第3章 晶體三極管及其基本放大電路

1、第3章 晶體三極管及其放大電路本章首先介紹晶體三極管結(jié)構(gòu)、工作原理及特性曲線，在此基礎(chǔ)上討論基本放大電路的分析、靜態(tài)工作點的穩(wěn)定、多級放大電路的分析和計算，以及放大電路的頻率特性等。重點討論放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析，即靜態(tài)工作點和交流性能參數(shù)（電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻）的計算。3.1 晶體三極管 晶體三極管的分類及結(jié)構(gòu)晶體三極管通常簡稱為三極管，也稱為晶體管和半導(dǎo)體三極管。它是采用光刻、擴散等工藝在同一塊半導(dǎo)體硅(鍺)片上摻雜形成三個區(qū)、兩個PN結(jié)，并引出三個電極。由兩個N區(qū)夾一個P區(qū)結(jié)構(gòu)的三極管稱為NPN型晶體管；由兩個P區(qū)夾一個N區(qū)結(jié)構(gòu)的三極管稱為PNP型晶體管。晶體管按照制造材料

2、分為鍺管和硅管；按照工作頻率分為低頻管和高頻管；按照允許耗散的功率大小分為小功率管、中功率關(guān)和大功率管。常見外形如圖3-1所示。圖3-1 常用三極管的外形及管腳排列三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及其符號如圖3-2所示。圖3-2a所示為NPN型三極管，圖3-2a所示為PNP型三極管。由圖可見，兩種三極管都有三個區(qū)：基區(qū)、集電區(qū)和發(fā)射區(qū)；兩個PN結(jié)：集電區(qū)和基區(qū)之間的PN稱為集電結(jié)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)；三個電極：基極b、集電極c和發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)特點是發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電區(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)低，且集電區(qū)面積比發(fā)射區(qū)大，基區(qū)摻雜濃度遠低于發(fā)射區(qū)且很薄，三極管符號中的箭頭方向是表示發(fā)射極電流的實際

3、流向。 盡管NPN型和PNP型三極管的結(jié)構(gòu)不同，使用時外加電源也不同，但接成放大電路時工作原理是相似的，本章將以NPN管為例，討論三極管放大電路的基本原理、分析和計算方法。三極管的工作原理1. 三極管放大交流信號的外部條件 要使三極管正常放大交流信號，除了需要滿足內(nèi)部條件外，還需要滿足外部條件：發(fā)射結(jié)外加正向電壓（正偏壓），集電結(jié)外加反向電壓（反偏壓），對于NPN管，；對于PNP管，。為此，可用兩個電源、來實現(xiàn)正確偏置，如圖3-3所示。2. 晶體管內(nèi)部載流子運動過程發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)運動如圖3-3所示。由于發(fā)射結(jié)外加正向電壓，多子的擴散運動增強，所以發(fā)射區(qū)的“多子”自由電子不斷越過發(fā)射結(jié)擴散到

4、基區(qū)，形成了發(fā)射區(qū)電流（電流的方向與電子運動方向相反）。同時電源向發(fā)射區(qū)補充電子，形成電流。而此時基區(qū)的多子空穴也會向發(fā)射區(qū)擴散，形成空穴電流。但由于基區(qū)摻雜濃度低，空穴濃度小，很小，可忽略不計，故基本上等于發(fā)射極電流。 發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子在基區(qū)的擴散與復(fù)合當發(fā)射區(qū)的電子到達基區(qū)后，由于濃度的差異，且基區(qū)很薄，電子很快運動到集電結(jié)。在擴散過程中有一部分電子與基區(qū)的空穴相遇而復(fù)合，同時，電源不斷向基區(qū)補充空穴，形成基區(qū)復(fù)合電流。由于基區(qū)摻雜濃度低且薄，故復(fù)合的電子很少，亦即很小。 集電區(qū)收集發(fā)射區(qū)擴散過來的電子由于集電結(jié)加反向電壓，有利于“少子”的漂移運動，所以基區(qū)中擴散到集電結(jié)邊緣的非平衡

5、“少子”電子，在電場力作用下，幾乎全部漂移過集電結(jié)，到達集電區(qū)，形成集電極電流。同時，集電區(qū)“少子”空穴和基區(qū)本身的“少子”電子，也要向?qū)Ψ阶銎七\動，形成反向飽和電流。的數(shù)值很小，一般可忽略。但由于是由“少子”形成的電流，稱為集電結(jié)反向飽和電流，方向與一致，該電流與外加電壓關(guān)系不大，但受溫度影響很大，易使三極管工作不穩(wěn)定，所以在制造管子時應(yīng)設(shè)法減少。圖3-3是將三極管連接成共發(fā)射極組態(tài)是內(nèi)部載流子運動的示意圖，由圖可得 (3-1) (3-2) (3-3)將式(3-2)、(3-3)代入(3-1)中，有 (3-4)即發(fā)射極的電流等于基極電流與集電極電流之和。 綜上所述，三極管在發(fā)射結(jié)正偏電壓、集

6、電結(jié)反偏電壓的作用下，形成、和，其中和主要由發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子從發(fā)射區(qū)運動到集電區(qū)而形成，主要是電子和空穴在基區(qū)復(fù)合形成的電流?？梢娙龢O管內(nèi)部電流由兩種載流子共同參與導(dǎo)電而形成，因此稱之為“雙極型三極管”。3. 三極管的電流分配關(guān)系 三極管有三個電極，可視為一個二端口網(wǎng)絡(luò)，其中兩個電極構(gòu)成輸入端口、兩個電極構(gòu)成輸出端口，輸入、輸出端口公用某一個電極。根據(jù)公共電極的不同，三極管組成的放大電路有3種連接方式，通常稱為放大電路的三種組態(tài)，即共基極、共發(fā)射極和共集電極電路組態(tài)，如圖3-4所示。無論是哪種連接方式，要使三極管有放大作用，都必須保證發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，則三極管內(nèi)部載流子的運動和分配過程

