第三章双极结型三极管及放大电路基础

模拟电子技术主讲教师：张立权第三章双极结型三极管及放大电路基础123半导体三极管基本共射极放大电路图解分析法4小信号模型分析法5放大电路的静态工作点稳定问题67共集电极放大电路放大电路的频率响应第一节半导体三极管1.1BJT的基本结构集电区基区发射区集电结发射结集电结发射结BJT的结构特点集电区基区发射区集电结发射结集电区面积大于发射区，而掺杂浓度小于发射区；基区很薄，掺杂浓度很低；发射区掺杂浓度很高；发射极上的箭头表示发射结正偏时，发射极的实际电流方向。发射结和集电结的耗尽层相对而言那个较宽?或者说那个阻抗较大？思考题：One发射区掺杂浓度较高，基区和集电区掺杂浓度较低，因此，发射结的电荷密度较大，容易形成较强的电场，使载流子的扩散和漂移运动快速达到平衡。所以发射结较窄，集电结较宽。即发射结阻抗较小，集电结阻抗较大。答案1.2放大状态下BJT的工作原理BJT放大作用的外部条件：发射结正偏，集电结反偏。信号放大作用载流子运动条件1到达集电极的电流必须是由发射极越过基区的电子流条件2发射结正向偏置集电结反向偏置BJT内部载流子的运动：

电流方向

空穴方向

电子方向发射区向基区扩散载流子形成发射极电流IE(多子电子)One载流子在基区扩散和复合，形成复合电流IBN(多子电子)Two基区电子浓度差形成扩散运动；基区薄、掺杂浓度低，因此复合机会少。集电区收集载流子，形成集电极电流IC(多子电子)ThreeBJT实现放大的条件外部条件：发射结正偏，集电结反偏。内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。BJT电流分配关系：内部关系：外部关系：BJT放大电路三种组态共射极共基极共集极三种组态的内部载流子传输过程相同；三种组态有放大作用，必须发射结正偏，集电结反偏。注意：BJT共射电流放大系数共射直流电流放大系数：电流与之比。是穿透电流，很小共射交流电流放大系数一般认为：取值范围：20~1001.3BJT的伏安特性(共射极组态)输入特性曲线：输出特性曲线：共发射极接法实验线路输入特性曲线：vCE=0V1V10V

时，输入特性相当于二极管的正向特性曲线；

时，，集电结进入反偏，开始收集电子，内电场增强，集电结变宽，则基区变窄，载流子复合机会减少，即iB减小，曲线右移。存在基区宽度调制效应输出特性曲线：收集电子收集电子不明显提高曲线平行横轴放大区饱和区截止区截止区特征：发射结电压小于死区电压且集电结反偏。放大区特征：发射结正偏，集电结反偏。iC只于iB

有关，也称为线性放大区，即基区宽度调制效应使曲线略微上翘。饱和区特征：发射结和集电结均正偏。IC不再服从。临界饱和线小结一：小结二：截止区放大区饱和区发、集均反偏发正偏，集反偏发、集均正偏例：

=50,VSC

=12V,RB

=70k,RC

=6k,当VSB

=-2V，

2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？VSB

=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区。

解：当VSB=2V时：则因此，Q位于放大区。当VSB=5V时：则因此，Q位于饱和区。1.4BJT的主要参数电流放大倍数

：

共射直流电流放大倍数：

共射交流电流放大倍数：

一般作近似处理：集电极-基极反向饱和电流ICBO：ICBOAIE=0ICBO是集电结反偏由少子漂移形成的反向电流，因此受温度变化的影响。集-射极反向饱和电流ICEO(穿透电流)：ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC=ICEO+IB也相应增加。集电极最大允许电流ICM

：IC的数值增大到一定程度时，值将减小，使值明显减小的IC即为ICM

。

当IC>ICM

时，BJT不一定烧坏，但放大能力太差。集-射极反向击穿电压：

当基极开路，集电极-发射极之间的电压VCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压V(BR)CEO。集电极最大允许耗散功率PCM

