第三章半导体三极管及放大电路
§ 3.1 半导体 BJT
一,BJT结构图 3- 1
3AX22
低频锗
3AD6
低频大功率管
3DG6
高频硅图 3- 2
N 集电区
N 发射区
P 基区
e
b
c
集电结发射结集电极发射极基极三区两结三极下图是 NPN管的结构及符号
e
b
c
图 3- 3
P 集电区
P 发射区
N 基区
e
b
c
集电结发射结集电极发射极基极
PNP管的结构及符号如下:
符号中的箭头表示 BJT导通时的电流方向
b
e
c
二,BJT的电流分配与放大原理放大的条件:
内部条件,发射区掺杂浓度高;
基区薄且掺杂浓度低。
外部条件,发射结正偏;
集电结反偏。
N NPJe Jc
V0?VEE V0+VCC
1,BJT内部载流子的传输图 3- 4
b
VEE
IB
e
IE
c
VCC
IC
电子流 复合图
3

5 I
B
b
VEE VCC
e c
IE IC
N NP
电子流
BI? ICBO
InC
2,电流分配关系一个三极管制定后,发射区发射的电子传输到集电结所占比例一定,这个比例系数用?表示,
称为共基极电流放大系数。
E
nC
I

发射极注入的电流传输到集电极的电流?
C B OnCC III
代入? C B OEC Iα II
通常忽略 ICBO
EC α II?
一般为 0.9 ~ 0.99
假设? =0.99,则发射 100个电子,扩散 99个,
复合 1个。
3,共发射极连接方式
BJT的三种连接方式
a,共基极连接信号从 e极输入,从集电极 c输出。
图 3- 6
EI CI
EEV CCV
b,共发射极连接:信号从 b极输入,从 c极输出
c,共集电极连接:信号从 b极输入,从 e极输出
共射连接方式的电流放大作用
a,由于 VBB,Rb的作用,
发射结正偏。
由于 VCC > VBB,调节 Rc,
使 VCE > VBE,则 VC > VB,
集电结反偏满足放大的外部条件。图 3- 7
VBB
Rb VCC
IC
RcIB
P
N
N
b,下面推导 IC和 IB的关系
IE = IB + IC
C B OEC Iα II
代入?
C B OCBC Iα Iα II
1
α令
C B OBC )1( III则?
整理?式得
11
CBO
BC
IIαI
C B OC E O )1( II令
ICEO,基极开路,c流到 e的电流,称穿透电流把 ICEO 代入?,得
C E OBC III
忽略 ICEO
BC II
c,? 之实质
B
nC
E
E
)1(1 I
I
I



共射电流放大系数为扩散电子数 /复合电子数
为几十 ~ 几百倍若? = 0.99,则? = 99
共射电路具有电流放大作用归纳:
BJT满足内部条件和外部条件,具有放大作用;
BJT的放大作用,按电流分配实现,称之为电流控制元件;
电流放大系数共基电路:
共射电路:
1
E
C
I
I?
B
C
I
I
三,BJT的特性曲线(共射连接)
图 3- 8
vBE
vCE
iC
iB
P
N
N
vBE(V)
iB(mA)
C25?80
20
40
60
0.2 0.4 0.6 0.8O
1,输入特性曲线常数 CE)( BEB vvfi
图 3- 9
v CE
=0
V
V CE
1V
vCE = 0,相当于二极管的正向特性
vCE > 1V后,vCE?,iC基本不变,iB亦基本不变
vCE = 1V,曲线右移(原因是集电结反偏,
iE 大部分被拉到集电区,iB?)
工程上 vCE = 1V的曲线即可代表 vCE > 1V的情况。
vCE(V)
iC(?A)
C25?4
3
2
1
0 2 4 6 8
2,输出特性曲线常数 B)( CEC ivfi
图 3- 10
100
80
60
20
iB=0
ICE0
iB=40(?A)
先看 iB=40?A的一条曲线
要想改变 iC,得改变 iB,这样,得到一组曲线簇;
vCE 很小时,集电结反偏小,收集载流子能力弱,vCE? iC?
当 vCE >1V后,iC 大致与横轴平行;
C E 0BC Iii
四,BJT的主要参数
1,电流放大系数共射:
B
C E OC
I
II? 为直流电流放大系数
若 IC >> ICEO 则
B
C
I
I
交流放大系数用? 表示
B
C
I
I

