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1、本章目录,8.1双极型晶体三极管8.2晶体管放大电路8.4 放大电路中的负反馈8.5 功率放大电路,返回总目录,8.1双极型晶体三极管,双极型晶体三极管(BJT)结构BJT由两个PN构成，有两种类型:NPN型和PNP型。,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,BJT的电路符号,常用BJT的外形,8.1双极型晶体三极管（续1）,BJT结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,BJT
2、管芯结构剖面图,8.1双极型晶体三极管（续2）,EB,RB,UC,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为直流电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,两者变化之比称为交流电流放大倍数,8.1双极型晶体三极管（续3）,1. 输入特性曲线：,输入特性曲线是指当集射极之间的电压UCE为某一常数时，输入回路中的基极
3、电流iB与加在基射极间的电压uBE之间的关系曲线。,当UCE=0，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。,当UCE1时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一段距离。只要uBE不变，无论怎样增大UCE，iB都基本不变，曲线基本重合。因此，通常将UCE=1的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。,晶体三极管的特性曲线,8.1双极型晶体三极管（续5）,2. 输出特性曲线,NPN,IB=0,IB3,IB2,IB1,IB3 IB2 IB10,从输出特性上，可将三极管分为三个工作区（工作状态）：,截止(Cut off)、饱和(Saturation)、放大(Active)
4、。,截止,饱和,放大,集电极电流受基极电流控制，所以晶体三极管又称为电流控制器件。,输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流iC与集射极间的电压uCE之间的关系曲线。,uCE=uBE,8.1双极型晶体三极管（续6）,1）截止区,IB = 0 曲线以下的区域。,IB = 0, IC = IE = ICEO (穿透电流),由于ICEO很小，此时UCE近似等于UCC，C与E之间相当于断路。,8.1双极型晶体三极管（续7）,2）饱和区,条件：发射结正偏，集电结正偏。即：UBE0，UBE UCE , UCUB。,饱和时UCE电压记为UCES，硅管 UCES = 0.30.5V，锗管
5、UCES = 0.10.2V。C与E之间相当于短路。,此时IB对IC失去了控制作用，管子处于饱和导通状态。,特性曲线左边uCE很小的区域。,8.1双极型晶体三极管（续8）,3）放大区,条件：发射结正偏； 集电结反偏。,特点：, UCE变化时，IC基本不变。 这就是晶体管的恒流特性。改变IC的惟一途径就是改变IB,而这正是IB对IC的控制作用。,特性曲线中，接近水平的部分。, IC= IB，集电极电流与基极电流成正比。因此放大区又称为线性区。, 特性曲线的均匀间隔反映了晶体管电流放大作用的能力，间隔大，即IC大，因而放大能力（）也大。,8.1双极型晶体三极管（续10）,双极型三极管的主要参数,（
6、1）电流放大系数,(a)直流(静态),(b)交流(动态) (hfe),和含义不同，但在输出特性放大区内，曲线接近于平行等距，,器件手册上给出的是 使用时也作为。,由于制造工艺的分散性，同一型号的晶体管， 值也有很大差别。常用的晶体管的 值一般在20200之间。,8.1双极型晶体三极管（续11）,（2）极间反向电流,(a) 集基反向饱和电流ICBO,(b) 集射穿透电流 ICEO,ICBO是发射极开路时，集基反向饱和电流。通常希望ICBO越小越好。在温度稳定性方面，硅管比锗管好。,ICEO是基极开路时，从集电极直接穿透三极管到达发射极的电流。,双极型三极管的主要参数,8.1双极型晶体三极管（续1
7、2）,（3）集射反向击穿电压U(BR)CEO,当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。集射极之间电压超过U(BR)CEO时，集电极电流会大幅度上升，此时，三极管被击穿而损坏。,U(BR)CEO,（4）集电极最大允许电流 ICM,集电极电流IC超过一定值时， 值要下降，当 降到原来值的2/3时，对应的IC称为ICM,双极型三极管的主要参数,ICM,8.1双极型晶体三极管（续13）,双极型三极管的主要参数,（5）集电极最大允许耗散功率PCM,两个PN结上消耗的功率分别等于通过结的电流乘以加在结上的电压，一般集电结上消耗的功率比发射结大得多，用PCM表示，这个功率将导致集电结发热，结温上
8、升，当结温超过最高工作温度时，管子性能下降，甚至被烧坏。因此集电结的最高工作温度决定了三极管的最大集电极耗散功率。,由U(BR)CEO、PCM、ICM共同确定三极管的安全工作区，如图所示。,安全工作区,UCEIC=PCM,过,损,耗,区,8.2晶体管放大电路,放大的概念放大实际上是一种能量转换，即将直流电源的能量转换为信号能量，实现信号功率的增强。,信号功率增大,信号功率小,输入、输出信号表现为电压或电流，因此，放大电路具有两个端口。,8.2晶体管放大电路（续1）,放大电路的主要技术指标放大倍数：电压放大倍数Au，电流放大倍数Ai输入电阻：接负载后的放大电路在输入端口体现的等效电阻，它反映放大
9、电路对信号源的负载影响程度，输入电阻越大，放大电路对信号源影响越小。输出电阻：接信号源的放大电路在输出端口体现的戴维宁等效电阻，它反映放大电路的带负载能力，输出电阻越小，放大电路带负载能力越强。频率响应：反映放大电路放大能力随信号频率变化的特性。最大输出范围与非线性失真。,8.2.1 晶体管放大电路的组成和工作原理,放大电路的组成,1. 放大器件,2. 偏置电路：使放大器件工作在放大状态,RB,RC,基极偏置电阻，为三极管提供适当的偏置电流 IB,直流电源为放大电路提供能源，并为放大器件提供正确的偏置,集电极直流负载电阻将集电极电流的变化转化为电压输出。,3. 输入耦合电路：使信号源的信号顺利
