第3章 晶体三极管及其放大电路
在基区复合的多，uCE?1V后，集电结处于反向偏置，集电区收集电子的能力增强，更多的发射区电子被“收集”到集电区，因此在相同的uBE的情况下，基极电流较uCE?0V小。
此外uCE?1V以后，只要uBE一定，发射区发射到基区的电子数目就一定，这时uCE已足以把这些电子的大部分收集到集电区，再增大uCE基极电流iB也不再随之明显变化， uCE?1V以后的输入特性曲线时重合的。
实际放大电路中大都满足uCE?1V，因此，三极管的输入特性曲线都是指这条曲线。三极管导通后，发射结的导通电压和二极管基本一致，工程计算典型值一般硅管取UBE?0.7V，锗管取
UBE?0.2V。
2. 输出特性
对于图3-6所示共发射极放大电路，三极管输出特性是指当iB为定值时，集电极电流iC与集射极之间电压uCE的关系曲线，即
iC?f(uCE)iB?常数 (3-22)
不同的基极电流iB对应的曲线不同，因此，三极管的输出特性实际上是一族曲线，图3-7b即为典型的NPN硅三极管的输出特性。一般将输出特性分成三个区：放大区、饱和区和截止区 (1) 放大区
三极管工作在放大区时，其发射结正向偏置，集电结处于反向偏置，集电极电流基本不随uCE而变，故iC具有恒流特性，利用这个特点，晶体三极管在集成电路中，广泛被用作恒流源和有源负载。在放大区满足?iC???iB关系，因而放大区也称为线性区。 （2）饱和区
三极管工作在饱和区时uCE?1V，此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。三极管进入饱和区后，?iC???iB，此时?下降，uCE很小，估算小功率三极管电路时，硅管典型值一般取UCES?0.3V，锗管典型值取UCES?0.1V。在放大电路中应避免三极管工作在饱和区。 （3）截止区
当发射结电压低于死区电压时，三极管即工作在截止区，为了使三极管可靠截止，常使发射结处于反向偏置状态。所以三极管工作在截止区时，发射结和集电结均反偏，iB?0，iC?ICEO很小。
在输出特性曲线上的饱和区和截止区，输出电流ic和输入电流ib为非线性关系，故称饱和区和截止区为非线性区。当三极管处于放大电路时，应避免进入非线性区。
例3-1 某人在检修一台电子设备时，由于三极管上标号不清，于是利用测量三极管各电极电位的方法判断管子的电极、类型及材料，测得三个电极对地的电位分别为VA＝－6V，VB＝－2.2V，VC＝－2.0V，试判断出三个管脚的电极、管子的类型和材料。
解：根据所给数据初步判定管子工作在放大区，首先根据UBE的值判断基极和发射极，因为三极管处于放大状态时，发射结正偏，其UBE?0.7V（硅管）或UBE?0.2V（锗管），那么另一引脚即为集电极c。再根据集电极电位是最高还是最低，判断是NPN还是PNP。
由题意可知， UBC??2.2?(?2.0)?0.2V，故A为集电极，且电压最低，为PNP管。而
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第3章 晶体三极管及其放大电路
PNP管在放大电路中UC 例3-2 电路如例3-2图所示，UBE＝0.7V，UCES＝0.3V，试计算当开关S分别处于a、b、c三个位置时，三极管分别工作在什么区域，其IB、IC及UCE分别为多少。 解：当开关置于a处时，由于UBE＝0，故IB＝0，IC≈0，UCE ≈12V，三极管工作在截止区。 当开关置于b处时，三极管发射结加正向电压导通，UBE＝0.7V，则 IB?3?0.7?0.23 mA 310?1012?0.3?11.7 mA 31?10?11.7?0.117 mA 10020 k?cbSa+12 V而三极管处于临界饱和时的集电极电流为 1 k?10 k?ICS???1003V3V临界饱和时的基极电流为 IBS?ICS例3-2图?由于IB?IBS，故三极管处于饱和区，IC?ICS?11.7mA，UCE?UCES?0.3 V 当开关置于c处时，三极管发射结也加正向电压导通，UBE＝0.7V，则 IB?3?0.7?0.0767 mA??IBS 10?103?20?103故三极管处于放大状态，其 IB?76.7 μA IC??IB?100?76.7?7.67 mA UCE?12?IC?1?103?12?7.67?10?3?1?103?4.33 V 3.1.4.2三极管的主要参数 三极管的参数是表示其性能和使用依据的数据，主要有以下参数： 1．