第2章 晶体管及其放大电路分析 模拟电子技术 第2章 晶体管及其放大电路分析 范立南 恩莉 代红艳 李雪飞 中国水利水电出版社 第2章 晶体管及其放大电路分析 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.1 晶体管的基本概念 2.2 晶体管放大电路的分析 2.3 多级放大电路的分析 2.4 放大电路的频率特性 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.1 晶体管的基本概念 2.1.1 晶体管的结构及分类 利用不同的掺杂方式在同一块硅片上,制造出能够形成两个 PN结的三个掺杂区,就构成了半导体三极管,又称为双极型 晶体管(BJT,Bipolar Junction Transistor的缩写)、晶 体三极管,通常简称为晶体管。 晶体管按照频率可分为:高频管和低频管; 按照功率可分为大功率管、中功率管和小功率管; 按照材料可分为硅管和锗管; 按照构成晶体管的三个掺杂区的不同,可分为NPN型和PNP 型。 第2章 晶体管及其放大电路分析 结构示意图和符号分别如图2-1和2-2所示。 (a)结构示意图 (b)符号 图2-1 NPN型晶体管的结构示意图及符号 第2章 晶体管及其放大电路分析 (a)结构示意图 (b)符号 图2-2 PNP型晶体管的结构示意图及符号 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管的几种常见外形如图2-3所示。 (a)、(b)小功率管 (c)中功率管 图2-3 晶体管的常见外形 (d)大功率管 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.1.2晶体管的电流放大作用 1.放大的基本概念 放大作用是一种能量控制作用,放大的对象是变化量,能够 将微小的变化量不失真的放大输出。放大作用是通过放大电 路来实现的,放大电路的核心元件是晶体管。 晶体管具有放大作用所需具备的内部条件:在制造晶体管时 需保证其发射区掺杂浓度高;基区很薄且掺杂浓度低;集电 结面积大。 晶体管具有放大作用所需具备的外部条件:发射结正偏,集 电结反偏。 第2章 晶体管及其放大电路分析 基本共射放大电路如图2-4所示。 图2-4 基本共射放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.晶体管内部载流子的运动 (1)发射区向基区大量注入电子 (2)电子在基区复合和进一步扩散 (3)集电区大量收集电子 图2-5 晶体管内部载流子运动示意图 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.1.3 晶体管的输入输出特性曲线 图2-6 基本共射放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管的输入特性曲线是指当晶体管集-射之间电压一定的 情况下,输入回路的基极电流与基-射电压之间的关系曲 线,可以表示为: i B ? f ?u BE ?U CE ?常数 晶体管的输出特性曲线是指当晶体管基极电流一定的情况 下,输出回路的集电极电流与集-射电压之间的关系曲线, 可以表示为: iC ? f ?uCE ? I B ?常数 第2章 晶体管及其放大电路分析 (a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线 图2-7 晶体管的输入输出特性曲线 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管的输出特性曲线,分为三个工作区:截止区、放大区 和饱和区。 (1)截止区:晶体管的发射结处于反偏或者零偏,集电结 处于反偏时,该晶体管工作在截止区。 (2)放大区:晶体管的发射结处于正偏,集电结处于反偏 时,该晶体管工作在放大区。 (3)饱和区:晶体管的发射结处于正偏,集电结也处于正 偏时,该晶体管工作在饱和区; 当晶体管的发射结处于正偏,集电结处于零偏时,该晶体管 工作在临界饱和状态。 第2章 晶体管及其放大电路分析 【例2-1】测得三只晶体管的直流电位如图2-8(a)、(b)、(c)所 示,试判断它们的工作状态。 图2-8 例2-1图 第2章 晶体管及其放大电路分析 解:图2-8(a)中发射结正偏,集电结也正偏,所以该管工作 在饱和状态。 图2-8(b)中发射结正偏集电结反偏,所以该管工作在放大状 态。 图2-8(c)中晶体管发射结反偏,集电结也反偏,所以该管工 作在截止状态。 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.1.4 晶体管的主要参数 1.晶体管的主要参数 (1)电流放大系数 ①共射直流电流放大系数 I ?? C IB ?i B U CE ?