模拟电子技术：第7章 晶体管及其放大电路

第第7章章 晶体管及其放大电路晶体管及其放大电路 本章主要内容：本章主要内容：7.1 晶体管晶体管 7.2 放大电路的直流偏置放大电路的直流偏置7.3 共射极放大电路共射极放大电路7.4 共集电极和共基极放大电路共集电极和共基极放大电路 7.5组合放大电路组合放大电路 7.6放大电路的频率响应放大电路的频率响应7.1 晶体管晶体管本节主要内容：本节主要内容：7.1.1 晶体管的结构晶体管的结构7.1.2 晶体管的工作原理晶体管的工作原理7.1.3 晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性7.1.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数7.1.5 温度对晶体管特性和参数的影响温度对晶体管特性和参数的影响 7.1.1 晶体管的结构晶体管的结构 发射结发射结 集电结集电结 发射区发射区 N P N 基区基区 集电区集电区 c 集电集电极极 e 发射发射极极 b 基极基极 b （a）内部内部结构结构 （b）结构示意图结构示意图 （c）电路符号电路符号 集电区集电区 发射区发射区 基区基区 c e 1、NPN型晶体管的结构和电路符号型晶体管的结构和电路符号（c）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。）图中的箭头表示发射结正向电流的方向。2、PNP型晶体管的结构和电路符号型晶体管的结构和电路符号 3、常见晶体管的封装外形如图所示：、常见晶体管的封装外形如图所示：发射结发射结 集电结集电结 发射区发射区 N P P 基区基区 集电区集电区 c 集电集电极极 e 发射发射极极 b基极基极（a）结构结构示意图示意图 （b）电路符号电路符号 b c e 7.1.2 晶体管的工作原理晶体管的工作原理 内部条件：内部条件：发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低发射区掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度低；集电区；集电区面积很大，掺杂浓度远低于发射区。通过制造工艺保证内部条件的面积很大，掺杂浓度远低于发射区。通过制造工艺保证内部条件的实现。实现。外部条件：外部条件：发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压发射结加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置）。通过电路设计保证外部条件的实现。（反向偏置）。通过电路设计保证外部条件的实现。1.载流子的传输过程载流子的传输过程（1）发射区向基区注入载流子）发射区向基区注入载流子 由于发射结正向偏置，发射由于发射结正向偏置，发射区的电子源源不断地注入基区，区的电子源源不断地注入基区，基区的空穴也要注入发射区，基区的空穴也要注入发射区，二者共同形成发射极电流二者共同形成发射极电流IE。ENEPENEIIII由于基区掺杂浓度比发射区小由于基区掺杂浓度比发射区小23个数量级，个数量级，基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计基区注入发射区的空穴电流可以忽略不计 c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB+_ vCE+_ vBE（2）载流子在基区中的扩散与复合）载流子在基区中的扩散与复合 电子不断地向集电结方向扩散，电子不断地向集电结方向扩散，扩散过程中少量电子与空穴复合，扩散过程中少量电子与空穴复合，形成基极电流的一部分形成基极电流的一部分IBN。由于基区宽度很窄，且掺杂浓度由于基区宽度很窄，且掺杂浓度很低，从而大大地减小了电子与很低，从而大大地减小了电子与空穴复合的机会，使注入基区的空穴复合的机会，使注入基区的95以上的电子都能到达集电结，以上的电子都能到达集电结，它们将形成集电极电流的一部分它们将形成集电极电流的一部分ICN。所以所以CNBNENIII c e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB+_ vCE+_ vBE（3）集电区收集载流子）集电区收集载流子 集电结外加反向电压，基区中扩散集电结外加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的电子，受电场的作到集电结边缘的电子，受电场的作用，漂移越过集电结形成集电极电用，漂移越过集电结形成集电极电流的一部分流的一部分ICN。另一方面，集电结两边的少数载流另一方面，集电结两边的少数载流子漂移形成反向饱和电流，记为子漂移形成反向饱和电流，记为I ICBOCBO。通常，。通常，I ICBOCBOIICNCN。CNCBOCNCIIIICBOEPBNBIIII显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三显然，电子和空穴都参与电流传导过程，因此，称为双极结型三极管（极管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称晶体管。），简称晶体管。由基尔霍夫电流定律由基尔霍夫电流定律:CBEIIIc e b N P N Rc VCC RbVBB IEN IEP ICN ICBO IBN IE IC IB+_ vCE+_ vBE 2.电流控制作用电流控制作用 定义定义ICN与与IE之比为晶体管的之比为晶体管的共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 ，即，即ECNII得得 CBOECIII值越大，值越大，发射极电流对集电极电流的控制能力越强。发射极电流对集电极电流的控制能力越强。