第4章双极型晶体管(new)

1、第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 41 双极型晶体管双极型晶体管 42 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路 43 放大器的组成及其性能指标放大器的组成及其性能指标 44 放大器图解分析法放大器图解分析法 45 放大器的交流等效电路分析法放大器的交流等效电路分析法 46 共集电极放大器和共基极放大器共集电极放大器和共基极放大器 47 放大器的级联放大器的级联 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 41 双极型晶体管双极型晶体管 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成

2、的器件。它有三 个电极，所以又称为半导体、晶体三极管等，以后我们统称 为晶体管。参与导电的有电子和空穴两种载流子，所以称双 极型。 三极管学习按二极管的规律：结构、工作原理、特性曲 线、主要参数和应用电路。 重点内容：一、二、三、四、五。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 1、制造：、制造： N型硅片氧化膜上光刻一个窗口，进行硼杂质扩 散，获得P型基区，氧化后再在P型半导体光刻一个窗口， 进行高浓度磷杂质扩散，获得N型发射区， N型衬底为集 电区。 N衬底 N型外延 P N c eb SiO2 绝缘层 集电结 基区 发射区 发射结 集电区 411 三极管的结构 第第

3、4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图41晶体管的结构与符号 (a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图 NPN NPN 型型 PNP PNP 型型E E C C B B E E C C B B N N N N P P 发射极发射极 E E 基极基极 B B 集电极集电极 C C 发射结发射结 集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区 e emittermitter b basease c collectorollector P P P P N N E E B B C C 2、晶体管的原理结构如图41所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质 半导

4、体是N型-P型-N型结构，所以称为NPN管。 3、制作特点（三极管构成的 内部条件）： 发射区比集电区掺杂浓度高； 集电区比发射区面积大，且集 电区掺杂浓度低于发射区； 基区很薄（零点几到几微米）， 且掺杂浓度最低； 发射区和集电区不对称。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 分类分类： 按材料分：按材料分： 硅管、锗管硅管、锗管 按功率分：按功率分： 小功率管小功率管 1 1 W W 中功率管中功率管 0.5 0.5 1 W1 W 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 412 工作原理工作原理 二极管两端加不同电压会产生不同电流（正向导通，反

5、 向截止）。晶体三极管也是，当晶体管处在发射结正偏、集 电结反偏的放大状态下，三极管才能具有正常的控制作用， 各个电极才能发挥作用。 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。管内载流子的运动情况可用图4-2说明。 我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图42晶体管内载流子的运动和各极电流 N 电子 注入 IEn IEp P 扩散 复合 收集 N IBnICBO IB 空穴注入 IE EE IC EC 少子漂移 Icn 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 一、发射区向基区注入电

6、子一、发射区向基区注入电子 由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这 时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电 子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入， 形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区是重掺杂， 基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，所以满足IEP IEN ，可忽略不计。因此，发射极电流IEIEN，其方 向与电子注入方向相反。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、电子在基区中边扩散边复合二、电子在基区中边扩散边复合 注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在e 结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子 浓度近似为零)。

7、因此，在基区中形成了非平衡电子的 浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续 向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的 空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很 薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝 大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的 空穴由基极电源提供，形成基区复合电流IBN，它是基 极电流IB的主要部分。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、扩散到集电结的电子被集电区收集三、扩散到集电结的电子被集电区收集 由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因 而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集 电区，形成集电区的收

8、集电流ICN。该电流是构成集电 极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c 结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流 ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC 、IB的另一部 分电流。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 四、电流分配关系四、电流分配关系 由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内 部载流子传输形成的电流之间有如下关系： CBOCNC CBOBNB CNBNENE III III IIII (41a) (41b) (41c) 集电区面积大，且掺杂浓度低集电区面积大，且掺杂浓度低 三极管放大的条件三极管放大的条件 内部内部 条件条件 发

9、射区掺杂浓度最高发射区掺杂浓度最高 基区薄且掺杂浓度最低基区薄且掺杂浓度最低 外部外部 条件条件 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 式(41)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶 体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非 平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关 系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好 后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系， 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为 定量分析晶体管电路提供方便。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 为了反映扩散到

