晶体管及其放大电路

1、晶体管及其放大电路7.1.1 晶体管的结构7.1.2 晶体管的工作原理7.1.3 晶体管的伏安特性7.1.4 晶体管的主要参数7.1.5 温度对晶体管特性和参数的影响 7.1 晶体管本节主要内容：第1页/共124页7.1.1 晶体管的结构 发射结 集电结 发射区 N P N 基区 集电区 c 集电极 e 发射极 b 基极 b （a）内部结构 （b）结构示意图 （c）电路符号 集电区 发射区 基区 c e 1、NPN型晶体管的结构和电路符号 （c）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。 面积大，掺杂浓度远低于射区薄，掺杂少掺杂浓度高第2页/共124页2、PNP型晶体管的结构和电路符号 3、常见晶体

2、管的封装外形如图所示： 发射结 集电结 发射区 N P P 基区 集电区 c 集电极 e 发射极 b 基极 （a）结构示意图 （b）电路符号 b c e 第3页/共124页7.1.2 晶体管的工作原理 内部条件：发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区面积大，掺杂浓度远低于射区。通过制造工艺实现内部条件。 外部条件：发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置）。通过电路设计保证外部条件的实现。放大的基本条件:发射结正向偏置 集电结反向偏置第4页/共124页(1)发射区向基区注入电子（C先断开） 在VBB作用下，发射区向基区注入电子形成扩散电流IEN;NNPBBVCCVRb

3、RCebcIBN(2)电子在基区复合和扩散 由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。 由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。大部分到达了集电区的边缘。IENEPIIEBI由于IEP较小，基极电流I B I BN 。 同时基区空穴向发射区扩散形成IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流。1.载流子的传输过程 ENEPENEIIII第5页/共124页(3) 集电结收集电子 由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。CBOI 另外，集电区的少子形成漂移电流ICBO。NNPBBVCCVRbR

4、CebcIBNIENEPIIEBIICNCI (4) 集电极的反向电流 集电结收集到的电子包括两部分： 发射区扩散到基区的电子ICN 基区的少数载流子ICBO第6页/共124页IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE =IC+IBCBOINNPBBVCCVRbRCebcIBNIENEPIIEBIICNCI三个电极上的电流关系:I B I BNICICN 显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称晶体管。 第7页/共124页 2.电流控制作用 定义ICN与IE之比为晶体管的共基极直流电流

5、放大系数 ，即ECNII得 CBOECIII值越大，发射极电流对集电极电流的控制能力越强。 CBEIII因为则 CBOCBCBOECIIIIII)(得CBOBCIII111为共射极直流电流放大系数 BCBOBCIIII11则令1CBOBCCIIII+=-第8页/共124页EEECIIII即共基极交流放大系数 近似等于共基极直流电流放大系数 定义集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB之比为共射极交流放大系数，即 constvBCCEIIBBBCIIII ECIIconstvCE 定义集电极电流变化量IC与射极电流变化量IE之比为共基极交流放大系数 ,即第9页/共124页7.1.3 晶体管的伏安

6、特性 1.输入特性曲线 输入特性曲线描述了在集射电压vCE一定的情况下，基极电流iB与基射电压vBE之间的函数关系,即constvBEBCEvfi)( 小功率硅管的门坎电压vth约为0.5V，锗管约为0.1V。 小功率硅管的导通压降Von约为0.60.8V，一般取0.7V；小功率锗管约为0.20.3V，一般取0.2V。 Rc+vBEvCE_+_iBiCRbAmAV第10页/共124页2.输出特性曲线 输出特性曲线描述了在基极电流iB一定的情况下，集电极电流iC与集射电压vCE之间的函数关系,即 constiCECBvfi)( 在输出特性曲线上可划分为三个工作区：放大区、饱和区和截止区。(1)放

7、大区（Active region） 放大区的特点是： 发射结正偏，集电结反偏； iCiB，体现了晶体管的放大作用（电流控制作用），曲线的间隔越大，值越大； iC 随vCE增加很小，呈恒流特性。 Rc+vBEvCE_+_iBiCRbAmAV第11页/共124页(2)饱和区（Saturation region） 饱和区内的vCE称为饱和压降，小功率硅管的饱和压降典型值为0.3V，锗管为0.1V。 饱和区的特点： 发射结和集电结均为正偏置； iC不受iB控制，而近似随vCE线性增长。由于vCE小、而iC大，故ce（集电极和发射极）之间等效为开关的导通，或等效为一个小电阻，称为导通电阻。 (3)截止区

8、(Cutoff region) 特点：发射结和集电结都是反向偏置； iC=ICEO0，故ce之间等效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。 第12页/共124页7.1.4 晶体管的主要参数1.电流放大系数（Current amplification factor） 2.极间反向电流 极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。 （1）集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。 （2）穿透电流ICEO：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，ICEO=(1+)ICBO。 电流放大系数是表征晶体管放大能力的参数。有共发射极直流电流放大

