第三章双极型晶体管及 其基本放大电路 郭圆月 2014 年 10 月 9 日
本章主要内容 3.1 双极型晶体管 3.2 JT 基本放大电路直流分析方法 3.3 JT 基本放大电路交流分析方法 3.4 三种组态放大器的中频特性 3.5 单级共发放大器的频率特性 3.6 多级放大电路 2
3.1 双极型晶体管 1. 结构与功能 2. 放大工作原理 3. bers-moll 数学模型 4. 静态工作伏安特性曲线 5. 主要参数 3
一 晶体管的结构 双极型晶体管 (JT): 又称半导体三极管 晶体三极管 为什么有孔? 小功率管 中功率管 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 大功率管 三极管有两种类型 :NPN 型和 PNP 型 4
(1) 三极管结构 NPN 型 集电极 c 三个区 三个极 两个 PN 结 集电区 基极 b N P N 集电结基区发射结发射区 b 符号 c e 发射极 e 5
(2) 三极管结构 PNP 型 集电极 c 三个区 三个极 两个 PN 结 基极 b NP 集电区集电结 c N N 基区 b P 发射极 e 发射结 发射区 (b)pnp 型 e 符号 6
二 晶体管的电流放大原理 以 NPN 型三极管为例讨论 b N P N c e 表面看 b 不具备放大作用 7 c e 三极管若实现 放大, 必须从三 极管内部结构和 外部所加电源的 极性来保证
(1) 三极管放大条件 多子浓度很低, 且很薄 c 面积大 内部结构 : 1. 发射区高掺杂 b N P N 2. 基区做得很薄 几微米到几十微米, 且掺杂较少 3. 集电结面积大 外部条件 : 多子浓度高 e u u U ( 发射结正偏 ) on 0, 即 u u ( 集电结反偏 ) 8
(2) 实验 : 三极管放大工作原理 (1) 放大电路 c i + b + u e - - u i U U 表 1-1 电流单位 :ma i i 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 i <0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 i <0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 放大约 39 放大约 40 结论 : 基极 i 控制集电极电流 i 和发射极电流 i 的作用 9
(3) 晶体管内部载流子的运动 R b b c R c 1. 发射结加正向电压, 扩散运动形成发射极电流 发射区的电子越过发射结扩散到基区, 基区的空穴扩散到发射区 形成发射极电流 ( 基区多子数目较少, 空穴电流可忽略 ) 2. 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流 e 电子到达基区, 少数与空穴复合形成基 极电流 bn, 复合掉的空穴由 V 补充 多数电子在基区继续扩散, 到达集电结的一侧 10
(3) 晶体管内部载流子的运动 3. 集电结加反向电压, 漂移运动形 O R c b c e R b 成集电极电流 c 集电结反偏, 有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流 cn 其能量来自外接电源 V 另外, 集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流, 用 O 表示 11
(3) 晶体管的电流分配关系 = n + p = n + n + p = n + O O 称反向饱和电流 O c n R c = n + p - O = + R b b n 扩散运动形成发射极电流 复合运动形成基极电流 漂移运动形成集电极电流 e e n p 图晶体管内部载流子的运动与外部电流
3 共基直流电流放大系数 消去 n n (3) 晶体管的共基电流放大系数 n (1 ) O 表示发射区多子能够 到达集电区的比例! (1 ) O n O O + 1 1 O O 令 ( 1+ ) O = O 1 O 称穿透电流 = 分配给集电极的 O O 很小, 可忽略 ; 电流与分配基极 = 电流之比! 13
(4) 放大工作原理 基极电流 线性控制! 对集电极电流 电流控制 电流器件 放大原理 : 实现小电流输入控制大电流输出 ; 换个角度看, 利用发射极正偏电压亦可实现对集电极电流的 控制, 注意, 此时是一种非线性控制, 一般不予关注! 仅当晶体管处于放大状态时, 上述关系式才成立! 一般偏置条件下, 三极管的各种不同状态如何分析? 14 通用模型?
三. bers-moll 数学模型 基本思路 : 将发射结和集电结视作两个背靠背的 PN 结二极管. 受控电流源 : 表达两者之间的相互影响! R R F F bers-moll 方程 F R f V, V f V, V V V 受控电流 : 反映了穿透基区的多子形成的电流!
