模电第4章(全)

1、4.1 半导体三极管半导体三极管4.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法4.4 放大电路静态工作点的稳定问题放大电路静态工作点的稳定问题4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路共集电极放大电路和共基极放大电路4.2 共射极放大电路的工作原理共射极放大电路的工作原理4.6 组合放大电路组合放大电路4.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应第四章第四章 双极结型三极管及放大电路双极结型三极管及放大电路4.1.1 BJT的结构简介的结构简介4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理4.1.3 BJT的的VI特性曲线特性曲线4.1.4 BJT的主要参数的主要参数4.1 半导体三极

2、管半导体三极管由于三极管内有两种载流子由于三极管内有两种载流子( (自由电子和空穴自由电子和空穴) )参与导电，故参与导电，故称为双极结型三极管或称为双极结型三极管或BJTBJT (Bipolar Junction Transistor) (Bipolar Junction Transistor)。 (a)(a)小功率管小功率管 (b)(b)小功率管小功率管 (c)(c)大功率管大功率管 (d) (d) 中功率管中功率管4.1.1 BJT的结构简介的结构简介三极管的结构与符号三极管的结构与符号结构结构符号符号两种类型两种类型: :NPNNPN型和型和PNPPNP型型NPNNPNPNPPNPBC

3、E集电区集电区掺杂浓度低于掺杂浓度低于发射区发射区发射区发射区掺杂浓度很高掺杂浓度很高基区基区很薄很薄掺杂浓度很低掺杂浓度很低集电集电结结发射发射结结各区域的多子各区域的多子数量相差很大数量相差很大发射区多子数量最多发射区多子数量最多集电区多子数量居中集电区多子数量居中基区多子数量非常少基区多子数量非常少三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子的传输体现出来的。通过载流子的传输体现出来的。4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏BCENPN集电结集电结反偏反偏

4、少少子漂移子漂移发射结发射结正偏正偏多多子扩散子扩散1、BJT内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程NBCENP集电结集电结反偏反偏少少子漂移子漂移发射结发射结正偏正偏多多子扩散子扩散发射区大量多子扩散到发射区大量多子扩散到基区，形成较大的基区，形成较大的IENBCENP集电结集电结反偏反偏少少子漂移子漂移发射结发射结正偏正偏多多子扩散子扩散IE其中少部分与基区多子其中少部分与基区多子复合，形成较小的复合，形成较小的IBNBCENP集电结集电结反偏反偏少少子漂移子漂移发射结发射结正偏正偏多多子扩散子扩散IEIBNBCENP集电结集电结反偏反偏少少子漂移子漂移发射结发射结正偏正偏多多子扩散子扩

5、散IEIBIC其余大部分成为基区的其余大部分成为基区的“少子少子”，将漂移到集，将漂移到集电区，形成较大的电区，形成较大的IC考虑所有区域的多子或少子流考虑所有区域的多子或少子流动后内部载流子的传输过程动后内部载流子的传输过程发射区多子扩散发射区多子扩散基区多子扩散基区多子扩散基区、集电基区、集电区少子漂移区少子漂移ECNII通常通常 IC ICBOEC II所以2. 电流分配关系电流分配关系CBOECBOCIIIIICN共基共基电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般浓度有关，与外加电压无关。一般 = 0.9 = 0.9

6、0.99 0.99 。CBOECIIICBEIIICBOCBIIICBOBCIII111CBOBNEPBIIII CBOCNENEPIIII CEII 1 设BCEOCIIIBCCEOCIIII 时，时，当当CBOBCIII111CBOCBOCEOIII111CEOBC III则穿透电流穿透电流共射共射电流放大系数。一般电流放大系数。一般 1 1CEOBC IIIBCII1 CBOCEOII 1结论结论ECIIIBNPNIEIC表示了以表示了以IE作输入、作输入、IC作作输出时的电流放大倍数输出时的电流放大倍数共基电流放大系数，共基电流放大系数，小于小于1，但接近于，但接近于1发射区发射到基区

