模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第四章 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)4.1半導(dǎo)體三極管4.3放大電路的分析方法4.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問(wèn)題4.5共集電極放大電路和共基極放大電路4.2共射極放大電路的工作原理4.6組合放大電路4.7放大電路的頻率響應(yīng)4.1半導(dǎo)體三極管4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介4.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理4.1.3BJT的V－I特性曲線4.1.4BJT的主要參數(shù)4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介(a)NPN型管結(jié)構(gòu)示意圖(b)PNP型管結(jié)構(gòu)示意圖(c)NPN管的電路符號(hào)(d)PNP管的電路符號(hào)集成電路中典型NPN型BJT的截面圖4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過(guò)載流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏4.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

（以NPN為例）

由于三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型三極管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

IC=InC+ICBOIE=IB+IC放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過(guò)程2.電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過(guò)程可知IC=InC+ICBO通常IC>>ICBO

為電流放大系數(shù)。它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。一般

=0.90.99

。IE=IB+IC放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過(guò)程

是另一個(gè)電流放大系數(shù)。同樣，它也只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。一般

>>1。根據(jù)IE=IB+ICIC=InC+ICBO且令I(lǐng)CEO=(1+)ICBO（穿透電流）2.電流分配關(guān)系3.三極管的三種組態(tài)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；共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；BJT的三種組態(tài)共基極放大電路4.放大作用若vI=20mV電壓放大倍數(shù)使iE=-1mA，則iC=iE=-0.98mA，vO=-iC?

RL=0.98V，當(dāng)=0.98時(shí)，綜上所述，，三極管的的放大作用用，主要是是依靠它的的發(fā)射極電電流能夠通通過(guò)基區(qū)傳傳輸，然后后到達(dá)集電電極而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳傳輸過(guò)程的的兩個(gè)條件件是：（1）內(nèi)部條件：：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)質(zhì)濃度遠(yuǎn)大大于基區(qū)雜雜質(zhì)濃度，，且基區(qū)很很薄。（2）外部條件：：發(fā)射結(jié)正向向偏置，集集電結(jié)反向向偏置。4.1.3BJT的V-I特性曲線iB=f(vBE)vCE=const(2)當(dāng)當(dāng)vCE≥1V時(shí)，，vCB=vCE-vBE>0，集電電結(jié)已進(jìn)入入反偏狀態(tài)態(tài)，開(kāi)始收收集電子，基基區(qū)復(fù)合減減少，同樣樣的vBE下IB減小，特性性曲線右移移。(1)當(dāng)當(dāng)vCE=0V時(shí)，，相當(dāng)于發(fā)發(fā)射結(jié)的正正向伏安特特性曲線。。1.輸入入特性曲線線（以共射極極放大電路路為例）共射極連接飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域域，該區(qū)域域內(nèi)，一般般vCE＜0.7V(硅管管)。此時(shí)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏偏，集電結(jié)結(jié)正偏或反反偏電壓很很小。iC=f(vCE)iB=const2.輸出出特性曲線線輸出特性曲曲線的三個(gè)個(gè)區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)區(qū)域，相當(dāng)當(dāng)iB=0的曲線線的下方。。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電電壓。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，，曲線基本本平行等距距。此時(shí)，，發(fā)射結(jié)正偏偏，集電結(jié)結(jié)反偏。4.1.3BJT的V-I特性曲線

(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IBvCE=const1.電流流放大系數(shù)數(shù)4.1.4BJT的主要要參數(shù)與iC的關(guān)系曲線

(2)共共發(fā)射極交交流電流放放大系數(shù)=IC/IBvCE=const1.電流流放大系數(shù)數(shù)(3)共基極直流電流放大系數(shù) =（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

(4)共基基極交流電電流放大系系數(shù)αα=IC/IEvCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈、≈，可以不加區(qū)分。4.1.4BJT的主要要參數(shù)2.極間間反向電流流(1)集集電極基極極間反向飽飽和電流ICBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電電結(jié)的反向向飽和電流流。4.1.4BJT的主要要參數(shù)(2)集集電極發(fā)射射極間的反反向飽和電電流ICEOICEO=（1+）ICBO