(1) 数学模型 R R F F F V bers Moll方程 : R V V 1 1 VT V VT S e RS e S e F S e V 1 1 VT V VT V 和 V 可正可负, 描述所有工作状态! 二极管数学方程 : V V T F S e 1 V VT R S e 1 节点电流方程 : F RR R F F 注意差别 反向饱和电流 短路 短路 16
(2) 晶体管的工作状态 (1) 放大状态 : 发射结正向偏置, 集电结反向偏置 ; V 0, V 0 R =- S, 忽略反向饱和电流 ; 发射结近似为正向偏置的 PN 结二极管, 而集电极电流 受发射极电流的线性控制 ; F RS F F F S F F S 与开路反向饱和电流的关系? 17
(2) 晶体管的工作状态 (2) 饱和状态 : 发射结正向偏置, 集电结正向偏置 ; V 0, V 0 该方程无法进行线性简化, 仍为非线性方程, 近似为 : V VT V Se RSe e e V V V V S F S V T T T 指数式上升! (3) 截止状态 : 发射结反向偏置, 集电结反向偏置 ; V 0, V 0 0 S S 截止状态的晶体管, 发射极和集电极相当于开路 ; S RS 0 S F S 0 18
(2) 晶体管的工作状态 (4) 反向运用状态 : 发射结反偏, 集电结正偏 ; V 0, V 0 反向运用状态禁用, 因为发射极与集电极并不对称, 不能 互换, 且发射结承受功率较小, 反向运用很容易损坏管子 ; 反向运用 V 饱和态 主要工作方式 : 线性放大工作状态, 线性放大交流小信号 ; 截止态 0 V 饱和态和截止态更多应用于非线性 放大态 及数字电路中 ; 19
(3) 三极管工作模式的判别 三种工作状态判别 : 放大 截止 饱和 截止时, =0, 容易判别 饱和的主要特点 :, 一般 实际计算 : (1) 先假定工作在放大区, 求静态工作 Q 点的参量 ; (2) 若得出矛盾, 则表示工作在饱和区, 再用饱和压降估算工作点 ; (3) 若不矛盾, 则工作在线性放大区 ; 20
举例 例 : 已知 : 100, 线性区 V 0. 7V, 饱和时 V 0. 7V, V 0. 3V 求: 静态工作点 Q Q 解 : 先假定三极管工作于线性区 而 Q 6 0.7 3.3 V 6( V) 6 0.7 3.3 V V 1.6( ma) V 10 4.71.6 2.48( V) 得到矛盾, 应工作于饱和区 1.6( ma), 不变 V 5.3 0.3 5.6( V) Q 10 5.6 4.7 0.94( ma) Q Q Q 0.66( ma) 21
思考 本例中为什么出现 V >0 而集电极电流 的方向却从 极流向 极? F R R FF 22
思考 考虑 R 怎样变化,JT 可以工作于放大状态? 应使集电结反偏, 即 : V V 6V 10 6 于是 : Vmin 6V max 0.85( ma) 4.7 0.85( ma) max max V V 0.7 R min = 6.2k max min max 要求 R R 6.2k, 以保证三极管处于放大状态 23
上节回顾 : 三极管结构 放大原理与模型 三极管结构 电流分配原理 二极管数学模型 重要公式 三态 1 放大态 2 饱和态 判定方法? 3 截止态 伏安特性曲线 与典型参数
四. 三极管静态伏安特性曲线 * 静态 : 三极管只加直流, 不加交流 ; 伏安特性曲线 : 晶体管输入和输出极电压和电流的关系曲线 ; 针对不同组态 : 以晶体管任意一个电极作为公共端, 即可形成一种输入 输出双端口电路网络形式, 称之为组态 ; 定义电流方向为三极管线性放大状态时的电流方向 ; 以公共端为参考点, 输入 输出端电压上正下负 ;
(1) 晶体管三种组态 共发组态 : 共集组态 V V 输入端口 : 基极与发射极构成 输出端口 : 集电极与发射极构成 V 0, V V V V V 0, V V 共基组态 V V V 0, V 0 26
(2) 共发组态输入端伏安特性 V V V 0 V 1V 右移 0 V 伏安特性曲线输出端口电压对输入电流的影响较小 ;
(2) 共发组态输出端伏安特性 V V
(2) 共发组态输出端伏安特性 1) 2) V V 3) 饱和工作区 放大工作区 O 2 1 1 0 0 0 截止区 V 输出伏安特性曲线 29
bers Moll方程 : (3) 共基组态输入伏安特性 -V 1 1 VT V VT S e RS e F S e S e -V 1 1 VT V VT V V V e V T 0 二极管电流方程 V 1V 左移 V 输入伏安特性曲线族! 0 当 V >1V 时, 近似重合为一条曲线 ; 输入端伏安特性 V
