三极管及其放大电路

第2章三极管及其放大电路半导体三极管放大电路性能指标共射基本放大电路工作点稳定电路共集电极电路和共基极电路多级放大电路反馈放大电路2021/10/10星期日1什么是放大?电信号放大:窃听器?2021/10/10星期日2ppt课件半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor，简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。2.1半导体三极管2021/10/10星期日3ppt课件【分类】①按频率分高频管低频管②按功率分大功率管中功率管小功率管③按半导体材料分硅管锗管④按结构不同分NPN型PNP型2021/10/10星期日4ppt课件(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管2.1.1BJT的结构与符号图形符号2021/10/10星期日5ppt课件发射结(Je)

基极，用B或b表示（Base）

集电结(Jc)

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号箭头代表发射极电流的实际方向2021/10/10星期日6ppt课件结构制作要求：①发射区：高杂质掺杂浓度；(芝麻)②基区：很薄（通常为几微米～几十微米），低掺杂浓度；(薄牛肉)③集电区：掺杂浓度要比发射区低；面积比发射区大；bNNPec2021/10/10星期日7ppt课件bNNPec为实现放大，必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求。从外部条件来看：①发射结正向偏置UBE>0②集电结反向偏置UBC<0要求外加电源电压的极性必须满足：2.1.2BJT的电流放大作用

1.三极管的偏置2021/10/10星期日8ppt课件即在满足内部结构要求的前提下，三极管要实现放大，必须连接成如下形式：e区c区b区JeJcecbNNPVBBVCCRbRc＋－VBE＋－VCB＋－VCE例：共发射极接法三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。集电结反偏：由VBB保证由VCC

>VBB保证VCB=VCE-VBE>0发射结正偏：2021/10/10星期日9ppt课件2.三极管电流分配关系：VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IENIEP（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。IE=IEN+IEP≈IEN2021/10/10星期日10ppt课件（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB复合IBE≈IBE2021/10/10星期日11ppt课件（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IE（2）在基区中①电子继续向集电结扩散；②少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。IB（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。ICICN≈ICNIBE2021/10/10星期日12ppt课件VCCJeJcecbNNPVBBRbRc例：共发射极接法IEIBICICBOICIBIE可简化为将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：2021/10/10星期日13ppt课件ICIBIE将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：IE=IC+IB故集电极与基极电流的关系为：β共射电流放大倍数共基极电流放大系数2021/10/10星期日14ppt课件ICIBIEIE=IC+IBIC≈αIEIB=IE-IC=IE-αIE=(1-α)IE故集电极与基极电流的关系为：=β共射电流放大倍数共基极电流放大系数2021/10/10星期日15ppt课件2.1.3.BJT的特性曲线BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。工程上最常用的是BJT的输入特性和输出特性曲线。2021/10/10星期日16ppt课件RL+-ΔvObceΔvIiB=IB+ΔiBiC=IC+ΔiCiE=IE+ΔiEvBE+-+-vCE以共射放大电路为例：输入回路输出回路输入特性：输出特性：2021/10/10星期日17ppt课件BJT共射接法的输入特性曲线分三部分：①死区②非线性区③线性区iB/μAvBE/V①③②vCE

=1VvCE

>1VvCE

=0V记住：①当vCE>1时，各条特性曲线基本重合。②当vCE增大时特性曲线相应的右移。25℃输入特性曲线2021/10/10星期日18ppt课件输出特性曲线它是以iB为参变量的一族特性曲线。vCE/ViC/mA25℃BJT共射接法的输出特性曲线=20μA=40μA=60μA=80μA2021/10/10星期日19ppt课件vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA输出特性曲线可以划分为三个区域：饱和区——iC受vCE控制的区域，该区域内vCE的数值较小。此时Je正偏，Jc正偏2021/10/10星期日20ppt课件vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小。此时Je正偏，Jc正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时Je反偏，Jc反偏。2021/10/10星期日21ppt课件vCE/ViC/mA25℃=20μA=40μA=60μA=80μA饱和区——iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE<0.7V（硅管）。此时Je正偏，Jc正偏或反偏电压很小。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时Je反偏，Jc反偏。放大区——iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。

