模電-模電課件第四章

晶體三極共射極放大電路分其他類型放大電路分多級放大電路分晶體三極晶體管的結構和類4.1.24.1.2的電流放大4.1.3放大電路的三種類4.1.44.1.4的共射特性4.1.5的主要參4.1.1晶體管的結構和類雙極型半導體三極管的結構示意圖如圖0116所示一側稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)另一側稱為集電區(qū)和集電極用E或e表示 用C或c表示e-間的PN結稱為發(fā)射 PN結稱為集電結中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極用B或b表示01.16兩種極性的雙極型三極 圖01.17幾種半導體三極管的外3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅常用的半導體材料有硅和鍺,因此共有四種三極管類型。它們對應的型號分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺晶體管的電流放大作載流子的傳輸過 條1、發(fā)射區(qū)高摻雜，多子濃度遠遠高于基區(qū)2、基區(qū)極薄，且低摻雜3、集電結的面積比發(fā)射結外部條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏NPN管：UCUBUEPNP管：UCUB載流子的運發(fā)射收集現(xiàn)以NPN型三極管明三極管的電流關4.1。

4.1雙極型三極管的電流擴散，形成的電流為IEN擴相同濃度遠大于基區(qū)的摻雜濃電極所收集，形被復合的電子形成的電圖4.1IBN型三極管的IE=IEN+ 且有+ 且有IEN>> + IB=IEP+ IE由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度電流分配關對于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間關系可以用系數(shù)來說明。通常定義ICN/IE稱為共基直流電流放大系數(shù)。它表示最后達到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE比值。ICN與IE相比，因ICN中沒有IEP和IBN，以的值小于1但接近1。由此可得+ICBO=

IE+ICBO=

IC

IB1

1定義

=IC/IB=(ICN+ICBO稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于ICIB

(IB1

ICBO)1 IB(IB)1 IB 1因≈1, 所以晶體管放大電路的三種類以作為輸入,兩個可以作為輸出，這樣必然共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示;共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。11

圖4.2基極電方向偏置，以保證晶體管工作于放極電源大狀態(tài)，并與集電極電阻共同確定

管是放大電路的，處于放大工作狀

時，能將輸入電流的Ｃ１將信號源與放大電 ，Ｃ２將放大電路與輸出，不影響交流信號的傳輸（２）電路的設計應保證信號能有效地傳輸，即ui時，應有uo輸出4.1.4本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線4.1.4輸入特性曲線iB=f(vBE)輸出特性曲線iC=f(vCE)iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在BE兩電極iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、

兩電極圖4.3輸入特性曲線類似于發(fā)射結的伏安特性曲線，現(xiàn)討論和v之間的函數(shù)關系。因為有集電結電壓的影響，它與一個單獨的N結的伏安特性曲線不同。為了排除v的影響，在討論輸入特性曲線時，應使vCE=const常數(shù))。 解釋，即vCE對iB的影響。共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖4.4。其中uCE=0V那一條相當于發(fā)射結的正向特性曲線當uE≥1時，uuE-uBE0，集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復合減少，ICIB增大，在同樣的uBE之下，i將減小，特性曲線將向右稍微移動一些。但E再增加時，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三管反饋所致，右移不明顯說明反饋很①死②非線性③線性圖4.4共射接法輸入特性曲B

