[物理]关关雎鸠 南邮 模电 第2章 双极型晶体管及其

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 晶体管放大电路的放大原理24 放大电路的静态分析与设计25 共射放大电路的动态分析与设计26 共集放大电路（射极输出器）27 共基放大电路28 多级放大电路,1.什么是势垒电容？什么是扩散电容？2.什么是晶体二极管的直流电阻和交流电阻？物理意义？3.Page 19 1-1题4.Page 19 1-2题5.Page 20 1-5(a)题6.Page 20 1-6题,上次课内容复习：,2.1 双极型晶体管的工作原理,双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体三极管，简称晶体管。 构成：三层杂质半导体（三个区）：发射区、集电区、基区 三个电极：基极b、发射极e、集电极c 两个PN结：基区与发射区间的PN结称发射结（e结） 基区和集电区间的PN结称集电结（c结） 分类：NPN型、PNP型 结构：如图2.1.1(a)所示。特点：发射区重掺杂；基区很薄；c结面积大于e结面积。,2.1.1 双极型晶体管的结构,图2.1.1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,晶体管处于放大状态的基本条件是：发射结正偏、集电结反偏。晶体管发射区的作用是：向基区注入载流子； 基区的作用是：传送和控制载流子； 集电区的作用是：收集载流子。管内载流子的运动情况如图2.1.3所示。,2.1.2 双极型晶体管的工作原理,图2.1.3晶体管内载流子的运动和各极电流,动画,1、发射区向基区注入电子 e结正偏，从发射区注入基区的电子，形成电子注入电流IEN。同时，从基区注入发射区的空穴，形成空穴注入电流IEP。而基区的空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以IEPIEN，即发射结电流IEIEN，方向与电子注入方向相反。 ,一、放大状态下晶体管中载流子的运动,2、电子在基区中的扩散与复合 注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。,3、扩散到集电结的电子被集电区收集 集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。 另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC 、IB的另一部分电流。,二、电流分配关系 1.晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间关系：,(21a),(21b),(21c),2.共发射极直流电流放大系数 ：反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，,(22),其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。 值一般在20200之间。,确定了 值之后，由式(21)、(22)可得,式中：,(24),称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有,式(25)是今后电路分析中常用的关系式。,3. 共基极直流电流放大系数 ：反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，,(26),显然， 0时，iB很大，曲线明显左移。见图2.2.7。 (3) 1 uCE 0时，uCE，曲线右移，特别工作在饱和区时，移动量更大。(4) uBE0时， 晶体管截止，iB为反向电流。反向电压超过某一值时，e结反向击穿。,2.2.3 温度对晶体管特性曲线的影响 温度对晶体管的uBE、ICBO和有不容忽视的影响。对 uBE 、 ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即：温度每升高1， uBE减小22.5mV；温度每升高10， ICBO增大一倍。温度每升高1，值增大0.5%1%。 温度对uBE、ICBO和的影响，集中反映在iC随温度的升高而增大。在输出特性曲线上表现为：温度升高，曲线上移且间隔增大。 ,一、电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 和分别由式(22)、(210)定义，其数值可以从输出特性曲线上求出。 2. 共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 由式(26)定义，而定义为，uCB为常数时，集电极电流变化量IC与发射极电流变化量IE之比，即,(211),2.2.4 晶体管的主要参数,说明： 1. 