CBEIII因为则则 CBOCBCBOECIIIIII)(得得CBOBCIII111令令1为为共射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数 BCBOBCIIII11则EEECIIII即即共基极交流放大系数共基极交流放大系数 近似等于近似等于共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数定义集电极电流变化量定义集电极电流变化量IC与基极电流变化量与基极电流变化量IB之比为共射极交流之比为共射极交流放大系数放大系数，即，即 constvBCCEIIBBBCIIII 7.1.3 7.1.3 晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性 1.输入特性曲线输入特性曲线 输入特性曲线描述了在集射电压输入特性曲线描述了在集射电压vCE一定的情况下，基极电流一定的情况下，基极电流iB与基射电压与基射电压vBE之间的函数关系之间的函数关系,即即constvBEBCEvfi)(小功率硅管的小功率硅管的门坎电压门坎电压vth约为约为0.5V，锗管约为，锗管约为0.1V。小功率硅管的小功率硅管的导通压降导通压降Von约为约为0.60.8V，一般，一般取取0.7V；小功率锗管约为；小功率锗管约为0.20.3V，一般取，一般取0.2V。2.输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线描述了在基极电流输出特性曲线描述了在基极电流iB一定的情况下，集电极电流一定的情况下，集电极电流iC与集射电压与集射电压vCE之间的函数关系之间的函数关系,即即 constiCECBvfi)(在输出特性曲线上可划分为三个工在输出特性曲线上可划分为三个工作区：作区：放大区、饱和区和截止区。放大区、饱和区和截止区。(1)放大区放大区（Active region）放大区的特点是：放大区的特点是：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏；iCiB，体现了晶体管的放大，体现了晶体管的放大作用（电流控制作用），曲线的间作用（电流控制作用），曲线的间隔越大，隔越大，值越大；值越大；iC 随随vCE增加很小，呈恒流特性。增加很小，呈恒流特性。(2)饱和区饱和区（Saturation region）饱和区内的饱和区内的vCE称为称为饱和压降，小饱和压降，小功率硅管的饱和压降典型值为功率硅管的饱和压降典型值为0.3V，锗管为锗管为0.1V。饱和区的特点：饱和区的特点：发射结和集电结均为正偏置；发射结和集电结均为正偏置；iC不受不受iB控制，而近似随控制，而近似随vCE线线性增长。由于性增长。由于vCE小、而小、而iC大，故大，故ce（集电极和发射极）之间等效（集电极和发射极）之间等效为开关的导通，或等效为一个小为开关的导通，或等效为一个小电阻，称为导通电阻。电阻，称为导通电阻。(3)截止区截止区(Cutoff region)特点：特点：发射结和集电结都是反向偏置；发射结和集电结都是反向偏置；iC=ICEO0，故，故ce之间等之间等效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。效为开关的断开，或等效为一个大电阻，称为截止电阻。7.1.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数1.电流放大系数电流放大系数（Current amplification factor）2.极间反向电流极间反向电流极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了晶体管的温度特性。（1）集电结反向饱和电流）集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时，集电极和基极之间：发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。的反向饱和电流。（2）穿透电流）穿透电流ICEO：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，：基极开路时，通过集电极和发射极回路的电流，ICEO=(1+)ICBO。3.极限参数极限参数（1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流ICM ICM是指当是指当下降到正常下降到正常值的值的2/3时时所对应的所对应的IC值。当值。当IC超过超过ICM时，时，晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。晶体管的放大性能下降，但不一定损坏。（2）反向击穿电压（）反向击穿电压（Reverse breakdown voltage）发射结反向击穿电压发射结反向击穿电压V(BR)EBO：集电极开路时，集电极开路时，发射极与基极之间允许施加的发射极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。最高反向电压。超过此值，发射结发生反向击穿。集电结反向击穿电压集电结反向击穿电压V(BR)CBO：发射极开路时发射极开路时，集电极与基极之间允许施加的，集电极与基极之间允许施加的最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。最高反向电压。超过此值，集电结发生反向击穿。（3）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率PCMPC=iC vCE当当PCPCM时，晶体管的实际结温小时，晶体管的实际结温小于允许的结温，不会损坏晶体管。于允许的结温，不会损坏晶体管。为了可靠工作，通常选择为了可靠工作，通常选择PCM=（1.5）PC。7.1.5 温度对晶体管的特性与参数的影响温度对晶体管的特性与参数的影响（1)温度对温度对ICBO的影响的影响ICBO是少数载流子形成的集电结反向饱和电流，受温度影响很大。是少数载流子形成的集电结反向饱和电流，受温度影响很大。温度每升高温度每升高10度，度，ICBO增加一倍增加一倍。反之，温度降低时。反之，温度降低时ICBO减小。减小。当温度升高时，当温度升高时，ICEO的增大体现为整个输出特性曲线族向上平移的增大体现为整个输出特性曲线族向上平移（2)温度对温度对的影响的影响温度升高时，晶体管内部载流子的扩散能力增强，使基区内载流子的复合概率减温度升高时，晶体管内部载流子的扩散能力增强，使基区内载流子的复合概率减小，因而小，因而温度升高时放大倍数温度升高时放大倍数随之增大随之增大。