第2章 晶体管及其放大电路课件

2.1晶体管2.2放大的概念及放大电路的性能指标2.3共发射极放大电路的组成及工作原理2.4放大电路的图解分析法2.5放大电路的微变等效电路分析法2.6分压式稳定静态工作点电路2.7共集电极放大电路2.8共基极放大电路2.9组合单元放大电路小结第2章晶体管及其基本放大电路2.1晶体管2.1.1晶体三极管2.1.2晶体三极管的特性曲线2.1.3晶体三极管的主要参数(SemiconductorTransistor)2.1.1晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB分类：按材料分：硅管、锗管按功率分：小功率管<500mW按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管大功率管>1W中功率管0.51W二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极3.三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流

IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)ICNIEIBNI

CBOIB3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO4.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I

BN

ICBOIC=ICN+ICBO穿透电流IE=IC+IB2.1.2晶体三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBE(on)硅管：(0.60.8)V锗管：(0.20.3)V取0.7V取0.2V二、输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：

IB0

IC=ICEO0条件：两个结反偏截止区ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放大区：放大区截止区条件：

发射结正偏集电结反偏特点：

水平、等间隔ICEOiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：

uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO三、温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1C，UBE

(22.5)mV。温度每升高10C，ICBO

约增大1倍。OT2>T12.温度升高，输出特性曲线向上移。iCuCET1iB=0T2>iB=0iB=0温度每升高1C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。O2.1.3晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数

—交流电流放大系数一般为几十几百QiC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共基极电流放大系数1一般在0.98以上。

Q二、极间反向饱和电流CB极间反向饱和电流

ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。三、极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO2.2.1.放大的概念

2.2

概述一.扩音机示意图1)输入量控制输出量2)把直流能量转换成按输入量变化的交流能量二.方框图直流电源信号源RS+us–RSis放大电路负载RL方框图的示意图三、放大电路的四端网络表示１122+us–放大电路RS+ui–+uo–RLioiius—信号源电压Rs—信号源内阻RL—负载电阻ui—输入电压uo—输出电压ii—输入电流io—输出电流２.2.2放大电路的主要性能指标1122+us–放大电路RS+ui–+uo–RLioii电压增益

Au(dB)=20lg|Au|一、放大倍数电压放大倍数

Au=uo/ui电流放大倍数Ai=io/ii电流增益Ai(dB)=20lg|Ai|二、输入电阻１1+us–RS+ui–iiRiRi越大，ui与us越接近例us=20mV，Rs=600，比较不同Ri时的ii

、ui。Riiiui60003A18mV60016.7A10mV6030A1.82mV当信号源有内阻时：＝Ui.UO.Ui.Us.三、输出电阻放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。计算：i2211usRS+u–放大电路=0Ro测量：uot—负载开路时的输出电压；uo—带负载时的输出电压，Ro越小，uot

和

uo

越接近。2211+us–RS+ui–+uo–RLRo+uot–Ri四、通频带

电抗元件(主要是电容)使放大电路对不同频率输入信号的放大能力不同，反映在：Au(f)—幅频特性

(f)—相频特性1.幅频特性和相频特性fAu(f)OfO2.频带宽度(带宽)BWAumfLfH下限频率

上限频率

中频段低频段高频段BW0.7BW0.7=fH–

fL(BandWidth)

放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放大电路。2.3晶体管放大电路的组成及其工作原理

2.3.1共射基本放大电路的组成输出不失真发射结加正向电压集电结加反向电压RBVBBC1+Rs+us-RCVCCTC2RL+uo信号源加到b-e间ui1.发射结加正向电压2.集电结加反向电压3.把信号源加到b-e之间4.在输入信号作用下得到不失真的输出信号以上四条是判断三极管放大电路能否放大的依据，四条必须同时满足。2.3.2放大电路中各元件的作用做一变换C2Rsus+-+C1+RL+-uo+-uiRBVBBRCC1C2T放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点RL+VCCRsus+-使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。RB+VCCVBBRCC1C2TRL基极电源与基极电阻Rs+us-集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLRs+us-集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。Rb+VCCVBBRCC1C2TRLRs+us-耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F~50F作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。RB+VCCVBBRCC1C2TRL++uiuoRs+us-单电源供电可以省去RB+VCCVBBRCC1C2TRLRs+us-RB单电源供电+VCCRCC1C2TRLuo+-++Rs+us-1.静态：ui=0.

