第10章半导体三极管及其基本 放大电路

1、1 1第10章 半导体三极管及其基本 放大电路10.1 半导体三极管半导体三极管10.2 基本放大电路分析基本放大电路分析10.3 静态工作点的稳定与分压式偏置电路静态工作点的稳定与分压式偏置电路10.4 共集电极放大电路共集电极放大电路10.5 多级放大电路多级放大电路2 210.1 半导体三极管半导体三极管10.1.1 半导体三极管的结构和符号半导体三极管的结构和符号半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管，它是放大电路中的核心器件。其外形如图10.1所示，结构和符号如图10.2所示。3 3图10.1 三极管的外形4 4图10.2 三极管的结构和符号(a) NPN型结构； (b) PNP型结

2、构；(c) NPN型符号； (d) PNP型符号5 5从图10.2(a)和(b)可看出，三极管有三个区，分别是发射区、基区和集电区；有两个PN结，分别是发射结和集电结；有三个电极，分别是发射极、基极和集电极。根据PN结的组合方式不同，可形成NPN型和PNP型三极管，对应的符号如图10.2(c)和(d)所示。从发射极箭头的方向可判断出是NPN型或PNP型三极管。图中标注的电流方向为发射结正偏、集电结反偏时电流的实际方向。需要说明的是， 三个区的面积大小不一样，各有特殊作用，故发射极和集电极不能调换使用。6 610.1.2 三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用三极管最重要的特性是其具有电流放大

3、作用，但要使三极管工作在放大状态，必须具备两个条件: 一是必须以正确的连接方式将三极管接在输入输出回路中，按公共端的不同，可连接成三种基本组态(共发射极、共基极和共集电极)，如图10.3所示， 不同的连接方式，其特性存在较大差异；二是必须外加正确的直流偏置电压，即发射结要正向偏置，集电结要反向偏置。图10.4所示电路为共发射极电路，图中UCCUBB，三个电极的电位关系为UCUBUE。如果使用PNP型管，应将基极电源和集电极电源的极性反过来，使得UCUBUE，三个电流IB、IC和IE的方也要反过来。7 7图10.3 三极管的三种组态 (a) 共发射极； (b) 共基极； (c) 共集电极8 8根

4、据图10.4所示的实验电路，可通过改变RB来改变基极电流IB，集电极电流IC和发射极电流IE也随之变化，测试结果如表10.1所示。图10.4 测试三极管电流放大作用的实验电路(共发射极电路)9 91010通过分析表10.1的实验测试数据，可得到以下结论：(1) 三极管各电极电流的关系满足IE=IB+IC (10.1)且IB很小，ICIE。(2) IC与IB的比值基本保持不变，其大小由三极管的内部结构决定，定义该比值为共射极电路的直流电流放大倍数，用表示，即 (10.2)式(10.2)表明，当三极管工作在放大状态时，集电极电流始终是基极电流的 倍。BCII1111(3) IC与IB的变化量IC与

5、IB的比值也基本保持不变，定义该比值为共射极电路的交流电流放大倍数，用表示，即 (10.3)从式(10.3)可知，当基极电流IB有一微小变化IB时，集电极电流IC将得到一个较大的变化IC，且远大于1。这表明三极管是一个电流控制元件，即基极电流IB对集电极电流IC具有控制作用，这就是三极管的电流放大作用。BCII121210.1.3 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线1. 输入特性曲线输入特性曲线三极管的输入特性是指当UCE一定时，IB与UBE之间的关系曲线，即IB=f(UBE)|U=常数，如图10.5(a)所示。从图中可知，输入特性曲线和二极管正向特性曲线相似，硅管死区电压约为0.5 V

