模拟电子技术基础-04双极结型三极管及放大电路基础0

4双极结型三极管及放大电路基础4.1BJT4.3放大电路的分析方法4.4放大电路静态工作点的稳定问题4.5共集电极放大电路和共基极放大电路4.2基本共射极放大电路4.6组合放大电路4.7放大电路的频率响应*4.8单级放大电路的瞬态响应14双极结型三极管及放大电路基础主要内容·半导体三极管的结构及工作原理，及其构成放大电路的三种组态·放大电路的静态（直流工作状态）与动态（交流工作状态）·静态工作点对非线性失真的影响·用H参数小信号模型计算共射极放大电路的主要性能指标·共集电极电路和共基极电路的分析计算·三极管放大电路的频率响应24双极结型三极管及放大电路基础基本要求（本章重点）了解半导体三极管的工作原理、特性曲线及主要参数了解静态工作点与非线性失真的关系熟练掌握放大电路静态工作点的设置和估算，以及用小信号模型分析法求解放大电路的动态指标掌握BJT放大电路三种组态的结构及性能的特点掌握放大电路的频率响应的基本概念了解各元件参数对放大电路的频率响应性能的影响学时数1534.1BJT4.1.1BJT的结构简介4.1.2放大状态下BJT的工作原理4.1.3BJT的V-I特性曲线4.1.4BJT的主要参数4.1.5温度对BJT参数及特性的影响44.1.1BJT的结构简介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管中国俗称：三极管管的外面伸出三个电极由于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)。

5集成电路中典型NPN型BJT的截面图4.1.1BJT的结构简介在一个晶片（硅或锗）生成三个杂质半导体区管芯结构剖面图6该结构与原理结构类似74.1.1BJT的结构简介三个极两个结两种类型NPN型PNP型三个区集电区基区发射区集电极（C极）基极（B极）发射极（E极）集电结发射结箭头表示发射结正偏时。发射结电流实际方向8BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高集电区掺杂浓度低于发射区BJT结构特点不对称结构9NPN型BJT与PNP型BJT的异同：1.电源电压的极性相反2.产生的电流方向相反关于NPN型BJT的讨论同样适用于PNP型BJT，只用作以上两项修改本课程仅讨论NPN型BJT特性基本一样只有以下两点不同104.1.2放大状态下BJT的工作原理组成四种工作状态：BJT内部状态分析：两个结：集电结发射结两个态：正向反向工作状态发射结正向发射结反向集电结正向饱和倒置集电结反向放大截止主要讨论放大状态114.1.2放大状态下BJT的工作原理1.内部载流子的传输过程（以NPN为例）

IE=IB+IC放大状态下BJT中载流子的传输过程BJT放大的外部条件：

发射结正偏集电结反偏放大状态内部过程分析：

BJT外部电流关系：

124.1.2放大状态下BJT的工作原理1.内部载流子的传输过程（以NPN为例）

集电区：收集载流子

发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子对电子而言：（注意与电流方向相反）ICBO集电结反向饱和电流不关联载流子红色箭头是关联载流子134.1.2放大状态下BJT的工作原理1.内部载流子的传输过程（以NPN为例）

集电区：流进基区的电流

发射区：汇集基区和集电区电流基区：基区电流会同集电区电流共同流进发射区对电流而言：反着理解正着使用144.1.2放大状态下BJT的工作原理1.内部载流子的传输过程（以NPN为例）

集电区：收集载流子

发射区：发射载流子基区：传送和控制载流子对电流而言：）反着理解正着使用15BJT电流放大原理BECNNPEBRBEc发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。IE1进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。IB16BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。IC2ICIB要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BJT电流放大原理17BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBEICBO集电结反向饱和电流182.电流分配关系根据传输过程可知IC=ICN+ICBO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

。IE=IB+IC放大状态下BJT中载流子的传输过程放大倍数等于1，好像没放大？集电结反向饱和电流集电中受发射结电压控制的电流表达发射到集电极电流的多少19根据IE=IB+ICIC=ICN+ICBO2.电流分配关系得：得：（穿透电流）20

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。2.电流分配关系发射区发射的电子有一个发射到基区就有

个电子到达集电区电流放大IB控制ICBJT放大的核心表达式！牢牢记住！21基极像一个闸门控制由集电极流向发射极电流的大小223.三极管的三种组态(c)共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。(b)共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；(a)共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；BJT的三种组态以那个极为关于输入输出公共点，就是共那个极。23共基极放大电路4.放大作用若

vI

=20mV电压放大倍数使

iE

=-1mA，则

iC

=

iE

=-0.98mA，

vO=-

iC•

RL=0.98V，当

=0.98时，1KΩ将20Ω电阻的电流转移到1000Ω电阻上恒流源输出电压和电压放大倍数都和负载电阻成正比24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。（集电极电位＞基极电位＞发射极电位）254.1.3BJT的V-I特性曲线

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。

(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（以共射极放大电路为例）共射极连接工作压降硅管

0.6~0.7V锗管0.2~0.3V死区电压:硅管0.5V,锗管0.2V两结都正偏曲线受Vce的影响很小曲线可用一条曲线表示26iC=f(vCE)

iB=const.2.输出特性曲线输出特性曲线三个区域分析4.1.3BJT的V-I特性曲线每个IB对应一条曲线此时曲线应为集电PN结反向饱和曲线所以有恒流特性反映IB对IC的控制27IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域对应于曲线较平坦的部分发射结正偏，集电结反偏IC=

