第一篇第二章三极管及其电路分析
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二、三极管的伏安特性曲线 1. 共射极输入特性
基极电流iB与发射结电压 vBE之间的关系
i B f (v BE ) | vCE const
与PN结正向伏安特 性曲线相似，当vCE ＞1时，输入伏安特 性基本不变。
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2. 共射极输出特性
三极管存在电流控 制能力。
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四种工作状态
发射结正偏，集电结反偏：放大工作状态 模拟电路 发射结反偏，集电结反偏：截止工作状态 发射结正偏，集电结正偏：饱和工作状态 数字 电路
发射结反偏，集电结正偏：倒置工作状态 较少应用
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三种基本组态
集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。
iC , vCE
输出回路方程 输出特性曲线
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AB段：截止区 ，对应于输 出特性曲线中iB＜0的
BCDEFG段：放大区
GHI段：饱和区
• 作为放大应用时： Q点应置于E处（放大区中心） 若Q点设置C处，易引起截止失真 若Q点设置F处，易引起饱和失真
• 用于开关控制场合：工作在截止区和饱和区上
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直流通路
动态(vi≠0)
iB=IBQ+ib
输入电压变化会引起输出电压的变 化，这时电路所处的状态称为动态。 vBE=VBEQ+vbe=VBEQ+vi
iC=ICQ+ic=ICQ+βib vCE=VCEQ+vce=VCEQ-icR'L vo=vce=-icR'L
放大电路对信号的放大 作用是利用三极管的电 流控制作用来实现 ，其 实质上是一种能量转换 www.liwu114.com 器。
饱和区模型
等效电路
临界饱和： VCES＝0.7V 深度饱和： VCES≈0.3V
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简化等效电路
放大区
发射结正偏，集电结反偏
i B 0, vCE 0.7V
特征是 iC 仅受 iB 控制，与 vCE 的大小无关，具有恒流特性。
iC i B
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由三 极 管的 三 个极 限 参 数 ： PCM 、 ICM 和V(BR)CEO ，在输出 特性 曲 线上 可 画出 安全工作区 。
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温度稳定性
• 输入特性：温度上升时，发射结电压下降（负 温度特性）,温度系数约为-2.5mV/℃ 。 • 输出特性：温度上升时，输出特性曲线上移， 间距增大。
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二、单管放大电路静态工作点(公式法计算)
单电源固定偏置电路
目的：选择合适的Rb，Rc， 使电路工作在放大状态
前提:已知三极管的参数
I BQ VCC VBEQ Rb
I CQ I B VCEQ VCC I CQ Rc
设计时通常令: VBEQ=0.7V,VCEQ=VCC/2， ICQ=XmA 由此求两个偏置电阻
三极管内部结构特点
• 发射区掺杂浓度远 大于集电区，以尽 可能多提供载流子；
• 基区很薄，且掺杂浓 度低，以减小载流子 的复合机会；
• 集电区结面积较大，以利于收集载流子。
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I E I B IC
对于PNP型三极管
I C I B
1
I C I E I E
Je正偏，Jc反偏
称为共基极直流电流 放大系数， 0.95 ~ 0.995
定义 I C I CBO I CN
IE IE
I C I E I CBO I E
ICBO称为集电结反向饱 和电流，其值很小，常 可忽略。
一定条件下，输入/出电流成线性关系，三极管是 一种电流控制器件 www.liwu114.com
载流子运动 (以NPN管为例）
• 发射区向基区大量 注入电子（多子）； • 新注入的电子小部 分被基区的多子 （ 空穴）复合； • 大部分注入的电子 被拉入集电区。 条件（放大状态）： 发射结正偏(VBE＞0) 集电结反偏(VCB＞0)
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• 集电结反偏，少子 形成反向饱和电流 ICBO。
等效电路
PNP型三极管
vBE、vCE 为负值
iB、iC的实际流向与 NPN型管相反
横坐标为-vBE、-vCE
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三、三极管的主要参数 1. 电流放大倍数