以以 时测得的时测得的值为基数，温度每升高值为基数，温度每升高 ，增加约增加约(0.51)%。C25C1CBOCEOII)1(（3）温度对输入特性的影响）温度对输入特性的影响温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的温度升高时，对于同样的发射极电流，晶体管所需的|vBE|减小。表现为减小。表现为输入特输入特性曲线向左移动性曲线向左移动 （4）温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响（5 5）温度对反向击穿电压的影响温度对反向击穿电压的影响温度升高时，晶体管的温度升高时，晶体管的I ICBOCBO、I ICEOCEO、都将增大，导致晶体管的都将增大，导致晶体管的输出特性曲线向上移输出特性曲线向上移温度升高，温度升高，V V(BR)CEO(BR)CEO和和V V(BR)CBO(BR)CBO都增大都增大7.2 放大电路的直流偏置放大电路的直流偏置将晶体管偏置在将晶体管偏置在放大状态放大状态:发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。7.2.1 基本偏置电路和静态工作点分析方法基本偏置电路和静态工作点分析方法1基本偏置电路基本偏置电路直流电压和电流直流电压和电流在其特性曲线上组成在其特性曲线上组成静态工作点静态工作点，分别是，分别是（V VBEBE，I IB B）和（）和（V VCECE，I IC C），），通常用通常用Q Q表示表示。+Rb Rc T VBE+VCE IB IC+VCC（12V）+Rb Rc T VBE+VCE IB IC-VCC（-12V）（a）NPN 管管 (b)PNP管管 2晶体管的分段线性模型晶体管的分段线性模型在输入特性曲线中在输入特性曲线中，用垂足为导通电压（，用垂足为导通电压（V Vonon）的垂直线段逼近输入特性的导通）的垂直线段逼近输入特性的导通区，用过原点的水平线段逼近输入特性的死区，如图区，用过原点的水平线段逼近输入特性的死区，如图7.2.27.2.2（a a）所示。）所示。在输出特性曲线中在输出特性曲线中，用一组水平直线段逼近晶体管的放大区特性，用垂足为原点，用一组水平直线段逼近晶体管的放大区特性，用垂足为原点的垂直线段逼近晶体管的饱和特性，如图的垂直线段逼近晶体管的饱和特性，如图7.2.77.2.7（b b）所示。）所示。3 3静态工作点的计算静态工作点的计算CcCCCECCbBECCBonBEIRVVIIRVVIVV例例7.1 7.1 试计算图试计算图7.2.17.2.1电路的静态工作点。已知：三极管是硅管，其电路的静态工作点。已知：三极管是硅管，其=50=50；VCC=12V，Rb=400k，Rc=4k。解：将电路参数代入（解：将电路参数代入（7.2.1），得），得VmAkVIRVVmAmAIIAmAkVRVVIVVVCcCCCECCbBECCBonBE35.6)(41.141241.10285.0505.280285.04007.0127.0（7.2.1）3 3静态工作点的计算静态工作点的计算CcCCCECCbBECCBonBEIRVVIIRVVIVV（7.2.1）补充补充介绍电路图中三极管状态的判断介绍电路图中三极管状态的判断：假设法：假设法首先可以判断出三极管能够导通（因为发射结正偏），假设三首先可以判断出三极管能够导通（因为发射结正偏），假设三极管处于放大区，则有极管处于放大区，则有CcCCCECCbBECCBIRVVIIRVVI,，假设成立则三极管处于放大状态若果，假设不成立则三极管处于饱和状态若果,EESCCESCCEVVVV4基本偏置电路的缺点基本偏置电路的缺点CBECEOCBOIvIIT)/(稳定静态工作点的基本方法之一是在直流偏稳定静态工作点的基本方法之一是在直流偏置电路中引入置电路中引入直流负反馈直流负反馈，使集电极直流电，使集电极直流电流流I IC C和集射直流电压和集射直流电压V VCECE随温度的变化很小，随温度的变化很小，稳定静态工作点稳定静态工作点Q Q（V VCECE，I IC C）。反馈方式主要是电流串联负反馈和电压并反馈方式主要是电流串联负反馈和电压并联负反馈。联负反馈。基本偏置电路的静态工作点受环境温度基本偏置电路的静态工作点受环境温度T的影响很大。的影响很大。7.2.2 电流串联负反馈偏置电路电流串联负反馈偏置电路 图中图中射极电阻射极电阻Re引入电流串联负反引入电流串联负反馈，所以简称为馈，所以简称为射极偏置电路射极偏置电路。基极电流基极电流IB B远远小于基极偏置电阻上的电流远远小于基极偏置电阻上的电流I1时：时：CCbbbBVRRRV212当温度升高引起集电极电流增加时，电流串联负反馈将自动进行如下反馈过程：当温度升高引起集电极电流增加时，电流串联负反馈将自动进行如下反馈过程：在电子工程设计中，选择电路参数，使：在电子工程设计中，选择电路参数，使：锗管硅管BBIII)2010()105(1BEBVV)105(Rb1 Rc T VB VC+VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC 三极管反馈类型判断：三极管反馈类型判断：1.1.电压反馈：反馈与输出在同一极；电压反馈：反馈与输出在同一极；电流反馈：反馈与输出不在同一极；电流反馈：反馈与输出不在同一极；2.2.串连反馈：串连反馈：反馈与输入不在同一极；反馈与输入不在同一极；并联反馈：并联反馈：反馈与输入在同一极；反馈与输入在同一极；3.3.正负反馈：瞬时极性法正负反馈：瞬时极性法onBEVVeBEBERVVI/)(eEcCCCCERIRIVV1EBII静态工作点计算：静态工作点计算：例例7.2 7.2 射极偏置电路如图射极偏置电路如图7.2.47.2.4所示。已知：晶体管是硅管，其所示。已知：晶体管是硅管，其=50=50；V VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k。试计算电路的静态工作点。试计算电路的静态工作点。