第7章 晶體管及其放大電路

第7章晶體管及其放大電路

7.1晶體管7.2放大電路的直流偏置7.3共射極放大電路7.4共集電極和共基極放大電路7.5組合放大電路7.6放大電路的頻率響應(yīng)7.1晶體管7.1.5溫度對(duì)晶體管特性和參數(shù)的影響7.1.1晶體管的結(jié)構(gòu)7.1.2晶體管的工作原理7.1.3晶體管的伏安特性7.1.4晶體管的主要參數(shù)7.1.1晶體管的結(jié)構(gòu)

發(fā)射結(jié)

集電結(jié)

發(fā)射區(qū)

N

P

N

基區(qū)

集電區(qū)

c集電極

e發(fā)射極

b基極

b

（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（b）結(jié)構(gòu)示意圖

（c）電路符號(hào)

集電區(qū)

發(fā)射區(qū)

基區(qū)

c

e

1、NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)

發(fā)射結(jié)正向電流的方向

發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū)面積很大，摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)。

2、PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)

3、常見晶體管的封裝

發(fā)射結(jié)

集電結(jié)

發(fā)射區(qū)

N

P

P

基區(qū)

集電區(qū)

c集電極

e發(fā)射極

b基極

（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）電路符號(hào)

b

c

e

發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū)面積很大，摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)。

發(fā)射結(jié)正向電流的方向

end7.1.2晶體管的工作原理內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū)面積很大，摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)。外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。1.載流子的傳輸過(guò)程（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射區(qū)的電子源源不斷地注入基區(qū)，基區(qū)的空穴也要注入發(fā)射區(qū)，二者共同形成發(fā)射極電流IE?；鶇^(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流可以忽略不計(jì)

c

e

b

N

P

N

Rc

VCC

RbVBB

IEN

IEP

ICN

ICBO

IBN

IE

IC

IB

+

_

vCE

+

_

vBE

（2）載流子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合電子不斷地向集電結(jié)方向擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程中少量電子與空穴復(fù)合，形成基極電流的一部分IBN。由于基區(qū)寬度很窄，且摻雜濃度很低，從而大大地減小了電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)，使注入基區(qū)的95％以上的電子都能到達(dá)集電結(jié)，它們將形成集電極電流的一部分ICN。

c

e

b

N

P

N

Rc

VCC

RbVBB

IEN

IEP

ICN

ICBO

IBN

IE

IC

IB

+

_

vCE

+

_

vBE

集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子漂移形成反向飽和電流，記為ICBO。通常，ICBO<<ICN。顯然，電子和空穴都參與電流傳導(dǎo)過(guò)程，因此，稱為雙極結(jié)型三極管（BipolarJunctionTransistor，BJT），簡(jiǎn)稱晶體管。由基爾霍夫電流定律:c

e

b

N

P

N

Rc

VCC

RbVBB

IEN

IEP

ICN

ICBO

IBN

IE

IC

IB

+

_

vCE

+

_

vBE

（3）集電區(qū)收集載流子集電結(jié)外加反向電壓，基區(qū)中擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子，受電場(chǎng)的作用，漂移越過(guò)集電結(jié)形成集電極電流的一部分ICN。

2.電流控制作用定義ICN與IE之比為晶體管的共基極直流電流放大系數(shù)。令為共射極直流電流放大系數(shù)

值越大，發(fā)射極電流對(duì)集電極電流的控制能力越強(qiáng)。

共基極交流放大系數(shù)近似等于共基極直流電流放大系數(shù)。定義集電極電流變化量ΔIC與基極電流變化量ΔIB之比為共射極交流放大系數(shù)β

共射極交流放大系數(shù)近似等于共基極直流電流放大系數(shù)。

定義集電極電流變化量ΔIC與射極電流變化量ΔIE之比為共基極交流放大系數(shù)α

end晶體管的特性曲線是指各電極間的電壓與電極電流之間的關(guān)系曲線，它是晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。

7.1.3晶體管的伏安特性

輸入特性曲線：輸出特性曲線：以射極為公共端定義的特性曲線稱為共射極特性曲線。特性曲線用于對(duì)晶體管的性能、參數(shù)和晶體管電路的分析估算。

1.輸入特性曲線當(dāng)vCE=0時(shí)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)并聯(lián)。輸入特性曲線是PN結(jié)的正向特性曲線。

