模拟电路三极管放大电路讲解

模拟电路三极管放大电路讲解第1页/共110页3.1.1BJT的结构简介3.1半导体三极管（BJT）3.1.2BJT的电流分配与放大原理3.1.3BJT的特性曲线3.1.4BJT的主要参数第2页/共110页3.1.1BJT的结构简介

半导体三极管的结构示意图如图03.1.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号第3页/共110页

结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图第4页/共110页3.1.2BJT的电流分配与放大原理1.内部载流子的传输过程

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子

（以NPN为例）

载流子的传输过程IC=InC+ICBOIE=IB+IC第5页/共110页

以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

为电流放大系数。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。第6页/共110页2.电流分配关系根据传输过程可知IC=InC+ICBO通常

IC>>ICBOIE=IB+IC载流子的传输过程第7页/共110页根据

是另一个电流放大系数。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

>>1。IE=IB+ICIC=InC+ICBO且令ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）2.电流分配关系第8页/共110页3.三极管的三种组态共集电极接法，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；BJT的三种组态第9页/共110页RLecb1k共基极放大电路4.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，第10页/共110页+-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=20µAvO=-iC•

RL=-0.98V，=0.98使4.放大作用第11页/共110页

综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）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。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。3.1.2BJT的电流分配与放大原理第12页/共110页vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE

iB=f(vBE)

vCE=const(2)当vCE≥1V时，vCB=vCE

-vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。vCE=0VvCE

1V(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线（以共射极放大电路为例）第13页/共110页(3)输入特性曲线的三个部分①死区

②非线性区③线性区

1.输入特性曲线3.1.3BJT的特性曲线第14页/共110页饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(vCE)

iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域:3.1.3BJT的特性曲线截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。第15页/共110页3.1.4BJT的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1.电流放大系数

第16页/共110页(2)共发射极交流电流放大系数

=IC/IBvCE=const3.1.4BJT的主要参数1.电流放大系数

第17页/共110页(3)共基极直流电流放大系数

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

(4)共基极交流电流放大系数α

α=IC/IE

VCB=const

当ICBO和ICEO很小时，≈、≈，可以不加区分。3.1.4BJT的主要参数1.电流放大系数

第18页/共110页

(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。

3.1.4BJT的主要参数

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。第19页/共110页(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=ICVCE

3.极限参数3.1.4BJT的主要参数第20页/共110页(3)反向击穿电压

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

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

3.极限参数3.1.4BJT的主要参数第21页/共110页

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。

输出特性曲线上的过损耗区和击穿区（思考题）end第22页/共110页3.2共射极放大电路

电路组成

简化电路及习惯画法

简单工作原理

放大电路的静态和动态

直流通路和交流通路第23页/共110页3.2共射极放大电路1.电路组成输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）第24页/共110页2.简化电路及习惯画法习惯画法

共射极基本放大电路3.2共射极放大电路第25页/共110页3.简单工作原理Vi=0Vi=Vsint3.2共射极放大电路电容的阻抗：设Cb1=10uF，f=1kHz。第26页/共110页4.

放大电路的静态和动态

静态：输入信号为零（vi=0或ii=0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。

动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。

电路处于静态时，三极管各个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、IC和VCE

（或IBQ、ICQ和VCEQ

）表示。#

放大电路为什么要建立正确的静态？3.2共射极放大电路第27页/共110页第28页/共110页3.2共射极放大电路工作点合适工作点偏低第29页/共110页3.2共射极放大电路5.直流通路和交流通路

直流通路耦合电容：通交流、隔直流直流电源：内阻为零直流电源和耦合电容对交流相当于短路

共射极放大电路end（思考题）交流通路第30页/共110页3.3图解分析法

用近似估算法求静态工作点用图解分析法确定静态工作点

交流通路及交流负载线输入交流信号时的图解分析

BJT的三个工作区输出功率和功率三角形

3.3.1

静态工作情况分析

3.3.2

动态工作情况分析第31页/共110页

共射极放大电路

3.3.1

静态工作情况分析1.用近似估算法求静态工作点根据直流通路可知：

采用该方法，必须已知三极管的值。一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。直流通路+-第32页/共110页

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2.用图解分析法确定静态工作点首先，画出直流通路直流通路IBVBE+-ICVCE+-

3.3.1

静态工作情况分析3.3图解分析法第33页/共110页直流通路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。第34页/共110页

3.3.2

动态工作情况分析由交流通路得交流负载线：

共射极放大电路交流通路icvce+-vce=-ic(Rc//RL)

