电子电路分析与应用

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第 2 章 三极管基本放大器应用三极管基本放大器应用2.1 2.1 双极型半导体三极管双极型半导体三极管2.1.1 晶体三极管一、结构与符号

N

N

P

发射极 E

基极 B

集电极 C

发射结

集电结— 基区

— 发射区

— 集电区

emitter

base

collector

NPN 型E

C

BP

P

N

E

B

C

E

C

B

PNP 型

分类： 按材料分：硅管、锗管 按结构分： NPN 、 PNP

按使用频率分 高频管低频管 按功率分

小功率管 < 500 mW中功率管 500 mW 1 W大功率管 > 1 W

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二、电流放大原理1. 三极管放大的条件

内部条件

发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大

外部条件

发射结正偏集电结反偏

2. 满足放大条件的三种电路

ui uo

CE

B E

CB

ui

uo

E

C

B

ui

uo

共发射极 共集电极共基极实现电路

ui

uo

RB RC

uouiRC

RE

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3. 三极管内部载流子的传输过程1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE

I CN

（基区空穴运动因浓度低而忽略）2) 电子到达基区后大部分向 BC 结方向扩散，形成 ICN

I E

少部分与空穴复合，形成 IBN 。I BN

基区空穴来源：基极电源提供 ( IB )

集电区少子漂移 (ICBO)

I CBO

I B

I BN I B + I CBO即：

IB = IBN – ICBO

3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 I C

I C

I C=ICN +ICBO

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4. 三极管的电流分配关系

当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：

IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBO

BN

CN

I

I

CEOBCBOBC )1( IIIII

IE = IC + IB

穿透电流

CEOBC III BCE III

BC II

BE )1( II CEOBE )1( III

CBOBN

CBOC

II

II

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2.1.2 晶体三极管的特性曲线一、输入特性

输入回路

输出回路

常数 CEBEB )( uufi

0CE u 与二极管特性相似

RC

VCC

iB

IE

RB

+uBE

+uCE

VBB

C

E

B

iC

+

+

+

iB

RB+

uBE

VBB

+

VBB

+

BEu

Bi

O

0CE uV1CE u

0CE uV1CE u 特性基本重合（电流分配关系确定）

特性右移（因集电结开始吸引电子）

导通电压 UBE （ on ）Si 管 : 0.6 0.8 VGe 管 : 0.2 0.3 V

取 0.7 V取 0.2 V

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二、输出特性 常数 BCEC )( iufi

iC / mA

uCE /V

50 µA

40µA

30 µA

20 µA

10 µA

IB =0

O 2 4 6 8

4

3

2

1

放大区

截止区

饱和区

1. 截止区： I B 0 的区域 条件：两个结反偏

2. 放大区：CEOBC III

条件：发射结正偏集电结反偏

特点：水平、等间隔3. 饱和区：uCE u BE

uCB = uCE u BE 0

条件：两个结正偏特点： 1) I C IB

2) 临界饱和：3) 深度饱和： U CE （ SAT ） = 0.3 V ( 硅

管 )U CE （ SAT ） = 0.1 V ( 锗管 )

uCE = uBE

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三、温度对特性曲线的影响1. 温度升高 , 输入特性曲线向左移

温度每升高 1C ， UBE 2 2.5 mV

温度每升高 10 C ， ICBO 约增大 1倍

2. 温度升高 , 输出特性曲线向上移BEu

Bi

O

T2

温度每升高 1 C ， 0.5% 1%

输出特性曲线间距增大

iC

uCE

T2 > T2

iB = 0

T2 >

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2.1.2 晶体三极管的主要参数一、电流放大系数

1. 共发射极电流放大系数

iC / mA

uCE /V

50 µA40µA30 µA20 µA10 µAIB =0

O 2 4 6 8

4

3

2

1

— 直流电流放大系数

B

C

CBOB

CBOC

BN

CN

I

I

II

II

I

I

— 交流电流放大系数

B

C

i

i 一般为几十 几百 P33 例 2.1.2

2. 共基极电流放大系数

11BC

C

E

C

II

I

I

I

1 一般为 0.95 0.99二、极间反向饱和电流

CB 间反向饱和电流 ICBO CE 间反向饱和电流 ICEO

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iC

ICM

U(BR)CEOuCE

PCM

OICEO

安全

工 作

区

三、极限参数

1. ICM — 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低

U(BR)CBO— 发射极开路时 C 、 B 间反向击穿电压

2. PCM — 集电极最大允许功率损耗 PC = iC uCE

3. U （ BR ） CEO— 基极开路时 C 、 E 间反向击穿电压

U(BR)EBO— 集电极极开路时 E 、 B 间反向击穿电压U(BR)CBO

> U(BR)CEO > U(BR)EBO

(P34 2.1.7) 已知 :

