双极结型三极管及放大电路基础

1、4 4 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础4.1 BJT4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法4.4 放大电路静态工作点的稳定问题放大电路静态工作点的稳定问题4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路共集电极放大电路和共基极放大电路4.2 基本共射极放大电路基本共射极放大电路4.6 组合放大电路组合放大电路4.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.1 双极型三极管双极型三极管BJT一个一个PNPN结结二极管二极管单向导电性单向导电性二个二个PNPN结结三极管三极管电流放大（控制）电流放大（控制）4.1.1 BJT的结构简介的结构简介(a) 小功率管小功率管 (b

2、) 小功率管小功率管 (c) 大功率管大功率管 (d) 中功率管中功率管分类：分类：按频率分有高频管、低频管按频率分有高频管、低频管按功率分有小、中、大功率管按功率分有小、中、大功率管按材料分有硅管、锗管按材料分有硅管、锗管按结构分有按结构分有NPNNPN型和型和PNPPNP型型三极管的不同封装形式三极管的不同封装形式金属封装金属封装塑料封装塑料封装大功率管大功率管中功率管中功率管 半导体三极管的结构有两种类型半导体三极管的结构有两种类型:NPN型和型和PNP型。型。4.1.1 BJT的结构简介的结构简介1. NPN型型NPN管的电路符号管的电路符号2.PNP型型PNP管的电路符号管的电路符号

3、正常放大时外加偏正常放大时外加偏置电压的要求置电压的要求问：若为问：若为PNPPNP管，图中电源极性如何？管，图中电源极性如何？发射区向基区注入载流子发射区向基区注入载流子集电结应加反向电压集电结应加反向电压（反向偏置）（反向偏置）发射结应加正向电压发射结应加正向电压（正向偏置）（正向偏置）集电区从基区接受载流子集电区从基区接受载流子4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理2.2.电子在基区中的扩散与复合（电子在基区中的扩散与复合（I IBNBN）3.3.集电区收集扩散过来的电子（集电区收集扩散过来的电子（I ICNCN）另外另外, ,基区集电区本身存在的少子，基区集电区本身

4、存在的少子，在集电结上存在漂移运动，由此形成电流在集电结上存在漂移运动，由此形成电流I ICBOCBO三极管内有两种载流子参与导电，故称此种三极管三极管内有两种载流子参与导电，故称此种三极管为双极型三极管，记为为双极型三极管，记为BJT BJT (Bipolar Junction Transistor)1.1.发射区向基区注入电子（发射区向基区注入电子（I IENEN、I IEPEP小）小）1.三极管内载流子的传输过程三极管内载流子的传输过程发射区发射区：发射载流子：发射载流子集电区集电区：收集载流子：收集载流子基区基区：传送和控制载流子：传送和控制载流子 放大状态下放大状态下BJTBJT中载

5、流子的传输过程中载流子的传输过程2. 2. 电流分配关系电流分配关系发射极注入电流发射极注入电流传输到集电极的电流传输到集电极的电流设设 ENCII 即即根据传输过程可知根据传输过程可知 I IC C= = I INCNC+ + I ICBOCBO通常通常 I IC C I ICBOCBOECII 则有 为电流放大系数。它只与为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般关，与外加电压无关。一般 = 0.9= 0.9 0.99 0.99 。I IE E= =I IB B+ + I IC C放大状态下放大状态下BJTBJT中载流子的传输过程中载

6、流子的传输过程 所以所以 I IC C= = I IE E+ + I ICBOCBO1 设CEOBCIII 则 是另一个电流放大系数。同样，它也只与管是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般一般 1 。又：把又：把 IE=IB+ IC 代入代入 IC= IE+ ICBO且令且令BCIIII CEOC时，当ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）（穿透电流）整理得：整理得：CBOBCIII1113. 3. 三极管的三种组态三极管的三种组态(c) (c) 共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，

7、集电极作为公共电极，用CCCC表示。表示。(b) (b) 共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CECE表示；表示；(a) (a) 共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用，基极作为公共电极，用CBCB表示；表示；BJTBJT的三种组态的三种组态共基极放大电路共基极放大电路4. 4. 放大作用放大作用若若 v vI I = 20mV= 20mV电压放大倍数电压放大倍数4920mVV98. 0IO vvvA使使 i iE E = = - -1 mA1 mA，则则 i iC C = = i iE E = -0.98 mA= -0.98 mA， v vO O =

