晶体管放大原理解析

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1、晶体管放大原理解析.1 晶体管1. 晶体管的结构及类型晶体管有双极型和单极型两种，通常把双极型晶体管简称为晶体管，而单极型晶体管简称 场效应管。晶体管是半导体器件，它由掺杂类型和浓度不同的三个区（发射区、基区和集电区）形成 的两个PN结（发射结和集电结）组成，分别从三个区引出三个电极（发射极e、基极b和 集电极 c）。晶体管根据掺杂类型不同，可分为 NPN 型和 PNP 型两种；根据使用的半导体材料不同 ， 又可分为硅管和锗管两类。晶体管内部结构的特点是发射区的掺杂浓度远远高于基区掺杂浓度，并且基区很薄，集电 结的面积比发射结面积大。这是晶体管具有放大能力的内部条件。2. 电流分配与放大作用晶

2、体管具有放大能力的外部条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。在这种偏置条件下， 发射区的多数载流子扩散到基区后，只有极少部分在基区被复合，绝大多数会被集电区收集 后形成集电极电流。通过改变发射结两端的电压，可以达到控制集电极电流的目的。晶体管的电流分配关系如下：其中电流放大系数圧和3之间的关系是圧= 3/（1+ ）,3二圧/ （1圧）；ICBO是集 电结反向饱和电流， ICEO 是基极开路时集电极和发射极之间的穿透电流，并且 ICEO=（1CEOCEO3）1）ICBO在放大电路中，通过改变UBE,改变IB或IE，由AIB或AIe产生AIC,再通过集电极电阻BEB EBECRC，把电流的控制作用

3、转化为电压的控制作用，产生auo=aicrc。实质上，这种控制作用 就是放大作用3. 晶体管的工作状态当给晶体管的两个 PN 结分别施加不同的直流偏置时，晶体管会有放大、饱和和截止三种 不同的工作状态这几种工作状态的偏置条件及其特点如表2.1 所列表 2.1 晶体管的三种工作状态工作状态直流偏置条件各电极之间的电位关系特点NPNPNP放大发射结正偏，集电结反偏UUbUeUcVUbVUeIc =P【B饱和发射结正偏，集电结正偏U Ue，U UcU UE，UB UCUCE=UCES截止发射结反偏，集电结反偏Ub Ue，Ub Ue，U ucIc=04. 伏安特性及主要参数（1）共射极输入特性（以 N

4、PN 管为例）输入特性表达式为:沁孑触眈）定。当UCE=O时，输入特性相当于两个并联二极管 的正向特性。当UCE0时，输入特性右移，UCE1V后输入特性基本重合。因为发射结正偏,CECE晶体管的输入特性类似于二极管的正向伏安特性。（2）共射极输出特性（以NPN管为例）共射极输出特性表达式为：=血怎）|尽一定。晶体管输出特性曲线的三个区域对应于 晶体管的三个工作状态（饱和、放大和截止）。a）饱和区：此时UCE很小，集电区收集载流子的能力很弱。IC主要取决于UCE，而与IB 关系不大。b）放大区：位于特性曲线近似水平的部分。此时,IC主要取决于IB，而与UCE几乎无关。c）截止区：位于IB=-IC

5、BO的输出特性曲线与横轴之间的区域。此时，IC几乎为零。（ 3）主要参数a）直流参数：共基极直流电流放大系数民，共射极直流电流放大系数声；集电极一基极 间反向饱和电流ICBO,集电极一发射极间穿透电流ICEo。b）交流参数：共基极交流电流放大系数氐，共射极交流电流放大系数Q,其中盘g.3対戸；共基极截止频率了“，共射极截止频率办，特征频率了丁，其中仁丸仇。c）极限参数：集电极最大允许功率耗散PCM，集电极最大允许电流ICM ；反向击穿电压：U（BR）CEO， U（BR）EBO， U（BR）CBO。（4）温度对参数的影响温度每增加1C, UBE将减小（22.5）mV；温度每增加10C左右，ICB