I C I CEO I C 共射极直流电流放大倍数 IB IB iC iC 2 iC1 共射极交流电流放大倍数 i B i B 2 i B1 β 典型值为20～200 I C I CBO I C 共基极直流电流放大倍数 IE IE iC iC 2 iC1 共射极交流电流放大倍数 i E i E 2 i E1 α 典型值为0.95～0.995 www.liwu114.com
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【例1.2.2】
已知VCC=12V，VBE=0.7V，β=50。 (1)若Rb=280kΩ，RC=3kΩ，求静态工作点Q； (2)若Rb改为110kΩ，其余参数不变，重新计算Q值。
解：(1) 假定工作在放大状态
I BQ VCC V BEQ Rb 40A
I CQ I BQ 2mA
I CEO (1 ) I CBO
ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一， 其值愈小愈好。 ICBO和ICEO与温度密切相关。
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3. 极限参数 集电极最大允许电流 ICM
当iC超过ICM时，电流放大倍数β 将显著下降。
集电极最大允许功耗 PCM
PCM表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主 要由管子所允许的温升及散热条件决定。当超过 PCM时，管子可能烧毁。
2. 极间反向电流 集电结反向饱和电流 ICBO
是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压 时的反向饱和电流(μ A级)。与单个PN结的反向电 流一样，主要取决于温度和少子浓度。
穿透电流 ICEO 是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压 时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。
等效电路
饱和区
发射结正偏，集电结正偏
v BE 0, VCB 0
ICS
IBS
VCES
其特征是iC随vCE下降而减小。 当vCE不变时, 若增大iB, 则iC基 本不变, 三极管失去放大能力。 当集电结零偏(vCB=0)时称为临 界饱和。VCES称饱和压降，ICS 当iB＞IBS时，三极 称集电极饱和电流， IBS称基 管进入深饱和 www.liwu114.com 极临界饱和电流。
符号表示 • 大写大下标：直流量，如IB、 IBQ、VCEQ。 • 小写小下标：交流量，如ib、 vce、vi、vo。 • 小写大下标：瞬时量，如iB、 vCE。 • 大写小下标：交流量的有效值、峰值或 峰峰值，如Ib、Vo、 Vom 、 Vopp。
例： vCE 8 3 sin t V VCEQ＝8 V vce 3 sin t V vo Vce Vo 3 V
第二章 半导体三极管及其电路分析
1.2.1 三极管的结构、特性与参数
一、三极管的结构与类型 半导体三极管又称为晶体管、三极管、双 极型晶体管、BJT 。 三极管由2个背靠背的PN结组成，分为 NPN型、PNP型。 三极管又分为硅三极管、锗三极管。
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NPN型三极管
c：Collector 集电极 b：base 基极 e：emitter 发射极
VCEQ VCC I CQ Rc 6V 0.3V
假设成立。
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(2) 若Rb改为110kΩ 同样先假定工作在放大状态
I BQ
I CQ
VCC V BEQ
110kΩ
Rb I BQ 5.15mA
反向击穿电压
超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击 穿电压的大小不仅与管子本身的特性有关，还与外 电路的接法有关。
V( BR )CBO V( BR www.liwu114.com ( BR )CER V( BR )CEO )CES V
4. 安全工作区与温度稳定性 安全工作区
ICEO称为穿透电流，其 值较小，也常可忽略。
, I CEO (1 ) I CBO
1
,
www.liwu114.com 1
共集组态时电流关系（放大状态）
I E I B IC (1 ) I B I CEO (1 ) I B
无论哪种组态，输入电流对输出电流都具有 控制作用，因此三极管是一种电流控制器件。 并且共射和共集组态还具有电流放大作用。
共射放大电路
二、放大电路的基本工作原理
静态(vi=0,假设工作在放大状态) 静态分析:又称直流分析，计算三极管的电流和 极间电压值，应采用直流通路(电容开路)。
基极电流： IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb
集电极电流： IC=ICQ=βIBQ 集-射间电压： VCE=VCEQ=VCC-ICQRc
共射组态时电流关系（放大状态）
定义 I C I CEO I C
IB IB
I C I B I CEO
I C I E I CBO ( I B I C ) I CBO
IC 1 IB 1 1 I CBO
I B
称为共射极直流电流 放大系数， 20 ~ 200
共基组态（CB）
VBE＞0，发射结正偏， 输入：发射极 VCB＞0（∵VCC＞VBB）， 输出：集电极 公共端：基极(此处接地) 集电结反偏。所以三极 管工作在放大状态。 www.liwu114.com
共射组态（CE）