6、，锗管约为0.2 V；导通电压硅管约为0.6 V0.7 V，锗管约为0.2 V0.3 V；且当UCE增大时，输入特性曲线右移，但在UCE2 V后曲线重合。CE13132. 输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线是指当IB一定时，IC与UCE之间的关系曲线，即IC=f(UCE)|I=常数。由于三极管的基极输入电流IB对输出电流IC具有控制作用，因此不同的基极电流IB将有不同的ICUCE关系，由此得到图10.5(b)所示的一簇曲线，这就是三极管的输出特性曲线。从输出特性曲线可以看出，三极管有三个不同的工作区域，即放大区、饱和区和截止区，它们分别表示了三极管的三种工作状态：放大、饱和和截止。三极管工

7、作在不同区域，特点也各不相同。B1414图 10.5 三极管共射极电路的特性曲线(a) 输入特性曲线；(b) 输出特性曲线1515(1) 放大区：指曲线上IB0和UCE1 V之间的部分，此时发射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大状态。放大区的特征是当IB不变时IC也基本不变，即具有恒流特性；当IB变化时，IC也随之变化，且ICIB，这就是三极管的电流放大作用。(2) 截止区：指曲线上IB0的区域，此时发射结反偏，三极管为截止状态，IC很小，集电极与发射极间相当于开路，三极管相当于开关的断开状态。1616(3) 饱和区：指曲线上UCEUBE的区域，此时IC与IB无对应关系，集电极与发射极之间的压

8、降称为饱和电压，用UCES表示。硅管的UCES约为0.3 V，锗管的UCES约为0.1 V，三极管相当于开关的闭合状态。饱和时的集电极电流IC称为临界饱和电流，用ICS表示，大小为 (10.4)CCCCCESCCCSRURUUI171710.1.4 三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的参数很多，其主要参数有以下三个。1. 电流放大倍数电流放大倍数 共射极电流放大倍数为；共基极电流放大倍数为，定义为集电极电流IC与发射极电流IE的变化量之比，即(10.5)ECII18182. 极间反向电流极间反向电流 极间反向电流是表征三极管工作稳定性的参数。当环境温度增加时，极间反向电流会增大。(1) 集

9、电结反向饱和电流ICBO：指发射极开路时，集电极和基极之间的电流。室温下，小功率硅管的ICBO一般小于1 A,锗管约为10 A。 (2) 穿透电流ICEO: 指基极开路时，集电极和发射极之间的电流。因为ICEO=(1+)ICBO，所以ICEO 比ICBO大得多，因、ICBO和ICEO会随着温度的升高而变大，故在稳定性要求较高的电路中或环境温度变化较大的时候，应该选用受温度影响小的硅管。19193. 极限参数极限参数极限参数是表征三极管能够安全工作的临界条件，也是选择管子的依据。(1) 集电极最大允许电流ICM：指当集电极电流IC增大到一定程度，出现明显下降时的IC值。如果三极管在使用中出现集电

10、极电流大于ICM的情况，则这时管子不一定会损坏，但它的性能将明显下降。(2) 集电极最大允许功耗PCM。三极管工作时，应使集电极功率损耗UCEICPCM。若集电极功耗超过PCM，集电结的结温会大大升高，严重时管子将被烧坏。2020(3) 反向击穿电压。U(BR)CEO为基极开路时，集电结不致击穿而允许加在集射极之间的最高电压；U(BR)CBO为发射极开路时，集电结不致击穿而允许加在集基极之间的最高电压；U(BR)EBO为集电极开路时，发射结不致击穿而允许加在射基极之间的最高电压。这些参数的大小关系为U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO。根据以上三个极限参数ICM、PCM和U(BR)

11、CEO可以确定三极管的安全工作区，如图10.6所示。这是一条双曲线，曲线左侧所包围面积内三极管集电极的功耗小于PCM，故称为安全工作区；右侧集电极的功耗则大于PCM，故称为过损耗区。2121图10.6 三极管的安全工作区222210.2 基本放大电路分析基本放大电路分析10.2.1 基本放大电路的组成基本放大电路的组成图10.7(a)所示为双电源供电的共射极放大电路，V是一个NPN型三极管，作用是放大电流；UCC是输出回路的电源，作用是为输出信号提供能量；RC是集电极负载电阻，作用是把电流的变化转换成电压的变化；基极电源UBB和基极偏置电阻RB的作用是为发射结提供正向偏置电压和合适的基极电流I