由于ICBO、ICEO都很小，在数值上 , 。所以在以后的计算中，不再加以区分。 2. 值与测量条件有关。在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大、不小时，值才比较大，且基本不随iC而变化。,二、极间反向电流 1.集电极反向饱和电流ICBO 指发射极开路时，集电极基极间的反向电流。 2.集电极穿透电流ICEO 指基极开路时，集电极发射极间的反向电流。 3. IEBO 指集电极开路时，发射极基极间的反向电流。,三、结电容 结电容包括发射结电容Ce(或Cbe)和集电结电容Cc(或Cbc)。结电容影响晶体管的频率特性。,四、晶体管的极限参数 1 击穿电压U(BR)CBO：指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。U(BR)CEO：指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBO。 U(BR)EBO：指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。,2 集电极最大允许电流ICM ICM指下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流（ic）。当icICM时，将严重下降。,3 集电极最大允许耗散功率PCM 指Jc因受热而引起管子参数变化不超过规定值时，允许Jc耗散的最大功率。PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。由PCM=ICUCE可知，PCM在输出特性曲线上为一条双曲线，称为PCM功耗线。 在共射极输出特性曲线上，由极限参数ICM、U(BR)CEO和PCM所限定的区域称为晶体管的安全工作区。,图27 晶体管的安全工作区,2.3 晶体管放大电路的放大原理,2.3.1 放大电路的组成,图 2.3.1 共射极放大器,当ui=0时，电路处于静止状态，简称静态。,当ui不为0时，电路中交流量与直流量共存。,各类物理量的表示说明：(以集电极电流为例) 直流量：字母大写，下标大写。如IC集电极静态电流（直流量）交流量：字母小写，下标小写。如ic集电极电流交流分量交流量的有效值：字母大写，下标小写。 Ic集电极电流交流分量有效值瞬时值：字母小写，下标大写。iC集电极总电流(iC=IC+ic),2.3.2 静态工作点的作用,在图2.3.1中令UBB0。由于交流输入信号ui很小，其峰值小于Je的开启电压UBE(on)，晶体管处于截止状态，无法对交流信号进行放大。设置静态工作点是保证放大电路正常工作的基础。,2.3.3 晶体管放大电路的放大原理,对于基本共射放大电路，只有设置合适的静态工作点，让交流信号承载在直流分量之上，以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。,图2.3.3 共射放大电路的电压、 电流波形,基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠RC将电流的变化转化成电压的变化实现的。,注意：晶体管的放大作用的能量是由UCC的直流功率转换而来的，晶体管只起到一种控制作用。,2.3.4 基本放大电路的组成原则,(1)设置静态工作点：必须根据所用晶体管的类型提供合适的直流电源，作为输出的能源，同时配合以合适的电阻，以便设置静态工作点； (2)输入信号作用在b-e间：输入信号必须能够作用于晶体管的b-e回路，产生uBE，或改变基极电流iB，这样，才能改变晶体管输出回路的电流，从而放大输入信号； (3) 设置合理的信号通路：当加入信号源和负载时，一方面不能破坏已设置好的直流工作点，另一方面应尽可能减小信号通路中的损耗。,2.3.5 直流通路和交流通路,直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的道路，也就是静态电流流经的通路。对于直流通路，电容视为开路；电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻)；信号源视为短路，但应保留其内阻。交流通路是输入信号作用下交流信号流经的通路。对于交流通路，容量大的电容(如耦合电容)视为短路，无内阻的直流电源（如UCC）视为短路。 图2.3.4所示电路的直流通路和交流通路如图2.3.5所示。,图2.3.5共射放大器的直流、交流通路 (a)直流通路；(b)交流通路,2.4 放大电路的静态分析和设计,2.4.1 晶体管的直流模型及静态工作点的估算,图2.4.1 晶体管三种状态的直流模型(a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型,例 2.4.1 晶体管电路如图2.3.1所示。