晶体三极管的工作原理和频率参数分析

【实验教会我】

1.晶体三极管的伏安特性；

2.晶体三极管β与工作点和温度的关系；

3.晶体三极管的频率特性；

4.晶体三极管静态工作点分析和设计方法；

5.Multisim的参数扫描、温度扫描、频率扫描和工作点仿真；

6.Multisim中如何定义输出函数和修改仿真温度；

7.Pocket Lab的直流电压表使用。

【实验器材表】

【背景知识回顾】

本实验涉及的理论知识包括晶体三极管特性、晶体三极管直流工作点设置。

1）晶体三极管的伏安特性曲线

晶体三极管的各端电流与两个结电压之间的关系可采用曲线形式描述，被称为晶体三极管的伏安特性曲线。

晶体三极管作为四端网络，每对端口均有两个变量（端电压和电流），因此需采用两组曲线族在平面坐标上表示它的伏安特性。其中采用最多的两组曲线族分别是输入特性曲线族和输出特性曲线族。前者是以输出电压为参变量，描述输入电流与输入电压之间关系的曲线族；后者是以输入电流（或电压）为参变量，描述输出电流与输出电压之间关系的曲线族。

将晶体三极管接成共发射极连接，如图3-2-1所示。相应的输入特性曲线族和输出特性曲线族分别为

图3-2-1　共发射极连接时端电流和端电压

（1）输入特性曲线族

实测的输入特性曲线族如图3-2-2所示。由图可见，曲线形状与vCE有关。当参变量vCE增大时，曲线将向右移动，vCE在0～0.3 V之间变化时曲线移动较大，vCE＞0.3 V以后曲线变化很小。在vBE一定时，vCE在0～0.3 V时晶体三极管工作在饱和模式，vCE越小饱和越深，iB就越大，导致曲线移动增大。当vCE大于0.3 V时，晶体三极管工作在放大模式，vCE增大时，iB略有减小。因为共发射极连接时，vCE=vCB+vBE，其中发射结正偏，vBE约在0.7 V附近变化，因此vCE中的大部分电压都加在集电结上，当vCE增大时，集电结上反偏电压vCB增大，导致集电结阻挡层宽度增大，基区的实际宽度减小，因而，由发射区注入的非平衡少子电子在向集电结扩散过程中与基区中多子空穴复合的机会减小，从而使iB减小。通常将vCE引起基区实际宽度变化而导致iB变化的效应称为基区宽度调制效应。当发射结为反偏时，基极反向饱和电流很小。但当vBE向负值方向增大到V（BR）BEO时，发射结击穿，基极反向电流迅速增大。V（BR）BEO称为发射结反向击穿电压。

图3-2-2　共发射极输入特性曲线族

（2）输出特性曲线族

实测的输出特性曲线族如图3-2-3所示。根据外加电压的不同，整个曲线族可划分为4个区，即放大区、截止区、饱和区和击穿区。

图3-2-3　共发射极输出特性曲线族

a.放大区

在这个区域内，晶体三极管的发射结加正偏，集电结加反偏，工作在放大模式。iC与iB之间满足传输方程

iC=βiB+ICEO

由于基区宽度调制效应，当vCE增大时，基区复合减小，导致α和β相应略有增大，因而每条以iB为参变量的曲线都随vCE增大而略有上翘。若参变量iB变为vBE，将不同vBE的各条输出特性曲线向负轴方向延伸，它们将近似相交于公共点A上，如图3-2-4所示。对应的电压用VA表示，称为厄尔利电压。|VA|越大，上翘程度就越小。

图3-2-4　厄尔利电压

b.截止区

当晶体三极管的发射结和集电结均加反偏，管子工作在截止模式。截止区应是iE=0以下的区域，在图3-2-3中即为iC=ICBO，iB=-ICBO以下的部分。但工程上一般规定iB=0，相应地在图3-2-3中iC=ICEO以下的区域称为截止区。

c.饱和区

当晶体三极管的发射结和集电结均正偏，晶体三极管工作在饱和模式。在这个区域内，随着vCE减小，iC将迅速减小，且iC与iB之间已不再满足电流传输方程。由图3-2-3可见，输出特性曲线由放大区开始进入饱和区所对应的vCE将随iB减小而略有减小。工程上，为了简化起见，一般均忽略iB的影响，以vCE=0.3 V作为放大区和饱和区的分界线。

d.击穿区

随着vCE增大，加在集电结上的反偏电压vCB相应增大。当vCE增大到一定值时，集电结发生反向击穿，造成电流iC剧增。

2）变化的β

β不是一个与iC无关的恒定值，它仅在iC的一定范围内，随iC的变化很小，可近似认为是常数。如图3-2-5（a）所示，超出这个范围，β将下降。因此，在输出特性曲线族上，当iB等量增加时，输出特性曲线不是等间隔地平行上移，特别是在iC值过大和过小的区域内，输出特性曲线显得比较密集，如图3-2-5（b）所示。实测输出特性曲线的疏密程度反映了晶体三极管β的变化。同时β是温度敏感参数。工程分析时，可近似认为，每升高1℃，Δ¯β/¯β增大0.5%～1%。

