南京邮电学院《模拟电子技术基础》第2章双极型晶体管及其

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1、第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 1 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 21 双 极 型 晶 体 管 的 工 作 原 理 22 晶 体 管 伏 安 特 性 曲 线 及 参 数23 晶 体 管 工 作 状 态 分 析 及 偏 置 电 路24 放 大 器 的 组 成 及 其 性 能 指 标 25 放 大 器 图 解 分 析 法 26 放 大 器 的 交 流 等 效 电 路 分 析 法 27 共 集 电 极 放 大 器 和 共 基 极 放 大 器 28 放 大 器 的 级 联 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 2 1.什 么 是

2、 势 垒 电 容 ？ 什 么 是 扩 散 电 容 ？2.什 么 是 晶 体 二 极 管 的 直 流 电 阻 和 交 流 电 阻 ？ 物 理 意 义 ？3.Page 19 1-1题4.Page 19 1-2题5.Page 20 1-5(a)题6.Page 20 1-6题上 次 课 内 容 复 习 ： 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 3 21 双 极 型 晶 体 管 的 工 作 原 理 双 极 型 晶 体 管 又 称 为 半 导 体 三 极 管 、 晶 体 三 极 管 ， 简 称 晶 体管 。 构 成 ： 三 层 杂 质 半 导 体 （ 三 个 区 ） ： 发 射 区 、

3、 集 电 区 、 基 区 三 个 电 极 ： 基 极 b、 发 射 极 e、 集 电 极 c 两 个 PN结 ： 基 区 与 发 射 区 之 间 的 PN结 称 发 射 结 （ e结 ） 基 区 和 集 电 区 之 间 的 PN结 称 集 电 结 （ c结 ） 分 类 ： NPN型 、 PNP型 结 构 ： 如 图 21(a)所 示 。 特 点 ： 发 射 区 相 对 基 区 重 掺 杂 ； 基 区 很 薄 ； c结 面 积 大 于 e结 面 积 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 4 P 集 电 极 基 极 发 射 极 集 电 结发 射 结 发 射 区 集 电 区

4、(a) NPN c e b PNP c e b b 基 区 e c (b) N 衬 底 N型 外 延 PN c e b SiO 2 绝 缘 层 集 电 结 基 区 发 射 区 发 射 结 集 电 区 (c) N N 图 21晶 体 管 的 结 构 与 符 号 (a)NPN管 的 示 意 图 ； (b)电 路 符 号 ； (c)平 面 管 结 构 剖 面 图 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 5 211 放 大 状 态 下 晶 体 管 中 载 流 子 的 传 输 过 程 晶 体 管 处 于 放 大 状 态 的 基 本 条 件 是 ： 发 射 结 正 偏 、 集电 结 反

5、偏 。 对 晶 体 管 发 射 区 的 作 用 是 ： 向 基 区 注 入 载 流 子 ； 基 区 的 作 用 是 ： 传 送 和 控 制 载 流 子 ； 集 电 区 的 作 用 是 ： 收 集 载 流 子 。 管 内 载 流 子 的 运 动 情 况 如 图 2-2所 示 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 6图 22晶 体 管 内 载 流 子 的 运 动 和 各 极 电 流 c IC e IE N P N I B R C UCC UBB R B ICBO 15V b IBN IEP IEN ICN 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 7 一 、

6、 发 射 区 向 基 区 注 入 电 子 e结 正 偏 ， 从 发 射 区 注 入 基 区 的 电 子 ， 形 成 电 子 注入 电 流 IEN。 同 时 ， 从 基 区 注 入 发 射 区 的 空 穴 ， 形 成 空穴 注 入 电 流 IEP。 而 基 区 的 空 穴 浓 度 远 低 于 发 射 区 的 电子 浓 度 ， 所 以 IEPIEN， 即 发 射 结 电 流 IEIEN， 方 向 与电 子 注 入 方 向 相 反 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 8 二 、 电 子 在 基 区 中 的 扩 散 与 复 合 注 入 基 区 的 电 子 ， 成 为 基 区

