模擬電子答案

1、第4章 晶體三極管及其放大電路本章主要內(nèi)容：l 晶體三極管的工作原理l 放大電路的組成原則l 放大電路的分析方法l 放大電路的三種組態(tài)l 放大電路的頻率響應(yīng)4.1 晶體三極管一、晶體三極管的結(jié)構(gòu)、類型、內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)過程1、 結(jié)構(gòu)、名稱：2、 類型：3、 典型條件下內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)過程：條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏(1)發(fā)射區(qū)發(fā)射多子：因發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多子（電子）向基區(qū)擴(kuò)散（基區(qū)的多子亦向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但因基區(qū)多子濃度很低，此部分可忽略不計(jì)），并形成發(fā)射區(qū)、發(fā)射極電流（IEN，擴(kuò)散電流）。(2)多子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合：發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的多子存在濃度差，繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，在此過程中，少部分與基區(qū)的少

2、子（空穴）復(fù)合，在基極外電壓作用下，補(bǔ)充復(fù)合的空穴，形成基極電流（IBN），因基區(qū)很窄，此電流亦很?。皇Ｏ碌拇蟛糠?jǐn)U散到集電結(jié)附近。(3)集電區(qū)收集多子：因集電結(jié)反偏，在此外加的反向電壓的作用下，擴(kuò)散來的多子（電子）漂移到集電區(qū)（集電區(qū)的少子亦漂移到基區(qū)，但集電區(qū)濃度較低，形成的電流亦較?。?，形成集電區(qū)、集電極的主要電流（ICN，漂移電流）。二、三極管的電流放大特性1、 近似條件下的電流關(guān)系：忽略基區(qū)的擴(kuò)散電流、集電區(qū)的漂移電流，則：，則：。若將三極管看作一個(gè)電流節(jié)點(diǎn)，依KCL：定義：直流電流放大系數(shù)： 2、 考慮集電區(qū)漂移情況下的電流關(guān)系：若考慮集電結(jié)反偏、集電區(qū)的少子漂移產(chǎn)生的電流ICBO

3、（仍忽略基區(qū)的擴(kuò)散電流），則：，仍符合KCL。，根據(jù)此式，有如下結(jié)論：(1)若忽略ICBO，則(2)令I(lǐng)B=0，即基極開路，則：，其物理意義是：在基極開路，集電極與發(fā)射極外加反向電壓時(shí)，C-E間仍有電流，定義此電流為ICEO，并稱其為穿透電流。其形成原理如下：A在集電極與發(fā)射極間外加反向電壓的情況下，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)串聯(lián)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子（電子），集電區(qū)向基區(qū)漂移少子（空穴）；B發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的多子（電子）在擴(kuò)散過程中與基區(qū)的多子（空穴）復(fù)合，此時(shí)，由于基極開路，由集電區(qū)漂移到基區(qū)的少子（空穴）填補(bǔ)了為維持基區(qū)電荷平衡所需的多子（空穴），形成ICBO，即；另外大部

4、分被集電結(jié)的反向電場(chǎng)拉向集電區(qū)，形成ICN。C根據(jù)的定義，而此時(shí)的，故，依此可得：3、 三極管的電流放大特性：(1)直流狀態(tài)下：，即較小的基極電流對(duì)應(yīng)于較大的集電極電流。(2)交流狀態(tài)下：定義：為交流電流放大系數(shù)，在輸入交流信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，因此，通常不對(duì)二者區(qū)分。(3)三極管的電流放大特性：共發(fā)射極組態(tài)下，三極管較小的基極電流或電流變化，引起較大的集電極電流或集電極電流變化（主要強(qiáng)調(diào)后者）。(4)共基極組態(tài)電流放大系數(shù)：定義：直流：交流：，通常：根據(jù)，可得：，顯然，若遠(yuǎn)大于1，則。三、三極管的伏安特性曲線及其工作區(qū)1、 輸入特性：2、 輸出特性：3、 輸出特性的三個(gè)工作區(qū)(1)截止區(qū)：，此時(shí)，

5、因發(fā)射結(jié)反偏（或雖然正偏但外加電壓小于開啟電壓），集電結(jié)反偏，形成很小的ICEO。(2)放大區(qū)：，此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，處于正常的電流放大狀態(tài)。IB的小變化引起IC的大變化。(3)飽和區(qū)：，此時(shí)，兩結(jié)均正偏，表現(xiàn)為IC不僅與IB有關(guān)，亦與UCE有關(guān)，IC隨IB、UCE的較小變化發(fā)生較大變化，解釋如下：A保持IB不變，改變UCE：當(dāng)由放大區(qū)開始，逐步減小UCE時(shí)，集電結(jié)的反偏電壓逐步減小，對(duì)發(fā)射區(qū)擴(kuò)散來的多子的電場(chǎng)力逐步減小，IC逐步減小，當(dāng)使UBC為0時(shí)，此時(shí)的狀態(tài)稱為臨界飽和狀態(tài)（IC與IB間仍維持關(guān)系），過此狀態(tài)后，集電結(jié)開始正偏，阻礙發(fā)射區(qū)擴(kuò)散來的多子，IC急劇減?。m然集電子區(qū)

