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1、7.1 晶体管7.1.1 基本结构,晶体管(半导体三极管)是重要的一种半导体器件。广泛应用于各种电子电路中。,晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。,第7章 晶体管及交流放大电路,杂质多,尺寸大,不行,+ + -,- - +,引出三个电极发射极(E)、基极(B)和集电极(C) 。,三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结。,平面型都是硅管，合金型主要是锗管。它们都具有NPN或PNP的三层的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。,其三层分别称为发射区、基区和集电区，,1、发射区向基区扩散电子,内部载流子运动规律,发射结处于正向偏置，多子的扩散运动加强，发射区的自由电子不断向基区扩散。形成发
2、射极电流 IE 。,集电结反向偏置，将从E区扩散过来的自由电子拉入集电区，形成集电极电流(ICE IC)。,2、电子在基区的扩散和复合,电子在基区继续向集电结扩散。有少部分与基区中的空穴复合，形成基极电流IB IBE 。,7.1.2 电流放大作用,B,E,C,N,N,P,EB,RB,EC,3、集电区收集扩散电子,集电结反向偏置又有利于少数载流子的漂移运动，形成反向截止电流ICBO,+,+,在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化。,根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。则,对于NPN型晶体管,且,对于PNP型晶体管,且,7.1.2
3、电流放大作用,7.1.3 晶体管的特性曲线,最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，特性曲线的测量电路见右图。,用晶体管特性图示仪也可直接测量显示晶体管的各个特性曲线。,特性曲线是表示晶体管各电极电压与电流之间关系的曲线。是应用晶体管和分析放大电路的重要依据。,1. 输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,当UCE 1V时集电结已处于反向偏置，从发射结发射过来的电流绝大部分将形成集电极电流，即UCE 1V后，输入特性曲线基本重合。,2. 输出特性,IB一定时
4、，当UCE超过约1V以后UCE继续增加时， IC 的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性，,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,7.1.4 晶体管的主要参
5、数,1. 电流放大系数 ，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形
6、成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,ICBO（ICEO）表明管子优劣,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。,晶体管基极开路时，集射极之间的最大允许电压。当UCEU(BR)CEO时，ICEO突变，晶体管会被击穿损坏。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于晶体管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏晶体管。 PC
7、 PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区,ICUCE=PCM,安全工作区,本章介绍由分立元件组成的各种常用基本放大电路。放大电路将微弱变化电信号转换为较强的电信号。,1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。晶体管有电流放大和控制作用，用小信号控制较大功率负载。,放大器实现放大的条件：,2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,7.2 放大电路概述,如图是最基本的交流放大电路（共发射极电路），晶体管T是NPN型。,输入回
8、路,输出回路,T的发射极既在输入回路，又在输出回路。,共发射极电路,基本放大电路的组成,晶体管T： 电路中的放大元件。利用其电流放大作用，在集电极电路获得放大的电流，用较小的基极电流iB控制放大了的集电极电流iC。,基极电源EB和基极电阻RB：使发射结处于正偏，并提供合适的基极电流IB，使放大电路获得合适的工作点。,基本放大电路各元件的作用,集电极电源EC：不仅为输出信号提供能量，还为集电结加反向偏置，使晶体管起到放大作用。,集电极负载电阻RC：将集电极电流的变化变换成电压的变化，以实现电压放大。,耦合电容C1和C2：起隔断直流，耦合交流的作用。输入端的信号源以及输出负载电阻的加入不影响晶体管
