第2章晶體管及其放大電路分析

1、1（8學時）學時）2.1 晶體管的基本概念晶體管的基本概念2.2 晶體管晶體管放大電路放大電路的分的分析析2.3 多級放大電路的分析多級放大電路的分析2.4 放大電路的頻率特性放大電路的頻率特性重點掌握：放大的概念、放大電路的主要指標，靜態(tài)、動態(tài)重點掌握：放大的概念、放大電路的主要指標，靜態(tài)、動態(tài)直流通路與交流通路的概念，放大電路的分析方法（圖解法直流通路與交流通路的概念，放大電路的分析方法（圖解法和微變等效電路法），和微變等效電路法），Q、Au、Ri、Ro的估算方法。的估算方法。2結構特點：結構特點：1 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高2 集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大集電區(qū)摻雜

2、濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大3 基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低2.1.1 基本結構和類型基本結構和類型晶體管的幾種常見外形晶體管的幾種常見外形由兩個由兩個PN 結背靠背組成結背靠背組成發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基極基極發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)2.1 晶體管的基本概念晶體管的基本概念3becNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極bcePNP型型發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)基區(qū)基區(qū)集電區(qū)集電區(qū)發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結41、 放大的概念放大的概念放大的目的是將微弱的放大的目的是將微弱的變化信號

3、變化信號的電壓或電流的電壓或電流無失真無失真地放大地放大(功功率放大率放大)。其本質是。其本質是能量的控制和轉換能量的控制和轉換：在輸入信號作用下，通過：在輸入信號作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉換成負載所獲得的能量。這樣，必須放大電路將直流電源的能量轉換成負載所獲得的能量。這樣，必須存在能夠控制能量的元件：存在能夠控制能量的元件：有源元件有源元件：T。前提：不失真前提：不失真。放大鏡放大物體，利用杠桿移動重物，變壓器放大電壓：放大鏡放大物體，利用杠桿移動重物，變壓器放大電壓：將原物形狀或大小按一定比例放大，且放大前后能量守恒。將原物形狀或大小按一定比例放大，且放大前后能量守恒。圖為電子

4、學中利用擴音機放大聲音的原理框圖：圖為電子學中利用擴音機放大聲音的原理框圖：電電信信號號足夠強足夠強電信號電信號微弱微弱強得多強得多5uAt符號規(guī)定符號規(guī)定UA大寫字母、大寫下標，表示直流量大寫字母、大寫下標，表示直流量uA小寫字母、大寫下標，表示總量小寫字母、大寫下標，表示總量ua小寫字母、小寫下標，表示交流瞬時量小寫字母、小寫下標，表示交流瞬時量ua總量總量交流分量交流分量UA直流分量直流分量 Ua大寫字母、小寫下標，表示交流有效值大寫字母、小寫下標，表示交流有效值總量總量=直流分量直流分量+交流分量交流分量6becNNPVBBRbIE基區(qū)空穴向發(fā)射基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略區(qū)的擴散可忽

5、略IEP進入進入P P 區(qū)的電子少區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流復合，形成電流I IB B 多數(shù)擴散到集電結多數(shù)擴散到集電結發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏, ,發(fā)射發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流射極電流I IE E。2、晶體管內部載流子的運動、晶體管內部載流子的運動VCCRCICN從基區(qū)擴從基區(qū)擴散來的電散來的電子作為少子作為少子，漂移子，漂移進入集電進入集電區(qū)被收集，區(qū)被收集，形成形成IC。集電結反偏，有少子集電結反偏，有少子形成的反向電流形成的反向電流 ICBOICBOIENIBNIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP-ICBOIB

6、IE=IEN+IEP7becNNPVBBRbIEIB進入進入P P 區(qū)的電子少區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流復合，形成電流I IB B 多數(shù)擴散到集電結多數(shù)擴散到集電結發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏, ,發(fā)射發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流射極電流I IE E。VCCRCIC從基區(qū)擴從基區(qū)擴散來的電散來的電子作為少子作為少子，漂移子，漂移進入集電進入集電區(qū)被收集，區(qū)被收集，形成形成IC。IEIBIE=IC+IBICBCII8二、晶體管的電流分配關系二、晶體管的電流分配關系IC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP ICBO=IB- ICBOI

