第三讲双极型三极管及其放大电路

1、第3章、双极型三极管及其放大电路 本章内容3.1双极型三极管3.2放大电路的信号及放大电路的基本形式3.3基本放大电路的组成及工作原理3.4基本共射极放大电路的图解分析法3.5小信号模型分析法3.6射极偏置放大电路3.7共集电极电路3.8共基极放大电路3.9放大电路的频率响应1三极管又称晶体管晶体管是最重要的一种半导体器件之一，它的放大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。2晶体管图片343.1.1 晶体管的结构1. NPN型晶体管结构示意图和符号(2) 根据使用的半导体材料分为: 硅管和锗管 (1) 根据结构分为: NPN型和PNP型晶体管的主要类型5672. PNP型晶体管结构示意图和符号

2、83.1.2BJT的电流分配与放大原理1、放大条件e 发射极 emitterc 集电极 collectorJE 发射结N集电区N发射区P基区b基极baseJC 集电结ceb 基区：薄(微米量级)，掺杂度低 传输电子（非平衡少子） 发射区：掺杂度很高 向基区发射电子（多子） 集电区：面积大，掺杂度比发射区小 收集电子（多子）箭头方向代表发射结正偏情况下，发射极电流的实际方向三极管实现放大作用的外部条件是: 发射结正向偏置, 集电结反向偏置内部条件92.载流子的传输过程(以NPN管为例）三极管内部载流子的运动 图3.1.3所示为三极管内部载流子运动的示意图。 1）发射区向基区发射电子的过程 2）电

3、子在基区的扩散和复合过程 3）电子被集电区收集的过程10 发射区中的多子向基区扩散,形成发射极电流IE 非平衡少子在基区扩散与复合,形成复合电流IBN 集电区收集载流子,形成集电极电流IC载流子传输过程发射结集电结11电流分配关系发射结集电结123.1.3 BJT的特性曲线 三极管的特性曲线是指各电极间电压和电流之间的关系曲线，由于三极管的伏安特性曲线，不像二极管用一张图就能表达清楚，三极管的伏安特性需要用两张图结合起来才能全面表达，这就是三极管的输入特性曲线和输出特性曲线。输入特性即输入回路的伏安特性，输出特性即输出回路的伏安特性。131 共射输入特性曲线 输入特性+iC-vBE+-vCET

4、+iB142 共射输出特性曲线iiB=20A04060801002468/ V vCE01234C/ mA 输出特性b.起始部分很陡 d.曲线比较平坦的部分，随vCE增加略上翘。特点：a.各条曲线形状相似c.输出特性当超过一定值时（约1V），变得平坦三个工作区域15三个工作区域iiB=20A04060801002468/ V vCE01234C/ mA 饱和区放大区截止区饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE0.7 V。此时发射结正偏，集电结也正偏;ICiB; VCE= VCES0.3V截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结偏置0.7，集电结反偏; IB0，I

5、C0 , CE极间开路。放大区曲线基本平行等距。此时，发射结正偏0.7V ，集电结反偏; IC=IB 该区中有：16 (1)共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1电流放大系数 3.1.4 BJT的主要参数17(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const18 =（ICICBO）/IEIC/IE (4) 共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当ICBO和ICEO很小时， 、 。 (3) 共基极直流电流放大系数192. 极间反向电流 集电结反向饱和电流 ICBO 是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时的反向

6、饱和电流(A级)。与单个PN结的反向电流一样，主要取决于温度和少子浓度。 穿透电流 ICEO 是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流。ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，其值愈小愈好。 ICBO和ICEO与温度密切相关。20(1) 集电极最大允许电流ICM(2) 集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE 3）极限参数21(3) 反向击穿电压 V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。 V(BR) EBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。 V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关

7、系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO22 由PCM、 ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区231. 既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。思 考 ？2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？3. 为什么说BJT是电流控制器件？答：否；不能满足BJT的内部结构条件，不能实现电流控制 和放大作用 答：否；2个电极区是不同的，不能满足BJT的内部结构条 件，不能实现电流控制和放大作用 答：其放大实质是发射极电流能够通过基区传输而到达集电 极。243.1.5 BJ

8、T的选型1 三极管类型与型号三极管的种类很多, 有下列5种分类形式：(1) 按其结构类型分为NPN管和PNP管; (2) 按其制作材料分为硅管和锗管; (3) 按工作频率分为高频管和低频管; (4)按其工作频率大小分：高频、低频管;(5)按其工作状态分：放大管、开关管。25 三极管型号的意义 三极管的型号一般由五大部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG110B为例说明各部分的命名含义。26 (1)第一部分由数字组成，表示电极数。“3”代表三极管。 (2)第二部分由字母组成，表示三极管的材料与类型。如A表示PNP型锗管，B表示NPN型锗管，C表示PNP型硅管，D表示

