第3章 分立元件放大电路.ppt

1、第3章 分立元件放大电路,半导体器件是组成各种电子电路的核心。晶体二极管、三极管（包括双极型晶体管和场效应晶体管）是最常用的半导体分立器件，本章在讨论半导体的导电特性和PN结的单向导电性的基础上，分别介绍他们的基本结构、工作原理、特性和参数。 三极管的应用十分广泛，不仅可作为放大器件，也可作为开关元件，是电子设备最基本的器件之一。本章重点介绍由三极管等分立元件组成的几种基本放大电路，从电路结构和工作原理入手，叙述放大电路的分析方法及其应用。最后通过多级放大电路实例的介绍，以加深全章内容的联系。 本章的教学时间建议为不少于6学时。,3.1 晶体二极管,晶体二极管是应用广泛的一种半导体器件，它是由

2、半导体材料构成的。因此，先简要介绍半导体的基本知识。 3.1.1 半导体 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。天然的硅和锗等材料经过提炼成为纯净的单晶体后，可制成各种半导体器件。 1. 本征半导体 经过提炼的纯净半导体称为本征半导体。它的导电性能由其原子结构决定。硅和锗的最外层电子都是4个，受原子核束缚力最小，称为价电子。半导体的导电性质与价电子有关。,以硅为例，由于硅的价电子为4个，而外层要有8个电子才是稳定的，所以在单晶硅中，每相邻的两个原子都共用了一对电子，形成共价键结构。图3.1.1是其共价键结构的平面示意图。,图3.1.1 硅晶体中的共价键平 面结构示意图,本征半导体共价键结构中的

3、电子受到两个原子核的吸引力而被束缚。在室温条件下，由于热激发（也称为本征激发），热运动转化为电子的动能，将有少数价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，而在原来的位置上留下空位，称它为空穴。失去价电子的原子成为带正电的正离子，它吸引相临原子中的价电子，填补这个空穴，因此可以把空穴看成是带正电的离子。 可见，本征半导体中的自由电子和空穴是成对出现的，即有一个电子就有一个空穴。自由电子和空穴在半导体中都是导电离子，称他们为载流子。,在一定温度下，本征半导体中一方面存在着电子-空穴对的产生的过程，同时存在着电子-空穴对的消失即两者的复合过程。这两个过程不断进行着相反作用，以达到动态平衡。

4、当半导体两端加上电压后，半导体中有两种运动方向相反的载流子形成的电流：一是自由电子作定向运动形成的；二是被原子核束缚的价电子填补空穴而形成的。半导体中同时存在着自由电子和空穴的导电，是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属导体在导电机理上的本质差别。,可以证明，本征半导体中载流子的浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。所以，温度对半导体器件的特性有较大影响。这种特性又称为半导体的热敏特性。 2. 杂质半导体 本征半导体的电子-空穴对的数目很少，所以导电能力很弱。如果在本征半导体中掺入微量有用的杂质，就会使掺杂后的半导体（称为杂质

5、半导体）的导电能力显著增强，这是半导体特有的掺杂特性。因所掺入的杂质不同，杂质半导体可分为N型和P型两种。, N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入少量磷或砷、锑等五价元素，杂质原子取代晶体中某些晶格上的硅（或锗）原子，五价元素的四个价电子与硅原子组成共价键后，多余的一个价电子就不受共价键的束缚，成为自由电子，于是，半导体中自由电子数目大量增加，如图3.1.2（a）所示。,3.1.2 硅晶体掺入杂质元素,杂质半导体中除了杂质元素释放出来的自由电子外，自身由于本征激发也产生少量的电子-空穴对。显然，在这种半导体中，电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子）。因此，这种半导体导电

6、时以自由电子为主，称电子型半导体，简称N型半导体。 P型半导体 在本征半导体中掺入少量的硼或铝、镓等三价元素，三价元素的三个硼原子和硅原子组成共价键结构时因缺少一个价电子而多出一个空穴，于是半导体中空穴数目大量增加，如图3.1.2（b）所示。,显然，在这种半导体中，空穴是多数载流子（简称多子），电子是少数载流子。因此，这种半导体导电时以空穴载流子为主，称空穴型半导体，简称P型半导体。 杂质半导体又称为双极型（两种极性）半导体。尽管这种半导体中总有一种载流子占多数，但在没有外加电压时，他们对外是不显电性的。,3.1.2 PN结及其单向导电性 杂质半导体增强了半导体的导电能力，但是其意义远非如此。

7、利用特殊的掺杂工艺，在一块半导体晶片的两边分别生成N型和P型半导体时，两者的交界处就会形成PN结，PN结具有N型和P型半导体所不具有的单向导电性，它是构成各种半导体器件的基础。,1PN结的形成 图.1.3所示是一块半导体晶片，两边分别形成P型和N型半导体，P区的多子是空穴，N区的多子是电子。,图3.1.3 PN结的形成,P区和N区就存在着多子的浓度差，因此P区的空穴就向N区扩散，并与N区的电子复合；同样N区的电子也向P区扩散，并与P区的空穴复合。扩散使得P区留下了一些带负电的三价杂质离子，而N区留下了一些带正电的五价杂质离子。正负离子都被束缚在晶格内不能移动，于是交界面两侧形成了很薄的空间电荷

