第八章半导体三极管及基本放大电路

1、本章基本要求：本章基本要求：、熟悉和掌握双极型三极管的工作原理和外特性；、熟悉和掌握双极型三极管的工作原理和外特性；、掌握共射极放大电路的组成和基本工作原理；、掌握共射极放大电路的组成和基本工作原理；、掌握放大电路的两种分析方法：工程估算和图解方法；、掌握放大电路的两种分析方法：工程估算和图解方法；、熟悉射极输出器、多级放大电路、功率放大器。、熟悉射极输出器、多级放大电路、功率放大器。重点和难点：重点和难点：重点：重点：掌握双极型三极管的工作原理和外特性；掌握双极型三极管的工作原理和外特性；共射极放大电路的组成和基本工作原理；共射极放大电路的组成和基本工作原理；掌握放大电路的两种分析方法：工程

2、估算和图解方法掌握放大电路的两种分析方法：工程估算和图解方法难点：难点：掌握放大电路的两种分析方法：工程估算和图解方法；掌握放大电路的两种分析方法：工程估算和图解方法；第第 8 章章 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路 双极型三极管双极型三极管有两种类型有两种类型:npn型和型和pnp型。型。8.1 8.1 半导体三极管半导体三极管.1.1 .1.1 三极管的结构三极管的结构nnpbce集电极发射极基极集电区基区发射区集电结发射结npn图 npn型三极管结构和符号基极发射区pnp图 pnp型三极管结构和符号npbce集电极发射极集电区基区集电结发射结p贴片8550三极管引脚图

3、三极管制作工艺的的特点：三极管制作工艺的的特点： - -保证三极管具有放大作用的内部条件。保证三极管具有放大作用的内部条件。发射区的掺杂浓度比基区和集电区高得多发射区的掺杂浓度比基区和集电区高得多基区很薄且掺杂浓度底基区很薄且掺杂浓度底集电极结面积大集电极结面积大ec管芯结构剖面图npnbnpn型型三极管处于放大状态的工作条件三极管处于放大状态的工作条件内部条件：制作工艺特点内部条件：制作工艺特点外部条件：发射结正偏外部条件：发射结正偏( (利于多子扩散运动利于多子扩散运动) )，集电结，集电结反偏（反偏（利于少子漂移运动利于少子漂移运动）电位电位关系关系对npn型：vc vb ve对pnp型

4、：vc vb ve .1.2 .1.2 三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用bicibrcrccubbubicibrcrccubbu三极管内部三极管内部载流子的传输过程载流子的传输过程(以以npn共射极电路为例共射极电路为例)发射区发射区(大量电子大量电子)基区基区集电区集电区扩散漂移复合biciei发射结正偏集电结正偏说明：说明：发射区大量电子在发射结的扩散运动形成ie，在基区的与空穴的复合，形成基极电流ib，电子在集电结的漂移形成ic。三极管中电流的形成主要是发射区电子的运动形成，当然在三极管中还有其他载流子的漂移和扩散，由于形成电流很小，几乎可以忽略不计。bicibrcrccubbu

5、einpn输入回路输出回路三极管的三极管的 流分配关系流分配关系三极管各极的电流分配关系为三极管各极的电流分配关系为:基极电流基极电流ib增大时增大时, 集电极电流集电极电流ic也随之增大。也随之增大。当当ib有微小变化时，有微小变化时，ic即有较大的变化。即有较大的变化。ic、ie与与ib的关系：的关系：bceiii三极管的直流放大系数bcii三极管的交流放大系数bciibbebbciiiiii）或（，或11在工程计在工程计算时可认算时可认为：为：三极管的放大作用三极管的放大作用在右图所示的共在右图所示的共发射极电路中发射极电路中,若在基极的输入若在基极的输入端接入一个小的端接入一个小的输入

6、信号电压输入信号电压ui, 使基极电使基极电流产生一个随规流产生一个随规律变化的律变化的ib,通通过基极电流对集过基极电流对集电极电流的控制电极电流的控制作用作用,集电极电集电极电流也将产生相应流也将产生相应的变化量的变化量ic。i ic c i ib b ，这种以较小的输入电流，这种以较小的输入电流变化控制较大输出电流变化的作用，就变化控制较大输出电流变化的作用，就是三极管的电流放大作用。是三极管的电流放大作用。输入电压的变化,是通过其改变输入电流,再通过输入电流的传输去控制输出电压的变化,所以是一种电流控制器件电流控制器件。bbiicciibrcrccubbuiueeii8.1.3 三极管