9、NPN型硅管。 (3)第三部分由字母组成，表示管子的类型，即表明管子的功能 。 (4)第四部分由数字组成,表示三极管的序号。 (5) 第五部分由字母组成,表示三极管的规格号。27例3-1：测得某放大电路中BJT的三个电极A、B、C的对地电位分别为VA=-9V， VB=-6V， Vc=-6.2V，试分析A、B、C中哪个是基极b、发射极e、集电极c，并说明此BJT是什么材料的管子，是NPN管还是PNP管？判断依据 (1)三个极中发射结的电位差最小且为固定值，硅为0.7V左右，锗为0.2V左右；(2)满足放大条件：发射结正偏，集电结反偏。解：据(1) B、C间压差为0.2V，所以可以确定A为集电极c

10、； 据(2) C为基极、B为发射极，且为PNP型锗管。NPN管：c极电位最高，b极居中，e极最低； PNP管：c极电位最低，b极居中，e极最高。例题28判断依据 (1)三个极中发射结的电位差最小且为固定值，硅为0.7V左右，锗为0.2V左右；(2)满足放大条件：发射结正偏，集电结反偏。若已知A管：Ux=12V, Uy=11.7V, Uz=6V; B管:Ux=-5.2v, Uy=-1V, Uz=-5.5V.试判断A、B的各极和类型NPN管：c极电位最高，b极居中，e极最低； PNP管：c极电位最低，b极居中，e极最高。思考？解：A管为PNP型锗管，x-发射极，y-基极，z-集电极 B管为NPN型

11、锗管，x-基极，y-集电极，z-发射极例题29作业：习题三 二 1、（1）（2）（3）（4） 3、4303.2放大电路的信号及放大电路的基本形式3.2.1放大电路的信号1.信号的分类2.放大电路属于模拟电路，其工作信号是模拟信号的电路3.在模拟电路的讨论与分析中，常选用正弦波信号作为工作信号313.2.2放大电路的基本形式和放大作用 所谓放大,从表面上看是将信号由小变大,实质上,放大的过程是实现能量转换的过程。三极管的最基本的作用是把微弱的电信号加以放大。 放大电路的主要作用主要体现在以下三个方面： 1、放大电路主要利用三极管或者场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信号较输入信号在电压或电流的

12、幅度上得到了放大，输入信号较输入信号的能量增大； 2、输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成输出信号能量，提供给负载。所以三极管后者场效应管实质上是实现了能力控制与转换。 3、输出信号与输入信号始终保持线性关系，要求信号的放大不能失真。32电子技术基础精品课程模拟电子技术基础3.2.3 三极管的三种组态共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；BJT的三种组态333.2.3放大电路的分类和性能指标这部分到后面具体的电路中讲解343.3基本放大电路的组成及工作原理3.3.

13、1放大电路的组成 图 基本共(发)射(极)放大电路35 电路中各元件的作用如下: （1）集电极电源UCC: 其作用是为整个电路提供能源, 保证三极管的 发射结正向偏置, 集电结反向偏置。 （2）基极偏置电阻Rb: 其作用是为基极提供合适的偏置电流。 （3）集电极电阻Rc: 其作用是将集电极电流的变化转换成电压的变 （4）耦合电容C1、 C2: 其作用是隔直流、 通交流。 （5）符号“”为接地符号, 是电路中的零参考电位。 363.3.2放大电路的两点规定1、共同端为电位参考点2、电流电压的假定正向373.3.3交变信号的传输图为共射放大电路中的电压、电流的波形图 (1)直流分量。用变量斜体大写

14、字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。(2)交流分量。用变量斜体小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。(3)总变化量。是直流分量和交流分量之和,即交流叠加在直流上,用变量斜体小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值,其数值为iB=IB+ib383.3.4放大电路的两种工作状态和分析思路1）直流通路（静态） 所谓直流通路,是指当输入信号ui=0时,在直流电源UCC的作用下,直流电流所流过的路径。在画直流通路时,电路中的电容开路,电感短路。在静态工作情况下，三极管各电极的直流电压和直流电流的数值，将在管子的特性曲线上确定一点，这点常称为静态工作点Q 2）交流通路（动

