2.2 2.2 晶体三极管的其它工作模式晶体三极管的其它工作模式

2.4 2.4 晶体三极管伏安特性曲线晶体三极管伏安特性曲线2.3 2.3 埃伯尔斯—莫尔模型埃伯尔斯—莫尔模型 **

2.7 2.7 晶体三极管的应用原理晶体三极管的应用原理

2.1 2.1 放大模式下晶体三极管的工作原理放大模式下晶体三极管的工作原理

第二章 晶体三极管第二章 晶体三极管

2.5 2.5 晶体三极管小信号电路模型晶体三极管小信号电路模型2.6 2.6 晶体三极管电路分析方法晶体三极管电路分析方法

概 述概 述 三极管结构及电路符号三极管结构及电路符号

发射极 E

基极 B

P NN+ 集电极 C

发射极 E

基极 B

N PP+ 集电极 C

B

CE

B

CE

发射结 集电结

三极管三种工作模式发射结正偏，集电结反偏。•放大模式：

发射结正偏，集电结正偏。•饱和模式：

发射结反偏，集电结反偏。•截止模式：

注意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。

三极管内部结构特点1 ）发射区高掺杂。2）基区很薄。3）集电结面积大。

2.1 2.1 放大模式下三极管工作原理放大模式下三极管工作原理2.1.12.1.1 内部载流子传输过程

P NN+

- + - +V1 V2

R2R1

IEn

IEp

IBB

ICn

ICBO

IE

IE= IEn+IEp

IC

IC=ICn+ICBO

IB

IB= IEp+IBB -ICBO = IEp+(IEn-ICn) -ICBO =IE -IC

发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。发射区掺杂浓度 >> 基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。 基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。 基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。 集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。

三极管特性——具有正向受控作用即三极管输出的集电极电流 IC ，主要受正向发射结电压 VBE 的控制，而与反向集电结电压 VCE 近似无关。 注意： NPN 型管与 PNP 型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。

V1

N PP+P NN+

V2 V2V1

+ -

+ -

- +

- +

IE IC

IB

IE IC

IB

观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。

2.1.2 2.1.2 电流传输方程电流传输方程 三极管的三种连接方式——三种组态

B

CE

B

T

ICIE

E

C

B

E

T

IC

IB

C

E

B

C

T

IE

IB

（共发射极）（共基极） （共集电极） 放大电路的组态是针对交流信号而言的。

共基极直流电流传输方程

B

CE

B

T

ICIE直流电流传输系数：

E

C

E

CBOC

I

I

I

II

直流电流传输方程： CBOEC III 共发射极直流电流传输方程

E

C

B

E

T

IC

IB

1 CBOCEO )1( II

CEOBC III 直流电流传输方程：

其中：

CBE III CBOEC III

的物理含义：

ECn

ECn

/1

/

1 II

II

表示，受发射结电压控制的复合电流 IBB ，对集电极正向受控电流 ICn 的控制能力。

若忽略 ICBO ，则： B

C

CnE

Cn

I

I

II

I

E

C

B

E

T

IC

IB

可见， 为共发射极电流放大系数。

BB

Cn

CnE

Cn

I

I

II

I

ICEO 的物理含义：

ICEO 指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。

∵ IB=0IEP

ICBO ICn

IEn

+

_VCE

N

P

N+

C

B

E

ICEO

IB=0

∴ IEp+(IEn-ICn) =IE -ICn =ICBO

因此： CBOCBOCBOCBOCnCEO )1( IIIIII

CBO

Cn

CnE

Cn

I

I

II

I

即：

三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：

2.1.3 2.1.3 放大模式下三极管的模型放大模式下三极管的模型 数学模型（指数模型）

T

BE

T

BE

e)1e( SEBSEV

V

V

V

C IIII

IS 指发射结反向饱和电流 IEBS 转化到集电极上的电

流值，它不同于二极管的反向饱和电流 IS 。

EBSS II 式中：

放大模式直流简化电路模型放大模式直流简化电路模型

电路模型

VBE

+

-E

CB

E

ICIB

IB

E

C

B

E

T

IC

IB

共发射极 直流简化电路模型

VBE(on)