已知静态时晶体管工作在放大状态，试估算晶体管的IBQ、ICQ和UCEQ。,解： 直流通路如图2.4.2（a）所示。晶体管工作在放大状态，则将图中的晶体管用图2.4.1（b）放大状态模型代替，便得到图2.4.2(b)所示的直流等效电路。,图 2.4.2 晶体管直流电路分析,由图可知:,例 晶体管电路下图(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ,ICQ和UCEQ。,图 晶体管直流电路分析(a)电路； (b)直流等效电路,解 因为UBB使Je正偏，UCC使Jc反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。用图2.4.1(b)的模型代替晶体管，便得到图(b)所示的直流等效电路，则,所以,放大器的分析方法主要有两种： 图解法：在晶体管特性曲线上通过作图确定工作点及其在信号作用下的相对变化量。（辅助方法） 特点：形象、直观，对理解放大原理、波形关系及非线性失真有帮助，但对于小信号放大器，用图解法难以准确地进行定量分析。 等效电路法：利用器件模型进行电路分析的方法。（主要方法） 特点：运算简便，结果误差小,2.4.2 静态工作点的图解分析法（直流图解分析法）,直流图解分析是在晶体管特性曲线上，用作图的方法确定出直流工作点，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。一、IBQ、UBEQ的求解 一般不用图解法确定，而用估算法。 UBEQ=0.7（硅管）或0.3（锗管）,二、ICQ、UCEQ的求解 对图2.3.4 可作其直流通路如图2.3.5(a)所示，在集电极输出回路，可列出如下一组方程：,如图2.4.4(a)所示。M(0，Ucc/Rc)、N(Ucc，0)，MN的斜率为-1/Rc，MN与iB=IBQ的交点为Q点，Q点是上述两个方程组成方程组的解。因而，量得Q点的纵坐标为ICQ，横坐标则为UCEQ。,图2.4.4放大器的直流图解分析(a)直流负载线与Q点；(b)Q点与RB、RC的关系,例4 在图2.3.5(a)电路中，若RB=560k,RC=3k, UCC=12V，晶体管的输出特性曲线如图2.4.4(b)所示，试用图解法确定直流工作点。 解 取UBEQ=0.7V，则,在特性曲线上找出M、N点 M (0，Ucc/Rc)即M(0V，4mA)；N(Ucc，0)即N(12V，0mA),连接MN得直流负载线，其与IBQ=20A特性曲线的交点Q即为直流工作点，从图中测得Q点坐标为ICQ=2mA，UCEQ=6V。,图2.4.4 放大器的直流图解分析(a)直流负载线与Q点；(b)Q点与RB、RC的关系,(,b,),从图2.4.4(b)，可见：,RB,IBQ,Q点沿直流负载线下移，靠近截止区,RB ,IBQ ,Q点沿直流负载线上移，靠近饱和区,RC,M点沿纵轴下移（N点不变）,Q点沿特性曲线左移，靠近饱和区,2.4.3晶体管工作状态分析,1.若UBBUEE+UBE(on),且UBB UCC，Je反偏，晶体管截止。（IB=IC=IE=0，UBE=UBB-UEE，UCE=UCC-UEE）,图2.4.5 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,通常情况下，晶体管可化为图2.4.5(a)所示的一般形式。,2. 若UBBUEE+UBE(on)晶体管导通。 假定为放大状态：则直流等效电路如图2.4.5(b)所示，由图可得 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,可利用上一组式子判断晶体管是处于放大还是饱和状态：方法一：算出UCEQ。若UCEQUBE(ON)（硅管0.7V，锗管0.3V）则管子处于放大状态。方法二：图2.4.5（a）可知，晶体管在临界饱和时的最大集电极电流IC(sat)为,则IB(sat)= IC(sat)/由式（2.4.6）算出的IBQIB(sat)晶体管处于放大状态；否则，晶体管处于饱和状态。,例2.4.2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2.4.6(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2.4.6例题2.4.2电路及ui,uo波形图 (a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图,图2.4.6 例题2.4.2电路及ui,uo波形图 (a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图,解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=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,所以晶体管处于饱和。