模电ch2_1晶体管三极管及其放大电路课件

1、第2章晶体三级管及其放大电路12.1 晶体三级管(双极三极管） 半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（简称BJT）。 BJT是由两个PN结组成的。22.1.1 晶体管的结构和类型NPN型PNP型符号: 三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度较低。-NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极32.1.2 晶体管的电流放大 三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE UBEUCB集

2、电结反偏：由VBB保证由VCC、 VBB保证UCB=UCE - UBE 0共发射极接法c区b区e区42.1.2 晶体管的电流放大载流子传输 （1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。52.1.2 晶体管的电流放大载流子传输（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。 另外，集电结区的少

3、子形成漂移电流ICBO。三个电极上的电流关系:IE =IC+IB62.1.2 晶体管的电流放大电流分配定义：(1)IC与I E之间的关系:所以:其值的大小约为0.90.99。 72.1.2 晶体管的电流放大电流分配(2)IC与I B之间的关系：得：所以：得：定义：称为共发射极直流电流放大系数。82.1.2 晶体管的电流放大放大作用 当be之间的正向电压加大时，将会有更多的电子从射区扩散到基区（Ie增大），同时到达集电极的电子也会增加（Ic增大），基区内复合的电子数也会增加（ Ib增大）。 Ie 、 Ic和Ib三者之间的比例基本不变。 故对于一只特定的三极管，和值可以近似看为不变的常数。常用的三

4、极管， 值在数十到数百之间。Ic = Ib，92.1.2 晶体管的电流放大电流放大 晶体管的反向电流ICBO：发射极开路时，cb之间的反向电流，这一电流相当于单个pn结的反向漏电流。ICEO：（反向穿透电流）基极开路时，ce之间的反向电流，有：物理意义： 1）集电结反向偏置，有漏电流ICBO。 2）ICBO从基极流向发射结，引起发射极电子发射。 3）发射的电子通过基区，被集电结收集。 4）因此形成了被放大的反向穿透电流ICEO。102.2 BJT的共射特性曲线输入特性(1) 输入伏安特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。（3）uCE 1V再

5、增加时，曲线右移很不明显。（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。导通压降硅 0.7V锗 .2V0.3V112.2.1 BJT的共射特性曲线输出特性 (2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const 现以iB=60uA一条加以说明。 （1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。 122

6、.2.1 BJT的共射特性曲线输出特性饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE uBE 。 此时发射结正偏，集电结也正偏。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。ICEO放大区 曲线基本平行等 距。 此时，发 射结正偏，集电 结反偏。 该区中有：饱和区放大区截止区132.2.2 BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数： iCE=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAIBBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：142.2.2 BJT的主要参数极间反

7、向电流 2.极间反向电流 （2）集电极发射极间的穿透电流ICEO 基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流 。其大小与温度有关。 （1）集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。 锗管：I CBO为微安数量级， 硅管：I CBO为纳安数量级。+ICBOecbICEO152.2.2 BJT的主要参数极限参数 3.极限参数 Ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通

8、过集电结时所产生的功耗， PC= ICUCE PCM PCM162.2.2 BJT的主要参数极限参数 （3）反向击穿电压 BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种： U（BR）EBO集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。 U（BR）CBO发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。 U（BR）CEO基极开路时，集电极与发射极之间允许的最大反向电压。 在实际使用时，还有U（BR）CER、U（BR）CES等击穿电压。 -(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU172.2.3 工作状态？ 三极管在电路中要产生放大作用的条件：

9、1）发射结正向偏置 2）集电结反向偏置npn: 集电极的电位必须高于基极。pnp: 集电极的电位必须低于基极。182.2.3 工作状态？方法1 电流判断：(1)基级电流最小； (2)基级电流判断NPN还是PNP； (3)IE=IC+IB确定发射极还时集电极192.2.3 工作状态？方法3 结偏置的判断法 方法2 电压判断法：极间电压为0.7或0.20.3的两个级为基极和发射极；另一个电位最高的为或最低的为集电极，最高为NPN，最低为PNP，中间为基极，剩下为发射极。20例1 现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示。分别求另一电极的电流，标出其实际方向，并在圆圈中画出管子(极性）。 2

