低頻電子線路第二章

第2章晶體三極管概述2.1放大模式下晶體三極管的工作原理2.2晶體三極管的其他工作模式2.3埃伯爾斯—莫爾模型2.4晶體三極管伏安特性曲線2.5晶體三極管小信號電路模型2.6晶體三極管電路分析方法2.7晶體三極管的應用原理概述

三極管結構及電路符號發(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)射結集電結第2章晶體三極管晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結。

三極管三種工作模式發(fā)射結正偏，集電結反偏。放大模式：發(fā)射結正偏，集電結正偏。飽和模式：發(fā)射結反偏，集電結反偏。截止模式：注意：三極管具有正向受控作用，除了滿足內(nèi)部結構特點外，還必須滿足放大模式的外部工作條件。

三極管內(nèi)部結構特點1)發(fā)射區(qū)高摻雜（相對于基區(qū)）。2)基區(qū)很薄。3)集電結面積大。第2章晶體三極管2.1放大模式下三極管工作原理2.1.1內(nèi)部載流子傳輸過程PNN+-+-+V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE=IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB=IEp+IBB-ICBO=IEp+(IEn-ICn)-ICBO=IE-IC第2章晶體三極管因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)

發(fā)射結正偏：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)摻雜濃度：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)射結傳輸?shù)郊娊Y邊界。

基區(qū)很?。嚎蓽p少多子傳輸過程中在基區(qū)的復合機會，保證絕大部分載流子擴散到集電結邊界。

集電結反偏且集電結面積大：保證擴散到集電結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。第2章晶體三極管

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)射結電壓VBE

的控制，而與反向集電結電壓VCE

近似無關。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，結果導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第2章晶體三極管

觀察輸入信號作用在哪個電極上，輸出信號從哪個電極取出，此外的另一個電極即為組態(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)是針對交流信號而言的。第2章晶體三極管

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：第2章晶體三極管

的物理含義：

表示，受發(fā)射結電壓控制的復合電流IBB，對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)。第2章晶體三極管ICEO

的物理含義：

ICEO

指基極開路時，集電極直通到發(fā)射極的電流。因為

IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0所以

IEp+(IEn-

ICn)=IE

-

ICn=ICBO因此第2章晶體三極管三極管的正向受控作用，服從指數(shù)函數(shù)關系式：2.1.3放大模式下三極管的模型

數(shù)學模型(指數(shù)模型)

IS指發(fā)射結反向飽和電流IEBS

轉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。式中第2章晶體三極管

放大模式直流簡化電路模型ECBETICIB共發(fā)射極VBE(on)

為發(fā)射結導通電壓，工程上一般?。汗韫躒BE(on)=0.7V鍺管VBE(on)=0.25V第2章晶體三極管電路模型VBE+-ECBEICIBIBVCE+-直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-+-VCE

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)

減小(22.5)mV，即

溫度每升高10C，ICBO

增大一倍，即第2章晶體三極管PNN+V1V2R2R12.2晶體三極管的其他工作模式2.2.1飽和模式(E結正偏，C結正偏)-+IFFIF+-IRRIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE

結論：三極管失去正向受控作用。第2章晶體三極管

飽和模式直流簡化電路模型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，相當于開關閉合。第2章晶體三極管2.2.2截止模式(E結反偏，C結反偏)

若忽略反向飽和電流，三極管IB

0，IC

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

截止模式直流簡化電路模型直流簡化電路模型ECBEIC

0IB0第2章晶體三極管2.3埃伯爾斯—莫爾模型埃伯爾斯—莫爾模型是三極管通用模型，它適用于任何工作模式。IE=IF-RIRIC=

FIF-IR其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB第2章晶體三極管2.4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+-第2章晶體三極管

輸入特性曲線VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10VOV(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)制效應注：VCE>0.3V后，曲線移動可忽略不計。因此當VBE

一定時：VCEVCB復合機會IB曲線右移。第2章晶體三極管

輸出特性曲線

飽和區(qū)(VBE

0.7V，VCE

<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點：條件：發(fā)射結正偏，集電結正偏。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區(qū)域：飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。第2章晶體三極管

放大區(qū)(VBE

0.7V，

VCE

>0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點條件發(fā)射結正偏集電結反偏VCE曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC=IB+ICEO說明IC/mAVCE/VOVA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(VCEIC略)第2章晶體三極管在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應時，電流IC

的修正方程基寬WB

越小調(diào)制效應對IC

影響越大則VA越小。

與IC

的關系：ICO在IC

一定范圍內(nèi)近似為常數(shù)。IC過小使IB造成。IC

過大發(fā)射效率

造成。考慮上述因素，IB

等量增加時，ICVCEO輸出曲線不再等間隔平行上移。第2章晶體三極管

截止區(qū)(VBE

0.5V，VCE

0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點：條件：發(fā)射結反偏，集電結反偏。IC0，IB0近似為

IB≤0以下區(qū)域

嚴格說，截止區(qū)應是IE=0即IB=-ICBO

以下的區(qū)域。因為IB在0-ICBO

時，仍滿足第2章晶體三極管

擊穿區(qū)特點：VCE增大到一定值時，集電結反向擊穿，IC

急劇增大。V(BR)CEO集電結反向擊穿電壓，隨IB

的增大而減小。注意：IB=0時，擊穿電壓為V(BR)CEOIE=0時，擊穿電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEOIC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第2章晶體三極管

三極管安全工作區(qū)ICVCEOV(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IC

ICM第2章晶體三極管放大電路小信號作用時，在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)，特性曲線的非線性可忽略不計，近似用一段直線來代替，從而獲得一線性化的電路模型，即小信號(或微變)電路模型。2.5晶體三極管小信號電路模型三極管作為四端網(wǎng)絡，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