15、态） 所谓交流通路,是指在信号源ui的作用下,只有交流电流所流过的路径。画交流通路时,放大电路中的耦合电容短路;由于直流电源UCC的内阻很小,对交流变化量几乎不起作用,故可看作短路。39 基本共射放大电路的交、直流通路 (a)直流通路;(b)交流通路40放大电路为何要设置静态工作点 因为发射结是单向导电的，而且具有一定的门槛电压，如果无合适的直流偏置，输入交流信号将产生严重失真，所以放大电路必须建立正确的静态，它是保证动态工作的前提。413.3.5三极管放大电路的特点1、交直流共存2、非线性电路和近似分析方法423.4基本共射放大电路的图解分析法3.4.1静态工作点估算法1、基极电流2、集电极

16、电流3、集电极-发射极电压433.4.2静态工作点的图解法直流负载线：VCE=VCCICRCVCCICVCE由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点QQIB静态VCE静态IC-+viTCb1Cb2RbRcVCC-+voTRbRcVCC直流通路（静态分析）44举例已知VCC=12V，VBE=0.7V，=50。(1)若Rb=280k，RC=3k，求静态工作点Q；(2)若Rb改为110k，其余参数不变，重新计算Q值。解：(1)假定工作在放大状态假设成立。45同样先假定工作在放大状态假设不成立,电路处于饱和状态,需重新计算(2) 若Rb改为110k说明电阻的改变会引起题中的静态

17、工作点变化。单电源固定偏置电路不具有保持Q点稳定的能力。110k46在例中，若值未知，而已知输出特性曲线，则可用图解法以求Q点。直流负载线方程：从图中直接读出：ICQ2 mA，VCEQ6 V。与估算法结果基本相同。473.4.3动态工作的图解法 图解的交流放大原理（假设输出开路）iBvBEQviic假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 vi静态工作点iCvCEvce注意：vce与vi反相！ib48-+viTCb1Cb2RbRcVCC-+voiCvCE1）信号是交直流共存：2）虽然交流量可正负变化，但瞬时量方向始终不变3）输出vo与输入vi相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。49

18、-+vi+TCb1Cb2-+voRLRbRcVCC 考虑负载的影响a）静态工作不受影响？b）交流通路有所不同-+vi+TRb-+voRLRc交流负载线50iCvCEVCCQIB交流负载线直流负载线斜率为-1/RL 。（ RL= RLRc ）经过Q点。 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。 空载时，交流负载线与直流负载线重合。513.4.4 静态工作点与失真iiB=20A04060801002468/ V vCE01234C/ mA 饱和区放大区截止区a）Q点过低信号容易进入截止区：截止失真52iiB=20A04060801002468/ V vCE01234C/ mA b）Q点过高信

19、号容易进入饱和区：饱和失真c）为减小和避免非线性失真，必须合理设置Q点。533.4.5 图解分析法的应用范围优点：1、直观、全面了解放大静态和动态工作情况 2、通过作图可以正确选择工作点的位置，画出电路中各电流、电压波形 分析失真原因。缺点：1、通过在输出特性曲线上作图求解，过程比较复杂。 2、三极管制造厂商通常不提供特性曲线，若要用图解法求解，必须自己通过 三极管图示仪进行测量，费工费时。 3、不能分析放大器的其他动态指标，如输入电阻、输出电阻。543.5 小信号模型分析法 H参数的引出根据网络参数理论：求微小变化量（全微分）：55+各 H参数的物理意义输出端交流短路时的 输入电阻，rbe，

20、103。输入端交流开路时的反向电压传输比，r，10-310-4。输出端交流短路时的电流放大 系数，102。输入端交流开路时的输出电导，1/rce，10-5S。简化模型56 求静态工作点 求静态工作点处57小信号模型与共射电路动态分析-+viTCb1Cb2RbRcVCC-+vo步骤1确定静态工作点为什么是？如何求？ 微变电阻直流通路静态分析图解法或估算法EQ步骤2估算rbe58小信号模型与共射电路动态分析-+viTCb1Cb2RbRcVCC-+vo步骤3画微变等效电路画交流通路根据交流通路,以小信号模型代替BJT得到微变等效电路根据假定正方向标出各个电压、电流ebcibbecicb ibrbe5