8、区，这就是PN结。在空间电荷区内可以认为载流子已被耗尽，故又称耗尽层。 2PN结的单向导电性 处于平衡状态下的PN结是没有实用价值的。只有在外加电压时，PN结才表现出单向导电的特性。,PN结形成以后，空间电荷区就产生一个内电场，方向如图3.1.3所示。它阻挡P区和N区中多子的继续扩散，但会推动少子(即P区的电子和N区的空穴)越过空间电荷区，这种少子的移动称为漂移。可见，多子的扩散和少子的漂移是方向相反的运动。当扩散和漂移的载流子数相等时，PN结两侧多子和少子的运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度就不再变化。,(1)正向导通状态 PN结加正向电压时的电路如图3.1.4所示。当P区接电源正极，N区电

9、源接负极（即P区电位高于N区电位）时，称PN结为正向偏置。,图3.1.4 PN结正向偏置,此时，外加电压在PN结上产生的外电场和内电场方向相反，P区和N区的多子都要向空间电荷区移动，和原来的一部分正、负离子中和，致使空间电荷量减少，空间电荷区变窄，内电场相应被削弱，这种情况有利于多子向相邻区的扩散运动，形成较大的扩散电流，称为PN结的正向电流，用表示。由于正向电流数值较大，故称为PN结处于正向导通状态。这时，PN结所呈现的电阻称为正向电阻，数值通常很小。,(2)反向截止状态 PN结加反向电压时的电路如图3.1.5所示。当P区接电源负极，N区接电源正极（即P区电位低于N区电位）时，称PN结为反向

10、偏置。,图3.1.5 PN结反向偏置,此时，外加电压所产生的外电场和内电场方向一致，使P区和N区多子都背离空间电荷区运动，致使空间电荷量增加，空间电荷区加宽，内电场得到加强。内电场的加强进一步阻碍了多子的扩散，但有利于少子的漂移。P区和N区的少子越过PN结形成漂移电流，称为PN结的反向电流，用表示。由于少子的数量很少，故反向电流非常微小，可认为PN结基本上不导电，故称为PN结反向截止状态。,这时，PN结呈现的电阻称为反向电阻，数值很大。另外，由于少数载流子受温度变化的影响，而PN结的反向电流是少数载流子形成的，故反向电流受环境温度的影响较大，随温度上升而增加。 综上所述，当PN结在一定的电压范

11、围内，外加正向电压时处于低电阻的导通状态；外加反向电压时处于高电阻的截止状态，这种导电特性，就是PN结的单向导电性。 PN结除单向导电性外，还有一定的电容效应。一般PN结的结电容很小，在频率很高或特殊场合，才考虑结电容。,3.1.3 二极管的伏安特性和主要参数 由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装，就构成了晶体二极管，简称二极管。由P区一侧引出的电极称为阳极，由N区一侧引出的电极称为阴极。其符号如图3.1.6（a）所示。,图3.1.6 半导体二极管的图形符号及伏安特性,二极管的种类很多，按所用半导体材料可分为硅二极管和锗二极管等；按结构可分为点接触型、面接触型和硅平面型等。点接触型二极管结

12、电容很小，通过的电流较小，也不能承受高的反向电压，适用于高频检波和开关电路。面接触型二极管可通过较大的电流，但结电容大，适用于低频小功率的整流电路。平面型二极管是采用集成制造工艺制成的，一般结面积较大，适应于大功率整流电路；结面积较小的，适用于开关电路。,1.伏安特性曲线 描述电压和电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线，可用实验方法得到。在二极管的阳极和阴极两端分别加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，描绘出电流随电压的变化关系曲线，就是二极管伏安特性曲线，如图3.1.6（b）所示。不同类型的二极管，其参数不尽相同，但其伏安特性曲线的形状大致相同。由曲线可知，它们不遵循欧姆定

13、律，因此二极管属于非线性电阻元件。 伏安特性曲线可分为正向特性和反向特性两部分，可以直观地反映出二极管的单向导电性。,(1)正向特性 由曲线知当外加正向电压很低时，正向电流几乎为零。二极管呈现高阻性，基本上还处在截止状态。这是因为外加电压的电场还不能克服PN结内电场阻挡多数载流子扩散的缘故。这一段（如图OA段）称为二极管的死区，死区对应的最大电压称为死区电压。它的数值与管子材料及环境温度有关。硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.2V。,当外加电压超过死区电压，内电场被大大削弱，二极管的电阻变得很小，正向电流迅速增加，这时的二极管才真正导通。这段曲线很陡，正常导通后的二极管管压降变化较小，几

14、乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。硅二极管的正向导通压降约为0.7V，锗管约为 0.3V。 (2)反向特性 在二极管加反向电压时，由于少子的漂移运动，形成很小的反向电流。在反向电压不超过极限值时，反向电流基本恒定，与反向电压无关，故称它为反向饱和电流。一般硅管,的反向饱和电流比锗管小，硅管在几微安以下，锗管则可达数百微安。反向饱和电流还与温度有关，当温度上升10oC时，则增加一倍。 当外加反向电压过高，超过某一数值时，反向电流突然增大，这种现象称为击穿。引起击穿临界点电压称为反向击穿电压。击穿可能引起二极管失去单向导电性，使管子失效。因此，使用时，应避免二极管外加反向电压超过反向击穿电