7、E=IEN+IEPIE=IC+IB三、晶體管的共射電流放大系數(shù)三、晶體管的共射電流放大系數(shù)ICN 與與 IB 之比稱為之比稱為直流直流電流放大電流放大系數(shù)系數(shù)BCCBOBCBOCBCNIIIIIIIICEOBCBOBCIIIII1BCIIBEII19要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。在前面電路的基礎上，若有交流電壓在前面電路的基礎上，若有交流電壓U UI I 輸入，則在輸入，則在IB 的基礎上疊加動態(tài)電流的基礎上疊加動態(tài)電流iB，在，在IC 的基礎上疊加動態(tài)電流的基礎上疊加動態(tài)電流iC， iC與與iB之比稱為交流電流放大系數(shù)

8、：之比稱為交流電流放大系數(shù)：BCii在一定范圍內在一定范圍內10IBIEIC總結：總結：IEICIBIBIE=IC+IBBCIIBEII 1BCII11iCmA AVVUCEUBERbiBVCCVBB 實驗線路實驗線路RCbBBBEBRiVuCCCCECRiVu12一、一、輸入特性曲線輸入特性曲線UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8導通壓降：導通壓降：硅管硅管U UBE BE 0.60.60.8V,0.8V,鍺管鍺管U UBE BE 0.10.10.3V0.3VUCE=0VUCE =0.5V開啟電壓：開啟電壓：硅管硅管0.5V0.5V，鍺管鍺管0.1V0.1V。常數(shù)

9、CEUBEBufi13二、二、輸出特性曲線輸出特性曲線iC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大區(qū)放大區(qū)I IC C=I IB B截止區(qū)截止區(qū),IB0,IC0常數(shù)BICECufi飽和區(qū)飽和區(qū)ICIBCCCCECRiVu臨界飽和臨界飽和UCE=UBEUBC=014輸出特性三個區(qū)域的特點輸出特性三個區(qū)域的特點:(1) 截止區(qū)：截止區(qū)：發(fā)射結反偏發(fā)射結反偏UBEUON , UCEUBE IE=IC+IB， IC= IB , 且且 IC = IB(3) 飽和區(qū)：飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。發(fā)射結正偏，集電結正偏。UBEUON , UCE UB

10、E IC IB，UCE 0.3V 臨界飽和時，臨界飽和時， UCE=UBE UBC=0倒置狀態(tài)倒置狀態(tài)（反偏狀態(tài)）：發(fā)射結反偏；（反偏狀態(tài)）：發(fā)射結反偏；集電結正偏。即集電結正偏。即c、e互換，互換，IE=IB， Ic=IE+IB,但是但是=0.010.02bec15n【例【例2-1】測得三只晶體管的直流電位如圖】測得三只晶體管的直流電位如圖2-8(a)、(b)、(c)所示，試判斷它們的工作狀態(tài)。所示，試判斷它們的工作狀態(tài)。圖2-8 例2-1圖 16共射直流電流放大倍數(shù)：共射直流電流放大倍數(shù)：BCII_工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交

11、流信號?；鶚O電流的變化量為的交流信號?；鶚O電流的變化量為 IB，相應的集相應的集電極電流變化為電極電流變化為 IC，則交流電流放大倍數(shù)為：則交流電流放大倍數(shù)為：BiiC1. 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)和和 _例：例：UCE=6V時時：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。5 .3704. 05 . 1_BCII4004. 006. 05 . 13 . 2BCii在以后的計算中，一般在以后的計算中，一般作近似處理：作近似處理： =3 .3806. 03 . 2_BCII172.集集- -基極反向飽和電流基極反向飽和電流ICBOICBO是發(fā)射極開路

12、時，集電結是發(fā)射極開路時，集電結反偏由少子的漂移形反偏由少子的漂移形成成的的反向飽和電流。反向飽和電流。受溫度變化的影響較大。受溫度變化的影響較大。 AICBO183. 基極開路時基極開路時, ,集集- -射極間的穿透電流射極間的穿透電流ICEObecNNPICBOICEO= IBP+ICBO =(1+ ) ICBO IBP IBPICBO進入進入N區(qū)，區(qū)，形成形成IBP根據(jù)放大關系，根據(jù)放大關系，由于由于IBP的存在的存在, ,必有電流必有電流 IBP。集電結反集電結反偏有偏有ICBOICEO受溫度影響很大受溫度影響很大, ,當溫度上升時，當溫度上升時，ICEO增加很快，所以增加很快，所以I

