模擬電子線路 第2章雙極型晶體管及其電路ppt課件

1、第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 21 雙極型晶體管的任務原理雙極型晶體管的任務原理 22 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)晶體管伏安特性曲線及參數(shù)23 晶體管任務形狀分析及偏置電路晶體管任務形狀分析及偏置電路24 放大器的組成及其性能目的放大器的組成及其性能目的25 放大器圖解分析法放大器圖解分析法26 放大器的交流等效電路分析法放大器的交流等效電路分析法27 共集電極放大器和共基極放大器共集電極放大器和共基極放大器28 放大器的級聯(lián)放大器的級聯(lián) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路21

2、雙極型晶體管的任務原理雙極型晶體管的任務原理 雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導體構成的器件。它有三個電極，所以又稱為半導體三極管、晶體三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體管。 晶體管的原理構造如圖21(a)所示。由圖可見，組成晶體管的三層雜質(zhì)半導體是N型P型N型構造，所以稱為NPN管。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路P集電極基極發(fā)射極集電結發(fā)射結發(fā)射區(qū)集電區(qū)(a)NPNcebPNPcebb基區(qū)ec(b)N襯底N型外延PNcebSiO2絕緣層集電結基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結集電區(qū)(c)NN 圖21晶體管的構造與符號(a)NPN管的表示圖；(b)電路符號；(c)平面管構造剖面圖第第2章章

3、雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 211放大形狀下晶體管中載流子的傳輸過程 當晶體管處在發(fā)射結正偏、集電結反偏的放大形狀下，管內(nèi)載流子的運動情況可用圖2-2闡明。我們按傳輸順序分以下幾個過程進展描畫。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖22晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 由于e結正偏，因此結兩側多子的分散占優(yōu)勢，這時發(fā)射區(qū)電子源源不斷地越過e結注入到基區(qū)，構成電子注入電流IEN。與此同

4、時，基區(qū)空穴也向發(fā)射區(qū)注入，構成空穴注入電流IEP。由于發(fā)射區(qū)相對基區(qū)是重摻雜，基區(qū)空穴濃度遠低于發(fā)射區(qū)的電子濃度，所以滿足 IEP IEN ，可忽略不計。因此，發(fā)射極電流IEIEN，其方向與電子注入方向相反。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、電子在基區(qū)中邊分散邊復合注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)中的非平衡少子，它在e結處濃度最大，而在c結處濃度最小(因c結反偏，電子濃度近似為零)。因此，在基區(qū)中構成了非平衡電子的濃度差。在該濃度差作用下，注入基區(qū)的電子將繼續(xù)向c結分散。在分散過程中，非平衡電子會與基區(qū)中的空穴相遇，使部分電子因復合而失去。但由于基區(qū)很薄且空穴濃度又

5、低，所以被復合的電子數(shù)極少，而絕大部分電子都能分散到c結邊沿。基區(qū)中與電子復合的空穴由基極電源提供，構成基區(qū)復合電流IBN，它是基極電流IB的主要部分。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、分散到集電結的電子被集電區(qū)搜集 由于集電結反偏，在結內(nèi)構成了較強的電場，因此，使分散到c結邊沿的電子在該電場作用下漂移到集電區(qū)，構成集電區(qū)的搜集電流ICN。該電流是構成集電極電流IC的主要部分。另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在c結反向電壓作用下，向?qū)Ψ狡茦嫵蒫結反向飽和電流ICBO，并流過集電極和基極支路，構成IC 、IB的另一部分電流。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶

6、體管及其放大電路 212電流分配關系 由以上分析可知，晶體管三個電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸構成的電流之間有如下關系：CBOCNCCBOCNBCNBNENEIIIIIIIIII(21a) (21b) (21c) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 式(21)闡明，在e結正偏、c結反偏的條件下，晶體管三個電極上的電流不是孤立的，它們可以反映非平衡少子在基區(qū)分散與復合的比例關系。這一比例關系主要由基區(qū)寬度、摻雜濃度等要素決議，管子做好后就根本確定了。反之，一旦知道了這個比例關系，就不難得到晶體管三個電極電流之間的關系，從而為定量分析晶體管電路提供方便。 第第2章章 雙極型

7、晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為了反映分散到集電區(qū)的電流ICN與基區(qū)復合電流IBN之間的比例關系，定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 為 CBOBCBOCBNCNIIIIII(22) 其含義是：基區(qū)每復合一個電子，那么有 個電子分散到集電區(qū)去。 值普通在20200之間。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路確定了 值之后，由式(21)、(22)可得CEBCEOBCBOBECEOBCBOBCIIIIIIIIIIIII)1 ()1 ()1 ()1 (23a) (23b) (23c) 式中： CBOCEOII)1 (24)稱為穿透電流。因ICBO很小，在忽略其影響時，