15、压。 在实际工作中常常将上述伏安特性在正常工作范围内的部分近似化或理想化。,当电源电压与二极管导通时的正向电压降相差不多时，正向电压降不可忽略，可近似认为伏安特性如图3.1.7（a）所示，二极管导通后，正向电压降恒等于UD。,图3.1.7 半导体二极管的伏安特性,二极管截止，电流等于零。当电源电压远大于二极管导通时的正向电压降时，正向电压降可忽略，理想化的二极管的伏安特性如图3.1.7（b）所示，加正向电压时，二极管导通，正向电压降和正向电阻等于零，二极管相当于短路；加反向电压时，二极管截止，反向电流等于零，反向电阻等于无穷大，二极管相当于开路。,2.主要参数 (1)最大整流电流Iom 最大整

16、流电流最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大整流电流较大。二极管使用时实际流过的正向平均电流不应超过此值，否则会因过热使二极管损坏。 (2)反向工作峰值电压URWM 反向工作峰值电压反向工作峰值电压是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一,半或三分之二。点接触型二极管的反向工作峰值电压一般是数十伏，面接触型二极管可达数百伏。 (3)反向峰值电流 反向峰值电流反向峰值电流是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向电流大，说明二极管的单向导电性能差，并且受温度的影响大。

17、硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,3.二极管的主要应用 二极管的应用范围很广。利用它的单向导电性，可用于整流、限幅、箝位、元件保护以及在数字电路中作为开关元件及组成门电路等。 例3.1.1 在图3.1.8中, R=3.9k，试求下列几种情况下输出端Y的电位VY及各元件 (R，VDA，VDB)中通过的电流；（1） VB=VB=0V；（2） VA =+3V ，VB=0V。二极管的正向压降可忽略不计。,解：由于二极管的伏安特性为非线性，不能通过联立电路方程求解。一般是通过比较二极管两个电极的电位高低，确定它的工作状态。因此，求解本题的关键是判别二极管

18、的电位差。小电流时，硅二极管阳极电位至少高于阴极电位0.5V(锗管高0.1V)才能导通。,图3.1.8 例3.1.1的电路,（1） VB=VB=0V时，显然VDA、 VDB都导通。忽略二极管的正向压降，A点、B点、Y点为等电位。则有 VY=0 IR =(12-0)/3.93.08（mA） IDA=IDB=0.5IR=0.53.08=1.54（mA） （2） VA =+3V ，VB=0V时，VDB优先导通。此时，B点、Y点为等电位，而VDA不导通。即有,本例中，二极管导通后，利用二极管的正向导通压降相对稳定，且数值较小（有时可近似为零）的特点，来限制电路中某点的电位，这就是二极管的箝位作用。,例

19、3.1.2 在图3.1.9（a）所示电路中， ，VD1和VD2为锗管，求输出电压 的波形。,图3.1.9 例3.1.2的电路和波形,解： 设二极管的正向电压降 。 在 的正半周内，VD2截止。当 0.3V时，VD1截止， ；当0.3V时，VD1导通， 。在 的负半周内，VD1截止。当 0.3V时，VD2截止， ；当 0.3V时，VD2导通， 。可画出的波形如图3.1.9（b）所示。 该电路利用二极管的单向导电性限制了输出电压的幅度，称为二极管的限幅作用。,3.1.4 稳压管 稳压管是利用半导体的特殊工艺制成的面接触型半导体二极管。符号和伏安特性曲线如图3.1.10（a）（b）所示。,图3.1.

20、10 稳压管的图形符号和伏安特性,稳压二极管是工作在PN结的反向击穿状态。稳压管在反向击穿区的伏安特性十分陡峭，电流在较大范围内变化时，稳压管两端的电压变化很小。稳压管工作在伏安特性的这一部分，就能起到稳压作用。 与普通二极管不同的是，稳压管的反向击穿是可逆的。当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。这是由于它在制造时采用了特殊的工艺，而且在使用时通过串联适当阻值的电阻对反向电流加以限制，故能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管也会发生热击穿而损坏。,1.稳压二极管的主要参数 (1)稳定电压Uz 稳定电压是指当通过稳压管的电流为规定的测试电流Iz时,

21、稳压管两端的电压值，即与稳压管并联的负载两端的工作电压。使用时可以选择不同稳压值的稳压管，不过即使同一型号的稳压管，由于工艺和其他方面的原因，稳压值也有一定的分散性。例如2CW14型稳压管在Iz =10mA时， Uz的允许值在6 7.5V之间。,(2)稳定电流Iz和最大稳定电流Izmax 稳定电流是指工作电压等于稳定电压时的反向电流。最大稳定电流是指稳压管允许通过的最大反向电流。使用稳压管时，工作电流不能超过Izmax值，否则稳压管将会发生热击穿而烧毁。所以，在稳压电路中，应注意采取适当的限流措施。 稳压管除了上述二项主要参数之外，还有动态电阻和电压的温度系数等。,2.稳压电路 将稳压管与适当

22、数值的限流电阻相配合即组成了稳压管稳压电路，如图3.1.11 所示。,图3.1.11 稳压电路,图中为整流滤波电路的输出电压，也就是稳压电路的输入电压。为稳压电路的输出电压，即负载电阻两端的电压，它等于稳压管的稳定电压。由图可知 当电源电压波动或者负载电流变化而引起Uo变化时，该电路的稳压过程如下：只要Uo略有增加， Iz便会显著增加，I随之增加，RI增加，使得Uo自动降低，保持近似不变。如果Uo降低，则稳压过程与上述相反。,例3.1.3 一硅稳压管稳压电路如图3.1.12 所示，其中未经稳压的直流输入电压UI=18V,R=1k，RL=1k，硅稳压管VDz的稳定电压Uz=10V，动态电阻及未被