6、的多子此時(shí)可擴(kuò)散到基區(qū)形成一定電流，但因集電區(qū)摻雜濃度不高，此電流變化不明顯）。B保持UCE不變，改變IB：在保持UCE不變且維持集電結(jié)正偏的情況下，若需改變IB，需改變UBE，UBE越小，IB越小，UBC越大，集電結(jié)的正偏電壓越高，阻礙力越大，IC越小。四、三極管的主要參數(shù)1、 直流參數(shù)：(1)共射直流放大系數(shù)(2共基直流放大系數(shù)(3)極間反向電流2、 交流參數(shù)：(1)共射交流放大系數(shù)(2)共基交流放大系數(shù)(3)特征頻率fT：當(dāng)信號(hào)頻率升高到一定程度時(shí)，會(huì)下降且產(chǎn)生相移，即是信號(hào)頻率的函數(shù)，記作；使下降到1時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率稱為三極管的特征頻率。3、 極限參數(shù)：(1)最大集電極耗散功率PCM(

7、2)最大集電極電流ICM(3)極間反向擊穿電壓U（BR）CBO、U（BR）CEO、U（BR）EBO五、溫度對(duì)三極管參數(shù)及性能的影響1、 溫度對(duì)ICBO的影響：溫度每升高10oC，ICBO增加一倍；硅管比鍺管的溫度穩(wěn)定性好。2、 溫度對(duì)輸入特性的影響：溫度升高，輸入曲線左移在相同UBE的情況下，IB增大。3、 溫度對(duì)輸出特性的影響：溫度升高，輸出曲線整體上移，且間隔加大在相同IB情況下，ICEO、增大。4.2 放大電路的組成與工作原理一、基本共射放大電路的組成與工作原理1、 組成及各器件作用：（1） 三極管：使其工作于放大區(qū)，實(shí)現(xiàn)電流放大。（2） 基極偏置電阻：為基極提供合適的電源，使發(fā)射結(jié)正偏

8、；提供小信號(hào)輸入通道。（3） 集電極負(fù)載電阻：為集電極提供合適電源，使集電結(jié)反偏；將iC的變化轉(zhuǎn)換大幅度的電壓變化，實(shí)現(xiàn)電壓放大。2、 靜態(tài)工作點(diǎn)及其設(shè)置必要性：（1） 概念：在輸入信號(hào)為0時(shí)，基極電流、集電極電流、B-E間電壓、C-E間電壓值稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，分別表示為：IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。（2） 求法： （3） 設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性：保證在輸入信號(hào)較小或輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，發(fā)射結(jié)均處于正偏狀態(tài)，集電結(jié)均處于反偏狀態(tài)。3、 工作原理：在VBB與輸入小信號(hào)共同作用下（以正弦信號(hào)為例，rbe為交流狀態(tài)下基極-發(fā)射極間的動(dòng)態(tài)電阻）：（1） 輸入信號(hào)引起iB微變： （2） 三極管電流放大

9、，iC發(fā)生大變化： （3） 集電極負(fù)載將大變化的電流轉(zhuǎn)換為大變化、但反相的電壓變化：二、常見的實(shí)用單管（級(jí)）共射放大電路1、 電路改進(jìn)：（1） 單電源供電（2） 信號(hào)源與輸出共同接地（3） 根據(jù)需要，可在輸入、輸出端加電容隔直流、通交流2、 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算：（1） a圖：（2） b圖：4.3 放大電路的分析方法一、放大電路的直流通路與交流通路1、 直流通路：指放大電路在只有直流電源作用、沒有交流信號(hào)作用的情況下，電路各處的直流電流通路。主要用于分析、計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。電容：開路處理；電感：短路處理；信號(hào)源：為0但保留內(nèi)阻。2、 交流通路：指放大電路在只有交流信號(hào)作用、沒有直流電源的情況下，電路