10、.2.3 工作状态？212.2.3 工作状态？ 例2、 由电极电位判定三极管的状态 在放大电路中，测得下述6组三极管3个极的电位： 1NPN管：（1） 1V 0.3V 3V （2） 0.3V 0.3V 1V （3） 2V 5V 1V 2 PNP管： ( l) - 0 .2V 0V 0V (2） -3V -0.2V 0V （3） 1V 1.2V -2V 试确定三极管处何种状态，并判定各电位对应三极管的哪个电极。22工作状态？ 解：多数NPN管用Si材料制成，PN结的导通压降一般设为0.7V；而多数的PNP管用Ge材料制成，PN结导通压降一般为0.2V左右。 根据电位确定三极管的状态和电极时一般应

11、先设法确定三极管的基极B和发射极E，再确定集电极C。按此思路对给定的6组数据分析如下。 1NPN管（1） 1V 0.3V 3V NPN型管第（1）组数据中，若基极B对应1V，射极E应为0.3V，则集电极C为3V，满足发射结正偏，集电结反偏，故三极管T处于放大状态。 23工作状态？（2） 0.3V 0.3V 1V 第（2）组数据中，可考虑各电极对应的电位如下：基极B为1V，射极E为0.3V，集电极C为0.3V。发射结正偏，集电结也正偏，故三极管T处在饱和状态。（3） 2V 5V 1V 第（3）组数据中，发射结若正偏BE间必然满足正偏条件，即UBE=0.7V，而给定的3个数据中，不具备此条件，因而

12、发射结没有正偏。可认为基极B电位低于射极E，又由于集电极C通常处于最高电位，故正确的对应关系是：B极为1V，E极为2V，C极为5V。三极管T处在截止状态。24工作状态？2PNP管 按同样的思路讨论PNP型管3组数据，其结果如下。（ l） - 0 .2V 0V 0V 第（1）组数据，电极和电位对应关系是：B极为-0.2V，E极为0V，C极为0V。发射结正偏，偏置电压UBE=-0.2V，集电结也正偏，故三极管T处在饱和状态。 （2） -3V -02V 0V 第（ 2）组数据，电极和电位对应关系是； B极为-0.2V， E极为 0V， C极为- 3V。发射结正偏，集电结反偏，T为放大状态。（3） 1

13、V 1.2V -2V 第（3）组数据的电极和电位对应关系是：B极为1V，E极为1.2V，C极为-2V。同样，发射结正偏，集电结反偏，T为放大状态。252.4 放大电路的构成及性能指标2.4.3 放大的基本概念 放大把微弱的电信号的幅度放大。一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。262.4.3 放大电路的性能指标1.放大倍数表示放大器的放大能力 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。（1）电压放大倍数定义为: Auu=uo/ ui 或Au（2）电流放大倍数定义为: Aii= io

14、/ii 或Ai （3）互阻增益定义为: Aui= uo/ ii 或Ar（4）互导增益定义为: Aiu= io/ ui 或Ag272.4.3 放大电路的性能指标2. 输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻Ri=Ui / Ii一般来说， Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。282.4.3 放大电路的性能指标3. 输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻 输出电阻是表明放大电路带负载能力的，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。 输出电阻的定义：292.4.1 放大电路的基本构成基本共射放大电路如

15、图所示： 晶体管T是一个NPN管，是电路的核心; 合适集电极电阻RC （负载电阻） ：把集电极电流变成电压; 基极电阻Rb：提供合适的基极电流，即偏流:T在放大状态才能放大！302.4.1 放大电路的基本构成基本共射放大电路如图所示：放大电路的基本要求：不失真。在信号变化构成中都不失真。1、必须要求静态偏置电路！312.4.1 放大电路的组成 （p46)uiiBiCuCEuo各点波形uo比ui幅度放大且相位相反虽然交流量可正负变化，但瞬时量方向始终不变322.4.1 基本共射放大电路的工作原理综上所述，这些量都由两部分组成： 直流量IBQ, ICQ，UCEQ等 交流量ib，ic , uce2、

