第2章晶体管及其放大电路分析

1、1（8学时）学时）2.1 晶体管的基本概念晶体管的基本概念2.2 晶体管晶体管放大电路放大电路的分的分析析2.3 多级放大电路的分析多级放大电路的分析2.4 放大电路的频率特性放大电路的频率特性重点掌握：放大的概念、放大电路的主要指标，静态、动态重点掌握：放大的概念、放大电路的主要指标，静态、动态直流通路与交流通路的概念，放大电路的分析方法（图解法直流通路与交流通路的概念，放大电路的分析方法（图解法和微变等效电路法），和微变等效电路法），Q、Au、Ri、Ro的估算方法。的估算方法。2结构特点：结构特点：1 发射区的掺杂浓度最高发射区的掺杂浓度最高2 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大集电区掺杂

2、浓度低于发射区，且面积大3 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低2.1.1 基本结构和类型基本结构和类型晶体管的几种常见外形晶体管的几种常见外形由两个由两个PN 结背靠背组成结背靠背组成发射极发射极集电极集电极基极基极发射区发射区基区基区集电区集电区2.1 晶体管的基本概念晶体管的基本概念3becNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极bcePNP型型发射区发射区基区基区集电区集电区发射结发射结集电结集电结41、 放大的概念放大的概念放大的目的是将微弱的放大的目的是将微弱的变化信号

3、变化信号的电压或电流的电压或电流无失真无失真地放大地放大(功功率放大率放大)。其本质是。其本质是能量的控制和转换能量的控制和转换：在输入信号作用下，通过：在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量。这样，必须放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量。这样，必须存在能够控制能量的元件：存在能够控制能量的元件：有源元件有源元件：T。前提：不失真前提：不失真。放大镜放大物体，利用杠杆移动重物，变压器放大电压：放大镜放大物体，利用杠杆移动重物，变压器放大电压：将原物形状或大小按一定比例放大，且放大前后能量守恒。将原物形状或大小按一定比例放大，且放大前后能量守恒。图为电子

4、学中利用扩音机放大声音的原理框图：图为电子学中利用扩音机放大声音的原理框图：电电信信号号足够强足够强电信号电信号微弱微弱强得多强得多5uAt符号规定符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量大写字母、大写下标，表示直流量uA小写字母、大写下标，表示总量小写字母、大写下标，表示总量ua小写字母、小写下标，表示交流瞬时量小写字母、小写下标，表示交流瞬时量ua总量总量交流分量交流分量UA直流分量直流分量 Ua大写字母、小写下标，表示交流有效值大写字母、小写下标，表示交流有效值总量总量=直流分量直流分量+交流分量交流分量6becNNPVBBRbIE基区空穴向发射基区空穴向发射区的扩散可忽略区的扩散可忽

5、略IEP进入进入P P 区的电子少区的电子少部分与基区的空穴部分与基区的空穴复合，形成电流复合，形成电流I IB B 多数扩散到集电结多数扩散到集电结发射结正偏发射结正偏, ,发射发射区电子不断向基区电子不断向基区扩散，形成发区扩散，形成发射极电流射极电流I IE E。2、晶体管内部载流子的运动、晶体管内部载流子的运动VCCRCICN从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为少子作为少子，漂移子，漂移进入集电进入集电区被收集，区被收集，形成形成IC。集电结反偏，有少子集电结反偏，有少子形成的反向电流形成的反向电流 ICBOICBOIENIBNIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP-ICBOIB

6、IE=IEN+IEP7becNNPVBBRbIEIB进入进入P P 区的电子少区的电子少部分与基区的空穴部分与基区的空穴复合，形成电流复合，形成电流I IB B 多数扩散到集电结多数扩散到集电结发射结正偏发射结正偏, ,发射发射区电子不断向基区电子不断向基区扩散，形成发区扩散，形成发射极电流射极电流I IE E。VCCRCIC从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为少子作为少子，漂移子，漂移进入集电进入集电区被收集，区被收集，形成形成IC。IEIBIE=IC+IBICBCII8二、晶体管的电流分配关系二、晶体管的电流分配关系IC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP ICBO=IB- ICBOI