當(dāng)vCE增加，基區(qū)寬度變窄。(基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)明顯）。在vCE≥1V以后，基區(qū)寬度基本不變。特性曲線重合。

在相同的vBE時(shí)，iB減小，特性曲線右移。小功率硅管的門坎電壓vth約為0.5V，鍺管約為0.1V。小功率硅管的導(dǎo)通壓降Von約為0.6～0.8V，一般取0.7V；小功率鍺管約為0.2～0.3V，一般取0.2V。1.輸入特性曲線2.輸出特性曲線當(dāng)0Ｖ≤vCE≤1Ｖ時(shí)，集電結(jié)由正向偏置逐漸變?yōu)榉聪蚱?，其結(jié)寬變化大。在vCE≥1V以后，基區(qū)寬度基本不變。vCE對(duì)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)明顯，iC逐漸隨vCE增大。

2.輸出特性曲線在輸出特性曲線上可劃分為三個(gè)工作區(qū)：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。(1)放大區(qū)（Activeregion）放大區(qū)的特點(diǎn)：①發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；②

iC＝βiB+ICEO，體現(xiàn)了晶體管的放大作用（電流控制作用），曲線的間隔越大，β值越大；③iC

隨vCE增加很小，呈恒流特性。(2)飽和區(qū)（Saturationregion）飽和區(qū)內(nèi)的vCE稱為飽和壓降，小功率硅管的飽和壓降典型值為0.3V，鍺管為0.1V。特點(diǎn)：①發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏置；②iC不受iB控制，而近似隨vCE線性增長(zhǎng)。由于vCE小、而iC大，故ce（集電極和發(fā)射極）之間等效為開關(guān)的導(dǎo)通，或等效為一個(gè)小電阻，稱為導(dǎo)通電阻。2.輸出特性曲線(3)截止區(qū)(Cutoffregion)特點(diǎn)：①發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是反向偏置；②iC=ICEO≈0，故ce之間等效為開關(guān)的斷開，或等效為一個(gè)大電阻，稱為截止電阻。2.輸出特性曲線PNP型晶體管的特性：由于發(fā)射結(jié)應(yīng)該正向偏置，集電結(jié)應(yīng)該反向偏置，所以，實(shí)際的電流和電壓方向與參考方向相反，故在特性曲線的坐標(biāo)變量增加負(fù)號(hào)。

end7.1.4晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（Currentamplificationfactor）2.極間反向電流極間反向電流是由少數(shù)載流子形成的，其大小表征了晶體管的溫度特性。（1）集電結(jié)反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極之間的反向飽和電流。（2）穿透電流ICEO：基極開路時(shí)，通過(guò)集電極和發(fā)射極回路的電流，ICEO=(1+β)ICBO。電流放大系數(shù)是表征晶體管放大能力的參數(shù)。

共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)共基極直流電流放大系數(shù)共基極交流電流放大系數(shù)α

3.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

ICM是指當(dāng)β下降到正常β值的2/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的IC值。當(dāng)IC超過(guò)ICM時(shí)，晶體管的放大性能下降，但不一定損壞。（2）反向擊穿電壓（Reversebreakdownvoltage）發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓V(BR)EBO：集電極開路時(shí)，發(fā)射極與基極之間允許施加的最高反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)射結(jié)發(fā)生反向擊穿。集電結(jié)反向擊穿電壓V(BR)CBO：發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極之間允許施加的最高反向電壓。超過(guò)此值，集電結(jié)發(fā)生反向擊穿。集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓V(BR)CEO：在輸出特性曲線中，iB＝0的曲線開始急劇上翹所對(duì)應(yīng)的電壓。（3）集電極最大允許耗散功率PCM晶體管消耗的功率使PN結(jié)的溫度上升（電流的熱效應(yīng)）。當(dāng)超過(guò)允許的結(jié)溫時(shí)，就會(huì)引起PN結(jié)熱擊穿，損壞晶體管。

