模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第7章 晶體管及其放大電路

1、第第7章章 晶體管及其放大電路晶體管及其放大電路 本章主要內(nèi)容： 7.1 晶體管 7.2 放大電路的直流偏置 7.3 共射極放大電路 7.4 共集電極和共基極放大電路 7.5組合放大電路 7.6放大電路的頻率響應(yīng) 7.1 晶體管 本節(jié)主要內(nèi)容： 7.1.1 晶體管的結(jié)構(gòu) 7.1.2 晶體管的工作原理 7.1.3 晶體管的伏安特性 7.1.4 晶體管的主要參數(shù) 7.1.5 溫度對晶體管特性和參數(shù)的影響 7.1.1 晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管的結(jié)構(gòu) 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 發(fā)射區(qū) N P N 基區(qū) 集電區(qū) c 集電極 e 發(fā)射極 b 基極 b （a）內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）結(jié)構(gòu)示意圖 （c）電路符號 集電區(qū) 發(fā)射區(qū) 基區(qū)

2、 c e 1、NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號 （c）圖中的箭頭表示發(fā)射結(jié)正向電流的方向。 2、PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號 3、常見晶體管的封裝外形如圖所示： 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 發(fā)射區(qū) N P P 基區(qū) 集電區(qū) c 集電極 e 發(fā)射極 b 基極 （a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）電路符號 b c e 7.1.2 晶體管的工作原理 內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高；基區(qū)很薄，摻雜濃度低；集電區(qū) 面積很大，摻雜濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)。通過制造工藝保證內(nèi)部條件的 實現(xiàn)。 外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓（正向偏置），集電結(jié)加反向電壓 （反向偏置）。通過電路設(shè)計保證外部條件的實現(xiàn)。 1.載流子的傳輸過程 （1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入

3、載流子 由于發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射 區(qū)的電子源源不斷地注入基區(qū)， 基區(qū)的空穴也要注入發(fā)射區(qū)， 二者共同形成發(fā)射極電流IE。 ENEPENE IIII 由于基區(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)小23個數(shù)量級， 基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流可以忽略不計 c e b N P N Rc VCC Rb VBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE （2）載流子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合 電子不斷地向集電結(jié)方向擴(kuò)散， 擴(kuò)散過程中少量電子與空穴復(fù)合， 形成基極電流的一部分IBN。 由于基區(qū)寬度很窄，且摻雜濃度 很低，從而大大地減小了電子與 空穴復(fù)合的機(jī)會，使注入基區(qū)的 95以上的電

4、子都能到達(dá)集電結(jié)， 它們將形成集電極電流的一部分 ICN。 所以 CNBNEN III c e b N P N Rc VCC Rb VBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE （3）集電區(qū)收集載流子 集電結(jié)外加反向電壓，基區(qū)中擴(kuò)散 到集電結(jié)邊緣的電子，受電場的作 用，漂移越過集電結(jié)形成集電極電 流的一部分ICN。 另一方面，集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流 子漂移形成反向飽和電流，記為 ICBO。通常，ICBOICN。 CNCBOCNC IIII CBOEPBNB IIII 顯然，電子和空穴都參與電流傳導(dǎo)過程，因此，稱為雙極結(jié)型三 極管（Bipola

5、r Junction Transistor，BJT），簡稱晶體管。 由基爾霍夫電流定律: CBE III c e b N P N Rc VCC Rb VBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB + _ vCE + _ vBE 2.電流控制作用 定義ICN與IE之比為晶體管的共基極直流電流放大系數(shù) ，即 E CN I I 得 CBOEC III 值越大，發(fā)射極電流對集電極電流的控制能力越強(qiáng)。 CBE III因為 則 CBOCBCBOEC IIIIII)(得 CBOBC III 1 1 1 令 1 為共射極直流電流放大系數(shù) E E E C I I I I 即共基極交流放大系

6、數(shù) 近似等于共基極直流電流放大系數(shù) 定義集電極電流變化量IC與基極電流變化量IB之比為共射極交流 放大系數(shù)，即 constv B C CE I I B B B C I I I I 即共射極交流放大系數(shù)近似等于共基極直流電流放大系數(shù) 7.1.3 7.1.3 晶體管的伏安特性晶體管的伏安特性 1.輸入特性曲線 輸入特性曲線描述了在集射電壓vCE一定的情況下，基極電流 iB與基射電壓vBE之間的函數(shù)關(guān)系,即 constv BEB CE vfi )( 小功率硅管的門坎電壓vth 約為0.5V，鍺管約為0.1V。 小功率硅管的導(dǎo)通壓降 Von約為0.60.8V，一般 取0.7V；小功率鍺管約為 0.20

7、.3V，一般取0.2V。 2.輸出特性曲線 輸出特性曲線描述了在基極電流iB一定的情況下，集電極電流iC與集射電壓vCE 之間的函數(shù)關(guān)系,即 consti CEC B vfi )( 在輸出特性曲線上可劃分為三個工 作區(qū)：放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。 (1)放大區(qū)（Active region） 放大區(qū)的特點是： 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏； iCiB+ICEO，體現(xiàn)了晶體管的 放大作用（電流控制作用），曲線 的間隔越大，值越大； iC 隨vCE增加很小，呈恒流特性。 (2)飽和區(qū)（Saturation region） 飽和區(qū)內(nèi)的vCE稱為飽和壓降，小 功率硅管的飽和壓降典型值為0.3V， 鍺管為0.1V