21、9小信号模型与共射电路动态分析步骤4求电压增益ibbecicb ibrbe步骤5求RiRi：负载开路的情况下，从输入端口向内的等效电阻Ro：负载开路、信号源短路但保留其内阻，从输出端口向内的步骤6求Ro第5版P133步骤7求60三极管H参数简化模型三种布局+61例题（小信号模型法）例3.4.1 共射放大电路如图所示。设：VCC12V，Rb=300k,RC=4k, RL=4k,BJT的 =40。-+viTCb1Cb2RbRcVCC-+vo3）若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截止还是饱和 失真？应调节哪个元件？如何调节？2）估算电路的电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。1）求电路的静态工

22、作点Q。623.6 射极偏置放大电路影响Q点稳定性的因素温度对Q点的影 响a. 温度升高，增大b. 温度升高， ICBO增大c. 温度升高， |VBE|减小导致集电极电流ICQ增大老化其他方面管子长期使用后，参数会发生变化，影响Q点。 电路中电源电压波动、元件参数的变化等都会影响Q点。iBvBE25 C50C直流负载线63稳定Q点的措施从元件入手a. 选择温度性能好的元件b. 采用一定工艺处理以稳定元件参数，防止元件老化从环境入手采用恒温措施引入负反馈采用温度补偿从电路入手基本共射电路固定偏置电路电路的Q点往往通过调节电阻Rb来获得，优点是调试方便设计一个直流通路不但能提供合适的Q点位置；而且

23、随温度T的上升，有使IB减小的趋势；这样可使IC近似维持恒定，起到稳定工作点Q作用， 64基极分压式射极偏置电路一、结构及工作原理通过选择适当的元件参数，使：I2=（510）IB I1 I2静态工作点的稳定过程VB基本稳定TVBEICICIEVEIB由输入特性曲线65二、静态分析直流通路IBQ=ICQ/VCEQ = VCC - ICQRC - IEQReICQ IE =VE/Re = （VBQ- VBE）/ Re 三、动态分析微变等效电路图计算各个主要的动态指标66三、动态分析微变等效电路图计算各个主要的动态指标 计算电压增益67三、动态分析微变等效电路图计算各个主要的动态指标 计算输入电阻

24、输出电阻：思考：若在Re两端并电容Ce会对Av、Ri、Ro有什么影响？68例：3.6.1：如图所示偏置电路中,热敏电阻Rt具有负温度系数,问是否能祈祷稳定工作点的作用.693.7 共集电极电路1 电路组成 若单级放大电路从基极输入，从射极输出，该电路称为共集电极放大电路。70共集电极电路2 静态分析求解Q点直流通路 71共集电极电路2 静态分析求解Q点直流通路 72共集电极电路3 动态分析画微变等效电路交流通路 73共集电极电路3 动态分析画微变H参数小信号等效电路交流通路 becceb74共集电极电路3 动态分析ceb求AV、R i、Ro的值RL= Re /RL其中 a. 电压放大倍数75共

25、集电极电路由于故无电压放大能力ceba. 电压放大倍数共集电极电路的电压放大倍数接近而略小于1，且为正；说明其输入电压和输出电压同相；其输出电压的大小和相位跟随输入电压变化，具有电压跟随作用，因此共集电极电路常称为射极跟随器 。 记忆 76共集电极电路 Ri = Rb/Ri= Rb/rbe+(1+)RL 由于故ceb记忆 Ri通常很大b. 输入电阻77共集电极电路共集电极电路的输入电阻约为105106量级，而基本共射输入电阻约为103量级。所以与基本共射放大电路相比较，射极输出器的输入电阻比较高。 Ri = Rb/Ri= Rb/rbe+(1+)RL 78共集电极电路cebc. 输出电阻Ro79

26、共集电极电路c. 输出电阻Roceb输出电阻很低，仅有十几几十欧姆；若想进一步降低输出电阻，应选较大的三极管 80共集电极电路共集电极电路的特点电压放大倍数略小于1，而等于1；输出电压与输入电压同相；输入电阻高，输出电阻低。虽然它不具备电压放大作用，但它具有电流放大作用，仍然有功率放大作用。81共集电极电路共集电极电路的应用由于其输入电阻高，该放大器向信号源索取信号电压能力强，同时放大器对信号源索取的电流较小。所以该电路用在多级放大器的输入级提高测量的精度。由于其输出电阻低，说明该放大器带负载的能力强，所以该电路常用在多级放大器的输出级提高负载能力。由于它同时具备输入电阻高和输出电阻低的特点，