12、B；C1、C2称为隔直电容，作用是隔直流、通交流信号。图10.7(b)为单电源供电的共射极放大电路，只要RB远大于RC，单电源就可代替双电源的作用。2323图 10.7 共射极放大电路(a) 双电源供电；(b) 单电源供电2424为了使三极管工作在放大状态，首先必须保证发射结为正向偏置，集电结为反向偏置；其次为了保证放大电路能尽可能不失真地放大交流信号，必须在静态(ui=0)时，三极管的各极都要有一个合适的工作电压和电流，即给放大器设置一个合适的静态工作点。252510.2.2 静态工作点的估算静态工作点的估算静态工作点是指静态时，在晶体管的输出特性曲线上，由IB、IC和UCE组成的一个点，记

13、为Q点，其坐标分别记为IBQ、ICQ和UCEQ，如图10.8所示。计算Q点坐标时可先画出放大电路的直流通路，即让C1、C2开路，如图10.9所示；然后列出输入和输出回路电压方程，即可估算出IBQ、ICQ和UCEQ。2626图10.8 静态工作点2727图10.9 共射极放大电路的直流通路2828由图10.9知，基极回路电压方程为 UCC=RBIBQ+UBE考虑到管压降UBE很小可以忽略，得到(10.6)BCCBBECCBQRURUUIICQ=IBQ (10.7)集电极回路电压方程为 UCEQ=UCCICQRC (10.8)292910.2.3 放大电路的图解法分析放大电路的图解法分析1. 静态

14、分析静态分析静态分析的任务是确定Q点的IBQ、ICQ和UCEQ。方法是利用式(10.6)求出IBQ，然后在晶体管输出特性曲线上做出与RC和UCC支路的电压方程UCE=UCCICRC所对应的直线，该电压方程称为直流负载线方程，对应的直线称为直流负载线。直流负载线与对应IBQ值的输出特性曲线的交点即为Q点。3030具体做法是: 选取两个特殊点，当UCE=0时，IC=UCC/RC, 它对应于纵轴上的一个点(0，UCC/RC)；当IC=0时，UCE=UCC, 它对应于横轴上的一个点(UCC，0)，连接这两点的直线即为直流负载线，其斜率为1/RC，如图10.8所示。31312. 动态分析动态分析放大器输

15、入端加入信号时，电路的工作状态是动态的。动态分析的任务是分析放大器的动态工作情况，计算电压放大倍数。首先要画出放大电路的交流通路，交流通路的做法是将C1、C2短路，由于电源内阻较小可忽略，因而可将电源对地短路，如图10.10所示。1) 动态工作情况放大器的动态工作情况如图10.11所示。3232图10.10 放大电路的交流通路3333图 10.11 放大器的动态工作情况34342) 电压放大倍数利用图10.11中的ui和uo幅值，可以求出电压放大倍数Au:(10.9)ioioUUuuAu3535 3) 放大电路的非线性失真 从图10.11可看出，若Q点处于交流负载线的中点附近，输入电压大小合适

16、，放大器就能不失真地放大信号。但当输入电压过大，或者Q点过低、过高时，动态工作点在变化中就可能进入非线性区，使输出产生非线性失真，该失真分为截止失真和饱和失真。截止失真是由于Q点过低，动态工作点进入截止区而产生的非线性失真；饱和失真是由于Q点过高，动态工作点进入饱和区而产生的非线性失真。 截止失真和饱和失真时输入输出电压的波形如图10.12 和图10.13所示。3636图 10.12 截止失真3737图 10.13 饱和失真38384) 放大电路的参数对静态工作点的影响 在共射极基本放大电路中，当UCC、RB、RC及发生变化时，Q点的位置也将随之改变。下面分别进行讨论。(1) 在其它参数保持不

