模拟电路晶体三极管及其基本放大电路

模拟电子技术基础

FundamentalsofAnalogElectronic

第四章晶体三极管及其基本放大电路第四章晶体三极管及其基本放大电路§4.1晶体三极管§4.2放大电路的组成原则§4.3放大电路的分析方法§4.4晶体管放大电路的三种接法§4.5放大电路的频率响应

（调到8.3.5后面）§4.1晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数

一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？一、晶体管的结构和符号箭头表示发射结加正向偏压时，发射极电流的实际方向

硅管，发射结电压0.60.7V锗管，发射结电压0.20.3V二、晶体管的放大原理e区：掺杂浓度高

b区：很薄且多子浓度很低c区：面积大外部条件内部条件二、晶体管的放大原理

扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散(1)(2)(3)(4)(2)+(3):由(1)得:上式代入（2）式：由(3)得:代入上式：ICN:发射区扩散到基区(没被复合)的自由电子形成的电流IBN:发射区扩散到基区(被复合)的自由电子形成的电流大量实验证明电流分配：IE＝IB＋IC穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？共发射极放大电路，基极输入，集电极输出大，表示只要基极电流有很小的变化，就可以控制集电极电流产生大的变化，即电流放大作用好。3个电极的电流关系IE>IC>IB

在近似分析时可认为iBiCiE

共基极放大电路，发射极输入，集电极输出在近似分析时可认为电流分配：IE＝IB＋IC共基交流电流放大系数共基直流电流放大系数放大的条件：

发射结正向偏置

集电结反向偏置NPN型：UC>UB>UEPNP型：UE>UB>UCPNP管IE流进PNP管IC流出PNP管IB流出共发射极PNP管三、晶体管的共射输入特性和输出特性为什么UCE增大曲线右移？

对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性β是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。

为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？饱和区放大区截止区不是iB做等差变化,iC也等差变化理想晶体管ICEO截止区：iB=0的曲线下方。iC=ICEOuBE小于死区电压,为了可靠截止，常使得发射结和集电结均反偏。

输出特性曲线的三个区域:饱和区放大区截止区放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，uCE＜Uces(饱和压降)。此时，发射结正偏，集电结正偏。Uces硅管Uces≈0.3V,锗管Uces≈0.1VICEO穿透电流，当基极开路（IB=0）时，c极与e极间形成的电流ICBO是e极开路时，c极的反向饱和电流晶体管的三个工作区域

晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB，即可将输出回路等效为受电流iB

控制的电流源iC

。状态uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE饱和≥Uon＜βiB≤uBE例1：测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。

放大截止饱和例2：用数字电压表测得UB=4.5V、UE=3.8V、UC=8V，试判断三极管的工作状态。四、温度对晶体管特性的影响1、温度对β影响温度升高，载流子运动速度加快，复合的电子减少，电流放大系数β增大，输出特性曲线上曲线间隔变宽，IC增大。2、温度对ICBO影响温度升高，少子数量增加，反向电流ICBO增加，ICBO增加使ICEO增加，IC增大。3、温度对UBE影响温度升高，载流子运动速度加快，外电场更容易克服内电场阻力，使开启电压降低。对于相同IB，UBE减小，使输入特性曲线左移；对于相同UBE，IB增大，使IC增大。五、主要参数

直流参数：、、ICBO、ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE安全工作区

交流参数：β、α、fT（使β＝1的信号频率：特征频率）

极限参数：ICM、PCM、U(BR)CEO(1)共发射极直流电流放大系数

1.电流放大系数

与iC的关系曲线

(2)

共发射极交流电流放大系数

(3)共基极直流电流放大系数

(4)共基极交流电流放大系数α

当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流ICEO (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。

