特性曲线：描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。icebiBC输出回路输入回路ecbiBiEceiEiCb(a)共发射极(b)共集电极(c)共基极2020/3/11电路与模拟电子技术基础13下面以共射极电路为测试电路μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－2020/3/11电路与模拟电子技术基础145.1.3.1共射极输入特性曲线共射组态晶体管的输入特性：常数CEuBEBufi)(μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。2020/3/11电路与模拟电子技术基础15iB/μAuBE/V060900.50.70.930UCE＝0UCE≥1cICeIENPNIBRCUCCUBBRBbIBNIENICN2020/3/11电路与模拟电子技术基础165.1.3.2共射极输出特性曲线共射组态晶体管的输出特性：它是指一定基极电流IB下，三极管的输出回路集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。常数BiCECufi2020/3/11电路与模拟电子技术基础17uCE/V5101501234iC/mAIB＝40A30A20A10A0AcICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICN2020/3/11电路与模拟电子技术基础18共射输出特性曲线uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBE击穿区AIB40A30A20A10A02020/3/11电路与模拟电子技术基础19一、放大区★发射结正向偏置，集电结反向偏置1、基极电流iB对集电极电流iC的控制作用很强uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A常数CEuBCII在数值上近似等于β问题：特性图中β=？β=1002020/3/11电路与模拟电子技术基础202、uCE变化时,iC影响很小（恒流特性）uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A即：iC仅决定于iB，与输出环路的外电路无关。放大区2020/3/11电路与模拟电子技术基础21二、饱和区★发射结和集电结均正向偏置uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A30A20A10A0A临界饱和：uCE=uBE，uCB=0(集电结零偏)2020/3/11电路与模拟电子技术基础22uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1饱和区（1）iB一定时，iC比放大时要小三极管的电流放大能力下降，通常有iCβiB（2）uCE一定时iB增大，iC基本不变图2-6饱和区载流子运动情况2020/3/11电路与模拟电子技术基础23三、截止区★发射结和集电结均反向偏置uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEiB=-iCBO（此时iE=0）以下称为截止区。工程上认为：iB=0以下即为截止区。2020/3/11电路与模拟电子技术基础24ciCeiENPNiBRCUCCUBBRBICBO15VbIEBO图2-7截止区载流子运动情况※若不计穿透电流ICEO，有iB、iC近似为0；♀三个电极的电流都很小，三极管类似于一个开关“断开”。截止区2020/3/11电路与模拟电子技术基础255.1.4晶体管的主要参数一、电流放大系数1、共射直流放大倍数2、共射交流放大倍数BCIIBCii常认为：2020/3/11电路与模拟电子技术基础26二、极间反向电流ICBOcICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO集电极基极间的反向饱和电流2020/3/11电路与模拟电子技术基础27集电极发射极间的穿透电流ICEOcICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO2020/3/11电路与模拟电子技术基础282、集电极最大允许电流ICMICM：β下降到正常值的2/3时的iC。当iCICM时，虽然管子不致于损坏，但β值已经明显减小。2020/3/11电路与模拟电子技术基础293、集电极最大允许耗散功率PCM晶体管的安全工作区uCE工作区iC0安全ICMU(BR)CEOPCM功耗线PCM=iC·uCE2020/3/11电路与模拟电子技术基础305.2放大电路的组成和放大原5.2.1放大电路概述2020/3/11电路与模拟电子技术基础315.2.2.