第二章-晶体管及其放大电路一

1、2 半导体三极管及放大电路基础,半导体三极管,共射极放大电路的组成和工作原理,放大电路的静态分析,放大电路的动态分析,静态工作点的选择和稳定,共集电极和共基极放大电路,多级放大器,放大电路的频率特性,本章学习重点： 1、半导体三极管的特性曲线和主要参数 2、放大电路的分析方法 3、共射极、共基极、共集电极放大电路特点、主要性能指标的分析估算 4、频率响应的表达方式以及放大电路的频率特性,2.1 半导体三极管 Transistor,半导体三极管又称简称晶体管。,半导体三极管的放大作用和开关作用，促使了电子技术的的飞跃。,半导体三极管图片,2.1.1 半导体三极管的结构,（2）根据使用的半导体材料

2、分,（1） 根据结构分,三极管的主要类型,NPN型,PNP型,硅管,锗管,发射区,集电区,基区,发射极,集电极,发射结,集电结,基极,E,B,C,1. NPN型三极管结构示意图和符号,2、PNP型三极管结构示意图和符号,PNP型三极管符号,E,（ 1） 发射区小，掺杂浓度大。 （2）集电区掺杂浓度低，集电结面积大。 （3）基区掺杂浓度很低，且很薄。,3、三极管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）：,平面型晶体管的结构示意图,发射区,基区,集电区,2.1.2 三极管工作原理（以NPN型管为例）,三极管放大的外部条件： 发射结正向偏置 集电结反向偏置,原理图,电路图,三极管的电流分配关系动画演

3、示,a. 发射区向基区扩散电子形成发射极电流IE,b. 向发射区扩散到基区的电子和基区的空穴 复合形成基极电流IB,c. 集电区收集从发射区扩散过来的电子形成 发射极电流IC,d.集电区、基区少子相互漂移形成反向饱和 电流ICBO,三极管内部电流形成过程：,发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。,定义,基极是两个回路的公共端，称这种接法为共基极接法。,称为共基极直流电流放大系数,输入回路,输出回路,各电极电流之间的关系,IE=IC+IB,晶体管共射极接法,原理图,电路图,定义,为三极管共射极直流电流放大系数,各电极电流之间的关系,ICEO称为穿透电流,得,或,共基极交流电流放大系数,共射

4、极交流电流放大系数,定义,与的关系,一般可以认为：,结论：在RC两端有一个较大的交流分量可供输出。,ui ibicicRc,交流信号的传递过程,(2) 放大原理,设输入信号ui=UimSint V,2.1.3 半导体三极管共射极接法的伏安特性曲线,1共射极输入特性,共射极输入特性,三极管共射极接法,2共射极输出特性,输出特性曲线,饱和区,截止区,放大区,各区的特点：,（1）饱和区,UCEUBE 发射结正偏，集电结正偏,b. ICIB IB失去了对IC的控制,c. UCE增大， IC 增大,饱和区,d.饱和电压降UCES较小,（3） 截止区,IB0 发射结反偏或零偏,（2） 放大区,UCEUBE

5、 发射结正偏，集电结反偏,b. IC=IB,c. IC与UCE无关,饱和区,放大区,截止区,b. IC=ICEO 0,NPN管与PNP型管的区别,iB、uBE、iC、 iE 、uCE的极性二者相反,硅管与锗型管的区别,（3） 锗管的ICBO比硅管大,2.1.4 半导体三极管的主要电参数,1. 直流参数,（3）发射极开路，集电极基极间反向饱和电流ICBO,（1）共基极直流电流放大系数,（2）共射极直流电流放大系数,（4）发射极开路，集电极发射极间反向饱和电流ICEO,2. 交流参数,（1）共基极交流电流放大系数,值与iC的关系曲线,3. 极限参数,(4) 集电极最大允许电流ICM,(1) 集电极

6、开路时发射极基极间反向击穿电压U（BR）EBO,(2) 发射极开路时集电极基极间反向击穿电压U（BR）CBO,(3) 基极开路时集电极发射极间反向击穿电压U（BR）CEO,U (BR)CEO,ICM,PCM,不安全区,安全区,(5) 集电极最大允许功率耗散PCM,晶体管的安工作全区,等功耗线PC=PCM =uCEiC,2.1.5 温度对管子参数的影响,1对的影响,2对ICBO的影响,3对UBE的影响,4温度升高，管子的死区电压降低。,小结： 三极管分NPN管和PNP管 三极管的工作状态分为放大、饱和、截止三种状态 三极管放大的条件是：发射结正偏，集电结反偏 三极管是一种电流控制电流型器件：IC

