第3章-晶體三極管及其放大電路

第3章晶體三極管及其放大電路3.1晶體三極管3.4放大電路的分析方法3.2放大電路模型及其性能指標3.3共射極基本放大電路3.5放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

3.7多級放大電路3.6共集電極放大電路和共基極放大電路3.8放大電路的頻率響應(yīng)本章學(xué)習(xí)目的和要求

1.掌握晶體三極管的結(jié)構(gòu)、電流分配關(guān)系、伏安特性曲線及主要參數(shù)；掌握晶體三極管的放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)和截止狀態(tài)的條件和特點；學(xué)會正確地選擇、檢測和使用晶體管。

2．掌握放大電路的基本概念，掌握晶體管基本放大電路的組成、放大原理及靜態(tài)動態(tài)工作時的特點。

3.掌握晶體管放大電路的基本分析方法，會用圖解法求Q點、放大倍數(shù)及分析Q點與波形失真的關(guān)系；會用小信號模型分析法求解電壓放大倍數(shù)及輸入、輸出電阻等性能指標。

4.了解溫度變化對晶體管性能參數(shù)的影響，掌握靜態(tài)工作點的穩(wěn)定原理、方法及穩(wěn)定條件；

5.熟悉放大電路三種基本組態(tài)的特點及分析計算；學(xué)會選用不同組態(tài)的放大電路；會分析多級放大電路。

6．了解放大電路的頻率特性，熟悉影響低頻及高頻頻率特性的主要因素。了解放大器的信噪比等其他指標的意義。3.1晶體三極管3.1.1晶體管的結(jié)構(gòu)3.1.2晶體管的放大作用3.1.3晶體管的特性曲線3.1.4晶體管的主要參數(shù)3.1.5溫度對晶體管參數(shù)特性的影響3.1.6晶體管的選擇與簡易檢測

晶體三極管中有兩種不同極性電荷的載流子參與導(dǎo)電，所以稱之為雙極型晶體管(BipolarJunctionTransistor或BJT)，又稱為半導(dǎo)體三極管，簡稱晶體管或三極管。晶體管是一種三端器件，分為NPN和PNP兩種類型。放大電路的功能是將微弱的電信號不失真地放大到需要的幅度。幾乎每個電子系統(tǒng)中都要用到放大電路。晶體管是組成放大電路的最重要的核心器件之一。3.1.1晶體管的結(jié)構(gòu)圖3.1.1幾種常見的晶體三極管圖3.1.2晶體管的結(jié)構(gòu)和符號圖3.1.3集成電路中常見NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖3.1.2晶體管的放大作用圖3.1.4NPN型晶體管放大電路的偏壓

晶體三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸體現(xiàn)出來的。外部條件：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏圖3.1.5NPN型晶體管中載流子的運動1.晶體管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律(1)發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子IE=IEN+IEP≈IEN

圖3.1.5NPN型晶體管中載流子的運動(2)載流子在基區(qū)擴散與復(fù)合，形成復(fù)合電流IBN電子與空穴復(fù)合機會少，IBN很小。(3)集電區(qū)收集載流子，形成集電極電流ICIC=ICN+ICBO

IB=IEP+IBN－ICBO=IEP+IEN－ICN－ICBO=IE－IC

ICBO不受發(fā)射結(jié)電壓控制，對放大沒有貢獻，它取決于基區(qū)和集電區(qū)的少子濃度，數(shù)值很小，但它受溫度影響很大，容易使晶體管工作不穩(wěn)定。

晶體管有三個電極，在放大電路中可以有三種連接方法，分別是共發(fā)射極(簡稱共射極)、共基極和共集電極接法，即分別把發(fā)射極、基極、集電極作為輸人和輸出回路的共同端的連接方法，如圖3.1.6所示。應(yīng)當指出，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏是晶體管內(nèi)部載流子的傳輸、電流分配的外部必要條件。若晶體管具有放大作用，無論是哪種連接方法，都必須使發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。圖3.1.6晶體管的三種連接方法2．晶體管的電流分配(1)共發(fā)射極組態(tài)的電流傳輸關(guān)系直流電流放大系數(shù)值一般在20～300之間。在忽略ICBO、ICEO的影響時定義共基極直流電流放大系數(shù)(2)共基極組態(tài)的電流傳輸關(guān)系

<1，一般為0.98以上。此式可變換為：反向電流ICBO很小，可以忽略不計

晶體管作為放大器件使用時，輸入電流對輸出電流都有控制作用，所以晶體管是電流控制器件。3．晶體管的放大作用100mV的正弦電壓?vi基極電流變化△iB約為10μA，發(fā)射極注入電流?iE，例如為lmA，集電極電流變化?iC約為0.99mA△vO=△iCRC=0.99×3.3=3.267V1.62mW0.5μW

輸出信號的電流、電壓和電功率都被放大了，這就是晶體管的放大作用

綜上所述，晶體三極管的放大作用，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?！癞攙CE≥1V時，vCB=vCE-vBE>0，集電結(jié)進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的vBE下IB減小，特性曲線右移。

按照晶體管連接方式的不同，有共發(fā)射極特性曲線和共基極特性曲線。共集電極組態(tài)可用共發(fā)射極特性曲線進行分析。

共發(fā)射極連接時的特性曲線輸入特性曲線

圖3.1.8共發(fā)射極連接圖3.1.9共發(fā)射極輸入特性曲線iB=f(vBE)

●當vCE=0V時，相當于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。3.1.3晶體管的特性曲線(2)輸出特性曲線圖3.1.10共發(fā)射極輸出特性曲線飽和區(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。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。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。2.共基極連接時的特性曲線圖3.1.11共基極連接圖3.1.12NPN硅管共基極特性曲線圖3.1.13的求取3.1.4晶體管的主要參數(shù)1.晶體管的直流參數(shù)(1)直流電流放大系數(shù)1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