基本共射极放大电路RBRCUBBUCCiuouT给T提供适当的偏置集电极电阻，将集电极电流转换成集电极电压基极电阻，决定基极电流放大电路的核心输入交流电压信号基极电源，提供适当偏置输出电压信号地2020/3/11电路与模拟电子技术基础32静止状态（静态）：ui=0时电路中各处的电压、电流都是不变的直流。若UBB和UCC能使T的发射结正偏，集电结反偏→三极管工作在放大状态，则：0iuBBEBBBRUUIBCIICCCCCERIUURBRCUBBUCC0iuouT2020/3/11电路与模拟电子技术基础33当时ib含有交流分量BCIICCCCCERIUURBRCUBBUCC0iuouT0iu→ic也有交流分量→uce产生变化→uO变化uO与ui相比：①uO幅度＞ui幅度②波形形状相同2020/3/11电路与模拟电子技术基础34＊电压、电流等符号的规定①直流量：大写字母+大写下标，如IB②交流量：小写字母+小写下标，如ib③交流量有效值：大写字母+小写下标，如Ib④瞬时值（直流分量和交流分量之和）：小写字母+大写下标，如iB，iB=IB+ib2020/3/11电路与模拟电子技术基础35uBEube叠加量交流分量tUBE直流分量2020/3/11电路与模拟电子技术基础36重要：静态工作点的作用静态工作点Q（Quiescent）：静态时，晶体管的IB、IC、UBE和UCE记作：IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQBBEQBBBQRUUIBQCQIICCQCCCEQRIUURBRCUBBUCC0iuouT2020/3/11电路与模拟电子技术基础37•动态时（ui≠0）：︱ui︱＜UBE（ON）→发射结无法正偏→三极管一直在截止区→uo=UCE=UCC即使︱ui︱＞UBE（ON），输出仍然严重失真。RBRC+UCCiuouT只有在信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。为什么要设计静态工作点？2020/3/11电路与模拟电子技术基础38静态工作点的作用：保证放大电路中的三极管正常工作，保证放大电路输出不产生失真。放大电路的基本要求：①输出不失真②输出能够放大2020/3/11电路与模拟电子技术基础39晶体管放大电路的放大原理当ui≠0→iB=IBQ+ib→iC=ICQ+ic=ICQ+βib→uCE=UCEQ+uce→uo=uce∵ic↑→uCE↓ic↓→uCE↑∴方向和ic相反RBRCUBBUCCouTuiiBiCiE2020/3/11电路与模拟电子技术基础40RBRCUBB+UCCouTuiiBiCiECEu+_2020/3/11电路与模拟电子技术基础41结论•设置合适的静态工作点，让交流信号承载在直流分量之上，保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。•基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠RC将电流的变化转化成电压的变化来实现的。2020/3/11电路与模拟电子技术基础42组成放大电路必须遵守的原则①设置合适的静态工作点，使三极管偏置于放大状态。②输入信号能够作用于的输入回路(基极-发射极回路)。③必须设置合理的信号通路。2020/3/11电路与模拟电子技术基础43基本放大电路的组成原则RCVRBUCCuo＋C2RL＋－＋－ui＋C1UCC：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C1、C2：耦合电容2020/3/11电路与模拟电子技术基础44•直接耦合：电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均直接相连。RCVRBUCCuoRL＋－＋－ui直接耦合共射放大电路•阻容耦合：电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均通过电容相连。RCVRBUCCuo＋C2RL＋－＋－ui＋C1阻容耦合共射放大电路2020/3/11电路与模拟电子技术基础45电容C1、C2（一般几微法到几十微法）：隔离直流通过交流RCVRBUCCuo＋C2RL＋－＋－ui＋C1阻容耦合共射放大电路作用：静态工作点与信号源内阻和负载电阻无关，且不受输入交流信号的影响。2020/3/11电路与模拟电子技术基础46补：直流通路和交流通路•直流通路：直流电源作用下直流电流流经的道路•画直流通路的原则①C开路②L短路③输入信号为0（保留内阻）RCVRBUCCuo＋C2RL＋－＋－ui＋C1阻容耦合共射放大电路2020/3/11电路与模拟电子技术基础47RCVRBUCCuo＋C2RL＋－＋－ui＋C1阻容耦合共射放大电路RBUCCRC(a)直流通路直流通路2020/3/11电路与模拟电子技术基础48•交流通路：只考虑交流信号的分电路•画交流通路的原则①C短路②直流电源对地