模擬電子線路 第2章雙型晶體管及其電路

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1、第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 21 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理 22 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)晶體管伏安特性曲線及參數(shù)23 晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路24 放大器的組成及其性能指標(biāo)放大器的組成及其性能指標(biāo)25 放大器圖解分析法放大器圖解分析法26 放大器的交流等效電路分析法放大器的交流等效電路分析法27 共集電極放大器和共基極放大器共集電極放大器和共基極放大器28 放大器的級(jí)聯(lián)放大器的級(jí)聯(lián) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路21

2、雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的器件。它有三個(gè)電極，所以又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體管。 晶體管的原理結(jié)構(gòu)如圖21(a)所示。由圖可見，組成晶體管的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體是N型P型N型結(jié)構(gòu)，所以稱為NPN管。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路P集電極基極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電區(qū)(a)NPNcebPNPcebb基區(qū)ec(b)N襯底N型外延PNcebSiO2絕緣層集電結(jié)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)集電區(qū)(c)NN 圖21晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)(a)NPN管的示意圖；(b)電路符號(hào)；(c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖第第2章章

3、雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 211放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程 當(dāng)晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)情況可用圖2-2說明。我們按傳輸順序分以下幾個(gè)過程進(jìn)行描述。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖22晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 由于e結(jié)正偏，因而結(jié)兩側(cè)多子的擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì)，這時(shí)發(fā)射區(qū)電子源

4、源不斷地越過e結(jié)注入到基區(qū)，形成電子注入電流IEN。與此同時(shí)，基區(qū)空穴也向發(fā)射區(qū)注入，形成空穴注入電流IEP。因?yàn)榘l(fā)射區(qū)相對(duì)基區(qū)是重?fù)诫s，基區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的電子濃度，所以滿足 IEP IEN ，可忽略不計(jì)。因此，發(fā)射極電流IEIEN，其方向與電子注入方向相反。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合二、電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合注入基區(qū)的電子，成為基區(qū)中的非平衡少子，它在e結(jié)處濃度最大，而在c結(jié)處濃度最小(因c結(jié)反偏，電子濃度近似為零)。因此，在基區(qū)中形成了非平衡電子的濃度差。在該濃度差作用下，注入基區(qū)的電子將繼續(xù)向c結(jié)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程

5、中，非平衡電子會(huì)與基區(qū)中的空穴相遇，使部分電子因復(fù)合而失去。但由于基區(qū)很薄且空穴濃度又低，所以被復(fù)合的電子數(shù)極少，而絕大部分電子都能擴(kuò)散到c結(jié)邊沿。基區(qū)中與電子復(fù)合的空穴由基極電源提供，形成基區(qū)復(fù)合電流IBN，它是基極電流IB的主要部分。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、擴(kuò)散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集三、擴(kuò)散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集 由于集電結(jié)反偏，在結(jié)內(nèi)形成了較強(qiáng)的電場(chǎng)，因而，使擴(kuò)散到c結(jié)邊沿的電子在該電場(chǎng)作用下漂移到集電區(qū)，形成集電區(qū)的收集電流ICN。該電流是構(gòu)成集電極電流IC的主要部分。另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在c結(jié)反向電壓作用下，向?qū)Ψ狡菩纬蒫結(jié)反

6、向飽和電流ICBO，并流過集電極和基極支路，構(gòu)成IC 、IB的另一部分電流。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 212電流分配關(guān)系電流分配關(guān)系 由以上分析可知，晶體管三個(gè)電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系：CBOCNCCBOCNBCNBNENEIIIIIIIIII(21a) (21b) (21c) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 式(21)表明，在e結(jié)正偏、c結(jié)反偏的條件下，晶體管三個(gè)電極上的電流不是孤立的，它們能夠反映非平衡少子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系。這一比例關(guān)系主要由基區(qū)寬度、摻雜濃度等因素決定，管子做好后就基本

7、確定了。反之，一旦知道了這個(gè)比例關(guān)系，就不難得到晶體管三個(gè)電極電流之間的關(guān)系，從而為定量分析晶體管電路提供方便。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICN與基區(qū)復(fù)合電流IBN之間的比例關(guān)系，定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 為 CBOBCBOCBNCNIIIIII(22) 其含義是：基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子，則有 個(gè)電子擴(kuò)散到集電區(qū)去。 值一般在20200之間。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路確定了 值之后，由式(21)、(22)可得CEBCEOBCBOBECEOBCBOBCIIIIIIIIIIIII)1 ()1 ()1

8、 ()1 (23a) (23b) (23c) 式中： CBOCEOII)1 (24)稱為穿透電流。因ICBO很小，在忽略其影響時(shí)，則有BEBCIIII)1 (25a) (25b) 式(25)是今后電路分析中常用的關(guān)系式。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICN與射極注入電流IEN的比例關(guān)系，定義共基極直流電流放大系數(shù) 為ECBOCENCNIIIII (26)顯然， 1，一般約為0.970.99。由式(26)、(21)，不難求得BCEECBOEBECBOECIIIIIIIIIII)1 ()1 (27a)(27c) (27b) 第第2章章 雙

9、極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由于 , 都是反映晶體管基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系，只是選取的參考量不同，所以兩者之間必有內(nèi)在聯(lián)系。由 , 的定義可得 11BNBNBNCNENCNENCNEEECNECNENCNIIIIIIIIIIIIIIII (28) (29)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 213 晶體管的放大作用晶體管的放大作用 現(xiàn)在用圖22來(lái)說明晶體管的放大作用。若在圖中UBB上疊加一幅度為100mV的正弦電壓ui，則正向發(fā)射結(jié)電壓會(huì)引起相應(yīng)的變化。由于e結(jié)正向電流與所加電壓呈指數(shù)關(guān)系，所以發(fā)射極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的注入電流iE，例如為1mA。第