23、击穿时的反向电流均可忽略。 (1)试求Uo，Io，I和Iz的值； (2)试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。,图3.1.12 例3.1.3图,解: （1）硅稳压管稳压电路稳压时，硅稳压管必须被反向击穿，条件是硅稳压管两端所接结点，在硅稳压管断开时的电压大于其稳定电压。本题中硅稳压管断开时两端所接结点的电压,VDZ被反向击穿，使输出电压稳定，故,(2）当 时，VDZ不能被击穿，电路不能稳压，代入UI、R及UZ可求得电路不再稳压时的RL，即,求得RL1.25k。,使用稳压管时需要注意几个问题。首先，应使外加电源的正极接管子的阴极，电源的负极接管子的阳极，以保证稳压管工作在反向击穿区。

24、其次，稳压管应与负载电阻RL并联，由于稳压管两端电压的变化量很小，因而使输出电压比较稳定。另外，还必须在电路串连限流电阻R以限制流过稳压管的电流IZ，使其不超过规定值，以免因过热而烧坏管子。,【练习与思考】 3.1.1 如何使用万用表的电阻档判断二极管的好坏及极性？ 3.1.2 把一节1.5V的干电池按正向接法直接接到二极管的两端，会不会发生什么问题？ 3.1.3 稳压电路中的限流电阻=0，是否可以？有何后果？ 3.1.4 稳压电路中的稳压管接反了，有何后果？ 3.1.5 利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？,3.2 双极型晶体管,半导体三极管分为双极型晶体管和场效应晶体管两大类

25、。由于双极型晶体管的发明和应用比场效应晶体管早得多，故习惯上把双极型晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor）简称为三极管或晶体管。由于三极管在工作过程中两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故有“双极型”之称，以区别于一种载流子导电的场效应晶体管。 双极型晶体管由两个PN结构成，由于两者间相互影响，晶体管表现出单个PN结不具备的电流放大的功能，因而使PN结的应用发生质的飞跃，使晶体管成为电子设备中最重要的一种半导体器件。,3.2.1 晶体管的基本结构与电流放大作用 1.基本结构 按PN结组合方式的不同，晶体管可分为NPN 和PNP两种类型。图3.2.1是他们的结构示

26、意图和图形符号。 从结构图看出，每种晶体管都有三个导电区域：发射区、集电区和基区；三个电极：分别从三个区域引出的发射极E、集电极C和基极B；两个PN结：基区与发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结。,图3.2.1 双极型晶体管的结构示意图和图形符号,从图3.2.1可见，三极管为两个反向串联的PN结或二极管，如果孤立来看这两个PN结，或将两个二极管反向串联，不可能有电流放大作用。为此，首先在结构上三极管有其特殊性，表现在它的基区掺杂浓度很低，而且很薄；发射区与集电区虽是同型半导体，但两者并不对称，发射区的掺杂浓度比集电区高，但集电区比发射区的面积大，使用时发射极与集电极

27、不能互换。 这些结构特点是三极管具有电流放大作用的内部条件。 按半导体材料的不同，晶体管也有锗管和硅管之分。当前国内生产的硅晶体管多为NPN型（3D系列），锗晶体管多为PNP型（3A系列）。,2.电流放大作用 为了了解晶体管的电流放大作用和其中的电流分配，我们先看一个实验，实验电路如图3.2.2所示。,图3.2.2 晶体管电流放大的实验电路,把NPN晶体管接成两个电路：基极电路和集电极电路。基极电阻RB（包括RB1，RB2）、基极电源EB和三极管的发射极E、基极B组成基极电路 (称作输入回路)；集电极电阻RC、集电极电源EC以及三极管的发射极、集电极组成集电极电路 （称作输出回路）。由于发射极

28、是输入回路和输出回路的公共端，故这种电路称为共发射极放大电路，这是最基本的放大电路。,晶体管要实现电流放大作用，除了具有上面提到的内部条件外，还必须满足外部条件，即保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。如果采用NPN型晶体管作为放大器，输入和输出回路中，电源EB和EC的极性必须照图3.3.2中所示连接，且EC大于EB ，才能满足条件。如果采用PNP型管子作为放大器时，电源极性的连接与图示NPN正好相反。,实验中改变电阻，则基极电流、集电极电流和集电极电流都发生变化。电流方向如图中所示。测量结果列于表3.2.1中。,表3.2.1 三极管电流测量数据,分析此测量结果可得出如下结论： （1）观察实验数

29、据中的每一列，可得 IE=IC+IB 上式表明晶体管三电极之间的电流分配规律，符合基尔霍夫电流定律。 （2）从数据中可以发现， 。从第三列和第四列的数据可算出与的比值分别为：,上式体现了晶体管的电流放大作用。若比较表3.2.1第三列和第四列的数据，还可得出 上式计算结果表明，当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起的微小变化时，必定会发生数十乃至百倍的变化，这才是晶体管的电流放大作用的实质，也就是通常所说的基极电流对集电极电流的控制作用。,上面的实验结论可用载流子在晶体管内部的运动过程来解释。 （1）发射区发射载流子形成IE 当发射结处于正向偏置时，发射区的多数载流子（电子）便会源源不断地越过发