6、O增加一倍；温度 每增加1C,卩增大（0.51） %。2.2 放大电路的组成及工作原理1. 放大电路的组成原则放大电路的作用是把微弱的电信号不失真地放大到负载所需要的数值。即要求放大电路既 要有一定的放大能力，又要不产生失真。因此，首先要给电路中的晶体管（非线性器件）施 加合适的直流偏置，使其工作在放大状态（线性状态），其次要保证信号源、放大器和负载 之间的信号传递通道畅通。（1）直流偏置原则：晶体管的发射结正偏，集电结反偏。（2）对耦合电路的要求：第一，信号源和负载接入放大电路时，不能影响晶体管的直流偏 置；第二，在交流信号的频率范围内，耦合电路应能使信号无阻地传输。固定偏置的共射极放大电路

7、如图2.1所示。图中电容器CC2起耦合作用，只要电容器的容量足够大，在信号频率范围内的容抗足够小，就可以保证信号无阻地传输；同时电容器 又有“隔直”作用，信号源和负载不会影响放大器的直流偏置。这种耦合方式称为阻容耦合。图 2.1 共射放大电路2. 放大电路的两种工作状态（1）静态：放大电路输入信号为零时的工作状态称为静态。静态时，电路中只有直流电 源，晶体管的UbEq、UCEq、Ibq和ICQ都是直流量，称为静态工作点。（2）动态：放大电路输入信号不为零时的工作状态称为动态。动态时，电路中的直流电 源和交流信号源同时存在，晶体管的ube、uce、iB和iC都是直流和交流分量叠加后的总量。 放大

8、电路的目的是放大交流信号，静态工作点是电路能正常工作的基础。3. 放大原理在图2.1所示电路中，合理设置静态工作点使晶体管工作在放大状态；当加入输入信号u.i以后，u.和U同时作用在基极和发射极之间，u.的变化控制发射结两端的电压u ,使基iBEQiBE电流iB在IBQ的基础上叠加了交流分量ib,相应的集电极电流iC也在ICQ的基础上叠加了交 B BQbCCQ流分量ic（=叫）；集电极电流ICQ和ic都在RC上产生压降，使uCE也在Uceq的基础上叠加 了交流分量u，通过耦合电容C2以后负载两端只有交流分量u=u。由此可见，输出信号 ce2o ceu受输入信号u.的控制，只要电路参数合理，就有

9、U大于U.,实现了放大输入信号的目的。oioi2.3 放大电路的主要技术指标1. 输入电阻 Rii输入电阻r.定义为放大电路输入端的电压u.与输入电流i.的比值，即R.=U./I.o它就是从i i i i i i放大电路输入端口视入的等效电阻。对输入为电压信号的放大电路，R.越大越好；对输入为.电流信号的放大电路，R.越小越好。输入电阻的大小决定了放大电路从信号源吸取信号幅值 .的大小，它表征了放大电路对信号源的负载特性。2. 输出电阻RO输出电阻R定义为当信号电压源短路或信号电流源开路并断开负载电阻RL时，从放大电L路输出端口视入的等效电阻，即氏1呢-02式中，u为从断开负载处加入的电压；I

10、表示由外加电压U引起流入放大电路输出端口的 电流。若要求放大电路的输出电压不随负载变化，则输出电阻越小越好；若要求放大电路的 输出电流不随负载变化,则输出电阻越大越好。输出电阻表征了放大电路带负载能力的特性。3. 放大倍数放大倍数（也称为增益）定义为放大电路输出信号的变化量与输入信号的变化量的比值。A = U /U-A =1 /它有四种不同的形式：电压放大倍数；电流放大倍数；互阻放大倍数心=氏仏；互导放大倍数人。放大倍数也常用“分贝”（dB）表示，例如A（dB） = 201141电压放大倍数用分贝表示时，。放大倍数表征了放大电路的放大能力。4. 全谐波失真度 D由于放大器件特性的非线性，当输入

