電子電路：第二章 晶體三極管

2.2晶體三極管的其它工作模式2.4晶體三極管伏安特性曲線2.3埃伯爾斯—莫爾模型2.7晶體三極管的應(yīng)用原理2.1放大模式下晶體三極管的工作原理第二章晶體三極管2.5晶體三極管小信號(hào)電路模型2.6晶體三極管電路分析方法又稱雙極性晶體管（BiopolarJunctionTransistor--BJT概述

三極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)發(fā)射極E基極BPNN+集電極C發(fā)射極E基極BNPP+集電極CBCEBCE發(fā)射結(jié)集電結(jié)判NPN、PNP的關(guān)鍵箭頭方向表明發(fā)射結(jié)正偏時(shí)實(shí)際電流方向由P指向NPNN

三極管三種工作模式發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。放大模式：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。飽和模式：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。截止模式：

注意：三極管具有正向受控作用，除了滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，還必須滿足放大模式的外部工作條件。

三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）發(fā)射區(qū)高摻雜。2）基區(qū)很薄。3）集電結(jié)面積大。發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏有關(guān)電源及元件參數(shù)使ⅱ放大模式下的工作原理內(nèi)部條件外部條件三極管具有電流放大作用

P50①發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于基區(qū)摻雜濃度②基區(qū)很?。▽挾群苄。奂娊Y(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積載流子運(yùn)動(dòng)分4種情況討論1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子的情況外電路補(bǔ)充電子形成：發(fā)射區(qū)電流IE=IEn+IEp

note:由于基區(qū)濃度＜發(fā)射區(qū)濃度IEp＜IEn2、電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合的情況極少部分與基區(qū)中的空穴復(fù)合形成電流IBn，3、電子被集電結(jié)收集的情況

ICn=Ien-IBp

4、集電區(qū)的反向電流

形成集電結(jié)反向電流電流ICBO

講稿結(jié)合2.1放大模式下三極管工作原理2.1.1

內(nèi)部載流子傳輸過(guò)程PNN+-+-+V1V2R2R1IEnIEpIBnICnICBOIEIE=IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB=IEp+IBn-ICBO=IEp+(IEn-ICn)-ICBO=IE-IC

發(fā)射結(jié)正偏：保證發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子。發(fā)射區(qū)摻雜濃度>>基區(qū)：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子，提高發(fā)射效率。

基區(qū)的作用：將發(fā)射到基區(qū)的多子，自發(fā)射結(jié)傳輸?shù)郊娊Y(jié)邊界?；鶇^(qū)很?。嚎蓽p少多子傳輸過(guò)程中在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會(huì)，保證絕大部分載流子擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。

集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的載流子全部漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流。

三極管特性——具有正向受控作用即三極管輸出的集電極電流IC

，主要受正向發(fā)射結(jié)電壓VBE的控制，而與反向集電結(jié)電壓VCE近似無(wú)關(guān)。注意：NPN型管與PNP型管工作原理相似，但由于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，結(jié)果導(dǎo)致各極電流方向相反，加在各極上的電壓極性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+

-+

--+-+IEICIBIEICIB晶體三極管的三種連接方式

晶體三極管為三端器件，作為四端網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必定有一個(gè)極作為輸入和輸出口的公共端點(diǎn)，由此產(chǎn)生了三種連接方式。

觀察輸入信號(hào)作用在那個(gè)電極上，輸出信號(hào)從那個(gè)電極取出，此外的另一個(gè)電極即為組態(tài)形式。2.1.2電流傳輸方程

三極管的三種連接方式——三種組態(tài)BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB（共發(fā)射極）（共基極）（共集電極）