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCMPCM=iCuCE

3.极限参数确定型号晶体管，PCM=ICUCE是一个常数，在输出特性坐标平面中为双曲线中的一条使β值明显减小的IC，即为ICM(3)反向击穿电压

U(BR)CBO--发射极开路时的集电结的反向击穿电压。U(BR)EBO--集电极开路时发射结的反向击穿电压。

U(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

U(BR)CBO＞U(BR)CEO＞U(BR)EBO讨论一由图示特性求出PCM、ICM、U(BR)CEO

、β。2.7小功率管uCE=1V时的iC就是ICMU(BR)CEO§4.2放大电路的组成原则一、基本共射放大电路的工作原理二、如何组成放大电路一、基本共射放大电路的工作原理VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合适的IB。VCC：使UCE≥UBE，同时作为负载的能源。Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uO)。动态信号作用时：

输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ(IEQ)、UBEQ、UCEQ。共射1.电路的组成及各元件的作用近似分析中UBEQ已知，硅管0.60.8取0.7V，锗管0.10.3取0.2V2.设置静态工作点的必要性

输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，使ui整个周期内均工作在放大状态，输出不产生失真。Q点几乎影响着所有的动态参数！

为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？

假设VBB=0，则ui=0时，IBQ=0，ICQ=0故UCEQ=VCC，输入信号ui将直接加在T的输入回路。当ui峰值<Uon（b-e间开启电压）时，T工作在截止区。三、基本共射放大电路的波形分析饱和失真底部失真截止失真顶部失真输出和输入反相！动态信号驮载在静态之上与iC变化方向相反

要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！二、如何组成放大电路静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。1.组成原则信号源无接地点，不利于抗干扰。VBB、VCC两路电源供电没必要。输出端除动态信号外，还存在直流分量UCEQ。2.两种实用放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，动态时，b-e间电压是uI与VCC的共同作用的结果。将两个电源合二为一有直流分量有交流损失（1）直接耦合放大电路：信号源和放大电路、放大电路和负载直接相连分压偏置（2）阻容耦合放大电路：C1、C2分别将信号源与放大电路、放大电路与负载连接起来

耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时，C1、C2上电压？动态时，C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQuBE＝ui＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。固定偏置uBE＝ui＋UBEQ，信号驮载在静态之上。而负载上只有交流信号。讨论：

试用PNP型管分别组成直接耦合和阻容耦合共射放大电路。§4.3放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路二、静态分析三、动态分析等效电路法图解法注意放大电路的分析放大电路分析静态分析动态分析确定静态工作点Q(IBQ、ICQ、UCEQ)确定电压放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro等放大电路工作状态静态动态没有输入信号时的有输入信号时的静态值是直流，故用直流通路(直流流过的路径)来分析计算静态值确定后分析信号的传输情况，只考虑电流和电压的交流分量(信号分量)放大电路的分析放大电路分析方法静态分析方法动态分析方法1.估算法2.图解法1.微变等效电路法2.图解法交流通路+晶体管微变等效电路等效电路法等效电路法一、放大电路的直流通路和交流通路1.直流通路：①

us=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路：①大容量电容相当于短路；②直流电源相当于短路（内阻为0）。

通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。（一）基本共射放大电路的直流通路和交流通路

列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQ＝βIBQ，可估算出静态工作点Q。直流通路1.直流通路(直流流过的路径)1.直流通路：①

us=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。（一）基本共射放大电路的直流通路和交流通路交流通路2.交流通路2.交流通路：①大容量电容相当于短路；②直流电压源相当于短路（内阻为0）直流通路（二）阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路1.直流通路(直流流过的路径)1.直流通路：①

us=0，保留Rs；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）（二）阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路交流通路2.交流通路2.交流通路：①大容量电容相当于短路；②直流电压源相当于短路（内阻为0）二、静态分析1.用直流通路计算静态值、Q点值（估算法）输出回路等效为电流控制的电流源UBEQ硅管:0.6V~0.8V取0.7V

