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1、第4章 晶体三极管及其放大电路本章主要内容：l 晶体三极管的工作原理l 放大电路的组成原则l 放大电路的分析方法l 放大电路的三种组态l 放大电路的频率响应4.1 晶体三极管一、晶体三极管的结构、类型、内部载流子运动过程1、 结构、名称：2、 类型：3、 典型条件下内部载流子运动过程：条件：发射结正偏，集电结反偏(1)发射区发射多子：因发射结正偏，发射区的多子（电子）向基区扩散（基区的多子亦向发射区扩散，但因基区多子浓度很低，此部分可忽略不计），并形成发射区、发射极电流（IEN，扩散电流）。(2)多子在基区的扩散与复合：发射区扩散的多子存在浓度差，继续向集电结扩散，在此过程中，少部分与基区的少

2、子（空穴）复合，在基极外电压作用下，补充复合的空穴，形成基极电流（IBN），因基区很窄，此电流亦很小；剩下的大部分扩散到集电结附近。(3)集电区收集多子：因集电结反偏，在此外加的反向电压的作用下，扩散来的多子（电子）漂移到集电区（集电区的少子亦漂移到基区，但集电区浓度较低，形成的电流亦较小），形成集电区、集电极的主要电流（ICN，漂移电流）。二、三极管的电流放大特性1、 近似条件下的电流关系：忽略基区的扩散电流、集电区的漂移电流，则：，则：。若将三极管看作一个电流节点，依KCL：定义：直流电流放大系数： 2、 考虑集电区漂移情况下的电流关系：若考虑集电结反偏、集电区的少子漂移产生的电流ICBO

3、（仍忽略基区的扩散电流），则：，仍符合KCL。，根据此式，有如下结论：(1)若忽略ICBO，则(2)令IB=0，即基极开路，则：，其物理意义是：在基极开路，集电极与发射极外加反向电压时，C-E间仍有电流，定义此电流为ICEO，并称其为穿透电流。其形成原理如下：A在集电极与发射极间外加反向电压的情况下，相当于两个PN结串联，发射结正偏，集电结反偏，发射区向基区发射多子（电子），集电区向基区漂移少子（空穴）；B发射区扩散到基区的多子（电子）在扩散过程中与基区的多子（空穴）复合，此时，由于基极开路，由集电区漂移到基区的少子（空穴）填补了为维持基区电荷平衡所需的多子（空穴），形成ICBO，即；另外大部

4、分被集电结的反向电场拉向集电区，形成ICN。C根据的定义，而此时的，故，依此可得：3、 三极管的电流放大特性：(1)直流状态下：，即较小的基极电流对应于较大的集电极电流。(2)交流状态下：定义：为交流电流放大系数，在输入交流信号为小信号时，因此，通常不对二者区分。(3)三极管的电流放大特性：共发射极组态下，三极管较小的基极电流或电流变化，引起较大的集电极电流或集电极电流变化（主要强调后者）。(4)共基极组态电流放大系数：定义：直流：交流：，通常：根据，可得：，显然，若远大于1，则。三、三极管的伏安特性曲线及其工作区1、 输入特性：2、 输出特性：3、 输出特性的三个工作区(1)截止区：，此时，

5、因发射结反偏（或虽然正偏但外加电压小于开启电压），集电结反偏，形成很小的ICEO。(2)放大区：，此时，发射结正偏，集电结反偏，处于正常的电流放大状态。IB的小变化引起IC的大变化。(3)饱和区：，此时，两结均正偏，表现为IC不仅与IB有关，亦与UCE有关，IC随IB、UCE的较小变化发生较大变化，解释如下：A保持IB不变，改变UCE：当由放大区开始，逐步减小UCE时，集电结的反偏电压逐步减小，对发射区扩散来的多子的电场力逐步减小，IC逐步减小，当使UBC为0时，此时的状态称为临界饱和状态（IC与IB间仍维持关系），过此状态后，集电结开始正偏，阻碍发射区扩散来的多子，IC急剧减小（虽然集电子区

6、的多子此时可扩散到基区形成一定电流，但因集电区掺杂浓度不高，此电流变化不明显）。B保持UCE不变，改变IB：在保持UCE不变且维持集电结正偏的情况下，若需改变IB，需改变UBE，UBE越小，IB越小，UBC越大，集电结的正偏电压越高，阻碍力越大，IC越小。四、三极管的主要参数1、 直流参数：(1)共射直流放大系数(2共基直流放大系数(3)极间反向电流2、 交流参数：(1)共射交流放大系数(2)共基交流放大系数(3)特征频率fT：当信号频率升高到一定程度时，会下降且产生相移，即是信号频率的函数，记作；使下降到1时对应的信号频率称为三极管的特征频率。3、 极限参数：(1)最大集电极耗散功率PCM(

