電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)理論課第十講BJT電子工程系期末考試范圍：期中之后我在理論課上講授內(nèi)容理論課第七講：二端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課第八講：p18-30：晶體管三種組態(tài)（對照第10講理論課三種組態(tài)綜合理解）理論課第八講：負(fù)反饋放大器理論課第九講：MOSFET應(yīng)用課第九講：電源和噪聲源理論課第十講：BJT理論課第十一講：線性描述理論課第十二講：電流鏡和差分對應(yīng)用課第十講：p1-36：例題分析（去年作業(yè)題）BJT

大綱BJT受控機(jī)制BJT伏安特性曲線與等效電路有源區(qū)等效電路：流控流源/壓控流源截止區(qū)和歐姆區(qū)等效電路：開關(guān)BJT反相電路晶體管放大器的三種組態(tài)電子工程系2011年21.1

BJT結(jié)構(gòu)3NPN+P+NPENPN-BJTC基區(qū)

BE:emitter

發(fā)射極：發(fā)射多子C:

collector

集電極：收集多子B:base

基極：少子導(dǎo)電通道控制端集電結(jié)發(fā)射結(jié)基區(qū)很薄發(fā)射區(qū)摻雜濃度高CPNP-BJTEB發(fā)射結(jié)集電結(jié)CEBCEBNPN：兩個二極管背對背

PNP：兩個二極管面對面集電區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)GDSGDSNMOSFETNPN-BJTPNP-BJTPMOSFET1.2

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)E

= IC

+

IB電子工程系2011年4NN+ECVBEVCB電子擴(kuò)散P擴(kuò)散復(fù)合BIBIEICIEnIEpIBpIE:發(fā)射極總電流

IEn:電子擴(kuò)散電流

IEp:空穴擴(kuò)散電流

IEr:耗盡層復(fù)合電流

IE

=IEn

+IEp

+IEr發(fā)射結(jié)正偏耗盡層變薄集電結(jié)反偏耗盡層變厚IB:基極總電流IBp:基區(qū)復(fù)合電流B

Bp

Ep

ErI =

I +

I +

I

-

I基區(qū)很薄，摻雜濃度低I:集電極總電流CICn:電子漂移電流ICBO:反向飽和電流I =

I +

IC

cn

CBO空穴擴(kuò)散漂移漂移CBOICn漂移ICBO復(fù)合電流IEr電流分配關(guān)系NPN+ECVBEVCBBIBIEICIEnICnIBpIE

IC

IBEI

IC：共基極電流放大倍數(shù)：0.99左右基極做為公共地：BJT是一個電流緩沖器，集電極收集電子近似等于發(fā)射極發(fā)射電子增大集電極收集能力，要求基區(qū)更薄，發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于基區(qū)，大部分載流子通過CIB

IE

I

C

1

1

I

IC

IB：共發(fā)射極電流放大倍數(shù)：100或更大發(fā)射極做為公共地：BJT是一個電流放大器，集電極電流由基極電

流控制：代表了基極電流對集電極電流的控制作用1

如何理解電流控制關(guān)系CBEBCE小二極管

大二極管結(jié)面積A

結(jié)面積AIBIBIEICIB6（1）如果沒有集電極，發(fā)射極發(fā)射電子將全部被基極吸收，電壓電流滿足二極管指數(shù)規(guī)律2現(xiàn)有集電極，形成集電結(jié)，且基區(qū)很薄，發(fā)射極發(fā)射電子大部分被集電極收集，少部分在基區(qū)和空穴復(fù)合：和空穴復(fù)合的部分可視為結(jié)面積為A的一個小二極管，電子被集電極收集的部分可視為結(jié)面積為A的大二極管，這兩個二極管電壓相等，電流和電壓滿足相同的二極管指數(shù)規(guī)律，顯然電流比為結(jié)面積之比，為1：，即集電極電流IC=IB

。3故而當(dāng)基極電流IB改變時，集電極電流IC=IB將同時改變，兩者之間是一個流控流源關(guān)系，控制系數(shù)近似為一個常數(shù)BE結(jié)BC結(jié)1.3

電路模型CBEBCIBICIBENPN晶體管是特殊連接關(guān)系的雙二極管結(jié)構(gòu)其特殊性表現(xiàn)在發(fā)射極發(fā)射的大部分電子被集電極收集，內(nèi)在看，BE結(jié)被等效為兩個面積相差倍的二極管的并聯(lián)由于兩二極管等效具有相同的BE

