雙極型三極管及放大電路(自編教材)

3雙極型三極管及其放大電路3.2共射極放大電路3.3圖解分析法3.4小信號模型分析法3.5放大電路的工作點穩(wěn)定問題

3.6共集電極電路和共基極電路3.7放大電路的頻率響應(yīng)3.1半導(dǎo)體BJT13.1雙極型三極管(BJT)又稱半導(dǎo)體三極管、晶體管，或簡稱為三極管。(BipolarJunctionTransistor)三極管的外形如下圖所示。三極管有兩種類型：NPN和PNP型。主要以NPN型為例進行討論。三極管的外形23BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型結(jié)構(gòu)與分類

兩個PN結(jié)、三個引腳，兩種類型：NPN和PNP型。一、

BJT的結(jié)構(gòu)、符號及放大條件集電結(jié)發(fā)射結(jié)4BECNPN型三極管BECPNP型三極管BJT符號NPNCBEPNPCBE

由于PN結(jié)之間的相互影響，使BJT表現(xiàn)出不同于單個PN結(jié)的特性而具有電流放大作用。5BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度最低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高結(jié)構(gòu)特點6BJT放大的內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大；

基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。管芯結(jié)構(gòu)剖面示意圖7BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB

，多數(shù)擴散到集電結(jié)。IBBJT放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏8BECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴散來的電子漂移進入集電結(jié)而被收集，形成IC。ICICIB三極管能放大電流的必要條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。根據(jù)KCLIE=IB+IC9令α=IC/IE

為共基極電流放大倍（系）數(shù)

α<1(0.9～0.99)根據(jù)KCLIE=IB+IC令=IC/IB為共射極電流放大倍(系)數(shù)

>>1(10～100)

一般放大電路采用30～80為宜，太小放大作用差，太大性能不穩(wěn)定。10因為

IC=αIEIB=IE－IC=IE－αIE=

IE（1－α

）

所以

=IC/IB=αIE/IE（1－α）

=α/(1-α)

即為α與的關(guān)系11c+eVBBVCC-vBEiB+-vCEiCb共射極放大電路vCE=0V

iB=f(vBE)

vCE=const(2)當(dāng)vCE≥1V時，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。vCE=0VvCE

1V(1)當(dāng)vCE=0V時，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1.輸入特性曲線二、

BJT的特性曲線（以共射極放大電路為例）此時，曲線基本相同，為一般常用曲線。12(3)輸入特性曲線的三個部分①死區(qū)

②非線性區(qū)③線性區(qū)

1.輸入特性曲線13iC=f(vCE)

iB=const2.輸出特性曲線飽和區(qū)：Je正偏，Jc正偏。

該區(qū)域內(nèi)，一般vCE

<1V

(硅)。放大區(qū)：Je正偏，Jc反偏。曲線基本平行等距。

截止區(qū)：Je反偏，Jc反偏。ic軸接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時，vBE小于死區(qū)電壓。輸出特性曲線的三個區(qū)域14

(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1.電流放大系數(shù)

三、BJT的主要參數(shù)(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=IC/IBvCE=const15

(3)共基極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

(4)共基極交流電流放大系數(shù)α

α=IC/IE

VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時，≈、≈，可以不加區(qū)分。三、BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

16

(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

2.極間反向電流ICEO

(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向飽和電流。

三、BJT的主要參數(shù)即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。ICEO也稱為集電極發(fā)射極間穿透電流。17(3)反向擊穿電壓

V(BR)CBO—發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓。V(BR)EBO—集電極開路時發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。

V(BR)CEO—基極開路時集電極和發(fā)射極間的

反向擊穿電壓。幾個擊穿電壓有如下關(guān)系

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO

3.極限參數(shù)(1)集電極最大允許電流ICM(2)集電極最大允許功率損耗PCM，PCM=ICVCE

18

由PCM、ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區(qū)、過電流區(qū)和擊穿區(qū)。

輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿區(qū)end193.2共射極放大電路共射電路組成

簡單工作原理

放大電路的靜態(tài)和動態(tài)

直流通路和交流通路放大電路的基本概念20放大電路的作用：

將微弱的電信號放大到一定的數(shù)值去驅(qū)動負載，使之正常工作。放大電路的分類：分類1：連接方式不同(組態(tài)不同）

共射極放大電路共集電極放大電路共基極放大電路分類2：放大元件的個數(shù)不同單級放大電路多級放大電路分類3：所放大的信號不同直流放大電路交流放大電路一、放大電路的基本概念21二、共射極放大電路1.電路組成輸入回路（基極回路）輸出回路（集電極回路）222.簡單工作原理vi=0(靜態(tài))vi=Vsint（動態(tài)）233.