當vCE=0V時，因集電極無收集作用，iC=0。當vCE稍增大，之下，但集電結反偏壓很小，vCE<1vCB=vCE-vBE=<0.7圖4.5共發(fā)射極接法輸出特性曲當vCE增加到使集vCE≥1 vBE≥0.7行的區(qū)域(這與輸入特的原因是一致的)圖4.6共發(fā)射極接法輸出特性曲輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域飽和區(qū)——iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內vCE數(shù)值較小，一般vCE＜0.7V(硅管)。此發(fā)射結正偏，集電結正偏或反偏電壓很小截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的此時，發(fā)射結反偏，集電結反偏曲線基本平行等時，發(fā)射結正偏，集電結反偏，電壓大0.7V左右(硅管截止一般將ＩＢ≤０的區(qū)域稱為截止區(qū),在圖中為ＩＢ＝０的一條曲線的以下部分。此時ＩＣ也近似為零。由于各極電流都基本上等于零因而此時三極管沒有放大作用。其實ＩＢ＝０時,ＩＣ并不等于零,而是等于電流ICEO。一般硅三極管的電流小于１μA,在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的電流約幾十至幾百微安。當發(fā)射結反向偏置時,發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子,則三極管處于截止狀態(tài)。所以,在截止區(qū),三極管的兩個結均對ＮＰＮ三極管,ＵＢＥ＜０,ＵBC＜放大此時發(fā)射結正向運用,曲線上是比較平坦的部分,表示當ＩＢ一定時,ＩＣ的值基本上不隨在這個區(qū)域內,當基極電流發(fā)生微小的變化量ΔＩＢ時,相應的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量ΔＩＣ此時二者的關系為ΔＩＣ＝ΔＩＢ該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用,,ＵＢＣ＜０飽和曲線靠近縱軸附近,各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽和區(qū),不同ＩＢ值的各條特性曲線幾乎在一起,即當ＵＣＥ較小時,管子的集電極電流ＩＣ基本上不隨基極電流ＩＢ而變化,這種現(xiàn)象稱為飽和。此時三極管失去了放大作用,ＩＣ＝βＩＢ或ΔＩＣ＝βΔＩＢ關系不成立。一般認為ＵCE＝ＵBE,即ＵCB＝０時,三極管處于臨界飽和狀態(tài),當ＵCE＜ＵBE時稱為過飽和。三極管飽和時的管壓降用ＵCES表示。在深度飽和時,小功率管管壓降通常小于０.３V三極管工作在飽和區(qū)時,發(fā)射結和集電結都處于正向偏狀態(tài)。對NPN三極管,ＵＢＥ＞０,ＵＢＣ4.1.5極限參直流參①直流電流放大共發(fā)射極直流電流放大系 =（IC－ICEO）/IB≈IC/IB在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特曲線上通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來取ICIB，如圖4.7所示。在IC較小時和IC較會有所減小，這一關系見圖4.84.7上決定

圖

值與IC共基極直流電流放大系數(shù)

之間有如下關系=IC/IE=

極電②極電1 集

圖4.9ICEO在輸出特性曲線上的位 電ICEO和ICBO有如下關電

交流參①交流電流放大共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)在放大區(qū)值基本不變，可在共射接法輸出X軸的直線求取IC/IB。一點的斜率得到具體方法如圖4.10圖4.10在輸出特性曲線上求共基極交流電流放大系數(shù)α=IC/IE當ICBO和ICEO很小時≈、≈，可以不加區(qū)分②特征頻率三極管的值不僅與工作電流有關，而工作頻率有關。由于結電容的影響，當信號頻率增加時，三極管的將會下降。1應的頻率稱為特征頻率，用fT表示。極限參①集電極最大允許電流如圖4.就要下降，當00％時，所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流IM。至于值下降多少，不同型號的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別可見，當IC＞ICM時并不表示三極管會損壞圖

值與IC的關②集電極最大允許功率損耗②集電極最大允許功率損耗集電極電流通過集電結時所產(chǎn)生的功耗PCM=滿足iCuCE<PCM的關系，是安全的③反向擊穿電反向擊穿電壓表示三極管電極間承受反向壓的能力，其測試時的原理電路如圖4.12所示圖4.12三極管擊穿電壓的測試電開下 代 代2.U(BR)EBO——集電極開路時發(fā)射結的擊穿電BE間接有電阻，U(BR)CES表BE間是短路的幾個擊穿電壓在大小上有如下關系U(BR)CBO≈U(BR)CES＞U(BR)CER＞U(BR)CEO＞U(UBR)由PCMICM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)，見圖4.13圖4.13輸出特性曲線上的過損耗區(qū)和擊穿共射極放大電路分直流通路和交流通圖解微變等效電靜態(tài)工作點穩(wěn)定的共射放大電放大電路的頻率響共射極放大電路分基本分析方法兩在承認放大器件特性曲線為非線的前提下實質是在一個比較小的變圖解