10、第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路22 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)晶體管伏安特性曲線及參數(shù) 晶體管伏安特性曲線是描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線，它對(duì)于了解晶體管的導(dǎo)電特性非常有用。晶體管有三個(gè)電極，通常用其中兩個(gè)分別作輸入、輸出端，第三個(gè)作公共端，這樣可以構(gòu)成輸入和輸出兩個(gè)回路。實(shí)際中，有圖23所示的三種基本接法(組態(tài))，分別稱為共發(fā)射極、共集電極和共基極接法。其中，共發(fā)射極接法更具代表性，所以我們主要討論共發(fā)射極伏安特性曲線。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路(a)ceiEiCb(b)cebiBiC(c)輸出回路輸入回路ecbiBiE

11、 圖23晶體管的三種基本接法(a)共發(fā)射極；(b)共集電極；(c)共基極 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 221 晶體管共發(fā)射極特性曲線晶體管共發(fā)射極特性曲線 因?yàn)橛袃蓚€(gè)回路，所以晶體管特性曲線包括輸入和輸出兩組特性曲線。這兩組曲線可以在晶體管特性圖示儀的屏幕上直接顯示出來(lái)，也可以用圖24電路逐點(diǎn)測(cè)出。 一、共發(fā)射極輸出特性曲線一、共發(fā)射極輸出特性曲線 測(cè)量電路如圖24所示。共射輸出特性曲線是以iB為參變量時(shí)，iC與uCE間的關(guān)系曲線，即常數(shù)BiCECufi)(第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBE

12、uCE 圖24共發(fā)射極特性曲線測(cè)量電路 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 典型的共射輸出特性曲線如圖25所示。由圖可見，輸出特性可以劃分為三個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)于三種工作狀態(tài)?，F(xiàn)分別討論如下。 1放大區(qū)放大區(qū) e結(jié)為正偏，c結(jié)為反偏的工作區(qū)域?yàn)榉糯髤^(qū)。由圖25可以看出，在放大區(qū)有以下兩個(gè)特點(diǎn)： 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路uCE/V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)IB40A30A20A10A0AiBICBO放大區(qū)iC/mAuCEuBE圖25 共射輸出特性曲線第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (1)基極電流iB對(duì)集電

13、極電流iC有很強(qiáng)的控制作用，即iB有很小的變化量IB時(shí)， iC就會(huì)有很大的變化量IC。為此，用共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)來(lái)表示這種控制能力。定義為常數(shù)EuBCII(210) 反映在特性曲線上，為兩條不同IB曲線的間隔。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (2) uCE變化對(duì)IC的影響很小。在特性曲線上表現(xiàn)為，iB一定而uCE增大時(shí)，曲線略有上翹(iC略有增大)。這是因?yàn)閡CE增大，c結(jié)反向電壓增大，使c結(jié)展寬，所以有效基區(qū)寬度變窄，這樣基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì)減少，即iB要減小。而要保持iB不變，所以iC將略有增大。這種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱基調(diào)效應(yīng)。從另

14、一方面看，由于基調(diào)效應(yīng)很微弱， uCE在很大范圍內(nèi)變化時(shí)IC基本不變。因此，當(dāng)IB一定時(shí)，集電極電流具有恒流特性。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 2飽和區(qū)飽和區(qū) e結(jié)和c結(jié)均處于正偏的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)。通常把uCE=uBE(即c結(jié)零偏)的情況稱為臨界飽和，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軌跡為臨界飽和線。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、共發(fā)射極輸入特性曲線二、共發(fā)射極輸入特性曲線 測(cè)量電路見圖24。共射輸入特性曲線是以u(píng)CE為參變量時(shí)，iB與uBE間的關(guān)系曲線，即 典型的共發(fā)射極輸入特性曲線如圖26所示。 常數(shù)CEuBEBufi)(第第2章章 雙極型晶體

15、管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路iB/AuBE/V060900.50.70.930UCE0 UCE1圖26 共發(fā)射極輸入特性曲線 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (1)在uCE1V的條件下，當(dāng)uBE UBE(on)時(shí)，隨著uBE的增大，iB開始按指數(shù)規(guī)律增加，而后近似按直線上升。 (2)當(dāng)uCE =0時(shí)，晶體管相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的二極管，所以b,e間加正向電壓時(shí)，iB很大。對(duì)應(yīng)的曲線明顯左移，見圖26。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (3)當(dāng)uCE在01V之間時(shí)，隨著uCE的增加，曲線右移。特別在0 uCE UCE(sat)的范圍

16、內(nèi)，即工作在飽和區(qū)時(shí)，移動(dòng)量會(huì)更大些。 (4)當(dāng)uBE0時(shí)，晶體管截止，iB為反向電流。若反向電壓超過某一值時(shí)，e結(jié)也會(huì)發(fā)生反向擊穿。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、溫度對(duì)晶體管特性曲線的影響三、溫度對(duì)晶體管特性曲線的影響 溫度對(duì)晶體管的uBE、ICBO和有不容忽視的影響。其中， uBE 、 ICBO隨溫度變化的規(guī)律與PN結(jié)相同，即溫度每升高1， uBE減小22.5mV；溫度每升高10， ICBO增大一倍。溫度對(duì)的影響表現(xiàn)為，隨溫度的升高而增大，變化規(guī)律是：溫度每升高1，值增大0.5%1%(即/T(0.51)%/)。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶

17、體管及其放大電路 一、電流放大系數(shù)一、電流放大系數(shù) 1共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大和交流電流放大系數(shù)系數(shù) 和分別由式(22)、(210)定義，其數(shù)值可以從輸出特性曲線上求出。 2 共基極直流電流放大系數(shù)共基極直流電流放大系數(shù) 和交流電流放大和交流電流放大系數(shù)系數(shù) 由式(26)定義，而定義為，uCB為常數(shù)時(shí)，集電極電流變化量IC與發(fā)射極電流變化量IE之比，即常數(shù)BuECII(211)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由于ICBO、ICEO都很小，在數(shù)值上 , 。所以在以后的計(jì)算中，不再加以區(qū)分。 應(yīng)當(dāng)指出，值與測(cè)量條件有關(guān)。一般來(lái)說

