模拟基础电路技术 10

4晶体三极管本次课学习目标晶体三极管器件结构及工作模式(MOOC学习）放大模式下晶体三极管电流方程(MOOC学习)晶体三极管伏安特性及大信号建模BJT放大器交直流分析基础重要提示：时时记得与MOS器件进行对比晶体三极管概述为放大而设计的器件：三个工艺条件有两种载流子同时参与导电，因此称为双极型晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)，简称三极管或BJT从结构上分为NPN型和PNP型两种，课程介绍以NPN为例展开，内含发射区、基区、集电区PN结导电：发射结和集电结三端器件：发射极(E)、基极(B)和集电极(C)+(B)晶体三极管工作模式模式EBJCBJ应用截止反偏反偏在数字电路中作为开关使用饱和正偏正偏放大正偏反偏放大器反向放大反偏正偏无放大或放大能力很弱晶体三极管的电路符号晶体三极管放大模式下电流方程

IEICIBB区E区C区-VBE+-VCB+-V1+-V2+BJT：流控器件MOS：压控器件正向受控作用共发射极输入特性曲线族

条件：EBJ正偏vCE：0~0.3V，饱和模式vCE=0.3V，分界线vCE>0.3V，放大模式共发射极输出特性曲线族vCE=0.3V饱和区工作条件：

EBJ、CBJ均正偏且导通方程：大信号等效电路模型饱和压降放大区vCE=0.3V工作条件：EBJ正偏，CBJ反偏方程：理想大信号等效电路模型厄尔利效应——基区宽度调制效应其中：截止区vCE=0.3V工作条件：EBJ反偏，CBJ反偏方程：工程上定义以下区域等效电路：击穿区vCE=0.3V工作条件：

EBJ正偏，CBJ反偏三极管的极限参数集电极最大允许电流ICM集电极最大允许功耗PCM反向击穿电压V(BR)CEO晶体三极管放大器设计若BJT放大工作，则CE放大器传输特性曲线CE放大器传输特性曲线线性放大数字开关晶体三极管数字门电路的实现晶体三极管数字门电路的实现CE放大器图解分析法(直流工作点确定)CE放大器图解分析法(交流摆幅范围确定)饱和失真截止失真负载线对偏置点位置的影响饱和失真截止失真直流偏置电路——分压式偏置结构电阻RE的稳流作用IC

↑∵VB不变，∴VBE

↓IE

RE↑IC

↓IC

=αIE工程上取1.2.I1推荐设计：一般或直流偏置电路——分压式偏置结构分析直流参数一般包括哪些电参数？直流偏置电路——分压式偏置结构分析BJT工作在放大区工作点：IB、VBE、IC和VCE直流偏置电路——分压式偏置结构分析(工程估算法)若能验证：则直流偏置电路——分压式偏置结构设计电路设计：或直流偏置电路——双电源供电偏置电路直流偏置电路——恒流源偏置电路晶体三极管放大电路的直流分析步骤（1）采用固定的电压压降模型，若EBJ正偏，则假设电压，不考虑准确的电压值；若EBJ反偏，则认为BJT截止工作。（2）假设晶体管工作在放大区，可以应用IB、IC和IE的关系来求解VCE。（3）检查VCE：若VCE>0.3V，假设成立，管子工作在放大区；若VCE<0.3V，假设不成立，则BJT工作在饱和区，因此要重新假设VCE

=VCE(sat)=0.3V来求IC

例4.1

假定,确定所有节点电压和所有支路电流

回路方程假设BJT工作在放大区，则集电极电压为验证假设成立。例4.3设计如图所示放大电路，使得IE=0.5mA,VCE=4.0V

,已知

解：已知晶体三极管工作在放大区晶体三极管交流小信号模型讨论前提：BJT已被偏置在放大区BJT交流小信号建模：输出部分+输入部分放大模式下的正向受控作用：输出部分晶体三极管小信号条件

及输出部分建模跨导系数BJT基极与发射极之间电压差为

放大模式下的正向受控作用

代入方程可得：

晶体三极管小信号条件

及输出部分建模跨导系数若交流部分信号幅度足够小，使得，即晶体三极管小信号条件及

输出部分建模跨导系数三极管小信号条件Q:与MOS相比，若工作点电流相同，gm的大小？跨导系数晶体三极管小信号条件及输出部分建模

（定义推导）输出部分建模：压控电流源gmvbeBJT器件输入部分的小信号模型BJT的混合π小信号模型BJT的混合π小信号模型（考虑基区宽度调制调制效应）压控电流源形式流控电流源形式发射极等效交流输入电阻re用于T模型建模，不常用基极等效交流输入电阻：发射极等效交流输入电阻：基于BJT的放大器组态Q：放大器分析的一般步骤共射(CE)放大器电路结构+++VTCE放大器直流分析VTVTCE放大器交流分析VTviCE放大器交流小信号等效电路viCE放大器参数求解：电压增益vi+−viCE放大器参数求解：电压增益vi+−CE放大器参数求解：输入电阻vi+−CE放大器参数求解：输入电阻vi+−CE放大器参数求解：输出电阻vi+−CE放大器参数求解：输出电阻CE放大器小结VT电路特征不高的输入电阻较高的电压增益不低的输出电阻很小的线性输入范围

