模擬電路課件：第四章 晶體三極管放大電路

1、第四章 晶體三極管放大電路4.1 晶體三極管4.2 共射極放大電路分析4.3 其他類型放大電路分析4.4 多級(jí)放大電路分析4.1 晶體三極管4.1.1 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型4.1.2 晶體管的電流放大作用4.1.3 晶體管放大電路的三種類型4.1.4 晶體管的共射特性曲線4.1.5 晶體管的主要參數(shù)7/18/20224.1.1 晶體管的結(jié)構(gòu)和類型 雙極型半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.16所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。 圖 01.16 兩種極性的雙極型三極管e-b間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je) c-b間的PN結(jié)稱為集電結(jié)(Jc) 中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示； 一側(cè)

2、稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示； 另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示。 雙極型三極管的符號(hào)在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向。 從外表上看兩個(gè)N區(qū),(或兩個(gè)P區(qū))是對(duì)稱的，實(shí)際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大。基區(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米。 無論是NPN型或是PNP型的三極管,它們均包含三個(gè)區(qū): 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū), 并相應(yīng)地引出三個(gè)電極：發(fā)射極（e)、基極(b)和集電極(c)。同時(shí),在三個(gè)區(qū)的兩兩交界處, 形成兩個(gè)PN結(jié), 分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。 常用的半導(dǎo)體材料有硅和鍺, 因此共有四種三極管類型。它們對(duì)應(yīng)的型號(hào)

3、分別為：3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四種系列。 圖01.17 幾種半導(dǎo)體三極管的外形 3A(鍺PNP)、3B(鍺NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)三極管是一種具有電流控制作用的半導(dǎo)體器件。實(shí)現(xiàn)放大需要有內(nèi)部和外部的條件。內(nèi)部條件1、發(fā)射區(qū)高摻雜，多子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)的；2、基區(qū)極薄，且低摻雜；3、集電結(jié)的面積比發(fā)射結(jié)的大。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。NPN管：UC UB UEPNP管：UC UB IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN IBN ，ICNIBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBNICBOIE=IEP+I

4、EN=IEP+ICN+IBN =(ICN+ICBO)+(IBN+IEPICBO) IE =IC+IB 由以上分析可知，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)很薄，是保證三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，所以沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，這是量變引起質(zhì)變的又一個(gè)實(shí)例。2. 電流分配關(guān)系 對(duì)于集電極電流IC和發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系可以用系數(shù)來說明。通常定義: 稱為共基直流電流放大系數(shù)。它表示最后達(dá)到集電極的電子電流ICN與總發(fā)射極電流IE的比值。ICN與IE相比，因ICN中沒有IEP和IBN，所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:IC=ICN+ICBO=

5、IE+ICBO= (IC+IB)+ICBO因 1, 所以 1定義: =IC /IB=(ICN+ ICBO )/IB稱為共發(fā)射極接法直流電流放大系數(shù)。于是7/18/20224.1.3 晶體管放大電路的三種類型 雙極型三極管有三個(gè)電極，其中兩個(gè)可以作為輸入, 兩個(gè)可以作為輸出，這樣必然有一個(gè)電極是公共電極。三種類型也稱三種組態(tài)，見圖4.2。 共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示; 共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；圖 4.2 三極管的三種組態(tài)典型的阻容耦合共射放大電路晶體管是放大電路的核心，處于放大工作狀態(tài)時(shí)，能將輸入電流的微小變化轉(zhuǎn)化

6、成輸出電流的較大變化集電極電阻Rc將集電極電流ic的變化轉(zhuǎn)化為交變的輸出電壓uo，實(shí)現(xiàn)對(duì)ui的放大作用基極電阻Rb及基極電源VBB是為晶體管發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓，產(chǎn)生基極電流集電極電源VCC為晶體管集電結(jié)提供方向偏置，以保證晶體管工作于放大狀態(tài)，并與集電極電阻共同確定晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)將信號(hào)源與放大電路隔離，將放大電路與輸出端隔離，不影響交流信號(hào)的傳輸。 綜上所述，基本放大電路有四個(gè)組成部分、三種基本電路形式（或稱為組態(tài)），在構(gòu)成具體放大電路時(shí)，無論哪一種組態(tài)，都應(yīng)遵從下列原則：（）必須保證放大器件工作在放大區(qū)，以實(shí)現(xiàn)電流或電壓控制作用；（）電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證信號(hào)能有效地傳輸，即有ui時(shí)，應(yīng)有u