7、，以及各電極的電流將不隨連接方式的變化而變化。根據(jù)圖3-4中晶體三極管的三種組態(tài)，可分別用三個電流放大系數(shù)來表示它們之間的關(guān)系。 共基極直流電流放大系數(shù) 將集電極電流與發(fā)射極電流之比稱為共基極直流電流放大系數(shù)，即 (3-5)的值小于1但接近1，一般為，即意味著。晶體三極管的基區(qū)越薄，摻雜濃度越低，發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子復(fù)合的機會就越少，的值就1越接近1。 由3-4式和3-5式可得 (3-6) (3-7)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 將集電極電流與基極電流之比稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，即 (3-8) 的值遠大于1，一般在10100左右，說明。此值表征了三極管對直流電流的放大能力。它也表示了基極電

8、流對集電極電流的控制能力，就是以小的(A)，控制大的(mA)。所以三極管是一個電流控制器件，利用這一性質(zhì)可以實現(xiàn)放大作用.由式(3-4)和(3-8)可得 (3-9) (3-10)共集電極直流電流放大系數(shù)將發(fā)射極電流與基極電流之比稱為共集電極直流電流放大系數(shù)，即 (3-11) 由于，故的值也遠大于1。由3-4式和3-11式可得 (3-12) (3-13)由此可得出、和的三者關(guān)系為 (3-14) (3-15) (3-16)若考慮的影響，則由圖3-4可得 (3-17) (3-18)實際上值應(yīng)為和之比，即 (3-19)綜合3-17式、3-18式和3-19式可得令，則 (3-20)稱為三極管的反向穿透電

9、流，它在數(shù)值上等于的倍。在溫度變化時，對的影響較大，必要時須考慮的影響。在常溫情況下，工程計算一般忽略。 三極管的放大作用在實際應(yīng)用中利用三極管放大電路放大微弱信號，其原理電路如圖3-5a所示，實際電路中常取，于是有圖3-5b所示習(xí)慣畫法的共射極放大電路圖。其中輸入電壓為微弱變化的電壓信號，它引起三極管基極電流的變化。若輸入交流電壓變化量為，使變化，使集電極電流變化，其中稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)(其數(shù)值和共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)接近，即在幾十至上百倍之間)，則在集電極電阻兩端產(chǎn)生的交流電壓為，于是該放大器的電壓放大系數(shù)?？梢?，輸入一個微弱的基極電壓，便可在兩端得到“放大”了的輸出電壓。如果

10、各電阻選擇的合適，則可得到放大的電壓和相應(yīng)的功率，這就是三極管的放大原理。需要指出的是，放大電路實質(zhì)上是放大器件的控制作用，三極管就是一個電流控制電流器件，由微弱的基極電流，控制較大的集電極電流，放大作用是針對變化量而言的，放大的能量是由直流電源供給。三極管的特性曲線及主要參數(shù).1三極管的特性曲線晶體三極管的特性曲線是指其各電極間電壓和電流之間的關(guān)系曲線，包括輸入特性曲線和輸出特性曲線，它們是三極管內(nèi)部特性的外部表現(xiàn)，是分析放大電路的重要依據(jù)。這兩組曲線可通過晶體管特性圖示儀測得，也可通過實驗的方法得到。圖3-6所示是以共發(fā)射極放大電路為例的三極管特性測試電路示意圖。1. 輸入特性曲線對于圖3

11、-6所示測試電路，輸入特性曲線是指在集射極電壓為一定值時，輸入基極電流與輸入基射極電壓之間的關(guān)系曲線，即 (3-21) 圖3-7a是NPN型硅晶體三極管的輸入特性曲線。實際上輸入特性曲線和二極管的正向伏安特性曲線很相似，也是存在死區(qū)電壓。當小于死區(qū)電壓時，三極管截止，。一般硅晶體三極管的死區(qū)電壓典型值為，鍺晶體三極管的死區(qū)電壓典型值為。當大于死區(qū)電壓時，基極電流隨著的增加迅速增大，此時三極管導(dǎo)通。在圖中只給出兩條曲線：V和，并且的輸入特性曲線右移了一段距離。這是由于在時，集電結(jié)處于正向偏置，集電區(qū)沒有收集電子的能力或很弱，此時發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子在基區(qū)復(fù)合的多，后，集電結(jié)處于反向偏置，集電區(qū)收集電

12、子的能力增強，更多的發(fā)射區(qū)電子被“收集”到集電區(qū)，因此在相同的的情況下，基極電流較小。此外以后，只要一定，發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)目就一定，這時已足以把這些電子的大部分收集到集電區(qū)，再增大基極電流也不再隨之明顯變化， 以后的輸入特性曲線時重合的。實際放大電路中大都滿足，因此，三極管的輸入特性曲線都是指這條曲線。三極管導(dǎo)通后，發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓和二極管基本一致，工程計算典型值一般硅管取，鍺管取。2. 輸出特性對于圖3-6所示共發(fā)射極放大電路，三極管輸出特性是指當為定值時，集電極電流與集射極之間電壓的關(guān)系曲線，即 (3-22) 不同的基極電流對應(yīng)的曲線不同，因此，三極管的輸出特性實際上是一族曲線，圖