共集组态（CC）
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共基组态时电流关系（放大状态）
集电极电流iC与集-射间电压vCE之间的关系
iC f (vCE ) | iB const
输出特性曲线族
• 截止区 • 饱和区 • 放大区
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截止区
发射结反偏，集电结反偏
v BE Vth 硅0.5V，锗0.1V
i B 0, iC 0
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采用平面管制造工艺，在 N＋型底层上形成两个PN结。 箭头表示发射结
工艺特点：e区掺杂浓度高， 正偏时的实际电 流方向。 b区薄， c结面积大 。
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PNP型三极管
在P＋型底层上形成 两个PN结。
发射结正偏（VBE ＜0）时，电流从b 极流出。
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1.2.3 电压传输特性和静态工作点 一、单管放大电路的电压传输特性
图解分析法
vI vBE iB Rb iB f (vBE )
iB , vBE
输入回路方程
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输入特性曲线
VCC vCE iC Rc iC f ( vCE , iB )
Vcem Vom 2 3 V
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Fra Baidu bibliotek
瞬时量 直流量(静态分量) 交流量(动态分量) 交流分量的有效值 峰值
构成放大电路的基本原则
• 放大电路必须有合适的静态工作点：直流电源的 极性与三极管的类型相配合，电阻的设置要与电 源相配合，以确保器件工作在放大区。 • 外加输入信号能有效地加到放大器件的输入端， 使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比 例变化。 • 经三极管放大后的输出信号（如ic=βib）应能有效 地转变为负载上的输出电压信号。
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1.2.2 三极管放大电路的组成原理
一、放大电路的组成与各元件的作用
NPN管:放大器件，核心元件 Rb 和Rc:提供适合偏置--发射 结正偏，集电结反偏 C1 、C2 ：隔直(耦合)电 容。隔直流通交流。 vs ，Rs: 信号源电压与 内阻 RL:负载电阻,将集电极电流的 变化△iC转换为集电极与发 射极间的电压变化△vCE 。 www.liwu114.com
二、三极管的伏安特性曲线 1. 共射极输入特性
基极电流iB与发射结电压 vBE之间的关系
i B f (v BE ) | vCE const
与PN结正向伏安特 性曲线相似，当vCE ＞1时，输入伏安特 性基本不变。
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2. 共射极输出特性
三极管存在电流控 制能力。
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四种工作状态
发射结正偏，集电结反偏：放大工作状态 模拟电路 发射结反偏，集电结反偏：截止工作状态 发射结正偏，集电结正偏：饱和工作状态 数字 电路
发射结反偏，集电结正偏：倒置工作状态 较少应用
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三种基本组态
集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。
iC , vCE
输出回路方程 输出特性曲线
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AB段：截止区 ，对应于输 出特性曲线中iB＜0的
BCDEFG段：放大区
GHI段：饱和区
• 作为放大应用时： Q点应置于E处（放大区中心） 若Q点设置C处，易引起截止失真 若Q点设置F处，易引起饱和失真
• 用于开关控制场合：工作在截止区和饱和区上
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直流通路
动态(vi≠0)
iB=IBQ+ib
输入电压变化会引起输出电压的变 化，这时电路所处的状态称为动态。 vBE=VBEQ+vbe=VBEQ+vi
iC=ICQ+ic=ICQ+βib vCE=VCEQ+vce=VCEQ-icR'L vo=vce=-icR'L
放大电路对信号的放大 作用是利用三极管的电 流控制作用来实现 ，其 实质上是一种能量转换 www.liwu114.com 器。
饱和区模型
等效电路
临界饱和： VCES＝0.7V 深度饱和： VCES≈0.3V
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简化等效电路
放大区
发射结正偏，集电结反偏
i B 0, vCE 0.7V
特征是 iC 仅受 iB 控制，与 vCE 的大小无关，具有恒流特性。
iC i B