7、o輸出；（）元件參數(shù)的選擇應(yīng)保證輸入信號(hào)能不失真的放大，否則，放大將失去意義。 以上三條原則也是判斷一個(gè)電路是否具有放大作用的依據(jù)。7/18/20224.1.4 晶體管的共射特性曲線 這里，B表示輸入電極，C表示輸出電極，E表示公共電極。所以這兩條曲線是共發(fā)射極接法的特性曲線。 iB是輸入電流，vBE是輸入電壓，加在B、E兩電極之間。 iC是輸出電流，vCE是輸出電壓，從C、E 兩電極取出。 輸入特性曲線 iB=f(vBE) vCE=const 輸出特性曲線 iC=f(vCE) iB=const本節(jié)介紹共發(fā)射極接法三極管的特性曲線，即 共發(fā)射極接法的供電電路和電壓-電流關(guān)系如圖4.3所示。圖4

8、.3 共發(fā)射極接法的電壓-電流關(guān)系 輸入特性曲線類似于發(fā)射結(jié)的伏安特性曲線，現(xiàn)討論iB和vBE之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)橛屑娊Y(jié)電壓的影響，它與一個(gè)單獨(dú)的PN結(jié)的伏安特性曲線不同。 為了排除vCE的影響，在討論輸入特性曲線時(shí)，應(yīng)使vCE=const(常數(shù))。1. 共射輸入特性曲線 vCE的影響，可以用三極管的內(nèi)部反饋?zhàn)饔媒忉?，即vCE對(duì)iB的影響 。 共發(fā)射極接法的輸入特性曲線見圖4.4。其中uCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。 當(dāng)uCE1V時(shí)，uCB=uCE - uBE0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，且基區(qū)復(fù)合減少， IC / IB 增大，在同樣的uBE之下，iB將減小，特性曲

9、線將向右稍微移動(dòng)一些。但vCE再增加時(shí)，曲線右移很不明顯。 曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。輸入特性曲線的分區(qū)： 死區(qū) 非線性區(qū) 線性區(qū) 圖4.4 共射接法輸入特性曲線 2. 輸出特性曲線 共發(fā)射極接法的輸出特性曲線如圖4.5所示，它是以iB為參變量的一族特性曲線?，F(xiàn)以其中任何一條加以說明，當(dāng)vCE=0 V時(shí)，因集電極無收集作用，iC=0。當(dāng)vCE稍增大，發(fā)射結(jié)雖處于正向電壓之下，但集電結(jié)反偏電壓很小，如 vCE 1 V vBE=0.7 V vCB= vCE- vBE= 0.7 V集電區(qū)收集電子的能力很弱，iC主要由vCE決定。 圖4.5 共發(fā)射極接法輸出特性曲線

10、當(dāng)vCE增加到使集電結(jié)反偏電壓較大時(shí)，如 vCE 1 V vBE 0.7 V運(yùn)動(dòng)到集電結(jié)的電子基本上都可以被集電區(qū)收集，此后vCE再增加，電流也沒有明顯的增加，特性曲線進(jìn)入與vCE軸基本平行的區(qū)域 (這與輸入特性曲線隨vCE增大而右移的原因是一致的) 。 圖4.6 共發(fā)射極接法輸出特性曲線 輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的 數(shù)值較小，一般vCE0.7 V(硅管)。此時(shí) 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域， 曲線基本平行等距。 此時(shí)，

