1、第二章 半導體三極管及其基本放大電路本章內容簡介本章首先討論半導體三極管（BJT ）的結構、工作原理、特性曲線和主要參數。隨后著重討論BJT放大電路的三種組態，即共發射極、共集電極和共基極三種放大電路。內容安排上是從共發射極電路入手，再推及其他兩種電路，并將圖解法和小信號模型法，作為分析放大電路的基本方法。 （一）主要內容: 半導體三極管的結構及工作原理，放大電路的三種基本組態 靜態工作點Q的不同選擇對非線性失真的影響 用H參數模型計算共射極放大電路的主要性能指標 共集電極電路和共基極電路的工作原理 三極管放大電路的頻率響應（二）教學要點：從半導體三極管的結構及工作原理入手，重點介紹三種基本組

2、態放大電路的靜態工作點、動態參數（電壓增益、源電壓增益、輸入電阻、輸出電阻）的計算方法，H參數等效電路及其應用。（三）基本要求: 了解半導體三極管的工作原理、特性曲線及主要參數 了解半導體三極管放大電路的分類 掌握用圖解法和小信號分析法分析放大電路的靜態及動態工作情況 理解放大電路的工作點穩定問題 掌握放大電路的頻率響應及各元件參數對其性能的影響2.1 半導體三極管（BJT）2.1.1 BJT的結構簡介：半導體三極管有兩種類型:NPN型和PNP型。結構特點：發射區的摻雜濃度最高；集電區摻雜濃度低于發射區，且面積大；基區很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低。2.1.2 BJT的電流分

3、配與放大原理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出來的。外部條件：發射結正偏，集電結反偏。載流子的傳輸過程1. 內部載流子的傳輸過程1.發射區：發射載流子；集電區：收集載流子；基區：傳送和控制載流子（以NPN為例） 以上看出，三極管內有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導電，故稱為雙極型三極管，或BJT (Bipolar Junction Transistor)。2. 電流分配關系3. 三極管的三種組態共發射極接法，發射極作為公共電極，用CE表示。共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。BJT的三種組態4. 放大作用綜上所述

4、，三極管的放大作用，主要是依靠它的發射極電流能夠通過基區傳輸，然后到達集電極而實現的。實現這一傳輸過程的兩個條件是：（1）內部條件：發射區雜質濃度遠大于基區雜質濃度，且基區很薄。（2）外部條件：發射結正向偏置，集電結反向偏置。3.1.3 BJT的特性曲線1. 輸入特性曲線 (1) 當 時，相當于發射結的正向伏安特性曲線。vCE = 0VvCE 1V(2) 當 時， ，集電結已進入反偏狀態，開始收集電子，基區復合減少，同樣的 下， 減小，特性曲線右移。(3) 輸入特性曲線的三個部分：死區；非線性區；線性區2. 輸出特性曲線放大區：iC平行于vCE軸的區域，曲線基本平行等距。此時，發射結正偏，集電

5、結反偏。截止區：iC接近零的區域，相當iB=0的曲線的下方。此時，vBE小于死區電壓，集電結反偏。飽和區：iC明顯受vCE控制的區域，該區域內，一般vCE0.7V(硅管)。此時，發射結正偏，集電結正偏或反偏電壓很小。2.1.4 BJT的主要參數 1. 電流放大系數 (1) 共發射極直流電流放大系數(2) 共發射極交流電流放大系數(3) 共基極直流電流放大系數(4) 共基極交流電流放大系數當ICBO和ICEO很小時，直流和交流可以不加區分。2. 極間反向電流(1) 集電極基極間反向飽和電流ICBO；發射極開路時，集電結的反向飽和電流。(2) 集電極發射極間的反向飽和電流ICEO：即輸出特性曲線I

6、B = 0那條曲線所對應的Y坐標的數值。ICEO也稱為集電極發射極間穿透電流。3. 極限參數 (1) 集電極最大允許電流ICM(2) 集電極最大允許功率損耗PCM = ICVCE(3) 反向擊穿電壓V(BR)CBO發射極開路時的集電結反向擊穿電壓。V(BR) EBO集電極開路時發射結的反向擊穿電壓。V(BR)CEO基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓。幾個擊穿電壓有如下關系：V(BR)CBOV(BR)CEOV(BR) EBO由PCM、 ICM和V(BR)CEO在輸出特性曲線上可以確定過損耗區、過電流區和擊穿區。小結：本節主要介紹了三極管的結構、工作原理和特性曲線。作業：3.1.1，3.1.2，

