第4章双极型晶体管(new)

1、第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 41 双极型晶体管双极型晶体管42 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路43 放大器的组成及其性能指标放大器的组成及其性能指标44 放大器图解分析法放大器图解分析法45 放大器的交流等效电路分析法放大器的交流等效电路分析法46 共集电极放大器和共基极放大器共集电极放大器和共基极放大器47 放大器的级联放大器的级联 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路41 双极型晶体管双极型晶体管 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个

2、电极，所以又称为半导体、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。参与导电的有电子和空穴两种载流子，所以称双极型。 三极管学习按二极管的规律：结构、工作原理、特性曲线、主要参数和应用电路。 重点内容：一、二、三、四、五。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 1、制造：、制造： N型硅片氧化膜上光刻一个窗口，进行硼杂质扩散，获得P型基区，氧化后再在P型半导体光刻一个窗口，进行高浓度磷杂质扩散，获得N型发射区， N型衬底为集电区。N衬底N型外延PNcebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区411 三极管的结构第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图4

3、1晶体管的结构与符号(a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图NPN NPN 型型PNP PNP 型型E EC CB BE EC CB BN NN NP P发射极发射极 E E基极基极 B B集电极集电极 C C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区e emittermitterb baseasec collectorollectorP PP PN NE EB BC C2、晶体管的原理结构如图41所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型-P型-N型结构，所以称为NPN管。3、制作特点（三极管构成的内部条件）：发射区比集电区掺杂浓度高；集电区比

4、发射区面积大，且集电区掺杂浓度低于发射区；基区很薄（零点几到几微米），且掺杂浓度最低；发射区和集电区不对称。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路分类分类：按材料分：按材料分： 硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分： 小功率管小功率管 1 1 W W中功率管中功率管 0.5 0.5 1 W1 W第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路412 工作原理工作原理 二极管两端加不同电压会产生不同电流（正向导通，反向截止）。晶体三极管也是，当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，三极管才能具有正常的控制作用，各个电极才能发挥作用。 三极管的放大作用是

5、在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。管内载流子的运动情况可用图4-2说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图42晶体管内载流子的运动和各极电流N电子注入IEnIEpP扩散复合收集NIBnICBOIB空穴注入IEEEICEC少子漂移Icn第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 一、发射区向基区注入电子一、发射区向基区注入电子 由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因

6、为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP IEN ，可忽略不计。因此，发射极电流IEIEN，其方向与电子注入方向相反。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、电子在基区中边扩散边复合二、电子在基区中边扩散边复合 注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少

7、，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基极电流IB的主要部分。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、扩散到集电结的电子被集电区收集三、扩散到集电结的电子被集电区收集 由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC 、IB的另一部分电流。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路

8、双极型晶体管及其放大电路 四、电流分配关系四、电流分配关系 由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：CBOCNCCBOBNBCNBNENEIIIIIIIIII(41a) (41b) (41c) 集电区面积大，且掺杂浓度低集电区面积大，且掺杂浓度低三极管放大的条件三极管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度最高发射区掺杂浓度最高基区薄且掺杂浓度最低基区薄且掺杂浓度最低外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 式(41)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是

9、孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为 CBOBCBOCBNCNIIIIII(42) 其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。 值一般在20200之间。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路确定了

10、值之后，由式(41)、(42)可得CEBCEOBCBOBECEOBCBOBCIIIIIIIIIIIII)1 ()1 ()1 ()1 (43a) (43b) (43c) 式中： CBOCEOII)1 (44)称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有BEBCIIII)1 (45a) (45b) 式(45)是今后电路分析中常用的关系式。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为ECBOCENCNIIIII (46)显然， 1，一般约为0.970.99。由式(46)、(41)，

11、不难求得BCEECBOEBECBOECIIIIIIIIIII)1 ()1 (47a)(47c) (47b) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 由于 , 都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由 , 的定义可得 11BNBNBNCNENCNENCNEEECNECNENCNIIIIIIIIIIIIIIII (48) (49)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RLecb1k 共基极放大电路共基极放大电路413 晶体管的放大作用晶体管的放大作用若若 vI = 20mV使使当则则电压放大倍数电压放大倍