7、的电子有多大的比例被基区复合，基本上由发射区与基区各自多子数目的比例确定，相应地，到达集电区的电子数目所占的比例也就确定了，该比例即代表了IC与IE的比例：通过电阻将电流转换为电压，可以实现通过电阻将电流转换为电压，可以实现电压放大电压放大VLiC=ICiB=IBRLVEEVCCiE=IE+-+-vBE=VEE+vBE+iE+iB+iCvI+vO电压放电倍数电压放电倍数iLCioVvRivvA选择适当的选择适当的RL，可以使，可以使AV大于大于1若将将IB视为输入， IC视为输出，定义三极管的共射电流放大倍数共射电流放大倍数BCIINPNICIEIB1远大于远大于1较小的IB可控制产生较大的I

8、C说明三极管具有电流放大作用三极管具有电流放大作用发射结正偏之后，就有了IB，相应地才会有IC；如果发射结反偏，没有了IB也不可能有IC，说明IB对对IC具有有控制作用具有有控制作用三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反

9、偏。共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CCCC表示。表示。共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用，基极作为公共电极，用CBCB表示；表示；共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CECE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态3. 三极管的三种组态三极管的三种组态4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线1、共射电路共射电路的特性曲线的特性曲线（1）共射电路的）共射电路的输入特性曲线输入特性曲线 CEvBEBvfi)(常数常数（2）共射电路的）共射电路的输出特性曲线输出特性曲线BiCECvfi)(常数常数2、共基电路共基电路的

10、特性曲线的特性曲线iB( A)vBE(V)204060800.40.8vCE=0VvCE =0.5VvCE 1V输入特性输入特性CEvBEBvfi)(常数iB( A)vBE(V)204060800.40.8实际中，一般满足实际中，一般满足vCE 1V，因此可以认为输入特，因此可以认为输入特性曲线只有一条曲线性曲线只有一条曲线(与二极管伏安特性曲线相同）与二极管伏安特性曲线相同）vCE 1V导通后电压导通后电压硅管约硅管约0.7V锗管约锗管约0.3V死区电压，硅管约死区电压，硅管约0.5V，锗管约，锗管约0.1ViB( A)vBE(V)204060800.50.8iC(mA )1234vCE(V

11、)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A输出特性输出特性iC(mA )vCE(V)IB= 100 A输出特性输出特性形成原理形成原理iC(mA )1234vCE(V)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A该区域该区域vCE1V输出电流输出电流iC与与输入电流输入电流iB成成正比正比。放大器放大器必须工作在该必须工作在该区域区域，以保证，以保证输出信号与输输出信号与输入信号成比例入信号成比例增长，防止信增长，防止信号波形严重失号波形严重失真。所以该区真。所以该区域称为域称为

12、放大区放大区工作区域的划分工作区域的划分iC(mA )1234vCE(V)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A该区域输入电流为该区域输入电流为0，输出电流，输出电流也几乎为也几乎为0，称为，称为截止区截止区iC(mA )1234vCE(V)36912IB=0IB= 20 AIB= 40 AIB= 60 AIB= 80 AIB= 100 A该区域该区域vCE很小，此时很小，此时iC随随vCE的变的变化明显，而化明显，而iB的增加并的增加并不能引起不能引起iC的明显增加的明显增加，该区域称为该区域称为饱和区饱和区各工作区的特点各工作区

13、的特点放大区放大区发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏电流成正比电流成正比iCiBvBE0.7VvCE 较大较大(一般大于一般大于 1V)vCBvCEvBE 0iBvCEvBENNPvCBiEiC截止区截止区发射结反偏发射结反偏集电结反偏集电结反偏电流为电流为0iB0实际上实际上vBE小于死区小于死区电压时，三极管即电压时，三极管即已截止。为使其可已截止。为使其可靠截止，一般满足靠截止，一般满足vBE 0ViC0饱和区饱和区发射结正偏发射结正偏集电结正偏集电结正偏电流不成比例电流不成比例iC iBvBE0.7VvCEVCES饱和压降饱和压降，该电压，该电压很小约为很小约为0.3V，也，也可

