《电子技术基础》-第2章

半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管，是1946年由美国科学家肖克利等人发明的，这是20世纪最重要的成就之一。三极管内部有两种载流子（自由电子和空穴）参加导电，故属于双极型半导体器件。2.1.1三极管的结构和类型1.结构三极管是由两个PN结组成的，按结构分为NPN型和PNP型两种，如图2-1所示。不管是PNP型还是NPN型三极管，都有发射区、基区和集电区，从三个区引出的电极分别称为发射极E、基极B、集电极C。在三个区的两两交界处形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管并不是两个PN结的简单组合，它是在一块半导体基片上制造出三个掺杂区，形成两个有内在联系的PN结。为此，在制造三极管时，应使发射区的掺杂浓度较高；基区很薄，且掺杂浓度较低；集电区掺杂浓度最低而且面积大。2.1半导体三极管返回下一页2.分类（1）按管芯所用的半导体材料不同，分为硅管和锗管。硅管受温度影响小，工作较稳定。（2）按三极管内部结构分为NPN型和PNP型两类，我国生产的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。（3）按功率分，有大功率管（PC＞1W),中功率（PC为0.5～1W），小功率（PC＜0.5W）。（4）按照工作频率分，有高频管（fT≥3MHz）和低频管（fT＜3MHz）。（5）按用途不同，分为普通放大三极管和开关三极管。（6）按封装形式不同，分为金属壳封装管、塑料封装管和陶瓷环氧封装管。2.1半导体三极管返回下一页上一页2.1.2三极管的电流放大原理1.工作电压要使三极管起放大作用，必须外接直流工作电源。外接电源应使三极管的发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。图2-2（a）、（b）分别为NPN型和PNP型三极管电路的双电源接法。采用双电源供电，在实际使用中很不方便，这时可将两个电源合并成一个电源UCC，再将Rb阻值增大并改接到UCC上。2.放大原理下面以NPN型三极管为例讨论三极管的电流放大原理。如图2-3所示，当发射结处于正向偏置，发射区的大量电子因扩散运动而越过发射结进入基区。同时基区的空穴也会向发射区扩散，但是数量很少，可以忽略。所以发射极电流IE主要是由发射区电子扩散运动形成的。2.1半导体三极管返回下一页上一页电子进入基区后，有少数与基区的空穴复合，为了维持基区空穴数目不变，电源将不断地向基区提供空穴（实际上是抽走电子），从而在基极形成基极电流IB。进入基区的大多数电流继续向集电区扩散，在集电结反向电压的作用下很容易越过集电结到达集电极，形成集电极电流IC。发射极电流IE、基极电流IB、集电极电流IC的关系是IE=IB+IC在三极管制成后，三个区的厚薄及掺杂浓度便确定，因此发射区所发射的电子在基区复合的百分数和到达集电极的百分数大体确定，即IC与IB存在固定的比例关系，用公式表示为IC=βIB式中，β为共发射极电流放大系数。如果基极电流IB增大，集电极电流IC也按比例相应增大；反之，IB减少时，IC也按比例减小，通常基极电流IB的值为几十微安，而集电极电流为毫安级，两者相差几十倍以上。2.1半导体三极管返回下一页上一页因此用很小的基极电流就可以控制很大的集电极电流，这就是三极管电流放大原理。2.1.3三极管的特性三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流的关系曲线，它是内部载流子运动的外部表现，在分析三极管放大电路时要使用特性曲线。三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线。用三极管组成电路时，信号从一个电极输入，一个电极输出，第三个极作为公共端。因为可以选用不同的电极作为公共端，所以三极管电路就有共发射极、共集电极和共基极三种不同的接法，如图2-4所示。这里以共发射极接法为例讨论电路的输入和输出特性曲线。1.共发射极输入特性曲线输入特性曲线是指三极管集电极与发射极之间电压UCE一定时，基极电流IB与基极、发射极之间电压UBE的关系曲线，即2.1半导体三极管返回下一页上一页IB=f（UBE)|UCE=常数当UCE=0（C、E极短接），发射结和集电结相当于两个正向接法的二极管相并联，这时得到的特性曲线和二极管的正向伏安曲线很相似，如图2-5（a)所示。