9、系数 、共发射极交流电流放大系数 、共基极直流电流放大系数 和共基极交流放大系数。它们的含义见7.1.2节。第13页/共124页3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM ICM是指当下降到正常值的2/3时所对应的IC值。当IC超过ICM时，晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。（2）反向击穿电压（Reverse breakdown voltage） 发射结反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时，发射极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。 集电结反向击穿电压V(BR)CBO：发射极开路时，集电极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。第14

10、页/共124页（3）集电极最大允许耗散功率PCMPC=iC vCE 当PCPCM时，晶体管的实际结温小于允许的结温，不会损坏晶体管。 为了可靠工作，通常选择PCM=（1.5）PC。第15页/共124页7.1.5 温度对晶体管的特性与参数的影响 （1) 温度对ICBO的影响 ICBO是少数载流子形成的集电结反向饱和电流，受温度影响很大。温度每升高，ICBO增加一倍。反之，温度降低时ICBO减小。当温度升高时，ICEO的增大体现为整个输出特性曲线族向上平移（2) 温度对的影响 温度升高时，晶体管内部载流子的扩散能力增强，使基区内载流子的复合概率减小，因而温度升高时放大倍数随之增大。以 时测得的值为

11、基数，温度每升高 ，增加约(0.51)%。C25C1CBOCEOII)1 (第16页/共124页（3）温度对输入特性的影响 温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的|vBE| 减小。表现为输入特性曲线向左移动 （4） 温度对输出特性的影响（5） 温度对反向击穿电压的影响 温度升高时，晶体管的ICBO、ICEO、都将增大，导致晶体管的输出特性曲线向上移温度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大第17页/共124页7.2 放大电路的直流偏置 将晶体管偏置在放大状态:发射结正偏，集电结反偏。 7.2.1 基本偏置电路和静态工作点分析方法1基本偏置电路 直流电压和电流在其特性曲线上组成静

12、态工作点，分别是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。+ Rb Rc T VBE + VCE IB IC +VCC（12V） + Rb Rc T VBE + VCE IB IC -VCC（-12V） （a）NPN 管 (b)PNP 管 第18页/共124页2晶体管的分段线性模型 在输入特性曲线中，用垂足为导通电压（Von）的垂直线段逼近输入特性的导通区，用过原点的水平线段逼近输入特性的死区. 在输出特性曲线中，用一组水平直线段逼近晶体管的放大区特性，用垂足为原点的垂直线段逼近晶体管的饱和特性.第19页/共124页3静态工作点的计算CcCCCECCbBECCBonBEIRVVIIRV

13、VIVV 例7.1 试计算图7.2.1电路的静态工作点。已知：三极管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb=400k，Rc=4k。解：将电路参数代入（7.2.1），得VmAkVIRVVmAmAIIAmAkVRVVIVVVCcCCCECCbBECCBonBE35. 6)(41. 141241. 10285. 0505 .280285. 04007 . 0127 . 0（7.2.1）第20页/共124页4基本偏置电路的缺点CBECEOCBOIvIIT)/( 稳定静态工作点的基本方法之一是在直流偏置电路中引入直流负反馈，使集电极直流电流IC和集射直流电压VCE随温度的变化很小，稳定静态工作点Q（VC

14、E，IC）。 基本偏置电路的静态工作点受环境温度T的影响很大。反馈方式主要是电流串联负反馈和电压并联负反馈。第21页/共124页7.2.2 电流串联负反馈偏置电路 图中射极电阻Re引入电流串联负反馈，所以简称为射极偏置电路。基极电流IB远远小于基极偏置电阻上的电流I1时：CCbbbBVRRRV212当温度升高引起集电极电流增加时，电流串联负反馈将自动进行如下反馈过程： 在电子工程设计中，选择电路参数，使： 锗管硅管BBIII)2010()105(1BEBVV)105(Rb1 Rc T VB VC +VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC 第22页/共124页onBEVVeBEBER

15、VVI/ )(eEcCCCCERIRIVV1EBII静态工作点计算：例7.2 射极偏置电路如图7.2.4所示。已知：晶体管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k。试计算电路的静态工作点。解： VVVonBE7 . 0mARVVIeBEBE65. 12/ )7 . 04(/ )(VRIRIVVeEcCCCCE75. 365. 1)23(12AmAIIEB32032. 051/65. 1)1/(CCbbbBVRRRV212Rb1 Rc T VB VC +VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC BCIIVVVRRRVCCbbbB4=124

