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第三章 半导体三极管 及放大电路基础,内容：双极型半导体三极管(BJT)共射极放大电路 图解分析法 小信号模型分析法放大电路的工作点稳定问题放大电路的频率响应共集电极电路和共基极电路多级放大电路,BJT的结构BJT的电流分配和放大作用BJT的特性曲线BJT的主要参数,1.双极型半导体三极管(BJT),半导体三极管(BJT)是通过一定的工艺，将两个PN结背靠背地结合在一起的一个三端器件，也常称为晶体管。两个PN结互相影响，使三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有信号放大功能。因而成为各种电子电路的核心元件。,BJT有很多种类：,按结构分，三极管有两种类型：NPN型和PNP型,BJT的结构,NPN型三极管结构示意图,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺杂浓度高,集电区：面积较大,集电极,基极,发射极,发射结,集电结,三极管的符号,箭头表示发射结加正向偏置电压时，发射极电流的实际方向。,NPN型,PNP型,具备放大作用的外部偏置条件(正常工作条件),不论是NPN型还是PNP型,要使三极管工作在放大状态，则 发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。,使NPN型三极管工作在放大状态的偏置方法,放大状态下载流子的传输过程,载流子有3个传输过程：,1）扩散,发射区高浓度的多数载流子电子通过发射结扩散到基区形成发射极电流IE；基区多数载流子空穴扩散到发射区因浓度低可忽略。,载流子的传输过程,2）复合,少量扩散电子与基区空穴复合形成基极电流IB。,载流子的传输过程,3）收集,大部分扩散电子漂移过集电结为集电区收集形成集电极电流Ic。,BJT的电流分配关系,IB=IBn+IEP ICBO=IE IC,共基极直流电流放大系数,=0.90.99,BJT的电流分配关系,其中，为共发射极直流电流放大系数，,。,可见，集电极电流与基极电流成正比，或者说，集电极电流受基极电流的控制，故三极管是电流控制器件。,BJT的放大作用,简单共射极电路,引起 iB20A,设输入,则 iC=iB=1mA,则 vo=iC RL=2V,基极电流对集电极电流的控制作用是放大的基础。,于是，电压放大倍数为：,若 RL=2k,BJT的特性曲线,BJT是一个有三个端子的非线性元件，某两个端子的“伏安特性”称为输入特性和输出特性。,输入特性曲线,函数关系：,输出特性曲线,函数关系：,输出特性曲线,BJT的三个工作区域之放大区,放大电路的正常工作区，此时,发射结正偏，集电结反偏；,，BJT的ce 极相当于开路，用于开关电路。,BJT的三个工作区域之截止区,发射结零偏或反偏，集电结反偏；,BJT的三个工作区域之饱和区,不再受 控制，。此时，BJT的ce 极相当于短路，用于开关电路。,发射结正偏，集电结正偏；,BJT的主要参数,电流放大系数 极间反向电流极限参数,电流放大系数,1、共射电流放大系数：（几-几百）2、共基电流放大系数：（0.9-0.99）,表征放大能力的大小,极间反向电流,1、集基反向饱和电流ICBO 2、集射穿透电流ICEO,不参与放大，对温度敏感，希望越小越好。,极限参数,1、集电极最大允许电流ICM 2、极间反向击穿电压 V（BR）EBO，V（BR）CBO，V（BR）CEO 3、集电极最大允许功率损耗PCM,应保证在任何情况下，实际工作时的参数不超过极限参数。,安全工作区,2.