圖3.1.15ICBO的測量

圖3.1.14與iC的關(guān)系曲線2)共基極直流電流放大系數(shù)

與一樣，也不是常數(shù)。

iC在一定的范圍內(nèi)才是常數(shù)，當iC大于某值或者小到靠近截止區(qū)時，都在變小，表現(xiàn)為特性曲線間距變小。

(2)極間反向電流集電結(jié)的反向飽和電流ICBO

2)穿透電流ICEOICEO=(1+)ICBO2.晶體管的交流參數(shù)(1)交流電流放大系數(shù)1)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β圖3.1.17利用輸出特性曲線求β2)共基極交流電流放大系數(shù)α晶體管共射輸出特性曲線的放大區(qū)，恒流特性較好的特性曲線幾乎平行于橫軸且等間距，因此β為常數(shù)，且，工程應(yīng)用中常常并不加以區(qū)分，都用β表示，半導(dǎo)體器件手冊中常用hFE或hfe表示。同樣，在輸出特性曲線平坦且等間距時，可以認為，也可相互混用。特征頻率fT

當信號頻率高到一定程度時，β會下降。β下降到

1時所對應(yīng)的信號頻率稱為晶體管的特征頻率。

(3)共發(fā)射極截止頻率fβ

低頻時共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)為β0。當信號頻率高到一定程度時，β會下降。把β下降到時所對應(yīng)的信號頻率稱為晶體管的共發(fā)射極截止頻率fβ。共基極截止頻率fα

低頻時共基極交流電流放大系數(shù)為

。當信號頻率高到一定程度時，α下降。當α下降到時所對應(yīng)的信號頻率。

3.晶體管的極限參數(shù)(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

(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——集電極開路時的發(fā)射結(jié)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)CES

＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO圖3.1.19晶體管的擊穿電壓測試電路3.1.5溫度對晶體管參數(shù)特性的影響2.溫度對ICBO的影響溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。3.溫度對

的影響溫度每升高1℃，

值約增大0.5%~1%。

4.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。5.溫度對BJT特性曲線的影響1.溫度對vBE的影響溫度每升高1℃，vBE

減小2～2.5mV。3.1.6晶體管的選擇與簡易檢測

晶體管的選擇

既滿足設(shè)備及電路的要求，又符合低成本的原則。考慮以下幾個因素：頻率、集電極電流、耗散功率、反向擊穿電壓、電流放大系數(shù)、穩(wěn)定性及飽和壓降等。同時滿足：PCM>PCmax、ICM>iCmax、V(BR)CEO>vCEmax留余地

β太大容易引起自激振蕩，且高β管的工作受溫度影響大，優(yōu)先選β在60—80之間的。

盡量選用穿透電流ICEO小的管子，ICEO越小(ICBO

更小)，電路的溫度穩(wěn)定性就越好。3)集電極的判別及β值測量2.晶體管的檢測

基極的判別類型的判別4)穿透電流ICEO及熱穩(wěn)定性檢測圖3.1.20測晶體管ce間電阻及熱穩(wěn)定性

放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路將電信號放大(增強)到所需的幅度來實現(xiàn)的。放大電路是構(gòu)成其他模擬電路的基本單元和基礎(chǔ)，也是模擬電子技術(shù)課程研究的主要內(nèi)容。3.2放大電路模型及其性能指標3.2.1放大電路模型

3.2.2放大電路的性能指標圖3.2.1放大電路的電路符號圖3.2.2簡化放大電路圖圖3.2.3電壓放大器模型3.2.1放大電路模型

放大電路的輸入端口既有電壓又有電流，輸出端口同樣有電壓又有電流。按照實際的輸入信號和所需的輸出信號是電壓或者電流，有電壓放大、電流放大、互阻放大和互導(dǎo)放大四種放大電路類型。1.電壓放大器vO=Avvi

Av為電路的電壓增益

電壓放大器適用信號源內(nèi)阻Rs小而負載電阻RL較大的場合。圖3.2.4電流放大器模型

受控電流源Aisii和輸出電阻Ro并聯(lián)而成，其中ii為輸入電流，Ais為輸出短路時(RL=0)的電流增益

2.電流放大器帶負載RL時的電流增益：

在信號源內(nèi)阻Rs較大而負載電阻RL較小的應(yīng)用場合，應(yīng)當選擇電流放大電路。

輸出信號由受控制電壓源Aroii產(chǎn)生。Aro為互阻放大器在負載電阻RL開路時的互阻增益。3.互阻放大器圖3.2.5互阻放大器模型vo=Arii

Ar為互阻增益，具有電阻的量綱Ω。

互阻放大電路要求輸入電阻、輸出電阻都小。理想情況下，要求Ri=0，且輸出電阻Ro=0。

受控電流源Agsvi產(chǎn)生輸出信號。Ags

為互導(dǎo)放大器在輸出端短路時的互導(dǎo)增益。4.互導(dǎo)放大器圖3.2.6互導(dǎo)放大器模型io=Agvi

互導(dǎo)增益Ag

，具有導(dǎo)納的量綱S。適合于將電壓信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電流輸出，是信號轉(zhuǎn)換中常用的電路之一?；?dǎo)放大器希望Ri愈大愈好，同時Ro愈大愈好。3.2.2放大電路的性能指標

增益(1)電壓增益或

(2)電流增益或

(3)互阻增益或

(4)互導(dǎo)增益或

增益常用分貝(dB)為單位，其定義為:電壓增益=20lg|Av|dB,電流增益=20lg|Ai|dB,功率增益=10lgApdB

電壓(電流)增益為-20dB時，表示信號的衰減，即電壓經(jīng)過放大電路后，衰減到原來的1/10，即|Av|=0.1。2.最大輸出幅度有效值、幅(最大)值、峰-峰值3.非線性失真(k=2，3，……)

