双极型晶体管及其特性

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1、第2章 双极型晶体管及其放大电路第2章 双极型晶体管及其放大电路 21 双极型晶体管的工作原理 22 晶体管伏安特性曲线及参数23 晶体管工作状态分析及偏置电路24 放大器的组成及其性能指标25 放大器图解分析法26 放大器的交流等效电路分析法27 共集电极放大器和共基极放大器28 放大器的级联 第2章 双极型晶体管及其放大电路21 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。 晶体管的原理结构如图21(a)所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型P型N型结构，所以称为NPN管。 第2章 双

2、极型晶体管及其放大电路图21晶体管的结构与符号(a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图第2章 双极型晶体管及其放大电路211放大状态下晶体管中载流子的传输过程当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用图2-2说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。 第2章 双极型晶体管及其放大电路图22晶体管内载流子的运动和各极电流第2章 双极型晶体管及其放大电路一、发射区向基区注入电子由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因

3、为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP UBE(on)时，随着uBE的增大，iB开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。 (2)当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移，见图26。 第2章 双极型晶体管及其放大电路(3)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0ICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时， iC不应超过ICM 。第2章 双极型晶体管及其放大电路3 集电极最大允许耗散功率PCM晶体管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向电压，同时流过较

4、大的电流。因此，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规定一个功耗限额。 第2章 双极型晶体管及其放大电路PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。一个管子的PCM如已确定，则由PCM =ICUCE可知， PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如图27所示。第2章 双极型晶体管及其放大电路图27 晶体管的安全工作区 第2章 双极型晶体管及其放大电路23 晶体管工作状态分析及偏置电路由晶体管的伏安特性曲线可知，晶体管是一种复杂的非线性器件。在直流工作时，其非线性主要表现为

5、三种截然不同的工作状态，即放大、截止和饱和。在实际应用中，根据实现的功能不同，可通过外电路将晶体管偏置在某一规定状态。因此，在晶体管应用电路分析中，一个首要问题，便是晶体管工作状态分析以及直流电路计算。 第2章 双极型晶体管及其放大电路231晶体管的直流模型在通常情况下，由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压将对应于伏安特性曲线上一 个点的坐标，这个点称为直流(或静态)工作点，简称Q点。在直流工作时，可将晶体管输入、输出特性曲线(见图25、图26)分别用图2-8(a)和(b)所示的折线近似，这样直流工作点(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)必然位于该曲线的直线段上。 第2章

6、双极型晶体管及其放大电路图28晶体管伏安特性曲线的折线近似(a)输入特性近似； (b)输出特性近似第2章 双极型晶体管及其放大电路由图28可知，当外电路使UBEUEE+UBE(on)，则晶体管导通。现假定为放大导通，利用图29(b)的模型可得该电路的直流等效电路如图211(b)所示。由图可得UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE(212a) (212b) (212c) 借助式(212)的结果，现在可对电路中的晶体管是处于放大还是饱和作出判别。 第2章 双极型晶体管及其放大电路图211晶体管直流分析的一般性电路(a)电路；(b)放大状态下的等效电路；(c)饱和状

7、态下的等效电路第2章 双极型晶体管及其放大电路图211晶体管直流分析的一般性电路(a)电路；(b)放大状态下的等效电路；(c)饱和状态下的等效电路第2章 双极型晶体管及其放大电路例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2-12(a),(b)所示。已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。 图212例题2电路及ui,uo波形图(a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图第2章 双极型晶体管及其放大电路图212例题2电路及ui,uo波形图(a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图第2章 双极型晶体管及其放大电路解当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=

8、0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui =3V时，晶体管导通且有而集电极临界饱和电流为 因为 第2章 双极型晶体管及其放大电路所以晶体管处于饱和。此时，ICQ=IC(sat)=1.4mA，而uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。根据上述分析结果画出的uo波形如图212(c)所示。通过本例题可以看出，在实际电路分析中，由于晶体管的直流模型很简单，一旦其工作状态确定，则直流等效电路可不必画出，而等效的涵义将在计算式中反映出来。 第2章 双极型晶体管及其放大电路233 放大状态下的偏置电路晶体管在放大应用时，要求外电路将晶体管偏置在放大区，而且在信号的变化范围内，管子始终工作 在放大状态。此

9、时，对偏置电路的要求是：电路形式要简单。例如采用一路电源，尽可能少用电阻等； 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定；对信号的传输损耗应尽可能小。下面将介绍几种常用的偏置电路。 第2章 双极型晶体管及其放大电路一、固定偏流电路电路如图213所示。由图可知，UCC通过RB使e结正偏，则基极偏流为(214a) 只要合理选择RB,RC的阻值，晶体管将处于放大状态 。 此时(214b) (214c)第2章 双极型晶体管及其放大电路图213固定偏流电路第2章 双极型晶体管及其放大电路这种偏置电路虽然简单，但主要缺点是工作点的稳定性差。由式(214)可知，当温度变化或更换管子引起,ICBO