ICM = 20 mA, PCM = 100 mW, U(B

R)CEO = 20 V,

当 UCE = 10V 时， IC < mA

当 UCE = 1V ，则 IC < mA

当 IC= 2 mA ，则 UCE < V

10

2020

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2.3 2.3 半导体三极管电路的基本分析方法半导体三极管电路的基本分析方法

基本思想：根据叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分

一、分析三极管电路的基本思想和方法

直流通路 (ui = 0) 称为静态 交流通路 (ui 0, 动态 ) 只考虑变化的电压和电流

画交流通路原则：1. 固定不变的电压源都视为短路2. 固定不变的电流源都视为开路3. 视电容对交流信号短路 0j/1 ωC

基本方法：图解法： 在输入、输出特性图上画交、直流负载线，

求静态工作点“ Q” ，分析动态波形及失真等。解析法：根据发射结导通压降估算“ Q”用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。

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二、电量的符号表示规则A A

A 大写表示电量与时间无关（直流、平均值、有效值）

A

小写表示电量随时间变化（瞬时值）大写表示直流量或总电量（总最大值，总瞬时值）小写表示交流分量

beBEBE uUu 总瞬时值

直流量

交流瞬时值

beU 交流有效值直流量往往在下标中加注 Q

A — 主要符号 A — 下标符号

t

u

o

BEu

BEU

beubeU

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2.3.1 直流分析一、图解分析法

+

–

RB RC+

uCE

–

+ uBE

+

–VCCVBB 3V 5V

iB

iC

输入直流负载线方程 :

uCE = VCC iC RC

uBE = VBB iBRB

输出直流负载线方程 :

输入回路图解

Q

uBE/V

iB/A

静态工作点

VBB

VBB/RB

115k

UBEQ

IBQ

0.7

20

输出回路图解

uCE/V

iC/mA

VCC

VCC/RC

iB=20A

1k

Q2

3UCEQ

ICQ

二、工程近似分析法

B

BE(on)BBBQ R

UVI

CQCQ II

CCQCCCEQ RIVU

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三、电路参数对静态工作点的影响1. 改变 RB ，其它参数不变

uBE

iB

uCE

iC

VCCVBB

VBB

RB Q Q

R B iB Q 趋近截止区

R B iB Q 趋近饱和区

2. 改变 RC ，其它参数不变

RC Q 趋近饱和区iC

uBE

iB

uCEVCCUCEQ

Q QICQ

VCC

RC

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例 2.3.1 设 RB = 38 k, 求 VBB = 0 V 、 3V 时的 iC 、uCE 。

+

–

RB RC+

uCE

–

+ uBE

+

–VCCVBB 3V 5V

iB

iC [ 解 ]

uCE/V

iC/mA

iB=010A

20A30A

40A50A

60A

4

123

VBB= 0 VuCE 5 ViC 0则 iB 0

5

VBB = 3 V

mA 0.0638

7.03

B

BE(on)BBB

R

UVi

0.3

uCE 0.3 V 05

iC 5 mA

SB

C

E

VCC

+

RC

RB

截止状态的等效

iB 0

iC 0

uCE 5V

饱和状态的等效

SB

C

E

VCC

+

RC

RB+

iB

iC = VCC /RC

uCE 0

判断是否饱和临界饱和电流 :

,C

CC

C

CE(sat)CCCS R

V

R

UVI

若 iB > IBS ，则三极管饱和C

CCCSBS R

VII

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例 2.3.2 耗尽型 N沟道MOS 管， RG = 1 M ， RS = 2 k ， RD= 12 k ， VDD = 20 V 。 IDSS = 4 mA ， UGS （ off ）= – 4V ， 求 iD 和 uO 。

2

GS(off)

GSDSSD )1(

U

uIi

iG = 0 uGS = iDRS

2DD )

4

21(4

i

i045 D

2D ii

iD1= 4 mA

iD2= 1 mA

uGS = – 8 V< UGS(off) 增根

uGS = – 2V

uDS = VDD – iD(RS + RD)= 20 – 14 = 6 (V)

uO = VDD – iD RD = 20 – 14 = 8 (V)