10、集电区的电流ICN与基区复合电流 IBN之间的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数 为 CBOB CBOC BN CN II II I I (42) 其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集电区去。 值一般在20200 之间。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 确定了 值之后，由式(41)、(42)可得 CEB CEOBCBOBE CEOBCBOBC III IIIII IIIII )1 ()1 ()1 ( )1 ( (43a) (43b) (43c) 式中： CBOCEO II)1 (44) 称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有 BE B

11、C II II )1 ( (45a) (45b) 式(45)是今后电路分析中常用的关系式。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流 IEN的比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为 E CBOC EN CN I II I I (46) 显然， 1，一般约为0.970.99。 由式(46)、(41)，不难求得 BCE ECBOEB ECBOEC III IIII IIII )1 ()1 ( (47a) (47c) (47b) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 由于 , 都是反映晶体管基区扩散与复合的

12、 比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必 有内在联系。由 , 的定义可得 1 1 BNBN BN CNEN CN EN CN EE E CNE CN EN CN II I II I I I II I II I I I (48) (49) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 RL ec b 1k 共基极放大电路共基极放大电路 413 晶体管的放大作用晶体管的放大作用 若若 vI = 20mV使使当 则则 电压放大倍数电压放大倍数49 20mV V98. 0 I O V v v A VEE VCC VEB IB IEIC + - vI + vEB vO + - +

13、 iC+ iE + iB iE = -1 mA， iC = iE = -0.98 mA， vO = - iC RL = 0.98 V， = 0.98 时，时， 动画（三极管的电流放大作用）动画（三极管的电流放大作用） 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 + - b c e RL 1k 共射极放大电路 共射极放大电路共射极放大电路 VBB VCC VBE IB IE IC + - vI +vBE vO + - +iC +iE +iB vI = 20mV 设设 若若 则则 电压放大倍数电压放大倍数49 20mV V98. 0 I O V v v A iB = 20 uA

14、vO = - iC RL = -0.98 V， = 0.98 mA98. 0 1 B BC i ii 使使 共射极连接方式共射极连接方式 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 414晶体管伏安特性曲线晶体管伏安特性曲线 晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极 间电压关系的曲线，它对于了解晶体管的导电特性非 常有用。晶体管有三个电极，通常用其中两个分别作 输入、输出端，第三个作公共端，这样可以构成输入 和输出两个回路。实际中，有图43所示的三种基本接 法(组态)，分别称为共发射极、共集电极和共基极接法。 其中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论 共发射极伏安特性

15、曲线。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (a) ce iEiC b (b) c e b iB iC (c) 输出 回路 输入 回路 e c b iB iE 图43晶体管的三种基本接法 (a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 因为有两个回路，所以晶体管特性曲线包括输入 和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性 图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图44电路逐 点测出。 一、共发射极输入特性曲线、共发射极输入特性曲线 测量电路见图44。共射输入特性曲线是以uCE为参 变量时，iB与uBE间的关系

16、曲线，即 典型的共发射极输入特性曲线如图45所示。 常数 CE uBEB ufi)( 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 A mA V V iB iC UCC UBB RC RB uBE uCE 图44共发射极特性曲线测量电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 iB/A uBE/V 0 60 90 0.50.70.9 30 UCE0 UCE1 图45 共发射极输入特性曲线 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (1)在uCE1V的条件下，当uBE UBE(on)时，随着uBE的增大，iB开始按指数规律 增加，而后近似

17、按直线上升。 (2)当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管， 所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左 移，见图45。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (3)当uCE在01V之间时，随着uCE的增加，曲线右 移。特别在0 uCE UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区 时，移动量会更大些。 (4)当uBE0时，晶体管截止，iB为反向电流。若反 向电压超过某一值时，e结也会发生反向击穿。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、共发射极输出特性曲线二、共发射极输出特性曲线 测量电路如图44所示。共射输出特性曲线是以 i