用作圖的范圍內，近似認為三極管特性曲線是線性，由此導微變等效電路

放大器件的等效電路以及應的微變等效參數(shù)，將非放大電路的分析主要包含兩個部分性的問題轉化為線性問題直流電壓和直流電流。即確定點。種定律、直流通路與交流通圖 圖 圖當輸入信號為零時，電路只有直流電直流通路：電容視為開路，電感視為短考慮信號的放大時，就考慮交流通路交流通路：電容視為短路，電感視為開路，直流電源在交流通路中按短路處理。靜態(tài)工作點的近似計當外加輸入信號為零時，在直流電源VCC的作三極管的基極回路和集電極回路均存在直流電流和直電壓，這些直流電流和電壓在三極管的輸入、輸出特性管IBQ、ICQUBEQ和UCEQ這些量代表的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)管 VCCUB

RBQRbUBEQ(0.6~0.8)UBEQ(0.1~0.2)ICQ UCEQ=VCC–ICQ

b 【例】圖示單管共射放大電路中，VCC12Rc=3k，Rb=280k，NPN硅管=50，試估算靜解：UBEQ0.7 BQ

U(120.7)mA

ICQ=(500.04)mA=2

UCEQ=VCC–ICQRc=(1223)V=6圖解在三極管的輸入、輸出特性曲線上直接用作圖的法求解放大電路的工作情圖解法既可分析放大電路的靜態(tài)，也可分析動態(tài)。分析的過程先靜態(tài)后動態(tài)。靜態(tài)分先用估算的方法計算輸入回路IBQ、UBEQ用圖解法確定輸出回路靜態(tài)方法：uCEVCCiCRc式確定兩個特殊當當iC0時，uCE當0時，C輸出回

iC

輸出特

由靜態(tài)工作點Q由靜態(tài)工作點Q確定的ICQ、UCEQ為靜態(tài)值。直流負載用【例】圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知Rb=280k，Rc=3kNPN硅管=50，集電極直流電VCC=12V，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。解：首先估算IBQ

VCCUB(120.7)mA

做直流負載線，確QUCEQ=VCCICQiC=0，uCE=12VuCE=0，iC=4mA

圖8060靜8060靜態(tài)工作40Q20MiB4321

0uCEQ點確定靜態(tài)值為IBQ=40μA，ICQ=2mA，UCEQ=6動態(tài)分分析放大電路的動態(tài)工作情況應該根據(jù)它的交流通路交流通路的輸出回輸出通路的外電路Rc和RL的并聯(lián)交流負載交流負載線具有如下兩個特點交流負載線必通過靜態(tài)工作點,因為當輸入信號ui的瞬時值為零時如忽略電容C1和C2的影響則電另一特點是交流負載線的斜率

表示RLRLcR'Lc

/C交流負載線斜率為C

，其中

//

O圖

QQ過Q點作一條

iC/iC/

Q

UCE

U′

UCC

uCE/Lc由于R' LcC相連即可得到。 C

QM連接Q點和

UCE

U′

UCC

uCE/當外加一個正弦輸入電壓時，放大電路的工作點將沿著交流負載線運動。所以只有交流負載線才能描述動態(tài)時i與u的關系，而直流負載線的作用只能用以確定靜態(tài)工作點，不能表示放大電路的動態(tài)工作情況。動態(tài)工作情況圖解分 iB/

0.680.7

04.17（a）輸入回路工作情t

iC/Q

4iC

iC/

交流負載Q

IB=40直流負載0 0t

電壓放大倍

Au

。【例】用圖解法求圖4.14所示電路電壓放大倍數(shù)。輸入、輸出特性曲線如右圖，L=3。

確定交流負載RL

RC//

1.5iB(6020)A40則輸入、輸出特性曲線上uBE=(0.72–0.68)V=0.04

uCE=(4.5–7.5)V=3

Au

ΔuCEΔ

3

弦波uI時，放大電路中相應的uBE、iB、iC、uCE、uO波形。1 性范圍內，uBE、iB、iC、uCEuO波形都是在原來靜態(tài)直流量的基為交直流并存3、當輸入一個正弦電壓uI時，輸端的正弦電壓信號的相位uO與uI單管共射放大電路具有倒相作用圖4.18波形非線性失真的分靜態(tài)工作點