解：解：VVVonBE7.0mARVVIeBEBE65.12/)7.04(/)(VRIRIVVeEcCCCCE75.365.1)23(12AmAIIEB32032.051/65.1)1/(CCbbbBVRRRV212Rb1 Rc T VB VC+VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC BCII7.2.3 电压并联负反馈偏置电路电压并联负反馈偏置电路电阻电阻Rb引入电压并联负反馈引入电压并联负反馈。集电极电阻集电极电阻R Rc c上的电流上的电流IR为为:IR=IC+IBIC当温度升高引起集电极电流增加时，电路将自动进行如下反馈过当温度升高引起集电极电流增加时，电路将自动进行如下反馈过程：程：Rc T VB VC+VCC Rb IB IC IR 静态工作点计算：静态工作点计算：由电路得由电路得 bBEBcCCbBECBBcCCCcCCRcCCCRVIRVRVVIIRVIRVIRVV所以，所以，CcCCCBCcbBECBonBEIRVVIIRRVVIVVRc T VB VC+VCC Rb IB IC IR 7.3 共射极放大电路共射极放大电路7.3.1 信号的耦合方式信号的耦合方式信号的耦合方式主要有信号的耦合方式主要有直接耦合、电容耦合、变压器耦合和光电耦合直接耦合、电容耦合、变压器耦合和光电耦合。1.直接耦合直接耦合 信号源直接引入到晶体管的发射结回路，信号源直接引入到晶体管的发射结回路，即输入回路。输出信号直接从晶体管的集即输入回路。输出信号直接从晶体管的集电极对地引出送负载电阻电极对地引出送负载电阻R RL L，形成输出回路。，形成输出回路。优点是优点是可以放大输入信号的直流分量和可以放大输入信号的直流分量和低频信号；电路不包含大电容和大电感，低频信号；电路不包含大电容和大电感，适合集成电路制造工艺。适合集成电路制造工艺。缺点是缺点是放大电路的放大电路的静态工作点静态工作点受信号源受信号源内阻和负载的影响，并且随温度变化而移内阻和负载的影响，并且随温度变化而移动，称为动，称为温度漂移。温度漂移。Rb1 Rc T vB vC+VCC Re iB iC RL vo+vs vi+Rs+Rb2 iS 2.电容耦合电容耦合 输入信号为零时输入信号为零时，电容对，电容对直流直流电电流相当于开路，故信号源和负载不流相当于开路，故信号源和负载不影响放大电路的静态工作点，影响放大电路的静态工作点，当输入信号不为零时当输入信号不为零时，如果信号频率足够大，则大电容如果信号频率足够大，则大电容C1和和C2的的阻抗远小于其所在回路的阻抗，相当于阻抗远小于其所在回路的阻抗，相当于短路短路。电容通常是几十个微法，保证对信号相当于短路（简称为交流短路）、对直电容通常是几十个微法，保证对信号相当于短路（简称为交流短路）、对直流电源相当于开路（简称为直流开路）。流电源相当于开路（简称为直流开路）。例如，在音频（例如，在音频（20Hz20kHz）放大器中，若耦合电容取值）放大器中，若耦合电容取值50F，其阻抗小于，其阻抗小于160，与电阻比较耦合电容相当于交流短路。电容耦合的缺点是不适合集成电，与电阻比较耦合电容相当于交流短路。电容耦合的缺点是不适合集成电路工艺，放大电路不能集成化。路工艺，放大电路不能集成化。Rb1 Rc T vB+VCC Re iB iC RL vo+vs vi+Rs+Rb2 C2 C1 7.3.2 晶体管的低频小信号模型晶体管的低频小信号模型1.晶体管的低频小信号模型晶体管的低频小信号模型),(1CEBBEvifv),(2CEBCvifi 式中式中vBE、iB、vCE和和iC都是瞬时总量（都是瞬时总量（交流总量交流总量），包括直流电源引起的直流量），包括直流电源引起的直流量和信号引起的变化量（交流量）。和信号引起的变化量（交流量）。求全微分，得求全微分，得CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCE +vBE vCE _+_ iB iC iB(A)vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=0V vCE?1V （c）输出特性曲线输出特性曲线（b）输输入入特性曲线特性曲线（a）共射极连接共射极连接 0 1 2 2 3 3 4 V Vthth V VononV Vthth 0 vCE=0.5V iB=0?A 100 CEv/V 2 4 6 8 截止区截止区 放放 大大 区区 100 80 60 40 20 饱和区饱和区 iC /mA ICEO CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCE在静态工作点附近，微分量的系数是常数在静态工作点附近，微分量的系数是常数。令。令,CEVBBEieivh,BICEBErevvh,CEVBCfeiihBICECoevih由于微分量由于微分量dvBE、diB、dvCE、diC表示小信号变化量表示小信号变化量ccebbeiviv、所以，所以，cerebiebevhihvceoebfecvhihi晶体管的低频晶体管的低频小信号模型小信号模型:T e b ib c+_ _ _ _ vbe vbe ic vce b c e vce+_ hrevce hie ic hfeib oeh1 ib(b)(a)2.h2.h参数的物理意义参数的物理意义,CEVBBEieivh,BICEBErevvh,CEVBCfeiihBICECoevihhie是晶体管是晶体管输出端交流短输出端交流短路路（vCE=VCEvce=0）时）时b-eb-e之间的交流输入电阻，之间的交流输入电阻，常用常用rbe来表示，来表示，约为约为10103 3量级。量级。hre是晶体管是晶体管输入端交流输入端交流开路开路（iB=IBib=0）时）时的反向电压传输系数的反向电压传输系数（无量纲）（无量纲）,也称为电压也称为电压反馈系数。反馈系数。