放大電路的組態(tài)是針對(duì)交流信號(hào)而言的。vivo▲判斷三級(jí)管為何組態(tài)的方法簡(jiǎn)單地說(shuō)：輸入一個(gè)極，輸出一個(gè)極，剩下的那個(gè)電極即為共---電極或者說(shuō)：共哪個(gè)極就是以哪個(gè)極作為輸入回路與輸出回路的公共之路。該法在以后章節(jié)中要用，切記(a)共基極 b)共發(fā)射極 c)共集電極圖1.4.3三極管的三種連接方式NOTE:無(wú)論哪種接法，為了保證正向受控作用，都必須使發(fā)射結(jié)正向偏置，即VBE>0；集電結(jié)反向偏置，即VCB<0。三種組態(tài)電路中：輸入可以是基極和發(fā)射極，但決不能為集電極。集電極作為輸入將是另一種電路----電流源電路輸出可以是集電極和發(fā)射極，決不能為基極。為今后分析方便，電壓一律標(biāo)上“+”下“—”

電流一律標(biāo)向內(nèi)。

共基極直流電流傳輸方程BCEBTICIE直流電流傳輸系數(shù)：直流電流傳輸方程：

共發(fā)射極直流電流傳輸方程ECBETICIB直流電流傳輸方程：其中：

的物理含義：

表示，受發(fā)射結(jié)電壓控制的復(fù)合電流IBn，對(duì)集電極正向受控電流ICn的控制能力。

若忽略ICBO，則：ECBETICIB

可見，為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。三極管的正向受控作用，服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系式：2.1.3放大模式下三極管的模型

數(shù)學(xué)模型（指數(shù)模型）

IS指發(fā)射結(jié)反向飽和電流IEBS轉(zhuǎn)化到集電極上的電流值，它不同于二極管的反向飽和電流IS。式中：

放大模式直流簡(jiǎn)化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIBIBECBETICIB共發(fā)射極直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓，工程上一般取：硅管VBE(on)=0.7V鍺管VBE(on)=0.25V

三極管參數(shù)的溫度特性

溫度每升高1C，?

/

增大（0.5

1）%，即：

溫度每升高1C

，VBE(on)減?。?2.5）mV,即：

溫度每升高10C

，ICBO增大一倍，即：

PNN+V1V2R2R12.2晶體三極管的其它工作模式2.2.1

飽和模式(E結(jié)正偏，C結(jié)正偏)-+IFFIF+-IRRIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE

結(jié)論：三極管失去正向受控作用。

飽和模式直流簡(jiǎn)化電路模型ECBETICIB共發(fā)射極通常，飽和壓降VCE(sat)

硅管VCE(sat)0.3V鍺管VCE(sat)0.1V電路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)若忽略飽和壓降，三極管輸出端近似短路。即三極管工作于飽和模式時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。2.2.2

截止模式(E結(jié)反偏，C結(jié)反偏)

若忽略反向飽和電流，三極管IB0，IC

0。即三極管工作于截止模式時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。ECBETICIB共發(fā)射極電路模型VBE+-ECBEICIB

截止模式直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型ECBEIC0IB02.4晶體三極管伏安特性曲線

伏安特性曲線是三極管通用的曲線模型，它適用于任何工作模式。IB=f1E(VBE)VCE=常數(shù)IC=f2E(VCE)IB=常數(shù)共發(fā)射極輸入特性：輸出特性：+-TVCEIBVBEIC+-

輸入特性曲線VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE一定：類似二極管伏安特性。

VCE增加：正向特性曲線略右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)注：VCE>0.3V后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。因此當(dāng)VBE一定時(shí)：VCEVCB復(fù)合機(jī)會(huì)

IB

曲線右移。

輸出特性曲線

飽和區(qū)（VBE0.7V，VCE<0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。IC不受IB控制，而受VCE影響。VCE略增，IC顯著增加。

輸出特性曲線可劃分為四個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。

放大區(qū)（VBE0.7V，

VCE>0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特點(diǎn)條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏VCE曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC=IB+ICEO說(shuō)明IC/mAVCE/V0VA上翹程度—取決于厄爾利電壓VA上翹原因—基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（VCEIC略）在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時(shí)，電流IC的修正方程：基寬WB越小調(diào)制效應(yīng)對(duì)IC影響越大則VA越小。