結(jié)電壓，故而電流之比為，從而二端口網(wǎng)絡(luò)可等效為流控流源BCEIBIBIEICIB7元件約束方程以發(fā)射極為公共端點，形成的二端口網(wǎng)絡(luò)，需要兩個元件約束方程以完備描述CBEIBICCIB

VCE

EBVBEE1BS

I

e

vTVBE

IBBICI11

壓控流源VBEC CS

VBE

e

vTI

I

e

vTI流控流源8對元件約束的修正基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)正偏BE結(jié)具有指數(shù)律關(guān)系，其電壓在0.7V附近很小的變化即可導(dǎo)致電流極大的變化，

近似認(rèn)為VBE電壓變化不大當(dāng)二端口CE電壓很大時，意外著CB電壓提高，集電結(jié)反偏電壓的提高導(dǎo)致集電結(jié)耗盡層厚度增加，于是基區(qū)等效厚度降低穿過基區(qū)到達(dá)集電區(qū)，集電極電流增加基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)Base-Width

Modulation假設(shè)集電極電流的增加和VCE成正比關(guān)系CBEBCBIICIBEE

VCEVCE

IBIC

I

B

1ce

I

IBrcerce

VA

VAIB

IC11A

C CS

I

I，故而有

的電子直接

I

e

vTCEVBE

e

vTVBEVV

1VArce9BJT

大綱BJT受控機(jī)制BJT伏安特性曲線與等效電路有源區(qū)等效電路：流控流源/壓控流源截止區(qū)和歐姆區(qū)等效電路：開關(guān)BJT反相電路晶體管放大器的三種組態(tài)電子工程系2011年102.1

IV特性曲線：IB為參變量電子工程系2011年VCEICBI

B

30AI

20ABI

40AIB

50ABI

10AIB

0A飽和區(qū)歐姆區(qū)有源區(qū)線性放大區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)CEICIBBVBEVCEBC結(jié)反偏雪崩擊穿流控流源BE結(jié)正偏BC結(jié)反偏BE結(jié)正偏BC結(jié)正偏反向有源區(qū)reverse

active發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏電流放大倍數(shù)較正向小3倍左右1112四個分區(qū)NPN-BJT工作區(qū)CB結(jié)反偏CB結(jié)正偏BE結(jié)正偏有源區(qū)飽和區(qū)（歐姆區(qū)）BE結(jié)反偏截止區(qū)反向有源區(qū)NMOSFET工作區(qū)VGD<VTHVGD>VTHVGS>VTH有源區(qū)歐姆區(qū)VGS<VTH截止區(qū)不存在這種情況源襯相連，漏極電壓只能高于源極電壓：VDS0NMOSFET工作區(qū)VGD<VTHVGD>VTHVGS>VTH有源區(qū)歐姆區(qū)VGS<VTH截止區(qū)源漏互換，有源區(qū)襯底電壓連接最低電壓，源極和漏極對稱，VDS可正可負(fù)，VDS為負(fù)時，源漏互換，互換后新的漏源電壓仍然滿足VDS0CEVAV

IV特性曲線：VBE為參變量CEVCIBEV

0.60VBEV

0.65VBEV

0.7VBEV

0.75VVBE

0V飽和區(qū)Saturation有源區(qū)forward

active截止區(qū)cut-off擊穿區(qū)breakdown1VBE

e

vTI

1VA厄利電壓VBEIC

ICSeT1

v壓控流源

0VCBCB

EICI

BVBECE13V2.2有源區(qū)直流分析vbevceVBE

VBE0VCE

VCE

0A

111CS

BS

e

evTvTC

BE0

CE

0C

0B

BE0

CE

0B0I

f

V,V

II

f

V,V

IVBE

0VBE

0VV

CE

0

14

A

IB

IB

0

ibIC

IC

0

icCS

CECBS

BI

e

vTVBE

e

vTVBEI

fC

VBE

,VCE

I

f

B

VBE

,VCE

IVV

111直流非線性分析有源區(qū)交流線性分析15m

be

ce

ceceAbeTACSATQ

ceCE

fCQ

bei

fCc

g

v

g

vV

IC

0

vv

IC

0

vVVv

Q

beI

BEVBECSe

vTvvVvVVBE

Q

ceI

e

vT1

vV

1CE

be

be

beTQ

beTQ

beBEbv

I

g

vB0

vv

I

BS

e

vTvvV

f

BiVBEA

111CS

CECBS

BI

e

vTVBE

e

vTVBEI

fC

VBE

,VCE

I

f

B

VBE

,VCE

IVV

交流線性分析交流線性分析直流等效電路和交流等效電路BIB0E直流等效電路：相對精密VBE0Crce

VCE0EBCIB0

IC0IB0

IC0IB0E直流等效電路：手工估算模型作業(yè)計算中可采用這個模型VBE0VCE0E0.7Vcvberbegmvbe

rceee原理分析中經(jīng)常采用的交流小信號跨導(dǎo)模型bcibibrbercerbee交流小信號跨導(dǎo)模型低頻電路原理分析中rb常常忽略不計rb：102，rbe：10krbm