8、= - - i iC C R RL L = 0.98 V= 0.98 V，当 = 0.98 = 0.98 时，时，共基极放大电路只实现电压放大，电流不放大（控制作用）共基极放大电路只实现电压放大，电流不放大（控制作用）三极管的放大作用三极管的放大作用, ,主要是依靠它的主要是依靠它的I IE E能通过基区传输能通过基区传输, ,然后顺利到达集电极然后顺利到达集电极而实现的。故要保证此传输而实现的。故要保证此传输, ,一方面要一方面要满足满足内部条件内部条件, ,即发射区掺杂浓度要远即发射区掺杂浓度要远大于基区掺杂浓度大于基区掺杂浓度, ,基区要薄基区要薄; ;另一方另一方面要满足面要满足外部条

9、件外部条件, ,即发射结正偏即发射结正偏, ,集集电结要反偏。电结要反偏。输入电压的变化输入电压的变化, ,是通过其改变输入电是通过其改变输入电流流, ,再通过输入电流的传输去控制输出再通过输入电流的传输去控制输出电压的变化电压的变化, ,所以所以BJTBJT是一种是一种电流控制器电流控制器件。件。两个要点两个要点特性曲线是指各特性曲线是指各电电极之间的电压与电极之间的电压与电流之间的关系流之间的关系曲线曲线输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线4.1.3 BJT4.1.3 BJT的的V V- -I I 特性曲线特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const. . (2) (2)

10、当当vCE1V时，时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下下iB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。 (1) (1) 当当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 1. 输入特性曲线输入特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）共射极连接共射极连接管子正常工作时，管子正常工作时，BEv0.7V(0.7V(硅管）硅管）0.2V(0.2V(锗管）锗管）饱和区：饱和区：vCE很小，很小，iC iB，三极管，三极管如同工

11、作于短接状态，如同工作于短接状态，一般一般vCE vBE，此管压降称为饱和压降。此管压降称为饱和压降。此时，此时，发射发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE) iB=const.2. 2. 输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域: :截止区：截止区：iB=0，iC iCEO 0，三极管三极管如同工作于断开状态，如同工作于断开状态，此时，此时， vBE小小于死区电压于死区电压。放大区：放大区： vBE Vth，vCE反电压大于反电压大于饱和压降，饱和压降， 此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结反偏电结反偏。再次

12、注意：管子正常工作时，再次注意：管子正常工作时，BEv0.7V(0.7V(硅管）硅管）0.2V(0.2V(锗管）锗管） ( (1) 1) 共射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数 = =（I IC CI ICEOCEO）/ /I IB BI IC C / / I IB B v vCECE=const.=const.1. 1. 电流放大系数电流放大系数 4.1.4 BJT的主要参数的主要参数与与i iC C的关系曲线的关系曲线 (2) (2) 共射极交流电流放大系数共射极交流电流放大系数 = = i iC C/ / i iB B v vCE=const.=const.在在i iC C一定范围

13、内一定范围内为常数为常数 ( (3) 3) 共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 = =（I IC CI ICBOCBO）/ /I IE EI IC C/ /I IE E ( (4) 4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = = i iC C/ / i iE E v vCBCB=const.=const.当当I ICBOCBO和和I ICEOCEO很小时，很小时， 、 ，可以不加，可以不加区分。区分。与与间的关系：间的关系： 2. 2. 极间反向电流极间反向电流(1) (1) 集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流I ICBOCBO 发射极开路时，集电结的反向饱

14、和电流。发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 与单个与单个PNPN结的反偏电结的反偏电流相同，流相同，T T一定时为常一定时为常数（取决于少子浓度）数（取决于少子浓度） I ICBOCBO越小越好越小越好小功率硅管小功率硅管1VVE E PNPPNP管：管： V VC C V VB BVVVE E，且，且V VBEBEVVthth截止状态：截止状态：V VBEBEVVVthth，且，且V VCE CE V VBEBEPNPPNP管：管：放大状态：放大状态：V VC C V VB BVVE E，且，且V VBEBEVVVthth饱和状态：饱和状态： V VBEBEVVVB BVVE E放大放大V

15、 VBEBE1V1V截止截止饱和饱和V VBEBE0.7V0.7VV VCECE=0.3VV=0.3VVBEBE4.2 基本共射极放大电路基本共射极放大电路4.2.1 基本共射极放大电路的组成基本共射极放大电路的组成4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理基本共射极放大电路的工作原理基本放大电路：基本放大电路：共射极放大电路共射极放大电路静态工作点静态工作点Q（IB，IC，VCE）电压放大倍数电压放大倍数输入电阻输入电阻Ri共集电极放大电路共集电极放大电路共基极放大电路共基极放大电路分析方法：分析方法：图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法待求量：待求量：输出电阻输出电阻Ro4.2.1 基本

