第三章 三极管及放大电路

第三章三极管及放大电路第1页，课件共149页，创作于2023年2月三位改变世界的人物1956年WillifamBradfordShockley，JohnBardeen及WalterHouserBrattain荣获诺贝尔物理奖，诺贝尔委员会在赞词中说：“表彰三位学者在半导体研究及发现电晶体的效应。”第2页，课件共149页，创作于2023年2月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3页，课件共149页，创作于2023年2月BJT(BipolarJunctionTransistor)。三极管是通过一定制造工艺，把两个PN结结合在一起的器件。有两种类型:NPN型和PNP型。

3.1.1BJT的结构简介第4页，课件共149页，创作于2023年2月发射区发射极，用E或e表示（Emitter）基极，用B或b表示（Base）基区集电区集电极，用C或c表示(Collector)发射结(Je)

集电结(Jc)第5页，课件共149页，创作于2023年2月第6页，课件共149页，创作于2023年2月

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7页，课件共149页，创作于2023年2月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）

载流子的传输过程第8页，课件共149页，创作于2023年2月2.电流分配关系通常IC>>ICBO

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根据传输过程可知IC=InC+ICBOIB=IB’-ICBOIE=IB+IC第9页，课件共149页，创作于2023年2月

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根据IE=IB+ICIC=InC+ICBO且令ICEO=(1+

)ICBO（穿透电流）第10页，课件共149页，创作于2023年2月总结三极管各极电流关系：第11页，课件共149页，创作于2023年2月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12页，课件共149页，创作于2023年2月a、共发射极b、共基极c、共集电极c第13页，课件共149页，创作于2023年2月4.放大作用+Vi-电压增益:放大的条件:发射极正偏、集电结反偏。第14页，课件共149页，创作于2023年2月综上所述，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。第15页，课件共149页，创作于2023年2月vCE=0V

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当vCE=0V时，相当于两个PN结并联，简化为发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线3.1.3CE-BJT的特性曲线第16页，课件共149页，创作于2023年2月(3)输入特性曲线的三个部分①死区

②非线性区③线性区

第17页，课件共149页，创作于2023年2月饱和区：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<

IB,深度饱和时VCES约等于0.3V。iC=f(vCE)

iB=const2.输出特性曲线输出特性曲线的三个区域: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。JC和JE都反偏，IB=IC=0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。IC=

IB,相当于一个电流控制电流源第18页，课件共149页，创作于2023年2月温度升高时：（1）输入特性曲线左移（2）ICBO增大，输出特性曲线上移（3）

增大3.温度对三极管特性曲线的影响第19页，课件共149页，创作于2023年2月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/IB

vCE=const1.电流放大系数

第20页，课件共149页，创作于2023年2月(2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=const(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。第21页，课件共149页，创作于2023年2月

(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 (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。

第22页，课件共149页，创作于2023年2月(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)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。V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO第23页，课件共149页，创作于2023年2月由V（BR）CEO、PCM和ICM确定的安全工作区：安全工作区过损耗区第24页，课件共149页，创作于2023年2月1.既然BJT具有两个PN结，可否用两个二极管相联以构成一只BJT，试说明其理由。？思考题2.能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什么？3.为什么说BJT是电流控制器件？第25页，课件共149页，创作于2023年2月三极管工作情况总结1：三极管处于放大状态时，三个极上的 电流关系： 电位关系：第26页，课件共149页，创作于2023年2月三极管工作情况总结2：1）根据发射结和集电结的偏置电压来判断；2）根据静态工作点来判断：IBQ

0，管子工作在截止区，ICQ=

IBQ，管子工作在放大区，IBQ>

ICQ/，管子工作在饱和区；3）根据UBEQ值来判断Si：UBEQ0.5V，管子工作在截止区，UBEQ0.6VUCEQ管子工作在饱和区.4）根据UCEQ值来判断：UCEQ=VCC，管子工作在截止区，UCEQ=0，管子工作在饱和区第27页，课件共149页，创作于2023年2月放大截止饱和例：三极管工作状态的判断第28页，课件共149页，创作于2023年2月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29页，课件共149页，创作于2023年2月放大电路的概念和性能指标放大放大电路实际上是一种控制器,控制着电源向负载输送能量的大小放大器可以看成一个黑匣子,输出量和输入量的比值称为放大倍数dBdBdBPIV10lgAA20lgA20lg===功率增益电流增益电压增益TTiIVR=¥===LsRVTToIVR,0第30页，课件共149页，创作于2023年2月单管共射极放大电路1.电路组成输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）四部分作用：第31页，课件共149页，创作于2023年2月2.简化电路及习惯画法第32页，课件共149页，创作于2023年2月3.简单工作原理Vi=0Vi=Vsin

