模拟电路课件：第四章 晶体三极管放大电路

1、第四章 晶体三极管放大电路4.1 晶体三极管4.2 共射极放大电路分析4.3 其他类型放大电路分析4.4 多级放大电路分析4.1 晶体三极管4.1.1 晶体管的结构和类型4.1.2 晶体管的电流放大作用4.1.3 晶体管放大电路的三种类型4.1.4 晶体管的共射特性曲线4.1.5 晶体管的主要参数7/18/20224.1.1 晶体管的结构和类型 双极型半导体三极管的结构示意图如图01.16所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 图 01.16 两种极性的双极型三极管e-b间的PN结称为发射结(Je) c-b间的PN结称为集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示； 一侧

2、称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示； 另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示。 双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。 无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区: 发射区、基区和集电区, 并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处, 形成两个PN结, 分别称为发射结和集电结。 常用的半导体材料有硅和锗, 因此共有四种三极管类型。它们对应的型号

3、分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。 图01.17 几种半导体三极管的外形 3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)三极管是一种具有电流控制作用的半导体器件。实现放大需要有内部和外部的条件。内部条件1、发射区高掺杂，多子浓度远远高于基区的；2、基区极薄，且低掺杂；3、集电结的面积比发射结的大。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。NPN管：UC UB UEPNP管：UC UB IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE=IEP+I

4、EN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB 由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。2. 电流分配关系 对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明。通常定义: 称为共基直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流ICN与总发射极电流IE的比值。ICN与IE相比，因ICN中没有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:IC=ICN+ICBO=

5、IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 所以 1定义: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB称为共发射极接法直流电流放大系数。于是7/18/20224.1.3 晶体管放大电路的三种类型 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种类型也称三种组态，见图4.2。 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；图 4.2 三极管的三种组态典型的阻容耦合共射放大电路晶体管是放大电路的核心，处于放大工作状态时，能将输入电流的微小变化转化

6、成输出电流的较大变化集电极电阻Rc将集电极电流ic的变化转化为交变的输出电压uo，实现对ui的放大作用基极电阻Rb及基极电源VBB是为晶体管发射结提供正向偏置电压，产生基极电流集电极电源VCC为晶体管集电结提供方向偏置，以保证晶体管工作于放大状态，并与集电极电阻共同确定晶体管静态工作点将信号源与放大电路隔离，将放大电路与输出端隔离，不影响交流信号的传输。 综上所述，基本放大电路有四个组成部分、三种基本电路形式（或称为组态），在构成具体放大电路时，无论哪一种组态，都应遵从下列原则：（）必须保证放大器件工作在放大区，以实现电流或电压控制作用；（）电路的设计应保证信号能有效地传输，即有ui时，应有u

7、o输出；（）元件参数的选择应保证输入信号能不失真的放大，否则，放大将失去意义。 以上三条原则也是判断一个电路是否具有放大作用的依据。7/18/20224.1.4 晶体管的共射特性曲线 这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。 iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。 iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E 两电极取出。 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即 共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图4.3所示。图4

8、.3 共发射极接法的电压-电流关系 输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE=const(常数)。1. 共射输入特性曲线 vCE的影响，可以用三极管的内部反馈作用解释，即vCE对iB的影响 。 共发射极接法的输入特性曲线见图4.4。其中uCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。 当uCE1V时，uCB=uCE - uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，在同样的uBE之下，iB将减小，特性曲

9、线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。 曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。输入特性曲线的分区： 死区 非线性区 线性区 图4.4 共射接法输入特性曲线 2. 输出特性曲线 共发射极接法的输出特性曲线如图4.5所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。现以其中任何一条加以说明，当vCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V集电区收集电子的能力很弱，iC主要由vCE决定。 图4.5 共发射极接法输出特性曲线

10、当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如 vCE 1 V vBE 0.7 V运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后vCE再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的) 。 图4.6 共发射极接法输出特性曲线 输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区iC平行于vCE轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时，

11、发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管) 。 (1) 截止区 一般将的区域称为截止区, 在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零, 因而此时三极管没有放大作用。 其实时, 并不等于零, 而是等于穿透电流ICEO。一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。 当发射结反向偏置时, 发射区不再向基区注入电子, 则三极管处于截止状态。所以, 在截止区, 三极管的两个结均处于反向偏置状态。 对三极管, , BC。 (2) 放大区 此时发射结正向运用, 集电结反向运用。 在曲线上是比较平坦的部分, 表示当一定