12、数4920mVV98. 0IOV vvAVEEVCCVEBIBIEIC+- vI+ vEB vO+-+ iC+ iE+ iB iE = -1 mA， iC = iE = -0.98 mA， vO = - iC RL = 0.98 V， = 0.98 时，时，动画（三极管的电流放大作用）动画（三极管的电流放大作用）第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路+-bceRL1k共射极放大电路共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iB vI = 20mV 设设若若则则电压放大倍数电压放大倍数4920mVV98. 0IOVvvA

13、 iB = 20 uA vO = - iC RL = -0.98 V， = 0.98mA98. 01BBCiii使使共射极连接方式共射极连接方式第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路414晶体管伏安特性曲线晶体管伏安特性曲线 晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它对于了解晶体管的导电特性非常有用。晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入和输出两个回路。实际中，有图43所示的三种基本接法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。 第

14、第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)输出回路输入回路ecbiBiE 图43晶体管的三种基本接法(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 因为有两个回路，所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图44电路逐点测出。 一、共发射极输入特性曲线、共发射极输入特性曲线 测量电路见图44。共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即 典型的共发射极输入特性曲线如图45所示。 常数CE

15、uBEBufi)(第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE 图44共发射极特性曲线测量电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1图45 共发射极输入特性曲线 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (1)在uCE1V的条件下，当uBE UBE(on)时，随着uBE的增大，iB开始按指数规律增加，而后近似按直线上升。 (2)当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲

16、线明显左移，见图45。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (3)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右移。特别在0 uCE UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些。 (4)当uBE0时，晶体管截止，iB为反向电流。若反向电压超过某一值时，e结也会发生反向击穿。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、共发射极输出特性曲线二、共发射极输出特性曲线 测量电路如图44所示。共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即常数BiCECufi)( 典型的共射输出特性曲线如图46所示。由图可见，输出特性可以

17、划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分别讨论如下。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路3 BJT的三个工作区的三个工作区 BCCE()iif v常数iC / mAvCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止区截止区ICEO1.截止区：截止区： IB 0 ; IC = ICEO 0条件：条件：两个结反偏两个结反偏放大区放大区2. 放大区：放大区：CEOBCIII 条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔饱饱和和区区3. 饱和区：饱和区：vCE v BEvCB = vC

18、E v BE 0条件：条件：两个结正偏两个结正偏特点：特点：IC IB临界饱和时：临界饱和时：vCE = vBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V ( (硅管硅管) )VCES= =0.1 V ( (锗管锗管) )饱和区特点：饱和区特点： iC不再随不再随iB的增加而线性增加，即的增加而线性增加，即BCii 此时此时CBii vCE= VCES ，典型值为，典型值为0.3V当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。截止区特点：截止区特点：iB=0， iC= ICEO第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路uCE/V5101

19、501234饱和区截止区IB40A30A20A10A0AiBICBO放大区iC/mAuCEuBE图46 共射输出特性曲线第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量IB时， iC就会有很大的变化量IC。为此，用共发射极交流电流放大系数来表示这种控制能力。定义为常数EuBCII(410) 反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。 1放大区放大区 e结为正偏，c结为反偏的工作区域为放大区。由图46可以看出，在放大区有以下两个特点： 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (2) uC

20、E变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为，iB一定而uCE增大时，曲线略有上翘(iC略有增大)。这是因为uCE增大，c结反向电压增大，使c结展宽，所以有效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会减少，即iB要减小。而要保持iB不变，所以iC将略有增大。这种现象称为基区宽度调制效应，或简称基调效应。从另一方面看，由于基调效应很微弱， uCE在很大范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时，集电极电流具有恒流特性。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 2饱和区饱和区 e结和c结均处于正偏的区域为饱和区。通常把uCE=uBE(即c结零偏)的情况称为临界饱和，对应点的

21、轨迹为临界饱和线。 3 截止区截止区 发射结和集电结都反向偏置。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、温度对晶体管特性曲线的影响三、温度对晶体管特性曲线的影响 温度对晶体管的uBE、ICBO和有不容忽视的影响。其中， uBE 、 ICBO随温度变化的规律与PN结相同，即温度每升高1， uBE减小22.5mV；温度每升高10， ICBO增大一倍。温度对的影响表现为，随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1，值增大0.5%1%(即/T(0.51)%/)。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路1 1、电流放大系数、电流放大系数共发射极电流放大系数