17、变时，UCC升高，则直流负载线平行右移，Q点将移向右上方，此时交流负载线也将平行右移，放大电路的动态工作范围增大，但由于ICQ、UCEQ同时增大，使三极管的静态功耗变大，因而应防止工作点超出三极管安全工作区的范围。反之，若UCC减小，则Q点向左下方移动，管子更加安全，但动态工作范围将缩小，见图10.14(a)。3939图 10.14 放大电路的参数对静态工作点的影响4040(2) 若其它参数不变，增大RB，直流负载线的位置不变，但因IBQ减小，故Q点沿直流负载线下移，靠近截止区，输出波形易产生截止失真；若RB减小，则Q点沿直流负载线上移，靠近饱和区，易产生饱和失真，见图10.14(b)。(3)

18、 若其它参数不变，增大RC，则直流负载线要比原来更平坦，因IBQ不变，故Q点将移近饱和区，使动态工作范围变小，易于发生饱和失真；若RC减小，则直流负载线变陡，Q点右移，使UCEQ增大，管子的静态功耗也增大，见图10.14(c)。4141(4) 若其它参数不变，增大，则三极管的输出特性曲线如虚线所示，此时直流负载线不变，IBQ不变，但由于同样的IBQ值对应的曲线升高，故Q点将沿着直流负载线上移，则ICQ增大，UCEQ减小，Q点靠近饱和区；若减小，则ICQ减小，Q点将沿直流负载线下移，见图10.14(d)。424210.2.4 微变等效电路法微变等效电路法1. 简化的等效电路简化的等效电路三极管输

19、入、输出端的伏安关系可用其输入、输出特性曲线来表示，因此在输入特性放大区Q点附近，其特性曲线近似为一段直线，即iB与uBE成正比，如图10.15(a)所示，故三极管的B、E间可用一等效电阻rbe来代替。从输出特性看，在Q点附近的一个小范围内，可将各条输出特性曲线近似认为是水平的，而且相互之间平行等距，即集电极电流的变化量iC与集电极电压的变化量uCE无关，而仅取决于iB，即iC=iB，如图10.15(b)所示，故在三极管的C、E间可用一个线性的受控电流源来等效，其大小为iB。4343图 10.15 输入和输出特性曲线的线性近似4444三极管的等效电路如图10.16所示。由于该等效电路忽略了uC

20、E对iB、iC的影响，所以又称为简化微变等效电路。图10.16 三极管等效电路45452. rbe的近似计算公式的近似计算公式rbe称为三极管的输入电阻，在中低频时，它的大小近似为(10.10)mAmV26)1 (300EbeQIr3. Ri、Ro和和Au的计算的计算动态分析的目的是为了确定放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro和电压放大倍数Au。其方法是先画出交流通路，图10.7(b)的交流通路如图10.10所示；然后根据交流通路画出微变等效电路，图10.10所对应的微变等效电路如图10.17所示。由微变等效电路可求出Ri、Ro和Au。4646图 10.17 微变等效电路4747因为bebeb

21、bioCLLbcobcbebi,rRrIRIUUARRRRIRIUIIrIULuLLBbciiiRrIUR其中放大倍数(10.11)式中的负号表示输出电压与输入电压反相。从式中可看出提高电压放大倍数的一种有效的办法是增大负载电阻RL。输入电阻(10.12)4848输入电阻Ri的大小是衡量放大电路性能的参数之一，Ri越大，表示放大电路从信号源获取信号的能力越强。输出电阻 (10.13)CoooRIUR输出电阻Ro的大小是衡量放大电路性能的又一重要参数，Ro越小，表示放大电路的输出端带负载的能力越强。总体来讲， 要使放大电路有较好的性能，放大电路应有较大的Au和Ri，较小的Ro。4949【例【例1