14、近似为可近似为0vCBvCEvBE IBQ ，CCb2b1b2BQVRRRV 此时，此时，VBQ VBEQ一般取一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V 则工作点则工作点IC、VCE几乎与几乎与BJT参数无关参数无关温度变化导致温度变化导致BJT参数变化对工作点的影响很小参数变化对工作点的影响很小eBeBEBERVRVVIVCEVCCICRCIEReICIE足够大足够大（2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析静态工作点的估算静态工作点的估算CCb2b1b2BQVRRRV eBQeBEQBQEQCQRVRVVII)(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVV IIC

15、QBQ 电压增益电压增益画小信号等效电路画小信号等效电路（2 2）放大电路指标分析）放大电路指标分析输出回路：输出回路：)/(LcboRRi v输入回路：输入回路：ebbebeebebi)1(RiriRiri v电压增益：电压增益：ebeLcebebLcbio)1()/()1()/(RrRRRriRRiA vvv确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe)mA()mV(26)1(200EQbeIr 增益增益输入电阻输入电阻则输入电阻则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻)1(ebebiRri vb2ib1iei)1( RRRriiivv

16、v bebibRb2b1eiii11)1(11RRRriR bev)1(|ebeb2b1RrRR R RO O=R=RC C输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻4.5 共集电极放大电路和共集电极放大电路和共基极放大电路共基极放大电路4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路4.5.2 共基极放大电路共基极放大电路4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较4.5.1 共集电极放大电路共集电极放大电路1.1.静态分析静态分析共集电极电路结构如图示共集电极电路结构如图示该电路也称为该电路也称为射极输出器射极输出器ebBEQCCBQ)1(RRVVI eEQCCCEQRIVVBQCQII e

17、EQBEQbBQCCRIVRIV BQEQ)1(II 由由得得直流通路直流通路 小信号等效电路小信号等效电路2.2.动态分析动态分析交流通路交流通路 电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：Lbbebi)1 ( Ririv电压增益：电压增益：1)1()1()1()1(LbeLLbeLLbebLbio RrRRrRRriRiAvvv其中其中LeL/ RRR Lbo)1 (Riv一般一般beLrR ，则电压增益接近于，则电压增益接近于1 1，同同相相与与iovv射极电压跟随器射极电压跟随器1 vA即即。输入电阻输入电阻当当1 ，beLrR 时，时，Lbi/RRR 输入电阻大输入电阻

18、大)1(| )1(LbLibiiiiiRrRRrRiR bebevvvv输出电阻输出电阻由电路列出方程由电路列出方程ebbtRiiii )(sbebtRri veteRiR v其中其中bss/RRR 则则输出电阻输出电阻rRRiR 1/besettov当当 1beserRR，1 时，时， besorRR 输出电阻小输出电阻小rRRR 1/beseo共集电极电路特点：共集电极电路特点：同同相相与与iovv 电压增益小于电压增益小于1 1但接近于但接近于1 1， 输入电阻大，对电压信号源衰减小输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强)1(/LbebiRrRR

19、 1 vA。4.5.2 共基极放大电路共基极放大电路1.1.静态工作点静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同直流通路与射极偏置电路相同CCb2b1b2BQVRRRV eBEQBQEQCQRVVII )( ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVV IICQBQ 2.2.动态指标动态指标电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：LcL/ RRR 交流通路交流通路 LboRi vbebiri vbeLiorRA vvv小信号等效电路小信号等效电路 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻coRR 小信号等效电路小信号等效电路 beeeiiiiiRR)1(i

