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1、第第7章章 晶体管及其放大电路晶体管及其放大电路 本章主要内容：本章主要内容：7.1 晶体管晶体管 7.2 放大电路的直流偏置放大电路的直流偏置7.3 共射极放大电路共射极放大电路7.4 共集电极和共基极放大电路共集电极和共基极放大电路 7.5组合放大电路组合放大电路 7.6放大电路的频率响应放大电路的频率响应7.1 晶体管晶体管本节主要内容：本节主要内容：7.1.1 晶体管的结构晶体管的结构7.1.2 晶体管的工作原理晶体管的工作原理7.1.3 晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性7.1.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数7.1.5 温度对晶体管特性和参数的影响温度对晶体管特性和参数的影响 7
2、.1.1 晶体管的结构晶体管的结构 发射结发射结 集电结集电结 发射区发射区 N P N 基区基区 集电区集电区 c 集电集电极极 e 发射发射极极 b 基极基极 b （a）内部内部结构结构 （b）结构示意图结构示意图 （c）电路符号电路符号 集电区集电区 发射区发射区 基区基区 c e 1、NPN型晶体管的结构和电路符号型晶体管的结构和电路符号（c）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。2、PNP型晶体管的结构和电路符号型晶体管的结构和电路符号 3、常见晶体管的封装外形如图所示：、常见晶体管的封装外形如图所示：发射结发射结 集电结集电结 发射区发射区 N
3、P P 基区基区 集电区集电区 c集电集电极极 e发射发射极极 b基极基极（a）结构结构示意图示意图 （b）电路符号电路符号 b c e 7.1.2 晶体管的工作原理晶体管的工作原理 内部条件：内部条件：发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区；集电区面积很大，掺杂浓度远低于发射区。通过制造工艺保证内部条件的面积很大，掺杂浓度远低于发射区。通过制造工艺保证内部条件的实现。实现。外部条件：外部条件：发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置）。通过电路设计保证外部条件的实现。（反向偏置）。
4、通过电路设计保证外部条件的实现。1.载流子的传输过程载流子的传输过程（1）发射区向基区注入载流子）发射区向基区注入载流子 由于发射结正向偏置，发射由于发射结正向偏置，发射区的电子源源不断地注入基区，区的电子源源不断地注入基区，基区的空穴也要注入发射区，基区的空穴也要注入发射区，二者共同形成发射极电流二者共同形成发射极电流IE。由于基区掺杂浓度比发射区小由于基区掺杂浓度比发射区小23个数量级，个数量级，基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计 c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB+_ vCE+
5、_ vBE（2）载流子在基区中的扩散与复合）载流子在基区中的扩散与复合 电子不断地向集电结方向扩散，电子不断地向集电结方向扩散，扩散过程中少量电子与空穴复合，扩散过程中少量电子与空穴复合，形成基极电流的一部分形成基极电流的一部分IBN。由于基区宽度很窄，且掺杂浓度由于基区宽度很窄，且掺杂浓度很低，从而大大地减小了电子与很低，从而大大地减小了电子与空穴复合的机会，使注入基区的空穴复合的机会，使注入基区的95以上的电子都能到达集电结，以上的电子都能到达集电结，它们将形成集电极电流的一部分它们将形成集电极电流的一部分ICN。所以所以 c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP
6、ICN ICBO IBN IE IC IB+_ vCE+_ vBE（3）集电区收集载流子）集电区收集载流子 集电结外加反向电压，基区中扩散集电结外加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的电子，受电场的作到集电结边缘的电子，受电场的作用，漂移越过集电结形成集电极电用，漂移越过集电结形成集电极电流的一部分流的一部分ICN。另一方面，集电结两边的少数载流另一方面，集电结两边的少数载流子漂移形成反向饱和电流，记为子漂移形成反向饱和电流，记为I ICBOCBO。通常，。通常，I ICBOCBOIICNCN。显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为
