第3章 半導(dǎo)體三極管及其放大電路課件

第3章晶體三極管及其放大電路1/14/2023基本要求1）熟悉晶體三極管結(jié)構(gòu)、工作原理及特性曲線；2）掌握基本放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，即靜態(tài)工作點(diǎn)和交流性能參數(shù)（電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻）的計(jì)算；多級(jí)放大電路的分析和計(jì)算；3）了解放大電路的頻率特性等。1/14/20233.1晶體三極管

3.1.1晶體三極管的分類及結(jié)構(gòu)

晶體三極管通常簡(jiǎn)稱為三極管，也稱為晶體管和半導(dǎo)體三極管。

采用光刻、擴(kuò)散等工藝在同一塊半導(dǎo)體硅(鍺)片上摻雜形成三個(gè)區(qū)、兩個(gè)PN結(jié)，并引出三個(gè)電極。由兩個(gè)N區(qū)夾一個(gè)P區(qū)結(jié)構(gòu)的三極管稱為NPN型晶體管；由兩個(gè)P區(qū)夾一個(gè)N區(qū)結(jié)構(gòu)的三極管稱為PNP型晶體管。

圖3-1常用三極管的外形及管腳排列1/14/2023圖3-2三極管的結(jié)構(gòu)示意圖及其符號(hào)

1/14/2023

三極管都有三個(gè)區(qū)：基區(qū)、集電區(qū)和發(fā)射區(qū)；兩個(gè)PN結(jié)：集電區(qū)和基區(qū)之間的PN稱為集電結(jié)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)；三個(gè)電極：基極b、集電極c和發(fā)射極e。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電區(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)低，且集電區(qū)面積比發(fā)射區(qū)大，基區(qū)摻雜濃度很低且很薄，符號(hào)中的箭頭方向是表示發(fā)射極電流的實(shí)際流向。1/14/20233.1.2三極管的工作原理

1.三極管放大交流信號(hào)的外部條件

要使三極管正常放大交流，要求：發(fā)射結(jié)外加正向電壓（正偏），集電結(jié)外加反向電壓（反偏），對(duì)于NPN管，，；對(duì)于PNP管，，。為此，利用兩個(gè)電源、來(lái)實(shí)現(xiàn)正確偏置，如圖3-3所示。1/14/20232.晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)過(guò)程

①發(fā)射區(qū)的電子向基區(qū)運(yùn)動(dòng)

如圖3-3所示。由于發(fā)射結(jié)外加正向電壓，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，所以發(fā)射區(qū)的多子—自由電子不斷越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)，形成了發(fā)射區(qū)電流（電流的方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反）。同時(shí)電源向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子，形成電流。而此時(shí)基區(qū)的多子—空穴也會(huì)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，形成空穴電流。但由于基區(qū)摻雜濃度低，空穴濃度小，很小，可忽略不計(jì)，故基本上等于發(fā)射極電流。

②發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合當(dāng)發(fā)射區(qū)的電子到達(dá)基區(qū)后，由于濃度的差異，并且由于基區(qū)很薄，電子很快運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)。在擴(kuò)散過(guò)程中有一部分電子與基區(qū)的空穴相遇而復(fù)合，同時(shí)，電源不斷向基區(qū)補(bǔ)充空穴，形成基區(qū)復(fù)合電流。由于基區(qū)摻雜濃度低且薄，故復(fù)合的電子很少，亦即很小。

ENI1/14/2023③集電區(qū)收集發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子由于集電結(jié)加反向電壓，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，所以基區(qū)中擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子－少子，在電場(chǎng)力作用下，幾乎全部漂移過(guò)集電結(jié)，到達(dá)集電區(qū)，形成集電極電流。同時(shí)，集電區(qū)少子—空穴和基區(qū)本身的少子—電子，也要向?qū)Ψ阶銎七\(yùn)動(dòng)，形成反向飽和電流。的數(shù)值很小，一般可忽略。但由于是由少子形成的電流，稱為集電結(jié)反向飽和電流，方向與一致，該電流與外加電壓關(guān)系不大，但受溫度影響很大，易使管子工作不穩(wěn)定，所以在制造管子時(shí)應(yīng)設(shè)法減少。