E

CB

E

ICIB

IB+-

VBE(on) 为发射结导通电压，工程上一般取：

硅管 VBE(on)= 0.7V

锗管 VBE(on)= 0.25V

三极管参数的温度特性 温度每升高 1C ，∆ /增大（ 0.5

1 ） % ，即：

温度每升高 1 C ， VBE(on) 减小（ 2 2.5 ） mV, 即：

温度每升高 10 C ， ICBO 增大一倍，即：

101CBO2CBO

12

2)()(TT

TITI

005.0(T

C/)01.0

2(BE(on)

T

VC/mV)5.2

P NN+

V1 V2R2R1

2.2 2.2 晶体三极管的其它工作模式晶体三极管的其它工作模式2.2.1 饱和模式 ( E 结正偏， C 结正偏 )

- +

IFFIF

+ -

IRRIR

IE= IF-RIR

IC

IC= FIF - IR

IE

结论：三极管失去正向受控作用。

饱和模式直流简化电路模型饱和模式直流简化电路模型

E

C

B

E

T

IC

IB

共发射极

通常，饱和压降 VCE(sat) 硅管 VCE(sat) 0.3V

锗管 VCE(sat) 0.1V

电路模型

VBE

+

-E

CB

E

ICIB

+-VCE(sat)

直流简化电路模型

VBE(on)

E

CB

E

ICIB

+-

+-VCE(sat)

若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。

2.2.2 截止模式 ( E 结反偏， C 结反偏 ) 若忽略反向饱和电流，三极管 IB 0 ， IC 0 。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。

E

C

B

E

T

IC

IB

共发射极 电路模型

VBE

+

-E

CB

E

ICIB

截止模式直流简化电路模型截止模式直流简化电路模型

直流简化电路模型

E

CB

E

IC

0IB 0

2.3 2.3 埃伯尔斯—莫尔模型埃伯尔斯—莫尔模型 埃伯尔斯—莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。

IE= IF-RIR

IC= FIF -IR

)1e( T

BE

EBSF V

V

II

)1e( T

BC

CBSR V

V

II 其中

E C

B

IE IF

RIR

IC

FIF

IR

IB

2.4 2.4 晶体三极管伏安特性曲线晶体三极管伏安特性曲线 伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。

IB= f1E ( VBE ) VCE = 常数

IC= f2E ( VCE ) IB = 常数

共发射极输入特性：

输出特性：

+

-

T VCE

IB

VBE

IC

+

-

输入特性曲线VCE =0

IB /A

VBE /VVBE(on)

