1、第2章 半导体三极管及放大电路基础,内容提要： 本章讨论半导体三极管(BJT)的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。着重讨论BJT放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三种基本放大电路。从共发射极电路入手，推及其他两种电路，并将图解法和小信号模型法作为分析放大电路的基本方法。分析的步骤，首先是电路的静态工作点(Q点)，然后分析其动态技术指标。对于电压放大电路来说，主要的技术指标有电压增益、输入阻抗、输出阻抗和频响带宽，最后介绍放大电路的频率响应分析法。,本章主要内容,2.1 半导体三极管 2.2 共射极放大电路 2.3 图解分析法 2.4 小信号模型分析法 2.5 放大电路的工作点稳
2、定问题 2.6 共集电极电路和共基极电路 2.7 放大电路的频率响应,熟练掌握: 1.三极管的外特性及主要参数 2.共射、共集和共基组态放大电路的工作原理 3.静态工作点的分析 4.用微变等效电路法分析增益、输入和输出电阻,正确理解三极管的工作原理、图解分析法、频率响应法,本章重点内容,用估算法求静态工作点。,熟悉具有稳定静态工作点的共射放大电路及电路的分析。,掌握用微变等效电路分析放大电路动态性能指标（Au、Ri、Ro）的方法。,熟悉三种基本放大电路的性能特点。,晶体管的放大作用、输入和输出特性曲线、主要参数、温度对参数的影响。,2018/12/26,2.1 半导体三极管2.1.1 半导体三
3、极管的结构 2.1.2 半导体三极管的电流分配与放大作用2.1.3 半导体三极管的特性曲线 2.1.4 半导体三极管的主要参数 2.1.5 半导体三极管的型号,2018/12/26,2.1.1 半导体三极管的结构,双极型半导体三极管的结构示意图如下图所示。 它有两种类型:NPN型和PNP型。图 02.01 两种极性的双极型三极管,e-b间的PN结称为发射结(Je),c-b间的PN结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极， 用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极， 用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极， 用C或c表示（Collector）
4、。,2018/12/26,2.1.2 半导体三极管的电流分配与放大作用,双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。,现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系， 见图2.1。,图 2.1 双极型三极管的电 流传输关系,1. 三极管内部载流子的传输过程,(1) 发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。,(2) 电子在基区中的扩散 与复合形成基极电流IB。,图 2.1 双极型三极管的电 流传输关系,IE = IC+ IB,三极管三个极间电流的关系如下：,(动画2-1),(3) 集电区收集电子形成 集电 极电流
5、 IC 。,2018/12/26,2.半导体三极管的电流分配关系,(1) 三种组态三极管有三个电极，其中一个可以作为输入, 一个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见图2.2。,图 2.2 三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,(2) 三极管的电流放大系数,对于集电极电流IC和发射极电流IE之间的关系可以用系数来说明，定义:,称为共基极直流电流放大系数。它表示最后达到集电极的电子电流IC与总发射极电流IE的比值。IC与IE相比，因IC中没有IB，
6、所以 的值小于1, 但接近1。由此可得:,因 1, 所以 1,定义:=IC / IB 称为共发射极接法直流电流放大系数。于是：,2018/12/26,2.1.3 半导体三极管的特性曲线,这里，B表示输入电极，C表示输出电极，E表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。,输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即,共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图 2.3所示。,图2.3 共发射极接法的电压-电流关系,iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间。iC是输出电流，v
7、CE是输出电压，从C、E 两电极取出。,iB=f(vBE) vCE=const,(1) 输入特性曲线,其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。 当vCE1V时， vCB= vCE - vBE0，集电结已进入反 偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增 加时，曲线右移很不明 显。曲线的右移是三极 管内部反馈所致，右移 不明显说明内部反馈很 小。输入特性曲线的分 区：死区 非线性区 线性区,图2.4 共射接法输入特性曲线,(2)输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const,共发射极接法的输出特性曲线是以iB为参变量的一
8、族特性曲线。当vCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。当vCE稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，如vCE 1 VvBE=0.7 VvCB= vCE- vBE= 0.7 V 集电区收集电子的能力 很弱，iC主要由vCE决定。图2.5 共发射极接法输出特性曲线,当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，如vCE 1 VvBE 0.7 V 运动到集电结的电子 基本上都可以被集电 区收集，此后vCE再增 加，电流也没有明显 的增加，特性曲线进 入与vCE轴基本平行的 区域 (这与输入特性曲 线随vCE增大而右移的 图2.5 共发射极接法输出特性曲线 原因是一致的) 。 （动