射极接电阻RE的CE放大器射极接电阻RE的CE放大器交流分析交流小信号等效电路忽略基区宽度调制效应放大器参数求解：输入电阻放大器参数求解：输入电阻放大器参数求解：电压增益放大器参数求解：电压增益放大器参数求解：输出电阻射极接电阻RE的CE放大器小结电路特征较高的输入电阻适中的电压增益不低的输出电阻线性输入范围明显扩展较高的信号处理带宽射极接电阻RE的CE放大器设计实现例题：考虑单电源分压式偏置电路设计。给出一个使用12V电源的设计，该电源电压在RC、VCE和RE之间平分，并且集电极电流为2mA。晶体管β的最小值为90。使用电压分压器，其上电流IR1为IE/10。Tip：实际应用中因为一个合理的设计应该是晶体管的β值稍高，所以先利用β=∞来设计电路，选择合适的5%电阻并选择电阻使VBB稍大于理想值，然后用β=90来验证求解VB、VE、VC和IC，并根据设计需要对电阻取值进行微调。IR1IEVTβ=∞时支路电流有何特点？IEVTIEVT放大电路如图所示，VCC=VEE=10V，IE=1mA，RB=100kΩ，RC=8kΩ，β=100时，（1）求器件VT上所有的直流电流和电压；假设输入信号足够小，则集电极信号在正负两个方向上允许的最大摆幅分别为多少？而整个放大器所允许的最大摆幅是多少？投稿：集电极允许的信号正负摆幅的范围和什么因素有关？(1)直流分析−0.99Vβ=100α=0.999.9μA−1.69V+2.08V0.99mA1mA若要求BJT工作在放大区，则有所以正摆幅空间为7.92V又∴负摆幅空间为3.47V所以放大器实际能达到的最大输出摆幅空间为3.47V放大电路如图所示，VCC=VEE=10V，IE=1mA，RB=100kΩ，RC=8kΩ，β=100时，（2）若VA=100V，求小信号参数；(1)直流分析(2)−0.99Vβ=100α=0.999.9μA−1.69V+2.08V0.99mA1mA放大电路如图所示，VCC=VEE=10V，IE=1mA，RB=100kΩ，RC=8kΩ，β=100时，（3）若RL=8kΩ，求Av、Ri、Ro；(3)电路如图所示，VCC=VEE=10V，IE=1mA，RB=100kΩ，RC=8kΩ，β=100时，（4）若发射极上多加一个225Ω的电阻RE，且将vπ的峰值限制为5mV，那么包含RE前后最大的vsig值分别为多少？相应最大的vo分别为多少？假设Rsig=5kΩ，且忽略ro。(4)(4)未加RE，则为信号源最大值(4)增加RE，则为信号源最大值82共基（CB）放大器忽略基区宽度调制效应交流通路为83共基（CB）放大器的交流参数——增益84共基（CB）放大器的交流参数——增益85共基（CB）放大器的交流参数——输入电阻86共基（CB）放大器的交流参数——输入电阻87共基（CB）放大器的交流参数——输出电阻88共基（CB）放大器的交流参数——输出电阻共基（CB）放大器的交流参数——电流增益90共基（CB）放大器的交流参数——电流增益例题：要求设计一个如图所示的CB放大器，该放大器对一个从输出电阻为50Ω的同轴电缆传输过来的信号进行放大。要求该放大器为电缆提供合适终端电阻匹配，以实现最大功率传输。假设VT的β和VA均足够大，RE>>re，集电极直流电压VC=1V，要求：①完成电路设计；②求该电路源电压增益；③若vsig为峰值为10mV的正弦波，则输出电压峰值为多少？目标：①完成电路设计，求RC和RE取值；②Avs；③vo条件：①直流工作点：

VC=1V②交流输入电阻：

Ri

=

50Ω最大功率传输定理求小信号参数gm，进而求工作点IC初步方案：交直流分离直流分析+交流分析求输入电阻及相关信息由题目可知Rsig=50Ω，要实现最大功率传输，则有Ri=50Ω根据直流信息，求电阻取值求源电压增益及输出信号求源电压增益及输出信号100共基（CB）放大器的小结具有较低的输入电阻相当高的输出电阻短路电流增益接近于1较高的电压增益开路电压增益是正的，为同相放大器电流跟随器具有极好的高频性能101共集电极（CC）放大器或射极跟随器102共集电极（CC）放大器或射极跟随器（交流分析）103共集电极（CC）放大器的交流参数——输入电阻104共集电极（CC）放大器的交流参数——电压增益105共集电极（CC）放大器的交流参数——电压增益106共集电极（CC）放大器的交流参数——输出电阻107共集电极（CC）放大器的交流参数——输出电阻108共集电极（CC）放大器的交流参数——电流增益109共集电极（CC）放大器的交流参数——电流增益短路电流增益110共集电极（CC）放大器或射极跟随器的特性具有较高的输入电阻较低的输出电阻电压增益小于1但接近于1较好的电流增益作为多级放大器的最后一级或输出级较好的幅频响应例题：