第六章-半导体三极管及其放大电路

目录6-5

场效应管及放大电路6-4放大电路的频率特性6-3多级放大电路6-1双极型三极管6-2放大电路基础一、三极管的基本结构BECNNP基极放射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型6-1双极型三极管双极型三极管又称晶体管，简称三极管，是模拟电子电路的基本原件，也是构成放大电路的核心元件。三极管由两个PN结和三块掺杂半导体组成(a)NPN型结构(b)NPN型符号(d)PNP型符号(c)PNP型结构

NPN和PNP管的结构示意图和电路符号TTE-B间的PN结称为放射结(Je)

C-B间的PN结称为集电结(Jc)从结构上看主要有两种类型：放射区集电区基区放射极E基极B集电极CNPN型PNP型3BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大放射区：掺杂浓度较高BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管三极管的电路符号硅管多为NPN型，锗管多为PNP型三极管的工艺特点二、三极管的电流限制作用1.晶体管内部载流子的运动(1)放射：多子在放射区（自由电子）和基区（空穴）之间的扩散。（2）扩散与复合IBEI1VBB三极管的电流分配关系ICBOIEICIBI3ICBI2ICNIENRbVCCRc以NPN型三极管为例进行探讨，如图，放射结加正向电压，集电结加反向电压放射区电子不断向基区扩散，形成放射极电流IE。基区空穴向放射区的扩散可忽视。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB

，多数扩散到集电结。（3）收集集电结反偏，从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。集电区少子形成的反向电流ICBO。5直流电流放大系数：沟通电流放大系数：2.三极管的电流限制作用ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必需使放射结正偏，集电结反偏。6试验电路RBICmAAVVUCEUBEIBECEB三、三极管的特性曲线三极管的特性曲线分输入和输出特性曲线，它反映了各电极电流和电压的关系，是三极管内部特性的外部表现，由此可反映三极管的性能。71.输入特性曲线输入特性曲线描述了在管压降uCE确定的状况下,基极电流iB与放射结压降uBE之间的函数关系,即:8a.Uce=0V时，放射极与集电极短路，放射结与集电结均正偏，事实上是两个二极管并联的正向特性曲线。b.当Uce≥1V时，Ucb=Uce-Ube>0，集电结已进入反偏状态，起先收集电子，且基区复合削减，IC/IB增大，特性曲线将向右略微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。输入特性曲线分三个区②非线性区①死区③线性区①②③正常工作区，放射极正偏NPNSi:Ube=0.6~0.7VPNPGe:Ube=-0.2~-0.3V9输入特性曲线描述了在基极电流IB确定的状况下,集电极极电流iC与管压降压降uCE之间的函数关系,即:2.输出特性曲线输出特性曲线分三个区：截止区，放大区，饱和区10饱和区:放射结正偏，集电结正偏(1)iC受uCE显著限制的区域，该区域内uCE的数值较小，一般uCE＜0.7V(硅管)。(2)Uces=0.3V左右截止区：放射结和集电结都截止——Ib=0的曲线的下方的区域Ib=0Ic=IceoNPN：Ube0.5V,管子就处于截止状态放大区—IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管)。(2)Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。(3)≈11输出特性三个区域的特点:放大区：放射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：放射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IB>IC，UCE0.3V=UCES(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

12ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽视。四、三极管的微变等效电路rbeibib

rcerbeibibbce等效cbe13五、三极管的主要参数1.直流参数(2)共基直流电流放大系数(1)共射直流电流放大系数(3)级间反向电流（b）集电极发射极间的穿透电流ICEO