22、0.1】 在图10.18所示的共发射极基本放大电路中，已知=80，RB=282 k，RC=RL=1.5 k，UCC=12 V。试求Q点和Au、Ri、Ro的值。若Ui=10 mV，Uo 为多少？2图 10.18 例10.1电路图5050解解 设UBEQ=0.7 V，则Q点的值为A402827 . 012282BEQCCBUUIQICQ=IBQ=8040106=3.2 mAUCEQ=UCCICQRC=123.21.5=7.2 V由于IEQ=ICQ+IBQ=3.2+0.04=3.24 mA因此6395. 0)5 . 15 . 1 (8095024. 326)801 (30026)1 (300beLE

23、berRAIruQ5151Ri=RBrbe=2820.950.95 kRo=RC=1.5 k则V89. 0mV89021063ioUAUu525210.3 静态工作点的稳定与分压式偏置电路静态工作点的稳定与分压式偏置电路三极管是一种对温度十分敏感的元件，温度变化主要影响管子的UBE、IB、ICBO、等参数。温度升高时，、ICBO和UBE的变化都会使ICQ增加，从而使Q点向上移动。如果温度降低，则将使ICQ减小，Q点向下移动。当Q点变动太大时，有可能使输出信号出现失真。因此，在实际工作中，必须采取措施稳定静态工作点，使放大器能正常工作。图10.19显示了因温度变化(用T1、T2表示)导致UBE的

24、变化对Q点的影响。5353图10.19 UBE对Q点的影响54541. 分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路如图10.20所示。图 10.20 分压式偏置电路5555分压式偏置电路的工作原理如下。(1) 利用基极电阻RB1、RB2分压来保持基极电位UB基本不变，设计时要使IB远小于I1，让I1I2，即(10.14)EBBEBECC2B1B1BBRURUUIURRRUE当UBUBE时，有(10.15)显然ICQIE是固定不变的，与晶体三极管的ICBO和无关。5656(2) 利用RE形成电流负反馈，控制IC。当IC随着温度T的升高而增大时，利用RE形成电流负反馈，维持IC基本不变，其过程如下

25、：T()ICIEUE(因UB固定)UBE =(UBUE)IBIC故此电路也称为电流负反馈工作点稳定电路。(3) 稳定条件。从稳定工作点的效果看，I1和UB应越大越好。但在实际应用中，它们要受到其它因素的限制。若I1大，电路从电源吸取的功率也必然大，且要减小RB1和RB2，这将使输入电阻Ri减小；UB大，必然使UE增大，UCE就要减小，即最大输出电压幅度减小。通常可采用下列经验数据:5757I1=(510)IB， UB=35 V(硅管)I1=(1020)IB， UB=13 V(锗管) 利用这两组经验数据来选择电路参数，就可基本满足稳定静态工作点的要求。(4) CE的作用。如果没有电容CE，则RE

26、不仅对直流有负反馈作用，而且对交流信号也有负反馈作用，这将使输出信号变小，电压放大倍数降低。为了消除RE上的交流压降，可并联上一个大的电容CE，其作用是对交流旁路，即对交流信号，RE被CE短路，使RE不对交流信号产生反馈，故称CE为射极交流旁路电容。58582. 电路的分析计算电路的分析计算(1) 静态分析。先画出直流通路，如图10.21所示。设I1I2，I1IBQ，则 EBEBEEECC2B1B1BBRUURUIURRRUQQQQQ一般情况下， EBEBECRUUIIQQQQQQIICB5959图10.21 分压式偏置电路的直流通路6060UCEQ=UCCICQRCIEQRE(2) 动态分析

27、。分压式偏置电路的微变等效电路如图10.22所示。图 10.22 分压式偏置电路的微变等效电路6161由微变等效电路知LbcobebiRIRIUrIUL其中RL=RCRL则电压放大倍数为bebebbiorRrIRIUUALu2B1BbciiiRRrIUR(10.16)放大电路的输入电阻为6262放大电路的输出电阻为 【例【例10.2】 在图10.20所示的放大电路中，已知UCC=12 V, =50，RB1=10 k，RB2=20 k， RE=RC=2 k，RL=4 k。求：(1) 静态工作点Q；(2) 电压放大倍数Au、输出电阻Ro、输入电阻Ri。解解 (1) 由于 CoooRIURA33mA