7、中 的 非 平 衡 少 子 ， 它 在 e结处 浓 度 最 大 ， 而 在 c结 处 浓 度 最 小 (因 c结 反 偏 ， 电 子 浓度 近 似 为 零 )。 因 此 ， 在 基 区 中 形 成 了 非 平 衡 电 子 的 浓度 差 。 在 该 浓 度 差 作 用 下 ， 注 入 基 区 的 电 子 将 继 续 向 c结 扩 散 。 在 扩 散 过 程 中 ， 非 平 衡 电 子 会 与 基 区 中 的 空穴 相 遇 ， 使 部 分 电 子 因 复 合 而 失 去 。 但 由 于 基 区 很 薄且 空 穴 浓 度 又 低 ， 所 以 被 复 合 的 电 子 数 极 少 ， 而 绝 大部 分

8、电 子 都 能 扩 散 到 c结 边 沿 。 基 区 中 与 电 子 复 合 的 空穴 由 基 极 电 源 提 供 ， 形 成 基 区 复 合 电 流 I BN， 它 是 基 极电 流 IB的 主 要 部 分 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 9 三 、 扩 散 到 集 电 结 的 电 子 被 集 电 区 收 集 集 电 结 反 偏 ， 在 结 内 形 成 了 较 强 的 电 场 ， 因 而 ，使 扩 散 到 c结 边 沿 的 电 子 在 该 电 场 作 用 下 漂 移 到 集 电 区 ，形 成 集 电 区 的 收 集 电 流 ICN。 该 电 流 是 构 成 集

9、电 极 电 流IC的 主 要 部 分 。 另 外 ， 集 电 区 和 基 区 的 少 子 在 c结 反 向 电 压 作 用 下 ，向 对 方 漂 移 形 成 c结 反 向 饱 和 电 流 ICBO， 并 流 过 集 电 极和 基 极 支 路 ， 构 成 IC 、 IB的 另 一 部 分 电 流 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 10 212电 流 分 配 关 系 1.晶 体 管 三 个 电 极 上 的 电 流 与 内 部 载 流 子 传 输 形 成 的电 流 之 间 关 系 ： CNBNENE IIII (21a) (21b) CBOBNB III (21c) CB

10、OCNC III 2.共 发 射 极 直 流 电 流 放 大 系 数 ： 反 映 扩 散 到 集 电 区的 电 流 ICN与 基 区 复 合 电 流 IBN之 间 的 比 例 关 系 ， CBOB CBOCBNCN II IIII (22) 其 含 义 是 ： 基 区 每 复 合 一 个 电 子 ， 则 有 个 电 子 扩散 到 集 电 区 去 。 值 一 般 在 20200之 间 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 11 确 定 了 值 之 后 ， 由 式 (21)、 (22)可 得 CEB CEOBCBOBE CEOBCBOBC III IIIII IIIII )

11、1()1()1( )1( (23a) (23b) (23c) 式 中 ： CBOCEO II )1( (24)称 为 穿 透 电 流 。 因 ICBO很 小 ， 在 忽 略 其 影 响 时 ， 则 有BE BC II II )1( (25a) (25b) 式 (25)是 今 后 电 路 分 析 中 常 用 的 关 系 式 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 12 3. 共 基 极 直 流 电 流 放 大 系 数 ： 反 映 扩 散 到 集 电 区的 电 流 ICN与 射 极 注 入 电 流 IEN的 比 例 关 系 ，E CBOCENCN I IIII (26)显 然

12、 ， 1， 一 般 约 为 0.970.99。由 式 (26)、 (21)， 不 难 求 得 BCE ECBOEB ECBOEC III IIII IIII )1()1( (27a)(27c) (27b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 13 11BNBN BNCNEN CNENCN EE ECNE CNBNCN II III III II III III (28) (29)之 间 的 关 系与 4. ： 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 14 213 晶 体 管 的 放 大 作 用 若 在 图 22的 UBB上 叠 加 一 幅 度 为 100