根據(jù)極限參數(shù)，可在輸出特性上繪出晶體管的安全工作區(qū)。

end7.1.5溫度對(duì)晶體管的特性與參數(shù)的影響

（1)溫度對(duì)ICBO的影響

ICBO是少數(shù)載流子形成的集電結(jié)反向飽和電流，受溫度影響很大。溫度每升高，ICBO增加一倍。反之，溫度降低時(shí)ICBO減小。穿透電流ICEO隨溫度變化的規(guī)律與ICBO

類似。（2)溫度對(duì)β的影響溫度升高時(shí)，晶體管內(nèi)部載流子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合概率減小，因而溫度升高時(shí)放大倍數(shù)β隨之增大。溫度每升高1oC，β增加約(0.5～1)%。（4）溫度對(duì)輸出特性的影響（5）溫度對(duì)反向擊穿電壓的影響溫度升高時(shí)，晶體管的ICBO、ICEO、β都將增大，導(dǎo)致晶體管的輸出特性曲線向上移。溫度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大（集電結(jié)雪崩擊穿）。（3）溫度對(duì)輸入特性的影響溫度升高時(shí)，對(duì)于同樣的基極電流，晶體管所需的|vBE|減小。

end7.2.1基本偏置電路和靜態(tài)工作點(diǎn)分析方法7.2.2電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路7.2.3電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路7.2放大電路的直流偏置放大電路直流偏置的作用：將晶體管偏置在放大狀態(tài)，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。并且靜態(tài)工作穩(wěn)定。7.2.1基本偏置電路和靜態(tài)工作點(diǎn)分析方法1．基本偏置電路晶體管T的直流電壓和電流在其特性曲線上組成靜態(tài)工作點(diǎn)，分別是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。+

Rb

Rc

T

VBE

+

VCE

IB

IC

+VCC（12V）

+

Rb

Rc

T

VBE

+

VCE

IB

IC

-VCC（-12V）

（a）NPN管

(b)PNP管

由于只有直流電源作用，電路元件的電壓和電流都是直流量，不隨時(shí)間變化，稱為靜態(tài)。

發(fā)射結(jié)正偏：電源、基極電阻、be電極。集電結(jié)反偏：電源、集電極電阻、ce電極。NPN管作用正電源，PNP管作用負(fù)電源。2．晶體管的分段線性模型輸入特性用垂線逼近，采用恒壓降模型。輸出特性用水平線逼近，采用受控電流模型。在放大區(qū)，理想二極管可以省去。3．靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算例已知：三極管是硅管，其β=50；VCC=12V，Rb=400kΩ，Rc=4kΩ。解：4．基本偏置電路的缺點(diǎn)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的基本方法之一是在直流偏置電路中引入直流負(fù)反饋，使集電極直流電流IC和集射直流電壓VCE隨溫度的變化很小，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q（VCE，IC）。反饋方式主要是電流串聯(lián)負(fù)反饋和電壓并聯(lián)負(fù)反饋。基本偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)受環(huán)境溫度T的影響很大。end7.2.2電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路射極電阻Re引入電流串聯(lián)負(fù)反饋，所以簡(jiǎn)稱為射極偏置電路。當(dāng)IB<<I1時(shí)：當(dāng)溫度升高引起集電極電流增加時(shí)，電流串聯(lián)負(fù)反饋將自動(dòng)進(jìn)行如下反饋過(guò)程：

選擇電路參數(shù)，使：

Rb1

Rc

T

VB

VC

+VCC

Re

Rb2

I1

I2

IB

VE

IC

不隨溫度變化靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算：例

已知：晶體管是硅管，其β=50；VCC=12V，Rb1=40kΩ，Rb2=20kΩ，Rc=3kΩ，Re=2kΩ。試計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。解：Rb1

Rc

T

VB

VC

+VCC

Re

Rb2

I1

I2

IB

VE

IC

end

7.2.3電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路電阻Rb引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。集電極電阻Rc上的電流IR為:

IR=IC+IB≈IC當(dāng)溫度升高引起集電極電流增加時(shí)，電路將自動(dòng)進(jìn)行如下反饋過(guò)程：Rc

T

VB

VC

+VCC

Rb

IB

IC

IR

靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算：end7.3共射極放大電路7.3.1信號(hào)的耦合方式7.3.2晶體管的低頻小信號(hào)模型7.3.3放大電路的小信號(hào)分析7.3.4放大電路的大信號(hào)分析7.3.5放大電路的組成原則7.3.1信號(hào)的耦合方式耦合方式：直接耦合、電容耦合、變壓器耦合和光電耦合。

1.直接耦合

信號(hào)源直接引入到晶體管的發(fā)射結(jié)回路，即輸入回路。輸出信號(hào)直接從晶體管的集電極對(duì)地引出送負(fù)載電阻RL，形成輸出回路。

優(yōu)點(diǎn)是可以放大輸入信號(hào)的直流分量和低頻信號(hào)；電路不包含大電容和大電感，適合集成電路制造工藝。

缺點(diǎn)是放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)受信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載的影響，并且隨溫度變化而移動(dòng)，稱為溫度漂移。Rb1

Rc

T

vB

vC

+VCC

Re

iB

iC

RL

vo

+

vs

vi

+

Rs

+

Rb2

iS

耦合方式：輸入信號(hào)的接入和輸出信號(hào)的引出方式。2.電容耦合信號(hào)源通過(guò)電容C1引入到晶體管的發(fā)射結(jié)回路；輸出信號(hào)從晶體管的集電極通過(guò)電容C2對(duì)地引出送負(fù)載電阻RL。輸入信號(hào)為零時(shí)，電容對(duì)直流電流相當(dāng)于開路，故信號(hào)源和負(fù)載不影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)不為零時(shí)，如果信號(hào)頻率足夠大，則大電容C1和C2的阻抗遠(yuǎn)小于其所在回路的阻抗，相當(dāng)于短路。

電容通常是幾十個(gè)微法，保證對(duì)信號(hào)交流短路、對(duì)直流電源直流開路。例如，耦合電容取值50μF，其阻抗小于160Ω，與電阻比較耦合電容相當(dāng)于交流短路。

電容耦合的缺點(diǎn)是不適合集成電路工藝，放大電路不能集成化。Rb1

Rc

T

vB

+VCC

Re

iB

iC

RL

vo

+

vs

vi

+

Rs

+

Rb2

C2

C1

end7.3.2晶體管的低頻小信號(hào)模型晶體管的低頻小信號(hào)模型

vBE、iB、vCE和iC都是瞬時(shí)總量，包括直流電源引起的直流量和信號(hào)引起的變化量（交流量）。

在靜態(tài)工作點(diǎn)處求全微分靜態(tài)工作點(diǎn)(VBE，IB，VCE，IC)微分量dvBE、diB、dvCE、diC表示小信號(hào)（交流分量）變化量。令2.h參數(shù)的物理意義hie-晶體管輸出端交流短路時(shí)b-e之間的交流輸入電阻，常用rbe來(lái)表示，約為103Ω量級(jí)。

(vCE=VCE→vce=0)hre-晶體管輸入端交流開路時(shí)的反向電壓傳輸系數(shù)（無(wú)量綱）,也稱為電壓反饋系數(shù)(iB=IB→ib=0)。hre約為10-3～10-4。hfe-晶體管輸出端交流短路時(shí)的正向電流傳輸系數(shù)（無(wú)量綱），等于電流放大系數(shù)

，約為102量級(jí)。（vCE=VCE→vce=0）hoe-晶體管輸入端交流開路時(shí)c-e之間的輸出電導(dǎo)，常用1/

rce表示，hoe很小，在放大電路的簡(jiǎn)化分析中，hoe常常忽略不計(jì)（iB=IB→ib=0）。2.h參數(shù)的物理意義3.小信號(hào)模型的簡(jiǎn)化和參數(shù)的確定忽略hre，并用rbe替換hie。在放大區(qū)內(nèi)，晶體管的電流放大倍數(shù)

是常數(shù)，與晶體管的制造有關(guān)。但是，rbe與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，可以根據(jù)晶體管的物理結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出rbe的計(jì)算公式。輸入回路：忽略hoe，并用