：

集电结消耗的功率PC＝icvCE必然要大于发射结消耗的功率，导致集电结温上升。因此，必须限制其值不能超过最大允许耗散功率。安全工作区作业4.1.14.1.24.1.34.2.14.2.24.2.3第二节基本共射极放大电路放大的基本概念放大电路放大的对象是微弱的变化量，其基本特征是功率放大；放大电路放大的本质是能量的控制和转换；放大的前提是保证信号不失真。2.1共射放大电路的组成三极管T：放大器件，

iC=iB参考点基极电源使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和VBE集电极电源使集电结反偏，并为输出提供能量集电极电阻将变化的电流转变为变化的电压。耦合电容隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使交变信号顺利通过。电解电容，有极性，大小一般为10F~50F可由单电源VCC供电，因此VBB可省去2.2共射放大电路的工作原理静态和动态：静态(直流工作状态)：

时，放大电路的工作状态；动态(交流工作状态)：时，放大电路的工作状态；静态：无输入信号时由于单电源的存在IB0IC0静态工作点：

(IB,VBE)和(IC,VCE)分别对应于输入、输出特性曲线上一个确定的点。为什么一定要设置合适的静态工作点？思考题：答案One保证发射结正偏，集电结反偏。Two保证放大信号不失真，有较大的线性工作范围放大电路的直流通道：开路开路直流通道估算法分析放大器的静态工作点：估算IB(VBE=0.7V)：提供偏置电流IB的电路称为偏置电路，RB为偏置电阻。输入回路方程：输出回路方程：估算IC和VCE：例：用估算法计算静态工作点。已知解：请注意电路中IB和IC的数量级。则根据直流通路有放大电路分析方法静态工作情况分析动态工作情况分析估算法图解法图解法小信号模型法第三节图解分析法3.1静态工作情况分析输入输出回路方程：目的：确定静态工作点注意：输入直流负载线输出直流负载线确定静态工作点：3.2动态工作情况分析目的：解释放大原理输入输出回路方程：vCE如何变化？确定vCE思路：画交流通路原则：内阻很小的直流电压源短路；内阻很大的电流源或恒流源开路。容量较大的电容短路。由交流通路确定vCE

：画交流负载线确定vCE

：交流负载线直流负载线各点波形分析：结论：vo比vi幅度放大且相位相反，因而又叫反相电压放大器。电路中的电压和电流包含直流和交流分量：发射结电压：基极电流：集电极电流：集电结电压：晶体管必须工作在线性放大区，即发射结正偏，

集电结反偏。正确设置静态工作点，保证在交流信号的整个周

期内，BJT都处于放大区。输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波输出交流信号。实现放大条件小结：3.3静态工作点对波形失真的影响失真：输出波形与输入波形比较，发生畸变。截止失真：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NPN管，输出电压表现为顶部失真。饱和失真：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NPN管，输出电压表现为底部失真。放大电路要获得最大不失真输出幅度，要求：静态工作点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。作业4.3.24.3.34.3.44.3.5第四节小信号模型分析法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。如何线性化？4.1三极管的小信号模型导出vCE=0V1V10V函数关系：vCE>1V时，输入特性基本重合，故在iB恒定情况下，vCE对vBE影响很小。在放大区，各输出特性几乎与横轴平行，故在iB

恒定情况下，vCE对iC影响很小。vCE=0V1V10V注意问题：考虑动态工作情况dvBE代表vBE中的变化部分电阻比例系数输入回路等效电路：可忽略动态电阻rbe的意义：对于小功率三极管：rbe的量级从几百欧到几千欧。输出回路等效电路：比例系数电导动态电阻rce的意义：动态电阻rce非常大，其量级在几百千欧以上，故该支路可视为开路。三极管的小信号模型等效电路：注意：小信号模型用于分析三极管的动态工作情况；没考虑结电容作用，故只适用低频小信号情况；受控源电流方向与ib是关联的。4.2用小信号模型分析共射极放大电路画小信号等效电路将交流通道中的三极管用小信号模型来代替；只有在放大电路输入信号为交流小信号时，上述等效才成立。交流通道交流等效电路放大电路的性能指标电压放大倍数