13、mV的 正 弦 电压 ui， 则 正 向 e结 电 压 会 引 起 相 应 的 变 化 e极 会 产 生 一个 较 大 的 注 入 电 流 iE， 设 为 1mA IBN约 为10A， 该 电 流 为 信 号 源 的 输 入 电 流 iE的 大 部 分 成 为iC0.99mA。 。 100 因 为 UCC较 高 ， 即 使 RC较 大 ， 仍 能 保 证 c结 反 偏 ，若 取 R C=2k， 则 RC上 得 到 的 信 号 电 压 为 uo=iCRC=0.99 2=1.98V。 信 号 源 电 压 由 100mV RC上 的 1.98V，放 大 了 约 20倍 。 第 2章 双 极 型 晶

14、体 管 及 其 放 大 电 路 15 RC上 的 功 率 为 ： PO= mWui CC 198.199.02121 Wui iB 5.010100102121 3 而 信 号 源 的 输 入 功 率 为 ： Pi=PO约 为 Pi的 2000倍 。 信 号 功 率 的 放 大 体 现 了 晶 体 管 的 放大 作 用 ， 这 是 其 区 别 于 其 它 无 源 元 件 的 电 流 和 电 压 变 换的 主 要 特 征 。注 意 ： 晶 体 管 的 放 大 作 用 的 能 量 是由 UCC的 直 流 功 率 转 换 而 来 的 ， 晶 体管 只 起 到 一 种 控 制 作 用 。 第 2章 双

15、 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 16 1. 稳 压 二 极 管 的 特 性 ？2. 晶 体 管 的 构 成 、 分 类 。3. 晶 体 管 处 于 放 大 状 态 的 基 本 条 件 是 什 么 ？4. 共 发 射 极 直 流 电 流 放 大 系 数 、 共 基 极 直 流 电 流 放 大 系数 的 定 义 ， 两 者 的 关 系 。上 次 课 内 容 复 习 ： 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 17 22 晶 体 管 伏 安 特 性 曲 线 及 参 数 晶 体 管 伏 安 特 性 曲 线 是 描 述 晶 体 管 各 极 电 流 与 极间 电 压 关 系

16、 的 曲 线 。 三 种 基 本 接 法 (组 态 )， 分 别 称 为 共 发 射 极 、 共 集电 极 和 共 基 极 接 法 。 图 23所 示 。 共 发 射 极 接 法 更 具 代 表 性 ， 所 以 我 们 主 要 讨 论 共发 射 极 伏 安 特 性 曲 线 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 18(a) ce iE iC b (b) c e b iB iC (c) 输 出 回 路输 入 回 路 e c b iB iE 图 23晶 体 管 的 三 种 基 本 接 法 (a)共 发 射 极 ； (b)共 集 电 极 ； (c)共 基 极 第 2章 双 极

17、型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 19 221 晶 体 管 共 发 射 极 特 性 曲 线 晶 体 管 特 性 曲 线 包 括 输 入 和 输 出 两 组 特 性 曲 线 。 一 、 共 发 射 极 输 出 特 性 曲 线 测 量 电 路 ： 如 图 24所 示 。 定 义 ： 共 射 输 出 特 性 曲 线 是 以 iB为 参 变 量 时 ， iC与 uCE间 的 关 系 曲 线 ， 即 常 数 BiCEC ufi )(典 型 的 共 射 输 出 特 性 曲 线 ： 如 图 25所 示 。 输 出 特 性 可 以划 分 为 三 个 区 域 ， 对 应 于 三 种 工 作 状 态 。 现

18、 分 别 讨 论 如 下 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 20 A mA V V iB iC UCC UBB RC RB uBE uCE 图 24共 发 射 极 特 性 曲 线 测 量 电 路 uCE/V5 10 15 0 1 2 3 4 饱 和 区 截 止 区 IB 40A 30A 20A 10A 0A iB ICBO 放 大 区 iC/mA uCE uBE图 25 共 射 输 出 特 性 曲 线 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 21 1 放 大 区 e结 为 正 偏 ， c结 为 反 偏 的 工 作 区 域 为 放 大 区 。特 点

