模电第五版第四章

1、4.1 半导体三极管半导体三极管4.3 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 共射极放大电路的工作原理共射极放大电路的工作原理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 半导体三极管半导体三极管4.1.1 BJT的结构简介的结构简介4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理4.1.3 BJT的的VI特性曲线特性曲线4.1.4 BJT的主要参数的主要参数4.1.1 BJT的结构简介的结构简介(a) 小

2、功率管小功率管 (b) 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 半导体三极管半导体三极管的结构示意图如图所的结构示意图如图所示。它有两种类示。它有两种类型型:NPN型和型和PNP型。型。4.1.1 BJT的结构简介的结构简介(a) NPN型管结构示意图型管结构示意图(b) PNP型管结构示意图型管结构示意图(c) NPN管的电路符号管的电路符号(d) PNP管的电路符号管的电路符号集成电路中典型集成电路中典型NPNNPN型型BJTBJT的截面图的截面图4.1.1 BJT的结构简介的结构简介 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过三极管的放大作用是在一定的外

3、部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。载流子传输体现出来的。外部条件：外部条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原的工作原理理1. 内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 （以（以NPNNPN为例）为例） 由于三极管内有两种载流子由于三极管内有两种载流子( (自自由电子和空穴由电子和空穴) )参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管或极型三极管或BJTBJT ( (Bipolar Junction Transisto

4、r) )。 IC= InC+ ICBOIE=IB+ IC放大状态下放大状态下BJTBJT中载流子的传输过程中载流子的传输过程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 IC= InC+ ICBO通常通常 IC ICBOECII 则则有有 为电流放大系数。它只为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般有关，与外加电压无关。一般 = 0.9 0.99 。IE=IB+ IC放大状态下放大状态下BJTBJT中载流子的传输过程中载流子的传输过程

5、 1 又设又设BCEOCIII 则则 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 。根据根据IE=IB+ IC IC= InC+ ICBOEnCII 且令且令BCCEOCIIII 时时，当当ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）（穿透电流）2. 电流分配关系电流分配关系3. 三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示。表示。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C

6、B表示；表示；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CE表示；表示；BJT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. 放大作用放大作用若若 vI = 20mV电压放大倍数电压放大倍数4920mVV98. 0IO vvvA使使 iE = -1 mA，则则 iC = iE = -0.98 mA， vO = - iC RL = 0.98 V，当 = 0.98 时，时， 综上所述，三极管的放大作用，主要是依综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。达集电极而实现的。实

7、现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。4.1.3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const(2) 当当vCE1V时，时， vCB= vCE - - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，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)

8、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. 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饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控制的区域，控制的区域，该区域内，一般该区域内，一般vCE0.7V (硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集电结正偏或反发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小偏电压很小。iC=f(vCE) iB=const2. 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：iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，的

9、曲线的下方。此时， vBE小于死区小于死区电压电压。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的区域，曲轴的区域，曲线基本平行等距。此时，线基本平行等距。此时，发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏。4.1.3 BJT的的V-I 特性曲线特性曲线 (1) 共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1. 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iC的关系曲线的关系曲线 (2) 共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 = IC/ IB vCE=const1. 电流放大系数电流放大系数 (3)

10、 共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE (4) 共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 = IC/ IE vCB=const 当当ICBO和和ICEO很小时，很小时， 、 ，可，可以不加区分。以不加区分。4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 2. 极间反向电流极间反向电流 (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ICBO 发射极开发射极开路时，集电结的反向饱和电流。路时，集电结的反向饱和电流。 4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）

11、ICBO 4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 2. 极间反向电流极间反向电流(1) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM(2) 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE 3. 极限参数极限参数4.1.4 BJT的主要参数的主要参数 3. 极限参数极限参数4.1.4 BJT的主要参数的主要参数(3) 反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结发射极开路时的集电结反反 向击穿电压。向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反集电极开路时发射结的反 向击穿电压。向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射基极开路时集电极

12、和发射 极间的击穿电压。极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO4.1.5 温度对温度对BJT参数及特性的影响参数及特性的影响(1) 温度对温度对ICBO的影响的影响温度每升高温度每升高10，ICBO约增加一倍。约增加一倍。 (2) 温度对温度对 的影响的影响温度每升高温度每升高1， 值约增大值约增大0.5%1%。 (3) 温度对反向击穿电压温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响的影响温度升高时，温度升高时，V(BR)CBO和和V(BR)CEO都会有所提高。都会有所提高。 2. 温度对温度对BJT特性曲