22、共发射极电流放大系数 iC / mAvCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数直流电流放大系数BCCBOBCBOCBNCNIIIIIIII 交流电流放大系数交流电流放大系数 BiiC一般为几十一般为几十 几百几百Q82A1030A1045. 263 80108 . 0A1010A10)65. 145. 2(63 CiBi415晶体管的主要参数晶体管的主要参数第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路2、共基极直流电流放大系数、共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数和交流电流放大系数 由式(46)定义，而定

23、义为，uCB为常数时，集电极电流变化量IC与发射极电流变化量IE之比，即常数BuECII(411)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 由于ICBO、ICEO都很小，在数值上 , 。所以在以后的计算中，不再加以区分。 应当指出，值与测量条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大、不小的中间值范围内，值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、极间反向电流二、极间反向电流 1、ICBO ICBO指发射极开路时，集电极基极间的反向电流

24、，称为集电极反向饱和电流。 2 、 ICEO ICEO指基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。 3 、 IEBO IEBO指集电极开路时，发射极基极间的反向电流。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、结电容三、结电容 结电容包括发射结电容Ce(或Cbe)和集电结电容Cc(或Cbe)。结电容影响晶体管的频率特性。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 四、晶体管的极限参数四、晶体管的极限参数 1 、击穿电压、击穿电压 U(BR)CBO指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。 U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的

25、反向击穿电压。U(BR)CEOICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。因此，晶体管线性运用时， iC不应超过ICM 。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 3 、集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向电压，同时流过较大的电流。因此，在c结上要消耗一定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规定一个功耗限额。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度等因素有关。一个管子的PCM如已确定，则由

26、 PCM =ICUCE可知， PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如图47所示。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路uCE工作区iC0安全ICMU(BR)CEOPCM 图47 晶体管的安全工作区 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 42 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路 由晶体管的伏安特性曲线可知，晶体管是一种复杂的非线性器件。在直流工作时，其非线性主要表现为三种截然不同的工作状态，即放大、截止和饱和。在实际应用中，根据实现的功能不同，可通过外电路将晶体管偏置在某一规定状态。因

27、此，在晶体管应用电路分析中，一个首要问题，便是晶体管工作状态分析以及直流电路计算。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 421晶体管的直流模型晶体管的直流模型 在通常情况下，由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压将对应于伏安特性曲线上一个点的坐标，这个点称为直流(或静态)工作点，简称Q点。在直流工作时，可将晶体管输入、输出特性曲线(见图44、图46)分别用图4-8(a)和(b)所示的折线近似，这样直流工作点(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)必然位于该曲线的直线段上。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路uBE0uCEiC0i

28、B(a)UBE(on)UCE(sat)IB 0(b)图48晶体管伏安特性曲线的折线近似(a)输入特性近似； (b)输出特性近似第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 由图48可知，当外电路使UBEUBE(on)(对硅管约为0.7V，锗管约为0.2V)时，IB=0，IC=0，即晶体管截止。此时，相当于b,e极间和c,e极间均开路，相应的直流等效模型如图49(a)所示。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路(a)ebc(b)ebcIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat) 图49晶体管三种状态的直流模型(a)截止状态模型；(b)放

29、大状态模型；(c)饱和状态模型 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 例例1 晶体管电路如图410(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ,ICQ和UCEQ。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k(a)图410晶体管直流电路分析(a)电路； (b)直流等效电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路图410晶体管直流电路分析(a)电路； (b)直流等效电路eRB(b)UBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQ第第4章章 双极型

30、晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 解解 因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图49(b)的模型代替晶体管，便得到图4-10(b)所示的直流等效电路。由图可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIImRUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(故有第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 422晶体管工作状态分析晶体管工作状态分析 将晶体管接入直流电路，在通常情况下，围绕晶体管可将电路化为图411(a)所示的一般形式。 由图可知，若UBBUEE+UBE(o

31、n),且UBB UEE+UBE(on)，则晶体管导通。现假定为放大导通，利用图49(b)的模型可得该电路的直流等效电路如图411(b)所示。由图可得 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE)()1 ()(ECCQEECCCEQEQBQCQEBOnBEEEBBBQRRIUUUIIIRRUUUI(412a) (412b) (412c) 借助式(412)的结果，现在可对电路中的晶体管是处于放大还是饱和作出判别。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(b)IB 图411晶体管直流分析的一般性电路(a)