8、。 飽和區(qū)的特點：飽和區(qū)的特點： 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏置； iC不受iB控制，而近似隨vCE線性 增長。由于vCE小、而iC大，故ce （集電極和發(fā)射極）之間等效為 開關(guān)的導(dǎo)通，或等效為一個小電 阻，稱為導(dǎo)通電阻。 (3)截止區(qū)(Cutoff region) 特點：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是反向偏置；iC=ICEO0，故ce之間等 效為開關(guān)的斷開，或等效為一個大電阻，稱為截止電阻。 PNP型晶體管的特性如圖7.1.7所示 7.1.4 晶體管的主要參數(shù) 1.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)（Current amplification factor） 2.極間反向電流極間反向電流 極間反向電流是由少數(shù)載流子形成

9、的，其大小表征了晶體管的溫度特性。 （1）集電結(jié)反向飽和電流ICBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極之間 的反向飽和電流。 （2）穿透電流ICEO：基極開路時，通過集電極和發(fā)射極回路的電流， ICEO=(1+)ICBO。 3.極限參數(shù)極限參數(shù) （1）集電極最大允許電流ICM ICM是指當(dāng)下降到正常值的2/3時所對應(yīng)的IC值。當(dāng)IC超過ICM時， 晶體管的放大性能下降，但不一定損壞。 （2）反向擊穿電壓（Reverse breakdown voltage） 發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓V(BR)EBO：集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許施加的最 高反向電壓。超過此值，發(fā)射結(jié)發(fā)生反向擊穿。 集電結(jié)反向擊穿電壓V

10、(BR)CBO：發(fā)射極開路時，集電極與基極之間允許施加的最 高反向電壓。超過此值，集電結(jié)發(fā)生反向擊穿。 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓V(BR)CEO：在輸出特性曲線中，iB0的曲線 開始急劇上翹所對應(yīng)的電壓。 （3）集電極最大允許耗散功率PCM PC=iC vCE 當(dāng)PCPCM時，晶體管的實際結(jié)溫小 于允許的結(jié)溫，不會損壞晶體管。 為了可靠工作，通常選擇PCM=（1.5）PC。 7.1.5 溫度對晶體管的特性與參數(shù)的影響溫度對晶體管的特性與參數(shù)的影響 （1) 溫度對ICBO的影響 ICBO是少數(shù)載流子形成的集電結(jié)反向飽和電流，受溫度影響很大。溫度每升高， ICBO增加一倍。反之，溫度降低時

11、ICBO減小。 因為 ，故穿透電流ICEO隨溫度變化的規(guī)律與ICBO 類似。 CBOCEO II)1 ( 當(dāng)溫度升高時，ICEO的增大體現(xiàn)為整個輸出特性曲線族向上平移 （2) 溫度對的影響 溫度升高時，晶體管內(nèi)部載流子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合概率減 小，因而溫度升高時放大倍數(shù)隨之增大。 以 時測得的值為基數(shù)，溫度每升高 ，增加約(0.51)%。 C 25C 1 （3）溫度對輸入特性的影響 溫度升高時，對于同樣的發(fā)射極電流，晶體管所需的|vBE| 減小。 （4） 溫度對輸出特性的影響 （5） 溫度對反向擊穿電壓的影響 溫度升高時，晶體管的ICBO、ICEO、都將增大，導(dǎo)致晶體管的輸出

12、特性曲線向上移 溫度升高，V(BR)CEO和V(BR)CBO都增大 7.2 放大電路的直流偏置放大電路的直流偏置 將晶體管偏置在放大狀態(tài):發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 7.2.1 基本偏置電路和靜態(tài)工作點分析方法 1基本偏置電路 晶體管T的直流電壓和電流在其特性曲線上組成靜態(tài)工作點， 分別是（VBE，IB）和（VCE，IC），通常用Q表示。 + Rb Rc T VBE + VCE IB IC +VCC（12V） + Rb Rc T VBE + VCE IB IC -VCC（-12V） （a）NPN 管 (b)PNP 管 2晶體管的分段線性模型 在輸入特性曲線中，用垂足為導(dǎo)通電壓（Von）的垂直線段

13、逼近輸入特性的導(dǎo)通區(qū)， 用過原點的水平線段逼近輸入特性的死區(qū)，如圖7.2.2（a）所示。 在輸出特性曲線中，用一組水平直線段逼近晶體管的放大區(qū)特性，用垂足為原點 的垂直線段逼近晶體管的飽和特性，如圖7.2.7（b）所示。 3靜態(tài)工作點的計算 CcCCCE CC b BECC B onBE IRVV II R VV I VV 例7.1 試計算圖7.2.1電路的靜態(tài)工作點。已知：三極管是硅管，其=50； VCC=12V，Rb=400k，Rc=4k。 解：將電路參數(shù)代入（7.2.1），得 VmAkVIRVV mAmAII AmA k V R VV I VVV CcCCCE CC b BECC B o

14、nBE 35. 6)(41. 1412 41. 10285. 050 5 .280285. 0 400 7 . 012 7 . 0 （7.2.1） 4基本偏置電路的缺點基本偏置電路的缺點 CBECEOCBO IvIIT)/( 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的基本方法之一是在直流偏穩(wěn)定靜態(tài)工作點的基本方法之一是在直流偏 置電路中引入直流負(fù)反饋，使集電極直流電置電路中引入直流負(fù)反饋，使集電極直流電 流流I IC C和集射直流電壓和集射直流電壓V VCE CE隨溫度的變化很小， 隨溫度的變化很小， 穩(wěn)定靜態(tài)工作點穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q Q（V VCE CE， ，I IC C）。 反饋方式主要是電流串聯(lián)負(fù)反饋和電壓并反饋方