13、3-7b即為典型的NPN硅三極管的輸出特性。一般將輸出特性分成三個區(qū)：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)(1) 放大區(qū)三極管工作在放大區(qū)時，其發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，集電極電流基本不隨而變，故具有恒流特性，利用這個特點，晶體三極管在集成電路中，廣泛被用作恒流源和有源負載。在放大區(qū)滿足關(guān)系，因而放大區(qū)也稱為線性區(qū)。（2）飽和區(qū)三極管工作在飽和區(qū)時，此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。三極管進入飽和區(qū)后，此時下降，很小，估算小功率三極管電路時，硅管典型值一般取，鍺管典型值取。在放大電路中應(yīng)避免三極管工作在飽和區(qū)。（3）截止區(qū)當發(fā)射結(jié)電壓低于死區(qū)電壓時，三極管即工作在截止區(qū)，為了使三極管可靠截

14、止，常使發(fā)射結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。所以三極管工作在截止區(qū)時，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏，很小。在輸出特性曲線上的飽和區(qū)和截止區(qū)，輸出電流和輸入電流為非線性關(guān)系，故稱飽和區(qū)和截止區(qū)為非線性區(qū)。當三極管處于放大電路時，應(yīng)避免進入非線性區(qū)。例3-1 某人在檢修一臺電子設(shè)備時，由于三極管上標號不清，于是利用測量三極管各電極電位的方法判斷管子的電極、類型及材料，測得三個電極對地的電位分別為VA6V，VB，VC，試判斷出三個管腳的電極、管子的類型和材料。解：根據(jù)所給數(shù)據(jù)初步判定管子工作在放大區(qū)，首先根據(jù)的值判斷基極和發(fā)射極，因為三極管處于放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，其V（硅管）或V（鍺管），那么另一引腳即為集電極c。

15、再根據(jù)集電極電位是最高還是最低，判斷是NPN還是PNP。由題意可知， V，故A為集電極，且電壓最低，為PNP管。而PNP管在放大電路中UC <UB<UE ，故B為基極，C為發(fā)射極。由于V，為鍺管。例3-2 電路如例3-2圖所示，UBE，UCES，試計算當開關(guān)S分別處于a、b、c三個位置時，三極管分別工作在什么區(qū)域，其IB、IC及UCE分別為多少。解：當開關(guān)置于a處時，由于UBE0，故IB0，IC0，UCE 12V，三極管工作在截止區(qū)。當開關(guān)置于b處時，三極管發(fā)射結(jié)加正向電壓導(dǎo)通，UBE，則 而三極管處于臨界飽和時的集電極電流為臨界飽和時的基極電流為由于，故三極管處于飽和區(qū)，當開關(guān)置

16、于c處時，三極管發(fā)射結(jié)也加正向電壓導(dǎo)通，UBE，則故三極管處于放大狀態(tài)，其.2三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)是表示其性能和使用依據(jù)的數(shù)據(jù)，主要有以下參數(shù)：1電流放大倍數(shù)（1）直流電流放大系數(shù)對于圖3-6所示的共發(fā)射極放大電路中，在靜態(tài)時，把輸入電壓集電極直流電流和基極直流電流的比值，稱為共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)，即 (3-23)（2）交流電流放大系數(shù)在圖3-6共發(fā)射極放大電路中，當為定值時，集電極電流的變化量與基極電流變化量的比值，即，稱為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)。盡管和的意義不同，但由于管子的集射極穿透電流很小，可以忽略不計，故兩者的數(shù)值比較接近，即。在一般工程估算中，可用來替代，其數(shù)值在幾十

17、到幾百之間。2極間反向電流（1）集電極基極之間的反向飽和電流集電極基極之間的反向飽和電流是在發(fā)射極開路情況下，集電極基極之間的反向電流，其測試電路如圖3-8所示。實際上是由集電結(jié)反偏時，集電區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子漂移運動所形成的。在一定溫度下，其數(shù)值和集電結(jié)的反偏電壓無關(guān)，基本上是常數(shù)，故稱為反向飽和電流。的數(shù)值很小，但受溫度的影響大。 對于一般小功率硅管的小于1A，鍺管約為幾個微安至幾十微安。由于是集電極電流的一部分，會影響三極管的放大性能，故它是衡量晶體管溫度穩(wěn)定性的參數(shù)，其數(shù)值越小越好。（2）集電極發(fā)射極之間的穿透電流集電極發(fā)射極之間的穿透電流是在基極開路情況下，集電極到發(fā)射極的電流。其

18、測試電路如圖3-9所示，由于此電流是由集電極穿過基極到達發(fā)射極的，故稱為穿透電流。在數(shù)值上是的（1），故對晶體三極管的溫度穩(wěn)定性影響更大。小功率硅管一般在幾微安以下，而小功率鍺管的約為幾十微安以下。和都是衡量三極管的重要參數(shù)，由于的數(shù)值要比大很多，并且測量計較容易，故常把作為判斷三極管質(zhì)量的重要依據(jù)。3集電極最大允許電流當三極管的集電極電流增大到一定程度時，管子不一定損壞，而是電流放大系數(shù)值明顯下降，說明三極管的輸出特性曲線隨著集電極電流的增加而增密。通常把值下降到正常值時所對應(yīng)的集電極電流規(guī)定為集電極最大允許電流。屬于三極管的極限參數(shù)，一般情況下不允許超過此值。超過此值盡管管子不會損壞，但特