0.3V

10V

0

V(BR)BEO

IEBO +ICBO

VCE 一定：类似二极管伏安特性。 VCE 增加：正向特性曲线略右移。

由于 VCE=VCB+VBE

WBWB

E B C

基区宽度调制效应

注： VCE>0.3V 后，曲线移动可忽略不计。

因此当 VBE 一定时：

VCEVCB 复合机会 IB 曲线右移。

输出特性曲线

饱和区（ VBE 0.7V ， VCE<0.3V ）

IC /mA

VCE /V0

IB = 40 A

30 A

20 A

10 A

0

特点：条件： 发射结正偏，集电结正偏。

IC 不受 IB 控制，而受 VCE 影响。VCE 略增， IC 显著增加。

输出特性曲线可划分为四个区域：

饱和区、放大区、截止区、击穿区。

放大区（ VBE 0.7V ， VCE>0.3

V ） IC /mA

VCE /V0

IB = 40 A

30 A

20 A

10 A

0特点

条件 发射结正偏集电结反偏

VCE曲线略上翘

具有正向受控作用满足 IC= IB + ICEO

说明IC /mA

VCE /V0

VA

上翘程度—取决于厄尔利电压 VA

上翘原因—基区宽度调制效应（ VCE IC 略）

在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流 IC 的

)1(eA

CESC

T

BE

V

VII V

V

修正方程：

基宽 WB 越小调制效应对 IC 影响越大则 VA越小。

与 IC 的关系：

IC0

在 IC 一定范围内近似为常数。

IC 过小使 IB造成。

IC 过大发射效率 造成。

考虑上述因素， IB等量增加时，

IC

VCE0输出曲线不再等间隔平行上移。

截止区（ VBE 0.5V ， VCE 0.3

V ） IC /mA

VCE /V0

IB = 40 A

30 A

20 A

10 A

0

特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。

IC 0 ， IB 0

近似为 IB≤0以下区域

严格说，截止区应是 IE =0 即 IB =-ICBO以下的区域。 因为 IB 在 -ICBO 时，仍满足

CBOBC )1( III

击穿区

特点：VCE 增大到一定值时，集电结反向击穿， IC急剧增大。

V(BR)CEO

集电结反向击穿电压，随 IB 的增大而减小。注意：IB =0 时，击穿电压为 V(BR)CEO

IE =0 时，击穿电压为 V(BR)CBO

V(BR)CBO > V(BR)CEO

IC /mA

VCE /V0

IB = 40 A

30 A

20 A

10 A

0

IB = -ICBO (IE =0)

V(BR)CBO

三极管安全工作区IC

VCE0V(BR)CEO

ICM

PCM

最大允许集电极电流 ICM （若 IC>ICM 造成 ） 反向击穿电压 V(BR)CEO（若 VCE>V(BR)CEO 管子击穿）

VCE<V(BR)CEO

最大允许集电极耗散功率 PCM

（ PC= IC VCE ，若 PC> PCM 烧管）

PC<PCM

要求

IC ICM

放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。

2.5 2.5 晶体三极管小信号电路模型晶体三极管小信号电路模型

三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是混合 Π型小信号电路模型。

混合 Π型电路模型的引出

基区体电阻

发射结电阻与电容

集电结电阻与电容

反映三极管正向受控作用的电流源

由基区宽度调制效应引起的输出电阻

ib

ic

b

c

e

rbb

rbe cbe

cbcrbc

b

gmvbe

rce

混合 Π型小信号电路模型 若忽略 rbc 影响，整理即可得出混Π电路模型。

rberce

cbc

cbe

rbbb c

e

gmvbe

bib ic

电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混Π电路模型简化为：

rberce

rbbb c

e

gmvbe

bib ic

小信号电路参数 rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。 rbe 三极管输入电阻，约千欧数量级。

CQQE

EB

B

E

QB

EB 26)1()1(I

ri

v

i

i

i

vr eeb

跨导 gm 表示三极管具有正向受控作用的增量电导。

CQeEB

E

E

C

QEB

C 5.38 Irv

i

i

i

v

igm

rce 三极管输出电阻，数值较大。 RL<< rce 时，常忽略。

CQ

A

QC

CE

I

V

i

vrce

简化的低频混Π电路模型

由于ebebe

1

)1(

)1(

rrrgm

因此，等效电路中的 gmvbe ，也可用 ib 表示。bbmm irigvg ebeb

c

b

e

T

iC

iB

rbe

b c

e

gmvbe

ib ic

=ib

注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在 Q 点上各交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。

由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。

2.6 2.6 晶体三极管电路分析方法晶体三极管电路分析方法

直流分析法分析指标： IBQ 、 ICQ 、 VCE

Q分析方法：图解法、估算法

交流分析法分析指标： Av 、 Ri 、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法

即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。

2.6.1 直流分析法

图解法即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。

要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。

优点：便于直接观察 Q 点位置是否合适，输出信号波 形是否会产生失真。

（ 1 ）由电路输入特性确定 IBQ

写出管外输入回路直流负载线方程 (VBE IB) 。

图解法分析步骤：

在输入特性曲线上作直流负载线。 找出对应交点，得 IBQ 与 VBEQ 。 （ 2）由电路输出特性确定 ICQ 与 VCE

Q 写出管外输出回路直流负载线方程 (VCE IC) 。 在输出特性曲线上作直流负载线。 找出负载线与特性曲线中 IB =IBQ 曲线的交点， 即 Q 点，得到 ICQ 与 VCEQ 。