15、式主要是電流串聯(lián)負(fù)反饋和電壓并 聯(lián)負(fù)反饋。聯(lián)負(fù)反饋。 的影響很大。的影響很大。 基本偏置電路的靜態(tài)工作點受環(huán)境溫度基本偏置電路的靜態(tài)工作點受環(huán)境溫度T的影響很大。的影響很大。 7.2.2 電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路 圖中射極電阻Re引入電流串聯(lián)負(fù)反 饋，所以簡稱為射極偏置電路。 基極電流IB遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基極偏置電阻上的電流I1時： CC bb b B V RR R V 21 2 當(dāng)溫度升高引起集電極電流增加時，電流串聯(lián)負(fù)反饋將自動進(jìn)行如下反饋過程： 在電子工程設(shè)計中，選擇電路參數(shù)，使： 鍺管 硅管 B B I I I )2010( )105( 1 BEB VV)105( Rb1 Rc T VB VC

16、+VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC onBE VV eBeBEBEC RVRVVII/ )( CecCCCE IRRVV)( / CB II 靜態(tài)工作點計算：靜態(tài)工作點計算： 例7.2 射極偏置電路如圖7.2.4所示。已知：晶體管是硅管，其=50；VCC=12V， Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k。試計算電路的靜態(tài)工作點。 解： VVV onBE 7 . 0 mARVVII eBEBEC 65. 12/ )7 . 04(/ )( VIRRVV CecCCCE 75. 365. 1)23(12)( AmAII CB 33033. 050/65. 1/ CC

17、 bb b B V RR R V 21 2 Rb1 Rc T VB VC +VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC 7.2.3 電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路 電阻Rb引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。 集電極電阻Rc上的電流IR為: IR=IC+IBIC 當(dāng)溫度升高引起集電極電流增加時，電路將自動進(jìn)行如下反饋過 程： R c T V B V C +V CC R b IB IC IR 靜態(tài)工作點計算：靜態(tài)工作點計算： 由電路得 b BEBcCC b BEC B BcCCCcCCRcCCC R VIRV R VV I IRVIRVIRVV 所以， CcCCC BC cb BEC B

18、onBE IRVV II RR VV I VV R c T V B V C +V CC R b IB IC IR 7.3 共射極放大電路共射極放大電路 7.3.1 信號的耦合方式信號的耦合方式 信號的耦合方式主要有直接耦合、電容耦合、變壓器耦合和光電耦合。 1. 直接耦合直接耦合 信號源直接引入到晶體管的發(fā)射結(jié)回路，即 輸入回路。輸出信號直接從晶體管的集電極 對地引出送負(fù)載電阻RL，形成輸出回路。 優(yōu)點是優(yōu)點是可以放大輸入信號的直流分量和 低頻信號；電路不包含大電容和大電感，適 合集成電路制造工藝。 缺點是缺點是放大電路的靜態(tài)工作點受信號源 內(nèi)阻和負(fù)載的影響，并且隨溫度變化而移動， 稱為溫度漂

19、移。 Rb1 Rc T vB vC +VCC Re iB iC RL vo + vs vi + Rs + Rb2 iS 2. 電容耦合電容耦合 信號源通過電容C1引入到晶體管的發(fā) 射結(jié)回路；輸出信號從晶體管的集電 極通過電容C2對地引出送負(fù)載電阻RL。 輸入信號為零時，電容對直流電 流相當(dāng)于開路，故信號源和負(fù)載不影 響放大電路的靜態(tài)工作點， 當(dāng)輸入信號不為零時，如果信號頻率足夠大，則大電容C1和C2的 阻抗遠(yuǎn)小于其所在回路的阻抗，相當(dāng)于短路。 電容通常是幾十個微法，保證對信號相當(dāng)于短路（簡稱為交流短路）、對直 流電源相當(dāng)于開路（簡稱為直流開路）。 例如，在音頻（20Hz20kHz）放大器中，若

20、耦合電容取值50F，其阻抗小于 160，與電阻比較耦合電容相當(dāng)于交流短路。電容耦合的缺點是不適合集成電 路工藝，放大電路不能集成化。 Rb1 Rc T vB +VCC Re iB iC RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 7.3.2 晶體管的低頻小信號模型晶體管的低頻小信號模型 晶體管的低頻小信號模型 ),( 1CEBBE vifv ),( 2CEBC vifi 式中vBE、iB、vCE和iC都是瞬時總量，包括直流電源引起的直流量和信號引起的 變化量（交流量）。 求全微分，得 CE I CE BE B V B BE BE dv v v di i v dv BCE CE

21、 I CE C B V B C C dv v i di i i di BCE + vBE vCE _ + _ iB iC iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=0V vCE?1V （c）輸出特性曲線 （b）輸入特性曲線 （a） 共射極連接 0 1 2 3 4 Vth Von Vth 0 vCE=0.5V iB=0?A 100 CE v/ V 2 4 6 8 截止區(qū) 放 大 區(qū) 100 80 60 40 20 飽和區(qū) iC /mA ICEO CE I CE BE B V B BE BE dv v v di i v dv BCE CE I CE C B V B C