1/14/20233.三極管的電流分配關(guān)系(3-4)(3-3)(3-2)(3-1)1/14/2023三極管的組態(tài)

三極管有三個(gè)電極，可視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其中兩個(gè)電極構(gòu)成輸入端口、兩個(gè)電極構(gòu)成輸出端口，輸入、輸出端口公用某一個(gè)電極。根據(jù)公共電極的不同，三極管組成的放大電路有3種連接方式，通常稱為放大電路的三種組態(tài)，即共基極、共發(fā)射極和共集電極電路組態(tài)，如圖3-4所示。1/14/20233.1.3三極管的放大作用

在實(shí)際應(yīng)用中利用三極管放大電路放大微弱信號(hào)，其原理電路如圖3-5a所示，實(shí)際電路中常取，于是有圖3-5b所示習(xí)慣畫法的共射極放大電路圖。1/14/2023放大的原理1/14/2023放大的實(shí)質(zhì)

放大電路實(shí)質(zhì)上是放大器件的控制作用，三極管就是一個(gè)電流控制電流器件，由微弱的基極電流，控制較大的集電極電流，放大作用是針對(duì)變化量而言的，放大的能量是由直流電源供給。

1/14/20233.1.4三極管的特性曲線及主要參數(shù)

3.1.4.1三極管的特性曲線

晶體三極管的特性曲線是指其各電極間電壓和電流之間的關(guān)系曲線，包括輸入特性曲線和輸出特性曲線，它們是三極管內(nèi)部特性的外部表現(xiàn)，是分析放大電路的重要依據(jù)。

1.輸入特性曲線對(duì)于圖3-6所示測(cè)試電路，輸入特性曲線是指在集射極電壓為一定值時(shí)，輸入基極電流與輸入基射極電壓之間的關(guān)系曲線(3-21)1/14/2023飽和區(qū)截止區(qū)過(guò)功耗區(qū)放大區(qū)1/14/2023輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域1/14/20233.1.4.2三極管的主要參數(shù)

1．電流放大倍數(shù)1）直流電流放大系數(shù)2）交流電流放大系數(shù)2．極間反向電流

1）集電極－基極之間的反向飽和電流

2）集電極－發(fā)射極之間的穿透電流

3．集電極最大允許電流4．集電極－發(fā)射極之間反向擊穿電壓5．集電極最大允許功率損耗1/14/20233.2三極管放大電路的基本分析方法

三極管構(gòu)成的放大電路也有三種組態(tài)：共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路，如圖3-11所示。

基極輸入集電極輸出基極輸入發(fā)射電極輸出發(fā)射極輸入集電極輸出1/14/20233.2.2共發(fā)射極放大電路的組成

1/14/2023電路與波形1/14/20232．各元器件的作用

1/14/20231/14/20233.基本放大電路中電壓和電流的表示方法

1/14/20233.2.3共發(fā)射極放大電路的分析

三極管放大電路的分析包括靜態(tài)(直流)分析和動(dòng)態(tài)(交流)分析，其分析方法有圖解法和微變等效分析法。圖解法主要用于大信號(hào)放大器分析，微變等效分析法用于低頻小信號(hào)放大器的動(dòng)態(tài)分析。1/14/20233.2.3.1圖解法

1.直流通路和交流通路

當(dāng)時(shí)，放大電路處于靜態(tài)，直流電路流經(jīng)的通路稱為放大電路的直流通路。通過(guò)直流通路為放大電路提供直流偏置，建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。畫直流通路時(shí)應(yīng)令交流信號(hào)源為零(交流電壓源短路，交流電流源開路)，保留其內(nèi)阻；相關(guān)電容器開路，電感短路。當(dāng)時(shí)，放大電路處于動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，交流電流流經(jīng)的通路稱為放大器的交流通路。

畫交流通路時(shí)，令直流電源為零(直流電壓源短路，直流電流源開路)，保留其內(nèi)阻；令電抗很小的大容量電容和小電感短路；令電抗很大的小容量電容和大電感開路；保留電抗不可忽略的電容或電感。