32、电路；(b)放大状态下的等效电路；(c)饱和状态下的等效电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图411晶体管直流分析的一般性电路(a)电路；(b)放大状态下的等效电路；(c)饱和状态下的等效电路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)UCE(sat)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 例例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图 4-12(a),(b)所示。已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a) 图412例题2电路及ui,uo波形图 (a)电路；(b) ui波形图；(

33、c) uo波形图第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图412例题2电路及ui,uo波形图 (a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图03(b)tui/V05(c)tuo/V0.3第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 解解当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui =3V时，晶体管导通且有mImImRUUImRUuIsatCBQConBECCsatCBonBEiBQ028. 0504 . 106. 04 . 137 . 0506. 0397 . 03)()()()( 而集电极临界饱和电流

34、为 因为 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 所以晶体管处于饱和。此时，ICQ=IC(sat)=1.4mA，而uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。根据上述分析结果画出的uo波形如图412(c)所示。 通过本例题可以看出，在实际电路分析中，由于晶体管的直流模型很简单，一旦其工作状态确定，则直流等效电路可不必画出，而等效的涵义将在计算式中反映出来。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 423 放大状态下的偏置电路放大状态下的偏置电路 晶体管在放大应用时，要求外电路将晶体管偏置在放大区，而且在信号的变化范围内，管子始终工作在放大状态。此时，

35、对偏置电路的要求是：电路形式要简单。例如采用一路电源，尽可能少用电阻等；偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定；对信号的传输损耗应尽可能小。下面将介绍几种常用的偏置电路。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 一、固定偏流电路一、固定偏流电路 电路如图413所示。由图可知，UCC通过RB使e结正偏， 则基极偏流为BonBECCBQRUUI)(414a) 只要合理选择RB,RC的阻值，晶体管将处于放大状态。此时CCQCCCEQBQCQRIUUII(414b) (414c)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RBUCCRC图413固定

36、偏流电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 这种偏置电路虽然简单，但主要缺点是工作点的稳定性差。由式(414)可知，当温度变化或更换管子引起,ICBO改变时，由于外电路将IBQ固定，所以管子参数的改变都将集中反映到ICQ,UCEQ的变化上。结果会造成工作点较大的漂移，甚至使管子进入饱和或截止状态。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、电流负反馈型偏置电路二、电流负反馈型偏置电路 使工作点稳定的基本原理，是在电路中引入自动调节机制，用IB的相反变化去自动抑制IC的变化，从而使ICQ稳定。这种机制通常称为负反馈。实现方法是在管子的发射极串接电

37、阻RE，见图414。由图可知，不管何种原因，如果使ICQ有增大趋向时，电路会产生如下自我调节过程： ICQIEQ UEQ(=IEQRE) ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RBUCCRCRE 图414 电流负反馈型偏置电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 结果，因IBQ的减小而阻止了ICQ的增大；反之亦然。可见，通过RE对ICQ的取样和调节，实现了工作点的稳定。显然， RE的阻值越大，调节作用越强，则工作点越稳定。但RE过大时，因UCEQ过小会使Q点靠近饱和区。因此，要二者兼顾，合理选择RE的

38、阻值。 该电路与图411(a)电路相比，差别仅在于此时UEE=0,UBB=UCC。参照式(412)，可得工作点的计算式为第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路)()1 ()(ECCQCCCEQBQCQEBonBECCBQRRIUUIIRRUUI(415a) (415b) (415c)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、分压式偏置电路三、分压式偏置电路 分压式偏置电路如图415(a)所示，它是电流负反馈型偏置电路的改进电路。由图可知，通过增加一个电阻RB2，可将基极电位UB固定。这样由ICQ引起的UE变化就是UBE的变化，因而增强了UBE对IC

39、Q的调节作用，有利于Q点的近一步稳定。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RB1UCCRCRE(a)RB2 图415分压式偏置电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 为确保UB固定，应满足流过RB1、RB2的电流I1IBQ，这就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1 、 RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取1I锗管）硅管）()2010()105(BQBQII并兼顾RE和UCEQ而取CCBUU)3151(416a) (416a)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 )(1211ecCQCC