22、 C dv v i di i i di BCE 在靜態(tài)工作點附近，微分量的系數(shù)是常數(shù)。令 , CE V B BE ie i v h , B I CE BE re v v h , CE V B C fe i i h B I CE C oe v i h 由于微分量dvBE、diB、dvCE、diC表示小信號變化量 ccebbe iviv、 所以， cerebiebe vhihv ceoebfec vhihi 晶體管的低頻晶體管的低頻小信號模型小信號模型: : T e b ib c + + + + _ _ _ _ vbe vbe ic vce b c e vce + _ hrevce hie ic

23、hfeib oe h 1 ib (b) (a) 2.h參數(shù)的物理意義 , CE V B BE ie i v h , B I CE BE re v v h , CE V B C fe i i h B I CE C oe v i h hie是晶體管輸出端交流短 路（vCE=VCEvce=0）時 b-e之間的交流輸入電阻， 常用rbe來表示，約為103 量級。 hre是晶體管輸入端交流 開路（iB=IBib=0）時的 反向電壓傳輸系數(shù)（無 量綱）,也稱為電壓反饋 系數(shù)。 iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE （a） hie的意義 0 VB 100 IB iB

24、(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE 0 VB 100 IB 斜率的倒數(shù) CE V B BE ie i v h B I CE BE re v v h 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CE v/ V （c）hfe的意義 （b） hre的意義 VC IB IC CE V B C fe i i h 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CE v/ V （d）hfe的意義 VC IB IC 斜率的倒數(shù) B I CE C oe v i h , CE V B BE i

25、e i v h , B I CE BE re v v h , CE V B C fe i i h B I CE C oe v i h hfe是晶體管輸出端交流短 路（vCE=VCEvce=0）時 的正向電流傳輸系數(shù)（無 量綱），等于電流放大系 數(shù)，約為102量級。 hoe是晶體管輸入端交流開 路（iB=IBib=0）時c-e之 間的輸出電導(dǎo)，常用1 / rce 表示，hoe很小，在放大電 路的簡化分析中，hoe常常 忽略不計。 h參數(shù)第一個下標(biāo)的含義是：i表示輸入，r表示反向傳輸，f表示正向傳輸，o表示 輸出。第二個下標(biāo)e表示是共發(fā)射極接法。 iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0

26、.5 1.0 vCE=VCE （a） hie的意義 0 VB 100 IB iB(A) vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE 0 VB 100 IB 斜率的倒數(shù) CE V B BE ie i v h B I CE BE re v v h 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CE v/ V （c）hfe的意義 （b） hre的意義 VC IB IC CE V B C fe i i h 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CE v/ V （d）hfe的意義 VC IB

27、IC 斜率的倒數(shù) B I CE C oe v i h 3.小信號模型的簡化和參數(shù)的確定 電壓受控源hre vce的電壓及輸出電阻1/ hoe很小，常忽略。故晶體管 的簡化小信號模型如圖7.3.5(b)所示。 圖中，用替換hfe，用rbe替換hie 在放大區(qū)內(nèi)，晶體管的電流放大倍數(shù)是常數(shù)，與晶體管的制造有 關(guān)。但是，rbe與靜態(tài)工作點有關(guān)，可以根據(jù)晶體管的物理結(jié)構(gòu)模型 導(dǎo)出rbe的計算公式。 (b) (a) + + _ _ vbe b c e vce + _ hrevce hie ic hfeib oe h 1 ib + + _ _ vbe b c e vce rbe ic ib ib rbe的

28、計算：的計算： rbb模擬從基極到發(fā)射結(jié)的基區(qū)體電阻，rbe 模擬發(fā)射結(jié)的正向?qū)娮?，re模擬發(fā)射區(qū) 的體電阻(遠(yuǎn)小于rbe)，rbc模擬集電結(jié)的反 向電阻，rc模擬集電區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rbc)。 ) 1( T BE V v SE eIi 發(fā)射結(jié)電流方程： 所以 E T V V S T Vv BE E eb I V eI V dv di r T BE BEBE 1 11 )1 ( ebb bb b eb e bb bbe ririririv 由圖73.6: )1 ( eb bb b be be rr i v r 小功率晶體管rbb200 300 ，常取200 。 EE T bb be I

29、mV I V rr )(26 )1 (200)1 ( 晶體管的結(jié)構(gòu)模型: b c b e rbb re rbe e Jc Je ib ic ie rbc rc 7.3.3 放大電路的小信號分析放大電路的小信號分析 應(yīng)用小信號模型分析晶體管放大電路，步驟如下： （1）令交流信號源不作用（交流電壓源短路、交流電流源開 路），得到僅有直流電源作用的直流非線性電路（電容開路、電 感短路），簡稱直流通路。 （2）求解晶體管的靜態(tài)工作點（分段模型法），據(jù)此計算晶體 管的交流輸入電阻rbe。 （3）令直流電源不作用（直流電壓源短路、直流電流源開路）， 得到僅有交流信號源作用的交流電路，簡稱為交流通路。用小信

30、 號模型代替晶體管，得到交流線性等效電路，簡稱為交流等效電 路。 （4）用線性電路的分析方法（時域方法或頻域方法等）求解交 流線性電路的相關(guān)參數(shù)。 前2步作靜態(tài)分析，后2步作動態(tài)分析（也稱為交流分析）。 以電容耦合共射極放大電路為例闡述分析步驟。 1靜態(tài)分析靜態(tài)分析 onBE VV eBeBEBEC RVRVVII/ )( CecCCCE IRRVV)( / CB II CC bb b B V RR R V 21 2 2.動態(tài)分析動態(tài)分析 (1)畫出放大電路的交流等效電路 交流通路： 直流電壓源短路直流電壓源短路，因為其端電壓變化量為零，對交流電流相當(dāng)于短路；直流電直流電 流源開路流源開路，因

