电子技术基础ch03

3.半导体三极管及放大电路基础3.1半导体双极晶体管半导体双极晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT），简称晶体管或三极管，是一种电流控制器件，能够以输入电流来控制输出电流。3.1.1双极晶体管的结构晶体三极管的制造工艺有合金型和平面型，如下图所示。3.1.2双极晶体管的电流分配与放大1.晶体管内部载流子的传输过程对于NPN型晶体管，工作时发射结正偏，集电结反偏，从发射区注入基区的电子除少数与基区的空穴复合后，多数被集电结的电场吸引，到达集电区形成集电极电流。2.电流分配关系三极管中的电流符合以下的关系：晶体管的发射极电流可以表示为：由于晶体管的所具有的结构，其集电极电流与发射极电流以及基极电流近似成比例关系：上式反映了发射极电流和基极电流对集电极电流的控制作用。

、

分别称为共基极电流放大系数、共发射极电流放大系数，二者满足3.共基极放大电路共基极电路中发射极e是输入端，集电极c是输出端，输入电流和输出电流分别为发射极电流IE和集电极电流IC。发射极回路中的输入信号

vi可引起发射极电流的变化

iE，进而导致集电极电流的改变

iC

=

iE，在集电极回路负载电阻RL上造成的输出电压变化为

vo=

iE

RL，因此只要负载电阻足够大，可以使电路产生足够大的输出电压。4.共发射极放大电路共发射极放大电路中发射极b是输入端，集电极c是输出端，输入电流和输出电流分别为基极电流IB和集电极电流IC。输入信号的变化

vi可引起发射极电流的变化

iB，控制集电极电流发生改变

iC

=

iE，输出电压变化为

vo=

iBRL，由于共发射极电流放大系数

较大，共发射极电路的增益也比较大，因此这种电路应用较多。3.1.2晶体管的输入输出特性曲线1.共发射极电路的特性曲线（1）输入特性输入特性是指在特定的集电极电压vCE下输入电流（基极电流iB）与输入电压（基极电压vBE）之间的关系：晶体管输入特性通常可以表现为一组随集电极电压vCE变化的iB

-

vBE曲线簇。（2）输出特性输出特性是指在特定基极电流iB的条件下，集电极电流iC

随集电极电压vCE变化的情况：晶体管输入特性通常可以表现为一组随基极电流iB变化的iC

-

vCE曲线簇。2.共基极电路输入输出特性3.1.4晶体三极管主要参数1.电流放大系数共发射极直流电流放大系数共发射极交流电流放大系数

共基极直流电流放大系数共基极交流电流放大系数可以认为 ，所以对直流和交流放大系数不加以区分；通常共发射极电流放大系数

在20~100左右，共基极电流放大系数

在0.9~0.99左右，两者可以互相换算：2.极间反向电流反向饱和电流ICBO 穿透电流ICBO3.极限参数集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功率损耗PCM反向击穿电压：V(BR)EBO，

V(BR)CBO，V(BR)CEO3.2共发射极放大电路共发射极电路常用于交流音频小信号放大。为了保证晶体管正常放大，需要为其提供一定的基极偏置电流，使晶体管处于合适的静态工作点；信号经耦合电容输入电路，经过晶体管放大后在集电极负载电阻上得到放大的电压信号，再经耦合电容输出。放大是通过用输入信号控制集电极电流完成的。3.3图解分析3.3.1静态分析静态指的是无输入信号时电路中各点电压、电流都静止不变的状态，也称为直流工作状态。静态在晶体管特性曲线中用静态工作点表示，即Q点。与静态相反的是动态，是指输入了交变信号时电路中各点的电压电流不断变化的状态。1.静态工作点估算对于共发射极电路，有：2.图解确定静态动作点电路中的非线性部分确定Q点所在的输出特性曲线，而线性部分确定直流负载线，交点就是静态工作点。3.3.2动态分析当输入交变信号时，电路中各处电压电流也处于不断变化之中。首先根据输入特性曲线求出基极电流的变化，然后再判断输出特性曲线上工作点的移动，进而确定集电极电压的变化。实际应用中放大电路输出端连接的器件或设备都具有一定的等效电阻，因此交流负载R'L为集电极电阻RC和外部负载电阻RL的并联：根据交流负载的概念，可以在晶体管输出特性曲线图上作出一个通过静态工作点（Q点）、斜率为－1/R'L