非線性失真系數(shù)

圖3.2.9非線性傳輸特性與非線性失真圖3.2.8線性傳輸特性與線性放大4.輸入電阻Ri=vi/ii

5.輸出電阻

可在放大器輸入正弦信號電壓vi時先測得負載開路時的輸出電壓vo’和帶負載RL時的輸出電壓vo，由下式計算得到Ro的值。6.通頻帶fH是高端半功率點頻率，稱為上限截止頻率

fL是低端半功率點頻率，稱為下限截止頻率

BW=fH－fL

當fH>>fL時，BW≈fH

圖3.2.12某音響系統(tǒng)的通頻帶能夠向負載提供的最大輸出功率，通常用符號Pom表示。7．最大輸出功率與效率圖3.2.12某音響系統(tǒng)的通頻帶通頻帶寬，表明放大電路對信號頻率變化有更強的適應(yīng)力。Po為放大器輸出功率，，Po小于Pom。PV為直流電源提供的平均功率。

晶體管的重要特性之一是以小的基極電流iB控制較大的集電極電流iC，即具有電流放大作用。利用這一特性可以組成各種放大電路。單管放大電路是復(fù)雜放大電路的基本單元。3.3共射極基本放大電路3.3.1共射極基本放大電路的組成3.3.2共射極基本放大電路的工作原理3.3.3放大電路的組成原則3.3.1共射極基本放大電路的組成1．電路結(jié)構(gòu)2．各元器件的作用(1)晶體管T核心器件，實現(xiàn)放大(2)基極直流電源VBB

使發(fā)射結(jié)正偏，提供IB基極偏置電阻Rb

與VBB一起提供VBE和IB集電極直流電源VCC

保證集電結(jié)處于反向偏置使晶體管工作在放大狀態(tài)給放大電路提供能量。

集電極負載電阻RC將iC的變化轉(zhuǎn)換成vCE的變換，實現(xiàn)電壓放大。一般為幾千歐到幾十千歐。3.3.2共射極基本放大電路的工作原理

將直流和交流分開進行分析，

IB、IC、VBE、VCE表示直流量，ib、ic、vbe、vce表示交流量，iB、iC、vBE、vCE表示直流與交流疊加量，即總瞬時值。1.靜態(tài)

輸入信號vs=0時，放大電路處于直流工作狀態(tài)，稱為靜態(tài)。

晶體管的電流IB、IC和極間電壓VBE、VCE分別在輸入、輸出特性曲線上對應(yīng)地可以確定一個點，該點稱為靜態(tài)工作點Q。靜態(tài)工作點的計算步驟：(1)畫放大電路的直流通路，標出各支路電流。圖3.3.2圖3.3.1的直流通路使Rs保留，vs=0，電容器C開路。(2)由基極-發(fā)射極回路求IBQ。(VBEQ為已知量)(3)求ICQ:(4)求VCEQ:例3.3.1

設(shè)圖3.3.1所示電路中的VBB=2V，VCC=6V，Rb=110kΩ，Rc=3.3kΩ，β=80，VBEQ=0.7V。試求該電路中的電流IBQ、ICQ、電壓VCEQ，并說明晶體管的工作狀態(tài)。解：從VBEQ=0.7V，VCE=2.88V知，該電路中的晶體管工作于發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)。圖3.3.3共發(fā)射極基本放大電路的波形分析

分析計算放大電路的交流參數(shù)須在交流通路中進行的，交流通路是交流電流流通的途徑。2.動態(tài)

電路中輸入正弦信號vs后，電路工作于動態(tài)(i、v變化著的）vs變化→vBE變化→iB變化→iC變化→vCE=VCC-iCRc變化

因iC>>iB,所以有vCE=（VCC-iCRc）>>vs實現(xiàn)了電壓放大。圖3.3.4圖3.3.1電路的交流通路畫交流通路的原則：(1)對交流信號，電路中內(nèi)阻很小的直流電壓源(如VCC、VBB等)可視為短路；內(nèi)阻很大的電流源或恒流源可視為開路。(2)對一定頻率范圍內(nèi)的交流信號，容量較大的電容可視為短路。3.3.3放大電路的組成原則1.組成原則(1)合理設(shè)置直流電源(2)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(3)設(shè)置合理的信號通路

信號和負載的接入，既不能破壞已設(shè)置好的直流工作點，又應(yīng)當盡可能減小信號通路中的損耗。使信號能夠“進得來，出得去”。2.兩種實用的共發(fā)射極放大電路(1)直接耦合共發(fā)射極放大電路圖3.3.5直接耦合共發(fā)射極放大電路

圖3.3.6圖3.3.5電路的直流通路Rb1、Rb2的取值與VCC相配合，才能得到合適的基極電流IBQ，合理地選取Rc，才能得到合適的管壓降VCEQ。RL的接入對VCEQ也有影響。圖3.3.7阻容耦合共射放大電路

電路解決了“共地”問題,避免RL接入對放大電路靜態(tài)工作點的影響。(2)阻容耦合共發(fā)射極放大電路圖3.3.8阻容耦合電路習(xí)慣畫法3.3.9直流通路靜態(tài)工作點：例3.3.2