31、為其電流變化量為零，對交流電流相當(dāng)于開路。 大電容短路，大電感開路大電容短路，大電感開路。 畫出小信號等效電路如下：畫出小信號等效電路如下： 直流電源對地短路，電容C1和C2短路，并用簡化小信號模型替代晶體管。 + ii RL b i c b + rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri i R Ro ie Rs + vs Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 vB vC （2） 放大電路的參數(shù)計算放大電路的參數(shù)計算 + i i RL b i c b + rbe RC Rb1 vi vo i b i

32、c _ _ Rb2 Re e Ri i R Ro i e Rs + vs 21 21b i b i i i b i b i bi R v R v R v R v R v ii ebei ibebebebbebeebebi RrR RiRriRiriRiriv )1 ( )1 ()1 ( i R( 是晶體管基極對地的輸入電阻) 21 111 1 bbi i i i RRR i v R )1 (/ 21 21ebebbibbi RrRRRRRR 輸入電阻輸入電阻Ri的計算的計算: （2） 放大電路的參數(shù)計算放大電路的參數(shù)計算 電壓增益電壓增益Av的計算的計算: )/( )/( Lc L L bLc

33、co RRR RiRRiv 電壓增益為 ebe L ebeb L b i o v Rr R Rri Ri v v A )1 ()1 ( 增益表達(dá)中的負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反相反。 + i i RL b i c b + rbe RC Rb1 vi vo i b i c _ _ Rb2 Re e Ri i R Ro i e Rs + vs （2） 放大電路的參數(shù)計算放大電路的參數(shù)計算 輸出電阻輸出電阻Ro的計算的計算: 令信號源電壓為零 00)1 ()/( 21 bbbebbbbs iiriiRRR ctctbctct RvRviRvii/ 所以輸出電阻為 c ct t v t t o

34、R Rv v i v R s / 0 + i i RL b i c b + rbe RC Rb1 vi vo i b i c _ _ Rb2 Re e Ri i R Ro i e Rs + vs + ii b i c b + rbe Rc Rb1 vi vt ib ic _ _ Rb2 Re e Ro ie Rs it （3） 電壓放大模型 輸出電壓對信號源電壓的增益為 is i ebe L is i v s i i o s o vs RR R Rr R RR R A v v v v v v A )1 ( Vi Vo + - - + ii io RS VS RL Ro Ri AVOVi + +

35、 - - 例7.3 共射極放大電路如圖7.3.7（a）所示。已知：晶體管是硅管，其=50； VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k；C1= C1=10F； vs=sint=sin2000t，Rs=0.5k；RL=12k。試計算放大電路的增益、輸入電阻和 輸出電阻；畫出vs、vB、vC和vo的波形。 解：(1)直流通路 )V(412 2040 20 21 2 CC bb b B V RR R VmARVVII eBEBEC 65. 12/ )7 . 04(/ )( VIRVV CcCCC 05. 765. 1312 VIRV EcE 3 . 365. 12 （2）

36、計算靜態(tài)工作點和rbe k mA mV I mV r E be 11000 65. 1 26 )501 (200 26 )1 (200 Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 vB vC Rb1 Rc T VB VC +VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC （3）小信號等效電路）小信號等效電路 電容的容抗很小，對交流電流相當(dāng)于短路。 （4）計算放大電路的增益、輸入電阻和輸出電阻 17. 1 2)501 (1 )12/3(50 )1 ( k kk Rr R A ebe L v kRrRRR ebebbi 8 .112)501

37、(1/20/40)1 (/ 21 kRR co 3 12. 1 8 .115 . 0 8 .11 17. 1 is i vvs RR R AA + ii RL b i c b + rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri i R Ro ie Rs + vs Rb1 Rc T +VCC Re RL vo + vs vi + Rs + Rb2 C2 C1 vB vC （5）畫出vs、vB、vC和vo的波形 ttv RR R vv s si i ib sin96. 0sin 5 . 08 .11 8 .11 tvVv tt vAvv tvVv cCC ivoc b

38、BB sin12. 105. 7 sin12. 1sin96. 017. 1 sin96. 04 圖中虛線表示直流分量，vo與vs相位相反。由于電容的隔 直作用，vo和vs不包含直流分量。 例7.4 共射極放大電路如圖所示。已知：晶體管是硅管，其=50； VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k，Rs=0.5k， RL=12k。假設(shè)電容足夠大，試計算放大電路的增益、輸入電阻和 輸出電阻。 krRRR bebbi 11/20/40/ 21 120 1 )12/3(50 be L v r R A 80 15 . 0 1 120 is i be L vs RR R r

39、R A kRR co 3 路 + i i RL b i c b + rbe Rc Rb1 vi vo i b i c _ _ Rb2 e Ri i R Ro i e Rs + vs 。 Rb1 Rc T +V CC Re RL vo + vs vi + R s + Rb2 C2 C1 Ce 解：根據(jù)例7.3， kr be 1 7.3.4 放大電路的大信號分析放大電路的大信號分析 當(dāng)輸入信號幅度較大時，晶體管的電流和電壓幅度 變化大，不能用靜態(tài)工作點的切線表示它們之間的 函數(shù)關(guān)系，故不能用小信號模型分析輸入大信號情 況下的放大電路，可采用圖解法分析之。 放大電路的大信號分析主要是確定最大不失真輸