18、B为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即 常数 B iCEC ufi)( 典型的共射输出特性曲线如图46所示。由图可见，输 出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分 别讨论如下。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 3 BJT的三个工作区的三个工作区 B CCE () i if v 常数 iC / mA vCE /V 50 A 40 A 30 A 20 A 10 A IB = 0 O 2 4 6 8 4 3 2 1 截止区截止区 ICEO 1.截止区：截止区： IB 0 ; IC = ICEO 0 条件：条件：两个结反偏两个结反偏 放大区放大区 2. 放大

19、区：放大区： CEOBC III 条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔 饱饱 和和 区区 3. 饱和区：饱和区：vCE v BE vCB = vCE v BE 0 条件：条件：两个结正偏两个结正偏 特点：特点：IC IB 临界饱和时：临界饱和时：vCE = vBE 深度饱和时：深度饱和时： 0.3 V ( (硅管硅管) ) VCES= = 0.1 V ( (锗管锗管) ) 饱和区特点：饱和区特点： iC不再随不再随iB的增加而线性增加，即的增加而线性增加，即 BC ii 此时此时 CB ii vCE= VCES ，典型值为，典型值为0.3

20、V 当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。 截止区特点：截止区特点：iB=0， iC= ICEO 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 uCE/V51015 0 1 2 3 4 饱 和 区 截止区 IB40A 30A 20A 10A 0A iBICBO 放 大 区 iC/mA uCEuBE 图46 共射输出特性曲线 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用， 即iB有很小的变化量IB时， iC就会有很大的变化量IC。 为此，用共发射极交流电流放

21、大系数来表示这种控制 能力。定义为 常数 E u B C I I (410) 反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。 1放大区放大区 e结为正偏，c结为反偏的工作区域为放大区。由图46 可以看出，在放大区有以下两个特点： 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (2) uCE变化对IC的影响很小。在特性曲线上表现为， iB一定而uCE增大时，曲线略有上翘(iC略有增大)。这是 因为uCE增大，c结反向电压增大，使c结展宽，所以有 效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会 减少，即iB要减小。而要保持iB不变，所以iC将略有增 大。这种现象称为基区宽度调制效应，

22、或简称基调效 应。从另一方面看，由于基调效应很微弱， uCE在很大 范围内变化时IC基本不变。因此，当IB一定时，集电极 电流具有恒流特性。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 2饱和区饱和区 e结和c结均处于正偏的区域为饱和 区。通常把uCE=uBE(即c结零偏)的情况称为 临界饱和，对应点的轨迹为临界饱和线。 3 截止区截止区 发射结和集电结都反向偏置。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、温度对晶体管特性曲线的影响三、温度对晶体管特性曲线的影响 温度对晶体管的uBE、ICBO和有不容忽视的影响。 其中， uBE 、 ICBO随温度变

23、化的规律与PN结相同，即 温度每升高1， uBE减小22.5mV；温度每升高10， ICBO增大一倍。温度对的影响表现为，随温度的升高 而增大，变化规律是：温度每升高1，值增大 0.5%1%(即/T(0.51)%/)。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 1 1、电流放大系数、电流放大系数 共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数 iC / mA vCE /V 50 A 40 A 30 A 20 A 10 A IB = 0 O 2 4 6 8 4 3 2 1 直流电流放大系数直流电流放大系数 B C CBOB CBOC BN CN I I II II I I 交流电流

24、放大系数交流电流放大系数 B i iC 一般为几十一般为几十 几百几百 Q 82 A1030 A1045. 2 6 3 80 10 8 . 0 A1010 A10)65. 145. 2( 6 3 C i B i 415晶体管的主要参数晶体管的主要参数 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 2、共基极直流电流放大系数、共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数和交流电流放大系数 由式(46)定义，而定义为，uCB为常数时，集 电极电流变化量IC与发射极电流变化量IE之比，即 常数 B u E C I I (411) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大

