1.2双极型半导体三极管三极管半导体是一种具有放大作用的半导体器件，分双极型晶体管和场效应管两大类。双极型晶体管由两种极性的载流子参与导电，故称双极型晶体管；而场效应管只由一种极性的载流子参与导电，故场效应晶体管又称单极型晶体管。本节主要讨论双极型晶体管的结构、特性及应用电路。(以下介绍的三极管均指双极型半导体三极管，即双极型晶体管。)1.2.1三极管的结构、材料、极性和符号三极管是由两个PN结三层半导体组成的器件。三层半导体可以排成两种不同的组合，如图1.16(a)所示。三层半导体分别称发射区、基区和集电区，从各区引出的电极则称发射极(e)、基极(b)和集电极(c)，发射区与基区之间的PN结称发射结；基区和集电区之间的PN结则称集电结。三极管的电气符号如图1.16(b)所示，带箭头的电极
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示发射极，箭头的方向表示发射极电流的实际方向。三极管的种类很多。根据材料可分为锗三极管、硅三极管；根据PN结类型可分为PNP和NPN型三极管；根据频率可分为高频管和低频管；根据功率可分为大功率管和小功率管等。(a)三极管结构示意图(b)三极管的电气符号1.2.2三极管的三个电流及其控制关系三极管的基本功能是放大作用。要使三极管具有放大作用，必须满足其外部条件，即发射结加正向电压(一般小于1V)，集电结加反向电压(一般为几伏至几十伏)。在上述条件下，三极管的三个电极电流如图1.17所示，并具有如下关系：(1)IE＝IC＋IB(2)IC比IB大得多，，其值近似为常数，称为三极管电流放大系数。图1.17三极管内部电流分配关系1.2.3三极管的特性、三种工作状态、参数和检测三极管的特性曲线是指三极管的输入特性和输出特性。输入特性是指UCE一定时，输入电压UBE和输入电流IB的关系；输出特性是指IB一定时，UCE和IC的关系。输入特性和输出特性可以通过实测得到，图是NPN管输入特性和输出特性的实测电路。1．输入特性输入特性曲线是指UCE为一定值时，加在三极管的基极和发射极之间的电压UBE与它所产生的基极电流IB之间的关系，用函数表达式表示为用输入特性曲线表示如图1.19所示。其中UCE＝0的曲线完全和二极管的伏安特性的正向特性一致；UCE>1V的曲线是三极管工作在放大状态时的输入特性曲线，因为三极管工作在放大状态时，UCE>1V的条件一定是满足的。图1.19三极管的输入特性曲线2．输出特性输出特性曲线是指基极电流IB为一定值时，输出回路中集电极和发射极之间的电压UCE与集电极电流IC的关系，用函数关系式可表示为用输出特性曲线表示如图1.20所示。对输出特性曲线的分析如下：(1)当UCE＝0V时，IC≈0V，曲线过坐标原点。(2)IB＝0时，在外加电压UCE下，IC＝ICEO≈0(ICEO称为三极管的穿透电流)。(3)若IB为某固定值时，在UCE较小的时候，随着UCE的增大，使IC迅速增大，即图中特性曲线的起始上升部分。当UCE继续增大，IC不能继续增大而趋于平缓，即图中特性曲线的平坦部分。在这一区域，UCE的变化很大而IC的变化很小，呈现一种动态电阻很大的恒流特性。此时，IC＝βIB，IC几乎和UCE无关。图1.20三极管的输出特性曲线(4)当调整IB为不同的值时，可得到一族曲线，如图1.20所示，当UCE>1V以后，随着IB的增大，IC也跟着增大，体现了IB对IC的控制作用，因此，三极管属于电流控制的电流源。除按前图逐点测量描绘出输入特性曲线和输出特性曲线的方法外，通常，输入特性曲线和输出特性曲线也可以在专用的特性图示仪上测出。3．三极管的三种工作状态图1.21三极管的三种工作状态由三极管的输出特性曲线可以看出三极管工作时可分成三个工作区，如图1.21所示，中间线性的区域称放大区。