的双极性晶体管及放大电路基础

1、2.1 双极型晶体管 2.2 放大电路的基本概念 2.3 放大电路的分析方法 2.4 放大电路静态工作点的稳定 2.5 晶体管放大电路的三种接法 2.6 晶体管基本单管放大电路派生电路 2.7 多级放大电路,第二章 半导体三极管,2.1 双极型晶体三极管,2.1.1 三极管的结构 2.1.2 三极管的电流分配与控制 2.1.3 三极管的特性曲线 2.1.4 三极管的参数 2.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,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。 图 02.01 两种极性的双极型三极管,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为

2、集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）。,2.1.1 三极管的结构,结构特点：, 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，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子,三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电

3、极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,放大作用:共基极,若,vI = 20mV,使,当,则,电压放大倍数,iE = -1 mA，,iC = iE = -0.98 mA，,vO = -iC RL = 0.98 V，, = 0.98 时，,VBB,VCC,VBE,IB,IE,IC,vI,+vBE,+iC,+iE,+iB,vI = 20mV,设,若,则,电压放大倍数,iB = 20 uA,vO = -iC RL = -0.98 V，, = 0.98,使,4. 放大作用：共射极,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电

4、压。 若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系， 见图02.02。,2.1.2 三极管的电流分配与控制,发 集 射 电 结 结 正 反 偏 偏,IEN：从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流 IEP：空穴从基区向发射区也有的扩散运动，形成的电流 IBN：在基区被复合的电子形成的电流 ICN：基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流 ICBO：另外因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流,IC=ICN+ ICBO,IE =

5、IC+IB,IE=IEP+IEN（IEN=ICN+IBN ）,IB=IEP+ IBNICBO,2. 电流放大系数,1. 电流分配关系,通常 IC ICBO,发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。,3. 电流放大倍数,得 ：,交流参数：,综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。 实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正

6、向偏置，集电结反向偏置。,输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const 输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,2.1.3 三极管的特性曲线,iB,+,-,uCE,uBE,vCE = 0V,iB=f(vBE) vCE=const,(2) 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。,(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,1. 输入特性曲线,(3) 输入特性曲线的三个部分,死区,非线性区,线性区,iC=f(vCE)

7、iB=const,2. 输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,总结,饱和区iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE的 数值较小，一般uCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结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，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于uCE轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时，发 射结正偏，集电结反偏，电压大于 0.7 V左右(硅管) 。,例：测量三极管三个电极对地电位如图 03.09所示，试判断三极管的工作状态。,图 03.09 三极管工作状态判断,1. 电流放大系数,2.1.4 三极管的参数,(2) 共发射极交流电流

8、放大系数 =IC/IBvCE=const,(4) 共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const,(3) 共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,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。,集电极最大允许电流ICM:下降到放大区的70%-30%时，对应的集电极电流,(2) 集电极最大允许功率损耗PCM,3. 极限参数,集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICUCBICUCE， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算时往往用UCE取代UCB。,(3) 反向击穿电压, V

9、(BR)EBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。, V(BR) CBO集电极开路时发射结的反 向击穿电压。, V(BR)CEO基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO,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,特征频率fT 三极管的值不仅与工作电流有关，而且与 工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,2.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,

10、(1) 温度对ICBO的影响,温度每升高10，ICBO约增加一倍。,(2) 温度对 的影响,温度每升高1， 值约增大0.5%1%。,(3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。,2. 温度对BJT特性曲线的影响,1. 温度对BJT参数的影响,2.2 放大电路的基本概念,2.2.1 放大的概念 2.2.2 放大电路的主要技术指标,2.2.1 放大的概念,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，

11、使之转换成信号能量，提供给负载。,2.2.2 放大电路的主要技术指标,(1)放大倍数 (2)输入电阻Ri (3)输出电阻Ro (4)通频带,(1) 放大倍数-反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力,互阻放大倍数,互导放大倍数,增益表示放大倍数的另外一种方法,其中,“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？,四种增益,常用分贝（dB）表示,(2) 输入电阻 Ri-体现放大电路从信号源获得电流的能力,(3) 输出电阻Ro-体现电路的驱动能力,注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于

12、放大状态且输出不失真的条件下才有意义。,两个放大电路相连的示意图,(4) 通频带 BW=fH-fL,相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率。,问题1：放大电路的输出电阻小，对放大 电路输出电压的稳定性是否有利？,问题2：有一个放大电路的输入信号的频 率成分为100 Hz10 kHz，那么放 大电路的通频带应如何选择？,如果放大电路的通频带比输入信 号的频带窄，那么输出信号将发 什么变化？,2.3 放大电路的分析方法,2.3.1 共发射极组态交流基本放大电路的组成 2.3.2 静态和动态 2.3.3 放大电路的图解分析 2.3.4 小信号模型分析法,1. 电路组成,输出回路（集电极回路）,

