双极结型三极管及放大电路基础、原理和分析方法

1、双极结型三极管及放大电路基础、原理和分析方法124.1 半导体三极管4.3 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4.5 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4.6 组合放大电路4.7 放大电路的频率响应34.1 半导体三极管4.1.1 BJT的结构简介4.1.2 放大状态下BJT的工作原理4.1.3 BJT的VI特性曲线4.1.4 BJT的主要参数4 半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je) 集电结(Jc) 基极，用B或b表示（Base） 发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C

2、或c表示（Collector）。 发射区集电区基区三极管符号4.1.1 BJT的结构简介5 BJT结构特点： 发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图6 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件： 发射结正偏 集电结反偏4.1.2 放大状态下BJT的工作原理1. 内部载流子的传输过程 由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送

3、和控制载流子 （以NPN为例） IC= InC+ ICBOIE=IB+ IC72. 电流分配关系根据传输过程可知 IC= InC+ ICBO通常 IC ICBO 为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.90.99 。IE=IB+ IC放大状态下BJT中载流子的传输过程8 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。一般 1 。根据IE=IB+ IC IC= InC+ ICBO且令ICEO= (1+ ) ICBO（穿透电流）2. 电流分配关系93. 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

4、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10+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=const(2) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，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vBE下 IB减小，特性曲线右移。(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1. 输入特性曲线（以共射极放大电路为例）4.1.3 BJT的V-I 特性曲线0.40.2(V)(uA)BE80400.80.6iBv1VCEv=0VvCE11饱和区：iC明显受vCE控制的

5、区域，该区域内，此时，发射结正偏，集电结正偏。iC=f(vCE) iB=const2. 输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于门槛电压。硅管，锗管放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。4.1.3 BJT的V-I 特性曲线12(1) 共发射极直流电流放大系数 =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const1. 电流放大系数 4.1.4 BJT的主要参数134.1.4 BJT的主要参数(2) 共发射极交流电流放大系数 =IC/IBvCE=const 当ICBO和ICEO很小时

6、， ，可以不加区分。14 2. 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。 4.1.4 BJT的主要参数15 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO 4.1.4 BJT的主要参数 2. 极间反向电流16(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4.1.4 BJT的主要参数17 3. 极限参数4.1.4 BJT的主要参数(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。

7、 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系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO184.1.5 温度对BJT参数及特性的影响(1) 温度对ICBO的影响温度每升高10，ICBO约增加一倍。 (2) 温度对 的影响温度每升高1， 值约增大0.5%1%。 (3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。 2. 温度对BJT特性曲线的影响1. 温度对BJT参数的影响194.2 共射极放大电路的工作原理4.2.1 基本共射极放大电路的组成输入回路（基极回路）输出回路（集电极

8、回路）20简化电路及习惯画法习惯画法 共射极基本放大电路21vi=04.2.2 基本共射极放大电路的工作原理22vi=Vsint23放大电路的静态和动态 静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。 动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。 电路处于静态时，三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。24直流通路和交流通路交流通路 直流通路 耦合电容：通交流、隔直流 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 共射极放大电路254.3

9、 放大电路的分析方法 4.3.1 图解分析法 4.3.2 小信号模型分析法 静态工作情况分析 动态工作情况分析 BJT的小信号建模 共射极放大电路的小信号模型分析26 共射极放大电路 1. 用近似估算法求静态工作点根据直流通路可知： 采用该方法，必须已知三极管的 值。一般硅管VBE，锗管VBE。直流通路+-一、 静态工作情况分析 4.3.1 图解分析法27 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。 共射极放大电路2. 用图解分析法确定静态工作点 首先，画出直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-28直流通路IBVBE+-ICVCE+- 列输入回路方程：VBE =VCCI

10、BRb 列输出回路方程（直流负载线）：VCE=VCCICRc 在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCCIBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。29 二、 动态工作情况分析由交流通路得纯交流负载线： 共射极放大电路交流通路icvce+-vce= -ic (Rc /RL) 因为交流负载线必过Q点，即 vce= vCE - VCEQ ic= iC - ICQ 同时，令RL = Rc/RL1. 交流通路及交流负载线则交流负载线为vCE - VCEQ= -(iC - ICQ ) RL

11、 即 iC = (-1/RL) vCE + (1/RL) VCEQ+ ICQ 过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/RL 直线，该直线即为交流负载线。 RL= RLRc， 是交流负载电阻。 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。 如果不外接负载电阻RL，则直流负载线和交流负载线重合302. 输入交流信号时的图解分析 动态工作情况分析 共射极放大电路通过图解分析，可得如下结论： 1. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo与vi相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数；31用图解法分析非线性失真静态工作点过低，引起 iB、iC、vCE 的波形失真ibui结论