此时Je正偏，Jc反偏。电压大于0.7V左右（硅管）。模电着重讨论的就是该放大区！2021/10/10星期日22ppt课件三极管工作情况总结三极管处于放大状态时，三个极上的电流关系： 电位关系：2021/10/10星期日23ppt课件例1：测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。

放大截止饱和-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve例2.12021/10/10星期日24ppt课件2.1.4BJT的主要参数BJT的主要参数α——共基电流放大系数β——共射电流放大系数α与β的关系：α的值小于1，但接近于1。β的值远大于1，通常在20～200范围内。【关于“主要参数”这部分详细内容请同学们自己看书P15！】2021/10/10星期日25ppt课件极间反向电流（1）ICBO：集电极－基极反向饱和电流O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于单个集电结的反向饱和电流。因此，它只决定于温度和少子的浓度。ICBO的值很小硅管：ICBO为纳安数量级锗管：ICBO为微安数量级2021/10/10星期日26ppt课件2.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。2021/10/10星期日27ppt课件（1）集电极最大允许电流ICM指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。（2）集电极最大允许功率损耗PCM表示集电极上允许损耗功率的最大值。PCM=iCvCE过压区过流区（3）反向击穿电压2021/10/10星期日28ppt课件复习符号,放大条件:电流关系工作区域,特点判断工作状态①发射结正向偏置UBE>0②集电结反向偏置UBC<02021/10/10星期日29ppt课件放大是最基本的模拟信号处理功能。模拟电子中研究的最主要电路：放大电路具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。2.2放大电路性能指标2021/10/10星期日30ppt课件这里的“放大”是指把微小的、微弱的电信号的幅度不失真的进行放大。2021/10/10星期日31ppt课件一般来说，放大电路就是一个双端口网络。放大电路（放大器）+-Rs+-+-RL信号源负载信号源电压输入电压输出电压Rs信号源内阻RL负载电阻输入电流输出电流2021/10/10星期日32ppt课件放大电路的主要性能指标：【参见教材P17】性能指标是衡量放大电路品质优劣的标准，同时由这些指标还要来决定放大电路的适用范围。这里主要讨论输入电阻输出电阻增益2021/10/10星期日33ppt课件2.2.1增益实质上就是输出对输入的放大倍数。①②——电压增益——电流增益无量纲无量纲功率放大倍数定义为

AP=PO／Pｉ2021/10/10星期日34ppt课件用分贝表示的电压增益和电流增益如下：由于功率与电压（或电流）的平方成比例，因此功率增益表示为：功率增益＝10lgAP2021/10/10星期日35ppt课件2.2.2输入电阻Ri+-Rs+-+-RLRiRi决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小，即它决定了放大电路对信号源的要求。Ri放大电路(放大器)Ri越大，Ii就越小，放大电路从信号源索取的电流越小。放大电路所得到的输入电压Vi越接近信号源电压Vs。2021/10/10星期日36ppt课件2.2.3输出电阻RoRo的求法：将信号源短路，即=0，但保留Rs；且负载RL两端开路，即RL=∞时开路+-Rs+-+-RLRo放大电路（放大器）Ro+-短路××RO越小，放大电路的带负载能力越强。2021/10/10星期日37ppt课件2.2.4最大输出幅值

放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：

1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；2.要有合适的交流负载线。

2021/10/10星期日38ppt课件

由于三极管存在非线性，使输出信号产生了非线性失真。

非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比，用THD表示，即2.2.5非线性失真系数2021/10/10星期日39ppt课件

两个回路

正确的直流偏置

ui为小信号

ui和VBB串接

RB为基极偏置电阻

RC为集电极偏置电阻输入回路输出回路放大的外部条件2.3.1共射基本放大电路组成2.3共射基本放大电路2021/10/10星期日40ppt课件IC变化了ΔIC

，IB变化了ΔIBuBE=VBB+ui=VBB+ΔUBE

iE

=IE+ΔIE，iC

=IC

+ΔIC

，iB

=IB+ΔIBΔUO=ΔIC

RCΔUO>>ΔUBE电压放大(电流放大)放大原理放大的本质——功率（能量）的放大2021/10/10星期日41ppt课件C1、C2称为隔直电容或耦合电容,该电路又称为阻容耦合放大电路。2.3.2共射基本放大电路实际电路2021/10/10星期日42ppt课件基本共射放大电路的简化2021/10/10星期日43ppt课件共射放大电路改进电路vivo交直＋交直交需要使Rb》Rc（一般为几十倍）改成唯一的直流电源2021/10/10星期日44ppt课件三极管T起放大作用。偏置电路VCC

