第四章 雙極型三極管及放大電路

第四章雙極型三極管及放大電路第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.1半導(dǎo)體三極管4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介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雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五(d)4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五BJT外形圖4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

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。(a)

NPN型管結(jié)構(gòu)示意圖4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)(b)

PNP型管結(jié)構(gòu)示意圖(c)

NPN

管的電路符號(d)

PNP

管的電路符號第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五集成電路中典型NPN型BJT的截面圖(了解)4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。4.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理發(fā)射結(jié)正偏4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)1.內(nèi)部載流子的傳輸過程（以NPN為例）

發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子外部條件：集電結(jié)反偏NNPecbReVEEReVCC集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子

IeIcIb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第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知

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中載流子的傳輸過程)發(fā)射極注入電流設(shè)=α傳輸?shù)郊姌O的電流即EI=αnCICEII?α

則有4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

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

>>1。根據(jù)IE=IB+ICIC=InC+ICBO且令I(lǐng)CEO=(1+)ICBO（穿透電流）ααβ-=1

又設(shè)EnCII=α

BCEOCIII-=

則bCEOCII>>

時，當(dāng)4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)BCII?b第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.三極管的三種組態(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)）4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)（圖b）（圖a）（圖c）第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.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，4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)（共基極放大電路）第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

綜上所述，三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實現(xiàn)的。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)實現(xiàn)這一傳輸過程的兩個條件是：

（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，且基區(qū)很薄。

（2）外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五共射極連接4.1.3BJT的V-I

特性曲線(2)當(dāng)vCE≥1V時，

vCB=vCE-vBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。(1)當(dāng)vCE=0V時，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。1.輸入特性曲線（以共射極放大電路為例）

iB=f(vBE)

vCE=const討論4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.輸出特性曲線

iC=f(vCE)

iB

=const討論4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE＜0.7V

(硅管)。此時，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。輸出特性曲線的三個區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時，

vBE小于死區(qū)電壓，或發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)反偏。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。共射極連接第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1.電流放大系數(shù)

4.1.4BJT的主要參數(shù)（2）共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)（1）

共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)b（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=constb==IC/IBvCE=const（與iC的關(guān)系曲線）

b第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

（4）

共基極交流電流放大系數(shù)α4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)αα=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

α=IC/IEvCB=const

當(dāng)ICBO和ICEO很小時，≈、≈，可以不加區(qū)分。aab第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

2.極間反向電流（1）

集電極基極間的反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向飽和電流。

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)（2）集電極發(fā)射極間的反向飽和電流

ICEOICEO=（1+）

bICBO

ICEO與ICBO關(guān)系第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（1）

集電極最大允許電流

ICM（2）

集電極最大允許功率損耗

PCM

PCM=ICVCE

3.極限參數(shù)4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（3）

反向擊穿電壓

V(BR)CBO

—發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓。V(BR)EBO

—集電極開路時發(fā)射結(jié)的反 向擊穿電壓。

V(BR)CEO—基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。幾個擊穿電壓有如下關(guān)系：

V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.1.5溫度對BJT參數(shù)及特性的影響（1）溫度對ICBO的影響溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。（2）溫度對

的影響溫度每升高1℃，

值約增大0.5%~1%。

（3）溫度對反向擊穿電壓V(BR)CBO、V(BR)CEO的影響溫度升高時，V(BR)CBO和V(BR)CEO都會有所提高。

1.溫度對BJT參數(shù)的影響4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.溫度對BJT特性曲線的影響（1）對輸入特性的影響T1T2溫度升高時，BJT共射極連接時的輸入特性曲線將向左移，vBE隨溫度變化的規(guī)律與二極管正向?qū)妷弘S溫度變化的規(guī)律一樣，即溫度每升高10C，vBE減小2mV～2.5mV。（2）對輸出特性的影響溫度升高時，BJT的ICBO、ICEO、

b都將增大，結(jié)果導(dǎo)致BJT的輸出特性曲線向上移動，而且各條曲線間距離加大。T2>T1這說明在iB相同的條件下，vBE將減小。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.2共射極放大電路的工作原理4.2.1基本共射極放大電路的組成（基本共射極放大電路）