iB(A)vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE （a）hie的意义的意义 0 VB100 IB iB(A)vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE 0 VB 100 IB 斜率斜率的倒数的倒数 CEVBBEieivh BICEBErevvh 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/V（c）hfe的意义的意义 （b）hre的意义的意义 VC IB IC CEVBCfeiih 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/V（d）hfe的意义的意义 VC IB IC 斜率斜率的倒数的倒数 BICECoevih ,CEVBBEieivh,BICEBErevvh,CEVBCfeiihBICECoevihhfe是晶体管输出端是晶体管输出端交流短交流短路路（vCE=VCEvce=0）时）时的正向电流传输系数（无的正向电流传输系数（无量纲），等于电流放大系量纲），等于电流放大系数数，约为，约为10102 2量级。量级。hoe是晶体管输入端是晶体管输入端交流开交流开路路（iB=IBib=0）时）时c-ec-e之间的输出电导，常用之间的输出电导，常用1/rce表示，表示，hoe很小，在放大很小，在放大电路的简化分析中，电路的简化分析中，hoe常常常忽略不计。常忽略不计。h h参数第一个下标的含义是：参数第一个下标的含义是：i表示输入，表示输入，r表示反向传输，表示反向传输，f表示正向传输，表示正向传输，o表示表示输出。第二个下标输出。第二个下标e表示是共发射极接法。表示是共发射极接法。iB(A)vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE （a）hie的意义的意义 0 VB100 IB iB(A)vBE/V 20 40 60 80 0.5 1.0 vCE=VCE 0 VB 100 IB 斜率斜率的倒数的倒数 CEVBBEieivh BICEBErevvh 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/V（c）hfe的意义的意义 （b）hre的意义的意义 VC IB IC CEVBCfeiih 2 6 8 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 3 4 0 iC /mA CEv/V（d）hfe的意义的意义 VC IB IC 斜率斜率的倒数的倒数 BICECoevih 3.小信号模型的简化和参数的确定小信号模型的简化和参数的确定电压受控源电压受控源hre vce的电压及输出电阻的电压及输出电阻1/1/hoe很小，常忽略很小，常忽略。图中，用图中，用 替换替换hfe，用用rbe替换替换hie在放大区内，晶体管的电流放大倍数在放大区内，晶体管的电流放大倍数 是常数，与晶体管的制造有是常数，与晶体管的制造有关。但是，关。但是，rbe与静态工作点有关，可以根据晶体管的物理结构模型与静态工作点有关，可以根据晶体管的物理结构模型导出导出rbe的计算公式。的计算公式。(b)(a)+_ _ vbe b c e vce+_ hrevce hie ic hfeib oeh1 ib +_ _ vbe b c e vce rbe ic ib ib cerebiebevhihvceoebfecvhihirbe的计算：的计算：rbb模拟从基极到发射结的基区体电阻，模拟从基极到发射结的基区体电阻，rbe模拟发射结的正向导通电阻，模拟发射结的正向导通电阻，re模拟发射区模拟发射区的体电阻的体电阻(远小于远小于rbe)，rbc模拟集电结的反模拟集电结的反向电阻，向电阻，rc模拟集电区的体电阻模拟集电区的体电阻(远小于远小于rbc)。)1(TBEVvSEeIi发射结电流方程：发射结电流方程：所以所以 ETVVSTVvBEEebIVeIVdvdirTBEBEBE111)1(ebbbbbebebbbbeririririv)1(ebbbbbeberrivr小功率晶体管小功率晶体管rbb200300 ，常取，常取200 。EETbbbeImVIVrr)(26)1(200)1(晶体管的结构模型晶体管的结构模型:b cb e rbb re rbe e Jc Je ib ic ie rbc rc 7.3.3 放大电路的小信号分析放大电路的小信号分析应用小信号模型分析晶体管放大电路，步骤如下：应用小信号模型分析晶体管放大电路，步骤如下：（1）令交流信号源不作用）令交流信号源不作用（交流电压源短路、交流电流源开（交流电压源短路、交流电流源开路），得到仅有直流电源作用的直流非线性电路（电容开路、电路），得到仅有直流电源作用的直流非线性电路（电容开路、电感短路），简称感短路），简称直流通路。直流通路。（2）求解晶体管的）求解晶体管的静态工作点（分段模型法），静态工作点（分段模型法），据此计算晶体据此计算晶体管的交流输入电阻管的交流输入电阻rbe。（3）令直流电源不作用）令直流电源不作用（直流电压源短路、直流电流源开路），（直流电压源短路、直流电流源开路），得到仅有交流信号源作用的交流电路，简称为得到仅有交流信号源作用的交流电路，简称为交流通路交流通路。用。用小信小信号模型号模型代替晶体管，得到交流线性等效电路，简称为交流等效电代替晶体管，得到交流线性等效电路，简称为交流等效电路。路。（4）用线性电路的分析方法（时域方法或频域方法等）用线性电路的分析方法（时域方法或频域方法等）求解交求解交流线性电路的相关参数。流线性电路的相关参数。前前2步作静态分析，后步作静态分析，后2步作动态分析（也称为交流分析）。步作动态分析（也称为交流分析）。以电容耦合共射极放大电路为例阐述分析步骤。以电容耦合共射极放大电路为例阐述分析步骤。1静态分析静态分析onBEVVeBEBERVVI/)(eECCCCCERIRIVV1EBIICCbbbBVRRRV2122.动态分析动态分析(1)画出放大电路的交流等效电路画出放大电路的交流等效电路 交流通路：交流通路：直流电压源短路直流电压源短路，因为其端电压变化量为零，对交流电流相当于短路；，因为其端电压变化量为零，对交流电流相当于短路；直流电直流电流源开路流源开路，因为其电流变化量为零，对交流电流相当于开路。，因为其电流变化量为零，对交流电流相当于开路。大电容短路，大电感开路大电容短路，大电感开路。BCII画出小信号等效电路如下：画出小信号等效电路如下：直流电源对地短路，电容直流电源对地短路，电容C1和和C2短路，并用简化小信号模型替代晶体管。