13、线的影响特性曲线的影响1. 温度对温度对BJT参数的影响参数的影响end4.2 共射极放大电路的工作原共射极放大电路的工作原理理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基本共射极放大电路基本共射极放大电路 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原基本共射极放大电路的工作原理理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vi0时，时，放大电路的工作状态称放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。为静态或直流工作状态。 直流通路直流通路 bBEQBBBQRVVI BQCEOBQCQIIII VCEQ=VCCICQRc 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原基本共射

14、极放大电路的工作原理理2. 动态动态 输入正弦信号输入正弦信号vs后，电路后，电路将处在动态工作情况。此时，将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在各极电流及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。 交流通路交流通路 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 小信号模型分析小信号模型分析法法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解分析3. 非线性失真的图解分析非线性失真的图解分析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

15、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 采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入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。输出特性曲线。 共射极放大电路共射极放大电路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 列输入回路方程列输入回路方程 列输出回路方程（直流负载线）列输出回路方程（直流负载线）VCE=VCCiCRc 首先

16、，画出直流通路首先，画出直流通路直流通路直流通路 bBBBBERiV v 在输出特性曲线上，作出直流负载线在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCiCRc，与，与IBQ曲曲线的交点即为线的交点即为Q点，从而得到点，从而得到VCEQ 和和ICQ。 在输入特性曲线上，作出直线在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点，两线的交点即是即是Q点，得到点，得到IBQ。bBBBBERiV v 根据根据vs的波形，在的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的的波形波形2. 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析tsinsmsV vbBsBBBERiV vv

17、根据根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和和vCE 的波形的波形2. 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析cCCCCERiV v2. 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析 共射极放大电路中的电压、共射极放大电路中的电压、电流波形电流波形3. 静态工作点对波形失真的影静态工作点对波形失真的影响响截止失真的波形截止失真的波形 饱和失真的波形饱和失真的波形3. 静态工作点对波形失真的影静态工作点对波形失真的影响响4. 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况幅度较大而工作频率不太高的情况优点：优点： 直观、形象。有

18、助于建立和理解交、直流共存，静态和直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。工作情况。缺点：缺点： 不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。4.3.2 小信号模型分析法小信号模型分析法1. BJT的的H参数及小信号模型参数及

19、小信号模型建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。处理。 由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的

20、分析和设计。线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型 H参数的引出参数的引出),(CEB1BEvvif 在小信号情况下，对上两式取全微分得在小信号情况下，对上两式取全微分得CECEBEBBBEBEdddBCEvvvvv IVii用小信号交流分量表示用小信号交流分量表示vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce 对于对于BJT双口网络，已知输双口网络，已知输入输出特性曲线如下：入输出特性曲线如下：iB=f(vBE) vCE=constiC=f(vCE) iB=const可以写成：可以写成：),(CEB2Cvifi C

21、ECECBBCCdddBCEvv IViiiiiBJT双口网络双口网络CEBBEie Vih v输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流传输比或电输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；流放大系数；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的输出电导。输入端交流开路时的输出电导。其中：其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。参数）。vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevceCEBCfe Viih BCEBEre Ihvv B

22、CECoe Iihv 1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型 H参数的引出参数的引出1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型 H参数小信号模型参数小信号模型根据根据可得小信号模型可得小信号模型BJT的的H参数模型参数模型vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevceBJT双口网络双口网络1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型 H参数小信号模型参数小信号模型 H H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 H H参数与工作点有关，在放大区基本不变。参数与工作点有关，在放大区基本不变。 H H参数

23、都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。 受控电流源受控电流源h hfefei ib b ，反，反映了映了BJTBJT的基极电流对集电的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源极电流的控制作用。电流源的流向由的流向由ib的流向决定。的流向决定。 hrevce是一个受控电压是一个受控电压源。反映了源。反映了BJT输出回路电输出回路电压对输入回路的影响。压对输入回路的影响。1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型 模型的简化模型的简化 hre和和hoe都很小，常忽都很小，常忽略它们的影响。略它们的影响。 BJT在共射连接时，其在共射连接时，其

24、H参数的数量级一般为参数的数量级一般为 S101010101052433oefereieehhhhh1. BJT的的H参数及小信号模型参数及小信号模型 H参数的确定参数的确定 一般用测试仪测出；一般用测试仪测出；rbe 与与Q点有关，可用图示仪测出。点有关，可用图示仪测出。rbe= rbb + (1+ ) re其中对于低频小功率管其中对于低频小功率管 rbb200 则则 )mA()mV(26)1(200EQbeIr )mA()mV(26)mA()mV(EQEQeIIVrT 而而 (T=300K) 一般也用公式估算一般也用公式估算 rbe （忽略（忽略 re ）4.3.2 小信号模型分析法小信号