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由三 极 管的 三 个极 限 参 数 ： PCM 、 ICM 和V(BR)CEO ，在输出 特性 曲 线上 可 画出 安全工作区 。
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温度稳定性
• 输入特性：温度上升时，发射结电压下降（负 温度特性）,温度系数约为-2.5mV/℃ 。 • 输出特性：温度上升时，输出特性曲线上移， 间距增大。
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二、单管放大电路静态工作点(公式法计算)
单电源固定偏置电路
目的：选择合适的Rb，Rc， 使电路工作在放大状态
前提:已知三极管的参数
I BQ VCC VBEQ Rb
I CQ I B VCEQ VCC I CQ Rc
设计时通常令: VBEQ=0.7V,VCEQ=VCC/2， ICQ=XmA 由此求两个偏置电阻
三极管内部结构特点
• 发射区掺杂浓度远 大于集电区，以尽 可能多提供载流子；
• 基区很薄，且掺杂浓 度低，以减小载流子 的复合机会；
• 集电区结面积较大，以利于收集载流子。
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I E I B IC
对于PNP型三极管
I C I B
1
I C I E I E
Je正偏，Jc反偏
称为共基极直流电流 放大系数， 0.95 ~ 0.995
定义 I C I CBO I CN
IE IE
I C I E I CBO I E
ICBO称为集电结反向饱 和电流，其值很小，常 可忽略。
一定条件下，输入/出电流成线性关系，三极管是 一种电流控制器件 www.liwu114.com
载流子运动 (以NPN管为例）
• 发射区向基区大量 注入电子（多子）； • 新注入的电子小部 分被基区的多子 （ 空穴）复合； • 大部分注入的电子 被拉入集电区。 条件（放大状态）： 发射结正偏(VBE＞0) 集电结反偏(VCB＞0)
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• 集电结反偏，少子 形成反向饱和电流 ICBO。
等效电路
PNP型三极管
vBE、vCE 为负值
iB、iC的实际流向与 NPN型管相反
横坐标为-vBE、-vCE
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三、三极管的主要参数 1. 电流放大倍数
I C I CEO I C 共射极直流电流放大倍数 IB IB iC iC 2 iC1 共射极交流电流放大倍数 i B i B 2 i B1 β 典型值为20～200 I C I CBO I C 共基极直流电流放大倍数 IE IE iC iC 2 iC1 共射极交流电流放大倍数 i E i E 2 i E1 α 典型值为0.95～0.995 www.liwu114.com
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【例1.2.2】
已知VCC=12V，VBE=0.7V，β=50。 (1)若Rb=280kΩ，RC=3kΩ，求静态工作点Q； (2)若Rb改为110kΩ，其余参数不变，重新计算Q值。
解：(1) 假定工作在放大状态
I BQ VCC V BEQ Rb 40A
I CQ I BQ 2mA
I CEO (1 ) I CBO
ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一， 其值愈小愈好。 ICBO和ICEO与温度密切相关。
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3. 极限参数 集电极最大允许电流 ICM
当iC超过ICM时，电流放大倍数β 将显著下降。
集电极最大允许功耗 PCM
PCM表示集电结上允许的耗散功率的最大值。主 要由管子所允许的温升及散热条件决定。当超过 PCM时，管子可能烧毁。
2. 极间反向电流 集电结反向饱和电流 ICBO
是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压 时的反向饱和电流(μ A级)。与单个PN结的反向电 流一样，主要取决于温度和少子浓度。
穿透电流 ICEO 是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压 时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。
等效电路
饱和区
发射结正偏，集电结正偏
v BE 0, VCB 0
ICS
IBS
VCES
其特征是iC随vCE下降而减小。 当vCE不变时, 若增大iB, 则iC基 本不变, 三极管失去放大能力。 当集电结零偏(vCB=0)时称为临 界饱和。VCES称饱和压降，ICS 当iB＞IBS时，三极 称集电极饱和电流， IBS称基 管进入深饱和 www.liwu114.com 极临界饱和电流。
符号表示 • 大写大下标：直流量，如IB、 IBQ、VCEQ。 • 小写小下标：交流量，如ib、 vce、vi、vo。 • 小写大下标：瞬时量，如iB、 vCE。 • 大写小下标：交流量的有效值、峰值或 峰峰值，如Ib、Vo、 Vom 、 Vopp。
例： vCE 8 3 sin t V VCEQ＝8 V vce 3 sin t V vo Vce Vo 3 V