vTbegI

vTC

0IB0r

Tmv

IC

0gC

0b16

VAceIr2.3

飽和區(qū)VCEICVBE

0.7VVBE

0.75V飽和區(qū)有源區(qū)VBE

0.65V

擊穿區(qū)VBE

0.60VVBE

0V截止區(qū)VBE兩個PN結(jié)均正偏由于CE電壓太小，集電結(jié)正偏，兩個二極管的非線性形成了非線性電阻特性開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)非理想導(dǎo)通：導(dǎo)通電阻VCBCBV

0VE0VCBVBEICVCECBV

0V

0VVCB0VQI

B17飽和區(qū)等效電路IC100

200

300

400

500

600

700

VCE

mV

10mA16mAIB

100AVCE,satIBBIC,satCVCE,offVBEE

飽和區(qū)電流下降迅速，用電壓源建模EVCE,sat0.7VVCE,offRCE,satCIBIC,sat0.2VEBVBEEVCE,sat0.7V手工估算飽和區(qū)電路模型O飽和區(qū)182.4

截止區(qū)等效電路電子工程系2011年19CEVICVBE

0.65VBEV

0.7VBEV

0.75VVBE

0.60VVBE

0V飽和區(qū)有源區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)BEV

E

0V發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏I(xiàn)B

0IC

0三端點懸浮開路QCBVBEICVCEI

BCBIC

0IB

0EIE

02.5

NPN和PNP有源區(qū)電路方程與等效電路CEBCE1

1I

I

e

vT

CEVBEC

CS

,n

VVA,n

11I

I

e

vTECVEBC

CS

,

p

VV

A,

p

高電平低電平CII

EI

BVCEVBEICEII

BEBVBVEC高電平低電平b

cvberbegmvbe

rceebcvebrbegmveb

rce20e21BJT

大綱BJT受控機(jī)制BJT伏安特性曲線與等效電路BJT反相電路反相放大電路晶體管跨導(dǎo)放大模型反相器晶體管開關(guān)模型晶體管放大器的三種組態(tài)3.1

BJT反相放大電路直流偏置電壓源VCC，為晶體管放大器提供直流電能VBB

VCCLRRBR信源內(nèi)阻RSsvC交流電能22Coutv直流偏置電壓源V

，BB可以就是VCC，也可能是VCC分壓偏置的等效直流偏置電阻，為晶體管提供直流偏置C

（直流工作點）直流偏置電阻CB耦合電容隔直通交小信號電壓源，提供電壓激勵耦合晶體管，能量轉(zhuǎn)換器，將直流電能轉(zhuǎn)化為電容負(fù)載電阻，接收晶體管放大器的交流能量輸出或交流電壓、交流電流輸出正確直流偏置情況下，輸出信號是激勵小信號的放大直流偏置電路CCVRCBRVBBSRCC直流開路CBvsLRCCVRCBRVBBRS23vsVBEQCEQVLR直流開路VCCRCBRVBBVBEQCEQVRCVCCRBVBBBEQVCEQV0.7VIBQIBQICQcer直流偏置分析VBEQ

0.7VBBRBV

0.7IBQ

RBICQ

VBB

0.7

IBQVBB

0.7

C

RBR

ICQ

RCVCEQ

VCC

VCC

假設(shè)RC<<rce24直流負(fù)載線圖示法分析BRVBBVBEVBB

VCCI

BCIVCEQBBQBI

IVCCRCICQQCIBQVBEQVCEQBEQ25V

0.7V手工估算中，取Datasheet一般只提供以IB為參變量的特性曲線：可以比較精確地測量獲得特性曲線中有厄利效應(yīng)，因而圖示法中有rce的影響交流小信號線性分析CCVRCBRVBBRSCCvsVBEQCEQVLR交流短路CBRC26BRRSvsLR交流短路支路微分電阻為RB支路微分電阻為RC線性電阻線性電阻交流線性分析27RBRSRC