ICEO和ICBO有如下关系

ICEO=（1+）ICBO（a）集电极基极间反向饱和电流ICBO14(2)共基沟通电流放大系数(1)共射沟通电流放大系数2.沟通参数(3)特征频率fT特征频率为使的数值下降到1的信号频率fT3.极限参数(3)极间反向击穿电压晶体管的某一电极开路时,另外两个电极所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压。(2)最大集电极电流ICM(1)最大集电极耗散功PCM确定于晶体管的温升。15六、温度对晶体管特性及参数的影响3.温度对输出特性的影响温度上升时β增大集电极电流增大输出特性曲线上移输出特性曲线间距增大0.40.88040温度对ICBO的影响温度每上升10℃,ICBO增加约一倍,UBE减小2-2.5mV。2.温度对输入特性的影响温度升时,正向特性将左移,反之将右移161、放大的对象为变更量2、放大的本质是能量的限制和转换3、放大的基本特征是功率放大4、放大的前提是不失真5、电子电路中必需有能够限制能量的元件，即有源元件6-2放大电路基础对电信号进行放大的电路称放大电路，又称放大器，其种类繁多，特点不同，但基本原理相同。17一、放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的变更信号（电流或电压）放大成较大的信号，以便进行视察、测量、限制或调整。因此，放大的本质是能量限制，放大电路的核心器件是三极管。本章所讲的主要是电压放大电路。放大电路可以看成一个两端口网络。左边为输入端口，当内阻为Rs的正弦波信号源Us作用时，放大电路得到输入电压Ui，同时产生输入电流Ii，右边为输出端口，输出电压为Uo，输出电流为Io，RL为负载电阻。18二、放大电路的性能指标1.放大倍数Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值。uiuoAuAu是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。放大倍数是衡量放大电路实力的指标，包括电压放大倍数，电流放大倍数，功率放大倍数，主要探讨电压放大倍数Au。192.输入电阻Ri放大电路确定要有前级（信号源）为其供应信号，那么就要从信号源索取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。RS~USAuIiUiRi=Ui/Ii一般来说，Ri越大越好。ui就越接近uS203.输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。要求：负载开路，信号源短路。外加电源法求解。输入端正弦电压Ui

，分别测量空载和输出端接负载RL

的输出电压U'o，Uo

。输出电阻越小越好。输出电阻愈小，带载实力愈强。21如何确定电路的输出电阻Ro

？步骤：1.全部的电源置零(将独立源置零，保留受控源)。2.加压求流法。方法一：计算。方法二：测量。1.测量开路电压。2.测量接入负载后的输出电压。步骤：Uo~RoUs'~RoUs'RLUo'3.计算。224.通频带fAuAum0.7AumfL下限频率fH上限频率通频带：fbw=

fH

–

fL放大倍数随频率变更曲线通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应实力越强。235.非线性失真系数D全部谐波总量与基波成分之比，即6.最大不失真输出电压在输出波形没有明显失真状况下放大电路能够供应给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示(Uom、Iom)。7.最大输出功率与效率输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号Pom表示。：效率PV：直流电源消耗的功率24三、共射极放大电路三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解放大电路的工作原理。1.基本放大电路类型符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示沟通重量。分析原则：先静态后动态252.共射放大电路的基本组成放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，放射结正偏。uiuo输入输出？参考点RB+UCCUBBRCC1C2T基极电源与基极电阻与三极管基极和放射极构成输入回路。作用：使放射结正偏，并供应适当的静态工作点。信号从基极输入，集电极输出26集电极电源，为电路供应能量。并保证集电结反偏。RB+UCCUBBRCC1C2Tuiuo输入输出集电极电阻，将变更的电流转变为变更的电压。耦合电容：电解电容，有极性。大小为10F~50F作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺当输入输出。27电路改进：实际的共射放大电路接受单电源供电，省去基极电源+UCCRCC1C2TRB283.放大电路的组成原则a.必需有直流电源，而且电源极性应当与三极管类型协作，保证晶体管工作在放大区：放射结正偏，集电结反偏。b.电阻适当，且同电源协作，保证三极管有适宜的直流电流，为合理设置静态工作点供应条件。c.放大电路输入端与信号源及输出端应有正确连接，保证沟通信号进得去出的来。即输入信号必需能够作用于放大管的输入回路；当负载接入时，必需保证放大管的输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。29如何推断一个电路是否能实现放大？3.晶体管必需偏置在放大区。放射结正偏，集电结反偏。4.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 假如已给定电路的参数，则计算静态工作点来推断；假如未给定电路的参数，则假定参数设置正确。1.信号能否输入到放大电路中。2.信号能否输出。与实现放大的条件相对应，推断的过程如下：30放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法计算机仿真314.直流通路和沟通通路放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的沟通信号,既有直流成分，又有沟通成分，形成交直流共存现象。分析特别困难。但是，电容对交、直流的作用不同。假如电容容量足够大，可以认为它对沟通不起作用，即对沟通短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通路是不同的。交直流信号可以分开分析计算。沟通通路：只考虑沟通信号的分电路。→用于动态分析：Au；Ri；Ro直流通路：只考虑直流信号的分电路。→用于静态分析：静态工作点（Q点）信号的不同重量可以分别在不同的通路分析。32对直流信号（只有+UCC，沟通信号短路）开路开路直流通路RB+UCCRCRB+UCCRCC1C2Tui33对沟通信号(输入信号ui,直流电源短路)短路短路置零uoRBRCRLui交流通路RB+UCCRCC1C2Tui34ui=0时由于电源的存在IB0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ5.静态分析→图解法和估算法RB+UCCRCC1C2T静态：沟通输入信号为零时的状态，又称直流工作状态。此时，三极管各处电流和电压称静态工作点（Q点），IBQ,UBEQ,UCEQ,ICQ,IEQ35(IBQ,UBEQ)