18、，在iC很大或很小時(shí)，值較小。只有在iC不大、不小的中間值范圍內(nèi)，值才比較大，且基本不隨iC而變化。因此，在查手冊(cè)時(shí)應(yīng)注意值的測(cè)試條件。尤其是大功率管更應(yīng)強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、極間反向電流二、極間反向電流 1 ICBO ICBO指發(fā)射極開路時(shí)，集電極基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。 2 ICEO ICEO指基極開路時(shí)，集電極發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。 3 IEBO IEBO指集電極開路時(shí)，發(fā)射極基極間的反向電流。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、結(jié)電容三、結(jié)電容 結(jié)電容包括發(fā)射結(jié)電

19、容Ce(或Cbe)和集電結(jié)電容Cc(或Cbe)。結(jié)電容影響晶體管的頻率特性。關(guān)于晶體管的頻率特性參數(shù)，詳見第五章。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 四、晶體管的極限參數(shù)四、晶體管的極限參數(shù) 1 擊穿電壓擊穿電壓 U(BR)CBO指發(fā)射極開路時(shí)，集電極基極間的反向擊穿電壓。 U(BR)CEO指基極開路時(shí)，集電極發(fā)射極間的反向擊穿電壓。U(BR)CEOICM時(shí)，雖然管子不致于損壞，但值已經(jīng)明顯減小。因此，晶體管線性運(yùn)用時(shí)， iC不應(yīng)超過ICM 。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 3 集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率PCM 晶體管

20、工作在放大狀態(tài)時(shí)，c結(jié)承受著較高的反向電壓，同時(shí)流過較大的電流。因此，在c結(jié)上要消耗一定的功率，從而導(dǎo)致c結(jié)發(fā)熱，結(jié)溫升高。當(dāng)結(jié)溫過高時(shí)，管子的性能下降，甚至?xí)龎墓茏?，因此需要?guī)定一個(gè)功耗限額。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 PCM與管芯的材料、大小、散熱條件及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。一個(gè)管子的PCM如已確定，則由 PCM =ICUCE可知， PCM在輸出特性上為一條IC與UCE乘積為定值PCM的雙曲線，稱為PCM功耗線，如圖27所示。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路uCE工作區(qū)iC0安全I(xiàn)CMU(BR)CEOPCM 圖27 晶體管的安

21、全工作區(qū) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 23 晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路 由晶體管的伏安特性曲線可知，晶體管是一種復(fù)雜的非線性器件。在直流工作時(shí)，其非線性主要表現(xiàn)為三種截然不同的工作狀態(tài)，即放大、截止和飽和。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同，可通過外電路將晶體管偏置在某一規(guī)定狀態(tài)。因此，在晶體管應(yīng)用電路分析中，一個(gè)首要問題，便是晶體管工作狀態(tài)分析以及直流電路計(jì)算。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 231晶體管的直流模型晶體管的直流模型 在通常情況下，由外電路偏置的晶體管，其各極直流電流和極間直流電壓將對(duì)

22、應(yīng)于伏安特性曲線上一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，這個(gè)點(diǎn)稱為直流(或靜態(tài))工作點(diǎn)，簡(jiǎn)稱Q點(diǎn)。在直流工作時(shí)，可將晶體管輸入、輸出特性曲線(見圖25、圖26)分別用圖2-8(a)和(b)所示的折線近似，這樣直流工作點(diǎn)(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)必然位于該曲線的直線段上。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路uBE0uCEiC0iB(a)UBE(on)UCE(sat)IB 0(b)圖28晶體管伏安特性曲線的折線近似(a)輸入特性近似； (b)輸出特性近似第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由圖28可知，當(dāng)外電路使UBEUBE(on)(對(duì)硅管約為0.7V，

23、鍺管約為0.3V)時(shí)，IB=0，IC=0，即晶體管截止。此時(shí)，相當(dāng)于b,e極間和c,e極間均開路，相應(yīng)的直流等效模型如圖29(a)所示。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路(a)ebc(b)ebcIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(on)UCE(sat) 圖29晶體管三種狀態(tài)的直流模型(a)截止?fàn)顟B(tài)模型；(b)放大狀態(tài)模型；(c)飽和狀態(tài)模型 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例例1 晶體管電路如圖210(a)所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，=100，試計(jì)算晶體管的IBQ,ICQ和UCEQ。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型

24、晶體管及其放大電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k(a)圖210晶體管直流電路分析(a)電路； (b)直流等效電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖210晶體管直流電路分析(a)電路； (b)直流等效電路eRB(b)UBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQ第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 解解 因?yàn)閁BB使e結(jié)正偏，UCC使c結(jié)反偏，所以晶體管可以工作在放大狀態(tài)。這時(shí)用圖29(b)的模型代替晶體管，便得到圖2-10(b)所示的直流等效電路。由圖可知)(onBEBBQBBURIUVRIUUmIIm

25、RUUICCQCCCEQBQCQBonBEBBBQ63212202. 010002. 02707 . 06)(故有第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 232晶體管工作狀態(tài)分析晶體管工作狀態(tài)分析 將晶體管接入直流電路，在通常情況下，圍繞晶體管可將電路化為圖211(a)所示的一般形式。 由圖可知，若UBBUEE+UBE(on),且UBB UEE+UBE(on)，則晶體管導(dǎo)通?，F(xiàn)假定為放大導(dǎo)通，利用圖29(b)的模型可得該電路的直流等效電路如圖211(b)所示。由圖可得 UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE)()1 ()(ECCQEECC

26、CEQEQBQCQEBOnBEEEBBBQRRIUUUIIIRRUUUI(212a) (212b) (212c) 借助式(212)的結(jié)果，現(xiàn)在可對(duì)電路中的晶體管是處于放大還是飽和作出判別。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(b)IB 圖211晶體管直流分析的一般性電路(a)電路；(b)放大狀態(tài)下的等效電路；(c)飽和狀態(tài)下的等效電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖211晶體管直流分析的一般性電路(a)電路；(b)放大狀態(tài)下的等效電路；(c)飽和狀態(tài)下的等效電路RBUBBRCUCCUEEREU