8、那么有BEBCIIII)1 (25a) (25b) 式(25)是今后電路分析中常用的關系式。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為了反映分散到集電區(qū)的電流ICN與射極注入電流IEN的比例關系，定義共基極直流電流放大系數(shù) 為ECBOCENCNIIIII (26)顯然， 1，普通約為0.970.99。由式(26)、(21)，不難求得BCEECBOEBECBOECIIIIIIIIIII)1 ()1 (27a)(27c) (27b) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由于 , 都是反映晶體管基區(qū)分散與復合的比例關系，只是選取的參考量不同，所以兩者

9、之間必有內(nèi)在聯(lián)絡。由 , 的定義可得 11BNBNBNCNENCNENCNEEECNECNENCNIIIIIIIIIIIIIIII (28) (29)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 213 晶體管的放大作用 如今用圖22來闡明晶體管的放大作用。假設在圖中UBB上疊加一幅度為100mV的正弦電壓ui，那么正向發(fā)射結電壓會引起相應的變化。由于e結正向電流與所加電壓呈指數(shù)關系，所以發(fā)射極會產(chǎn)生一個較大的注入電流iE，例如為1mA。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路22 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)晶體管伏安特性曲線及參數(shù) 晶體管伏安特性曲線是描畫晶

10、體管各極電流與極間電壓關系的曲線，它對于了解晶體管的導電特性非常有用。晶體管有三個電極，通常用其中兩個分別作輸入、輸出端，第三個作公共端，這樣可以構成輸入和輸出兩個回路。實踐中，有圖23所示的三種根本接法(組態(tài))，分別稱為共發(fā)射極、共集電極和共基極接法。其中，共發(fā)射極接法更具代表性，所以我們主要討論共發(fā)射極伏安特性曲線。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)輸出回路輸入回路ecbiBiE 圖23晶體管的三種根本接法(a)共發(fā)射極；(b)共集電極；(c)共基極 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 22

11、1 晶體管共發(fā)射極特性曲線 由于有兩個回路，所以晶體管特性曲線包括輸入和輸出兩組特性曲線。這兩組曲線可以在晶體管特性圖示儀的屏幕上直接顯示出來，也可以用圖24電路逐點測出。 一、共發(fā)射極輸出特性曲線 丈量電路如圖24所示。共射輸出特性曲線是以iB為參變量時，iC與uCE間的關系曲線，即常數(shù)BiCECufi)(第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE 圖24共發(fā)射極特性曲線丈量電路 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 典型的共射輸出特性曲線如圖25所示。由圖可見，輸出特性可以劃分為三個區(qū)域，對應于三種

12、任務形狀?，F(xiàn)分別討論如下。 1放大區(qū) e結為正偏，c結為反偏的任務區(qū)域為放大區(qū)。由圖25可以看出，在放大區(qū)有以下兩個特點： 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路uCE/V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)IB40A30A20A10A0AiBICBO放大區(qū)iC/mAuCEuBE圖25 共射輸出特性曲線第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (1)基極電流iB對集電極電流iC有很強的控制造用，即iB有很小的變化量IB時， iC就會有很大的變化量IC。為此，用共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)來表示這種控制才干。定義為常數(shù)EuBCII(210) 反映在特性曲線上，為

13、兩條不同IB曲線的間隔。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (2) uCE變化對IC的影響很小。在特性曲線上表現(xiàn)為，iB一定而uCE增大時，曲線略有上翹(iC略有增大)。這是由于uCE增大，c結反向電壓增大，使c結展寬，所以有效基區(qū)寬度變窄，這樣基區(qū)中電子與空穴復合的時機減少，即iB要減小。而要堅持iB不變，所以iC將略有增大。這種景象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應，或簡稱基調(diào)效應。從另一方面看，由于基調(diào)效應很微弱， uCE在很大范圍內(nèi)變化時IC根本不變。因此，當IB一定時，集電極電流具有恒流特性。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 2飽和區(qū) e結

14、和c結均處于正偏的區(qū)域為飽和區(qū)。通常把uCE=uBE(即c結零偏)的情況稱為臨界飽和，對應點的軌跡為臨界飽和線。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、共發(fā)射極輸入特性曲線 丈量電路見圖24。共射輸入特性曲線是以uCE為參變量時，iB與uBE間的關系曲線，即 典型的共發(fā)射極輸入特性曲線如圖26所示。 常數(shù)CEuBEBufi)(第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1圖26 共發(fā)射極輸入特性曲線 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (1)在uCE1V的條件

15、下，當uBE UBE(on)時，隨著uBE的增大，iB開場按指數(shù)規(guī)律添加，而后近似按直線上升。 (2)當uCE =0時，晶體管相當于兩個并聯(lián)的二極管，所以b,e間加正向電壓時，iB很大。對應的曲線明顯左移，見圖26。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (3)當uCE在01V之間時，隨著uCE的添加，曲線右移。特別在0 uCE UCE(sat)的范圍內(nèi)，即任務在飽和區(qū)時，挪動量會更大些。 (4)當uBE0時，晶體管截止，iB為反向電流。假設反向電壓超越某一值時，e結也會發(fā)生反向擊穿。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、溫度對晶體管特性曲線

