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ch4三极管及放大电路基础-1


4.0 放大电路的基本知识(绪论1.4、1.5) 4.1 BJT 4.2 基本共射极放大电路 4.3 放大电路的分析方法

4.4 放大电路静态工作点的稳定问题 4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路 4.6 组合放大电路
4.7 放大电路的频率响应

4.0 放大电路的基本知识
放大的要求:
1、放大微弱的变化电信号.
2、放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同 或基本相同, 即信号不能失真 .

vi

放大 电路

vo

vo 与 vi 频率相同但幅值放大

三极管BJT

信号线性放大

信号失真

4.0.1 放大电路模型
信号源
+ Vs – Ii Rs + Vi – Io

负载
RL

放大电路

+ Vo –

电压放大电路 ( vi , vo )
互阻放大电路 ( ii , vo )

电流放大电路 ( ii , io ) 互导放大电路 ( vi , io )

Ii + Vs – Rs + Vi –

Io

A

+ Vo –

RL

放大电路模型的另一种表示

4.0.2 放大电路的主要性能指标
1. 输入电阻
放大电路相当于是信号源的负载 (电阻 Ri). 输入电阻决定放大电路从信号源吸取信号幅值 的大小,吸取信号幅值越大性能越好。
Rs + Ii + 放 大 Ri 电 路

Vs


Vi


? Vi Ri ? ? Ii

Rs +

Ii + Vi
– 放 大 Ri 电 路
? ? Ri ? Rs ? Ri V S

Vs


V

i

对输入为电压信号的放大电路,Rs愈小, Ri 愈大,则放大电路输入端的vi 值愈大。

Ii + Is – Rs 放 大 Ri 电 路
?

I

i

RS ? Rs ? Ri

?

I

S

输入为电流信号的放大电路,Rs愈大, Ri 愈小,注入放大电路的输入电流ii 愈大。

2. 输出电阻
对负载而言,根据戴维南定理(诺顿定理)可将 放大电路等效为内阻为RO的电压源(电流源). RO --放大电路的输出电阻 输出电阻表明放大电路带负载的能力.

RS
+ 放 Vs =0

RO
+ VO –

Io + –

IT

.
+ RL VT

大 – 电 路

放大电路 Vo



Ro =

VT
.

IT

R L ? ? ,V ? 0 S

Ro

放 大 电 路

RO
+ VO –

Io

+
Vo – RL

?

V

o

? RL ? ? V0 RO ? RL

对输出为电压信号的放大电路,Ro愈小,则 负载RL变化对放大电路输出端的vo 值影响愈小, 带负载能力愈强。

Io

放 大 电 路

+ IO –

+

RO Vo


RL

?

I

O

RO ? RO ? RL

?

I

?
O

对输出为电流信号的放大电路,Ro愈大,则 负载RL变化对放大电路输出端的io 值影响愈小, 带负载能力愈强。

3. 增益(放大倍数)
反映放大电路在输入信号控制下,将供电 电源能量转换为输出信号能量的能力

? Vo ? 四种增益: A ? V ? Vi
(电压增益)

? Vo ? AR ? ? Ii
(互阻增益)

? Io ? AI ? ? Ii
(电流增益)

? Io ? AG ? ? Vi
(互导增益)

4.通频带

BW ? f H ? f L

称为带宽
半 功 率 点

放大电路的增益 A 随输入信号频率变化。
A 中频区 AM 0.707AM BW

fL

fH

f

fL 称为下限频率,fH 称为上限频率。

书中有关电量符号的约定
? 大写字母、大写下标表示直流量。如,VCE、IB等。 ? 小写字母、小写下标表示纯交流量。如,vce、ib等。

? 小写字母、大写下标表示瞬态总量(含交、直流)。 如,vCE、iB等。

iB = IB + ib IB ib

? 上方有圆点的大写字母、小写下标表示

? ? 相量。 如 V 、 I 等。 ce b
三极 管基 本放 大电 路 共射放大电路
主要 分析 对象

共集放大电路
共基放大电路

4.1 BJT
4.1.1 BJT的结构简介

4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 4.1.3 BJT的V-I 特性曲线 4.1.4 BJT的主要参数