27、BE(on)(c)UCE(sat)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例例2 晶體管電路及其輸入電壓ui的波形如圖 2-12(a),(b)所示。已知=50，試求ui作用下輸出電壓uo的值，并畫出波形圖。 R33kUCC5VRB39kuiuo(a) 圖212例題2電路及ui,uo波形圖 (a)電路；(b) ui波形圖；(c) uo波形圖第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖212例題2電路及ui,uo波形圖 (a)電路；(b) ui波形圖；(c) uo波形圖03(b)tui/V05(c)tuo/V0.3第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型

28、晶體管及其放大電路 解解當(dāng)ui=0時(shí)，UBE=0，則晶體管截止。此時(shí)，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。當(dāng)ui =3V時(shí)，晶體管導(dǎo)通且有mImImRUUImRUuIsatCBQConBECCsatCBonBEiBQ028. 0504 . 106. 04 . 137 . 0506. 0397 . 03)()()()( 而集電極臨界飽和電流為 因?yàn)?第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 所以晶體管處于飽和。此時(shí)，ICQ=IC(sat)=1.4mA，而uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。根據(jù)上述分析結(jié)果畫出的uo波形如圖212(c)所示。 通過本例題可以看出，

29、在實(shí)際電路分析中，由于晶體管的直流模型很簡(jiǎn)單，一旦其工作狀態(tài)確定，則直流等效電路可不必畫出，而等效的涵義將在計(jì)算式中反映出來(lái)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 233 放大狀態(tài)下的偏置電路放大狀態(tài)下的偏置電路 晶體管在放大應(yīng)用時(shí)，要求外電路將晶體管偏置在放大區(qū)，而且在信號(hào)的變化范圍內(nèi)，管子始終工作在放大狀態(tài)。此時(shí)，對(duì)偏置電路的要求是：電路形式要簡(jiǎn)單。例如采用一路電源，盡可能少用電阻等；偏置下的工作點(diǎn)在環(huán)境溫度變化或更換管子時(shí)應(yīng)力求保持穩(wěn)定；對(duì)信號(hào)的傳輸損耗應(yīng)盡可能小。下面將介紹幾種常用的偏置電路。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、

30、固定偏流電路一、固定偏流電路 電路如圖213所示。由圖可知，UCC通過RB使e結(jié)正偏， 則基極偏流為BonBECCBQRUUI)(214a) 只要合理選擇RB,RC的阻值，晶體管將處于放大狀態(tài)。此時(shí)CCQCCCEQBQCQRIUUII(214b) (214c)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUCCRC圖213固定偏流電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 這種偏置電路雖然簡(jiǎn)單，但主要缺點(diǎn)是工作點(diǎn)的穩(wěn)定性差。由式(214)可知，當(dāng)溫度變化或更換管子引起,ICBO改變時(shí)，由于外電路將IBQ固定，所以管子參數(shù)的改變都將集中反映到ICQ,UCE

31、Q的變化上。結(jié)果會(huì)造成工作點(diǎn)較大的漂移，甚至使管子進(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、電流負(fù)反饋型偏置電路二、電流負(fù)反饋型偏置電路 使工作點(diǎn)穩(wěn)定的基本原理，是在電路中引入自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，用IB的相反變化去自動(dòng)抑制IC的變化，從而使ICQ穩(wěn)定。這種機(jī)制通常稱為負(fù)反饋。實(shí)現(xiàn)方法是在管子的發(fā)射極串接電阻RE，見圖214。由圖可知，不管何種原因，如果使ICQ有增大趨向時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生如下自我調(diào)節(jié)過程： ICQIEQ UEQ(=IEQRE) ICQ IEQ UBEQ(= UEQ -UEQ)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUC

32、CRCRE 圖214 電流負(fù)反饋型偏置電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 結(jié)果，因IBQ的減小而阻止了ICQ的增大；反之亦然。可見，通過RE對(duì)ICQ的取樣和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了工作點(diǎn)的穩(wěn)定。顯然， RE的阻值越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，則工作點(diǎn)越穩(wěn)定。但RE過大時(shí)，因UCEQ過小會(huì)使Q點(diǎn)靠近飽和區(qū)。因此，要二者兼顧，合理選擇RE的阻值。 該電路與圖211(a)電路相比，差別僅在于此時(shí)UEE=0,UBB=UCC。參照式(212)，可得工作點(diǎn)的計(jì)算式為第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路)()1 ()(ECCQCCCEQBQCQEBonBECCBQRRIUUI

33、IRRUUI(215a) (215b) (215c)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、分壓式偏置電路三、分壓式偏置電路 分壓式偏置電路如圖215(a)所示，它是電流負(fù)反饋型偏置電路的改進(jìn)電路。由圖可知，通過增加一個(gè)電阻RB2，可將基極電位UB固定。這樣由ICQ引起的UE變化就是UBE的變化，因而增強(qiáng)了UBE對(duì)ICQ的調(diào)節(jié)作用，有利于Q點(diǎn)的近一步穩(wěn)定。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RB1UCCRCRE(a)RB2 圖215分壓式偏置電路(a)電路；(b)用戴文寧定理等效后的電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電

34、路UCCRCRE(b)RBICQUBBIBQ 圖215分壓式偏置電路(a)電路；(b)用戴文寧定理等效后的電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為確保UB固定，應(yīng)滿足流過RB1、RB2的電流I1IBQ，這就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1 、 RB2過小，將增大電源UCC的無(wú)謂損耗，因此要二者兼顧。通常選取1I鍺管）硅管）()2010()105(BQBQII并兼顧RE和UCEQ而取CCBUU)3151(216a) (216a)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 從分析的角度看，在該電路的基極端用戴文寧定理等效，可得如圖215(b

35、)的等效電路。圖中，RB=RB1RB2,UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)。此時(shí)，工作點(diǎn)可按式(215)計(jì)算。如果RB1 、RB2取值不大，在估算工作點(diǎn)時(shí)，則ICQ可按下式直接求出：CCBBBBBBEonBEBBEQCQURRRUURUUII212)(217a)(217b)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例例3 電路如圖215(a)所示。已知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，試計(jì)算工作點(diǎn)ICQ和UCEQ。 解解 VRRIUUmAIImARRUUIVURRRUkRRRECCQCCCEQBQCQEBonBEBBBQCCB