其中，A=Vo

/Vi

，Vo和Vi分别是输出和输入电压的有效值。例：用小信号等效电路求基本共射放大电路的电压放大倍数。解：根据则电压放大倍数为：可见，负载电阻小，则放大倍数小。输入电阻是从放大电路的输入端看进去的等效电阻。放大电路表达式：一般来说，

Ri越大越好。

Ri越大，ii就越小，vi就

越接近vs，因此总是希望得到较大的输入电阻。输入电阻的计算(加压求流法)输出电阻

任何放大电路对其负载而言，都可以等效成一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻。放大电路输出电阻的计算方法一加压求流法：所有电源(包括信号源)置零，保留受控源，负载开路，然后采用加压求流法。放大电路表达式：00输出电阻的计算方法二开路电压除短路电流法：测量开路电压测量短路电流通频带放大倍数随频率变化曲线——幅频特性曲线带宽通频带BW=fH–fL符号规定：VA大写字母和大写下标表示直流分量vA小写字母和大写下标表示全量va小写字母和小写下标表示交流分量交流分量直流分量全量作业4.3.94.3.114.3.12第五节放大电路的静态工作点稳定

为了保证放大电路正常的工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。然而，温度的变化会对静态工作点产生严重的影响。

对于基本共射电路(固定偏置电路)而言，静态工作点由决定，这三个参数随温度的变化而变化，主要表现在：T变化IC变化VBEICBO变化Q变化5.1温度对静态工作点的影响温度对VBE的影响温度T升高载流子运动加速，发射相同数量载流子所需电压VBE减小，输入特性曲线左移。IB增加IC增加温度对的影响温度T升高载流子运动加速，多子穿过基区速度加快，复合减少。增加，输出特性曲线簇间隔加宽。IC增加温度对ICBO的影响温度T升高集电区内本征激发的少子空穴浓度增加，ICBO增加，输出特性曲线上移。IC增加温度影响的总体效果温度T升高IC增加Q点上移输出特性曲线簇间隔加宽，并上移直流负载线不变如何保证放大电路具有稳定的静态工作点？5.2稳定静态工作点的思路

当温度升高时，如果放大电路能够自动地减小IB，则

IC也会相应地减小，从而抑制了静态工作点Q的变化，使其基本稳定。目的：当温度变化时，使IC保持基本恒定。措施：常采用分压式偏置电路实现静态工作点稳定。5.3稳定静态工作点的原理基极分压式射极偏置电路：射极直流负反馈电阻，目的是影响be间的电压旁路电容，避免电压增益减小。静态工作点稳定过程：

为了稳定Q点，通常使参数的选取满足：则：因此：可认为b点电位基本不变静态工作点稳定原因：RE的直流负反馈作用：在的情况下，b点电位与温度的变化基本无关。5.4静态工作点估算因为b点电位基本不变则静态工作点为：5.5放大电路性能指标计算交流通道交流通道小信号等效电路电压增益：输入输出电阻：例：基极分压式射极偏置电路如图，各参数如下：

RB1=100k，RB2=33k，RE=2.5k，RC=RL=5k，=60，VCC=15V。求(1)估算静态工作点；(2)空载和带载电压放大倍数，输入输出电阻；(3)若信号源有内阻RS=1k，带载电压放大倍数将变为多少？解：(1)估算静态工作点基本不变的b点电位为则集电极电流为集-射极间电压为基极电流为(2)空载和带载电压放大倍数、输入输出电阻be间的动态电阻为输入输出电阻为空载电压放大倍数为带载电压放大倍数为(3)信号源有内阻RS=1k，带载电压放大倍数信号源内阻为0时，带载电压放大倍数为：信号源内阻为Rs时，带载电压放大倍数为：结论：信号源有内阻时，电压放大倍数减小。输入电阻越大，输入电压越接近信号源电压，源电压增益也越接近电压放大倍数AV