、Rb提供电源，并使三极管工作在线性区。耦合电容C1、C2输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。负载电阻RC、RL将变化的集电极电流转换为电压输出。阻容耦合共射放大电路2021/10/10星期日45ppt课件

放大原理

输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程：三极管放大作用变化的通过转变为变化的输出2021/10/10星期日46ppt课件首先交代各物理量表示方法及其含义：①VBE，VCE，VI，VO…IB，IC，IE，II…②

vi，vo，vbe，…ib，ic，ie，ii…表示“直流量”：大写字母＋大写下标表示“交流量”的瞬时值：小写字母＋小写下标③

vBE，vCE，vI，vO…iB，iC，iE，iI，iO…表示“直流量＋交流量”：小写字母＋大写下标2.3.3放大电路静态分析2021/10/10星期日47ppt课件④⑤

Vc，Vb，Ve，Vi…Ib，Ic，Ie，Ii…表示“交流量的向量形式”：大写字母＋小写下标＋头上点表示“交流量”的有效值：大写字母＋小写下标请详细参阅教材P21表述。2021/10/10星期日48ppt课件

静态和动态静态:

时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。(Q点)放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。动态:

时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。2021/10/10星期日49ppt课件vivoCb1Cb2断开断开直流通路

能通过直流的通路。提供Q点固定偏置例.2.2直流通路IB偏置电阻偏置电流2021/10/10星期日50ppt课件2.3.4动态分析动态分析讨论的对象：交流成分（即变化的量）放大电路在接入正弦信号时的工作情况设输入电压vi=0.02sinωt(V)vBE=VBE+vbeiB=IB+ibvCE=VCE+vceiC=IC+ic各分量都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，如下：2021/10/10星期日51ppt课件

共射极放大电路中的电压、电流波形uCE

=VCC-iC

RCuBE=UBE+ui

uo=uCE-UCE反相2021/10/10星期日52ppt课件vivoCb1Cb2vivo交流通路ibieic非线性部分线性部分短路短路∵ΔV=0∴直流电源相当于对地短路分析性能指标2021/10/10星期日53ppt课件

在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ

和ICQ。

在直流通路中估算IBQ。2.3.5图解分析法为一直线ic＝0时，vCE=VCC

——M点vCE＝0时，且斜率为-1/RC——N点1.确定静态工作点直流负载线静态工作点2021/10/10星期日54ppt课件2.确定放大器的放大倍数交流负载线其斜率为-1/R'L

R'L=RL∥Rc，是交流负载电阻。

交流负载线与直流负载线相交Q点。交流通路---交流负载线---波形2021/10/10星期日55ppt课件

根据vI的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE

、iB

的波形3.根据vI的波形求iB

(不要求)2021/10/10星期日56ppt课件4.根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE

的波形反相动态工作范围2021/10/10星期日57ppt课件AiCuCEvo可输出的最大不失真信号合适的静态工作点5.Q点对波形影响将Q点选在交流负载线AB的中央，可以获得最大的不失真输出，即可以得到最大的动态工作范围即：BQ=AQBQibVCESVCEA2021/10/10星期日58ppt课件截止失真的波形NPN管顶部削平Q点过低→信号进入截止区2021/10/10星期日59ppt课件饱和失真的波形NPN底部削平Q点过高→信号进入饱和区例2.32.152.142021/10/10星期日60ppt课件思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路适用范围：放大电路的输入信号是变化量且电压很小时适用2.3.6小信号等效电路分析法2021/10/10星期日61ppt课件BJT双口网络1.三极管的小信号等效电路交流rbb’2021/10/10星期日62ppt课件（1）利用直流通路求Q点