7、双极结型三极管（极管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称晶体管。），简称晶体管。由基尔霍夫电流定律由基尔霍夫电流定律:c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB+_ vCE+_ vBE 2.电流控制作用电流控制作用 定义定义ICN与与IE之比为晶体管的共基极直流电流放大系数之比为晶体管的共基极直流电流放大系数 ，即，即得得 值越大，值越大，发发射极射极电电流流对对集集电电极极电电流的控制能力越流的控制能力越强强。则则 得得令令为为共射极直流共射极直流电电流放大系数流放大系数 即即共基极交流放大
8、系数共基极交流放大系数 近似等于近似等于共基极直流共基极直流电电流放大系数流放大系数定义集电极电流变化量定义集电极电流变化量IC与基极电流变化量与基极电流变化量IB之比为共射极交流之比为共射极交流放大系数放大系数，即，即 7.1.3 7.1.3 晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 1.输入特性曲线输入特性曲线 输入特性曲线描述了在集射电压输入特性曲线描述了在集射电压vCE一定的情况下，基极电流一定的情况下，基极电流iB与基射电压与基射电压vBE之间的函数关系之间的函数关系,即即 小功率硅管的小功率硅管的门坎电压门坎电压vth约为约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.1V。小功率硅管的小功率硅管的导
9、通压降导通压降Von约为约为0.60.8V，一般，一般取取0.7V；小功率锗管约为；小功率锗管约为0.20.3V，一般取，一般取0.2V。2.输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线描述了在基极电流输出特性曲线描述了在基极电流iB一定的情况下，集电极电流一定的情况下，集电极电流iC与集射电压与集射电压vCE之间的函数关系之间的函数关系,即即 在输出特性曲线上可划分为三个工在输出特性曲线上可划分为三个工作区：作区：放大区、饱和区和截止区。放大区、饱和区和截止区。(1)放大区放大区（Active region）放大区的特点是：放大区的特点是：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏；iCiB，体
10、现了晶体管的放大，体现了晶体管的放大作用（电流控制作用），曲线的间作用（电流控制作用），曲线的间隔越大，隔越大，值越大；值越大；iC 随随vCE增加很小，呈恒流特性。增加很小，呈恒流特性。(2)饱和区饱和区（Saturation region）饱和区内的饱和区内的vCE称为称为饱和压降，小饱和压降，小功率硅管的饱和压降典型值为功率硅管的饱和压降典型值为0.3V，锗管为，锗管为0.1V。饱和区的特点：饱和区的特点：发射结和集电结均为正偏置；发射结和集电结均为正偏置；iC不受不受iB控制，而近似随控制，而近似随vCE线线性增长。由于性增长。由于vCE小、而小、而iC大，故大，故ce（集电极和发射极
11、）之间等效（集电极和发射极）之间等效为开关的导通，或等效为一个小为开关的导通，或等效为一个小电阻，称为导通电阻。电阻，称为导通电阻。(3)截止区截止区(Cutoff region)特点：特点：发射结和集电结都是反向偏置；发射结和集电结都是反向偏置；iC=ICEO0，故，故ce之间等之间等效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。7.1.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数1.电流放大系数电流放大系数（Current amplification factor）2.极间反向电流极间反向电流极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管
12、的温度特性。极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。（1）集电结反向饱和电流）集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时，集电极和基极之间：发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。的反向饱和电流。（2）穿透电流）穿透电流ICEO：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，ICEO=(1+)ICBO。3.极限参数极限参数（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM ICM是指当是指当下降到正常下降到正常值的值的2/3时时所对应的所对应的IC值。当值。当IC超过超过ICM时，时，晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。晶体管