36、BBBBBBB4 . 4)22(9 . 112)(9 . 1019. 0100019. 02101157 . 07 . 4)1 (4 . 112253925152539)(21221第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路若按估算法直接求ICQ，由式(217a)可得mARUUIEonBEBBCQ227 . 07 . 4)( 顯然兩者誤差很小。因此，在今后分析中可按估算法來(lái)求工作點(diǎn)。 與上述穩(wěn)定Q點(diǎn)的原理相類似，實(shí)際中還可采用電壓負(fù)反饋型偏置電路(見習(xí)題211電路)。其調(diào)節(jié)原理請(qǐng)讀者自行分析。除此之外，在集成電路中，還廣泛采用恒流源作偏置電路，即用恒流源直接設(shè)定ICQ。有關(guān)恒

37、定源問題將在第四章詳細(xì)討論。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路24放大器的組成及其性能指標(biāo)放大器的組成及其性能指標(biāo) 晶體管的一個(gè)基本應(yīng)用就是構(gòu)成放大器。所謂放大，是在保持信號(hào)不失真的前提下，使其由小變大、由弱變強(qiáng)。因此，放大器在電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代通信、自動(dòng)控制、電子測(cè)量、生物電子等設(shè)備中不可缺少的組成部分。放大器涉及的問題很多，這些問題將在后續(xù)章節(jié)中逐一討論。本節(jié)主要說明小信號(hào)放大器的組成原理，簡(jiǎn)要介紹放大器的性能指標(biāo)，然后給出其二端口網(wǎng)絡(luò)的一般模型。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 241基本放大器的組成原則基本放大器的組

38、成原則 基本放大器通常是指由一個(gè)晶體管構(gòu)成的單級(jí)放大器。根據(jù)輸入、輸出回路公共端所接的電極不同，實(shí)際有共射極、共集電極和共基極三種基本(組態(tài))放大器。下面以最常用的共射電路為例來(lái)說明放大器的一般組成原理。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 共射極放大電路如圖216所示。圖中，采用固定偏流電路將晶體管偏置在放大狀態(tài)，其中虛線支路的UCC為直流電源，RB為基極偏置電阻，RC為集電極負(fù)載電阻。輸入信號(hào)通過電容C1加到基極輸入端，放大后的信號(hào)經(jīng)電容C2由集電極輸出給負(fù)載RL。因?yàn)榉糯笃鞯姆治鐾ǔ２捎梅€(wěn)態(tài)法，所以一般情況下是以正弦波作為放大器的基本輸入信號(hào)。圖中用內(nèi)阻為Rs的正

39、弦電壓源Us為放大器提供輸入電壓Ui。電容C1, C2稱為隔直電容或耦合電容，其作用是隔直流通交流，即在保證信號(hào)正常流通的情況下，使直流相互隔離互不影響。按這種方式連接的放大器，通常稱為阻容耦合放大器。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RCUoUsVRsUiC1RB(UCC)C2RLUCC 圖216共射極放大電路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 通過上述實(shí)例可以看出，用晶體管組成放大器時(shí)應(yīng)該遵循如下原則： (1)必須將晶體管偏置在放大狀態(tài)，并且要設(shè)置合適的工作點(diǎn)。當(dāng)輸入為雙極性信號(hào)(如正弦波)時(shí)，工作點(diǎn)應(yīng)選在放大區(qū)的中間區(qū)域；在放大單極性信

40、號(hào)(如脈沖波)時(shí)，工作點(diǎn)可適當(dāng)靠向截止區(qū)或飽和區(qū)。 (2)輸入信號(hào)必須加在基極發(fā)射極回路。由于正偏的發(fā)射結(jié)其iE與uBE的關(guān)系仍滿足式(14)，即TBETBEUuSUuSEeIeIi) 1(218)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 而iCiE。所以，uBE對(duì)iC有極為靈敏的控制作用。因此，只有將輸入信號(hào)加到基極發(fā)射極回路，使其成為控制電壓uBE的一部分，才能得到有效地放大。具體連接時(shí)，若射極作為公共支路(端)，則信號(hào)加到基極；反之，信號(hào)則加到射極。由于反偏的c結(jié)對(duì)iC幾乎沒有控制作用，所以輸入信號(hào)不能加到集電極。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放

41、大電路 (3)必須設(shè)置合理的信號(hào)通路。當(dāng)信號(hào)源和負(fù)載與放大器相接時(shí)，一方面不能破壞已設(shè)定好的直流工作點(diǎn)，另一方面應(yīng)盡可能減小信號(hào)通路中的損耗。實(shí)際中，若輸入信號(hào)的頻率較高(幾百赫茲以上)，采用阻容耦合則是最佳的連接方式。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 242直流通路和交流通路直流通路和交流通路 對(duì)一個(gè)放大器進(jìn)行定量分析時(shí)，其分析的內(nèi)容無(wú)外乎兩個(gè)方面。一是直流(靜態(tài))工作點(diǎn)分析，即在沒有信號(hào)輸入時(shí)，估算晶體管的各極直流電流和極間直流電壓。二是交流(動(dòng)態(tài))性能分析，即在輸入信號(hào)作用下，確定晶體管在工作點(diǎn)處各極電流和極間電壓的變化量，進(jìn)而計(jì)算放大器的各項(xiàng)交流指標(biāo)。 第第

42、2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 以圖216所示的共射放大器為例，按照上述方法，將電路中的耦合電容C1,C2開路，得直流通路，如圖217(a)所示；將C1, C2短路，直流電源UCC對(duì)地也短路，便得交流通路，如圖217(b)所示。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖217共射放大器的交、直流通路 (a)直流通路；(b)交流通路RBUCCRCRCUoUsRsRBRL(a)(b)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 243放大器的主要性能指標(biāo)放大器的主要性能指標(biāo) 放大器有一個(gè)輸入端口，一個(gè)輸出端口，所以從整體上看，可以把它