7、的特性曲线三极管的特性曲线晶体管的伏安特性曲线是描述三极管的各端电流与两个pn结外加电压之间的关系的一种形式，其特点是能直观，全面地反映晶体管的电气性能的外部特性。三极管无论采用怎样的连接方式（共射、共基、共集）都存在输入回路和输出回路，因此，常采用的是输入特性曲线和输出特性曲线来描述。常数ceubebufi)(bicibrcrccubbueibeuceuaib/vube/2 . 04 . 06 . 08 . 00 . 10204060800ceuvuce1(1) 当uce=0v时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。(2) 当集电结进入反偏状态时， ucb= uce - ube随着 uce的增大

8、而增大，集电结的反偏加强。由于基区的宽度调制效应，基区变窄，基区复合减少，同样的ube下 ib减小，特性曲线右移。(3)当 uce1v以后，由于集电结的反偏电压可以在单位时间内将所有到达集电结边上的载流子拉到集电极，故ic不随uce变化；此时再增大uce ，只要ube保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定）， ib也就基本不变。所以，当uce超过1v后的输入特性曲线基本上是重合的。三极管输入特性曲线的说明三极管输入特性曲线的说明aib/vube/2 . 04 . 06 . 08 . 00 . 10204060800ceuvuce1常数bicecufi)(bicibrcrccubbueibe

9、uceumaic/vuce/2468024680biaib20aib40aib60aib80（1）ib=0，ic很小，也接近于0。（2）当ib一定，uce1v时，uce增大，ic基本维持不变。8.1.4 8.1.4 三极管的工作状态三极管的工作状态maic/vuce/2468024680biaib20aib40aib60aib80放 大 区饱和区饱和区截止区截止区截止区：ib=0的输出曲线以下的区域。此时， 发射结和集电结均反偏。ic只有很小的反向电流。晶体管c、e之间相当于开路。放大区：放大区：此时，发射结正偏，集电结反偏。ic不随uce变化，但随ib的增大而线性增大，且ic=ib。饱和区：

10、 ucevbve pnp管： vcvbube时时,ube忽略忽略不计。不计。 试估算图试估算图 所示的放大电路的静态工作点。所示的放大电路的静态工作点。 设设ucc=12v， rc=3k，rb=300k， =50。 例例 8.2 maruruuibccbbeccb04. 030012解解brcrccuiu_1c2cbiciei_beu_ceuoulrmaiiibbc204. 050viruuccccce63212 动态是有输入信号时的工作状态，动态分析对象是交流量，其目的是要确定放大电路的性能指标，主要包括放大倍数、输入电阻和输出电阻。 根据三极管的输入输出特性可知，三极管是非线性放大元件，但

11、当三极管工作在小信号（微变量）情况下，静态工作点附近的输入输出特性曲线就可以用直线段近似代替，这就是所谓对三极管的线性化，这样也就可以像处理线性电路那样来处理三极管放大电路。线性化电路模型也称为三极管的微变等效电路。8.3.2 8.3.2 动态交流指标的估算动态交流指标的估算1） 输入回路输入回路1. 1. 三极管的线性化电路模型三极管的线性化电路模型beubibeubiobibeubebebbebeiur)()(26)1 (300maimvrebe三极管的输入电阻流三极管的发射极静态电beeri三极管输入电阻的估算：三极管输入电阻的估算： 2） 输出回路输出回路三极管的值是一常数， 当三极管

12、输入回路有微小的输入信号时, 集电极电流变化量ic与发射极电压uce无关，仅由ib大小决定。所以三极管输出回路相当于一个受控制的恒流源受控制的恒流源。 bibiceucibcii三极管理想输出特性 3） 三极管线性化模型（三极管线性化模型（微变等效电路微变等效电路）三极管的线性化电路模型bibeubeciceucbeberbibeuceubic图图 8 20 放大器的小信号等效电路放大器的小信号等效电路2. 2. 三极管共发射极放大器的小信号等效电路三极管共发射极放大器的小信号等效电路( (微变等效电路微变等效电路) )beberbibicciiuoubrcrlr1） 电压放大倍数电压放大倍数