锗管:0.1V~0.3V取0.2V当VCC>>UBEQ时，已知：VCC＝12V，Rc＝3kΩRb＝600kΩ，β＝100。Q＝？阻容耦合共射放大电路等效电路法：半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。Q点的分析：直流等效模型理想二极管利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流等效模型输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源晶体管输入特性折线化基本共射放大电路三极管b-e、c-e间的非线性特性用线性元件等效。2.用图解法确定静态值(1/2)(1)列输入回路方程 首先，画出直流通路在输入回路确定IBQ，UBEQ输入回路负载线QIBQUBEQ(2)确定两个特殊点，画输入回路负载线，与输入特性曲线交点为Q点方法：IBQQICQUCEQ直流负载线2.用图解法确定静态值(2/2)(1)列输出回路方程（直流负载线）在输出回路确定ICQ，UCEQ斜率-1/Rc(2)确定两个特殊点，画输出回路直流负载线，与输出特性IBQ对应曲线交点为Q点方法：1.Rc对Q点的影响减小Rc阻值，Rc↓1/Rc↑VCC/Rc↑负载线与曲线的交点右移。iC(mA)QuCE(V)MVCC(L)0IB=60μAIB=50μAIB=40μAIB=30μAIB=20μAIB=10μAQ1电路参数对输出特性上Q点的影响

2.Rb对Q点的影响

1）Rb↓1/Rb↑VBB/Rb↑静态工作点上移（饱和区）。

2）Rb↑静态工作点下移（截止区）。uBE(V)iB(μA)0QVBBQ2VBB/Rb电路参数对输出特性上Q点的影响3.VCC对静态工作点Q的影响VCC1减小为VCC2，静态工作点由Q1左偏下移至Q2电路参数对输出特性上Q点的影响

晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点（Q点）附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。晶体管微变等效条件研究的对象仅仅是变化量信号的变化范围很小

三、动态分析在静态工作点（Q点）附近三极管放大电路线性化微变等效（线性化）1.微变等效电路法晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）

在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。用网络的h参数来描述输入、输出的相互关系，得到的电路称为交流等效模型，只适用于小信号变化量作用时，故又称为微变等效电路。低频小信号模型在低频、小信号作用下uBE和iC的变化部分就是全微分形式：交流等效模型（按式子画模型）电阻无量纲无量纲电导三极管b-e、c-e间的非线性特性用线性元件进行等效。h参数的物理意义：b-e间的动态电阻内反馈系数电流放大系数分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？输出回路电压对输入回路电压的影响c-e间动态电阻rcec-e间的电导简化的h参数等效电路—

交流等效模型查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得由IEQ算出在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！

晶体管工作在放大区时，内反馈h12可忽略不计，rce通常在几百几千欧以上，h22的作用忽略不计。a.晶体管的微变等效电路当输入信号比较小时，b-e可以进一步用它的小信号电路模型代替，其微变电阻为rbe1.微变等效电路法当0.1mAIEQ5mA时IEQ为静态时的发射极电流mA，UT称为温度电压当量，常温下取值26(mV)rbb’称为晶体管的基区体电阻，可查手册得到，近似取值200或300欧与Q点有关基本共射放大电路微变等效电路b.放大电路的微变等效电路(交流等效电路)(1/2)放大电路微变等效电路--由放大电路的交流通路+晶体管的微变等效电路得出画交流通路的原则：（1）对一定频率范围内的交流信号，大容量电容（如耦合电容）可视为短路；（2）内阻很小的直流电压源（如Vcc）可认为短路，内阻很大的电流源视为开路。

