西北师大物电学院

第三章

半导体三极管及放大电路

西北师大物电学院3.1.1基本结构集电结发射结NPN型CPNNEB发射区集电区基区基极发射极集电极PNP型NPPEB基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极BETCNPNBETCPNP西北师大物电学院3.1.2晶体管的电流分配及放大基础IEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路公共端晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置NPN

管：

UBE>0

UBC<0即VC>VB>VERCBCE共发射极放大电路PNP

管：

UBE<0

UBC>0即VC<VB<VECEB西北师大物电学院三极管的电流控制原理UBBRBIBICUCCRCNPIEN发射区向基区扩散电子电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE电子在基区的扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB西北师大物电学院动画演示西北师大物电学院由上所述可知:1由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：IC>>IB

或△IC>>△IB

当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。复合与扩散到集电区的电子数目满足统计学规律西北师大物电学院3.1.3

特性曲线1.输入特性曲线IB

=f(UBE)UCE=常数UCE≥1VIEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCEUBE/VIB/µAO材料不同，死区电压不同西北师大物电学院O2.晶体管输出特性曲线IC

=g

(UCE)|IB=

常数IB

减小IB增加UCEICIB

=20µAIB

=60µAIB

=40µAIEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE西北师大物电学院

3.1.4.主要参数集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间穿透电流ICEOICEO=(1+β)ICBO交流电流放大系数β=△IC/△IB直流电流放大系数β=IC/IB

电流放大系数极间反向饱和电流ICEOCBEµAµAICBOCEB西北师大物电学院集电极最大允许电流ICM集-射反向击穿电压U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率PCM过压区过流区安全工作区过损区PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用时不允许超过这些极限参数.

极限参数西北师大物电学院3.2共射放大电路一．三极管的放大原理三极管工作在放大区：发射结正偏，集电结反偏。→△UCE（-△IC×Rc）放大原理：→△UBE→△IB→△IC（b△IB）电压放大倍数：→

BCE西北师大物电学院-++VT123URBIRBBBECCCCb（+12V）IUVCE符号说明西北师大物电学院Rb+VCCVBBRCC1C2T放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点RL二.单管共射极放大电路的结构及各元件的作用西北师大物电学院共射放大电路组成使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL基极电源与基极电阻西北师大物电学院集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL西北师大物电学院共射放大电路集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL西北师大物电学院耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F~50F作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL++uiuo西北师大物电学院单电源供电可以省去Rb+VCCVBBRCC1C2TRL西北师大物电学院Rb单电源供电+VCCRCC1C2TRL西北师大物电学院Rb+VCCRCC1C2Tui=0时由于电源的存在IB0IC0ICIE=IB+ICRLIB无信号输入时3.3.1静态工作点——Ui=0时电路的工作状态3.3图解分析法西北师大物电学院Rb+VCCRCC1C2TICUBEUCE(IC,UCE)(IB,UBE)RLIB静态工作点西北师大物电学院(IB,UBE)和(IC,UCE)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。IBUBEQIBUBEQUCEICICUCEIB为什么要设置静态工作点？

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。西北师大物电学院开路Rb+VCCRCC1C2RL画出放大电路的直流通路

2.静态工作点的估算将交流电压源短路，将电容开路。直流通路的画法：开路西北师大物电学院Rb+VCCRC直流通道西北师大物电学院（1）估算IB（UBE

0.7V)Rb+VCCRCIBUBERb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。1.近似估算静态工作点（IB、UBE、IC、UCE）西北师大物电学院（2）估算UCE、ICRb+VCCRCICUCEIC=IB西北师大物电学院例：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UBE