/過低，引起iB、iC

iB/ uCE的波形失截止失

O

結論：iB波形失

iC、uCE(uo)波形失 iC/NPN管截止失真時的輸出uo波形。O

Otuo=

Q點過高，引起iC、uCE的波形失真—飽和失

iC/Q

ibNPNuo波 tO

IB= uo=6)最大不失真輸出電輸出波形沒有明顯失真時能夠輸出最大電壓。即輸出特A、B所限定的范圍。Q盡量設 段AB的中點。則AQ=QB，CD=DE。此

iC/A

交流負線Q

iB=充分利用了交流負載線上AB

E之間的動態(tài)工作范圍，最大不

CD 若靜態(tài)工作點設置過高或過低，則交流負載線上AB之間的動態(tài)工作范圍不能充分利用，使最大輸出幅度減小，此時D，m將由和二者中較小者決定。圖解法小能夠形象地顯示靜態(tài)工作點的位置與非線性失真的關系；方便估算最大輸出幅值的數(shù)值可直觀表示電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響有利于對靜態(tài)工作點Q的檢測等微變等效電路晶體管在小信號(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

一、簡化的h參數(shù)微變等效電 (一)三極管的微變等效電輸入電晶體管的輸入特性曲線

Q點附近的工作近似地看成直線 可認為uBE與iB成正QQ

rbe：晶體管的輸入電阻在小信號的條件下，rbe是一常 數(shù)。晶體管的輸入電路可用rbe等rrrr

代替

rbe

b１）基區(qū)體電阻為基區(qū)體電阻rｂｂ′（ｂ′是基區(qū)內假想的一個節(jié)２）發(fā)射結電阻利用3.2.2節(jié)二極管小信號電阻的計算方法，可rb(1rb

IEQ輸出電假設Q點附近特性曲線基本上是水平的(iC無關)，數(shù)量關系iCiB倍；從三極管輸出端看，可以用iB恒流源代替三極管iBiC的控制。

QQO

３）集-射極間電阻４）晶體管的跨導 rmrb'errber

r

(1

Ibrbr三極管的簡化參數(shù)等效電

+

b

b

++圖++注意：這里忽略了CE對C與輸出特性的影響，在大多數(shù)情況下，簡化的微變等效電路對于工程計算來說誤差很小。電壓放大倍數(shù)Au；輸入電阻Ri、輸出電阻RbRb+++RL

b+RRb

be

+bb圖 單管共射放大電路的等效電

bu b

而i

Rc

i

r

Ri=

//RbUi

Ro=討電流放大倍數(shù)與電壓放大倍數(shù)之間關討因

300(1) IEQ當IEQ一定時，愈大則rbe 也愈大，選用值較大的三極管其Au并不能按比例地提高；值一定時，IEQ愈大rbe愈小，可以得到較Au，這種方法比較有效。(三)等效電路法的步驟(歸納首先利用圖解法或近似估算法確定放大電路的靜態(tài)工作Q。求出靜態(tài)工作點處的微變等效電路參數(shù)rbe畫出放大電路的微變等效電路?？上犬嫵鋈龢O管的等效電路，然后畫出放大電路其余部分的交流通路。列出電路方程并求靜態(tài)工作點穩(wěn)定的共射放大電 溫度對晶體管參數(shù)的影三極管是一種對溫度十分敏感的元件。溫度變化對管子參數(shù)的影響主要表現(xiàn)有：UBE改變。UBE的溫度系數(shù)約–2mV/C，即溫度每升1C，UBE約下2mV。改變。溫度每升1C值約增0.5~1溫度系數(shù)分散性較ICBO改變。10C，ICBO大致將增加一倍，說ICBO將隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升。溫度升高將導致IC增大，Q上移。波形容易失真

T=20T=50 BQO

圖 溫度對Q點和輸波形iRiRR+++uiEiR+uoCe一、電路組——分壓式偏置電

不隨溫度變化圖 分壓式工作點穩(wěn)定電TICQIEQUEQUBEQ(=UBQ–IBQICQ——電流負反饋式工作點穩(wěn)定電 說明Re愈大，同樣IEQ產(chǎn)生UEQ愈大，則溫度穩(wěn)定性愈Re增大，UEQ增大，要保持輸出量不變，必須增VCC。接入Re，電壓放大倍數(shù)將大大降低。在Re兩端并Ce，交流電壓降可以忽略，則Au基本無影Ce稱旁路電容要保證UBQ基本穩(wěn)定，IR>>IBQ，則需要Rb1、 輸入電阻降低。實際選用Rb1、Rb2 值，取IR=(5~10)IBQ，UBQ=(5~10)UBEQ。二、靜態(tài)與動態(tài)靜態(tài)分