13、2.3.1 共发射极组态交流基本放大电路的组成,2. 简化电路及习惯画法,习惯画法,共射极基本放大电路,基本组成如下： 三 极 管T 负载电阻Rc 、RL 偏置电路VCC 、Rb 耦合电容C1 、C2,起放大作用。,将变化的集电极电流 转换为电压输出。,提供电源，并使三极管 工作在线性区。,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。,共发射极组态交流基本放大电路,3. 简单工作原理,三点原则： 1）必须设置合适的静态工作点，保证在整个周期，信号全部工作在放大区。 2）输入回路的接法，应该使输入信号能够尽量不损失的加载到放大

14、期间的输入端 3）输出回路的接法，应该使输出信号，尽可能的多的传送到负载上,静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,电路处于静态时，三极管各电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。,# 放大电路为什么要建立正确的静态？,2.3.2 静态和动态,情况一、截止状态,静态时：,一 设置静态性工作点的必要,情况二、饱和状态,静态时：,情况三、放大状态,静态时：,直流通道 交流通道,在直流电源

15、的作用下直流电流流经的 通道。电容开路；电感短路； 信号源短路，但应保留其内阻。,能通过交流的电路通道。 电容（容量足够大，如耦合电容）-短路； 直流电源短路 。,二 直流通道和交流通道,直接耦合共射放大电路及其 直流通路和交流通路,阻容耦合共射放大电路,交流通路,直流通路, 用近似估算法求静态工作点, 用图解分析法确定静态工作点, 交流通路及交流负载线, 输入交流信号时的图解分析, BJT的三个工作区, 输出功率和功率三角形,一 静态工作情况分析,二 动态工作情况分析,2.3.3 图解分析法,共射极放大电路,一 静态工作情况分析,1. 用近似估算法求静态工作点,根据直流通路可知：,采用该方法

16、，必须已知三极管的 值。,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,共射极放大电路,2. 用图解分析法确定静态工作点, 首先，画出直流通路, 列输入回路方程： VBE =VCCIBRb, 列输出回路方程（直流负载线）： VCE=VCCICRc, 在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCCIBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300k， R

17、c=2k， VCC= +12V，求：,（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,（2）当Rb=100k时，,静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。,其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：,所以BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例题,二 动态工作情况分析,由交流通路得纯交流负载线：,共射极放大电路,vce= -ic (Rc /RL),因为交流负载线必过Q点，即 vce= vCE - VCEQ ic=

18、iC - ICQ 同时，令RL = Rc/RL,1. 交流通路及交流负载线,则交流负载线为,vCE - VCEQ= -(iC - ICQ ) RL,即 iC = (-1/RL) vCE + (1/RL) VCEQ+ ICQ,2. 输入交流信号时的图解分析,共射极放大电路,通过图解分析，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； 4. 可以确定最大不失真输出幅度。,# 动态工作时， iB、 iC的实际电流方向是否改变，vCE的实际电压极性是否改变？,3. 动态工作情况的图解分析, 共射极放大电路中的电压

19、、电流波形,截止失真的波形,3 波形非线性失真的分析,由于放大电路的工作点达到了三极管 的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管， 输出电压表现为顶部失真。,饱和失真的波形,3. 静态工作点对波形失真的影响,由于放大电路的工作点达到了三极管 的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管， 输出电压表现为底部失真。,4 放大电路的最大不失真输出幅度,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。,放大器的最大不失真输出幅度,例题： 左图电路，由于电路参数的改变使Q点移动。,1. 从Q1到Q4,5. 总结：BJT的三个工作区

20、,当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。,饱和区特点： iC不再随iB的增加而线性增加，即,此时,截止区特点：iB=0， iC= ICEO,vCE= VCES ，典型值为0.3V,6. 输出功率和功率三角形,要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。,功率三角形,放大电路向电阻性负载提供的输出功率,在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。,一 BJT的小信号建模,二 共射极放大电路的小信号模型分析, H参数的引出, H参数小信号模型, 模型的简化, H参数的确定,（意义、思路）, 利用直流通路求Q点, 画小信号等效电路, 求

21、放大电路动态指标,2.3.4 小信号模型分析法,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,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。,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。,一 BJT的小信号建模,1. H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线

22、如下：,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以写成：,输出端交流短路时的输入电阻；,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端交流开路时的反向电压传输比；,输入端交流开路时的输出电导。,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,2. H参数小信号模型,根据,可得小信号模型,BJT的H参数模型, 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。 H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,3. 模型的简化,即 rbe= hie = hfe uT = hre rce= 1/hoe,一

23、般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为, uT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。,4. 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,则,rbe= rbb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 rbb200,二 用H参数小信号模型分析共 射极基本放大电路,共射极放大电路,1. 利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。,2. 画出小信号等效电路,共射极放