9、画3-2）,输出特性曲线可以分为三个区域:,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域，线基本平行等距。 此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管) 。vc vb ve,2.1.4 半导体三极管的参数,半导体三极管的参数分为三大类:直流参数交流参数极限参数1. 直流参数 (1) 直流电流放大系数 共发射极直流电流放大系数=（ICICEO）/IBIC / IB vCE=cons
10、tIC = IB,图2.7 值与IC的关系,图 2.6 在输出特性曲线上决定, 共基极直流电流放大系数,=（ICICBO）/IEIC/IE,显然 与 之间有如下关系:,= IC/IE= IB/1+ IB= /1+ ,极间反向电流集电极基极间反向饱和电流ICBOICBO的下标CB代表集电极和基极，O是 Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。,集电极发射极间反向饱和电流 ICEO,2 交流参数 （1）交流电流放大系数.共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,图2.9 在输出特性曲线上求,.共基极交流电流放大系数 =IC/IE VCB=const 当IC
11、BO和ICEO很小时，、，可以不加区分。,（2 ）特征频率fT三极管的值不仅与工作电流有关，而且与 工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的将会下降。当下降到1时所对应的频率称为特征频率，用fT表示。,(3)极限参数 集电极最大允许电流ICM如图3.7所示，当集电极电流增加时， 就 要下降，当值下降到线性放大区值的7030 时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电 流ICM。至于值下降 多少，不同型号的三 极管，不同的厂家的 规定有所差别。可见， 当ICICM时，并不表 示三极管会损坏。 图2.7 值与IC的关系,集电极最大允许功率损耗PCM,集电极电流通过集电结时所产生的
12、功耗，PCM= ICVCBICVCE，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB。,反向击穿电压,反向击穿电压表示三极管电极间承受反向电 压的能力，其测试时的原理电路如图2.10所示。图3.10 三极管击穿电压的测试电路,1.V(BR) CBO发 射 极开路时集电结的击穿电压。,2.V(BR) EBO集电极开路时发射结的击穿电压。,3.V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。对于V(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 V(BR)CBOV(BR)CESV(BR)CERV(BR)CE
13、OV(BR) EBO,2018/12/26,2.1.5 半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,2018/12/26,表2.1 双极型三极管的参数,注：*为 f,温度对三极管的影响,T升高，反向饱和电流增加。 T升高， 增加。 T升高，反向击穿电压增加。,2.2 共发射极放大电路,1. 共发射极放大电路的
14、组成,基本组成如下：三 极 管T负载电阻Rc 、RL偏置电路VBB 、Rb耦合电容C1 、C2,起放大作用。,将变化的集电极电流 转换为电压输出。,提供电源，并使三极管 工作在线性区。,输入耦合电容C1保证信号加到 发射结，不影响发射结偏置。 输出耦合电容C2保证信号输送 到负载，不影响集电结偏置。,2. 放大原理,输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结有下列过程：,三极管放大作用,变化的 通过 转 变为变化的输出,图 2.2.2 共发射级放大电路的简化,PNP管用负电源供电,2.3 图解分析法,2.3.1 静态工作情况分析 2.3.2 动态工作情况分析,1. 静态和动态,静态 时，放大电路的
15、工作状态，即此时三极管各电极的直流电压和直流电流的数值，在特性曲线上对应为一确定点，也叫Q点。,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,2.3.1 静态工作情况分析,直流通道交流通道直流电源和耦合电容对交流相当于短路,即能通过直流的通道。从C、B、E 向外看，有直流负载电阻， Rc 、Rb 。,能通过交流的电路通道。如从C、 B、E向外看，有等效的交流负载电阻，Rc/RL和偏置电阻Rb 。,若直流电源内阻为零，交流电流流过直 流电源时，没有压降。设C1、 C2 足够大
16、，对 信号而言，其上的交流压降近似为零。在交 流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。,2. 直流通道和交流通道,2,（1） 近似估算Q点,IB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的静态工作状态。,根据直流通道可对放大电路的静态进行计算,静态分析有计算法和图解分析法两种：近似估算Q点和用图解法确定Q点,共射极放大电路,放大电路如图所示。已知BJT的 =80， Rb=300k ， Rc=2k， VCC= +12V，求：,（1）放大电路的Q点。此时BJT工作区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路