7、E=IEN+IEPIE=IC+IB三、晶体管的共射电流放大系数三、晶体管的共射电流放大系数ICN 与与 IB 之比称为之比称为直流直流电流放大电流放大系数系数BCCBOBCBOCBCNIIIIIIIICEOBCBOBCIIIII1BCIIBEII19要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。在前面电路的基础上，若有交流电压在前面电路的基础上，若有交流电压U UI I 输入，则在输入，则在IB 的基础上叠加动态电流的基础上叠加动态电流iB，在，在IC 的基础上叠加动态电流的基础上叠加动态电流iC， iC与与iB之比称为交流电流放大系数

8、：之比称为交流电流放大系数：BCii在一定范围内在一定范围内10IBIEIC总结：总结：IEICIBIBIE=IC+IBBCIIBEII 1BCII11iCmA AVVUCEUBERbiBVCCVBB 实验线路实验线路RCbBBBEBRiVuCCCCECRiVu12一、一、输入特性曲线输入特性曲线UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8导通压降：导通压降：硅管硅管U UBE BE 0.60.60.8V,0.8V,锗管锗管U UBE BE 0.10.10.3V0.3VUCE=0VUCE =0.5V开启电压：开启电压：硅管硅管0.5V0.5V，锗管锗管0.1V0.1V。常数

9、CEUBEBufi13二、二、输出特性曲线输出特性曲线iC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大区放大区I IC C=I IB B截止区截止区,IB0,IC0常数BICECufi饱和区饱和区ICIBCCCCECRiVu临界饱和临界饱和UCE=UBEUBC=014输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:(1) 截止区：截止区：发射结反偏发射结反偏UBEUON , UCEUBE IE=IC+IB， IC= IB , 且且 IC = IB(3) 饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。UBEUON , UCE UB

10、E IC IB，UCE 0.3V 临界饱和时，临界饱和时， UCE=UBE UBC=0倒置状态倒置状态（反偏状态）：发射结反偏；（反偏状态）：发射结反偏；集电结正偏。即集电结正偏。即c、e互换，互换，IE=IB， Ic=IE+IB,但是但是=0.010.02bec15n【例【例2-1】测得三只晶体管的直流电位如图】测得三只晶体管的直流电位如图2-8(a)、(b)、(c)所示，试判断它们的工作状态。所示，试判断它们的工作状态。图2-8 例2-1图 16共射直流电流放大倍数：共射直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交

11、流信号。基极电流的变化量为的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集相应的集电极电流变化为电极电流变化为 IC，则交流电流放大倍数为：则交流电流放大倍数为：BiiC1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 _例：例：UCE=6V时时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCii在以后的计算中，一般在以后的计算中，一般作近似处理：作近似处理： =3 .3806. 03 . 2_BCII172.集集- -基极反向饱和电流基极反向饱和电流ICBOICBO是发射极开路

12、时，集电结是发射极开路时，集电结反偏由少子的漂移形反偏由少子的漂移形成成的的反向饱和电流。反向饱和电流。受温度变化的影响较大。受温度变化的影响较大。 AICBO183. 基极开路时基极开路时, ,集集- -射极间的穿透电流射极间的穿透电流ICEObecNNPICBOICEO= IBP+ICBO =(1+ ) ICBO IBP IBPICBO进入进入N区，区，形成形成IBP根据放大关系，根据放大关系，由于由于IBP的存在的存在, ,必有电流必有电流 IBP。集电结反集电结反偏有偏有ICBOICEO受温度影响很大受温度影响很大, ,当温度上升时，当温度上升时，ICEO增加很快，所以增加很快，所以I

13、C也也相应增加。相应增加。三极管的三极管的温度特性较差温度特性较差。194.集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC大到一定程度时，会导致三极管大到一定程度时，会导致三极管的的 值下降，当值下降，当 值下降到正常值的三分之二时的集值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为电极电流即为ICM。5.反向击穿电压反向击穿电压UCBO：发射极开路时：发射极开路时集电极集电极- -基极间的反向击穿电压基极间的反向击穿电压UCEO：基极开路时集电极：基极开路时集电极- -发射极间的反向击穿电压发射极间的反向击穿电压UEBO：集电极开路时发射极：集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压基极