25、电路 由于ICBO、ICEO都很小，在数值上 , 。所以在以后的计算中，不再加以区分。 应当指出，值与测量条件有关。一般来说，在iC 很大或很小时，值较小。只有在iC不大、不小的中间 值范围内，值才比较大，且基本不随iC而变化。因此， 在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率管更 应强调这一点。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、极间反向电流二、极间反向电流 1、ICBO ICBO指发射极开路时，集电极基极间的反向电 流，称为集电极反向饱和电流。 2 、 ICEO ICEO指基极开路时，集电极发射极间的反向电 流，称为集电极穿透电流。 3 、 IEBO IEB

26、O指集电极开路时，发射极基极间的反向电 流。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、结电容三、结电容 结电容包括发射结电容Ce(或Cbe)和集电结电容 Cc(或Cbe)。结电容影响晶体管的频率特性。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 四、晶体管的极限参数四、晶体管的极限参数 1 、击穿电压、击穿电压 U(BR)CBO指发射极开路时，集电极基极间的反向 击穿电压。 U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的反向 击穿电压。U(BR)CEOICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减 小。因此，晶体管线性运用时， iC不应超过ICM 。

27、第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 3 、集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管工作在放大状态时，c结承受着较高的反向 电压，同时流过较大的电流。因此，在c结上要消耗一 定的功率，从而导致c结发热，结温升高。当结温过高 时，管子的性能下降，甚至会烧坏管子，因此需要规 定一个功耗限额。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环境温度 等因素有关。一个管子的PCM如已确定，则由 PCM =ICUCE可知， PCM在输出特性上为一条IC与UCE乘 积为定值PCM的双曲线，称为PCM功耗线，如图

28、47所示。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 uCE 工作区 iC 0 安全 ICM U(BR)CEO PCM 图47 晶体管的安全工作区 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 42 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路 由晶体管的伏安特性曲线可知，晶体管是一种复 杂的非线性器件。在直流工作时，其非线性主要表现 为三种截然不同的工作状态，即放大、截止和饱和。 在实际应用中，根据实现的功能不同，可通过外电路 将晶体管偏置在某一规定状态。因此，在晶体管应用 电路分析中，一个首要问题，便是晶体管工作状态分 析以及直流电路计算。

29、第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 421晶体管的直流模型晶体管的直流模型 在通常情况下，由外电路偏置的晶体管，其各极 直流电流和极间直流电压将对应于伏安特性曲线上一 个点的坐标，这个点称为直流(或静态)工作点，简称Q 点。在直流工作时，可将晶体管输入、输出特性曲线 (见图44、图46)分别用图4-8(a)和(b)所示的折线近似， 这样直流工作点(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)必然位于该曲线 的直线段上。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 uBE0uCE iC 0 iB (a) UBE(on)UCE(sat) IB 0 (b) 图

30、48晶体管伏安特性曲线的折线近似 (a)输入特性近似； (b)输出特性近似 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 由图48可知，当外电路使UBEUBE(on)(对硅管约为 0.7V，锗管约为0.2V)时，IB=0，IC=0，即晶体管截止。 此时，相当于b,e极间和c,e极间均开路，相应的直流等 效模型如图49(a)所示。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (a) e bc (b) e bc I B IB UBE(on) (c) e bc UBE(on)UCE(sat) 图49晶体管三种状态的直流模型 (a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(

31、c)饱和状态模型 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 例例1 晶体管电路如图410(a)所示。若已知晶体管工 作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ,ICQ和UCEQ。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 ICQ UCEQ 270k RB UBB6V IBQ UCC 12V RC3k (a) 图410晶体管直流电路分析 (a)电路； (b)直流等效电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图410晶体管直流电路分析 (a)电路； (b)直流等效电路 e RB (b) UBE(on) b IBQ I BQ c I

32、CQ UCC RC UCEQ 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 解解 因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体 管可以工作在放大状态。这时用图49(b)的模型代替晶 体管，便得到图4-10(b)所示的直流等效电路。由图可 知 )(onBEBBQBB URIU VRIUU mII m R UU I CCQCCCEQ BQCQ B onBEBB BQ 63212 202. 0100 02. 0 270 7 . 06 )( 故有 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 422晶体管工作状态分析晶体管工作状态分析 将晶体管接入直流电路，在通常情