30、射结向基区扩散，形成发射极电流IE。虽然与此同时，基区的多数载流子（空穴）也要向发射区扩散，但由于基区的掺杂浓度很小，故形成的电流很小，可以忽略不计。 （2）载流子在基区被复合形成IB 由于基区很薄，掺杂的浓度又很小，由发射区过来的多数载流子（电子）只有很少一部分与基区中的多数载流子（空穴）而复合，由于基极电源不断从基区抽走电子来补充空穴，从而形成了基极电流IB 。,（3）载流子在集电区被收集形成IC 发射区的自由电子的大部分扩散到集电结附近，集电结反向偏置，因此自由电子将越过集电结向集电区漂移，被集电区收集流入集电极电源，从而形成集电极电流IC 。 发射区发射载流子的数目等于载流子在基区被复

31、合与在集电区被收集的数目之和。所以三个电流之间的关系是 IE=IC+IB （3.2.1）,三者的大小取决于UBE的大小， UBE增加，发射区发射的载流子增加，IE、IB、IC都相应增加，且由于晶体管制成后其内部尺寸和杂质浓度是确定的，所以发射区所发射的电子在基区被复合的百分数和在集电区被收集的百分数大体上是确定的，因此三极管内部的电流存在一种比例分配关系，IC接近于IE且远大于IB，如实验结论显示。 采用PNP型晶体管作为放大器做此实验时，可得到相同的试验结论。尽管晶体管三个区的多数载流子与NPN不同，但载流子的运动过程时相同的。,例3.2.1 在一工作正常的放大电路中，无信号输入时，测得四只

32、晶体管三个管脚X、Y、Z对“地”电压分别如图3.2.3（a）(b)所标。试判断这个晶体管是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管，三个管脚各是什么电极。,3.2.3 例3.2.1图,解: 工作于放大状态的晶体管，发射结为正向偏置，集电结为反向偏置，因而NPN型有 ，PNP型 。可见基极电位总是居中，据此可判断基极；硅管的|UBE|约为0.60.8V，锗管的| UBE |约为0.20.4 V，则与基极电位相差这一数值的那一个电极为发射极，并由这一差值大小判断是硅管还是锗管，余下的那个电极是集电极；集电极电位最高的管子是NPN型，集电极电位最低的管子是PNP型。 据此，可判断出两个晶体管的类型及管脚

33、如下（a）PNP型锗管，X集电极，Y发射极，Z基极；（b）NPN型硅管，X基极，Y发射极，Z集电极。,3.2.2 晶体管的特性曲线 晶体管的特性曲线能直观地描述各电极电压与电流之间的关系，是内部载流子的外部表现。 由于晶体管是三端元件，其特性描述不象二极管那样简单，而是与电路的连接形式有关。最常用的是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线。这些曲线可用特性图示仪直观地显示出来，也可通过实验测出。 1输入特性曲线 晶体管的输入特性是指当为常数时，与之间的关系，如图3.2.3(a)所示。,由于发射结是正向偏置的PN结，故三极管的输入特性与二极管的正向特性相似。不同的是，IB不仅与UBE有关，还

34、要受UCE的影响。但当UCE 1V后，集电结已处于反向偏置，这时再增大UCE ，IB也不会有什么变化了，所以，UCE 1V的输入特性曲线是重合的。图3.2.4（a）所示的输入特性曲线说明，当三极管的发射结电压大于死区电压后，随着UBE的增加，基极电流IB上升，导通后结压降的数值近似为常数。 2输出特性曲线 晶体管的输出特性是指当为常数时，三极管的管压降和集电极电流之间的关系。如图3.2.4（b）所示。,图3.2.4 晶体管的特性曲线,三极管的输出特性曲线是一组曲线，一个确定的就对应一条输出特性曲线。输出特性曲线可分为三个区域。 （1）放大区 特性曲线中间距比较均匀的平直区域为放大区。在放大区，

35、 与近似成正比，故放大区也称为线性区。晶体管工作在放大区时，发射结正向偏置，集电结反向偏置。,（2）饱和区 特性曲线迅速上升和弯曲部分之间的区域为饱和区。在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成正比，在饱和状态下集电极与发射极之间的电压UCE称为晶体管的饱和压降，用UCES表示，其值很小，通常硅管约为0.3V，锗管约为0.1V，若忽略不计，则晶体管集电极与发射极之间相当于短路，即相当于一个闭合的开关。晶体管工作在饱和区时，发射结正向偏置，由于UCE UBE，集电结也是正向偏置。,（3）截止区 IB=0对应的特性曲线以下的区域称为截止区。当IB=0时的集电极电流用ICEO表示，其值很小，若

36、忽略不计，则晶体管集电极与发射极之间相当于开路，即相当于于一个断开的开关。晶体管工作在截止区时，集电结反向偏置。对NPN型硅管而言，当UBE0.5V时，即已开始截止，但为了截止可靠，常使UBE0，即发射结反向偏置。 在模拟电路中晶体管工作于放大区，起放大作用；在数字电路交替工作于饱和区和截止区，起开关作用。,3.2.3 晶体管的主要参数 晶体管的参数用来表示其性能和使用范围，是选择元件和设计电路的依据，主要有以下参数。 （1）电流放大系数 ， 当晶体管接成共射极电路时，在静态时（无输入信号）集电极电流IC（输出电流）与基极电流（输入电流）的比值称为共射极静态电流IB（直流）放大倍数，用 表示

