第3章 双极型晶体管及其基本放大电路

双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体三极管。它 由两个 PN 结组合而成，有两种载流子参与导电，是一种 电流控制电流源器件（CCCS）。晶体管英文为Transister，有两大类型:双极型晶体管(BJT)；场效应晶体管(FET)。3.1 引言场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种 电压控制电流源器件（VCCS）。第3章 双极型晶体管及其基本放大电路本章主要介绍双极型晶体管的结构及其放大作用、特性曲线及主要参数，阐述了放大电路的组成、工作原理及 主要技术指标，重点介绍双极型晶体管三种组态基本放大 电路的分析方法。晶体管的两种结构3.2.1 晶体管的结构和类型NPN型PNP型这是基极b这是发射极e这是集电极c这是发射结Je这是集电结Jc晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，代表发射极加正向偏置时电流的方向。双极型晶体管有两种结构，NPN型和PNP型。这是基区这是发射区这是集电区3.2 双极型晶体管3.2.2 晶体管的三种组态晶体管的三种组态共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。IENIEPICBOIEICIBIBNIE=IEN + IEP 且IEN >> IEPIC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN IB= IEP + IBN - ICBO注意：图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流 方向相同；电子流与电流方向相反。由此可确定三个电极 的电流。ICN如何保证注入的载流 子尽可能地到达集电区？3.2.3 晶体管的电流放大作用3.2.4 晶体管的共射特性曲线iB是输入电流， uBE是输入电压。iC是输出电流，uCE是输出电压。 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const共发射极接法晶体管的特性曲线包括：晶体管共射特性曲线测量电路1. 输入特性曲线(1) UCE=0V，iB和uBE和呈指 数关系，类似于半导体 二极管的特性。 (2) 当UCE增加时，集电结收 集电子能力增加，曲线 右移。 (3) UCE1V，曲线右移不明 显。近似用UCE=1V曲线 代替 。 NPN型晶体管的共射输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const它是以iB为参变量的一族特性曲线 。NPN型晶体管的共射输出特性曲线2. 输出特性曲线当UCE稍增大时，IC随着UCE增加而增加。现以一条曲线为例：当UCE=0 V时，集电极无收集作用，IC=0。当UCE继续增加使集电结反 偏电压较大时， UCE再增加，电流也没有明显的增 加。输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的数值较小，一般UCE0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或零偏。截止区iC接近零的区 域，相当iB=0的曲线的下 方。此时，发射结反偏， 集电结反偏。放大区iC平行于uCE 轴的区域，曲线基本平行 等距。 此时，发射结正 偏，集电结反偏，电压大 于0.7 V左右(硅管) 。输出特性曲线的分区截止区饱和区晶体的参数分为三大类:直流参数、交流参数、极限参数(1) 直流电流放大系数共射直流电流放大系数 1. 直流参数3.2.5 晶体管的主要参数输出特性曲线共基直流电流放大系数 集电结的反向饱和电流ICBOICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流。 穿透电流ICEOICEO是基极开路时集电极与发射极之间的穿透电流。 ICEO=（1+ ）ICBO(2) 极间反向电流3.2.5 晶体管的主要参数在共射接法输出特 性曲线上，通过垂直于 X 轴的直线求取iC/iB。在输出特性曲线上求2. 交流参数(1) 交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 3.2.5 晶体管的主要参数 共基极交流电流放大系数(2) 特征频率fT 由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的 值将 会下降。当 下降到 1 时所对应的频率称为特征频率，用 fT表示。当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。3.2.5 晶体管的主要参数(3) 共射截止频率f 低频时共发射极交流电流放大系数为0。下降到0/ 时 所对应的信号频率称为晶体管的共射截止频率，用f表示。(4) 共基截止频率f 低频时共基极交流电流放大系数为0。 下降到0/ 时 所对应的信号频率称为晶体管的共基截止频率，用f表示。特征频率、共射截止频率和共基截止频率三者之间大 致满足如下关系：3.2.5 晶体管的主要参数(1) 集电极最大允许电流 ICM3. 极限参数当集电极电流增加到一定程度， 就要下降，使 值明显 减小所对应的IC称为集电极最大允许电流ICM。(2) 集电极最大允许功率损耗PCMpC= iC×uCE ，PCM表示集电结上最大允许耗散功率。 3.2.5 晶体管的主要参数1.U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标 BR代表击穿之意，是Breakdown的字头，CB代表集电极和 基极，O代表第三个电极E开路。 