33、况下，围绕晶 体管可将电路化为图411(a)所示的一般形式。 由图可知，若UBBUEE+UBE(on),且UBB UEE+UBE(on)，则晶体管导通。现假定为放大 导通，利用图49(b)的模型可得该电路的直流等效电路 如图411(b)所示。由图可得 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE )( )1 ( )( ECCQEECCCEQ EQBQCQ EB OnBEEEBB BQ RRIUUU III RR UUU I (412a) (412b) (412c) 借助式(412)的结果，现在可对电路中的晶体 管是处于放大还是饱和作出判别。 第第4章章 双极型晶体管

34、及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 RB UBB RC UCC UEE RE UBE(on) (b) I B 图411晶体管直流分析的一般性电路 (a)电路；(b)放大状态下的等效电路；(c)饱和状态下的等效电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图411晶体管直流分析的一般性电路 (a)电路；(b)放大状态下的等效电路；(c)饱和状态下的等效电路 RB UBB RC UCC UEE RE UBE(on) (c) UCE(sat) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 例例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图 4-12(a),(b)所示

35、。已知=50，试求ui作用下输出电压uo 的值，并画出波形图。 R3 3k UCC 5V RB 39k ui uo (a) 图412例题2电路及ui,uo波形图 (a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图412例题2电路及ui,uo波形图 (a)电路；(b) ui波形图；(c) uo波形图 0 3 (b) t ui/V 0 5 (c) t uo/V 0.3 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 解解当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时， ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui =

36、3V时，晶体管导通且有 m I mI m R UU I m R Uu I satC BQ C onBECC satC B onBEi BQ 028. 0 50 4 . 1 06. 0 4 . 1 3 7 . 05 06. 0 39 7 . 03 )( )( )( )( 而集电极临界饱和电流为 因为 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 所以晶体管处于饱和。此时，ICQ=IC(sat)=1.4mA， 而uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。根据上述分析结果画出的uo 波形如图412(c)所示。 通过本例题可以看出，在实际电路分析中，由于 晶体管的直流模型很简单，一旦

37、其工作状态确定，则 直流等效电路可不必画出，而等效的涵义将在计算式 中反映出来。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 423 放大状态下的偏置电路放大状态下的偏置电路 晶体管在放大应用时，要求外电路将晶体管偏置 在放大区，而且在信号的变化范围内，管子始终工作 在放大状态。此时，对偏置电路的要求是：电路形 式要简单。例如采用一路电源，尽可能少用电阻等； 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力 求保持稳定；对信号的传输损耗应尽可能小。下面 将介绍几种常用的偏置电路。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 一、固定偏流电路一、固定偏流电路 电路

38、如图413所示。由图可知，UCC通过RB使e结 正偏， 则基极偏流为 B onBECC BQ R UU I )( (414a) 只要合理选择RB,RC的阻值，晶体管将处于放大状态。 此时 CCQCCCEQ BQCQ RIUU II (414b) (414c) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 RB UCC RC 图413固定偏流电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 这种偏置电路虽然简单，但主要缺点是工作点的 稳定性差。由式(414)可知，当温度变化或更换管子引 起,ICBO改变时，由于外电路将IBQ固定，所以管子参数 的改变都将集中反映

39、到ICQ,UCEQ的变化上。结果会造成 工作点较大的漂移，甚至使管子进入饱和或截止状态。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、电流负反馈型偏置电路二、电流负反馈型偏置电路 使工作点稳定的基本原理，是在电路中引入自动 调节机制，用IB的相反变化去自动抑制IC的变化，从而 使ICQ稳定。这种机制通常称为负反馈。实现方法是在 管子的发射极串接电阻RE，见图414。由图可知，不 管何种原因，如果使ICQ有增大趋向时，电路会产生如 下自我调节过程： ICQIEQ UEQ(=IEQRE) ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双