RLsvgmvbebevrberceCRLRBRRSsvbeI

gr

vT

B0

mvTIgm

C

0

IC

0

VAceroutvRB

||

rbeRS

RB

||

rbevbevssRS

RB

||

rbeRB

||

rbem

ce

g

r

||

RC

||

RL

m

be

ceoutv

g

v

r

||

RCL||

R

vAv

gm

RLbLCCR

R

||

RVBBBRVBBVBEBIICVCEBQBQBI

IVCCVCCCQIBQVBEQVCEQRCICQvbeib交流負(fù)載線分析vceicBRRCvs

R

BRS

RBvsRB

RS

||

RBCRRBvsbevibcevic2011年電子工程系28直流工作點上的晶體管線性化VBEICVCEBQCQIBQVBEQCQVCEQIB

IBQvceIvbeibicBRRCberrce2011年電子工程系29線性放大信號傳輸過程電子工程系2011年30QBQCvbeicic

RC

vce

0vbe

ibrbeRCRBsvvbeibvceicsvvbeibIB

IBQ

ibrce

IB

IBQvceIB

IBQ

ibcevcisibib

RB

vbe

vm

bececbcecrri

vce

g

vi

vce

i3.2

BJT反相器電路VCCVOUTVINCRRB限流電阻負(fù)載電阻VINVOUTCCVVCE,satO截

有止

源區(qū)

區(qū)0.7V13V

VCCCE

,satOUTVVIN低電平VIN高電平VIN低電平VIN高電平VOUT高電平飽和區(qū)

VOUT低電平反相器信號轉(zhuǎn)移原理圖示VIN

,

HRBVIN

,

HBEVIBCEVQBHICIB

IBHRCVCCQCHICQBLQVIN

,

LVIN

,

LVIN

,

HBHICL

I

B

I

BLQBH23IIBLVCCVCE,sat截止區(qū)VCC飽和區(qū)BJT

大綱BJT受控機(jī)制BJT伏安特性曲線與等效電路BJT反相電路晶體管放大器的三種組態(tài)BJT：MOSFET：CE、CB、CCCS、C33四、晶體管放大器的三種組態(tài)Common

EmitterCE：共射組態(tài)Common

BaseCB：共基組態(tài)Common

CollectorCC：共集組態(tài)Common

SourceCS：共源組態(tài)Common

GateCG：共柵組態(tài)Common

DrainCD：共漏組態(tài)反相器Inverter電壓反相電流緩沖器Current

buffer電壓緩沖器Voltage

buffer344.1

CE/CS跨導(dǎo)放大器CECSvberbegmvbe

rceCQBQ

vTinR

rbeI

vTICQ

VAoutR

rceICQvTmg

Ivgsgmvgs

rdsinR

DQ

VEdsoutIR

rI

DQGSQTH0.5V

V

mg

PN結(jié)導(dǎo)電所對應(yīng)的熱電壓形成導(dǎo)電溝道的過驅(qū)動電壓CE/CS本征電壓/電流增益CEvberbegmvbe

rceCSvgsgmvgsrdsm

beb

g

ri

ic,shortAi0vT

VAICQvbeVAvT

ICQ

gm

rcevce,openAv0

gi

id

,shortAi0GSQ

THVE0.5V

V

DQTHGSQVEvgsI

DQ

gm

rdsvds,openAv0V

I0.5V

反相電壓放大輸入開路模型導(dǎo)致該結(jié)論CE/CS最大功率增益37CEvberbegmvbe

rceCSgmvgsvgsrdsm

ce

bem

cev0

i0g

r

rg

r

Gp,max214144A

1

Ap,maxA

v0

i0G

1

A4模型導(dǎo)致該結(jié)論實際MOSFET實現(xiàn)不了RS

rbeRL

rce

Gp.maxPS

,maxPLGp

S

,maxPLpPG

4.2

CB/CG電子工程系2011年38CBCGvberbegmvbe

rcevgsgmvgs

rdsb

cerbebeevebbcrcegmvebgssdgsvsggdrdsgmvsgCB/CG輸入阻抗39CBCGrbebevebbcrcegmvebgsvsggdrdsgmvsgmmbe

