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1、第7章 晶体管及其放大电路 本章主要内容：,7.1 晶体管,7.2 放大电路的直流偏置,7.3 共射极放大电路,7.4 共集电极和共基极放大电路,7.5组合放大电路,7.6放大电路的频率响应,7.1 晶体管 本节主要内容： 7.1.1 晶体管的结构 7.1.2 晶体管的工作原理 7.1.3 晶体管的伏安特性 7.1.4 晶体管的主要参数 7.1.5 温度对晶体管特性和参数的影响,7.1.1 晶体管的结构,1、NPN型晶体管的结构和电路符号,（c）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。,7.1.2 晶体管的工作原理,内部条件：发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区面积很大，掺杂浓度远低于
2、发射区。通过制造工艺保证内部条件的实现。 外部条件：发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置）。通过电路设计保证外部条件的实现。,1.载流子的传输过程,（1）发射区向基区注入载流子,由于发射结正向偏置，发射区的电子源源不断地注入基区，基区的空穴也要注入发射区，二者共同形成发射极电流IE。,由于基区掺杂浓度比发射区小23个数量级，基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计,（2）载流子在基区中的扩散与复合,电子不断地向集电结方向扩散，扩散过程中少量电子与空穴复合，形成基极电流的一部分IBN。,由于基区宽度很窄，且掺杂浓度很低，从而大大地减小了电子与空穴复合的机会，使注入基区的95以上的
3、电子都能到达集电结，它们将形成集电极电流的一部分ICN。,所以,（3）集电区收集载流子,集电结外加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的电子，受电场的作用，漂移越过集电结形成集电极电流的一部分ICN。,另一方面，集电结两边的少数载流子漂移形成反向饱和电流，记为ICBO。通常，ICBOICN。,显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称晶体管。,由基尔霍夫电流定律:,2.电流控制作用,定义ICN与IE之比为晶体管的共基极直流电流放大系数 ，即,得,值越大，发射极电流对集电极电流的控制能力越强。,则,得,令,为共
4、射极直流电流放大系数,定义集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB之比为共射极交流放大系数，即,即共射极交流放大系数近似等于共基极直流电流放大系数,7.1.3 晶体管的伏安特性,1.输入特性曲线,输入特性曲线描述了在集射电压vCE一定的情况下，基极电流iB与基射电压vBE之间的函数关系,即,小功率硅管的门坎电压vth约为0.5V，锗管约为0.1V。,小功率硅管的导通压降Von约为0.60.8V，一般取0.7V；小功率锗管约为0.20.3V，一般取0.2V。,2.输出特性曲线,输出特性曲线描述了在基极电流iB一定的情况下，集电极电流iC与集射电压vCE之间的函数关系,即,在输出特性曲线上可划分为
5、三个工作区：放大区、饱和区和截止区。,(1)放大区（Active region）,放大区的特点是： 发射结正偏，集电结反偏； iCiB+ICEO，体现了晶体管的放大作用（电流控制作用），曲线的间隔越大，值越大； iC 随vCE增加很小，呈恒流特性。,(2)饱和区（Saturation region）,饱和区内的vCE称为饱和压降，小功率硅管的饱和压降典型值为0.3V，锗管为0.1V。,饱和区的特点： 发射结和集电结均为正偏置；iC不受iB控制，而近似随vCE线性增长。由于vCE小、而iC大，故ce（集电极和发射极）之间等效为开关的导通，或等效为一个小电阻，称为导通电阻。,(3)截止区(Cuto
6、ff region),特点：发射结和集电结都是反向偏置；iC=ICEO0，故ce之间等效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。,PNP型晶体管的特性如图7.1.7所示,7.1.4 晶体管的主要参数,1.电流放大系数（Current amplification factor）,2.极间反向电流,极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。,（1）集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。,（2）穿透电流ICEO：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，ICEO=(1+)ICBO。,3.极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,ICM
7、是指当下降到正常值的2/3时所对应的IC值。当IC超过ICM时，晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。,（2）反向击穿电压（Reverse breakdown voltage）,发射结反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时，发射极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。,集电结反向击穿电压V(BR)CBO：发射极开路时，集电极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。,集电极与发射极之间的反向击穿电压V(BR)CEO：在输出特性曲线中，iB0的曲线开始急剧上翘所对应的电压。,（3）集电极最大允许耗散功率PCM,PC=iC vCE,当PCPCM时，
8、晶体管的实际结温小于允许的结温，不会损坏晶体管。,为了可靠工作，通常选择PCM=（1.5）PC。,7.1.5 温度对晶体管的特性与参数的影响,（1) 温度对ICBO的影响,ICBO是少数载流子形成的集电结反向饱和电流，受温度影响很大。温度每升高，ICBO增加一倍。反之，温度降低时ICBO减小。,因为 ，故穿透电流ICEO随温度变化的规律与ICBO 类似。,当温度升高时，ICEO的增大体现为整个输出特性曲线族向上平移,（2) 温度对的影响,温度升高时，晶体管内部载流子的扩散能力增强，使基区内载流子的复合概率减小，因而温度升高时放大倍数随之增大。,以 时测得的值为基数，温度每升高 ，增加约(0.5