27、它可作为多级放大器的隔离级，实现阻抗变换；如对于多级放大器前后级匹配不当的电路，如直接相接将大大影响其电压放大倍数。如在这两级电路中间加一级射极输出器由于它的输入电阻高，在与前级电路相连后，使前级放大倍数提高；由于它的输出电阻很低，在与后级电路相连后，使后级电路的电压放大倍数提高。823.8 共基放大电路共基极放大电路 在射极偏置电路中，从射极输入信号，从集电极输出信号，则电路的组态变为共基组态。1 电路组成83共基放大电路2. 静态分析求解Q点 +_+_直流通路 共基极放大电路84共基放大电路2. 静态分析求解Q点 用估算法求静态工作点Q，从VB固定入手记忆+_+_共基极放大电路85共基放大

28、电路3. 动态分析画微变等效电路 微变等效电路 共基极放大电路交流通路 +_T_+ceb+_+ceb86共基放大电路3. 动态分析画微变等效电路 微变等效电路 共基极放大电路+_+ceba. 电压放大倍数记忆与基本共射放大电路相比少了一个负号，说明共基电路是同相放大器。 87共基放大电路微变等效电路 共基极放大电路b. 输入电阻记忆共基电路输入电阻通常只有几到十几欧姆，这是致命的缺点这个致命的缺点，限制了共基电路在低频放大电路中的使用+_+ceb88共基放大电路求解输出电阻电路 共基极放大电路c. 输出电阻共基电路输出电阻与共射电路相同+_+ceb记忆89共基放大电路共基极放大电路的特点： (

29、1)有电压放大能力,电压放大倍数与共射极放大电路相同。 Vo与Vi同相。(2) 没有电流放大能力。(3) 输入电阻小，输出电阻大。(4) 在低频放大电路很少应用。 （5）共基电路的频率特性好，常用于高频放大器和宽频带放大器。90三种组态放大电路的比较91电子技术基础精品课程模拟电子技术基础组合放大的目的： 单管放大电路通常不能满足增益、输入电阻、输出电阻 等要求，将三种组态基本电路适当组合（组合放大电路）， 以获得更好的性能。组合放大电路常见组合放大电路：共集-共射、共射-共基、共集-共基、 共集-共集电路等极间耦合形式：直接耦合A1A2电路简单，能放大交、直流信号，“Q” 互相影响，零点漂移

30、严重。阻容耦合A1A2各级 “Q” 独立，只放大交流信号，信号频率低时耦合电容容抗大。变压 器耦合A1A2用于选频放大器、功率放大器等。92电子技术基础精品课程模拟电子技术基础组合放大电路动态性能分析Au1第一级Au2第二级Aun末 级uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii= Au1Au2 AunAu1(dB) = Au1 (dB) + Au2 (dB) + + Aun (dB) 考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!（1）放大倍数的计算93（2）输入和输出电阻的计算多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻。多级放大电路的输出

31、电阻为最后一级放大电路的输出电阻。94电子技术基础精品课程模拟电子技术基础例题。放大电路如图所示。试求 ,Ri,Ro已知=50。 解：4.6 组合放大电路两者比较可看出增益明显提高95电子技术基础精品课程模拟电子技术基础4.6 组合放大电路 解：963.9 放大电路的频率响应什么是频率响应呢？为什么要提出这个问题呢？ 电子系统的信号不是单一频率的正弦波（如声波）它可以分解成不同频率正弦波的叠加；而在放大电路中都常常有电抗元件存在（如电容），其电抗值在不同频率下是不同的，因而使放大器对不同频率信号的放大倍数不一致，这时电路输出信号不能完全重现输入信号的波形，即在放大过程中产生了失真（属于频率失真

32、）。973.9.1频率响应的一般概念由于放大电路中存在电抗性元件，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。幅频特性和相频特性电压放大倍数的幅值和相角都是频率的函数。即98典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性OffLfHBWAum0.707Aum- 90-180-270f099下限频率、上限频率和通频带fLfHBWAum0.707AumOffL ：下限频率；fH ：上限频率BW ：通频带BW = fH - fL100频率失真图 频率失真(a)幅频失真(b)相频失真1013.9.2波特图放大电路的对数频率特性称为波特图。 40 20 6 3 0 - 3- 20- 4010010210.7070.10.01 放大倍数采用分贝来表示的优点： 1、将放大倍数的相乘化为相加。 2、符合人耳对声音的感觉状况。 3、在绘制频率响应图时，采用对数坐标，有利于扩大视野。1023.9.3 RC电路的频率响应一、RC 高通电路的波特图+_+_CR图 RC 高通电路令：103则有：104对数幅频特性： 实际幅频特性曲线：图 幅频特性当 f fL(高频)，当 f 可以忽略称为密勒电