第四章双极结型三极管及放大电路

第

四章半导体三极管及放大电路基础4.1晶体三极管（半导体BJT)4.5共集电极放大电路及共基极放大电路3.8放大电路的频率响应4.2共射极放大电路4.3放大电路的分析法4.4放大电路的工作点稳定问题4.6组合放大电路§4.1双极型三极管（BJT）半导体三极管的结构BJT内部的电流分配与控制BJT的特性曲线BJT的参数温度对BJT参数及特性影响多子与少子同时参与导电分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管<500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管>1W中功率管0.51W小功率管中功率管大功率管一.BJT的结构(两结、三层结构、三个电极)1.类型(按PN结的分布不同分):NPN型和PNP型。e-b间的PN结称为发射结(Je)

c-b间的PN结称为集电结(Jc)

中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；

一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；

另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。双极型三极管的符号中，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。2.制造工艺的特点:发射区为高浓度的掺杂区基区很薄(几个微米至几十个微米)且杂质浓度低集电结面积大二.三极管内部的电流分配与控制现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo1.BJT内部在载流子的传输过程内部条件:(1)发射区为高浓度的掺杂区,(2)基区很薄且杂质浓度低,(3)集电结面积大外部条件:(1)发射区Je正偏,(2)集电结Jc反偏

在发射结正偏，集电结反偏条件下，三极管中载流子的运动：(1)发射区向基区注入电子：在VBB作用下，发射区向基区注入电子形成IEN，基区空穴向发射区扩散形成IEP,IEN>>IEP,IEP忽略IENIBN

由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。(3)集电结收集电子

由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。(2)电子在基区复合和扩散基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)IBN

=

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBOIENIBN(4)集电极的反向电流

集电结收集到的电子包括两部分： 发射区扩散到基区的电子——ICN 基区的少数载流子——ICBOIC=ICN+ICBO

IENIBN

IE=IEN

IEN=ICN+IBNIC=ICN+ICBO

IB=IBN－ICBOIE=IC+IBIENIBNBJT载流子的传输过程动画(1)三种组态

双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见下图共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;共基极接法，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；2.三极管各电极的电流关系----发射结的反向饱和电流----发射结的电压----发射结的电流

----共基电流放大系数----共射电流放大系数(2)三极管的电流分配关系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

>>1RLecb1k共基极放大电路

(3).放大作用若vI=20mV使当则电压放大倍数VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iBiE=-1mA，iC=

iE=-0.98mA，vO=-iC•

RL=0.98V，=0.98时，+-bceRL1k共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCVBEIBIEIC+-vI+vBEvO+-+iC+iE+iBvI=20mV

设若则电压放大倍数iB=20uAvO=-iC•

RL=-0.98V，=0.98使(4).共射极连接方式三、BJT共射极特性曲线

输入特性曲线——

iB=f(vBE)

vCE=const输出特性曲线——

iC=f(vCE)

iB=constRCRbVccBBV+_VoiBiCiE+_vBE+_vCEbceiB----是输入电流vBE----是输入电压加在B、E两电极之间iC----是输出电流vCE----是输出电压，

从C、E两电极取出1.输入特性曲线VCE一定时，iB与vBE之间的变化关系：(1)VCE=0时：b、e间加正向电压，JC和JE都正偏，JC没有吸引电子的能力。所以其特性相当于两个二极管并联PN结的特性。

VCE=0V：两个PN结并联(2)VCE介于0~1V之间时，JC反偏不够，吸引电子的能力不够强。随着VCE的增加，吸引电子的能力逐渐增强，基区复合减少,同样的vBE下iB逐渐减小，曲线向右移动。

0<VCE<1V:vCEiB(３)VCE1V时，b、e间加正向电压，这时JE正偏，JC反偏。发射区注入到基区的载流子绝大部分被JC收集完全，只有小部分与基区多子形成电流IB。所以在相同的VBE下，IB不再明显减小，VCE1V：特性曲线基本重合表示IB一定时，iC与vCE之间的变化关系放大区饱和区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAIBvCEic64224681012VCE=VBE02、输出特性曲线放大区饱和区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAIBvCEic64224681012VCE=VBE0截止区：对应IB0的区域，(1)放大区vCE≥vBE条件:JE正偏且VBE﹥Vth，JC反偏特点:1)发射良好,输运畅通,收集完全2)对应一个IB，iC基本不随vCE增大

IC=IB

相当于一个电流控制电流源3)水平部分距离反映电流放大系数大小条件:JE反偏或VBE<Vth，JC反偏(也可正偏)特点:无发射电子,无输运饱和区

对应于vCE

vBE,(vCB=vCE

v

BE

0)的区域，集电结处于正偏，吸引电子的能力较弱。随着vCE增加，集电结吸引电子能力增强，iC增大

放大区饱和区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAIBvCEic64224681012VCE=VBE0条件:

JC和JE都正偏特点:1)发射良好,输运阻塞,收集不足2)VCE=VCES≈0.3V(硅)0.1V(锗3)饱和时的三极管c、e间相当于一个压控电阻放大区饱和区截止区0uA100uA80uA60uA40uA20uAIBvCEic64224681012VCE=VBE0临界饱和VCE=VBEVCB=0集电极临界饱和电流基极临界饱和电流截止状态放大状态饱和状态三极管工作情况总结三极管处于放大状态时，三个极上的

电流关系：

电位关系：状态发射结集电结IB截止反偏或零偏反偏0放大正偏反偏﹤IBS饱和正偏正偏﹥IBS例：判断三极管的工作状态测量得到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。

放大截止饱和四.半导体三极管的主要参数1.电流放大系数

1)共射极电路直流电流放大系数(反映静态---直流工作状态)交流电流放大系数(反映动态---交流工作状态)

2)共基极电路直流电流放大系数交流电流放大系数

3)关系

2.极间反向电流1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。

AICBO2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO(穿透电流)

相当于基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流

ICEO=（1+）ICBOICEO和ICBO之间的关系：

ICBOICEOICBO(1+)ICBO3.极限参数①集电极最大允许电流ICM②集电极最大允许功率损耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗，

PCM=ICVCB≈ICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。③反向击穿电压:反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图所示。

V(BR)CBO——发射极开路时的集电结击穿电压。下标CB代表集电极和基极，O代表第三个电极E开路。

V(BR)EBO——集电极开路时发射结的击穿电压。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)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO三极管的安全工作区由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区，见下图。五温度对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参数的影响作业4.1.14.1.24.2基本共射放大电路

放大电路：不失真将微弱信号放大的电路。a.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。b.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。一.共射极基本放大电路的电路组成:

(1)三极管T:放大元件(3)RC(集电极电阻)：将iC的变化转换为vo的变化，一般几K~几十K。RC，VCC同属集电极回路VCE=VCC-ICRC

(4)VBB(基极直流电源)：为发射结提供正偏电压。ceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1(2)VCC(集电极直流电源)：为JC提供反偏电压，一般几伏~几十伏;提供放大信号所需的能量习惯画法(5)Rb(基极偏置电阻)：限流;给基极提供合适的静态工作点。一般为几十K~几千K。Rb,Vbb属基极回路一般，硅管VBE=0.7V锗管VBE=0.2V当VBB>>VBE时：(7)vi：输入信号(8)vo：输出信号公共地或共同端:电位参考点(6)Cb1，Cb2耦合电容或隔直电容:其作用是通交流隔直流。电解电容，有极性，大小为10F~50FceRbRCVCCb+_+_VBBCb2++TvivoCb1静态：只考虑直流信号，即vi=0，各点电位不变(直流工作状）。动态：只考虑交流信号，即vi不为0，各点电位变化(交流工作状态）。

放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。二.放大电路的工作原理1、首先要满足直流偏置:2、工作原理

Je正偏,JC反偏(1)静态和动态(2)直流通路和交流通路

(a)直流通路直流通路:

能通过直流的电路通路。交流通路:能通过交流的电路通路。(b)交流通路在交流通道中：

直流电压源和耦合电容短路;

直流电流源开路

+Vi-+VO-RC+VCC++Rb1Rb2例：画交流通路Rb1Rb2RC+Vo-+Vi-交流通路:(3)放大原理

输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结,于是有下列过程：三极管放大作用变化的通过转变为变化的电压输出+-0t0t0t0t0t0t+-+Vi-+VO-RCRb+VCC++Vi-+VO-Rb+VCC++Rb+VCC+RC++VO-+Vi-例：判断下列电路能否正常放大？（a）（b）（d）无偏置电压C1位置错，输入信号被短路；无RC：VCE为常数，输出电压为零C1电源极性错；输出电压被短路发射结零偏+VO-Rb-VCC+Vi-++RL（c）Rc作业4.2.14.2.24.2.34.3放大电路的分析方法放大电路的三种分析方法:估算法:分析静态工作点图解法:分析静态、动态小信号模型分析法:分析动态一、

静态工作点的估算法静态工作点Q:(IB,IC,VCE)

根据直流通路则有：RRbVCCC12V300K4K=40固定偏流电路Q:（40uA，1.6mA，5.6V）RbRCvoviCb1Cb2VCC++Re0.5K330K4K15V=50例：电路及参数如图，求Q点值直流通路RbRCVCC330K4K15V=50Re0.5K直流通路RbRCVCC330K4K15V=50Re0.5K二、静态工作点的图解分析1、确立静态工作点

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。共射极放大电路首先，画出直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-直流通路IBVBE+-ICVCE+-列输入回路方程：

VBE=VCC－IBRb列输出回路方程（直流负载线）：

VCE=VCC－ICRc

在输入特性曲线上，作出直线VBE=VCC－IBRb，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=VCC－ICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。2.

