模拟电子技术基础-第五章-BJT三极管及其放大电路

1、,5 双极结型三极管及放大电路基础,5.1 BJT 5.2 基本共射极放大电路 5.3 BJT放大电路的分析方法 5.4 BJT放大电路静态工作点的稳定问题 5.5 共集电极放大电路和共基极放大电路 5.6 FET和BJT及其基本放大电路性能的比较 5.7 多级放大电路 5.8 光电三极管,5.1 BJT,5.1.1 BJT的结构简介,5.1.2 放大状态下BJT的工作原理,5.1.3 BJT的V-I 特性曲线,5.1.4 BJT的主要参数,5.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,5.1.1 BJT的结构简介,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,半导体三极

2、管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,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,电子技术,集成电路中典型NPN型BJT的截面图,5.1.2 放大状态下BJT的工作原理,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，见下图。,IEN,ICN,IEP,ICBO,IE,IC,IB,IBN,IE=IEN + IEP 且IEN IEP,IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN,IB=

3、IEP + IBN ICBO = IEP + IEN - ICN ICBO = IE - IC,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,1. 内部载流子的传输过程,注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反。为此可确定三个电极的电流,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,电子技术,IE=IC+IB,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,2. 电流分配关系,根据传

4、输过程可知,IC= INC+ ICBO,通常 IC ICBO,IE=IB+ IC,放大状态下BJT中载流子的传输过程,且令,3. 三极管的三种组态,(c) 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,(b) 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,(a) 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；,BJT的三种组态,共基极放大电路,4. 放大作用,电压放大倍数,vO = -iC RL = 0.98 V，,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。即表现为很小的发射结电压的变化引起较大的电流变化。 实现这一传输过程的两个条件是： （

5、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：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,5.1.3 BJT的V-I 特性曲线,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,（以共射极放大电路为例）,共射极连接,(3) 输入特性曲线的三个部分,死区,非线性区,线性区,导通电压典型值：硅0.7V 锗 0.3V,死区电压典型值：硅0.5V 锗 0.1V,

6、饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,iC=f(vCE) iB=const.,2. 输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,例：测量三极管三个电极对地电位如图 03.23所示，试判断三极管的工作状态。,例：用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态。,(1) 共发射极直流电流放大系数 =（I

7、CICEO）/IBIC / IB vCE=const.,1. 电流放大系数,5.1.4 BJT的主要参数,与iC的关系曲线,(2) 共发射极交流电流放大系数 =iC/iBvCE=const.,(3) 共基极直流电流放大系数 =（ICICBO）/IEIC/IE,(4) 共基极交流电流放大系数 =iC/iEvCB=const.,当ICBO和ICEO很小时， 、 ，可以不加区分。,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。,(2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,(1) 集电极最大允许电流ICM,(2) 集电

8、极最大允许功率损耗PCM,PCM= ICVCE,3. 极限参数,(3) 反向击穿电压, V(BR)CBO发射极开路时的集电结反 向击穿电压。, V(BR) EBO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,5.1.5 温度对BJT参数及特性的影响,(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)

9、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,5.2 基本共射极放大电路,5.2.1 基本共射极放大电路的组成,5.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,5.2.1 基本共射极放大电路的组成,基本共射极放大电路,习惯画法,共射极基本放大电路,三 极 管T能量转换元件 负载电阻Rc 、RL 偏置电路VCC 、Rb 耦合电容C1 、C2隔直和耦合作用,5.2.2 基本共射极放大电路的工作原理,1. 静态(直流工作状态),输入信号vi0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。,直流通路,VCEQ=VCCICQRc,电路如图所示，设VBE

10、=0.6V，=60，RC=2K设计电路参数，使VCEQ=2.5V. VCC =VBB =5V,2. 动态,输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT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。,交流通路,5.3 BJT放大电路的分析方法,5.3.1 图解分析法,5.3.2 小信号模型分析法,1. 静态工作点的图解分析,2. 动态工作情况的图解分析,3. 非线性失真的图解分析,4. 图解分析法的适用范围,1. BJT的H参数及小信号模型,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路,3. 小信号模型分析法的适用范围,5.3.1 图解分析法,1. 静态工作点的图解分析

11、,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, 列输入回路方程, 列输出回路方程（直流负载线） VCE=VCCiCRc, 首先，画出直流通路, 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。, 在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。,Q,IBQ,40,20,60,0.7,uBE,UBEQ,UCEQ,uCE,0.72,0.68,iB,交流负载线,2. 动态工作情况的图解分析,3. 静态工作点对波形失真的影响,uo,可输出的最大不失真信号,uo,A. Q点过低，信号进入截止

12、区,放大电路产生 截止失真,B. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生 饱和失真,总结,BJT的三个工作区,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,VCE0.7 IBICM ICMVCC/RC,VCEVCC、 VBE0.5 IB=0 ， IC=ICEO 0,IC=IB , 且 IC = IB 发射结正偏，集电结反偏,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于

13、哪个区？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,USB =2V时：,USB =5V时:,例： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V时， 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区？,Q 位于饱和区，此时IC 和IB 已不是 倍的关系。,波形的失真,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管 的饱和区而引

14、起的非线性失真。对于NPN管， 输出电压表现为底部失真。,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。,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,失真与工作点关系,# 放大区是否为绝对线性区？,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300k ， Rc=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）,静态工作点为Q（40A，3.2mA，5.