19、性會變差。一般小功率管的約為幾十毫安，大功率管可達幾安培。4集電極發(fā)射極之間反向擊穿電壓是指基極開路時，加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓，如圖3-7b所示，此時集電結(jié)是處于反向偏置，故當集電極和發(fā)射極電壓之間電壓超過時，集電結(jié)會反向擊穿，集電極電流會大幅度上升，此時導(dǎo)致三極管損壞。5集電極最大允許功率損耗集電極的功率損耗等于集電極直流電流與集電極發(fā)射極之間直流電壓的乘積，即 (3-24)由于集電極電流流過集電結(jié)會產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫升高。結(jié)溫的高低意味著管子功耗的大小。而管子的結(jié)溫是有一定限制的。所以集電極最大允許功率損耗就是集電結(jié)的結(jié)溫達到極限時的功耗。一般來說，鍺管的允許結(jié)溫約為7090，

20、硅管約為150。值得注意的是，環(huán)境的不同對集電極最大允許功率損耗的要求不同，如果環(huán)境溫度增高，則會下降。如果管子加散熱片，則可得到很大的提高。一般在環(huán)境溫度為25以下，把<1W的管子稱為小功率管，>10W的管子稱為大功率管，功率介于兩者之間的管子稱為中功率管。由集電極最大允許電流、集電極發(fā)射極之間反向擊穿電壓和集電極功率損耗圍成的一個區(qū)域，稱為三極管的安全工作區(qū)，如圖3-7b過功耗區(qū)左側(cè)所示區(qū)域。為確保晶體三極管能正常安全工作，使用時不應(yīng)超出這個區(qū)域。 例3-3 某晶體三極管的輸出特性曲線如圖3-7b所示，試求時，A、B點的和值。解：由圖中可以看出，當由40A增大到60A時，集電極

21、電流的變化量為 則管子的交流電流放大系數(shù)為 而在A的管子直流電流放大系數(shù)為 在B的管子直流電流放大系數(shù)為 由此可見3.2 三極管放大電路的基本分析方法放大電路是電子線路中應(yīng)用最廣的電路，主要任務(wù)是將微弱的電信號進行放大并驅(qū)動負載，或能用通用儀器測量。放大電路包括電壓放大器和功率放大器，如圖3-10為擴音機電路框圖。首先話筒將聲音信號轉(zhuǎn)換程微弱的電信號，一般為毫伏級，通過多級電壓放大器后，得到幅度較大輸出電壓。然后通過功率放大電路將信號放大到足夠推動負載(揚聲器)所需的功率。 放大器件通常采用晶體三極管、場效應(yīng)管、運算放大器或其它專用放大器件。三極管放大電路的三種組態(tài) 根據(jù)圖3-3晶體三極管的三

22、種組態(tài)，則由NPN型三極管構(gòu)成的放大電路也有三種組態(tài)：共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路，如圖3-11所示。對于共發(fā)射極放大電流，交流信號由基極輸入，輸出電壓取自集電極；而共集電極放大電路，交流信號也是由基極輸入，輸出電壓取自發(fā)射極，故又稱為射極輸出器；共基極放大電路的交流信號由發(fā)射極輸入，輸出電壓取自集電極。每個放大電路各有自己的特點，應(yīng)用的場合也不同。一般共射極放大電路作為多級放大電路的中間級，提供較大的電壓放大倍數(shù)；而共集電極可以作為多級放大電路的輸入級、中間級和輸出級，主要作為阻抗匹配；而共基極放大電路用在高頻電路。本章先介紹共發(fā)射極放大電路的分析方法，然后介紹共集電極

23、和共基極放大電路。共發(fā)射極放大電路的組成共發(fā)射極放大電路如圖3-12 a所示，圖3-12b是其工作波形。它由三極管T、電阻Rb和Rc、電容C1和C2以及集電極直流電源UCC組成。為信號源的端電壓，也是放大電路的輸入電壓，為放大電路的輸出電壓，為負載電阻。1放大電路組成原則為了使放大電路正常工作，其組成要滿足下面的條件（1）晶體三極管工作在放大區(qū)，要求使管子的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置；（2）由于三極管的各極電壓和電流均有直流分量(時)，也稱為靜態(tài)值或靜態(tài)工作點，而被放大的交流信號疊加在直流分量上，要使電路能不失真地放大交流信號，必須選擇合適的靜態(tài)值，可以通過選用合適的電阻Rb和Rc

24、和三極管參數(shù)來實現(xiàn)。（3）要使放大電路能不失真地放大交流信號，放大器必須有合適的交流信號通路，以保證輸入、輸出信號能有效、順利地傳輸。（4）放大電路必須滿足一定的性能指標要求。2各元器件的作用a. 三極管T：是放大電路的核心器件，其作用是利用輸入信號產(chǎn)生微弱的電流，控制集電極變化，由直流電源UCC提供并通過電阻(或帶負載時的)轉(zhuǎn)換成交流輸出電壓。b. 基極極直流電源UBB：通過為為晶體三極管發(fā)射結(jié)提供正偏置電壓；c. 基極偏置電阻：UBB通過它給三極管發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓以及合適的基極直流偏置電流，使放大電路能正常工作在放大區(qū)，因此，也稱偏置電阻。d. 集電極直流電源UCC：通過為為晶體三極

25、管的集電結(jié)提供反偏電壓，也為整個放大電路提供能量。通常UBB和UCC為同一個電源，于是，該放大電路常畫成圖3-14 a所示電路。e. 集電極負載電阻：其作用是將放大的集電極電流轉(zhuǎn)換成電壓信號。f. 耦合電容C1和C2：對于直流信號起到隔直作用，視為開路。C1是防止直流電流進入信號源，C2是防止直流電流流到負載中。而對于交流信號，起到耦合作用，對于中頻段的輸入信號，視為短路，即交流信號可以順利通過C1和C2，耦合電容一般取電容量較大的電解電容。對于NPN管和PNP管，要注意電容極性的正確連接，應(yīng)該將電容的正極連在直流電位較高的一端。3. 基本放大電路中電壓和電流的表示方法 由于放大電路中既有需要