19、： a) iC的 大 小 主 要 受 iB的 控 制 。 可 用 共 发 射 极 交 流 电 流放 大 系 数 来 表 示 这 种 控 制 能 力 ， 即 常 数 CEuBCII在 特 性 曲 线 上 为 两 条 不 同 IB曲 线 的 间 隔 。b) uCE曲 线 微 微 上 翘 。 uCEc结 反 向 电 压 c结 宽 度 基 区 宽 度 基 区 中 电 子 与空 穴 复 合 的 机 会 iB， 要 保 持 iB不 变 ， 所 以 iC将 略 有 增 大 。这 种 现 象 称 为 基 区 宽 度 调 制 效 应 ， 简 称 基 调 效 应 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放

20、大 电 路 22 由 于 基 调 效 应 很 微 弱 ， uCE在 很 大 范 围 内 变 化 时 IC基 本不 变 。 因 此 ， 当 IB一 定 时 ， 集 电 极 电 流 具 有 恒 流 特 性 。 2 饱 和 区 e结 和 c结 均 处 于 正 偏 的 区 域 为 饱 和 区 。 通 常 把uCE=uBE(即 c结 零 偏 )的 情 况 称 为 临 界 饱 和 ， 对 应 点 的 轨 迹为 临 界 饱 和 线 。 特 点 ：a) 在 饱 和 区 ， i C不 受 iB控 制 。b) 饱 和 时 ， c、 e间 的 电 压 称 为 饱 和 压 降 ， 记 作 UCE(sat)。 深饱 和

21、 时 ， UCE(sat)很 小 ， 此 时 三 个 电 极 间 的 电 压 很 小 ，各 极 电 流 主 要 由 外 电 路 决 定 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 23 3 截 止 区e结 和 c结 均 处 于 反 偏 ， 且 iB-ICBO的 区 域 为 截 止 区 。 特 点 ：a) 对 小 功 率 管 可 忽 略 ICEO的 影 响 认 为 iB0时 ， 管 子 即 处 于 截止 状 态 ； 对 大 功 率 管 必 须 以 iB-ICBO作 为 截 止 条 件 。b) 晶 体 管 截 止 时 ， 三 个 电 极 上 的 电 流 均 为 反 向 电 流 ，

22、 相 当于 极 间 开 路 ， 此 时 各 极 电 位 主 要 由 外 电 路 确 定 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 24 二 、 共 发 射 极 输 入 特 性 曲 线 测 量 电 路 见 图 24。 常 数 CEuBEB ufi )(共 射 输 入 特 性 曲 线 是 以 uCE为 参 变 量 时 ， iB与 uBE间 的 关 系曲 线 ， 即 iB/A uBE/V0 60 90 0.5 0.7 0.9 30 UCE 0 UCE 1图 26 共 发 射 极 输 入 特 性 曲 线 典 型 的 共 发 射 极 输 入 特性 曲 线 如 图 26所 示 。 第

23、2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 25 (1)uCE1V时 ， 当 uBE UBE(on)时 ， 随 着 uBE的 增 大 ， iB开 始 按 指 数 规 律 增 加 ， 而 后 近 似 按 直 线 上 升 。 (2) uCE =0时 ， 晶 体 管 相 当 于 两 个 并 联 的 二 极 管 ， 当 uBE0时 ， iB很 大 ， 曲 线 明 显 左 移 。 见 图 26。 (3) 1 uCE 0时 ， uCE， 曲 线 右 移 ， 特 别 工 作 在 饱 和 区 时 ，移 动 量 更 大 。(4) u BE0时 ， 晶 体 管 截 止 ， iB为 反 向 电 流 。 反