交流通路b.放大电路的微变等效电路(2/2)阻容耦合共射放大电路微变等效电路根据则电压增益为输出电压与输入电压相位相反①求电压放大倍数（电压增益）c.放大电路交流性能指标计算--动态分析(Au、Ri、Ro)阻容耦合共射放大电路②求输入电阻Ri是放大电路的输入电阻，也是信号源的负载电阻，也就是从放大电路输入端看进去的交流等效电阻。如果Ri小，则：1.放大电路将从信号源取用较大电流，增加信号源的负担；2.经过信号源内阻Rs和Ri分压，实际加到Ri上的电压ui减小,从而减小了uo通常希望Ri高一些输入电阻中不应含有Rs!③求输出电阻Ro=Rc所以Ro是放大电路的输出电阻，求等效输出电阻时，用外加电源法：独立电源置0，负载断开放大电路对负载（或后级放大电路）来说，相当于一信号源，其内阻即为放大电路的输出电阻Ro通常希望Ro低一些因为如果Ro较大（相当于信号源内阻大），当负载变化时，输出电压的变化就大，即放大电路带负载能力较差。输出电阻中不应含有RL!

当Ro<<RL时，输出信号电压。当RL在较大范围内变化时，就可基本维持输出信号电压的恒定。

如果输出电阻Ro很大，满足Ro>>RL的条件，则输出信号电流。当RL在较大范围内变化时，就可维持输出信号电流的恒定。带负载能力：放大器在不同负载条件下维持输出信号电压（或电流）恒定的能力。关于输出电阻Ro

(看做一信号源内阻)：设UOO为信号源空载电压交流通路放大电路的微变等效电路基本共射放大电路：c.放大电路交流性能指标计算--动态分析(Au、Ri、Ro)

微变等效电路法的步骤(归纳)

1.首先利用近似估算法或图解法确定放大电路的静态工作点Q

。

2.求出静态工作点处的微变等效电路参数rbe，已知。

3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出放大电路的交流通路，然后将三极管换成其微变等效电路即可。

4.列出电路方程，求解动态参数Au、Ri、Ro。a.电压放大倍数的分析斜率不变2.图解法图解法作图精度低，过程复杂，定性分析。基本共射放大电路空载：交流负载线与直流负载线重合b.失真分析截止失真：截止失真是在输入回路首先产生失真消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。减小Rb能消除截止失真吗？可以。RbIBQQQ点过低，因晶体管截止而产生的失真最大不失真输出电压：不失真的情况下能够输出的最大电压，通常用有效值Uom来表示。饱和失真：饱和失真是输出回路产生失真消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，减小VBB，增大VCC。Rb↑或β↓或VBB↓Rc↓或VCC↑这可不是好办法！Q点过高，因晶体管饱和而产生的失真UCESiC

、uCE

(uo

)波形失真总结：1、共射电路输出波形顶部失真时：对NPN管，是截止失真；对PNP管，是饱和失真2、共射电路输出波形底部失真时：对NPN管，是饱和失真；对PNP管，是截止失真波形失真在顶部还是底部，与是什么放大电路也有关。比如：NPN管，同是削底，共射电路是饱和失真，共集电极电路则是截止失真。若(UCEQ－UCES)<(VCC－UCEQ)：输入信号增大时先出现饱和失真；若(UCEQ－UCES)>(VCC－UCEQ)：输入信号增大时先出现截止失真；若(UCEQ－UCES)=(VCC－UCEQ)：电路的最大不失真输出电压最大。不产生饱和失真输出电压最大幅值：(UCEQ－UCES)不产生截止失真输出电压最大幅值：(VCC－UCEQ)最大不失真输出电压Uom(有效值)：比较(UCEQ－UCES)与(VCC－UCEQ)，取其小者，除以。讨论一：基本共射放大电路带负载情况下的静态分析和动态分析负载RL上有直流电流，对静态工作点有影响戴维南等效电路直流通路讨论：负载对放大电路静态分析和动态分析的影响讨论一：基本共射放大电路带负载情况下的静态分析和动态分析QIBQ≈35μAUBEQ≈0.65V讨论一：基本共射放大电路带负载情况下的静态分析和动态分析微变等效电路空载讨论二：阻容耦合共射放大电路直流负载线和交流负载线动态分析时，负载RL对输出电压有影响，输出回路负载线斜率改变交流负载线是实际输入交流信号作用下，集电极电路iC变化引起uCE变化的轨迹，实际工作点的运动轨迹。交流负载方程叠加直流后实际交流负载线方程交流负载线应过Q点，且斜率为-1/(Rc∥RL)。当电路空载，RL=∞时，交流负载线才与直流负载线重合讨论二：阻容耦合共射放大电路直流负载线和交流负载线直流负载线和交流负载线不重合Uom=?Q点在什么位置Uom最大？UR=UCEQ-UCES