26、放大的交流信號，又有為放大電路提供能量的直流電源，所以三極管的各極電壓和電流中都是直流分量與交流分量共存，如圖3-13所示，以為例，畫出了的組成，其中 發(fā)射結(jié)電壓的瞬時值，它即包含直流分量也包含交流分量； 發(fā)射結(jié)的直流電壓，也是中的直流分量，它是由直流電源產(chǎn)生的； 發(fā)射結(jié)的交流電壓，也是中的交流分量，它是由輸入電壓產(chǎn)生的； 發(fā)射結(jié)交流電壓的幅值； 發(fā)射結(jié)交流電壓的有效值。同理，對于基極電流、集電極電流和集射極電壓是表示它們的瞬時值，即包含直流值，也包含交流值。而、和表示直流分量，、和表示交流分量。3.2. 3共發(fā)射極放大電路的分析三極管放大電路的分析包括直流(靜態(tài))分析和交流 (動態(tài))分析，其

27、分析方法有圖解法和微變等效分析法。圖解法主要用于大信號放大器分析，微變等效分析法用于低頻小信號放大器的動態(tài)分析。.1 圖解法 當放大器在大信號條件下工作時，難以用電路分析的方法對放大器進行分析，通常采用圖解法分析。1. 直流通路和交流通路 如前所示，三極管的各極電壓和電流中都是直流分量與交流分量共存，因此，三極管放大電路中的電流通路也分為直流通路和交流通路。 當時，放大電路處于靜態(tài)，直流電路流經(jīng)的通路稱為放大電路的直流通路。通過直流通路為放大電路提供直流偏置，建立合適的靜態(tài)工作點。畫直流通路時應(yīng)令交流信號源為零(交流電壓源短路，交流電流源開路)，保留其內(nèi)阻；相關(guān)電容器開路，電感短路。當時，放大

28、電路處于動態(tài)工作狀態(tài)，交流電流流經(jīng)的通路稱為放大器的交流通路。畫交流通路時，令直流電源為零(直流電壓源短路，直流電流源開路)，保留其內(nèi)阻；令電抗很小的大容量電容和小電感短路；令電抗很大的小容量電容和大電感開路；保留電抗不可忽略的電容或電感。2靜態(tài)分析對于圖3-14a的共發(fā)射極放大電路，由于三極管T的各極間的電壓和各極電流都是交流量與直流量疊加。在時，放大電路只有直流電源作用，放大電路的這種狀態(tài)稱為靜態(tài)，對直流通路的分析稱為靜態(tài)分析。由于三極管是非線性組件，所以可用作圖的方法求得Q點的值。其步驟為：（1）給定晶體三極管的輸入特性和輸出特性，由放大電路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在輸入特性

29、上作出這條直線。根據(jù)圖3-14b由KVL得 則 這是一條直線，令UBE0，求得，在縱軸上得到一點A，如圖3-15a所示；令I(lǐng)B0，求得UBEUCC，則在橫軸上得到一點B（B點未畫出）。連接AB兩點，與晶體管輸入特性相交于Q點，求得對應(yīng)的IB和UBE。（2）由直流通路得到直流負載線IC f（UCE），并在晶體管的輸出特性上作出這條直線。根據(jù)圖3-14b由KVL得 (3-25)則 式(3-25)表示一條直線，令UCE0，求得，與縱軸相交于M點；令I(lǐng)C0，求得UCEUCC，則在橫軸上得到N點。連接M、N兩點，與三極管輸出特性相交于多點，其中與IB對應(yīng)的點就是所求放大電路的靜態(tài)工作點Q(IB ,UCE

30、，IC)，如圖3-15b所示，則可求得相應(yīng)的IC和UCE的值。這條直線的斜率為，故稱為直流負載線。由圖3-15b可以看出，IB的大小不同，Q點在直流負載線上的位置也不同，也就是說基極電流IB決定了靜態(tài)工作點Q的位置，故IB稱為偏置電流。而IB的改變是通過Rb實現(xiàn)的，故Rb稱為偏置電阻。當Rb增大時，IB減小，靜態(tài)工作點下移，如圖3-15b中的Q1。當Rb減小時，IB增大，靜態(tài)工作點上移，如圖3-15b中的Q2，通常是在Rb支路中串入一可調(diào)電阻，以便調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點在合適的位置。2動態(tài)分析在的情況下對放大電路進行分析，稱為放大電路的動態(tài)分析。（1）交流通路及交流負載線只考慮交流信號通過放大電路時的

31、等效電路稱為放大電路交流通路。畫放大器的交流通路時，令直流電源為零，令耦合電容C1和C2、交流旁路電容和濾波電容(如果有)交流短路。圖3-14a所示的放大電路的交流通路如圖3-16所示。從圖中可以看出，輸入交流信號和三極管的發(fā)射結(jié)電壓的交流分量相等，三極管集射級電壓的交流分量和輸出電壓相等，即 , ，該放大電路輸出回路的瞬時電流為輸出回路的瞬時電壓為 于是有 (3-26) 式中。上式表明集電極電流的瞬時值與集射極回路瞬時電壓以及之間的關(guān)系。利用式(3-26)表示的交流負載線方程，可以在三極管輸出特性坐標系中畫出輸出回路的交流負載線。具體做法如下： 從式(3-26)可以看到，當時，這表明交流負載