14、间的反向击穿电压206. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM集电极电流集电极电流IC 流过三极管所流过三极管所产生的功耗为产生的功耗为PC =ICUCEPC太大必定导太大必定导致结温上升致结温上升,所所以以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEPCM=ICUCE=常数常数ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区211、对、对ICBO的影响：的影响：温度升高，温度升高， ICBO增大增大2、对输入特性的影响、对输入特性的影响3、对输出特性的影响、对输出特性的影响22由由PNP型三极管组成的基本放大电路：型三极管组成的基本放大电路：ICIBVCCRbVBBcbeRCIEICU CE

15、0UBEIB电源电压为负。同样具有三个区：电源电压为负。同样具有三个区：放大区放大区：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏饱和区饱和区：发射结，集电结均正偏发射结，集电结均正偏截止区：截止区： |UBE|R Rb b+r+rb be e, ,则则Au接近于接近于1 1，故，故常称共集放大电路为常称共集放大电路为射集跟随器射集跟随器)1 ()1 (ebebebRrRIRIbbeebebbiiIRIrRIIUR)(iebebiRrRR)1 (87bebobrRUI)1 (/obeberRRR)1 ()1 (bebbeberRRrRRo所所以以一一般般.0SUoooIUR输出电阻：输出电阻：

16、beboerRUI1eRoIIIebebebebOeOOOOrRRrRURUUIUR11111o88例例2.5.1：已知射极输出器的参数如下：已知射极输出器的参数如下： VBB=6V, VCC=12V, Rb=15k ，Re=5k ，UBEQ=0.7V, rbb=200 ， =150，估算估算Q点、点、Au 、 Ri 和和Ro 。P113ebBEQBBBQRRUVI1BQEQII 1eEQCCCEQRIVU解：解：估算估算Q点点AmA88. 65501157 . 06mAA04. 188. 6501V8 . 6504. 112CQTbbbeIUrrK1 . 4)126151200(89ebee

17、)1 ()1 (RrRRAbUebebiRrRR)1 ()1 (/obeberRRR)1 (bebrR例例2.5.1：已知射极输出器的参数如下：已知射极输出器的参数如下： VBB=6V, VCC=12V, Rb=15k ，Re=5k ，UBEQ=0.7V, rbb=100 ， =50，估算估算Q点、点、Au 、 Ri 和和Ro 。P113求求Au 、 Ri 和和Ro975. 0515011 . 41551501KK77451511 . 4151261511 . 415K90Rb+VCCC1C2ReRLuiuoRb+VCCRe直流通道直流通道阻容耦合电路共集放大电路阻容耦合电路共集放大电路:91

18、一、静态分析一、静态分析IBIEebBEQCCBQRRUVI)1 (BQEQII)1 (eEQCCCEQRIVURb+VCCRe直流通道直流通道eBQBEQbBQeEQBEQbBQCCRIURIRIURIV192二、动态分析二、动态分析Rb+VCCC1C2ReRLuiuoRbReRLuiuorbeiUbIReRLRboUcIbIiI93LeoRIULeLRRR/LbRI）（1LebebiRIrIULbbebRIrI)1 (LbbebLbuRIrIRIA)1 ()1 (LbeLRrR)1 (1）（1. 电压放大倍数电压放大倍数rbeiUbIReRLRboUcIbIiI1,)1(接接近近于于则则若

19、若uLbeARr942. 输入电阻输入电阻bRbiIIILbebiiiRrRIUR)1 (/rbeiUbIReRLRboUcIbIiIbRILbbebiRIrIU)1 (953. 输出电阻输出电阻用加压求流法求输出电阻。用加压求流法求输出电阻。RobIiIrbeReRbcIbIrbeReRbbIbIeIUIebbIIIIebebeRUrUrU电源置电源置0IURo)11/(1ebeRr1/beerR一般：一般：1beerR所以：所以：1beorR96Rb+VCCC1C2ReRLuiuo例例2.5.2：已知射极输出器的参数如下：已知射极输出器的参数如下：Rb=570k ，Re=5.6k ， rb