2.动态：若输入为正弦信号下面研究的问题2.4图解分析法2.4.2动态工作情况分析2.4.1静态工作情况分析引言引言基本思想

非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。分析三极管电路的基本思想和方法放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。静态分析的任务是根据电路参数和三极管的特性确定静态值（直流值）UBE、IB、IC

和UCE。可用放大电路的直流通路来分析。2.4.1静态工作情况分析Rb+VCCRCC1C2TRL为什么要设置静态工作点？

放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区以保证信号不失真。一、静态工作点的估算1.直流通路(1)含义(2)目的(3)画法开路将交流电压源短路将电容开路。直流通路的画法：开路RB+VCCRCC1C2RLUi=0RB+VCCRC静态工作点（IB、UBE、IC、UCE）2.估算（1）估算IB（UBE

0.7V)Rb+VCCRCIBUBERb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。（2）估算UCE、ICIC=IBICRb+VCCRCUCE+-例：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=4K，Rb=300K，=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级UBE

0.7VRb+VCCRCRＢ+VCCRCTICUBEUCE(IC,UCE)(IB,UBE)IB++--二、用图解法确定静态工作点1.在输入回路中确定(IB,UBE)根据输入特性曲线及直流负载线方程：ＵBE=VＣＣＩBRB输入回路图解QuBE/ViB/A静态工作点VCCVCC/RBUBEQIBQO可在输入特性曲线找出静态工作点ＱuCE=VCCiC

RC输出回路图解uCE/ViC/mAVCCVCC/RCOQUCEQICQiB根据输出特性曲线及直流负载线方程：2.在输出回路中确定(IC,UCE)(IB,UBE)和(IC,UCE)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。直流负载线三、电路参数对静态工作点的影响1.改变RB，其他参数不变uBEiBuCEiCVCCVBBVBBRBQQRB

iBQ趋近截止区；RB

iB

Q趋近饱和区。2.改变RC，其他参数不变RC

Q趋近饱和区。iCuBEiBuCEVCCUCEQQQICQVCCRC2.4.2用图解法确定动态工作情况一.输出空载时的图解法1.根据ui在输入特性上画出ib和ube0.7VQuiuBE/VOtiB/AOOtiBIBQib2.根据ib在输出特性上画出ic和uce说明uce和ui反向，同时可以求出电压放大倍数0.7VQuiOtuBE/ViB/AOOtuBE/ViBIBQQQQOtICQUCEQiBuCE/ViC/mAiCOtuCE/VibicUcemuce各点波形uo比ui幅度放大且相位相反Rb+VCCRCC1C2uiiBiCuCEuo＋－－＋二.放大电路的非线性失真问题1.“Q”过低引起截止失真NPN管：顶部失真为截止失真。PNP管：底部失真为截止失真。不发生截止失真的条件：IBQ>Ibm。2.“Q”过高引起饱和失真ICS集电极临界饱和电流NPN管：

底部失真为饱和失真。PNP管：顶部失真为饱和失真。IBS—基极临界饱和电流。不发生饱和失真的条件：IBQ+IbmIBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC各点波形uo比ui幅度放大且相位相反Rb+VCCRCC1C2uiiBiCuCEuo＋－－＋三.接上负载为RL时的图解法Rb+VCCRCC1C2RL输出端接入负载RL，不影响Q，影响动态！(2)目的(3)画法(1)含义1.交流通路对交流信号(输入信号ui)短路短路置零1/C0

将直流电压源短路，将电容短路。方法和步骤交流通路RBRCRLuiuo－＋－＋2.交流负载线(1)方程RbRCRLuiuoicuce其中：uce=-ic（RC//RL）=-icRLiCUCEVCCIB交流负载线直流负载线QICQUCEQICQRL,交流量ic和uce有如下关系：这就是说，交流负载线的斜率为：uce=-ic（RC//RL）=-icRL或ic=（-1/RL）uce(2).交流负载线的作法：①斜率为-1/R'L。（R'L=RL∥Rc）②经过Q点。

ICUCEVCCIB交流负载线直流负载线①斜率为-1/R'L。（R'L=RL∥Rc）②经过Q点。

Qui＝u/R’L直流负载线是用来确定工作点的；交流负载线是用来画出波形，分析波形失真。注意：（1）交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹。