16、的影響 溫度對晶體管的uBE、ICBO和有不容忽視的影響。其中， uBE 、 ICBO隨溫度變化的規(guī)律與PN結一樣，即溫度每升高1， uBE減小22.5mV；溫度每升高10， ICBO增大一倍。溫度對的影響表現(xiàn)為，隨溫度的升高而增大，變化規(guī)律是：溫度每升高1，值增大0.5%1%(即/T(0.51)%/)。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、電流放大系數(shù) 1共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大系數(shù) 和分別由式(22)、(210)定義，其數(shù)值可以從輸出特性曲線上求出。 2 共基極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大系數(shù) 由式(26)定義，而定義為，uCB為常數(shù)時，集電

17、極電流變化量IC與發(fā)射極電流變化量IE之比，即常數(shù)BuECII(211)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由于ICBO、ICEO都很小，在數(shù)值上 , 。所以在以后的計算中，不再加以區(qū)分。 該當指出，值與丈量條件有關。普通來說，在iC很大或很小時，值較小。只需在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)，值才比較大，且根本不隨iC而變化。因此，在查手冊時應留意值的測試條件。尤其是大功率管更應強調(diào)這一點。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、極間反向電流 1 ICBO ICBO指發(fā)射極開路時，集電極基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。 2 ICEO

18、ICEO指基極開路時，集電極發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。 3 IEBO IEBO指集電極開路時，發(fā)射極基極間的反向電流。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、結電容 結電容包括發(fā)射結電容Ce(或Cbe)和集電結電容Cc(或Cbe)。結電容影響晶體管的頻率特性。關于晶體管的頻率特性參數(shù)，詳見第五章。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 四、晶體管的極限參數(shù) 1 擊穿電壓 U(BR)CBO指發(fā)射極開路時，集電極基極間的反向擊穿電壓。 U(BR)CEO指基極開路時，集電極發(fā)射極間的反向擊穿電壓。U(BR)CEOICM時，雖然管子不致

19、于損壞，但值曾經(jīng)明顯減小。因此，晶體管線性運用時， iC不應超越ICM 。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 3 集電極最大允許耗散功率PCM 晶體管任務在放大形狀時，c結接受著較高的反向電壓，同時流過較大的電流。因此，在c結上要耗費一定的功率，從而導致c結發(fā)熱，結溫升高。當結溫過高時，管子的性能下降，甚至會燒壞管子，因此需求規(guī)定一個功耗限額。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 PCM與管芯的資料、大小、散熱條件及環(huán)境溫度等要素有關。一個管子的PCM如已確定，那么由 PCM =ICUCE可知， PCM在輸出特性上為一條IC與UCE乘積為定值

20、PCM的雙曲線，稱為PCM功耗線，如圖27所示。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路uCE工作區(qū)iC0安全ICMU(BR)CEOPCM 圖27 晶體管的平安任務區(qū) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 23 晶體管任務形狀分析及偏置電路晶體管任務形狀分析及偏置電路 由晶體管的伏安特性曲線可知，晶體管是一種復雜的非線性器件。在直流任務時，其非線性主要表現(xiàn)為三種截然不同的任務形狀，即放大、截止和飽和。在實踐運用中，根據(jù)實現(xiàn)的功能不同，可經(jīng)過外電路將晶體管偏置在某一規(guī)定形狀。因此，在晶體管運用電路分析中，一個首要問題，便是晶體管任務形狀分析以及直流電路

21、計算。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 231晶體管的直流模型 在通常情況下，由外電路偏置的晶體管，其各極直流電流和極間直流電壓將對應于伏安特性曲線上一個點的坐標，這個點稱為直流(或靜態(tài))任務點，簡稱Q點。在直流任務時，可將晶體管輸入、輸出特性曲線(見圖25、圖26)分別用圖2-8(a)和(b)所示的折線近似，這樣直流任務點(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)必然位于該曲線的直線段上。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路uBE0uCEiC0iB(a)UBE(on)UCE(sat)IB 0(b)圖28晶體管伏安特性曲線的折線近似(a)

22、輸入特性近似； (b)輸出特性近似第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由圖28可知，當外電路使UBEUBE(on)(對硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V)時，IB=0，IC=0，即晶體管截止。此時，相當于b,e極間和c,e極間均開路，相應的直流等效模型如圖29(a)所示。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路(a)ebc(b)ebcIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat) 圖29晶體管三種形狀的直流模型(a)截止形狀模型；(b)放大形狀模型；(c)飽和形狀模型 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路

23、 例1 晶體管電路如圖210(a)所示。假設知晶體管任務在放大形狀，=100，試計算晶體管的IBQ,ICQ和UCEQ。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k(a)圖210晶體管直流電路分析(a)電路； (b)直流等效電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖210晶體管直流電路分析(a)電路； (b)直流等效電路eRB(b)UBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQ第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 解 由于UBB使e結正偏，UCC使c結反偏，所以晶