12、时, 的值基本上不随CE而变化。 在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时, 相应的集电极电流将产生较大的变化量, 此时二者的关系为 该式体现了三极管的电流放大作用。 对于三极管, 工作在放大区时.V, 而。 (3) 饱和区 曲线靠近纵轴附近, 各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。 在这个区域, 不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起, 即当较小时, 管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化, 这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用, 或关系不成立。 一般认为CEBE, 即CB时, 三极管处于临界饱和状态, 当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时, 小功率管

13、管压降通常小于.V。 三极管工作在饱和区时, 发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管, 。 4.1.5 晶体管的主要参数 半导体三极管的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 (1)直流参数 直流电流放大系数 1.共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上， 通过垂直于X轴的直线(vCE=const)来求取IC / IB ，如图4.7所示。在IC较小时和IC较大时， 会有所减小，这一关系见图4.8。图4.8 值与IC的关系图 4.7 在输出特性曲线上决定 2.共基极直流电流放大系数 =（IC

14、ICBO）/IEIC/IE 显然 与 之间有如下关系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ 极间反向电流 1.集电极基极间反向饱和电流ICBO ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。 2.集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO和ICBO有如下关系 ICEO=（1+ ）ICBO 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。如图4.9所示。图4.9 ICEO在输出特性曲线上的位置(2)交流参数交流电流放大系数 1.共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvC

15、E=const 在放大区 值基本不变，可在共射接法输出特性曲线上，通过垂直于X 轴的直线求取IC/IB。或在图4.8上通过求某一点的斜率得到。具体方法如图4.10所示。 图4.10 在输出特性曲线上求 2.共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。 特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。 (3)极限参数 集电极最大允许电流ICM 如图4.11所示，当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的

16、7030时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。可见，当ICICM时，并不表示三极管会损坏。 图4.11 值与IC的关系集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICUCE 满足iCuCE IBQ，则需要 Rb1、Rb2 小一些，但这会使电阻消耗功率增大，且电路的输入电阻降低。实际选用 Rb1、Rb2 值，取 IR = (5 10)IBQ，UBQ = (5 10)UBEQ。二、静态与动态分析静态分析C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于 IR

17、IBQ， 可得(估算)静态基极电流动态分析C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1ReiBiCiEiRuirbe ebcRcRL+Rb2Rb1RcRb2+VCCRL+uiuoRb1Re若不接旁路电容C0，则放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻分析如下：C1RcRb+VCCC2RL+VT+Rerbe bcRcRLRb+Ree+图 4.24接有发射极电阻的放大电路rbe bcRcRLRb+Ree+根据微变等效电路列方程引入发射极电阻后， 降低了。若满足(1 + ) Re rbe 与三极管的参数 、rbe 无关。2. 放大电路的输入电阻引入 Re 后，输入电阻增大了。3. 放大电路的输出电阻

18、rbe ebcRcRLRb+Rerbe bcRcRbRee将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL 开路 ，忽略 c 、e 之间的内电阻 rce 。RL图 4.254.2.5 放大电路的频率响应 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。 当信号频率很低（低频信号）时，耦合电容和旁路电容的阻抗不能忽略，也就是不能当作短路来看，这样放大电路的放大倍数受电容阻抗的影响而衰减； 当信号频率很高（高频信号）时，晶体管内部的电容阻抗也不能忽略，放大电路的放大倍数也会衰减。 本节以图4-26所示共射极放大电路为例，对低频、中频以及高频段的幅频特性予以分析。

19、图 4-26阻容耦合共射放大电路一、中频段C1、C2和Ce 可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。1. 中频段等效电路图 4.27中频段等效电路 bce +Rb+RcRs由图可得2. 中频电压放大倍数已知 ，则结论：中频电压放大倍数对应幅频特性曲线上的一条水平线，与频率无关。二、低频段考虑隔直电容的作用（假设视作短路），其等效电路：图 4.28低频等效电路 bce +Rb+RcRsC1C1 与输入电阻构成一个 RC 高通电路式中 Ri = Rb / rbe输出电压低频电压放大倍数低频时间常数为：下限(-3 dB)频率为：则三、高频段考虑并联在极间电容的影响，其等效电路： bce +Rb+Rc