（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。3.选择工作点的原则：当ui较小时，为减少功耗和噪声，“Q”可设得低一些；为获得最大输出，“Q”可设在交流负载线中点。为提高电压放大倍数，“Q”可以设得高一些；4.最大输出电压幅度放大电路在电路参数确定的条件下，输出端不发生饱和失真和截止失真的最大输出信号电压的幅值称为最大不失真输出电压幅值(Uom)M放大器最大不失真输出电压的峰值(Uom)M为UF、UR所确定的数值中较小的一个，(1)受截止失真限制最大不失真输出电压UF的幅度(2)受饱和失真限制最大不失真输出电压UR的幅度(Uom)M=min{UR,UF}优点:可以直观全面地了解放大电路的工作情况，通过选择电路参数在特性曲线上合理地设置静态工作点，分析最大不失真输出电压、失真情况并估算动态工作范围。缺点:在特性曲线上作图比较繁琐，误差大，信号频率较高时，特性曲线不再适用。因此图解法只适合分析输出幅值比较大且工作频率较低的情况。在分析其他动态指标，如输入电阻、输出电阻等时比较困难。下一节将要讨论更为简便有效的分析方法，微变等效电路分析法。图解法的优缺点2.5微变等效电路分析法2.5.3H参数小信号模型2.5.2H参数的引出2.5.1引言一建立小信号模型的意义

由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是在一定的条件下（工作点附近）将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。2.5.1引言当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。二建立小信号模型的思路2.5.2H参数的引出在小信号情况下，对上两式取全微分得对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：uBE=f(iB，uCE)iC=g(iB，uCE)一.求变化量之间的关系输出端交流短路时的输入电阻；2.H参数的含义和求法输入端电流恒定（交流开路）的反向电压传输比输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；输入端电流恒定（交流开路）时的输出电导。四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。2.5.3H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型hfeibicuceibubehrevcehiehoeube=hieib+hreuceic=hfeib+hoeuceuBEuCEiBcebiCBJT双口网络H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与工作点有关，在放大区基本不变。1.模型的简化h21eibicuceibubeh12euceh11eh22e即rbe=h11e

=h21e

uT=h12e

rce=1/h22e一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为

hoe很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路

ib

是受控源

，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。

2.H参数的确定

一般用测试仪测出；

rbe与Q点有关，可用图示仪测出。一般也用公式估算rbe

rbe=rb+(1+

)re其中对于低频小功率管rb≈(100－300）

则

而

(T=300K)

一.等效电路的画法uiuo共射极放大电路2.5.4.放大电路的微变等效电路分析法画微变等效电路rbeRbRCRL二.动态指标的计算1.电压放大倍数的计算负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRbRCRL电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。rbeRbRCRL2.输入电阻的计算：根据输入电阻的定义：所以：用加压求流法求输出电阻：3.输出电阻的计算：根据定义rbeRbRC00三.

晶体管放大电路动态分析步骤①分析直流电路，求出“Q”，计算rbe。②画电路的交流通路。③在交流通路上把三极管画成H参数模型。

分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。④

分析计算电压放大倍数,输入,输出电阻及各极交流量。求：1.静态工作点。例2.电压增益AU、输入电阻Ri、输出电阻R0。3.若输出电压的波形出现如下失真，是截止还是饱和失真？应调节哪个元件？如何调节？解：1.IcVCE2.思路：微变等效电路AU、Ri

、R03.判断非线性失真(1)是截止还是饱和失真？（2）应调节哪个元件？如何调节？例=100，uS

=10sint(mV)，求叠加在“Q”点上的各交流量。+uo+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE+uBE–

12V12V510470k2.7k3.6k[解]令ui=0，求静态电流IBQ①求“Q”，计算rbeICQ=IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.42.7=5.5(V)uce②交流通路+uo+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE+uBE–

ube③小信号等效电路+uo+–

RBRLRSrbe

EibicicBCusRC+ube④分析各极交流量⑤

分析各极总电量uBE=(0.7+0.0072sint

)ViB=(24+5.5sint)AiC=(2.4+0.55sint

)

mAuCE=(5.5–

0.85sint

)V图解法、微变等效电路法

比较(1)图解法，精度低，繁琐，适合大信号的场合。其要点是：首先确定静态工作点Q，然后根据电路的特点，做出直流负载线，进而画出交流负载线，最后，画出各极电流电压的波形。求出最大不失真输出电压。(2)微变等效电路法。①首先用直流通路分析静态工作点Q。②画出交流通路，用晶体管的微变模型代替交流通路中的晶体管，得到放大电路的微变等效电路。③通过微变等效电路求解动态性能指标：放大倍数、输入电阻和输出电阻。2.6.1问题的提出——单管共射放大电路存在的问题一实验中出现的现象2.6射极偏置放大电路当环境温度二静态工作点的位置发生变化的原因1温度对晶体管参数的影响T↑→ICBO↑,温度每升高10oC,ICBO↑一倍T↑→UBE↓,温度每升高1oC,UBE↓2.5mvT↑→β↑,温度每升高1oC,Δβ/β↑0.5—1%