型小信號電路模型。第2章晶體三極管

混合Π型電路模型的引出基區(qū)體電阻發(fā)射結電阻與電容集電結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)制效應引起的輸出電阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce第2章晶體三極管

混合型小信號電路模型

若忽略rbc

影響，整理后即可得出混合型電路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic電路低頻工作時，可忽略結電容影響，因此低頻混合型電路模型簡化為：rbercerbbbcegmvbebibic第2章晶體三極管

小信號電路參數(shù)rbb

基區(qū)體電阻，其值較小，約幾十歐，常忽略不計。

rbe

三極管輸入電阻，約千歐數(shù)量級。

跨導gm

表示三極管具有正向受控作用的增量電導。rce

三極管輸出電阻，數(shù)值較大。RL<<rce

時，常忽略。第2章晶體三極管

簡化的低頻混電路模型由于因此，等效電路中的gmvbe，也可用ib

表示。cbeTiCiBrbebcegmvbeibic=ib注意：小信號電路模型只能用來分析疊加在Q

點上各交流量之間的相互關系，不能分析直流參量。第2章晶體三極管由于交流信號均疊加在靜態(tài)工作點上，且交流信號幅度很小，因此對工作在放大模式下的電路進行分析時，應先進行直流分析，后進行交流分析。2.6晶體三極管電路分析方法

直流分析法分析指標：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：圖解法、估算法

交流分析法分析指標：Av

、Ri、Ro分析方法：圖解法、微變等效電路法

第2章晶體三極管即分析交流輸入信號為零時，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載線，通過作圖的方法進行求解。要求：已知三極管特性曲線和管外電路元件參數(shù)。優(yōu)點：便于直接觀察Q

點位置是否合適，輸出信號波形是否會產(chǎn)生失真。第2章晶體三極管(1)由電路輸入特性確定IBQ

寫出管外輸入回路直流負載線方程(VBE

-

IB)。圖解法分析步驟：

在輸入特性曲線上作直流負載線。

找出對應交點，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載線方程(VCE

-

IC)

。

在輸出特性曲線上作直流負載線。

找出負載線與特性曲線中IB=IBQ

曲線的交點，即Q

點，得到ICQ

與VCEQ。第2章晶體三極管例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

輸入回路直流負載線方程

VBE=VBB

-

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

輸出回路直流負載線方程

VCE=VCC

-

ICRCICVCEOVBEIBOIB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第2章晶體三極管

工程近似法--估算法即利用直流通路，計算靜態(tài)工作點。直流通路是指輸入信號為零，耦合及旁路電容開路時對應的電路。分析步驟：

確定三極管工作模式。

用相應簡化電路模型替代三極管。

分析電路直流工作點。只要VBE

0.5V(E結反偏)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飽和模式第2章晶體三極管例2

已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，

=30

，試判斷三極管工作狀態(tài)，并計算VC。解：假設T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因為VCEQ>0.3V，所以三極管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V第2章晶體三極管例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)，并計算VC。解：假設T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因為VCEQ<0.3V，假設不成立，所以三極管工作在飽和模式。第2章晶體三極管例4已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，

=30

，試判斷三極管工作狀態(tài)，并計算VC。解：所以三極管工作在截止模式，VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k<VBE(on)第2章晶體三極管+-VBBRBRC+-VCC2.6.2

交流分析法

小信號等效電路法(微變等效電路法)分析電路加交流輸入信號后，疊加在Q

點上的電壓與電流變化量之間的關系。在交流通路基礎上，將三極管用小信號電路模型代替得到的線性等效電路即小信號等效電路。利用該等效電路分析Av

、Ri、Ro

的方法即小信號等效電路法。交流通路：

即交流信號流通的路徑。它是將直流電源短路、耦合、旁路電容短路時對應的電路。第2章晶體三極管小信號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)。

用小信號電路模型代替三極管，得小信號等效電路。

利用小信號等效電路分析交流指標。

計算微變參數(shù)gm、rbe。注意：小信號等效電路只能用來分析交流量的變化規(guī)律及動態(tài)性能指標，不能分析靜態(tài)工作點。第2章晶體三極管例5已知ICQ=1mA，

=100,vi

=20sint(mV)，ＲC=ＲＬ=４k

，畫電路的交流通路及交流等效電路,計算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k第2章晶體三極管

圖解法

確定靜態(tài)工作點(方法同前)。

畫交流負載線。

畫波形，分析性能。過Q

點、作斜率為-1/RL

的直線即交流負載線。其中RL=RC//

RL。分析步驟：圖解法直觀、實用，容易看出Q

點設置是否合適，波形是否產(chǎn)生失真，但不適合分析含有電抗元件的復雜電路。同時在輸入信號過小時作圖精確度降低。第2章晶體三極管例6輸入正弦信號時，畫各極電壓與電流的波形。tvBEOQvBEiBOiCvCEOQIBQICQtvCEO交流負載線-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第2章晶體三極管tiBOiCtOQ

點位置與波形失真：Q

點過低，vO

負半周易截止失真。PNP管

Q

點過高，vO

正半周易飽和失真。

Q

點過低，vO正半周易截止失真。

NPN管

Q

點過高，vO

負半周易飽和失真。

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：增大RB，減小IBQ減小RC：負載線變陡,

輸出動態(tài)范圍增加。消除截止失真升高Q

點：減小RB，增大IBQ第2章晶體三極管2.7晶體三極管應用原理2.7.1電流源利用三極管放大區(qū)iB

恒定時iC

接近恒流的特性，可構成集成電路中廣泛采用的一種單元電路——電流源。iCvCEOiBVCE(sat)QiCR+-VQ+viB恒值外電路(負載電路)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I０，由外電路中的直流