20、b=300 , RL=5.6k ， =100，VCC=12V求求Au 、 Ri 和和Ro 。ebBECCBRRUVI)1 (BEII)1 (k9 . 201. 126101300解：解：AmA106 . 510015707 . 012mAA01. 1101001EQTbbbeIUrr197Rb=570k ，Re=5.6k ，RL=5.6k ， =100，VCC=12V求求Au 、 ri和和ro 。rbeiUbIReRLRboUcIbIiI微变等效电路微变等效电路rbe=2.9 k ，LbeLuR)(rRA11）（)1 (/LbebiRrRR2.8)1001 (2.9570/190k1/beeo

21、rRR990821019282101.1012.9/6 . 5 2898共集电极电路特点：共集电极电路特点：2. 2. 输入电阻大，从信号源获取的电流小输入电阻大，从信号源获取的电流小3. 3. 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强直接耦合ebebRrRR)1 (i阻容耦合LbebiRrRR)1 (/直接耦合直接耦合)1 (/bebErRRRo阻容耦合1/beeOrRR同同相相与与ioVV1. 1. 电压放大倍数小于电压放大倍数小于1 1但接近于但接近于1 1，称为射极跟随器或电压跟随器称为射极跟随器或电压跟随器992.2.6 2.2.6 基本共基放大电路基本共基放大电路 F一、电

22、路组成一、电路组成 Cb + + RcL ui Re VCC 图图2.5.7(a) 直直接接耦耦合合共共基基放放大大电电路路 uo VBB 图图2.5.7(b) 阻阻容容耦耦合合共共基基放放大大电电路路 + + RLL us uo RsL C1 VCC Rb1 Rb2 C2 Rc Re 100F二、静态分析二、静态分析 b RcL Re VCC 图图 2.5.8 直流通路直流通路 VBB + + RcL ui Re VCC 图图 2.5.7(a) 直接耦合共基放大电路直接耦合共基放大电路 uo VBB c e b c e + VE eBQBEQeEQBEQBBRIURIUV1eBEQBBEQR

23、UVI1EQBQIIBEQCCQCCEQCQCEQURIVUUU101F三、动态分析三、动态分析beecbebebcbbebeecciourRRrIRIRIrIRIRIUUA)1 ()1 ( b + + RcL ui Re VCC 直直接接耦耦合合共共基基放放大大电电路路 uo VBB c e b + + RcL ui Re uo c e 交交流流通通路路 微微变变等等效效电电路路 rbe iUbIcIbI oUiIRi b + + RcL Re c e eI)1(i beeebebeeirRIrIRIIURcTTRIUR o 求求 Ro等等效效电电路路 rbe bIcIbI TURo b +

24、 RcL Re c e TI102共基极放大电路电路特点：共基极放大电路电路特点：同同相相与与ioVV1.1.因输入回路电流为因输入回路电流为iE，输出回路电流为，输出回路电流为iC，所以电路只能放，所以电路只能放大电压，不能放大电流大电压，不能放大电流, ,2.2.输入电阻较共射放大电路要小输入电阻较共射放大电路要小3.3.频带宽，频率特性好，常用于无线电通信频带宽，频率特性好，常用于无线电通信)1 (ibeerRRbebrRRi共基放大电路共基放大电路共射放大电路共射放大电路103三种接法的比较三种接法的比较 电压放大倍数电压放大倍数beLc)/(rRR 输入电阻：输入电阻：beb/rR输

25、出电阻：输出电阻：cR1)/)(1 ()/()1 (LebeLeRRrRR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRRbeLc)/(rRR 1/beerRcR1041.1.共发射极放大电路共发射极放大电路既能放大电压，也能放大电流，既能放大电压，也能放大电流，输入电阻居中，输出电阻较大，频带较窄。常作低输入电阻居中，输出电阻较大，频带较窄。常作低频电压放大频电压放大。2.2.共集电极放大电路共集电极放大电路只能放大电流，不能放大电压。只能放大电流，不能放大电压。输入电阻最大、输出电阻最小，具有电压跟随的特输入电阻最大、输出电阻最小，具有电压跟随的特点，常用于多级放大的输入级

