第二章：三极管的构成原理与电路放大功能

Chap2 三极管构成与放大电路三极管放大功能（直流,交流）用来制作放大器件，放大作用针对变化量（交流）而言。规定： 电压方向是以共同端（0点）为负端，其他各点为正端。电流的假定方向d ,i以流入电极为 cB 正， i 以流出电极为正。E2.1 晶体管构成与特性方程2.1 晶体管构成原理 三极管的放大作用是在不同极性的外加电压作用下,载流子的不同传输过程形成的.三极管分为NPN和PNP型.NPN型是有两个PN结的三层半导体制成中间P区很薄浓 度低,两边各有一个N区.从三个半导体区接出引线称为电极:发射极e,基极b,集电极c,对应半 导体区称为发射区,基区和集电区.发射区比集电区杂质浓度高,在某些电路中,两个区发挥的 作用可以互换.三极管构成：VEE七一 pn cbc pn + b 0eI处）,pnc集电结（基区与集电区交界处）.发射极电流I，在发射结正向压降作用下，传输到基极, 形成基极电流;接着在集电结反向电压作用下漂移到集电极，形成集电极电流i ;构成基极回路与集电极回路。三极管电流分配与放大原理2.1.1 NPN晶体管在直流电路的放大功能-偏置电路内部作用.发射区（起点）作用,向基区注入载流子,基区（中间传输）传送和控制载流子,集电 区（目标区）收集载流子,单向.双向:?外部条件：基P区空穴浓度低，发射N区向基P区注入（多子）电子,因此在发射结加上正 向电压v （V u，再使基P区的非平衡少子（非平衡多子?） 能传输到集电区，因此在集电结加反向电压 V （V G （4 V ,19 V） ,集电极接正极.CC CC三极管的电压极性关系:（U 0, U 0） o U U U ,发射结正偏，集电结反偏集电结bebce b c空间电荷区比发射结厚.当基极接地，发射区电流为输入电流，集电区为输出电流。 一共基极放大电路管内载流子传输过程: 发射 N 区向基区注入电子.发射结势垒减小,发射区多子不断通过发射结扩散到基区,形成 发射极电流I，方向与电子电流相反同时基区空穴也扩散到发射区.E 电子在基 P 区的扩散与复合.发射区电子在基区形成浓度梯度,电子向集电结扩散的过程 中与基区空穴复合,基区电源正端从基区拉走电子,好像不断供给空穴.电子复合数目与电源 拉走的电子数目相同,是基区空穴浓度基本维持不变.形成了基极电流 I ,基极电流是电子 在基区与空穴复合的电流若基区很厚浓度高，则I很大，从发射区到达集电区的电子数目B很少，因此基区几微米,杂质浓度低.电源在复合中的作用：P区空穴数量有限，电源使P区 的空穴源源不断地产生。IBnVEEn e cnn b pn & I = I + ICC c 口 4cb|p J c CBO cbn cbpcbp说明：ICBO受到温度影响很大，使管子不稳定，所以在制造过程中应减少ICBO。ICBO的产生CBOCBO CBO与发射结没有关系，所以发射极开路I = 0，集电结的反向饱和电流。E二电流分配关系与电流放大系数：I 二 I +1 二 I +1+ IEBPENBPCNBN I 二 I + I I= I 二 I + IBBPBNC BOEB CI 二 I + ICCN CBO说明：式中载流子来源是。在基区，发射结电流是扩散电流，集电结电流是漂移电流，所以式中用减号:T与CB0方向相同。BNBP共基极晶体管的功能，由发射区注入电子传输到集电区所占百分比决定，称为共基极电流放大系数a =丄 CN CBO (a g (0.9, 0.99)。IIIEEE三共射极直流放大电路两个结，一个正偏一个反偏，三个电极U U U。若基极接地，发射极接V电源C b e EE负极,集电极接电源正极.若发射极接地，基极接电源正极，集电极接电源正极，因此基极电 压可从集电极分压，称为共射极放大电路(但是若集电极接地，则发射极接电源负极，基极 接电源负极，基极可从发射极分压，不能称为共集极放大电路)。直流放大电路为放大变化 的小信号电路提供偏置电压，存在两个回路：集电极回路与基极回路(一个常量 U )。集BE电极回路e J pn J b J pn J c J R J V t e，V*正端通过电阻r接集电极,集电极ecCccC电 流 来 自 发 射 极 ， 所 以 不 能 用 线 性 公 式 得 到 ； 基 极 回 路(e) J V t (b) t pn t (e) & U - U ， VBB通过基极电阻R提供一个合适的基极电流BBeBEONBBbI - BB 匸斫，称为固定偏流电路，R称为基极偏置电阻。从I n I =B I。