40、CEQEQBQCQeEEQBEBECCbbbBRRIUUIIIRUIUUUURRRU第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 例例3 电路如图415(a)所示。已知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计算工作点ICQ和UCEQ。 解解 VRRIUUmARUUIVURRRUECCQCCCEQEonBEBBCQCCBBBBB4)22(212)(227 . 07 . 47 . 412253925)(212uAIICQBQ20第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路若按估算法直接求ICQ，mARUUIEonBEBBCQ2

41、27 . 07 . 4)( 显然两者误差很小。因此，在今后分析中可按估算法来求工作点。 与上述稳定Q点的原理相类似，实际中还可采用电压负反馈型偏置电路。除此之外，在集成电路中，还广泛采用恒流源作偏置电路，即用恒流源直接设定ICQ。有关恒流源问题将在第六章详细讨论。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路43放大器的组成及其性能指标放大器的组成及其性能指标 晶体管的一个基本应用就是构成放大器。所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。因此，放大器在电子技术中有着广泛的应用，是现代通信、自动控制、电子测量、生物电子等设备中不可缺少的组成部分。放大器涉及的问

42、题很多，这些问题将在后续章节中逐一讨论。本节主要说明小信号放大器的组成原理，简要介绍放大器的性能指标，然后给出其二端口网络的一般模型。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 431基本放大器的组成原则基本放大器的组成原则 基本放大器通常是指由一个晶体管构成的单级放大器。根据输入、输出回路公共端所接的电极不同，实际有共射极、共集电极和共基极三种基本(组态)放大器。下面以最常用的共射电路为例来说明放大器的一般组成原理。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路组成放大电路时，必须遵循以下几个原则：组成放大电路时，必须遵循以下几个原则： 1 1给所选用的放大管

43、提供直流电源，以作为电路输出给所选用的放大管提供直流电源，以作为电路输出能源和设置合适的静态工作点。能源和设置合适的静态工作点。 2 2电源的极性和大小应使电源的极性和大小应使BJTBJT基极与发射极之间处于正基极与发射极之间处于正向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置；即保证向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置；即保证BJTBJT工工作在放大区。作在放大区。 3 3电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流。态工作电流。 4 4输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。输入输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。输入信号必须能够改变基极

44、与发射极之间的电压，产生信号必须能够改变基极与发射极之间的电压，产生 vBEBE，或改变基极电流，产生或改变基极电流，产生 iB B（或（或 iE E）。）。 5 5当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流流 iC C能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。的信号电流或信号电压。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路电路组成习惯画法习惯画法基本组成如下：基本组成如下： 三三 极极 管管T T 负载电阻负载电阻R Rc c 、R RL L 偏置电路偏

45、置电路V VCCCC 、R Rb b 耦合电容耦合电容C Cb1 b1 、C Cb2b2起放大作用。起放大作用。将变化的集电极电流转换为电压输出。提供电源，并使三极管工作在线性区。+vORb300KRc4KVBBVcc12VCb1Cb2vI为什么要为什么要设置静态设置静态工作点？工作点？输入耦合电容输入耦合电容C C1 1保证信号加到发射结，保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容不影响发射结偏置。输出耦合电容C C2 2保证信号输送到负载，不影响集电结保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。偏置。耦合电容：电解电容，有极性，耦合电容：电解电容，有极性，大小为大小为1010 F F50

46、50 F F。动画（静态工作点）动画（静态工作点） 放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号几乎不失真的放大。管工作在线性区，以保证信号几乎不失真的放大。 放大作用实际上是放大器件的控制放大作用实际上是放大器件的控制作用，放大器是一种能量控制部件。同作用，放大器是一种能量控制部件。同时还要注意放大作用是针对变化量而言时还要注意放大作用是针对变化量而言的。的。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 共射极放大电路如图416所示。图中，采用固定偏流电路将晶体管偏置在放大状态，其中虚线支路的UCC为直流电源，

47、RB为基极偏置电阻，RC为集电极负载电阻。输入信号通过电容C1加到基极输入端，放大后的信号经电容C2由集电极输出给负载RL。因为放大器的分析通常采用稳态法，所以一般情况下是以正弦波作为放大器的基本输入信号。图中用内阻为Rs的正弦电压源Us为放大器提供输入电压Ui。电容C1, C2称为隔直电容或耦合电容，其作用是隔直流通交流，即在保证信号正常流通的情况下，使直流相互隔离互不影响。按这种方式连接的放大器，通常称为阻容耦合放大器。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RCUoUsVRsUiC1RB(UCC)C2RLUCC 图416共射极放大电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电