当UCE≠0时，曲线将向右移。这是因为集电结加反向电压后，集电结吸引电子的能力增强，使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区，所以在相同的UBE下IB要减小，曲线也就相应地向右移动了。UCE不同，对应的输入特性曲线应有所不同，但实际上UCE≥1V以后，所有的特性曲线几乎是重合的。这是因为UCE≥1V后，集电结已将发射区发射的电子中的大部分拉到集电结，UCE再增加，IB也不会再明显增加了。从输入特性曲线可以看出，只有当发射结电压UBE大于死区电压时，输入回路才会产生电流IB，通常硅管死区电压为0.5V，锗管为0.1V。当三极管导通后，其发射结电压与二极管的管压降相同，硅管电压为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V。2.1半导体三极管返回下一页上一页2.共发射极输出特性曲线输出特性曲线是指在基极电流IB一定的情况下集电极电流IC与集电极、发射极之间电压UCE之间的关系，即IC=f（UCE)|IB=常数固定IB值，每改变一个UCE值得到对应的IC值，由此绘出一条输出特性曲线。IB值不同，特性曲线也不同，所以特性曲线是一簇曲线。如图2-5（b)所示。输出特性曲线可划分为放大区、饱和区和截止区。（1）放大区：发射结电压正向偏置且大于死区电压，集电结反向偏置，IC完全受IB控制，与UCE无关。IB增值大（或减小），IC也按照比例增大（或减小），三极管具有电流放大作用，所以称这个区域为放大区。（2）截止区：IB=0的特性曲线与横轴之间的区域称为截止区。其特点是三极管的发射结电压小于死区电压或反向偏置，基极电流IB=0，集电极电流IC等于一个很小的穿透电流ICEO。在截止区，三极管是不导通的。2.1半导体三极管返回下一页上一页（3）饱和区：发射结和集电结都处于正向偏置，IC不受IB的控制，三极管失去电流放大作用。理想状态下，UCE=0。2.1.4三极管的主要参数三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，了解这些参数是合理选用三极管的前提。三极管的主要参数有以下几个。1.共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数是集电极电流与基极电流之比，它表示三极管的电流放大能力。通常有交流电流放大系数和直流电流放大系数之分。交流电流放大系数直流电流放大系数2.1半导体三极管返回下一页上一页由于它们在数值上比较接近，为了使用方便，常认为两者相等。β值可以用仪器测量，也可以直接从输出特性曲线上求取，其数值为20～150。β太小放大能力差，太大则三极管性能不稳定。2.极间反向电流（1)集电极反向饱和电流ICBO指发射极开路时，集电结加反向电压时形成的反向电流。ICBO越小，管子性能越好。另外，ICBO受温度影响较大，使用时必须注意。（2）穿透电流ICEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流。ICEO对放大不起作用，还会消耗无用功率，引起管子工作不稳定，因此，希望ICEO越小越好。ICEO与ICBO关系如下：ICEO=（1+β）ICBO2.1半导体三极管返回下一页上一页3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM。指三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当管子的集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，甚至可能烧坏管子。（2)集电极最大允许损耗PCM。指三极管长期工作时最大允许损耗的功率。由于PCM=UCEIC