替換hfe。輸出回路：rbe的計(jì)算：rbb’模擬從基極到發(fā)射結(jié)的基區(qū)體電阻rb’e’模擬發(fā)射結(jié)的正向?qū)娮鑢e模擬發(fā)射區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rb'e')rb’c’模擬集電結(jié)的反向電阻rc模擬集電區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rb'c')。rbb'≈200～300

晶體管的結(jié)構(gòu)模型:b'

cb

e

rbb'

re

rb'e'

e'

Jc

Je

ib

ic

ie

rb'c'

rc

rbe與靜態(tài)發(fā)射極電流有關(guān)!end7.3.3放大電路的小信號(hào)分析應(yīng)用小信號(hào)模型分析晶體管放大電路，步驟如下：（1）令交流信號(hào)源不作用（交流電壓源短路、交流電流源開路），得到僅有直流電源作用的直流非線性電路（電容開路、電感短路），簡(jiǎn)稱直流通路。（2）求解晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)（分段模型法），據(jù)此計(jì)算晶體管的交流輸入電阻rbe。（3）令直流電源不作用（直流電壓源短路、直流電流源開路），得到僅有交流信號(hào)源作用的交流電路，簡(jiǎn)稱為交流通路。用小信號(hào)模型代替晶體管，得到交流線性等效電路，簡(jiǎn)稱為交流等效電路。（4）用線性電路的分析方法（時(shí)域方法或頻域方法等）求解交流線性電路的相關(guān)參數(shù)。前2步作靜態(tài)分析，后2步作動(dòng)態(tài)分析（也稱為交流分析）。以電容耦合共射極放大電路為例闡述分析步驟。

1．靜態(tài)分析Rb1

Rc

T

VB

VC

+VCC

Re

Rb2

I1

I2

IB

VE

IC

直流通路電容開路2.動(dòng)態(tài)分析(1)畫出放大電路的交流等效電路

直流電壓源短路，因?yàn)槠涠穗妷鹤兓繛榱?，?duì)交流電流相當(dāng)于短路；直流電流源開路，因?yàn)槠潆娏髯兓繛榱?，?duì)交流電流相當(dāng)于開路。大電容短路，大電感開路。

用h參數(shù)等效電路代替晶體管。

+

ii

RL

bib

c

b

+

rbe

RC

Rb1

vi

vo

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ri

iR￠

Ro

ie

Rs

+

vs

（2）放大電路的參數(shù)計(jì)算(是晶體管基極對(duì)地的輸入電阻)

輸入電阻Ri

+

ii

RL

bib

c

b

+

rbe

RC

Rb1

vi

vo

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ri

iR￠

Ro

ie

Rs

+

vs

（2）放大電路的參數(shù)計(jì)算電壓增益Av

負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。+

ii

RL

bib

c

b

+

rbe

RC

Rb1

vi

vo

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ri

iR￠

Ro

ie

Rs

+

vs

增益的絕對(duì)值表示放大電路的放大能力，它與晶體管的電流放大系數(shù)β和集電極等效負(fù)載電阻成正比，與基極等效輸入電阻成反比。（2）放大電路的參數(shù)計(jì)算輸出電阻Ro令信號(hào)源電壓為零

+

ii

bib

c

b

+

rbe

Rc

Rb1

vi

vt

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ro

ie

Rs

it

+

ii

RL

bib

c

b

+

rbe

RC

Rb1

vi

vo

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ri

iR￠

Ro

ie

Rs

+

vs

（3）電壓放大模型輸出電壓對(duì)信號(hào)源電壓的增益為

Vi

Vo

+

-

-

+

ii

ioRS

VS

RL

Ro

Ri

AVOVi

+

+

-

-

+

ii

RL

bib

c

b

+

rbe

RC

Rb1

vi

vo

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ri

iR￠

Ro

ie

Rs

+

vs

例已知晶體管是硅管，β=50,VCC=12V,Rb1=40kΩ,Rb2=20kΩ,Rc=3kΩ,Re=2kΩ,C1=C1=10μF,vs=sinωt=sin2000πt，Rs=0.5kΩ；RL=12kΩ。試計(jì)算放大電路的增益、輸入電阻和輸出電阻；畫出vs、vB、vC和vo的波形。解：(1)直流通路（2）計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和rbe