40、出最大不失真輸出 幅度和定性分析非線性失真。幅度和定性分析非線性失真。 1.輸出交流負(fù)載線 交流通路：晶體管不能用小信號模型替換 。 交流負(fù)載線方程： )( LCLCCELCCCELcCEceCECE RiRIVRIiVRiVvVv 2.晶體管的電壓和電流波形晶體管的電壓和電流波形 ibe vv由交流通路： tVv imi sin設(shè)則 tVVvVvVv imBEiBEbeBEBE sin LCCEJ RIVV )( LCLCCELCCCELcCEceCECE RiRIVRIiVRiVvVv 交流負(fù)載線和晶體管電壓電流波形: 3.最大不失真輸出幅度 最大不失真輸出幅度為: ,min,min LC

41、CESCECEJCESCEomm RIVVVVVVV 最佳靜態(tài)工作點Q（VCE，IC）應(yīng)滿足下式： LCCESCE RIVV LCCEJ RIVV 4.非線性失真(以NPN型管為例) 2 6 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 4 0 iC /mA CE v / V IB IC VCE S VJ t 2 iC/mA 0 t 2 VCE 4 交流負(fù)載線 Q (a) 飽和失真 飽和失真：晶體管工作狀態(tài)進(jìn)入飽和區(qū)。 2 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 4 0 iC /mA CE v / V IB IC VCE S VJ t 2 iC/mA 0 t 2 VCE 4 交流負(fù)載

42、線 Q 6 (b) 截止失真 截止失真：晶體管工作狀態(tài)進(jìn)入截止區(qū)。 大信號失真：當(dāng)輸出電壓同時出現(xiàn)截頂和截底 7.3.5 放大電路的組成原則放大電路的組成原則 （1）適當(dāng)?shù)闹绷髌秒娐罚瑢⒂性丛迷诜糯髤^(qū)。對于晶體 管，偏置電路應(yīng)保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 （2）適當(dāng)?shù)男盘栺詈想娐?，保證輸入信號能作用于有源元件的輸 入回路，在負(fù)載上能獲得放大了的交流信號。 （3）適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，保證有足夠的最大不失真輸出信號幅度。 7.4 共集電極和共基極放大電路共集電極和共基極放大電路 7.4.1共集電極放大電路 1靜態(tài)分析 直流通路： eBBEbBeEBEbBCC RIVRIRIVRIV)1 (

43、VCC 靜態(tài)工作點: EeCCCE BE eb BECC B onBE IRVV II RR VV I VV )1 ( )1 ( 2動態(tài)分析動態(tài)分析 7.4.1共集電極放大電路 小信號等效電路： （1）輸入電阻）輸入電阻Ri )1 (/ )1 ()/( i i b i i L beiLe L bi L bbebLeebebi R v R v i RrRRRR iRRiriRRiriv 所以， )1 (/ 11 1 Lbebib ib i i i RrRRR RR i v R 2動態(tài)分析動態(tài)分析 （2 2）電壓增益）電壓增益Av和電流增益和電流增益Ai L bLeeo RiRRiv )1 ()/

44、( 電壓增益為： )1 ( )1 ( )1 ( )1 ( Lbe L Lbbeb Lb i o v Rr R Riri Ri v v A 通常， beL rR )1 ( 故共集電極放大電路的電壓增益約小于1，且輸出電壓與輸入電壓 相位相同，跟隨輸入電壓變化。因此，共集電極放大電路又稱為 射極跟隨器射極跟隨器。 電流增益為 1 / / L i v ii Lo i o i R R A Rv Rv i i A 2動態(tài)分析動態(tài)分析 （3 3）輸出電阻）輸出電阻R Ro o 在放大電路的小信號等效電路中， 令輸入信號源vs為零，去掉負(fù)載RL， 并作用測試電壓源vt，得到輸出電 阻的計算電路 e t sb

45、e t sbe t Rbbt R v Rr v Rr v iiii e 式中： bss RRR/ 1 / , 0 bes e e t sbe t sbe t t Rv t t o rR R R v Rr v Rr v v i v R Ls 7.4.2 共基極放大電路 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 直流通路 靜態(tài)工作點： CC bb b B V RR R V 21 2 1 E B I I )( ecCCCCE RRIVV eBEBEC RVVII/ )( 2動態(tài)分析動態(tài)分析 7.4.2 共基極放大電路 小信號等效電路： （1）輸入電阻）輸入電阻Ri: be i e i bReRi r v R v iiiii

46、 ee )1 ()1 ( 所以， 1 / 1 / 1 )1 ( 1 1 )1 ( be i ie be e beebe i e i i i i i r R RR r R rRr v R v v i v R （2 2）電壓增益）電壓增益Av 2動態(tài)分析動態(tài)分析 bebi riv LcLeco RiRRiv)/( 式中 , LcL RRR/ be L beb Lb beb L c i o v r R ri Ri ri Ri v v A 共基極放大電路的輸出電壓與輸入電壓相位相同，放大能力與共射 極放大電路相當(dāng)。 （3 3）輸出電阻）輸出電阻Ro 2動態(tài)分析動態(tài)分析 在小信號等效電路中，令輸 入信號

47、源vs為零，去掉負(fù)載RL， 并作用電壓源vt，得到輸出電阻 的計算電路。 00)1)(/()/( bbesbbeeesbbe iiRRiriRRir 所以， c ct t v t t o R Rv v i v R s / 0 例7.6 7.4.3 晶體管三種放大電路的比較晶體管三種放大電路的比較 1.三種放大電路的判別三種放大電路的判別 看放大電路中輸入信號加在晶體管的哪個極，輸出信號取自晶 體管的哪個極。 共射極放大電路電路中，輸入信號加在晶體管的基極，輸出信號取 自集電極； 共集電極放大電路中，輸入信號加在晶體管的基極，輸出信號取 自發(fā)射極； 共基極放大電路中，輸入信號加在晶體管的發(fā)射極，