10、各處的交流電流通路。主要用于分析電路在信號(hào)作用下的動(dòng)態(tài)情況。電容：短路處理；電感：開路處理；直流電源：作為恒壓源處理短路。二、圖解分析法（簡介）1、 靜態(tài)分析（只有直流電源作用，無輸入信號(hào)作用）：（1） 輸入回路方程：，將該直線畫于輸入特性曲線圖上，其交點(diǎn)即為輸入回路的靜態(tài)工作點(diǎn)。此直線稱為輸入回路直流負(fù)載線。（2） 輸出回路方程：，將該直線畫于輸出特性曲線圖上，直線與相應(yīng)IB值所對(duì)應(yīng)的曲線交點(diǎn)即為輸出回路的靜態(tài)工作點(diǎn)。此直線稱為輸出回路直流負(fù)載線。（3） 可分析溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響：2、 動(dòng)態(tài)分析（只有交流輸入信號(hào)作用）：（1） 輸入回路方程：，根據(jù)輸入的交流信號(hào)及其變化范圍，找出直流

11、負(fù)載線與輸入曲線交點(diǎn)的變化范圍，再求出iB的變化范圍。（2） 輸出回路方程：與靜態(tài)時(shí)的直流負(fù)載線相同，故也稱為交流負(fù)載線。根據(jù)的iB變化范圍，找出交流負(fù)載線與輸出曲線交點(diǎn)的變化范圍，再求出iC、uCE的變化范圍。（3） 可求解電路的電壓放大倍數(shù)；可進(jìn)行失真分析：截止失真因靜態(tài)工作點(diǎn)位置過低，靠近截止區(qū)，而導(dǎo)致輸出電壓信號(hào)正半周失真。飽和失真因靜態(tài)工作點(diǎn)位置過高，靠近飽和區(qū)，而導(dǎo)致輸出電壓信號(hào)負(fù)半周失真。3、 圖解法的優(yōu)缺點(diǎn)：（1） 優(yōu)點(diǎn)：直觀，易于理解，適合于靜態(tài)工作點(diǎn)的定性分析、失真問題的定性分析，尤其適用于非小信號(hào)時(shí)功率放大器的分析。（2） 缺點(diǎn)：不準(zhǔn)確，過程繁瑣。三、等效電路分析法1、

12、三極管的直流等效模型：（1） 輸入回路：若將UBE作為一個(gè)常量，則B-E間可等效為一個(gè)理想二極管與恒壓源UBE的串聯(lián)。（2） 輸出回路：根據(jù)，C-E間可等效為一個(gè)理想二極管與恒流源的串聯(lián)。2、 三極管的交流等效模型：（1） 根據(jù)輸入、輸出特性求三極管的h參數(shù)：（2） 各h參數(shù)的物理意義：h11在UCE為常量時(shí)，B-E間的動(dòng)態(tài)電阻，記作rbe，近似計(jì)算時(shí)可取1K左右。h12在IB為常量時(shí)，uCE的變化對(duì)uBE的影響，稱為內(nèi)反饋系數(shù)，此值通常很小。h21在UCE為常量時(shí)，iC與iB變化量的比值。h22在IB為常量時(shí)，C-E間動(dòng)態(tài)電導(dǎo)，記作1/rce。rce通常為幾百K以上。（3） 輸入/輸出回路的

13、h參數(shù)表達(dá)式（變化量用正弦信號(hào)代替）：（4） 三極管的h參數(shù)等效模型：A完整模型：輸入回路等效為rbe與受控源的串聯(lián)；輸出回路等效為電阻rce與受控源的并聯(lián)。，根據(jù)，所以，B簡化模型：通常，h12很小，rce很大，均將其忽略，則：輸入回路等效為rbe；輸出回路等效為受控源。3、 放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)及其求解：（1） 求解電壓放大倍數(shù)：（2） 求解輸入/輸出電阻：A 輸入電阻Ri：去掉信號(hào)源與負(fù)載，將放大電路看作成一個(gè)輸入端口的二端口網(wǎng)絡(luò)，在放大電路輸入端口所加電壓與產(chǎn)生的電流有效值之比。B 輸出電阻Ro：去掉信號(hào)源與負(fù)載，將放大電路看作成一個(gè)輸出端口的二端口網(wǎng)絡(luò)，在放大電路輸出端口所加電壓與產(chǎn)生

14、的電流有效值之比。4.4 放大電路的三種組態(tài)一、共發(fā)射極組態(tài)1、 溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響：（1）輸入特性左移、輸出特性上移且間隔加大。（2）靜態(tài)工作點(diǎn)：溫度升高時(shí)，Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線上移，向飽和區(qū)靠近；溫度降低時(shí)，Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線下移，向截止區(qū)靠近。2、 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共發(fā)射極組態(tài)放大電路：（1）方法：在發(fā)射極串接電阻（并可在其旁并接交流旁路電容）。（2）原理：A合理選擇Rb1、Rb2的參數(shù)，使其中的電流遠(yuǎn)大于IB，則，與溫度無關(guān)。B當(dāng)溫度升高時(shí)，IBQ、ICQ、IEQ升高，UE=URe增大，但因UBQ恒定，故UBEQ減小，IBQ減小，ICQ、IEQ均減小，Q點(diǎn)基本穩(wěn)定。3、 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析計(jì)