共射极放大电路一般硅管VBEQ=0.7V，锗管VBEQ=0.2V，

已知。2.放大电路的小信号等效电路及其分析vivoCb1Cb22021/10/10星期日63ppt课件vivoCb1Cb2vivo交流通路ibieic（1）画出放大电路的交流通路（2）画小信号等效电路2021/10/10星期日64ppt课件vbeibicvceβibbecvivo交流通路ibieic（2）将交流通路中的三极管用等效电路代替2021/10/10星期日65ppt课件vbeibicvceβibbecvivo交流通路ibieicRb+－vi2021/10/10星期日66ppt课件vbeibicvceβibbecvivo交流通路ibieicRb+－viRc+－voRL2021/10/10星期日67ppt课件则电压增益为（可作为公式）电压增益（3）求放大电路动态指标负号表示输出电压与输入电压反相2021/10/10星期日68ppt课件Ri输入电阻2021/10/10星期日69ppt课件所以：根据定义：+-0输出电阻2021/10/10星期日70ppt课件ibicivivo小结例2.42021/10/10星期日71ppt课件归纳等效电路法的步骤先确定Q点（IBQ、ICQ、VCEQ）方法：①近似估算法②图解法求Q点处的β和rbeβ通常会给出IEQ=IBQ+ICQ≈ICQ2021/10/10星期日72ppt课件三.等效电路法的步骤画出放大电路的微变等效电路列出电路方程并求解【一般要求增益、输入电阻和输出电阻】2021/10/10星期日73ppt课件小信号模型分析法就是把非线性的三极管线性化，这样具有非线性元件的放大电路就转化成为我们熟悉的线性电路了。经过线性化的三极管等效电路为：——称为简化的H参数小信号模型（或微变等效电路）2021/10/10星期日74ppt课件2.4静态点稳定电路2.4.1温度对静态工作点的影响2021/10/10星期日75ppt课件vivoRb1Rb2Cb1Cb2vivoCb2Cb1+iB2.4.2分压偏置电路固定偏流电路∵固定射极偏置电路旁路电容2021/10/10星期日76ppt课件Q点稳定原理vivoRb1Rb2Cb1Cb2Rb1Rb2VBVEI1I2直流通路VBE+-目标：温度变化时，使IC维持恒定。如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现Q点的稳定。2021/10/10星期日77ppt课件Rb1Rb2VBVEI1I2直流通路VBE+-分析该电路的特性指标（1）Q点的估算:【IBQ、ICQ、VCEQ】2021/10/10星期日78ppt课件bec（2）动态参数的估算2021/10/10星期日79ppt课件（2）动态参数的估算vivoRb1Rb2Cb1Cb2旁路电容bce微变等效电路2021/10/10星期日80ppt课件bce求电压增益2021/10/10星期日81ppt课件bce求输入电阻Re=0，代入无旁路电容时输入电阻表达式有小！2021/10/10星期日82ppt课件bce求输出电阻2021/10/10星期日83ppt课件2.5.1共集电极放大电路电路结构2.5共集电极电路和共基极电路——又称射极输出器2021/10/10星期日84ppt课件为正值,表明输出电压与输入电压同相。又称电压跟随器2021/10/10星期日85ppt课件共集电极放大电路的特点：电压放大倍数≈1（略小于1），对电压基本无放大作用；输入阻抗高,对信号源影响小；输出阻抗小,带负载能力强。输出电压与输入电压同相；电压跟随器对电流具有放大作用。2021/10/10星期日86ppt课件射极输出器的应用（1）放在多级放大器的输入端，提高整个放大器的输入电阻。（2）放在多级放大器的输出端，减小整个放大器的输出电阻。（3）放在两级之间，起缓冲作用。2021/10/10星期日87ppt课件2.5.2共基极电路电路结构CBRe：引入直流负反馈以稳定工作点QRb1、Rb2：是偏置电阻，为了建立合适的Q点而加的。2021/10/10星期日88ppt课件三种组态比较组态电压增益（）电流放大输入电阻（Ri）输出电阻（Ro）应用情况共射放大电路较大，与Vo反相有电流放大适中较大RC频带较窄，常作为低频放大单元电路共集放大电路与Vo同相，有电压跟随特性,不放大电压有电流放大最大最小常用于电压放大的输入、输出级共基放大电路较大，数值与共射同,与Vo同相无电流放大小较大RC在三种组态中其频率特性最好，常用于宽带放大电路2021/10/10星期日89ppt课件其中普通音响系统放大电路的幅频响应2.6.1放大电路的频率特性与通频带2.6多级放大电路1.放大电路的频率特性与通频带2021/10/10星期日90ppt课件becRb+-ReRcRL+-RsCb1CeCb2完全等效电路voRb1Rb2Cb1Cb2vsRs+-Rb=Rb1//Rb22.单极放大电路的频率特性分析分析该电路的低频响应时，不应该再忽略隔直电容和射极旁路电容低频主要影响2021/10/10星期日91ppt课件中频段Rb’=Rb1//Rb2Ri=Rb‘//rbe