37、（3.2.2）,当晶体管工作在动态（有输入信号）时，基极电流的变化量为 ，它引起集电极电流的变化量为 ， 与的 比值称为动态电流（交流）放大倍数，用 表示。 （3.2.3） 由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比地变化，值才可认为是基本恒定的。但由于制造工艺的分散性，即使同一型号的晶体管， 值也有很大差别。常用的晶体管的 值在20 200之间。,在手册上 常用 表示， 常用 表示。与 的含义尽管不同，但在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近，实际使用时通常认为 。 (2) 集-基极反向截止电流ICBO ICBO是指发射极

38、开路时，集电结在反向偏置作用下，集、基极间的反向漏电流。它是由少数载流子漂移形成的，三极管的ICBO越小越好。在室温下，小功率硅管的ICBO小于1A，而小功率锗管的ICBO则在10A左右。,(3)集-射极反向截止电流ICEO ICEO是当IB= 0（将基极开路）、集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集射极间电流。它看起来好象是从集电极直接穿透晶体管而到达发射极的，所以又称为穿透电流。 ICEO中除含有由集电区的少数载流子漂移形成的ICBO外，还有由发射区的多数载流子扩散形成的电流 ICBO ，即,(3.2.4) ICEO受温度的影响很大，当温度上升时， ICEO增加很快，集电极电流IC也

39、就相应增加。因此晶体管的温度稳定性很差，这是晶体管的主要缺点。 ICEO越大、 越高的管子，稳定性越差。 ICEO的大小是判别三极管质量好坏的重要参数，一般希望ICEO值越小越好。因此，在选择管子时，要求ICEO尽可能小，而 以不超过100为宜。 (4)集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC超过一定值时， 晶体管的 值要下降。当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极的最大允许,电流ICM 。因此，在使用晶体管时， IC超过ICM并不一定会使晶体管损坏，但以降低 值为代价。 (5)集-射极反向击穿电压 UCEO 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射极反向击

40、穿电压UCEO 。当晶体管的集射极电压UCE大于UCEO ，ICEO突然大幅度上升，说明晶体管已被击穿。手册中给出的UCEO一般是常温（25度）时的值，晶体管在高温下，其UCEO数值要降低，使用时应特别注意。,（6）集电极最大允许耗散功率PCM 集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。晶体管工作时集电极的功率损耗PC=ICUCE。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率称为集电极最大允许耗散功率PCM 。 PCM主要受结温限制，一般说来 ，锗管允许结温硅管约为 。 根据晶体管的PCM值，可在晶体管的输出特性曲线上作出PCM曲线，它是

41、一条双曲线。由ICM、UCEO和PCM三个极限参数共同界定了晶体管的安全工作区。如图3.2.5所示。,在以上所讨论的几个参数中， 和 ICEO是表明晶体管优劣的主要指标； ICM、 UCEO和ICEO都是极限参数，用来说明晶体管的使用限制。,图3.2.5 晶体管的安全工作区,【思考与练习】 3.2.1 有两个晶体管，一个管子的 =50，ICBO=0.5A；另一个管子的 =150，ICBO=2A。如果其他参数一样，选用哪个管子较好？为什么？ 3.2.2 某一晶体管的PCM=100mW，ICM=20mA，UCEO=15V，试问在下列两种情况下，哪种是正常工作？ （1）UCE=3V，IC=10mA；

42、（2）UCE=6V，IC=20mA 3.2.3 今测得某电路中NPN型硅管各个电极和电路公共端之间的电压UE=2V、UB=2.7V和UC=2.3V。试判断三极管处于何种工作状态（放大、截止或饱和）。,3.3 共射极放大电路,放大电路是模拟电子技术的基本单元，简称放大器。晶体管是整个电路的核心，担负着放大作用。晶体管放大电路有多种类型，根据输入回路与输出回路公共端的不同，有共发射极，共集电极和共基极放大电路三种类型，其中最基本的是共射极放大电路，常用于低频交流电压信号的放大。本节着重讨论它的组成、工作原理及分析方法等。 3.3.1 电路的基本组成 最基本的单管共射极放大电路如图3.3.1所示。

43、图中，EC是集电极回路和基极回路的共同的电源，一般为几伏到几十伏。它的作用是为晶体管提供工作于放大区的偏置条件，使发射结获得正向偏置，集电结获得反向偏置。,RB为基极回路电阻，在EC的作用下，可为晶体管提供一个合适的基极电流IB，这个电流常称为偏置电流 ，RB称偏置电阻，一般在几十千欧到几百千欧之间。,图3.3.1 单管共发射极基本放大电路,RC为集电极电阻，可将集电极电流的变化转变成电压的变化送到输出端，以实现电压放大。 RC一般取值为几千欧到几十千欧。 RC很重要，若没有RC ，则三极管集电极的电位始终等于直流电源电压，而不会随输入信号变化，就不会有信号输出。 电容C1、C2称为耦合电容，