因为交流负载线必过Q点，即vce=

vCE-VCEQ

ic=

iC-ICQ

同时，令RL=Rc//RL1.交流通路及交流负载线则交流负载线为vCE-VCEQ=-(iC-

ICQ)RL

即iC

=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+

ICQ3.3图解分析法第35页/共110页R'L=RL∥Rc，是交流负载电阻。

交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。

过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/RL直线，该直线即为交流负载线。第36页/共110页3.3图解分析法2.输入交流信号时的

图解分析

3.3.2

动态工作情况分析

共射极放大电路通过图解分析，可得如下结论：

1.vivBEiBiCvCE|-vo|

2.vo与vi相位相反；

3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；

4.可以确定最大不失真输出幅度。#

动态工作时，

iB、

iC的实际电流方向是否改变，vCE的实际电压极性是否改变？第37页/共110页

3.3.2

动态工作情况分析3.BJT的三个工作区3.3图解分析法当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点：

iC不再随iB的增加而线性增加，即此时截止区特点：iB=0，iC=ICEO。vCE=VCES，典型值为0.3V。第38页/共110页4.输出功率和功率三角形

要想Po大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom

和Iom

都要大。功率三角形放大电路向电阻性负载提供的输出功率

在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。

3.3.2

动态工作情况分析3.3图解分析法（思考题）第39页/共110页

共射极放大电路

放大电路如图所示。已知BJT的ß=80，Rb=300k

，Rc=2k，VCC=+12V，求：

（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）解：（1）（2）当Rb=100k时，静态工作点为Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：，所以BJT工作在饱和区。VCE不可能为负值，此时，Q（120uA，6mA，0V），

例题end第40页/共110页3.4小信号模型分析法3.4.1BJT的小信号建模3.4.2共射极放大电路的小信号模型分析

H参数的引出H参数小信号模型模型的简化H参数的确定利用直流通路求Q点画小信号等效电路求放大电路动态指标第41页/共110页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。3.4.1BJT的小信号建模第42页/共110页1.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+hoevce3.4.1BJT的小信号建模

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：vBEvCEiBcebiCBJT双口网络第43页/共110页3.4.1BJT的小信号建模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）。1.H参数的引出vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce第44页/共110页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。第45页/共110页3.4.1BJT的小信号建模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vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络第46页/共110页3.4.1BJT的小信号建模3.模型的简化hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即rbe=hie

=hfe

µ

T=hre

rce=1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为ibicvceibvbeµT

vcerberce

µT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。

第47页/共110页3.4.1BJT的小信号建模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≈200

则

而

(T=300K)

（思考题）第48页/共110页3.4.2共射极放大电路的小信号模型分析

共射极放大电路1.利用直流通路求Q点一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。第49页/共110页2.画小信号等效电路RbviRbRbviRc3.4.2小信号模型分析共射极放大电路icvce+-交流通路RbviRcRLH参数小信号等效电路第50页/共110页3.求放大电路动态指标根据RbviRcRL则电压增益为3.4.2小信号模型分析（可作为公式）(1)求电压增益第51页/共110页(2)求输入电阻3.4.2小信号模型分析RbRcRLRi(3)求输出电阻令Ro=Rc所以3.求放大电路动态指标第52页/共110页1.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。

解：例题第53页/共110页例题

解：（1）（2）2.放大电路如图所示。试求：（1）Q点；（2）、、。已知=50。end第54页/共110页第55页/共110页3.5放大电路的工作点稳定问题温度变化对ICBO的影响温度变化对输入特性曲线的影响温度变化对的影响稳定工作点原理放大电路指标分析固定偏流电路与射极偏置电路的比较3.5.1温度对工作点的影响3.5.2射极偏置电路第56页/共110页3.5.1温度对工作点的影响1.温度变化对ICBO的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度T

输出特性曲线上移温度T

输入特性曲线左移3.温度变化对的影响温度每升高1°C，要增加0.5%1.0%温度T

输出特性曲线族间距增大第57页/共110页总之：

ICBO

ICEOT

VBE

IB

IC

第58页/共110页3.5.2射极偏置电路1.稳定工作点原理目标：温度变化时，使IC维持恒定。

如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。T稳定原理：

ICIEIC

VE、VB不变

VBE

IB（反馈控制）b点电位基本不变的条件：I1>>IB，此时，不随温度变化而变化。VB>>VBE

且Re可取大些，反馈控制作用更强。一般取I1=(5~10)IB，VB=3~5V

第59页/共110页3.5.2射极偏置电路2.放大电路指标分析①静态工作点第60页/共110页3.5.2射极偏置电路2.放大电路指标分析②电压增益<A>画小信号等效电路第61页/共110页3.5.2射极偏置电路2.放大电路指标分析②电压增益输出回路：输入回路：电压增益：<A>画小信号等效电路<B>确定模型参数已知，求rbe<C>增益第62页/共110页3.5.2射极偏置电路2.放大电路指标分析③输入电阻根据定义由电路列出方程则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻第63页/共110页3.5.2射极偏置电路2.放大电路指标分析④输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路网络内独立源置零负载开路输出端口加测试电压对回路1和2列KVL方程rce对分析过程影响很大，此处不能忽略其中则当时，一般（）第64页/共110页3.5.2射极偏置电路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较