如图 3- 11
5.37A40 A5.1 m 404060 5.13.2
vCE(V)
iC(?A)
C25?4
3
2
1
0 2 4 6 8
图 3- 11
2.3
1.5
IC?IB
Q
100
80
60
40
iB=20(?A)
若满足条件,? ICEO很小时,可忽略;
管子工作在线性区。
表示。,都用工程上则可以为
共基,表示。,都用,同理,工程上不区别
2,集电极-基极反向饱和电流 ICBO
发射极开路,c,b间加上一定反向电压时的反向电流,(由少数载流子引起)
硅管,<1?A
小功率锗管:约为 10?A。
图 3- 12
VCCe?A+–
c
b
ICBO
3,集电极-发射极反向饱和电流 ICE0(穿透电流)
基极开路,c,e间加一定反向电压时的集电极电流图 3- 13
VCC
e
c
b
ICEO
A
CBOC E O )1( II
4,极限参数
a,集电极最大允许电流 ICM。
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。
当电流超过 ICM,管子性能下降,甚至烧坏。
b,集电极最大允许功率 PCM。
集电结上允许损耗功率的最大值。
超过此值会使管子性能变坏或烧毁。
c,反向击穿电压 VBR。
例 3- 1 在晶体管放大电路中,测得三个晶体管的各个电极的电位如图。试判断各晶体管的类型
(是 NPN管还是 PNP管,是硅管还锗管 ),并区分 e,b,c三个电极。

