模拟电路1---2.1

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1、2.1 晶体三极管 2.2 放大电路基础 2.3 放大电路的分析方法 2.4 静态工作点稳定电路 2.5 放大电路的三种组态 2.6 多级放大器的级联 2.7 场效应管及其放大电路,第二章 半导体放大器件及其基本放大电路,本章重点： 1、晶体管的工作原理及电流分配关系； 2、场效应管的工作原理及伏安特性； 3、晶体管的直流模型及工作状态的分析； 4、放大器静态工作点的分析（图解法、 近似估算法）； 5、晶体管、场效应管的交流小信号模型； 6、三种基本组态放大器的性能分析；,本章难点： 1、晶体管的工作原理分析； 2、场效应管的工作原理分析； 3、图解法分析放大器的静态工作点和动态特性； 3、等

2、效电路法分析放大器的质量指标。,思 考 题,1. 半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？,2. 扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？,4. 动态平衡下的PN结中是否有电流流过？为什么？,3. 导体与半导体的差别主要体现在那几个方面？,5. 为什么PN结会有单向导电特性？,8. 在什么条件下，半导体二极管的管压降近似为常数？,9. 根据二极管的伏安特性，给出几种二极管的电路分析模型。 10. 二极管作为开关使用的情况下，应该利用二极管的那个模型？,6. PN结有哪些电容效应？,7. PN结中存在那些击穿现象？,半导体放大器件有两大类型： 一是双极型晶体三极管， 二是单极型场效应三极管。,晶体三

3、极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。,场效应型三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。,2.1 晶体三极管,2.1.1 晶体三极管的工作原理 2.1.2 晶体管的伏安特性和主要参数 2.1.3 晶体管的直流模型及工作状态的分析,2.1.1 晶体三极管的工作原理,分类：按结构分： PNP、NPN型,按材料分：硅管、锗管,按功率大小分： 大功率管、小功率管,按频率高低分： 高频管、低频管,结构：,电路符号：,NPN,PNP,实际晶体管外形：,晶体管的管内结构特点： 发射区掺杂浓度远大于基区，基区很薄，集电结面积大于发射结面积。,晶体管具

4、备放大作用应满足的外部条件是： 发射结正偏，集电结反偏。,晶体管的工作特点是： 正向受控作用-放大作用。,一、放大状态下晶体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,2、电子在基区边扩散边复 合，形成复合电流,3、集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流,图2.1.6 放大状态下内部载流子的传输过程,由以下几部分组成:,通过发射结的发射极电流 ，通过集电结的 及复合电流,即,而,所以：,或：,根据以上的分析知：,二、晶体管的电流分配关系,1、晶体管的三种连接方式（组态）,晶体管在发射结正偏、集电结反偏的情况下三个电极的电流并不是彼此独立的，它们反映了非平衡少子在基区扩散

5、与复合的比例关系；,2、晶体管的电流分配关系,这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定；为了衡量它们之间的比例关系，定义了以下两个电流放大系数。,（1）共基极直流电流放大系数,的大小反映了扩散到集电区的电流 与发射极注入的电流 的关系，即,显然， ，但接近于1，一般在0.98以上。它表示晶体管将 转化为 的能力。,反映了晶体管在共基极连接时，输出电流 受输入电流 控制的电流分配关系。,同时,（2）共发射极直流电流放大系数,由式：,可以得到：,该式的含义是：基区每复合一个电子，就会有 个电子扩散到集电极去。,式中：,是集电极与发射极之间的反向饱和电流，称为穿透电流。其值一般很小，若忽略其影

6、响，可以得到,由于 甚至更大，所以 。,（3）交流电流放大系数,于是原来的电流关系又可以改写为,上述电流分配关系说明： 晶体管无论采用哪种连接方式，在发射结正偏、集电结反偏，且 和 保持不变的情况下，输出电流 （或 ）正比于输入电流 （或 ）。,若能够设法控制输入电流，就能够控制输出电流，所以常称晶体管为电流控制器件。,实际上 是受发射结上的正向电压 控制的，所以 和 也受发射结上正向电压 的控制，体现了晶体管的正向受控特性。利用这一特性就可以将微弱的电信号加以放大。,三、晶体管的放大作用,在 作用下，产生 相应会产生 ，而 通过接在集电极上的负载电阻 产生一个变化电压 ，,且,故,其中 为由