24、 向 电 压 超 过某 一 值 时 ， e结 反 向 击 穿 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 26 三 、 温 度 对 晶 体 管 特 性 曲 线 的 影 响 温 度 对 晶 体 管 的 uBE、 ICBO和 有 不 容 忽 视 的 影 响 。对 uBE 、 ICBO随 温 度 变 化 的 规 律 与 PN结 相 同 ， 即 ：温 度 每 升 高 1 ， uBE减 小 22.5mV；温 度 每 升 高 10 ， ICBO增 大 一 倍 。温 度 每 升 高 1 ， 值 增 大 0.5%1%。温 度 对 u BE、 ICBO和 的 影 响 ， 集 中 反 映 在 i

25、C随 温 度 的 升 高而 增 大 。 在 输 出 特 性 曲 线 上 表 现 为 ： 温 度 升 高 ， 曲 线上 移 且 间 隔 增 大 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 27 一 、 电 流 放 大 系 数 1共 发 射 极 直 流 电 流 放 大 系 数 和 交 流 电 流 放 大系 数 和 分 别 由 式 (22)、 (210)定 义 ， 其 数 值 可 以从 输 出 特 性 曲 线 上 求 出 。 2 共 基 极 直 流 电 流 放 大 系 数 和 交 流 电 流 放 大系 数 由 式 (26)定 义 ， 而 定 义 为 ， u CB为 常 数 时 ，

26、集电 极 电 流 变 化 量 IC与 发 射 极 电 流 变 化 量 IE之 比 ， 即 常 数 BuECII (211) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 28 说 明 ： 1. 由 于 ICBO、 ICEO都 很 小 ， 在 数 值 上 , 。 所 以 在 以 后 的 计 算 中 ， 不 再 加 以 区 分 。 2. 值 与 测 量 条 件 有 关 。 在 iC很 大 或 很 小 时 ， 值 较小 。 只 有 在 iC不 大 、 不 小 时 ， 值 才 比 较 大 ， 且 基 本 不随 iC而 变 化 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 2

27、9 二 、 极 间 反 向 电 流 1.集 电 极 反 向 饱 和 电 流 ICBO 指 发 射 极 开 路 时 ， 集 电 极基 极 间 的 反 向 电 流 。 2.集 电 极 穿 透 电 流 ICEO 指 基 极 开 路 时 ， 集 电 极发 射 极 间 的 反 向 电 流 。 3. IEBO 指 集 电 极 开 路 时 ， 发 射 极 基 极 间 的 反 向 电 流 。 三 、 结 电 容 结 电 容 包 括 发 射 结 电 容 C e(或 Cbe)和 集 电 结 电 容Cc(或 Cbc)。 结 电 容 影 响 晶 体 管 的 频 率 特 性 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其

28、 放 大 电 路 30 四 、 晶 体 管 的 极 限 参 数 1 击 穿 电 压 U(BR)CBO： 指 发 射 极 开 路 时 ， 集 电 极基 极 间 的 反 向 击 穿电 压 。 U(BR)CEO： 指 基 极 开 路 时 ， 集 电 极发 射 极 间 的 反 向 击 穿电 压 。 U(BR)CEOU(BR)CBO。 U(BR)EBO： 指 集 电 极 开 路 时 ， 发 射 极基 极 间 的 反 向 击穿 电 压 。 普 通 晶 体 管 该 电 压 值 比 较 小 ， 只 有 几 伏 。 2 集 电 极 最 大 允 许 电 流 I CM ICM指 下 降 到 正 常 值 的 2/3时

29、 所 对 应 的 集 电 极 电 流（ ic） 。 当 ic ICM时 ， 将 严 重 下 降 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 31 3 集 电 极 最 大 允 许 耗 散 功 率 PCM 指 Jc因 受 热 而 引 起 管 子 参 数 变 化 不 超 过 规 定 值 时 ， 允 许Jc耗 散 的 最 大 功 率 。 PCM与 管 芯 的 材 料 、 大 小 、 散 热 条 件及 环 境 温 度 等 因 素 有 关 。 由 PCM=ICUCE可 知 ， PCM在 输 出特 性 曲 线 上 为 一 条 双 曲 线 ， 称 为 PCM功 耗 线 。 在 共 射 极 输