tvi变化——

iB变化————

iC变化——————

vCE变化——vo变化iC=iBvCE=VCC-iCRC第33页，课件共149页，创作于2023年2月静态：只考虑直流信号，即vi=0，各点电 位不变（直流工作状态），用Q点表示直流通路：电路中无变化量，电容→开路，电感→短路交流通路：电路中电容→短路，电感→开路，直流电源对公共端短路动态：只考虑交流信号，即vi不为0，各点电 位变化（交流工作状态）4.放大电路的静态和动态第34页，课件共149页，创作于2023年2月5.直流通路和交流通路交流通路直流通路共射极放大电路电容C1和C2断开C1和C2短路，VCC对公共端短路第35页，课件共149页，创作于2023年2月3.3放大电路分析方法

3.3.1静态工作情况分析

1、等效电路法:近似估算

2、用图解分析法确定静态工作点3.3.2动态工作情况分析1、用图解法分析动态工作情况2、等效电路法:小信号模型第36页，课件共149页，创作于2023年2月共射极放大电路

3.3.1静态工作情况分析方法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=0.3V,可忽略不计。直流通路+-第37页，课件共149页，创作于2023年2月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。共射极放大电路方法2.用图解分析法确定静态工作点直流通路IBVBE+-ICVCE+-第38页，课件共149页，创作于2023年2月(1)画直流通路(2)把电路分为线性和非线性两部分I输入回路输出回路(3)输入特性曲线上求IB（同二极管方法）VBE=VBB-IBRbQ（IB=40A）第39页，课件共149页，创作于2023年2月MN(4)作输出部分的伏安特性曲线=40uA(5)作线性部分的伏安特性曲线—直流负载线 VCE=12-4IC(VCC=12V,RC=4K)

用两点法做直线M(12V,0)，N(0,3mA)(5)直线MN与IB=40uA曲线的交点(5.6V,1.6mA)就是静态工作点Q（5.6V，1.6mA）Q第40页，课件共149页，创作于2023年2月MN12V300K4K=40Q讨论：电路参数变化对Q点的影响Rb改变：

Q点沿MN向下移动.Q

第41页，课件共149页，创作于2023年2月12V300K4K=40MNQRC改变：Q1第42页，课件共149页，创作于2023年2月MNQVCC改变：QI第43页，课件共149页，创作于2023年2月总结：电路参数变化对Q点的影响Rb改变：

Q点沿MN向下移动RC改变：VCC改变：第44页，课件共149页，创作于2023年2月1、画交流通路和交流负载线MN交流负载线

3.3.2动态工作情况分析方法1.用图解分析法确定动态工作第45页，课件共149页，创作于2023年2月vi=0.2sint(V)vi=0.2sint(V)ib=20sint(uA)iB=20uA~60uAvoviic=

ib=0.8sin

t(mA)vce=3.2sint(V)vCE=2.4V~8.8Vvovi2、在动态特性曲线上画出输出信号波形第46页，课件共149页，创作于2023年2月方法2.用等效电路法：小信号模型、

H参数模型、微变等效电路模型图解法的步骤：1、画直流通路和直流负载线；2、确定静态工作点；3、画出交流通路和交流负载线；4、分析电路（如求电压放大倍数、非线性分析等）第47页，课件共149页，创作于2023年2月第48页，课件共149页，创作于2023年2月第49页，课件共149页，创作于2023年2月静态工作点在交流负载线的中点时可获得最大不失真输出最大不失真输出第50页，课件共149页，创作于2023年2月

放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：工作点Q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。

第51页，课件共149页，创作于2023年2月共射极放大电路例题：

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）第52页，课件共149页，创作于2023年2月第53页，课件共149页，创作于2023年2月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（意义、思路）

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54页，课件共149页，创作于2023年2月图解法的适用范围：信号频率低、幅度大的情况。电路中输入信号很小时:把放大电路当作线性电路处理——微变等效电路第55页，课件共149页，创作于2023年2月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56页，课件共149页，创作于2023年2月一、h参数等效电路I1I2+V1—+V2—双端口网络如果I1和V2是独立源：第57页，课件共149页，创作于2023年2月I1I2+V1—+V2—双端口网络h21I1h12V2++__V1V2I1I1第58页，课件共149页，创作于2023年2月二、三极管共射h参数等效电路 共射接法等效的双端口网络：输入：Vbe，Ib输出：Vce，Ic输入特性表达式：

vBE=f1(iB,vCE)输出特性表达式：

iC=f2(iB,vCE)IbIc+Vce_+Vbe_注：由于都是正弦信号，在频率较低时无相移，所以未用复数表示1.模型第59页，课件共149页，创作于2023年2月求全微分：+_+_VbeVceIbIch11h12Vceh21Ibh22第60页，课件共149页，创作于2023年2月输出端交流短路时的输入电阻输入端交流开路时的电压传输比输出端交流短路时的正向电流传输比输入端交流开路时的输出电导2.参数的物理意义第61页，课件共149页，创作于2023年2月第62页，课件共149页，创作于2023年2月+_+_vbevceibichiehrevcehfeibhoerbeIbIcVbeVce++__