24、體管可以任務在放大形狀。這時用圖29(b)的模型替代晶體管，便得到圖2-10(b)所示的直流等效電路。由圖可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIImRUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(故有第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 232晶體管任務形狀分析 將晶體管接入直流電路，在通常情況下，圍繞晶體管可將電路化為圖211(a)所示的普通方式。 由圖可知，假設UBBUEE+UBE(on),且UBB UEE+UBE(on)，那么晶體管導通?，F(xiàn)假定為放大導通，利用圖29(b)的模型可得該電路的直流

25、等效電路如圖211(b)所示。由圖可得 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE)()1 ()(ECCQEECCCEQEQBQCQEBOnBEEEBBBQRRIUUUIIIRRUUUI(212a) (212b) (212c) 借助式(212)的結果，如今可對電路中的晶體管是處于放大還是飽和作出判別。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(b)IB 圖211晶體管直流分析的普通性電路(a)電路；(b)放大形狀下的等效電路；(c)飽和形狀下的等效電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及

26、其放大電路 圖211晶體管直流分析的普通性電路(a)電路；(b)放大形狀下的等效電路；(c)飽和形狀下的等效電路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)UCE(sat)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例2 晶體管電路及其輸入電壓ui的波形如圖 2-12(a),(b)所示。知=50，試求ui作用下輸出電壓uo的值，并畫出波形圖。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a) 圖212例題2電路及ui,uo波形圖 (a)電路；(b) ui波形圖；(c) uo波形圖第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖212例題2電路及ui,uo波形圖

27、 (a)電路；(b) ui波形圖；(c) uo波形圖03(b)tui/V05(c)tuo/V0.3第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 解當ui=0時，UBE=0，那么晶體管截止。此時，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。當ui =3V時，晶體管導通且有mImImRUUImRUuIsatCBQConBECCsatCBonBEiBQ028. 0504 . 106. 04 . 137 . 0506. 0397 . 03)()()()( 而集電極臨界飽和電流為 由于 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 所以晶體管處于飽和。此時，ICQ=IC(s

28、at)=1.4mA，而uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。根據(jù)上述分析結果畫出的uo波形如圖212(c)所示。 經(jīng)過本例題可以看出，在實踐電路分析中，由于晶體管的直流模型很簡單，一旦其任務形狀確定，那么直流等效電路可不用畫出，而等效的涵義將在計算式中反映出來。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 233 放大形狀下的偏置電路 晶體管在放大運用時，要求外電路將晶體管偏置在放大區(qū)，而且在信號的變化范圍內(nèi)，管子一直任務在放大形狀。此時，對偏置電路的要求是：電路方式要簡單。例如采用一路電源，盡能夠少用電阻等；偏置下的任務點在環(huán)境溫度變化或改換管子時應力求堅持穩(wěn)定；對信

29、號的傳輸損耗應盡能夠小。下面將引見幾種常用的偏置電路。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、固定偏流電路 電路如圖213所示。由圖可知，UCC經(jīng)過RB使e結正偏， 那么基極偏流為BonBECCBQRUUI)(214a) 只需合理選擇RB,RC的阻值，晶體管將處于放大形狀。此時CCQCCCEQBQCQRIUUII(214b) (214c)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUCCRC圖213固定偏流電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 這種偏置電路雖然簡單，但主要缺陷是任務點的穩(wěn)定性差。由式(214)可知，當溫

30、度變化或改換管子引起,ICBO改動時，由于外電路將IBQ固定，所以管子參數(shù)的改動都將集中反映到ICQ,UCEQ的變化上。結果會呵斥任務點較大的漂移，甚至使管子進入飽和或截止形狀。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、電流負反響型偏置電路 使任務點穩(wěn)定的根本原理，是在電路中引入自動調(diào)理機制，用IB的相反變化去自動抑制IC的變化，從而使ICQ穩(wěn)定。這種機制通常稱為負反響。實現(xiàn)方法是在管子的發(fā)射極串接電阻RE，見圖214。由圖可知，不論何種緣由，假設使ICQ有增大趨向時，電路會產(chǎn)生如下自我調(diào)理過程： ICQIEQ UEQ(=IEQRE) ICQ IEQ UBEQ(= U

31、EQ -UEQ)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUCCRCRE 圖214 電流負反響型偏置電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 結果，因IBQ的減小而阻止了ICQ的增大；反之亦然?？梢姡?jīng)過RE對ICQ的取樣和調(diào)理，實現(xiàn)了任務點的穩(wěn)定。顯然， RE的阻值越大，調(diào)理作用越強，那么任務點越穩(wěn)定。但RE過大時，因UCEQ過小會使Q點接近飽和區(qū)。因此，要二者兼顧，合理選擇RE的阻值。 該電路與圖211(a)電路相比，差別僅在于此時UEE=0,UBB=UCC。參照式(212)，可得任務點的計算式為第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管

