模電電子線路線性部分第五版主編馮軍謝嘉奎第二章

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(hào)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(yīng)用原理2021/10/10星期日1PPT課件概述

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)第2章晶體三極管2021/10/10星期日2PPT課件

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（相對(duì)于基區(qū)）。2)基區(qū)很薄。3)集電結(jié)面積大。第2章晶體三極管2021/10/10星期日3PPT課件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2021/10/10星期日4PPT課件

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)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(jié)傳輸?shù)郊娊Y(jié)邊界。

基區(qū)很?。嚎蓽p少多子傳輸過程中在基區(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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日5PPT課件

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第2章晶體三極管2021/10/10星期日6PPT課件

觀察輸入信號(hào)作用在哪個(gè)電極上，輸出信號(hào)從哪個(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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日7PPT課件

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2021/10/10星期日8PPT課件

的物理含義：

表示，受發(fā)射結(jié)電壓控制的復(fù)合電流IBB，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)。第2章晶體三極管2021/10/10星期日9PPT課件ICEO

的物理含義：

ICEO

指基極開路時(shí)，集電極直通到發(fā)射極的電流。因?yàn)?/p>

IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0所以

IEp+(IEn-

ICn)=IE

-

ICn=ICBO因此第2章晶體三極管2021/10/10星期日10PPT課件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。式中第2章晶體三極管2021/10/10星期日11PPT課件

放大模式直流簡(jiǎn)化電路模型ECBETICIB共發(fā)射極VBE(on)

為發(fā)射結(jié)導(dǎo)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+-ECBEICIBIB

VCE+-直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB

+-+-VCE2021/10/10星期日12PPT課件

三極管參數(shù)的溫度特性

溫度每升高1

C，

/

增大0.5%1%，即

溫度每升高1

C，VBE(on)

減小(22.5)mV，即

溫度每升高10

C，ICBO

增大一倍，即第2章晶體三極管2021/10/10星期日13PPT課件PNN+V1V2R2R12.2晶體三極管的其他工作模式2.2.1飽和模式(E結(jié)正偏，C結(jié)正偏)-+IF

FIF+-IR

RIRIE=IF-

RIRICIC=

FIF-IRIE

結(jié)論：三極管失去正向受控作用。第2章晶體三極管2021/10/10星期日14PPT課件

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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日15PPT課件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IB

0，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ECBEIC

0IB

0第2章晶體三極管2021/10/10星期日16PPT課件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ECBIEIF

RIRIC

FIFIRIB第2章晶體三極管2021/10/10星期日17PPT課件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2021/10/10星期日18PPT課件

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+VBEWB

WBEBC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)：VCE

VCB

復(fù)合機(jī)會(huì)

IB

曲線右移。第2章晶體三極管2021/10/10星期日19PPT課件

輸出特性曲線

飽和區(qū)(VBE

0.7V，VCE

<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=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)。第2章晶體三極管2021/10/10星期日20PPT課件

放大區(qū)(VBE

0.7V，

VCE

>0.3V)IC/mAVCE/VOIB=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(yīng)(VCE

IC略

)第2章晶體三極管2021/10/10星期日21PPT課件在考慮三極管基區(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：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

?？紤]上述因素，IB

等量增加時(shí)，ICVCEO輸出曲線不再等間隔平行上移。第2章晶體三極管2021/10/10星期日22PPT課件

截止區(qū)(VBE

0.5V，VCE

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

IB≤0以下區(qū)域

嚴(yán)格說，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)，仍滿足第2章晶體三極管2021/10/10星期日23PPT課件

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/VOIB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第2章晶體三極管2021/10/10星期日24PPT課件

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2021/10/10星期日25PPT課件放大電路小信號(hào)作用時(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

型小信號(hào)電路模型。第2章晶體三極管2021/10/10星期日26PPT課件

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ibicbcerbb

rbecbecbcrbcb

gmvb

erce第2章晶體三極管2021/10/10星期日27PPT課件

混合

型小信號(hào)電路模型

若忽略rbc

影響，整理后即可得出混合

型電路模型。rb

ercecbccberbb

bcegmvb

eb

ibic電路低頻工作時(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混合

型電路模型簡(jiǎn)化為：rb

ercerbb

bcegmvb

eb

ibic第2章晶體三極管2021/10/10星期日28PPT課件

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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日29PPT課件

簡(jiǎn)化的低頻混

電路模型由于因此，等效電路中的gmvb

e，也可用ib

表示。cbeTiCiBrb

ebcegmvb

eibic=ib注意：小信號(hào)電路模型只能用來分析疊加在Q

點(diǎn)上各交流量之間的相互關(guān)系，不能分析直流參量。第2章晶體三極管2021/10/10星期日30PPT課件由于交流信號(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

第2章晶體三極管2021/10/10星期日31PPT課件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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日32PPT課件(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(VBE

-

IB)。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(VCE

-

IC)

。

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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日33PPT課件例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

-

ICRCICVCEOVBEIBOIB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第2章晶體三極管2021/10/10星期日34PPT課件

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飽和模式第2章晶體三極管2021/10/10星期日35PPT課件例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)1k

100k

T因?yàn)閂CEQ>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2021/10/10星期日36PPT課件例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)1k

10k

T因?yàn)閂CEQ<0.3V，假設(shè)不成立，所以三極管工作在飽和模式。第2章晶體三極管2021/10/10星期日37PPT課件例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)1k

100k

TRB22k

<VBE(on)第2章晶體三極管+-VBBRBRC+-VCC2021/10/10星期日38PPT課件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。第2章晶體三極管2021/10/10星期日39PPT課件小信號(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、rb

e。注意：小信號(hào)等效電路只能用來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)。第2章晶體三極管2021/10/10星期日40PPT課件例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(jì)算vo。virb

e

ibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k

第2章晶體三極管2021/10/10星期日41PPT課件

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Q

點(diǎn)、作斜率為-1/R

L

的直線即交流負(fù)載線。其中R

L=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)過小時(shí)作圖精確度降低。第2章晶體三極管2021/10/10星期日42PPT課件例6輸入正弦信號(hào)時(shí)，畫各極電壓與電流的波形。tvBEOQvBEiBOiCvCEOQIBQICQtvCEO交流負(fù)載線-1/R

LVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第2章晶體三極管tiBOiCtO2021/10/10星期日43PPT課件Q

點(diǎn)位置與波形失真：Q

點(diǎn)過低，vO

負(fù)半周易截止失真。PNP管

Q

點(diǎn)過高，vO

正半周易飽和失真。

Q

點(diǎn)過低，vO正半周易截止失真。

NPN管

Q

點(diǎn)過高，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)載線變陡,

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IBQ第2章晶體三極管2021/10/10星期日44PPT課件2.7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。iCvCEOiBVCE(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I０，由外電路中的直流電源提供。

I０只受IB控制，與外電路在電流源兩端呈現(xiàn)的電壓大小幾乎無關(guān)。就這個(gè)意義而言，將其看作為電流源。