Rb1

Rc

T

+VCC

Re

RL

vo

+

vs

vi

+

Rs

+

Rb2

C2

C1

vB

vC

Rb1

Rc

T

VB

VC

+VCC

Re

Rb2

I1

I2

IB

VE

IC

（3）小信號(hào)等效電路

（4）計(jì)算放大電路的增益、輸入電阻和輸出電阻

+

ii

RL

bib

c

b

+

rbe

RC

Rb1

vi

vo

ib

ic

_

_

Rb2

Re

e

Ri

iR￠

Ro

ie

Rs

+

vs

Rb1

Rc

T

+VCC

Re

RL

vo

+

vs

vi

+

Rs

+

Rb2

C2

C1

vB

vC

（5）畫出vs、vB、vC和vo的波形瞬時(shí)量=直流分量+交流分量Rb1

Rc

T

+VCC

Re

RL

vo

+

vs

vi

+

Rs

+

Rb2

C2

C1

vB

vC

end7.3.4放大電路的大信號(hào)分析1.輸出交流負(fù)載線

交流通路：晶體管不能用小信號(hào)模型替換

放大電路的大信號(hào)分析主要是確定最大不失真輸出幅度和定性分析非線性失真。當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，晶體管的電流和電壓幅度變化大，不能用靜態(tài)工作點(diǎn)的切線表示它們之間的函數(shù)關(guān)系，故不能用小信號(hào)模型分析輸入大信號(hào)情況下的放大電路，可采用圖解法分析之。2.晶體管的電壓和電流波形

3.最大不失真輸出幅度最佳靜態(tài)工作點(diǎn)Q（VCE，IC）：

4.非線性失真(以NPN型管為例)2

6

100

80

60

20

iB=0?A

1

2

4

0

iC

/mA

CEv/V

IB

IC

VCES

VJ

tw

π

2π

iC/mA

0

tw

π

2π

VCE4

交流負(fù)載線

Q

(a)飽和失真飽和失真：晶體管工作狀態(tài)進(jìn)入飽和區(qū)。2

100

80

60

20

iB=0?A

1

2

4

0

iC

/mA

CEv/V

IB

IC

VCES

VJ

tw

π

2π

iC/mA

0

tw

π

2π

VCE4

交流負(fù)載線

Q

6

(b)截止失真截止失真：晶體管工作狀態(tài)進(jìn)入截止區(qū)。大信號(hào)失真：當(dāng)輸出電壓同時(shí)出現(xiàn)截頂和截底end當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定時(shí)，可能引起截止失真或飽和失真！7.3.5放大電路的組成原則（1）適當(dāng)?shù)闹绷髌秒娐罚瑢⒂性丛迷诜糯髤^(qū)。對(duì)于晶體管，偏置電路應(yīng)保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）適當(dāng)?shù)男盘?hào)耦合電路，保證輸入信號(hào)能作用于有源元件的輸入回路，在負(fù)載上能獲得放大了的交流信號(hào)。（3）適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，保證有足夠的最大不失真輸出信號(hào)幅度。end7.4共集電極和共基極放大電路7.4.1共集電極放大電路7.4.2共基極放大電路7.4.3三種放大電路的比較7.4.1共集電極放大電路1．靜態(tài)分析

直流通路靜態(tài)工作點(diǎn)

+VCC

Rb

T

Re

IB

IE

2．動(dòng)態(tài)分析小信號(hào)等效電路（1）輸入電阻Ri（2）電壓增益Av和電流增益Ai通常，小信號(hào)等效電路共集電極放大電路的電壓增益約小于1，且輸出電壓與輸入電壓相位相同，跟隨輸入電壓變化。因此，共集電極放大電路又稱為射極跟隨器。輸入信號(hào)源vs為零去掉負(fù)載RL作用測(cè)試電壓源vt

（3）輸出電阻Ro例已知VCC=12V,Rb=300k

,Re=RL=2k,Rs=1k

=120，Von=0.7V(硅管)。試求電壓增益Av、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。解：（1）靜態(tài)分析（2）求Av、Ai、Ri、Roend7.4.2共基極放大電路靜態(tài)分析直流通路靜態(tài)工作點(diǎn)

