模电第七章双极型三极管及其放大电路

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1、第7章 双极型三极管及其放大电路,7.1 双极型三极管,7.2 共发射极放大电路的组成和工作原理,7.3 放大电路的静态分析,7.4 放大电路的动态分析,7.6 共集电极和共基极放大电路,7.5 放大电路静态工作点的稳定,7.7 多级放大电路,7.1 双极型三极管,7.1.1 三极管的基本结构,7.1.2 三极管的电流分配和放大原理,7.1.3 三极管的伏安特性曲线,7.1.4 三极管类型和工作状态的判断,7.1.5 三极管的主要参数,7.1.6 温度对三极管参数的影响,7.1.7 三极管的类型、型号和选用原则,7.1.8 特殊三极管,7.1 双极型三极管,(Bipolar Junction

2、Transistor，BJT),又称半导体三极管，由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管，或简称为晶体管、三极管。,BJT是由两个PN结组成的。,7.1.1 三极管的基本结构,常见三极管的外形和封装如下图所示。,三极管一般可分成两种类型：NPN 和 PNP 型。下面主要以 NPN 型为例进行讨论。,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),NPN 型三极管结构示意图和符号,集电极 c,基极 b,发射极 e,PNP型三极管结构示意图和符号,集电极 c,基极 b,发射极 e,以 NPN 型三极管为例讨论,三极

3、管中的两个 PN 结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,7.1.2 三极管的电流分配和放大原理,三极管内部结构要求：,1. 发射区高掺杂。,2. 基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,3. 集电结面积大。,1.实验及测量,三极管电流放大的实验电路如图所示，把三极管接成两个回路：基极回路和集电极回路。,改变可变电阻Rb，则基极电流IB、集电极电流IC和 发射极电流IE都发生变化。测量结果如下表所示。,三极管电流测量数据,由此实验及测量结果

4、可得出如下结论： (1)观察实验数据中的每一列，可得,(2)三极管具有电流放大作用。,(3)当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO,下面用载流子在三极管内部的运动规律来解释上述结论。,IEp,IE,IC,IB,IEn,2.载流子的运动,(1)发射区向基区扩散电子,发射区电子扩散到 基区，形成电流IEn。基 区空穴也扩散到发射区， 形成电流IEp，但由于基 区空穴数量较少，这部 分电流可忽略不计，因 此发射极电流IEIEn。,IEp,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,(2)电子在基区的扩散和复合,电子到达基区，少 数与空穴复合形成基极 电流 IBn，它基本上等于 基极电流IB，复合掉

5、的 空穴由 VBB 补充。绝大 部分自由电子都能扩散 到集电结边缘 。,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBn,ICn,(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子,从基区扩散来的电子， 漂移进入集电结而被收集， 形成ICn。集电结反偏，由 集电区和基区少子形成反 向饱和电流ICBO。,3.三极管的电流分配关系,集电极的电流为IC,IC=ICn+ICBO,由于IEp很小，可以忽略不计，所以 IBIBn-ICBO,基极的电流为IB,IB=IBn_ICBO+IEp,IE=IC+IB,发射极的电流为IE,IE=IEn+IEpIEnICn+IBn,因此,如上所述，构成IE的两部分中，ICn所占的

6、百分比很大，IBn很小。这个比值用 表示，称为电流放大系数 。,因此,上式中的后一项常用 ICEO 表示，ICEO 称为穿透电流。,则,一般情况下， ICBO和ICEO很小可忽略 。可得,7.1.3 三极管的伏安特性曲线,1.输入特性,三极管的伏安特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是分析放大电路的重要依据。,iB=f(uBE) uCE=常数,uCE=0V,uCE=2V,当uCE大于某一数值后，各条输入特性十分密集， 通常用uCE 1 时的一条输入特性来代表。,发射结死区电压Si管0.5V，Ge管0.1V,2.输出特性,iC=f(uCE) iB=常数,放 大 区,划分三个区：截

7、止区、放大区和饱和区。,(1)放大区：,条件：发射结正偏 集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，基本平行等距。,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,（2） 截止区 iB 0 的区域。,两个结都处于反向偏置。,iB= 0 时，iC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 至几百微安。,截止区,截止区,iC=f(uCE) iB=常数,（3） 饱和区,条件：两个结均正偏,特点：iC 基本上不随 iB 而变化，在饱和区三极管失去放大作用。 i C iB。,当 uCB = 0 时，称临界饱和，uCE uBE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0. 2 V

8、(锗管),饱和区,饱和区,7.1.4 三极管类型和工作状态的判断,1. 根据三极管的电流，判断三极管的类型,常用的判断三极管类型和工作状态的判断方法。,(a) NPN (b)PNP,各极电流关系为：,IEICIB,IE=IB+IC,例 7.1.1 在某放大电路中，三极管三个极的电流方向如图所示，已知I1= _1.4mA，I2= _0.03mA，I3=1.43mA，试确定三极管是NPN型还是PNP型，并区分出各电极。,例 7.1.2在某放大电路中，三极管各个极的电流方向 如图所示，试确定三极管是NPN型还是PNP型，并区分出 各电极。,2. 根据三极管各极电位，判断三极管的类型,对NPN型管有：