13、becioucllbeliouclllbobebirruuarrrrruuarrrriuriu，电路不带负载时，)/( ,3. 3. 交流指标的估算交流指标的估算放大电路交流指标主要包括：电压放大倍数（电压增益）、输入电阻和输出电阻。beberbibicciiuoubrcrlr 2） 放大器的输入电阻放大器的输入电阻irbeibebbebirrrrrrr,/一般beberbibicciiuoubrcrlrir一般情况下，放大电路的信号源是一个电压源信号源是一个电压源，它的内阻很小为了使放大电路的输入电压尽可能不失真地复现信号源电压，希望放大电路的输入电阻尽可能大。当信号源是一个内阻很大的电流源

14、内阻很大的电流源时(光电管和硅光电池都以高内阻提供电流)，就要求放大电路的输入电阻比信号源内阻小得多，使流入放大电路输入端的电流尽可能接近信号源电流 。sirrsisiiuuurrrusi 放大电路放大电路susririu信号源为信号源为电压源电压源放大电路放大电路sisririu信号源为信号源为电流源电流源siisiirurr,3） 放大器的输出电阻放大器的输出电阻orcorrorbeberbibicciiuoubrcrlr对负载而言，放大电路相当于一个有内阻的信号源，信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。放大电路的输出电阻要尽量小一些，以提高放大电路的带载能力。 olrroollluuurr

15、rulo放大电路放大电路ouorlr在下图电路中，三极管在下图电路中，三极管=50, rbe=1k, rb=300k，rc=3k，rl=2k，求，求(1)接入接入rl前、后的电压放前、后的电压放大倍数；大倍数；(2) 放大器的输入电阻、输出电阻。放大器的输入电阻、输出电阻。例例 8.3 brcrccuiu_1c2coulr解解: (1)1501350:beculrrar未接入时60610152350belulrrar接入后krrkrrrrcobebebi21/(2)用图解法求静态值的一般步骤：用图解法求静态值的一般步骤：1）给出三极管的输出特性曲线组；）给出三极管的输出特性曲线组；2）作出直流

16、负载线；）作出直流负载线；3）由直流通路求出基极电流）由直流通路求出基极电流ib (用估算法用估算法)bccbbeccbruruui4）得出合适的静态工作点；）得出合适的静态工作点；5）求出静态值（）求出静态值（ic、uce）8.4 放大电路的基本分析方法（二）放大电路的基本分析方法（二）-图解图解法法8.4.1放大电路无信号输入的情况放大电路无信号输入的情况(静态分析静态分析)ccccceriuu（1）线性部分）线性部分直流负载线直流负载线（2）非线性部分）非线性部分三极管输出特性曲线三极管输出特性曲线bicicicrbrccuceuceu输出部分输入部分非线性部分线性部分ccu（一）输入部

17、分（一）输入部分bccbbeccbruruui（二）输出部分（二）输出部分maic/vuce/481216o24680bimnbiceuciqib的确定：的确定：)0,(0),0(0ccccccceccccceunirumuriuu令令直流负载线斜率：直流负载线斜率： ccccccruruonom1/tanbccbbeccbruruui直流负载线的确定直流负载线的确定1. 输入回路输入回路基极电流ib可根据输入信号电压ui，从管子的输入特性上求得。8.4.2 8.4.2 放大电路有信号输入后的情况放大电路有信号输入后的情况( (动态分析动态分析) )brcrccuiu_1c2cbiciei_b

18、eu_ceuou交流输入回路ibebebebeuuuuutomvui/tovube/beuibebebebeuuuuu的图解方法确定bivube/tvube/oooaib/taib/qqq iuvube/tvube/oooaib/taib/qqq iuotmaic/qqq ototvuce/vube/tovuce/vuce/omaic/oubrcrccuiu_1c2cbiciei_beu_ceuoulr交流负载线：交流负载线：( (一一) )电路不带负载时电路不带负载时lrcccccecccccelruriuuriu直流负载线为：交流负载线为：结论：结论：放大电路不带负载时，交流负载线与直流负