常数 ? ②共射交流电流放大系数: ? ? i C ③共基直流电流放大系数: ④共基交流电流放大系数: ? ? IC IE ?i C ?? ?i E U CB ?常数 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)反向电流 ①集-基反向饱和电流 I CBO是指发射极e开路时,集电结在反 向电压作用下,集-基之间由少子漂移运动形成的反向饱和 电流。 ②集-射反向饱和电流 I CEO是指基极b开路时,集电极和发射极 之间的穿透电流。 第2章 晶体管及其放大电路分析 (3)极限参数 ①集电极最大允许电流 I CM ②集电极最大耗散功率 PCM ③极间反向击穿电压 U ? BR?CEO :为基极开路时,加在集-射之间的反向击穿电压。 U ? BR?CBO :为射极开路时,加在集-基之间的反向击穿电压。 U ? BR?EBO :为集电极开路时,加在射-基之间的反向击穿电压。 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.温度对晶体管参数的影响 (1)温度对反向饱和电流的影响:反向饱和电流随着温度 的升高而增大。 (2)温度对的影响:随着温度的升高,晶体管的输入特性 曲线将左移。 (3)温度对共射电流放大系数的影响:共射电流放大系数 随温度的升高而增大,在输出特性曲线上表现为各曲线间的 间隔增大。 温度对晶体管上述三个参数的影响,集中体现在使晶体管的 集电极电流的增加上。 第2章 晶体管及其放大电路分析 【例2-2】已知某单管放大电路中,电源电压为25V,现有三 只管子 T 1 、 T 2 、 T 3 ,它们的分别为0.01、0.1、0.05; U CEO 分别为50V、50V、20V; ? 分别为15、100、100, 试问选择哪只管子比较合适。 解:选择 T 2 管比较合适。 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.2 晶体管放大电路的分析 2.2.1 晶体管放大电路的性能指标 基本共射放大电路如图2-12所示。 图2-12 基本共射放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 共集放大电路如图2-13所示 图2-13 基本共集放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 共基放大电路如图2-14所示。 图2-14 基本共基放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管放大电路的主要性能指标有:放大倍数、输入电阻、 输出电阻、非线性失真系数和通频带。 (1)放大倍数是用于衡量放大电路放大能力的主要指标。 A 通常将输出量与输入量的比值定义为放大倍数,用 表示, 又称为增益。 按照输入量和输出量的不同,放大倍数可分为: ? 电压放大倍数 Auu ? 电流放大倍数 互阻放大倍数 Aii ? Aui ? 互导放大倍数 Aiu 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)输入电阻 输入电阻是用于衡量一个放大电路从信号源获取信号能力大 小的指标。通常将输入电阻定义为输入电压与输入电流之 比,即从放大电路输入端看进去的等效电阻,记作,即: ? Ri ? Ui ? Ii 可以根据输入电阻的大小来判断一个放大电路从信号源获取 信号的能力。输入电阻越大越好。 第2章 晶体管及其放大电路分析 (3)输出电阻 输出电阻是用于衡量一个放大电路带负载能力大小的指标。 输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻。 ? UT ? Ro ? I T . ? ?0 US R L ?? 可以根据输出电阻的大小来判断一个放大电路带负载电阻的 能力。输出电阻越小,带负载能力越强。所以通常希望一个 放大电路的输出电阻越小越好。 第2章 晶体管及其放大电路分析 (4)通频带 通频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号的放大能力 的指标。中频时放大倍数最大,低频或高频时放大倍数都会 下降并产生相移。放大电路的放大倍数随频率变化的关系曲 线如图2-16所示。 图2-16 放大倍数随频率变化的曲线 第2章 晶体管及其放大电路分析 (5)非线性失真系数 非线性失真系数可定义为: D ? k ?2 2 ? U ok ? U o1 ? 100% (6)最大不失真输出电压 最大不失真输出电压是指输出波形不失真情况下,输出电压 的最大值,记作 U om 。 (7)最大输出功率和效率 最大输出功率是指输出波形不失真情况下,负载上所获得的 最大功率,记作 Pom 。 效率 ? 是指最大输出功率与直流电源提供功率之比。