15、6V），BJT工作在放大区。,例,（2）当Rb=100k时，,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）,图(b)示出了图 (a)固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线，试求： （1）电源电压VCC，静态电流IB、IC和管压降VCE的值； （2）电阻Rb、Rc的值； （3）输出电压的最大不失真幅度； （4）要使该电路能不失真地放大，基极正弦电流的最大幅值是多少？ 解（1）由作图法可知，直流负载线与输出特性横坐标轴的交点的电压 值即是VCC值的大小，图（b）中直线为直流负载线，读得VCC=6V。由Q点

16、分别向横、纵轴作垂线，得:,例题,（2）由直流通路基极回路得,由集-射极回路得,（3）由交流负载线与静态工作点Q的情况可看出， 在输入信号的正半周， 输出电压VCE在3V到0.8V范围内，变化范围为2.2V； 在信号的负半周 输出电压VCE在3V到4.6V范围内，变化范围为1.6V。 综合考虑为不出现失真输出电 压的最大不失真幅度为1.6V。 （4）根据输出电压最大不失真幅度为1.6V，可作图求得基极 正弦电流最大幅值为20A。,4. 图解分析法的适用范围,幅度较大而工作频率不太高的情况,优点： 直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设

17、置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。,缺点： 不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,5.3.2 小信号模型分析法,1. BJT的H参数及小信号模型,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。, H参数的引出,在小信号情况下，对上

18、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，已知输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE) vCE=const,iC=f(vCE) iB=const,可以写成：,BJT双口网络,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）。, H参数的引出, H参数小信号模型,根据,可得小信号模型,BJT的H参数模型,BJT双口网络, H参数小信号模型, H参数都是小信

19、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。,受控电流源hfeib ，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。 hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。, 模型的简化,hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。,BJT在共射极连接时，其H参数的数量级一般为, 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。,rbe= rbb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 rbb200,则,2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电

20、路,（1）利用直流通路求Q点,共射极放大电路,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。,（2）画小信号等效电路,H参数小信号等效电路,（3）求放大电路动态指标,根据,则电压增益为,（可作为公式）,电压增益,H参数小信号等效电路,输入电阻,输出电阻,3. 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V-T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

21、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(交流量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。,例题,解：,（1）,（2）,5.4 放大电路静态工作点的稳定问题,5.4.1 温度对静态工作点的影响,5.4.2 射极偏置电路,1. 基极分压式射极偏置电路,2. 含有双电源的射极偏置电路,3. 含有恒流源的射极偏置电路,5.4.1 温度对静态工作点的影响,5.1.6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+ IC

22、EO） ，从而使Q点随温度变化。为什么？,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 。,1. 温度变化对ICBO的影响,2. 温度变化对输入特性曲线的影响,温度T 输出特性曲线上移,温度T 输入特性曲线左移,3. 温度变化对 的影响,温度每升高1 C ， 要增加0.5%1.0%,温度T 输出特性曲线族间距增大,返回,5.4.2 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, VBE , IB,（反馈控制）,1. 基极分压式射极

23、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,（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,（可作为公式用）,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,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,其中,2. 含有双电源的射极偏置电路,（1）阻容耦合,静态工作点,（2

24、）直接耦合,3. 含有恒流源的射极偏置电路,静态工作点由恒流源提供,例:已知图所示电路中的VCC=16V，Rb1=56k，Rb2=20k ， Re=2k ，Rc=3.3k ,RL=6.2k Rs=500 ,BJT的=80，ce=100k , VBEQ=0.7V，设C1、C2对交流信号可视为短路。试完成下列工作： （1）估算静态电流ICQ、IBQ和电压VCEQ ； （2）计算Av、Ri 、 Avs=vo/vs及Ro； （3）若在R e两端并联50uF的电容Ce，重复求解（1）、（2）。,解（1）,（2）,因为,（3）在R e两端并联50uF的电容Ce，由于电容对直流开路， 因此对静态工作点的计算