，三极管工作时，大部功率消耗在集电结上，引起集电结温度升高。过高的结温将损坏三极管，PCM就是根据最高允许结温度定出的，使用中三极管的实际功率损耗PC不应超过PCM。需要指出的是，PCM与管子的散热条件和环境温度有关，通过散热片改善散热条件或降低环境温度均可以提高PCM。（3)极间反向击穿电压。三极管各电极间的反向电压超过一定值，都会引起管子击穿。最常用的三极管的反向击穿电压是BUCEO和BUCBO。BUCEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。BUCBO是指当发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压。BUCEO和BUCBO均可在手册中查到。2.1半导体三极管返回下一页上一页ICM、PCM、BUCEO三个极限参数决定了三极管的安全工作区，如图2-6所示。在使用管子时，不能超过上述三个极限数值，也不允许其中两个参数同时达到极限值。需要指出的是，温度对三极管的所有参数都有影响，尤其对ICBO、UBE和β三个参数。（1）ICBO随温度升高而急剧增加。当温度升高时，基区和集电区产生的电子空穴对增多，导致ICBO上升，温度硅管的ICBO受温度影响比锗管大，但硅管的ICBO在数值上较小，因此硅管工作比锗管稳定。（2）UBE随温度升高而减小。当温度升高时，大多管的UBE减小2.5mV。（3）β随温度升高而增大。温度每升高1℃，β要增加0.5%～1.0%。2.1半导体三极管返回下一页上一页2.1.5特殊三极管1.光电三极管光电三极管也称为光敏三极管，其等效电路和电路符号如图2-7所示。2.达林顿三极管达林顿三极管又称复合管。这种复合管是由两只输出功率大小不等的三极管按一定接线规律复合而成的。根据内部两只三极管复合方式的不同，有四种形式的达林顿三极管。复合以后的极性取决于第一只三极管，例如若第一只三极管是NPN型三极管，则复合以后的极性为NPN型。达林顿三极管主要作为功率放大管和电源调整管，如图2-8所示。3.带阻尼管的行输出三极管这种三极管是将阻尼二极管和电阻封装在管壳内。在基极与发射极之间接入一只小电阻，可提高管子的高反向耐压值。2.1半导体三极管返回下一页上一页将阻尼二极管装在三极管的内部，减小了引线电阻，有利于改善行扫描线性和减小行频干扰。带阻尼管的三极管主要用做电视机行输出三极管，如图2-9所示。2.1半导体三极管返回上一页工业生产和日常生活中需要将微弱变化的电信号放大几百倍、几千倍甚至几十万倍之后去带动执行机构，对生产设备进行测量、控制或调节。完成这一任务的电路称为放大电路，简称放大器。2.2.1三极管放大器的组成元件图2-10为共发射极基本放大电路。当输入端加入微弱的交流电压信号ui时，输出端就得到一个放大了的输出电压uo。由于放大器的输出功率比输入功率大，而输出功率通过直流电源转换获得，所以放大器必须加上直流电源才能工作。从这一点来说，放大器实质上是能量转换器，它把直流电能转换成交流电能。放大器是由三极管、电阻、电容和直流电源等元器件组成的。各元件作用如下：（1）三极管VT起电流放大作用。（2）基极电阻RB为三极管提供一个合适的基极电流，使三极管处于放大状态。RB的阻值一般在几十千欧至几百千欧之间。2.2三极管放大电路的组成返回下一页（3）集电极电阻RC能将集电极电流IC的变化转换成电压变化，实现电压放大作用。RC的阻值一般为几千欧至几十千欧。（4）耦合电容C1和C2的作用是隔直流、通交流。它既可以将信号源与放大电路、放大电路与负载之间的直流通路隔开，又能让交流信号顺利通过。C1、C2一般采用容量较大的电解电容器。（5）供电电源UCC除为放大电路提供能源之外，还通过RB、RC提供三极管的工作电压，使三极管处于放大状态。（6)符号“⊥”为接地符号,表示电路中的零参考电位。2.2.2偏置电路的类型三极管放大器要完成对交变信号不失真放大，必须满足以下条件：三极管的发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。三极管的偏置电压是由电源通过偏置电路提供的。常用的偏置电路有三种类型。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页1.固定式偏置电路图2-10共发射极基本放大电路就属于固定式偏置电路。基极电阻RB又称为偏置电阻，电源UCC通过它向三极管提供合适的静态电流，使三极管发射结处于正向偏置。这种电路简单，但工作稳定性差。2.分压式偏置电路图2-11为分压式偏置电路，RB1、RB2组成分压器向三极管提供直流电压。