1/14/20232．靜態(tài)分析

在時(shí)，放大電路只有直流電源作用，放大電路的這種狀態(tài)稱為靜態(tài)，對(duì)直流通路的分析稱為靜態(tài)分析。用作圖的方法求得Q點(diǎn)的值。其步驟如下：1）給定晶體三極管的輸入特性和輸出特性，由放大電路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在輸入特性上作出這條直線。根據(jù)圖3-14b由KVL得則1/14/20232）由直流通路得到直流負(fù)載線IC＝f（UCE），并在晶體管的輸出特性上作出這條直線。根據(jù)圖3-14b由KVL得

(3-25)1/14/20231/14/20231/14/20232．動(dòng)態(tài)分析

在的情況下對(duì)放大電路進(jìn)行分析，稱為放大電路的動(dòng)態(tài)分析。1）交流通路及交流負(fù)載線1/14/2023輸出回路的瞬時(shí)電壓為式中

1/14/20231/14/20231/14/20231/14/2023晶體三極管各極間的電壓和電流均為直流和交流的分量

電壓放大倍數(shù)的計(jì)算：

放大電路的電壓放大倍數(shù)等于輸出電壓相量與輸入電壓相量的比值。1/14/20234)非線性失真

1/14/20234)非線性失真1/14/2023雙向失真

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)合適但輸入信號(hào)幅度過(guò)大時(shí)，在輸入信號(hào)的正半周三極管會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)；而在負(fù)半周，三極管進(jìn)入截止區(qū)，于是在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形正負(fù)半周都被切削，輸出電壓波形近似梯形波，這種情況為雙向失真。為了消除雙向失真，應(yīng)減小輸入信號(hào)的幅度。1/14/20231/14/20233.2.3.2微變等效電路法

三極管是一個(gè)非線性器件，由三極管組成的放大電路屬于非線性電路，不能簡(jiǎn)單地直接采用線性電路的分析方法進(jìn)行分析。由圖3-18可見，當(dāng)輸入交流信號(hào)時(shí)，工作點(diǎn)在之間移動(dòng)，若該信號(hào)為低頻小信號(hào)，則將在三極管特性曲線的線性范圍內(nèi)移動(dòng)，因此可將三極管視為一個(gè)線性二端口網(wǎng)絡(luò)，并采用線性網(wǎng)絡(luò)的H參數(shù)表示三極管輸入、輸出電流和電壓的關(guān)系，從而把包含三極管的非線性電路變成線性電路，然后采用線性電路的分析方法分析三極管放大電路。這種方法稱為H參數(shù)等效電路分析法，又稱為微變等效電路分析法。1/14/2023微變等效電路法的分析步驟

1）認(rèn)識(shí)電路。包括電路中各元器件的作用、放大器的組態(tài)和直流偏置電路等，這是電子線路讀圖的基礎(chǔ)；2）正確畫出放大器的交流、直流通路圖；3）在直流通路的基礎(chǔ)上，求靜態(tài)工作點(diǎn)；4)在交流通路圖的基礎(chǔ)上，畫出小信號(hào)等效（如H參數(shù)）電路圖；5）根據(jù)定義計(jì)算電路的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，其中關(guān)鍵在于用電路中的已知量表示待求量。1/14/20231．估算法計(jì)算靜態(tài)值

時(shí)，放大電路只有直流電源作用，電容相當(dāng)于開路，放大電路的這種狀態(tài)稱為靜態(tài)，對(duì)應(yīng)的電路稱為直流通路，對(duì)直流通路的分析稱為靜態(tài)分析。由圖3-20b的直流通路可得

1/14/20232．動(dòng)態(tài)分析

1/14/2023H參數(shù)及其物理意義(3-30)

對(duì)上述方程取全微分得

由三極管輸入輸出參數(shù)得

(3-31)

在輸入信號(hào)為低頻小信號(hào)的情況下，可以用交流分量代替相應(yīng)的電流和電壓增量，則式(3-31)可改寫為

(3-32)

1/14/2023為晶體管輸出端交流短路時(shí)晶體管的輸入電阻，單位為歐姆（Ω）為晶體管輸入端交流開路時(shí)反向電壓傳輸比，無(wú)量綱為晶體管輸出端交流短路時(shí)電流放大系數(shù)，無(wú)量綱為晶體管輸入端交流開路時(shí)的輸出導(dǎo)納，其單位為西門子（S）1/14/2023式（3-32）方程組也可寫成矩陣形式

(3-33)(3-34)

(3-35)

(3-36)