此时，ICQ=IC(sat)=1.4mA，而uo=UCEQ =UCE(sat)=0.3V。uo波形如图2.4.6(c)所示。, 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。,2.4.4 放大状态下的偏置电路 使晶体管处于放大状态下，对偏置电路的要求是： 电路形式要简单； 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。,一、固定偏流电路电路如图2.4.7所示。合理选择RB,RC的阻值，晶体管将处于放大状态。则,(2.4.10a),特点： 优：电路结构简单 缺：工作点稳定性差；（IBQ固定，当、ICBO等参数变化时，将引起ICQ、UCEQ的变化工作点产生较大的漂移使管子进入饱和或截止区）,图2.4.7 固定偏流电路,二、分压式直流电流负反馈偏置电路,固定偏流电路作了以下两点改进：1、在给基极输入一个稳定偏流的同时，进一步稳定基极的电位，使基极的静态电流、电压更加稳定；2、在电路中引入反馈机制，来克服外界情况变化导致的Q点的大幅度漂移。,图2.4.8(b)中形成了“UCCRB1RB2 地”的分压回路。在IBQI1、I2时， I1 I1 ，基极电位便近似等于分压回路中RB2上的压降，稳定基极电压。但对外界变化引起的Q点漂移不能克服。,图 2.4.8 分压式直流电流负反馈偏置电路(a)固定偏流放大电路 (b)分压式偏置电路 (c)分压式直流电流负反馈偏置电路,ICQ,ICQ,负反馈,图2.4.8(c)电路中引入反馈机制，来克服Q点的漂移现象。,工作点稳定原理：,在IBQ1）hre很小，一般认为hre0。,低频H参数电路模型如图2.5.9所示。, 输出交流短路时的电流放大系数,在输出特性曲线上，反映在Q点附近两条输出特性曲线间的间隔。常用表示hfe，即=hfe。如图2-29(c)所示。, 输入交流开路时的输出电导,在输出特性曲线上，反映为Q点处切线斜率。hoe=1/rce。,图2.5.9 共发射极晶体管H参数电路模型,图229 在特性曲线上求H参数的方法,图229 在特性曲线上求H参数的方法,对于hoe，还可采用下述方法估算。由于基区调宽效应，当iB一定时，iC随uCE的增大略有上翘。若将每条共射极输出特性曲线向左方延长，都会与uCE负轴相交于一点，其交点折合的电压称为厄尔利电压，用UA表示，如图230所示。显然，UA越大，表示基区调宽效应越弱。对于小功率晶体管， UA一般大于100V。由图2-30不难求出在Q点处的hoe，即,(239),图230 利用厄尔利电压求hoe,由于混合型电路模型与H参数电路模型等价，所以H参数还可以通过混合型参数确定。输出交流短路和输入交流开路的低频混合型电路分别如图231(a),(b)所示。利用该图并根据式(238)每个H参数的意义，可分别求得如下关系：,图231求H参数用的混合型电路(a)输出交流短路的混合型电路,图231求H参数用的混合型电路 (b)输入交流开路的混合型电路,(240a),(240b),(240c),(240d),如果忽略r bc的影响，则式(240)可简化为,(241a),(241b),(241c),(241d),这就是工程分析中实用的H参数。其相应的低频H参数电路模型如图232所示。以上导出的两种晶体管交流模型各具特点。通常，在宽带放大器的分析中，采用图227(a)混合型电路模型比较方便；而在低频放大器的分析中，采用图232H参数电路模型则相对简单。为了使参数一致，在以后的分析中均采用混合型电路参数。,图2.5.10 实用的低频H参数电路模型,2.5.4 共射极放大器的交流等效电路分析法利用晶体管交流模型分析放大器步骤：由直流通路估算工作点；作交流通路，并用晶体管交流模型替换晶体管得交流等效电路；由交流等效电路计算放大器的各项交流指标。,一、放大倍数（或增益） A 放大器的输出量与输入量的比值。根据处理的输入量和所需的输出量不同，有如下四种不同定义的放大倍数：,有时，Au和Ai可取分贝(dB)为单位，即,(220),二、输入电阻 Ri 定义：从放大器输入端看进去的电阻，即,(221),Ri表征放大器从信号源获得信号的多少。对低阻电压源，Ri越大，放大器从信号源获得的电压就越大；对高阻电流源，Ri越小，放大器从信号源获得的电流就越大。,三、输出电阻Ro 定义：从放大器输出端看进去的电阻。 由图218所示，根据戴维南定理，可得,(222),Ro是一个表征放大器带负载能力的参数。,电压输出:Ro越小，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电压基本不变。 电流输出:Ro越大，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电流基本不变。,共射极放大器如图2.5.11(a)所示。由交流通路可得图2.5.11(b)所示交流等效电路。