19、载线重合。放大电路不带负载时，交流负载线与直流负载线重合。beberbibicciiuoubrcrlrceu)(1()1()()()/(lccelcelclcccecececelccclcceoriuruririiuuuuriirriuu交流负载线：交流负载线：交流负载线方程交流负载线方程交流负载线的确定：交流负载线的确定：）时，点。（当交流负载线通过）。（交流负载线斜率为：cececcuuiiq(2)/rrrr1) 1 (clll( (二二) )电路带负载时电路带负载时lccelcelclccccecccccccelriururiruruririuur)1()1(:)1()1(:交流负载线为

20、：qvuce/omaic/ccucccrulr1arctanlr1斜率：cr1斜率：交流负载线比直流负载交流负载线比直流负载线陡，相同输入电压条线陡，相同输入电压条件下，带负载后输出电件下，带负载后输出电压幅度下降，电压放大压幅度下降，电压放大倍数下降。倍数下降。8.4.3 8.4.3 电路参数对放大电路的影响电路参数对放大电路的影响 1. rb的影响的影响ucc、rc不变时，直流负载线不会发生变化。qqq ciciciceuci饱和失真截止失真bbeccbruui0bi失真。线上移，容易出现饱和静态工作点沿直流负载失真；线下移，容易出现截止静态工作点沿直流负载:bbbbirir 2. rc的

21、影响的影响 若rb、ucc不变，改变rc也可得到不同的静态工作点。qqceuciccecccruui0biccucccru/cccru/增大cr 3. 直流电源直流电源ucc的影响的影响 其他参数不变，升高电源电压ucc，直流负载线平行右移，q点偏向右上方，使放大电路动态范围扩大，但同时三极管的静态功耗也增大。 综上所述，改变rb、rc、ucc均能改变放大器的静态工作点。但由于采用调整rb的方法来调整静态工作点最为方便， 因此在调整静态工作点时，通常总是首先调整rb。 qqceuciccecccruui0biccucccru/ccuccu ccccccuuu q 为了使放大电路正常工作，必须选

22、择恰当的静态工作点，为了使放大电路正常工作，必须选择恰当的静态工作点，也就是合理地选取也就是合理地选取rb、rc、ucc等参数。等参数。 除了这些参数以外，除了这些参数以外，当温度变化、电源电压波动时，放大电路的静态工作点也会当温度变化、电源电压波动时，放大电路的静态工作点也会受到影响而移动，致使放大器不能正常工作。要使放大电路受到影响而移动，致使放大器不能正常工作。要使放大电路正常工作，必须设法使静态工作点正常工作，必须设法使静态工作点q稳定，即稳定直流工作稳定，即稳定直流工作状态的状态的ic、uce等值。等值。 实践证明，造成静态工作点不稳定的因素中，实践证明，造成静态工作点不稳定的因素中

23、，温度变化温度变化是最重要的。是最重要的。 q变ubeicbo变t 变ic变8.5 工作点稳定的放大电路工作点稳定的放大电路8.5.1 放大电路静态工作点的稳定放大电路静态工作点的稳定温度上升时，输出特性曲线上移(虚线所示)，造成q点上移。总之：总之：bibeuoc50c25cbbeiiutcitceocboii、ceuciqq citk4v16f20ouf20k400iu固定偏置式共射放大电路固定偏置式放大电路的优点是电路结构简单，基极电流基本恒定。确定是温度变化对集电极电流影响非常大，造成电路的静态工作点不稳定，从而影响放大电路的工作。时）当beccbccbbeccbuururuui(点移

24、动基本不变qbciit放大电路必须解决放大电路必须解决q q点稳定的问题！点稳定的问题！分压式偏置放大电路 目标：温度变化时，使ic维持恒定。如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。ccu1cou2ciuec1br2brcrereilr1i2ibicibe稳定原理：bebbebeeciuuuuuiit)(不变ci反馈控制1 1、工作点稳定原理、工作点稳定原理8.5.2 工作点稳定的放大电路工作点稳定的放大电路(分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路)2 2、静态工作点稳定条件：、静态工作点稳定条件：定。因而电路静态工作点稳与三极管参数无关、件时，结论：满足上述两个条,ebi