43、當(dāng)作一個(gè)有源二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖218所示。因?yàn)檩斎胄盘?hào)是正弦量，所以圖中有小寫下標(biāo)的大寫字母均表示正弦量的有效值，并按二端口網(wǎng)絡(luò)的約定標(biāo)出了電流的方向和電壓的極性。這樣，放大器的性能指標(biāo)可以用該網(wǎng)絡(luò)的端口特性來(lái)描述。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路線性放大器IoRLUoUiIi圖218放大器等效為有源二端口網(wǎng)絡(luò)的框圖第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、放大倍數(shù)一、放大倍數(shù)A 放大倍數(shù)又稱為增益，定義為放大器的輸出量與輸入量的 比值。根據(jù)處理的輸入量和所需的輸出量不同，有如下四種不同定義的放大倍數(shù)： ioriogioiiouUUAUIAII

44、AUUA電壓放大倍數(shù) 電流放大倍數(shù) 互導(dǎo)放大倍數(shù) 互導(dǎo)放大倍數(shù) 互阻放大倍數(shù) (219a) (219b) (219c) (219d) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 其中，Au和Ai為無(wú)量綱的數(shù)值，而Ag的單位為西門子(S)，Ar的單位為歐姆()。有時(shí)為了方便，Au和Ai可取分貝(dB)為單位，即),(lg20),(lg20dBIIAdBUUAioiiou(220) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、輸入電阻二、輸入電阻 Ri 輸入電阻是從放大器輸入端看進(jìn)去的電阻，它定義為 在圖218的框圖中，對(duì)信號(hào)源來(lái)說，放大器相當(dāng)于它的負(fù)載，R

45、i則表征該負(fù)載能從信號(hào)源獲取多大信號(hào)。 iiiIUR (221)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 三、輸出電阻三、輸出電阻Ro 輸出電阻是從放大器輸出端看進(jìn)去的電阻。在圖218的框圖中，對(duì)負(fù)載來(lái)說，放大器相當(dāng)于它的信號(hào)源，而Ro正是該信號(hào)源的內(nèi)阻。根據(jù)戴文寧定理，放大器的輸出電阻定義為0I0s或sUoooIUR(222)Ro是一個(gè)表征放大器帶負(fù)載能力的參數(shù)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 根據(jù)放大器輸入和輸出信號(hào)的不同，利用上述三個(gè)指標(biāo)，則圖218所示的框圖可具體描述為四種二端口網(wǎng)絡(luò)模型，如圖219所示。圖中，Auo,Aro分別表示負(fù)

46、載開路時(shí)的電壓、互阻放大倍數(shù)，而Ais,Ags則分別表示負(fù)載短路時(shí)的電流、互導(dǎo)放大倍數(shù)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路IsAisIiRLRsRiRo(b)IoIiUsAuoUiRLRsUiRiRoUo(a)AgsUiRLRiRo(c)IoUsRsUiAroIiRLRiRoUo(d)IsIiRo 圖219放大器二端口網(wǎng)絡(luò)模型(a)電壓放大器；(b)電流放大器；(c)互導(dǎo)放大器；(d)互阻放大器第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 四、非線性失真系數(shù)四、非線性失真系數(shù)THD 由于放大管輸入、輸出特性的非線性，因而放大器輸出波形不可避免地會(huì)產(chǎn)生

47、或大或小的非線性失真。具體表現(xiàn)為，當(dāng)輸入某一頻率的正弦信號(hào)時(shí)，其輸出電流波形中除基波成分之外，還包含有一定數(shù)量的諧波。為此，定義放大器非線性失真系數(shù)為mnmIITHD122(223)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 式中I1m為輸出電流的基波幅值，Inm為二次諧波以上的各諧波分量幅值。由于小信號(hào)放大時(shí)非線性失真很小，所以只有在大信號(hào)工作時(shí)才考慮THD指標(biāo)。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 五、線性失真五、線性失真 放大器的實(shí)際輸入信號(hào)通常是由眾多頻率分量組成的復(fù)雜信號(hào)。由于放大電路中含有電抗元件(主要是電容)，因而放大器對(duì)信號(hào)中的不同頻率

48、分量具有不同的放大倍數(shù)和附加相移，造成輸出信號(hào)中各頻率分量間大小比例和相位關(guān)系發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輸出波形相對(duì)于輸入波形產(chǎn)生畸變。通常將這種輸出波形的畸變稱為放大器的線性失真或頻率失真。有關(guān)描述線性失真的一些具體指標(biāo)，如截止頻率、通頻帶等將在第五章中詳細(xì)說明。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路25 放大器圖解分析法放大器圖解分析法 251直流圖解分析直流圖解分析 直流圖解分析是在晶體管特性曲線上，用作圖的方法確定出直流工作點(diǎn)，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。 對(duì)于圖216所示共射極放大器，其直流通路重畫于圖220(a)中。由圖可知，在集電極輸出回路，可列出如下

49、一組方程： 直流負(fù)載線方程特性曲線方程CCCCCEIiCECRiUuufiBQB)(224a) (224b) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路RBUCCRC(a)RCUoUiRBRL(b)IBQICQUCEQiBiCUCE圖220共射放大器的直流、交流通路 (a)直流通路；(b)交流通路第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 如圖221(a)所示。圖中，直流負(fù)載線MN與iB=IBQ的輸出特性曲線相交于Q點(diǎn)，則該點(diǎn)就是方程組(224)的解(即直流工作點(diǎn))。因而，量得Q點(diǎn)的縱坐標(biāo)為ICQ，橫坐標(biāo)則為UCEQ。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極

50、型晶體管及其放大電路iBIBQuCE0NQMiCUCEQUCCICQUCCRC(a) 圖221放大器的直流圖解分析(a)直流負(fù)載線與Q點(diǎn)；(b)Q點(diǎn)與RB、RC的關(guān)系第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖221放大器的直流圖解分析(a)直流負(fù)載線與Q點(diǎn)；(b)Q點(diǎn)與RB、RC的關(guān)系uCE/V21012012340A30A20A10AiC/mA4684MNQ(b)RBQ3Q2Q4RCRBQ1RC第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 例例4 在圖220(a)電路中，若RB=560k,RC=3k,UCC=12V，晶體管的輸出特性曲線如圖221(b)所

