模电-晶体管
模电-晶体管
晶体管是现代电子技术中最基本的元器件之一，广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍双极型晶体管（BJT）的原理、特性及其在基本放大电路中的应用。
一、双极型晶体管（BJT）
晶体管有两大类型：
- 双极型晶体管（BJT）
- 场效应管（FET）
双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体三极管，简称为晶体管。它由两个PN结组合而成，有两种载流子参与导电，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。场效应管仅有一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。
1.1、双极型晶体管
1.1.1、结构及类型
双极型晶体管有两种结构类型：NPN型和PNP型。
1.1.2、三种组态
共发射极接法：发射极作为公共电级，用CE表示；
共集电极接法：集电极作为公共电极，用CC表示；
共基极接法：基极作为公共电极，用CB表示；
1.1.3、晶体管的电流放大作用
双极型晶体管的结构特点：基区很薄且掺杂浓度最低；发射区的掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低很多，集电结面积大于发射结面积。双极型晶体管的结构是对称的，但发射级和集电极不能互换。
为使双极型晶体管具有电流放大作用，发射结应加正向偏置电压，集电结应加反向偏置电压。
载流子的传输
发射极电流： IE = IEN+IEP，且IEN>>IEP
集电极电流：IC =ICN+ICBO
ICN =IEN-IBN，且IEN>> IBN，ICN>>IBN
基极电流：IB =IEP+IBN-ICBO
发射极电流又可以写为： IE =IEP+IEN =IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB
1.1.4、晶体管的共射特性曲线
共发射极接法的晶体管的特性曲线包括：
1.输入特性曲线—— ib =f(uBE)| Uce=const
(1)当UCE =0V时，共射输入特性曲线 与半导体二极管的正向特性曲线相似，iB 和uBE呈指数关系；
(2)随着UCE的增加，集电结收集电子的能力提高，特性曲线向右移；
(3)当UCE≥1V时，发射区发射到基区的 电子基本上被集电区收集，曲线右移不明显，近似用UCE =1V曲线代替。
2.输出特性曲线—— ic =f(uCE)| Ib=const
(1)当UCE =0V时，因集电极无收集作 用，IC =0；
(2)随着uCE的增大，集电区收集电子 的能力逐渐增强，iC随着uCE增加而增加；
(3)当uCE增加到使集电结反偏电压较大时，运动到集电结的电子基本上都被集电结收集，此后uCE再增加，集电极电流也没有明显的增加，特性曲线进入与轴基本平行的区域。
(1)截止区:IB =0曲线下方的区域，iC =ICEO ≈0。 发射结正偏且小于开启电压或发射结反偏， 集电结反偏。
(2)放大区:特性曲线几乎平行于横轴且等间距， iC随iB的增加而线性增加。发射结正偏且大于开启电压，集电结反偏。
(3)饱和区:iC随uCE的增大而迅速增大。发射结正偏且大于开启电压，集电结正偏。
晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三类。
1.1.5、主要参数：
1、直流参数
1.1、直流电流放大系数
（1）、共发射极直流电流放大系数
在uCE不变的条件下，输出集电极电流ICQ与输入基极电流IBQ之比，定义：
（2）、共基极直流放大系数
1.2、极间反向电流
(1) 、集电结的反向饱和电流Icbo :Icbo是发射极开路时集电结的反向饱和电流。小功率的硅管Icbo小于1µA， 锗管Icbo为10µA左右。
(2) 、穿透电流: Iceo为基极开路时集电极与发射极之间的穿透电流。小功率的硅管Icbo在几微安以下，锗管Icbo约在几十到几百微安。
2、交流参数
2.1、交流电流放大倍数
(1) 共发射极交流电流放大系数β
(2) 共基极交流电流放大系数
2.2、特征频率ft
β是信号频率的函数。当信号频率高到一定程度时，β将会下降。β下降到 1时所对应的信号频率称为晶体管的特征频率，用fT表示。
2.3、共射截止频率率fβ
低频时共发射极交流电流放大系数为β0。β下降到
时所对应的信号频率称为晶体管的共射截止频率fβ。
2.4、 共基截止频率fα
低频时共基极交流电流放大系数为α0。α下降到
时所对应的信号频率称为晶体管的共基截止频率fα。
特征频率、共射截止频率和共基截止频率三者之间大致满足如下关系：
3、极限参数
集电极最大允许电流ICM 当集电极电流IC增加到一定程度时，β就要下降，使β 值明显减小时的IC称 为集电极最大允许电流ICM。
集电极最大允许功率损耗PCM 集电结耗散功率pC =iC×uCE。PCM表示集电结上最大允许耗散功率。
反向击穿电压 反向击穿电压表示晶体管电极间承受反向电压的能力。
由晶体管的极限参数 PCM、ICM和U(BR)CEO确定了晶体管的过损耗区、过流区和击穿区。使用晶体管时，应避免使其进入上述三个区域，保证晶体管工作 在安全工作区。
1.1.6、晶体管的温度特性
1、温度对Icbo的影响
当温度升高时，半导体的本征激发增大，漂移电流增大，Icbo随之增大。