12、：iB 波形失真OQOttOvBE/ViB / AvBE/ViB / AIBQ 截止失真32iC 、 vCE (vo )波形失真NPN 管截止失真时的输出 vo 波形。vo =vceOiCtOOQ tvCE/VvCE/ViC / mAICQUCEQvo顶部失真33饱和失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。 注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。34用图解法估算最大输出幅度OiB = 0Q

13、uCE/ViC / mAACBDE交流负载线 输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B 所限定的范围。 Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB，CD = DE问题：如何求最大不失真输出电压？Vomax=min(VCEQ-VCES), ICQRL35放大电路的动态范围 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求： 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 要有合适的交流负载线。 36BJT的三个工作区当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点： iC不再随iB的增加而线性增加，即此时截止区特点：iB=0， iC= ICEOvCE= VCES ，

14、典型值为硅管0.2V-0.3V 锗管370.8 共射极放大电路380.8解390.840放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300k， Rc=2k， VCC= +12V，求：（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100k时，求放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降） 共射极放大电路例题：例题：41作业：424.3.2 小信号模型分析法1. BJT的H参数及小信号模型建立小信号模型的意义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

15、作线性电路来处理。 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线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。431. BJT的H参数及小信号模型 H参数的引出在小信号情况下，对上两式取全微分得用小信号交流分量表示vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce 对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE) vCE=constiC=f(vCE) iB=const可以写成：BJT双口网络44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

16、路时的输出电导。其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce1. BJT的H参数及小信号模型 H参数的引出451. BJT的H参数及小信号模型 H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevceBJT双口网络461. BJT的H参数及小信号模型 H参数小信号模型 H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 H参数与工作点有关，在放大区基本不变。 H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hfeib ，反映了BJT的基极电流对

17、集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。 hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。471. BJT的H参数及小信号模型 模型的简化 hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。 BJT在共射连接时，其H参数的数量级一般为481. BJT的H参数及小信号模型 H参数的确定 一般用测试仪测出；rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。rbe= rbb + (1+ ) re其中对于低频小功率管 rbb200 则 而 (T=300K) 一般也用公式估算 rbe （忽略 re ）494.3.2 小信号模型分析法2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（1）利用直流

18、通路求Q点 共射极放大电路一般硅管VBE，锗管VBE， 已知。502. 用H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H参数小信号等效电路512. 用H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根据则电压增益为（可作为公式）电压增益H参数小信号等效电路522. 用H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输入电阻输出电阻令Ro = Rc 所以533. 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，BJT工作在其VT特性曲线的线性范围（即放大区）内。H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值的大小及

19、稳定性密切相关。优点： 分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。4.3.2 小信号模型分析法缺点： 在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量(交流量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。54 1. 电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。 解：例题55 放大电路如图所示 。 试求：（1）Q点(2) 例题已知=50。 (3)若出现如下图所示的失真现象，问是截至失真还是饱和失真，应如何调整电路中那个元件？56作业： 574.4 放大电路静态工作点的稳定问题4.4.1 温度对静态工作点的影响4.4.2 射极偏

20、置电路1. 基极分压式射极偏置电路2. 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581. 温度变化对ICBO的影响温度T 输出特性曲线上移2. 温度变化对 的影响温度每升高1 C ， 要增加0.5%1.0%温度T 输出特性曲线族间距增大总之： ICBO ICEO T IC 4.4.1 温度对静态工作点的影响594.4.2 射极偏置电路601. 稳定工作点原理目标：温度变化时，使IC维持恒定。 如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。T 稳定原理： IC IEIC VE、VB不变 VBE IB（反馈控制）b点电位基本不变的条件：I1 IB ，此时，不随温度变化

21、而变化。VB VBE 且Re可取大些，反馈控制作用更强。 一般取 I1 =(510)IB ， VB =3V5V I1VBIB612. 放大电路指标分析静态工作点I1VBIB62工作点稳定，增益下降。解决这个矛盾的方法是加电容Ce。电压增益输出回路：输入回路：电压增益：63Ri输入电阻 提高了，相当于增加了一个(1+)Re的电阻。输入电阻64输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路 输入信号端短路 负载开路 输出端口加测试电压其中则当时，一般（）Ro65作业：664.5 共集电极放大电路和共基极放大电路4.5.1 共集电极放大电路4.5.2 共基极放大电路4.5.3 放大电路三种组态的比较674.5

22、.1 共集电极放大电路1.静态分析共集电极电路结构如图示该电路也称为射极输出器由得直流通路 68小信号等效电路4.5.1 共集电极放大电路2.动态分析交流通路 694.5.1 共集电极放大电路2.动态分析电压增益输出回路：输入回路：电压增益：其中一般，则电压增益接近于1，电压跟随器即。704.5.1 共集电极放大电路2.动态分析输入电阻当，时，输入电阻大其中71输出电阻由电路列出方程其中则输出电阻当，时，输出电阻小4.5.1 共集电极放大电路2.动态分析72共集电极电路特点： 电压增益小于1但接近于1， 输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强4.5.1 共集电极放大电路734