Ibbeec第63页，课件共149页，创作于2023年2月3.估算rbe体电阻re’<<结电阻rb’e发射极电阻re约为rb’e发射结的伏安特性为ebcb’re’rerbb’rb’crc很小第64页，课件共149页，创作于2023年2月ebcb’re’rerbb’rb’crc很小第65页，课件共149页，创作于2023年2月分析步骤：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Ro3.4.2共射极基本放大电路的分析第66页，课件共149页，创作于2023年2月

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67页，课件共149页，创作于2023年2月2.在交流通路和小信号等效电路中分析交流参数共射极放大电路icvce+-交流通路RbviRbRbviRcRbviRcRLiVbIcIOVbIH参数小信号等效电路第68页，课件共149页，创作于2023年2月根据则电压增益为bebirIV=bcII=b)//(LccORRIV-=beLcbebLcbbebLcciO)//()//()//(rRRrIRRIrIRRIVVAV-=-=-==bb

RbviRcRLiVbIcIOVbI（可作为公式）3.求电压增益第69页，课件共149页，创作于2023年2月4.求输入电阻bebiii//rRIVR==5.求输出电阻RbRcRLRiRbRcRLiVbIcIOVbIRo令0i=V0b=I0b=IbRo=Rc

所以第70页，课件共149页，创作于2023年2月例1：电路及参数如图，rb=100

求Av，Ri，Ro=50解：静态工作点（40uA,2mA.6V)

=100+51

26/2=0.763K第71页，课件共149页，创作于2023年2月Ib

Ib=-7.62交流通路：微变等效电路：=330K//26.263K=24.3K第72页，课件共149页，创作于2023年2月例2Rs=100

，RL=4K，求Avs=Vo/Vs=50解：静态工作点（40uA,2mA.6V）rbe=0.763K第73页，课件共149页，创作于2023年2月交流分析：RiRi第74页，课件共149页，创作于2023年2月例3：电路及参数如图，=40，

rbb’=100， (1)计算静态工作点 (2)求Av，Ri，Ro解：(1)画直流通路求静态工作点第75页，课件共149页，创作于2023年2月直流通路第76页，课件共149页，创作于2023年2月第77页，课件共149页，创作于2023年2月第78页，课件共149页，创作于2023年2月(2)画交流通路及微变等效电路，求Av，Ri，RoRiRoRo=Rc=4K第79页，课件共149页，创作于2023年2月例4.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。bIrbeebcRerbeebciIiVRb2Rerbe+-ebciIiVRb1Rb2RcRerbe+-ebciIiVbIboVRb1Rb2RcReRLrbe+-+-ebc第80页，课件共149页，创作于2023年2月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81页，课件共149页，创作于2023年2月3.5.1温度对工作点的影响

ICBO

ICEO

T

VBE

IB

IC

温度升高会导致静态工作点上升。第82页，课件共149页，创作于2023年2月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。第83页，课件共149页，创作于2023年2月2.放大电路指标分析①静态工作点第84页，课件共149页，创作于2023年2月②电压增益<A>画小信号等效电路<B>确定模型参数第85页，课件共149页，创作于2023年2月输入回路：<C>增益电压增益：输出回路：第86页，课件共149页，创作于2023年2月③输入电阻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87页，课件共149页，创作于2023年2月④输出电阻对回路1和2列KVL方程其中第88页，课件共149页，创作于2023年2月3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较基本共射极放大电路静态：从IB开始求起从IE开始求起第89页，课件共149页，创作于2023年2月RbviRcRL固定偏流共射极放大电路电压增益：输入电阻：输出电阻：Ro=Rc动态：第90页，课件共149页，创作于2023年2月例：电路及参数如图，=50，

rb=100， (1)计算静态工作点 (2)求Av，Ri，Ro28K12K0.4K1.6K3K

解：(1）画直流通路求静态工作点VBVE第91页，课件共149页，创作于2023年2月28K12K0.4K1.6K3K

VBVE第92页，课件共149页，创作于2023年2月28K12K0.4K1.6K3K(2)画交流通路及微变等效电路，求Av，Ri，Ro

Ib

微变等效电路：交流通路：

RiRoRo=Rc=3K第93页，课件共149页，创作于2023年2月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94页，课件共149页，创作于2023年2月3.6.1共集电极电路1.电路分析（1）求静态工作点由得第95页，课件共149页，创作于2023年2月（2）电压增益

