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正,2.1三极管放大功能（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，,以流入电极为 i以流出电极为正。E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：T = (e r pn J b T pn J c) n eT pn + b 0eIbeInT VEEIn T pn IT c u 0c式中:e发射极（发射N区）,b基极（基P区）,c集电极（集电N 区）,pn发射结（发射区与基区交界 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.二极管的电压极性关系:（U 0, U 0）。U U U ，发射结正偏，集电结反偏集电结 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. 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 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。n e VEEV pnc 集电区收集扩散过来的电子.集电结反向电压，势垒增加，使集电区电子和基区空穴很难通 过集电结,然而越过基区扩散到集电结边缘的电子受到势垒的很强吸引力，漂移过集电结为 集电区所收集，形成集电极电流/ .基区电子是非平衡的，却能形成集电极电流。并且不是 依靠扩散而是完全被电场控制。集电结反向偏置产生基P区电子与集电N区空穴漂移电流:-,伽c n,目:伽c &气疽、+七cbp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 与发射结没有关系，所以发射极开路/ =0，集电结的反向饱和电流。二. 电流分配关系与电流放大系数：EI = I + I = I + I + IE BP EN BP CN BN I = I + I - IA I = I + IBBPBNCBOE B CI = I + I1 CCNCBO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，E广与CBO方向相同。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，a称为共 基极电流放大系数a = & = IC 1 CBO 上(a (0.9, 0.99)。IEIEIE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C U U。若基极接地发射极接Vee电源 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 )。集电极回路e 一 pn 一 b 一 pn 一 c 一 R 一口 V 口 一 e，匕C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 口 VBB 0 T (b pne T (e )&九=U，VBB通过基极电阻气提供一个合适的基极电流I = UbB Uk UBB，称为固定偏流电路，R称为基极偏置电阻。从I n I = P I。bRRbB CB共射极电路电流放大系数？ p =、+ bp 一 cbo x。n (1 +p)I 口 I 。称为穿透电I + IICBO CEO CEO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 + V，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。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 倍数称为电压放大倍数：A =当V A Vi 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 a V (pn ) AI (e) AI (c) A 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aV，则有变化过程： I(b) V (pn )V + V n (b) I + I n (e) I + I : I =ie BEiB BE E E a ，n (c)I + I : I = aAI n (R ) V = I RCC CEL oC 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。 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a n P = cn = cbo a1 a I +1 I +1p是共射极电流放大系数，集电极电流与塞极电流的比值：+ (i +1)+1 J b + IC J CB CC BOaI = () +C 1a BaP 1aI)CBOI Ico nPaI ceo n p (I 口 I .)BB就向集电极供给p个载流子。共射极IC = P IB + (1+ P) ICBOni L=(1 +p) L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：We. + ICEO IE = I + IB(ICOO 很小)I = (1 + P ) 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 a V = F (, A V , R )共射极COEE CC ei 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 I = bBb n I = PIQ = B RC BUCE = L- IcRc(V = 0.7) T (e) T V T (b); o : (e J )VT R T U T (e);)T e (I ) T V (T b);BE(i : (b) R T pnb (I ) T pn (Ue (I) T pn Tb (I?) T pn(U) Tc (I) T R T V(Te)输入回路和输出回路的公共部分:匕t pn CT 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A u T i T i T i T A u T A uibecRcRl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CE CB BECEBECBCB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，则七不变，i随L增大,特性曲线向上倾斜.直线斜率很关，平坦直线略向上倾斜实用共射放大电路：从，cRI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: i , u .可用开路阻抗(Z参数),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f(pn )Av e BE(pn , pn )Ai输出电压的反作用Av (i R ?)Av fAVbe (基区宽度调制作用？)，三极管的微小信号工作点: ， C C ce(pn )i/f vBE = f 4 , %),两边取微分:q BE 1 B CE ， i”】vuja/j：BE C i f (i , v )I C 2 B CEd vd vdv - k di + be dvBCEdi =di + -dvC d i Bd v . CE物理意义：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，因为输入电流iBEe beB产生的受控输入电流压源i r :寿口 r (103Q)。输出回路对输入回路的内反馈系数(v作弛E 口 u (10 -3 口 10 -4)。(在模型中内反CEB be Q ibeCE用在输入)，因为Av对Av产生的受控电压源v uCEBECE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ic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 倍数P , P产生的流(i )控流源(i )i =P i : J o P (102).