25、结果没有影响。 对于动态指标，由于旁路电容对交流等效于短路， 所以R e被短路,由于并联旁路电容，解决了稳定静态工作点与提高增益的矛盾,end,5.5 共集电极放大电路和共基极放大电路,5.5.1 共集电极放大电路,5.5.2 共基极放大电路,5.5.3 放大电路三种组态的比较,5.5.1 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.动态分析,交流通路,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,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

26、出电阻小,5.5.2 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,小信号等效电路,5.5.3 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

27、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。,多级放大电路,1.阻容耦合,2.直接耦合,耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,耦合：即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1. 静态：保证各级Q点设置,2. 动态: 传送信号。,要求：波形不失真，减少压降损失。,

28、1.阻容耦合,设: 1=2=50, rbe1 = 2.9k , rbe2 = 1.7 k,1.阻容耦合,关键:考虑级间影响。,1)静态: Q点同单级。,2) 动态性能:,方法:,ri2 = RL1,1.阻容耦合,考虑级间影响,1,微变等效电路:,1. ri = R1 / rbe1 +（ +1)RL1,其中: RL1= RE1/ ri2 = RE1/ R2 / R3 / rbe1=RE1/RL1 = RE1/ri2= 27 / 1.7 1.7k, ri =1000/(2.9+511.7) 82k,2. ro = RC2= 10k,3. 中频电压放大倍数:,其中：,多级阻容耦合放大器的特点：,(1

29、) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。 (2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。 (3) 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。 (4) 总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。 (5) 总输入电阻 ri 即为第一级的输入电阻ri1 。 (6) 总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。,例题,解：,例2：放大电路由下面两个放大电路组成。已知EC=15V ，R1=100k， R2=33k ，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，； R

30、B=570k，RE2=5.6k， 2 =100，RS=20k ，RL=5k,求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro 。 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus 。,ri = R1/ R2/ rbe =1.52 k,(1) 由于RS大，而ri小，致使放大倍数降低； (2) 放大倍数与负载的大小有关。例： RL=5k 时, Au= - 93；RL=1k 时, Au= - 31 。,求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。,rbe1=1.62 k， rbe2=2.36 k,2. 若信号经放大

31、电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au 、ri和ro 。,讨论：带负载能力。,2. 输出不接射极输出器时的带负载能力：,RL=5k 时： Au=-93 RL=1k 时： Au=-31,即：当RL由5k变为1k时，放大倍数降低到原来的92.3%。,放大倍数降低到原来的30%,RL=5 k时： Au1=-185，Au2=0.99，ri2=173 k,RL=1 k时： Au1=-174 ，Au2=0.97，ri2=76 k,1. 输出接射极输出器时的带负载能力：,可见输出级接射极输出器后，可稳定放大倍数Au。,3. 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus 。,Au

32、2=-93 ri2=1.52 k,Au1=0.98 ri=101 k,输入不接射极输出器时：,可见输入级接射极输出器后，由于从信号源取的信号增加，从而可提高整个放大电路的放大倍数Aus。,思考题：若首级接射极输出器、中间级接共射放大电路、末级接射极输出器，射极输出器和共射放大电路的参数同前。求该三级放大电路的放大倍数Au 、 Aus 、 ri和ro 。,1=100， 2=60， 3=100,1=100， 2=60， 3=100,rbe1=2.36 k， rbe2=1.62 k， rbe3=2.36 k,RL=5 k时： ri2=173 k ， Au2=-185，Au3=0.99,RL=1 k时

33、： ri2=76 k ， Au2=-174 ，Au3=0.97,RL=5 k时： ri2=173 k ， Au2=-185，Au3=0.99,RL=1 k时： ri2=76 k ， Au2=-174 ，Au3=0.97,，RS=20k，,RL=5 k时：,RL=1 k时：,5.6 FET和BJT及其基本放大电路性能的比较,5.6.1 FET和BJT重要特性的比较 5.6.2 FET和BJT放大电路性能的比较,5.6.1 FET和BJT重要特性的比较,FET和BJT内部都含有两个PN结，外部都有3个电极。它们有如下的对应关系： FET BJT 栅极g 基极b 源极s 发射极e 漏极d 集电极c,虽然这两类器件的工作原理不相同，但它们都可以利用两个电极之间的电压控制流过第三个电极的电流来实现输入对输出的控制。 MOS管：栅-源电压vGS控制漏极iD BJT：基-射极间电压vBE控制集电极电流iC 在放大区域内，MOS管的iD与vGS之间是平方律关系，而BJT的iC与vBE之间是指数关系。显然，指数关系更加敏感，所以通常BJT管的跨导要大于MOS管的跨导。 因MOS管的栅极电流iG=0，而BJT管的基极电流iB0，且电压vBE首先影响iB（或iE），然后通过iB（或iE）实现对iE的控制