共射极放大电路,三极管起放大作用,为输出信号提供能量，其接法保证三极管集电结为反向偏置。,为三极管提供正向偏置电压。其接法保证发射结为正向偏置。,输入、输出耦合电容,集电极负载电阻，其作用是将集电极电流的变化转换为电压变化反映在输出端。即 iC vCE,输入耦合电容,输入、输出耦合电容作用：通交流，隔直流,输入回路和输出回路,输入回路,输出回路,零电位（地）点,通常是将Vi、Vo及VCC、VBB的共同端点称为“地”，以作为零电位点。,电压、电流的参考方向,电流的假定正方向：iC、iB流入为正，iE流出为正,直流电源合二为一,为简化电路起见，一般选VCC=VBB，,习惯画法,习惯上，进一步省略电源符号，将共射放大电路画成：,静态（直流）分析,所谓静态是指放大电路不加输入信号(vi=0)时的工作状态，也称为直流工作状态。静态工作时三极管的各极电流和电压，如IB、IC、VCE等称为静态工作点(也称Q点)。,静态分析就是确定电路的静态工作点，即确定vi=0时，三极管的各极电流和电压，如IB、IC、VCE等。,动态（交流）分析,所谓动态即是当放大电路加上输入信号（vi 0）时的工作状态。,动态分析就是研究在输入信号作用下，放大电路的电压放大倍数AV，输入电阻Ri、输出电阻RO、最大输出幅度等。,直流通路和交流通路,直流通路中，C-开路，L-短路。,交流通路中，C足够大-短路，L足够大开路，理想电压源-短路，理想电流源-开路。,静态分析-根据直流通路；,动态分析-根据交流通路,静态工作点(Q点)的计算,直流通路,3.图解分析法,利用三极管的输入特性与输出特性曲线，通过作图法分析放大器的基本特性，称为图解法。,这一方法的指导思想：,假想从适当的地方将放大电路断开，划分成线性和非线性两部分，然后分别作出两部分的伏安特性，则二者的交点就决定了放大电路的工作状态。,非线性元件：半导体三极管 线性元件：电源、电阻等,用图解法确定静态工作点,1）划分放大电路的线性和非线性部分,线性部分,非线性部分,用图解法确定静态工作点,2）作出非线性部分的伏安特性曲线-三极管的输出特性曲线,用图解法确定静态工作点,3）作出线性部分的伏安特性曲线-直流负载线,用图解法确定静态工作点,两部分伏安特性的交点即为静态工作点Q。,由图可读出：IB=40uA，IC=1.5mA，VCE=6V。,4）两部分伏安特性的交点即为静态工作点Q点。,用图解法确定静态工作点输入回路,用图解法进行动态分析,图解思想：由输入信号电压,通过图解得到输出电压，从而得到二者之间的相位关系和动态范围。,接入正弦信号时的工作情况,vBE=VBE+vi,1）根据vi在输入特性上求iB,接入正弦信号时的工作情况,iC=IC+ic,vCE=VCE+vce,2）根据iB在输出特性上求vCE,电压放大倍数：,动态：由于加入，使三极管的电流、电压在原来直流量 的基础上又叠加了一个交流成分，形成交、直流并存的现象。各项动态技术指标讨 论的对象都是交流量。输出电压幅度比输入电压幅度大很多：；输出信号的频率与输入信号的频率相同：输出信号与输入信号相位差为180-反相放大器。,接入正弦信号时的工作情况总结,静态：vi=0，电路中只有直流电源起作用，三极管各极电 流电压保持恒定，IB、IC、VCE 等都是直流量。,Q点位置与输出波形非线性失真的关系,对一个放大电路而言，除了要求有一定的放大倍数以外，还要求输入与输出之间呈线性关系。也就是说要求输出波形的失真尽可能的小。,下面分析静态工作点Q位置的不同对输出波形的影响。,但是，晶体管是非线性元件，当静态工作点Q选择不正确时，将出现严重的非线性失真。