與IC的關(guān)系：IC0在IC一定范圍內(nèi)

近似為常數(shù)。IC過(guò)小使IB造成

。IC過(guò)大發(fā)射效率

造成

?？紤]上述因素，IB等量增加時(shí)，ICVCE0輸出曲線不再等間隔平行上移。

截止區(qū)（VBE0.5V，

VCE

0.3V）IC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC

0，IB

0近似為IB≤0以下區(qū)域

嚴(yán)格說(shuō)，截止區(qū)應(yīng)是IE=

0即IB=

-ICBO以下的區(qū)域。因?yàn)镮B在0

-ICBO時(shí)，仍滿足(a)放大區(qū)

(b)截止區(qū)(c)飽和區(qū)三工作區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏置NPN管：VC﹥VB﹥VE

且VBE=VBE（ON）集電結(jié)反向偏置PNP管：VC﹤VB﹤VE

且VBE=VBE（ON

為負(fù)發(fā)射結(jié)反向偏置NPN管：VB﹤VE；VB﹤VC集電結(jié)反向偏置PNP管：VB﹥VE；VB﹥VC發(fā)射結(jié)正向偏置NPN管：VBE=VBE（ON）

且VCE=VCES集電結(jié)正向偏置

擊穿區(qū)特點(diǎn)：VCE增大到一定值時(shí)，集電結(jié)反向擊穿，IC急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿電壓，隨IB的增大而減小。注意：IB=

0時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CEOIE=

0時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEOIC/mAVCE/V0IB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO應(yīng)用舉例：⑴在某放大電路中，三極管三個(gè)電極電流如圖所示。已量出I1=1.2mA，I2=0.03mA，I3=1.23mA。由此可知：a．電極①是(

)極，電極②是(

)極，電極③是(

)極。b．此三極管的類型是(

)型(NPN或PNP)，請(qǐng)?jiān)趫A圈中畫出三極管的電路符號(hào)。

2.

當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，其發(fā)射結(jié)與集電結(jié)所加的偏置分別為(

)。①發(fā)射結(jié)，集電結(jié)均正偏②發(fā)射結(jié)，集電結(jié)均反偏③發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏④發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏3．一鍺材料組成的PNP型三極管，分別測(cè)得三個(gè)電極對(duì)地電壓為VB=3V，VE=2.8V，VC=6V時(shí)，則該管工作于(

)。①放大狀態(tài)②飽和狀態(tài)③截止?fàn)顟B(tài)④擊穿狀態(tài)4.

測(cè)得NPN型三極管的e、b、c三個(gè)電極分別對(duì)地電壓為：VE=3.2V，VB=3.2V，VC=7V，則可判斷該管工作在（）。①飽和區(qū)②截止區(qū)③線性放大區(qū)④擊穿區(qū)

5.實(shí)驗(yàn)測(cè)得PNP型三極管電流IE=1mA時(shí)，IC=0.96mA；IE=3mA時(shí)，IC=2.86mA。則管子的=------------，=------------。6.假設(shè)在放大電路中，測(cè)得三極管的三個(gè)電極對(duì)地電位如下圖所示，畫出與電極相連的三極管的符號(hào)，并判斷三極管是硅管還是鍺管。

7.在放大電路中，測(cè)得三極管三個(gè)電極的電位如圖所示。試判斷該三極管是(NPN或PNP，是硅管還是鍺管)，并區(qū)分e、b、c三個(gè)電極。(1)是（