4.4.1 BJT的结构简介
三极管BJT是一种具有三个半导体区,两个PN 结,三个引出电极的半导体器件.

NPN型
BJT PNP型

NPN型三极管 c 集电极 b N
集电区

c

e

基极

b



P

集电结 JC


NPN型三极管符号 发射极的箭头代 表发射结正偏时,发 射极电流的实际方向. 注意:e、c不能互换

N
发射区

发射结 Je

e 发射极
JC 、Je 是两个背靠背的PN结

PNP型三极管

c
P

集电极

c b

集电区

基极

b

基 区

N

集电结 JC 发射结 Je e PNP型三极管符号

P
发射区

e

发射极

注意:e、c不能互换

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,且掺杂浓度最低。

管芯结构剖面图

4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
三极管工作于放大状态的条件:

发射结Je正偏,集电结Jc反偏
N E 发 射 区 VEE P 基 N 集 电 区

C

区 B

VCC

1. 内部载流子的传输过程(以NPN为例)
? 发射区向基区扩 散电子形成发射 极电流 IE ;
N P N

IE E

IEN IBN IEP
VEE VCC

C

IE = IEN + IEP ≈IEN

? I ES (e

v BE / VT

? 1)

? 电子在基区中与 自由电子 空穴 空穴复合形成了 复合电流 IBN ; 发射结正偏,多子扩散占主要地位

B

? 集电区收集扩散过来的电子形成ICN . ? 少数载流子漂移形成反向饱和电流 ICBO

? 集电极电流: IC = ICN + ICBO
? 基极电流: IB = IEP + IBN – ICBO = I E - IC

N

P

N

IE E

IEN IBN IEP
VEE

ICN
ICBO
VCC

IC
C

IB

B
自由电子 空穴

集电结反偏,少子漂移占主要地位

以上看出,三极管内有两种载流子
(自由电子和空穴)参与导电,故称为双极 型三极管或 BJT ( Bipolar Junction Transistor ) 。

2. 电流分配关系
根据传输过程可知

N

P

N

IE E

IEN
IBN IEP
VEE

ICN ICBO
VCC

IC C

IE = I B + IC
IC = ICN + ICBO

IB

B ICN是集电结收集扩散到基区的电子而形成的 .

扩散到集电极的电流 设? ? 发射极注入电流

? = ICN / I E

IC = ? IE + ICBO

当 IC ?? ICBO 时,
? 共基电流放大系数 α

? ≈ IC / I E
IC ? ? ? I E

? ≈ IC / I E

α 是共基极电流放大系数,它反映了BJT
集电极电流 IC 对射极电流 IE 的收集能力 .

? 只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,与外 加电压无关。一般 ? = 0.9?0.99 。

? 共射电流放大系数 ? IC ?? IB 体现了BJT的电流的放大作用.用 ? 表征
由:

IE = IB + IC
IC = ? IE + ICBO

得: IC ?

? 1 I ? ICBO 1?? 1??
B

? ? IB ? ICEO

? ? ? 1??

I C ? ? IB ? ICEO
当 IC ?? ICEO 时, IC ≈ ? IB

IC ? ? IB
? 是共射电流放大系数,它反映了BJT集电
极电流 IC 对基极电流 IB 的放大作用 . ?值范围:10 ~ 100 .

BJT的电流分配关系

IE = IB+ IC

c IB b IE e IC

IC = ? IB IE =(1+?)IB IC = ? IE

反映了处于放大状态时BJT的各极电流关系

当基极电流有一增量 ? iB 时,则集电极电流也 随之有一增量? iC ,发射极电流随之有一增量? iE .

