模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-04雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)0

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)4.1BJT4.3放大電路的分析方法4.4放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題4.5共集電極放大電路和共基極放大電路4.2基本共射極放大電路4.6組合放大電路4.7放大電路的頻率響應*4.8單級放大電路的瞬態(tài)響應14雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)主要內(nèi)容·半導體三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理，及其構(gòu)成放大電路的三種組態(tài)·放大電路的靜態(tài)（直流工作狀態(tài)）與動態(tài)（交流工作狀態(tài)）·靜態(tài)工作點對非線性失真的影響·用H參數(shù)小信號模型計算共射極放大電路的主要性能指標·共集電極電路和共基極電路的分析計算·三極管放大電路的頻率響應24雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)基本要求（本章重點）了解半導體三極管的工作原理、特性曲線及主要參數(shù)了解靜態(tài)工作點與非線性失真的關(guān)系熟練掌握放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置和估算，以及用小信號模型分析法求解放大電路的動態(tài)指標掌握BJT放大電路三種組態(tài)的結(jié)構(gòu)及性能的特點掌握放大電路的頻率響應的基本概念了解各元件參數(shù)對放大電路的頻率響應性能的影響學時數(shù)1534.1BJT4.1.1BJT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)4.1.5溫度對BJT參數(shù)及特性的影響44.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管中國俗稱：三極管管的外面伸出三個電極由于三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

5集成電路中典型NPN型BJT的截面圖4.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介在一個晶片（硅或鍺）生成三個雜質(zhì)半導體區(qū)管芯結(jié)構(gòu)剖面圖6該結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)類似74.1.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介三個極兩個結(jié)兩種類型NPN型PNP型三個區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電極（C極）基極（B極）發(fā)射極（E極）集電結(jié)發(fā)射結(jié)箭頭表示發(fā)射結(jié)正偏時。發(fā)射結(jié)電流實際方向8BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)BJT結(jié)構(gòu)特點不對稱結(jié)構(gòu)9NPN型BJT與PNP型BJT的異同：1.電源電壓的極性相反2.產(chǎn)生的電流方向相反關(guān)于NPN型BJT的討論同樣適用于PNP型BJT，只用作以上兩項修改本課程僅討論NPN型BJT特性基本一樣只有以下兩點不同104.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理組成四種工作狀態(tài)：BJT內(nèi)部狀態(tài)分析：兩個結(jié)：集電結(jié)發(fā)射結(jié)兩個態(tài)：正向反向工作狀態(tài)發(fā)射結(jié)正向發(fā)射結(jié)反向集電結(jié)正向飽和倒置集電結(jié)反向放大截止主要討論放大狀態(tài)114.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.內(nèi)部載流子的傳輸過程（以NPN為例）

IE=IB+IC放大狀態(tài)下BJT中載流子的傳輸過程BJT放大的外部條件：

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大狀態(tài)內(nèi)部過程分析：

BJT外部電流關(guān)系：

124.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.內(nèi)部載流子的傳輸過程（以NPN為例）

集電區(qū)：收集載流子

發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子基區(qū)：傳送和控制載流子對電子而言：（注意與電流方向相反）ICBO集電結(jié)反向飽和電流不關(guān)聯(lián)載流子紅色箭頭是關(guān)聯(lián)載流子134.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.內(nèi)部載流子的傳輸過程（以NPN為例）

集電區(qū)：流進基區(qū)的電流

發(fā)射區(qū)：匯集基區(qū)和集電區(qū)電流基區(qū)：基區(qū)電流會同集電區(qū)電流共同流進發(fā)射區(qū)對電流而言：反著理解正著使用144.1.2放大狀態(tài)下BJT的工作原理1.內(nèi)部載流子的傳輸過程（以NPN為例）

集電區(qū)：收集載流子

發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子基區(qū)：傳送和控制載流子對電流而言：）反著理解正著使用15BJT電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE1進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB，多數(shù)擴散到集電結(jié)。IB16BECNNPEBRBEcIE從基區(qū)擴散來的電子漂移進入集電結(jié)而被收集，形成IC。IC2ICIB要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。BJT電流放大原理17BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBEICBO集電結(jié)反向飽和電流182.電流分配關(guān)系根據(jù)傳輸過程可知IC=ICN+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放大倍數(shù)等于1，好像沒放大？集電結(jié)反向飽和電流集電中受發(fā)射結(jié)電壓控制的電流表達發(fā)射到集電極電流的多少19根據(jù)IE=IB+ICIC=ICN+ICBO2.電流分配關(guān)系得：得：（穿透電流）20

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。2.電流分配關(guān)系發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子有一個發(fā)射到基區(qū)就有

個電子到達集電區(qū)電流放大IB控制ICBJT放大的核心表達式！牢牢記??！21基極像一個閘門控制由集電極流向發(fā)射極電流的大小223.三極管的三種組態(tài)(c)共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。(b)共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；(a)共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；BJT的三種組態(tài)以那個極為關(guān)于輸入輸出公共點，就是共那個極。23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

=0.98時，1KΩ將20Ω電阻的電流轉(zhuǎn)移到1000Ω電阻上恒流源輸出電壓和電壓放大倍數(shù)都和負載電阻成正比24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，然后到達集電極而實現(xiàn)的。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。（集電極電位＞基極電位＞發(fā)射極電位）254.1.3BJT的V-I特性曲線

iB=f(vBE)

vCE=const.