7、=IB,思 考 题,2.如何用万用表判别晶体管的类型和电极？,3. 为什么晶体管基区掺杂浓度小而且做的很薄？,1. 晶体管的发射极和集电极是否可以调换使用？,4. 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数和在放大区工作时是否一样大？,2.2 共射极放大电路的组成和工作原理,2.2.1 放大电路概述,1放大电路的用途 :把微弱的电信号不失真地放大到负载所需的数值。,应用举例,2放大电路的主要性能指标,放大器性能指标测量原理方框图,功率放大倍数Ap,(2) 输入电阻Ri,Ri越大，Ui也越大， UO也就越大。,a. 由于,b. Ri越大，输入电流ii越小，信号源的负载越小。,(3) 输出

8、电阻Ro,定义：,测量电路,即 Ro越小，输出电压越稳定，电路带载能力越强。,由于,测量Ro的一种方法,带负载时的输出电压,负载开路时的输出电压,(4) 全谐波失真度D,(5) 动态范围Uo p-p,也称为最大不失真输出电压。,即谐波电压总有效值与基波电压有效值之比,使输出电压uo的非线性失真度达到某一规定数值时的uo的峰峰值。,(6) 频带宽度fBW,相频特性,2.2.2 共射极放大电路的组成及其工作原理,1. 共射极放大电路的组成,各元器件的名称：,T 放大器件,耦合电容,C1、 C2,RB 基极偏置电阻,RC 集电极功耗电阻,隔离放大电路对信号源和负载的直流影响。,沟通信号源、放大电路、

9、负载之间的信号传递通道。,各元器件的作用：,1、三极管T:放大电路的核心器件，起放大电路,2、耦合电容C1C2,3、VCC,为T提供Jc反偏电压UCE及集电极电流IC,为T提供Je正偏电压UBE，提供基极偏置电流,为电路提供能量,4、RC 转换集电极电流信号为电压信号, 实现电压放大,放大电路的两种工作状态：,静态 当输入信号为零时电路的工作状态。,静态时放大电路只有直流分量。,动态有输入信号时电路的工作状态。,动态时电路中的信号为交直流混合信号。,注：不同书写体字母的含义,UBEIB 大写字母，大写下标，表示直流量。,ube小写字母，小写下标，表示交流瞬时值。,uBE小写字母，大写下标，表示

10、交、直混合量。,Ube大写字母，小写下标，表示交流分量有效值。,信号的传递过程,思 考 题,1、通常希望放大电路的输入电阻高一些好，还是低一些好？对输出电阻呢？放大电路的带负载能力是指什么? 2、如何用PNP管构成共射极放大电路？,2.3 放大电路的静态分析,静态分析就是通过放大电路的直流通路求解静态工作点值IBQ、ICQ、UCEQ。,直流通路,2.3.1 图解法在放大电路静态分析中的应用,1输入回路,列写输入回路方程,VCC=iBRB+uBE,求解静态工作点的常用方法,直流负载线与三极管输入特性曲线的交点，即为放大电路的输入静态工作点Qi。,在iB、 uBE坐标系上是一条直线,称为输入回路的

11、直流负载线,三极管输入特性曲线,直流负载线,2输出回路,VCC=iCRC+uCE,输出回路方程,称为输出回路的直流负载线,直流负载线,输出特性曲线,直流负载线与晶体管输出特性曲线的交点，即为放大电路的输入静态工作点Qo。,在iC、 uCE坐标系上是一条直线,2.3.2 估算法在放大电路静态分析中的应用,UCEQ=VCCICQRC,式中，|UBEQ |硅管可取为0.7V，锗管0.3V,由输入回路方程,VCC=iBRB+uBE,得,在静态分析基础上，分析电路中的交流分量之间关系。主要求Au、Ri、Ro及Uopp等参数。,2.4 放大电路的动态分析,图解法,微变等效电路法,1当RL=时,在输入回路,