4.1.4BJT的主要要參數(shù)2.極間間反向電流流(1)集集電極最最大允許電電流ICM(2)集集電極最最大允許功功率損耗PCMPCM=ICVCE3.極限參數(shù)4.1.4BJT的主要要參數(shù)3.極限參數(shù)4.1.4BJT的主要要參數(shù)(3)反向向擊穿電壓壓V(BR)CBO——發(fā)射極極開(kāi)路時(shí)的的集電結(jié)反反向向擊擊穿電壓。。V(BR)EBO——集電極極開(kāi)路時(shí)發(fā)發(fā)射結(jié)的反反向向擊穿穿電壓。V(BR)CEO——基極開(kāi)開(kāi)路時(shí)集電電極和發(fā)射射極間的擊穿穿電壓。幾個(gè)擊穿電電壓有如下下關(guān)系V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO4.1.5溫度度對(duì)BJT參數(shù)及特特性的影響響(1)溫溫度對(duì)ICBO的影響溫度每升高高10℃，，ICBO約增加一倍倍。(2)溫溫度對(duì)的影響溫度每升高高1℃，值約增大0.5%~1%。(3)溫溫度對(duì)反向向擊穿電壓壓V(BR)CBO、V(BR)CEO的影響溫度升高時(shí)時(shí)，V(BR)CBO和V(BR)CEO都會(huì)有所提提高。2.溫度度對(duì)BJT特性曲線線的影響1.溫度度對(duì)BJT參數(shù)的影影響end4.2共共射極放放大電路的的工作原理理4.2.1基本本共射極放放大電路的的組成基本共射極極放大電路路4.2.2基本本共射極放放大電路的的工作原理理1.靜態(tài)態(tài)(直流工工作狀態(tài))輸入信號(hào)vi＝0時(shí)，放放大電路的的工作狀態(tài)態(tài)稱為靜態(tài)態(tài)或直流工工作狀態(tài)。。直流通路VCEQ=VCC－ICQRc4.2.2基本本共射極放放大電路的的工作原理理2.動(dòng)態(tài)態(tài)輸入正弦信信號(hào)vs后，電路將將處在動(dòng)態(tài)態(tài)工作情況況。此時(shí)，，BJT各各極電流及及電壓都將將在靜態(tài)值值的基礎(chǔ)上上隨輸入信信號(hào)作相應(yīng)應(yīng)的變化。。交流通路4.3放放大電路路的分析方方法4.3.1圖解解分析法4.3.2小信信號(hào)模型分分析法1.靜態(tài)態(tài)工作點(diǎn)的的圖解分析析2.動(dòng)態(tài)態(tài)工作情況況的圖解分分析3.非非線性失失真的圖圖解分析析4.圖圖解分析析法的適適用范圍圍1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型2.用用H參數(shù)數(shù)小信號(hào)號(hào)模型分分析基本本共射極極放大電電路3.小小信號(hào)模模型分析析法的適適用范圍圍4.3.1圖圖解分分析法1.靜靜態(tài)工作作點(diǎn)的圖圖解分析析采用該方方法分析析靜態(tài)工工作點(diǎn)，，必須已已知三極極管的輸輸入輸出出特性曲曲線。共射極放放大電路路4.3.1圖圖解分分析法1.靜靜態(tài)工作作點(diǎn)的圖圖解分析析列輸入回回路方程程列輸出回回路方程程（直流流負(fù)載線線）VCE=VCC－iCRc首先，畫(huà)畫(huà)出直流流通路直流通路在輸出特特性曲線線上，作作出直流流負(fù)載線線VCE=VCC－iCRc，與IBQ曲線的交交點(diǎn)即為為Q點(diǎn)，從而而得到VCEQ和ICQ。在輸入特性曲線上，作出直線