IRIBQ得(估算 b2ICQ

IEQ

UBQUBiRR+++uiEiR+uoCe

ICQ

IEQ

ICQ(

Re靜態(tài)基極電IBQ

ICQ動態(tài)分++uiR

e

bb

//

RiRo

//若不接旁路電容0，則放大電路的電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻分析如下：RbRb+++RLORe

b b +++iebRce圖 接有發(fā)射極電阻的放大電bee根據(jù)微變等效電路列方beeCbbiCbb

rbe

其

u降低了。bc若滿足(1+)Reu降低了。bc+++iebRce

u與三極管的參數(shù)、rbe引入Re后，輸入電阻引入Re后，輸入電阻 Ri iIi

//放大電路的輸出電 Ib I Ib IcIe將放大電路的輸 端短路，負載電阻RL 忽c、e之間的內電rce。

i

e

bb

Ro

放大電路的頻率響圖4- 阻容耦合共射放大電一、中頻C1、C2和Ce可認為交流短路；極間電容可視為交流斷路中頻段等效電

由圖可

Rb

be

e

式中

//圖 中頻段等效電 g R

rbe

R

Rs

中頻電壓放大倍

Rs

gm已知

，mrmb

RsRi

結論：中頻電壓放大倍數(shù)對應幅頻特性曲線上的一條水平線，與頻率無關。二、低頻考慮隔直電容的作用（假設Ｃｅ視作短路） +

+

+

C1與輸

e

Uo 電阻構成一個RC高通電圖 低頻等效電be

1

RsRi式 Ri= //

bejbe

1

輸出電

Ri

bej Rs

gm1

低頻電壓放大倍

j(RsRi

usL

usm1

j(Rs

低頻時間常數(shù)為

Ri下限(3dB)頻率為 2 2(RsRiusL

1 11 f三、高頻考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路 +

C

K

e

圖 高頻等效電三、高頻考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路

+ C

+e圖 高頻等效電路的簡由于輸出回路時間常數(shù)遠小于輸入回路時間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結電容。并用 定理簡化。圖 + C

+oUs

Rs R

(Rs C

(1

K

(1

gmRc CRRC低通電

jC

jC

1 g

rbeg

Rs

c1

usH高頻時間常數(shù)

usm1

上限(3dB)頻率為

HfH

2故

2Rf f

f1fH20lg20lg20dB/十倍20dB/十倍

/fO其他類型放大電路分 共基極放大電路分+

+

圖4- 共基極放大電VEE保證發(fā)射結正偏；VCC保證集電結反偏；三極管

實際電路采用一個電VCCRb1、Rb2分一、靜態(tài)工作點(IBQICQ

UBEQ1

) b1

b2

IEQ 1

VCC

ICQ

IEQVCC

ICQ(

Re二、電壓放大倍b由微變等效電路b

b+ec b+ec

b b

__bb

所

i

共基極放大電路沒有電流放大作用，但是具有電壓放大作用。電壓放大倍數(shù)與共射電路相等，但沒有負號，說明該電路輸入、輸出信號同相位。三、輸入電

e bb+b+ 暫不考慮電Reb+

R/

b (1

1iiRUii

ieR//R/iee

1

四、輸出電暫不考慮電Re的作Rorcb已知共射輸出電阻rce ，而rcb 比rce大得多，可認 rcb(1+)rce如果考慮集電極負載電阻，則共基極放大電路的出電阻 Ro=Rc//rcb共集放大電路分s~RC+R2+eL+oIIb+ +

e e

Ib Uo 微變等效電圖 共集電極放大電路(a)電路

——為射極輸出一、靜態(tài)工作由基極回路求得靜態(tài)基極電 VCCUBEQS~ReC+R2+L+Ob

IBQ

IEQ ICQ圖 共集電極放大電二、電流放大倍

IIbee IIbeeIII III

所

e e

bb

(1

~ IcIc (b)等效電三、電壓放大倍

bebe

rbe

(1

//bbeb結論：電壓放大倍數(shù)恒小于1，而接近1，且輸出電bbeb四、輸入電

IIb IIbe e

+bb

rbe

+ +

_

b bc

i

(1

輸入電阻較大五、