9、处于放大状态的静态工作点。而对交流信号近似短路。,基本放大电路各元件的作用,iC,化简电路,+ us -,+ ui -,c1,c2,iB,iE,uBE,+ uCE -,+ uo -,RC,RS,RL,+,+,T,化简,基本放大电路的组成,+,-,静态：当ui=0时的工作状态。(确定IB、IC、UCE),动态：当ui0时的工作状态。(确定Au、ri、r0),直流通路的画法：电容视为开路。,7.3 放大电路的静态分析,UCE= UCC ICRC,例：已知 UCC=12V, RB =300k , RC =3k,=50,试求放大电路的静态值。 解：根据电路可得：(见右上),7.3.1 估算法,直流源,
10、UBE是PN管压降，硅管0.7V，锗管0.3V，可忽略,7.3.2 图解法,用作图的方法确定静态值。,IC,IB,IE,UBE,RC,T,+ UCE -,+,-,直流负载线方程,优点： 能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。,步骤： 1. 先确定IB,2.作出直流负载线与IB所对应的输出特性曲线的交点即为静态工作点，确定IC 和UCE,=0,C,Q,IB=40A对应的输出特性曲线,由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线,两者的交点Q就是静态工作点,UCC,IB,60,4,80,40,20,12,已知UCC=12V, RC=3k, RB=300k，可作出Q点。,斜率,由Q在坐标上查
11、得静态值IC和UCE。,7.3.3 电路参数对静态工作点的影响,1RB对Q点的影响（固定RC和UCC）。 RB变化，仅对IB有影响，而对直流负载线无影响。 如RB增大，IB减小，工作点沿直流负载线下移。,UCC,改变IB，工作点随之移动，IB称为偏置电流， RB称为偏置电阻。,7.3.3 电路参数对静态工作点的影响,2RC对Q点的影响（固定RB和UCC）。 RC变化，对IB无影响，仅对直流负载线的斜率有影响。 RC增大，UCC/RC减小，工作点沿IB对应的输出特性左移。,0,C,UCC,IB,7.3.3 电路参数对静态工作点的影响,3UCC对Q点的影响（固定RB和RC）。 UCC变化，对IB有
12、影响，也对直流负载线有影响。 UCC减小，IB、UCC/RC减小，直流负载线左向下移。,实际工作点调试中，主要通过改变电阻RB改变静态工作点。,7.4 放大电路的动态分析,动态:有交流信号输入（ui 0）时的工作状态。 电路中的电压电流均包含静态分量和动态分量。,共射极放大电路的交流通路,动态分析: 各极电压和电流的交流分量。 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析方法： 微变等效电路法、图解法。 所用电路： 放大电路的交流通路。,如uBE = UBE+ ube,iB = IB+ ib,直流负载线:反映静态时电流IC和UCE的变化关系, 由于C2的隔直作用, 不考虑负载电阻
13、RL。,交流负载线:反映动态时电流 iC和uCE的变化关系, 视C2为短路，RL与RC并联 .,其中：RL=RC/RL RC,交流负载线斜率:,7.4.1 图解法,1.先确定静态工作点Q, 过Q作交流负载线 。,放大电路加上输入信号ui后，利用晶体管的特性曲线通过作图的方法分析放大电路的动态工作情况。,7.4.1 图解法,交流负载线比直流负载线陡,交流负载线,输入信号为零时，放大电路工作在Q点.,交流负载线过Q点,2.再根据ui在输入特性上求uBE和iB 。,根据iB 在输出特性上求iC和uCE。,直流负载线,过Q作交流负载线,IB=0,UBE,IB,UCE,交流信号的传输情况 ui(即ube
14、)ibicuo(即uce),IC,Q,uBE=UBE+ube,输入输出信号相位相反,20A,40A,60A,3.非线性失真,0,u,CE,i,C,Q,I,C,i,C,t,0,t,Q,Q,U,CE,0,截止区,原因：静态工作点不合适或者信号太大，使放大电路工作范围超出特性曲线线性区。,截止失真 输出电压uo的正半周出现平顶畸变， 半波被削平。 原因： Q点位置太低。 适当增加基极电流可消除失真。,7.4.1 图解法,i,i,0,u,CE,C,Q,I,C,C,t,0,t,Q,Q,u,CE,U,CE,0,饱和失真 输出电压uo的负半周出现平顶畸变， 半波被缩小。 原因： Q点位置太高。 适当减小基极
15、电流可消除失真。,大信号失真 原因：信号太大，使放大电路工作范围进入饱和区和截止区。减小信号幅值可消除失真。,饱和区,7.4.1 图解法,（2）由于C2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce，且与输入电压ui反相。 （3）电压放大倍数大小是uo与ui的幅值之比或有效值之比。负载电阻RL越小，RL也越小，交流负载线就越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。,图解分析的几个重要结论：,uBE = UBE+ ube,uCE = UCE+ uce,iB = IBE+ ib,iC = IC+ ic,（1）电压和电流都由直流分量和交流分量两部分组成。,（4）Q点不合适，饱和失真和截止失真等。,图解法的优点：直观，准确 缺点：麻烦。,7.4.2 微变等效电路法,微变等效电路： 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件： 晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法： 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,晶体管,1. 晶体管的微变等效电路,在输入回路（BE之