48、輸出信號取 自集電極。 因此，未與輸入信號和輸出信號相連的電極既是公共電極。 2.共射、共基、共集電路比較 (3) 共基極放大電路共基極放大電路只能放大電壓不能放大電流，且具有很低的 輸入電阻，這使得晶體管的結(jié)電容影響不明顯，所以其頻率特性是 三種接法中最好的（見7.6節(jié)），常用于寬頻帶放大電路。 (1) 共射極放大電路共射極放大電路既能放大電壓又能放大電流， 輸入電阻和輸出 電阻在三種組態(tài)中居中，頻帶較窄，常用作低頻電壓放大電路中的 單元電路。 (2) 共集電極放大電路共集電極放大電路只能放大電流不能放大電壓，電壓放大倍數(shù) 小于且接近于1，具有電壓跟隨的特點，其輸入電阻大，輸出電阻 小，常被

49、用于多級放大電路的輸入級和輸出級，或作為隔離用的中 間級。 放大電路三種基本組態(tài)的比較表 7.5組合放大電路組合放大電路 7.5.1 共集共集-共基組合放大電路共基組合放大電路 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 CC bb b B V RR R V 21 2 2 3 221 1 )( b BBEBECC B R VVVV I 1112BCC III )( 221BEBCCCE VVVV 2222 )( CcBEBCE IRVVV 2.動態(tài)分析動態(tài)分析 7.5.1 共集共集-共基組合放大電路共基組合放大電路 交流通路： 小信號等效電路： （1） （2） 21 1 1 vv i o o o i o v AA v

50、v v v v v A 2.動態(tài)分析動態(tài)分析 7.5.1 共集共集-共基組合放大電路共基組合放大電路 由共集電路增益表達(dá)式（7.4.3a）和共基電路增益表達(dá)式（7.4.6），得 2 2 1 1 2 2 1 2 2 211 21 )1 ( )1 ( )/( )1 ( )1 ( )/( )1 ( )1 ( bebe Lc be Lc ibe i v rr RR r RR Rr R A 設(shè)1=2=，則 21 )/( bebe Lc v rr RR A 電壓增益：電壓增益： 2.動態(tài)分析動態(tài)分析 7.5.1 共集共集-共基組合放大電路共基組合放大電路 輸入電阻輸入電阻Ri： 輸入電阻等于第一級放大電路

51、的輸入電阻 )1 ( )1 ( /)1 (/ 2 2 1 1321131bebebibebii rrRRrRRR 設(shè)1=2=，則 )/( 2131bebebii rrRRR 輸出電阻等于第二級放大電路的輸出電阻，即 coo RRR 2 7.5.2 共集共集-共集組合放大電路共集組合放大電路 可以等效為一只晶體管，稱為復(fù) 合管（也稱為達(dá)林頓管） 1四種復(fù)合管四種復(fù)合管 (a) NPN+NPNNPN（第1個元件） (b) PNP+PNPPNP（第1個元件） 1四種復(fù)合管四種復(fù)合管 (c) NPN+PNPNPN（第1個元件） (d) PNP+NPNPNP（第1個元件） 等效晶體管的類型是第1個元件的

52、類型。 （1）復(fù)合管的組成原則 第1個元件的集電極電流或射極電流作第2個元件的基極電流， 真實電流方向一致。 晶體管組成復(fù)合管時，應(yīng)遵守下述兩條原則： 在正確的外加電壓下，每只晶體管均工作在放大區(qū)。 （2）復(fù)合管的主要參數(shù) 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) (a) NPN+NPNNPN（第1個元件） 以（a）圖為例： B BBEBBBCCC i iiiiiiiii )1 ( )1 ( 121 112111211221121 所以 212121121 )1 ( B C i i 復(fù)合管的電流放大系數(shù)近似等于每個管子的電流放大系數(shù)之乘積。 （2）復(fù)合管的主要參數(shù) 輸入電阻輸入電阻rbe (a)和(b)是由兩

53、只同類型的晶體管構(gòu)成的復(fù)合管，其輸入電阻為 211 )1 ( bebebe rrr (c)和(d)是兩只不同類型的晶體管構(gòu)成的復(fù)合管，其輸入電阻為 1bebe rr 2共集共集放大電路的動態(tài)參數(shù)共集共集放大電路的動態(tài)參數(shù) T1和T2是NPN管，復(fù)合為一只 NPN管，由前述分析，其電流放 大系數(shù)為： 21 )/)(1 ( )/)(1 ( Lebe Le i o v RRr RR v v A )/)(1 (/ Lebebi RRrRR 1 / / bebs eo rRR RR 復(fù)合管構(gòu)成的共集電極放復(fù)合管構(gòu)成的共集電極放 大電路的小信號等效電路：大電路的小信號等效電路： 7.6放大電路的頻率響應(yīng)放