BRRbBCBbb共射极电路电流放大系数？卩-【BN + S 一 -BO n (1 +卩)I I 。I 称为穿透电I + IICBOCEO CEOCN CBOC流，物理意义：当基极开路时，集电极电源作用下集电极与发射极之间形成的电流。2.1.2 晶体管在交变电路的放大功能 在已构建的直流偏压电路放大微弱电信号。在发射极和基极之间回路(输入回路)加上 一个待放大输入信号V，使发射结外加电压V + AV，引起发射极电流的变化为AI。因 此外加电压的控制作用表现为发射极电流的变化量，使组成成分的集电极电流I发生相应C变化AI，使接在集电极上的负载电阻R产生一个变化的电压AV。CLo共基极放大电路的功能：输入交变信号使发射结电压微小变化，引起发射极与集电极电 流很大变化，使集电极负载电阻得到很大的电压变化量，输出电流是输入电流的一部分所以 它们的变化程度相同。发射结电压微小变化引起集电极电流很大变化。正向导通PN结外加 正向电压微小变化使正向电流变化很大。从负载电阻R取出的变化电压V虽时间变化规律和 V相同，幅度增大很多。增大的L o i倍数称为电压放大倍数： VA = oV V1 所以三极管实现微小电压放大，可归纳为两点：1 使输入电压的微小变化能够完全作用到发射结，使负载电阻电压产生很大的变化量。 受到发射结电压控制的发射极电流能通过基区传输，再到达集电极实现电压放大。为保证这 个传输过程，有两个条件：内部条件。发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，同时基区厚 度小。外部条件。发射结正偏，使发射极电流在发射结电压微小变化下有很大变化；集电 极反偏使非平衡少子能够漂移到集电极。2 电流分配关系是三极管构成确定的.连接方式决定输入电流和输出物理量的放大.共基 极接法中 V (pn ) t I (e) T I (c) T V (R ) i eeco L三晶体管放大物理量的三类连接方法 三个电极，一个作为信号输入端，一个作为输出端，一个作为输入输出回路共同端。根据共 同端的不同，可分为：共基极，共发射极和共集电极接法。1 共射极连接方法以发射极为共同端，以基极为输入端，集电极为输出端。 首先从基极输入端加入一个待放大的信号 V ，则有变化过程i I(b) V T (pn )V + V n (b) I + I n (e) I + I : I =ie BEiBBEEE _ a ，n (c)I + I : I = aAI n (R ) V = _ I RCCCELoC L2 共射极电路与共基极电路放大信号的物理本质 输入电流控制输出电流：共射极从基极输入变化的电压，使基极电流发生变化，以基极 电流 I 作为输入控制电流；共基极从发射极输入变化的电压，使发射极电流发生变化，以 发射极电流I作为输入控制电流。I作为输入控制电流的好处是信号源消耗的功率小。EB共射极研究集电极输出电流与基极输入电流的关系。共基极研究集电极输出电流与发射极输 入电流的关系。尽管接法不同但是物理本质相同，因此一 aII _ Ia n 卩二 二 cn 二 CBO-I)CBO1 _a I + I I + I 卩是共射极电流放大系数，集电极电流与基极电流的比值：I = a I + I B CC BOCECBO I n I = a (I + I ) + I nI = I +1 IC” C EBCI 二卩 I + (1 + 卩)In 2 CBCBOI = (1 + 卩)ICEOCBO结论：发射区每向基区供给一个复合用的载流子, 放大电路电流分配原则，有：n I 二卩I +ICBC EOI _ I一-c ce n 卩 uIB就向集电极供给卩个载流子。共射极I-(I I )I CC EOBI =卩 I +1CB CEOI =I +1(I 很小)ECBCEOI = (1 + 卩)IEB 共射极不仅电流放大，电压也放大。 输入电压增量的方向与输出电压增量的方向相反。共射极存在集电极电阻，共基极没有集电极电阻。四 三极管特性参数2.2 三极管放大电路设计,器件方程与模型放大电路的实现。确定放大的物理量直流偏压电路：发射结正偏，集电结反偏交流 电路的输入与输出，及电阻的连接。共基极 V = F (, A V , R )co EE CC ei L共射极输入回路：使输入信号变化量通过电阻变成IE的变化量。 输出回路：使 IC 的变化量2.3 三极管基本放大电路分析三类分析方法:直流与交流电路图方程分析 ,直流负载图解分析,交流小信号线性近似分 析.2.3.1 直流与交流电路图方程分析共射极单管放大电路电路图的分析.1 分解直流电路与交流电路直流电路:输入交流信号为 0，保留内阻；耦合电容断路.