試用一個直流電源和一只PNP型管組成共發(fā)射極放大電路。解：3.4.1圖解分析法3.4.2小信號模型分析法3.4放大電路的分析方法

分析放大電路包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析，就是在理解放大電路工作原理的基礎(chǔ)上求解靜態(tài)工作點和各項動態(tài)參數(shù)。分析時，須先進行靜態(tài)分析(或稱直流分析)，而后再進行動態(tài)分析(或稱交流分析)。只有建立了合適的靜態(tài)工作點，才能保證晶體管工作在放大區(qū)，才能保證放大電路在不失真的情況下放大輸入信號。晶體管放大電路的分析方法包括圖解分析法和小信號模型分析法。3.4.1圖解分析法1.靜態(tài)工作點的圖解分析圖3.4.1共發(fā)射極基本放大電路原理圖圖3.4.2靜態(tài)工作點的圖解分析圖3.4.3輸入回路中vi、vBE、vbe、iB、ib的波形2.動態(tài)工作情況的圖解分析(1)畫vBE、iB的波形圖vi=Vimsinωt(V)vBE=VBB+vi－iBRb

圖3.4.5輸出回路中ic、iC、vCE、vce的波形(2)畫iC、vCE的波形圖圖3.4.4圖3.4.1的交流通路(3)確定電壓增益2Vom

負號說明輸出電壓vo與輸入電壓vi相位相反，這是共射放大電路的一個重要特點。圖3.4.6共發(fā)射極放大電路的截止失真3．波形非線性失真的圖解分析圖3.4.7共發(fā)射極放大電路的飽和失真例3.4.1

阻容耦合共發(fā)射極放大電路及晶體管輸出特性，如圖3.4.8所示，設(shè)VBE=0.7V。(1)畫出該電路的直流通路與交流通路。(2)估算靜態(tài)電流IBQ，并用圖解法確定直流工作點ICQ，VCEQ。(3)當輸入信號使ib=10sinωtμA時，試確定輸出電壓vo的大小。(4)若設(shè)VCES=0.7V，試確定放大器最大不失真輸出電壓峰-峰值范圍VOPP。當Rc、RL不變時，為使輸出動態(tài)范圍最大，則Rb=?圖3.4.8例3.4.1的放大電路與晶體管輸出特性圖3.4.9例3.4.1所示電路的直流通路和交流通路解：(1))畫直流通路與交流通路(2)求靜態(tài)工作點

VCEQ=6V，ICQ=1.5mA(3)作交流負載線令iC=0得到vCE=VCEQ+ICQ=Rc//RL=2kΩ

所以vCE=9V得橫軸點A(9V，0)。連接A、Q兩點的直線即為交流負載線。分析失真情況

vo

的幅值為3V，當輸入信號再增大時，將先出現(xiàn)截止失真。但負半周幅值要達到5.3V時才會出現(xiàn)飽和失真，不對稱。為使輸出電壓動態(tài)范圍達到最大，對應(yīng)的靜態(tài)電流ICQM

應(yīng)滿足如下關(guān)系：

這時，最大峰-峰電壓VOPP=2ICQM=7.52(V)，最大不失真輸出幅值達到VOPP/2=3.76(V)。比原來提高了許多。4．圖解分析法的適用范圍適用于分析信號幅度較大而工作頻率不太高的情況。3.4.2小信號模型分析法

把晶體管在靜態(tài)工作點附近小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線代替，晶體管用小信號線性模型代替，放大電路當作線性電路來處理，這就是小信號模型分析法，也稱為微變等效電路法。通常用來計算放大電路的一些動態(tài)參數(shù)，如電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。1.晶體管的H參數(shù)及小信號模型(1)晶體管的H參數(shù)dvBE即可用vbe表示。同理，dvCE、diB、diC分別用vce、ib、ic表示。vbe=hieib+hrevce

ic=hfeib+hoevce

hie、hre、hfe、hoe稱為晶體管共發(fā)射極連接時的H參數(shù)

晶體管輸出端短路(vce=0，vCE=VCEQ)時的輸入電阻，亦即小信號作用下基極發(fā)射極之間的動態(tài)電阻，以rbe示之，千歐量級。

晶體管的輸入端開路時的反向電壓傳輸比，其值很小(10-4)。晶體管輸出端短路時共射極電流放大系數(shù)，常用β表示，通常β為幾十到幾百。晶體管輸入端交流開路時輸出電導(dǎo)，也用1/rce表示，rce為輸出電阻，通常在百千歐姆量級。

電流源hfeib是受ib控制的，ib=0時，hfeib就不存在，故稱為受控電流源，它代表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。(2)晶體管H參數(shù)小信號模型

同理，

hrevce也是一個受控電壓源。小信號模型中的電壓、電流都是變化量，不能用小信號模型來求靜態(tài)工作點Q。但H參數(shù)的數(shù)值大小是在Q點獲得的，其數(shù)值大小與Q點的位置有關(guān)，不同的Q點位置H參數(shù)的數(shù)值也不同。(3)小信號模型的簡化H參數(shù)的數(shù)量級一般為電壓vCE增加時，引起vBE增加，使輸入特性曲線右移和iC增加，表現(xiàn)為輸出特性曲線上翹。hre和hoe分別體現(xiàn)了vCE對vBE和iC的影響程度。晶體管工作在放大區(qū)時，這些影響均很小，?？珊雎詇re和hoe，這在工程計算上不會帶來顯著的誤差。同時采用習(xí)慣符號rbe代替hie，β代替hfe。圖3.4.11晶體管簡化小信號模型如果rce>>RL或rce>>Rc的條件得不到滿足，分析電路時還應(yīng)考慮rce的影響。(4)H參數(shù)值的確定圖3.4.12晶體管內(nèi)部小信號等效電阻示意圖忽略

rbe=rbb’+(1+

)re

常溫300K下，VT≈26mV，對于低頻小功率管，rbb’≈200

，

上式適用范圍為0.1mA<IEQ<5mA。超出此范圍時，將會產(chǎn)生較大誤差。

PNP型晶體管與NPN型晶體管的等效模型是同樣的。圖3.4.14小信號等效電路2.用H參數(shù)小信號模型分析共發(fā)射極基本放大電路圖3.4.13共發(fā)射極基本放大電路(1)求靜態(tài)電流ICQ和rbe

vs短路，求出以IEQ≈ICQ代入公式，算出rbe

>VCES(2)畫小信號等效電路(3)求電壓增益Avrbe在千歐左右，因Rb的影響，使Ri的阻值大了不少。這是該電路的主要缺點。

(4)求輸入電阻Ri

（5）計算輸出電阻Ro圖3.4.15共發(fā)射極基本放大電路的輸出電阻在Rc較大時，應(yīng)該考慮rce=1/hoe的影響，輸出電阻應(yīng)為Rc與rce的并聯(lián)值，即