20、Rs图 4.29高频等效电路三、高频段考虑并联在极间电容的影响，其等效电路：图 4.30高频等效电路的简化 ce +Rc由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。并用戴维南定理简化。 ce +Rc图中 C 与 R 构成 RC 低通电路。高频时间常数：上限(-3 dB)频率为：完整的幅频特性fOfL-20dB/十倍频fH20dB/十倍频4.3.1共基极放大电路分析图 4-31共基极放大电路(a)原理电路VEE 保证发射结正偏；VCC 保证集电结反偏；三极管工作在放大区。实际电路采用一个电源 VCC ，用 Rb1、Rb2 分压提供基极正偏电压。C1C2+_+_ReVEE

21、VCCRcRLVT4.3 其他类型放大电路分析一、静态工作点(IBQ , ICQ , UCEQ)二、电压放大倍数+_+_Rerbebec图 4.32由微变等效电路可得共基极放大电路没有电流放大作用，但是具有电压放大作用。电压放大倍数与共射电路相等，但没有负号，说明该电路输入、输出信号同相位。三、输入电阻暂不考虑电阻 Re 的作用四、输出电阻暂不考虑电阻 Re 的作用 Ro = rcb . 已知共射输出电阻 rce ，而 rcb 比 rce大 得多，可认为rcb (1 + )rce如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输出电阻为Ro = Rc / rcb Rc+_+_Rerbebec图 4.

22、334.3.2共集放大电路分析C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+_+rbebec(b)微变等效电路为射极输出器图 4.34共集电极放大电路(a)电路图一、静态工作点C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+由基极回路求得静态基极电流则(a)电路图图 4.34共集电极放大电路二、电流放大倍数所以三、电压放大倍数结论：电压放大倍数恒小于 1，而接近 1，且输出电压与输入电压同相，又称射极跟随器。+_+rbebec(b)等效电路四、输入电阻+_+rbebec输入电阻较大。Ri五、输出电阻+_rbebec 输出电阻低，故带载能力比较强。Ro图 4.35求射极输出器 Ro 的等效电路三种基本组态的比较大

23、(数值同共射电路，但同相)小(小于、近于 1 )大(十几 一几百) 小 大(几十 一百以上) 大(几十 一百以上)电路组态性能共 射 组 态共 集 组 态共 基 组 态C1C2VCCRb2Rb1+_ReCbRLC1Rb+VCCC2RL+Re+C1Rb+VCCC2RL+Rc三种基本组态的比较 频率响应大(几百千欧 几兆欧)小(几欧 几十欧)中(几十千欧几百千欧)rce小(几欧 几十欧)大(几十千欧以上)中(几百欧几千欧) rbe组态性能共 射 组 态共 集 组 态共 基 组 态差较好好共射电路同时具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，输入电阻和输出电阻值比较适中，一般只对输入电阻、输出电阻和频率

24、响应没有特殊要求的，均常采用。广泛用作低频电压放大电路的输入级、中间级和输出级。共集电路的特点是电压跟随，而输入电阻很高、输出电阻很小，常被用作多级放大电路的输入级、输出级或作为隔离用的中间级。共基电路的特点是具有很低的输入电阻，使晶体管结电容的影响不显著，频率响应得到很大改善，常用于宽频带放大器中。由于输出电阻高，也可作为恒流源。 单级放大电路，电压放大倍数一般可达几十几百倍，往往不能满足要求，且各项性能指标之间存在矛盾。为了获得足够高的增益或考虑输入电阻、输出电阻的特殊要求，实用放大电路通常由几级基本放大单元级联而成，构成多级放大电路。各级间的连接方式称为耦合方式。 4.4多级放大电路分析三种耦合方式阻容耦合直接耦合变压器耦合一、阻容耦合图 4.36阻容耦合放大电路C1RC1Rb1+VCCC2RL+VT1+Rc2Rb2C3VT2+第 一 级第 二 级4.4.1多级放大电路的耦合方式优点：(1) 前、后级直流电路互不相通，静态工作点相互独立；(2) 选择足够大电容，可以做到前一级输出信号几乎不衰减地加到后一级