11、信号为正弦波时，输出信号含有谐波分量，输出波形 发生畸变，即失真。谐波分量越多且越大，失真就越严重。所以常用谐波电压总有效值与基 波电压有效值之比来表征失真的程度，定义为：5. 动态范围 Uopp动态范围（也称为最大不失真输出幅度）是指随着输入信号电压的增大，使输出电压的非 线性失真度达到某一规定数值时的输出电压U峰一峰值，即U 。o opp6. 频带宽度 fbwbw放大电路的频带宽度（又称为通频带或带宽）定义为fb =fHfL。频带越宽，表示放大电 bwHL 路能够放大的频率范围越大。2.4 放大电路的分析方法 放大电路有静态和动态两种工作状态。分析放大电路时，首先要分析静态（直流） ,然后

12、再 分析动态。分析静态时，用放大电路的直流通路（耦合电容和旁路电容开路）；分析动态时， 用放大电路的交流通路（直流电源、耦合电容和旁路电容短路）。1. 图解法图解法是分析非线性电路的常用方法。它既可以分析放大电路的静态，也可以分析放大电路的动态。（ 1 ）静态分析步骤a）列出输入回路直流负载线方程，在晶体管输入特性曲线上作输入回路直流负载线，两者的交点就是静态工作点，即ubeq和ibq。b）列出输出回路直流负载线方程，在晶体管输出特性曲线上作输出回路直流负载线，直流负载线与基极电流等于IBQ的那条输出特性曲线的交点就是静态工作点，即uceq和icq。（ 2）动态分析步骤a）将输入信号叠加于静态

13、电压UbEq之上，画出UBE （=UBEQ+Ui）的波形；b）根据输入特性和UBE的波形，画出IB的波形，获得基极电流的勺交流分量的波形；BEBbc）利用交流通路算出交流负载线的斜率，通过静态工作点，画出交流负载线；d）由Ib的波形，利用交流负载线画出IC和UCE的波形，获得UCE的交流分量U就可得bC CECEce到输出电压叫（=%）。通过图解分析可得到输出信号电压和输入信号电压的最大值，从而计算出电路的电压放大倍数。通过图解分析也可得到U与U.的相位关系以及放大电路的失真情况和动态范围。 oi虽然说图解法是分析放大电路时常用的方法，然而在电路分析过程中，很难得到准确的晶 体管特性曲线，同时

14、小信号分析作图准确度较差，实际上在小信号分析中并不常用。 由于图解分析可以清楚地看到电路中的电压电流波形图，比较形象，对初学者理解电路的工 作原理很有利，并且在分析放大电路的失真情况和动态范围时使用的较多。（3）共射极放大电路U 的估算opp当放大电路的静态工作点设置不合理并且输入信号较大时，晶体管有可能工作在非线性区 （饱和或截止区），使输出电压波形出现削波现象，即产生饱和或截止失真。当静态工作点 较高，靠近饱和区时，输出电压容易产生饱和失真；当静态工作点较低，靠近截止区时，输 出电压容易产生截止失真。为此，估算放大电路 Uopp 时，要从产生截止失真和饱和失真两 opp个方面来分析。a）当

15、静态工作点较低时，U 由下式决定：oppb）当静态工作点较高时，U 由下式决定：oppopp式中UCEs为晶体管的饱和压降，一般小功率晶体管的饱和压降近似等于0.5V。当输出信 号电压峰峰值小于U时，输出信号不会产生截止失真和饱和失真。2. 静态工作点估算法利用估算法（也称为近似计算法）分析放大电路静态工作点时，首先根据放大电路的直流通路列出输入回路的电压方程，近似估计晶体管的UBEQ （硅管：0.7V，锗管：0.2V）代入BEQ方程求解基极静态电流IBQ，从而计算ICQ=PIBQ;再列出输出回路的电压方程计算UCEq。3. 微变等效电路法（ 1 ）指导思想当交流信号幅值较小时，放大电路在动态

16、时的工作点只是在静态工作点附近作为小的变 化。虽然放大电路是非线性电路，但在较小的变化范围内，晶体管的非线性特性可近似为线 性特性，即可以用一个线性等效电路（线性化模型）来代替小信号时的晶体管，利用处理线 性电路的方法分析放大电路。（2）晶体管的微变等效电路閣2.2晶悴管h参数微变等效电賂位）h埜数微变等效电路（b）简化的h参数微变等效电路晶体管的H参数等效电路如图2.2所示，它是用来分析晶体管低频应用时的等效电路。其 中H称为晶体管共射极输入电阻，也常用Rb作符号表示；H称为反向电压比或内电压反 iebere馈系数；Hf为晶体管的正向电流放大系数，Hf就是卩；H称为晶体管共射极输出电导。ff