13、C也也相應增加。相應增加。三極管的三極管的溫度特性較差溫度特性較差。194.集電極最大電流集電極最大電流ICM集電極電流集電極電流IC大到一定程度時，會導致三極管大到一定程度時，會導致三極管的的 值下降，當值下降，當 值下降到正常值的三分之二時的集值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為電極電流即為ICM。5.反向擊穿電壓反向擊穿電壓UCBO：發(fā)射極開路時：發(fā)射極開路時集電極集電極- -基極間的反向擊穿電壓基極間的反向擊穿電壓UCEO：基極開路時集電極：基極開路時集電極- -發(fā)射極間的反向擊穿電壓發(fā)射極間的反向擊穿電壓UEBO：集電極開路時發(fā)射極：集電極開路時發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓基極

14、間的反向擊穿電壓206. 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗PCM集電極電流集電極電流IC 流過三極管所流過三極管所產(chǎn)生的功耗為產(chǎn)生的功耗為PC =ICUCEPC太大必定導太大必定導致結溫上升致結溫上升,所所以以PC 有限制。有限制。PC PCMICUCEPCM=ICUCE=常數(shù)常數(shù)ICMU(BR)CEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)211、對、對ICBO的影響：的影響：溫度升高，溫度升高， ICBO增大增大2、對輸入特性的影響、對輸入特性的影響3、對輸出特性的影響、對輸出特性的影響22由由PNP型三極管組成的基本放大電路：型三極管組成的基本放大電路：ICIBVCCRbVBBcbeRCIEICU CE

15、0UBEIB電源電壓為負。同樣具有三個區(qū)：電源電壓為負。同樣具有三個區(qū)：放大區(qū)放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏發(fā)射結正偏，集電結反偏飽和區(qū)飽和區(qū)：發(fā)射結，集電結均正偏發(fā)射結，集電結均正偏截止區(qū)：截止區(qū)： |UBE|R Rb b+r+rb be e, ,則則Au接近于接近于1 1，故，故常稱共集放大電路為常稱共集放大電路為射集跟隨器射集跟隨器)1 ()1 (ebebebRrRIRIbbeebebbiiIRIrRIIUR)(iebebiRrRR)1 (87bebobrRUI)1 (/obeberRRR)1 ()1 (bebbeberRRrRRo所所以以一一般般.0SUoooIUR輸出電阻：輸出電阻：

16、beboerRUI1eRoIIIebebebebOeOOOOrRRrRURUUIUR11111o88例例2.5.1：已知射極輸出器的參數(shù)如下：已知射極輸出器的參數(shù)如下： VBB=6V, VCC=12V, Rb=15k ，Re=5k ，UBEQ=0.7V, rbb=200 ， =150，估算估算Q點、點、Au 、 Ri 和和Ro 。P113ebBEQBBBQRRUVI1BQEQII 1eEQCCCEQRIVU解：解：估算估算Q點點AmA88. 65501157 . 06mAA04. 188. 6501V8 . 6504. 112CQTbbbeIUrrK1 . 4)126151200(89ebee

17、)1 ()1 (RrRRAbUebebiRrRR)1 ()1 (/obeberRRR)1 (bebrR例例2.5.1：已知射極輸出器的參數(shù)如下：已知射極輸出器的參數(shù)如下： VBB=6V, VCC=12V, Rb=15k ，Re=5k ，UBEQ=0.7V, rbb=100 ， =50，估算估算Q點、點、Au 、 Ri 和和Ro 。P113求求Au 、 Ri 和和Ro975. 0515011 . 41551501KK77451511 . 4151261511 . 415K90Rb+VCCC1C2ReRLuiuoRb+VCCRe直流通道直流通道阻容耦合電路共集放大電路阻容耦合電路共集放大電路:91

18、一、靜態(tài)分析一、靜態(tài)分析IBIEebBEQCCBQRRUVI)1 (BQEQII)1 (eEQCCCEQRIVURb+VCCRe直流通道直流通道eBQBEQbBQeEQBEQbBQCCRIURIRIURIV192二、動態(tài)分析二、動態(tài)分析Rb+VCCC1C2ReRLuiuoRbReRLuiuorbeiUbIReRLRboUcIbIiI93LeoRIULeLRRR/LbRI）（1LebebiRIrIULbbebRIrI)1 (LbbebLbuRIrIRIA)1 ()1 (LbeLRrR)1 (1）（1. 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)rbeiUbIReRLRboUcIbIiI1,)1(接接近近于于則則若