(2)當vCE≥1V時，vCB=vCE

-vBE>0，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。

(1)當vCE=0V時，相當于發(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）共射極連接工作壓降硅管

0.6~0.7V鍺管0.2~0.3V死區(qū)電壓:硅管0.5V,鍺管0.2V兩結(jié)都正偏曲線受Vce的影響很小曲線可用一條曲線表示26iC=f(vCE)

iB=const.2.輸出特性曲線輸出特性曲線三個區(qū)域分析4.1.3BJT的V-I特性曲線每個IB對應一條曲線此時曲線應為集電PN結(jié)反向飽和曲線所以有恒流特性反映IB對IC的控制27IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域?qū)谇€較平坦的部分發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏IC=

IB，基本不隨UCE變化稱為放大區(qū)或線性區(qū)三極管放大區(qū)的特性放大區(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。28IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏IB=IC的關(guān)系不成立UCE0.3V且小于UBE稱為飽和區(qū)。三極管飽和區(qū)的特性此區(qū)域?qū)谇€快速上升的部分飽和區(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。29IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓稱為截止區(qū)三極管截止區(qū)的特性此區(qū)域?qū)贗B<0的部分截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，vBE小于死區(qū)電壓。30三極管的工作狀態(tài)判別1

.結(jié)電壓判別法

PN結(jié)工作狀態(tài)發(fā)射結(jié)集電結(jié)放大正偏：UBE>0反偏：UBC<0截止反偏：UBE≤0反偏：UBC<0飽和正偏：UBE>0正偏：UBC≥0倒置反偏：UBE<0正偏：UBC>031工作狀態(tài)電流極發(fā)射極集電極基極放大截止飽和2

.極電流判別法飽和時IB上升速率大于IC上升速率，此時集電結(jié)反壓小，收集電子能力較差。32BJT放大過程總結(jié)用電壓（電流）調(diào)節(jié)發(fā)射結(jié)電場，導致通過反射結(jié)的電子量變化。利用PN結(jié)的正向調(diào)節(jié)作用由于集電結(jié)流過的是反向飽和電流，電流有一定的恒定性質(zhì)，不隨集電結(jié)電壓變化。恒流作用保持被控量不變。充分利用PN結(jié)正向時的電阻調(diào)節(jié)作用和反向的電流恒定作用。設(shè)計的三極管結(jié)構(gòu)將控制量與被控量分開。將基極做的很薄，使發(fā)射結(jié)過來的電子大部分被集電結(jié)收集。旁路作用分離被控量33

(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

vCE=const.1.電流放大系數(shù)

4.1.4BJT的主要參數(shù)與iC的關(guān)系曲線

(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=

iC/

iB

vCE=const.341.電流放大系數(shù)

(3)共基極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

(4)共基極交流電流放大系數(shù)α

α=

iC/

iE

vCB=const.當ICBO和ICEO很小時，≈

、≈

，可以不加區(qū)分。4.1.4BJT的主要參數(shù)35

2.極間反向電流

(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時，集電結(jié)的反向飽和電流。

4.1.4BJT的主要參數(shù)36

(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

4.1.4BJT的主要參數(shù)

2.極間反向電流37(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

（雙曲線）

3.極限參數(shù)4.1.4BJT的主要參數(shù)紅色禁區(qū)加散熱措施可以擴大使用區(qū)域38

3.極限參數(shù)4.1.4BJT的主要參數(shù)(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)EBO394.1.5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。

2.溫度對BJT特性曲線的影響1.溫度對BJT參數(shù)的影響end雪崩擊穿有正溫度系數(shù)404.2基本共射極放大電路4.2.1基本共射極放大電路的組成4.2.2基本共射極放大電路的工作原理414.2.1基本共射極放大電路的組成基本共射極放大電路424.2.2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

各點電位，各路電流434.2.2基本共射極放大電路的工作原理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的變化。