短路，并用简化小信号模型替代晶体管。+ii RL bi c b+rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs+vs Rb1 Rc T+VCC Re RL vo+vs vi+Rs+Rb2 C2 C1 vB vC（2）放大电路的参数计算放大电路的参数计算+ii RL bi c b+rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs+vs ebeiibebebebbebeebebiRrRRiRriRiriRiriv)1()1()1(iR(是晶体管基极对地的输入电阻是晶体管基极对地的输入电阻)1(/2121ebebbibbiRrRRRRRR输入电阻输入电阻Ri的计算的计算:（2）放大电路的参数计算放大电路的参数计算电压增益电压增益Av的计算的计算:)/()/(LcLLbLccoRRRRiRRiv电压增益为电压增益为 ebeLebebLbiovRrRRriRivvA)1()1(增益表达中的负号表示输出电压与输入电压相位增益表达中的负号表示输出电压与输入电压相位相反相反。+ii RL bi c b+rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs+vs（2）放大电路的参数计算放大电路的参数计算输出电阻输出电阻Ro的计算的计算:令信号源电压为零令信号源电压为零 00)1()/(21bbbebbbbsiiriiRRRctctbctctRvRviRvii/所以输出电阻为所以输出电阻为ccttvttoRRvvivRs/0+ii RL bi c b+rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs+vs +ii bi c b+rbe Rc Rb1 vi vt ib ic _ _ Rb2 Re e Ro ie Rs it（3）电压放大模型电压放大模型输出电压对信号源电压的增益为输出电压对信号源电压的增益为 isivsiiosovsRRRAvvvvvvA Vi Vo+-+ii ioRS VS RL Ro Ri AVOVi+-例例7.3 共射极放大电路共射极放大电路如图如图7.3.7（a）所示。已知：晶体管是硅管，其）所示。已知：晶体管是硅管，其=50；VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k；C1=C1=10F；vs=sint=sin2000t，Rs=0.5k；RL=12k。试计算放大电路的增益、输入电阻。试计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻；画出和输出电阻；画出vs、vB、vC和和vo的波形。的波形。解：解：(1)直流通路直流通路)V(412204020212CCbbbBVRRRVmARVVIeBEBE65.12/)7.04(/)(VIRVVCcCCC05.765.1312VIRVEcE3.365.12（2）计算静态工作点和）计算静态工作点和rbe kmAmVImVrEbe1100065.126)501(20026)1(200Rb1 Rc T+VCC Re RL vo+vs vi+Rs+Rb2 C2 C1 vB vC Rb1 Rc T VB VC+VCC Re Rb2 I1 I2 IB VE IC（3）小信号等效电路）小信号等效电路 电容的容抗很小，对交流电流相当于短路。电容的容抗很小，对交流电流相当于短路。（4）计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻）计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻 17.12)501(1)12/3(50)1(kkkRrRAebeLvkRrRRRebebbi8.112)501(1/20/40)1(/21kRRco312.18.115.08.1117.1isivvsRRRAA+ii RL bi c b+rbe RC Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 Re e Ri iR Ro ie Rs+vs Rb1 Rc T+VCC Re RL vo+vs vi+Rs+Rb2 C2 C1 vB vC（5 5）画出画出vs、vB、vC和和vo的波的波形形ttvRRRvvssiiibsin96.0sin5.08.118.11tvVvttvAvvtvVvcCCivocbBBsin12.105.7sin12.1sin96.017.1sin96.04图中虚线表示直流分量，图中虚线表示直流分量，vo与与vs相位相反。由于电容的隔相位相反。由于电容的隔直作用，直作用，vo和和vs不包含直流分量。不包含直流分量。例例7.4 7.4 共射极放大电路共射极放大电路如图所示。已知：晶体管是硅管，其如图所示。已知：晶体管是硅管，其=50=50；VCC=12V，Rb1=40k，Rb2=20k，Rc=3k，Re=2k，Rs=0.5k，RL=12k。假设电容足够大，。假设电容足够大，试计算放大电路的增益、输入电阻和试计算放大电路的增益、输入电阻和输出电阻。输出电阻。krRRRbebbi11/20/40/211201)12/3(50beLvrRA8015.01120isibeLvsRRRrRAkRRco3路路+ii RL bi c b+rbe Rc Rb1 vi vo ib ic _ _ Rb2 e Ri iR Ro ie Rs+vs。Rb1 Rc T+VCC Re RL vo+vs vi+Rs+Rb2 C2 C1 Ce 解：根据例解：根据例7.3，krbe17.3.4 放大电路的大信号分析放大电路的大信号分析 当输入信号幅度较大时，晶体管的电流和电压幅当输入信号幅度较大时，晶体管的电流和电压幅度变化大，不能用静态工作点的切线表示它们之间度变化大，不能用静态工作点的切线表示它们之间的函数关系，故不能用小信号模型分析输入大信号的函数关系，故不能用小信号模型分析输入大信号情况下的放大电路，可采用情况下的放大电路，可采用图解法图解法分析之。分析之。