第三章 晶体三极管及其放大电路

第3章晶体三极管及其放大电路第3章晶体三极管及其放大电路3.1晶体三极管3.2放大电路的组成和工作原理3.3放大电路的分析3.4放大电路的三种接法13.1晶体三极管几种常见晶体管的外形1.晶体管的结构小功率管中功率管大功率管2晶体管有三个极、三个区、两个PN结。面积大发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子3.1晶体三极管32.晶体管的类型与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

4外部条件发射区比基区重掺杂；基区很薄；集电区面积大内部条件3.1.2晶体管的电流分配与放大作用53.1.2晶体管的电流分配与放大作用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6电流分配：IE＝IB＋IC

3个电极的电流关系IE>IC>IB

交流电流放大系数直流电流放大系数大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。3.1.2晶体管的电流分配与放大作用73.1.2晶体管的电流分配与放大作用在考虑基区多子扩散运动和集电区少子运动的情况下有式中是发射极开路时，集电极的反向饱和电流，ICEO是基极开路（）时，集电极和发射极之间流过的穿透电流，即集电极电流IC的主要成分是由发射极电流IE转化而来的，为了反映这个转化的比例关系，定义共基极直流电流放大系数为与的关系：或8放大的条件：发射结正向偏置，

集电结反向偏置。NPN型：VC>VB>VEPNP型：VE>VB>VCPNP管IE流进PNP管IC流出PNP管IB流出3.1.2晶体管的电流分配与放大作用93.1.2晶体管的电流分配与放大作用【例】一个晶体管的发射极电流为12.1mA，集电极电流为12.0mA，晶体管的是多少？解：首先求基极电流然后求出

103.1.2晶体管的电流分配与放大作用【例】在某放大电路中，晶体管的3个电极的电流如图6.1.5所示，已知，I1=－1.5mA，I2=－0.03mA。(1)求出另一个电极电流I3的大小；(2)试确定晶体管是PNP型还是NPN型，并区分出各电极；(3)近似确定出该管电流放大系数解：(1)由KCL，将三极管看成是一个节点，可以得到：(mA)113.1.2晶体管的电流分配与放大作用I1=－1.5mA，I2=－0.03mAI3=1.53mA(2)根据三极管3个电极的电流关系IE>IC>IB，故得①→c，②→b，③→e。由于发射极电流的实际方向为向里，所以此晶体管为PNP型管。(3)可以求得电流放大系数：12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.输入特性发射结电压UBE硅管:0.6V~0.7V,锗管:0.2v~0.3V相当于两个并联PN结更多的电子被集电极收集，iB减小，同样uBE下，曲线右移大部分电子都被拉过去3.1.3晶体管的共射特性曲线13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大部分电子都被拉过去，iC不再增加2.输出特性14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。

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≈0.1V输出特性曲线的三个区域:15

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晶体管的三个工作区域16晶体管的三个工作区域

晶体管截止状态模型晶体管放大状态模型

晶体管饱和状态模型

iB=0iE=iC=iCEO=0UBE=UBE(0n)iC=βiBUCE=UCES17NPN型PNP型中间电位为BBB与B脚相差0.6V~0.7V为E脚，是硅管；相差0.2V~0.3V为E脚，是锗管EE剩下的为C脚CC硅管锗管NPNPNP【例3.1.3】

已知工作在放大区，今测得它们的管脚对地电位如下图所示，试判别三极管的三个管脚，说明是硅管还是锗管？是NPN还是PNP型三极管？3.1.3晶体管的共射特性曲线183.1.4晶体管的主要参数A点对应的iC=6mA，iB=40μA1.电流放大系数估算时，可认为，故可以混用。A3DG6的输出特性19β值的求法：在A点附近找两个uCE相同的点C和D所以对应于C点，iC=8.8mA，B=60μA；对应于D点，iC=3.3mA，iB=20μA，△iC

=8.8-3.3=5.5mA，△iB=60-20=40μA，共射交流电流放大系数β3DG6的输出特性3.1.4晶体管的主要参数ACD202.极间反向电流ICBO、ICEOICEO=（1+）ICBO

由图可见，ICEO不单纯是一个PN结的反向电流所以，β大的三极管的温度稳定性较差ICBO是少数载流子电流，受温度影响很大，ICBO越小越好。3.1.4晶体管的主要参数21c-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功率，PCM＝iCuCE3.极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO3.1.4晶体管的主要参数安全工作区22例如，3DG4的PCM=300mW根据iCuCE=300mW，可以计算出功率损耗线上的点：uCE=5V时iC=60mA；uCE=l0V时iC=30mA；uCE=15V时，iC=20mA；uCE=20V时，iC=l5mA；uCE=30V时，iC=l0mA；uCE=40V时，iCE=7.5mA等等。在输出特性坐标上找出这些点，并将它们连成一条曲线即为最大功率损耗线，如图所示。3DG4的安全工作区曲线的左下方均满足此PC<PCM条件。3.1.4晶体管的主要参数23讨论一由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO

、β。3.1.4晶体管的主要参数2.7U（BR）CEOuCE=1V时的iC就是ICM24VBB、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一、基本共射放大电路的工作原理3.2放大电路的组成和工作原理25

输出电压必然失真！

设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但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？2.设置静态工作点的必要性26动态信号驮载在静态之上与iC变化方向相反输出和输入反相！3、基本共射放大电路的波形分析27饱和失真底部失真截止失真顶部失真

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！3、基本共射放大电路的波形分析28二、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29问题：1.两个电源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2.两种实用放大电路30（2）阻容耦合放大电路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？C1、C2为耦合电容！2.两种实用放大电路31（2）阻容耦合放大电路动态时，uBE＝uI＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。32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。二、如何组成放大电路336.3放大电路的分析343.3.1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直流电压源相当于短路（内阻为0）。直流流过的路径交流流过的路径画法：35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。1.直流通路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）（一）基本共射放大电路的直流通路和交流通路362.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）（一）基本共射放大电路的直流通路和交流通路371.直流通路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）（二）阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路直流通路382.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）阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路39【例3.3.1】画出图（a）所示放大电路的直流通路和交流通路3.3.1放大电路的直流通路和交流通路解：

ui短路，电容开路

,得直流通路如图（b）所示。电容短路，直流电源+VCC对地短路

得交流通路如图（c）所示。403.3.1放大电路的直流通路和交流通路【例3.3.2】电路如图所示，试判断各电路可否正常放大交流输入信号，若不能正常放大，则说明原因。设图中所有电容对交流信号可视为短路。解：

对应的直流和交流通路如图所示，均不能放大。交流短路截止411.用直流通路计算静态值（估算Q点）直流通路3.3.2静态分析当VCC>>UBEQ时，UBEQ硅管:0.6V~0.7V,锗管:0.2v~0.3V已知：VCC＝12V，Rc＝3kΩRb＝600kΩ，β＝100。Q＝？423.3.2静态分析【例3.3.3】

在图中，已知UBEQ=0.7V，试求该放大电路的静态工作点，并说明晶体管的工作状态。方法1：假设为放大状态，则有：解：

晶体管工作于发射结正偏、集电结反偏的放大区。方法2：求饱和电流，则由于

故晶体管处于放大状态。43列输入回路方程

首先，画出直流通路在输入回路确定IBQ，UBEQ2.用图解法确定静态值输入回路负载线44列输出回路方程（直流负载线）在输出回路确定ICQ，UCEQ2.用图解法确定静态值三极管输出特性曲线：iC=f(uCE)直流负载线斜率：−1/RC45减小Rc阻值

负载线与曲线的交点右移。电路参数对输出特性上Q点的影响Rc↓1/Rc↑VCC/Rc↑46

Rb↓1/Rb↑VBB/Rb↑静态工作点上移（饱和区）。uBE

(V)iB

(μA)0QVBBMQ2VBB/RbRb对Q点的影响Q3NRb

↑静态工作点下移（截止区）。电路参数对输出特性上Q点的影响471.微变等效电路法放大电路的微变等效电路，就是把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，即把晶体管线性化，等效为一个线性元件。a.晶体管的微变等效电路6.3.3动态分析（Au、Ri、Ro）48a.晶体管的微变等效电路6.3.3动态分析（Au、Ri、Ro）当输入信号比较小时，二极管可以进一步用它的小信号电路模型代替，其微变电阻rbe在共发射极连接时，其一般电路模型可由图(b)描述。输入端是一个二极管，输出端则是受控电流源βiB491.微变等效电路法晶体管的微变等效电路a.晶体管的微变等效电路当0.1mA

IEQ

5mA时与Q点有关IEQ为静态时的发射极电流mAUT称为热电压，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300Ω50交流通路微变等效电路（b）放大电路的微变等效电路51根据则电压增益为（可作为公式）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）52Ri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对上述电路通常希望Ri高一些②求输入电阻53Ro=Rc

所以求等效输出电阻时，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。③求输出电阻54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。放大器在不同负载条件下维持输出信号电压（或电流）恒定的能力称为带负载能力。输出电阻Ro

55Ri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④源电压放大倍数定义56输入电阻中不应含有Rs!输出电阻中不应含有RL!1.微变等效电路法57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，输出电阻Ro、输入电阻Ri。例如图，已知BJT的β=100，UBE=-0.7V。1.微变等效电路法58＝200+（1+100）26/4=865欧（2）画出微变等效电路（3）