交流电路:电源短路(电源是不变的量),耦合电容短路.2得到直流静态工作点q BCE V VQQ = uCE(V 二 0.7) T (e) T V T (b); o : (e J )V T R T U T (e); BE BBC CCC E)Te(I )TV (Tb);BE E BBI 二-BBBE n I 二 p IBRCBCEB二 V I RC C C C(i : (b)R T pnBb(I ) T pn (u Bee(I ) T pn T b(I ?) T pn (u ) T c(I ) T R T V (T e)输入回路和输出回路的公共部分：t pn T b，对输入回路提供基极电流，对输出回路提供集电极电流通路。e设置静态工作点。放大电路的两个要求：不失真能够放大。3 交流放大信号 的方程ioA u T i T i T i T A u T Au i b e cRcRL先有i还是先有i。先有i但是i可以计算出来，所以通过i计算i。beebbe在交流通路， pn 结的交流特性。V = v + v，当v增加时,v变化很少，集电结反向偏压V随之增加.V的增加使集电结CECB BEC EBEC BC B空间电荷区宽度增加，致使基区有效宽度减小，在基区内载流子复合机会减少，使电流放大系 数p增加，则i不变，i随v增大,特性曲线向上倾斜.BCCE直线斜率很大，平坦直线略向上倾斜实用共射放大电路：从vcc引电源到基极。2.3.2 交流小信号线性近似分析若输入信号电压量很小,可把非线性的三极管用线性等效电路近似 .微变信号,变化量很微 小的信号推导等效电路：已知网络特性方程,按此方程画出等效电路(从方程);从网络及 代表的物理机构出发分析,再用电阻,电容,电感等沅江来模拟物理过程,得出等效电路(从实 物).一.半导体三极管混合参数及其等效电路输入量通过双口有源器件F得到输出量: 可用开路阻抗(z参数),1 i2 o短路导纳(Y参数)等方法研究双口有源器件.Hibrid参数是一种混合参数.1三极管H参数Av T (i R ?)AviC CCEf(b)AvT BEI(pn )iCC物理意义：f(pn )AvT eBE(pn , pn )Aiec C输 出 电 压 的 反 作 用基区宽度调制作用？)，三极管的微小信号工作点：q n q J BE1B CE ，C I i f (i , v )C2 B CE两边取微分：因为输入电流iB输入回路:v由两个电压(串联)相加构成：发射结动态电阻(pn )r ，BEe be产生的受控输入电流压源i r : dBr r (103Q)。输出回路对输入回路的内反馈系数(v作B be Q ibeCEB用在输入)，因为Av对Av产生的受控电压源v u :念苗 u (10-3 D 10-4)。(在模型中内反 CEBECE r QvrCE 馈没有反应出来,对数字电路的设计是否有影响?)输出回路:输出电流i由两个并联支路电流相加构成：三极管电流分配导致电流放大C倍数卩,卩产生的流(i )控流源(i ) i -卩i :色卩(102).集电结动态电阻(pn ) r，阻值很大.BC CB Q ic cbB因为Av对r产生的电流，用电导表示v丄：卫L 丄(10 - 5 s).CE cbC E rQ vrceC Ece输入输出构成两个独立的回路,混合参数等效简化电路见下: 应用条件:低频，负载电阻小，满足伴 0.1.图 1-3 混合参数等效简化电路r参数B,r 的确定：ber = r + (1 + 0 ) rbe b e2用H参数等效电路分析共射放大电路注意:微变等效电路中只有变化量，因此不变电压源认为交流短路，不变电流认定断路可以除去.放大电路的指标:电压放大倍数a，电流放大倍数a ,输入电阻R，输出电阻VI 0 RceHrIV0VIvA = F (v , r , 0 )=矿 Vce bevbe共射极放大电路的H参数等效电路分析：输入回路与输出回路方程：I： V ( (R ) (r )i【ibiB认 =R ) O: 0i (R R )LBcLv = r - i i be Bv = 0 i (RoB说明：在等效电路中作用是产生输入微变电流，因此不影响电压放大倍数，但是对输入电压从信号源的分量有限0i (R 口R )A B cLVr - ibe B0(R 口R )i与i方向相反。实际上是在电路不同压降方向。CBcLrbeR 输入偏置电阻bbe制。