12、uBE=UBE+ui,2.4.1 图解法在放大电路动态分析中的应用,基本共射极放大电路的波形分析动画演示,已知输入信号,小结：,输出信号波形,输出电压uo与输入电压ui相位相反,（忽略 UCES和ICBO）,放大电路的动态范围,a. 如果UCEQ=ICQRC=VCC/2,iB波形,输出波形,=2ICRC,Uopp=2UCEQ,=VCC,0,t,0,M,N,b. 如果UCEQICQRC,iB波形,输出波形,Uopp=2UCEQ,uo1,uo2,uo3,0,t,0,M,N,C. 如果UCEQICQRC,iB波形,输出波形,Uopp=2ICRC,uo1,uo2,uo3,0,t,0,M,N,结论:,(

13、2) 共射极放大电路的uo与ui的相位相反。,(3) ui的幅度过大或静态工作点不合适 ，将使工作点进入非线性区而产生非线性失真（饱和失真、截止失真）。,(4) 放大电路信号,iB=IB+ib,uBE=UBE+ui,iC=IC+ic,uCE=UCE+uce,(1),(5) 动态范围(忽略ICEO和UCES),(a) Qo点在负载线的中点,UCEQ=ICQRC =VCC/2,Uo pp=2ICQRC,(b) Qo点在负载线中点下方,UCEQICQRC,(c) Qo点在负载线中点上方,(6) 非线性失真的特点：,Uopp=2min UCEQ， ICQRC,UCEQICQRC,饱和失真：输出电压波形

14、的下半部被削平。,截止失真：输出电压波形的上半部被削平。,(d) Uopp的一般表示式,2当RL时,（1）放大电路的交流通路,耦合电容短路,直流电压源短路,交流通路,RL RC/RL,由放大电路的交流通路可知,式中,由于,故,（2） 交流负载线,式中,该直线称为放大电路的交流负载线。,在uCE和iC的坐标中，也表示一条直线,式,交流负载线及放大电路波形分析,交流负载线的特点:,电路的工作点沿交流负载线移动。,斜率为1/RL,经过静态工作点Q,与横轴的交点为UCEQ+ICQ RL,动态范围,(a) 比电路空载时小。,(b),(c) 当考虑UCES时,（2）作图烦琐，Ui很小时难以作图。,图解法的

15、特点,（1）便于观察。,（3）放大电路一些性能指标无法由图解法求得。,2.4.2 微变等效电路法在放大电路动态分析中的应用,1晶体管的H参数微变等效电路,（1） 晶体管线性化的条件：,电路工作在小信号状态。,a. iB与 uBE 之间具有线性关系,b. 值恒定,（2）晶体管可线性化的主要依据：,晶体管共射极接法线性化原理,晶体管,等效图,晶体管线性等效电路的H参数描述,式中,晶体管的微变等效电路,称为晶体管的输入电阻,其中rbb称为晶体管的基极体电阻。,(2) hre反向传输电压比,电流放大系数,(1),(3),(4),称为晶体管共射极 输出电导,hre、hoe一般比较小，可忽略不计,晶体管微

16、变等效简化电路,三极管H参数等效电路使用注意事项： 1、适用于输入为交流小信号的情况 2、ib是受控源，大小和方向都受控制,问题：PNP管的H参数等效电路如何画？,2微变等效电路法在放大电路动态分析中的应用,（1）画出放大电路的交流通路,（2）放大电路的微变等效电路,（3） 放大电路的主要性能指标的计算,a. 电压放大倍数,式中,uo与ui相位相反,通常,Ri,b. 输入电阻Ri,c. 输出电阻Ro,由定义：,画出求输出电阻的等效电路,求输出电阻的等效电路,由图可知,故,ib=0,在图示电路中，已知：VCC=12V， RC=2k，RB=360k；晶体管T为锗管，其 =60，rbb=300；C1