例3.4.2

電路如圖3.4.16所示，設(shè)VCC=15V，Rb1=60kΩ、Rb2=20kΩ、Rc=3kΩ、Re=2kΩ、Rs=600Ω，電容C1、C2和Ce都足夠大，β=60，VBE=0.7V，RL=3kΩ。試計算：(1)電路的靜態(tài)工作點；電路的中頻電壓放大倍數(shù)Avo、Av輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

；(3)若信號源有Rs=600Ω的內(nèi)阻，求源電壓增益Avs=vo/vi。圖3.4.16分壓式偏置共發(fā)射極放大電路圖3.4.16分壓式偏置共發(fā)射極放大電路解：

(1)求解靜態(tài)工作點圖3.4.17分壓式偏置共射電路的直流通路VICQ=βIBQ=1.32mA由輸出回路方程解出(2)求解中頻電壓增益Avo、Av

、Ri和Ro=1402Ω≈1.4kΩ當RL斷開時，輸出電壓為vo=－icRc=－βibRc當RL接入時，輸出電壓為vo=－ic(Rc//RL)=－βib(Rc//RL)=－64.3kΩRo=Rc=3kΩ(3)求源電壓增益Avs因，故從而得

信號源內(nèi)阻愈小，對源電壓增益的影響愈小，表明低內(nèi)阻信號源適合選擇共發(fā)射極放大器來放大電壓信號。

小信號模型分析法分析放大電路的動態(tài)性能指標(Av、Ri和Ro等)非常方便，計算結(jié)果誤差也不大。在輸入信號頻率較高的情況下，晶體管的放大性能也仍然可以通過在其小信號模型中引入某些元件來反映。3．小信號模型分析法的適用范圍(1)用圖解分析法確定靜態(tài)工作點(也可估算Q點)。當輸入電壓幅度較小或晶體管基本上在線性范圍內(nèi)工作，特別是放大電路比較復(fù)雜時，可用小信號模型來分析。當輸入電壓幅度較大，晶體管的工作點延伸到伏安特性曲線的非線性部分時，就需要采用圖解法。3.5放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定3.5.1溫度對靜態(tài)工作點的影響3.5.2分壓式射極偏置電路3.5.3穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施

靜態(tài)工作點Q是十分重要的，它不但決定放大電路是否會產(chǎn)生非線性失真，而且還影響到電路的動態(tài)性能，如電壓增益、輸入電阻等，為了保證電路的性能穩(wěn)定，必須要求電路的工作點穩(wěn)定。在設(shè)計或調(diào)試放大電路時，必須首先設(shè)置一個合適而且穩(wěn)定的工作點。3.5.1溫度對靜態(tài)工作點的影響溫度上升(ICQ=βIBQ+ICEO)1.晶體管的反向電流ICBO、ICEO增大，使ICQ增大2.電流放大系數(shù)β或α增大，使ICQ增大3.發(fā)射結(jié)正向壓降VBE會減小，使ICQ增大

ICQ增大使工作點Q沿直流負載線上移，向飽和區(qū)變化；而要想使ICQ回到原來位置，必須減小基極電流IBQ。可以想象，當溫度降低時，Q點將沿直流負載線下移，向截止區(qū)變化，要想使之基本不變，則必須增大IBQ。放大電路需要穩(wěn)定的工作點。3.5.2分壓式射極偏置電路圖3.5.1基極分壓式射極偏置電路1．基極分壓式射極偏置電路(1)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定原理I1≈I2，基極直流電位T(oC)

ICQ

IEQ

VEQ

、VBQ不變

VBEQ

IBQ

ICQ

(2)靜態(tài)工作點的估算為從基極看供電電源的等效內(nèi)阻基極等效電源的電壓就應(yīng)當是

為使電路的Q點具有良好的穩(wěn)定性，為此需要多方面兼顧綜合考慮。在(1+β)Re≥10(Rb1//Rb2)、I1>>IBQ的條件下忽略常常選取I1=(5～10)IBQ(硅管)I1=(10～20)IBQ(鍺管)VBQ=(3～5)VBEQ(硅管)VBQ=(1～3)VBEQ(鍺管)(3)動態(tài)性能的分析圖3.5.2圖3.5.1(a)的小信號等效電路1）求Av

Re大，Av

下降多,若Re與rbe接近使得(1+β)Re>>rbe，則

在Re兩端并聯(lián)一只大容量的旁路電容C，則2)求Ri圖3.5.23.5.1(a)的小信號等效電路

3)求Ro圖3.5.3求3.5.1(a)電路Ro的等效電路

()由前式得

把ib代入后式得實際上，rce>>Re，所以有因為大多數(shù)情況下>>Rc，所以:。

例3.5.1

共射放大電路如圖3.5.4所示，其中Rs=1kΩ，Rb1=61.5kΩ，Rb2=13.5kΩ,，Re1=100Ω，Re2=1.9kΩ,Rc=RL=6.5kΩ，rbb’=200Ω,，VCC=15V，β=100，VBEQ=0.7V，Cb1、Cb2、Ce對交流可視為短路。試完成：(1).計算靜態(tài)電流ICQ、IBQ和電壓VCEQ的值；(2).計算AV、AVS=、Ri及Ro；(3).分別說明Re1