32、及其放大電路)()1 ()(ECCQCCCEQBQCQEBonBECCBQRRIUUIIRRUUI(215a) (215b) (215c)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、分壓式偏置電路 分壓式偏置電路如圖215(a)所示，它是電流負反響型偏置電路的改良電路。由圖可知，經(jīng)過添加一個電阻RB2，可將基極電位UB固定。這樣由ICQ引起的UE變化就是UBE的變化，因此加強了UBE對ICQ的調(diào)理作用，有利于Q點的近一步穩(wěn)定。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RB1UCCRCRE(a)RB2 圖215分壓式偏置電路(a)電路；(b)用戴文寧定理等

33、效后的電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路UCCRCRE(b)RBICQUBBIBQ 圖215分壓式偏置電路(a)電路；(b)用戴文寧定理等效后的電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為確保UB固定，應滿足流過RB1、RB2的電流I1IBQ，這就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1 、 RB2過小，將增大電源UCC的無謂損耗，因此要二者兼顧。通常選取1I鍺管）硅管）()2010()105(BQBQII并兼顧RE和UCEQ而取CCBUU)3151(216a) (216a)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路

34、從分析的角度看，在該電路的基極端用戴文寧定理等效，可得如圖215(b)的等效電路。圖中，RB=RB1RB2,UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)。此時，任務點可按式(215)計算。假設RB1 、RB2取值不大，在估算任務點時，那么ICQ可按下式直接求出：CCBBBBBBEonBEBBEQCQURRRUURUUII212)(217a)(217b)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例3 電路如圖215(a)所示。知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，試計算任務點ICQ和UCEQ。 解 VRRIUUmAIImARRUUIVURR

35、RUkRRRECCQCCCEQBQCQEBonBEBBBQCCBBBBBBBB4 . 4)22(9 . 112)(9 . 1019. 0100019. 02101157 . 07 . 4)1 (4 . 112253925152539)(21221第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路假設按估算法直接求ICQ，由式(217a)可得mARUUIEonBEBBCQ227 . 07 . 4)( 顯然兩者誤差很小。因此，在今后分析中可按估算法來求任務點。 與上述穩(wěn)定Q點的原理相類似，實踐中還可采用電壓負反響型偏置電路(見習題211電路)。其調(diào)理原理請讀者自行分析。除此之外，在集成電

36、路中，還廣泛采用恒流源作偏置電路，即用恒流源直接設定ICQ。有關恒定源問題將在第四章詳細討論。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路24放大器的組成及其性能目的放大器的組成及其性能目的 晶體管的一個根本運用就是構成放大器。所謂放大，是在堅持信號不失真的前提下，使其由小變大、由弱變強。因此，放大器在電子技術中有著廣泛的運用，是現(xiàn)代通訊、自動控制、電子丈量、生物電子等設備中不可短少的組成部分。放大器涉及的問題很多，這些問題將在后續(xù)章節(jié)中逐一討論。本節(jié)主要闡明小信號放大器的組成原理，簡要引見放大器的性能目的，然后給出其二端口網(wǎng)絡的普通模型。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路

37、雙極型晶體管及其放大電路 241根本放大器的組成原那么 根本放大器通常是指由一個晶體管構成的單級放大器。根據(jù)輸入、輸出回路公共端所接的電極不同，實踐有共射極、共集電極和共基極三種根本(組態(tài))放大器。下面以最常用的共射電路為例來闡明放大器的普通組成原理。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 共射極放大電路如圖216所示。圖中，采用固定偏流電路將晶體管偏置在放大形狀，其中虛線支路的UCC為直流電源，RB為基極偏置電阻，RC為集電極負載電阻。輸入信號經(jīng)過電容C1加到基極輸入端，放大后的信號經(jīng)電容C2由集電極輸出給負載RL。由于放大器的分析通常采用穩(wěn)態(tài)法，所以普通情況下是以正弦

38、波作為放大器的根本輸入信號。圖中用內(nèi)阻為Rs的正弦電壓源Us為放大器提供輸入電壓Ui。電容C1, C2稱為隔直電容或耦合電容，其作用是隔直流通交流，即在保證信號正常流通的情況下，使直流相互隔離互不影響。按這種方式銜接的放大器，通常稱為阻容耦合放大器。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RCUoUsVRsUiC1RB(UCC)C2RLUCC 圖216共射極放大電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 經(jīng)過上述實例可以看出，用晶體管組成放大器時應該遵照如下原那么： (1)必需將晶體管偏置在放大形狀，并且要設置適宜的任務點。當輸入為雙極性信號(如正弦波