? iE =? iC + ? iB
? iC =

c

? ? iB
b

I B +? i B

I C +? i C

? iE =(1+?) ? iB ? iC =
放大系数.

? ? iE
一般情况下: ?

IE+?iE e

? 是共射交流电流放大系数, ? 是共基交流电流

?? ,? ? ?

3. 三极管的三种组态

共发射极接法:发射极作为公共电极,用CE表示; 共基极接法:基极作为公共电极,用CB表示; 共集电极接法:集电极作为公共电极,用CC表示。

4.1.3 BJT的V-I 特性曲线
BJT的特性曲线是指各电极间电压与各电极电流之间的关 系曲线,它是BJT内部载流子运动的外部表现。

以共射极放大电路为例
IB
b

c

IC

+

+
vBE

vCE

输入 回路

输出 回路

-

IE e -

1. 输入特性曲线 iB= f (vBE) ?vCE = const
输入特性是在vCE一定时,vBE 与iB之间的关系曲线
(1) 当vCE=0V时,相当 于发射结的正向伏 安特性曲线。 iB(?A)

vCE=1
vCE=10

80
60

vCE=0

40
20 0.5 0.8

vBE(V)

集电极结电压vCB = vCE - vBE

iE ? I ES (e
(2) 当vCE较小(vCE<0.7V) 80 时, vCB= vCE – vBE < 0, 集电结处于正偏或反偏电 60 压很小状态,JC较窄,基 区较宽,集电结收集电子 40 能力很弱,基区复合能力 强。同样的 vBE下(iE一 20 定) , vCE大时,iB较小, 特性曲线右移。

v BE / VT

? 1)
vCE=1

iB(?A)

vCE=0

vCE=1 0

0.5

0.8

vBE(V)

vCB = vCE - vBE
iB(?A)
(3) 当vCE≥1V时, vCB= vCE – vBE > 0, 集 电结进入反偏状态且收 集电子能力足够强,已 能把扩散到基区的绝大 多数电子收集到集电区。 所以vCE再增加, iC 基 本不变,iB不再减小, 特性曲线基本重合。 80 60 40 20 0.5 0.8 vBE(V)

vCE≧1

iB(?A)

非线性 部分 60
40 死区电 压,硅 20 管0.5V 0.5 0.8

80

线性部分 vCE≧1

工作压降: 硅管vBE ? 0.7V
vBE(V)

2. 输出特性曲线 iC= f (vCE)? iB = const
是在基极电流iB一定的情况下,BJT的输出回路 中,集电极与发射极之间的电压 vCE 与集电极电流 iC 之间的关系曲线。改变 iB的值,即可得到一组输出特 性曲线 .

iC= f (vCE)? iB = const
输出特性曲线是一族以iB为参量的曲线 iC 基本 不随 vCE iC(mA ) 100?A iC 随 vCE 变化。 4 变化很 80?A 大。 3 60?A 2 1 3 6 9 40?A IB = 20?A IB = 0?A 12 vCE(V)

输出特性三个区域
饱和区:
iC 明显 受 vCE控 4 制的区 域 . vCES <0.7V

线性放大区 :
iC 平行于 vCE 轴 100?A 的区域,曲线 80?A 基本平行(略 微上翘)等距。

iC(mA )

3

60?A 40?A

2 1

IB = 20?A
IB = 0?A 3 12 6 9 截止区 : iB=0 , iC接近零的区域 vCE(V)

(1) 放大区 -- 发射结( be ) 正偏,集电结( bc )反偏 1) vBE ≥ Vth ; vCE > vBE 2) iC 只与 iB 有关, iC = ? iB , 且 ? iC = ? ? iB
iC(mA ) 4 3 2 100?A 80?A 60?A 40?A IB = 20?A IB = 0?A 3

1 6
9

12

vCE(V)