例 1 ：已知电路参数和三极管输入、输出特性曲线， 试求 IBQ 、 ICQ 、 VCEQ 。

Q

• 输入回路直流负载线方程 VBE=VBB-IBRB

VBB

VBB/RB

VBEQ

IBQ

+ -

IB

VBB

IC

- +VCC

RB

RC+

-VBE

+

-

VCE

• 输出回路直流负载线方程 VCE=VCC-ICRC

IC

VCE0VBE

IB

0

IB = IBQ

VCC

VCC/RC

QICQ

VCEQ

工程近似法 -- 估算法　即利用直流通路，计算静态工作点。直流通路是指输入信号为零，耦合及旁路电容开路时对应的电路。分析步骤： 确定三极管工作模式 。

用相应简化电路模型替代三极管。 分析电路直流工作点 。

只要 VBE 0.5V （Ｅ结反偏）

截止模式假定放大模式，估算 VCE :

若 V Ｃ E > 0.3V

放大模式若 V Ｃ E＜0.3V

饱和模式

例 2 已知 VBE(on)=0.7V ， VCE(sat)=0.3V ， =30 ，试 判断三极管工作状态，并计算 VC 。解：假设 T 工作在放大模

式 A53

B

BE(on)CCBQ

R

VVI

mA59.1BQCQ II

V41.4CCQCCCEQ RIVV

VCC

RCRB

(+6V)

1k100k

T

因为 VCEQ>0.3V ，所以三极管工作在放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V

例 3 若将上例电路中的电阻 RB 改为 10k，试重新 判断三极管工作状态，并计算 VC 。解：假设 T工作在放大模

式 A530

B

BE(on)CCBQ

R

VVI

mA9.15BQCQ II

V9.9CCQCCCEQ RIVV

VCC

RCRB

(+6V)

1k10k

T

因为 VCEQ<0.3V ，所以三极管工作在饱和模式。

mA7.5C

CE(sat)CCCS

R

VVI

V3.0CE(sat)C VV

例 4 已知 VBE(on)=0.7V ， VCE(sat)=0.3V ， =30 ，试 判断三极管工作状态，并计算 VC 。

解：

所以三极管工作在截止模式 。

VCC

RCRB1

(+6V)

1k100k

TRB2

2k

+ -

VBB

RB

RC

+ -

VCC

V12.0B2B1

CCB2BB

RR

VRV

k95.1// 21 BBBB RRR

< VBE(on)

V6CCC VV

2.6.2 交流分析法

小信号等效电路法 ( 微变等效电路法 )

分析电路加交流输入信号后，叠加在 Q 点上的电压与电流变化量之间的关系。

在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效电路分析 Av 、 Ri 、 Ro 的方法即小信号等效电路法。交流通路 : 即交流信号流通的路径。它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的电路。

小信号等效电路法分析步骤： 画交流通路 (直流电源短路，耦合、旁路电容短路 )。 用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。

利用小信号等效电路分析交流指标。

计算微变参数 gm 、 rbe 。

注意 :

小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标，不能分析静态工作点。

例 5 已知 ICQ=1mA, =100 , vi =20sint(mV), 试画出图示电路的交流通路及交流等效电路 , 并计算 v

o 。

vi

rbe

ib

ib ic

RB +

-

RC RL

vo

+

-

vi

ib

ic

RB RC

+

-

RL

+

-

vo

k63.226

)1(CQ

eb Ir

vi + -

iB

VBB

iC

VCC

RB

RC+

-

+ -

RL

C1

C2

5k

)//( LCco RRiv

Li Rr

v

eb

LbRi

V)(sin52.1 t

图解法

确定静态工作点 (方法同前 )。 画交流负载线。

画波形，分析性能。

过 Q 点、作斜率为 -1/RL 的直线即交流负载线。其中 RL= RC // RL

分析步骤 :