39、)時，任務點應選在放大區(qū)的中間區(qū)域；在放大單極性信號(如脈沖波)時，任務點可適當靠向截止區(qū)或飽和區(qū)。 (2)輸入信號必需加在基極發(fā)射極回路。由于正偏的發(fā)射結其iE與uBE的關系仍滿足式(14)，即TBETBEUuSUuSEeIeIi) 1(218)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 而iCiE。所以，uBE對iC有極為靈敏的控制造用。因此，只需將輸入信號加到基極發(fā)射極回路，使其成為控制電壓uBE的一部分，才干得到有效地放大。詳細銜接時，假設射極作為公共支路(端)，那么信號加到基極；反之，信號那么加到射極。由于反偏的c結對iC幾乎沒有控制造用，所以輸入信號不能加到集電極

40、。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (3)必需設置合理的信號通路。當信號源和負載與放大器相接時，一方面不能破壞已設定好的直流任務點，另一方面應盡能夠減小信號通路中的損耗。實踐中，假設輸入信號的頻率較高(幾百赫茲以上)，采用阻容耦合那么是最正確的銜接方式。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 242直流通路和交流通路 對一個放大器進展定量分析時，其分析的內(nèi)容無外乎兩個方面。一是直流(靜態(tài))任務點分析，即在沒有信號輸入時，估算晶體管的各極直流電流和極間直流電壓。二是交流(動態(tài))性能分析，即在輸入信號作用下，確定晶體管在任務點處各極電流和極間電壓的

41、變化量，進而計算放大器的各項交流目的。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 以圖216所示的共射放大器為例，按照上述方法，將電路中的耦合電容C1,C2開路，得直流通路，如圖217(a)所示；將C1, C2短路，直流電源UCC對地也短路，便得交流通路，如圖217(b)所示。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖217共射放大器的交、直流通路 (a)直流通路；(b)交流通路RBUCCRCRCUoUsRsRBRL(a)(b)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 243放大器的主要性能目的 放大器有一個輸入端口，一個輸出端口，

42、所以從整體上看，可以把它當作一個有源二端口網(wǎng)絡，如圖218所示。由于輸入信號是正弦量，所以圖中有小寫下標的大寫字母均表示正弦量的有效值，并按二端口網(wǎng)絡的商定標出了電流的方向和電壓的極性。這樣，放大器的性能目的可以用該網(wǎng)絡的端口特性來描畫。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路線性放大器IoRLUoUiIi圖218放大器等效為有源二端口網(wǎng)絡的框圖第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、放大倍數(shù)A 放大倍數(shù)又稱為增益，定義為放大器的輸出量與輸入量的 比值。根據(jù)處置的輸入量和所需的輸出量不同，有如下四種不同定義的放大倍數(shù)： ioriogioiiouUU

43、AUIAIIAUUA電壓放大倍數(shù) 電流放大倍數(shù) 互導放大倍數(shù) 互導放大倍數(shù) 互阻放大倍數(shù) (219a) (219b) (219c) (219d) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 其中，Au和Ai為無量綱的數(shù)值，而Ag的單位為西門子(S)，Ar的單位為歐姆()。有時為了方便，Au和Ai可取分貝(dB)為單位，即),(lg20),(lg20dBIIAdBUUAioiiou(220) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、輸入電阻 Ri 輸入電阻是從放大器輸入端看進去的電阻，它定義為 在圖218的框圖中，對信號源來說，放大器相當于它的負載，R

44、i那么表征該負載能從信號源獲取多大信號。 iiiIUR (221)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、輸出電阻Ro 輸出電阻是從放大器輸出端看進去的電阻。在圖218的框圖中，對負載來說，放大器相當于它的信號源，而Ro正是該信號源的內(nèi)阻。根據(jù)戴文寧定理，放大器的輸出電阻定義為0I0s或sUoooIUR(222)Ro是一個表征放大器帶負載才干的參數(shù)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 根據(jù)放大器輸入和輸出信號的不同，利用上述三個目的，那么圖218所示的框圖可詳細描畫為四種二端口網(wǎng)絡模型，如圖219所示。圖中，Auo,Aro分別表示負載開路時

45、的電壓、互阻放大倍數(shù)，而Ais,Ags那么分別表示負載短路時的電流、互導放大倍數(shù)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路IsAisIiRLRsRiRo(b)IoIiUsAuoUiRLRsUiRiRoUo(a)AgsUiRLRiRo(c)IoUsRsUiAroIiRLRiRoUo(d)IsIiRo 圖219放大器二端口網(wǎng)絡模型(a)電壓放大器；(b)電流放大器；(c)互導放大器；(d)互阻放大器第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 四、非線性失真系數(shù)THD 由于放大管輸入、輸出特性的非線性，因此放大器輸出波形不可防止地會產(chǎn)生或大或小的非線性失真。詳

46、細表現(xiàn)為，當輸入某一頻率的正弦信號時，其輸出電流波形中除基波成分之外，還包含有一定數(shù)量的諧波。為此，定義放大器非線性失真系數(shù)為mnmIITHD122(223)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 式中I1m為輸出電流的基波幅值，Inm為二次諧波以上的各諧波分量幅值。由于小信號放大時非線性失真很小，所以只需在大信號任務時才思索THD目的。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 五、線性失真 放大器的實踐輸入信號通常是由眾多頻率分量組成的復雜信號。由于放大電路中含有電抗元件(主要是電容)，因此放大器對信號中的不同頻率分量具有不同的放大倍數(shù)和附加相移，呵