cegg

r

||

r

||

1

Rin,short1mbeg

r

Rin,open1gm

gmRin,short11

rds

||

Rin,openm

cebein

rce1

g

rR

r

||

RLRL

rdsRin1

gm

rds電子工程系2011年CB/CG輸出阻抗CBCGrbebevebbcrcegmvebgsvsggdrdsgmvsg

rceRout

,shortRout

,open

1rce

rbem

be

ceg

r

g

r

r

rbe

rce

gmrbe

rce

rbe

m

ceds

rRout

,shortRout

,open

rbe

||

RS

rce

gm

rbe

||

RS

rceRoutrdsRout

RS

gm

RS

rds

gm

RS

rds40

rbe

||

RS

gmrceCB/CG本征增益CBrbebevebbcrcegmvebCGgsvsggdrdsgmvsg

1電子工程系2011年41Av0

1

gm

rce

gm

rcei0A

rbe

rce

gmrbercerbe

gm

rberceA

1

g

r

g

rm

dsv0

m

dsAi0

1CB組態(tài)：電流緩沖器h21i1i2h22

(S)

v2h11

()12

2h

vi1v12v1irbe

rce

gm

rberce

i2rbe

rce

gm

rbercei11vgm1bec

1gmrbe

rce

m

m42ce

m

be

ce

be

cemcebe

ggm

gbe

gceg

gr

r

g

r

rrbehCBg

1101r

||

r||

1

h參量對應(yīng)等效電路的輸出電阻很大，輸入阻抗很小，反向電壓傳遞很小，用流控流源等效模型是適當(dāng)?shù)模航咏诶硐隒CCSRL

rce電流緩沖器單向化近似條件

1

0

0idealcurrent

buffer

0hCG組態(tài)CG1

00

101mm ds

dsm

ggds

g

g

g1

ghCG2v1ii2i11vgm1gsdrbe

rce

gm

rberce

r

r

g

r

r

m

ce

rbebe

ce1m

be

ce

m

be

ce

gm

gbe

gceg

ghCBgr

||

r||

1

rbe

rcerds43CB/CG最大功率增益CBCGRin,short

Rin,openRS

,opt

gmceRout,short

Rout,open

rR

L,optm

rbe

||

rce

||

gRin,short

1mbeg

r

Rin,open1

rceRout

,short

rbe

rce

gm

rbe

rceRout,openm

rds||gRin,short

1

Rin,opends

rRout

,short

Rout

,openGp,max

Av0

1

gmrceGp,max

Av0

1

gmrds作為選作作業(yè)，請證明opt44

Gp,maxS

,maxPLpPG

4.3

CC/CDCCCDvberbegmvbe

rcevgsgmvgs

rdsb

cerbecebvbecegmvbe

rcegssddgvgsdsgmvgsrds45CC/CD輸入阻抗46

rbeRin,shortRin,open

rbe

rce

gmrbe

rce

Rin,shortRin,open

rce

||

RL

gmrbe

rce

||

RL

Rin

rbeRin

CCCDrbecbvbecegmvbe

rcedgvgsdsgmvgsrdsCC/CD輸出阻抗mmcebegg

r

||

r

||

1

Rout

,short1ce

rRout

,openm

be

RSoutR

rce1

g

r||

rbeCCrbecbvbecegmvbe

rceCDdgvgsdsgmvgsrdsmmdsgg

r

||

1

Rout

,short11

?out

,openmds

r

?gR

?Rout47CC/CD本征增益CCrbecbvbecegmvbe

rceCDdgvgsdsgmvgsrdsAi0

1

gm

rbe

gm

rbe

1A

rbe

rce

gmrbercerce

gm

rbercev0Ai0

48

1v0A

m

ds1

g

rgm

rdsCC組態(tài)：電壓緩沖器

mbecebe

m

cem

m

m

cebebe

m

ce

g

g

g

gm

gbegCCgg

r

rggbe1

r

g

r110

g

g

g1becer

||

r

||1g11

(S)g12i2i1v1v2g22

()21

1g

vi2g參量矩陣對應(yīng)等效電路的輸出電阻很小，輸入阻抗很大，反向電流傳遞可忽略不計，用壓控壓源等效模型是適當(dāng)?shù)模航咏诶硐隫CVSRL

1

gm

,

RS

rbe電壓緩沖器單向化近似條件1iv1rbe

rce

gmrbercev2mg

11

v2ic49be

0

1gidealvoltage

buffer0

0CD組態(tài)CD

m

m ds

dsm0gmg

g

g

g

g1

10

0

011iv1v2mg

11

v2igsm

be ce

m

ce

m

be

g

g

gbe

m

cegm

gbe