40、极型晶体管及其放大电路 RB UCC RC RE 图414 电流负反馈型偏置电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 结果，因IBQ的减小而阻止了ICQ的增大；反之亦然。 可见，通过RE对ICQ的取样和调节，实现了工作点的稳 定。显然， RE的阻值越大，调节作用越强，则工作点 越稳定。但RE过大时，因UCEQ过小会使Q点靠近饱和区。 因此，要二者兼顾，合理选择RE的阻值。 该电路与图411(a)电路相比，差别仅在于此时 UEE=0,UBB=UCC。参照式(412)，可得工作点的计算式 为 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 )( )1 ( )

41、( ECCQCCCEQ BQCQ EB onBECC BQ RRIUU II RR UU I (415a) (415b) (415c) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、分压式偏置电路三、分压式偏置电路 分压式偏置电路如图415(a)所示，它是电流负反 馈型偏置电路的改进电路。由图可知，通过增加一个 电阻RB2，可将基极电位UB固定。这样由ICQ引起的UE 变化就是UBE的变化，因而增强了UBE对ICQ的调节作用， 有利于Q点的近一步稳定。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 RB1 UCC RC RE (a) RB2 图415分压式偏

42、置电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 为确保UB固定，应满足流过RB1、RB2的电流I1IBQ， 这就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1 、 RB2过 小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通 常选取 1 I 锗管） 硅管） ()2010( ()105( BQ BQ I I 并兼顾RE和UCEQ而取 CCB UU) 3 1 5 1 ( (416a) (416a) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 )( 1 21 1 ecCQCCCEQ EQ BQ CQ e E EQ BEBE CC bb b B RRIUU I I

43、 I R U I UUU U RR R U 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 例例3 电路如图415(a)所示。已知 =100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计 算工作点ICQ和UCEQ。 解解 VRRIUU mA R UU I VU RR R U ECCQCCCEQ E onBEBB CQ CC BB B BB 4)22(212)( 2 2 7 . 07 . 4 7 . 412 2539 25 )( 21 2 uA I I CQ BQ 20 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 若按估算法直接求ICQ，

44、 mA R UU I E onBEBB CQ 2 2 7 . 07 . 4 )( 显然两者误差很小。因此，在今后分析中可按估算 法来求工作点。 与上述稳定Q点的原理相类似，实际中还可采用电 压负反馈型偏置电路。除此之外，在集成电路中，还广 泛采用恒流源作偏置电路，即用恒流源直接设定ICQ。有 关恒流源问题将在第六章详细讨论。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 43放大器的组成及其性能指标放大器的组成及其性能指标 晶体管的一个基本应用就是构成放大器。所谓放 大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、 由弱变强。因此，放大器在电子技术中有着广泛的应 用，是现代通信、

45、自动控制、电子测量、生物电子等 设备中不可缺少的组成部分。放大器涉及的问题很多， 这些问题将在后续章节中逐一讨论。本节主要说明小 信号放大器的组成原理，简要介绍放大器的性能指标， 然后给出其二端口网络的一般模型。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 431基本放大器的组成原则基本放大器的组成原则 基本放大器通常是指由一个晶体管构成的单级放 大器。根据输入、输出回路公共端所接的电极不同， 实际有共射极、共集电极和共基极三种基本(组态)放大 器。下面以最常用的共射电路为例来说明放大器的一 般组成原理。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 组成放大

46、电路时，必须遵循以下几个原则：组成放大电路时，必须遵循以下几个原则： 1 1给所选用的放大管提供直流电源，以作为电路输出给所选用的放大管提供直流电源，以作为电路输出 能源和设置合适的静态工作点。能源和设置合适的静态工作点。 2 2电源的极性和大小应使电源的极性和大小应使BJTBJT基极与发射极之间处于正基极与发射极之间处于正 向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置；即保证向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置；即保证BJTBJT工工 作在放大区。作在放大区。 3 3电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静 态工作电流。态工作电流。 4 4输入信号

47、必须能够作用于放大管的输入回路。输入输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。输入 信号必须能够改变基极与发射极之间的电压，产生信号必须能够改变基极与发射极之间的电压，产生 vBE BE， ， 或改变基极电流，产生或改变基极电流，产生 iB B（或（或 iE E）。）。 5 5当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电 流流 iC C能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多 的信号电流或信号电压。的信号电流或信号电压。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 电路组成 习惯画法