效率 越高,说明在交流输入信号的控制下,能量转换能力就越 强。 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.2.2 晶体管放大电路的图解分析法 如图2-17所示的放大电路中, 图2-17 基本共射放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 图2-17所示电路的直流通路如图2-18所示。 图2-18 图2-17所示电路的直流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 图2-17所示电路的交流通路如图2-19所示。 图2-19图2-17所示电路的交流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管放大电路的分析方法有图解法和微变等效电路法两 种。所谓图解法是利用晶体管的输入特性曲线、输出特性曲 线及放大电路中其它元件的参数,通过作图对放大电路进行 分析的方法。 (a)输入回路 (b)输出回路 图2-20图2-17所示电路的图解法分析 第2章 晶体管及其放大电路分析 图解法的特点是比较直观,通常适用于输入信号幅度较大、 工作频率较低情况电路的分析或进行放大电路的失真情况分 析。 静态工作点过高出现饱和失真。消除饱和失真的办法是降低 静态工作点,可以采取增大或者减小等办法来降低静态工作 点。 静态工作点过低出现截止失真。消除截止失真的办法是提高 静态工作点,可以采取减小或者增大等办法来提高静态工作 点。 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.2.3 晶体管放大电路的等效电路分析法 1.晶体管的低频小信号h参数等效电路 现将晶体管看成一个二端口网络,如图所示: 第2章 晶体管及其放大电路分析 端电压和电流之间关系可分别表示为: ?u BE ? f ?i B , uCE ? ? uCE ? ?iC ? f ?i B , 简化后的晶体管h参数等效电路如图所示 : 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.晶体管的低频小信号h参数等效电路分析法 利用晶体管的低频小信号h参数等效电路对放大电路进行分 析,通常也称为晶体管的微变等效电路法,分析步骤如下: (1)求静态工作点 ①画直流通路; ②求静态工作点。 (2)求交流性能 ①画交流通路; ②画交流等效电路; ③求交流性能。 第2章 晶体管及其放大电路分析 下面用微变等效电路法分析下图所示电路: 第2章 晶体管及其放大电路分析 (1)求静态工作点 ①画直流通路。 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②求静态工作点。 U BEQ ? 0.7V V BB ? U BEQ V BB ? 0.7 ? I BQ ? Rb Rb I CQ ? ? I BQ U CEQ ? V CC ? I CQ Rc 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)求交流性能 ①画交流通路。 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②画交流等效电路。 第2章 晶体管及其放大电路分析 ③求交流性能。 电压放大倍数为: Au ? ? ? Uo ? ? ? ? I b Rc I b?Rb ? rbe ? ? ? ? Ui ? ? Rc ? ? Rb ? rbe 输入电阻为: I b?Rb ? r be ? ? Rb ? rbe Ri ? ? ? ? ? ? Ii Ib Ib Ui Ui ? 输出电阻为: Ro ? Rc 第2章 晶体管及其放大电路分析 例:阻容耦合放大电路如图示,已知 V CC ? 12V , ? ? 50 , U BEQ ? 0.7V ,Rb ? 280k? , Rc ? RL ? 3k? ? 试求:(1)静态工作点;(2)交流性能 和 Ro 。 Au 、 Ri 第2章 晶体管及其放大电路分析 解:(1)求静态工作点 ①画直流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②求静态工作点。 I BQ ? V CC ? 0.7 12 ? 0.7 ? ? 40?A 3 280? 10 Rb I CQ ? ? I BQ ?3 3 U CEQ ? V CC ? I CQ Rc ? 12 ? 2 ?10 ? 3 ?10 ? 6V 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)求交流性能 ①画交流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②画交流等效电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ③求交流性能 r be ? 