R是集电极电阻，使U能发生微小变化，产生电压放大作用若R不存在，空载时U不cece变，集电极电流有变化，但是对负载只有极小的电流放大作用.3 共射极放大电路输入电阻与输出电阻(微变信号)放大器所在工作电路，在输入回路应有信号源，在输出回路应有负载电阻或者连接下一级 放大器，放大电路不包括信号源与负载，这些器件不是固定的.输入回路与输出回路的相互作 用用不同器件表示，可以认为输入回路与输出回路没有物理器件的连接关系，只有受控电流或 电压的关系，等效电路见下图:ViVoRoI ? io cRi匚I ? ibi b k耳V ?BiboRL图 1-4 放大器输入电阻与输出电阻输入电阻R :输入回路中，放大器的输入电阻是信号源的负载,有内阻R的电压信号源v， R与R串联,在输入回路中,R以外所有电阻都是输入电阻,输入电压是v有损耗分压，输入is电阻的计算式 :ssRV =i Vi R + R ssiVR = ri Ii在计算时，因为求输入电阻与输入电压的关系，由输入电路结构决定，所以可用支路构成的方法求电流再求电阻I (V , R ) =i = R。R n V ，所以R越大，输入电压从i i i I ( V ， R ) i iii信号源分压越多。 输出电阻的计算方法与输入电阻完全不同。空载时输入回路可视为一个内阻为 R ，大 o小为V的电压源，下一级放大电路的可视为负载。放大器有负载时负载电压为：oV =L V 。R越小，放大器带动负载能力越强。求输出电压时,信号源短路保留内阻R ；o R + R o osLo输出负载断路(不属于放大器)，连接电源V代替V ，贝I：oVR 0 输出电阻是从负载的角度看的，所以输入电路有时也作为内阻 共射极放大电路输入电阻与输出电阻：从输入回路(V + R ) (R (r )可得,s sIi b Ib beV VV R rI 厂 + 厂 n R = b = R ri R ri I R + r b beb bei b be输出回路负载开路，增加电压V ；输入信号源短路，有(R R r ) I ( B I ) (R ) V )， s b be input outputb 0 c IVR 一oIVc+ 卩 I I n R RRcocc卩I 0c二共集极电路与共基极电路 区分放大电路的连接方法， 1 直流公共端 2 输入端与输出端。 静态工作点Q 的参数并不因为放大电路的连接方法变换。B CE0计算题1 静态工作点 Q 发射结动态电阻B CEbe 交流小信号等效电路的电压与电流放大倍数 1共集极电路，输入信号从基极输入，输出信号从发射极接出，因此不需要集电极电阻 而有发射极电阻。直流电路与交流电路意义有一定区分。电路：(R + V(V + R ) C b CCs s b1 I (U (pn ) + R ).BEee inputI R .输入偏置电压:V T R T Ue eCCb回 路的 共同部分 :.&.(V + U + (RoutputC CC E C (R ).输入回路与输出 b 1 LT R ,输出偏置电压： BEeb T e, e T cV t c T U t R b e, e T c n e T b, b TCCCEeIb T e, R (b T e)e直流输入回路；V - U，则U = V - (1+B)I - RI = CCBECECCB eB R + (1 + 卩)R berber + (1 +B ) UrbIE交流通路集电极接地。输入回路与输出回路有相同支路微变等效电路:(V + R ) (R ( (r ) +Ibbe( R )I e input eI 0 i +outputB(1+0)iB( R R ) .eLV (1 + 0 ) R RA = o =eLV V r + (1 + 0 )R R ibeeLR = R (r + (1 + 0)R )ibbee 1 0 (R R ) eLrbe输出电阻电路：(R R ) (r + (1+ 0 )R )Ibs bIbbee input(e)R + r + 0i = I ?e beB|output0i + ( R V )B I e Ie输入回路： Rs Rb + rbe + (1+ 0)re 错误的原因？V + (1 + 0 ) r = 0 e电压与电阻并联串联求电流的不同。CVVcVI=I+1 + 01 =+0Reb b Rr+(R R )r + (R R )ebesbbesbI1(0 +1)VR (r+ (R R)二+n=ebesbVRer + (R Rbesb)Ir + (Rbes R ) + (0 +1)RbeU 与U反相，U (R ), U (R )都与U同相。