17、的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,（2）当Rb=100k时，,静态工作点为Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。,其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：,，所以BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例题,1.把电路分成非线性和线性部分2.作出电路非线性部分的V-A特性即三极管输出特性曲线。 3. 由电路线性部分的V-A特性即直流负载线: UCE=VCCICRc 在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可画出直流负载线。 4. 得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。,VCC 、 VCC /Rc,（
18、2）静态工作状态图解分析法,2.3.2 动态情况分析,1. 交流负载线2. 交流工作状态的图解分析3. 最大不失真输出幅度4. 非线性失真,1. 交流负载线,交流负载线确定方法：(1)通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为-1/RL 。,(2) RL= RLRc，是交流负载电阻。,(3) 交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。,(4) 交流负载线与直流负载线相交Q点。,图 3.3.3 放大电路的动态 工作状态的图解分析,2. 交流工作状态的图解分析,(1) vi vBE iB iC vCE vo ,(2) vo与vi相位相反；,通过图解分析，可得如下结论： (1) vi vBE i
19、B iC vCE vo (2) vo与vi相位相反； (3) 可以测量出放大电路的电压放大倍数； (4) 可以确定最大不失真输出幅度。,(1) 波形的失真,饱和失真:由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,截止失真:由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,3. 最大不失真输出幅度,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。 动画3-3,(2) 放大电路的最大不失真输出幅度,放大电路要想获得大的不失真输出幅度,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大
20、区的中间部位；2.要有合适的交流负载线。,图 2.3.7 放大器的最大不失真输出幅度（动画3-4）,4. 非线性失真,放大器要求输出信号与输入信号之间是线性关系，不能产生失真。由于三极管存在非线性，使输出信号产生了非线性失真。非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比，用D表示，即,4. 图解分析法的适用范围,适用于幅度较大而工作频率不太高的工作情况。,优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。,缺点：不能
21、分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,1. BJT的H参数及小信号模型,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,2.4 微变等效电路分析法,2.4 微变等效电路分析法,2.4.1 模型的建立 2.4.2 主要参数 2.4.3 h参数 2.4.4 h参数微变
22、等效电路简化模型 2.4.5 用微变等效电路法分析共射放大电路,2.4.1 模型的建立,1.三极管可以用一个模型来代替。2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也 具有线性同样的含义。,三极管的低频小信号模型如图3.4.1所示。,2.4.3 h参数,，称为输入电阻，即 rbe。,，称为电压反馈系数。,，称为电流放大系数，即。,，称为输出电导，即1/rce。,受控电流源hfeib ，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。hrevce是受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。,图3.4.2 h11和h1
23、2的意义,h参数的物理含义见图2.4.2和图2.4.3。,图 3.4.3 h21和h22的意义,h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 h参数与工作点有关，在放大区基本不变。 h参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,2.4.4 h参数微变等效电路简化模型,h12反映三极管内部的电压反馈，数量很小，一般可以忽略。h22具有电导的量纲，与电流源并联时，分流极小，可作开路处理。,图 2.4.4 三极管简化h参数模型,2.4.2 模型中的主要参数,rbe三极管的交流输入电阻,根据二极管的方程式,对于三极管的发射结,reVT / iE reQVT /IEQ=26 (mV)/ IEQ (
24、mA)rbeQ= rbb + rbe 300 +(1+) 26 / IEQ,iB输出电流源,表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性。,3. 小信号模型分析法的适用范围,放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其VT特性曲线的线性范围（即放大区）内。H参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。,优点：分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。,缺点：在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量(交流量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。,2.4.5 用微变等效电路法分析共射放大电路 共射放大电路如图（a)所示，分析步骤如下:,（a）电路图 （b）微变等效电路 图 2.4.5 共射基本放大电路,1.画出放大电路的微变等效电路如图所示。,（动画3-5）,2.求电压放大倍数Au,3.求输入电阻Ri和输出电阻Ro （1）求输入电阻Ri,（2）求输出电阻Ro,