20、eeRiR/iv bebri/iv beieiiiii)1(/rRiRvvvvrR 1|bee4.5.3 放大电路三种组态的比较放大电路三种组态的比较1.1.三种组态的判别三种组态的判别以输入、输出信号的位置为判断依据：以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极输出信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路共集电极放大电路 信号由发射极输入，集电极输出信号由发射极输入，集电极输出共基极电路共基极电路 2.2.三种组态的比较三种组态的比较3.3.三种组态的特点及用途三种组态的特点及用途共射极放大电路

21、：共射极放大电路： 电压和电流增益都大于电压和电流增益都大于1 1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。共集电极放大电路：共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小。可用于输入级、输出级或缓冲级。输入电阻最高，输出电阻最小。可用于输入级、输出级或缓冲级。共基极放大电路：共基极放大电路： 只有电压放大作用，

22、没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合。的场合。 4.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应电容、电感对不同频率的信号具有不同的阻抗电容、电感对不同频率的信号具有不同的阻抗电路中有电容、电感存在时，将导致频电路中有电容、电感存在时，将导致频率不同，则放大倍数（传输系数）不同率不同，则放大倍数（传输系数）不同放大倍数（传输系数）与频率的关系放大倍数（传输系数）与频率的关系频率响应频率响应频率

23、响应包括幅度频率响应（频率响应包括幅度频率响应（幅频响应幅频响应） 和相位频率响应（和相位频率响应（相频响应相频响应）一、单时间常数一、单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应放大电路若考虑耦合电容、放大电路若考虑耦合电容、PN结电容的影响，经结电容的影响，经过化简往往可成为单时间常数的过化简往往可成为单时间常数的RC电路电路1、RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应CjRCjVVAioVH 11 o oR-. .-i i+V VV VC. .+)/(11HffjRCfH21其中其中RCjRCj/11111Hj11)/(11HVHffjA RCfH21其中其中HjVHeA幅频响应幅频响应2

24、)/(11HVHffA相频响应相频响应)/(HHffarctg2/1fAVH幅频响应幅频响应2)/(11HVHffARCfH21fH低通：低频能通过低通：低频能通过上限上限频率频率1采用采用对数对数坐标坐标ffH10fH100fH0.1fH0.01fH-3dBlg(f /fH)20lgAVH /dB012-1-20dB2)/(11lg20lg20HVHffA2)/(11lg20lg20HVHffA当当f fH时，忽略时，忽略120lgAVH20lg(f /fH)lg(f /fH)20lgAVH /dB012-1-2ffH10fH100fH0.1fH0.01fH-20dB用两段用两段折线近似折线

25、近似实际曲线实际曲线最大误差出现在最大误差出现在转折频率转折频率fH 处（最大误差为处（最大误差为3dB）20dB /十倍频程十倍频程-3dB实际实际曲线曲线幅频特性曲线的折线近似幅频特性曲线的折线近似相频响应相频响应)/(HHffarctgffH10fH100fH0.1fH0.01fH用折线近似实际曲线时，最大误差出用折线近似实际曲线时，最大误差出现在现在0.1fH和和10fH处（最大误差约处（最大误差约5.7O)-45Olg(f /fH)012-1-20O-90O-5.7OffH时时oH90ffH时时oH45-90O+5.7O结论结论o oR-. .-i i+V VV VC. .+HjVHioVHeAVVA 用折线近似的频率用折线近似的频率特性也称为特性也称为波特图波特图折线与实际曲线折线与实际曲线的最大误差的最大误差3dB折线与实际曲线折线与实际曲线的最大误差的最大误差5.7O-20dBlg(f /fH)20lgAVH /dB012-1-2ffH10fH100fH0.1fH0.01fH0dBlg(f /fH)012-1-20OH-45O-90O幅幅频频响响应应相相频频响响应应2、RC高通电路的频率响应i i+V Vo o-R. .V VC.