15、算：（1）靜態(tài)計(jì)算：，（2）動(dòng)態(tài)計(jì)算（以未并發(fā)射極旁路電容為例）：A，若，且，則，與溫度基本無關(guān)。B。C二、共集電極組態(tài)1、電路結(jié)構(gòu)： 信號(hào)源與信號(hào)輸出共集電極（地），基極輸入、發(fā)射極輸出。仍須保證：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。2、靜態(tài)計(jì)算與分析：3、動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析： 仍使用三極管的h參數(shù)等效模型B-E間用rbe代替，C-E間用受控源代替。A 電壓放大倍數(shù)：，若>>1，則，稱此電路為射極輸出器、射極跟隨器。B 輸入電阻：，遠(yuǎn)大于共發(fā)組態(tài)輸入電阻優(yōu)從信號(hào)源取得的信號(hào)大。C 輸出電阻：，與共射電路比較，很小優(yōu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)。三、共基極組態(tài)1、電路結(jié)構(gòu)： 信號(hào)源與輸出共基極，發(fā)射極輸入、集電

16、極輸出。但仍需保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。2、靜態(tài)計(jì)算：3、動(dòng)態(tài)計(jì)算：A 電壓放大倍數(shù)：，若Re為信號(hào)源內(nèi)阻非常小，則，很大。B 輸入電阻：，若Re為信號(hào)源內(nèi)阻，則：，很小差。C 輸出電阻：在將信號(hào)源短路后，ib=0，ic=0，故：Ro=Rc，較大。四、三種組態(tài)的性能比較1、放大能力：共射：既放大電流，也放大電壓。共集：只放大電流，不放大電壓。共基：只放大電壓，不放大電流。2、輸入電阻： 共射：居中 共集：最大 共基：最小3、輸出電阻： 共射：較大 共集：最小 共基：較大4.5 放大電路的頻率響應(yīng)一、放大電路的放大倍數(shù)與頻率的基本關(guān)系：1、因放大電路中電容/電感等頻率相關(guān)元件的存在、三極管本身

17、各電極間存在的極間電容、電路構(gòu)成后存在各種分布電容、寄生電容，故當(dāng)信號(hào)頻率極低或極高時(shí)，放大器的放大倍數(shù)均會(huì)下降，同時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間產(chǎn)生超前或滯后相移。2、放大倍數(shù)與頻率間的關(guān)系是一種函數(shù)，此函數(shù)稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。二、幅頻特性與相頻特性：1、幅頻特性： 描述放大電路電壓放大倍數(shù)的幅值與頻率關(guān)系的曲線稱為幅頻特性。2、相頻特性： 描述放大電路電壓放大倍數(shù)的相位與頻率關(guān)系的曲線稱為相頻特性。3、下限頻率與上限頻率：A當(dāng)信號(hào)頻率逐步降低，使電壓放大倍數(shù)下降到該放大器電壓放大倍數(shù)最大值的，或者，使電壓放大倍數(shù)的相位由0變化到+45o時(shí)（超前），所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的頻率，稱為下限截止頻率fL

18、，簡稱為下限頻率。B當(dāng)信號(hào)頻率逐步升高，使電壓放大倍數(shù)下降到該放大器電壓放大倍數(shù)最大值的，或者，使電壓放大倍數(shù)的相位由0變化到-45o時(shí)（滯后），所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的頻率，稱為上限截止頻率fH。簡稱為上限頻率。CfL與fH間的頻帶稱為放大器的通頻帶。Fbw=fH-fL。DfL與fH均可統(tǒng)一表示為，其中，表示電容所在回路的時(shí)間常數(shù)。三、波特圖：1、因電壓放大器的電壓放大倍數(shù)可能在很大的范圍內(nèi)變化，為更方便地反映放大器的幅頻特性，對(duì)放大倍數(shù)與頻率均取對(duì)數(shù)，再考察其相互關(guān)系，此曲線稱為波特圖。（但通常，橫軸仍以頻率表示。）對(duì)放大倍數(shù)取對(duì)數(shù)后的結(jié)果稱為增益，單位為dB，。在波特圖中，相頻特性仍用相位與頻率的關(guān)系表示。2、優(yōu)點(diǎn)：可將多級(jí)放大器電壓放大倍數(shù)相乘轉(zhuǎn)換為增益的加法