32、線一定通過靜態(tài)工作點Q；利用求截距的方法，令，可得到，可在軸上得到D點，D點的坐標為(0，)，連接Q、D兩點并延長到M點的直線即為輸出回路的交流負載線，其斜率為而不是，如圖3-17所示。應(yīng)該指出，當RL，即負載開路情況下，交直流負載線重合。（2）由輸入電壓求得基極電流 設(shè)V，當它加到圖3-18a的放大電路時，三極管發(fā)射結(jié)電壓是在直流電壓的基礎(chǔ)上疊加了一個交流量。根據(jù)放大電路的交流通路可知，此時發(fā)射結(jié)的電壓的波形如圖3-18所示。由的波形和三極管的輸入特性可以作出基極電流的波形，如圖3-18所示。輸入電壓的變化將產(chǎn)生基極電流的交流分量，由于輸入電壓幅度很小，其動態(tài)變化范圍小，在段可以看成是線性的

33、，基極電流的交流分量也是按正弦規(guī)律變化的，即 。（3）由求得和當三極管工作在放大區(qū)時，集電極電流，基極電流的交流分量在直流分量基礎(chǔ)上按正弦規(guī)律變化時，集電極電流的交流分量也是在直流分量的基礎(chǔ)上按正弦規(guī)律變化。由于集射極電的交流分量為，也會在直流分量的基礎(chǔ)上按正弦規(guī)律變化。很顯然動態(tài)工作點將在交流負載線上的Q1和Q2之間移動，根據(jù)動態(tài)工作點移動的軌跡可畫出和的波形，如圖3-18所示。由圖中可以看到集電極電流和集射極電壓的交流分量為a. 晶體三極管各極間的電壓和電流均為直流和交流的分量，即 b. 交流信號的傳遞過程由上面的分析可以得出輸入交流信號的傳遞過程為（）c. 輸入電壓和輸出電壓是反相位的，

34、即。d. 電壓放大倍數(shù)的計算放大電路的電壓放大倍數(shù)等于輸出電壓相量與輸入電壓相量的比值，即 則由圖3-21和3-22可得故通過作圖的方法得到放大電路的電壓放大倍數(shù)的模。（4）非線性失真 若放大電路的輸出電壓波形和輸入波形形狀不同，則放大電路產(chǎn)生了失真。如果放大電路的靜態(tài)工作點設(shè)置得不合適（偏低或偏高），出現(xiàn)了在正弦輸入信號作用下，靜態(tài)三極管進入截止區(qū)或飽和區(qū)，使得輸出電壓不是正弦波，這種失真稱為非線性失真。它包括飽和失真和截止失真兩種。a. 飽和失真當放大器輸入信號幅度足夠大時，若靜態(tài)工作點Q偏高到Q1處， 不失真，但和（）失真，的正半周削頂，而（）的負半周削頂，如圖3-19中波形(1)所示，

35、這種失真為飽和失真。為了消除飽和失真，對于圖3-14a所示共發(fā)射極放大電路，應(yīng)該增大電阻Rb，使IB減小，從而使靜態(tài)工作點下移放大區(qū)域中心。b. 截止失真當放大器輸入信號幅度足夠大時，若靜態(tài)工作點Q偏低到Q 2處， 、 和（）都失真，、 的負半周削頂，而（）的正半周削頂，如圖3-19中波形(2)所示，這種失真為截止失真。為了消除截止失真，對于圖3-14a所示共發(fā)射極放大電路，應(yīng)該減小電阻Rb，使IB增大，從而使靜態(tài)工作點上移到放大區(qū)域中心。c. 雙向失真當靜態(tài)工作點合適但輸入信號幅度過大時，在輸入信號的正半周三極管會進入飽和區(qū)；而在負半周，三極管進入截止區(qū)，于是在輸入信號的一個周期內(nèi)，輸出波形

36、正負半周都被切削，輸出電壓波形近似梯形波，這種情況為雙向失真。為了消除雙向失真，應(yīng)減小輸入信號的幅度。5輸出電壓不失真的最大幅度通常所指放大器的動態(tài)范圍是指不失真時，輸出電壓的峰峰值。由圖3-18可知，當靜態(tài)工作點合適時，若忽略晶體管的，那么為使輸出不產(chǎn)生截止失真，應(yīng)滿足；而為了使輸出不產(chǎn)生飽和失真，應(yīng)滿足。由于三極管飽和電壓UCES很小，故可以忽略其影響，有，則輸出電壓不失真最大幅度的取值為。例3-4 在圖3-14a所示得共發(fā)射極放大電路中，已知UCC12V，Rb240k，Rc3k，40，UBE，其三極管的輸出特性如例3-4圖所示，（1）用圖解法確定靜態(tài)工作點，并求IB、IC和UCE的值；（

37、2）若使UCE3V，試計算Rb的大小。（3）若使IC，Rb又應(yīng)該多大？解：（1）由圖3-16（b）的直流通路可得直流負載線為當UCE0時，IC4mA；當IC0時，UCE12V，在圖3-18的輸出特性上作出這條直線。 再由直流通路得 故直流負載線與IB50A對應(yīng)的那條輸出特性的交點即為靜態(tài)工作點Q，如例3-4圖所示。由圖得IC2mA，UCE6V。（2）當UCE3V時，則由直流通路可得集電極電流為那么基極電流為故 可采用和標稱電阻串聯(lián)。（3）若使IC，則故 .2 微變等效電路法三極管是一個非線性器件，由三極管組成的放大電路屬于非線性電路，不能簡單地直接采用線性電路的分析方法進行分析。由圖3-18可