10、改变时，由于外电路将IBQ固定，所以管子参数的改变都将集中反映到ICQ,UCEQ的变化上。结果会造成工作点较大的漂移，甚至使管子进入饱和或截止状态。 第2章 双极型晶体管及其放大电路二、电流负反馈型偏置电路使工作点稳定的基本原理，是在电路中引入自动调节机制，用IB的相反变化去自动抑制IC的变化，从而使ICQ稳定。这种机制通常称为负反馈。实现方法是在管子的发射极串接电阻RE，见图214。由图可知，不管何种原因，如果使ICQ有增大趋向时，电路会产生如下自我调节过程：ICQIEQ UEQ(=IEQRE)ICQ IEQ UBEQ(= UEQ -UEQ)第2章 双极型晶体管及其放大电路图214 电流负反

11、馈型偏置电路第2章 双极型晶体管及其放大电路结果，因IBQ的减小而阻止了ICQ的增大；反之亦然。可见，通过RE对ICQ的取样和调节，实现了工作点的稳定。显然， RE的阻值越大，调节作用越强，则工作点越稳定。但RE过大时，因UCEQ过小会使Q点靠近饱和区。因此，要二者兼顾，合理选择RE的阻值。 该电路与图211(a)电路相比，差别仅在于此时UEE=0,UBB=UCC。参照式(212)，可得工作点的计算式为第2章 双极型晶体管及其放大电路(215a) (215b) (215c)第2章 双极型晶体管及其放大电路三、分压式偏置电路分压式偏置电路如图215(a)所示，它是电流负反馈型偏置电路的改进电路。

12、由图可知，通过增加一个 电阻RB2，可将基极电位UB固定。这样由ICQ引起的UE变化就是UBE的变化，因而增强了UBE对ICQ的调节作用，有利于Q点的近一步稳定。第2章 双极型晶体管及其放大电路图215分压式偏置电路(a)电路；(b)用戴文宁定理等效后的电路第2章 双极型晶体管及其放大电路图215分压式偏置电路(a)电路；(b)用戴文宁定理等效后的电路第2章 双极型晶体管及其放大电路为确保UB固定，应满足流过RB1、RB2的电流I1IBQ，这就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1 、 RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取并兼顾RE和UCEQ而取(216a)(

13、216a)第2章 双极型晶体管及其放大电路从分析的角度看，在该电路的基极端用戴文宁定理等效，可得如图215(b)的等效电路。图中，RB=RB1RB2,UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)。此时，工作点可按式(215)计算。如果RB1 、RB2取值不大，在估算工作点时，则ICQ可按下式直接求出：(217a)(217b)第2章 双极型晶体管及其放大电路例3 电路如图215(a)所示。已知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计算工作点ICQ和UCEQ。解 第2章 双极型晶体管及其放大电路若按估算法直接求ICQ，由式(217a)可得显然两者误差很小。因此，

14、在今后分析中可按估算法来求工作点。 与上述稳定Q点的原理相类似，实际中还可采用电压负反馈型偏置电路(见习题 211电路)。其调节原理请读者自行分析。除此之外，在集成电路中，还广泛采 用恒流源作偏置电路，即用恒流源直接设定ICQ。有关恒定源问题将在第四章详细讨论。 第2章 双极型晶体管及其放大电路24放大器的组成及其性能指标 晶体管的一个基本应用就是构成放大器。所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。因此，放大器在电子技术中有着广泛的应用，是现代通信、自动控制、电子测量、生物电子等设备中不可缺少的组成部分。放大器涉及的问题很多，这些问题将在后续章节中逐一讨论。本节主要说明小

15、信号放大器的组成原理，简要介绍放大器的性能指 标，然后给出其二端口网络的一般模型。第2章 双极型晶体管及其放大电路241基本放大器的组成原则基本放大器通常是指由一个晶体管构成的单级放大器。根据输入、输出回路公共端所接的电极不同， 实际有共射极、共集电极和共基极三种基本(组态)放大器。下面以最常用的共射电路为例来说明放大器的一 般组成原理。第2章 双极型晶体管及其放大电路共射极放大电路如图216所示。图中，采用固定偏流电路将晶体管偏置在放大状态，其中虚线支路的 UCC为直流电源，RB为基极偏置电阻，RC为集电极负载 电阻。输入信号通过电容C1加到基极输入端，放大后 的信号经电容C2由集电极输出给负载RL。因为放大器的分析通常采用稳态法，所以一般情况下是以正弦波 作为放大器的基本输入信号。图中用内阻为Rs的正弦 电压源Us为放大器提供输入电压Ui。电容C1, C2称为隔直电容或耦合电容，其作用是隔直流通交流，即在保 证信号正常流通的情况下，使直流相互隔离互不影响 。按这种方式连接的放大器，通常称为阻容耦合放大 器。第2章 双极型晶体管及其放大电路图216共射极放大电路第2章 双极型晶体管及其放大电路通过上述实例可以看出，用晶体管组成放大器时应该遵循如下原则：(1)必须将晶体管偏置在放大状态，并且要设置合适的工作点。当输入为双极性信号