0.7VRb+VCCRC西北师大物电学院UCE=VCC–ICRC直流负载线由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点QVCCICUCEQIB静态UCE静态IC2.用图解法分析放大器的静态工作点西北师大物电学院IBUBEQICUCEuiibibicuCE怎么变化？1.交流放大原理（设输出空载）假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号ui静态工作点二.用图解法分析放大器的动态工作情况西北师大物电学院ICUCEicuCEuCE也沿着负载线变化UCE与Ui反相！西北师大物电学院各点波形uo比ui幅度放大且相位相反Rb+VCCRCC1C2uiiBiCuCEuo＋－－＋西北师大物电学院对交流信号(输入信号ui)短路短路置零2.放大器的交流通路Rb+VCCRCC1C2RLuiuo1/C0

将直流电压源短路，将电容短路。交流通路——分析动态工作情况交流通路的画法：西北师大物电学院RbRCRLuiuo交流通道西北师大物电学院Rb+VCCRCC1C2RL3.交流负载线输出端接入负载RL：不影响Q

影响动态！西北师大物电学院交流负载线RbRCRLuiuoicuce其中：uce=-ic（RC//RL）

=-icRL’西北师大物电学院交流量ic和uce有如下关系：这就是说，交流负载线的斜率为：uce=-ic（RC//RL）=-icRL或ic=（-1/RL）

uce交流负载线的作法：①斜率为-1/R'L。（R'L=

RL∥Rc

）②经过Q点。

西北师大物电学院交流负载线的作法ICUCEVCCQIB交流负载线直流负载线①斜率为-1/R'L。（R'L=

RL∥Rc

）②经过Q点。注意：（1）交流负载线是有交流输入信号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。西北师大物电学院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的关系西北师大物电学院iCuCEuo（2）Q点过低→信号进入截止区称为截止失真信号波形西北师大物电学院饱和失真与截止失真模拟西北师大物电学院西北师大物电学院OOuCEuBEuCEUCESUCEIBICQQM`N`iciciBUomωtuiOQ点过高引起的饱和失真翻页西北师大物电学院晶体管输出特性曲线分三个工作区UCE

/VIC

/mA8060400IB=20µAO24681234截止区饱和区放大区西北师大物电学院

晶体管三个工作区的特点:放大区:截止区:饱和区:发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用,IC=βIB输出曲线具有恒流特性发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用,IC≈0晶体管C、E之间相当于开路发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路西北师大物电学院建立小信号模型的意义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，就是在一定的条件下（工作点附近）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。由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。3.4放大电路的交流模型分析法西北师大物电学院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作线性电路来处理。建立小信号模型的思路西北师大物电学院共射极放大电路3.4.1BJT的小信号建模的基础－直流工作点先求直流工作点西北师大物电学院在小信号情况下，

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，我们已经知道输入输出特性曲线如下：uBE=f(iB，vCE)iC=g(iB

，vCE)说明diB

与交流信号的关系1.H参数的引出西北师大物电学院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；输入端电流恒定（交流开路）的反向电压传输比输入端电流恒定（交流开路）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+hoevce能构成电路图吗西北师大物电学院2.H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型hfeibicvceibvbehrevcehiehoevbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络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。西北师大物电学院3.模型的简化hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即rbe=hie

=hfe

uT

=hre

rce=1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为

uT很小，一般为10-310-4，

rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路

ib

是受控源

，且为电流控制电流源(CCCS)。

电流方向与ib的方向是关联的。

西北师大物电学院4.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。一般也用公式估算rbe

rbe=rb+(1+

)re其中对于低频小功率管rb≈(100－300）

则

而

(T=300K)

西北师大物电学院3.4.2电压放大倍数的计算：共射极放大电路uiuo西北师大物电学院负载电阻越小，放大倍数越小。画微变等效电路rbeRbRCRL西北师大物电学院电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。rbeRbRCRL3、输入电阻的计算：根据输入电阻的定义：西北师大物电学院当信号源有内阻时：＝Ui.UO.Ui.Us.西北师大物电学院所以：用加压求流法求输出电阻：4、输出电阻的计算：根据定义rbeRbRC00西北师大物电学院小信号模型画法步骤西北师大物电学院求：1.静态工作点。

2.电压增益AU、输入电阻Ri、输出电阻R0

。

3.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？西北师大物电学院解：1.IcVCE2.思路：微变等效电路AU、Ri