48、路双极型晶体管及其放大电路 通过上述实例可以看出，用晶体管组成放大器时应该遵循如下原则： (1)必须将晶体管偏置在放大状态，并且要设置合适的工作点。当输入为双极性信号(如正弦波)时，工作点应选在放大区的中间区域；在放大单极性信号(如脉冲波)时，工作点可适当靠向截止区或饱和区。 (2)输入信号必须加在基极发射极回路。由于正偏的发射结其iE与uBE的关系仍满足式(44)，即TBETBEUuSUuSEeIeIi) 1(418)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 而iCiE。所以，uBE对iC有极为灵敏的控制作用。因此，只有将输入信号加到基极发射极回路，使其成为控制电压uBE

49、的一部分，才能得到有效地放大。具体连接时，若射极作为公共支路(端)，则信号加到基极；反之，信号则加到射极。由于反偏的c结对iC几乎没有控制作用，所以输入信号不能加到集电极。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (3)必须设置合理的信号通路。当信号源和负载与放大器相接时，一方面不能破坏已设定好的直流工作点，另一方面应尽可能减小信号通路中的损耗。实际中，若输入信号的频率较高(几百赫兹以上)，采用阻容耦合则是最佳的连接方式。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 432直流通路和交流通路直流通路和交流通路 对一个放大器进行定量分析时，其分析的内容无外乎两

50、个方面。一是直流(静态)工作点分析，即在没有信号输入时，估算晶体管的各极直流电流和极间直流电压。二是交流(动态)性能分析，即在输入信号作用下，确定晶体管在工作点处各极电流和极间电压的变化量，进而计算放大器的各项交流指标。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 以图416所示的共射放大器为例，按照上述方法，将电路中的耦合电容C1,C2开路，得直流通路，如图417(a)所示；将C1, C2短路，直流电源UCC对地也短路，便得交流通路，如图417(b)所示。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路图417共射放大器的交、直流通路 (a)直流通路；(b)交

51、流通路RBUCCRCRCUoUsRsRBRL(a)(b)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 433放大器的主要性能指标放大器的主要性能指标 放大器有一个输入端口，一个输出端口，所以从整体上看，可以把它当作一个有源二端口网络，如图418所示。因为输入信号是正弦量，所以图中有小写下标的大写字母均表示正弦量的有效值，并按二端口网络的约定标出了电流的方向和电压的极性。这样，放大器的性能指标可以用该网络的端口特性来描述。第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路线性放大器IoRLUoUiIi图418放大器等效为有源二端口网络的框图第第4章章 双极型晶体管及其放

52、大电路双极型晶体管及其放大电路 一、放大倍数一、放大倍数A 放大倍数又称为增益，定义为放大器的输出量与输入量的 比值。根据处理的输入量和所需的输出量不同，有如下四种不同定义的放大倍数： ouioiiogioriUAUIAIIAUUAI(419a) (419b) (419c) (419d) 电压放大倍数 电流放大倍数 互导放大倍数 互阻放大倍数 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 其中，Au和Ai为无量纲的数值，而Ag的单位为西门子(S)，Ar的单位为欧姆()。有时为了方便，Au和Ai可取分贝(dB)为单位，即),(lg20),(lg20dBIIAdBUUAioiiou

53、(420) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、输入电阻二、输入电阻 Ri 输入电阻是从放大器输入端看进去的电阻，它定义为 在图418的框图中，对信号源来说，放大器相当于它的负载，Ri则表征该负载能从信号源获取多大信号。 iiiIUR (421)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、输出电阻三、输出电阻Ro 输出电阻是从放大器输出端看进去的电阻。在图418的框图中，对负载来说，放大器相当于它的信号源，而Ro正是该信号源的内阻。根据戴文宁定理，放大器的输出电阻定义为0I0s或sUoooIUR(422)Ro是一个表征放大器带负载能力的参数。