16、0+2020=+212第23页/共124页7.2.3 电压并联负反馈偏置电路电阻Rb引入电压并联负反馈。集电极电阻Rc上的电流IR为: IR=IC+IBIC当温度升高引起集电极电流增加时，电路将自动进行如下反馈过程： Rc T VB VC +VCC Rb IB IC IR 第24页/共124页静态工作点计算：由电路得 bBEBcCCbBECBBcCCCcCCRcCCCRVIRVRVVIIRVIRVIRVV所以，Rc T VB VC +VCC Rb IB IC IR CcCCCBCcbBECCBonBEIRVVIIRRVVIVV第25页/共124页7.3 共射极放大电路7.3.1 信号的耦合方式

17、信号的耦合方式主要有直接耦合、电容耦合、变压器耦合和光电耦合。 1. 直接耦合 信号源直接引入到晶体管的发射结回路，即输入回路。输出信号直接从晶体管的集电极对地引出送负载电阻RL，形成输出回路。 优点是可以放大输入信号的直流分量和低频信号；电路不包含大电容和大电感，适合集成电路制造工艺。Rb1 Rc T vB vC +VCC Re iB iC RL vo + vs vi + Rs + Rb2 iS 缺点是放大电路的静态工作点受信号源内阻和负载的影响，并且随温度变化而移动，称为温度漂移。 第26页/共124页2. 电容耦合 输入信号为零时，电容对直流电流相当于开路，故信号源和负载不影响放大电路的

18、静态工作点， 当输入信号不为零时，如果信号频率足够大，则大电容C1和C2的阻抗远小于其所在回路的阻抗，相当于短路。 电容通常是几十个微法，保证对信号相当于短路（简称为交流短路）、对直流电源相当于开路（简称为直流开路）。 例如，在音频（20Hz20kHz）放大器中，若耦合电容取值50F，其阻抗小于160，与电阻比较耦合电容相当于交流短路。Rb1 Rc T vB +VCC Re iB iC RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 电容耦合的缺点是不适合集成电路工艺，放大电路不能集成化。 第27页/共124页7.3.2 晶体管的低频小信号模型1.晶体管的低频小信号模型),(1C

19、EBBEvifv),(2CEBCvifi 式中vBE、iB、vCE和iC都是瞬时总量，包括直流电源引起的直流量和信号引起的变化量（交流量）。求全微分，得CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCE + vBE vCE _ + _ iB iC iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=0V vCE?1V （c）输出特性曲线 （b）输入特性曲线 （a） 共射极连接 0 1 2 3 4 Vth VonVth 0 vCE=0.5V iB=0?A 100 CEv/ V 2 4 6 8 截止区 放 大 区 100 80

20、 60 40 20 饱和区 iC /mA ICEO 第28页/共124页CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCE在静态工作点附近，微分量的系数是常数。令,CEVBBEieivh,BICEBErevvh,CEVBCfeiihBICECoevih由于微分量dvBE、diB、dvCE、diC表示小信号变化量ccebbeiviv、所以， cerebiebevhihvceoebfecvhihi晶体管的低频小信号模型: T e b ib c + + + + _ _ _ _ vbe vbe ic vce b c e vce + _ hrevce

21、hie ic hfeib oeh1 ib (b) (a) 第29页/共124页2.h参数的物理意义,CEVBBEieivh,BICEBErevvh,CEVBCfeiihBICECoevihhie是晶体管输出端交流短路（vCE=VCEvce=0）时b-e之间的交流输入电阻，常用rbe来表示，约为103量级。hre是晶体管输入端交流开路（iB=IBib=0）时的反向电压传输系数（无量纲）,也称为电压反馈系数。iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE （a） hie的意义 0 VB100 IB iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vC

22、E=VCE 0 VB 100 IB 斜率的倒数 CEVBBEieivh BICEBErevvh2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/ V （c）hfe的意义 （b） hre的意义 VC IB IC CEVBCfeiih 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/ V （d）hfe的意义 VC IB IC 斜率的倒数 BICECoevih 第30页/共124页,CEVBBEieivh,BICEBErevvh,CEVBCfeiihBICECoevihhfe是晶体管输出端交流短路（vCE=VC

23、Evce=0）时的正向电流传输系数（无量纲），等于电流放大系数，约为102量级。hoe是晶体管输入端交流开路（iB=IBib=0）时c-e之间的输出电导，常用1 / rce表示，hoe很小，在放大电路的简化分析中，hoe常常忽略不计。h参数第一个下标的含义是：i表示输入，r表示反向传输，f表示正向传输，o表示输出。第二个下标e表示是共发射极接法。iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE （a） hie的意义 0 VB100 IB iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE 0 VB 100 IB 斜率的倒数 CEVBBE

24、ieivh BICEBErevvh2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/ V （c）hfe的意义 （b） hre的意义 VC IB IC CEVBCfeiih 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/ V （d）hfe的意义 VC IB IC 斜率的倒数 BICECoevih 第31页/共124页3.小信号模型的简化和参数的确定电压受控源hre vce的电压及输出电阻1/ hoe很小，常忽略。图中，用替换hfe，用rbe替换hie 在放大区内，晶体管的电流放大倍数是常数，与晶体管的制造