13、的放大性能下降，但不一定损坏。（2）反向击穿电压（）反向击穿电压（Reverse breakdown voltage）发射结反向击穿电压发射结反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时，集电极开路时，发射极与基极之间允许施加的最发射极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。集电结反向击穿电压集电结反向击穿电压V(BR)CBO：发射极开路时发射极开路时，集电极与基极之间允许施加的最，集电极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。（3）集电极最大允许耗散功率）集电极最
14、大允许耗散功率PCMPC=iC vCE当当PCfH时，是频率响应的高频区，共射极放大电路的全频响应波特图:由图看出，放大电路在中频区增益最大。5增益带宽积增益带宽积对于大多数放大电路，fH fL，故通频带宽BW为增大通频带宽必须减小提高增益必须增大 ，增益和带宽2者对 的要求互相抵住，不可兼得，只能根据实际要求进行折中。*7.6.4 共集电极放大电路的频率响应共集电极放大电路的频率响应(略略)由于受密勒效应的影响，共射极放大电路的通频带宽较窄。由于受密勒效应的影响，共射极放大电路的通频带宽较窄。为了增加带宽，就必须减小或消除密勒效应。为了增加带宽，就必须减小或消除密勒效应。共集电极放大电路和共
15、基极放大电路能满足这样的要求。共集电极放大电路和共基极放大电路能满足这样的要求。由于由于通频带宽主要取决于上限频率通频带宽主要取决于上限频率，所以在共集电极放大电路和，所以在共集电极放大电路和共基极放大电路的频率分析中，共基极放大电路的频率分析中，只介绍高频响应只介绍高频响应。共集放大电路共集放大电路 共集放大电路的高频小信号等效电路共集放大电路的高频小信号等效电路*7.6.5 共基极放大电路的频率响应共基极放大电路的频率响应(略略)高频小信号等效电路:由于rbb很小，并且在很宽的频率范围内 、比 小的多，故rbb上的电压近似为0，节点b交流接地。简化高频小信号等效电路 以下为补充内容：以下为
16、补充内容：通常通常简单判断简单判断反馈类型：反馈类型：一、三极管（场效应管）：一、三极管（场效应管）：1.电压反馈：反馈与输出在同一极；电压反馈：反馈与输出在同一极；电流反馈：反馈与输出不在同一极；电流反馈：反馈与输出不在同一极；2.串连反馈：串连反馈：反馈与输入不在同一极；反馈与输入不在同一极；并联反馈：并联反馈：反馈与输入在同一极；反馈与输入在同一极；3.正负反馈：瞬时极性法正负反馈：瞬时极性法二、运算放大器：二、运算放大器：1.电压反馈：反馈与输出端直接相连；电压反馈：反馈与输出端直接相连；电流反馈：反馈与输出通过负载电阻相连；电流反馈：反馈与输出通过负载电阻相连；2.串连反馈：串连反馈
17、：反馈与输入不在同一极；反馈与输入不在同一极；并联反馈：并联反馈：反馈与输入在同一极；反馈与输入在同一极；3.正负反馈：瞬时极性法正负反馈：瞬时极性法交、直流反馈交、直流反馈反馈组态判断举例（反馈组态判断举例（交流交流）(+)(+)(-)(+)(+)(+)电流电流串联串联负负反馈反馈反馈组态判断举例（交流）反馈组态判断举例（交流）电流电流并联并联负负反馈反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈反馈类型的判断：反馈类型的判断：RE 引入本级电流串联负反馈；引入本级电流串联负反馈；RE、RF引入级间电流并联引入级间电流并联负反馈。负反馈。Rf1和Rf2引入级间直流负反馈Re1引
18、入级间交、直流负反馈(b)Re1引入交流反馈组态：电流串联负反馈引入交流反馈组态：电流串联负反馈R1和R2引入级间交、直流负反馈(d)R1和R2引入交流反馈组态：引入交流反馈组态：电压串联负反馈电压串联负反馈电阻电阻R2引入交、直流引入交、直流负负反馈反馈(a)R2引入交流反馈组态：引入交流反馈组态：电压并联负反馈电压并联负反馈例例求：求：(1)大环反馈组态；大环反馈组态；(2)二、三级局部组态；二、三级局部组态；闭环互阻增益闭环互阻增益闭环电压增益闭环电压增益在深度负反馈条件下，利用在深度负反馈条件下，利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知解：解：(1)电压并联电压并联负负反馈反馈(3)深深度度负
19、负反反馈馈下下大大环环的的闭闭环电压增益环电压增益。(2)T2 的的R 1电流串联负反馈电流串联负反馈 T2和和T3级间级间R 1、R 2电流串联电流串联正正反馈反馈(3)voiiif+_例例求：求：(1)判断反馈组态；判断反馈组态；闭环电压增益闭环电压增益(2)在在深深度度负负反反馈馈条条件件下下，利用利用虚短虚短和和虚断虚断可知可知解：解：(1)电压电压串联串联负负反馈反馈 (2)深深度度负负反反馈馈下下大大环环的闭环电压增益的闭环电压增益。end（反馈）（反馈）(2)或者根据虚短虚断列方程直接求电压增益。作业：作业：7.1,7.15,7.16,7.18,7.20,7.21,7.24,7.267.27,7.33补充题补充题 设图示电路的开环增益设图示电路的开环增益Avo很大。很大。(1)指出所引反馈的类型）指出所引反馈的类型）(2)写出输出电流写出输出电流io的表达式的表达式(3)说明该电路的功能。说明该电路的功能。