7、2)最大集电极电流ICM(3)极间反向击穿电压U（BR）CBO、U（BR）CEO、U（BR）EBO五、温度对三极管参数及性能的影响1、 温度对ICBO的影响：温度每升高10oC，ICBO增加一倍；硅管比锗管的温度稳定性好。2、 温度对输入特性的影响：温度升高，输入曲线左移在相同UBE的情况下，IB增大。3、 温度对输出特性的影响：温度升高，输出曲线整体上移，且间隔加大在相同IB情况下，ICEO、增大。4.2 放大电路的组成与工作原理一、基本共射放大电路的组成与工作原理1、 组成及各器件作用：（1） 三极管：使其工作于放大区，实现电流放大。（2） 基极偏置电阻：为基极提供合适的电源，使发射结正偏

8、；提供小信号输入通道。（3） 集电极负载电阻：为集电极提供合适电源，使集电结反偏；将iC的变化转换大幅度的电压变化，实现电压放大。2、 静态工作点及其设置必要性：（1） 概念：在输入信号为0时，基极电流、集电极电流、B-E间电压、C-E间电压值称为静态工作点，分别表示为：IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。（2） 求法： （3） 设置静态工作点的必要性：保证在输入信号较小或输入信号为负时，发射结均处于正偏状态，集电结均处于反偏状态。3、 工作原理：在VBB与输入小信号共同作用下（以正弦信号为例，rbe为交流状态下基极-发射极间的动态电阻）：（1） 输入信号引起iB微变： （2） 三极管电流放大

9、，iC发生大变化： （3） 集电极负载将大变化的电流转换为大变化、但反相的电压变化：二、常见的实用单管（级）共射放大电路1、 电路改进：（1） 单电源供电（2） 信号源与输出共同接地（3） 根据需要，可在输入、输出端加电容隔直流、通交流2、 静态工作点的计算：（1） a图：（2） b图：4.3 放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路与交流通路1、 直流通路：指放大电路在只有直流电源作用、没有交流信号作用的情况下，电路各处的直流电流通路。主要用于分析、计算静态工作点。电容：开路处理；电感：短路处理；信号源：为0但保留内阻。2、 交流通路：指放大电路在只有交流信号作用、没有直流电源的情况下，电路

10、各处的交流电流通路。主要用于分析电路在信号作用下的动态情况。电容：短路处理；电感：开路处理；直流电源：作为恒压源处理短路。二、图解分析法（简介）1、 静态分析（只有直流电源作用，无输入信号作用）：（1） 输入回路方程：，将该直线画于输入特性曲线图上，其交点即为输入回路的静态工作点。此直线称为输入回路直流负载线。（2） 输出回路方程：，将该直线画于输出特性曲线图上，直线与相应IB值所对应的曲线交点即为输出回路的静态工作点。此直线称为输出回路直流负载线。（3） 可分析温度变化对静态工作点的影响：2、 动态分析（只有交流输入信号作用）：（1） 输入回路方程：，根据输入的交流信号及其变化范围，找出直流

11、负载线与输入曲线交点的变化范围，再求出iB的变化范围。（2） 输出回路方程：与静态时的直流负载线相同，故也称为交流负载线。根据的iB变化范围，找出交流负载线与输出曲线交点的变化范围，再求出iC、uCE的变化范围。（3） 可求解电路的电压放大倍数；可进行失真分析：截止失真因静态工作点位置过低，靠近截止区，而导致输出电压信号正半周失真。饱和失真因静态工作点位置过高，靠近饱和区，而导致输出电压信号负半周失真。3、 图解法的优缺点：（1） 优点：直观，易于理解，适合于静态工作点的定性分析、失真问题的定性分析，尤其适用于非小信号时功率放大器的分析。（2） 缺点：不准确，过程繁琐。三、等效电路分析法1、

12、三极管的直流等效模型：（1） 输入回路：若将UBE作为一个常量，则B-E间可等效为一个理想二极管与恒压源UBE的串联。（2） 输出回路：根据，C-E间可等效为一个理想二极管与恒流源的串联。2、 三极管的交流等效模型：（1） 根据输入、输出特性求三极管的h参数：（2） 各h参数的物理意义：h11在UCE为常量时，B-E间的动态电阻，记作rbe，近似计算时可取1K左右。h12在IB为常量时，uCE的变化对uBE的影响，称为内反馈系数，此值通常很小。h21在UCE为常量时，iC与iB变化量的比值。h22在IB为常量时，C-E间动态电导，记作1/rce。rce通常为几百K以上。（3） 输入/输出回路的