25、有关。但是，rbe与静态工作点有关，可以根据晶体管的物理结构模型导出rbe的计算公式。(b) (a) + + _ _ vbe b c e vce + _ hrevce hie ic hfeib oeh1 ib + + _ _ vbe b c e vce rbe ic ib ib 第32页/共124页rbe的计算：rbb模拟从基极到发射结的基区体电阻，rbe模拟发射结的正向导通电阻，re模拟发射区的体电阻(远小于rbe)，rbc模拟集电结的反向电阻，rc模拟集电区的体电阻(远小于rbc)。) 1(TBEVvSEeIi发射结电流方程：所以 ETVVSTVvBEEebIVeIVdvdirTBEBEB

26、E111)1 (ebbbbbebebbbbeririririv)1 (ebbbbbeberrivr小功率晶体管rbb200300 ，常取200 。 EETbbbeImVIVrr)(26)1 (200)1 (晶体管的结构模型:b cb e rbb re rbe e Jc Je ib ic ie rbc rc 第33页/共124页7.3.3 放大电路的小信号分析应用小信号模型分析晶体管放大电路，步骤如下：（1）令交流信号源不作用（交流电压源短路、交流电流源开路），得到仅有直流电源作用的直流非线性电路（电容开路、电感短路），简称直流通路。（2）求解晶体管的静态工作点（分段模型法），据此计算晶体管的交

27、流输入电阻rbe。（3）令直流电源不作用（直流电压源短路、直流电流源开路），得到仅有交流信号源作用的交流电路，简称为交流通路。用小信号模型代替晶体管，得到交流线性等效电路，简称为交流等效电路。（4）用线性电路的分析方法（时域方法或频域方法等）求解交流线性电路的相关参数。前2步作静态分析，后2步作动态分析（也称为交流分析）。 第34页/共124页以电容耦合共射极放大电路为例阐述分析步骤。 1静态分析onBEVVeBEBERVVI/ )(eECCCCCERIRIVV-=1EBIICCbbbBVRRRV2122.动态分析(1)画出放大电路的交流等效电路 交流通路：直流电压源短路，因为其端电压变化量为

28、零，对交流电流相当于短路；直流电流源开路，因为其电流变化量为零，对交流电流相当于开路。大电容短路，大电感开路。 BCII第35页/共124页画出小信号等效电路如下：直流电源对地短路，电容C1和C2短路，并用简化小信号模型替代晶体管。+ ii RL bi c b + rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs + vs Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 vB vC 第36页/共124页（2） 放大电路的参数计算+ ii RL bi c b + rbe RC Rb1 vi vo

29、ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs + vs ebeiibebebebbebeebebiRrRRiRriRiriRiriv)1 ()1 ()1 (iR( 是晶体管基极对地的输入电阻) )1 (/2121ebebbibbiRrRRRRRR输入电阻Ri的计算: 第37页/共124页（2） 放大电路的参数计算电压增益Av的计算: )/()/(LcLLbLccoRRRRiRRiv电压增益为 ebeLebebLbiovRrRRriRivvA)1 ()1 (增益表达中的负号表示输出电压与输入电压相位相反。 + ii RL bi c b + rbe RC Rb1 vi vo

30、ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs + vs 第38页/共124页（2） 放大电路的参数计算输出电阻Ro的计算: 令信号源电压为零 00)1 ()/(21bbbebbbbsiiriiRRRctctbctctRvRviRvii/所以输出电阻为ccttvttoRRvvivRs/0+ ii RL bi c b + rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs + vs + ii bi c b + rbe Rc Rb1 vi vt ib ic _ _ Rb2 Re e Ro ie Rs it 第39页/共124页（

31、3） 电压放大模型输出电压对信号源电压的增益为 isivsiiosovsRRRAvvvvvvA+= Vi Vo + - - + ii ioRS VS RL Ro Ri AVOVi + + - - isiebeLRRRRrR+)+1 (+=第40页/共124页例7.3 如图已知：晶体管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k；C1= C1=10F；vs=sint=sin2000t，Rs=0.5k；RL=12k。试计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻；画出vs、vB、vC和vo的波形。解：(1)直流通路 )V(412204020212CCbbbBV

32、RRRVmARVVIIeBEBEC65. 12/ )7 . 04(/ )(VIRVVCcCCC05. 765. 1312VIRVEcE3 . 365. 12（2）计算静态工作点和rbe kmAmVImVrEbe1100065. 126)501 (20026)1 (200 Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 vB vC Rb1 Rc T VB VC +VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC 第41页/共124页（3）小信号等效电路 电容的容抗很小，对交流电流相当于短路。 （4）计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻 17.