10、进入放大电路。,C1,4. 输出耦合电路：使放大后的信号有效加载到负载。,输入耦合电容,C2,RL,负载,输出耦合电容,8.2.1 晶体管放大电路的组成和工作原理(2),放大电路的工作原理,uS,uBE=UBEQ+ube,VCC RB,iB=IBQ+ib,ic= ib,uCE=UCEQ+uce,uo=uce,UCEQ=VCCRCICQ,iC=ICQ+ic,uce=RL|RCic,放大电路的工作波形,ib,ic,uce,反相放大,8.2.1 晶体管放大电路的组成和工作原理(3),放大电路的静态工作点的设置为了确保输出波形不失真，要求放大电路中晶体管始终工作在放大区。因此，需要设置合适的静态工作点
11、。如果静态工作点设置得过高(ICQ过大)，靠近饱和区，则加入信号后，晶体管将在输入信号正半周进入饱和，产生饱和失真（上述电路表现为输出波形底部失真）。如果静态工作点设置得过低(UCEQ过大)，靠近截止区，则加入信号后，晶体管将在输入信号负半周进入截止，产生截止失真（上述电路表现为输出波形顶部失真）。,8.2.2 放大电路的基本分析方法,放大电路的分析,放大电路分析,静态分析（确定放大器件工作状态）,图解分析,等效电路分析,动态分析（分析放大电路性能）,图解分析,等效电路分析,计算机仿真,IB、IC、UCE、UBE,Au、ri、ro 等,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (2),放大电路的静态
12、分析,（1）静态的概念无信号输入，电路中只有直流电源作用。,（2）静态等效电路直流通路：耦合电容开路。,（3）静态分析的目的确定三极管的静态工作点 （IB、IC、UCE、UBE ）,（4）静态分析的方法图解法、近似估算法（等效电路法）,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (3),放大电路静态分析的图解法,（1）把输入输出回路分开处理,（2）输入回路分析,UBEQ,IBQ,晶体管输入特性,偏置电路伏安特性直流负载线,（3）输出回路分析,IBQ,UCEQ,ICQ,晶体管输出特性,静态工作点,静态工作点,偏置电路伏安特性直流负载线,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (4),放大电路静态分析的等效电
13、路法,（1）晶体管的静态等效电路（放大状态）,（2）放大电路静态等效电路,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (5),放大电路静态分析的等效电路法(续),（3）近似条件：UBE 0.7V(硅管)，或 0.3V(锗管),（4）近似估算,（5）检验三极管是否处于放大状态,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (6),放大电路的动态分析,动态分析的目的：确定放大电路的性能指标。,耦合电容容量很大，信号变化一周期电容两端电压保持恒定：,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (7),输入、输出回路作戴维宁等效：,其中，,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (8),放大电路动态分析的图解法,电路实现了反相放大
14、。,可分析指标：1. 放大倍数; 2. 最大不失真输出,非线性失真：1. 饱和失真（输出平底）2. 截止失真（顶端变形）,为获得最大不失真输出，静态工作点应设置在交流负载线的中点。,输入电压幅度不能太大，否则输入特性非线性严重，要求Ubem5mV,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (9),放大电路动态分析的等效电路法,(1)放大电路的交流等效电路,直流电源置零(接地)、耦合电容短路,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (10),放大电路动态分析的等效电路法(续),（2）晶体管的小信号(微变)等效电路,rbb: 三极管基区体电阻，十几几百欧姆（常取50）VT: 温度电压当量. 常温(27C),
15、 VT =25.8 mVK: 玻耳兹曼常数1.38066210-23 JK-1T: 绝对温度值q: 电子电量1.602189210-19 C,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (11),放大电路动态分析的等效电路法(续),（3）放大电路的的小信号(微变)等效电路,电压放大倍数：,输入电阻,输出电阻,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (12),放大电路动态分析的等效电路法(续),（4）放大器的电压放大等效电路,放大电路,源电压放大倍数：,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (13),放大电路分析举例,1. 静态工作点分析,采用近似估算法,说明晶体管确实工作在放大区,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (14),2. 动态分析：,画出小信号等效电路,输入电阻：,输出电阻：,电压放大倍数：,源电压放大倍数：,最大不失真输出幅度：,放大电路分析举例2,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (16),图示电路，PNP管的参数为：=100, rbb=50,(1) 欲使静态工作点集电极电流为1mA, RB=?,(2) 计算放大电路的电压放大倍数,静态分析,根据要求，集电极静态电流为1mA, 因此，基极电流,8.2.2 放大电路的基本分析方法 (17),动态分析,画出放大电路的微变等效电路,电压放大倍数：,8.2.3 静态工作点稳定电路,