图解法直观、实用，容易看出 Q 点设置是否合适，波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。

例 6 输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。

t

vBE0

Q

vBE

iB

0

iC

vCE0

Q

t

iB

IBQ

iC

t

ICQ

t

vCE0

-1/RL

VCEQ

ib

vi + -

iB

VBB

iC

VCC

RB

RC+

-

vBE

+

-

vCE+

-

+ -

RL

C1

C2

Q 点位置与波形失真：

Q 点过低， vO 负半周易截止失真。 PNP 管 Q 点过高， vO 正半周易饱和失真。

Q 点过低， vO 正半周易截止失真。 NPN 管 Q 点过高， vO 负半周易饱和失真。 由于 PNP 管电压极性与 NPN 管相反，故横轴 vCE 可改为 -vCE 。

消除饱和失真降低 Q 点 :增大 RB ，减小 IBQ

减小 RC : 负载线变徒 , 输出动态范围增加。

消除截止失真 升高 Q 点 : 减小 RB ，增大 IBQ

2.7 2.7 晶体三极管应用原理晶体三极管应用原理2.7.1 电流源 利用三极管放大区 iB恒定时 iC接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛采用的一种单元电路 --电流源。

iC

vCE0

iB

VCE(sat)

Q

iC

R+ -

VQ+ v

iB恒值

外电路 (负载电路 )

该电流源不是普通意义上的电流源，因它本身不提供能量。电流源电路的输出电流 IO，由外电路中的直流电源提供。IO只受 IB控制，与外电路在电流源两端呈现的电压大小几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。

放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。2.7.2 放大器

放大原理

+

-

iB

vi

iC

VCCRC

+

-+ -VIQ

vo

VIQt

vBE

0

IBQ

t

iB

0

tvi

ICQ

t

iC

0

VCEQ

t

vCE

0

tvo

0利用 ib 对 ic 的控制作用实现放大。

电源 VCC 提供的功率：

放大实质

2

0 CCCD 2

1tdiVP

CQCCIV

三极管集电极上的功率：

2

0 CCEC 2

1tdiVP C

2cmCQCEQ 2

1RIIV

负载电阻 RC 上的功率：

2

0 C2

L 2

1tdRiP C C

2cmC

2CQ 2

1RIRI

CCQCEQCC RIVV LCD PPP

注意：

放大器放大信号的实质：是利用三极管的正向受控作用，将电源 VCC 提供的直流功率，部分地转换为输出功率。

电源 VCC 不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同时还是整个电路的能源。

电源提供的功率 PD 除了转换成负载上有用的输出功率 PL 外，其余均消耗在晶体三极管上（ PC ）。

三极管仅是一个换能器。

• 顺时针与逆时针方向 三极管个数相等 ;

2.7.3 跨导线性电路 跨导线性环（ TL环）

vBE2

vBE4

vBE6

vBE8

vBE10

+ -

+ -

-

+

+

-

- +

vBE1

vBE3

vBE5

vBE7

vBE9+ -

+ -

-

+

+

-

- + • N 个放大模式下工 作的三极管发射结 连成一闭合回路 ;

若各管发射结面积相等，则： CCW

CCW

C kk ii

若各管发射结面积不等，则： CCW

CCW

C kk ii

CCWCW

kk SS其中

跨导线性环应用电路

由图知： VCC

T1

T2

T3

T4

IX

IY

io

X2C1C iii

Y3C ii

O4C ii 由 TL 环知：

4C3C2C1C iiii

则： Y2X4CO iiii

例 1 ：设各管发射结面积相等。

当 iY 为定值时，电路可实现对 iX 的平方运算。

由图知：VCC

T1

T2

T3

T4

IX

IY

io

X1C ii

Y2C ii

O4C3C iii

则：

4C3C2C1C iiii

YXO iii

例 2 ：设各管发射结面积相等。

由 TL 环知：

若两输入电流中有一个恒定，则可实现对另一电流的平方根运算。