和(ICQ,UCEQ

)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。IBUBEQIBQUBEQ(1)图解法在输入特性曲线上估算IBQ，在输出特性曲线上，与IBQ对应的输出特性曲线与直流负载线（UCE=UCC–ICRC）的交点就是Q点。ICUCEQUCCUCEQICQ直流负载线由于输入特性曲线不易测量，IBQ通常接受估算法。36（1）依据直流通路估算IBQIBQUBEQ+UCC直流通路RBRC由直流通路的输入回路列方程求解静态工作点。(2)估算法：常用（2）依据直流通路估算UCEQ、IBQICQUCEQ37

【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知Rb=280k，Rc=3k

，集电极直流电源VCC=12V，试用图解法确定静态工作点。解：首先估算IBQ做直流负载线，确定Q

点依据UCEQ=VCC–ICQRciC=0，uCE=12V；uCE=0，iC=4mA.T380iB

=0µA20µA40µA60µA80µA134224681012MQ静态工作点IBQ=40µA，ICQ=2mA，UCEQ=6V.uCE

/V由Q

点确定静态值为：iC

/mA396.动态分析→图解法和微变等效电路法：用于分析动态参数(1)沟通通路输出回路的外电路是Rc和RL的并联。(2)沟通负载线：过Q点交流负载线沟通负载线斜率为：OIBiC

/mAuCE

/VQ静态工作点动态：放大电路接入沟通输入信号后电路的工作状态，用沟通通路，直流信号短路。RBRCRLuiuo(一）图解法40(3)动态工作状况图解分析0.680.72uBEiBtQ000.7t6040200uBE/ViB/µAuBE/ViBUBE假设uBE在静态工作点的基础上有一微小的变更ui，uCE怎么变更41交流负载线直流负载线4.57.5uCE912t0ICQiC

/mA0IB=40µA2060804Q260uCE/ViC

/mA0tuCE/VUCEQiC输出回路工作状况分析过Q点作一条斜率为的直线42（4）波形非线性失真状况分析a.静态工作点过低，引起

iB、iC、uCE的波形失真ibui结论：iB波形失真OQOttOuBE/ViB/µAuBE/ViB/µAIBQ——截止失真在放大电路中，输出信号应当成比例地放大输入信号（即线性放大）；假如两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的状况，放大电路产生非线性失真。43iC

、uCE

(uo

)波形失真NPN管截止失真时的输出uo波形。uo波形顶部失真,截止失真又称顶部失真uo=uceOiCtOOQ

tuCE/VuCE/ViC

/mAICQUCEQ44b.静态工作点过高，引起

iB、iC、uCE的波形失真结论：iB波形不失真——饱和失真iC

、uCE

(uo

)波形失真

NPN管饱和失真时的输出uo波形底部失真,饱和失真又称底部失真为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在沟通负载线的中间部分。假如Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。iCuCEib输入波形uo输出波形45（5）用图解法分析电路参数对静态工作点的影响（a）变更Rb，保持VCC，Rc，不变；OIBiCuCE