200 ? (1 ? ? ) 26mV UT ? 200 ? (1 ? 50) ? ? 863? 2mA I EQ ? 50? (3 // 3)k? ? ?87.2 0.86k? Au ? ? ? Uo ? ? ? ? Rc // RL r be ? Ui ? Ri ? Ui ? ? Rb // r be ? 280// 0.86 ? 0.86k? Ii Ro ? Rc ? 3k? 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.2.4 静态工作点稳定放大电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 (1)求静态工作点 ①画直流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②求静态工作点。 U BQ ? Rb1 V CC Rb1 ? Rb 2 U EQ ? U BQ ? 0.7 I EQ ? U EQ / Re I CQ ? I EQ I BQ ? I CQ ? U CEQ ? V CC ? I CQ Rc ? I EQ Re 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)求交流性能 ①画交流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②画交流等效电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ③求交流性能。 电压放大倍数为: Au ? ? ? Uo ? ? ? ? I b( Rc // RL) ? ? ? ? ? ( Rc // RL) r be 输入电阻为: ? Ui ? I b r be ? Ri ? Ui ? ? Rb1 // Rb 2 // Ui Ii I b rbe ? ? // // R R Rb1 // Rb 2 // rbe b 1 b 2 ? ? Ib Ib 输出电阻为: Ro ? Rc 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.2.5 基本共集放大电路的分析 第2章 晶体管及其放大电路分析 (1)求静态工作点 ①画直流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②求静态工作点。 V BB ? U BEQ I BQ ? Rb ? (1 ? ? ) Re I EQ ? (1 ? ? ) I BQ U CEQ ? V CC ? I EQ Re 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)求交流性能 ①画交流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②画交流等效电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ③求交流性能。 电压放大倍数为: Au ? ? ? Uo ? ? (1 ? ? ) I b Re I b[ Rb ? rbe ? (1 ? ? ) Re] ? ? ? Ui (1 ? ? ) Re Rb ? rbe ? (1 ? ? ) Re 输入电阻为: Ri ? Ui I b[ Rb ? rbe ? (1 ? ? ) Re] ? ? ? (1 ? ? ) ? Rb r be Re ? ? Ii Ib ? ? 输出电阻为: Ro ? ? ? ? ? Uo ? ? Uo I e ? I Re ? ? (1 ? ? ) Uo ? ? I o. Uo U ? o Rb ? r be Re ? ? Re // Rb r be 1? ? 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.2.6 基本共基放大电路的分析 第2章 晶体管及其放大电路分析 (1)求静态工作点 ①画直流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②求静态工作点。 V BB ? U BEQ I EQ ? Re I EQ I BQ ? 1? ? U CEQ ? V CC ? I CQ Rc ? U BEQ 第2章 晶体管及其放大电路分析 (2)求交流性能 ①画交流通路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ②画交流等效电路 第2章 晶体管及其放大电路分析 ③求交流性能。 