9、 UCUBUE 对PNP型管有： UCUBUE 对于硅管 UBE=0.60.8V 对于锗管 UBE=0.10.3V,判断依据为：,判断步骤为：1）先找电位差为0.2V或0.7V左右的电压， 它们必为b极和e极，并可判断出硅管或锗管； 2）再比较三个电压的大小，来确定是NPN型 或 PNP型管 。,例 7.1.3若测得放大电路中的两个三极管各极电位分别如下，试判断它们是NPN型管还是PNP型管，是硅管还是锗管并确定每管的b，c，e电极。 (1)Ul8V，U22V，U32.7V； (2)Ul 2V，U2 5V，U3 2.3V。,3. 根据三极管各极电位，判断三极管的工作状态,对PNP管有：,对NP

10、N型管有：,当UBE死区电压，UCEUBE，三极管处于放大状态； 当UBE死区电压，UCEUBE，三极管处于饱和状态。,当UBE死区电压，三极管截止； 当UBEUBE，三极管处于饱和状态。,7.1.5 三极管的主要参数,三极管的连接方式,+,(a)共发射极接法,+,C2,+,C1,VEE,Re,VCC,Rc,(b)共基极接法,发射极作为输入与输出回路的公共端。,基极作为输入与输出回路的公共端。,（1）直流分量大大，如IB、IC、UCE等。 （2）交流分量的瞬时值小小，如ib、ic、uce等； 有效值大小，如Ib、Ic、Uce等；幅值是在有效值基础 上加“m”下标，如Ibm、Icm、Ucem等。

11、 （3）总电压（或总电流）的瞬时值小大，如iB、 uCE等，其中iB=IB+ib，uCE=UCE+uce。,符号规定,1.电流放大系数,是表征管子放大作用的参数。有以下几个：,(1) 共射交流电流放大系数 ,(2) 共射直流电流放大系数,忽略穿透电流 ICEO 时，,(3) 共基交流电流放大系数 ,(4) 共基直流电流放大系数,忽略反向饱和电流 ICBO 时，, 和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：,2.反向饱和电流,（1）集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,（2）集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO,(a)ICBO测量电路,(b)ICEO测量电路,小功率锗管 ICBO

12、 约为几微安；硅管的 ICBO 小，有的为纳安数量级。,当 b 开路时， c 和 e 之间的电流,值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。,3. 极限参数,（1）集电极最大允许电流 ICM,当 iC 过大时，三极管的 值要减小。在 iC = ICM 时， 值下降到额定值的2/3。,（2）集电极最大允许耗散功率 PCM,将 iC 与 uCE 乘积等于规定的 PCM 值各点连接起来，可得一条双曲线。,iCuCE PCM 为安全工作区,iCuCE PCM 为过损耗区,三极管的安全工作区,（3） 极间反向击穿电压,外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。,U(BR)CEO：基极开路时，集电极和发射极之间

13、的反向击穿电压。,U(BR)CBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。,安全工作区同时要受 PCM、ICM 和U(BR)CEO限制。,三极管的安全工作区,温度变化对管子参数的影响主要表现有：,7.1.6 温度对三极管参数的影响,温度每升高10，ICBO大致将增加一倍，说明ICBO将 随温度按指数规律上升。,1.温度对UBE的影响,温度每升高1，UBE约下降2mV。,2.温度对ICBO的影响,3.温度对的影响,输出特性曲线的距离随温度的升高而增大。,综上所述：温度对UBE，ICBO，的影响，将使IC随 温度上升而增加，这将严重地影响三极管的工作状态。,25o,50o,IB,UBE1,

14、UBE2,7.1.7 三极管的类型、型号和选用原则,按功能及用途分：有放大管、开关管、复合管(达 林顿管)和高反压管等； 按 工作 频 率 分： 有低频管、高频管及超高频管等； 按 材 料 分： 硅管和锗管； 按 掺 杂 方式 分： NPN型和PNP型管。,1. 类型,按耗 散 功率 分： 小功率三极管、中功率三极管和 大功率三极管等;,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,3DG110B,2. 型号,3. 三极管的选用原则,(1)考虑三极管工作

15、性能的稳定，在同一型号的管子中， 应选反向电流小的。值不宜选得过高，否则管子性能不稳定。 (2)若要求管子的反向电流小，工作温度高，则应选硅管； 而当要求导通电压较低时，则应选锗管。 (3)若要求工作频率高，则选用高频管或超高频管；若用 于开关电路，则应选用开关管。 (4)考虑三极管的安全工作条件，管子用作放大器件时必 须工作在安全区，注意PCM、ICM、U(BR)CEO的值。,4. 三极管的检测,以半圆塑封s9014，s9013，s9015，s9012，s9018 系列的晶体小功率三极管为例，说明管脚的判别。 (1)把显示文字平面朝自己，三极管的三个管脚朝下， 从左向右依次为发射极e 、基极b 、集电极c ，如图所示。,（2）用万用表测量三极管的三个极的方法。 用万用表R100或R1k挡测量管子三个电极中每两 个极之间的正、反向电阻值。,判定三极管的基极 判定NPN型管的基极：先用黑表笔接某一管脚，红表笔先 后接另外两个引脚，测得两个电阻值。再用黑表笔换接另一 引脚，重复以上步骤，直至测得两个电阻值都很小，则黑 表笔所接的那个引脚即为基极b。,2)测试三极管的c、e的方法