、R0西北师大物电学院西北师大物电学院对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。Q变UBEICEO变T变IC变1.温度对静态工作点的影响3.5静态工作点的稳定西北师大物电学院温度对UBE的影响iBuBE25ºC50ºCTUBE曲线左移IBIC西北师大物电学院温度对值及ICEO的影响T、ICEOICiCuCEQQ´总的效果是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。西北师大物电学院总之：TIC常采用射极偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。为此，需要改进偏置电路，当温度升高时,能够自动减少IB，IBIC，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。西北师大物电学院Q点变化对输出波形的影响动画西北师大物电学院I1I2IB2.射极偏置电路I2=（5~10）IB∴I1I2Rb1+VCCRCC1C2Rb2CeReRLuiuoBEC分压式偏置电路Re射极直流负反馈电阻Ce

交流旁路电容ICIE西北师大物电学院Rb1+VCCRCC1C2Rb2CeReRLuiuoI1I2IB静态工作点稳定过程TUBEICICIEUEUBE=UB-UE=UB-IEREUB被认为较稳定ICIEIB由输入特性曲线本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程ECB西北师大物电学院直流通道及静态工作点估算IB=IC/UCE=VCC-ICRC-IEReICIE=UE/Re

=（UB-UBE）/Re

UBE0.7V

+VCCRb1RCRb2ReICIEIBUCE电容开路,画出直流通道西北师大物电学院电容短路,直流电源短路，画出交流通道交流通道及微变等效电路Rb1+ECRCC1C2Rb2CERERLuiuoBEC西北师大物电学院交流通道Rb1RCRb2RLuiuoBECibiciii2i1微变等效电路rbeRCRLRb1Rb2BECI1I2西北师大物电学院微变等效电路及电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算Ri=

Rb1//Rb2//rbeRo=

RCrbeRCRLRb1Rb2BECI1I2RL=RC//RL西北师大物电学院电容CE的作用：西北师大物电学院西北师大物电学院西北师大物电学院西北师大物电学院例题：西北师大物电学院（2）求电压放大倍数：西北师大物电学院西北师大物电学院

静态工作点稳定电路其他形式的工作点稳定电路西北师大物电学院一.共集电极放大电路Rb+VCCC1C2ReRLuiuo1.结构：3.6共集和共基放大电路西北师大物电学院2.直流通道及静态工作点分析：VCC=IBRb+UBE+IERe

=IBRb+UBE+(1+

）IBReRb+VCCReIBIEUBEUCEIC=IB西北师大物电学院3.动态分析交流通道及微变等效电路RB+ECC1C2RERLuiuo西北师大物电学院交流通道及微变等效电路rbeReRLEBCRbReRLuiuoBCE西北师大物电学院=LbbebLbRI)1(rIRI)1(¢b++¢b+···（1）电压放大倍数rbeRERLRLIeuA=UoUi西北师大物电学院1、所以2、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。讨论输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。Au西北师大物电学院（2）输入电阻rbeReRLIRBRi=Ui

Ibrbe+(1+)RL=Ri=UiIi=Rb//[rbe+(1+)RL]RiRi西北师大物电学院3、输出电阻用加压求流法求输出电阻。rbeRERsro置0保留西北师大物电学院RsrbeRe输出电阻ro=Re//rbe1+当RS=0时（加电压求流法）西北师大物电学院[例3.2.1]在射极输出器中

已知UCC=12V，

RB=240kΩ，

RE=3kΩ，

RL=6kΩ，

RS=150Ω，

β=50。试求（1）静态工作点；（2）Au、ri

和rO

。ro=Re//rbe1+当RS=0时rob++=1Rr//RsbeERSuS+－RLiCiBTC2C1++RBRE+UCC+－uO西北师大物电学院（1）静态工作点IB=————————=—————————=0.029mAUCC－UBE12－7RB+（1+β）RE240+（1+50）×3IE=（1+β）IB=（1+50）×0.029=1.48mAUCE=UCC－REIE=12－3×1.48=7.56V返回RSuS+－RLiCiBTC2C1++RBRE+UCC+－uO西北师大物电学院（2）Au、ri