25、模型分析法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（1）利用直流通路求）利用直流通路求Q点点 共射极放大电路共射极放大电路bBEBBBRVVI 一般硅管一般硅管VBE=0.7V，锗管，锗管VBE=0.2V， 已知已知。BCII LCcCECCCE)(RIRVVV 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（2）画小信号等效电路）画小信号等效电路H参数小信号等效电路参数小信号等效电路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）求放大电路动态指标）求放大电路动态指标根

26、据根据)(bebbirRi vbcii )/(LccoRRi v则电压增益为则电压增益为)()/()()/()()/(bebLcbebbLcbbebbLcciorRRRrRiRRirRiRRiA vvv（可作为公式）（可作为公式）电压增益电压增益H参数小信号等效电路参数小信号等效电路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）求放大电路动态指标）求放大电路动态指标输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻令令0i v0b i0b iRo = Rc 所以所以bebbbebbbiiiirRirRiiiR )( vv LsR,0ttovviR3. 小信号模型分析法

27、的适用范围小信号模型分析法的适用范围 放大电路的输入信号幅度较小，放大电路的输入信号幅度较小，BJTBJT工作在其工作在其V VT T特性特性曲线的线性范围（即放大区）内。曲线的线性范围（即放大区）内。H H参数的值是在静态工作参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。值的大小及稳定性密切相关。优点优点： 分析放大电路的动态性能指标分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和和Ro等等)非常方便，非常方便，且适用于频率较高时的分析。且适用于频率较高时的分析。4.3.2 小信号模型分析法小信

28、号模型分析法缺点缺点： 在在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及电量及BJT的的H参数均是针对变化量参数均是针对变化量(交流量交流量)而言的，不能用而言的，不能用来分析计算静态工作点。来分析计算静态工作点。共射极放大电路共射极放大电路 放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知BJT的的 =80， Rb=300k ， Rc=2k ， VCC= +12V，求：，求：（1）放大电路的）放大电路的Q点。此时点。此时BJT工作在哪个区域？工作在哪个区域？（2）当）当Rb=100k 时，放大电路的时，放大电路的Q点。此时点。此时BJT工作在哪

29、个区域？（忽略工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）的饱和压降）解：解：（1）A40300k2V1bBECCBQ RVVI（2）当）当Rb=100k 时，时，3.2mAA4080BQCQ II 5.6V3.2mA2k-V12CQcCCCEQ IRVV静态工作点为静态工作点为Q（40 A，3.2mA，5.6V），），BJT工作在放大区。工作在放大区。其最小值也只能为其最小值也只能为0，即，即IC的最大电流为：的最大电流为：A120100k2V1bCCBQ RVImA6 . 9A12080BQCQ II V2 . 79.6mA2k-V12CQcCCCEQ IRVVmA62k2V1cCESCCCM

30、 RVVICMBQ II 由由于于，所以，所以BJT工作在饱和区。工作在饱和区。VCE不可能为负值，不可能为负值，此时，此时，Q（120uA，6mA，0V），）， 例题例题end4.4 放大电路静态工作放大电路静态工作点的稳定问题点的稳定问题4.4.1 温度对静态工作点的影温度对静态工作点的影响响4.4.2 射极偏置电路射极偏置电路1. 基极分压式射极偏置电路基极分压式射极偏置电路2. 含有双电源的射极偏置电路含有双电源的射极偏置电路3. 含有恒流源的射极偏置电路含有恒流源的射极偏置电路4.4.1 温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响 4.1.6节讨论过，温度上升时，节讨论过，温度上升

31、时，BJT的反向电流的反向电流ICBO、ICEO及电流放大系数及电流放大系数 或或 都会增大，而发射结正向压降都会增大，而发射结正向压降VBE会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流极静态电流ICQ随温度升高而增加随温度升高而增加（ICQ= IBQ+ ICEO） ，从，从而使而使Q点随温度变化。点随温度变化。 要想使要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流能自动地适当减小基极电流IBQ 。4.4.2 射极偏置电射极偏置电路路（1 1）稳定工作点原理）稳定工作点原理 目标：温度变化时，使目标：温度变化时，使IC维持恒定。维持恒定。 如果温度变化时，如果温度变化时，b点电点电位能基本不变位能基本不变，则可实现静，则可实现静态工作点的稳定。态工作点的稳定。T 稳定原理：稳定原理： IC IE VE 、VB不变不变 VBE IB IC （反馈控制）（反馈控制）1. 基极分压式射极偏置电路基极分压式射极偏置电路(a) 原理电路原理电路 (b) 直流通路直流通路b点电位基本不变的条件点电位基