通过RB1的电流分成两路。一路流入基极作为三极管的基极电流，另一路通过RB2入地。只要RB1、RB2取值合适，就能保证三极管处于放大状态。由于此电路带有负反馈电阻RE，故三极管的工作稳定性较高。3.集电极-基极反馈式偏置电路如图2-12所示，偏置电阻RB接在三极管的基极与集电极之间，为三极管提供基极电流，RB还具有负反馈作用，能稳定电路的静态工作点。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页2.2.3直流通路和交流通路1.直流通路无交流信号输入时，放大电路的工作状态称为静态。此时放大电路各支路的电压和电流都是直流量。直流电流通过的路径称为直流通路。利用放大器的直流通路可分析其静态值，图2-13（b）为共发射极基本放大器的直流通路。2.交流通路当输入交流信号时，放大器的工作状态称为动态。这时放大电路中除了存在直流成分之外还有交流成分。通常把交流电流所通过的路径称为交流通路，交流通路可用于放大器的动态分析。图2-13（c)为共发射极基本放大器的交流通路。绘制交流通路应掌握的原则是：（1)由于电路中耦合电容、旁路电容的容量较大，对交流来说可视为短路。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页（2)直流电源的内阻很小，交流电流在其上的压降很小，对交流信号可视为短路。2.2.4三极管放大电路中的信号在放大器的输入端加入一个交流电压信号ui，使电路处于交流信号放大状态（动态）。当交变信号ui经C1加到三极管VT的基极时，它与原来的直流电压UBE（设为0.7V）进行叠加，使发射结的电压为uBE=UBE+ui。基极电压的变化必然导致基极电流随之发生变化，此时基极电流为iB=IB+ib，如图2-14（a)和图2-14（b)所示。由于三极管具有电流放大作用，基极电流的微小变化可以引起集电极电流较大的变化。如果电流放大倍数为β，则集电极电流为iC＝βiB，即集电极电流比基极电流增大β倍，实现了电流放大。如图2-14（c)所示。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页经放大的集电极电流iC通过电阻RC转换成交流电压uce。所以三极管的集电极电压也是由直流电压UCE和交流电压uce叠加而成，其大小为：uCE＝UCE＋uce＝UCC－icRC。如图2-14（d)所示。放大后的信号经C2加到负载RL上。由于C2的隔直作用，在负载上便得电压的交流分量uce，即uo＝uce＝－icRC。式中，“-”号表示输出信号电压Uo与输入信号电压ui相位相反（相差180°），这种现象称为放大器的反相放大。

2.2三极管放大电路的组成返回上一页分析放大电路时，一般要求解决两个方面的问题，即确定放大电路的静态和动态时的工作情况。静态分析就是要确定放大电路没有输入交流信号时，三极管各极的电流和电压。动态分析则是研究在正弦波信号作用下，放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。2.3.1三极管放大电路的静态工作点的估算三极管放大电路的静态值，即直流IBQ、ICQ、UCEQ的值在输出特性上反映为一个点，称为静态工作点Q。静态工作点的分析方法有估算法和图解法。1.估算法静态工作点的估算可根据直流通路进行。图2-15为共发射极基本放大电路的直流通路，在静态工作点Q处的静态值为：2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页其中,UBEQ为三极管发射结压降，硅管为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V。在进行静态工作点估算时，需要把β值作为已知量。2.图解法对于三极管放大器这样的非线性电路，可将其划分为线性部分和非线性部分。非线性部分用输出特性曲线表示其电流，而对于输出回路的线性部分，列出电压方程为:UCE＝UCC－ICRC画出该方程对应的直线MN，如图2-16（b)所示。直线MN称为直流负载线，其斜率为tanα＝－1/RC，静态值既要符合三极管的特性参数，又要满足方程式UCE＝UCC－ICRC。所以静态工作点一定对应于静态基极电流IB的输出特性曲线与直流负载线的交点，其坐标值为静态直流电压UCEQ和静态直流电流ICQ。