）；(2)是（

）；(3)①是（

）極；(4)②是（

）極；(5)③是（

）極。

三極管安全工作區(qū)ICVCE0V(BR)CEOICMPCM

最大允許集電極電流ICM（若IC>ICM造成）

反向擊穿電壓V(BR)CEO（若VCE>V(BR)CEO

管子擊穿）VCE<V(BR)CEO

最大允許集電極耗散功率PCM（PC=ICVCE，若PC>PCM燒管）PC<PCM

要求ICICM

放大電路小信號(hào)運(yùn)用時(shí)，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，特性曲線的非線性可忽略不計(jì)，近似用一段直線來(lái)代替，從而獲得一線性化的電路模型，即小信號(hào)（或微變）電路模型。2.5晶體三極管小信號(hào)電路模型

三極管作為四端網(wǎng)絡(luò)，選擇不同的自變量，可以形成多種電路模型。最常用的是混合Π型小信號(hào)電路模型。

混合Π型電路模型的引出基區(qū)體電阻發(fā)射結(jié)電阻與電容集電結(jié)電阻與電容反映三極管正向受控作用的電流源由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce

混合Π型小信號(hào)電路模型

若忽略rbc影響，整理即可得出混Π電路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic

電路低頻工作時(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混Π電路模型簡(jiǎn)化為：rbercerbbbcegmvbebibic

小信號(hào)電路參數(shù)rbb基區(qū)體電阻，其值較小，約幾十歐，常忽略不計(jì)。

rbe三極管輸入電阻，約千歐數(shù)量級(jí)。

跨導(dǎo)gm表示三極管具有正向受控作用的增量電導(dǎo)。rce三極管輸出電阻，數(shù)值較大。RL<<rce

時(shí)，常忽略。

簡(jiǎn)化的低頻混Π電路模型由于因此，等效電路中的gmvbe，也可用ib表示。cbeTiCiBrbebcegmvbeibic=ib注意：小信號(hào)電路模型只能用來(lái)分析疊加在Q點(diǎn)上各交流量之間的相互關(guān)系，不能分析直流參量。

由于交流信號(hào)均疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上，且交流信號(hào)幅度很小，因此對(duì)工作在放大模式下的電路進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行直流分析，后進(jìn)行交流分析。2.6晶體三極管電路分析方法直流分析法分析指標(biāo)：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：圖解法、估算法

交流分析法分析指標(biāo)：Av

、Ri、Ro分析方法：圖解法、微變等效電路法

即分析交流輸入信號(hào)為零時(shí)，放大電路中直流電壓與直流電流的數(shù)值。2.6.1直流分析法

圖解法即利用三極管的輸入、輸出特性曲線與管外電路所確定的負(fù)載線，通過(guò)作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知三極管特性曲線和管外電路元件參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：便于直接觀察Q點(diǎn)位置是否合適，輸出信號(hào)波形是否會(huì)產(chǎn)生失真。（1）由電路輸入特性確定IBQ

寫出管外輸入回路直流負(fù)載線方程(VBEIB)。圖解法分析步驟：

在輸入特性曲線上作直流負(fù)載線。

找出對(duì)應(yīng)交點(diǎn)，得IBQ與VBEQ。（2）由電路輸出特性確定ICQ與VCEQ

寫出管外輸出回路直流負(fù)載線方程(VCEIC)。

在輸出特性曲線上作直流負(fù)載線。

找出負(fù)載線與特性曲線中IB=IBQ曲線的交點(diǎn)，即Q點(diǎn)，得到ICQ與VCEQ。例1：已知電路參數(shù)和三極管輸入、輸出特性曲線，試求IBQ、ICQ、VCEQ。Q

輸入回路直流負(fù)載線方程

VBE=VBB-IBRBVBBVBB/RBVBEQIBQ+-IBVBBIC-+VCCRBRC+-VBE+-VCE

輸出回路直流負(fù)載線方程

VCE=VCC-ICRCICVCE0VBEIB0IB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ

工程近似法--估算法即利用直流通路，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。直流通路是指輸入信號(hào)為零，耦合及旁路電容開路時(shí)對(duì)應(yīng)的電路。分析步驟：