13、h参数表达式（变化量用正弦信号代替）：（4） 三极管的h参数等效模型：A完整模型：输入回路等效为rbe与受控源的串联；输出回路等效为电阻rce与受控源的并联。，根据，所以，B简化模型：通常，h12很小，rce很大，均将其忽略，则：输入回路等效为rbe；输出回路等效为受控源。3、 放大电路的动态参数及其求解：（1） 求解电压放大倍数：（2） 求解输入/输出电阻：A 输入电阻Ri：去掉信号源与负载，将放大电路看作成一个输入端口的二端口网络，在放大电路输入端口所加电压与产生的电流有效值之比。B 输出电阻Ro：去掉信号源与负载，将放大电路看作成一个输出端口的二端口网络，在放大电路输出端口所加电压与产生

14、的电流有效值之比。4.4 放大电路的三种组态一、共发射极组态1、 温度对静态工作点的影响：（1）输入特性左移、输出特性上移且间隔加大。（2）静态工作点：温度升高时，Q点沿直流负载线上移，向饱和区靠近；温度降低时，Q点沿直流负载线下移，向截止区靠近。2、 静态工作点稳定的共发射极组态放大电路：（1）方法：在发射极串接电阻（并可在其旁并接交流旁路电容）。（2）原理：A合理选择Rb1、Rb2的参数，使其中的电流远大于IB，则，与温度无关。B当温度升高时，IBQ、ICQ、IEQ升高，UE=URe增大，但因UBQ恒定，故UBEQ减小，IBQ减小，ICQ、IEQ均减小，Q点基本稳定。3、 静态与动态分析计

15、算：（1）静态计算：，（2）动态计算（以未并发射极旁路电容为例）：A，若，且，则，与温度基本无关。B。C二、共集电极组态1、电路结构： 信号源与信号输出共集电极（地），基极输入、发射极输出。仍须保证：发射结正偏，集电结反偏。2、静态计算与分析：3、动态计算与分析： 仍使用三极管的h参数等效模型B-E间用rbe代替，C-E间用受控源代替。A 电压放大倍数：，若>>1，则，称此电路为射极输出器、射极跟随器。B 输入电阻：，远大于共发组态输入电阻优从信号源取得的信号大。C 输出电阻：，与共射电路比较，很小优驱动负载能力强。三、共基极组态1、电路结构： 信号源与输出共基极，发射极输入、集电

16、极输出。但仍需保证发射结正偏，集电结反偏。2、静态计算：3、动态计算：A 电压放大倍数：，若Re为信号源内阻非常小，则，很大。B 输入电阻：，若Re为信号源内阻，则：，很小差。C 输出电阻：在将信号源短路后，ib=0，ic=0，故：Ro=Rc，较大。四、三种组态的性能比较1、放大能力：共射：既放大电流，也放大电压。共集：只放大电流，不放大电压。共基：只放大电压，不放大电流。2、输入电阻： 共射：居中 共集：最大 共基：最小3、输出电阻： 共射：较大 共集：最小 共基：较大4.5 放大电路的频率响应一、放大电路的放大倍数与频率的基本关系：1、因放大电路中电容/电感等频率相关元件的存在、三极管本身

17、各电极间存在的极间电容、电路构成后存在各种分布电容、寄生电容，故当信号频率极低或极高时，放大器的放大倍数均会下降，同时，输出信号与输入信号间产生超前或滞后相移。2、放大倍数与频率间的关系是一种函数，此函数称为频率响应或频率特性。二、幅频特性与相频特性：1、幅频特性： 描述放大电路电压放大倍数的幅值与频率关系的曲线称为幅频特性。2、相频特性： 描述放大电路电压放大倍数的相位与频率关系的曲线称为相频特性。3、下限频率与上限频率：A当信号频率逐步降低，使电压放大倍数下降到该放大器电压放大倍数最大值的，或者，使电压放大倍数的相位由0变化到+45o时（超前），所对应的输入信号的频率，称为下限截止频率fL

18、，简称为下限频率。B当信号频率逐步升高，使电压放大倍数下降到该放大器电压放大倍数最大值的，或者，使电压放大倍数的相位由0变化到-45o时（滞后），所对应的输入信号的频率，称为上限截止频率fH。简称为上限频率。CfL与fH间的频带称为放大器的通频带。Fbw=fH-fL。DfL与fH均可统一表示为，其中，表示电容所在回路的时间常数。三、波特图：1、因电压放大器的电压放大倍数可能在很大的范围内变化，为更方便地反映放大器的幅频特性，对放大倍数与频率均取对数，再考察其相互关系，此曲线称为波特图。（但通常，横轴仍以频率表示。）对放大倍数取对数后的结果称为增益，单位为dB，。在波特图中，相频特性仍用相位与频率的关系表示。2、优点：可将多级放大器电压放大倍数相乘转换为增益的加法