在放大区

RD

GD

S

RG RS

iD

+

uO

–

+VDD

–

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B

BEBBB R

uVi

2.3.2 交流分析一、图解分析法

线性 非线性 线性

输入回路 (A 左 )

)( CEBEB Cuufi

(B 右 )输出回路 )( BCEC CIufi (B 左 )

CCCCCE RiVu

(A 右 )

+

–

RB

RC+

uCE

–

+uBE

+

–VCCVBB

iB

iC

iB

iC

+uBE

+uCE

–

A B

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例 2.3.3 硅管， ui = 10 sin t (mV) ， RB = 176 k ， RC = 1 kVCC = VBB = 6 V ，图解分析各电压、电流值。

[解 ]令 ui = 0 ，求静态电流 IBQ

A 30mA)(03.0176

7.06BQ

I

uBE/V

iB/A

0.7V

30 Q

ui

t

uBE/V

t

iB

IBQ

（交流负载线）

uCE/V

iC/mA

4

123

iB=10 A2030

4050

505

Q

6

直流负载线

Q'

Q’’

6

t

iC

ICQ

UCEQ

t

uCE/VUcem

ibic

uce

RL

L'1

R

+

–

iB

iC

RB

VCCVBB

RC

C

1

uS

+

– +

–

RS

+

uCE

+uBE

–

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, sin 2) imi tUu , sinbmb tIi tIi sincmc tUu sincemce io ce;o uuuu

tIIiIi sin )3 bmBQb BQB

tIIiIi sincmCQcCQC

)t(UUuUu 180 sin cemCEQceCEQCE

uBE/V

iB/A

0.7V

30 Q

ui

t

uBE/V

t

iB

IBQ

（交流负载线）

uCE/V

iC/mA

4

123

iB=10 A2030

4050

605

Q

6

直流负载线

Q'

Q’’

6

t

iC

ICQ

UCEQ

t

uCE/VUcem

ibic

uce

1)当 ui = 0, uBE = UBEQ , iB = IBQ , iC = ICQ , uCE = UCEQ

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放大电路的非线性失真问题 因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。1. “Q” 过低引起截止失真

NPN 管： 顶部失真为截止失真PNP 管： 底部失真为截止失真不发生截止失真的条件 : IBQ > Ibm

O

Qib

O

t

tO uBE/V

iB

uBE/V

iB

ui

uCE

iC

ic

tO

iC

t

uCE

Q

uce

交流负载线

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2. “Q” 过高引起饱和失真

uCE

iC

tO

iC

t

uCE

QICS

集电极临界饱和电流 NPN 管：

底部失真为饱和失真PNP 管： 顶部失真为饱和失真

L

CE(SAT)CCCSBS '

'

R

UVII

IBS — 基极临界饱和电流不接负载时，交、直流负载线重合， V’CC= VCC

不发生饱和失真的条件： IBQ + I bm IBS

V’CC

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饱和失真的本质：

负载开路时：

接负载时：受 RC 的限制， iB 增大， iC 不可能超过 VCC/RC 。

受 R’L 的限制， iB 增大， iC 不可能超过 V’CC/R’L 。

C1

+

RCRB

+VCC

C2

RL

+

uo

+

+iB

iC

V

ui

(R’L= RC //RL)

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选择工作点的原则：当 ui 较小时，为减少功耗和噪声，“ Q”可设得低一些；

为提高电压放大倍数，“ Q”可以设得高一些；

为获得最大输出，“ Q”可设在交流负载线中点。

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2.3.2 交流分析二、小信号等效分析法 (微变等效 )1. 晶体三极管电路小信号等效电路分析法

三极管电路可当成 双口网络来分析

(1) 晶体三极管 H (Hybrid) 参数小信号模型

)( C CEb

be be u

i

ur从输入端口看进去，相当于电阻 rbe

rbe— Hie

EQBQbb' be

26)1(200

II

Urr T

从输出端口看进去为一个受 ib 控制的电流源 ic = ib — Hfe

+uce

–

+ube

–

ib

ic C

B

E

rbe E

ib ic

ic

+ube

+uce

BC

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(2) 晶体三极管交流分析步骤：1. 分析直流电路，求出“ Q” ，计算 rbe 。

2. 画电路的交流通路 。3. 在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。

4. 分析计算叠加在“ Q” 点上的各极交流量。例 2.3.4 = 100 ， uS = 10sin t (mV) ，求叠加在“ Q” 点上的各交流量。

+

uo

+

–

iB

iC

RB

VCCVBB

RC

RL

C1

C2

uS

+

– +

–

RS

+

uCE

+uBE

– 12V

12V

510470k

2.7k 3.6k

[ 解]