图3-2-5　β与iC的关系

3）晶体三极管的频率参数

在信号频率较低时，可以不考虑三极管的寄生电容，三极管各端口之间的电量关系与频率无关。但是随着信号频率的提高，寄生电容的引入会导致这些电量关系随频率而发生变化。三极管的频率参数就是评价晶体三极管高频性能的特征参数。

高频时，三极管的共发射极电流放大系数的幅值β（ω）是与角频率有关的。当ω≪ωβ时，β（ω）≈β，即为低频（不考虑寄生电容）时的电流传输系数；当ω=ωβ时，β（ω）下降到β的0.707倍（-3 dB），因此ωβ称为β（ω）的转折点角频率，此后随着角频率的增加β（ω）下降；当β（ω）下降到1时所对应的角频率用ωT表示，称为特征角频率，其值为ωβ的β倍。在这个频率上，晶体三极管开始丧失电流放大能力。

4）晶体三极管直流工作点的等效电路分析法

等效电路分析法指在进行三极管直流工作点工程近似分析时，普遍采用晶体三极管的大信号电路模型进行直流分析的方法。但三极管有放大、饱和、截止三种工作模式，不同的工作模式对应了不同的大信号模型。在分析前，必须首先确定晶体三极管的工作模式，才能采用相应工作模式下的电路模型。而管子的工作模式需要通过分析来确定。因此，一般都是先假定工作在放大模式，再由分析结果进行验证或确定实际的工作模式。

（1）放大模式大信号模型

放大模式下，晶体三极管实质为输出电流受输入发射结电压控制的非线性器件。为分析方便，晶体三极管在共发射极连接时的线性化模型如图3-2-6（a）所示。基极和发射极之间等效为一只独立的二极管，在进行工程分析时，该二极管采用大信号电路模型表示，并忽略二极管的正向导通电阻，而集电极电流IC仅受控于基极电流IB。从而得到图3-2-6（b）所示的晶体三极管大信号电路模型。图中，VBE（on）为发射结的正向导通电压。

图3-2-6　晶体三极管共发射极连接模型

（2）饱和模式大信号模型

晶体三极管工作在饱和模式时，两个结均为正偏，且已失去正向受控作用，因而在饱和模式下，它们可近似用两个导通电压表示，分别为VBE（sat）和VBC（sat），称为饱和导通电压。晶体三极管的集电结是低掺杂的，它的导通电压显然比发射结低。对于硅管，一般取

因此VCE（sat）=VBE（sat）-VBC（sat）=0.3 V，相应的大信号电路模型如图3-2-7所示。

图3-2-7　饱和模式下共发射极连接时的大信号电路模型

图3-2-8　截止模式下共发射极连接时的大信号电路模型

（3）截止模式大信号模型

晶体三极管工作在截止模式时，两个结均为反偏。若忽略它们的反向饱和电流，则可近似认为晶体三极管的各极电流均为零。因此，共发射极连接时，它的大信号电路模型可以用两段开路线来表示，如图3-2-8所示。

5）静态工作点Q的合理设置

放大器静态工作点的合理设置是实现其交流性能的前提。设置静态工作点的电路称为放大器的偏置电路。对偏置电路的要求：一是提供放大管所需的静态工作点Q；二是所提供的静态工作点在环境温度、电源电压等外界环境因素变化或更换管子时力求维持不变，其中尤以环境温度变化对Q的影响最大。

如图3-2-9（a）所示的放大器基本电路，要实现不失真放大，必须选取VIQ使静态工作点设置在放大区，且远离截止区和饱和区，如图3-2-9（b）中的Q点。若Q点设置靠近截止区（Q′），则输入电压负峰值的一部分进入截止区而使输出信号电压的正峰值附近被削平。若移向饱和区（Q″），则输出信号电压负峰值的一部分进入饱和区而被削平。这种被削平的截止失真和饱和失真，统称为平顶失真。