Q1Rb增大，Rb减小，Q点下移；Q点上移；Q2OIBiCuCE

Q1Q3（b）变更UCC，保持Rb，Rc，不变；上升UCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。Q246（c）变更Rc，保持Rb，UCC，不变；（d）变更，保持Rb，Rc，UCC不变；增大Rc，直流负载线斜率变更，则Q点向饱和区移近。OIBiCuCE

Q1Q2OIBiCuCE

Q1Q2增大，ICQ增大，UCEQ减小，则Q点移近饱和区。47图解法小结1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；2.便利估算最大输出幅值的数值；3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4.有利于对静态工作点Q的检测等。5.计算困难，误差大。481.三极管的微变等效电路rbe的量级从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：(二）微变等效电路法rbeibibbcecbe492.放大电路的微变等效电路将沟通通道中的三极管用微变等效电路代替:交流通路RBRCRLuiuouirbeibibiiicuoRBRCRL503.动态参数的计算特点：负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL(1)电压放大倍数Au(2)输入电阻的计算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。51(3)输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：信号源置零，负载开路保留受控源，外加电源法。rbeRBRC0052解（1）求Q点，作直流通路（1）试求该电路的静态工作点；（2）画出小信号等效电路；（3）求该电路的电压放大倍数Au，输出电阻Ro、输入电阻Ri。例如图，已知三极管的β=100，UBE=-0.7V。IBICUCE53（2）画出微变等效电路（3）求电压放大倍数

＝200+（1+100）26/4=865ΩRbviRcRLUiUo（4）求输入电阻（5）求输出电阻Ro=Rc=2K54微变等效电路法的步骤(归纳)1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q。2.求出静态工作点处的微变等效电路参数rbe。3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的沟通通路。4.列出电路方程并求解。55四、静态工作点稳定电路为了保证放大电路的稳定工作，必需有合适的、稳定的静态工作点。三极管是一种对温度特别敏感的元件。温度变更对管子参数的影响主要表现有：1.UBE变更。UBE的温度系数约为–2mV/C，即温度每上升1C，UBE约下降2mV。2.变更。温度每上升1C，值约增加0.5%~1%，温度系数分散性较大。3.ICBO变更。温度每上升10C，ICBQ大致将增加一倍，说明ICBQ将随温度按指数规律上升。56对于基本共射放大电路而言，静态工作点由UBE、和ICEO确定，这三个参数随温度而变更，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。Q变UBEICEO变T变IC变(1)温度对UBE的影响iBuBE25ºC50ºCTUBEIBIC57(2)温度对值及ICEO的影响T、ICEOICiCuCEQQ´温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。总之：TIC常接受分压式偏置共射放大电路来稳定静态工作点。为此，须要改进偏置电路，当温度上升时,能够自动削减IB，从而减小IC，来抑制Q点的变更，保持Q点基本稳定。58ICRB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IBIEECB电路设计时，选择适当参数使：

I2=（5~10）IB，

I1=I2+IBI2RE射极直流负反馈电阻CE沟通旁路电容分压式偏置共射电路：59TUBEICICIEUEUBUBE=UB-UE=UB-IEREUB被认为较稳定IB由输入特性曲线本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程1.静态工作点稳定的原理电路设计时，选择适当参数使I2=（5~10）IB，I1=I2+IBI2I1I2IBRB1+UCCRCTRB2RE直流通路60UBIBQ=ICQ/UCEQ=UCC-ICQRC-IEQREUCC–ICQ(RC+

RE)ICQIEQ=UE/RE

=（UB-UBEQ）/RE

硅管UBEQ0.7V

+UCCRB1RCRB2REICIEIBUCE电容开路,画出直流通路2.静态分析Q点与基本共射放大电路不同61沟通通路RB1RCRB2RLuiuoBECibiciii2i1微变等效电路rbeRCRLRB1RB2BECI1I23.动态分析电容短路,直流电源短路，画出沟通通路62动态参数：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算Ri=