23、.5.2 共基极放大电路1.静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同742.动态指标电压增益输出回路：输入回路：电压增益：交流通路 小信号等效电路 75 输入电阻 输出电阻2.动态指标小信号等效电路 764.5.3 放大电路三种组态的比较1.三种组态的判别以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路 信号由发射极输入，集电极输出共基极电路 772.三种组态的比较pp.148 表783.三种组态的特点及用途共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，

24、作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合。 4.5.3 放大电路三种组态的比较79804.6 组合放大电路4.6.1 共射共基放大电路4.6.2 共集共集放大电路814.6.1 共射共基放大电路共射共基放大电路824.6.1 共射共基放大电路其中 所以 因为因此 组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大

25、电路电压增益的乘积。 前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻RL。电压增益834.6.1 共射共基放大电路输入电阻RiRb|rbe1Rb1|Rb2|rbe1 输出电阻Ro Rc2 84T1、T2构成复合管，可等效为一个NPN管(a) 原理图 (b)交流通路4.6.2 共集共集放大电路85讨论：（1）等效电流放大系数大：12 。（2）等效输入电阻高。（3）根据管子的类型，复合管有四种：+VCCviT2voT1T2T1T86T2T1TT2T1TT2T1T等效管的类型与T1 相同。874.6.2 共集共集放大电路1. 复合管的主要特性两只NPN型BJT组成的复合管 两

26、只PNP型BJT组成的复合管 rberbe1(11)rbe2 884.6.2 共集共集放大电路1. 复合管的主要特性PNP与NPN型BJT组成的复合管 NPN与PNP型BJT组成的复合管 rberbe1894.6.2 共集共集放大电路2. 共集共集放大电路的Av、 Ri 、Ro 式中 12 rberbe1(11)rbe2 RLRe|RL RiRb|rbe(1)RL 90作业914.7 放大电路的频率响应4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应4.7.5 多级放大

27、电路的频率响应 研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。92问题提出 前面所讲述的均以单一频率的正弦信号来研究，事实上信号的频率变化比较宽（例如声音信号、图象信号），对一个放大器，当ui 一定时，f变化 uo变化，即Au=uo/ui 变化，换句话说：Au与f有关。 频率响应概述 频率响应是放大电路的一项重要特性，它是用来衡量一个放大电路对不同输入信号频率的适应程度。9394放大电路频率响应就是指电压放大倍数与频率的关系，即：幅频特性是描绘放大倍数的幅度随频率变化而变化的规律。即 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律。即幅频特性相频特性由于电压放大

28、倍数是矢量，故包含两个内容：电压放大倍数的模与频率的关系，称为幅频特性;电压放大倍数的相位与频率的关系，称为相频特性频率响应的基本概念1、幅频特性和相频特性95典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性962、下限频率、上限频率和通频带下限频率上限频率97 产生频率失真的原因是:1.放大电路中存在电抗性元件，例如 耦合电容、旁路电容、分布电容、变压 器、分布电感等; 2.三极管的()是频率的函数。 在研究频率特性时，三极管的低频小信号模型不再适用，而要采用高频小信号模型。幅频特性偏离中频值的现象称为幅度频率失真; 相频特性偏离中频值的现象称为相位频率失真。98二、波特（Bode）图1、坐标轴的

29、选取横坐标（f）：用对数刻度，故每十倍频率在坐标轴上的长度是相等的，称十倍频程纵坐标：幅频特性：相频特性：目的：(1)横坐标可以容纳很宽的频率范围(2)对幅频特性,多项的乘除可以变为各项对数的加减994.7.1 单时间常数RC电路的频率响应1. RC低通电路的频率响应RC电路的电压增益（传递函数）：则且令电压增益的幅值（模）（幅频响应）电压增益的相角（相频响应）增益频率函数RC低通电路 100最大误差 -3dB0分贝水平线斜率为 -20dB/十倍频程 的直线幅频响应：f0.1fH0fH10fH100fH-20-40-20dB/十倍频程101相频响应 可见：当频率较低时，AVH 1，输出与输入电

30、压之间的相位差=0。随着频率的提高， AVH下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。 f0.1fH0fH10fH100fH-20-40-20dB/十倍频程f0.1fH0fH10fH100fH-45-90102 当 时，相频特性将滞后45，并具有 -45/dec的斜率。在0.1 和10 处与实际的相频特性有最大的误差，其值分别为+5.7和5.7。 这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。 幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标,fH称为上限截止频率。当 时，幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降，或写成-20dB/dec。在 处的误差最大，有3dB。1032. RC高通电路的频率响应RC电路的电压增益：幅频响应相频响应RC高通电路 104f0.01fL00.1fL fL10fL-20-40最大误差 -3dB斜率为 20dB/十倍频程 的直线幅频响应：20dB/十倍频105 可见