2．動(dòng)態(tài)分析

（1）輸入電阻Ri小信號(hào)等效電路（2）電壓增益Av共基極放大電路的輸出電壓與輸入電壓相位相同，放大能力與共射極放大電路相當(dāng)。（3）輸出電阻Ro輸入信號(hào)源vs為零去掉負(fù)載RL作用電壓源vtend7.4.3晶體管三種放大電路的比較1.三種放大電路的判別看放大電路中輸入信號(hào)加在晶體管的哪個(gè)極，輸出信號(hào)取自晶體管的哪個(gè)極。共射極放大電路電路中，輸入信號(hào)加在晶體管的基極，輸出信號(hào)取自集電極；共集電極放大電路中，輸入信號(hào)加在晶體管的基極，輸出信號(hào)取自發(fā)射極；共基極放大電路中，輸入信號(hào)加在晶體管的發(fā)射極，輸出信號(hào)取自集電極。因此，未與輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相連的電極既是公共電極。

2.共射、共基、共集電路比較

(3)共基極放大電路只能放大電壓不能放大電流，且具有很低的輸入電阻，這使得晶體管的結(jié)電容影響不明顯，所以其頻率特性是三種接法中最好的（見7.6節(jié)），常用于寬頻帶放大電路。

(1)共射極放大電路既能放大電壓又能放大電流，輸入電阻和輸出電阻在三種組態(tài)中居中，頻帶較窄，常用作低頻電壓放大電路中的單元電路。

(2)共集電極放大電路只能放大電流不能放大電壓，電壓放大倍數(shù)小于且接近于1，具有電壓跟隨的特點(diǎn)，其輸入電阻大，輸出電阻小，常被用于多級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)，或作為隔離用的中間級(jí)。放大電路三種基本組態(tài)的比較表

end7.5組合放大電路7.5.1共集-共基組合放大電路7.5.2共集-共集組合放大電路三種基本放大電路的性能各有特點(diǎn)。為了發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，常將它們適當(dāng)組合，獲得性能更好的組合放大電路。如共射－共基組合放大電路、共集－共集組合放大電路、共集－共射放大電路、共集－共基放大電路等。7.5.1共集-共基組合放大電路靜態(tài)分析2.動(dòng)態(tài)分析交流通路：小信號(hào)等效電路c1b1e1b2c2如果β1=β2=β，電壓增益：c1b1e1b2c2c1b1e1b2c2輸入電阻和輸出電阻輸入電阻等于第一級(jí)放大電路的輸入電阻

如果β1=β2=β，輸出電阻等于第二級(jí)放大電路的輸出電阻

end7.5.2共集-共集組合放大電路T1和T2共集電路，可以等效為一只晶體管，稱為復(fù)合管③等效晶體管的類型是第1個(gè)元件的類型。

復(fù)合管的組成原則②第1個(gè)元件的集電極電流或射極電流作第2個(gè)元件的基極電流，真實(shí)電流方向一致。①在正確的外加電壓下，每只晶體管均工作在放大區(qū)。1．復(fù)合管晶體管可以組成4中復(fù)合管：同類型的晶體管構(gòu)成的復(fù)合管

不同類型的晶體管構(gòu)成的復(fù)合管

+++-可偏置在放大狀態(tài)2．共集－共集放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)T1和T2是等效為一只NPN管

復(fù)合管構(gòu)成的共集電極放大電路的小信號(hào)等效電路end7.6放大電路的頻率響應(yīng)7.6.1晶體管的混合π型模型7.6.2晶體管的頻率參數(shù)7.6.3共射極放大電路的頻率響應(yīng)載流子通過(guò)晶體管的發(fā)射射區(qū)、發(fā)射結(jié)、基區(qū)、集電結(jié)和集電區(qū)形成電流時(shí)，出現(xiàn)電荷積累效應(yīng)，這種效應(yīng)可用皮法（10-12F）級(jí)的極間電容模擬。