1/14/20232.放大電路的微變等效電路

在畫放大電路的微變等效電路時(shí)，首先令圖3-20a所示放大電路中的耦合電容、交流旁路電容交流短路，令其直流電壓源交流接地，得到如圖3-22a所示放大器的交流通路，然后將三極管用圖3-21c所示的H參數(shù)等效電路來(lái)代替三極管符號(hào)，即可得到如圖3-22b所示放大電路的微變等效電路。

由于被放大的交流輸入信號(hào)ui為正弦量，若已選擇了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，則三極管工作在線性區(qū)域，各電極交流電壓和電流均為同頻率的正弦信號(hào)，且用相量表示。1/14/20231/14/20233．放大電路動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的計(jì)算

(3-37)輸入電壓為

電壓放大倍數(shù)為

(3-38)1/14/2023（2）輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

在圖3-22b所示的電路中，放大電路相對(duì)于信號(hào)源而言相當(dāng)于負(fù)載，可用電阻Ri代替，即放大電路的輸入電阻。放大電路相對(duì)于負(fù)載而言相當(dāng)于信號(hào)源，可用戴維南(或若頓)定理等效為電壓源和內(nèi)阻串聯(lián)(或電流源和內(nèi)阻并聯(lián))的形式，其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻。由圖3-22b可知

放大器的輸入電阻為

1/14/2023放大器輸出電阻

(3-40)

對(duì)于一個(gè)放大電路來(lái)說(shuō)，輸入電阻越大越好，輸出電阻小低越好。

1/14/20233.3放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

3.3.1溫度對(duì)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的影響

固定偏置放大電路的優(yōu)點(diǎn)是電路組件少，電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)整。對(duì)于圖3-14a所示的共發(fā)射極放大電路，電路的優(yōu)點(diǎn)是電路組件少，電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)整。但由于，當(dāng)電源電壓和偏置電阻確定后，基極電流就為某一常數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度變化、電源電壓波動(dòng)或組件參數(shù)變化時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)將不穩(wěn)定，尤其是溫度變化引起Q點(diǎn)漂移。1/14/20231/14/20233.3.2分壓偏置式共發(fā)射極放大電路

各元件的作用1/14/2023穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理T↑↑↑↑↑↓↓↓bCBOICQIEEQRI)(EEQBQBEQRIUU-=BQICQIT+_+__b1Rb2RI1I2BQIBEQUBQUCCU+CEQUEQICQICReR1/14/2023基極電位為

（3-41）工程應(yīng)用中各電極電流和電壓的選擇如下

（3-42）2.靜態(tài)工作點(diǎn)的估算1/14/2023由直流通路可知，

(3-43)1/14/2023根據(jù)三極管電流分配原理，可得基極電流為

(3-44)集射極電壓為

(3-45)由式(3-42)、(3-43)、(3-44)及(3-45)可估算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

1/14/20233．動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算

1）電壓放大倍數(shù)

(3-46)

1/14/20232）輸入電阻、輸出電阻

由KCL得

于是(3-48)

1/14/2023旁路電容Ce的影響

如果將圖3-24a的電容去掉，其直流通路沒有變化，其交流通路和微變等效電路如圖3-26所示。電路的電壓放大倍數(shù)為(3-49)1/14/2023由圖3-26b可得無(wú)旁路電容時(shí)分壓偏置放大電路得輸入電阻為

(3-50)1/14/2023應(yīng)用示例解：

1)選擇電路方案。由于本例需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易光控開關(guān)，因此選用例3-11圖所示共發(fā)射極放大電路。其中圖a為驅(qū)動(dòng)一只LED(或其他小燈泡)；圖b為驅(qū)動(dòng)一個(gè)繼電器(開關(guān))，由繼電器的觸點(diǎn)的接通與否去控制其他負(fù)載，圖中二極管D的作用是當(dāng)三極管T從飽和到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，吸收繼電器線圈的反峰壓，從而保護(hù)三極管不被擊穿。1/14/20231/14/20231/14/20231/14/2023BJT應(yīng)用電路例11/14/2023BJT應(yīng)用電路例21/14/2023BJT應(yīng)用電路例31/14/20233.4共集電極放大電路及共基極放大電路