电流放大倍数 （1）直流电流放大系数? 对于图3-6所示的共发射极放大电路中，在静态ui?0时，把输入电压集电极直流电流IC和基极直流电流的比值，称为共发射极直流电流放大系数，即 ??IC (3-23) IBICBOμABECRcUCC（2）交流电流放大系数? 在图3-6共发射极放大电路中，当uCE为定值时，集电极电流的变化量?iC与基极电流变化量?iB的比值，即??电流放大系数。 ?iC，称为共发射极交流?iBICBO测试电路图3-8 尽管?和?的意义不同，但由于管子的集射极穿透电流ICEO很小，可以忽略不计，故两者的数值比较接近，即???。在一般工程估算中，?可用?来替代，其数值在几十到几百之间。 33 第3章 晶体三极管及其放大电路 2．极间反向电流 （1）集电极－基极之间的反向饱和电流ICBO 集电极－基极之间的反向饱和电流ICBO是在发射极开路情况下，集电极－基极之间的反向电流，其测试电路如图3-8所示。实际上ICBO是由集电结反偏时，集电区和基区中的少数载流子漂移运动所形成的。在一定温度下，其数值和集电结的反偏电压无关，基本上是常数，故称为反向饱和电流。ICBO的数值很小，但受温度的影响大。 对于一般小功率硅管的ICBO小于1μA，锗管约为几个微安至几十微安。由于ICBO是集电极电流的一部分，会影响三极管的放大性能，故它是衡量晶体管温度稳定性的参数，其数值越小越好。 （2）集电极－发射极之间的穿透电流ICEO 集电极－发射极之间的穿透电流ICEO是在基极开路情况下，集电极到发射极的电流。其测试电路如图3-9所示，由于此电流是由集电极穿过基极到达发射极的，故称为穿透电流。ICEO在数值上是ICBO的（1＋?），故对晶体三极管的温度稳定性影响更大。小功率硅管一般ICEO在几微安以下，而小功率锗管的ICEO约为几十微安以下。 BECμAICEORcUCCICBO测试电路图3-9 ICEO和ICBO都是衡量三极管的重要参数，由于ICEO的数值要比ICBO大很多，并且测量计较容 易，故常把ICEO作为判断三极管质量的重要依据。 3．集电极最大允许电流ICM 当三极管的集电极电流增大到一定程度时，管子不一定损坏，而是电流放大系数?值明显下降，说明三极管的输出特性曲线随着集电极电流的增加而增密。通常把?值下降到正常值 2时所3对应的集电极电流规定为集电极最大允许电流。ICM属于三极管的极限参数，一般情况下不允许超过此值。超过此值尽管管子不会损坏，但特性会变差。一般小功率管的ICM约为几十毫安，大功率管可达几安培。 4．集电极－发射极之间反向击穿电压U(BR)CEO U(BR)CEO是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压，如图3-7b所示，此时 集电结是处于反向偏置，故当集电极和发射极电压之间电压超过U(BR)CEO时，集电结会反向击穿，集电极电流会大幅度上升，此时导致三极管损坏。 5．集电极最大允许功率损耗PCM 集电极的功率损耗等于集电极直流电流IC与集电极－发射极之间直流电压UCE的乘积，即 PC?ICUCE (3-24) 由于集电极电流流过集电结会产生热量，使结温升高。结温的高低意味着管子功耗的大小。而管子的结温是有一定限制的。所以集电极最大允许功率损耗PCM就是集电结的结温达到极限时的功耗。一般来说，锗管的允许结温约为70℃～90℃，硅管约为150℃。 值得注意的是，环境的不同对集电极最大允许功率损耗的要求不同，如果环境温度增高，则 PCM会下降。如果管子加散热片，则PCM可得到很大的提高。一般在环境温度为25?C以下，把PCM<1W的管子称为小功率管，PCM>10W的管子称为大功率管，功率介于两者之间的管子称为中 34 第3章 晶体三极管及其放大电路 功率管。 由集电极最大允许电流ICM、集电极－发射极之间反向击穿电压U(BR)CEO和集电极功率损耗 PC?ICUCE围成的一个区域，称为三极管的安全工作区，如图3-7b过功耗区左侧所示区域。 例3-3 某晶体三极管的输出特性曲线如图3-7b所示，试求UCE?8V时，A、B点的?和?值。 解：由图中可以看出，当iB由40μA增大到60μA时，集电极电流的变化量为 为确保晶体三极管能正常安全工作，使用时不应超出这个区域。 ?iC?3.35?2.2?1.15 mA 则管子的交流电流放大系数为 ???iC1.15??57.5 ?iB(60?40)?10?3而在A的管子直流电流放大系数为 ?A?IC2.2??55 IB40?10?3在B的管子直流电流放大系数为 ?B?IC3.35??55.8 ?3IB60?10由此可见??? 3.2 三极管放大电路的基本分析方法 放大电路是电子线路中应用最广的电路，主要任务是将微弱的电信号进行放大并驱动负载，或能用通用仪器测量。放大电路包括电压放大器和功率放大器，如图3-10为扩音机电路框图。首先话筒将声音信号转换程微弱的电信号，一般为毫伏级，通过多级电压放大器后，得到幅度较大输出电压。然后通过功率放大电路将信号放大到足够推动负载(扬声器)所需的功率。 放大器件通常采用晶体三极管、场效应管、运算放大器或其它专用放大器件。 3.2.1三极管放大电路的三种组态 信号源MIC电压放大器功率放大器SP图3-10 扩音机组成框图 根据图3-3晶体三极管的三种组态，则由NPN型三极管构成的放大电路也有三种组态：共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，如图3-11所示。 ?UCC?UCC?UCC uoRLRbC1TRcC2RbC1TC2Rb1TRcC2RsusuiuoRLRsus(a)uiRe(b)RLuoC1Rb2Rs Re(c)uius图3-11 放大电路的三种组态(a) 共发射极放大电路(b) 共集电极放大电路(c) 共基极放大电路对于共发射极放大电流，交流信号由基极输入，输出电压取自集电极；而共集电极放大电路，交 35 第3章 晶体三极管及其放大电路 流信号也是由基极输入，输出电压取自发射极，故又称为射极输出器；共基极放大电路的交流信号由发射极输入，输出电压取自集电极。每个放大电路各有自己的特点，应用的场合也不同。一般共射极放大电路作为多级放大电路的中间级，提供较大的电压放大倍数；而共集电极可以作为多级放大电路的输入级、中间级和输出级，主要作为阻抗匹配；而共基极放大电路用在高频电路。 本章先介绍共发射极放大电路的分析方法，然后介绍共集电极和共基极放大电路。 3.2.2共发射极放大电路的组成 共发射极放大电路如图3-12 a所示，图3-12b是其工作波形。它由三极管T、电阻Rb和Rc、电容C1和C2以及集电极直流电源UCC组成。ui为信号源的端电压，也是放大电路的输入电压， uo为放大电路的输出电压，RL为负载电阻。 1．放大电路组成原则 为了使放大电路正常工作，其组成要满足下面的条件 （1）晶体三极管工作在放大区，要求使管子的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置； （2）由于三极管的各极电压和电流均有直流分量(ui?0时)，也称为静态值或静态工作点，而被放大的交流信号叠加在直流分量上，要使电路能不失真地放大交流信号，必须选择合适的静态值，可以通过选用合适的电阻Rb和Rc和三极管参数来实现。 （3）要使放大电路能不失真地放大交流信号，放大器必须有合适的交流信号通路，以保证输入、输出信号能有效、顺利地传输。 （4）放大电路必须满足一定的性能指标要求。 2．各元器件的作用 a. 三极管T：是放大电路的核心器件，其作用是利用输入信号产生微弱的电流ib，控制集电极ic变化，ic由直流电源UCC提供并通过电阻Rc(或带负载RL时 /的RL?Rc//RL)转换成交流输出电压。 uiiCC1+RCC2tOIBiBT+uCE3.6k?iBt+5.1k?b. 基极极直流电源UBB：通过Rb为为晶体三极管发射结提供正偏置电压； c. 基极偏置电阻Rb：UBB通过它给三极管发射结提供正向偏置电压以及合适的基极直流偏置电流，使放大电路能正常工作在放大区，因此，Rb也称偏置电阻。 ui300k?Rb+uBERLOICiCt--12V+uoOUBB12V-UCC-UCEOuCEtuoO(a)(b)t图3-12 共射极基本放大电路(a)共射极放大电路(b)共射极放大电路工作波形d. 集电极直流电源UCC：通过Rc为为晶体三极管的集电结提供反偏电压，也为整个放大电路提供能量。通常UBB和UCC为同一个电源，于是，该放大电路常画成图3-14 a所示电路。 e. 集电极负载电阻Rc：其作用是将放大的集电极电流转换成电压信号。 f. 耦合电容C1和C2：对于直流信号起到隔直作用，视为开路。C1是防止直流电流进入信号 36