19、若uLbeARr942. 輸入電阻輸入電阻bRbiIIILbebiiiRrRIUR)1 (/rbeiUbIReRLRboUcIbIiIbRILbbebiRIrIU)1 (953. 輸出電阻輸出電阻用加壓求流法求輸出電阻。用加壓求流法求輸出電阻。RobIiIrbeReRbcIbIrbeReRbbIbIeIUIebbIIIIebebeRUrUrU電源置電源置0IURo)11/(1ebeRr1/beerR一般：一般：1beerR所以：所以：1beorR96Rb+VCCC1C2ReRLuiuo例例2.5.2：已知射極輸出器的參數(shù)如下：已知射極輸出器的參數(shù)如下：Rb=570k ，Re=5.6k ， rb

20、b=300 , RL=5.6k ， =100，VCC=12V求求Au 、 Ri 和和Ro 。ebBECCBRRUVI)1 (BEII)1 (k9 . 201. 126101300解：解：AmA106 . 510015707 . 012mAA01. 1101001EQTbbbeIUrr197Rb=570k ，Re=5.6k ，RL=5.6k ， =100，VCC=12V求求Au 、 ri和和ro 。rbeiUbIReRLRboUcIbIiI微變等效電路微變等效電路rbe=2.9 k ，LbeLuR)(rRA11）（)1 (/LbebiRrRR2.8)1001 (2.9570/190k1/beeo

21、rRR990821019282101.1012.9/6 . 5 2898共集電極電路特點：共集電極電路特點：2. 2. 輸入電阻大，從信號源獲取的電流小輸入電阻大，從信號源獲取的電流小3. 3. 輸出電阻小，帶負載能力強輸出電阻小，帶負載能力強直接耦合ebebRrRR)1 (i阻容耦合LbebiRrRR)1 (/直接耦合直接耦合)1 (/bebErRRRo阻容耦合1/beeOrRR同同相相與與ioVV1. 1. 電壓放大倍數(shù)小于電壓放大倍數(shù)小于1 1但接近于但接近于1 1，稱為射極跟隨器或電壓跟隨器稱為射極跟隨器或電壓跟隨器992.2.6 2.2.6 基本共基放大電路基本共基放大電路 F一、電

22、路組成一、電路組成 Cb + + RcL ui Re VCC 圖圖2.5.7(a) 直直接接耦耦合合共共基基放放大大電電路路 uo VBB 圖圖2.5.7(b) 阻阻容容耦耦合合共共基基放放大大電電路路 + + RLL us uo RsL C1 VCC Rb1 Rb2 C2 Rc Re 100F二、靜態(tài)分析二、靜態(tài)分析 b RcL Re VCC 圖圖 2.5.8 直流通路直流通路 VBB + + RcL ui Re VCC 圖圖 2.5.7(a) 直接耦合共基放大電路直接耦合共基放大電路 uo VBB c e b c e + VE eBQBEQeEQBEQBBRIURIUV1eBEQBBEQR

23、UVI1EQBQIIBEQCCQCCEQCQCEQURIVUUU101F三、動態(tài)分析三、動態(tài)分析beecbebebcbbebeecciourRRrIRIRIrIRIRIUUA)1 ()1 ( b + + RcL ui Re VCC 直直接接耦耦合合共共基基放放大大電電路路 uo VBB c e b + + RcL ui Re uo c e 交交流流通通路路 微微變變等等效效電電路路 rbe iUbIcIbI oUiIRi b + + RcL Re c e eI)1(i beeebebeeirRIrIRIIURcTTRIUR o 求求 Ro等等效效電電路路 rbe bIcIbI TURo b +

24、 RcL Re c e TI102共基極放大電路電路特點：共基極放大電路電路特點：同同相相與與ioVV1.1.因輸入回路電流為因輸入回路電流為iE，輸出回路電流為，輸出回路電流為iC，所以電路只能放，所以電路只能放大電壓，不能放大電流大電壓，不能放大電流, ,2.2.輸入電阻較共射放大電路要小輸入電阻較共射放大電路要小3.3.頻帶寬，頻率特性好，常用于無線電通信頻帶寬，頻率特性好，常用于無線電通信)1 (ibeerRRbebrRRi共基放大電路共基放大電路共射放大電路共射放大電路103三種接法的比較三種接法的比較 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)beLc)/(rRR 輸入電阻：輸入電阻：beb/rR輸

25、出電阻：輸出電阻：cR1)/)(1 ()/()1 (LebeLeRRrRR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRRbeLc)/(rRR 1/beerRcR1041.1.共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路既能放大電壓，也能放大電流，既能放大電壓，也能放大電流，輸入電阻居中，輸出電阻較大，頻帶較窄。常作低輸入電阻居中，輸出電阻較大，頻帶較窄。常作低頻電壓放大頻電壓放大。2.2.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。只能放大電流，不能放大電壓。輸入電阻最大、輸出電阻最小，具有電壓跟隨的特輸入電阻最大、輸出電阻最小，具有電壓跟隨的特點，常用于多級放大的輸入級