图3-2-9　静态工作点的设置

为了提高偏置电路的稳定性，实际电路中常采用分压式偏置电路，如图3-2-10所示。为了减小RE对交流信号的影响，往往在RE上并接大电容CE，要求它在信号频率上的容抗很小，近似短路。分压式偏置电路之所以能够有效地稳定静态工作点，就在于RE对ICQ的自动调节作用。

图3-2-10　分压式偏置电路

【背景知识小考查】

考查知识点：直流工作点计算

在图3-2-11所示电路中，双极型晶体管2N3904的β≈120，VBE（on）=0.7 V。计算T1的各极电流和电压，并填入表3-2-3的计算值一栏。

图3-2-11　晶体三极管静态工作点分析电路

【一起做仿真】

1）晶体管输入特性曲线

在Multisim中搭建图3-2-12所示电路，仿真双极型晶体管2N3904的输入特性曲线。

图3-2-12　输入/输出特性曲线仿真图

仿真设置：依次选择Simulate→Analyses→Parameter sweep…，在弹出窗口中（如图3-2-13所示）选择扫描参数的Device type为接在CE间的电源V2，这是两个参数扫描中的参变量；在Points to sweep中选择扫描种类为List（列表离散值），并在Value list中给定0，0.3和10三个值；在More Options的Analysis to sweep中选择Nested sweep，点击Edit analysis按钮，弹出如图3-2-14所示窗口，选择Device type为接在BE间的电源V1，这是两个参数扫描中的主变量；在Points to sweep中选择扫描种类为Linear（线性扫描），给定Start（起始值）、Stop（终止值）和Increment（步进值）；在More Options的Analysis to sweep中选择DC Operating Point，点击OK按钮，返回到图3-2-13。并在Output中选择iB作为输出，如图3-2-15所示，点击Simulate，进行参数扫描，获得如图3-2-16所示的输入特性曲线族。

图3-2-13　参数扫描窗口

图3-2-14　参数扫描二级窗口(www.xing528.com)

图3-2-15　Output表格

图3-2-16　输入特性曲线族

2）晶体管输出特性曲线

仿真设置：依然采用图3-2-12所示电路，设定正确的仿真参数，仿真双极型晶体管2N3904的输出特性曲线。

从输出特性曲线族上，大致估算出双极型晶体管进入放大区时的vCE电压，它是一个固定的值吗？为什么？

3）变化的β

仿真设置：依然采用图3-2-12所示电路，依次选择Simulate→Analyses→DC Sweep…，在弹出窗口中选择扫描Source为V1，给定Start（0.5）、Stop（0.9）和Increment（步进值）；在Output中点击Add expression…按钮，弹出如图3-2-17所示窗口，在该窗口中的变量选择栏和函数选择栏中正确选择，获得β表达式，仿真双极型晶体管β与VBE的关系。

图3-2-17　Output设置

请阐述β与vBE的关系，说明直流工作点设置时的注意事项。

4）温度扫描

图3-2-18　温度扫描电路

仿真设置：采用如图3-2-18所示电路，依次选择Simulate→Analyses→Temperature sweep…，在弹出窗口的Points to sweep中选择Linear，给定Start（-40）、Stop（125）和Increment（步进值）；在Analysis to sweep中选择DC Operating Point，如图3-2-19所示；在Output中点击Add expression…按钮，依然选择β表达式作为输出，仿真双极型晶体管β与温度的关系。

图3-2-19　温度扫描

请阐述β与温度的关系，读出不同温度时的β值，记录于表3-2-1中。

表3-2-1　不同温度时的β值

5）晶体管fT仿真

仿真设置：在图3-2-12中，双击V1信号源，设定V1=0.7 V，AC analysis magnitude=1，依次点击Simulate→Analyses→AC analysis…，在图3-2-20的弹出窗口中设置起始频率、终止频率、扫描种类（Sweep type为Decade）和垂直显示的Scale，并将Output设置为β，仿真双极型晶体管fT。

请阐述β与频率的关系，并读出fβ和fT，记录于表3-2-2中。

图3-2-20　交流仿真

表3-2-2　fβ和fT的读数

6）晶体管直流偏置电路

（1）根据图3-2-11所示电路，在Multisim中搭建晶体三极管2N3904的直流偏置电路。

仿真设置：依次点击Simulate→Analyses→DC Operating Point…，在弹出窗口中（如图3-2-21所示）选择需要列出的静态工作各节点电压和各支路电流，然后点击Simulate，进行直流工作点分析。在弹出的直流工作点窗口中选取Export to Excel的图标，如图3-2-22所示，可将输出结果转入到Excel中，并填入表3-2-3中的仿真值一栏。