54、大電路的頻率響應(yīng) 載流子通過發(fā)射射區(qū)、發(fā)射結(jié)、基區(qū)、集電結(jié)和集電區(qū)形成電流 時，出現(xiàn)電荷積累效應(yīng)，這種效應(yīng)可用皮法（10-12F）級的極間 電容模擬。 當(dāng)信號頻率過高或過低時，必須考慮晶體管極間電容或耦合電容 的影響。 當(dāng)頻率低于數(shù)兆赫茲時，電容效應(yīng)可忽略不計，晶體管的交流特 性可用低頻小信號模型模擬。 當(dāng)頻率足夠高時（具體頻率值取決于耦合電容的大?。詈想娙?（以及旁路電容）對信號相當(dāng)于短路。 7.6.1 晶體管的高頻小信號模型和頻率參數(shù)晶體管的高頻小信號模型和頻率參數(shù) 1晶體管的高頻小信號模型晶體管的高頻小信號模型 晶體管工作過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象可用右圖 的電路元件模擬。 rbb模擬從基

55、極到發(fā)射結(jié)的基區(qū)體電阻（約為幾十幾百歐姆）； Cbe是發(fā)射結(jié)電容（約為10pF幾百pF）；Cbc是集電結(jié)電容（約為幾個pF）； rbe模擬發(fā)射結(jié)的正向?qū)娮瑁?re模擬發(fā)射區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rbe)； rbc模擬集電結(jié)的反向電阻（約為100k100M）， rc模擬集電區(qū)的體電阻(遠(yuǎn)小于rbc)。 忽略re和rc，得到晶體管的高頻小信號模型： 受控源 ebmV g 模擬發(fā)射結(jié)電壓對集電極電流的控制作用， rce反映基區(qū)調(diào)制效應(yīng)（大于100k）。 2 2混合混合形模型的簡化形模型的簡化 在高頻小信號模型中，通常 情況下，rce遠(yuǎn)大于c-e間所 接的負(fù)載電阻，而rbc也遠(yuǎn) 大于并聯(lián)電容Cbc的容抗

56、， 因而可以將rce、rbc視為開 路，得到簡化的混合形模 型。 混合混合形模型形模型 簡化的混合簡化的混合形模型形模型 混合模型的單向化處理： 簡化的混合簡化的混合形模型形模型 因C跨接在輸入回路與 輸出回路之間，對求解不便， 可用密勒定理進(jìn)行通過單向 化處理。 單向化后的混合單向化后的混合模型模型 電容C通過的電流等于通過 C流出節(jié)點b的電流， 電容C通過的電流等于通 過C流出節(jié)點c的電流。 C和C稱為密勒電容。 簡化的混合簡化的混合形模型形模型 設(shè)C的容抗為X=1/C，C 的容抗為X=1/C。 單向化后的混合單向化后的混合模型模型 在簡化的混合形模型中， eb ce v ebvceeb

57、V V A jX VA jX VV I )1 ( 1 在單向化后的混合模型中， 1 jX V I eb CAC CACA X X v vv )1 ( )1 ( 11 1 所以， 單向化后的混合單向化后的混合模型模型 CAC v )1 ( 顯然，密勒電容C越大， 電路的高頻特性越差?？紤] C對放大電路頻率特性的最 壞影響，Av于取放大電路中 頻增益的絕對值（最大增 益），于是 CAC v )1 ( 同理，可以得到 C A A C v v 1 由上兩式可以看出， CC 且 C 的容抗一般要遠(yuǎn)大于 與其并聯(lián)的負(fù)載的阻抗，故 的作用可以忽略不計。 C 化簡化簡 圖中 CCC 3混合混合形模型參數(shù)與形模

58、型參數(shù)與h參數(shù)的關(guān)系參數(shù)的關(guān)系 低頻時，忽略C、C 的影響， 混合形模型簡化為: 低頻混合模型 h參數(shù)小信號模型 簡化混合模型 等效等效 E T bbbe I V rr)1 ( 0 ebbbbe rrr bebm IVg 0 bebeb IrV 所以， E T eb I V r)1 ( 0 T E ebbe b m V I rV I g 00 7.6.2 晶體管的頻率參數(shù)晶體管的頻率參數(shù) 簡化的混合模型 結(jié)電容C和C會影響晶體管 的電流放大系數(shù)。 在高頻情況下， 若 b I 的幅值不變，則隨著信號頻率的升高， b-e之間的阻抗將減小，使得電壓 eb V 的幅值也減小， 同時相移也增大，從而引起

59、集電極電流 c I 的大小隨 eb V 的下降而下降， 并產(chǎn)生與 eb V 相同的相移。 此可見，在信號的高頻段，當(dāng)信號頻率變化時， c I 與 b I 的關(guān)系也隨之變化， 是頻率的函數(shù)。 CE V B C fe i i h 0 b c ce V I I 計算電流放大系數(shù)計算電流放大系數(shù) 將c-e間交流短路（ )0 ce V )(j)/1( ebeb bb CCrV IIII CC ebebmebmc j VCVgIVgI C 所以， )(j)/1 ( j eb m CCr Cg I I b c 通常 , Cg m ， )(j1 )(j)/1 ( eb ebm eb m CCr rg CCr

60、g )(j1)(j)/1 ( eb ebm eb m CCr rg CCr g 考慮到 0 e bmr g 和 f2 ，得 )( 2 1 j1 )(j1 eb 0 eb 0 CCr f f f CCr 的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式為 )(1log10log20log20 2 0 f f f f arctan 由 的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式： ,)(1log10log20log20 2 0 f f f f arctan 可繪出 的幅頻特性和相頻特性曲線： f 是 的3dB頻率， 共射截止頻率。 簡稱為 fT是 1 對應(yīng)的頻率，稱為 共射特征頻率。 )(2 )( 2 eb 0 0 CC g CCr