集电结动态电阻(pn )r ,阻值很大.BC C B Q ic cbB因为Av对r产生的电流，用电导表示v : 0 (10 - 5 S).CE cbCE r Q v r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：图1-3混合参数等效简化电路应用条件:低频，负载电阻小，满足与 0.1.r.rp参数 p, r 的确定：r = r + (1 + P ) r2.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R .VIIOA = F (v , r , P ) = O = 可Vce beV Vr共射极放大电路的H参数等效电路分析：be 1 be输入回路与输出回路方程：七=L七v =-Pi （RI： v 口（ （ R ） 口 （ r ）i I bi.be 口 RQ O: - P 七 （R 口 R.）-PiB（R 口 R.） _ P （R 口 Rbe LJ说明：在等效电路中，i与i方向相反。实际上是在电路不同压降方向。R输入偏置电阻，C Bb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制。R是集电极电阻，使七能发生微小变化，产生电压放大作用.若R不存在，空载时七不 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.C3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：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,输入电压是有损耗分压，输入isss电阻的计算式：RV = i-VR + R ss iR = %， I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 )=1 = R。R 口 A V 口，所以R越大，输入电压从，i i I (V ,R )， i ii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，大信号源分压越多。，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:V -T-V OR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 ； 。R + R 。输出负载断路（不属于放大器），连接电源V代替 ”，则:VR 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 s1 b I beI 厂 + n R r b R r，R r ， I R + r b be输出回路负载开路，增加电压J ；输入信号源短路，有(R R r ) I ( P I ) (R ) V )，$ b be input outputb 0c IVR =一o IV n 一+ P I = I n R = RcP I - 0 C.共集极电路与共基极电路1直流公共端2输入端与输出端。的参数并不因为放大电路的连接方法变换。区分放大电路的连接方法，静态工作点Q 0计算题1 静态工作点Q 发射结动态电阻r 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：& output(VCC + UCE + (R(V + R ) C b CC$b1 I (U (pn ) + R )BEee、ut回路的共同部分：I r 输入偏置电压：V. - Rh - U cbi（ Rt）.输入回路与输出 R ,输出偏置电压：b T e, e T cV t c T U T R b e, e T c n e T b, b T I b T e, R (b T e) i e直流输入回路；IBV I - R + U + (1 +P ) I - R = 0 nV U，贝0 U= V (1+P) I - RR + (1 + P ) Rbe r = r + (1 +P ) 4E输入回路与输出回路有相同支路微变等效电路:(V + R ) 0 (R/( (r ) + (R )I be I e input output P + be(1+p) iB(R 0 R ).输出电阻电路：Ib(e)Re输入回路：Rs 0 R + rbeV + (1 + P ) r = 0A =匕=(1 + P 巴 口 RlV V r + (1 + P ) R 0 RR = R 0 (r + (1 + P ) R )0 V 0 Ib ( e 顼 +P)R ) + r + P i = I ?+ (1 +P ) 1错误的原因？e input？output0 V)交流通路集电极接地。输入电流:交流放大特性:IbUoUiUiIe=r 0 Rcbc cI R + I re e b beI R + I reeb_b = RIe=RcP Rc(1 + P ) R + rr+ be1+PI:I=IRe1cV+ Ib+ P Ib = Re(P +1)V+rbe + 弋V+0 R )R (rP Vr + (R 0 R )+ (R 0 R )VRe+r + (R Rn=e besb) I 气 + (R R) + (P + 1)RU 与U反相，U (R ), U (R )都与U同相。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Ib和I没有关系，所以I所在回路不在输入回路.(r ) 0 (P i + R ) I R 0 P i (+ r )bebc input output cb be电流放大系数a-c W 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.七，气匕c顼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Z之间的关系曲线,用函数一CEBEB关系表示为：iB = f ( vbe ) I Vce =常数 1V以后的特性曲线非常接近,有用的是曲线V 1V，所以一般输入曲线只 用画出V = 0V， 1V ）两条曲线.（2）输入臀性曲线：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 Vce与集电极电流（孺出电流）七之间的关系曲线，用函数表示为：ic = f (Vce ) I 七=常数T = 25。，0 i 100 R 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i = 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 由i决定.集电极电阻很小?？ CCC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、 -一一线.i =P i + I 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变化很零，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P增加，则i不变，i 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B CC共基极放大电路特性曲线：input : i = f ( v . ) I v =常数output : i = f (v ) I i =常数输入电压怎样传输到V ?二 估算静态工作点 EB1公式法估算共射极电路静态工作点确定直流通路.I VCC = I =。I + I = u = V - I RB RCB CEOCE CC C C2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：I = V R n i = f (V ) I i = I再确定v，线性方程v = V- i R是一条直线，从中选择(i= 0, v = 0).直线的斜率-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缱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 i nil 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)