7、信号源两端向放大器内部看进去的等效电阻。,显然，只要合理选择 ，使 ，即可以使 ，实现放大作用。,2.1.2 晶体管的伏安特性和主要参数,一、晶体管的伏安特性,伏安特性描绘的是晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。,三种组态（共发射极、共基极、共集电极）均可视为二端口，如图示。,以共发射极电路为例讨论伏安特性曲线,输入量： 输出量：,1、输入特性曲线,它与二极管的特性曲线相似，但二者有着本质的区别。原因是晶体管的发射结和集电结密切相关。,的控制作用 当 较小时，集电区收集能力较弱，形成的 小，所以 大。,（1）正向特性：,实际上，对于小功率管 后的曲线几乎重迭。,当 较大时，集电区收集能力较强，

8、形成的 大，且几乎不随 的增大而增大，所以 较小。,增加，由于基区宽度调制效应， 减小，曲线右,移，但很小，可以忽略。,晶体管为两个并联的PN结。,当 时，且 ，此时,当 时， 随 按,的控制作用,为导通电压。,指数规律增加。,（2）反向特性 时，三极管截止， 为反向饱和电流。 当 继续增加，达到某一值时，发射结会击穿。,晶体管击穿时的电压 称为击穿电压。,二、输出特性曲线,晶体管有三个工作区域:,（1）截止区：,该区域的特征是发射结和集电结都反向偏置。,晶体管截止时，三个电极上的电流均为反向电流，相当于极间开路，这时各极电位将主要有外电路确定。,此时,工程分析时, 对 的影响很小,（2）放大

9、区：,该区域的特征是发射结正偏，集电结反偏。,即晶体管的电流放大作用。,由于 几乎与 无关，即 在很大范围内变化时， 几乎不变，因此在 一定时，集电极电流 具有恒流特性。,该区域的 几乎仅仅决定于 ,与 无关。表现出 对的 控制作用，, 对 的控制作用,注意：基区宽度调制效应,当 一定时， 增加 基本不变， 不受 的控制。,晶体管饱和时的管压降称为饱和压降，记作,（3）饱和区：,该区域的特征是发射结和集电结均为正向偏置。,此时，当 一定时， 的值比放大区还小；,当 或 时，晶体管达到临界饱和状态，对应点的轨迹称为临界饱和线。,当 时，进入饱和区。,晶体管饱和后，三个电极间的电压很小，这时各极电

10、流主要有外电路决定。,表现为 不同时的曲线重合在一起，说明晶体管进入饱和区，这是由于集电结正偏使集电结收集电子的能力减弱。,当 一定时， 增加 基本不变， 不受 的控制。,3、温度对特性曲线的影响,温度每升高1oC， 下降2.5mV。,温度每升高10oC， 增加一倍。,温度每升高1oC， 。,二、晶体管的主要参数,1、电流放大系数,（1） （2）,2、极间反向电流,3、结电容,3、极限参数,（1）击穿电压,（2）最大允许的集电极电流,（3）最大功率损耗,与半导体材料、散热条件、环境温度等因素有关。,极限参数决定了管子的安全工作区域。见上图。,2.1.3 晶体管的直流模型及工作状态的分析,晶体管

11、的直流工作特性：饱和、放大、截止是晶体管的三种截然不同的工作状态。,实际应用中，应根据实现的功能不同，通过外电路将晶体管偏置在某一规定的状态。,于是，在晶体管应用电路的分析中，首先应分析其工作状态，然后进行直流电路的分析。,一、晶体管的直流模型,1.静态（直流状态）： 无交流（动态）信号的状态。,2.静态（直流）工作点Q： 静态时，各极电压、电流在伏安特性曲线上的交点。,3.伏安特性曲线的折线近似 直流工作时，伏安特性曲线近似为几段折线。, 当 时，晶体管截止， 、 ，,4.直流模型（以共射电路为例）,晶体管的B、E和C、E 极间均开路，于是得到的直流模型为,C,E,E,B,晶体管截止模型,