对于小功率硅管，UCES一般取0.5~1V。(a)受饱和失真限制求UR(b)受截止失真限制求UF放大电路的分析放大电路分析静态分析动态分析确定静态工作点Q(IBQ、ICQ、UCEQ)确定电压放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro等放大电路工作状态静态动态没有输入信号时的有输入信号ui时的1.估算法2.图解法1.微变等效电路法2.图解法解（1）求Q点，作直流通路（1）试求该电路的静态工作点；（2）画出简化的小信号等效电路；（3）求该电路的电压增益Au，输入电阻Ri、输出电阻Ro。例如图，已知BJT的β=100，UBE=-0.7V。（2）画出小信号等效电路（3）求电压增益RbviRcRLUiUo（4）求输入电阻（5）求输出电阻源电压放大倍数（信号源有内阻时）Ri为放大电路的输入电阻放大电路对信号源(或前级放大电路)来说是一负载，可用一电阻Ri等效代替求§4.4晶体管放大电路的三种接法一、静态工作点稳定的共射放大电路二、基本共集放大电路三、基本共基放大电路四、三种接法的比较一、静态工作点稳定的共射放大电路

所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。

若温度升高时要Q’回到Q，则只有减小IBQ。T（℃）→β↑→ICQ↑→Q’ICEO↑若UBEQ不变IBQ↑Q’1.温度对静态工作点的影响2.静态工作点稳定的典型电路

直流通路？（1）电路组成分压式射极偏置电路偏置电阻Rb1、Rb2—分压电阻，保证UB恒定。射极电阻Re—把输出端IC的变化引回输入端，与UB比较，使IB产生相应的变化。Ce为射极旁路电容，在交流通路中可视为短路—保证Re不影响交流参数。（2）稳定原理

为了稳定Q点，通常I1>>IB，即I1≈I2；因此基本不随温度变化。

一般对硅管，取I1=(5~10)IBQ

UBQ=(5~10)UBEQT(℃)↑→ICQ↑→IEQ↑→UEQ

(IEQRe)↑→UBEQ↓(UB基本不变)→IBQ↓→ICQ↓这种电路稳定工作点的过程：Re的作用：T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓（UB基本不变）→IB↓→IC↓Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。IC通过Re转换为ΔUE影响UBE温度升高IC增大，反馈的结果使之减小（3）Q点分析方法1：戴维南等效电路法-从基极和地之间用戴维南定理等效。方法2：估算法-由于电路设计时，应保证I1>>IBQ，即I1≈I2即Rb1和Rb2近似串联，则比较方法1和方法2的结果，你能得出什么结论？方法1方法2

当(1+β)Re>>Rb时，两式相同，估算法是戴维南等效电路法的一种近似，估算法较简便，但必须满足近似条件（IRb1>>IBQ）方可使用。（4）动态分析有旁路电容Ce时利?弊?无旁路电容Ce时虽Re使Au减小，但Au仅取决于电阻值，不受温度影响，温度稳定性好比较（4）动态分析（4）动态分析ri’iu’ii’+-输入电阻、输出电阻3.稳定静态工作点的方法引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数？(负)二、基本共集放大电路1.静态分析直流通路2.动态分析：电压放大倍数故称之为射极跟随器Uo＜Ui微变等效电路2.动态分析：输入电阻的分析Ri与负载有关！RL带负载电阻后从基极看Re，被增大到（1+β）倍2.动态分析：输出电阻的分析（“加压求流