24、大电路,H参数小信号等效电路,3. 求电压增益,根据,则电压增益为,（可作为公式）,4. 求输入电阻,令,1. 电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,例题,解：,（1）,（2）,小信号模型分析法的适用范围,放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其VT特性曲线的线性范围（即放大区）内。H参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。,优点： 分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。,缺点： 在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量(交流

25、量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。,2.4 温度对静态工作点的影响,2.1.5节讨论过，温度上升时，BJT的反向电流ICBO、ICEO及电流放大系数或都会增大，而发射结正向压降VBE会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加（ICQ= IBQ+ ICEO） ，从而使Q点随温度变化。,要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流IBQ 。,射极偏置电路,（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 , IC, IE, VE、VB不变, VB

26、E , IB,（反馈控制）,1. 基极分压式射极偏置电路,(a) 原理电路 (b) 直流通路,b点电位基本不变的条件：,I1 IBQ ，,此时，,VBQ与温度无关,VBQ VBEQ,Re取值越大，反馈控制作用越强,一般取 I1 =(510)IBQ ， VBQ =35V,1. 基极分压式射极偏置电路,（1）稳定工作点原理,1. 基极分压式射极偏置电路,（2）放大电路指标分析,静态工作点,电压增益,画小信号等效电路,（2）放大电路指标分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,（2）放大电路指标分析,（可作为公式用）,输入电阻,则输入电

27、阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,（2）放大电路指标分析,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,其中,（2）放大电路指标分析,2.5 晶体管放大电路的三种接法,2.5.1 共集电极放大电路,2.5.2 共基极放大电路,2.5.3 放大电路三种组态的比较,2.5.1 共集电极放大电路,1.静态分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为射极输出器,得,直流通路,小信号等效电路,2.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,交流通路,2.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,其中,一般,，则电压增益接近于1，,电 压 跟 随 器,2.5.1

28、共集电极放大电路,2.动态分析,输入电阻,时，,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,时，,输出电阻小,2.5.1 共集电极放大电路,2.动态分析,2.5.1 共集电极放大电路,2.5.2 共基极放大电路,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流通路,小信号等效电路, 输入电阻, 输出电阻,2.动态指标,小信号等效电路,2.5.3 放大电路三种组态的比较,1.三种组态的判别,以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极输出共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出共集电极放大电路 信号由发射极输

29、入，集电极输出共基极电路,2.三种组态的比较,3.三种组态的特点及用途,共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。 共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。 共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。,2.5.3 放大电路三种组态的比较,2

30、.6 单管放大电路派生电路,2.6.1 复合管放大电路,2.6.2 共射共基放大电路2.6.3 共集共集放大电路,2.6.1 复合管放大电路,1.两只NPN型BJT组成的复合管,2.两只PNP型BJT组成的复合管,rberbe1(11)rbe2,4.PNP与NPN型BJT组成的复合管,3.NPN与PNP型BJT组成的复合管,rberbe1,复合管的主要作用,提高电流放大倍数和输入电阻 2. 为了实现结构对称,组成复合管的原则,在正确的外加电压下，每只管子的各个电极的电流都要 有合适的通路，而且都工作在放大区。,2.6.2 共射共基放大电路,共射共基放大电路,2.6.2 共射共基放大电路,组合放

31、大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。 前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻RL。,电压增益,2.6.2 共射共基放大电路,输入电阻,输出电阻,Ro Rc2,T1、T2构成复合管，可等效为一个NPN管,(a) 原理图 (b)交流通路,2.6.3 共集共集放大电路,2.6.3 共集共集放大电路,共集共集放大电路的Av、 Ri 、Ro,式中 12 rberbe1(11)rbe2 RLRe|RL,RiRb|rbe(1)RL,多级放大电路概述,2.7.1,直接耦合多级放大电路,多级放大电路的分析,2.7 多级放大电路,2.7.2,2.7.3,多

32、级放大电路的放大倍数：,2.7.1 多级放大电路概述,1.多级放大电路的目的： 改善放大电路的性能，例如输入电阻，放大倍数，输出电阻 2.多级放大电路耦合的条件： 前级的输出信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大,3. 多级放大电路耦合形式,1.直接耦合: 采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。 直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路 2.电抗性元件耦合: 采用电容或变压器耦合电抗性元件耦合 只能传输交流信号,漂移信号和低频信号不能通过。,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,耦合电路的简化形式如下图所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决； 阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点Q互不影响，可抑制温漂，不易于集成； 变压器耦合可实现阻抗变换（不常用）。,(a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合 图07.01 耦合电路的形式,一.直接耦合放大电路静态工作点的设置,2.7.2 直接耦合多级放大电路,二. 直接耦合方式的优缺点,直接耦合放大电路的优点是低频特性好。 电路中没有大电容，容易集成。 直接耦合或电阻耦合方式使各放大级的直流 通路相连，工作点互相影响，给电路的