图3-2-21　选取直流工作点

图3-2-22　保存直流工作点

表3-2-3　晶体三极管2N3904的静态工作点（RB2=20 kΩ）

注1：由于量程问题，基极电流无需实测。
注2：由于暂无法测试直流电流，请采用电压/电阻的方法得到实测电流。

（2）将图3-2-11中的RB2改为2 kΩ，重新进行直流工作点仿真，完成表3-2-4。

表3-2-4　晶体三极管2N3904静态工作点（RB2=2 kΩ）

（3）将图3-2-11中的RB2改为80 kΩ，重新进行直流工作点仿真，完成表3-2-5。

表3-2-5　晶体三极管2N3904静态工作点（RB2=80 kΩ）

对比表3-2-3、3-2-4和3-2-5，说明在3种不同偏置情况下，晶体管处于何种工作区，填入表格3-2-6。体会偏置设置对三极管工作状态的影响及在不同工作区，晶体管各极电压和电流的变化情况。

表3-2-6　工作区

【动手搭硬件】

晶体三极管偏置电路实验

（1）电路搭建

首先根据图3-2-11在面包板上搭试电路，并将Pocket Lab的直流输出端+5 V和GND与电路的电源、地节点连接，其中2N3904的B，C，E极请参照图3-2-23的引脚说明。

图3-2-23　2N3904引脚图

（2）节点电压测量

将Pocket Lab的一路输入端接到电路中的待测点。在电脑中打开Pocket Lab的直流电压表，如图3-2-24所示。点击ON/OFF开关，直接读出各节点电压。

图3-2-24　直流电压测试窗口

（3）数据记录

将测得的电流、电压数据填入表3-2-3，完成计算值、仿真值和测试值的对比。

【设计大挑战】

将图3-2-11所示电路中的NPN 2N3904改为PNP 2N3906。已知2N3906的β≈230，|VBE（on）|=0.7 V。设计、计算和仿真2N3906的偏置电路，在表3-2-7中填入计算值和仿真值。

将设计好的电路在面包板上搭试完成，并将Pocket Lab的直流输出电源和GND与电路的电源、地节点连接；用Pocket Lab的直流电压表测试各节点电压和支路电流。将测试结果填入表3-2-7。2N3906引脚定义见图3-2-25。

提示：根据PNP和NPN管不同的偏压方法，可尽量保持所有电路元件和连接方式不变，仅采用-5 V电源实现PNP管偏置。

图3-2-25　2N3906引脚图

表3-2-7　晶体三极管2N3906静态工作点

注1：由于量程问题，基极电流无需实测。
注2：由于暂无法测试直流电流，请采用电压/电阻的方法得到实测电流。

请简单记录设计过程和计算过程。

【研究与发现】

简单偏置电路与分压式偏置电路稳定性对比

（1）在Multisim中搭建如图3-2-26所示的晶体管简单偏置电路，取RC=4.7 kΩ，RB=1.2 MΩ，仿真该简单偏置电路的基极电流、集电极电流和集电极电压，与图3-2-11分压式偏置电路仿真结果相比较，并将两种电路的仿真结果分别填入表3-2-8和表3-2-9中的27℃栏。

（2）对两个电路分别进行高低温度的工作点仿真，仿真温度为工业界的标准低温——-40℃和标准高温125℃，观察并记录此时的工作点变化，填入表3-2-8和表3-2-9中相应的温度栏。

仿真设置：依次点击Simulate→Analyses→DC Operating Point…，在弹出窗口中（如图3-2-27）点击Analysis options，在SPICE options中选中Use custom settings，再点击Customize…，弹出窗口Custom Analysis Options，如图3-2-28所示。该窗口中是用户可修改的仿真选项。将Operating temperature[TEMP]勾选后，可在后面的空格内键入仿真温度，如27℃。然后再点击OK键，此时的仿真结果即为用户指定温度下的工作点仿真结果。

图3-2-26　简单偏置电路

图3-2-27　DC Operating Point…设置窗口

（3）对比分析两种电路的温度仿真结果，你发现了什么？请思考原因和体会。

图3-2-28　Custom Analysis Options窗口

表3-2-8　简单偏置电路不同温度的工作点仿真结果

表3-2-9　分压式偏置电路不同温度的工作点仿真结果