30、 出 特 性 曲 线 上 ， 由 极 限 参 数 ICM、 U（ BR） CEO和PCM所 限 定 的 区 域 称 为 晶 体 管 的 安 全 工 作 区 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 32uCE工 作 区 iC 0 安 全 ICM U(BR)CEO PCM 图 27 晶 体 管 的 安 全 工 作 区 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 33 23 晶 体 管 工 作 状 态 分 析 及 偏 置 电 路 231晶 体 管 的 直 流 模 型 1 静 态 工 作 点 （ 简 称 Q点 ） ： 由 外 电 路 偏 置 的 晶 体 管 ， 其

31、各 极 直 流 电 流 和 极 间直 流 电 压 所 对 应 的 伏 安 特 性 曲 线 上 的 一 个 点 。 2 晶 体 管 伏 安 特 性 的 折 线 近 似 晶 体 管 输 入 、 输 出 特 性 曲 线 的 折 线 近 似 如 图 2-8所 示 3 晶 体 管 三 种 工 作 状 态 的 直 流 模 型 如 图 2-9所 示 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 34图 28晶 体 管 伏 安 特 性 曲 线 的 折 线 近 似(a)输 入 特 性 近 似 ； (b)输 出 特 性 近 似uBE 0 uCE iC 0 iB (a) UBE(on) UCE(sat)

32、 IB 0 (b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 35(a)e b c (b) e b c IB IB UBE(on) (c) e b c UBE(on) UCE(sat) 图 29晶 体 管 三 种 状 态 的 直 流 模 型 (a)截 止 状 态 模 型 ； (b)放 大 状 态 模 型 ； (c)饱 和 状 态 模 型 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 36 例 1 晶 体 管 电 路 如 图 210(a)所 示 。 若 已 知 晶 体 管工 作 在 放 大 状 态 ， =100， 试 计 算 晶 体 管 的 IBQ,ICQ和UCEQ。

33、 ICQ UCEQ 270kRB UBB 6V IBQ UCC12V RC3k (a) 图 210晶 体 管 直 流 电 路 分 析 (a)电 路 ； (b)直 流 等 效 电 路 e RB (b) UBE(on) b IBQ IBQ c ICQ UCC RC UCEQ 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 37 解 因 为 UBB使 Je正 偏 ， UCC使 Jc反 偏 ， 所 以 晶 体 管可 以 工 作 在 放 大 状 态 。 用 图 29(b)的 模 型 代 替 晶 体 管 ，便 得 到 图 2-10(b)所 示 的 直 流 等 效 电 路 ， 则)(onBEBBQ

34、BB URIU mRUUI B onBEBBBQ 02.02707.06)(所 以 mII BQCQ 202.0100 VRIUU CCQCCCEQ 63212 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 38 232晶 体 管 工 作 状 态 分 析 通 常 情 况 下 ， 晶 体 管 可 化 为 图 211(a)所 示 的 一 般 形 式 。 1.若 U BBUEE+UBE(on),且 UBB IBQ， 因 此 ，RB1、 RB2越 小 越 好 ， 但 过 小 将 增 大 UCC的 无 谓 损 耗 。 两 者 要兼 顾 ， 通 常 取 1I 锗 管 ）硅 管 ）()2010(

35、 ()105( BQBQII (216a)并 兼 顾 RE和 UCEQ而 取 CCB UU )3151( (216b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 51 RB1 UCC RC RE (a) RB2 图 215分 压 式 偏 置 电 路 (a)电 路 ； (b)用 戴 文 宁 定 理 等 效 后 的 电 路 UCC RC RE (b) RB ICQ UBB IBQ 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 52 分 析 ： 电 路 的 基 极 端 用 戴 维 南 定 理 等 效 ， 如 图215(b) 。 其 中 ： RB=RB1RB2,UBB=UC