(3) 共基组态输出端伏安特性 V V -V 1 1 VT V VT S e RS e F S e S e -V 1 1 VT V VT -V VT 消去 S e 1 输出伏安特性曲线 31
(3) 共基组态输出端伏安特性 三种工作区的分割条件 (1) 放大区 : V 0 0 (2) 饱和区 : V 线性放大区 0 0 非线性饱和区 (3) 截止区 : V 0 时, =0 V 0 饱和工作区 放大工作区 O 截止区 2 1 1 0 0 V 截止区 32
(3) 厄利效应 实际上,V 增大将导致 集电结空间电荷区的宽度 增大, 从而减小了基区宽 度, 致使通过基区的扩散 V A 基区宽度调制效应 V 电流增大, 即集电极电流 随着 V 增大而增加, 厄利 (arly) 电压 V A 斜线反向延长到零电流时, 交于负电压轴上一点 V A, 该点 电压称为厄利电压,V A 典型值在 50~300V 33
五. 主要参数 (1) 电流放大系数 (2) 反向饱和电流 (3) 极限参数 (4) 频率参数 (5) 结电容与体电阻 34
(1) 直流电流放大系数 共基直流电流放大系数 Q,0.9 1 Q Q Q Q 共发直流电流放大系数 Q Q Q Q Q V V Q V
(1) 交流电流放大系数 共发交流电流放大系数 β Q Q Q Q i i c b 共基交流电流放大系数 α ic Q,0.9 1 i e V Q V 交流状态下, 两者仍满足关系 36
(2) 反向开路饱和电流 集电极 - 基极反向开路饱和电流 O O O 对温度较敏感, 该值越小, 说明 V 0 晶体管的温度特性越好 集电极 - 发射极反向开路饱和电流 O----- 穿透电流 此电流值越小, 说明晶体管的性能越好 1 O 1 1 0 1 1 1 O O O 37 O V 0
(2) 反向短路饱和电流 集电极反向短路饱和电流 S V 发射极反向短路饱和电流 S V S 与 O 的关系 38
(3) 极限参数 晶体管能够正常使用时最大的电压, 电流和功率值 1 耗散功率 : 集电极最大允许耗散功率 ; P M 2 集电极最大电流 M M P M 3 最大反向电压 集电极 - 发射极反向击穿电压 P V M 用 V O 或 V O 表示 ; 包括集电极 - 基极和发射极 - 基极反向击穿电压 ; V O V 39
(3) 极限参数 集电极 - 基极反向击穿电压 该电压是指当晶体管发射极开路时, 其集电极与基极之间的最大允许反向电压, 用 V O 或 V O 表示 发射极 - 基极反向击穿电压 该电压是指当晶体管的集电极开路时, 其发射极与基极与之间的最大允许反向电压, 用 V O 或 V O 表示 40
(4) 频率参数 频率特性 :α β 是高频率 ω 的复函数, 相对于 有相移 : 低频时共基 共发电流放大倍数 ;, 0 0 : 共基 共发截止频率 ; 1 0.7 0 0 0 ( ) 41
(4) 频率参数 特征频率 ω T: β 值降为 1 时晶体管的工作频率, 反映了管子的电流放大 能力及频率特性, 衡量 管子品质的重要参数 通常 ω T 大小, 分为低频管 中频 管和高频管 20lg j 从波特图上看, 与横轴的交点频 率即是特征频率 ω T 0 T 42 lg
(5) 结电容与体电阻 结电容 : 扩散电容 e 和势垒电容 c 基区体电阻 r b 用于衡量基区宽度 掺杂浓度对基极交流电流的影响, 记为 r b, 一般在百欧量级 放大状态时的发射结电阻 r e 发射结正偏时的交流阻抗, 记为 r e, 一般在百欧量级 放大状态时的集电结电阻 r c 集电结反偏时的交流阻抗, 记为 r c, 一般在兆欧量级 43
讨论二 P i M u u =1V 时的 i 就是 M 2.7 i i U U (R)O 由图示特性求出 P M M U (R)O β
习题一 2. 已知两只晶体管的电流放大系数 β 分别为 50 和 100, 现测得放 大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示 分别求另一电极 的电流, 标出其实际方向, 并在圆圈中画出管子 45
习题二 1 某晶体管的输出特性曲线如图下图所示, 其集电极最大耗散功 率 P M =200mW, 试根据输出特性曲线画出它的过损耗区
习题三 3. 有两只晶体管, 一只的 β=200, O =200μA; 另一只的 β= 100, O =10 μa, 其它参数大致相同 你认为应选用哪只管子? 为什么?