54、 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 根据放大器输入和输出信号的不同，利用上述三个指标，则图418所示的框图可具体描述为四种二端口网络模型，如图419所示。图中，Auo,Aro分别表示负载开路时的电压、互阻放大倍数，而Ais,Ags则分别表示负载短路时的电流、互导放大倍数。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路IsAisIiRLRsRiRo(b)IoIiUsAuoUiRLRsUiRiRoUo(a)AgsUiRLRiRo(c)IoUsRsUiAroIiRLRiRoUo(d)IsIiRo 图419放大器二端口网络模型(a)电压放大器；(b)电流放大

55、器；(c)互导放大器；(d)互阻放大器第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 四、非线性失真系数四、非线性失真系数THD 由于放大管输入、输出特性的非线性，因而放大器输出波形不可避免地会产生或大或小的非线性失真。具体表现为，当输入某一频率的正弦信号时，其输出电流波形中除基波成分之外，还包含有一定数量的谐波。为此，定义放大器非线性失真系数为mnnmIITHD122(423)第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 式中I1m为输出电流的基波幅值，Inm为二次谐波以上的各谐波分量幅值。由于小信号放大时非线性失真很小，所以只有在大信号工作时才考虑THD指标。

56、第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 五、线性失真五、线性失真 放大器的实际输入信号通常是由众多频率分量组成的复杂信号。由于放大电路中含有电抗元件(主要是电容)，因而放大器对信号中的不同频率分量具有不同的放大倍数和附加相移，造成输出信号中各频率分量间大小比例和相位关系发生变化，从而导致输出波形相对于输入波形产生畸变。通常将这种输出波形的畸变称为放大器的线性失真或频率失真。有关描述线性失真的一些具体指标，如截止频率、通频带。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路44 放大器图解分析法放大器图解分析法 441直流图解分析直流图解分析 直流图解分析是在

57、晶体管特性曲线上，用作图的方法确定出直流工作点，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。 对于图416所示共射极放大器，其直流通路重画于图420(a)中。由图可知，在集电极输出回路，可列出如下一组方程： 直流负载线方程输出特性曲线方程CCCCCEIiCECRiUuufiBQB)(424a) (424b) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路RBUCCRC(a)RCUoUiRBRL(b)IBQICQUCEQiBiCUCE图420共射放大器的直流、交流通路 (a)直流通路；(b)交流通路第第4章章 双极型晶体管及其

58、放大电路双极型晶体管及其放大电路1、用近似估算法求静态工作点cCCCCEBCbBECCBRIVVIIRVVI 根据直流通路可知：根据直流通路可知：采用该方法，必须已知三极管的 值一般硅管一般硅管VBE=0.7V，锗管，锗管VBE=0.2V。直流通路的画法：直流通路的画法：将交流电压源短将交流电压源短路、将电容开路路、将电容开路。 共射极放大电路共射极放大电路+vORb300KRc4KVcc12VCb1Cb2vi+开路开路开路开路 耦合电容对直流而言，容抗为无耦合电容对直流而言，容抗为无穷大，可视为开路；而交流电压源其穷大，可视为开路；而交流电压源其内阻很小，对直流而言可视为短路。内阻很小，对直

59、流而言可视为短路。 直流通路直流通路RbRcIBVBEICVCE+Vcc第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路iC / mAvCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0 AO 2 4 6 8 10 124321ICEO 采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。2、用图解分析法确定静态工作点非线性电路部分非线性电路部分线性电路部分线性电路部分+vIvORb300KRc4KVBBVcc12VCb1Cb2CCVRcC1R斜率-VCCICQVCEQQ把放大电路分成非线性和线性两部分把放大电路分成非线性和线性两部分列输入回路方程：列输入回路

60、方程： vBE =VCCiBRb 求出求出iB，并画出并画出 对应的输出特性曲线对应的输出特性曲线BCCE()iif v常数 在输出特性曲线上，作出在输出特性曲线上，作出直流负载线直流负载线 vCE=VCCiCRc，与与IBQ曲线的交点即为曲线的交点即为Q点，从点，从而得到而得到VCEQ 和和ICQ。 Q点表示在给定条件下点表示在给定条件下电路的工作状态，由于此电路的工作状态，由于此时没有输入信号电压，所时没有输入信号电压，所以以Q点就是静态工作点。点就是静态工作点。由估算法求出由估算法求出I IB B，I IB B对应的输出特性对应的输出特性与直流负载线的交与直流负载线的交点就是工作点点就是