7、3.1.42.2 共射極放大電路1. 電路組成放大電路組成原則： 1提供直流電源，為電路提供能源。2電源的極性和大小應保證BJT基極與發射極之間處于正向偏置；而集電極與基極之間處于反向偏置，從而使BJT工作在放大區。 3電阻取值與電源配合，使放大管有合適的靜態點。 4輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路。 5當負載接入時，必須保證放大管輸出回路的動態電流能夠作用于負載，從而使負載獲得比輸入信號大得多的信號電流或信號電壓。共射極放大電路2. 簡化電路及習慣畫法3. 簡單工作原理共射極基本放大電路的電壓放大作用是利用了BJT的電流控制作用，并依靠Rc將放大后的電流的變化轉為電壓變化來實現的。4.

8、 放大電路的靜態和動態靜態：輸入信號為零時，電路的工作狀態，也稱直流工作狀態。動態：輸入信號不為零時，電路的工作狀態，也稱交流工作狀態。電路處于靜態時，三極管個電極的電壓、電流在特性曲線上確定為一點，稱為靜態工作點，常稱為Q點。一般用IB、IC、和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。5. 直流通路和交流通路根據疊加原理可將電路中的信號分解為：直流信號和交流信號。直流信號通過直流通路求解，交流信號通過交流通路求解。直流通路:當沒加輸入信號時，電路在直流電源作用下，直流電流流經的通路。直流通路用于確定靜態工作點。直流通路畫法：電容視為開路；電感線圈視為短路；信號源視為短路，但保留其內阻

9、。交流通路:在輸入信號作用下交流信號流經的通路。交流通路用于計算電路的動態性能指標。交流通路畫法：容量大的電容視為短路；直流電源視為短路。對于放大電路來說其最基本要求，一是不失真，二是能夠放大。只有在信號的整個周期內BJT始終工作在放大狀態，輸出信號才不會產生失真。靜態工作點設置合適能實現線性放大；靜態工作點設置偏高會產生飽和失真；靜態工作點設置偏低會產生截止失真。Q點不僅影響電路是否會產生失真，而且影響著放大電路幾乎所有的動態系數。小結：本節主要介紹了共射極放大電路簡單工作原理。作業：3.2.12.3 圖解分析法2.3.1 靜態工作情況分析1. 用近似估算法求靜態工作點：采用該方法，必須已知

10、三極管的值。根據直流通路：硅管VBE=0.7V，鍺管VBE=0.2V2. 用圖解分析法確定靜態工作點(Q點)：采用該方法分析靜態工作點，必須已知三極管的輸入輸出特性曲線。首先，畫出直流通路；在輸入特性曲線上，作出直線VBE =VCCIBRb，兩線的交點即是Q點，得到IBQ 。在輸出特性曲線上，作出直流負載線 VCE=VCCICRC，與IBQ曲線的交點即為Q點，從而得到VCEQ 和ICQ 。2.3.2 動態工作情況分析 1. 交流通路及交流負載線 過輸出特性曲線上的Q點做一條斜率為-1/(RLRc)直線，該直線即為交流負載線。交流負載線是有交流輸入信號時Q點的運動軌跡。RL= RLRc，是交流負

11、載電阻。2. 輸入交流信號時的圖解分析通過圖解分析，可得如下結論：1. 2. vo與vi相位相反；3. 可以測量出放大電路的電壓放大倍數；4. 可以確定最大不失真輸出幅度。3. BJT的三個工作區飽和區特點： iC 不再隨iB 的增加而線性增加，截止區特點：iB = 0，iC = ICEO當工作點進入飽和區或截止區時，將產生非線性失真1. 波形的失真1.飽和失真：由于放大電路的工作點達到了三極管的飽和區而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現為底部失真。截止失真：由于放大電路的工作點達到了三極管的截止區而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現為頂部失真。2. 放大電路的動態范圍放大