该区域UCE逐渐增加，IC变化很小，特性曲线近似水平，在此区域IC≈βIB。而由IB＝0与横轴所围成的小区域，称截止区。图中IB＝0时，IC＝ICEO，ICEO为管子的穿透电流，一般较小，但在高温下，对于锗管该值较大。在特性曲线的起始部分，UCE≤UBE(饱和压降)，IC随UCE的变化上升很快，因此，在该区域，IC≠βIB，IB对IC失去控制作用，此区域称饱和区。三极管的三种工作状态是指三极管工作在三个区域的状态：截止状态、放大状态和饱和状态。在图1.21中，三极管工作在三种工作状态的特点及参数之间的关系如表1.5所示。表1.5三极管的三种工作状态的特点及参数之间的关系IC＝IC＝工作状态截止状态放大状态饱和状态条件发结反偏集电结反偏发射结正偏集电结反偏发射结正偏集电结正偏参数关系IB＝0UCE≈VCCIC≈0IBUCE≈VCC－ICRCIBUCE≈0应用开关电路放大电路开关电路4．三极管的主要参数(1)电流放大系数。三极管的电流放大系数分直流电流放大系数和交流电流放大系数两种。其中，共射极直流电流放大系数为 当三极管输入变化量时，共射极交流电流放大系数为β的数值可以从输出特性曲线上求取，也可以用测量仪测量。从特性曲线直接求值的方法如图1.22所示，在管子的放大区作一条UCE＝C的直线，在Q点附近，可以看出，当IB从50μA到100μA时，IC由4.4mA增加到9mA，所以而Q点处的IC＝9mA,IB＝100μA，所以(a)集电结反向电流ICBO(b)穿透电流ICEO1.23三极管的极间反向电流(3)三极管的极限参数。三极管的极限参数就是当三极管正常工作时，最大的电流、电压、功率等的数值，它是三极管能够长期、安全使用的保证。①集电极最大允许电流ICM。当集电极的电流过大时，晶体管的电流放大系数将下降，一般把下降到规定的允许值(例如额定值的～)时的集电极最大电流叫集电极最大允许电流。使用中若IC>ICM，管子不一定立即损坏，但性能将变坏。②集电极-发射极间击穿电压U(BR)CEO。基极开路时，加于集电极和发射极间的反向电压逐渐增大，当增大到某一电压值U(BR)CEO时开始击穿，其U(BR)CEO叫集电极-发射极间击穿电压。当温度上升时，击穿电压要下降，所以工作电压要选得比击穿电压小很多，一般选击穿电压的一半，以保证有一定的安全系数。③集电极最大允许耗散功率PCM。由于集电结是反向连接的，电阻很大，通过电流IC后会产生热量，使集电结温度上升。根据管子工作时允许的集电结最高温度TJ(锗管为700C，硅管可达1500C)，从而定出集电极的最大允许耗散功率PCM，使用时应满足PC＝UCEIC
PCM区，称为过损耗区，使用时，PC不允许超过最大功耗PCM。图1.24三极管的最大功耗区5.三极管的检测(1)管脚的判别：①判别基极。选择万用表R×1K或R×100档(注意调零)，先假定一个管脚为基极并把红表笔接在该管脚上(如图1.25所示)，用黑表笔分别接另外两个管脚，测得两个阻值，如果阻值一大一小，则所假设的不是基极，应重新假设另一管脚，直到所测两个阻值同大(或同小)，将表笔对换，再测一次，阻值将变为同小(或同大)，这时，所假设的管脚即为基极。在此基础上，还可判定管子是NPN型还是PNP型：若两阻值同大时，即NPN型(红表笔接基极)；若两阻值同小时，即PNP型(红表笔接基极)。②判别发射极和集电极。若管子为NPN型管，已知基极后，剩下两个电极，假定一个管脚为集电极，用黑表笔接在该管脚上(如图1.26所示)，红表笔接另一管脚，再在所假设的集电极和基极之间加100kΩ的电阻，这时，万用表测得的电阻阻值将变小，将两个要判别的管脚对换，用同样的方法再测一次，阻值变小幅度大的一次，则黑表笔所接的管脚为集电极；若管子为PNP型，则应调换表笔。1.26发射极和集电极的判别(2)管子性能的判别：①PN结的好坏。检查正、反向电阻，方法略。②测穿透电流。如图1.27所示(若是PNP型管则应调换表笔)，阻值应在几十千欧(低频管可低些)，若阻值太小，则