第二章 半导体三极管及其电路分析
1.2.1 三极管的结构、特性与参数
一、三极管的结构与类型 半导体三极管又称为晶体管、三极管、双 极型晶体管、BJT 。 三极管由2个背靠背的PN结组成，分为 NPN型、PNP型。 三极管又分为硅三极管、锗三极管。
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NPN型三极管
c：Collector 集电极 b：base 基极 e：emitter 发射极
VCEQ VCC I CQ Rc 6V 0.3V
假设成立。
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(2) 若Rb改为110kΩ 同样先假定工作在放大状态
I BQ
I CQ
VCC V BEQ
110kΩ
Rb I BQ 5.15mA
反向击穿电压
超过反向击穿电压时，管子将发生击穿。反向击 穿电压的大小不仅与管子本身的特性有关，还与外 电路的接法有关。
V( BR )CBO V( BR www.liwu114.com ( BR )CER V( BR )CEO )CES V
4. 安全工作区与温度稳定性 安全工作区
ICEO称为穿透电流，其 值较小，也常可忽略。
, I CEO (1 ) I CBO
1
,
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共集组态时电流关系（放大状态）
I E I B IC (1 ) I B I CEO (1 ) I B
无论哪种组态，输入电流对输出电流都具有 控制作用，因此三极管是一种电流控制器件。 并且共射和共集组态还具有电流放大作用。
共射放大电路
二、放大电路的基本工作原理
静态(vi=0,假设工作在放大状态) 静态分析:又称直流分析，计算三极管的电流和 极间电压值，应采用直流通路(电容开路)。
基极电流： IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb
集电极电流： IC=ICQ=βIBQ 集-射间电压： VCE=VCEQ=VCC-ICQRc
共射组态时电流关系（放大状态）
定义 I C I CEO I C
IB IB
I C I B I CEO
I C I E I CBO ( I B I C ) I CBO
IC 1 IB 1 1 I CBO
I B
称为共射极直流电流 放大系数， 20 ~ 200
共基组态（CB）
VBE＞0，发射结正偏， 输入：发射极 VCB＞0（∵VCC＞VBB）， 输出：集电极 公共端：基极(此处接地) 集电结反偏。所以三极 管工作在放大状态。 www.liwu114.com
共射组态（CE）
共集组态（CC）
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共基组态时电流关系（放大状态）
集电极电流iC与集-射间电压vCE之间的关系
iC f (vCE ) | iB const
输出特性曲线族
• 截止区 • 饱和区 • 放大区
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截止区
发射结反偏，集电结反偏
v BE Vth 硅0.5V，锗0.1V
i B 0, iC 0
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工艺特点：e区掺杂浓度高， 正偏时的实际电 流方向。 b区薄， c结面积大 。
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在P＋型底层上形成 两个PN结。
发射结正偏（VBE ＜0）时，电流从b 极流出。
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1.2.3 电压传输特性和静态工作点 一、单管放大电路的电压传输特性
图解分析法
vI vBE iB Rb iB f (vBE )
iB , vBE
输入回路方程
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输入特性曲线
VCC vCE iC Rc iC f ( vCE , iB )
Vcem Vom 2 3 V
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瞬时量 直流量(静态分量) 交流量(动态分量) 交流分量的有效值 峰值
构成放大电路的基本原则
• 放大电路必须有合适的静态工作点：直流电源的 极性与三极管的类型相配合，电阻的设置要与电 源相配合，以确保器件工作在放大区。 • 外加输入信号能有效地加到放大器件的输入端， 使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比 例变化。 • 经三极管放大后的输出信号（如ic=βib）应能有效 地转变为负载上的输出电压信号。
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1.2.2 三极管放大电路的组成原理
一、放大电路的组成与各元件的作用
NPN管:放大器件，核心元件 Rb 和Rc:提供适合偏置--发射 结正偏，集电结反偏 C1 、C2 ：隔直(耦合)电 容。隔直流通交流。 vs ，Rs: 信号源电压与 内阻 RL:负载电阻,将集电极电流的 变化△iC转换为集电极与发 射极间的电压变化△vCE 。 www.liwu114.com