令 ui = 0 ，求静态电流 IBQ

1. 求“ Q” ，计算 rbe

mA)( 024.0470

7.012BQ

I

mA)( 4.2 BQCQ II V)( 5.57.24.212CEQ U

)( 1283024.0

26200

26200

26)1(200

BQEQbe

IIr

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2. 交流通路+

uo

+

–

iB

iC

RB

VCCVBB

RC

RL

C1

C2

uS

+

– +

–

RS

+

uCE

+uBE

– ube

uce

3. 小信号等效

+

uo

+

–

RB RL

RS rbe

E

ibic

ic

B C

us RC

+

ube

4. 分析各极交流量

be BS

be BSbe //

)//(

rRR

rRuu

)A( sin5.5be

be b t

r

ui

)mA( sin55.0 b c tii oce uu (V) sin85.0)//( LCc tRRi

5. 分析各极总电量uBE = (0.7 + 0.0072sint )ViB = (24 + 5.5sint ) AiC = ( 2.4 + 0.55sint ) mAuCE = ( 5.5 – 0.85sint ) V

)mA( sin2.7 t

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2. 场效应管电路小信号等效电路分析法小信号模型

rgs

S

id

gmugs

+ugs

+uds

GD 从输入端口看入，相当于电阻 rgs()从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源

id = gmugs

例 2.3.4 gm= 0.65 mA/V, ui = 20sint (mV), 求交流输出 uo 。

+

RD

GD

SRG RS

iD

+

uO

–

+VDD

–ui

+ VGG

10k

4k

交流通路

+

RDG

D

SRG RSid

+uO

–ui

+

VGG

小信号等效电路

+ui RS

RDS

id

gmugs

+ugs

+uo

G D

ui = ugs+ gmugsRS ugs= ui / (1+gmRS)

uo = – gmugsRD / (1 + gmRS) = – 36sin t (mV)

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2.4 2.4 半导体三极管的测试与应用半导体三极管的测试与应用2.4.1 半导体三极管使用基本知识一、外型及引脚排列

E

BCE B CE

B

C

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二、万用表检测晶体三极管的方法1. 根据外观判断极性

3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏PN 结正偏时电阻值较小 ( 几千欧以下 )反偏时电阻值较大 ( 几百千欧以上 ) 指针式万用表

在 R1k 挡进行测量红表笔是 ( 表内 ) 负极 , 黑表笔是 ( 表内 ) 正极

注意事项 :

测量时手不要接触引脚

1k

B

EC

1k

B

EC

2. 插入三极管挡 (hFE) ，测量值或判断管型及管脚

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三、晶体三极管的选用1. 根据电路工作要求选择高、低频管2. 根据电路工作要求选择 PCM 、 ICM 、 U(BR)CEO

应保证：

3. 一般三极管的 值在 40~100之间为好 , 9013 、 9014 等低噪声、高 的管子不受此限制… ..

4. 穿透电流 ICEO越小越好，硅管比锗管的小

数字万用表1. 可直接用电阻挡的 PN 结挡分别测量判断两个结 的好坏

注意事项 : 红表笔是 ( 表内 ) 正极 , 黑表笔是 ( 表内 ) 负极NPN 和 PNP 管分别按 EBC排列插入不同的孔需要准确测量 值时，应先进行校正

2. 插入三极管挡 (hFE) ，测量 值或判断管型及管脚

PC > PC ｍ ICM > Ｉ C ｍ U （ BR ） CEO > Ｖ C Ｃ

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附录：半导体器件的命名方式第一部分

数字电极数2— 二极管

3— 三极管

第二部分 第三部分字母 (汉拼 )材料和极性

A — 锗材料 N 型B — 锗材料 P 型C — 硅材料 N 型D — 硅材料 P 型A — 锗材料 PNPB — 锗材料 NPNC — 硅材料 PNPD — 硅材料 NPN

字母 (汉拼 )器件类型

P — 普通管W — 稳压管Z — 整流管K — 开关管U — 光电管X — 低频小功率管G — 高频小功率管D — 低频大功率管A — 高频大功率管

第四部分 第五部分数字器件序号

字母 (汉拼 )规格号

例如 : 2CP 2AP 2CZ 2CW3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK

常用小功率进口三极管 9011 9018