2、温度对输入特性曲线的影响
当温度升高时，输入特性曲线左移，Ube减小。
3、温度对输出特性曲线的影响
当温度升高时，输出特性曲线上移且间距变大，穿透电流Iceo增加，β增加，Ic增加。
1.2、双极型晶体管及其基本放大电路
1.2.1、放大的概念
基本放大电路是放大电路中最基本的结构形式，是构成复杂放大电路的基本单元，一般是指由一个双极型晶体管或场效应管所组成的放大电路。
可以将放大电路看成是一个含有受控源的双端口网络。它由信号源、放大器、直流电源组成。放大电路一般包括负载，但负载不是放大电路的必须组成部分。
放大电路的作用主要体现在以下方面:
1、放大电路主要利用输入信号对双极型晶体管或场效应管的控制作用，使输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大。放大的前提条件是不失真，即只有在不失真的前提下放大才有意义；
2、输出信号的能量主要是由直流电源提供的，只是经过双级型晶体管或场效应管的控制作用，将直流电源的能量转换为输出信号的能量。放大的本质是能量的控制与转换。
1.2.2、放大电路的性能指标
放大电路的性能指标是衡量其性能优劣的标准。
放大电路的性能指标主要包括放大倍数（增益）、输入电阻、输出电阻和通频带等。
1、放大倍数（增益）
放大电路的增益包括电压增益（或称电压放大倍数）、电流增益（或称电流放大倍数）、互阻增益、互导增益和功率增益（或称功率放大倍数）。
2、输入电阻
输入电阻是从放大电路的输入端看进去的等效电阻。输入电阻是描述放大电路从信号源吸取电流大小的参数。输入电阻越大，放大电路从信号源吸取的电流越小，放大电路的性能越好。
3、输出电阻
输出电阻是从放大电路的输出端看进去的信号源等效电阻。输出电阻是描述放大电路带负载能力的参数。输出电阻越小，表明带负载的能力越强，放大电路的性能越好。
方法一：
令输入信号源电压 Us=0、负载开路，在输出端加入电压Uo ，此时输出电流为Io ，则
方法二：
为了测试放大电路的输出电阻，可以先测试负载开路时的输出电压Uo‘，再测试负载电阻为Rl时的输出电压Uo，则
4、通频带
由于放大电路中的电抗性元件和晶体管内PN结的电容效应，使得放大电路的电压增益也是频率的函数。有下限截止频率和上限截止频率。通频带带宽用上限截止频率减去下限截止频率，用BW表示。一般上限截止频率远大于下限截止频率，所以一般通频带带宽约等于上限截止频率。
1.3、共射基本放大电路的组成及工作原理
1.3.1、组成
组成原则：
1、保证放大电路的核心器件（晶体管）工作在放大状态。即选择合适的直流电源和电阻阻值，建立合适的静态工作点，保证电路输出电压不失真。
2、输入回路的设置应能使输入信号有效地作用于晶体管的发射结，形成变化地基极电流，从而形成变化地集电极电流。
3、输出回路地设置应能够使输出信号有效地作用于负载上，保证将晶体管放大后的电流信号转变成作用于负载上的电压信号。
1.3.2、工作原理
1、静态和动态（又称直流工作状态和交流工作状态）
晶体管基本放大电路的静态是指输入信号等于零时，即ui=0V时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流信号的工作状态，也称直流工作状态。
晶体管基本放大电路的动态是指输入信号不等于零时，电路中各处的电压、电流都处于变动状态也称交流工作状态。
只有建立了合适的静态工作点，才能保证晶体管工作在放大区 ，才能保证放大电路在不失真的情况下放大输入信号。
2、交流通路与直流通路
直流通路是指直流量传递的路径，由晶体管、集电极电阻Rc、基极电阻Rb和直流电源Vcc构成。在确定直流通路时耦合电容、旁路电容视为开路。
交流通路是指交流信号传递的路径，由晶体管、集电极电阻Rc、基极电阻Rb和负载Rl构成。在确定交流通路时，耦合电容、旁路电容和直流电源视为短路。
1.4、基本放大电路的分析方法
对晶体管基本放大电路的分析包括静态分析和动态分析。分析放大电路时，必须先进行静态分析（或称直流分析），然后再进行动态分析（或称交流分析）。
放大电路的静态分析用放大电路的直流通路来分析。具体的分析方法有计算法和图解法。
放大电路的动态分析用放大电路的交流通路来分析。具体的分析方法有图解法和微变等效电路法。
1.4.1、图解法
由于晶体管的特性曲线是非线性的，不能用数学表达式来描述，只能用输入、输出特性曲线来表示。在分析放大电路时可采用图解的方法。
采用图解法对晶体管基本放大电路进行静态分析，就是利用晶体管的输入、输出特性曲线和放大电路的输入、输出回路方程，通过作图求解放大电路的静态工作点。
晶体管基本放大电路的动态图解法就是在晶体管的特性曲线1坐标系内通过作图的方法，求解放大电路的放大倍数和最大不失真输出幅度，讨论输出信号的波形失真情况。
1、静态分析
2、动态分析
3、输出波形失真分析
由于晶体管特性的非线性引起的失真，称为非线性失真，包括饱和失真和截止失真。饱和失真是由于放大电路动态工作时，进入了晶体管输出特性的饱和区而引起的非线性失真。截止失真是由于放大电路动态工作时，进入了晶体管输出特性的截止区而引起的非线性失真。
4、最大不失真输出信号幅度
最大不失真输出幅度指放大电路的输出信号非线性失真系数不 超过额定值时的输出信号的最大值，一般用Uommax或Iommax表示。
5、输出功率
1.4.2、微变等效电路法
微变等效电路法的核心是在小信号条件下，把非线性的晶体管用一个线性模型来代替，使基本放大电路变成一个线性电路。
1、 晶体管低频小信号模型
式中四个系数，分别为：