38、見，當輸入交流信號時，工作點在之間移動，若該信號為低頻小信號，則將在三極管特性曲線的線性范圍內(nèi)移動，因此可將三極管視為一個線性二端口網(wǎng)絡(luò)，并采用線性網(wǎng)絡(luò)的H參數(shù)表示三極管輸入、輸出電流和電壓的關(guān)系，從而把包含三極管的非線性電路變成線性電路，然后采用線性電路的分析方法分析三極管放大電路。這種方法稱為H參數(shù)等效電路分析法，又稱為微變等效電路分析法。微變等效電路法的分析步驟是：1）認識電路。包括電路中各元器件的作用、放大器的組態(tài)和直流偏置電路等，這是電子線路讀圖的基礎(chǔ)；2）正確畫出放大器的交流、直流通路圖；3）在直流通路的基礎(chǔ)上，求靜態(tài)工作點；4) 在交流通路圖的基礎(chǔ)上，畫出小信號等效（如H參數(shù)）電

39、路圖；5）根據(jù)定義計算電路的動態(tài)性能參數(shù)，其中關(guān)鍵在于用電路中的已知量表示待求量。1估算法計算靜態(tài)值 如前所述，在時，放大電路只有直流電源作用，電容相當于開路，放大電路的這種狀態(tài)稱為靜態(tài)，對應(yīng)的電路稱為直流通路，對直流通路的分析稱為靜態(tài)分析。 靜態(tài)工作點的IB、IC及UCE值可以用上述圖解法求得，但圖解法畫圖比較麻煩，誤差較大，而且需要測量出三極管的輸出和輸入特性，在此，介紹常用的估算法。為了方便，將圖3-15重繪于圖3-20。由圖3-20b的直流通路可得 由上式可見，當UCC和Rb選定后，IB的值就近似為一定值，由于IB被稱為直流偏置電流，故圖3-20a的放大電路也稱為固定偏置放大電路。根據(jù)

40、三極管的電流分配原則，放大電路的集電極電流為 (3-27)集射極之間的電壓為 (3-28)例3-5 在圖3-20a所示得共發(fā)射極放大電路中，已知UCC12V，Rb370k，RC2k，100，UBE0.7V ，試由直流通路求出電路得靜態(tài)工作點。解：由圖3-20b的直流通路得 例3-6 如例3-6圖所示放大電路中，已知UCC12V，Rc2k，RL2k，Rb1180k，電位器RP2M，三極管的40，UBE。調(diào)節(jié)到0時，求靜態(tài)工作點的值，并判定三極管工作在什么區(qū)域？當調(diào)到最大時，靜態(tài)工作點的值，并判定三極管工作在什么區(qū)域？若6V，問應(yīng)調(diào)到最大？ 解：當RP調(diào)到0時，RbRb1180k，則基極電流為 臨

41、界飽和時集電極電流為 臨界飽和時基極電流為 由于，故管子處于放大區(qū)，集電極電流為 可見，三極管工作于放大區(qū)。當RP調(diào)到最大時，RbRb1Rk，則基極電流為 集電極電流為 故管子已接近截止區(qū)。若6V，則集電極電流為 基極電流為 偏置電阻為 ，此時，。例3-7 對于例3-6a圖所示放大電路，若6V，IC3mA，求輸出不失真最大電壓幅度。解：若使輸出不產(chǎn)生截止失真，由圖3-20可知若使輸出不產(chǎn)生飽和失真，則 故此時輸出電壓不失真的最大幅度為3V。2動態(tài)分析1）. 三極管的H參數(shù)等效模型如圖3-21a所示，將三極管視為二端口網(wǎng)絡(luò)，當且為低頻小信號時，對于輸入端ube和ib的關(guān)

42、系，描述了三極管的輸入特性；而對于輸出端ic和uce，則描述了三極管的輸出特性，用函數(shù)表示為 (3-30)對上述方程取全微分得 (3-31)其中和為電壓增量，和為電流增量。在輸入信號為低頻小信號的情況下，可以用交流分量代替相應(yīng)的電流和電壓增量，則式(3-31)可改寫為 (3-32) 根據(jù)（3-32）方程組可畫出圖321b的等效電路，稱為三極管的H參數(shù)等效電路，又叫微變等效電路。其中為晶體管輸出端交流短路時晶體管的輸入電阻，單位為歐姆（）； 為晶體管輸入端交流開路時反向電壓傳輸比，無量綱，它表示晶體管輸出的集射極電壓uce對輸入發(fā)射結(jié)電壓ube的控制作用；為晶體管輸出端交流短路時電流放大系數(shù)，無

43、量綱，它也表示晶體管輸入的基極電流ib對集電極電流ic的控制作用；為晶體管輸入端交流開路時的輸出導(dǎo)納，其單位為西門子（S）。式（3-32）方程組也可寫成矩陣形式，即 (3-33) (3-34)式 (3-33) 、(3-34) 中，、和稱為混合（Hybrid）參數(shù)，也稱為H參數(shù)。由于H參數(shù)是三極管在低頻小信號條件下的交流等效參數(shù)，放大電路分析過程中，常用代替hie，其數(shù)量級為103；用r代替hre，其數(shù)量級為，數(shù)值很小可忽略；用代替hfe，其數(shù)量級為102；用1/rce代替hoe，其數(shù)量級為105S，可忽略其影響，則圖3-21a所示三極管的微變等效電路可簡化成圖3-21c所示。三極管的參數(shù)可利用

44、晶體管特性圖示儀測得， 也可利用下面公式進行估算： (3-35)其中¢為基區(qū)體電阻，一般為（20300），UT為絕對溫度下的電壓當量，一般取26mV，IE為放大電路靜態(tài)時發(fā)射極電流，因此，對于小功率三極管，通常用以下經(jīng)驗值公式進行估算。 (3-36)值得注意的是，是三極管的交流參數(shù)，但它的值與靜態(tài)工作點和溫度等參數(shù)有關(guān)。2. 放大電路的微變等效電路 在畫放大電路的微變等效電路時，首先令圖3-20a所示放大電路中的耦合電容、交流旁路電容交流短路，令其直流電壓源交流接地，得到如圖3-22a所示放大器的交流通路，然后將三極管用圖3-21c所示的H參數(shù)等效電路來代替三極管符號，即可得到如圖3