33、12)501 (1 )12/3(50)1 (kkkRrRAebeLvkRrRRRebebbi8 .112)501 (1/20/40)1 (/21kRRco312. 18 .115 . 08 .1117. 1isivvsRRRAA + ii RL bi c b + rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs + vs Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 vB vC 第42页/共124页（5）画出vs、vB、vC和vo的波形ttvRRRvvssiiibsin96. 0sin5 .

34、08 .118 .11tvVvttvAvvtvVvcCCivocbBBsin12. 105. 7sin12. 1sin96. 017. 1sin96. 04图中虚线表示直流分量，vo与vs相位相反。由于电容的隔直作用，vo和vs不包含直流分量。第43页/共124页例7.4 共射极放大电路如图所示。已知：晶体管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k，Rs=0.5k，RL=12k。假设电容足够大，试计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻。krRRRbebbi11/20/40/211201)12/3(50beLvrRA8015 . 01120isib

35、eLvsRRRrRAkRRco3 + ii RL bi c b + rbe Rc Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 e Ri iR Ro ie Rs + vs 。 Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 Ce 解：根据例7.3， krbe1第44页/共124页7.3.4 放大电路的大信号分析当输入信号幅度较大时，晶体管的电流和电压幅度变化大，不能用静态工作点的切线表示它们之间的函数关系，故不能用小信号模型分析输入大信号情况下的放大电路，可采用图解法分析之。 放大电路的大信号分析主要是确定最大不失真输出幅度和定性分析非线性失真

36、。 1.输出交流负载线 交流通路：晶体管不能用小信号模型替换 。交流负载线方程：)(LCLCCELCCCELcCEceCECERiRIVRIiVRiVvVv第45页/共124页2.晶体管的电压和电流波形 ibevv由交流通路：tVvimisin设则 tVVvVvVvimBEiBEbeBEBEsinLCCEJRIVV)(LCLCCELCCCELcCEceCECERiRIVRIiVRiVvVv交流负载线和晶体管电压电流波形: 第46页/共124页3.最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度为: ,min,minLCCESCECEJCESCEommRIVVVVVVV最佳静态工作点Q（VCE，IC）应满足

37、下式： LCCESCERIVVLCCEJRIVV第47页/共124页4.非线性失真(以NPN型管为例)2 6 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 4 0 iC /mA CEv/ V IB IC VCES VJ t 2 iC/mA 0 t 2 VCE4 交流负载线 Q (a) 饱和失真饱和失真：晶体管工作状态进入饱和区。2 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 4 0 iC /mA CEv/ V IB IC VCES VJ t 2 iC/mA 0 t 2 VCE4 交流负载线 Q 6 (b) 截止失真截止失真：晶体管工作状态进入截止区。 大信号失真：当输出电压同时出现截顶和

38、截底 第48页/共124页7.3.5 放大电路的组成原则（1）适当的直流偏置电路，将有源元件偏置在放大区。对于晶体管，偏置电路应保证发射结正偏，集电结反偏。 （2）适当的信号耦合电路，保证输入信号能作用于有源元件的输入回路，在负载上能获得放大了的交流信号。（3）适当的静态工作点，保证有足够的最大不失真输出信号幅度。 第49页/共124页7.4 共集电极和共基极放大电路7.4.1共集电极放大电路1静态分析 直流通路：eBBEbBeEBEbBCCRIVRIRIVRIV)1 (VCC静态工作点: EeCCCEBEebBECCBonBEIRVVIIRRVVIVV)1 ()1 (第50页/共124页2动

39、态分析 7.4.1共集电极放大电路小信号等效电路：（1）输入电阻Ri)1 (/)1 ()/(iibiiLbeiLeLbiLbbebLeebebiRvRviRrRRRRiRRiriRRiriv所以，)1 (/LbebibiRrRRRR第51页/共124页（2）电压增益Av和电流增益AiLbLeeoRiRRiv)1 ()/(电压增益为：)1 ()1 ()1 ()1 (LbeLLbbebLbiovRrRRiriRivvA通常， beLrR )1 (故共集电极放大电路的电压增益约小于1，且输出电压与输入电压相位相同，跟随输入电压变化。因此，共集电极放大电路又称为射极跟随器。 电流增益为 1/Livii

40、LoioiRRARvRviiALbbebLeebebiRiriRRiriv)+1 (+=)/(+=第52页/共124页（3）输出电阻RoetsbetsbetRbbtRvRrvRrviiiie式中：bssRRR/ 1/, 0beseetsbetsbettRvttorRRRvRrvRrvvivRLs第53页/共124页7.4.2 共基极放大电路1.静态分析直流通路 静态工作点： CCbbbBVRRRV2121EBII)(ecCCCCERRIVVeBEBERVVI/ )(BCII第54页/共124页 2动态分析 7.4.2 共基极放大电路小信号等效电路： （1）输入电阻Ri:beieibReRirv

