第二章晶體管及其放大電路(一)

2半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)■半導(dǎo)體三極管★共射極放大電路的組成和工作原理★放大電路的靜態(tài)分析★放大電路的動態(tài)分析■靜態(tài)工作點的選擇和穩(wěn)定★共集電極和共基極放大電路■多級放大器■放大電路的頻率特性本章學(xué)習(xí)重點：1、半導(dǎo)體三極管的特性曲線和主要參數(shù)2、放大電路的分析方法3、共射極、共基極、共集電極放大電路特點、主要性能指標(biāo)的分析估算4、頻率響應(yīng)的表達方式以及放大電路的頻率特性2.1半導(dǎo)體三極管Transistor半導(dǎo)體三極管又稱簡稱晶體管。半導(dǎo)體三極管的放大作用和開關(guān)作用，促使了電子技術(shù)的的飛躍。半導(dǎo)體三極管圖片2.1.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)（2）根據(jù)使用的半導(dǎo)體材料分（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)分三極管的主要類型NPN型PNP型硅管鍺管NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射極集電極

發(fā)射結(jié)集電結(jié)基極

EBC1.NPN型三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號B(b)E(e)TC(c)2、PNP型三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號PNP型三極管符號BETCE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)PPNCBJeJcEBC（1）發(fā)射區(qū)小，摻雜濃度大。（2）集電區(qū)摻雜濃度低，集電結(jié)面積大。（3）基區(qū)摻雜濃度很低，且很薄。3、三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點（具有放大作用的內(nèi)部條件）：平面型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)2.1.2三極管工作原理（以NPN型管為例）三極管放大的外部條件：▲發(fā)射結(jié)正向偏置▲集電結(jié)反向偏置原理圖電路圖+–+–三極管的電流分配關(guān)系動畫演示a.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子形成發(fā)射極電流IEb.向發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子和基區(qū)的空穴復(fù)合形成基極電流IBc.集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的電子形成發(fā)射極電流ICd.集電區(qū)、基區(qū)少子相互漂移形成反向飽和電流ICBO三極管內(nèi)部電流形成過程：發(fā)射結(jié)回路為輸入回路，集電結(jié)回路為輸出回路。定義基極是兩個回路的公共端，稱這種接法為共基極接法。

稱為共基極直流電流放大系數(shù)

輸入回路輸出回路各電極電流之間的關(guān)系

IE=IC+IB

IBICICBO晶體管共射極接法原理圖電路圖IBICICBO定義為三極管共射極直流電流放大系數(shù)IBICICBO各電極電流之間的關(guān)系ICEO稱為穿透電流得或的關(guān)系式由由及的定義與共基極交流電流放大系數(shù)共射極交流電流放大系數(shù)

定義α與β的關(guān)系一般可以認為：結(jié)論：在RC兩端有一個較大的交流分量可供輸出。ui→ib→ic→icRc交流信號的傳遞過程TVBBVCCiBuBE_uCEiC+RBRCui+_+_iE(2)放大原理設(shè)輸入信號ui=UimSinωt

V2.1.3半導(dǎo)體三極管共射極接法的伏安特性曲線

1．共射極輸入特性

共射極輸入特性三極管共射極接法2．共射極輸出特性

輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)iiB=20μA04060801002468/VuCE01234C/mA各區(qū)的特點：（1）飽和區(qū)UCE≤UBE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏b.IC＜βIB

IB失去了對IC的控制c.UCE增大，IC

增大飽和區(qū)iiB=20μA04060801002468/VuCE01234C/mAd.飽和電壓降UCES較?。?）截止區(qū)IB≈0發(fā)射結(jié)反偏或零偏（2）放大區(qū)UCE>UBE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏b.IC=βIBc.IC與UCE無關(guān)飽和區(qū)放大區(qū)iiB=20μA04060801002468/VuCE01234C/mA截止區(qū)b.