，兩線的交點(diǎn)即是Q點(diǎn)，得到IBQ。根據(jù)vs的波形，，在BJT的輸輸入特性性曲線圖圖上畫(huà)出出vBE、iB的波形2.動(dòng)動(dòng)態(tài)工作作情況的的圖解分分析根據(jù)iB的變化范范圍在輸輸出特性性曲線圖圖上畫(huà)出出iC和vCE的波形2.動(dòng)動(dòng)態(tài)工作作情況的的圖解分分析2.動(dòng)動(dòng)態(tài)工作作情況的的圖解分分析共射極放放大電路路中的電電壓、電電流波形形3.靜靜態(tài)工作作點(diǎn)對(duì)波波形失真真的影響響截止失真真的波形形飽和失真真的波形形3.靜靜態(tài)工作作點(diǎn)對(duì)波波形失真真的影響響4.圖圖解分析析法的適適用范圍圍幅度較大大而工作作頻率不不太高的的情況優(yōu)點(diǎn)：直觀、形形象。有有助于建建立和理理解交、、直流共共存，靜靜態(tài)和動(dòng)動(dòng)態(tài)等重重要概念念；有助助于理解解正確選選擇電路路參數(shù)、、合理設(shè)設(shè)置靜態(tài)態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)的重要要性。能能全面地地分析放放大電路路的靜態(tài)態(tài)、動(dòng)態(tài)態(tài)工作情情況。缺點(diǎn)：不能分析析工作頻頻率較高高時(shí)的電電路工作作狀態(tài)，，也不能能用來(lái)分分析放大大電路的的輸入電電阻、輸輸出電阻阻等動(dòng)態(tài)態(tài)性能指指標(biāo)。4.3.2小小信號(hào)號(hào)模型分分析法1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型建立小信信號(hào)模型型的意義義建立小信信號(hào)模型型的思路路當(dāng)放大電電路的輸輸入信號(hào)號(hào)電壓很很小時(shí)，，就可以以把三極極管小范范圍內(nèi)的的特性曲曲線近似似地用直直線來(lái)代代替，從從而可以以把三極極管這個(gè)個(gè)非線性性器件所所組成的的電路當(dāng)當(dāng)作線性性電路來(lái)來(lái)處理。。由于三極極管是非非線性器器件，這這樣就使使得放大大電路的的分析非非常困難難。建立立小信號(hào)號(hào)模型，，就是將將非線性性器件做做線性化化處理，，從而簡(jiǎn)簡(jiǎn)化放大大電路的的分析和和設(shè)計(jì)。。1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型H參數(shù)的的引出在小信號(hào)號(hào)情況下下，對(duì)上上兩式取取全微分分得用小信號(hào)號(hào)交流分分量表示示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce對(duì)于BJT雙口口網(wǎng)絡(luò)，，已知輸輸入輸出出特性曲曲線如下下：iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以寫(xiě)成成：BJT雙口網(wǎng)絡(luò)輸出端交交流短路路時(shí)的輸輸入電阻阻；輸出端交交流短路路時(shí)的正正向電流流傳輸比比或電流流放大系系數(shù)；輸入端交交流開(kāi)路路時(shí)的反反向電壓壓傳輸比比；輸入端交交流開(kāi)路路時(shí)的輸輸出電導(dǎo)導(dǎo)。其中：四個(gè)參數(shù)數(shù)量綱各各不相同同，故稱稱為混合合參數(shù)（（H參數(shù)數(shù)）。vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型H參數(shù)的的引出1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型H參數(shù)小小信號(hào)模模型根據(jù)可得小信信號(hào)模型型BJT的的H參數(shù)數(shù)模型vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevceBJT雙口網(wǎng)絡(luò)1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型H參數(shù)小小信號(hào)模模型H參數(shù)都都是小信信號(hào)參數(shù)數(shù)，即微微變參數(shù)數(shù)或交流流參數(shù)。。H參數(shù)與與工作點(diǎn)點(diǎn)有關(guān)，，在放大大區(qū)基本本不變。。H參數(shù)都都是微變變參數(shù)，，所以只只適合對(duì)對(duì)交流信信號(hào)的分分析。受控電流流源hfeib，反映了了BJT的基極極電流對(duì)對(duì)集電極極電流的的控制作作用。電電流源的的流向由由ib的流向決決定。hrevce是一個(gè)受受控電壓壓源。反反映了BJT輸輸出回路路電壓對(duì)對(duì)輸入回回路的影影響。1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型模型的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化hre和hoe都很小，，常忽略略它們的的影響。。BJT在在共射連連接時(shí)，，其H參參數(shù)的數(shù)數(shù)量級(jí)一一般為1.BJT的的H參數(shù)數(shù)及小信信號(hào)模型型H參數(shù)的的確定一般用測(cè)測(cè)試儀測(cè)測(cè)出；rbe與Q點(diǎn)有關(guān)，，可用圖圖示儀測(cè)測(cè)出。rbe=rbb’+(1+)re其中對(duì)于于低頻小小功率管管rbb’≈200則

而

(T=300K)