和r0rbe=200+（1+β）—IE26Au

=———————=————————————=0.99（1+β）R'L（1+β）R'Lrbe（1+50）（3//6）1.20+（1+50）（3//6）ri=RB//［rbe+（1+β）R'L

］=240//［1.2+（1+50）（2//6）

］=72.17kΩrO=————=——————=26.47Ωrbe

+RS1+β1200+1501+50...UO

RSRERLeb

cIb

Ie

.IC

rberir'iUS

.Ii

.βIb

RB+－+－...Uo

.=1.20kΩ=200+（1+50）×——261.48西北师大物电学院射极输出器的特点：电压放大倍数=1，输入阻抗高，输出阻抗小。西北师大物电学院3.6.2

共基极电路西北师大物电学院1.静态工作点直流通路与射极偏置电路相同西北师大物电学院2.动态指标①电压增益输出回路：输入回路：电压增益：西北师大物电学院2.动态指标②输入电阻③输出电阻西北师大物电学院3.三种组态的比较电压增益：输入电阻：输出电阻：西北师大物电学院3.7放大电路的频率响应频率响应——放大器的电压放大倍数与频率的关系下面先分析无源RC网络的频率响应西北师大物电学院1.RC低通网络

RC低通电路（1）频率响应表达式：一.无源RC电路的频率响应HRCVVwwwj11j11io+=+=vA.=..

式中RCH1=w。vA的模、上限截止频率和相角分别为

.西北师大物电学院图3.7.1低频电路及其频率响应西北师大物电学院最大误差-3dB幅频响应0分贝水平线斜率为-20dB/十倍频程的直线相频响应（2）

RC低通电路的波特图

RC低通电路的频率特性曲线可见：当频率较低时，│AV│

≈1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高，│AV│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。在此频率响应中，上限截止频率fH是一个重要的频率点。

西北师大物电学院2.RC高通网络式中 下限截止频率、模和相角分别为（1）频率响应表达式：wwww/j11/j11/1ioLRCCjRRVV-=-=+=vA=...西北师大物电学院图3.7.3高通电路及频率响应西北师大物电学院

RC高通电路的频率特性曲线（2）

RC高通网络的波特图可见：当频率较高时，│AV│

≈1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低，│AV│下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。在此频率响应中，下限截止频率fL是一个重要的频率点。

西北师大物电学院二.BJT的高频响应混合π型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。---发射结电容，---集电结电阻---集电结电容

rbb'---基区的体电阻，b'是假想的基区内的一个点。三极管的物理模型1.BJT的混合π型模型

---发射结电阻

re（1）物理模型西北师大物电学院根据这一物理模型可以画出混合π型高频小信号模型。高频混合π型小信号模型电路这一模型中用代替，这是因为β本身就与频率有关，而gm与频率无关。（2）用代替（Cμ）（Cπ）西北师大物电学院rb’c很大，可以忽略。rce很大，也可以忽略。（3）简化的混合π模型西北师大物电学院将Cμ等效到输入端，条件是流过电容器Cμ的电流不变。从输出端等效Cμ？西北师大物电学院合并电容很小西北师大物电学院低频时，混合模型与H参数模型等效所以又rbe=rb+(1+

)re2.混合π参数的估算又因为所以bo：低频电流放大系数mgebbeb≈rIVebm0IbVgb=..’’’..TEebmVIrgbTEebmVIrg≈≈b0’IC=gmUb’e=βoIb...西北师大物电学院3.BJT的频率参数fβ、fT

由β定义：

由可求出共射接法交流电流放大系数。μπe

b'e

b'b)](+)/1[(CCjrVI+=w..e

b'mcVgI=...)(21cb'eb'CCRb’ef+=pb：共射截止频率,一般fβ与Cb’c已知，通过此式可求Cb’e即Cπ=Cπ1fb2e