11、發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，電壓大于0.7 V左右(硅管) 。 (1) 截止區(qū) 一般將的區(qū)域稱為截止區(qū), 在圖中為的一條曲線的以下部分。此時(shí)也近似為零。由于各極電流都基本上等于零, 因而此時(shí)三極管沒有放大作用。 其實(shí)時(shí), 并不等于零, 而是等于穿透電流ICEO。一般硅三極管的穿透電流小于A, 在特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流約幾十至幾百微安。 當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí), 發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子, 則三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。所以, 在截止區(qū), 三極管的兩個(gè)結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)。 對(duì)三極管, , BC。 (2) 放大區(qū) 此時(shí)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用, 集電結(jié)反向運(yùn)用。 在曲線上是比較平坦的部分, 表示當(dāng)一定

12、時(shí), 的值基本上不隨CE而變化。 在這個(gè)區(qū)域內(nèi),當(dāng)基極電流發(fā)生微小的變化量時(shí), 相應(yīng)的集電極電流將產(chǎn)生較大的變化量, 此時(shí)二者的關(guān)系為 該式體現(xiàn)了三極管的電流放大作用。 對(duì)于三極管, 工作在放大區(qū)時(shí).V, 而。 (3) 飽和區(qū) 曲線靠近縱軸附近, 各條輸出特性曲線的上升部分屬于飽和區(qū)。 在這個(gè)區(qū)域, 不同值的各條特性曲線幾乎重疊在一起, 即當(dāng)較小時(shí), 管子的集電極電流基本上不隨基極電流而變化, 這種現(xiàn)象稱為飽和。此時(shí)三極管失去了放大作用, 或關(guān)系不成立。 一般認(rèn)為CEBE, 即CB時(shí), 三極管處于臨界飽和狀態(tài), 當(dāng)CEBE時(shí)稱為過飽和。三極管飽和時(shí)的管壓降用CES表示。在深度飽和時(shí), 小功率管

13、管壓降通常小于.V。 三極管工作在飽和區(qū)時(shí), 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)。對(duì)NPN三極管, 。 4.1.5 晶體管的主要參數(shù) 半導(dǎo)體三極管的參數(shù)分為三大類: 直流參數(shù) 交流參數(shù) 極限參數(shù) (1)直流參數(shù) 直流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) =（ICICEO）/IBIC / IB vCE=const 在放大區(qū)基本不變。在共發(fā)射極輸出特性曲線上， 通過垂直于X軸的直線(vCE=const)來求取IC / IB ，如圖4.7所示。在IC較小時(shí)和IC較大時(shí)， 會(huì)有所減小，這一關(guān)系見圖4.8。圖4.8 值與IC的關(guān)系圖 4.7 在輸出特性曲線上決定 2.共基極直流電流放大系數(shù) =（IC

14、ICBO）/IEIC/IE 顯然 與 之間有如下關(guān)系: = IC/IE= IB/1+ IB= /1+ 極間反向電流 1.集電極基極間反向飽和電流ICBO ICBO的下標(biāo)CB代表集電極和基極，O是Open的字頭，代表第三個(gè)電極E開路。它相當(dāng)于集電結(jié)的反向飽和電流。 2.集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO ICEO和ICBO有如下關(guān)系 ICEO=（1+ ）ICBO 相當(dāng)基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極間的反向飽和電流，即輸出特性曲線IB=0那條曲線所對(duì)應(yīng)的Y坐標(biāo)的數(shù)值。如圖4.9所示。圖4.9 ICEO在輸出特性曲線上的位置(2)交流參數(shù)交流電流放大系數(shù) 1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) =IC/IBvC

15、E=const 在放大區(qū) 值基本不變，可在共射接法輸出特性曲線上，通過垂直于X 軸的直線求取IC/IB?；蛟趫D4.8上通過求某一點(diǎn)的斜率得到。具體方法如圖4.10所示。 圖4.10 在輸出特性曲線上求 2.共基極交流電流放大系數(shù) =IC/IE VCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)， 、 ，可以不加區(qū)分。 特征頻率fT 三極管的值不僅與工作電流有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。由于結(jié)電容的影響，當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，三極管的將會(huì)下降。當(dāng)下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為特征頻率，用fT表示。 (3)極限參數(shù) 集電極最大允許電流ICM 如圖4.11所示，當(dāng)集電極電流增加時(shí)， 就要下降，當(dāng)值下降到線性放大區(qū)值的