16、交流量迭加在直流量之上。332.4.1 基本共射放大电路的工作原理IB (IBQ)静态电流，直流电流ib 交流瞬时值 iB 交直流瞬时总量Ib 交流有效值 正弦复数表示法iB=ib+IB3、描述交直流量的规则：342.4.1 放大电路的组成（1） 直流分析：静态工作点Ui=0时电路的工作状态ui=0时由于电源的存在，电路中存在一组直流量。ICIEIB+UBE-+UCE-352.4.1 放大电路的偏置电路常见单电源偏置电路：Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。IC= IB362.4.1 基本共射放大电路的工作原理 当放大电路没有输入信号(ui=0)时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直

17、流工作状态或静止状态，简称静态。我们将看到，在静态工作状态下，晶体管各电极的直流电压和电流的取值，将在管子的特性曲线上确定一点，称为Q点。 当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。372.4.1 基本共射放大电路的工作原理由于(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，所以称为静态工作点。IBUBEQIBUBEQUCEICICUCEIB 放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。382.4.1 基本共射放大电路的工作原理（2）交流信号放大Ui0时电路的工作状态短路短路置

18、零合适的静态偏置？392.4.1 基本共射放大电路的工作原理2.交流信号放大Ui0时电路的工作状态虽然交流量可正负变化，但有直流偏置，都可通过三极管ic= ibAu 、Ri 、 Ro402.4.2 放大电路的直流通路和交流通路 在放大电路中通常是同时存在有直流分量和交流分量，其中直流分量设定静态工作点，交流分量为被放大的信号。直流通路：即能通过直流的通路。对于直 流通路， 电容相当于开路。 交流电源短路（保留内阻）交流通路：即能通过交流的通路。对于交 流通路，电容相当于短路。 直流电源短路。4、交流信号放大交、直流通路和分析方法412.4.2 放大电路的直流通路和交流通路422.4.2 放大电

19、路的直流通路和交流通路432.4.2 放大电路的直流通路和交流通路442.4.2 放大电路的直流通路和交流通路45462.3 放大电路的基本分析方法一、静态估算法 利用发射结在正向偏置导通压降近似不变；同时加设晶体管处在放大区的情况下可进行估算静态工作状态。一、图解法 利用晶体管的输入输出特性曲线，通过作图法来求解电路的静态工作点以及电路的放大倍数等参数。包括静态分析和动态分析。该方法可以帮助理解放大过程。 二、微变等效电路法： 在小信号输入时，忽略电路中放大元件的非线性，将其作为线性元件来处理，从而求解出电路的各种参数。该方法不能求解静态工作点，必须先求解静态工作点。472.3 基本共射放大

20、电路静态估算法1、阻容耦合电路 信号源与放大电路通过电容C1连接，放大器与负载通过电容C2连接，这些电容称为耦合电容，用电容耦合的电路称为阻容耦合电路。 电容对于直流相当于开路，对于交流相当于短路：482.3 基本共射放大电路静态估算法2、直接耦合电路 把基极电源和集电极电源合二为一。增加了电阻Rb1，它必不可少，若无Rb1，静态时，IBQ=0，晶体管截止。静态工作点计算如下：492.3.1 基本共射放大电路静态估算法画直流通路：IC= IB估算要点： 1）基极发射极之间是一个正向的PN结，因此： UBE = 0.7 V、0.3V 2）三极管工作在线性区，因此： IC = b IBQ502.3

21、.1 基本共射放大电路静态估算法例1：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=4K，Rb=300K ，=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级512.3.1 基本共射放大电路静态估算法例2：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=40K，Rb=300K ，=37.5。解：522.3.2 图解法 利用晶体管的输入输出特性曲线，通过作图法来求解电路的静态工作点以及电路的放大倍数等参数。 1、静态工作点的图解分析2、交流工作状态的图解分析 该方法可以帮助理解合适的静态偏置和放大过程。532.3.2 图解法静态分析我们以阻容耦合电路为例介绍分析方法。542.3.2 图解法