44、这种由电容耦合的放大电路在放大一定频率的交流信号时被广泛采用，但对频率低的信号就不合适，因为频率低，电容的容抗就大，信号在传输过程中损失就大。 C1 、 C2的电容值一般为几微法到几十微法，由于容量较大，通常采用电解电容器，在电路中连接时应注意极性，正极必须接高电位。,在放大电路中，通常把公共端接“地”，作为参考点。图3.3.2所示是其简化电路的画法。如果改用PNP管，连接时只需将电源及电解电容器、的极性颠倒即可。,图3.3.2 单管共发射极基本放大电路的简化画法,在没有输入信号时，电路的状态称为静态。有输入信号时，电路的状态称为动态。规定静态直流分量用大写字母加大写下标表示，如IB、IC和U

45、CE。动态交流分量的瞬时值用小写字母加小写下标表示，如ib、ic和uce；而用小写字母加大写下标如iB、iC和uCE表示动态时的实际电压和电流，即直流分量和交流分量总和的瞬时值。,3.3.2 电路的工作原理 图3.3.2所示的放大电路，当输入端未加输入信号时，电路中只有直流电源形成的直流分量。由于电容C1、C2的隔直作用，直流分量仅存在于C1 、 C2之间的部分电路，这部分电路称为放大电路的直流通路，如图3.3.3所示。由直流通路可计算出IB、IC和UCE等值，因为这些值是不变的，此时放大电路所处的工作状态称为静态。 由电路首先可求得基极电流为 （3.3.1）,式中，UBE忽略。由IB得出IC

46、和集-射极电压UCE。即 (3.3.2) (3.3.3),图3.3.3 放大电路的直流通路,UCE与IC的函数关系是线性的，反映在晶体管输出特性曲线上为一条直线，其斜率为-1/RC。通常将这条负载线称为直流负载线，如图3.3.4所示。直流负载线与IB所对应的输出特性曲线的交点Q称为静态工作点，Q点对应的静态值就是上述的IB 、 IC和UCE 。,图3.3.4 直流负载线和静态工作点,当输入端输入交流信号时，电路中的电压和电流处于变化状态，工作点的位置也会发生相应的变化。由于晶体管是一个非线性器件，由它组成的放大电路也是一个非线性电路，可以采用图解法分析信号的放大过程，即在静态分析的基础上，用作

47、图的方法来分析各个电压和电流的传输情况以及它们之间的相互关系。 假设输入正弦交流信号ui，电容C1把ui耦合到晶体管的发射结两端，发射结电压uBE包含两个分量，一个是UCC产生的静态直流分量UBE，另一个是由ui引起的交流信号分量ube，忽略C1上的交流电压降，则ube = ui ，如图3.3.5所示。,图3.3.5 输入电路的图解,发射结电压uBE以静态值UBE为基准上下波动，如果信号不大的话， uBE始终大于零，使得发射结保持正向偏置，晶体管始终处于放大状态。在动态范围较小且静态值UBE适当时，可认为ib随ui按正弦规律变化，基极电流iB也随uBE在iB1 、 iB2之间变化，输入特性曲线

48、上Q点也在Q1和Q2之间变化。 iB的变化引起ic和uBE的变化，他们都包含有直流分量和交流信号分量。集射极电压的合成量uBE与集电极电流的合成量ic之间的关系仍然是线性的。即 (3.3.4),由上式在输出特性曲线上画出的直线称为交流负载线，它与直流负载线重合，如图3.3.6所示。当iB在IB1与IB2之间变化时，交流负载线与输出特性曲线的交点Q也在Q1和Q2之间沿着交流负载线变动，相应的ic和uCE的变化规律如图3.3.6所示。,图3.3.6 输出电路图解,电容C2的存在使uCE中的直流分量在输出时受到隔离，而交流分量被耦合到放大电路的输出端，因此输出电压 （3.3.5） 由图中可以看出，

49、输出电压uo与输入ui电压的波形是相同的，但幅度比输入要大得多，并且uo与ui的相位相反，可知共射极放大电路不但有电压放大作用，还具有反相作用。 下面分别对静态、动态两种工作状态进行静态分析和动态分析。,3.3.3 电路的静态分析 静态分析就是对静态工作点（IB、IC、UCE）的分析，包括电路的参数、结构对点静态值及其稳定性的影响。 1静态工作点对波形失真的影响 在放大电路中，静态工作点是放大电路中信号动态变化的核心，如果静态工作点选择不当，就可能使动态工作范围进入非线性区而产生非线性失真，输出波形不能正确反映输入信号的变化，失去放大的意义。,如图3.3.7所示，假设输入的是正弦电压，如果静态

50、工作点选得过低，如图中QL的点，在信号的负半周，晶体管进入截止区工作， iB，iC和uCE都严重失真了， iB 、 iC的负半周和的正半周都被削平了，这种失真是由于晶体管的截止而引起的，称为截止失真。,图3.3.7 不合适的工作点引起波形失真,如果静态工作点选得过高，如图中的QH点在信号的正半周，晶体管进入饱和区工作，这时iB虽然不失真，但是iC和uCE都严重失真了，这种失真是由于晶体管的饱和而引起的，称为饱和失真。 因此，要使放大电路不产生非线性失真，必须要有一个合适的静态工作点。静态工作点Q应通过调整电路参数使之大致设置在交流负载线的中点，以使其可变化的范围尽可能大。 此外，输入信号ui的