(2) 饱和区 -- 发射结( be ) 正偏,集电结( bc )正偏(零偏) 1) vBE ≥ Vth ; vCE ? vBE ; (典型值 vCES ? 0.3 V ,vBE ? 0.7 V) 2 ) iC 达饱和,iC 与 iB不是? 倍的关系,iC ? ? iB
iC(mA ) 4 3 2 1 100?A 80?A 60?A 40?A IB = 20?A IB = 0?A

3

6

9

12

vCE(V)

iC(mA )

4
3 2 1 3 6

100?A
80?A 60?A 40?A IB = 20?A IB = 0?A

9

12

vCE(V)

在饱和区内,由于集电结正偏,空间电荷区 变窄,集电结收集电子的能力减弱,故即使iB增加, iC也基本不变;但iC随vCE增加(空间电荷区变宽) 而迅速增大。 集电结电压: vBC = vBE - vCE

(3) 截止区 -- 发射结( be )反偏,集电结( bc )反偏

vBE< Vth, vCE > vBE ; iB = 0 , iC ? 0
iC(mA ) 4 100?A 80?A 60?A 40?A IB = 20?A IB = 0?A 3

3
2 1

6

9

12

vCE(V)

BJT状态的判断:

截止 : vBE < Vth ; vCE > vBE
放大 : vBE ≥ Vth ; vCE > vBE 饱和 :
;

;

iC ? 0
c
iB b iC

iC =βiB

vCE vBE
iE e

vBE ≥ Vth

;

vCE ? vBE

;

iC <βiB

BJT 是电流控 制器件, 共射接法时 可通过 控制 iB 实现 BJT 在三个状态之间 的转换.

c

iB
b

iC

vCE vBE
iE e

在模拟电路中, BJT 一般工作在放大区.
在数字电路中, BJT 一般工作在截止区和饱和区.

4.1.4

BJT的主要参数

BJT的参数是用来表明其性能的优劣和电流、 电压工作范围的。它可作为我们在设计电路时选用 BJT的依据。
? 交直流电流放大系数: ?, ? , ? , ?

? 极间反向电流参数 : ICBO , ICEO
? 极限参数 :ICM,V(BR)CEO,PCM

(1) 共发射极直流电流放大系数 ?

? = IC / I B
iC(mA ) 4 3 2 1 3 6

? vCE = const
100?A 80?A 60?A 40?A IB = 20?A IB = 0?A 9 12 vCE(V)

IC

IB

vCE = 6V

(2) 共发射极交流电流放大系数 ? ? = ?iC / ? iB ?vCE = const
iC(mA ) 100?A 80?A

4

?iC

3 2 1
3 6

?iB

60?A 40?A IB = 20?A IB = 0?A

9

12

vCE(V)

vCE = 6V

(3) 共基极直流电流放大系数

?

? = IC / IE
(4) 共基极交流电流放大系数α

一般, ? ≈?、 ? ≈?,可以 不加区分。

α= ?iC / ?iE ? VCB=const
(5) 集电极基极间反向饱和电流ICBO -- 发射极开路时,集电结的反向饱和电流。

(6) 集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO -- 基极开路时,由集电区穿过基区流向发射区 的反向饱和电流。

ICEO=(1+ ?)ICBO
选用BJT时要选择ICBO、ICEO尽可能小, 、? ? 不要过大的管子。 硅管的 ICBO和 ICEO比锗管小,所以硅管的温度 稳定性比锗管好。

iC(mA ) 4

100?A 80?A

3 2 1

60?A 40?A
IB = 20?A

ICEO
3
6 9

IB = 0?A 12

vCE(V)

(7) 反向击穿电压V(BR)CEO — 基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。 超过此值就会使管子被击穿。

(8) 集电极最大允许电流ICM

超过此值就会使管子性能变坏或烧毁
(9) 集电极最大允许功率损耗PCM

PCM = ICVCE
由ICM、V(BR)CEO
、PCM围成的区域 为BJT的安全工作 区。


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