令：共集电路又称射极跟随器RiRo（3）输入电阻第96页，课件共149页，创作于2023年2月令Vi=0，在输出端加信号Vo，则：Io=Ie+Ib+

Ib（4）输出电阻

第97页，课件共149页，创作于2023年2月共集电极电路特点：◆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98页，课件共149页，创作于2023年2月bce12T2T1第99页，课件共149页，创作于2023年2月第100页，课件共149页，创作于2023年2月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101页，课件共149页，创作于2023年2月2.动态指标①电压增益电压增益：输出回路：输入回路：第102页，课件共149页，创作于2023年2月②输入电阻③输出电阻第103页，课件共149页，创作于2023年2月三种组态电路比较共射组态共集组态共基组态A

uR

iR

o（反相,大）（同相,大）（同相，

1）（最大）（最小）（最小）(中)(大)(大)第104页，课件共149页，创作于2023年2月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。常作为电路的输入和输出级。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。第105页，课件共149页，创作于2023年2月基本概念直接耦合多级放大电路阻容耦合多级放大电路变压器耦合多级放大电路多级放大电路的频率响应3.6.3多级放大电路第106页，课件共149页，创作于2023年2月单级电路第107页，课件共149页，创作于2023年2月一、直接耦合多级放大电路静态分析：VBB=IB1Rb1+VBE1VCE1=IB2Rb2+VBE2VCE1=VCC-（IC1+

IB2）RC1VCE2=VCC-

IC2RC2IC1=

IB1IC2=

IB2IB1、VC1、

IB2

VC2、

IC2、IC1优点：低频性能好， 易于继集成缺点：静态点相互影响温度漂移问题第108页，课件共149页，创作于2023年2月Ib1Ib2Ib1Ib2动态分析：Ri1=Rb1+rbe1Ri2=Rb2+rbe2第109页，课件共149页，创作于2023年2月二、阻容耦合多级放大电路缺点：低频性能差， 不易继集成优点：静态点互不影响Ri1=Rb1//rbe1Ri2=Rb2//rbe2第110页，课件共149页，创作于2023年2月n2RL三、变压器耦合多级放大电路第111页，课件共149页，创作于2023年2月优点：静态点互不影响，变压器起阻抗变换作用缺点：不利于集成第112页，课件共149页，创作于2023年2月第113页，课件共149页，创作于2023年2月第114页，课件共149页，创作于2023年2月第115页，课件共149页，创作于2023年2月3.7基本放大电路的频率响应频率失真相位失真幅度失真第116页，课件共149页，创作于2023年2月1.RC低通滤波电路其中，是角频率 =RC令：上限截止频率(1)分析第117页，课件共149页，创作于2023年2月幅频特性相频特性第118页，课件共149页，创作于2023年2月当f<<fH时当f=fH时当f>>fH时第119页，课件共149页，创作于2023年2月(2)波特图

幅频特性相频特性第120页，课件共149页，创作于2023年2月2.RC高通滤波电路(1)分析令：下限频率第121页，课件共149页，创作于2023年2月当f<<fL时当f=fL时当f>>fL时幅频特性相频特性第122页，课件共149页，创作于2023年2月(2)波特图

幅频特性相频特性第123页，课件共149页，创作于2023年2月3.7.1三极管的高频等效模型ebcrerb’erbb’rb’crc三极管结构b’C

C

第124页，课件共149页，创作于2023年2月忽略rce和rb‘c并把C

到输入输出回路中C

C

rbb’b’rb’erb’crcegmVb’ebece+_VbeVb’e+_+_VceIbIc混合

模型C’rbb’b’rb’ercegmVb’ebece+_VbeVb’e+_+_VceIbIcC’简化混合

模型Ib和Ic应有点h21e就是

第125页，课件共149页，创作于2023年2月IcC’rbb’b’rb’ercegmVb’ebece+_VbeVb’e+_+_VceIbC’f

和fT

：是指Vce=0时两电流之比，所以K=0第126页，课件共149页，创作于2023年2月已知：即：所以：与RC低通滤波电路的频响表达式相同

的截止频率进一步分析：f很大、很小和等于f

第127页，课件共149页