16、共射极放大电路的组成基本共射极放大电路的组成VBB,Rb:使发使发射极正偏置，射极正偏置，并提供合适的并提供合适的基极偏置电流基极偏置电流VCC :通过通过Rc使使T集电极反偏置集电极反偏置三极管三极管 T 起放大作用。起放大作用。RC:将集电极电流信号将集电极电流信号转换为电压信号。转换为电压信号。分析方法：分析方法：叠加叠加前提：前提：BJT工作在线性区工作在线性区 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理基本共射极放大电路的工作原理1. 静态静态(直流工作状态直流工作状态)输入信号输入信号vs0时，放大时，放大电路的工作状态称为静电路的工作状态称为静态或直流工作状态。态或直流工作状态。

17、直流通路直流通路 所有电容开路所有电容开路所有电量大写所有电量大写画直流通路原则：画直流通路原则： 短路，短路， 开路开路svsi电流关系：电流关系：直流通路直流通路 bBEQBBBQRVVI BQCEOBQCQIIII VCEQ=VCCICQRc 硅硅:VBEQ=0.7V锗锗:VBEQ=0.2VIB、IC和和VCE 是是静态工作状态静态工作状态的三个量的三个量，用用Q表示，称为表示，称为静静态工作点态工作点Q（ IBQ，ICQ，VCEQ ）。）。2. 动态动态 输入正弦信号输入正弦信号vs后，电路后，电路将处在将处在动态工作情况动态工作情况。此时，。此时，BJT各极电流及电压都将在各极电流及

18、电压都将在静态值的基础上随输入信号静态值的基础上随输入信号作相应的变化。作相应的变化。 三极管放大作用 s控制控制vbeBEQBEvVvbBQBiIicCQCiIicRceCEQCEvVv且且svbicicev所有电容短路所有电容短路所有电量小写所有电量小写画交流通路原则：画交流通路原则： ， 短路短路BBVCCV交流通路交流通路 分析动态参数时，使用交流通路分析动态参数时，使用交流通路4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法4.3.1 图解分析法图解分析法4.3.2 小信号模型分析法小信号模型分析法1. 静态工作点的图解分析静态工作点的图解分析2. 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图

19、解分析3. 静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响4. 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型2. 用用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路参数小信号模型分析基本共射极放大电路3. 小信号模型分析法的适用范围小信号模型分析法的适用范围4.3.1 图解分析法图解分析法1. 静态工作点的图解分析静态工作点的图解分析 vS=0，求，求Q（ IBQ、ICQ和和VCEQ ）线性线性线性线性非线性非线性(1). 输入回路输入回路线性部分：线性部分： 非线性部分：非线性部分：bBBBBERiV vCVBEBCEvfi)(2). 输出回路输出

20、回路 非线性部分：非线性部分：BQBIiCECvfi)( 得出得出Q（ IBQ，ICQ，VCEQ ）线性部分：线性部分：CCCCCERiVv称为直流负载线称为直流负载线IBMN下移下移（3）电路参数对）电路参数对Q点的影响：点的影响：截距变截距变Q点下移点下移变变Rb其他参数不变：其他参数不变：变变RC变变VCCbBBBRVIIBQ点上移点上移RbRbCR1斜率Q点左移点左移斜率斜率Q点右移点右移RCRC斜率斜率Q点左移点左移MN上移上移Q点右移点右移VCCVCC2. 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析tVsinsms vcCCCCERiV v可得如下结论：可得如下结论： 1. 1.

21、 vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. 2. vo与与vi相位相反；相位相反； 3. 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数。可以测量出放大电路的电压放大倍数。3. 静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响Q Q点过低点过低截止失真截止失真Q Q点过高点过高饱和失真饱和失真动画3-2C1 、C2：耦合电容耦合电容RL：负载电阻负载电阻Rb=300K RC=4K VCC=12V (a)直流通路 (b)交流通路(1)静态工作情况静态工作情况bCCRVRVVIbBECCBBCIIcCCCCERIVV 得出得出Q（ IBQ，ICQ，VCEQ ） =Q（40 A，1.5mA，6

22、V）称为交流负载线称为交流负载线(2)动态工作情况动态工作情况cCCiIiLCCLcceoRIiRivv)(LRceCECEvVv又LCCCERIiV)()(11LCCELCELCRIVRvRi1.从从Q点做一条斜率为点做一条斜率为- -1/RL 的的直线。直线。作法：作法： 2.截距法截距法可得如下结论：可得如下结论：1. 直流负载线和交流负载线相交于直流负载线和交流负载线相交于Q点；点；2. 不接不接RL时，两根线重合；时，两根线重合；3. RLIBQ ，CCb2b1b2BQVRRRV 此时，此时，VBQ与温度无关与温度无关VBQ VBEQRe取值越大，反馈控制作用越强取值越大，反馈控制作