41、Rviiiiiee)1 ()1 (所以， 1/1/1)1 (11)1 (beiiebeebeebeieiiiiirRRRrRrRrvRvvivR第55页/共124页（2）电压增益Av 2动态分析 bebirivLcLecoRiRRiv)/(式中 ,LcLRRR/beLbebLbbebLciovrRriRiriRivvA 共基极放大电路的输出电压与输入电压相位相同，放大能力与共射极放大电路相当。 第56页/共124页（3）输出电阻Ro 2动态分析 00)1)(/()/(bbesbbeeesbbeiiRRiriRRir所以，ccttvttoRRvvivRs/0例7.6 第57页/共124页7.4.

42、3 晶体管三种放大电路的比较1.三种放大电路的判别 看放大电路中输入信号加在晶体管的哪个极，输出信号取自晶体管的哪个极。 共射极放大电路电路中，输入信号加在晶体管的基极，输出信号取自集电极； 共集电极放大电路中，输入信号加在晶体管的基极，输出信号取自发射极； 共基极放大电路中，输入信号加在晶体管的发射极，输出信号取自集电极。 因此，未与输入信号和输出信号相连的电极既是公共电极。 第58页/共124页2.共射、共基、共集电路比较 (3) 共基极放大电路只能放大电压不能放大电流，且具有很低的输入电阻，这使得晶体管的结电容影响不明显，所以其频率特性是三种接法中最好的（见7.6节），常用于宽频带放大电

43、路。 (1) 共射极放大电路既能放大电压又能放大电流， 输入电阻和输出电阻在三种组态中居中，频带较窄，常用作低频电压放大电路中的单元电路。 (2) 共集电极放大电路只能放大电流不能放大电压，电压放大倍数小于且接近于1，具有电压跟随的特点，其输入电阻大，输出电阻小，常被用于多级放大电路的输入级和输出级，或作为隔离用的中间级。 第59页/共124页放大电路三种基本组态的比较表 第60页/共124页7.5组合放大电路7.5.1 共集-共基组合放大电路1.静态分析CCbbbBVRRRV212232211)(bBBEBECCBRVVVVI1112BCCIII)(221BEBCCCEVVVV2222)(C

44、cBEBCEIRVVV第61页/共124页2.动态分析7.5.1 共集-共基组合放大电路交流通路：小信号等效电路：（1）（2）第62页/共124页2111vvioooiovAAvvvvvvA2.动态分析7.5.1 共集-共基组合放大电路由共集电路增益表达式（7.4.3a）和共基电路增益表达式（7.4.6），得22112212221121)1 ()1 ()/()1 ()1 ()/()1 ()1 (bebeLcbeLcibeivrrRRrRRRrRA设1=2=，则21)/(bebeLcvrrRRA电压增益：第63页/共124页2.动态分析7.5.1 共集-共基组合放大电路输入电阻Ri： 输入电阻等

45、于第一级放大电路的输入电阻 )1 ()1 (/)1 (/2211321131bebebibebiirrRRrRRR设1=2=，则)/(2131bebebiirrRRR输出电阻等于第二级放大电路的输出电阻，即 cooRRR2第64页/共124页7.5.2 共集-共集组合放大电路复合管（也称为达林顿管） 1四种复合管 (a) NPN+NPNNPN（第1个元件） (b) PNP+PNPPNP（第1个元件） 第65页/共124页1四种复合管 (c) NPN+PNPNPN（第1个元件） (d) PNP+NPNPNP（第1个元件） 等效晶体管的类型是第1个元件的类型。 （1）复合管的组成原则第1个元件的集

46、电极电流或射极电流作第2个元件的基极电流，真实电流方向一致。晶体管组成复合管时，应遵守下述两条原则：在正确的外加电压下，每只晶体管均工作在放大区。第66页/共124页（2）复合管的主要参数电流放大系数(a) NPN+NPNNPN（第1个元件） 以（a）图为例：BBBEBBBCCCiiiiiiiiii)1 ()1 (121112111211221121所以 212121121)1 (BCii复合管的电流放大系数近似等于每个管子的电流放大系数之乘积。 第67页/共124页（2）复合管的主要参数输入电阻rbe(a)和(b)是由两只同类型的晶体管构成的复合管，其输入电阻为 211)1 (bebeber