根据等效电路，共射极放大器的交流指标分析如下。,图2.5.11共射极放大器及其交流等效电路 (a)电路；(b)交流等效电路,1.电压放大倍数Au,式中：,2.电流放大倍数Ai,式中RB=RB1RB2。,若RBrbe、RLrbe，则,4 .输出电阻,另外，放大器的输入、输出电阻还可以通过测量求得。测量电路分别如图234(a)、(b)所示。,在图(a)中,在图(b)中，打开S，测得；闭合S，测得Uo。,图234 Ri和Ro的测量电路(a) Ri的测量电路；(b) Ro的测量电路,5 .源电压放大倍数Aus Aus定义为输出电压Uo与信号源电压Us的比值，即,(251),可见，|Aus|rbe时，则有,从b极看进去的输入电阻Ri变为,即射极电阻RE折合到基极支路应扩大(1+)倍。,因此，放大器的输入电阻为 Ri=RB1RB2Ri (254)显然，输入电阻明显增大了。,Ro=RC。,例5 在图2.5.11(a)电路中，若RB1=75k，RB2=25k,RC=RL=2k,RE=1k,UCC=12V，晶体管采用3DG6管，=80, r bb=100,Rs=0.6k,试求该放大器的直流工作点ICQ、UCEQ及Au,Ri,Ro和Aus等项指标。 解 按估算法计算Q点：,下面计算交流指标。,将rbe, RL的阻值代入上式，得,例6 在上例中，将RE变为两个电阻RE1和RE2串联，且RE1=100,RE2=900，而旁通电容CE接在RE2两端，其它条件不变，试求此时的交流指标。 解由于RE=RE1+RE2=1k，所以Q点不变。对于交流通路，现在射极通过RE1接地。因而，交流等效电路变为图2.5.12所示电路，只是图中RE=RE1=100。此时，各项指标分别为,可见，RE1的接入，使得Au减小了约10倍。但是，由于输入电阻增大，因而Aus与Au的差异明显减小了。,2.6 共集放大电路,共集放大电路如图2.6.1(a)所示。由于信号从射极输出，所以该电路又称为射极输出器。,图2.6.1共集电极放大器及交流等效电路 (a)电路；(b)交流等效电路,1.电压放大倍数Au,式中：,上式说明Au1，所以仍有较大的功率增益。,3.输入电阻Ri 由图2.6.1(b)可知，从基极看进去的电阻Ri为,所以,由于Ri显著增大，因而共集电路的输入电阻大大提高了。,(257),4.输出电阻Ro 在图2.6.1(b)中，当输出端外加电压Uo，而将Us短路并保留内阻Rs时，可得图2.6.2所示电路。由图可得,图2.6.2求共集放大器Ro的等效电路,式中：,是基极支路的电阻折合到射极的等效电阻。,5.共集电极电路的特点：,电压放大倍数小于1而近于1； 输出电压与输入电压同相； 输入电阻高； 输出电阻低。,电路如图2.7.1(a)。信号从射极输入、集电极输出，而基极是公共端。交流通路如图2.7.1(b)所示。,图2.7.1共基极放大器及其交流等效电路 (a)共基极放大电路；(b)交流等效电路,2.7 共基放大电路,1.电压放大倍数Au,式中：,2 .电流放大倍数Ai,上式说明Au大小与共射相同，但Uo与Ui同相。,可见 AiRL，则Ai,即共基极放大器没有电流放大能力，但Au1，所以仍有较大的功率增益。,3.输入电阻Ri,4.输出电阻Ro,很小,三种基本放大器性能比较 以上我们分析了共射、共集和共基三种基本放大器的性能，为了便于比较，现将它们的性能特点列于表2.7.1中。其中，共射极电路既有电压增益，又有电流增益，所以应用最广，常用作各种放大器的主放大级。但作为电压或电流放大器，它的输入和输出电阻并不理想即在电压放大时，输入电阻不够大且输出电阻又不够小；而在电流放大时，则输入电阻又不够小且输出电阻也不够大。,2.8 多级放大电路,2.8.1 级间耦合方式 多级放大器各级之间连接的方式称为耦合方式。级间耦合的要求：确保各级放大器有合适的直流工作点；前级输出信号尽可能不衰减地加到后级输入。,常用的耦合方式有三种，即阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。,1.阻容耦合：通过电容器将后级电路与前级相连接，其方框图如图2.8.1所示。 特点：各级的直流工作点相互独立，,2.变压器耦合：将前级的输出信号通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上。 特点：各级的直流工作点相互独立；原、副边交流不共地；可实现阻抗变换。,3.直接耦合： 特点：各级的直流工作点相互影响；零点漂移严重；易集成。 直接耦合电平配置方式如图2.8.3所示,图2.8.1阻容耦合与变压器耦合的方框图 (a)阻容耦合框图；(b)变压器耦合框图,图2.8.3直接耦合电平配置方式实例 (a)垫高后级的发射极电位；(b)稳压管电平移位； (c)电阻和恒流源电平移位；(d)NPN、PNP管级联,图240直接耦合电平配置方式实例 (a)垫高后级的发射极电位；(b)稳压管电平移位；