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.2.2基本共射極放大電路的工作原理1.靜態(tài)(直流工作狀態(tài))

輸入信號vi＝0時，放大電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)或直流工作狀態(tài)。

（直流通路）

VCEQ=VCC－ICQRc

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（交流通路）2.動態(tài)

輸入正弦信號vs

后，電路將處在動態(tài)工作情況。此時，BJT各極電流及電壓都將在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上隨輸入信號作相應(yīng)的變化。

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.3放大電路的分析方法4.3.1圖解分析法4.3.2小信號模型分析法1.靜態(tài)工作點的圖解分析2.動態(tài)工作情況的圖解分析3.非線性失真的圖解分析4.圖解分析法的適用范圍1.BJT的H參數(shù)及小信號模型2.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路3.小信號模型分析法的適用范圍4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.3.1圖解分析法1.靜態(tài)工作點的圖解分析

采用該方法分析靜態(tài)工作點，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。

（共射極放大電路）4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

首先，畫出直流通路列輸入回路方程

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)列輸出回路方程（直流負(fù)載線）

cCCCCERiV-=v（直流通路）

1.靜態(tài)工作點的圖解分析第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五在輸入特性曲線上，作出直線

，兩線的交點即是Q點，得到IBQ。bBBBBERiV-=v4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)在輸出特性曲線上，作出直流負(fù)載線，與IBQ曲線的交點即為Q點，從而得到VCEQ

和ICQ。cCCCCERiV-=vIBQQVBEQQICQVCEQ第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)

根據(jù)vs

的波形，在BJT的輸入特性曲線上畫出vBE、iB的波形。2.動態(tài)工作情況的圖解分析第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.動態(tài)工作情況的圖解分析

根據(jù)iB的變化范圍，在輸出特性曲線上畫出iC和vCE的波形。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

共射極放大電路中的電壓、電流波形4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)3.靜態(tài)工作點對波形失真的影響即工作點靠下，會出現(xiàn)截止失真的波形

第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五即工作點靠上，會出現(xiàn)飽和失真的波形

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)故Q點應(yīng)選在直線的中央（稍靠下）第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.圖解分析法的適用范圍幅度較大而工作頻率不太高的情況優(yōu)點：

直觀、形象。有助于建立和理解交、直流共存，靜態(tài)和動態(tài)等重要概念；有助于理解正確選擇電路參數(shù)、合理設(shè)置靜態(tài)工作點的重要性。能全面地分析放大電路的靜態(tài)、動態(tài)工作情況。缺點：

不能分析工作頻率較高時的電路工作狀態(tài)，也不能用來分析放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動態(tài)性能指標(biāo)。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.3.2小信號模型分析法1.

BJT的H參數(shù)及小信號模型建立小信號模型的意義建立小信號模型的思路

當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。

由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五H參數(shù)的引出在小信號情況下，對上兩式取全微分得用小信號交流分量表示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce

對于BJT雙口網(wǎng)絡(luò)，已知輸入輸出特性曲線如下：iB=f(vBE)vCE=const可以寫成：iC=f2(iB，vCE)vBE=f1(iB，vCE)iC=f(vCE)iB=const4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)（BJT雙口網(wǎng)絡(luò)）第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五輸出端交流短路時的輸入電阻；輸出端交流短路時的正向電流傳輸比或電流放大系數(shù)；輸入端交流開路時的反向電壓傳輸比；輸入端交流開路時的輸出電導(dǎo)。其中：四個參數(shù)量綱各不相同，故稱為混合參數(shù)（H參數(shù)）。vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五H

參數(shù)小信號模型根據(jù)可得小信號模型（BJT的H參數(shù)模型）vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce（BJT雙口網(wǎng)絡(luò)）4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

H參數(shù)都是小信號參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。

H參數(shù)與工作點有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。

H參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對交流信號的分析。

受控電流源hfeib，反映了BJT的基極電流對集電極電流的控制作用。電流源的流向由ib的流向決定。

hrevce是一個受控電壓源。反映了BJT輸出回路電壓對輸入回路的影響。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五小信號模型的簡化

hre和hoe都很小，常忽略它們的影響。

BJT在共射連接時，其H參數(shù)的數(shù)量級一般為[]ú?ùê?éW=ú?ùê?é=---S101010~101052433oefereieehhhhh4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五H參數(shù)的確定