當(dāng)信號(hào)頻率很高時(shí)，必須考慮晶體管極間電容的影響。

7.6.1晶體管的混合π型模型晶體管的伏安特性只反映了電流和電壓之間的函數(shù)關(guān)系，而沒有反映電荷積累與電壓或電流之間的關(guān)系（即電容效應(yīng)），所以，由伏安特性導(dǎo)出的h參數(shù)模型不包含電容，不能用于分析放大電路的高頻特性。必須構(gòu)造包好電容效應(yīng)的高頻小信號(hào)模型。構(gòu)造晶體管高頻小信號(hào)模型的思路是：用電路元件模擬晶體管工作過(guò)程中發(fā)生的物理現(xiàn)象。

1．晶體管的高頻小信號(hào)模型晶體管工作過(guò)程中發(fā)生的物理現(xiàn)象可用右圖的電路元件模擬。

rbb'模擬從基極到發(fā)射結(jié)的基區(qū)體電阻（約為幾十～幾百歐姆）；

Cb‘e’是發(fā)射結(jié)電容（約為10pF～幾百pF）；Cb‘c’是集電結(jié)電容（約為幾個(gè)pF）；

rb‘e’模擬發(fā)射結(jié)的正向?qū)娮?；re模擬發(fā)射區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rb'e')；

rb‘c’模擬集電結(jié)的反向電阻（約為100kΩ～100MΩ）；rc模擬集電區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rb'c')。gmvb’e’電流控制作用用電壓受控電流源模擬；rce反映基區(qū)調(diào)制效應(yīng)（大于100kΩ）。

rce忽略re和rc，得到晶體管的高頻小信號(hào)模型。gmvb’e’rce混合π型信號(hào)是正弦量。簡(jiǎn)化的混合π形模型2．混合π形模型的簡(jiǎn)化通常情況下，rce遠(yuǎn)大于c-e間所接的負(fù)載電阻；rb

c也遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容Cμ的容抗；將rce、rb

c視為開路，得到簡(jiǎn)化的混合π形模型。Cμ輸入回路與輸出回路之間，不方便電路分析。由密勒定理，可將其等效到輸入回路和輸出回路。C

和C

稱為密勒電容。密勒定理設(shè)Cμ的容抗為Xμ=1/ωCμ，C

的容抗為X

μ=1/ωC

。下面求解C

和C

稱與C

的關(guān)系。顯然，密勒電容C

越大，電路的高頻特性越差?？紤]C

對(duì)放大電路頻率特性的最壞影響，A

v于取放大電路中頻增益的絕對(duì)值（最大增益），于是同理，且

的容抗一般要遠(yuǎn)大于與其并聯(lián)的負(fù)載的阻抗，故的作用可以忽略不計(jì)?；?jiǎn)圖中

3．混合π形模型參數(shù)與h參數(shù)的關(guān)系低頻時(shí)，忽略C

、C

的影響，混合π形模型簡(jiǎn)化為h參數(shù)模型。

h參數(shù)小信號(hào)模型

+ec

b

+

bI&

_

_

rbe

cI&

beV&

ceV&

bI&b0

β0低頻共射電流放大倍數(shù)end7.6.2晶體管的頻率參數(shù)Cμ和Cπ影響晶體管的電流放大系數(shù)正弦量的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式為

共射特征頻率

共射截止頻率

利用與的關(guān)系，可以求出晶體管的共基極截止頻率。所以，共基極放大電路比共射放大電路的高頻特性好。end7.6.3共射極放大電路的頻率響應(yīng)共射放大電路：

全頻段小信號(hào)等效電路：

所以，在分析放大電路的頻率響應(yīng)時(shí)，一般將信號(hào)的頻率范圍分為高頻、中頻和低頻三個(gè)頻段。

因?yàn)榫w管的極間電容遠(yuǎn)比耦合電容（或旁路電容）小，約相差106量級(jí)。

中頻段，極間電容因容抗很大而視為開路，耦合電容（或旁路電容）因容抗較小而視為短路；

高頻段，耦合電容（或旁路電容）同樣視為短路，主要考慮極間電容的影響；

低頻段，極間電容因容抗比中頻段更大而視為開路，主要考慮耦合電容（或旁路電容）的影響。

1．中頻電壓增益耦合電容旁路電容短路極間電容開路全頻段小信號(hào)等效電路中頻電壓增益與用h參數(shù)