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穿透电流大，性能不好；若阻值慢慢变小，说明管子性能不稳定。图1.27测穿透电流③β值的检测。在万用表的面板上，一般都有可供测β的测孔，当对β值要求不是很高时，用万用表进行测量即可。1.2.4三极管的三种组态三极管是分立元件放大电路的核心元件，三极管在放大电路中有三种接法，又称三种组态，图1.28是三极管在放大电路中三种接法的示意图。(a)共射接法(b)共集接法(c)共基接法图1.28三极管在放大电路中的三种接法所谓共射接法是指由三极管组成的两输入输出端口电路中，发射极是输入输出端口的公共极；共集接法是指集电极是输入输出的公共极；共基接法是指基极是输入输出端口的公共极。在由电阻、电容、三极管组成的实际电路中，共射、共集、共基是对交流信号而言的，因此要把实际电路中的电容和直流电源视为短路，找出输入输出端口的公共极，图1.29是实际共射、共集、共基三种组态电路图。(a)共射接法(b)共集接法(c)共基接法图1.29三极管的三种组态电路1.2.5基本共射电路的组成及工作过程分析1．基本共射电路的组成基本共射放大电路的原理图如图1.30所示。它是放大电路的最基本的结构形式，输入信号在基极和发射极间输入，输出信号在集电极和发射极间取出，发射极作为输入信号和输出信号的公共端，故称共发射极电路。图中直流电源VCC是整个电路的能量来源，也是保证三极管工作于放大状态的基本条件；基极偏置电阻RB，一方面使电源给发射结加正向电压，另一方面给三极管提供合适偏流IB；集电极负载电阻RC，一方面使电源给集电结加反向偏压，另一方面把三极管的电流放大转换成电压放大；电容C1、C2为耦合隔直电容，它使交流信号顺利通过，同时隔断直流电源对信号源和负载电阻的影响。RL是放大电路的负载电阻。2．共射电路的工作过程分析上述基本共射电路中，直流电源和交流信号共同作用，在分析其工作过程时，可以把直流电源和交流信号分开单独分析。(1)静态工作情况。直流电源单独作用、输入交流信号为0时的工作状态叫静态。为了使放大电路能够正常工作，在静态时三极管的发射结必须处于正偏，集电结必须处于反偏。此时，在电源VCC作用下，三极管各极的直流电压、直流电流分别为UBEQ、、UCEQ、IBQ、ICQ，如图1.31所示的波形。(2)动态工作情况。放大电路有交流信号输入时的工作状态叫动态。动态工作情况下的各极电压、电流是在直流量的基础上脉动的。它们的动态波形都是一个直流量和一个交流量的合成，即交流量驮载在直流量上，信号的放大过程如下：交流信号ui经电容器C1加到三极管V的发射结，使b-e两极间的电压随之发生变化，即在基极直流电压的基础上叠加了一个交流电压，波形如图1.31(b)所示。由于发射结工作于正偏状态，正向电压的微小变化量，都会引起正向电流的较大变化，此时的基极电流iB也是在直流IB的基础上迭加一个交流量ib，如图1.31(c)所示。由于三极管的电流放大作用，iC将随着iB做线性放大，集电极电流也可看做是直流的电流IC＝IB上叠加交流的电流iC＝ib，如图1.31(d)所示。显然，当脉动电流通过集电极电阻RC时，由于iC的变化，引起RC上压降的变化，从而造成管压降的变化，这是因为集电极电阻RC和三极管V串联后接在直流电源上，当集电极电流的瞬时值iC增大时，集电极电阻RC的压降也将增大，因而三极管的压降将减小，波形中的脉动uce同样也可以看做是直流压降UCEQ和交流压降uce的叠加，如图1.31(e)所示。最后，集电极输出的交流量经过耦合电容C2送到输出端，电容C2将隔去信号中的直流成分，而输出端将得到放大了的交流信号电压uo输出。