47、斥輸出信號中各頻率分量間大小比例和相位關系發(fā)生變化，從而導致輸出波形相對于輸入波形產(chǎn)生畸變。通常將這種輸出波形的畸變稱為放大器的線性失真或頻率失真。有關描畫線性失真的一些詳細目的，如截止頻率、通頻帶等將在第五章中詳細闡明。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路25 放大器圖解分析法放大器圖解分析法 251直流圖解分析 直流圖解分析是在晶體管特性曲線上，用作圖的方法確定出直流任務點，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。 對于圖216所示共射極放大器，其直流通路重畫于圖220(a)中。由圖可知，在集電極輸出回路，可列出如下一組方程： 直流負載線方程特性曲線方程CCCCC

48、EIiCECRiUuufiBQB)(224a) (224b) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUCCRC(a)RCUoUiRBRL(b)IBQICQUCEQiBiCUCE圖220共射放大器的直流、交流通路 (a)直流通路；(b)交流通路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 如圖221(a)所示。圖中，直流負載線MN與iB=IBQ的輸出特性曲線相交于Q點，那么該點就是方程組(224)的解(即直流任務點)。因此，量得Q點的縱坐標為ICQ，橫坐標那么為UCEQ。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路iBIBQuCE0NQM

49、iCUCEQUCCICQUCCRC(a) 圖221放大器的直流圖解分析(a)直流負載線與Q點；(b)Q點與RB、RC的關系第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖221放大器的直流圖解分析(a)直流負載線與Q點；(b)Q點與RB、RC的關系uCE/V21012012340A30A20A10AiC/mA4684MNQ(b)RBQ3Q2Q4RCRBQ1RC第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例4 在圖220(a)電路中，假設RB=560k,RC=3k,UCC=12V，晶體管的輸出特性曲線如圖221(b)所示，試用圖解法確定直流任務點。 解 取UBE

50、Q=0.7V，由估算法可得umRUUIBBEQCCBQ2002. 05607 . 012第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 在輸出特性上找兩個特殊點：當uCE=0時，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M點；當iC =0時，uCE=UCC=12V，得N點。銜接以上兩點便得到圖221(b)中的直流負載線MN，它與IB=20A的一條特性曲線的交點Q，即為直流任務點。由圖中Q點的坐標可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 252交流圖解分析 交流圖解分析是在輸入信號作用下，經(jīng)過作圖來確定放大管各級電流和極間電

51、壓的變化量。此時，放大器的交流通路如圖220(b)所示。由圖可知，由于輸入電壓連同UBEQ一同直接加在發(fā)射結上，因此，瞬時任務點將圍繞Q點沿輸入特性曲線上下挪動，從而產(chǎn)生iB的變化，如圖222(a)所示。瞬時任務點挪動的斜率為 : LCECkuik1(225)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖222放大器的交流圖解分析(a)輸入回路的任務波形；(b)輸出回路的任務波形iBIBQtiBIBQuBEuBEtiBmaxiBminQUBEQ(a)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖222放大器的交流圖解分析(a)輸入回路的任務波形；(b)輸出回

52、路的任務波形QiCiBmaxiBminiCICQttuCEuCEUCCUCEQICQRLICQUCCRC交流負載線 kRC1Q1Q2IBQ(b)A第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 畫出交流負載線之后，根據(jù)電流iB的變化規(guī)律，可畫出對應的iC和uCE的波形。在圖222(b)中，當輸入正弦電壓使iB按圖示的正弦規(guī)律變化時，在一個周期內(nèi)Q點沿交流負載線在Q1到Q2之間上下挪動，從而引起iC和uCE分別圍繞ICQ和UCEQ作相應的正弦變化。由圖可以看出，兩者的變化正好相反，即iC增大，uCE減小；反之， iC減小，那么uCE增大。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型

53、晶體管及其放大電路 根據(jù)上述交流圖解分析，可以畫出在輸入正弦電壓下，放大管各極電流和極間電壓的波形，如圖223所示。察看這些波形，可以得出以下幾點結論： (1)放大器輸入交變電壓時，晶體管各極電流的方向和極間電壓的極性一直不變，只是圍繞各自的靜態(tài)值，按輸入信號規(guī)律近似呈線性變化。 (2)晶體管各極電流、電壓的瞬時波形中，只需交流分量才干反映輸入信號的變化，因此，需求放大器輸出的是交流量。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路tuituBEUBEQiBtIBQiCtICQuCEtUCEQuo000000t圖223共射極放大器的電壓、 電流波形第第2章章 雙極型晶體管及其放