共射极放大电路静态：第65页/共110页3.5.2射极偏置电路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较

固定偏流共射极放大电路电压增益：RbviRcRL固定偏流共射极放大电路输入电阻：输出电阻：Ro=Rc#

射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？第66页/共110页3.5.2射极偏置电路第67页/共110页3.5.2射极偏置电路end第68页/共110页3.6共集电极电路和共基极电路

电路分析复合管

静态工作点动态指标

三种组态的比较3.6.1共集电极电路3.6.2共基极电路第69页/共110页3.6.1共集电极电路1.电路分析

共集电极电路结构如图示

该电路也称为射极输出器①求静态工作点由得第70页/共110页②电压增益<A>画小信号等效电路3.6.1共集电极电路1.电路分析第71页/共110页②电压增益输出回路：输入回路：电压增益：<A>画小信号等效电路<B>确定模型参数已知，求rbe<C>增益3.6.1共集电极电路1.电路分析其中一般，则电压增益接近于1，电压跟随器即。第72页/共110页③输入电阻根据定义由电路列出方程则输入电阻当，时，3.6.1共集电极电路1.电路分析输入电阻大第73页/共110页3.6.1共集电极电路1.电路分析④输出电阻由电路列出方程其中则输出电阻当，时，输出电阻小#

既然共集电极电路的电压增益小于1（接近于1），那么它对电压放大没有任何作用。这种说法是否正确？第74页/共110页共集电极电路特点：◆电压增益小于1但接近于1，◆输入电阻大，对电压信号源衰减小◆输出电阻小，带负载能力强第75页/共110页3.6.1共集电极电路2.复合管作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe复合管也称为达林顿管第76页/共110页3.6.2共基极电路1.静态工作点

直流通路与射极偏置电路相同第77页/共110页3.6.2共基极电路2.动态指标①电压增益输出回路：输入回路：电压增益：第78页/共110页3.6.2共基极电路#

共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？2.动态指标②输入电阻③输出电阻第79页/共110页3.三种组态的比较电压增益：输入电阻：输出电阻：3.6.2共基极电路共射极电路共集电极电路第80页/共110页例题1.放大电路如图所示。试求。已知=50。

解：end第81页/共110页两者比较可看出增益明显提高第82页/共110页3.7.1单时间常数RC电路的频率响应3.7.2单级放大电路的高频响应

RC低通电路的频率响应

RC高通电路的频率响应3.7放大电路的频率响应3.7.3单级放大电路的低频响应3.7.4多级放大电路的频率响应

多级放大电路的增益

多级放大电路的频率响应

低频等效电路

低频响应

研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。第83页/共110页3.7.1单时间常数RC电路的频率响应1.RC低通电路的频率响应（电路理论中的稳态分析）RC电路的电压增益（传递函数）：则且令又电压增益的幅值（模）（幅频响应）电压增益的相角（相频响应）①增益频率函数第84页/共110页最大误差-3dB②频率响应曲线描述3.7.1RC电路的频率响应幅频响应0分贝水平线斜率为-20dB/十倍频程的直线相频响应1.RC低通电路的频率响应表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入因为所以第85页/共110页RC高通电路的频率响应3.7.1RC电路的频率响应2.RC高通电路的频率响应RC电路的电压增益：幅频响应相频响应输出超前输入第86页/共110页3.7.2单级放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模◆

模型的引出◆

模型简化◆

模型参数的获得◆

的频率响应2.共射极放大电路的高频响应◆

型高频等效电路◆

高频响应3.共基极放大电路的高频响应◆

增益-带宽积◆

高频等效电路◆

高频响应◆

几个上限频率的比较第87页/共110页3.7.2单级放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模①模型的引出rb'e---发射结电阻re归算到基极回路的电阻

---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。互导第88页/共110页3.7.2单级放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模②模型简化混合型高频小信号模型第89页/共110页3.7.2单级高频响应又因为所以③模型参数的获得（与H参数的关系）1.BJT的高频小信号建模低频时，混合模型与H参数模型等效所以从手册中查出第90页/共110页3.7.2单级高频响应④的频率响应由H参数可知1.BJT的高频小信号建模即根据混合模型得低频时所以当时，第91