放大電路的靜態(tài)和動態(tài)

靜態(tài)：輸入信號為零（vi=0或ii=0）時放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)；可用估算法和圖解法進行分析。

動態(tài)：輸入信號不為零時放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)；可用圖解法和小信號模型法分析。其主要性能指標(biāo)為Av

、Ri、Ro

。

電路處于靜態(tài)時，三極管各電極的電流、電壓在特性曲線上確定為一點，稱為靜態(tài)工作點，常稱為Q點。一般用IB、

IC、和VCE

（或IBQ、ICQ、和VCEQ

）表示。

綜合考慮電路的靜態(tài)分析結(jié)果與動態(tài)分析結(jié)果，即得電路的實際工作情況244.習(xí)慣畫法BJT:

放大電路的核心Vcc:

電路的能源Rb:

基極電阻，用于設(shè)置偏壓Rc:

集電極電阻，用于實現(xiàn)集電極的電流與電壓的轉(zhuǎn)換C1、C2:

耦合電容，作用為

1）隔直流，使BJT的直流工作點

Q不受外界直流影響；

2）通交流，使交流信號無衰減地通過。注意：零電位點是指電路中各點電位均以此點為參考。25

直流通路5.直流通路和交流通路耦合電容：隔直流，可看做為開路。信號源：不加考慮去掉所在支路。直流電源：內(nèi)阻為零，相當(dāng)于對地短路

耦合電容：通交流，相當(dāng)于短路end交流通路263.3放大電路的分析法

3.3.1靜態(tài)工作情況分析

3.3.2動態(tài)工作情況分析

3.3.3小信號模型分析法

27

3.3.1靜態(tài)工作情況分析1.近似估算靜態(tài)工作點根據(jù)直流通路可知：共射極放大電路首先，畫出直流通路采用該方法，必須已知三極管的值。28

在輸出特性曲線上，直流負載線vCE=VCC－iCRC，與IBQ曲線的交點即為Q點，從而得到VCEQ

和ICQ。

列輸出回路方程（直流負載線）：vCE=VCC－iCRC2.用圖解法確定靜態(tài)工作點采用該方法分析靜態(tài)工作點，必須已知三極管的輸出特性曲線。

由直流回路求出IB(即IBQ)O29

【例】圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知Rb=280k，Rc=3k

，集電極直流電源VCC=12V，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。解：首先估算IBQ做直流負載線，確定Q

點根據(jù)vCE=VCC–iC

RciC=0，vCE=12V；vCE=0，iC=4mA.300iB

=0μA20μA40μA60μA80μA134224681012MQ靜態(tài)工作點IBQ=40μA，ICQ=2mA，UCEQ=6V.uCE

/V由Q

點確定靜態(tài)值為：iC

/mA31由交流通路得純交流負載線：

共射極放大電路交流通路icvce+-vce=-ic(Rc

//RL)1.交流通路及交流負載線過輸出特性曲線上的Q點做一條斜率為-1/RL直線，該直線即為交流負載線。R'L=

RL∥Rc，是交流負載電阻。

交流負載線是有交流輸入信號時工作點Q的運動軌跡

3.3.2動態(tài)工作情況分析O322.輸入交流信號時的圖解分析通過圖解分析，可得如下結(jié)論：

1.vi

vBE

iB

iC

vCE|-vo|

2.vo與vi相位相反；

3.可以測量出放大電路的電壓放大倍數(shù)；

4.可以確定最大不失真輸出幅度。33

單管共射放大電路當(dāng)輸入正弦波ui

時，放大電路中相應(yīng)的uBE、iB、iC、uCE、uO

波形。單管共射放大電路的電壓電流波形343.BJT的三個工作區(qū)飽和區(qū)：

iC隨iB的增加而非線性增加，即此時VCE=VCES，典型值為0.3V截止區(qū)：iB=0，

iC=ICEO

當(dāng)工作點進入飽和區(qū)或截止區(qū)時，將產(chǎn)生非線性失真。放大區(qū)（線性區(qū)）：O35◆圖解法的應(yīng)用(一)用圖解法分析非線性失真