16、7030時(shí)，所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。至于值下降多少，不同型號(hào)的三極管，不同的廠家的規(guī)定有所差別?？梢姡?dāng)ICICM時(shí)，并不表示三極管會(huì)損壞。 圖4.11 值與IC的關(guān)系集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗， PCM= ICUCE 滿足iCuCE IBQ，則需要 Rb1、Rb2 小一些，但這會(huì)使電阻消耗功率增大，且電路的輸入電阻降低。實(shí)際選用 Rb1、Rb2 值，取 IR = (5 10)IBQ，UBQ = (5 10)UBEQ。二、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析靜態(tài)分析C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于 IR

17、IBQ， 可得(估算)靜態(tài)基極電流動(dòng)態(tài)分析C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1ReiBiCiEiRuirbe ebcRcRL+Rb2Rb1RcRb2+VCCRL+uiuoRb1Re若不接旁路電容C0，則放大電路的電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻分析如下：C1RcRb+VCCC2RL+VT+Rerbe bcRcRLRb+Ree+圖 4.24接有發(fā)射極電阻的放大電路rbe bcRcRLRb+Ree+根據(jù)微變等效電路列方程引入發(fā)射極電阻后， 降低了。若滿足(1 + ) Re rbe 與三極管的參數(shù) 、rbe 無關(guān)。2. 放大電路的輸入電阻引入 Re 后，輸入電阻增大了。3. 放大電路的輸出電阻

18、rbe ebcRcRLRb+Rerbe bcRcRbRee將放大電路的輸入端短路，負(fù)載電阻 RL 開路 ，忽略 c 、e 之間的內(nèi)電阻 rce 。RL圖 4.254.2.5 放大電路的頻率響應(yīng) 由于放大電路中存在電抗性元件，所以電路的放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。 當(dāng)信號(hào)頻率很低（低頻信號(hào)）時(shí)，耦合電容和旁路電容的阻抗不能忽略，也就是不能當(dāng)作短路來看，這樣放大電路的放大倍數(shù)受電容阻抗的影響而衰減； 當(dāng)信號(hào)頻率很高（高頻信號(hào)）時(shí)，晶體管內(nèi)部的電容阻抗也不能忽略，放大電路的放大倍數(shù)也會(huì)衰減。 本節(jié)以圖4-26所示共射極放大電路為例，對(duì)低頻、中頻以及高頻段的幅頻特性予以分析。

19、圖 4-26阻容耦合共射放大電路一、中頻段C1、C2和Ce 可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1. 中頻段等效電路圖 4.27中頻段等效電路 bce +Rb+RcRs由圖可得2. 中頻電壓放大倍數(shù)已知 ，則結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)幅頻特性曲線上的一條水平線，與頻率無關(guān)。二、低頻段考慮隔直電容的作用（假設(shè)視作短路），其等效電路：圖 4.28低頻等效電路 bce +Rb+RcRsC1C1 與輸入電阻構(gòu)成一個(gè) RC 高通電路式中 Ri = Rb / rbe輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)低頻時(shí)間常數(shù)為：下限(-3 dB)頻率為：則三、高頻段考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路： bce +Rb+Rc

20、Rs圖 4.29高頻等效電路三、高頻段考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖 4.30高頻等效電路的簡(jiǎn)化 ce +Rc由于輸出回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時(shí)間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結(jié)電容。并用戴維南定理簡(jiǎn)化。 ce +Rc圖中 C 與 R 構(gòu)成 RC 低通電路。高頻時(shí)間常數(shù)：上限(-3 dB)頻率為：完整的幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻4.3.1共基極放大電路分析圖 4-31共基極放大電路(a)原理電路VEE 保證發(fā)射結(jié)正偏；VCC 保證集電結(jié)反偏；三極管工作在放大區(qū)。實(shí)際電路采用一個(gè)電源 VCC ，用 Rb1、Rb2 分壓提供基極正偏電壓。C1C2+_+_ReVEE

