模拟与数字电子电路基础：第5章 半导体三极管及放大电路

1模拟与数字电子电路基础

25.1双极型三极管5.2放大电路基础5.3多级放大电路第5章半导体三极管及放大电路3第5章半导体三极管及放大电路

三极管是电子电路中重要的一种半导体器件，在模拟电路中常用于对电压信号进行放大或组成振荡器等。在数字电路中，开关三极管作为一种开关器件使用。45.1双极型三极管第5章半导体三极管及放大电路5.1.1三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图02.01所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种极性的双极型三极管c-b间的PN结称为集电结(Jc)55.1双极型三极管第5章半导体三极管及放大电路5.1.1三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。

中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；65.1双极型三极管第5章半导体三极管及放大电路5.1.1三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。

一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；75.1双极型三极管第5章半导体三极管及放大电路5.1.1三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。

另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。85.1双极型三极管第5章半导体三极管及放大电路5.1.1三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。e-b间的PN结称为发射结(Je)95.1双极型三极管第5章半导体三极管及放大电路5.1.1三极管的结构

双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。

c-b间的PN结称为集电结(Jc)105.1双极型三极管5.1.1三极管的结构

双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。11基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大125.1双极型三极管5.1.2电流分配关系及放大作用

三极管具有放大作用不仅是由于它具有两个PN结，还取决于它的内、外部条件。要想理解三极管的放大作用，首先要明确各区的功能：

发射区的主要功能是发射载流子；基区的主要功能是运输和控制载流子；集电区的主要功能是收集载流子。

要保证三区具有以上功能，在制造晶体管时就要使三区具有以下特点（内部条件）：

发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，且掺杂浓度最低。135.1双极型三极管5.1.2电流分配关系及放大作用1三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏

VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏

VC>VB

142各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。(电流控制电流源)BECNNPEBRBECRC153.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。

发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。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ICE。

集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。16IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBE

ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,温度

ICEO

(常用公式)若IB=0,则

IC

ICE03.三极管内部载流子的运动规律

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

>>1175.1双极型三极管5.1.2电流分配关系及放大作用2、电流分配关系BECNNPEBRBECIEIBEICEICBOⓐ三极管三个电极的电流分配关系，用表示ⓑ电流分配关系不随电路连接方式而变。IB，IE,IC这三个量中只要IB

（或IE）发生改变，其它电流必定随之改变。在共发电路中，可改变输入电流IB使输出电流IC发生改变。185.1双极型三极管5.1.2电流分配关系及放大作用BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO3、交流电流放大系数交流电流放大系数表示三极管各电极电流微变量之间的关系。共发射极交流电流放大系数

定义为参数

是IB对IC控制能力的衡量。195.1双极型三极管5.1.3三极管特性曲线包括输入特性曲线与输出特性曲线。不同连接方式特性曲线有所不同，这里仅讨论共发射极特性曲线。共发射极输入特性205.1.3三极管特性曲线

它是表示以输出电压UCE为参变量，共发电路输出电压UBE与输入电流IB之间的关系曲线：1.共发射极输入特性曲线共发射极输入特性

由于共发电路的输入端就是BE结的两端，因而其输入伏安特性必然类似于PN结的伏安特性，如图

(b)所示。215.1.3三极管特性曲线

它是表示以输出电压UCE为参变量，共发电路输出电压UBE与输入电流IB之间的关系曲线：1.共发射极输入特性曲线共发射极输入特性

共发射极输入特性的纵坐标是IB而不是孤立PN结的正向电流，而且IB受UCE一定的影响。225.1.3三极管特性曲线1.共发射极输入特性曲线共发射极输入特性UCE<0.3V时，UCE对输入特性影响较大，UCE>0.3V以后，影响较小，对于一般工作于放大状态的三极管总满足条件UCE>0.3V，这时诸输入特性靠得很近，通常只画出一条特性曲线。235.1.3三极管特性曲线1.共发射极输入特性曲线共发射极输入特性

三极管也有一个死区电压，当UBE小于死区电压时，IB几乎为零，管子接近截止状态，超过死区电压IB（以及IC）明显增加，管子开始明显导通，故死区电压又称导通电压，用UBE(on)表示。245.1.3三极管特性曲线1.共发射极输入特性曲线共发射极输入特性Si管与Ge管导通电压绝对值范围如下：