12、当外加电压使发射结正偏导通 时，会有,流入基极。若晶体管工作在放大状态，则C、E极间有,一受 控制的受控电流源 ；放大状态下的模型为, 当外加电压使晶体管工作在饱和状态时， C、E间相当于接了一个恒压源 ，其相应的直流模型为,B,E,C,放大模型,E,B,C,饱和模型,例题2.1 电路如图所示，已知,分析电路的工作状态，并求各极电流、电压。,270k,6V,UBB,RB,RC,UCC,3k,12V,UBB,RB,RC,UCC,解：放大状态分析,由（a）图知，UBB使晶体管的发射结正偏，UCC使晶体管的集电结反偏，所以晶体管工作在放大状态，其直流等效电路如图（b）所示。,（a）,（b）,由图知,

13、故得,注意：在对晶体管电路进行分析时，应先确定晶体管的工作状态，然后才能选择合适的模型进行分析。,例2.2 判断晶体管的类型和引脚名称,当外加偏置使 即发射结反偏时，晶体管工作在截止状态。,二、晶体管工作状态的分析,工作状态确定的依据是：,此时若晶体管集电结反偏，那么晶体管工作在放大状态。,放大状态下满足 , 的条件；,截止状态下满足 , 的条件；,若外加偏置使发射结正偏而导通（ ），且集电结正偏时，晶体管工作在饱和状态。,饱和状态下满足 , 的条件；,例2.3：晶体管电路如图示。已知,当输入电压 分别为0V、3V、5V时，判断晶体管的工作状态，并求出输出电压 的值。,解：（1） 时，晶体管截

14、止，此时,（2） 时，晶体管处于放大或饱和状态，若设其处于放大状态，则,所以，集电结反偏，假设成立。此时,（3） 时，晶体管处于放大或饱和状态，若设其处于放大状态，则,所以管子工作在饱和状态。,解：由图知,所以,由于管子是PNP型，根据上述计算结果知，集电结反偏，所以可以判定管子工作在放大状态。,式中“-”号表示实际电流方向与所设定的参考方向相反。,例题2.5,测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。,用数字电压表测得UB =4.5V、UE =3.8V、UC =8V，试判断三极管的工作状态。电路如图所示,例题2.6,2.2 放大电路基础,2.2.1 基本放大器的组成原理 2

15、.2.2 放大电路原理框图及其主要性能指标 2.2.3 直流通路和交流通路,2.2.1 基本放大器的组成原理,放大： 保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强的过程叫做放大。实现放大的电路为放大电路（器）。,有三种基本组态的放大电路： 共发射极、共基极、共集电极。,下面以共发射极放大器为例介绍放大器的组成原则,输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制作用，使之转换成信号能量，提供给负载。,偏置电路： 保证晶体管工作在放大区。,耦合电容：,输入电容CB保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出电容CC保证信号

16、输送到负载，不影响集电结偏置。,:将变化的集电极电流转换为电压输出。,负载,1. 放大器的组成,除了起放大作用的晶体管外，,3、设置合理的信号通路。保证信号源和负载对Q点的影响尽量小，信号传输中的损耗较小。,2.放大器的组成原则是：,1、将晶体管偏置在放大状态，且有合适的静态工作点Q。,2、输入信号加在be回路，,对 起控制作用。,2.2.2 放大电路原理框图及其主要性能指标,一、放大电路的原理框图,放大电路的性能指标可以用该双端口网络的端口特性来描述。,根据放大电路输入、输出信号的不同，图示的框图可以具体描述为四种二端口网络模型：,（a）电压放大器,（b）电流放大器,（c）互阻放大器,（d）互导放