9、1)%。,（3）温度对输入特性的影响,温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的|vBE| 减小。,（4） 温度对输出特性的影响,（5） 温度对反向击穿电压的影响,温度升高时，晶体管的ICBO、ICEO、都将增大，导致晶体管的输出特性曲线向上移,温度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大,7.2 放大电路的直流偏置,将晶体管偏置在放大状态:发射结正偏，集电结反偏。,7.2.1 基本偏置电路和静态工作点分析方法,1基本偏置电路,晶体管T的直流电压和电流在其特性曲线上组成静态工作点，分别是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。,2晶体管的分段线性模型,在输入特性曲线中，用垂
10、足为导通电压（Von）的垂直线段逼近输入特性的导通区，用过原点的水平线段逼近输入特性的死区，如图7.2.2（a）所示。,在输出特性曲线中，用一组水平直线段逼近晶体管的放大区特性，用垂足为原点的垂直线段逼近晶体管的饱和特性，如图7.2.7（b）所示。,3静态工作点的计算,例7.1 试计算图7.2.1电路的静态工作点。已知：三极管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb=400k，Rc=4k。,解：将电路参数代入（7.2.1），得,（7.2.1）,4基本偏置电路的缺点,稳定静态工作点的基本方法之一是在直流偏置电路中引入直流负反馈，使集电极直流电流IC和集射直流电压VCE随温度的变化很小，稳定静态工作
11、点Q（VCE，IC）。 反馈方式主要是电流串联负反馈和电压并联负反馈。 的影响很大。,基本偏置电路的静态工作点受环境温度T的影响很大。,7.2.2 电流串联负反馈偏置电路,图中射极电阻Re引入电流串联负反馈，所以简称为射极偏置电路。,基极电流IB远远小于基极偏置电阻上的电流I1时：,当温度升高引起集电极电流增加时，电流串联负反馈将自动进行如下反馈过程：,在电子工程设计中，选择电路参数，使：,静态工作点计算：,例7.2 射极偏置电路如图7.2.4所示。已知：晶体管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k。试计算电路的静态工作点。,解：,7.2.3
12、电压并联负反馈偏置电路,电阻Rb引入电压并联负反馈。,集电极电阻Rc上的电流IR为: IR=IC+IBIC,当温度升高引起集电极电流增加时，电路将自动进行如下反馈过程：,静态工作点计算：,由电路得,所以，,7.3 共射极放大电路,7.3.1 信号的耦合方式,信号的耦合方式主要有直接耦合、电容耦合、变压器耦合和光电耦合。,1. 直接耦合,信号源直接引入到晶体管的发射结回路，即输入回路。输出信号直接从晶体管的集电极对地引出送负载电阻RL，形成输出回路。,优点是可以放大输入信号的直流分量和低频信号；电路不包含大电容和大电感，适合集成电路制造工艺。 缺点是放大电路的静态工作点受信号源内阻和负载的影响，
13、并且随温度变化而移动，称为温度漂移。,2. 电容耦合,信号源通过电容C1引入到晶体管的发射结回路；输出信号从晶体管的集电极通过电容C2对地引出送负载电阻RL。,输入信号为零时，电容对直流电流相当于开路，故信号源和负载不影响放大电路的静态工作点，,当输入信号不为零时，如果信号频率足够大，则大电容C1和C2的阻抗远小于其所在回路的阻抗，相当于短路。,电容通常是几十个微法，保证对信号相当于短路（简称为交流短路）、对直流电源相当于开路（简称为直流开路）。,例如，在音频（20Hz20kHz）放大器中，若耦合电容取值50F，其阻抗小于160，与电阻比较耦合电容相当于交流短路。电容耦合的缺点是不适合集成电路
14、工艺，放大电路不能集成化。,7.3.2 晶体管的低频小信号模型,晶体管的低频小信号模型,式中vBE、iB、vCE和iC都是瞬时总量，包括直流电源引起的直流量和信号引起的变化量（交流量）。,求全微分，得,在静态工作点附近，微分量的系数是常数。令,由于微分量dvBE、diB、dvCE、diC表示小信号变化量,所以，,2.h参数的物理意义,hie是晶体管输出端交流短路（vCE=VCEvce=0）时b-e之间的交流输入电阻，常用rbe来表示，约为103量级。,hre是晶体管输入端交流开路（iB=IBib=0）时的反向电压传输系数（无量纲）,也称为电压反馈系数。,hfe是晶体管输出端交流短路（vCE=V
15、CEvce=0）时的正向电流传输系数（无量纲），等于电流放大系数，约为102量级。,hoe是晶体管输入端交流开路（iB=IBib=0）时c-e之间的输出电导，常用1 / rce表示，hoe很小，在放大电路的简化分析中，hoe常常忽略不计。,h参数第一个下标的含义是：i表示输入，r表示反向传输，f表示正向传输，o表示输出。第二个下标e表示是共发射极接法。,3.小信号模型的简化和参数的确定,电压受控源hre vce的电压及输出电阻1/ hoe很小，常忽略。故晶体管的简化小信号模型如图7.3.5(b)所示。,图中，用替换hfe，用rbe替换hie,在放大区内，晶体管的电流放大倍数是常数，与晶体管的制
16、造有关。但是，rbe与静态工作点有关，可以根据晶体管的物理结构模型导出rbe的计算公式。,rbe的计算：,rbb模拟从基极到发射结的基区体电阻，rbe模拟发射结的正向导通电阻，re模拟发射区的体电阻(远小于rbe)，rbc模拟集电结的反向电阻，rc模拟集电区的体电阻(远小于rbc)。,发射结电流方程：,所以,由图73.6:,小功率晶体管rbb200300 ，常取200 。,晶体管的结构模型:,7.3.3 放大电路的小信号分析,应用小信号模型分析晶体管放大电路，步骤如下： （1）令交流信号源不作用（交流电压源短路、交流电流源开路），得到仅有直流电源作用的直流非线性电路（电容开路、电感短路），简称直流通路。 （2）求解晶体管的静态工作点（分段模型法），据此计算晶体管的交流输入电阻rbe。 （3）令直流电源不作用（直流电压源短路、直流电流源开路），得到仅有交流信号源作用的交流电路，简称为交流通路。用小信号模型代替晶体管，得到交流线性等效电路，简称为交流等效电路。 （4）用线性电路