12、電路要想獲得大的不失真輸出幅度，要求：工作點Q要設置在輸出特性曲線放大區的中間部位，即： ；要有合適的交流負載線。3. 輸出功率和功率三角形3.放大電路向電阻性負載提供的輸出功率在輸出特性曲線上，正好是三角形DABQ的面積，這一三角形稱為功率三角形。要想Po大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom 和Iom 都要大。放大電路如圖所示。已知BJT的 =80， Rb=300K， Rc=2K， VCC= +12V，求：（1）放大電路的Q點。此時BJT工作在哪個區域？（2）當Rb=100K時，放大電路的Q點。此時BJT工作在哪個區域？（忽略飽和壓降）解：（1）放大電路的Q點：靜態工作點為Q（40u

13、A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大區。（2）當Rb=100K時，VCE不可能為負值，其最小值也只能為0，即IC的最大電流為： 小結：本節主要介紹了圖解分析法的原理和主要應用。作業：2.3.1,2.3.2,2.3.4,2.3.6,2.3.82.4 小信號模型分析法2.4.1 BJT的小信號建模建立小信號模型的意義：由于三極管是非線性器件，這樣就使得放大電路的分析非常困難。建立小信號模型，就是將非線性器件做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設計。建立小信號模型的思路：當放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三極管小范圍內的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成

14、的電路當作線性電路來處理。H參數都是小信號參數，即微變參數或交流參數。H參數與工作點有關，在放大區基本不變。H參數都是微變參數，所以只適合對交流信號的分析。hrevceibhiehfeibic1/hoevcevbe+-+-+-ebcBJT的H參數模型ibhiehfeibic1/hoevcevbe+-+-ebcBJT的H參數簡化模型ibrbeibicrcevcevbe+-+-ebcBJT的H參數簡化模型模型的簡化：H參數的確定： 一般用測試儀測出；rbe 與Q點有關，可用圖示儀測出。一般也用公式估算：2.4.2 用H參數小信號模型分析共射極基本放大電路1. 利用直流通路求Q點：共射極放大電路一般

15、硅管VBF=0.7V，鍺管VBE=0.2V， 已知。2. 畫出小信號等效電路3. 求電壓增益：4. 求輸入電阻：5. 求輸出電阻：放大電路小信號模型分析法的一般步驟：1根據直流通路估算靜態工作點，并確定H參數； 2畫出放大電路的交流通路； 3根據交流通路用BJT的H參數小信號模型代替電路中的BJT，畫出放大電路的小信號模型等效電路。 4根據放大電路的小信號模型等效電路計算放大電路的交流指標 、 、 。圖解法和小信號模型分析方法的比較圖解法的特點是真實地根據BJT的非線性特性求解。它在輸入大信號以及分析輸出幅值和波形失真的情況時比較合適。小信號模型分析法的特點是在小信號條件下，將BJT線性化為我

16、們所熟悉的線性網絡來，進而利用電路理論的方法分析放大電路的各項技術指標，它適用于放大電路工作于小信號時的動態分析。 小結：本節主要介紹了小信號模型分析法基本原理及應用。作業：3.4.1,3.4.4,3.4.52.5 放大電路的工作點穩定問題3.5.1 溫度對工作點的影響溫度T上升，則輸出特性曲線上移2.5.2 溫度變化對輸入特性曲線的影響2.5.3 溫度變化對 的影響1.溫度每升高1，要增加0.5%1.0%；溫度T上升，則輸出特性曲線族間距增大總之： ICBO ICEO T VBE IB IC b 綜合上述： ICBO、b、VBE隨溫度T升高的結果，都集中表現在Q點電流IC的增大。 硅管的IC