51、示，試用圖解法確定直流工作點(diǎn)。 解解 取UBEQ=0.7V，由估算法可得umRUUIBBEQCCBQ2002. 05607 . 012第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 在輸出特性上找兩個(gè)特殊點(diǎn)：當(dāng)uCE=0時(shí)，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M點(diǎn)；當(dāng)iC =0時(shí)，uCE=UCC=12V，得N點(diǎn)。連接以上兩點(diǎn)便得到圖221(b)中的直流負(fù)載線MN，它與IB=20A的一條特性曲線的交點(diǎn)Q，即為直流工作點(diǎn)。由圖中Q點(diǎn)的坐標(biāo)可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 252交流圖解分析交流圖解分析 交流圖解分

52、析是在輸入信號(hào)作用下，通過作圖來(lái)確定放大管各級(jí)電流和極間電壓的變化量。此時(shí)，放大器的交流通路如圖220(b)所示。由圖可知，由于輸入電壓連同UBEQ一起直接加在發(fā)射結(jié)上，因此，瞬時(shí)工作點(diǎn)將圍繞Q點(diǎn)沿輸入特性曲線上下移動(dòng)，從而產(chǎn)生iB的變化，如圖222(a)所示。瞬時(shí)工作點(diǎn)移動(dòng)的斜率為 : LCECkuik1(225)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖222放大器的交流圖解分析(a)輸入回路的工作波形；(b)輸出回路的工作波形iBIBQtiBIBQuBEuBEtiBmaxiBminQUBEQ(a)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖222

53、放大器的交流圖解分析(a)輸入回路的工作波形；(b)輸出回路的工作波形QiCiBmaxiBminiCICQttuCEuCEUCCUCEQICQRLICQUCCRC交流負(fù)載線 kRC1Q1Q2IBQ(b)A第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 畫出交流負(fù)載線之后，根據(jù)電流iB的變化規(guī)律，可畫出對(duì)應(yīng)的iC和uCE的波形。在圖222(b)中，當(dāng)輸入正弦電壓使iB按圖示的正弦規(guī)律變化時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)Q點(diǎn)沿交流負(fù)載線在Q1到Q2之間上下移動(dòng)，從而引起iC和uCE分別圍繞ICQ和UCEQ作相應(yīng)的正弦變化。由圖可以看出，兩者的變化正好相反，即iC增大，uCE減??；反之， iC減小，則

54、uCE增大。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 根據(jù)上述交流圖解分析，可以畫出在輸入正弦電壓下，放大管各極電流和極間電壓的波形，如圖223所示。觀察這些波形，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： (1)放大器輸入交變電壓時(shí)，晶體管各極電流的方向和極間電壓的極性始終不變，只是圍繞各自的靜態(tài)值，按輸入信號(hào)規(guī)律近似呈線性變化。 (2)晶體管各極電流、電壓的瞬時(shí)波形中，只有交流分量才能反映輸入信號(hào)的變化，因此，需要放大器輸出的是交流量。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路tuituBEUBEQiBtIBQiCtICQuCEtUCEQuo000000t圖223共射

55、極放大器的電壓、 電流波形第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 (3)將輸出與輸入的波形對(duì)照，可知兩者的變化規(guī)律正好相反，通常稱這種波形關(guān)系為反相或倒相。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 253直流工作點(diǎn)與放大器非線性失真的關(guān)系直流工作點(diǎn)與放大器非線性失真的關(guān)系 直流工作點(diǎn)的位置如果設(shè)置不當(dāng)，會(huì)使放大器輸出波形產(chǎn)生明顯的非線性失真。在圖224(a)中，Q點(diǎn)設(shè)置過低，在輸入電壓負(fù)半周的部分時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū)，使iB,iC不能跟隨輸入變化而恒為零，從而引起iB, iC和uCE的波形發(fā)生失真，這種失真稱為截止失真。由圖可知，對(duì)于NPN管

56、的共射極放大器，當(dāng)發(fā)生截止失真時(shí)，其輸出電壓波形的頂部被限幅在某一數(shù)值上。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 若Q點(diǎn)設(shè)置過高，如圖224(b)所示，則在輸入電壓正半周的部分時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)。此時(shí)，當(dāng)iB增大時(shí)，iC則不能隨之增大，因而也將引起iC和uCE波形的失真，這種失真稱為飽和失真。由圖可見，當(dāng)發(fā)生飽和失真時(shí)，其輸出電壓波形的底部將被限幅在某一數(shù)值上。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路Q交流負(fù)載線iC0t0iCiBuCEuCE0t(a)圖224 Q點(diǎn)不合適產(chǎn)生的非線性失真 (a)截止失真；(b)飽和失真第第2章章 雙極型晶體

57、管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖224 Q點(diǎn)不合適產(chǎn)生的非線性失真 (a)截止失真；(b)飽和失真Q交流負(fù)載線iCiCiB0tuCEuCE0(b)t0第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 通過以上分析可知，由于受晶體管截止和飽和的限制，放大器的不失真輸出電壓有一個(gè)范圍，其最大值稱為放大器輸出動(dòng)態(tài)范圍。由圖224可知，因受截止失真限制，其最大不失真輸出電壓的幅度為 而因飽和失真的限制，最大不失真輸出電壓的幅度則為CESCEQomLCQomUUURIU(226a)(226b)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 式中，UCES表示晶體管的臨界

58、飽和壓降，一般取為1V。比較以上二式所確定的數(shù)值，其中較小的即為放大器最大不失真輸出電壓的幅度，而輸出動(dòng)態(tài)范圍 Uopp則為該幅度的兩倍，即 Uopp=2Uom (227) 顯然，為了充分利用晶體管的放大區(qū)，使輸出動(dòng)態(tài)范圍最大，直流工作點(diǎn)應(yīng)選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)處。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 26 放大器的交流等效電路分析法放大器的交流等效電路分析法 261 晶體管交流小信號(hào)電路模型晶體管交流小信號(hào)電路模型 根據(jù)導(dǎo)出的方法不同，晶體管交流小信號(hào)電路模型可分為兩類：一類是物理型電路模型，它是模擬晶體管結(jié)構(gòu)及放大過程導(dǎo)出的電路模型，它有多種形式，其中較為通用的是混