22、静态分析利用作图的方法来确定静态工作点输入回路静态图解分析 该方程组是一个超越方程，无法直接求解，可以用作图法求解，交点就是静态工作点Q。其中输入特性曲线可以直接用测量的方法得到。552.3.2 图解法静态分析 在输入回路列方程式 uBE=VCCiBRb 在输入特性曲线X轴及Y 轴上确定两个特殊点 VCC和VCC/Rb,即可画出 一条直线，两线的交点 即是Q。Q点的坐标就是UBEQ和 IBQ。 实际电路设计中，三极管的输入（基极）特性曲线不容易准确测量，因此一般假设UBEQ 0.6 0.8 V，直接近似估算IBQ。562.3.2 图解法静态分析输出回路静态工作图解分析在输出回路列方程式在输出特

23、性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点VCC和VCC/Rc,即可画出直流负载线，两线的交点即是Q。 Q点的坐标就是UCEQ和ICQ。 合适的直流偏置572.3.2 图解法应用举例例、电路如图所示。由于电路参数的变化使静态工作点产生如图所示的变 化。试问：静态工作点从Q1移到Q2、从Q2移到Q3、从Q3移到Q4时，分别是哪个电路参 数变化造成的？582.5 图解法动态分析利用作图的方法来确定电路动态参数。输入交流电压信号DUin直接加在be结上，导致基极电流Dib的变化，此时电流电压的变化是在Q点附近沿输入特性曲线来回运动。 虽然输入特性曲线是非线性的，但是在Q点附近的一个小范围内可以将其视为线性变化

24、。该方法可以帮助理解放大过程。592.5.1 图解法动态分析iBuBEQuiibic1. 交流放大原理（设输出空载）-直流负载线假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 uiiB静态工作点iCiCEuce注意：uce与ui反相！602.5.1 图解法动态分析uiiBiCuCEuo各点波形uo比ui幅度放大且相位相反612.5.1 图解法动态分析输出端接入负载RL：不影响Q 影响动态！622.5.1 图解法动态分析斜 率为-1/RL (RL= RLRc ）。所以交流负载线与横坐标轴的交点坐标为UCEQ+ ICQ(RC/RL), 0，连接该点与Q点所得的直线就是交流负载线。 经过Q点。 注意

25、：（1）交流负载线是有负载时工作点的运动轨迹。 （2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。3.交流负载线632.5.2 图解法动态分析iCuCEuo可输出的最大不失真信号（1）合适的静态工作点ib4非线性失真与Q的关系642.5.3 图解法动态分析iCuCEuo（2）Q点过低信号进入截止区称为截止失真信号波形截止失真： 静态工作点设置太低（或静态基极电流太小），在输入信号的负半周，三极管进入截止区（基极电流为零），输出信号波形出现失真。 截止失真发生在输出信号的“顶部” 。652.5.3 图解法动态分析iCuCEuo（3）Q点过高信号进入饱和区称为饱和失真信号波形动画演示截止失真和饱和失真统称

26、“非线性失真” 静态工作点设置太高靠近饱和区，在输入信号的正半周，三极管进入饱和区（基极电流失去对集电极电流的控制能力），输出信号波形出现失真。 饱和失真发生在输出信号的“底部”662.5.3 图解法动态分析最大不失真输出幅度 从上面的分析可知：Q点若本来就处于截止区或饱和区，则输入正弦波 信号时，一定会失真；即使Q点处于放大区，当信号幅度比较大时，也会 出现失真。 因此，为了减小非线性失真，必须合理地选择静态工作点的位置，并适当限制输入信号的幅度。这就出现了两个问题： Q点设在什么位置能使电路不失真输出幅度最大？若Q点已定，并在放大区内，能输出的不失真幅值 是多少？动画演示672.5.3 图解法动态分析两种失真的判别和最大输出幅度的估计：1) 求出静态工作点。2) 画出交流负载线。3) 近似认为UCE UCES (0.7V)时，三极管进入饱和区。 如果 A1 A2，则Q点更靠近截止区，容易发生饱和失真。 输出信号的不失真最大输出电压（有效值）取决于A1、A2两者中的最小值：68例1、电路如图所示。由于电路参数的变化使静态工作点产生如图所示的变 化。试问：静态工作点从Q1移到Q2、从Q2移到Q3、从Q3移到Q4时，分别是哪个电路参 数变化造成的？当电路的静态工作点分别为Q1-Q4时，哪种情况下最易产生截止失真？哪 种情况下最易