17、o由于管子的H和H均很小，可以忽略，所以在放大电路分析中，常用图2.2（b）所示的r o简化的H参数微变等效电路来等效晶体管。（ 3） Rb 的计算公式b=+a+26(mV)/ZEq(mA)式中：晶体管的基区体电阻Rbb,的值可通过查阅器件手册得到，低频小功率管可取Rbb,值 bbbb为 300 欧姆。（4）用微变等效电路法分析放大电路的步骤a）在静态分析之后，根据静态电流IEQICQ计算晶体管的输入电阻Rb ；EQ CQbb）将交流通路中的晶体管用微变等效电路替代，画出放大电路的微变等效电路；c）根据微变等效电路，利用线性电路的分析方法，按照放大电路动态指标的定义，可分别求得放大电路的虫、R

18、、R.等技术指标。2.5 三种基本放大电路（1）三种基本组态的判别 晶体管放大电路，按照管子的哪个电极作为输入和输出回路的公共端，可分别命名为共发 射极、共集电极和共基极三种基本组态。三种基本组态的判别方法如表2.1 所列。（2）三种基本放大电路的比较 共发射极、共集电极和共基极三种基本放大电路的性能各有特点，并且应用场合也有所不同。它们的性能特点如表2.2 所列。表 2.1 三种基本组态的判别组态接输入端（信号源）接输出端（负载）接父流地（公共端）共发射极基极（b）集电极（c）发射极（e）共集电极基极（b）发射极（e）集电极（c）共基极发射极（e）集电极（c）基极（b）表 2.2 三种基本放

19、大电路的性能特点共发射极共集电极共基极输入电阻的大小中等大小输出电阻的大小较大小较大电压放大能力有无(Ar )bebb丿gmRL(r r )bebb丿RfL - r + R e L (r r )rbe(中)(1+0)H%_rbe_1+P(小)么+(1+0 ) Rl (大)(1+0 )(re+ Rl )(rb，erbb)r (r, rhh,)rbe + RRo0.5r r （大，与信号源内cece阻有关）r 0.5r ,cebe（很大，与信号源内阻有关）1 +卩（小，与RS有关），（RS 二 Rs / Rb ）应 用功率增益最大，R.、R适1o中，易于与前后级接口， 使用广泛。高频放大时性能好，

20、常与CE 和CC组态结合使用。如CE-CB组态、CC-CB组态。R.大而R 小,可作高阻抗1o输入级和低阻抗输出级， 隔离级和功率输出级。2.6 静态工作点的选择与稳定（1）静态工作点的选择a ）为了防止晶体管损坏，静态工作点应设置在特性曲线的安全区内；b ）若要放大电路动态范围大，静态工作点应设置在交流负载线的中间；c）若要放大电路输入电阻大，应减小静态工作点I值，使Rb增大；CQbed）若要提高电压放大倍数，应增大静态工作点ICQ值，使Rb减小；CQbee）为了减小功耗，当信号较小时，应降低直流电源电压并减小静态工作点ICQ值。 （2）静态工作点的稳定电路元器件的“老化”和环境温度的变化会

21、影响静态工作点的稳定性，但温度变化引起晶体 管的参数变化是放大电路静态工作点不稳定的主要因素。稳定静态工作点的途径，除了选用温度系数小的元器件、使用前进行“老化”处理以及采用 温度补偿电路以外，最常用的方法是利用负反馈电路技术。利用电流负反馈稳定静态工作点的电路如图2.3 所示。圉2.3电疣负反馈稳定静态工作点电路为了提高该电路的稳定性，通常要求流过偏值电阻（Rb1、Rb2）的静态电流满足IIBQ， 基极静态电位满足UBqUbeq。静态工作点的稳定过程如下：0 f唏Q基本不娈T 卞工匚的 ：JCQ ! EQ ： ：!EQ-：址9：画十vEE I 毗t2.7多级放大电路 多级放大电路由输入级、中