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页改变电路的参数可改变静态值。例如减小RB使IB增大，静态工作点Q将上移至Q1；若增大RC，直流负载线斜率减小，静态工作点由Q移到Q2，如图2-17（a）所示。图解法是在三极管的特性曲线上，通过作图的方法来分析放大电路的工作情况。其优点是比较直观。2.3.2放大电路的动态分析1.输出端不接负载时的动态分析动态分析是静态的基础上，研究交流电压和电流信号的传输情况和相互关系。动态分析一般在交流通路上进行。假设在放大器输入端加入交流信号ui=0.02sinωtV，由于电路中C1对交流阻抗很小，可以认为ui全部加到基极和发射极之间，uBE＝UBEQ＋ui。输入特性曲线上静态工作点Q（设UBEQ=0.7V，ICQ＝40μA）就是输入信号ui=0时的工作点。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页当输入信号变化时，工作点就在Q点附近上作上下变化。从图2-17（a)可以看出，当电压uBE在0.68～0.72V之间变化时，电流iB则在20～60μA作正弦变化，即ib=20sinωtμA。因此，基极总电流为:iB＝IBQ＋ib＝40＋20sinωtμA由于三极管的电流放大作用，ib变化将引起ic很大的变化，如图2-17（b)所示。当iB=60μA时，负载线与IB=60μA的输出曲线的交点为Q1；当iB=20mA时，负载线与iB=20mA的输出特性曲线的交点为Q2。因此，当信号变化时，工作点就在Q1与Q2之间变化。如果工作点的变化是在放大区内，那么ib作正弦变化时，ic、uce也按正弦规律变化，所以2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页由于C2的隔直作用，uCE中的只有交流成分uce可以通过电路C2送到输出端，故uo＝uce＝3sin（ωt-π)V输出电压与输入电压之比，称为电压放大倍数。由图2-17（b）得负号表示输出电压与输入电压的相位相差180°。2.带上负载时的动态分析放大器总是要接负载的，如图2-18所示为接负载RL后的交流通路。可见放大器带上负载后，输出回路的实际交流负载RL′为RC与RL的并联，即RL′＝RC∥RL。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页放大器不带负载时，它的交流负载就是集电极直流负载电阻RC，所以用直流负载就可以分析放大器的动态工作情况。放大器带上负载RL后，它的交流负载变为R′L，因此，要用交流负载线进行分析，交流负载线的斜率为tanα′=－1/R′L。当输入信号为零时，电路的动态和静态是一样的。即交流负载线应通过静态工作点Q。所以，交流负载是过Q点且与横轴夹角为α′的直线。由于R′L<RL，则α′>α，所以交流负载线比直流负载线陡一些。接负载R′L后，信号的工作点就沿着交流负载线变化。由于三极管输出曲线的恒流特点，接RL与不接RL的iC相差不大，而uCE的动态范围减小了。因此，输出电压减小，电压放大倍数下降。由图2-17求得，接负载RL（=3kΩ）输出电压幅值为uom＝7.5－6＝1.5V，则电压放大倍数为2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页2.3.3放大电路的非线性失真信号经过放大后往往会引起失真，即放大器的输出信号波形不能复现输入信号的波形。引起失真的原因很多，最常见的是静态工作点选择不当或信号太大，导致动态范围超出三极管的线性区。如图2-19中，若IB太小，静态工作点Q位置太低，当信号为负半周时，三极管可能进入截止区，使ib产生截止失真，ib的失真会引起ic、uce失真。若IB太大，静态工作点位置太高，当信号为正半周时，虽然ib可能不失真，但三极管易进入饱和区工作，ic和uce被削去波顶，造成饱和失真。为了防止截止失真，应使静态基极电流IBQ大于ib的峰值Ibm，使iB变化到最小值时仍大于零，以便发射结始终处于正向导通状态。UCC、RC确定后，可调整RB取得合适的基极电流。