0.2～0.3伏（Ge管）导通电压UBE(on)=0.6～0.7伏（Si管）255.1.3三极管特性曲线2.共发射极输出特性曲线

它是表示以输入基极电流IB为参变量，共发电路输出电压UCE

与输出电流IC

之间的关系曲线。IC=f(IB,UCE

)我们先讨论三极管放大状态下的输出特性。

如前所述，集电极电流IC是由IB传输过来的，只要UCE足够大，保证CB结处于反向偏置，则IC仅决定于IB（也就是决定于CB）而与UCE无关。如图所示。

三极管放大状态下的输出特性265.1.3三极管特性曲线2.共发射极输出特性曲线

这表明半导体三极管具有恒流的输出特性。该恒流值仅取决于IB，因此三极管输出电流IC是电流控制的电流源。图a是不同IB时的输出特性特例。图a不同IB时放大区的输出特性图b是完整的输出特性曲线。图b共发射极输出特性曲线275.1.3三极管特性曲线2.共发射极输出特性曲线iC=f(vCE)

iB=常数2.输出特性曲线

讨论输出特性曲线三个区域的外部条件及特征：放大区：e结正偏，c结反偏，满足电流分配关系。285.1.3三极管特性曲线2.共发射极输出特性曲线2.输出特性曲线饱和区：VCE＜VBE时T所处的区域。此时e结正偏，c结正偏，不满足电流分配关系。VBE=0.7VVCE=VCES=饱和的条件及特征0.1V(Ge)0.3V(si)295.1.3三极管特性曲线2.共发射极输出特性曲线2.输出特性曲线截止区：IB=0以下的区域，e结反偏，c结反偏，不满足电流分配关系。截止的条件及特征UBE＜0截止时有，IB=0，IC=0。305.1.4三极管的主要参数1、放大系数：反映放大能力的。2、极间电流：反映工作稳定性的。3、频率参数：决定工作频率的。4、极限参数：保证安全工作的。315.1.4三极管的主要参数

(1)共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=常数1.电流放大系数

325.1.4三极管的主要参数(2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

vCE=常数1.电流放大系数335.1.4三极管的主要参数

2.极间反向电流

(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

345.1.4三极管的主要参数

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流

(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

355.1.4三极管的主要参数

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.极间反向电流ICEO

(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。365.1.4三极管的主要参数(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=ICVCE

3.极限参数375.1.4三极管的主要参数

3.极限参数

由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区385.1.5三极管的小信号模型微变等效电路H参数模型395.1.5三极管的小信号模型微变等效电路

H参数的确定

一般用测试仪测出；rbe

与Q点有关，一般用公式估算其中对于低频小功率管则

405.2放大电路基础5.2.1共(发)射极放大电路

三极管有三个电极,三极管对小信号实现放大作用时在电路中可有三种不同的连接方式（或称三种组态）,即共(发)射极接法、共集电极接法和共基极接法。这三种接法分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端,而构成不同的放大电路,如图

(以NPN管为例)所示。415.2放大电路基础1．放大电路的组成及各元件的作用共(发)射(极)放大电路5.2.1共(发)射极放大电路VBB,Rb:使发射极正偏置，并提供合适的基极偏置电流VCC:通过Rc使T集电极反偏置三极管T起放大作用。RC:将集电极电流信号转换为电压信号。分析方法：叠加前提：三极管工作在线性区

425.2放大电路基础2．放大电路中电压、电流的方向及符号规定

1）电压、电流正方向的规定2）电压、电流符号的规定5.2.1共(发)射极放大电路432．放大电路中电压、电流的方向及符号规定三极管基极的电流波形(a)直流分量;(b)交流分量;(c)总变化量

(1)直流分量。如图所示波形,用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。5.2.1共(发)射极放大电路442．放大电路中电压、电流的方向及符号规定(2)交流分量。如图所示波形,用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。5.2.1共(发)射极放大电路三极管基极的电流波形(a)直流分量;(b)交流分量;(c)总变化量452．放大电路中电压、电流的方向及符号规定(3)总变化量。如图

(c)所示波形,是直流分量和交流分量之和,即交流叠加在直流上,用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值,其数值为iB=IB+ib。5.2.1共(发)射极放大电路三极管基极的电流波形(a)直流分量;(b)交流分量;(c)总变化量462．放大电路中电压、电流的方向及符号规定(4)交流有效值。用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值。5.2.1共(发)射极放大电路三极管基极的电流波形(a)直流分量;(b)交流分量;(c)总变化量47

谢谢各位ThankYou483．直流通路和交流通路1）直流通路所谓直流通路,是指当输入信号ui=0时,在直流电源UCC的作用下,直流电流所流过的路径。在画直流通路时,电路中的电容开路,电感短路。5.2.1共(发)射极放大电路493．直流通路和交流通路2）交流通路交流通路,是指在信号源ui的作用下,只有交流电流所流过的路径。画交流通路时,放大电路中的耦合电容短路;由于直流电源UCC的内阻很小,对交流变化量几乎不起作用,故可看作短路。

5.2.1共(发)射极放大电路505.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析

静态是指输入信号为零时放大电路的工作状态。

静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路中三极管的工作状态。

放大电路只有设置了合适的静态工作点Q,才能不失真地放大交流信号。因此,设置直流偏置电路,是实现对交流信号放大的前提。放大电路中常见的直流偏置电路有固定偏置式电路、分压式偏置电路等几种。515.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析