1.靜態(tài)工作點過低，引起

iB、iC、uCE

的波形失真ibui結(jié)論：iB

波形失真OQOttOuBE/ViB/μAuBE/ViB/μAIBQ

——截止失真36iC

、uCE

(uo

)波形失真NPN管截止失真時的輸出uo

波形。uo=

uceOiCtOOQ

tuCE/VuCE/ViC

/mAICQUCEQ37OIB=0QtOO

NPN管uo波形tiCuCE/VuCE/ViC

/mAuo=

uceib(不失真)ICQUCEQ2.Q點過高，引起

iC、uCE的波形失真—飽和失真38(二)用圖解法估算最大輸出幅度OiB=0QuCE/ViC

/mAACBDE交流負載線輸出波形沒有明顯失真時能夠輸出最大電壓。即輸出特性的A、B

所限定的范圍。

Q盡量設(shè)在線段AB的中點。則AQ=QB，CD=DE39(三)用圖解法分析電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響

1.改變Rb，保持VCC，Rc

，不變；OIBiCuCE

Q1Rb

增大，Rb

減小，Q點下移；Q點上移；Q2OIBiCuCE

Q1Q3

2.改變VCC，保持Rb，Rc

，不變；升高VCC，直流負載線平行右移，動態(tài)工作范圍增大，但管子的動態(tài)功耗也增大。Q240

3.改變Rc，保持Rb，VCC，不變；

4.改變，保持Rb，Rc

，VCC

不變；增大Rc

，直流負載線斜率改變，則Q點向飽和區(qū)移近。OIBiCuCE

Q1Q2OIBiCuCE

Q1Q2增大，ICQ增大，UCEQ減小，則Q點移近飽和區(qū)。41圖解法小結(jié)

1.能夠形象地顯示靜態(tài)工作點的位置與非線性失真的關(guān)系；

2.方便估算最大輸出幅值的數(shù)值；

3.可直觀表示電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響；

4.有利于對靜態(tài)工作點Q

的檢測等。42共射極放大電路放大電路如圖所示。已知BJT的?=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：（1）放大電路的Q點。此時BJT工作在哪個區(qū)域？（2）當(dāng)Rb=100k時，放大電路的Q點。此時BJT工作在哪個區(qū)域？（忽略BJT的飽和壓降）解：（1）（2）當(dāng)Rb=100k時，靜態(tài)工作點為Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區(qū)。其最小值也只能為0，即IC的最大電流為：所以BJT工作在飽和區(qū)。VCE不可能為負值，此時，Q（120uA，6mA，0V），

例題end43小信號模型分析法亦稱微變等效電路法

晶體管在小信號(微變量)情況下工作時，可以在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線，三極管就可以等效為一個線性元件。這樣就可以將非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。微變等效條件研究的對象僅僅是變化量信號的變化范圍很小3.3.3小信號模型分析法44建立小信號模型的意義建立小信號模型的思路

當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。

由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號模型，就是將非線性器件作線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計。★

BJT的小信號建模451.H參數(shù)的引出

對于BJT雙口網(wǎng)絡(luò)，我們已經(jīng)知道

輸入輸出特性曲線如下：iB=f(vBE)

vCE=constiC=f(vCE)

iB=const可以寫成：ib+

vBE–ebcic+vCE–BJT雙口網(wǎng)絡(luò)462.