17、=C2=10F，RL=2k。试求：,例,(a) 晶体管的IBQ，ICQ 及UCEQ；,(b) 放大电路的Au，Ri，Ro及Uo pp。,解略,1. 晶体管用微变等效电路来代替，条件时什么？ 2. 电压放大倍数Au是不是与 成正比？ 3. 为什么说当一定时通过增大IE来提高电压放大倍数是有限制的？试从IC和rbe两方面来说明。 4. 能否增大RC来提高放大电路的电压放大倍数？当RC过大时对放大电路的工作有何影响？设IB不变。,5. Rbe、rce、 Ri、 Ro是交流电阻，还是直流电阻？在Ro中包括不包括负载电阻RL？ 6. 如果输出波形失真，静态工作点不合适吗？,思 考 题,2.5 静态工作点

18、的选择和稳定,2.5.1 选择静态工作点Q应该考虑的几个主要问题,1. 安全性,2. 动态范围,Q应该在安全区，且应该在安全区中的放大区。,为了获得尽可能大的动态范围， Q应该设置在交流负载线的中间。,3. 电压放大倍数Au,当d/diC 0时,| ICQ |增大,4. 输入电阻Ri,由于Ri rbe,当| ICQ |增大,5. 功耗和噪声,2.5.2 静态工作点的稳定,1引起Q点不稳定的原因,（1）温度对Q点的影 响,a. 温度升高，增大,b. 温度升高， ICBQ增大,减小电流|ICQ|，可以降低电路的功耗和噪声。,c. 温度升高， |UBE|减小,（2）老化,（3）其他方面,b.影响Q点

19、不稳定的主要 因素是温度,管子长期使用后，参数会发生变化，影响Q点。,电路中电源电压波动、元件参数的变化等都会影响Q点。,小结：,a. Q点是影响电路性能的主要因素,2稳定静态工作点的途径,(1) 从元件入手。,a. 选择温度性能好的元件,b. 经过一定的工艺处理以稳定元件的参数，防止元件老化。,(2) 从环境入手,采用恒温措施。,引入负反馈,采用温度补偿,2.5.3 负反馈在静态工作点稳定中的应用,（1） 电路组成,I IBQ,故基极电位,UBQ UBEQ,（2） Q点稳定的条件,直流通路,稳定Q点的机理,这种作用称为直流电流负反馈。,小结：,稳定Q的机理是：,电路将输出电流IC在RE上的压

20、降返送到输入回路，产生了抑制IC改变的作用，使IC基本不变。,电容CE的作用：,a. 对于交流信号满足,b. 交流信号对地短路，使RE只对直流信号有反馈，而对交流信号无反馈。,电容CE称为旁路电容。,例1 在图示电路中，RB1=39k，RB2=10k，RC=2.7k，RE=1k，RL=5.1k，C1=C2=10F，Ce=47F，VCC=15V，晶体管T的 =100、rbb=300、UBEQ=0.7V 。试求：,(1) ICEQ、UCEQ,(2) Au、R i、Ro的值。,解略,例2 图示电路的参数均与例1相同。试求：,(1) 放大电路的Q。,（2）放大电路的Au、R i、Ro。,解,略,1.

21、静态工作点不稳定对放大电路有何影响？ 2. 对于分压式偏置电路，为什么只要满足I2IB和VBUBE两个条件，静态工作点才能基本稳定？ 3. 对于分压式偏置电路，当更换晶体管时，对放大电路的静态值有无影响？试说明之。 4. 在实际中调整分压式偏置电路的静态工作点时，应调节哪个元件的参数比较方便？接上发射极电阻的旁路电容CE后是否影响静态工作点？,思 考 题,2.6 共集电极和共基极放大电路,2.6.1 共集电极放大电路,1. 电路组成,电路从发射极与“地”之间输出信号，所以又称为射极输出器。,2. 静态分析,画出放大电路的直流通路。,UCEQ = VCCIEQRE,（1） 估算法,直流通路,由图可得,（2）戴维南等效电路法,等效电路,等效电路中,RB = RB1/RB2,UCEQ=VCCIEQREVCCICQRE,由图可得,2动态分析,交流通路,（1）画交流通路,交流通路,输入回路,输出回路,共集电极电路,另一种画法,（2） 画微变等效电路,微变等效电路,图中,（3） 动态性能分析,a. 电压放大倍数,由图可知,由于,无电压放大能力,b. 电流放大倍数,和 同一数量级,和 同一数量级,即射极输出器有电流放大能力和功率放大能力,整理上式得,Ri = RB/Ri= RB1/RB2 /rbe+(1+)RL,c. 输入电阻,由于,故,Ri