21、VCCRcRLVT4.3 其他類型放大電路分析一、靜態(tài)工作點(diǎn)(IBQ , ICQ , UCEQ)二、電壓放大倍數(shù)+_+_Rerbebec圖 4.32由微變等效電路可得共基極放大電路沒有電流放大作用，但是具有電壓放大作用。電壓放大倍數(shù)與共射電路相等，但沒有負(fù)號(hào)，說明該電路輸入、輸出信號(hào)同相位。三、輸入電阻暫不考慮電阻 Re 的作用四、輸出電阻暫不考慮電阻 Re 的作用 Ro = rcb . 已知共射輸出電阻 rce ，而 rcb 比 rce大 得多，可認(rèn)為rcb (1 + )rce如果考慮集電極負(fù)載電阻，則共基極放大電路的輸出電阻為Ro = Rc / rcb Rc+_+_Rerbebec圖 4.

22、334.3.2共集放大電路分析C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+_+rbebec(b)微變等效電路為射極輸出器圖 4.34共集電極放大電路(a)電路圖一、靜態(tài)工作點(diǎn)C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+由基極回路求得靜態(tài)基極電流則(a)電路圖圖 4.34共集電極放大電路二、電流放大倍數(shù)所以三、電壓放大倍數(shù)結(jié)論：電壓放大倍數(shù)恒小于 1，而接近 1，且輸出電壓與輸入電壓同相，又稱射極跟隨器。+_+rbebec(b)等效電路四、輸入電阻+_+rbebec輸入電阻較大。Ri五、輸出電阻+_rbebec 輸出電阻低，故帶載能力比較強(qiáng)。Ro圖 4.35求射極輸出器 Ro 的等效電路三種基本組態(tài)的比較大

23、(數(shù)值同共射電路，但同相)小(小于、近于 1 )大(十幾 一幾百) 小 大(幾十 一百以上) 大(幾十 一百以上)電路組態(tài)性能共 射 組 態(tài)共 集 組 態(tài)共 基 組 態(tài)C1C2VCCRb2Rb1+_ReCbRLC1Rb+VCCC2RL+Re+C1Rb+VCCC2RL+Rc三種基本組態(tài)的比較 頻率響應(yīng)大(幾百千歐 幾兆歐)小(幾歐 幾十歐)中(幾十千歐幾百千歐)rce小(幾歐 幾十歐)大(幾十千歐以上)中(幾百歐幾千歐) rbe組態(tài)性能共 射 組 態(tài)共 集 組 態(tài)共 基 組 態(tài)差較好好共射電路同時(shí)具有較大的電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻值比較適中，一般只對(duì)輸入電阻、輸出電阻和頻率

24、響應(yīng)沒有特殊要求的，均常采用。廣泛用作低頻電壓放大電路的輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)。共集電路的特點(diǎn)是電壓跟隨，而輸入電阻很高、輸出電阻很小，常被用作多級(jí)放大電路的輸入級(jí)、輸出級(jí)或作為隔離用的中間級(jí)。共基電路的特點(diǎn)是具有很低的輸入電阻，使晶體管結(jié)電容的影響不顯著，頻率響應(yīng)得到很大改善，常用于寬頻帶放大器中。由于輸出電阻高，也可作為恒流源。 單級(jí)放大電路，電壓放大倍數(shù)一般可達(dá)幾十幾百倍，往往不能滿足要求，且各項(xiàng)性能指標(biāo)之間存在矛盾。為了獲得足夠高的增益或考慮輸入電阻、輸出電阻的特殊要求，實(shí)用放大電路通常由幾級(jí)基本放大單元級(jí)聯(lián)而成，構(gòu)成多級(jí)放大電路。各級(jí)間的連接方式稱為耦合方式。 4.4多級(jí)放大電路分析三種耦合方式阻容耦合直接耦合變壓器耦合一、阻容耦合圖 4.36阻容耦合放大電路C1RC1Rb1+VCCC2RL+VT1+Rc2Rb2C3VT2+第 一 級(jí)第 二 級(jí)4.4.1多級(jí)放大電路的耦合方式優(yōu)點(diǎn)：(1) 前、后級(jí)直流電路互不相通，靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立；(2) 選擇足夠大電容，可以做到前一級(jí)輸出信號(hào)幾乎不衰減地加到后一級(jí)