动态工作情况分析1).有输入信号,放大电路工作情况图解iBvBEQiCvCEib静态工作点iBIBQtiCICQtviVBEtvOVCEQt2).各点波形vo比vi幅度放大且相位相反Rb+VCCRCC1C2viiBiCvCEvo＋－－＋＋＋+——++voRbRcVBBviRL—+vce交流通路3).交流负载线输出端接入负载RL：不影响Q；影响动态！+—+++vORbRcvi+VccCb1Cb2RL—其中：交流量ic和vce有如下关系：这就是说，交流负载线的斜率为：交流负载线的作法：①斜率为-1/R‘L。（R’L=RL∥Rc）②经过Q点。

(交流负载电阻)①斜率为-1/R'L

。（R'L=RL∥Rc）②经过Q点。

注意：⑴交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。

⑵空载时，交流负载线与直流负载线重合。iC

/mAvCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0µAO246810124321ICEOVCCICQVCEQ交流负载线直流负载线交流负载线的特点

交流负载线和直流负载线必然在Q点相交，因为当vi=0时，电路中只有直流，正好是Q点。4).波形失真截止失真：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。对于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。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。注意：对于PNP管，由于是负电源供，失真的表现形式，与NPN管正好相反。失真动画5).最大不失真输出放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：工作点Q要设置在交流负载线中间部位；Q位于交流负载线中间时，Vom≈ICQ×RL

Q位不在交流负载线中间时：Vom≈MAX（ICQ×RL，VCEQ-VCES）

动画图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。三小信号模型分析法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。1.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BJT双口网络1.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1.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。1.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1.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rbb’≈200

则

而

(T=300K)

一般也用公式估算rbe

（忽略r’e）2.用小信号模型分析共射电路基本放大电路放大电路分析步骤：画直流通路，计算静态工作点Q计算rbe画交流通路画微变等效电路计算电压放大倍数Av计算输入电阻Ri计算输出电阻Ro1)计算电压放大倍数Av小信号等效电路电压增益Av定义：问题:如何求源电压增益Avs?

Av和Avs的关系如何？Ri输出电阻Ro输入电阻Vs＝0，则Ib=0，所以Ib=0

作业4.3.84.3.94.3.114.3.24.3.34.3.54.4放大电路的工作点稳定问题T↑→ICBO↑T↑→UBE↓T↑→β↑IC一、工作点稳定及温度晶体管参数的影响1、为什么要设置稳定的Q点？（1）Q点设置不合适的话，将使输出波形失真（2）放大倍数与Q点有关2、环境温度对晶体管参数的影响