模型的簡化

ib

是受控源

，且為電流控制電流源(CCCS)。電流方向與ib的方向是關(guān)聯(lián)的。

（c）BJT雙口網(wǎng)絡(luò)ib+

vBE–ebcic+vCE–473.H參數(shù)的確定

一般可用測試儀測出；

rbe

與Q點有關(guān)，可用圖示儀測出。也可用公式估算rbe

rbe=rb+(1+

)re其中對于低頻小功率管rb≈200（或300

）

則

而

(T=300K)

48◆

rbe

的近似估算公式rbb：基區(qū)體電阻（200~300

）reb：基射之間結(jié)電阻。c

beiBiCiE49直流通路ICIBVCE★用H參數(shù)小信號模型分析共射極基本放大電路1.利用直流通路求Q點一般硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V，已知。

共射極放大電路502.畫出小信號等效電路RbviRbRbviRc共射極放大電路icvce+-交流通路RbviRcRLH參數(shù)小信號等效電路513.求電壓增益根據(jù)RbviRcRL則電壓增益為（可作為公式）524.求輸入電阻RbRcRLRi5.求輸出電阻令Ro=Rc

所以53

1.電路如圖所示。試畫出其小信號等效模型電路。

解：例題54例題

解：（1）（2）2.放大電路如圖所示。試求：（1）Q點；（2）、、。已知=50。end553.4放大電路的工作點穩(wěn)定問題

穩(wěn)定工作點原理

放大電路指標(biāo)分析

固定偏流電路與射極偏置電路的比較4.4.1溫度對工作點的影響4.4.2

射極偏置電路

(亦稱分壓式偏置電路或自偏置電路）563.4.1溫度對工作點的影響1.溫度變化對輸出特性曲線的影響2.溫度變化對輸入特性曲線的影響溫度T

輸出特性曲線上移溫度T

輸入特性曲線左移3.溫度變化對的影響溫度每升高1°C，

要增加0.5%1.0%溫度T

輸出特性曲線族間距增大總之：

ICBO

ICEOT

VBE

IB

IC

O573.4.2射極偏置電路1.穩(wěn)定工作點原理目標(biāo)：溫度變化時，使IC維持恒定。如果溫度變化時，b點電位能基本不變，則可實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。T穩(wěn)定原理：

ICIEIC

VE、VB不變

VBE

IB（反饋控制）b點電位基本不變的條件：I1>>IB，此時，不隨溫度變化而變化。VB>>VBE且Re可取大些，反饋控制作用更強。一般取

I1=(5~10)IB，VB=3V~5V

582.放大電路指標(biāo)分析①靜態(tài)工作點59②電壓增益<A>畫小信號等效電路<B>確定模型參數(shù)已知，求rbe<C>增益?·VoVi·-·

Ib·(RC//RL)·Ib·[rbe+(1+)Re]=AV=?-·

(RC//RL)=rbe+(1+)RecebRb1RLVi·+-Vo·+-Rb2Rb=Rb1//Rb2ReRcrbeIb·Ib·Ie·Ic·小信號等效電路····Vi=Ibrbe+IeRe=Ibrbe+Ib(1+)ReVo=-·Ib(Rc//RL)??60③輸入電阻由電路列出方程則輸入電阻放大電路的輸入電阻不包含信號源的內(nèi)阻IT=IRb+Ib???VT=IRb(Rb1//Rb2)???VT=Ibrbe+IeRe=Ibrbe+Ib(1+)Re????=Rb1//Rb2//[rbe+(1+)Re]TIVTRi=??根據(jù)定義TIVTRi=??射極偏置電路的輸入電阻Rb1cebRb2Rb=Rb1//Rb2ReRcrbeIb·Ib·Ie·Ic·VT·+-IT·Ri61④輸出電阻Ｒo令Ro≈

Rc

所以若考慮rce

的作用，參見Ｐ6762

直流通路3.固定偏流電路與射極偏置電路的比較靜態(tài)：

共射極放大電路RCVCCCb1ReRb1bceiCiBiE+vi

-_RL+vo

_Cb2Rb2i1射極偏置電路直流通路RCVCCReRb1bceRb263電壓增益：輸入電阻：輸出電阻：Ro=Rc

思考：射極偏置電路應(yīng)如何改進，才可以使其既具有溫度穩(wěn)定性，又具有與固定偏流電路相同的動態(tài)指標(biāo)？rbeLc)//(RRb·-=VA·e)-=1be(Rrb++Lc)//(RRb·VA·ibeVbiiIR=//rR=··cebRb1RLVi·+-Vo·+-Rb2Rb=Rb1//Rb2ReRcrbeIb·Ib·Ie·Ic·射極偏置電路RbviRcRL固定偏置電路64651end663.5共集電極電路和共基極電路靜態(tài)工作點動態(tài)指標(biāo)

靜態(tài)工作點