IC=ICEO≈0

NPN管與PNP型管的區(qū)別iB、uBE、iC、iE、uCE的極性二者相反PNP管電路NPN管電路硅管與鍺型管的區(qū)別（3）鍺管的ICBO比硅管大（1）死區(qū)電壓約為硅管0.5V鍺管0.1V（2）

導(dǎo)通壓降|uBE|鍺管0.3V硅管0.7V2.1.4半導(dǎo)體三極管的主要電參數(shù)1.直流參數(shù)（3）發(fā)射極開路，集電極——基極間反向飽和電流ICBO

（1）共基極直流電流放大系數(shù)

（2）共射極直流電流放大系數(shù)

（4）發(fā)射極開路，集電極——發(fā)射極間反向飽和電流ICEO

2.交流參數(shù)

（1）共基極交流電流放大系數(shù)α

β值與iC的關(guān)系曲線（2）共射極交流電流放大系數(shù)β

常數(shù)iC0β3.極限參數(shù)(4)集電極最大允許電流ICM(1)集電極開路時發(fā)射極——基極間反向擊穿電壓U（BR）EBO(2)發(fā)射極開路時集電極——基極間反向擊穿電壓U（BR）CBO(3)基極開路時集電極——發(fā)射極間反向擊穿電壓U（BR）CEO

iCuCE0U

(BR)CEOICMPCM不安全區(qū)安全區(qū)(5)集電極最大允許功率耗散PCM晶體管的安工作全區(qū)等功耗線PC=PCM=uCE×iC2.1.5溫度對管子參數(shù)的影響

1．對β的影響2．對ICBO的影響3．對UBE的影響

4．溫度升高，管子的死區(qū)電壓降低。

小結(jié)：▲三極管分NPN管和PNP管▲三極管的工作狀態(tài)分為放大、飽和、截止三種狀態(tài)▲三極管放大的條件是：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏▲三極管是一種電流控制電流型器件：IC=βIB思考題2.如何用萬用表判別晶體管的類型和電極？3.為什么晶體管基區(qū)摻雜濃度小而且做的很??？1.晶體管的發(fā)射極和集電極是否可以調(diào)換使用？4.晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，其電流放大系數(shù)和在放大區(qū)工作時是否一樣大？2.2共射極放大電路的組成和工作原理

2.2.1放大電路概述

1．放大電路的用途: 把微弱的電信號不失真地放大到負載所需的數(shù)值。應(yīng)用舉例放大器直流電源話筒

輸入喇叭輸出2．放大電路的主要性能指標(biāo)

放大器性能指標(biāo)測量原理方框圖

被測放大電路負載正弦波信號源+?直流電源+?++??互導(dǎo)放大倍數(shù)Ag

·······互阻放大倍數(shù)

Ar

····電流放大倍數(shù)Ai·ioUUAu=···電壓放大倍數(shù)Au

·+?直流電源+?++??(1)放大倍數(shù)A

·功率放大倍數(shù)Ap(2)輸入電阻Ri

Ri越大，Ui也越大，UO也就越大。a.由于b.

Ri越大，輸入電流ii越小，信號源的負載越小。+?直流電源+?++??Ri(3)輸出電阻Ro

定義：測量電路被+–測放大電路直流電源+–Ro即Ro越小，輸出電壓越穩(wěn)定，電路帶載能力越強。+?直流電源+?++??由于測量Ro的一種方法

——帶負載時的輸出電壓——負載開路時的輸出電壓+?直流電源+?++??S(4)全諧波失真度D

(5)動態(tài)范圍Uop-p也稱為最大不失真輸出電壓。即諧波電壓總有效值與基波電壓有效值之比使輸出電壓uo的非線性失真度達到某一規(guī)定數(shù)值時的uo的峰—峰值。(6)頻帶寬度fBW相頻特性由得····幅頻特性··fL幅頻特性曲線fHf·fBW相頻特性曲線90_o180_o225_o270_o135_ofBWf2.2.2共射極放大電路的組成及其工作原理

1.共射極放大電路的組成各元器件的名稱：T—放大器件耦合電容C1、C2RB—基極偏置電阻—RC

—集電極功耗電阻隔離放大電路對信號源和負載的直流影響。溝通信號源、放大電路、負載之間的信號傳遞通道。各元器件的作用：1、三極管T:放大電路的核心器件，起放大電路2、耦合電容C1C23、VCC為T提供Jc反偏電壓UCE及集電極電流IC為T提供Je正偏電壓UBE，提供基極偏置電流為電路提供能量4、RC轉(zhuǎn)換集電極電流信號為電壓信號,

實現(xiàn)電壓放大放大電路的兩種工作狀態(tài)：靜態(tài)—當(dāng)輸入信號為零時電路的工作狀態(tài)。靜態(tài)時放大電路只有直流分量。動態(tài)—有輸入信號時電路的工作狀態(tài)。動態(tài)時電路中的信號為交直流混合信號。注：不同書寫體字母的含義UBE