电压放大倍数为: Au ? ? ? Uo ? ? ? I b Rc I b[r be ? (1 ? ? ) Re] ? ? ? ? Ui ? Rc r be ? (1 ? ? ) Re 输入电阻为: Ri ? Ui I b[r be ? (1 ? ? ) Re] ? r be ? ? Re ? ? 1? ? Ii Ie ? 输出电阻为: Ro ? Rc 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.3 多级放大电路的分析 多级放大电路中,每个单级放大电路称为一级,各个单级放 大电路之间的连接方式,称为耦合方式。 常见的耦合方式有:直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等。 直接耦合方式是将前一级放大电路的输出端直接送到后一级 放大电路的输入端的连接方式,如图示 : 第2章 晶体管及其放大电路分析 直接耦合放大电路的特点是: ( 1 )各级的静态工作点不独立,使得各级的静态工作点相 互影响,不便于进行电路的分析、设计和调试; ( 2 )直接耦合多级放大电路中,由于信号的传送不经过电 抗元件,所以频率特性好,可以放大低频信号或直流信号, 且容易集成。集成运放中各级放大电路之间都是直接耦合 方式; (3)直接耦合放大电路存在着零点漂移现象。 第2章 晶体管及其放大电路分析 阻容耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过电容接到后 一级放大电路的输入端的连接方式。这个电容称为耦合电 容,如图示。 第2章 晶体管及其放大电路分析 阻容耦合放大电路的特点是: (1)阻容耦合多级放大电路中,各级直流通路之间是不连 通的,因此各级的静态工作点独立。 (2)阻容耦合多级放大电路的低频特性差,不能放大变化 缓慢的信号。 (3)由于大电容不容易制作,所以阻容耦合方式不便于集 成。 第2章 晶体管及其放大电路分析 变压器耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过变压器接 到后一级放大电路的输入端或直接接负载电阻的连接方式, 如图所示。 第2章 晶体管及其放大电路分析 变压器耦合放大电路的特点是: ( 1 )变压器耦合多级放大电路中,各级直流通路之间是不 连通的,因此各级的静态工作点独立,便于分析、设计和 调试; ( 2 )变压器耦合多级放大电路的低频特性差,不能放大变 化缓慢的信号; ( 3 )由于变压器具有阻抗变换作用,能够实现阻抗匹配、 获得最大输出功率。 ( 4 )由于变压器的体积和重量都很大,所以变压器耦合多 级放大电路不便于集成。 第2章 晶体管及其放大电路分析 多级放大电路的动态性能 : ? ? ? ? U o1 U o 2 U o3 U on Au ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ...? ? ? Au1? Au 2? Au 3? ...? Aun U i U i1 U i1 U i 2 U i 3 U in ? ? ? ? ? ? ? Uo U on Ri ? Ri1 Ro ? Ron 第2章 晶体管及其放大电路分析 2.4 放大电路的频率特性 放大电路的电压放大倍数与输入信号频率之间的函数关系称 为频率特性,或称为频率响应。 电压放大倍数的幅值随频率变化的关系,称为幅频特性; 电压放大倍数的相位随频率变化的关系,称为相频特性。 幅频特性和相频特性统称为频率特性。 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管的简化混合 ? 模型 第2章 晶体管及其放大电路分析 第2章 晶体管及其放大电路分析 单管放大电路的频率特性曲线: 第2章 晶体管及其放大电路分析 晶体管放大电路对不同频率信号的放大能力不同,只有在中 频某段频率范围内,电压放大倍数最大且恒定不变,此时 的电压放大倍数称为中频电压放大倍数。 随着输入信号频率的减小,电压放大倍数下降到中频电压放 大倍数的0.707倍时所对应的频率称为下限截止频率, 随着输入信号频率的增加,电压放大倍数下降到中频电压放 大倍数的0.707倍时所对应的频率称为上限截止频率。 第2章 晶体管及其放大电路分析 低频段:频率低于下限截止频率的部分; 高频段:频率高于上限截止频率的部分; 通频带:位于下限截止频率与上限截止频率之间的部分。通 频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号放大能力的指 标。通频带越宽,表示放大电路所能放大的信号频率的范围 越宽。 第2章 晶体管及其放大电路分析 对于多级放大电路的频率特性来说,有如下结论: ( 1 )多级放大电路的下限截止频率高于构成它的各级放大 电路的下限截止频率; ( 2 )多级放大电路的上限截止频率低于构成它的各级放大 电路的上限截止频率; ( 3 )多级放大电路的通频带比构成它的各级放大电路的通 频带都窄。