从上面的分析可以得出如下结论：①放大电路要正常工作，必须给三极管提供合适的静态电压和电流值，即合适的静态工作点。②信号在放大过程中，其频率不变。③交流信号的输入和输出波形的极性相反，或者说，共射放大电路具有反相的作用。1.2.6三极管放大电路的静态工作点三极管放大电路的静态工作点是指没有信号输入，只在直流电源的作用下，三极管各极的直流电压和直流电流的数值，因为这些数值在输入输出特性上表现为一点，故称静态工作点。静态工作点是信号的驮载工具，它保证交流信号能够顺利地不失真地通过三极管进行放大。为了确定静态工作点，可以先画出直流通路，即直流电源单独作用时的直流电流通过的路径。电容对直流信号表现出很大的阻抗，相当于开路，图1.32画出共射放大电路的直流通路。由图1.32知，计算静态值IBQ、ICQ、UCEQ的公式如下。ICQ＝UCEQ＝VCC－ICQRC根据以上各式，可以估算出放大电路的静态工作点。静态工作点选取不合适，将使波形产生严重失真。如图1.33所示。如果静态工作点选择太低，如图中Q1，因为工作点靠近截止区，将使iC的负半周、uCE的正半周顶部被削去，产生截止失真。如果静态工作点选择位置太高，如图中Q2，因为工作点靠近饱和区，从而使iC的正半周和uCE的负半周被削去一部分，产生饱和失真。同理，若信号太大，超出三极管放大线性区域，iC和uCE的两个半周的顶部都被削去一部分，这种失真称双向限幅失真。截止失真、饱和失真、双向限幅失真通称为非线性失真。由此可见，若三极管的静态工作点取在如图1.33所示的Q0处，可获得最大不失真的输出信号。在实际使用时，工作点选取的原则是能低则低，以不失真为前提，这样可省电，并减小热噪声。1.2.7放大器性能参数及对放大器性能的影响放大器的质量常用一些性能参数来评价，主要的性能参数包括Au、ri、ro、fL、fH和fBW等。1．电压放大倍数Au电压放大倍数是表示放大电路对电压放大能力的参数，它定义为输出波形不失真时输出电压与输入电压的比值，即其中uo和ui为输出电压和输入电压的有效值，若考虑其附加相移时，则应用复数值来表示。有时，放大倍数也可用“分贝”来表示，给放大倍数取自然对数再乘以20倍，即为放大倍数的分贝值。Au(dB)＝20lgAu当输入电压大于输出电压时，叫衰减，dB取负值；当输入电压小于输出电压时，叫增益，dB取正值；当输入电压等于输出电压时，dB为0。对于放大器来说，当然要求有高的电压增益。2．输入电阻ri放大器对于信号源来说，它是信号源的负载，而对于负载来说，它又是负载的信号源，于是，放大器可用如图1.34的模型来等效它。图1.34放大器的等效模型输入电阻即从放大器的输入端看进去的交流等效电阻，也即信号源的负载电阻ri，如图1.34所示，输入电阻为：图中us为信号源信号电压，Rs为信号源内阻，ui为输给放大器的信号电压，其大小为：由上式可知，ri越大，放大电路从信号源获得的信号电压越大，同时从信号源获取的信号电流ii越小，所以，在放大电路中一般要求ri越大越好。3．输出电阻ro输出电阻是从放大器的输出端看进去的交流等效电阻r0。输出电阻定义为输入端短路，此时u0∞＝0，输出开路即RL＝∞，在输出端加信号uo，从输出端流进放大器的电流为io。则输出电阻为：一般地，输出电阻常通过工程的方法进行测量，即测出放大器输出端的开路电压uo∞和负载电压uo，如图1.34所示，则放大器的输出电阻为：输出电阻是衡量放大器带负载能力的性能参数，ro越小，输出电压uo随负载电阻RL的变化就越小，即输出电压越稳定，带负载的能力越强。所以，通常要求放大器的输出电阻越小越好。4．