47、rr(c)和(d)是两只不同类型的晶体管构成的复合管，其输入电阻为 1beberr 第68页/共124页2共集共集放大电路的动态参数T1和T2是NPN管，复合为一只NPN管，由前述分析，其电流放大系数为：21 )/)(1 ()/)(1 (LebeLeiovRRrRRvvA)/)(1 (/LebebiRRrRR1/bebseorRRRR复合管构成的共集电极放大电路的小信号等效电路：第69页/共124页7.6放大电路的频率响应载流子通过发射射区、发射结、基区、集电结和集电区形成电流时，出现电荷积累效应，这种效应可用皮法（10-12F）级的极间电容模拟。 当信号频率过高或过低时，必须考虑晶体管极间电

48、容或耦合电容的影响。 当频率低于数兆赫兹时，电容效应可忽略不计，晶体管的交流特性可用低频小信号模型模拟。 当频率足够高时（具体频率值取决于耦合电容的大小），耦合电容（以及旁路电容）对信号相当于短路。 第70页/共124页7.6.1 晶体管的高频小信号模型和频率参数1晶体管的高频小信号模型 晶体管工作过程中发生的物理现象可用右图的电路元件模拟。 rbb模拟从基极到发射结的基区体电阻（约为几十几百欧姆）；Cbe是发射结电容（约为10pF几百pF）；Cbc是集电结电容（约为几个pF）；rbe模拟发射结的正向导通电阻，re模拟发射区的体电阻(远小于rbe)；rbc模拟集电结的反向电阻（约为100k10

49、0M），rc模拟集电区的体电阻(远小于rbc)。第71页/共124页忽略re和rc，得到晶体管的高频小信号模型：受控源ebmVg模拟发射结电压对集电极电流的控制作用， rce反映基区调制效应（大于100k）。 第72页/共124页2混合形模型的简化在高频小信号模型中，通常情况下，rce远大于c-e间所接的负载电阻，而rbc也远大于并联电容Cbc的容抗，因而可以将rce、rbc视为开路，得到简化的混合形模型。混合形模型简化的混合形模型第73页/共124页混合模型的单向化处理：简化的混合形模型 因C跨接在输入回路与输出回路之间，对求解不便，可用密勒定理进行通过单向化处理。单向化后的混合模型 电容C

50、通过的电流等于通过C流出节点b的电流，电容C通过的电流等于通过C流出节点c的电流。C和C称为密勒电容。第74页/共124页简化的混合形模型设C的容抗为X=1/C，C的容抗为X=1/C。单向化后的混合模型在简化的混合形模型中， ebcevebvceebVVAjXVAjXVVI)1 (1在单向化后的混合模型中， 1jXVIebCACCACAXXvvv)1 ()1 (111所以， 第75页/共124页单向化后的混合模型CACv)1 ( 显然，密勒电容C越大，电路的高频特性越差。考虑C对放大电路频率特性的最坏影响，Av于取放大电路中频增益的绝对值（最大增益），于是CACv)1 (同理，可以得到 CAA

51、Cvv 1由上两式可以看出， CC 且 C 的容抗一般要远大于与其并联的负载的阻抗，故的作用可以忽略不计。C 化简图中 CCC第76页/共124页3混合形模型参数与h参数的关系低频时，忽略C、C 的影响，混合形模型简化为: 低频混合模型 h参数小信号模型 简化混合模型 等效ETbbbeIVrr)1 (0ebbbberrrbebmIVg0bebebIrV所以， ETebIVr)1 (0TEebbebmVIrVIg00第77页/共124页7.6.2 晶体管的频率参数简化的混合模型 结电容C和C会影响晶体管的电流放大系数。在高频情况下， 若 bI的幅值不变，则随着信号频率的升高， b-e之间的阻抗将

52、减小，使得电压 ebV的幅值也减小， 同时相移也增大，从而引起集电极电流 cI的大小随 ebV的下降而下降， 并产生与 ebV相同的相移。 此可见，在信号的高频段，当信号频率变化时， cI与 bI的关系也随之变化， 是频率的函数。 CEVBCfeiih0bcceVII第78页/共124页计算电流放大系数将c-e间交流短路（ )0ceV)(j)/1(ebebbbCCrVIIIICCebebmebmcjVCVgIVgIC所以，)(j)/1 (jebmCCrCgIIbc通常 ,Cgm， )(j1)(j)/1 (ebebmebmCCrrgCCrg第79页/共124页)(j1)(j)/1 (ebebme

53、bmCCrrgCCrg考虑到 0ebmrg和 f2，得 )( 21j1)(j1eb0eb0CCrfffCCr的幅频特性和相频特性表达式为 )(1log10log20log2020ffffarctan第80页/共124页由 的幅频特性和相频特性表达式： ,)(1log10log20log2020ffffarctan可绘出的幅频特性和相频特性曲线： f是的3dB频率， 共射截止频率。 简称为fT是1对应的频率，称为共射特征频率。 )(2)( 2eb00CCgCCrffmT第81页/共124页f利用与的关系，可以求出晶体管的共基极截止频率。f是的3dB频率，简称为共基截止频率。Tffffff00)1