,Q点偏低，输出出现截止失真,信号幅度相对大，工作点有一部分进入截止区,截止失真,Q点偏高，输出出现饱和失真,工作点一部分进入饱和区,饱和失真,Q点适当，输出不失真,工作点都在放大区，输出不失真。,Q点在交流负载线中间，不失真输出幅度最大,接入负载RL后，Q点不受影响,静态时，由于C2隔直流，Q点不会因RL的接入发生改变。,.Q,实际电路中常接有负载电阻RL,动态时，由于C2对交流呈短路，输出回路的等效电阻为RC与RL的并联值，记为称为放大器的交流负载电阻。,但交流负载电阻变为,交流通路,以交流负载电阻 作出的负载线称为交流负载线。交流负载线的方程为：其中 交流负载线是一根过Q点和(，0)点，斜率为-1/的直线。当输入信号变化时，工作点将以Q点为中心，沿交流负载线上下移动。,交流负载线代替直流负载线,画交流负载线的步骤,根据直流通路列出直流负载线方程，画出直流负载线。,2.利用估算法求出静态工作点的电流（IB或IC），然后在直流负载线上定出Q点。,3.根据交流通路求出集电极回路的等效电阻，过Q点作斜率为-1/的直线，或过Q点和(,0)作直线，即为交流负载线。,画交流负载线,以-为斜率，过Q点作直线，即为交流负载线。,定出Q点:IB=(VCC-VBE)/Rb IC IB VCE=VCC-ICRC,由直流通路得直流负载线,画交流负载线的另一方法,过Q点和(,0)作直线，即为交流负载线。,VCC,VCE,ICE,因交流负载线的方程为：,只需计算出然后,图解法小结,利用电子器件的特性曲线和其它有关电路元件的参数，通过作图来分析电路的方法-图解分析法，是 分析放大器的一种基本方法。用图解法分析放大器，主要有下列内容：（1）确定静态工作点Q点。（2）根据给定的输入电压的波形，确定其它信号特 别是输出信号的波形。（3）确定电压放大倍数。（4）分析非线性失真。确定最大不失真输出信号的 幅度。,图解法小结,图解法擅长于确定Q点和分析大信号工作。主要优点：能综观作为电路核心的电子器件状态变化 的全过程，物理图象完整而具体。缺点：不能分析复杂电路（例如负反馈放大器）；小信号工作时作图不准；无法获得某些交流指标（例Ri、Ro）；定量计算有赖于所用器件具体的特性曲线，比较麻烦。,4.小信号模型分析法,下面从BJT的特性曲线出发，来找出该双口网络的参数。,当放大电路的输入信号幅度很小时，可将BJT小范围内的特性曲线线性化，从而用一个线性有源双口网络作为BJT的模型。,BJT共射接法下的回路方程和H参数,输入回路,输出回路,假定三极管工作在小信号下，则,BJT共射接法下的回路方程和H参数,由于 代表 的变化部分，也就是可以用 的交流分量来代替，即：,二维的矩阵是BJT在共射接法下的H参数。,于是,写为矩阵形式：,BJT共射接法下的回路方程和H参数,，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（西门 子）,BJT共射接法下的回路方程和H参数,-输入回路方程,输入电流ib在电阻hie上的电压降,输出电压vce对输入回路的反作用，用电压源表示,-输出回路方程,基极电流ib引起的电流，用电流源表示,输出电压vce加在输出电阻1/hoe上引起的电流,BJT共射接法下的H参数小信号模型,BJT线性化后的线性模型，可将BJT电路当线性电路处理。,关于小信号模型的讨论,hfeib实质上代表了三极管的电流控制作用。当 ib=0时，它就不存在了。因此它是受控电源。,（1）等效电流源hfeib,hfeib的流向由ib(也就是vbe)决定，不能随意假定。当ib、ic正向时，它的流向由集电极流向发射极，否则反之。,关于小信号模型的讨论,（2）等效电路的对象是变化量,放大器在工作时放大的对象是变化量，所以讨论的电压、电流也都是变化量，因此，不能利用小信号模型求静态工作点Q，或求某一时刻的电压、电流总值。