通频带fBW由于放大器存在电抗元件(如图1.36中的耦合电容C1、C2，旁路电容CE等)及三极管的极间电容等，随着信号频率的不同，容抗也跟着变化，在中频一段频率范围内，这些电容的容抗都可忽略不计，所以，中频放大倍数基本不变，而当信号频率过低，容抗将大大地增大，耦合电容和旁路电容与输入电阻是串联的关系，它们的阻抗不能忽略，它们将分去一部分的信号电压，从而使电压放大倍数下降；同理，当信号频率过高时，由于分布电容(极间电容和线路分布电容等)与输入输出电阻是并联的关系，这时，分布电容的容抗就不可忽略，它们的容抗对输入输出电阻就有影响，因而将分去一部分的信号电流，从而使放大器的放大倍数大大下降。放大倍数随频率变化称频率响应，仅讨论幅值，不考虑相移时称幅频特性，如图1.35所示。图1.35放大电路的频率特性当放大器的放大倍数随频率下降到中频时的0.707倍时，它对应的两个频率分别为上限截止频率fH与下限截止频率fL，fH与fL之差则称放大电路的通频带fBW，如图1.35所示。由于电子电路的信号频率往往不是单一的，而是在一段频率的范围内，例如广播中的音频信号，其频率范围通常在几十赫到几十千赫之间，所以，要使放大信号不失真，放大电路的通频带要求足够大。如果太小，就会造成一部分频率的信号放大得大些，一部分放大得小些而产生失真，这种失真称为频率失真又称为线性失真。1.2.8常用三极管单元电路介绍1.分压式偏置共发射极放大电路图1.36分压式偏置电路(1)分压式偏置共射电路的静态工作点。图1.36所示为分压式偏置共射放大电路。该电路与前节所述基本共射电路相比，不同在于基极的偏置采用电阻RB1和RB2的分压形式，而且发射极接一个反馈电阻RE，该电路能够稳定其静态工作点。由实践可知，三极管的参数(包括穿透电流ICEO、电流放大系数、发射结的正向压降UBE等)都会随着环境温度的改变而发生变化，从而使已设置好的静态工作点Q发生较大的移动，严重时将使波形产生失真，如图1.37所示。环境温度T上升时，及ICEO都会随之上升，整个输出特性的曲线族将上移，曲线间隔加宽，在相同的偏流IB的情况下，IC增大，因而静态工作点Q将上移，波形产生饱和失真。分压式偏置电路从两个方面稳定静态工作点。①利用电阻固定基极电位UB。设流过电阻RB1和RB2的电流分别是I1和I2，显然I1＝I2+IBQ，由于一般IBQ较小，只要合理选择参数，使I1>>IBQ，即可认为I1≈I2，这样，基极电位为该式子表示UB只与VCC和电阻RB1、RB2有关，它们受温度的影响小，可认为固定值不随温度的变化而变化。②利用发射极电阻RE起负反馈作用，实现静态工作点的稳定。其稳定静态工作点的过程如下：T↑→ICQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓ICQ↓如果合理选择参数，使UB>>UBE，则有：上式说明ICQ是稳定的，它只与固定电压和电阻有关，和β无关，同时在更换管子时，不会改变原先已调好的静态工作点。(2)分压式偏置共射电路的Au、ri、R0的计算式如下：2.分压式偏置改进型共射电路分压式偏置改进型共射电路如图1.38所示。图1.38分压式偏置改进型共射电路3.共集电极放大电路(1)基本共集电极放大电路如图1.39所示。图1.39基本共集电极放大电路静态工作点的计算式为：分压式偏置的共集电极放大电路如图1.40所示。图1.40分压式偏置的共集电极放大电路静态工作点的计算式为：基本共集电极放大电路和分压式偏置的共集电极放大电路的区别在于基本共集电极放大电路的静态工作点ICQ和β有关，在更换不同β管子后需要重新调整ICQ，而分压式偏置的共集电极电路的静态工作点ICQ和β无关，更换不同β的管子后，不需要重新调整工作点。不管是那一种共集电极放大电路，它们的共同特点是：①输入信号和输出信号相位一致；②输入电阻大，输出电阻小，因此能有效地接收信号源的输入信号，又有利于把输出信号传送给负载；③放大倍数小于1而近似等于1，因此共集电极电路又称电压跟随器，或称射极跟随器。
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