22、间级和输出级组成。通常要求输入级具有输入阻抗高和噪声低的 特性；中间级应有较大的电压放大倍数；输出级应有输出阻抗低和输出功率大的特点。（1）多级放大电路的耦合方式阻容耦合、变压器耦合和直接耦合是常用的几种耦合方式。前两种耦合电路的共同特点是 各级静态工作点相互独立，调整比较方便，但低频响应较差，不能放大频率较低的信号。变 压器耦合电路的另一个特点是它具有阻抗变换的能力。直接耦合电路可以放大低频信号，但各级电路的静态工作点是相互有关联的。因此，这种 耦合电路存在级间电位配合以及零点漂移两个特殊问题。（2）直接耦合电路的特殊问题a）级间电位配合直接耦合电路级联后，后级电路的静态工作点会影响前级电路

23、的静态工作点，如果级间电 位配合不好，整个电路将不能正常工作。通常利用提高后一级的发射极电位、设置电平移位 电路、采用双电源以及NPN型与PNP型晶体管互补电路等来解决电位配合问题。b ）零点漂移放大电路在静态时，输出端电位的不规则变化称为零点漂移。实际上，零点漂移就是静态 工作点不稳定的问题。解决这一特殊问题的方法与稳定静态工作点的方法类似。在直接耦合电路中，前级电路的零点漂移会被后级电路逐级放大，零点漂移严重时有可能 使后级放大电路不能正常工作。由于阻容耦合和变压器耦合电路不能放大变化缓慢的信号， 所以零点漂移对这两种电路的危害比直接耦合电路小。零点漂移的大小，通常用折合到输入端的零点漂移

24、电压的大小来衡量。例如，某放大电路输出端的零点漂移电压为A0，电压放大倍数为心，则折合到输入端的零点漂移电压为O（3）多级放大电路的分析计算方法a）静态分析阻容耦合和变压器耦合电路的静态工作点分析与基本放大电路相同。直接耦合电路静态工 作点的分析十分麻烦，学习时重点掌握解决问题的思路和方法，计算问题可利用计算辅助分 析的工具解决。b）动态分析多级放大电路总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，级间的相互关系表现为各 级电路的输入和输出电阻之间的关系。解决这一问题的方法有两种：一种是把后级的输入电 阻作为前级的负载电阻，通过后级的输入电阻反映后即对前级的影响；另一种是把前级的开 路电压作为后

25、级的信号源电压，前级的输出电阻作为后级的信号源内阻，通过前级的输出电 阻反映前级对后级的影响。必须指出，这两种方法不能同时混用，如果计算前级放大倍数时 把后级看作了前级的负载，计算后级放大倍数时就在不能考虑信号源内阻，反之相似。多级放大电路总的输入电阻等于第一级放大电路的输入电阻。 多级放大电路总的输出电阻等于最后一级放大电路的输出电阻。 多级放大电路的动态范围 Uopp 等于最后一级放大电路的动态范围。opp2.8 放大电路的频率响应 （1）频率响应的基本概念a ）影响放大电路频率响应的主要因素 放大电路中电抗性元件的阻抗是频率的函数，它们使电路的放大倍数随信号频率的变化而 变化。其中耦合电

26、容和旁路电容影响放大电路的低频特性；晶体管的结电容和分布电容影响 放大电路的高频特性。b ）频率响应及其主要指标频率响应是放大电路输入正弦波小信号的条件下，测量或分析其A f、诃f的关系，u并用fL、fH、fb定量描述其频率特性的方法。其中A f为幅频特性，貯f为相频特性。L H bwu 它是在频率的范畴内研究放大电路的频率特性，所以称为频域法，也称为稳态法。 上限截止频率 fH 和下限截止频率 fL 定义为信号频率变化时，电路增益的幅值下降到 HL0.707A 所对应的频率，其中A为中频时电路增益的幅值。 umum当信号频率升高时，增益下降到0.707A所对应的频率称为上限频率fH；当信号频