、Re2和Ce的作用。圖3.5.4例3.5.1電路解：

(1)計算靜態(tài)工作點=1mA/100=0.01mA=10μA圖3.5.4例3.5.1電路圖3.5.5例3.5.1的小信號模型等效電路因rce=100kΩ，rce>>Rc，看作開路，得Ro≈Rc=6.5kΩ(2)計算AV、Ri、AVS=及Ro=2826Ω≈2.8kΩkΩ≈6kΩ

Avs為源電壓增益(3)電容Ce具有隔離直流、傳送交流。在Re2兩端并聯(lián)電容Ce后，對靜態(tài)工作點的值沒有影響。Ce對電阻Re2上的交流信號電壓有旁路作用，使Re2對交流電壓增益沒有影響；

Re2只起到穩(wěn)定工作點的作用。

Re1阻值較Re2小的多，故Re1的直流電流負反饋、穩(wěn)定工作點的作用小到可忽略；Re1上還有交流電壓，其交流電流負反饋作用依然存在，顯著地提高了放大器的輸入電阻，從而提高了放大電路對vs利用率。輸入電阻提高又使電壓增益有所下降，這是不利的一面。2.雙電源供電的射極偏置電路圖3.5.6雙電源射極偏置電路直流負反饋穩(wěn)定Q點電路：直流電流負反饋、直流電壓負反饋。

3.5.3穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施直流負反饋穩(wěn)定Q點圖3.5.7帶電流負反饋的Q點穩(wěn)定電路T(oC)

ICQ

IEQ

VEQ

(VCC－IbRb－VEQ)

=VBEQ

IBQ

ICQ

電路的反饋元件Rf跨接在集電極和基極之間，基極電位受集電極電位的影響，當集電極電流上升時，集電極電位降低，通過Rf使基極電位降低，發(fā)射結(jié)電壓VBEQ減小，致使基極電流IBQ減小，迫使集電極電流ICQ減小，實現(xiàn)了ICQ能夠維持穩(wěn)定的目的。圖3.5.8直流電壓負反饋Q點穩(wěn)定電路2.溫度補償法穩(wěn)定Q點圖3.5.10用二極管正向特性進行溫度補償圖3.5.9用二極管反向特性進行溫度補償圖3.5.11兩種用二極管進行溫度補償?shù)碾娐?.6.1共集電極放大電路

3.6.2共基極放大電路

3.6.3晶體管放大電路三種組態(tài)的性能比較3.6共集電極和共基極放大電路

集電極為公共端的放大電路成為共集放大電路，以基極為公共端的放大電路則稱為共基放大電路。它們的組成原則和分析方法完全相同，但是動態(tài)參數(shù)具有不同的特點，使用時要根據(jù)需求合理選用。3.6.1共集電極放大電路圖3.6.1共集電極放大電路1．靜態(tài)分析

可得(3.6.2)

2.動態(tài)分析圖3.6.2共集電極電路的小信號等效電路圖3.6.3測試共集電極放大電路Ro的等效電路式中，

一般有

射極電壓跟隨器的輸出電阻Ro與信號源內(nèi)阻Rs或前一級放大電路的輸出電阻有關(guān)。(1)電壓增益小于1而接近于1，輸出電壓與輸入電壓同相，輸出電壓跟隨輸出電壓變化。因電路具有電流放大作用，仍然有功率增益；

(2)輸入電阻高，可達幾十千歐甚至幾百千歐，對電壓信號源衰減?。?/p>

(3)輸出電阻低，在百歐到幾十歐以下，帶負載能力強。共集電極放大電路的特點是：圖3.6.4例3.6.1的電路

例3.6.1

電路如圖所示，已知C1、C2的容量足夠大，晶體管的β=100，VBEQ=0.7V，Rs=1kΩ，Rb=325kΩ，Re=RL=2.4kΩ，

Rc=1kΩ，試求該電路的靜態(tài)工作點Q、Av、Ri、Ro，并說明電路屬于何種組態(tài)。圖3.6.5直流通路解：圖3.6.6小信號模型等效電路=kΩ電阻Rc(阻值較小)為限流電阻或保護電阻。

圖3.6.7共基極放大電路

與分壓式射極偏置電路的直流通路相同，靜態(tài)工作點的求解方法也是相同。3.6.2共基極放大電路圖3.6.9直流通路1.靜態(tài)分析2.動態(tài)分析

圖3.6.8共基極放大電路的交流通路圖3.6.10共基極電路的小信號等效電路(1)電壓增益于是

式中

輸入電壓與輸出電壓同相位。如果電路參數(shù)選取恰當，共基極放大電路同樣也具有電壓放大作用。(2)輸入電阻Ri圖3.6.10共基極電路的小信號等效電路所以

共基極放大電路的輸入電阻Ri很小，為百歐以下，常常只有幾十歐姆，比起共發(fā)射極放大電路的輸入電阻要小得多（小兩個數(shù)量級）。(3)輸出電阻Ro共基極電路的輸出電阻與共射極電路的輸出電阻相同。共基極放大電路的三個特點：共基極放大電路的電壓增益Av>1，具有電壓放大能力，且輸入信號vi和輸出信號vo相位相同。由于ic<ie，所以共基極電路沒有電流放大能力。(2)輸入電阻非常小，通常為幾十歐。輸出電阻較大，與共射基本放大電路的輸出電阻相同，都近似等于集電極電阻Rc。例3.6.1