確定三極管工作模式

。

用相應(yīng)簡(jiǎn)化電路模型替代三極管。

分析電路直流工作點(diǎn)。只要VBE

0.5V（Ｅ結(jié)反偏）截止模式假定放大模式，估算VCE:若VＣE

>0.3V放大模式若VＣE＜0.3V飽和模式例2已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，試判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式

VCCRCRB(+6V)1k100kT因?yàn)閂CEQ>0.3V，所以三極管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V例3若將上例電路中的電阻RB

改為10k，試重新判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因?yàn)閂CEQ<0.3V，所以三極管工作在飽和模式。例4已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，試判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：所以三極管工作在截止模式。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+-VBBRBRC+-VCC<VBE(on)2.6.2交流分析法

小信號(hào)等效電路法(微變等效電路法)

分析電路加交流輸入信號(hào)后，疊加在Q點(diǎn)上的電壓與電流變化量之間的關(guān)系。

在交流通路基礎(chǔ)上，將三極管用小信號(hào)電路模型代替得到的線性等效電路即小信號(hào)等效電路。利用該等效電路分析Av

、Ri、Ro的方法即小信號(hào)等效電路法。交流通路:

即交流信號(hào)流通的路徑。它是將直流電源短路、耦合、旁路電容短路時(shí)對(duì)應(yīng)的電路。小信號(hào)等效電路法分析步驟：

畫交流通路(直流電源短路，耦合、旁路電容短路)。

用小信號(hào)電路模型代替三極管，得小信號(hào)等效電路。

利用小信號(hào)等效電路分析交流指標(biāo)。

計(jì)算微變參數(shù)gm、rbe。注意:

小信號(hào)等效電路只能用來(lái)分析交流量的變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，不能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。例5已知ICQ=1mA,=100,vi

=20sint(mV),試畫出圖示電路的交流通路及交流等效電路,并計(jì)算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k

圖解法

確定靜態(tài)工作點(diǎn)(方法同前)。

畫交流負(fù)載線。

畫波形，分析性能。過(guò)Q點(diǎn)、作斜率為-1/RL的直線即交流負(fù)載線。其中RL=RC//

RL分析步驟:

圖解法直觀、實(shí)用，容易看出Q點(diǎn)設(shè)置是否合適，波形是否產(chǎn)生失真，但不適合分析含有電抗元件的復(fù)雜電路。同時(shí)在輸入信號(hào)過(guò)小時(shí)作圖精確度降低。例6輸入正弦信號(hào)時(shí)，畫各極電壓與電流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2Q點(diǎn)位置與波形失真：Q點(diǎn)過(guò)低，vO負(fù)半周易截止失真。PNP管

Q點(diǎn)過(guò)高，vO正半周易飽和失真。Q點(diǎn)過(guò)低，vO正半周易截止失真。NPN管

Q點(diǎn)過(guò)高，vO負(fù)半周易飽和失真。由于PNP管電壓極性與NPN管相反，故橫軸vCE可改為-vCE。

消除飽和失真降低Q點(diǎn):增大RB，減小IBQ減小RC:負(fù)載線變徒,

輸出動(dòng)態(tài)范圍增加。消除截止失真升高Q點(diǎn):減小RB，增大IBQ2.7晶體三極管應(yīng)用原理2.7.1

電流源

利用三極管放大區(qū)iB恒定時(shí)iC接近恒流的特性，可構(gòu)成集成電路中廣泛采用的一種單元電路--電流源。iCvCE0iBVCE(sat)QiCR+-VQ+viB恒值外電路(負(fù)載電路)該電流源不是普通意義上的電流源，因它本身不提供能量。電流源電路的輸出電流IO，由外電路中的直流電源提供。IO只受IB控制，與外電路在電流源兩端呈現(xiàn)的電壓大小幾乎無(wú)關(guān)。就這個(gè)意義而言，將其看作為電流源。放大器