51、幅值也不能太大，以避免放大电路的工作范围超过特性曲线的线性范围而引起更为严重的失真。,2静态工作点的稳定 影响工作点不稳定的因素中，以温度的影响最大。因为环境温度的变化较为普遍，且不易克服，而晶体管又是对温度十分敏感的元件，温度升高对晶体管各种参数的影响，集中表现为集电极电流IC的增大，导致静态工作点Q点上移而接近饱和区，产生饱和失真。因此稳定静态工作点的关键就在于稳定集电极电流IC 。 当温度变化时，要使近似维持不变以稳定静态工作点，通常采用图3.3.8所示的分压式偏置共射极放大电路，其直流通路如图3.3.9所示。 RB1 、RB2构成分压电路，设置参数使,图3.3.8 分压式偏置共射极放大

52、电路,，一般 ，就可忽略IB的影响，则基极电位为,图3.3.9分压式偏置共射极放大电路的直流通路,发射极上引入串联电阻后，由直流通路可列出 如果 ， 一般 ，则 由上式近似认为不受温度影响，即点基本稳定。 而当因温度的升高而增加时，稳定点的过程如下： 温度IC IE IE RE UBE IB IC 上述实质是一个负反馈调节过程，即由发射极电阻反映出被控制量的变化，然后通过控制来抑制的变化的过程。,另外，放大电路中的两端并联了一个电容，使只对直流分量有稳定作用。如果的两端没有并联，则在稳定直流分量的同时，也会稳定交流分量，即抑制变化的强度，使得的幅度降低，导致与成正比的输出电压幅度降低，电路的电

53、压放大能力减弱。为交流分量提供一条阻抗近似为零的通路。因此称为旁路电容，其容量一般为几十微法到几百微法。,3静态工作点的计算 根据图3.3.7所示的分压式偏置共射极放大电路的直流通路，近似计算静态工作点的公式如下： （3.3.6） (3.3.7) (3.3.8) (3.3.9) (3.3.10),3.3.4 电路的动态分析 动态分析就是对放大电路放大变化的输入信号的效果分析，微变等效电路法是动态分析的主要工具，放大的效果可以由放大电路的主要指标来衡量。 1. 微变等效电路 在放大电路输入信号较小，且静态工作点选择合适的情况下，晶体管的工作状态接近于线性，因此可以将晶体管用一个线性的电路模型来代

54、替，称为晶体管的小信号模型。,当输入信号很小时，放大电路输入端的电压与电流的关系可以用动态电阻来反映，即 (3.3.11) rbe称为晶体管的输入电阻，一般为几百到几千欧。低频小功率晶体管的常用下面的公式估算： （3.3.12）,式中IC的单位为mA，rbe的单位为。由此求得从输入端看进去的电路模型如图3.3.10左边所示。 当UCE为常数时，输出端的电压与电流的关系可以用一个 的电流控制电流源（CCCS）等效，以表示晶体管的电流控制作用，如图3.3.10右边所示。 放大电路的微变等效电路分析，就是利用晶体管的小信号模型，把非线性的晶体管元件所组成的放大电路等效为一个线性电路，然后按线性电路的

55、一般分析方法对微变等小电路进行求解处理。,图3.3.10 晶体管小信号模型,晶体管放大电路中电容C1和C2对交流分量可视作短路，同时，一般直流电源的内阻很小，可以忽略不计，也可以认为直流电源是短路的。据此就可画出图3.3.2所示的基本共射极放大电路的交流通路，如图3.3.11（a）所示。把交流通路中的晶体管用它的简化的小信号模型代替，就是放大电路的微变等效电路，如图3.3.11（b）所示。电路中的电压和电流都是正弦交流分量，用相量表示标出的方向是参考方向。,（a） 交流通路,（b） 微变等效电路,图3.3.11 固定式偏置放大电路的交流通路和微变等效电路,图3.3.12是图3.3.8所示分压式

56、偏置共射极放大电路的交流通路和微变等效电路,图3.3.12 分压式偏置放大电路的交流通路和微变等效电路,2.放大电路性能的计算与分析 (1)放大倍数 放大倍数又称为增益，是衡量放大电路放大能力的指标。对于电压放大电路，定义输出电压与输入电压的相量之比为电压放大倍数，用表示。即 (3.3.13) 由图3.3.11（b）及图3.3.12所示的微变等效电路可得,式中，RL称为等效负载电阻，其值为 (3.3.14) 由电压放大倍数的定义得 (3.3.15) 式中的负号表明输出电压与输入电压信号反相。Au除了与晶体管的参数有关外，还与外接负载电阻有关， RL越小（称负载越大）， 下降得越严重。,(2)输

57、入电阻 对信号源而言，放大电路相当于它的负载。其等效的负载电阻称为放大电路的输入电阻ri，定义为 (3.3.16) 式中的 和 为放大电路的输入电压和电流。由图3.3.11（b）所示的微变等效电路可得 (3.3.17) 由图3.3.12所示的微变等效电路可得 (3.3.18),通常由于 ，放大电路的输入电阻主要由晶体管的输入电阻决定。越大，则放大电路从信号源索取的电流越小。为减小信号损失，一般要求放大电路的输入电阻大一些为好。 (3)输出电阻 对负载而言，放大电路相当于一个电压源，当负载变化时放大电路的输出电压 随之变化，相当于该电源具有内阻，其等效的内阻即为放大电路的输出电阻ro。,放大电路的输出电阻可在信号源短路和输出端开路的条件下求得。以图3.3.2所示的放大电路为例，从它的微变等效