放大电路的大信号分析主要是确定放大电路的大信号分析主要是确定最大不失真输出最大不失真输出幅度和定性分析非线性失真。幅度和定性分析非线性失真。1.输出交流负载线输出交流负载线 交流通路：交流通路：晶体管不能用小信号模型替换晶体管不能用小信号模型替换。交流负载线方程：交流负载线方程：)(LCLCCELCCCELcCEceCECERiRIVRIiVRiVvVvLCCEJRIVV令2.晶体管的电压和电流波形晶体管的电压和电流波形 ibevv由交流通路：由交流通路：tVvimisin设则则 tVVvVvVvimBEiBEbeBEBEsinLCCEJRIVV)(LCLCCELCCCELcCEceCECERiRIVRIiVRiVvVv交流负载线和晶体管电压电流波形交流负载线和晶体管电压电流波形:3.最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度为最大不失真输出幅度为:,min,minLCCESCECEJCESCEommRIVVVVVVV最佳静态工作点最佳静态工作点Q（VCE，IC）应满足下式：应满足下式：LCCESCERIVVLCCEJRIVV4.非线性失真非线性失真(以以NPN型管为例型管为例)2 6 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 4 0 iC /mA CEv/V IB IC VCES VJ t 2 iC/mA 0 t 2 VCE4 交流负载线交流负载线 Q (a)饱和失真饱和失真饱和失真：晶体管工作状态进入饱和区。饱和失真：晶体管工作状态进入饱和区。2 100 80 60 20 iB=0?A 1 2 4 0 iC /mA CEv/V IB IC VCES VJ t 2 iC/mA 0 t 2 VCE4 交流负载线交流负载线 Q 6 (b)截止失真截止失真截止失真：晶体管工作状态进入截止区。截止失真：晶体管工作状态进入截止区。大信号失真：当输出电压同时出现截顶和截底大信号失真：当输出电压同时出现截顶和截底 7.3.5 放大电路的组成原则放大电路的组成原则（1）适当的直流偏置电路，将有源元件偏置在放大区。对于晶体）适当的直流偏置电路，将有源元件偏置在放大区。对于晶体管，偏置电路应保证发射结正偏，集电结反偏。管，偏置电路应保证发射结正偏，集电结反偏。（2）适当的信号耦合电路，保证输入信号能作用于有源元件的输）适当的信号耦合电路，保证输入信号能作用于有源元件的输入回路，在负载上能获得放大了的交流信号。入回路，在负载上能获得放大了的交流信号。（3）适当的静态工作点，保证有足够的最大不失真输出信号幅度。）适当的静态工作点，保证有足够的最大不失真输出信号幅度。7.4 共集电极和共基极放大电路共集电极和共基极放大电路7.4.1共集电极放大电路共集电极放大电路1静态分析静态分析 直流通路：直流通路：eBBEbBeEBEbBCCRIVRIRIVRIV)1(VCC静态工作点静态工作点:EeCCCEBEebBECCBonBEIRVVIIRRVVIVV)1()1(2动态分析动态分析 7.4.1共集电极放大电路共集电极放大电路小信号等效电路：小信号等效电路：（1）输入电阻）输入电阻RiLbeiLeLbiLbbebLeebebiRrRRRRiRRiriRRiriv)1(/)1()/(所以，所以，)1(/LbebibiRrRRRR2动态分析动态分析（2 2）电压增益）电压增益Av和电流增益和电流增益AiLbLeeoRiRRiv)1()/(电压增益为：电压增益为：)1()1()1()1(LbeLLbbebLbiovRrRRiriRivvA通常，通常，beLrR)1(故共集电极放大电路的电压增益约故共集电极放大电路的电压增益约小于小于1，且，且输出电压与输入电压输出电压与输入电压相位相同相位相同，跟随输入电压变化。因此，共集电极放大电路又称为，跟随输入电压变化。因此，共集电极放大电路又称为射极跟随器射极跟随器。电流增益为电流增益为 1/LiviiLoioiRRARvRviiAiioi2动态分析动态分析（3 3）输出电阻）输出电阻R Ro oetsbetsbetRbbtRvRrvRrviiiie式中：式中：bssRRR/1/,0beseetsbetsbettRvttorRRRvRrvRrvvivRLs7.4.2 共基极放大电路共基极放大电路1.静态分析静态分析直流通路直流通路 静态工作点：静态工作点：CCbbbBVRRRV2121EBIIeecCCCCERIRIVVeBEBERVVI/)(BCII 2动态分析动态分析 7.4.2 共基极放大电路共基极放大电路小信号等效电路：小信号等效电路：（1）输入电阻）输入电阻Ri:beieibReRirvRviiiiiee)1()1(所以，所以，1/1)1(11)1(beebeebeieiiiiirRrRrvRvvivR（2 2）电压增益）电压增益Av 2动态分析动态分析 bebirivLcLecoRiRRiv)/(式中式中,LcLRRR/beLbebLbbebLciovrRriRiriRivvA共基极放大电路的输出电压与输入电压共基极放大电路的输出电压与输入电压相位相同相位相同，放大能力与共射，放大能力与共射极放大电路相当。极放大电路相当。（3 3）输出电阻）输出电阻Ro 2动态分析动态分析 00)1)(/()/(bbesbbeeesbbeiiRRiriRRir所以，ccttvttoRRvvivRs/07.4.3 晶体管三种放大电路的比较晶体管三种放大电路的比较1.三种放大电路的判别三种放大电路的判别 看放大电路中输入信号加在晶体管的哪个极，输出信号取自晶看放大电路中输入信号加在晶体管的哪个极，输出信号取自晶体管的哪个极。体管的哪个极。共射极放大电路电路中，输入信号加在晶体管的基极，输出信号取共射极放大电路电路中，输入信号加在晶体管的基极，输出信号取自集电极；自集电极；共集电极放大电路中，输入信号加在晶体管的基极，输出信号取共集电极放大电路中，输入信号加在晶体管的基极，输出信号取自发射极；自发射极；共基极放大电路中，输入信号加在晶体管的发射极，输出信号取共基极放大电路中，输入信号加在晶体管的发射极，输出信号取自集电极。自集电极。因此，未与输入信号和输出信号相连的电极既是公共电极。因此，未与输入信号和输出信号相连的电极既是公共电极。2.