28、033. 05065. 1mA65. 127 . 04V412201010CBBEBECCC2B1B1BBQQEQQQQQIIRUUIIURRRU故6363UCEQ=UCCICQ(RC+RE)=12-1.65(2+2)=5.4 V(2) 由于 RL=RCRL=24=1.33 k5 .601 . 133. 150k1 . 165. 1265130026)1 (300beLEberRAIruQ故Ri=RB1RB2rbe=201.110=0.95 kRo=RC=2 k 646410.4 共集电极放大电路共集电极放大电路10.4.1 共集电极放大电路的组成共集电极放大电路的组成图10.23所示为共集电

29、极放大电路(图10.25(a)是共集电极放大电路的交流通路，可明显看出输入回路和输出回路的公共端是集电极)。因负载接在发射极和地之间，输出电压从发射极引出，故共集电极放大电路又称为射极输出器。6565图 10.23 共集电极放大电路666610.4.2 共集电极放大电路的分析共集电极放大电路的分析1. 静态分析静态分析共集电极放大电路的直流通路如图10.24所示。图10.24 共集电极放大电路的直流通路6767列出基极回路电压方程：EBBECCB)1 (RRUUIQQIBQRB+UBEQ+IEQRE=UCCICQ=IBQUCEQ=UCCIEQREUCCICQRE68682. 动态分析动态分析共

30、集电极放大电路的交流通路和微变等效电路如图10.25(a)、(b)所示。 图10.25 共集电极放大电路的交流通路和微变等效电路(a) 交流通路；(b) 微变等效电路6969(1) 电压放大倍数。令 1)1 ()1 ()1 ()1 (EbeEioEbEeoEbebEebebiRrRUUARIRIURrIRIrIUuRE=RERL则 从式(10.17)可看出，射极输出器没有电压放大作用，输出电压与输入电压大小近似相等，相位相同，输出电压跟随输入电压的变化而变化，故射极输出器又称为射极跟随器。7070(2) 输入电阻。输入电阻为Ri=rbe+(1+)RERB (10.18) 一般情况下，由于1，(

31、1+)RErbe，所以BEBEBoEi/RRRRRRRR(3) 输出电阻。根据输出电阻的定义，通过较为复杂的分析计算(过程省略)，可得到 (10.19)EBsbeo1)(RRrrR717110.5 多级放大电路多级放大电路10.5.1 多级放大器的概念多级放大器的概念 前面讨论的放大器均为由一只三极管构成的单级放大器，其放大倍数一般为几十至几百。在实际应用中通常要求有更高的放大倍数，为此就需要把若干单级放大器级联组成多级放大器。多级放大器的一般结构如图10.26所示。7272图10.26 多级放大器的组成7373输入级一般采用具有高输入电阻的射极输出器；中间级一般由若干级电压放大器组成，以获得

32、较大的电压放大倍数；输出级一般采用功率放大器。在多级放大器中，由于前级放大器的输出为后级放大器的输入，因此，为了保证每级放大器都能正常工作，把信号不失真地逐级传送和放大，级间就要以合适的方式连接，通常称其连接方式为耦合。多级放大器的耦合有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合三种方式。74741. 阻容耦合阻容耦合阻容耦合就是利用电阻和电容实现级间的连接，前面讨论过的三种基本放大电路都属于这种连接方式。其特点是各级放大器的Q点互不影响，彼此独立，仅能放大交流信号，不能放大变化比较缓慢的极低频信号和直流信号。2. 直接耦合直接耦合 直接耦合就是把多级放大器前级的输出端直接接入后级的输入端。其特点是前后级的静态工作点相互影响。这种耦合不但能放大交流信号，也能放大变化比较缓慢的极低频信号和直流信号，在集成放大电路中有着广泛的应用。