RB1//RB2//rbeRo=

RCrbeRCRLRB1RB2BECI1I2RL=RC//RL动态参数表达式与基本共射放大电路基本相同63例：上述静态工作点稳定的放大电路中，各参数如下：

RB1=100k，RB2=33k，RE=2.5k，RC=5k，RL=5k，=60。求：（1）估算静态工作点；（2）空载电压放大倍数、带负载电压放大倍数、输入电阻、输出电阻；（3）若信号源有RS=1k

的内阻，带负载电压放大倍数将变为多少？64RB1=100kRB2=33kRE=2.5kRC=5kRL=5k=60EC=15V解：(1)估算静态工作点：直流通路UB=（3315）/（100+33）=3.7VICQIEQ=UE/RE

=(UB-UBEQ)/RE

=(3.7-0.7)/2.5=1.2mAIBQ=ICQ/=1.2/60=0.02mA=20AUCEQ=UCC-ICQRC-IEQRE≈12-1.2(5+2.5)=6VICRB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IBIEECB65RB1=100kRB2=33kRE=2.5kRC=5kRL=5k=60EC=15V解：(2)空载电压放大倍数、带负载电压放大倍数、输入电阻、输出电阻=300+61(26/1.2)=1622=1.62kRi=

RB1//RB2//rbe=100//33//1.62=1.52kRo=

RC=5kAu空=-RC/rbe=-605/1.62=-186

Au载=-RL/rbe=-60(5//5)/1.62=-9366RB1=100kRB2=33kRE=2.5kRC=5kRL=5k=60EC=15V解：(3)信号源有RS=1k

的内阻时，带负载电压放大倍数为Aus载rbeRCRLRB1RB2BECI1I2RSUS信号源内阻为RS时的电压放大倍数：Aus载=UoUsRi+RSRiAus载=UoUs=Uo=Au载RiRi+RSUiUi=UsRiRi+RSUs=

UiRi+RSRiAus载=-56Au载=-93信号源有内阻时，电压放大倍数Aus减小。输入电阻越大，若RiRS，则AusAu67CE的作用：沟通通路中，CE将RE短路，RE对沟通不起作用，放大倍数不受影响。问题1：假如去掉CE，电路如何分析？参数怎样？I1I2IBRB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuo静态分析去掉CE,直流通路不变，静态工作点不变68去掉CE后的沟通通路和微变等效电路：rbeRCRLRER'BRB1RCRLuiuoRB2RE动态分析69用加压求流法求输出电阻：信号源短路，负载开路rbeRCRER'BRS可见，去掉CE后，放大倍数减小、输出电阻不变，但输入电阻增大了。70RB1+UCCRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2问题2：假如电路如下图所示，如何分析？I1I2IBRB1+UCCRCTRB2RE1RE2直流通路先静态后动态静态分析：71RB1+UCCRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2动态分析：沟通通路RB1RCRLuiuoRB2RE1微变等效电路：rbeRCRLRE1R'B72RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoBEC上例电路变为下图，若RF=100Ω,再求静态与动态参数RB1=100kRB2=33kRE=2.4kRC=5kRL=5k=60UCC=15VRFRECERE=2.4kRF=10073静态分析：直流通路及静态工作点+UCCRB1RCRB2REICIEIBUCERFRE和RF共同起直流负反馈的作用，稳定静态工作点因RE+RF=2.5k，所以较上述电路静态工作点不变74动态分析：微变等效电路及电压放大倍数rbeRCRLRB1RB2BECI1I2IeRFRB1=100kRB2=33kRE=2.4kRF=100RC=5kRL=5k=60EC=15VUi=Ibrbe+IeRF=Ibrbe+（1+

）IbRF=Ib[rbe+（1+

）RF]Uo=-Ic（RC//RL）=-IbRL

75微变等效电路及输入电阻输出电阻rbeRCRLRB1RB2BECI1I2IeRFUi=Ib[rbe+（1+

）RF]Ib=Ui/[rbe+（1+

）RF]

Ii=I1+I1+Ib=Ui/RB1+Ui/RB2+Ui/[rbe+（1+

）RF]输出电阻RO=RC输人电阻Ri=Ui/Ii=RB1//RB2///[rbe+（1+

）RF]=5.9k

对比Ri=RB1//RB2///rbe=1.52k

76五、共集电极放大电路→射极输出器RB+UCCC1C2RERLu