2V 2.7V 6V

2.2V 5.3V 6V

4V?1.2V?1.4V
(a) (b) (c)
(a) NPN硅,?- e,?- b,?- c
(b) PNP硅管,?- c,?- b,?- e
(c) PNP锗管,?- c,?- e,?- b
解,(1)依 |VBE|=0.7V(或 |VBE|= 0.2V)确定硅还是锗。
(2)找出 c极:极间电压不是 0.7V或 0.2V的为 c极。
(3)VB,VE,VC三个电位中,VC最低,是 PNP管;
VC最高,是 NPN管。
(4)PNP管,VC <VB<VE; NPN管,VC>VB>VE。
以确定 b,e极。
§ 3.2 共射极放大电路
放大要求:幅度放大,波形不失真
放大实质:实现能量转换与控制
放大对象:交流量 (即变化量 )
一、电路
+
+C
b1
Cb2
Vi 300k12V
4k
12VV
BB
VCC
RC
RB V0
图 3- 14
VCC,VBB,直流电源
RC,RB,分别为集电极负载电阻、基极偏置电阻
Cb1,Cb2,耦合电容。
(隔直滤交)
极性:把交流短路,
直流电位高的端接电容之正极
:,地”。 vi,v0,VBB,VCC之公共端,
又叫参考点,此点电位为 0。
+
+C
b1
Cb2
Vi 300k12V
4k
12VV
BB
VCC
RC
RB V0
图 3- 14
二、简化电路
取 VBB = VCC。 见图 3- 14(a)
省略电源 VCC的符号,只标出 VCC的非接地端的电压数值及极性 。 见图 3- 14(b)
+
Cb1
Cb2
300k?
VCC
Rc
Rb
4k?
12V?
+
IB
vi
v0
(a)
Cb1
Rb
300k?
Rc 4k?
Cb2
+VCC
IB I
C
e
c
+12V
(b)
v0
vi
图 3- 14
3.3 图解分析法一、静态工作情况分析静态,当放大电路 vi=0时,电路中各处的电压,电流都为直流,称为直流工作状态或静止状态,简称静态 。
静态工作点,静态下,IB,IC,VCE在管子特性曲线上有一确定的点,此点为静态工作点,又叫 Q点 。
动态,当放大电路输入信号后 ( vi?0),
电路中各处的电压,电流处于变动状态,这时电路处于动态工作情况,
简称动态 。
1,估算法确定静态工作点见图 3- 14(b)
b
BECC
B R
VVI
VBE,硅管约为 0.7V。
锗管约为 0.2V。
一般 VCC>> VBE
b
CC
B R
VI
BC II CCCCCE RIVV
Cb1
Rb
300k?
Rc 4k?
Cb2
VCC
IB I
C
e
c
12V
v0
vi
图 3- 14 (b)
2,图解法确定静态工作点图 3- 15
(a)
+
Cb1
300k?Rbv
i V
BB
12V
VCC
12V
4k?Rc
+
vCE
Cb2
+
v0
iB
iC 20?F
20?F
非线性电路部分 线性电路部分显然,既满足特性曲线,又要满足直线,
曲线和直线的交点即 Q点。
思路,左边为 IB= 40?A的一条特性曲线。
iC与 vCE是非线性关系。
右边 iC与 vCE是直线关系。
VCE = VCC?iC? RC
vCE(V)0 2 4 6 8 10 12
100iC(mA)
80
60
201
4
3
2
直流负载线
步骤:
a,作三极管的输出特性曲线图 3- 15(b)
b,作直流负载线
vCE =12? 4 iC
c,计算 IB
μ A40
b
CC
B R
VI
d,确定 Q点
IB =40?A所对应的特性曲线和直流负载线的交点即 Q点。
6v1,5 m A A μ40 CECB VIIQ 点为:
IB = 40(?A)QI
C=1.5
M
N
图 3- 16?
+
Cb1
300k?
Rbv
i V
BB
12V
VCC
12V
4k?Rc
+
vCE
Cb2 +
iB
iC
+
vBE
t t
v0t
二、动态工作情况分析目的:得出 v0与 vi的 相位 关系和 动态范围 。
1,放大电路接入正弦信号时的工作情况
vCE
t
iC
v0 t
vi
iB
vi?
设 vi = 0.02sin?t (V)
依 vi 在输入特性上求 iB。
图 3- 17
iB(?A)
O?t
iB(?A)
vBE(V)
20
40
60
0.2 0.4 0.6 0.8O
IB
Q
Q?
Q?
vBE(V)O
t VBE
v0 =?3sin?t (V)
依 iB在输出特性上求 iC 和 vCE
vCE(V)O 3 6 9 12
100
iC(mA)
80
60
IB = 40Q
201
4
3
2
M
Q?
Q?
t
iC(mA)
IC
t
vCE(V)v
ce
VCE
O
O
N
图 3- 17
总结:
a,iB = IB + ib
iC = IC + ic
vCE = VCE + vce
它们为脉动直流;(在直流量的基础上迭加了 一个交流量)
b,v0是与 vi同频率的正弦波;
c,v0与 vi反相,此为共射电路特有的倒相作用。
2,交流负载线输出端接负载,由于 Cb2的隔直作用,
不影响静态工作点,但动态工作情况会发生变化。
交流通路,不 考虑直流,交流信号通过的路径。
原则,a,隔直电容视为短路;
b,VCC视为短路。
+
+ VCC
+12V
4k?
RL
Cb2
+
iC
20?F
Cb1 20?F
Rc
4k?Rb300k?
iB
vi
v0
图 3- 18 (a)
Rb
+
ib
vi
RLRc
+
v0
ic
Rc和 RL并联,此并联值为交流负载电阻 LR?
LcL // RRR
图 3- 18 (b)
作交流负载线由图 3- 18(b)可见交流 v0 = vce
vce = – ic? RL?
交流量等于脉动直流量减直流量。
vCE?VCE =?(iC?Ic ) LR?
vCE LLcCE RRIV Ci —交流负载线
,此交流负载线斜率为
L
1
R
此交流负载线一定过 Q点。
Q1.5
。的直线即为交流负载线点作斜率为过
L
1
RQ
交流负载线直流负载线
vCE(V)0 3 6 9 12
100
iC(mA)
80
60
IB = 40?A
201
4
3
2
5
6
图 3- 19
斜率为 定出的负载线为直流负载线。
C
1
R?
Q点的选择:
Q点应选在交流负载线的中央
Q点选得太低,出现截止失真;
Q点选得太高,出现饱和失真。
3,BJT的三个工作区域图 3- 20
截止区:
IB= 0以下部分为截止区发射结零偏或反偏
IC = ICEO = 0 VCE =VCC
管子 c,e间如同断开 O 1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
vCE(V)
iC(mA)
40(?A)
0
80
120
160
200
Q2
Q
Q1N
M
饱和区放大区截止区
放大区,(线性区 )
平坦部分 发射结正偏,集电结反偏
IC =? IB VCE = VCC? IC RC
图 3- 20
O 1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
vCE(V)
iC(mA)
40(?A)
0
80
120
160
200
Q2
Q
Q1N
M
饱和区放大区截止区
饱和区:
输出特性的上升和弯曲部分发射结正偏,集电结正偏
IB > IC
VCE = VCES
= 0.3V(硅 )
VCE = VCES
= 0.1V(锗 )
管子 c,e间如同短接图 3- 20
O 1 2 3 4 5 6
1
2
3
4
vCE(V)
iC(mA)
40(?A)
0
80
120
160
200
Q2
Q
Q1N
M
饱和区放大区截止区例 3- 2 判断下列管子的工作状态
0
2V
3V
(a)
0
0.7V
3V
(b)
2.3V
3V
2.6V
(c)
0
3V
(d)
0.2V
解,(a) 发射结反偏? 管子截止
(b) 发射结正偏,集电结反偏,? 管子放大
(c) 发射结正偏,集电结正偏,? 管子饱和
(d) 发射结正偏,集电结反偏,? 管子放大图解法优点:
直观、全面了解放大器工作情况;
大致估算动态范围。
能合理安排 Q点;
缺点,费事、不精确,除能分析出电压放大倍数外,分析其他指标有困难。