2温度对静态工作点的影响ICQ=βIBQ+(1+β)ICBOIBQ=（Vcc-UBE）/RB→T↑→ICQ↑→Q↑→饱和失真3工作点上移时输出波形分析“Q”过高引起饱和失真ICS集电极临界饱和电流NPN管：

底部失真为饱和失真。uCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC静态是基础，动态是目的

2.6.2电路组成及稳定静态工作点的原理特点：RB1—上偏流电阻、RB2—下偏流电阻、RE—发射极电阻共发射极电路

、电路组成+UBEQ

IBQI1IEQ二稳定静态工作点的原理1.直流通路ICQ直流通路的画法若电路调整适当，可以使ICQ基本不变。2.稳定过程（原理）T↑→ICQ↑→ICQ×RE↑→UB固定→UBE↓→IBQ↓→ICQ↓

3.稳定的条件UB固定UB=VCC×RB2/(RB1+RB2)（1）I1>>IB

硅管I1=（5--10）IBQ锗管I1=（10--20）IBQ（2）UB>>UBE

硅管UB=（3--5）V锗管UB=（1--3）V

2.6.3静态分析

求Q点（IBQ、ICQ、UCEQ）求法：画出直流通路求解

一、估算法

说明Q是否合适+VCCRCRERB1RB2+UBEQ

IBQI1IEQICQ+UCEQ

二利用戴维南定理（同学自己做）

2.6.4动态分析求AU、Ri、RO一画出放大电路的微变等效电路

1.画出交流通路2.画出放大电路的微变等效电路二计算动态性能指标1.计算Au“-”表示Uo和Ui反相。

Au的值比固定偏流放大电路小了。2.计算输入电阻Ri↑，同时说明公式的记法和折合的概念。

uo在RE两端的电压可以忽略不计，因此Ro≈Rc。3.计算输出电阻RoRo=uo/ioUs=0RL=∞

如何提高电压放大倍数Au？

在RE两端并联一个电容，则放大倍数与固定偏置放大电路相同。2.5.5举例讨论例

=100，RS=1k，RB1=62k，RB2=20k,RC=3k，RE=1.5k，RL=5.6k，VCC=15V。求：“Q”，Au，Ri，Ro。1)求“Q”+VCCRCC1C2RLRE+CE++RB1RB2RS+us+uo[解]+VCCRCC1C2RLRE+CE++RB1RB2RS+us+uo2)求Au，Ri，Ro，

AusRo=RC=3k小结分析了固定偏置放大电路产生失真的原因。分析了射极偏置放大电路稳定静态工作点的原理。重点分析计算了分压式偏置放大电路的性能指标。深入讨论了射极电阻对静态和动态的影响，为今后学习反馈建立基础概念。2.7共集电极放大电路2.7.1电路组成及特点(射极输出器、射极跟随器)IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+usIBQ=(VCC

–UBEQ)/[RB+(1+)

RE]ICQ=

IBQUCEQ=VCC–

ICQ

RE2.7.2静态分析IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+usIBQIEQRERB+VCC+ICQUCEQ交流通路RsRB++uoRLibiciiRE小信号等效电路usRB+uoRLibiciirbeibRERs+RL=RE//RL2.7.3动态分析IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+us1.电压放大倍数：12.输入电阻：3.输出电阻：usRB+uoRLibiciirbeibRERs+RBibiciirbeibRERsus=0+uiiRERS=Rs//RBi=iRE

–

ib–ib射极输出器特点Au1

输入输出同相Ri

高Ro

低用途：输入级输出级中间隔离级4.例

=120，RB=300k，rbb=200，UBEQ=0.7V,RE=RL=Rs=1k，VCC=12V。求：“Q”，Au，Ri，Ro。IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+us[解]1)求“Q”IBQ=(VCC–

UBE)/

[RB

+

(1+

)

RE]=(12

–

0.7)/[300+1211]

27(A)IEQ

IBQ

=3.2(mA)UCEQ=VCC–

ICQ

RE

=12–3.21=8.8(V)2)求Au，Ri，Rorbe=200+26/0.027

1.18(k)Ri=300//(1.18121)=51.2(k)RL=

1

//

1

=0.4(k)5.自举电路(2)电路组成及特点+C1RSRERB1+VCCC2+–+uo–+us+RB2RB3C3=50(3)输入电阻的计算IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+us（1）问题的提出：提高Ri

的电路无C3、RB3：Ri=(RB1//RB2)//[rbe+(1+)RE]Ri=50//510=45(k)Ri=(RB3+RB1//RB2)//[rbe+(1+)RE]Ri=(100+50)//510=115(k)无C3有RB3：接C3：RB3

//rbe