17、BO小，溫度的變化主要考慮對VBE和b的影響，。 鍺管的ICBO大，ICBO的溫度影響對鍺管是主要的。 2.5.2 射極偏置電路1. 穩定工作點原理：目標：溫度變化時，使IC維持恒定。如果溫度變化時，b點電位能基本不變，則可實現靜態工作點的穩定。射極偏置電路電路穩定工作點的物理過程：利用Rb1和Rb2組成的分壓器以固定基極電位。如果I1IB（I1是流經Rb1、Rb2的電流），就可近似地認為基極電位VBRb2VCC/（Rb1+ Rb2）。在此條件下，當溫度上升時，IC（IE）將增加，由于IE的增加，在Re上產生的壓降IERe也要增加，使外加于管子的VBE減小（因VBE=VBIERe，而VB又被R

18、b1和Rb2所固定），由于VBE的減小使IB自動減小，結果牽制了IC的增加，從而使IC基本恒定。這就是反饋控制的原理。 由上述分析可知，I愈大于IB及VB愈大于VBE，則該電路穩定Q的效果愈好。為兼顧其他指標，設計此種電路時，一般可選取I1=（510）IB（硅管）；I1=（1020）IB（鍺管） VB=（35）V（硅管）；VB=（13）V；（鍺管） 2. 放大電路指標分析靜態工作點：電壓增益：輸入電阻： 輸出電阻：電路處于放大區的條件： 3. 射極偏置電路做如何改進，既可以使其具有溫度穩定性，又可以使其具有與固定偏流電路相同的動態指標？VCCRLRCReRb1Rb2Rb可選大電阻 使得：小結：

19、本節主要介紹了射極偏置電路的工作原理及改進電路。作業：3.5.1,3.5.2,3.5.3,3.5.4,3.5.52.6 共集電極電路和共基極電路2.6.1 共集電極電路：該電路也稱為射極輸出器VCCRLReRbuiuo+-+-求靜態工作點：電壓增益：VCCRLReRb1Rb2Rbuiuo+-+-輸入電阻：輸出電阻：共集電極電路特點：電壓增益接近于1；輸入電阻大，對電壓信號源衰減小；輸出電阻小，帶負載能力強：電壓跟隨器。共集電極電路做如何改進，既可以使其具有溫度穩定性，又可以不影響其動態指標？2.6.2 采用復合管進一步提高輸入電阻電壓增益： 輸入電阻： 輸出電阻： VCCRLReRb1Rb2R

20、buiuo+-+-12由于采用復合管，使共集放大電路Ri大、Ro小的特點得到進一步的發揮。 在多級電子電路中， 因電壓跟隨器的輸入電阻高而用作輸入級； 因輸出電阻低且電流增益大而用作輸出級； 因輸入電阻高且輸出電阻低而用作緩沖級。2.6.2 共基極電路1. 靜態工作點：VCCRLRCReRb1Rb2RSuSuo+-共基放大電路直流通路與射極偏置電路相同2. 動態指標電壓增益： 輸入電阻： 輸出電阻：共基極電路的輸入電阻很小，最適合用來放大何種信號源的信號？電流源。3. 三種組態的比較電壓增益：輸入電阻：輸出電阻：小結：本節主要介紹了共集電極電路和共基極電路的工作原理。作業：2.7.1,2.7.

21、2,2.7.4+VCC1RLRCR1Rbuiuo+-VCC2例. 已知：Rb=560K，Rc=5.1K，R1=R=560K，RL=1M，VCC1=VCC2=12V，=50RCRLR1VCC1VCC2+-ICVC例. 已知：Rc1=3.9K，Rc2=3.3K，Re2=2K，Rs=88K，VCCRe2Rc1Rc2RSvSvo+-VEEVCC=VEE=12V，VBE1=|VBE2|=0.7V，1=40，2=20，vs=0時，vo=012VRL12Kvo+-91K5.1K30K7.5K1.5Mvi注：調節Rs，使達到零入零出。例. 已知：=1=2=100，RL=3.6KVBE1=VBE2=0.7V例. 已知：=1=2=100，VBE1=VBE2=0.7V+12V12Kvo+-91K3.6K30K5.1K180Kvi3.6K本章小結半導體三極管是由兩個PN結組成的三端有源器件。有NPN型和PNP型兩大類，兩者電壓、電流的實際方向相反，但具有相同的結構特點，即基區寬度薄且摻雜濃度低，發射區摻雜濃度高，集電結面積大，這一結構