59、合型電路模型；另一類是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型，它是將晶體管看成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)端口的電壓、電流關(guān)系導(dǎo)出的電路模型，其中應(yīng)用最廣的是H參數(shù)電路模型。不論按哪種方法導(dǎo)出的電路模型，它們都應(yīng)當(dāng)是等價(jià)的，因而相互間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 一、混合一、混合型電路模型型電路模型 工作在放大狀態(tài)下的共射極晶體管如圖225(a)所示。 uceibubeic(a)gmubeubeucerbercerbcbce(b) 圖225晶體管放大過程分析及電路模型 (a)共發(fā)射極晶體管；(b)電路模型第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 晶體管輸入端ub

60、e控制iB的作用，可以用b,e極間相應(yīng)的交流結(jié)電阻rbe來(lái)等效，其大小為靜態(tài)工作點(diǎn)處uBE對(duì)iB的偏導(dǎo)值，即beQBEbbeQEBEeeQEBEBEQBBEbbebeiiiiiuiurriuiiiuiur1,)1 (228) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 分別為發(fā)射結(jié)交流電阻和re等效到基極支路的折合系數(shù)。根據(jù)正向PN結(jié)電流與電壓間的近似關(guān)系式TBEUuSEeIi 可求得re，其值為 EQTUSTQBEEeIUeIUuirTUBEQ/111(229)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 可見，re與溫度有關(guān)，并與晶體管直流工作電流IEQ成

61、反比。室溫下，UT=26mV，所以re=26mV/IEQ。 ube通過ib對(duì)ic的控制作用，可以用接在c,e極間的一個(gè)電壓控制電流源來(lái)等效，即 ic =gmube (230) 式中控制參量gm反映ube對(duì)ic的控制能力，稱為正向傳輸電導(dǎo)，簡(jiǎn)稱跨導(dǎo)。其大小為靜態(tài)工作點(diǎn)處iC對(duì)uBE的偏導(dǎo)值，即bcQBCbeQBEBBCQBECbecmiiiiruiuiuiuig(231)式中：第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)。利用式(228)和 ,gm又可表示為1TCQTEQeemUIUIrrg)1 (232)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體

62、管及其放大電路 根據(jù)上述晶體管放大過程畫出的共發(fā)射極交流等效電路模型如圖225(b)所示。圖中rce和rbc分別為集電極輸出電阻和反向傳輸電阻，它們都是模擬基區(qū)調(diào)寬效應(yīng)的等效參量。由晶體管特性曲線可知，當(dāng)uCE變化時(shí)，iC和iB都將發(fā)生相應(yīng)變化。其中，uce引起的ic變化用交流電阻rce等效，其值為QCCEcceceiuiur(233) 反映在輸出特性上，即是曲線在工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。 uce引起的ib變化用交流電阻rbc等效，其值為第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 圖226為平面管的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中rbb,ree和rcc分別表示基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)沿電流方向的

63、體電阻。 在圖225(b)的電路模型中，當(dāng)考慮了寄生參量rbb,Cbe和Cbc的影響后，便得到完整的混合型電路模型，如圖2-27(a)所示。 ceQCCEBCQBCEbceberiuiiiuiur(234) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路cebrbbrccPNNNCbcCbereeb 圖226平面管結(jié)構(gòu)示意圖第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路gmub eubeucercebce(a)rbbCbcrbebrbcCbe 圖227完整的混合型電路模型(a)高頻時(shí)的電路模型；(b)低頻時(shí)的電路模型第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及

64、其放大電路 圖227完整的混合型電路模型(a)高頻時(shí)的電路模型；(b)低頻時(shí)的電路模型gmub eubeucercebce(b)rbbrbebrbc第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 二、低頻二、低頻H參數(shù)電路模型參數(shù)電路模型 對(duì)于圖225(a)所示的共發(fā)射極晶體管，在低頻工作條件下，當(dāng)把它看成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，若取iB和uCE為自變量，則有),(),(21CEBCCEBBEuifiuifu(235a) (235b) 在工作點(diǎn)處，對(duì)式(235)取全微分，得 CEQCECBQBCCCEQCEBEBQBBEBEduuidiiididuuudiiudu(236a) (236

65、b) 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路當(dāng)輸入為正弦量并用有效值表示時(shí)，以上兩式可寫為cecebfeccerebiebeUhIhIUhIhU(237a)(237b)式中： 0000bcebceIcecQCECoeUbcQBCieIcebeQCEBEreUbbeQBBEieUIuihIIiihUUuuhIUiuh(238a) (238b) (238c) (238d)第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 分別定義為晶體管輸出交流短路時(shí)的輸入電阻、輸入交流開路時(shí)的反向電壓傳輸系數(shù)、輸出交流短路時(shí)的電流放大系數(shù)和輸入交流開路時(shí)的輸出電導(dǎo)。可見，這四個(gè)參

66、數(shù)具有不同的量綱，而且要在輸入開路或輸出交流短路條件下求得。 由式(237)并根據(jù)四個(gè)參數(shù)的意義，得出的低頻H參數(shù)電路模型如圖228所示。第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路UbeUcebcehiehoe1hfeIbIeIbhreUce圖228 共發(fā)射極晶體管H參數(shù)電路模型第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路 由于共射極輸入、輸出特性曲線本身就是描述晶體管端口特性的一種方式，因此，在工作點(diǎn)處，當(dāng)用變化量的比值近似偏導(dǎo)數(shù)時(shí)，可在特性曲線上通過圖解 求 出 電 路 模 型 中 每 一 參 數(shù) 值 。 其 方 法 見 圖229(a)(d)。 第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖229在特性曲線上求H參數(shù)的方法uBEQIBQuBEiB(a)iB0UBEQuCEUCEQ第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖229在特性曲線上求H參數(shù)的方法uBEQIBQuBEiB(b)0uBE1uCE1uCE2uCEuBE2第第2章章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路圖229在特性曲線上求H參數(shù)的方法