2.U(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。3.U(BR)CEO基极开路集电极和发射极间的击穿电压。 U(BR)CBOU(BR)EBOU(BR)CEO对于U(BR)CER表示BE间接有电阻，U(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR) EBO(3) 反向击穿电压3.2.5 晶体管的主要参数由晶体管的极限参数PCM、ICM和U(BR)CEO确定了晶体管的过损耗区、过流区和击穿区。使用晶体管时，应避免 使其进入上述三个区域，保证晶体管工作在安全工作区。输出特性曲线的安全工作区3.2.5 晶体管的主要参数1. 温度对ICBO的的影响温度升高，半导体的本征激发增大，漂移电流增大，ICBO随 之增大。经验数据表明，温度每升高10， ICBO增加约一 倍。3.2.6 晶体管的温度特性2. 温度对输入特性曲线的影响当温度升高时，输入特性曲线左移， uBE减小，大约温度 每增加1，uBE的绝对值减小22.5mV。3. 温度对输出特性曲线的影响当温度升高时，晶体管的输出特性曲线上移且间距变大， 穿透电流 ICEO增加，增加， IC增加。国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管3.2.7 晶体管的型号及封装1. 晶体管的型号双极型晶体管的型号和主要参数3.2.7 晶体管的型号及封装小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装)2. 晶体管的封装3.2.7 晶体管的型号及封装小、中功率晶体管图片(塑封)3.2.7 晶体管的型号及封装大功率晶体管图片3.2.7 晶体管的型号及封装放大电路结构框图3.3.1 放大的概念3.3 放大的概念和放大电路的性能指标放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大。输出信号不能失真。放大的本质是能 量的控制与转换。1. 放大倍数(增益)输出信号在电压或电流的幅度上会得到放大，即输出 功率会有所放大。放大电路的增益包括电压增益、电流增益、互阻增益 、互导增益和功率增益。放大电路结构示意图3.3.2 放大电路的性能指标2. 输入电阻 Ri输入电阻的定义3.3.2 放大电路的性能指标输出电阻的定义此时，应将信号源源电压 短路，但保留信号源内阻 ，同时将负载 开路。在输出端加假想电源 ，求出 ，即可计算出 。3. 输出电阻Ro3.3.2 放大电路的性能指标求Ro的实验电路注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出 不失真的条件下才有意义。通过实验的方法求放大电路的输出电阻。先测试负载开路 时的输出电压 ，再测试负载电阻为RL时的输出电压 。 3.3.2 放大电路的性能指标放大电路在正弦输入信号的作用下，输出电压信号的谐 波成分总量与基波分量之比，即为非线性失真系数，其 表达式为4. 非线性失真系数式中 U1为基波分量有效值U2、U3为各次谐波分量的有效值5. 最大不失真输出幅度 放大电路的最大不失真输出幅度是指放大电路的输出信号 非线性失真系数不超过额定值时的输出信号最大值，一般 用 或 表示。3.3.2 放大电路的性能指标放大电路电压增益的幅频特性6. 通频带3.3.2 放大电路的性能指标3.4.1 共射基本放大电路的组成共射基本放大电路由一个共射接法的晶体管加相应的电阻、电容等元件和直流电源组成的。1. 共射放大电路的组成(a) (b)共射基本放大电路3.4 共射基本放大电路的组成及工作原理固定偏置共射组态基本放大 电路由以下几部分构成：固定偏置共射基本放大电路晶体管VT：放大的核心，起 能量控制和转换的作用；工 作在放大区。偏置电阻Rb ：为放大电路 提供合适的基极偏置电压 ，使发射结正偏，集电结 反偏。负载电阻Rc 、RL ：将变化的集电极电流转换为电压输出。耦合电容C1、 C2：“隔直通交”的作用。使输入交流信号无损 耗地加到基极，输出交流信号无损耗地输送到负载上。直流电源VCC：为电路提供合适的偏置电流和能量。3.4.1 共射基本放大电路的组成通过对晶体管共射基本放大电路组成的分析，可以得到晶体管基本放大电路的组成原则：(1) 晶体管工作在放大状态，建立合适的静态工作点，保证电路输出电压不失真。(2) 输入回路的设置应能够使输入信号有效地作用于晶体管的发射结。(3) 输出回路的设置应能够使输出信号有效地作用于负载上。2. 放大电路的组成原则3.4.1 共射基本放大电路的组成输入信号通过耦合电容加 在晶体管的发射结，经过 下列过程得到放大的电压 信号：晶体管放大作用 变化的 通过 转 变为变化的输出电压1. 放大原理共射放大电路3.4.2 共射基本放大电路的工作原理2. 放大电路中的电压波形放大电路的电压和电流信号3.4.2 共射基本放大电路的工作原理3. 静态和动态静态 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。3.4.2 共射基本放大电路的工作原理直流通路：直流量传递的路径。由晶体管、Rc、Rb、 Vcc构成。原则：耦合电容、旁路电容视为开路，信号源视为短路。 4. 直流通路和交流通路固定偏置共射放大电路的直流通路直流通路3.4.2 共射基本放大电路的工作原理交流通路:交流量传递的路径。由晶体管、Rc、RL和Rb构成。原则：直流电源、耦合电容和旁路电容相当于短路。交流通路固定偏置共射放大电路的交流通路3.4.2 共射基本放大电路的工作原理晶体管基本放大电路的分析包括静态分析和动态分析。分析放大电路时，必须根据先静态、后动态的原则。 放大电路的动态分析用放大电路