45、-22b所示放大電路的微變等效電路。由于被放大的交流輸入信號ui為正弦量，若已選擇了合適的靜態(tài)工作點，則三極管工作在線性區(qū)域，各電極交流電壓和電流均為同頻率的正弦信號，且用相量表示。 3放大電路動態(tài)性能參數(shù)的計算（1）電壓放大倍數(shù)（電壓增益） 放大電路的電壓放大倍數(shù)為輸出電壓和輸入電壓的比值，即 (3-37)用電路中的已知量表示待求量和，即可求得。由圖3-22b圖可得輸出電壓為 ()輸入電壓為 故電壓放大倍數(shù)為 (3-38)上式中的負號表明共發(fā)射極放大電路的輸出電壓uo和輸入電壓ui相位相反。其電壓放大倍數(shù)的模為當負載開路，即RL時，放大倍數(shù)為。接入負載RL后，電壓放大倍數(shù)也隨RL變化。此外，

46、電壓放大倍數(shù)的大小也與三極管的電流放大系數(shù)值、輸入電阻rbe有關(guān)。越大，rbe越小，則電壓放大倍數(shù)越高。由式(3-36)可知，若使rbe減小，則要增加靜態(tài)發(fā)射極電流IE。和IE的增大，會使管子進入到飽和區(qū)，反而使電壓放大倍數(shù)降低，所以在提高放大電路的電壓放大倍數(shù)時，要綜合考慮上面的因素。（2）輸入電阻Ri和輸出電阻Ro 在圖3-22b所示的電路中，放大電路相對于信號源而言相當于負載，可用電阻Ri代替，即放大電路的輸入電阻。放大電路相對于負載而言相當于信號源，可用戴維南(或若頓)定理等效為電壓源和內(nèi)阻串聯(lián)(或電流源和內(nèi)阻并聯(lián))的形式，其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻。如圖1-8所示。則由圖3-22b

47、可知，放大器的輸入電阻為 (3-39) 由于微變等效電路中存在受控電源，輸出電阻的求法應(yīng)采用外加電壓法。即圖3-22b所示電路中中令負載開路（）和信號源為零（，保留內(nèi)阻）情況下，在輸出端外加一電壓，產(chǎn)生電流 ，則可得輸出電阻為 (3-40) 對于一個放大電路來說，輸入電阻越高越好，輸出電阻越低越好。因為輸入電阻越高，一是減小信號源的負擔，放大電路從信號源取用電流??；二是減少信號源內(nèi)阻對放大電路的影響，使得信號源電壓在內(nèi)阻上的損耗減少；第三，若作為多級放大電路的后級，后一級的輸入電阻大，對前級的放大倍數(shù)影響小。而輸出電阻低意味著負載變動時，輸出電壓變化較小，即帶負載能力較強。共發(fā)射極放大電路的輸

48、入電阻()較低；而集電極負載電阻Rc為幾千歐的電阻，故輸出電阻比較高。一般共發(fā)射放大電路用在多級放大電路的中間級。例3-8 在例3-8圖所示放大電路中，已知Rb200k，Rc2k，RL8k， UCC12V，50，試近似估算靜態(tài)工作點；求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻；若負載開路，求電壓放大倍數(shù)；若Rs50和Rs500，RL8k，求。解：由直流通路可得 晶體管的輸入電阻為根據(jù)圖3-22b所示的微變等效電路，可得 若負載開路，則 由此可見，放大電路接上負載電阻RL后，電壓放大倍數(shù)要下降。而在實際應(yīng)用中盡可能使放大倍數(shù)穩(wěn)定，故應(yīng)采取一定措施。 當Rs50 ，RL8 k時， 若Rs500 ，RL8

49、k，則稱為源電壓放大倍數(shù)。由上述計算可見，信號內(nèi)阻的存在將使源電壓放大倍數(shù)下降，而且輸入電阻越小，源電壓放大倍數(shù)下降的越多。因此，當信號源為電壓源時，要求電壓源內(nèi)阻(或電流源內(nèi)電導(dǎo))盡量小。放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定溫度對放大電路靜態(tài)工作點的影響對于圖3-14a所示的共發(fā)射極放大電路，電路的優(yōu)點是電路組件少，電路簡單，易于調(diào)整。但由于，當電源電壓和偏置電阻確定后，基極電流就為某一常數(shù)。因此，當環(huán)境溫度變化、電源電壓波動或組件參數(shù)變化時，靜態(tài)工作點將不穩(wěn)定，尤其是溫度變化引起Q點漂移。這是由于晶體三極管的一些參數(shù)如集射極反向穿透電流ICEO、電流放大系數(shù)和發(fā)射結(jié)電壓UBE都會隨著環(huán)境穩(wěn)定變化而變化，使靜態(tài)工作點隨之漂移，放大電路就可能進入非線性區(qū)，產(chǎn)生非線性失真。溫度對晶體管參數(shù)的影響最終表現(xiàn)為使集電極電流增大。溫度升高時，使集射極反向穿透電流ICEO增大，晶體管的輸出特性曲線上移，如圖3-23所示。常溫下，靜態(tài)工作點為Q點，負載開路情況下，交直流負載線重合。若環(huán)境溫度升高，使得ICEO增大，工作點電流從增加到，工作點電壓從減小到，晶體管輸出特性曲線為虛線部分，則靜態(tài)工作點移動到點移到了，則動態(tài)范圍由原來的變化到，從圖3-23中