54、大電路雙極型晶體管及其放大電路 (3)將輸出與輸入的波形對照，可知兩者的變化規(guī)律正好相反，通常稱這種波形關系為反相或倒相。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 253直流任務點與放大器非線性失真的關系直流任務點與放大器非線性失真的關系 直流任務點的位置假設設置不當，會使放大器輸出直流任務點的位置假設設置不當，會使放大器輸出波形產(chǎn)生明顯的非線性失真。波形產(chǎn)生明顯的非線性失真。在圖在圖224(a)中，中，Q點設點設置過低，在輸入電壓負半周的部分時間內(nèi)，動態(tài)任務點置過低，在輸入電壓負半周的部分時間內(nèi)，動態(tài)任務點進入截止區(qū)，使進入截止區(qū)，使iB,iC不能跟隨輸入變化而恒為零，

55、從不能跟隨輸入變化而恒為零，從而引起而引起iB, iC和和uCE的波形發(fā)生失真，這種失真稱為截的波形發(fā)生失真，這種失真稱為截止失真。由圖可知，對于止失真。由圖可知，對于NPN管的共射極放大器，當發(fā)管的共射極放大器，當發(fā)生截止失真時，其輸出電壓波形的頂部被限幅在某一數(shù)生截止失真時，其輸出電壓波形的頂部被限幅在某一數(shù)值上。值上。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 假設Q點設置過高，如圖224(b)所示，那么在輸入電壓正半周的部分時間內(nèi)，動態(tài)任務點進入飽和區(qū)。此時，當iB增大時，iC那么不能隨之增大，因此也將引起iC和uCE波形的失真，這種失真稱為飽和失真。由圖可見，當發(fā)生

56、飽和失真時，其輸出電壓波形的底部將被限幅在某一數(shù)值上。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路Q交流負載線iC0t0iCiBuCEuCE0t(a)圖224 Q點不適宜產(chǎn)生的非線性失真 (a)截止失真；(b)飽和失真第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖224 Q點不適宜產(chǎn)生的非線性失真 (a)截止失真；(b)飽和失真Q交流負載線iCiCiB0tuCEuCE0(b)t0第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 經(jīng)過以上分析可知，由于受晶體管截止和飽和的限制，放大器的不失真輸出電壓有一個范圍，其最大值稱為放大器輸出動態(tài)范圍。由圖22

57、4可知，因受截止失真限制，其最大不失真輸出電壓的幅度為 而因飽和失真的限制，最大不失真輸出電壓的幅度那么為CESCEQomLCQomUUURIU(226a)(226b)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 式中，UCES表示晶體管的臨界飽和壓降，普通取為1V。比較以上二式所確定的數(shù)值，其中較小的即為放大器最大不失真輸出電壓的幅度，而輸出動態(tài)范圍 Uopp那么為該幅度的兩倍，即 Uopp=2Uom (227) 顯然，為了充分利用晶體管的放大區(qū)，使輸出動態(tài)范圍最大，直流任務點應選在交流負載線的中點處。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 26 放大

58、器的交流等效電路分析法放大器的交流等效電路分析法 261 晶體管交流小信號電路模型 根據(jù)導出的方法不同，晶體管交流小信號電路模型可分為兩類：一類是物理型電路模型，它是模擬晶體管構造及放大過程導出的電路模型，它有多種方式，其中較為通用的是混合型電路模型；另一類是網(wǎng)絡參數(shù)模型，它是將晶體管看成一個雙端口網(wǎng)絡，根據(jù)端口的電壓、電流關系導出的電路模型，其中運用最廣的是H參數(shù)電路模型。不論按哪種方法導出的電路模型，它們都該當是等價的，因此相互間可以進展轉(zhuǎn)換。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、混合型電路模型 任務在放大形狀下的共射極晶體管如圖225(a)所示。 uceibu

59、beic(a)gmubeubeucerbercerbcbce(b) 圖225晶體管放大過程分析及電路模型 (a)共發(fā)射極晶體管；(b)電路模型第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 晶體管輸入端ube控制iB的作用，可以用b,e極間相應的交流結電阻rbe來等效，其大小為靜態(tài)任務點處uBE對iB的偏導值，即beQBEbbeQEBEeeQEBEBEQBBEbbebeiiiiiuiurriuiiiuiur1,)1 (228) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 分別為發(fā)射結交流電阻和re等效到基極支路的折合系數(shù)。根據(jù)正向PN結電流與電壓間的近似關系式T

60、BEUuSEeIi 可求得re，其值為 EQTUSTQBEEeIUeIUuirTUBEQ/111(229)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 可見，re與溫度有關，并與晶體管直流任務電流IEQ成反比。室溫下，UT=26mV，所以re=26mV/IEQ。 ube經(jīng)過ib對ic的控制造用，可以用接在c,e極間的一個電壓控制電流源來等效，即 ic =gmube (230) 式中控制參量gm反映ube對ic的控制才干，稱為正向傳輸電導，簡稱跨導。其大小為靜態(tài)任務點處iC對uBE的偏導值，即bcQBCbeQBEBBCQBECbecmiiiiruiuiuiuig(231)式中：第