共射、共基、共集电路比较共射、共基、共集电路比较(3)共基极放大电路共基极放大电路只能放大电压不能放大电流，且具有很低的只能放大电压不能放大电流，且具有很低的输入电阻，这使得晶体管的结电容影响不明显，所以其输入电阻，这使得晶体管的结电容影响不明显，所以其频率特性是频率特性是三种接法中最好的三种接法中最好的（见（见7.6节），节），常用于宽频带放大电路常用于宽频带放大电路。(1)共射极放大电路共射极放大电路既能放大电压又能放大电流，既能放大电压又能放大电流，输入电阻和输出输入电阻和输出电阻在三种组态中居中，频带较窄，常用作低频电压放大电路中电阻在三种组态中居中，频带较窄，常用作低频电压放大电路中的单元电路。的单元电路。(2)共集电极放大电路共集电极放大电路只能放大电流不能放大电压，电压放大倍数只能放大电流不能放大电压，电压放大倍数小于且接近于小于且接近于1，具有电压跟随的特点具有电压跟随的特点，其输入电阻大，输出电阻，其输入电阻大，输出电阻小，常被用于多级放大电路的输入级和输出级，或作为隔离用的中小，常被用于多级放大电路的输入级和输出级，或作为隔离用的中间级。间级。放大电路三种基本组态的比较表放大电路三种基本组态的比较表*7.5组合放大电路组合放大电路(加深的内容，略讲加深的内容，略讲)7.5.1 共集共集-共基组合放大电路共基组合放大电路1.静态分析静态分析CCbbbBVRRRV212232211)(bBBEBECCBRVVVVI1112BCCIII)(221BEBCCCEVVVV2222)(CcBEBCEIRVVV1112)1(BEEIII2211BBEBEBVVVV2.动态分析动态分析7.5.1 共集共集-共基组合放大电路共基组合放大电路交流通路：交流通路：小信号等效电路：小信号等效电路：（1）（2）b1e1c1e2b2c22111vvioooiovAAvvvvvvA2.动态分析动态分析7.5.1 共集共集-共基组合放大电路共基组合放大电路由共集电路增益表达式（由共集电路增益表达式（7.4.3a）和共基电路增益表达式（）和共基电路增益表达式（7.4.6），得），得22112212221121)1()1()/()1()1()/()1()1(bebeLcbeLcibeivrrRRrRRRrRA设设1=2=，则，则21)/(bebeLcvrrRRA电压增益：电压增益：b1e1c1e2b2c22.动态分析动态分析7.5.1 共集共集-共基组合放大电路共基组合放大电路输入电阻输入电阻Ri：输入电阻等于第一级放大电路的输入电阻)1()1(/)1(/2211321131bebebibebiirrRRrRRR设1=2=，则)/(2131bebebiirrRRR输出电阻等于第二级放大电路的输出电阻，即 cooRRR27.5.2 共集共集-共集组合放大电路共集组合放大电路复合管（也称为达林顿管）复合管（也称为达林顿管）1四种复合管四种复合管(a)NPN+NPNNPN（第（第1个元件）个元件）(b)PNP+PNPPNP（第（第1个元件）个元件）1四种复合管四种复合管(c)NPN+PNPNPN（第（第1个元件）个元件）(d)PNP+NPNPNP（第（第1个元件）个元件）等效晶体管的类型是第等效晶体管的类型是第1个元件个元件(基极基极)的类型。的类型。（1）复合管的组成原则）复合管的组成原则第第1个元件的集电极电流或射极电流作第个元件的集电极电流或射极电流作第2个元件的基极电流，个元件的基极电流，真实电流方向一致。真实电流方向一致。晶体管组成复合管时，应遵守下述两条原则：晶体管组成复合管时，应遵守下述两条原则：在正确的外加电压下，每只晶体管均工作在放大区。在正确的外加电压下，每只晶体管均工作在放大区。（2）复合管的主要参数）复合管的主要参数电流放大系数电流放大系数(a)NPN+NPNNPN（第（第1个元件）个元件）以（以（a）图为例：）图为例：BBBBEBBBCCCiiiiiiiiiii)1()1()1(1211121112111211221121所以所以 212121121)1(BCii复合管的电流放大系数近似等于每个管子的电流放大系数之乘积。复合管的电流放大系数近似等于每个管子的电流放大系数之乘积。（2）复合管的主要参数）复合管的主要参数输入电阻输入电阻rbe(a)和和(b)是由是由两只同类型的晶体管两只同类型的晶体管构成的复合管，其输入电阻为构成的复合管，其输入电阻为 211)1(bebeberrr(c)和和(d)是是两只不同类型的晶体管两只不同类型的晶体管构成的复合管，其输入电阻为构成的复合管，其输入电阻为 1beberr 2共集共集放大电路的动态参数共集共集放大电路的动态参数T1和和T2是是NPN管，复合为一只管，复合为一只NPN管，由前述分析，其电流放管，由前述分析，其电流放大系数为：大系数为：21)/)(1()/)(1(LebeLeiovRRrRRvvA)/)(1(/LebebiRRrRR1/bebseorRRRR复合管构成的共集电极放复合管构成的共集电极放大电路的小信号等效电路：大电路的小信号等效电路：7.6.1 晶体管的高频小信号模型和频率参数晶体管的高频小信号模型和频率参数(略略)1晶体管的高频小信号模型晶体管的高频小信号模型 晶体管工作过程中发生的物理现象可用右图晶体管工作过程中发生的物理现象可用右图的电路元件模拟。的电路元件模拟。Cbe是发射结电容（约为是发射结电容（约为10pF10pF几百几百pFpF）；）；Cbc是集电结电容（约为几个是集电结电容（约为几个pFpF）；）；rbb模拟从基极到发射结的基区体电阻（模拟从基极到发射结的基区体电阻（约为几十几百欧姆约为几十几百欧姆）；）；rbe模拟发射结的正向导通电阻，模拟发射结的正向导通电阻，re模拟发射区的体电阻模拟发射区的体电阻(远小于远小于rbe)；rbc模拟集电结的反向电阻（模拟集电结的反向电阻（约为约为100k100M），rc模拟集电区的体电阻模拟集电区的体电阻(远小于远小于rbc)。7.6放大电路的频率响应放大电路的频率响应忽略忽略re和和rc，得到晶体管的高频小信号模型：，得到晶体管的高频小信号模型：受控源受控源ebmVg模拟发射结电压对集电极电流的控制作用，模拟发射结电压对集电极电流的控制作用，rce反映基区调制效应（大于反映基区调制效应（大于100k）。）。2 2混合混合形模型的简化形模型的简化在高频小信号模型中，通在高频小信号模型中，