IB—大寫字母，大寫下標(biāo)，表示直流量。ube—小寫字母，小寫下標(biāo)，表示交流瞬時值。uBE—小寫字母，大寫下標(biāo)，表示交、直混合量。Ube—大寫字母，小寫下標(biāo)，表示交流分量有效值。

信號的傳遞過程C2隔直作用思考題1、通常希望放大電路的輸入電阻高一些好，還是低一些好？對輸出電阻呢？放大電路的帶負載能力是指什么?2、如何用PNP管構(gòu)成共射極放大電路？2.3放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)分析——就是通過放大電路的直流通路求解靜態(tài)工作點值IBQ、ICQ、UCEQ。直流通路2.3.1圖解法在放大電路靜態(tài)分析中的應(yīng)用

1．輸入回路列寫輸入回路方程VCC=iBRB+uBE求解靜態(tài)工作點的常用方法圖解法估算法直流負載線與三極管輸入特性曲線的交點，即為放大電路的輸入靜態(tài)工作點Qi。在iB、uBE坐標(biāo)系上是一條直線稱為輸入回路的直流負載線VCC=iBRB+uBE方程PK三極管輸入特性曲線直流負載線0iBuBE2．輸出回路VCC=iCRC+uCE輸出回路方程稱為輸出回路的直流負載線MN直流負載線輸出特性曲線直流負載線與晶體管輸出特性曲線的交點，即為放大電路的輸入靜態(tài)工作點Qo。在iC、uCE坐標(biāo)系上是一條直線iC0uCE2.3.2估算法在放大電路靜態(tài)分析中的應(yīng)用

UCEQ=VCC－ICQRC式中，|UBEQ|硅管可取為0.7V，鍺管0.3V

由輸入回路方程VCC=iBRB+uBE得

在靜態(tài)分析基礎(chǔ)上，分析電路中的交流分量之間關(guān)系。主要求Au、Ri、Ro及Uopp等參數(shù)。2.4放大電路的動態(tài)分析

常用的分析方法圖解法微變等效電路法1．當(dāng)RL=∞時在輸入回路uBE=UBE+uit02.4.1圖解法在放大電路動態(tài)分析中的應(yīng)用

基本共射極放大電路的波形分析動畫演示已知輸入信號小結(jié)：輸出信號波形輸出電壓uo與輸入電壓ui相位相反0t0t（忽略UCES和ICBO）放大電路的動態(tài)范圍a.如果UCEQ=ICQRC=VCC/2iB波形iB1iB2iB3uo1uo2uo3輸出波形=2ICRCUopp=2UCEQ=VCC0t0MNb.如果UCEQ<ICQRCiB波形iB1iB2iB3輸出波形Uopp=2UCEQuo1uo2uo30t0MNC.如果UCEQ>ICQRCiB波形iB1iB2iB3輸出波形Uopp=2ICRCuo1uo2uo30t0MN結(jié)論:(2)共射極放大電路的uo與ui的相位相反。(3)ui的幅度過大或靜態(tài)工作點不合適，將使工作點進入非線性區(qū)而產(chǎn)生非線性失真（飽和失真、截止失真）。(4)放大電路信號iB=IB+ibuBE=UBE+uiiC=IC+icuCE=UCE+uce(1)(5)動態(tài)范圍(忽略ICEO和UCES)(a)

Qo點在負載線的中點UCEQ=ICQRC=VCC/2Uopp=2ICQRC(b)

Qo點在負載線中點下方

UCEQ＞ICQRC

(c)

Qo點在負載線中點上方(6)非線性失真的特點：Uopp=2×min[UCEQ，ICQRC]UCEQ＜ICQRC飽和失真：輸出電壓波形的下半部被削平。截止失真：輸出電壓波形的上半部被削平。

(d)Uopp的一般表示式2．當(dāng)RL≠∞時（1）放大電路的交流通路交流通路畫法：耦合電容短路直流電壓源短路交流通路R'L＝RC//RL由放大電路的交流通路可知式中ic由于故（2）交流負載線式中該直線稱為放大電路的交流負載線。在uCE和iC的坐標(biāo)中，也表示一條直線M直流負載線交流負載線PUCEQ+ICQR'LiCuCE0QONICQab式交流負載線及放大電路波形分析交流負載線的特點:

電路的工作點沿交流負載線移動。

斜率為－1/R'L

經(jīng)過靜態(tài)工作點Q

與橫軸的交點為UCEQ+ICQR'L

動態(tài)范圍(a)比電路空載時小。(b)(c)當(dāng)考慮UCES時（2）作圖煩瑣，Ui很小時難以作圖。圖解法的特點（1）便于觀察。（3）放大電路一些性能指標(biāo)無法由圖解法求得。2.4.2微變等效電路法在放大電路動態(tài)分析中的應(yīng)用

1．晶體管的H參數(shù)微變等效電路

（1）晶體管線性化的條件：電路工作在小信號狀態(tài)。a.ΔiB與

Δ

uBE之間具有線性關(guān)系b.β值恒定（2）晶體管可線性化的主要依據(jù)：晶體管共射極接法線性化原理晶體管–ucebecNPNPNP或型型晶管體+icubeib+–等效圖線性網(wǎng)絡(luò)uce+–+–ubeicib晶體管線性等效電路的H參數(shù)描述式中線性網(wǎng)絡(luò)uce+–+–ubeicib晶體管的微變等效電路可畫出等效電路由+_bec+_hfeib+_hieubeibhreuce1/hoeicuce稱為晶體管的輸入電阻其中rbb'稱為晶體管的基極體電阻。(2)hre￣反向傳輸電壓比電流放大系數(shù)+_bec+_ib+_rbeubeibhreuce1/hoeicuce(1)(3)(4)稱為晶體管共射極輸出電導(dǎo)hre、hoe一般比較小，可忽略不計

晶體管微變等效簡化電路ube+_becib+_rbeβibicuce+_bec+_ib+_rbeubeibhreuce1/hoeicuce三極管H參數(shù)等效電路使用注意事項：1、適用于輸入為交流小信號的情況2、βib是受控源，大小和方向都受控制問題：PNP管的H參數(shù)等效電路如何畫？2．微變等效電路法在放大電路動態(tài)分析中的應(yīng)用

（1）畫出放大電路的交流通路（2）放大電路的微變等效電路bce（3）放大電路的主要性能指標(biāo)的計算a.電壓放大倍數(shù)bce·····式中uo與ui相位相反通常Ribceb.輸入電阻Ric.輸出電阻Ro由定義：畫出求輸出電阻的等效電路bceiiRobce求輸出電阻的等效電路由圖可知故bceiiRoβib=0在圖示電路中，已知：VCC=12V，RC=2kΩ，RB=360kΩ；晶體管T為鍺管，其=β=60，rbb'=300Ω；C1=C2=10μF，RL=2kΩ。試求：[例](a)晶體管的IBQ，ICQ

及UCEQ；

(b)

放大電路的Au，Ri，Ro及Uopp。[解]略1.晶體管用微變等效電路來代替，條件時什么？2.電壓放大倍數(shù)Au是不是與

成正比？3.為什么說當(dāng)一定時通過增大IE來提高電壓放大倍數(shù)是有限制的？試從IC和rbe兩方面來說明。4.能否增大RC來提高放大電路的電壓放大倍數(shù)？當(dāng)RC過大時對放大電路的工作有何影響？設(shè)IB不變。5.Rbe、rce、Ri、Ro是交流電阻，還是直流電阻？在Ro中包括不包括負載電阻RL？6.如果輸出波形失真，靜態(tài)工作點不合適嗎？思考題2.5靜態(tài)工作點的選擇和穩(wěn)定

2.5.1選擇靜態(tài)工作點Q應(yīng)該考慮的幾個主要問題1.安全性2.動態(tài)范圍Q應(yīng)該在安全區(qū)，且應(yīng)該在安全區(qū)中的放大區(qū)。為了獲得盡可能大的動態(tài)范圍，Q應(yīng)該設(shè)置在交流負載線的中間。3.電壓放大倍數(shù)Au當(dāng)dβ/diC

≈0時|ICQ|增大rbe減小|Au

|提高4.輸入電阻Ri由于Ri≈rbe當(dāng)|ICQ|增大rbe減小Ri減小由于·5.功耗和噪聲2.5.2靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

1．引起Q點不穩(wěn)定的原因

（1）溫度對Q點的影響a.溫度升高，β增大b.溫度升高，ICBQ增大減小電流|ICQ|，可以降低電路的功耗和噪聲。c.溫度升高，|UBE|減小導(dǎo)致集電極電流ICQ增大（2）老化（3）其他方面b.影響Q點不穩(wěn)定的主要因素是溫度管子長期使用后，參數(shù)會發(fā)生變化，影響Q點。