48、习惯画法 基本组成如下：基本组成如下： 三三 极极 管管T T 负载电阻负载电阻R Rc c 、 、R RL L 偏置电路偏置电路V VCC CC 、 、R Rb b 耦合电容耦合电容C Cb1 b1 、 、C Cb2 b2 起放大作用。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。 + + + + vORb 300K Rc 4K VBB Vcc 12V Cb1 Cb2 vI 为什么要为什么要 设置静态设置静态 工作点？工作点？ 输入耦合电容输入耦合电容C C1 1保证信号加到发射结，保证信号加到发射结， 不影响发射结偏置。输出耦合电容不影响发射结偏置

49、。输出耦合电容C C2 2 保证信号输送到负载，不影响集电结保证信号输送到负载，不影响集电结 偏置。偏置。耦合电容：电解电容，有极性，耦合电容：电解电容，有极性， 大小为大小为1010 F F5050 F F。 动画（静态工作点）动画（静态工作点） 放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极 管工作在线性区，以保证信号几乎不失真的放大。管工作在线性区，以保证信号几乎不失真的放大。 放大作用实际上是放大器件的控制 放大作用实际上是放大器件的控制 作用，放大器是一种能量控制部件。同作用，放大器是一种能量控制部件。同 时还要注意放大作用是针对变化量而言时还要

50、注意放大作用是针对变化量而言 的。的。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 共射极放大电路如图416所示。图中，采用固定 偏流电路将晶体管偏置在放大状态，其中虚线支路的 UCC为直流电源，RB为基极偏置电阻，RC为集电极负载 电阻。输入信号通过电容C1加到基极输入端，放大后 的信号经电容C2由集电极输出给负载RL。因为放大器 的分析通常采用稳态法，所以一般情况下是以正弦波 作为放大器的基本输入信号。图中用内阻为Rs的正弦 电压源Us为放大器提供输入电压Ui。电容C1, C2称为隔 直电容或耦合电容，其作用是隔直流通交流，即在保 证信号正常流通的情况下，使直流相互隔离互

51、不影响。 按这种方式连接的放大器，通常称为阻容耦合放大器。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 RC Uo Us V Rs Ui C1 RB (UCC) C2 RL UCC 图416共射极放大电路 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 通过上述实例可以看出，用晶体管组成放大器时 应该遵循如下原则： (1)必须将晶体管偏置在放大状态，并且要设置合 适的工作点。当输入为双极性信号(如正弦波)时，工作 点应选在放大区的中间区域；在放大单极性信号(如脉 冲波)时，工作点可适当靠向截止区或饱和区。 (2)输入信号必须加在基极发射极回路。由于正偏 的发射结

52、其iE与uBE的关系仍满足式(44)，即 T BE T BE U u S U u SE eIeIi) 1(418) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 而iCiE。所以，uBE对iC有极为灵敏的控制作用。因 此，只有将输入信号加到基极发射极回路，使其成为 控制电压uBE的一部分，才能得到有效地放大。具体连 接时，若射极作为公共支路(端)，则信号加到基极；反 之，信号则加到射极。由于反偏的c结对iC几乎没有控 制作用，所以输入信号不能加到集电极。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 (3)必须设置合理的信号通路。当信号源和负载与 放大器相接时，

53、一方面不能破坏已设定好的直流工作 点，另一方面应尽可能减小信号通路中的损耗。实际 中，若输入信号的频率较高(几百赫兹以上)，采用阻容 耦合则是最佳的连接方式。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 432直流通路和交流通路直流通路和交流通路 对一个放大器进行定量分析时，其分析的内容无 外乎两个方面。一是直流(静态)工作点分析，即在没有 信号输入时，估算晶体管的各极直流电流和极间直流 电压。二是交流(动态)性能分析，即在输入信号作用下， 确定晶体管在工作点处各极电流和极间电压的变化量， 进而计算放大器的各项交流指标。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放