25、uebebebebebccbbbbbbbruruuiuuurrruiiiiiiiii)2,) 1212121211ccu1br2brcrerei1i2ibicibe分压式偏置放大电路直流通路3 3、电路参数估算：、电路参数估算：ccu1br2brcrerei1i2ibicibe分压式偏置放大电路直流通路分压式偏置放大电路的直流通路图所示，可推导出下列静态工作点的估算公式。（1）静态工作点的估算）静态工作点的估算 )(21b2ccbeccccceebebeccbbbrriuuruuiiiirrruu分压式偏置放大电路的交流通路图所示。（2）交流参数的估算）交流参数的估算 beberbibicci

26、iuou1brcrlr2brcoebebbbbebiurrmaimvrrrrrrrrra)()(26)1 (300;/21bel从从q点点稳定的角度来看似乎稳定的角度来看似乎i2、ub越大越好。越大越好。但但 i2 越大，越大，rb1、rb2必须取得较小，将增加损耗，降低输必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。入电阻。ub过高必使过高必使ue也增高，在也增高，在ucc一定时，势必使一定时，势必使uce减小，减小，从而减小放大电路输出电压的动态范围。从而减小放大电路输出电压的动态范围。i2= (5 10) ib，ub= (5 10) ube， rb1、rb2的阻值一般为几十千欧。的阻值一般为几

27、十千欧。ecrx)10131(三极管集电极直接接到直流电源上，信号由基极输入，发射极输出，所以称为共集放大电路。输出信号从发射极电阻两端引出，所以称作射极输出器。8.6.18.6.1电路结构电路结构8.6 射射 极极 输输 出出 器器ccu1cou2ciubrereilrbicibec8.6.2射极输出器的特点射极输出器的特点射极输出器直流通路ebbeccbiieebebbccrruuiriuriube)1 ()1(bciieccceeccceriuriuu(1) 静态工作点稳定射极输出器中的电阻re具有稳定静态工作点的负反馈作用。ccubrereibicibeciubrberbibierlr

28、ouciei射极输出器的微变等效电路(2) 电压放大倍数近似为1。lellbleorrrririu/,)1 ()/()1 (lebebirririub1)/)(1 ()/)(1)/)(1lebeleiouulebearrrrrrrruua 输出电压幅度和输入电压近似相等;输出电压和输入电压同相位。 故射极输出器又称为射极跟随器。 (3) 输入电阻高，输入电阻高， 输出电阻低。输出电阻低。 lbelbebirrrrrr)1 ()1 (/ 通常rb阻值较大，约为几十千欧姆到几百千欧姆， 同时（1+)rl的值也大，所以射极输出器输入电阻射极输出器输入电阻高高， 可达几十千欧姆到几百千欧姆。 beor

29、r 射极输出器有很小的输出电阻射极输出器有很小的输出电阻，一般ro为几欧姆到几百欧姆。为了降低输出电阻值可选用值较大的三极管。iubrberbibierlrouciei射极输出器的微变等效电路lreilr)1 (bibeii)1 (等效ii1i（1）作为多级放大器的输入级作为多级放大器的输入级。由于它具有输入电阻高，从信号源取用的电流小的特点，因而它可以提高测量精度并减小对被测电路的影响。 （2）作为多级放大器的中间级作为多级放大器的中间级。在利用射极输出器作为中间级时，其高输入阻抗对前一级影响很小；对后一级来说，因它的输出电阻低， 又有射极跟随性，在与输入电阻不高的共射放大电路配合时，既可保

30、证输入相位不变，又可起到阻抗变换作用，从而提高多级放大电路的放大能力。（3）作为多级放大器的输出级作为多级放大器的输出级。射极输出器输出电阻低，所以它带载能力强。 若放大器的负载是一个变化的负载，在负载变化时，为了保证放大器的输出电压比较稳定，就要求放大器具有低输出电阻才行。8.6.3 射极输出器的应用射极输出器的应用共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