27、率降低H时，增益下降到0.707A所对应的频率称为下限频率fL。L频带宽度fb定义为上、下限截止频率之差值，即fb =fH-fL。当fHfL时，fb fHobwbw H LH Lbw H增益带宽积GBP定义为中频增益与带宽乘积，即GBP=A fb -A fHo该指标综合表征了um bw um H增益与频带宽度的指标。c）线性失真 当放大电路输入非正弦波信号，且电路无非线性失真（饱和、截止失真）时，由于放大电 路对输入信号中不同频率分量具有不同的放大能力和相移，产生输出波形的失真，称为线性 失真，也称为频率失真。线性失真包括幅度失真和相位失真。d）瞬态响应及其主要指标 当放大电路输入阶跃信号时，

28、放大电路输出信号随时间变化的特性就是瞬态响应，也称为 阶跃响应。它是以时间作参量来描述放大电路的频率特性，所以又称为时域法。上升时间t和平顶降落率5是表征瞬态响应的指标。在单极点的情况下，理论和实践均证r明上升时间t与上限频率fH之间的关系可近似表述为fHt-0.35。rHH r（2）频率响应的分析计算方法a）晶体管咼频等效电路h参数微变等效电路是晶体管的低频等效电路，仅适用低频小信号分析；混合n型等效电 路是考虑了晶体管结电容效应的物理模型，具有较大的通用性，可适用于高频信号的分析。为了分析方便，对混合n型等效电路进行简化，并用密勒定理等效后的晶体管高频等效电 路如图2.4 所示。图中，密勒

29、等效电容CM（l+A ） Cb , C9Cb, g邛0/rjIEQ/UT。Mum bc ce bc m 0 be EQ Tb）放大电路频率响应的分析方法 分析频率响应时，应使用密勒等定理效后的晶体管高频等效电路，并将放大电路分为中频、低频和高频三个工作区域，分别画出三个区域的微变等效电路，根据电路分别写出三个区域 频率响应的表达式，求出相应的参数A、fH和匸，由此可画出幅频响应和相频响应曲线。umHL 画各个区域等效电路的原则如下：中频区：直流电源、耦合电容和旁路电容视为短路；结电容、分布电容和负载电容视为 开路。高频区：直流电源、耦合电容和旁路电容视为短路；结电容、分布电容和负载电容保留 低

30、频区：结电容、分布电容和负载电容视为开路；直流电源视为短路；耦合电容和旁路电 容保留。c）上下限截止频率的近似计算方法为了快速获得上下限截止频率fH和fL，常用时间常数法近似计算。具体步骤如下：分别求出电路中每一个电容元件确定的时间常数耳二。其中C是电路中某一个电 n容元件，此时其它影响高频特性的电容元件均开路（影响低频特性的电容元件均短路），电 压源短路（电流源开路），画出等效电路，求出与电容元件C并接的等效电阻R。按此方 nn法求出所有电容元件的时间常数后，再根据下列情况计算fL和fH （以图2.3所示的单管放大 电路为例）。低频区：输入回路的耦合电容C,和旁路电容C可以等效为一个电容，求

31、出G所对应 le的时间常数近二氏心；输出回路的耦合电容c2的时间常数为卩=。若近，下限截止频率ffL2=1/（ 2恥）；若 込，下限截止频率ffLi=1/ （加遍）；如果两个时间常数大小比较接近，下限截止频率H械高频区：输入回路的Cb及密勒电容CM可以等效为一个电容C.,求出C.所对应的时间常 beMii数为近二站G ；输出回路的C和C可以等效为一个电容C ,求出C所对应时间常数为 ce ceoo巧=览G若逅6，上限截止频率站*=1/ （2叭）；若，上限截止频率站叫2=1/（2恥）；如果两个时间常数大小比较接近，上限截止频率3 0黑加 +甩）必须强调指出：上述求时间常数时出现的两个叫、R2,仅是一个等效电阻的符号，它们 在低频区和高频区分别代表不同的等效电阻。同理，对多级放大电路而言，可用同样的方法求出各个时间常数，分别按下式计算上下限 截止频率：A沁KV+着+山）/h-0/hi_2+/h2_2 +了訂）毗