。基极分压式射极偏置电路小结：优点：在的情况下，通过在射极引入直流负反馈电阻，能够使静态工作点稳定。而且在射极偏置电阻两端加一旁路电容，避免了电压放大倍数的减小。缺点：输入电阻比较小，近似等于动态电阻rbe。特点：具有射极直流负反馈电阻的放大器目的：稳定静态工作点问题提出：是否有其他放大电路，既能稳定静态工作点，又能提高输入电阻？5.6其他静态工作点稳定电路具有射极交流负反馈电阻的放大器目的：稳定静态工作点，提高输入电阻。替代的两电阻的阻值和与原来单电阻值相等，其它参数均不变。静态工作点估算

在的情况下，b点电位基本保持不变。RE和RF共同起直流负反馈作用，稳定静态工作点。特点：RE+RF=RE原，所以与射极直流负反馈电阻的放大器相比，静态工作点保持不变。放大电路性能指标计算交流通道交流通道小信号等效电路电压放大倍数输入输出电压分别为：则电压放大倍数为：结论1：由于射极交流负反馈电阻RF的存在，使放大电路的电压放大倍数小于射极直流负反馈电阻RE的电压放大倍数。输入电阻输入电压为：输入电流为：输入电阻为：结论2：由于射极交流负反馈电阻RF的存在，使放大电路的输入电阻得到提高，大于射极直流负反馈电阻RE的输入电阻。输出电阻为：有射极交流负反馈电阻放大电路小结：优点：在的情况下，通过在射极支路引入一个交流负反馈电阻，其阻值为直流负反馈电阻阻值的一半，因此不仅使静态工作点稳定，而且保持不变。同时，在直流负反馈电阻两端加一旁路电容，避免了电压放大倍数的过度减小。缺点：电压增益小于直流负反馈电阻的放大电路。目的：稳定静态工作点，提高输入电阻。输入电阻大于直流负反馈电阻的放大电路。作业

4.4.24.4.34.4.4第六节共集电极放大电路(射极输出器)注意：由交流通路判别组态。6.1静态工作点分析例：静态工作点估算。已知：RB=570k，RE=5.6k，

RL=5.6k，=100，VCC=12V。解：6.2动态分析交流通道注意根据输入输出信号判别组态。交流通道小信号等效电路电压放大倍数：输入输出电压分别为：电压放大倍数为：讨论输入输出电压同相，输出电压跟随输入电压，故称

为射极电压跟随器。由于，所以，可见输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大；然而由于输出电流，即电流得到了放大，也就是说输出功率被放大了。输入电阻：输出电阻等效电路输出电阻：讨论输入输出电阻由于射极输出器的输入电阻

很大，故从信号源取得的信号大。由于射极输出器的输出电阻很小

，故负载变化时输出电压Vo的变化很小，即放大电路的带负载能力越强。射极电压输出器应用讨论将射极电压输出器放在多级放大电路的首级，可以

提高输入电阻，以便从信号源获得较大的信号。将射极电压输出器放在多级放大电路的末级，可以

降低输出电阻，以便提高带负载能力。共集电极放大电路特点：电压同相放大，放大倍数约为1；输入电阻很大；输出电阻很小。例：射极电压输出器动态参数计算。已知：RB=570k，

RE=5.6k，

RL=5.6k，=100，VCC=12V。解：电压放大倍数为：输入输出电阻分别为(Rs=0情况下)：例：射极电压输出器动态参数计算。已知：RB=570k，

RE=5.6k，

RL=5.6k，=100，VCC=12V，信号源内阻Rs=1k。求源电压增益、输入输出电阻。解：输入电阻与信号源内阻无关，故源电压增益为：输出电阻为：作业

4.5.24.5.3第七节放大电路的频率响应

实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件，如：电容、电感以及电子器件的极间电容等，使得放大电路的输出与输入之间的关系必然和信号的频率有关。频率响应：7.1频率响应的基本概念是指在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应。定义：一般用频率特性函数A(jw)来描述。频率响应描述方式：幅频响应