1）固定偏置式电路电路组成如图所示,+UCC经电阻Rb为发射结提供正偏电压,经电阻Rc为集电结提供反偏电压。IB、IC和VCE

是静态工作状态的三个量，用Q表示，称为静态工作点Q（IBQ，ICQ，VCEQ

）。525.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析

1）固定偏置式电路静态工作点的估算535.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析

1）固定偏置式电路

固定偏置式电路结构简单,但静态工作点不稳定。例如当IBQ固定时,温度升高,β值增大,ICQ增大,UCEQ减小,使Q点变化。电路的特点545.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析静态工作点的图解分析ui=0

，求Q（IBQ、ICQ和VCEQ

）线性线性非线性555.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析静态工作点的图解分析ui=0

，求Q（IBQ、ICQ和VCEQ

）(1).输入回路线性部分：

非线性部分：565.2.1共(发)射极放大电路4．静态（ui=0）分析静态工作点的图解分析ui=0

，求Q（IBQ、ICQ和VCEQ

）(2).输出回路

非线性部分：

得出Q（IBQ，ICQ，VCEQ

）线性部分：称为直流负载线575.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析所谓动态,是指放大电路输入信号不为零时的工作状态。当放大电路加入交流信号ui时,电路中各电极的电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成的。其波形如图所示。585.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析595.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析

输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，三极管各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。

三极管放大作用控制vsRc且vs605.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析所有电容短路所有电量小写画交流通路原则：VBB，VCC短路交流通路分析动态参数时，使用交流通路615.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析625.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析635.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析可得如下结论：

1.vi

vBE

iB

iC

vCE

|-vo|

2.vo与vi相位相反；

3.可以测量出放大电路的电压放大倍数。645.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析静态工作点对波形失真的影响Q点过低——截止失真655.2.1共(发)射极放大电路5．动态分析静态工作点对波形失真的影响Q点过高——饱和失真665.2.1共(发)射极放大电路6．微变等效电路675.2.1共(发)射极放大电路6．微变等效电路共射放大电路的微变等效电路(a)不考虑信号源内阻的等效电路；(b)考虑信号源内阻时的等效电路685.2.1共(发)射极放大电路6．微变等效电路1）电压放大倍数（1）求有载电压放大倍数Au。式中“-”表示输入信号与输出信号相位反相。

695.2.1共(发)射极放大电路6．微变等效电路1）电压放大倍数（2）求空载电压放大倍数Au′。即不接负载RL,RL→∞,705.2.1共(发)射极放大电路6．微变等效电路

2）输入电阻ri当Rb>>rbe时3）输出电阻ro

根据戴维南定理可得715.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路分压式偏置电路725.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路（1）稳定工作点原理

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，则可实现静态工作点的稳定。T

稳定原理：

IC

IE

VE

、VB不变

VBE

IB

IC

（反馈控制）(a)原理电路(b)直流通路735.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路b点电位基本不变的条件：I1>>IBQ，此时，VBQ与温度无关VBQ>>VBEQRe取值越大，反馈控制作用越强一般取

I1=(5~10)IBQ，VBQ=3~5V

745.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路（2）放大电路指标分析①静态工作点755.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路②电压放大倍数<A>画小信号等效电路765.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路②电压放大倍数输出回路：输入回路：电压增益：<B>确定模型参数

已知，求rbe<C>增益（可作为公式用）775.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路③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785.2.2静态工作点稳定共(发)射极放大电路④输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路

网络内独立源置零

负载开路

输出端口加测试电压其中则当时，一般（）795.2.3三种放大电路805.2放大电路基础1．放大的概念5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标

所谓放大,从表面上看是将信号由小变大,实质上,放大的过程是实现能量转换的过程。815.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标2.放大电路的性能指标放大电路放大的对象是变化量,研究放大电路时除了要保证放大电路具有合适的静态工作点外,更重要的是还要研究其放大性能。825.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标2.放大电路的性能指标对于放大电路的放大性能有两个方面的要求:一是放大倍数要尽可能大;二是输出信号要尽可能不失真。衡量放大电路性能的重要指标有放大倍数、输入电阻ri和输出电阻ro。835.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标1.放大倍数电压放大倍数的定义为电流放大倍数的定义为845.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标2.输入电阻ri

如图所示,放大电路的输入端可以用一个等效交流电阻ri来表示,它定义为855.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标3.输出电阻ro

如图所示,从放大电路输出端看,放大电路对于负载RL相当于一个信号源,该信号源的内阻就是放大电路的输出电阻,用ro表示,它定义为865.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标4.通频带通频带是衡量放大电路对不同频率信号的适应能力0.7│Au0││Au0│

f0

fH

fL│Au│875.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能指标4.通频带

放大电路的频率响应是指放大电路对不同频率的正弦信号的稳态响应。同放大倍数等指标一样，频率响应也是放大电路的一项重要特性，它用来衡量放大电路对不同信号频率的适应程度。频率响应也称为频率特性，频率特性包括幅频特性（即幅度.频率特性或增益.频率特性）和相频特性（即相位-频率特性）885.2放大电路基础5.2.4放大的概念及放大电路的性能