一般用測試儀測出；rbe

與Q點有關(guān)，可用圖示儀測出。rbe=rbb’+(1+

)re其中對于低頻小功率管

rbb’≈200

一般也用公式估算

rbe

′（忽略re

）(T=300K)

而er==VT)mV(26)mV(EQI)mA(EQI)mA(則

)mV(26)1(200)mA(EQIber++W?b4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)（適用范圍為

0.1mA＜IE＜5mA）第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路（1）利用直流通路求Q點

（共射極放大電路）一般硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V，

已知。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（2）畫小信號等效電路（H參數(shù)小信號等效電路）4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)在交流通路基礎(chǔ)上畫小信號等效電路第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（3）求放大電路動態(tài)指標(biāo)根據(jù)則電壓增益為（可作為公式）①

電壓增益（H參數(shù)小信號等效電路）vi=ib(Rb+rbe)ic=βibvo=-ic(Rc//RL)4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五②輸入電阻③輸出電阻Ro=Rc

所以=Rb+rbe

Riib(Rb+rbe)=ib令vi=0

vi

ii=vi

ib=ib=0

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)Ri第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.小信號模型分析法的適用范圍

放大電路的輸入信號幅度較小，BJT工作在其V－T特性曲線的線性范圍（即放大區(qū)）內(nèi)。H參數(shù)的值是在靜態(tài)工作點上求得的。所以，放大電路的動態(tài)性能與靜態(tài)工作點參數(shù)值的大小及穩(wěn)定性密切相關(guān)。優(yōu)點：

分析放大電路的動態(tài)性能指標(biāo)（Av、Ri和Ro等）非常方便，且適用于頻率較高時的分析。缺點：

在BJT與放大電路的小信號等效電路中，電壓、電流等電量及BJT的H參數(shù)均是針對變化量（交流量）而言的，不能用來分析計算靜態(tài)工作點。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（共射極放大電路）（1）放大電路的Q點。此時BJT工作在哪個區(qū)域？（2）當(dāng)Rb=100k時，放大電路的Q點。此時BJT

工作在哪個區(qū)域？（忽略BJT的飽和壓降）解：（1）靜態(tài)工作點為Q（40A，3.2mA，5.6V），例題

放大電路如圖所示。已知BJT的

?=80，

Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：VCEQ=VCC-Rc·ICQ=12V-2KΩ×3.2mA=5.6VICQ=β·IBQ=80×40μA=3.2mA4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)BJT工作在放大區(qū)。第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五（2）當(dāng)

Rb=100k時，其最小值也只能為

0，所以BJT工作在飽和區(qū)。VCE不可能為負(fù)值，此時，Q（120uA，6mA，0V），（共射極放大電路）由于β·IBQ>ICM

，VCEQ=VCC-Rc·ICQ=12V-2KΩ×9.6mA=-2.7V即

IC的最大電流為：4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.4放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題4.4.1溫度對靜態(tài)工作點的影響4.4.2射極偏置電路1.基極分壓式射極偏置電路2.含有雙電源的射極偏置電路3.含有恒流源的射極偏置電路4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.4.1溫度對靜態(tài)工作點的影響

4.1.6節(jié)討論過，溫度上升時，BJT的反向電流ICBO、ICEO及電流放大系數(shù)或都會增大，而發(fā)射結(jié)正向壓降VBE會減小。這些參數(shù)隨溫度的變化，都會使放大電路中的集電極靜態(tài)電流ICQ隨溫度升高而增加（ICQ=

IBQ+ICEO），從而使Q點隨溫度變化。

要想使ICQ基本穩(wěn)定不變，就要求在溫度升高時，電路能自動地適當(dāng)減小基極電流IBQ。4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.4.2射極偏置電路（1）穩(wěn)定工作點原理

目標(biāo)：溫度變化時，使IC維持恒定。

如果溫度變化時，b點電位能基本不變，則可實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。T

穩(wěn)定原理：

IC

IE

VE、VB不變

VBE

IBIC（反饋控制）1.基極分壓式射極偏置電路(a)原理電路(b)直流通路