26、和輸出級。點，常用于多級放大的輸入級和輸出級。3.3.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。輸只能放大電壓，不能放大電流。輸入電阻小，頻率特性最好，常用于寬頻帶放大電路入電阻小，頻率特性最好，常用于寬頻帶放大電路2.5.3. 2.5.3. 三種接法的比較三種接法的比較 105例例1： =50， VCC =12V， Rb =70k ，RC =6k ，UBE=0.7V 分析分析VBB = -2V，2V，5V時晶體時晶體管的工作狀態(tài)。管的工作狀態(tài)。解：解：當當VBB = -2V時：時：UBEVON，晶體管導通晶體管導通9mA01. 0707 . 02bBEBBBRUVI0.95mA

27、9mA01050.IIBCmA2612maxCCCCRVIIC最大飽和電流：最大飽和電流：ICVON，晶體管導通晶體管導通mA2maxCIIC最大飽和電流：最大飽和電流：IC ICmax 工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)。mA061. 0707 . 05bBEBBBRUVI5mA03mA061050.IIBCCCCCECRiVuVKV3 . 6mA05. 3612或者：假設工作在放大區(qū)或者：假設工作在放大區(qū)假設錯誤，工作在飽和區(qū)假設錯誤，工作在飽和區(qū)。1071. 直接耦合直接耦合 級間耦合級間耦合：多級放大電路的每一個基本放大電路多級放大電路的每一個基本放大電路稱為一級；級與級之間的連接稱之為耦合。多

28、級放大稱為一級；級與級之間的連接稱之為耦合。多級放大電路有四種基本耦合方式：電路有四種基本耦合方式：直接耦合、阻容耦合、變直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合。壓器耦合和光電耦合。 將前一級的輸出用導線直接連接到后一級的輸將前一級的輸出用導線直接連接到后一級的輸入端的耦合方式，稱之為直接耦合。入端的耦合方式，稱之為直接耦合。108直接耦合放大電路的優(yōu)缺點直接耦合放大電路的優(yōu)缺點: : 優(yōu)點：優(yōu)點：具有良好的低頻特性，可以放大緩慢變化的信號；具有良好的低頻特性，可以放大緩慢變化的信號；無大電容和電感，容易集成。無大電容和電感，容易集成。 缺點：缺點：靜態(tài)工作點相互影響，分析、計算、設計較復雜

29、；靜態(tài)工作點相互影響，分析、計算、設計較復雜；存在零點漂移。存在零點漂移。 + iuRb1 T1 T2 圖圖 3.1.1a 直直接接耦耦合合多多級級放放大大電電路路 Rc1 + ouRc2 +Vcc Rb2 從圖中可以看出從圖中可以看出: :直接直接耦合放大電路的靜態(tài)工耦合放大電路的靜態(tài)工作點是相互影響的作點是相互影響的,T1,T1的靜態(tài)工作點靠近飽和的靜態(tài)工作點靠近飽和區(qū)，容易產(chǎn)生飽和失真區(qū)，容易產(chǎn)生飽和失真U UC1C1=U=UCEQ1CEQ1=U=UBEQ2BEQ2=0.7V=0.7V1092. 阻容耦合阻容耦合 將前一級的輸出用電容連接到后一級的輸入端的耦將前一級的輸出用電容連接到后一

30、級的輸入端的耦合方式，稱之為合方式，稱之為阻容耦合阻容耦合。 提示：提示：（1 1）對于直流）對于直流通路電容相當于開路，所通路電容相當于開路，所以各級靜態(tài)工作點相互獨以各級靜態(tài)工作點相互獨立；（立；（2 2）在微變等效電）在微變等效電路上求解交流參數(shù)，此時路上求解交流參數(shù)，此時電容和直流電源均相當于電容和直流電源均相當于短路短路。優(yōu)點：優(yōu)點：直流通路是相互獨立的，電路的分析、計算和調試比直流通路是相互獨立的，電路的分析、計算和調試比較容易，是分立元件放大電路的主要耦合方式。較容易，是分立元件放大電路的主要耦合方式。缺點：缺點：低頻特性差，不能放大緩慢變化的信號；耦合電容容低頻特性差，不能放大緩慢變化的信號；耦合電容容量較大，所以不便于集成化。量較大，所以不便于集成化。圖圖3.1.2 兩級阻容