54、大电路 以图416所示的共射放大器为例，按照上述方法， 将电路中的耦合电容C1,C2开路，得直流通路，如图 417(a)所示；将C1, C2短路，直流电源UCC对地也短路， 便得交流通路，如图417(b)所示。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 图417共射放大器的交、直流通路 (a)直流通路；(b)交流通路 RB UCC RC RCUo Us Rs RB RL (a)(b) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 433放大器的主要性能指标放大器的主要性能指标 放大器有一个输入端口，一个输出端口，所以从整 体上看，可以把它当作一个有源二端口网

55、络，如图 418所示。因为输入信号是正弦量，所以图中有小写 下标的大写字母均表示正弦量的有效值，并按二端口 网络的约定标出了电流的方向和电压的极性。这样， 放大器的性能指标可以用该网络的端口特性来描述。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 线性 放大器 Io RL Uo Ui Ii 图418放大器等效为有源二端口网络的框图 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 一、放大倍数一、放大倍数A 放大倍数又称为增益，定义为放大器的输出量与 输入量的 比值。根据处理的输入量和所需的输出量不 同，有如下四种不同定义的放大倍数： o u i o i i o

56、g i o r i U A U I A I I A U U A I (419a) (419b) (419c) (419d) 电压放大倍数 电流放大倍数 互导放大倍数 互阻放大倍数 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 其中，Au和Ai为无量纲的数值，而Ag的单位为西门 子(S)，Ar的单位为欧姆()。有时为了方便，Au和Ai可 取分贝(dB)为单位，即 ),(lg20),(lg20dB I I AdB U U A i o i i o u (420) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 二、输入电阻二、输入电阻 Ri 输入电阻是从放大器输入端看进

57、去的电阻，它定义为 在图418的框图中，对信号源来说，放大器相当 于它的负载，Ri则表征该负载能从信号源获取多大信 号。 i i i I U R (421) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 三、输出电阻三、输出电阻Ro 输出电阻是从放大器输出端看进去的电阻。在图 418的框图中，对负载来说，放大器相当于它的信号 源，而Ro正是该信号源的内阻。根据戴文宁定理，放 大器的输出电阻定义为 0I0 s 或 s U o o o I U R (422) Ro是一个表征放大器带负载能力的参数。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 根据放大器输入和输出信

58、号的不同，利用上述三 个指标，则图418所示的框图可具体描述为四种二端 口网络模型，如图419所示。图中，Auo,Aro分别表示负 载开路时的电压、互阻放大倍数，而Ais,Ags则分别表示 负载短路时的电流、互导放大倍数。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 Is AisIi RLRsRiRo (b) IoIi Us AuoUi RL Rs Ui Ri Ro Uo (a) AgsUi RLRiRo (c) Io Us Rs Ui AroIi RLRi Ro Uo (d) Is Ii Ro 图419放大器二端口网络模型 (a)电压放大器；(b)电流放大器；(c)互导放大

59、器；(d)互阻放大器 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 四、非线性失真系数四、非线性失真系数THD 由于放大管输入、输出特性的非线性，因而放大 器输出波形不可避免地会产生或大或小的非线性失真。 具体表现为，当输入某一频率的正弦信号时，其输出 电流波形中除基波成分之外，还包含有一定数量的谐 波。为此，定义放大器非线性失真系数为 m n nm I I THD 1 2 2 (423) 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 式中I1m为输出电流的基波幅值，Inm为二次谐波以 上的各谐波分量幅值。由于小信号放大时非线性失真 很小，所以只有在大信号工作时

60、才考虑THD指标。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 五、线性失真五、线性失真 放大器的实际输入信号通常是由众多频率分量组 成的复杂信号。由于放大电路中含有电抗元件(主要是 电容)，因而放大器对信号中的不同频率分量具有不同 的放大倍数和附加相移，造成输出信号中各频率分量 间大小比例和相位关系发生变化，从而导致输出波形 相对于输入波形产生畸变。通常将这种输出波形的畸 变称为放大器的线性失真或频率失真。有关描述线性 失真的一些具体指标，如截止频率、通频带。 第第4章章 双极型晶体管及其放大电路双极型晶体管及其放大电路 44 放大器图解分析法放大器图解分析法 441直流图