,小信号模型的简化,对于共射接法的BJT小信号模型，H参数的数量级一般是,对于低频放大电路,输入回路中，hrevce vbe,输出回路中，1/hoe RC（或RL）,H参数的确定,H参数可用H参数测试仪或晶体管特性图示仪测、rbe。,rbe也可用公式估算：,其中，为基区体电阻，对于低频小功率管，；,为发射极电阻折算到基极回路的等效电阻。,由PN结的伏安特性,得,以上公式的适用范围为：0.1mAIE5mA。,用H参数小信号模型分析共射极放大电路,画出共射极放大电路 的交流小信号等效电路,用H参数小信号模型分析共射极放大电路,1、电压增益,用H参数小信号模型分析共射极放大电路,2、电流增益,用H参数小信号模型分析共射极放大电路,3、输入电阻,接入负载电阻RL，加上，则,用H参数小信号模型分析共射极放大电路,4、输出电阻,令，去掉 加上，则,故,共射放大电路的特点,放大能力强，电压和电流均有增益，功率增益大，输出与输入反相，输入电阻和输出电阻适中。,小信号模型分析的特点,只适用于交流小信号，不能用于大信号；可用于处理较复杂的电路；可得出电压增益，输入阻抗、输出阻抗的解析表达式。,5.放大电路的工作点稳定问题,影响Q点稳定的因素温度对Q点的影响 射极偏置电路（工作点稳定电路）,问题,哪些因素会影响Q点的稳定？温度的变化对Q点有什么样的影响？采取何种措施可以稳定Q点？,影响Q点稳定的因素,电源电压起伏波动元件参数改变元件老化环境温度的变化,温度对Q点的影响,温度增加，使得VBE下降，增大，ICBO上升，这些因素都导致 IC 增加，从而使Q点上移，这就可能导致饱和失真。反之，温度下降可能导致截止失真。,温度对VBE的影响温度对的影响 温度对ICBO的影响,稳定Q点的思路和措施,可以采取的措施：,（1）对于和ICBO的影响，设法使基极电流IB随温度的升高而自动减小；,（2）对于VBE的影响，设法使发射结的外加电压随温度的增加而自动减小。,思路：温度变化时，设法使IC基本维持不变。,分压式射极偏置电路（工作点稳定电路）,基极供给偏置采用分压式，接Rb1、Rb2,发射极加接Re,设计时使I1IB，有,一般可取：,分压式射极偏置电路,静态工作点计算,（IC与温度无关！）,分压式射极偏置电路,电压增益：,下降了。,分压式射极偏置电路,输入电阻：,输出电阻：,增大(加射极旁路电容后则没有增大)。,分压式射极偏置电路中加入射极旁路电容,加入射极旁路电容，电压增益不下降。,6.放大电路的频率响应,频率响应的基本概念 三极管的混合型高频小信号模型 单级共射放大电路的高频响应单级共射放大电路的低频响应,频率响应的基本概念,频率响应通频带波特图,频率响应,晶体管放大电路中存在电抗元件，这些电抗元件对不同频率的正弦波信号呈现不同的电抗值，使得放大电路对不同频率的正弦波信号具有不同的放大倍数和不同的相移，即放大电路的增益将是频率的函数。这种增益和频率的函数关系就称为放大电路的频率响应或频率特性。高频区，影响频率响应的主要因素是晶体管的极间电容和接线电容等；低频区，影响频率响应的主要因素是耦合电容和射极旁路电容。电压增益的频率响应可表示为：,放大器的幅频特性,放大器的相频特性,其中 称为幅频特性，而 称为相频特性。,通频带,中频段,高频段,低频段,通频带：,波特图,采用对数坐标以折线近似绘制的幅频特性和相频特性曲线称为波特图，工程上常使用波特图。,晶体管的混合型高频小信号模型,晶体管的频率参数,1、共发射极电流放大系数截止频率,经计算，,其中，,晶体管的频率参数,2、特征频率,越大，晶体管的高频放大能力越强。