共基極放大電路如圖3.6.7所示，其中Rs=1kΩ，Rb1=24.7kΩ，Rb2=8.1kΩ，Re=2kΩ，Rc=3kΩ，RL=3kΩ，rbb’=200Ω，VCC=15V，β=100，VBEQ=0.7V，Cb1、Cb2、Ce對交流可視為短路。試求：(1)該電路的靜態(tài)工作點Q的參數(shù)。(2)電壓增益Av、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。解：

(1)求Q點

圖3.6.7共基極放大電路圖3.6.10共基極電路的小信號等效電路(2)求Av、Ri和Ro3.7.1放大電路級間的耦合3.7.2多級放大電路的動態(tài)分析3.7.3組合放大電路3.7多級放大電路

單極基本放大電路往往不能滿足實際應(yīng)用對放大電路性能的多方面的要求，常常有一項或者多項性能指標達不到要求。如要求某放大電路的輸入電阻要大于100kΩ，電壓增益大于2000，輸出電阻小于100Ω等等。為了適應(yīng)實際應(yīng)用的需求，我們可以恰當選擇多個基本放大電路并將它們合理連接，構(gòu)成多級放大電路來解決。圖3.7.1兩級阻容耦合放大電路3.7.1放大電路級間的耦合1．阻容耦合抑制溫漂的常見措施如下：1)在電路中引入直流負反饋。2)采用溫度補償?shù)姆椒?，用熱敏元件來抵消放大管的老化。利用電路結(jié)構(gòu)對稱、晶體管參數(shù)對稱的特性來抵消溫漂。如差分放大電路。2.直接耦合

圖3.7.2直接耦合放大電路

圖3.7.3NPN和PNP型配合的兩級電路(1)級間電平配置(2)零點漂移3．變壓器耦合4．光電耦合圖3.7.5光電耦合放大電路圖3.7.4變壓器耦合共發(fā)射極放大電路

當?shù)?級是共集電極電路時，計算Ri1應(yīng)將第二級的輸入電阻作為第一級的負載。3.7.2多級放大電路的動態(tài)分析圖3.7.6多級放大電路方框圖

如輸出級是共集電極電路，其輸出電阻與它的信號源內(nèi)阻即與倒數(shù)第2級的輸出電阻有關(guān)。圖3.7.1兩級阻容耦合放大電路例3.7.1

已知圖3.7.1所示電路中，Rb1=15kΩ，Rb2=Rc1=5kΩ，Re1=2.3kΩ，Rb=100kΩ，Re2=RL=5kΩ；VCC=12V；晶體管的β均為150，rbe4=4kΩ，rbe2=2.2kΩ，VBEQ1=VBEQ2=0.7V。試估算電路的Q點、Av、Ri和Ro。解：(1)求解Q點

由于電路采用阻容耦合方式，所以每一級的Q點都可以按單管放大電路來求解。第一級為典型的分壓式射級偏置電路。圖3.7.1兩級阻容耦合放大電路第二級為共集放大電路

(2)求解Av、Ri和Ro

為求第一級的電壓增益Av1，應(yīng)先求出其負載電阻，即第二級的輸入電阻圖3.7.7小信號等效電路第二級的電壓增益應(yīng)接近1圖3.7.7小信號等效電路電路的輸出電阻Ro與前一級(即第一級)的輸出電阻Rc1有關(guān)圖3.7.8共集-共射放大電路3.7.3組合放大電路1.共射-共集和共集-共射放大電路圖3.7.9圖3.7.8電路的小信號等效電路例3.7.1討論的就是共射-共集放大電路。

共集-共射組合放大電路的源電壓增益近似為后級共發(fā)射極放大電路的電壓增益2.共射-共基放大電路圖3.7.10共射-共基放大電路因

共射-共基組合放大電路的電壓增益與單管共射極放大電路的電壓增益接近。共射-共基組合放大電路的重要優(yōu)點是高頻特性好，具有較寬的頻帶。3.共集-共基放大電路圖3.7.11共集-共基放大電路的交流通路Tl管組成的共集電路作為輸入端，輸入電阻較大；以T2管組成的共基電路作為輸出端，有一定電壓放大能力；由于共集電路和共基電路均有較高的上限截止頻率，故電路具有很好的寬頻帶特性。4.共集-共集放大電路圖3.7.12共集-共集放大電路(1)復(fù)合管的主要特性1)復(fù)合管的組成及類型2)復(fù)合管的主要參數(shù)①電流放大系數(shù)一般有，，所以②輸入電阻rbe

同類型的兩只晶體管構(gòu)成的復(fù)合管不同類型的兩只晶體管構(gòu)成的復(fù)合管復(fù)合管的輸入電阻與組成管T1、T2的接法有關(guān)。

復(fù)合管的β很高；同類型晶體管構(gòu)成復(fù)合管，輸入電阻會增加。因而，與單管共集電極放大電路相比，同類型管的復(fù)合管共集-共集放大電路的動態(tài)性能會更好。

(2)共集—共集放大電路的

、Ri、Ro

式中

復(fù)合管使共集—共集放大電路比單管共集電極電路的電壓跟隨特性更好，即Av更接近1，Ri更大，而Ro更小。3.8.1簡單RC電路的頻率響應(yīng)3.8.2晶體管的高頻小信號模型3.8.3單級共射極放大電路的頻率響應(yīng)3.8.4單級共基極和共集電極電路的頻率響應(yīng)3.8.5多級放大電路的頻率響應(yīng)3.8放大電路的頻率響應(yīng)

研究放大電路的動態(tài)指標（主要是增益）隨信號頻率變化時的響應(yīng)。3.8放大電路的頻率響應(yīng)