3.4.1共集電極放大電路

共集電極放大電路如圖3-27所示，由于輸出取自集電極，故也稱射級(jí)輸出器。由其交流通路來(lái)看，從基極輸入發(fā)射極輸出，輸入輸出公用集電極，故稱為共集電極放大電路。1/14/20231．靜態(tài)分析

由圖3-27b可得由于

(3-51)(3-52)(3-53)由上述三式確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

1/14/20232．動(dòng)態(tài)分析

（1）電壓放大倍數(shù)

（RL＝Re//RL）1/14/2023輸入電壓為

電壓放大倍數(shù)為

(3-54)（2）輸入電阻

(3-55)1/14/2023（3）輸出電阻

其中共集電極放大電路的輸出電阻為

1/14/2023

(3-56)1/14/2023提高輸入電阻和降低輸出電阻方法

1/14/20233.4.2共基極放大電路

共基極放大電路如圖3-30a所示，其輸入信號(hào)由發(fā)射極輸入，輸出電壓取自集電極。由圖3-31a所示交流流通路可見，輸入回路和輸出回路共享基極，故稱為共基極放大電路。

1．靜態(tài)分析

1/14/20232．動(dòng)態(tài)分析

共基極放大電路的微變等效電路如圖3-31b所示。

（1）電壓放大倍數(shù)

(3-57)1/14/2023（2）輸入電阻

(3-58)共基極放大電路的輸入電阻很小

（3）輸出電阻

(3-59)總之共基極放大電路的電壓放大倍數(shù)較高，輸入電阻低，輸出電阻高，主要用與高頻電路和恒流源電路。1/14/20233.5多級(jí)放大電路

1．多級(jí)放大電路的組成1/14/20233.5.1多級(jí)放大電路的級(jí)間耦合

2．多級(jí)放大電路的耦合方式

在多級(jí)放大電路中，將把級(jí)與級(jí)之間的連接方式稱為耦合方式。而級(jí)與級(jí)之間耦合時(shí)，必須滿足：（1）耦合后，各級(jí)電路仍具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；（2）保證信號(hào)在級(jí)與級(jí)之間能夠順利地傳輸；（3）耦合后，多級(jí)放大電路的性能指標(biāo)必須滿足實(shí)際的要求。

為了滿足上述要求,一般常用的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合。1/14/20231）阻容耦合

1/14/2023阻容耦合放大電路的特點(diǎn)：

(1)因電容具有“隔直”作用，所以各級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響。這給放大電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)了很大的方便。此外，還具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。(2)因電容對(duì)交流信號(hào)具有一定的容抗，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，會(huì)受到一定的衰減。尤其對(duì)于變化緩慢的信號(hào)容抗很大，不便于傳輸。此外，在集成電路中，制造大容量的電容很困難，所以這種耦合方式下的多級(jí)放大電路不便于集成。

1/14/20232）直接耦合

為了避免在信號(hào)傳輸過(guò)程中，耦合電容對(duì)緩慢變化的信號(hào)帶來(lái)不良影響，也可以把級(jí)與級(jí)之間直接用導(dǎo)線連接起來(lái)，這種連接方式稱為直接耦合。1/14/20233）變壓器耦合

放大器的級(jí)與級(jí)之間通過(guò)變壓器連接的方式稱為變壓器耦合。其電路如圖3-35所示。變壓器耦合電路多用于低頻放大電路中，變壓器可以通過(guò)電磁感應(yīng)進(jìn)行交流信號(hào)的傳輸，并且可以進(jìn)行阻抗匹配，以使負(fù)載得到最大功率。1/14/20234）光電耦合

光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起，通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電一光和光一電的轉(zhuǎn)換器件。圖3-36a所示為常用的三極管型光電耦合器(4N25)原理圖。當(dāng)電信號(hào)施加道光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，光敏三極管受到光照后飽和導(dǎo)通，產(chǎn)生電流。；當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止。

1/14/2023光電耦合開關(guān)電路

1/14/2023紅外光耦合話筒電路

1/14/20233.4.2

多級(jí)放大電路的分析和計(jì)算

1.電壓增益(3-60)1/14/20231/14/20233.6放大電路的頻率響應(yīng)

3.6.1頻率響應(yīng)基本概念

、RC低通電路的頻率特性1.RC低通電路(3-6