,晶体管的单向化 密勒电容,密勒电容：,总电容：,单级共射放大电路的高频响应,其中,为低频增益；,为上限频率。,单级共射放大电路的高频响应,单级共射放大电路的低频响应,耦合电容和旁路电容包含在等效电路和增益表达式之中；晶体管电容视为开路。,单级共射放大电路的低频响应,单级共射放大电路的完整响应,7.共集电极电路和共基极电路,共集电极电路共基极电路,共集电极电路的直流分析,静态工作点Q：,共集电极放大电路,射极输出器,共集电极电路的交流分析,1、电压增益,共集电极电路的交流小信号等效电路,共集电极电路的交流分析,由电压增益的表达式可知，共集放大器的AV接近1，但小于1。,由于AV接近1，且 与 同相，因此共集放大器 又常称为电压跟随器。,共集电极电路的交流分析,2、电流增益,共集电极电路的交流小信号等效电路,尽管电压跟随器的电压增益略小于1，但它的电流增益却远大于1，因此电压跟随器仍具有功率放大作用。,共集电极电路的交流分析,3、输入电阻Ri,与共射放大电路的输入电阻 比较，射极输出器的输入电阻高很多。,共集电极电路的交流分析,4、输出电阻Ro,通常有,令，去掉 加上，则,比共射电路低得多,共集电极放大电路小结,电压增益略小于1；电流增益远大于1；输出与输入同相；输入电阻大；输出电阻小。,可以减小放大器对信号源（或前级电路）所取的信号电流；,负载变动对放大倍数影响不大（带负载能力强）,射极输出器的特点是：,共基极放大电路的直流分析,共基极放大电路,共基极放大电路的直流通路与分压式射极偏置电路的直流通路完全相同，故静态Q点的计算也完全相同。,直流通路,共基极放大电路的交流分析,1、电压增益,共基极电路的交流小信号等效电路,与共射电路的增益大小相同，只差一负号，为同相电压放大器。,共基极放大电路的交流分析,2、电流增益,可见，共基电路的电流增益略小于1，故又称为电流跟随器；但其电压增益通常远大于1，因而同样具有功率放大作用。,共基极放大电路的交流分析,3、输入电阻,可见，共基电路的输入电阻比共射电路小很多。,4、输出电阻,与共射电路相同。,共基放大电路小结,电压增益远大于1，电流增益略小于1，输出与输入同相，输入电阻小，输出电阻适中。,共基极放大电路的特点是：,三种基本组态放大电路的比较,共射电路的主要优点是放大能力强。Ai、Av均较大；Vi与Vo反相；Ri、Ro适中，但高频响应较差。多用作多级放大器的中间级充当主力放大。,共集电路的主要优点是输入电阻大、输出电阻小。Ai较大，Av略小于1。Vi与Vo同相且为“跟随关系”；Ri大，Ro小。多用作多级放大器的输入级，输出级，隔离级或缓冲级。,共基电路的主要优点是高频性能好。Ai略小于1，Av较大；Vi与Vo同相；Ri小,Ro大。多用作高频或宽带放大。,8、多级放大电路,单级放大电路的增益往往不够高，可采用多级放大电路级联的方式获得足够的增益。级联时必须保证：各级放大电路有合适的Q点；前级的输出能顺利地传送到后级的输入端。多级放大电路内部各级间的连接方式称为耦合方式。阻容耦合 直接耦合 变压器耦合,两级阻容耦合放大电路,两级级联放大器的总增益为：,多级放大器的总增益和输入输出电阻,对n级级联放大器,其总增益为：即将每一级的放大倍数相乘。,后级的Ri为前级的RL，前级的Ro为后级的Rs。,一般地说，多级放大器的输入电阻即输入级(第一级)的Ri，输出电阻即输出级(末级)的Ro。,多级放大器的频率响应,两级放大器频率响应的表达式,推广到n级放大器,分别用幅频和相频表示，,多级放大器的通频带,以两个相同单级放大电路级联而成的两级放大器为例。在f1H处，两级放大器的电压增益：因此可知：同理有：,可见，将两级放大电路级联之后，增益变大，通频带变窄。这个结论可推广到n级放大电路的级联。,