電路中電源電壓波動、元件參數(shù)的變化等都會影響Q點。小結(jié)：a.Q點是影響電路性能的主要因素2．穩(wěn)定靜態(tài)工作點的途徑

(1)從元件入手。a.選擇溫度性能好的元件b.經(jīng)過一定的工藝處理以穩(wěn)定元件的參數(shù)，防止元件老化。(2)從環(huán)境入手采用恒溫措施。引入負反饋采用溫度補償(3)從電路入手2.5.3負反饋在靜態(tài)工作點穩(wěn)定中的應(yīng)用

（1）

電路組成

+_T+_+++I＞＞IBQ故基極電位

UBQ>>UBEQ

（2）

Q點穩(wěn)定的條件

直流通路T+_+__穩(wěn)定Q點的機理

T↑↑↑↓↑↑↓↓↓T+_+__這種作用稱為直流電流負反饋。小結(jié)：穩(wěn)定Q的機理是：電路將輸出電流IC在RE上的壓降返送到輸入回路，產(chǎn)生了抑制IC改變的作用，使IC基本不變。T+_+__電容CE的作用：a.對于交流信號滿足b.交流信號對地短路，使RE只對直流信號有反饋，而對交流信號無反饋。電容CE稱為旁路電容。+_T+_+++[例1]在圖示電路中，RB1=39kΩ，RB2=10kΩ，RC=2.7kΩ，RE=1kΩ，RL=5.1kΩ，C1=C2=10μF，Ce=47μF，VCC=15V，晶體管T的=100、rbb'=300Ω、UBEQ=0.7V。試求：

(1)

ICEQ、UCEQ(2)Au、R

i、Ro的值。+_T+_+++解略

[例2]圖示電路的參數(shù)均與例1相同。試求：(1)放大電路的Q。（2）放大電路的Au、R

i、Ro。[解]+_T+_++略1.靜態(tài)工作點不穩(wěn)定對放大電路有何影響？2.對于分壓式偏置電路，為什么只要滿足I2>>IB和VB>>UBE兩個條件，靜態(tài)工作點才能基本穩(wěn)定？3.對于分壓式偏置電路，當(dāng)更換晶體管時，對放大電路的靜態(tài)值有無影響？試說明之。4.在實際中調(diào)整分壓式偏置電路的靜態(tài)工作點時，應(yīng)調(diào)節(jié)哪個元件的參數(shù)比較方便？接上發(fā)射極電阻的旁路電容CE后是否影響靜態(tài)工作點？思考題2.6共集電極和共基極放大電路2.6.1共集電極放大電路

1.電路組成

電路從發(fā)射極與“地”之間輸出信號，所以又稱為射極輸出器。2.靜態(tài)分析

畫出放大電路的直流通路。

+_T+_++UCEQ=VCC－IEQRE

（1）估算法

直流通路由圖可得T+_+__+_T+_++（2）戴維南等效電路法等效電路等效電路中RB=RB1//RB2

T+_+__UCEQ=VCC－IEQRE≈VCC－ICQRE

由圖可得2．動態(tài)分析

交流通路（1）畫交流通路+_T+_+_T+_++交流通路輸入回路輸出回路共集電極電路另一種畫法+_T+_（2）畫微變等效電路

微變等效電路圖中?+_T+_（3）動態(tài)性能分析

a.電壓放大倍數(shù)RL'=RE//RL其中

由圖可知········?···由于故···無電壓放大能力?b.電流放大倍數(shù)由于·······故··?和同一數(shù)量級和同一數(shù)量級即射極輸出器有電流放大能力和功率放大能力整理上式得一般情況|Ai|>1故····

Ri=RB//R'i=RB1//RB2//[rbe+(1+β)R'L]

c.輸入電阻由于故

Ri通常很大?d.輸出電阻Ro畫出求Ro的等效電路圖中故?射極輸出器的輸出電阻很小。?e.射極輸出器的特點：

(a)Au≈1，無電壓放大能力。(b)uo與ui同相。

(c)

具有電流放大能力和功率放大能力。(d)具有高的輸入電阻和低的輸出電阻。f.射極輸出器的用途(b)在多級放大電路中作輸入級和