二.射极偏置电路Ie+Ve-VB+VBE-VB相对固定1.稳定过程（原理）VBEIBICTICVE则有：设I1>>IBQ:对Si管>10倍对Ge管>20倍I1IBQ2.确定工作点:QVBIB工作点稳定，增益下降。解决这个矛盾的方法是加旁路电容Ce。1)电压增益3.动态分析加旁路电容输入电阻提高了2)输入电阻Ro由KVL：3)输出电阻解：例1:求电路的静态参数（IB、IC、VCE)，及动态参数（AV、Ri、Ro)。根据直流通路求静态参数VBIBIC微变等效电路求动态参数1.电压放大倍数2.输入电阻RiRi3.输出电阻Ro（输出端开路，输入电压为零）例2:求电路的静态参数（IB、IC、VCE)，及动态参数（AV、Ri、Ro),静态参数与例1结果完全相同根据微变等效电路求动态参数1.电压放大倍数RiRi'2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro（输出端开路，输入电压为零）4.5共集电极电路和共基极电路一.共集电极电路(射极输出器、电压跟随器)1.静态:求工作点QQ(1)电压增益输入电压与输出电压同相,电压跟随器2.动态分析Ri（2）输入电阻Ri’（3）输出电阻ROVT共集电极电路----射极输出器(电压跟随器)无电压放大,但仍然有电流放大ibie电压跟随器电压跟随器大,小电压跟随器的应用:因为输入电阻Ri大因为输出电阻Ro小,且有较大的电流增益因为Ri大,Ro小起阻抗变换作用,以隔离前后级间的影响作为输入级,作为输出级,作为缓冲级,二.共基极放大电路1.电路组成2.电路分析1).静态2).动态①电压放大倍数②输入电阻③输出电阻Ro共基极电路电流跟随器三种组态电路比较共射电路：电压和电流放大倍数均大，输入输出电压相位相反，输出电阻适中。常用于电压放大。共集电路：电压放大倍数是小于且接近于1的正数，具有电压跟随特点，输入电阻大，输出电阻小。常作为电路的输入、输出和缓冲级。共基电路：放大倍数同共射电路，输入电阻小，频率特性好。常用作宽带放大器。作业4.5.14.5.34.5.4单级电路:IoRiRo+Vi-Ii+Vo-AVoViIo1Ri1Ro1+Vi-Ii+Vo1-AVo1Vi1IoRi2Ro2+Vo-AVo2Vi2多级电路:4.6组合放大电路（多级放大电路）二、多级放大电路的耦合方式阻容耦合变压器耦合直接耦合1.阻容耦合方式优点：静态点互不影响,调试方便缺点：低频性能差(即不能放大直流)，2.变压器耦合方式n2RLN1N2优点：静态点互不影响，变压器起阻抗变换作用(易获得最大输出功率)缺点：体积大,不利于集成,不能放大直流n12Ri2n22RL3.直接耦合方式:前后级直接相连vivo优点：易于集成,可放大交、直流缺点：静态点相互影响,设计调试困难注意:求AV时,后级对前级有影响:后级的输入电阻作为前一级的负载前一级的输出电阻作为后级信号源内阻前一级的开路电压作为后级信号源电压3.输入、输出电阻如无级间反馈:第一级输入阻为整个放大电路的输入阻最后级输出阻为整个放大电路的输出阻三.多级放大器的分析方法1.静态工作点的计算:各Q点独立计算(阻容、变压器耦合,)2.电压放大倍数:各Q点相互影响(直接耦合)例:多级放大电路如图所示,求AV,Ri,RoRLRb1Rb2Rb3Rb4Rc1Rc2Re1Re2Vcc+Vi－+Vo－+Vi－+Vo－RLRb1rbe1Rb2RC1Rb3Rb4rbe2RC2Ib1Ib2Ic1Ic2VO1+Vi－+Vo－RLRb1rbe1Rb2RC1Rb3Rb4rbe2RC2Ib1Ib2Ic1Ic2Ri1=Rb1//rbe1Ri2=Rb2//rbe2Ri=Rb1//rbe1Ro=Rc2例:RLRb1Rb2Rb3Rc1Rc2Re1Re2Vcc+Vi－+Vo－练习:多级放大电路如图所示,求AV,Ri,Ro+Vi－+Vo－Rb1rbe1Rb2RC1Rb3rbe2RLIb1Ib2Ic1Ic2Re2+Vi－+Vo－Rb1rbe1Rb2RC1Rb3rbe2RLIb1Ib2Ic1Ic2Re2VO1共射－共基放大电路Rb11Rb12Rb21Rb22Rc2Re1RLVCCCb1Cb2Cb3T1T2+++ViVo+Vi-+Vo-T2T1RbRc2RLbce12T2T1作用—可提高电流放大系数，增大电阻rbe。复合管也称为达林顿管共集－共集放大电路复合管:复合管NPN+NPN=NPNPNP+PNP=PNPNPN+PNP=NPNPNP+NPN=PNP共集－共集放大电路RLRbReRsVcc+Vi-+Vo-T2T1RbReRLR1R2R3RCRLReCeT2T1VCC12VVo+Vi-求：(1)RC,R1,R2和R3值;(2)求AV,Ri,Ro例：已知R1R2R3RCRLReCeT2T1VCC12VVo+Vi-作业4.6.24.6.3§4.7放大电路的频率响应相位频率特性:幅度频率特性:幅频特性是描绘输入信号幅度固定，输出信号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。即在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念---

放大电路的幅频特性和相频特性，称为频率响应。因放大电路对不同频率成分信号的增益不同，从而使输出波形产生失真，称为幅度频率失真，简称幅频失真。放大电路对不同频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生失真，称为相位频率失真，简称相频失真。幅频失真和相频失真是线性失真。(动画5-1)

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。产生频率失真的原因：电压放大倍数(传递函数)为:幅频特性一.单时间常数RC电路的频率响应1.RC低通滤波电路当f<<fH当f>>fH当f=fH+5.7°0.1fHfH10fH0-20-40-45-900ff-20dB/十倍频-30.1fHfH10fH波特图当f=fH时，相频特性将滞后45°，并具有-45/dec的斜率。在0.