CEieci射随输出器： 输入输出有相同支路，输出电压变化量是输入电压变化量的一部分，所以电压放大倍数 小于 1 近于 1；输入电阻(包括发射极电阻)高，输出电阻(与输入电阻并联)低。 应用?2共基极放大电路 三极管,放大电路的输出电流和电阻?/输入电流I，输出电流/ .输入电压U ，输出电压U .ECEBCB输入电流：I ，输出电流 I输入回路与输出回路有交点：发射极。单向连通。从输出到输入不连通。因为 I 和 I 没有关系，所以 I 所在回路不在输入回路. b交流放大特性：U ( ( R ) +iie eIb(r ) (0 i + R )|beb c input outputR 0 i (+r )cbbeIR0RI R + I re e b be(1+ 0 )R + re ber+be -1+0cb c电流放大系数a= a 1,三极管本身输出电阻r比共射极的r为大?.Icbce2.4 图解分析 图解法可用来估算静态工作点，动态输入输出信号波形分析.一 划分放大器的线性与非线性部分的特性曲线 非线性部分:非线性器件在电路中发挥主要功能 ;线性部分:线性部分的作用决定非线性 元件的值 .输入回路中发射结电流随输入电压微小变化变化明显 ,所以决定发射极电流的值;U 由V 与I R决定.C EC CC CV , R2 BB bIV , RCC c 三极管的伏安特性曲线指三极管电压与电流之间的关系曲线,是三极管内部载流子运动 的外部表现. 二极管内只有一个 PN 结,三极管有发射结和集电结,对应输入特性曲线和输出 特性曲线.共发射极放大电路特性曲线:输入特性曲线:v为常数，输入回路发射结电压v与基极电流i之间的关系曲线,用函数C EBEB关系表示为:iB2=f (v ) I v =常数BECE-盂l iJ B祖 I e U7-sv 口 = I 口，集电结收集电子的能力加强，对应相同的发射结电压I .&. v = I ，特性CEccBEb曲线右移当v IV以后的特性曲线非常接近,有用的是曲线v IV，所以一般输入曲线只CE CE用画出v = 0V， 1V 两条曲线.输入特性曲线：i为常数，三极管输出回路（集电极回路）中,集电极与发射极之间的电压 v与集电极电流（输出电流）i之间的关系曲线，用函数表示为：C E Ci = f (v) I i =常数CCE BT = 25 o，0 i 100卩A时，输出特性曲线由一组曲线族构成，这里i取值用不连续表示方法 BBi = 0, 20, 40, 60,80，100 集电极反偏，当v很小时，基区非平衡少子,不能全部被吸引到集电极, 所以v变化很小，集电极电流i变化很大,特性曲线在这部分近似斜率很大的直线，i主要C EC C由i决定集电极电阻很小?？c当v超过某一数值后，非平衡少子都到达集电区,所以i随v变化很小,特性曲线近似 斜率很小的直线.在v大于零点几伏后，输出特性是一组间隔基本均匀，比较平坦的平行曲 CE线 i二卩i + I卩i .这一部分略向上倾斜，基区宽度调制效应v = v +v ，当v增加 时,vC变化很少集电结反向偏压v随之增加 v的增加使集电结空间电荷区宽度增加，致 使基区有效宽度减小,在基区内载流子复合机会减少，使电流放大系数B增加，则i不变，iBC 随 v 增大，特性曲线向上倾斜.直线斜率很大，平坦直线略向上倾斜BCCE共基极放大电路特性曲线:input : i = f (v ) I v =常数EEBCBoutput : i = f (v ) I i =常数CCB E输入电压怎样传输到 v ?EB二 估算静态工作点1 公式法估算共射极电路静态工作点确定直流通路 I Vcc = I = B I + I = U = V - I R B RCB CEOCECC C Cb2 图解法估算共射极电路静态工作点 非线性部分的伏安特性由器件决定,所以输入特性曲线是发射结伏安特性曲线,三极管偏 流由V和R决定，根据I确定输入特性曲线的Q点，在输出的特性曲线平面上，有：BBbBI = V -R n i = f (v ) I i = I 再确定v，线性方程v = V - B R是一条直线，从中选择(i B= 0, v = 0).直线的斜率一 1R , 由集电极电阻R确定.在空载时，这条直线称为放大器的直流负载线：Cc由电路线性与非线性连部分伏安特性交点确定静态工作点 Q.| i n i | n vinput BC outputCE在输出特性曲线上，(未完待续)(有错误与疏漏或评论请用电子邮件到 success42)