一般也用公式估算rbe

（忽略r’e）4.3.2小小信號(hào)號(hào)模型分分析法2.用用H參數(shù)數(shù)小信號(hào)號(hào)模型分分析基本本共射極極放大電電路（1）利利用直流流通路求求Q點(diǎn)共射極放放大電路路一般硅管管VBE=0.7V，鍺鍺管VBE=0.2V，已知。2.用用H參數(shù)數(shù)小信號(hào)號(hào)模型分分析基本本共射極極放大電電路（2）畫(huà)畫(huà)小信號(hào)號(hào)等效電電路H參數(shù)小信號(hào)等效電路2.用用H參數(shù)數(shù)小信號(hào)號(hào)模型分分析基本本共射極極放大電電路（3）求求放大電電路動(dòng)態(tài)態(tài)指標(biāo)根據(jù)則電壓增增益為（可作為為公式））電壓增益益H參數(shù)小信號(hào)等效電路2.用用H參數(shù)數(shù)小信號(hào)號(hào)模型分分析基本本共射極極放大電電路（3）求求放大電電路動(dòng)態(tài)態(tài)指標(biāo)輸入電阻阻輸出電阻阻令Ro=Rc所以3.小小信號(hào)模模型分析析法的適適用范圍圍放大電路路的輸入入信號(hào)幅幅度較小小，BJT工作作在其V－T特特性曲線線的線性性范圍（（即放大大區(qū)）內(nèi)內(nèi)。H參參數(shù)的值值是在靜靜態(tài)工作作點(diǎn)上求求得的。。所以，，放大電電路的動(dòng)動(dòng)態(tài)性能能與靜態(tài)態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)參數(shù)值值的大小小及穩(wěn)定定性密切切相關(guān)。。優(yōu)點(diǎn)：分析放大大電路的的動(dòng)態(tài)性性能指標(biāo)標(biāo)(Av、Ri和Ro等)非常常方便，，且適用用于頻率率較高時(shí)時(shí)的分析析。4.3.2小小信號(hào)號(hào)模型分分析法缺點(diǎn)：在BJT與放大大電路的的小信號(hào)號(hào)等效電電路中，，電壓、、電流等等電量及及BJT的H參參數(shù)均是是針對(duì)變變化量(交流量量)而言言的，不不能用來(lái)來(lái)分析計(jì)計(jì)算靜態(tài)態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)。共射極放放大電路路放大電路路如圖所所示。已已知BJT的?=80，，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，，求：（1）放放大電路路的Q點(diǎn)。此時(shí)時(shí)BJT工作在在哪個(gè)區(qū)區(qū)域？（2）當(dāng)當(dāng)Rb=100k時(shí)，放大大電路的的Q點(diǎn)。此時(shí)時(shí)BJT工作在在哪個(gè)區(qū)區(qū)域？（（忽略BJT的的飽和壓壓降）解：（1）（2）當(dāng)當(dāng)Rb=100k時(shí)，靜態(tài)工作作點(diǎn)為Q（40A，3.2mA，5.6V）），BJT工工作在放放大區(qū)。。其最小值值也只能能為0，，即IC的最大電電流為：：，所以BJT工工作在飽飽和區(qū)。。VCE不可能為為負(fù)值，，此時(shí)，Q（120uA，，6mA，0V），例題end4.4放放大大電路靜靜態(tài)工作作點(diǎn)的穩(wěn)穩(wěn)定問(wèn)題題4.4.1溫溫度對(duì)對(duì)靜態(tài)工工作點(diǎn)的的影響4.4.2射射極偏偏置電路路1.基基極分壓壓式射極極偏置電電路2.含含有雙電電源的射射極偏置置電路3.含含有恒流流源的射射極偏置置電路4.4.1溫溫度對(duì)對(duì)靜態(tài)工工作點(diǎn)的的影響4.1.6節(jié)討論過(guò)過(guò)，溫度度上升時(shí)時(shí)，BJT的反向電電流ICBO、ICEO及電流放放大系數(shù)數(shù)或都會(huì)增大大，而發(fā)發(fā)射結(jié)正正向壓降降VBE會(huì)減小。。這些參參數(shù)隨溫溫度的變變化，都都會(huì)使放放大電路路中的集集電極靜靜態(tài)電流流ICQ隨溫度升升高而增增加（ICQ=IBQ+ICEO），從而使使Q點(diǎn)隨溫度度變化。。要想使ICQ基本穩(wěn)定定不變，，就要求求在溫度度升高時(shí)時(shí)，電路路能自動(dòng)動(dòng)地適當(dāng)當(dāng)減小基基極電流流IBQ。4.4.2射射極偏偏置電路路（1）穩(wěn)穩(wěn)定工作作點(diǎn)原理理目標(biāo)：溫溫度變化化時(shí)，使使IC維持恒定定。如果溫度度變化時(shí)時(shí)，b點(diǎn)電位能能基本不不變，則可