交流通路end只考慮動態(tài)時將直流電源和隔直電容短路，加入非線性器件的引入的動態(tài)電阻等444.3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45何謂靜態(tài)工作點：未加信號時電路各點的電流電壓反映電路的原始狀態(tài)靜態(tài)工作點要保證加載動態(tài)信號后電路仍工作在線性區(qū)46靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)——時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。動態(tài)——時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。474.3.1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。共射極放大電路輸入端管外電路輸出端管外電路管內(nèi)電路線性電路與非線性器件分離用圖解法求工作狀態(tài)48Rb+VCCVBBRcC1C2T基極電源與基極電阻作用：使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當?shù)撵o態(tài)工作點。集電極電源，為電路提供能量，并保證集電結(jié)反偏。集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?9基本組成如下：

三極管T——

負載電阻Rc

、RL——

偏置電路VCC

、Rb——

耦合電容C1、C2——起放大作用。將變化的集電極電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。提供電源，并使三極管工作在線性區(qū)。輸入耦合電容C1保證信號加到發(fā)射結(jié)，不影響發(fā)射結(jié)偏置。輸出耦合電容C2保證信號輸送到負載，不影響集電結(jié)偏置。(1)共發(fā)射極組態(tài)交流基本放大電路的組成

圖06共發(fā)射極組態(tài)交流基本放大電路

504.3.1圖解分析法1.靜態(tài)工作點的圖解分析

列輸入回路方程

列輸出回路方程（直流負載線）

VCE=VCC－iCRc

首先，畫出直流通路直流通路51

在輸出特性曲線上，作出直流負載線VCE=VCC－iCRc，與IBQ曲線的交點即為Q點，從而得到VCEQ

和ICQ。

在輸入特性曲線上，作出直線

，兩線的交點即是Q點，得到IBQ。52

根據(jù)vs的波形，在BJT的輸入特性曲線圖上畫出vBE

、iB

的波形2.動態(tài)工作情況的圖解分析53

根據(jù)iB的變化范圍在輸出特性曲線圖上畫出iC和vCE

的波形2.動態(tài)工作情況的圖解分析542.動態(tài)工作情況的圖解分析

共射極放大電路中的電壓、電流波形553.靜態(tài)工作點對波形失真的影響截止失真的波形工作點偏低出現(xiàn)截止失真當動態(tài)信號只在靜態(tài)工作點上方時，此靜態(tài)工作點可以用。56飽和失真的波形3.靜態(tài)工作點對波形失真的影響靜態(tài)工作點偏高當動態(tài)信號只在靜態(tài)工作點下方時，此靜態(tài)工作點可以用。靜態(tài)工作點的選擇的關(guān)鍵是要保證輸出信號范圍與放大區(qū)重合，如果超出則失真57交流負載線

交流負載線確定方法：

1.通過輸出特性曲線上的Q點做一條直線，其斜率為-1/R'L

。

2.R'L=

RL∥Rc，

是交流負載電阻。

3.交流負載線是有交流輸入信號時Q點的運動軌跡。

4.交流負載線與直流負載線相交Q點。

圖11放大電路的動態(tài)

工作狀態(tài)的圖解分析58②放大電路的最大不失真輸出幅度

放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：

1.工作點Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位；

2.要有合適的交流負載線。

放大器的最大不失真輸出幅度594.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。604.3.2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。611.BJT的H參數(shù)及小信號模型

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=constiC=f(vCE)

iB=const可以寫成：BJT雙口網(wǎng)絡(luò)62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。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+hoevce1.BJT的H參數(shù)及小信號模型

H參數(shù)的引出631.BJT的H參數(shù)及小信號模型

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+hoevceBJT雙口網(wǎng)絡(luò)641.BJT的H參數(shù)及小信號模型

H參數(shù)小信號模型

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。651.BJT的H參數(shù)及小信號模型

模型的簡化

hre和hoe都很小，常忽略它們的影響。

BJT在共射極連接時，其H參數(shù)的數(shù)量級一般為661.BJT的H參數(shù)及小信號模型

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

則

而

(T=300K)

一般也用公式估算rbe

（忽略r′e

）674.3.2小信號模型分析法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。682.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路（2）畫小信號等效電路H參數(shù)小信號等效電路692.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路（3）求放大電路動態(tài)指標根據(jù)則電壓增益為（可作為公式）電壓增益H參數(shù)小信號等效電路702.用H參數(shù)小信號模型分析基本共射極放大電路（3）求放大電路動態(tài)指標輸入電阻輸出電阻令Ro=Rc

所以713.小信號模型分析法的適用范圍4.3.2小信號模型分析法放大電路的輸入信號幅度要小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)。723.小信號模型分析法的適用范圍優(yōu)點：分析放大電路的動態(tài)性能指標(Av

、Ri和Ro等)非常方便。4.3.2小信號模型分析法缺點：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。且適用于頻率較高時的分析不能用來分析計算靜態(tài)工作點73共射極放大電路