23、用越强一般取一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V （2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析静态工作点静态工作点CCb2b1b2BQVRRRV eBEQBQEQCQRVVII )(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVV IICQBQ 电压增益电压增益画小信号等效电路画小信号等效电路输出回路：输出回路：)|(LcboRRi v输入回路：输入回路：ebbebeebebi)1(RiriRiri v电压增益：电压增益：ebeLcebebLcbio)1()|()1()|(RrRRRriRRiA vvv确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe)mA()m

24、V(26)1(200EQbeIr 增益增益（可作为公式用）（可作为公式用）输入电阻输入电阻则输入电阻则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻)1(ebebiRri vb2ib1iei)1( RRRriiivvv bebibRb2b1eiii11)1(11RRRriR bev)1(|ebeb2b1RrRR 输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻oco| RRR 求输出电阻的等效电路求输出电阻的等效电路 网络内独立源置零网络内独立源置零 负载开路负载开路 输出端口加测试电压输出端口加测试电压0)()(ecbsbeb RiiRri0)()(ebccebct Rii

25、riiv其中其中b2b1ss|RRRR 则则)1(esbeecectoRRrRriR v当当coRR 时，时，coRR 一般一般cceoRrR （）4.5 共集电极放大电路和共集电极放大电路和共基极放大电路共基极放大电路4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路4.5.2 共基极放大电路共基极放大电路4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路1.1.静态分析静态分析共集电极电路结构如图示共集电极电路结构如图示该电路也称为该电路也称为射极输出器射极输出器ebBEQCCBQ)1(RRVVI eCQCCeEQCCCEQRIVRIVV BQC

26、QII eEQBEQbBQCCRIVRIV BQEQ)1(II 由由得得直流通路直流通路 小信号等效电路小信号等效电路2.2.动态分析动态分析交流通路交流通路 电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：LbbebLbbbebi)1( )(RiriRiiri v电压增益：电压增益：1)1()1()1()1(LbeLLbeLLbebLbio RrRRrRRriRiAvvv其中其中LeL/ RRR LbLbbo)1()(RiRii v一般一般beLrR ，则电压增益接近于，则电压增益接近于1 1，同同相相与与iovv电压跟随器电压跟随器1 vA即即。输入电阻输入电阻输入电阻大输入电阻大

27、)1(| )1(LbLibiiiiiRrRRrRiR bebevvvv输出电阻输出电阻由电路列出方程由电路列出方程ebbtRiiii )(sbebtRri veteRiR v其中其中bss| RRR 则则输出电阻输出电阻rRRiR 1|besettov输出电阻小输出电阻小rRRR 1|beseo共集电极电路特点：共集电极电路特点：同同相相与与iovv 电压增益小于电压增益小于1 1但接近于但接近于1 1， 输入电阻大，对电压信号源衰减小输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强)1(|LbebiRrRR 1 vA总结总结电流折算法记公式：电流折算法记公式：

28、bcii 电流关系电流关系：be)1 (ii把所有电流都折算为把所有电流都折算为ibcb1iieb11iibeLbebLbbebLciorRriRiriRiAvvvbebbebbiiririiRvLbeLLbebLb)1 ()1 ()1 ()1 (RrRRriRiAv)1 (|LbebiRrRRrRRR1|beseo例4.5.14.5.2 共基极放大电路共基极放大电路1.1.静态工作点静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同直流通路与射极偏置电路相同CCb2b1b2BQVRRRV eBEQBQEQCQRVVII )( ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVV IICQBQ 2.2.

29、动态指标动态指标电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：LcL| RRR 交流通路交流通路 小信号等效电路小信号等效电路 LboRi vbebiri vbeLiorRA vvv 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻coRR 小信号等效电路小信号等效电路 beeeiiiiiRR)1(i eeRiR/iv bebri/iv )1(/beieiiiiirRiRvvvv rR 1|bee4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较1.1.三种组态的判别三种组态的判别以输入、输出信号的位置为判断依据：以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极

30、输出信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路共集电极放大电路 信号由发射极输入，集电极输出信号由发射极输入，集电极输出共基极电路共基极电路 2.2.三种组态的比较三种组态的比较3.3.三种组态的特点及用途三种组态的特点及用途共射极放大电路：共射极放大电路： 电压和电流增益都大于电压和电流增益都大于1 1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集，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。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

31、放大电路：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，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。级。共基极放大电路：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，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成

32、电路中亦兼有电位移动的功能。的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。 end4.6 组合放大电路组合放大电路4.6.1 共射共射-共基放大电路共基放大电路4.6.2 共集共集-共集放大电路共集放大电路补：多级放大器的动态计算1.1.多级放大器的电路结构多级放大器的电路结构多级放大器中，前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入多级放大器中，前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻电阻是前一级的负载电阻RL。2.2.电压增益的计算电压增益的计算iovvvA iiiovvvv22ioiovvvv1221vvAA推广至推广至n 级：级：vnvvvAAAA21多级放大器总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增