IB，基本不随UCE变化称为放大区或线性区三极管放大区的特性放大区：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。28IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A发射结、集电结均正偏IB=IC的关系不成立UCE0.3V且小于UBE称为饱和区。三极管饱和区的特性此区域对应于曲线快速上升的部分饱和区：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。29IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A发射结、集电结均反偏IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压称为截止区三极管截止区的特性此区域对应于IB<0的部分截止区：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。30三极管的工作状态判别1

.结电压判别法

PN结工作状态发射结集电结放大正偏：UBE>0反偏：UBC<0截止反偏：UBE≤0反偏：UBC<0饱和正偏：UBE>0正偏：UBC≥0倒置反偏：UBE<0正偏：UBC>031工作状态电流极发射极集电极基极放大截止饱和2

.极电流判别法饱和时IB上升速率大于IC上升速率，此时集电结反压小，收集电子能力较差。32BJT放大过程总结用电压（电流）调节发射结电场，导致通过反射结的电子量变化。利用PN结的正向调节作用由于集电结流过的是反向饱和电流，电流有一定的恒定性质，不随集电结电压变化。恒流作用保持被控量不变。充分利用PN结正向时的电阻调节作用和反向的电流恒定作用。设计的三极管结构将控制量与被控量分开。将基极做的很薄，使发射结过来的电子大部分被集电结收集。旁路作用分离被控量33

(1)共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=const.1.电流放大系数

4.1.4BJT的主要参数与iC的关系曲线

(2)共发射极交流电流放大系数

=

iC/

iB

vCE=const.341.电流放大系数

(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。4.1.4BJT的主要参数35

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。

4.1.4BJT的主要参数36

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

4.1.4BJT的主要参数

2.极间反向电流37(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

（双曲线）

3.极限参数4.1.4BJT的主要参数红色禁区加散热措施可以扩大使用区域38

3.极限参数4.1.4BJT的主要参数(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。几个击穿电压有如下关系

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO394.1.5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end雪崩击穿有正温度系数404.2基本共射极放大电路4.2.1基本共射极放大电路的组成4.2.2基本共射极放大电路的工作原理414.2.1基本共射极放大电路的组成基本共射极放大电路424.2.2基本共射极放大电路的工作原理1.静态(直流工作状态)输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。直流通路VCEQ=VCC－ICQRc

各点电位，各路电流434.2.2基本共射极放大电路的工作原理2.动态输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。

交流通路end只考虑动态时将直流电源和隔直电容短路，加入非线性器件的引入的动态电阻等444.3放大电路的分析方法4.3.1图解分析法4.3.2小信号模型分析法1.静态工作点的图解分析2.动态工作情况的图解分析3.非线性失真的图解分析4.图解分析法的适用范围1.BJT的H参数及小信号模型2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路3.小信号模型分析法的适用范围45何谓静态工作点：未加信号时电路各点的电流电压反映电路的原始状态静态工作点要保证加载动态信号后电路仍工作在线性区46静态和动态静态——时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。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。动态——时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。474.3.1图解分析法1.静态工作点的图解分析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。共射极放大电路输入端管外电路输出端管外电路管内电路线性电路与非线性器件分离用图解法求工作状态48Rb+VCCVBBRcC1C2T基极电源与基极电阻作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。集电极电源，为电路提供能量，并保证集电结反偏。集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。49基本组成如下：

三极管T——

负载电阻Rc

、RL——

偏置电路VCC

、Rb——

耦合电容C1、C2——起放大作用。将变化的集电极电流转换为电压输出。提供电源，并使三极管工作在线性区。输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。(1)共发射极组态交流基本放大电路的组成

图06共发射极组态交流基本放大电路

504.3.1图解分析法1.静态工作点的图解分析

列输入回路方程

列输出回路方程（直流负载线）

VCE=VCC－iCRc

首先，画出直流通路直流通路51

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。

在输入特性曲线上，作出直线

，两线的交点即是Q点，得到IBQ。52

根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE

、iB

的波形2.动态工作情况的图解分析53

根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE

的波形2.动态工作情况的图解分析542.动态工作情况的图解分析

共射极放大电路中的电压、电流波形553.静态工作点对波形失真的影响截止失真的波形工作点偏低出现截止失真当动态信号只在静态工作点上方时，此静态工作点可以用。56饱和失真的波形3.静态工作点对波形失真的影响静态工作点偏高当动态信号只在静态工作点下方时，此静态工作点可以用。静态工作点的选择的关键是要保证输出信号范围与放大区重合，如果超出则失真57交流负载线

交流负载线确定方法：

1.通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为-1/R'L

。

2.R'L=

RL∥Rc，

是交流负载电阻。

3.交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。

4.交流负载线与直流负载线相交Q点。

图11放大电路的动态

工作状态的图解分析58②放大电路的最大不失真输出幅度

放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：

1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；

2.要有合适的交流负载线。

放大器的最大不失真输出幅度594.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。604.3.2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。611.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62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631.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641.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。651.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在共射极连接时，其H参数的数量级一般为661.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

）674.3.2小信号模型分析法2.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（1）利用直流通路求Q点

共射极放大电路一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，

已知。682.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（2）画小信号等效电路H参数小信号等效电路692.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（3）求放大电路动态指标根据则电压增益为（可作为公式）电压增益H参数小信号等效电路702.用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路（3）求放大电路动态指标输入电阻输出电阻令Ro=Rc

所以713.小信号模型分析法的适用范围4.3.2小信号模型分析法放大电路的输入信号幅度要小BJT工作在其V-T特性曲线的线性范围（即放大区）内H参数的值是在静态工作点上求得的放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。723.小信号模型分析法的适用范围优点：分析放大电路的动态性能指标(Av

、Ri和Ro等)非常方便。4.3.2小信号模型分析法缺点：在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量(交流量)而言的。且适用于频率较高时的分析不能用来分析计算静态工作点73共射极放大电路