26、和输出级。点，常用于多级放大的输入级和输出级。3.3.共基极放大电路共基极放大电路只能放大电压，不能放大电流。输只能放大电压，不能放大电流。输入电阻小，频率特性最好，常用于宽频带放大电路入电阻小，频率特性最好，常用于宽频带放大电路2.5.3. 2.5.3. 三种接法的比较三种接法的比较 105例例1： =50， VCC =12V， Rb =70k ，RC =6k ，UBE=0.7V 分析分析VBB = -2V，2V，5V时晶体时晶体管的工作状态。管的工作状态。解：解：当当VBB = -2V时：时：UBEVON，晶体管导通晶体管导通9mA01. 0707 . 02bBEBBBRUVI0.95mA

27、9mA01050.IIBCmA2612maxCCCCRVIIC最大饱和电流：最大饱和电流：ICVON，晶体管导通晶体管导通mA2maxCIIC最大饱和电流：最大饱和电流：IC ICmax 工作在饱和区工作在饱和区。mA061. 0707 . 05bBEBBBRUVI5mA03mA061050.IIBCCCCCECRiVuVKV3 . 6mA05. 3612或者：假设工作在放大区或者：假设工作在放大区假设错误，工作在饱和区假设错误，工作在饱和区。1071. 直接耦合直接耦合 级间耦合级间耦合：多级放大电路的每一个基本放大电路多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级；级与级之间的连接称之为耦合。多

28、级放大称为一级；级与级之间的连接称之为耦合。多级放大电路有四种基本耦合方式：电路有四种基本耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。压器耦合和光电耦合。 将前一级的输出用导线直接连接到后一级的输将前一级的输出用导线直接连接到后一级的输入端的耦合方式，称之为直接耦合。入端的耦合方式，称之为直接耦合。108直接耦合放大电路的优缺点直接耦合放大电路的优缺点: : 优点：优点：具有良好的低频特性，可以放大缓慢变化的信号；具有良好的低频特性，可以放大缓慢变化的信号；无大电容和电感，容易集成。无大电容和电感，容易集成。 缺点：缺点：静态工作点相互影响，分析、计算、设计较复杂

29、；静态工作点相互影响，分析、计算、设计较复杂；存在零点漂移。存在零点漂移。 + iuRb1 T1 T2 图图 3.1.1a 直直接接耦耦合合多多级级放放大大电电路路 Rc1 + ouRc2 +Vcc Rb2 从图中可以看出从图中可以看出: :直接直接耦合放大电路的静态工耦合放大电路的静态工作点是相互影响的作点是相互影响的,T1,T1的静态工作点靠近饱和的静态工作点靠近饱和区，容易产生饱和失真区，容易产生饱和失真U UC1C1=U=UCEQ1CEQ1=U=UBEQ2BEQ2=0.7V=0.7V1092. 阻容耦合阻容耦合 将前一级的输出用电容连接到后一级的输入端的耦将前一级的输出用电容连接到后一

30、级的输入端的耦合方式，称之为合方式，称之为阻容耦合阻容耦合。 提示：提示：（1 1）对于直流）对于直流通路电容相当于开路，所通路电容相当于开路，所以各级静态工作点相互独以各级静态工作点相互独立；（立；（2 2）在微变等效电）在微变等效电路上求解交流参数，此时路上求解交流参数，此时电容和直流电源均相当于电容和直流电源均相当于短路短路。优点：优点：直流通路是相互独立的，电路的分析、计算和调试比直流通路是相互独立的，电路的分析、计算和调试比较容易，是分立元件放大电路的主要耦合方式。较容易，是分立元件放大电路的主要耦合方式。缺点：缺点：低频特性差，不能放大缓慢变化的信号；耦合电容容低频特性差，不能放大缓慢变化的信号；耦合电容容量较大，所以不便于集成化。量较大，所以不便于集成化。图图3.1.2 两级阻容