54、 (fffT共基极放大电路的通频带比共射放大电路宽，常作为宽频带放大电路 ffffffffff)1(1j1)1(j11j11j110000000000第82页/共124页7.6.3 共射极放大电路的频率响应 在分析放大电路的频率响应时，一般将信号的频率范围分为高频、中频和低频三个频段。 而晶体管的极间电容远比耦合电容（或旁路电容）小，约相差106量级。 中频段，极间电容因容抗很大而视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗较小而视为短路； 高频段，耦合电容（或旁路电容）同样视为短路，主要考虑极间电容的影响； 低频段，极间电容因容抗比中频段更大而视为开路，主要考虑耦合电容（或旁路电容）的影响。 第8

55、3页/共124页共射放大电路和全频段小信号等效电路： 共射放大电路： 全频段小信号等效电路： 1中频电压增益 在输入中频电压信号作用下，极间电容因容抗很大而视为开路，中频段小信号等效电路 耦合电容（或旁路电容）C1、C2和Ce因容抗较小而视为短路。 第84页/共124页bebbebbbbbirRRrrRRR/)/(/2121beebebbebirrVriVLebmoRVgV上式中，LcLRRR/则中频电压增益： isibeebLmisibeebebLebmsiiosovsMRRRrrRgRRRrrVRVgVVVVVVA令 0ebmrg，则中频电压增益与用h参数小信号等效电路的分析结果一致 。i

56、sibeLvsRRRrRA第85页/共124页2高频电压增益 在输入高频电压信号作用下，耦合电容C1、C2、Ce因容抗小而视为短路；主要考虑晶体管的极间电容的对放大电路性能的影响。 共射放大电路高频段小信号等效电路： 共射放大电路： 戴维南等效电路 第86页/共124页共射放大电路高频段小信号等效电路： 戴维南等效电路 ：SbeSSVrrRRRVrrrRRRVe bisie bbbe bisibebbebbbbbrRRrrRRR/)/(/1111i)/(/sb2b1bbe bRRRrrR由戴维南等效电路图 ：ssebVCRjVCjRCjV1111sbeebisiLmsLmLebmoVrrRRR

57、CRjRgVCRjRgRVgV 11)11(式中，LcLRRR/。 第87页/共124页则高频电压增： HvsMbeebisiLmsovsHffjACRjrrRRRRgVVA111sbeebisiLmsLmLebmoVrrRRRCRjRgVCRjRgRVgV 11)11(CRfH21由上式可知，为了改善放大电路的高频特性，应该减小b-e之间的等效电容 和输入回路电阻R。 C第88页/共124页3低频电压增益共射放大电路： 完全等效电路： 在输入低频电压信号作用下，极间电容因容抗大而视为开路，主要考虑耦合电容和旁路电容C1、C2、Ce对放大电路性能的影响。 第89页/共124页 由完全等效图直接

58、来求低频电压增益表达式会比较麻烦，因此，需要作一些合理的近似。 完全等效电路： 完全等效电路的化简：假设由Rb(=Rb1/Rb2)远大于放大电路的输入阻抗，即beebbbebbbbbrrrrrRRR11i)/(/再假设Ce的值足够大，以至于在低频范围内，它的容抗足够小，远小于Re的值，因此可以忽略Re的影响，第90页/共124页ebebebesebmebesebebeebmeebbbsebeebebmebebebbbseebebbbssebebebmebmebebcberVCCrRjrgCCrRrVCCjrgCCrrRVCjrrgrVCjrrRCjIICjrrRVVrrgVgrVIII1111

59、11)()1 (1)()1 (1)1(1)1(1式中， LcLRRR/22)(/111/1CRRjVRgRCjRRRVgVLcebLmLLccebmo第91页/共124页)(11)()()1 (1 (11)()1 (1)()(/111211112CRRjCCrRjrgCCrrrRrRgrCCrRjrgCCrRCRRjRgVVALcebesebmebeebbesbeLmebebesebmebesLcLmsovsL22)(/111/1CRRjVRgRCjRRRVgVLcebLmLLccebmoebebebesebmebessrVCCrRjrgCCrRV11)()1 (1)()(11)()()1 (

60、1 (12101CRRjCCrRjCCrrRRRRgALcebesebeebisiLmvsl第92页/共124页令： )(11)()()1 (1 (12101CRRjCCrRjCCrrRRRRgALcebesebeebisiLmvsl;)()1 (211011beseeLrRCCCCf)(2122LcLRRCf则低频电压增益表达为：)1)(1 (21jffjffAALLvsMvsL有fL1和fL2两个转折频率。如果这两个转折频率的比值在四倍以上，通常取大的那个作为放大电路的下限频率fL。ffjAALvsMvsL1第93页/共124页4共射放大电路的全频域响应ffjAALvsMvsL1isibe