的斜线，称为交流负载线。结合输出特性曲线和交流负载线，可以确定连接负载的共发射极放大器的集电极电压变化情况，以及放大后信号的波形。3.晶体管输出特性的饱和区、放大区和截止区当集电极电压偏低（小于0.3V）时，集电结收集载流子的能力不足，放大性能变差，还能产生饱和失真；所对应的输出特性区域称为饱和区；若集电极电流偏小（远小于1mA）或完全截止，则会产生截止失真，对应的输出特性区域称为截止区。饱和区和截止区以外的区域称为放大区，模拟电路中晶体管的静态工作点常选在放大区中。3.4小信号模型分析当输入信号幅度很小时，晶体管电路中的电压、电流是在晶体管静态工作点附近作微小的变化，可以把晶体管近似看作呈线性特性；基于这种思想可以建立晶体管的小信号模型，从而能够对电路进行定量的分析。小信号模型是一种有效而实用的晶体管电路分析、设计方法。小信号有多种参数模型，在低频电路中得到普遍使用的模型为混合参数模型。3.4.1晶体管小信号模型的建立1.共发射极电路的混合参数模型函数f，g分别反映了晶体管输入、输出特性。当晶体管处于放大区时，输入的小信号使得动态工作点在静态工作点附近往复移动，可以表示为共发射极电路中以基极电流iB和集电极电压vCE为自变量，基极电压vBE和集电极电流iC可用方程表示为把方程中的偏导数表示为参数，并且把信号的微分用交流瞬时值表示，有其中的参数定义为输出端交流短路时的输入电阻，

量纲

输出端交流短路时的正向电流

传输系数，无量纲输入端交流开路时的反向电压

传输系数，无量纲输入端交流开路时的输出电导，

量纲S由于各参数的量纲不完全相同，上述参数方程称为混合参数方程，即h

参数方程。该方程可以表示为矩阵运算习惯上常常用另一组符号表示混合参数，它们是2.h

参数等效电路根据晶体管共发射极混合参数模型，作出其等效电路如右图所示。也可以采用惯用符号作等效电路如下图所示。3.晶体管h

参数模型的简化及参数的确定实际晶体管的混合参数中，输入电阻和正向电流放大系数作用明显，而反向电压传输系数及输出电导小到可以忽略。一个实际测量到的晶体管混合参数为因此常常忽略反向电压传输系数及输出电导。而共发射极电路也可以等效为右图所示。对于晶体管的共发射极输入电阻rbe及电流放大系数

，可以通过测量实际使用的晶体管来确定。也可以事先选定合适的电流放大系数

，再根据下面的关系算出输入电阻：上式中的rb为基区体电阻，re为发射结电阻。确定h参数后就可以按照等效电路对晶体管电路进行分析和设计了。3.4.2用混合参数模型分析共发射极放大电路1.首先把单管共发射极放大电路按混合参数模型作出其交流小信号等效电路图中集电极电源及耦合电容都视为交流短路。所有信号都采用正弦波，因此采用相量表示电流、电压。2.电压增益电压增益定义为根据等效电路，基极电流及集电极电流分别为输出电压为增益为3.输入电阻和输出电阻放大电路的输入电阻定义为输入电压和输入电流的比定义式中的电压和电流是测试信号源在输入端产生的电压和电流。根据等效电路，可以直接求出电路的输入电阻电路的输出电阻定义为：当输入端信号源取零值并且输出端负载开路时，测试信号源在输出端产生的电压和电流之比。根据等效电路可看出输出电阻为3.5发射极偏置电路3.5.1温度对工作点的影响晶体管的参数对温度较为敏感。通常温度升高时，晶体管的发射结压降vBE

减小，并且电流放大系数b增大，集电结饱和电流ICBO也会增大，这些变化会导致晶体管的静态工作点（Q点）移动，从而使晶体管电路的特性发生改变，使电路变得不稳定。因此需要在电路中采取一定改进措施以稳定晶体管的工作点。一种有效的稳定工作点的方法就是使用发射极偏置电路。3.5.2发射极偏置电路简称射极偏置电路。在射极偏置电路中，晶体管的发射极与地之间串有一个电阻，并且基极的电压常常用两个电阻分压得到，如图所示：通过分压取得的基极电压可以认为近似不变；发射极的电阻能够提供电流负反馈，这使得发射极偏置电路能保持晶体管的静态点稳定不变。下面介绍射极偏置电路的基本特性1静态工作点的确定可以认为，在射极偏置电路中静态点主要由晶体管之外的电阻和电压决定：2.电压增益根据等效电路，有3.输入电阻和输出电阻根据等效电路及输入电阻的定义求输出电阻时，等效电路为可以求出输出电阻为其中3.6共集电极电路和共基极电路3.6.1共集电极电路共集电极电路的交流通路中，输入电压信号是加在基极和集电极上的，而输出电压取自发射极和集电极之间，集电极是输入和输入的共用端，因而得名。此外，由于输出信号是从发射极输出的，这种电路也称为射极输出器或射极跟随器。1.共集电极电路分析（1）静态工作点的确定在基极回路中有（2）电压增益按照共集电极电路的小信号等效电路，其输入电压和输出电压可以表示为其中按照电压增益的定义可见，共集电极电路的电压增益略小于1，因此也称为电压跟随器或射极跟随器。（3）输入电阻根据等效电路，基极电路和输入的测试电压的关系为输入端的电流为因此输入电阻为（4）输出电阻当输出端施加了测试电压信号时，电流为可以求出输出电阻为2.复合晶体管两个晶体管通过一定的方式连接，作为一个晶体管来使用，这样的器件称为复合晶体管。其特点是具有很大的电流放大系数，相当于每个晶体管的放大系数的乘积。复合晶体管也称为达