Ro=Rc中频时:C1、C2、Ce容抗较小，可视为短路；Cπ’容抗较大，可视为开路。等效电路如图。2021/10/10星期日92ppt课件高频段

将全频段小信号模型中的C1、C2和Ce短路，即可获得高频段小信号模型微变等效电路，如图所示。2021/10/10星期日93ppt课件1)RC耦合第一级第二级CR2.6.2多级放大电路的分析1.耦和方式2021/10/10星期日94ppt课件vivo2)直接耦合优点：低频性能好， 易于继集成缺点：静态点相互影响（温度漂移问题）2021/10/10星期日95ppt课件

前级的开路电压是下级的信号源电压

前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗

下级的输入阻抗是前级的负载2多级放大电路的性能分析2021/10/10星期日96ppt课件则单级的上下限频率处的增益为当两级增益和频带均相同时，两级的增益为即两级的带宽小于单级带宽。结论：将几级放大电路串联起来后，总电压增益为各单级电路电压增益的乘积，较单级时提高了，但fL↑及fH↓，通频带变窄了。2021/10/10星期日97ppt课件2.7.1反馈的基本概念

将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。2.7反馈放大电路2021/10/10星期日98ppt课件举两个例子，比如：一.我们使用冰箱制冷,由于外界温度较高,冰箱向外界释放热量,冰箱内温度会朝着我们制定的度数降低,而外壳温度会越来越高,一段时间后,当冰箱内的温度达到所设置的度数后,冰箱会进行自动调节,让温度不再进一步地降低。这便是反馈调节。二.我们在家里使用洗衣机时会设置一个注水量，启动机器后，水开始注入机桶，在未达到注水量前，机器会产生动力驱动水位上升，然而水位上升至设置量后，反馈调节便开始了，洗衣机停止注水工作。例如在教小狗的时候，1+1=？，如果它衔的是写有2图片的时候，你给它骨头吃，那它看到1+1的时候就会衔含有2的图片，就有骨头吃，这就是正反馈。当它衔的不是2，你打一棍子它，那它下次就不敢再衔那张图片了，这就是负反馈2021/10/10星期日99ppt课件基本放大电路A反馈网络F放大：迭加：A称为开环放大倍数+–

反馈：AF称为闭环放大倍数AF=Xo/Xi输出信号输入信号反馈信号净输入信号F称为反馈系数设Xf与Xi同相负反馈放大器2021/10/10星期日100ppt课件1.正反馈与负反馈正反馈：负反馈：反馈信号增强了外加输入信号的作用，使得净输入量增加，最终使AF↑。反馈信号削弱了外加输入信号的作用，使得净输入量减小，最终使AF↓。2021/10/10星期日101ppt课件例2.4判别方法：瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率（正斜率或负斜率，用“+”、“-”号表示）。负反馈2021/10/10星期日102ppt课件2.交流反馈和直流反馈直流反馈：交流反馈：反馈量中只含有直流量，或者说，只在直流通路中存在的反馈。反馈量中只含有交流量，或者说，只在交流通路中存在的反馈。2021/10/10星期日103ppt课件3.串联反馈与并联反馈由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定串联串联：输入以电压形式求和（KVL）

-vi+vid+vf=0

即vid=vi-

vf并联：输入以电流形式求和（KCL）

ii-iid-if=0

即iid=ii-if并联2021/10/10星期日104ppt课件判断方法：（a）反馈量与输入量在不同输入端，对应的是电压求和，说明是串联反馈；（b）反馈量与输入量在同一输入端，对应的是电流求和，说明是并联反馈；2021/10/10星期日105ppt课件4.电压反馈与电流反馈

电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定电压反馈：反馈信号xf和输出电压成比例，即xf=Fvo电流反馈：反馈信号xf与输出电流成比例，即xf=Fio

并联结构串联结构2021/10/10星期日106ppt课件方法一：假设把输出端交流短路（即令输出电压等于0），观察是否仍有反馈信号。如果反馈信号不存在了，即反馈量为0，则说明是电压反馈；