求电压增益59（5）

求输出电阻Ro=Rc

=2kΩ（4）求输入电阻1.微变等效电路法60小结等效电路法的步骤(归纳)1.首先利用图解法或近似估算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，β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.列出电路方程并求解。612.图解法显然此方程描述的是关于uCE和iC的一条直线，此直线的斜率为–1/RL',且过(UCEQ,ICQ)点。此直线称为交流负载线。622.图解法直流负载线斜率：–1/Rc交流负载线过Q点，斜率为–1/RL'交流负载线斜率：–1/RL'632.图解法输出与输入反相！643.3.4.动态分析之失真分析饱和失真截止失真1、非线性失真653.3.4.动态分析之失真分析正常放大：输出与输入反相饱和失真：负半周被削顶在输入回路首先产生失真！截止失真：正半周被削顶，663.3.4.动态分析之失真分析消除失真的方法：截止失真：Q点上移Rb↓饱和失真：Q点下移Rb↑Q点右移Rc↓不是一个好方法67Uom=?Q点在什么位置Uom最大？交流负载线应过Q点，且斜率决定于（Rc∥RL）直流负载线和交流负载线68UR=UCEQ-UCES

对于小功率硅管，UCES一般取0.5~1V。2.最大输出电压幅值受饱和失真限制求UR受截止失真限制求UF691、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、输出波形底部失真时：对NPN管，是饱和失真；对PNP管，是截止失真与是什么放大电路也有关，比如共射电路或共集电极电路。NPN，比如同是消底，共射电路是饱和失真，共集电极电路就是截止失真。iC

、uCE(uo)波形失真总结70

1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；

2.方便估算最大输出幅值的数值；

3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响；

4.有利于对静态工作点Q

的检测等。

缺点：不够精确，过程较慢，人为因素很大。图解法小结713.3.4.动态分析之失真分析【例】电路如图所示，已知晶体管VT为锗管，rbb'=300Ω，UBE(on)=−0.3V，UCES=−0.5V

C1和C2对交流信号可视为短路；试求：（1）静态工作点Q；（2）电压放大倍数，输入电阻、输出电阻和动态范围UP-P。解：(1)静态分析：723.3.4.动态分析之失真分析(2)画出微变等效电路(3)动态分析Ri=Rb//rbe≈rbe=1.1(kΩ)Ro=Rc=2(kΩ)733.3.4.动态分析之失真分析Uomax=min{|UCEQ|−|UCES|,ICQRL'}=min{8.1−0.5,1.95×1}=1.95(V)UP-P=2Uomax=3.9(V)(4)动态范围74

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↑→Q上移至Q'

(进入饱和)ICEO↑若UBEQ不变IBQ↑1.温度对静态工作点的影响3.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路3.4晶体管放大电路的三种接法→ICQ↑Q'75直流通路？Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路（1）电路组成加了Rb1和Re，构成基极分压式射极偏置电路2、静态工作点稳定的典型电路76为了稳定Q点，通常I1>>IBQ，即I1≈I2；因此基本不随温度变化若使VBQ>>UBEQ，则IEQ稳定一般对硅管，取I1=(5~10)IBQ

，VBQ=(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：（2）稳定原理77T(℃)↑→IC↑→VE↑→UBE↓（VB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。Re有上、下限值吗？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Re的作用UBE=VB－ICRe78（3）Q点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是否可忽略不计？判断方法：79如何提高电压放大能力？（4）动态分析有旁路电容Ce时：80利?弊?虽Re使Au减小，但Au仅取决于电阻值，不受温度影响，温度稳定性好比较无旁路电容Ce时：（4）动态分析折合的概念813.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路【例】在图示分压式偏置放大电路中，已知晶体管的UBE(on)=0.7V，试计算：（1）静态工作点；（2）计算该电路的电压放大倍数，输入电阻Ri和输出电阻Ro。解：（1）静态工作点823.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路(2)画微变等效电路(3)动态分析Ro=Rc=2kΩ833.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路【例】在上例中，如果没有并联旁路电容Ce，试计算：(1)计算该电路的电压放大倍数，(2)输入电阻Ri和输出电阻Ro。解：没有并联旁路电容Ce的直流分析同上题一样。843.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路此时的微变等效电路如图所示Ro=Rc=2(kΩ)853.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？86讨论一图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？若采用了措施，则是什么措施？a：T增大，Ic增大，IcR3增大，UCQ减小，IB减小，IC减小直流负反馈，稳定静态工作点b：若VCC较大，流过Rb的电流