或幅頻特性

相位頻率特性

圖3.8.1阻容耦合單級共發(fā)射極放大電路的頻率響應(yīng)曲線圖3.8.2放大電路的輸入輸出波形圖3.8.4RC高通電路的波特圖3.8.1簡單RC電路的頻率響應(yīng)1．RC高通電路圖3.8.3RC高通電路令fL是高通電路的下限截止頻率(或稱下限轉(zhuǎn)折頻率)(1)幅頻響應(yīng)1)當f>>fL時dB是一條與橫軸平行的零分貝線。一條斜率為20dB／十倍頻程的直線，與零分貝線在f=fL處相交。由以上二條直線構(gòu)成的折線，就是近似的幅頻響應(yīng)圖3.8.4RC高通電路的波特圖2)當f<<fL時fL處，電壓傳輸系數(shù)下降為中頻值的0.707倍，用分貝表示時，下降了3dB，所以fL又稱為下限截止頻率，簡稱為下限頻率。

用折線表示的幅頻響應(yīng)與實際的幅頻響應(yīng)曲線有一定誤差，如虛線所示。作為工程近似方法，實際上是簡便可行的。(2)相頻響應(yīng)圖3.8.4RC高通電路的波特圖1)當f>>fL時得到的直線

2)當f<<fL時得到—條的直線。3)當f=fL時輸出超前輸入2.RC低通電路圖3.8.5RC低通電路s=jω=j2πf，令

圖3.8.6RC低通電路的波特圖fH是低通電路的上限截止頻率(或稱上限轉(zhuǎn)折頻率)，簡稱上限頻率

圖3.8.6RC低通電路的波特圖輸出相位滯后于輸入相位當f<<fH時，在f=fH時，用分貝表示就是下降了3dB而且產(chǎn)生-45?的相移。

f>fH以后，隨著f的升高，近似按照每十倍頻程下降20dB的線性規(guī)律衰減，而且相移增大，最終趨于-90?。

RC高、低通電路頻率響應(yīng)的分析結(jié)論：

(1)電路的截止頻率決定于相關(guān)電容所在回路的時間常數(shù)，τ=RC。

(2)當輸入信號的頻率等于上限頻率fH或下限頻率fL時，放大電路的增益比通帶增益下降3dB，或下降為通帶增益的0.707倍，且在通帶相移的基礎(chǔ)上產(chǎn)生-45?或+45?的相移。

(3)工程上常用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率響應(yīng)?；鶇^(qū)體電阻rbb’

rbb’表示基區(qū)體電阻。3.8.2晶體管的高頻小信號模型1．晶體管的高頻小信號模型電阻rb’e和電容Cb’erb’e=(1+β)re=(1+β)集電結(jié)電阻rb’c和電容Cb’c受控電流源圖3.8.7晶體管的高頻小信號模型圖3.8.8混合П型高頻小信號簡化模型Cb’c一般在2~10pF范圍內(nèi)圖3.8.11的波特圖fβ稱為共發(fā)射極截止頻率，是下降到(或0.707β0)時信號的的頻率，其值主要由管子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。就是頻率響應(yīng)的上限頻率。(2)特征頻率fT

的幅值下降到1時的頻率fT，稱為晶體管的特征頻率。由于fT>>fβ

，故fT≈β0

fβ

通常Cb’e>>Cb’c，所以有(3)共基極截止頻率fαα下降為(或0.707α)時的頻率稱為管子的共基極截止頻率。f

＝(1＋

0)f

≈f

＋fT

3.晶體管的頻率參數(shù)(1)共發(fā)射極截止頻率fβ圖3.8.10計算的電路模型

3.8.3單級共射極放大電路的頻率響應(yīng)圖3.8.12共發(fā)射極電路及其高頻小信號等效電路有Rb>>(rbb’+rb’e)，可忽略Rb的影響，則1．中頻源電壓增益圖3.8.13單級共發(fā)射極電路的中頻等效電路考慮到=rbe和，與前面利用H參數(shù)小信號等效電路的結(jié)果是一致的。顯然，在中頻區(qū)，電壓增益與信號頻率無關(guān)。2.高頻響應(yīng)(1)求密勒電容(必須考慮晶體管極間電容的影響)設(shè)，則b’點流入電容Cb’c的電流令使則電容Cb’c對輸入回路的影響與電容CM1的作用相同。輸出回路中，由c點流入Cb’c的電流:令使則電容Cb’c對輸出回路的影響與電容CM2的作用相同。一般有||>>1，

即因為Cb’c很小，通常有得Cb’c的密勒等效電容

圖3.8.15圖3.8.14的簡化電路顯然有CM1>>Cb’c，CM2≈Cb’c，CM2的影響忽略(2)高頻響應(yīng)和上限頻率圖3.8.16圖3.8.15的等效電路圖3.8.15圖3.8.14的簡化電路中頻或通帶源電壓增益上限頻率

＝-180

-arctn(f/fH)圖3.8.17圖3.8.12(a)電路的高頻響應(yīng)波特圖－180?，表示中頻范圍內(nèi)共射極放大電路的與反相，－arctan(f/fH)是等效電容C在高頻范圍內(nèi)引起的相移，稱為附加相移，這里的最大附加相移為－90?，當f=fH時，附加相移。例3.8.1

設(shè)圖3.8.12(a)所示電路在室溫(300K)下運行，且晶體管的VBEQ=0.6V，rbb’=100Ω，β0=100，Cb’c=0.5pF，fT=400MHz；VCC=12V，Rb1=100kΩ，Rb2=16kΩ，Re=1kΩ，Rc=RL=5.1kΩ，Rs=1kΩ，試汁算該電路的中頻源電壓增益及上限頻率。圖3.8.12解：1mA/26mV≈0.038S=(1+100)×26mV/1mA≈2.63kΩC=Cb’e+CM1=(15.1+49)pF=64.1pF(3)增益-帶寬積晶體管一旦確定，