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页为了防止饱和失真，静态UCEQ值必须大于输出电压uo的峰值Uom与三极管饱和压降UCES之和，这样UCE变化到最小值时仍大于饱和压降UCES，使三极管不会进入饱和状态。通常将静态工作点Q选择在交流负载线的中点。当然，在不发生截止失真的情况下，Q点位置选择低一些，静态值IB、IC小一些，以降低电路的功率损耗。2.3.4微变等效电路分析法三极管是非线性元件，不能采用分析线性电路的方法来计算三极管放大器。但是如果放大器的输入信号电压很小，可以把三极管小范围的特性曲线近似用直线代替，从而把三极管放大电路作为线性电路来处理，这就是微变等效电路分析法。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页1.三极管的微变等效电路三极管的输入电压和输入电流的关系用输入特性曲线表示。如果输入信号很小，就可以把静态工作点附近的曲线当做直线，即近似地认为输入电流正比于输入电压，这样就可以用一个等效电阻来代表输入电压和电流的关系：rbe称为三极管的输入电阻，它的大小与静态工作点有关，通常在几百欧至几千欧之间。对于低频小功率三极管，常用下式估算:式中,IEQ为发射极静态电流。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页在放大区内，输出特性曲线可近似看成是一组与横轴平行的直线。集电极电流与UCE无关，而只受基极电流控制。因此三极管的输出电路可用电流源ΔIC=βΔIB来等效表示。但ΔIC不是独立电源，而是受ΔIB控制的电流源，称为受控源。把三极管输入、输出特性的等效电路综合起来，就得到三极管的等效电路，如图2-20所示。利用这个线性等效电路来代替三极管，可使放大器的动态分析计算变得非常简单。微变等效电路分析只能用于动态，其静态分析仍应按直流通路进行计算。要画出放大器的等效电路，先要画出其交流通路，然后用三极管等效电路取代三极管即可，图2-21为共发射极基本放大器的微变等效电路。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页2.电压放大倍数计算放大倍数定义为输出电压与输入电压之比，即由图2-21得输入电压输出电压为其中,R′L=RC∥RL所以2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页电压放大倍数定量说明了放大器的电压放大能力，是放大器的一项很重要的性能指标。它与静态工作点和负载大小有关。3.输入电阻ri与输出电阻ro放大电路的输入端与信号源（或前一级放大电路）相通，输出端与负载（或后一级放大电路）相连。所以，放大电路与信号源、负载之间是互相联系又互相影响的，这种影响可以用输入电阻和输出电阻表示。（1）输入电阻ri。从放大器输入端看进去的等效交流电阻叫做放大器的输入电阻。对于共发射极基本放大器，其输入电阻为ri=RB∥rbe一般RB》rbe，所以，ri≈rbe（2)输出电阻ro。这是从放大电路输出端（不包括负载电阻RL）看进去的交流等效电阻。对于共射基本放大电路，输出电阻为：ro≈RC2.3三极管放大电路静态与动态分析返回上一页根据输入回路和输出回路连接的不同，三极管放大器分为共发射、共集电极和共基极三种不同的组态，前面主要讨论了共发射组态电路，本节将讨论后两种组态电路。2.4.1共集电极放大器图2-24为共集电极放大器电路，从图2-24（c）交流通路可以看出，交流信号从B、C极之间输入，从E、C极之间输出，C极为公共端，所以称为共集电极放大器。1.静态工作点由直流通路列出基极回路电压方程2.4共集放大器与共基放大器返回下一页得2.电压放大倍数根据图2-24（d）微变等效电路，列出回路电压方程其中

2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页所以电压放大倍数因为rbe《（1+β)RL，所以共集电极放大器的电压放大倍数小于1但接近于1，输出电压与输入电压大小几乎相等，相位相同，表现出良好的电压跟随特性。故共集电极放大器又称射极跟随器。3.输入电阻ri由微变等效电路得:ri可达几十千欧至几百千欧，所以共集电极电路的输入电阻很大。2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页4