36、CRB2/(RB1+RB2)。 工 作 点 估 算 为 （ RB1、 RB2取 值 不 大 ） ： CCBB BBBB E onBEBBEQCQ URR RUU RUUII 21 2 )( (217a)(217b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 53 例 3 电 路 如 图 215(a)所 示 。 已 知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k， 试 计算 工 作 点 ICQ和 UCEQ。 解 kRRR BBB 15253921 VRRIUU ECCQCCCEQ 4.4)22(9.112)( mAII BQCQ 9.1019.010

37、0 mARR UUI EB onBEBBBQ 019.0210115 7.07.4)1( )( VURR RU CCBB BBB 4.11225392521 2 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 54 若 按 估 算 法 直 接 求 ICQ， 由 式 (217a)可 得 mARUUI E onBEBBCQ 22 7.07.4)( 显 然 两 者 误 差 很 小 。 因 此 ， 在 今 后 分 析 中 可 按 估 算法 来 求 工 作 点 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 55 上 次 课 内 容 复 习 ：1.静 态 工 作 点 的 概 念

38、。2.画 出 晶 体 管 三 种 工 作 状 态 下 直 流 模 型 。3.判 断 图 示 电 路 的 工 作 状 态 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 56 24放 大 器 的 组 成 及 其 性 能 指 标 所 谓 放 大 ， 是 在 保 持 信 号 不 失 真 的 前 提 下 ， 使 其 由 小 变大 、 由 弱 变 强 。本 节 介 绍 ： 小 信 号 放 大 器 的 组 成 原 理 ， 简 要 介 绍 放 大 器的 性 能 指 标 ， 二 端 口 网 络 的 一 般 模 型 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 57 241基 本

39、放 大 器 的 组 成 原 则 由 一 个 晶 体 管 构 成 的 单 级 放 大 器 称 为 基 本 放 大 器 。 根 据 输 入 、 输 出 回 路 公 共 端 所 接 的 电 极 不 同 ， 实 际 有共 射 极 、 共 集 电 极 和 共 基 极 三 种 基 本 (组 态 )放 大 器 。 下 面 以 最 常 用 的 共 射 电 路 为 例 来 说 明 放 大 器 的 一 般 组成 原 理 。 共 射 极 放 大 电 路 如 图 216所 示 。U CC为 直 流 电 源 RB为 基 极 偏 置 电 阻RC为 集 电 极 负 载 电 阻 。 RL： 负 载 电 阻C1、 C2： 隔

40、直 电 容 或 耦 合 电 容 ， “ 隔 直 通 交 ” ， 这 种 方式 连 接 的 放 大 器 称 为 阻 容 耦 合 放 大 器 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 58 RC Uo Us V Rs Ui C1 RB (UCC) C2 RL UCC 图 216共 射 极 放 大 电 路 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 59 晶 体 管 组 成 放 大 器 的 原 则 ： (1) 晶 体 管 必 须 偏 置 在 放 大 状 态 ， 并 设 置 有 合 适 的工 作 点 。 (2)输 入 信 号 必 须 加 在 Je上 。 (3)必 须 设

41、置 合 理 的 信 号 通 路 。 不 能 破 坏 已 设 定 好的 直 流 工 作 点 ， 并 尽 可 能 减 小 信 号 通 路 中 的 损 耗 。 因此 常 采 用 阻 容 耦 合 连 接 方 式 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 60 242直 流 通 路 和 交 流 通 路 放 大 器 的 定 量 分 析 主 要 是 两 个 方 面 ： 直 流 （ 静 态 ） 工 作 点 分 析 （ ui=0时 ） 分 析 对 象 ： 直 流 成分 直 流 通 路 交 流 （ 动 态 ） 性 能 分 析 分 析 对 象 ： 交 流 成 分 交 流 通 路 作 直 流 通

42、路 方 法 ： C开 路 ， L短 路 ， 直 流 电 源 保 留 。作 交 流 通 路 方 法 ： 电 抗 极 小 的 大 C和 小 L短 路 ， 电 抗 极 大 的小 C和 大 L开 路 ， 电 抗 不 容 忽 略 的 C和 L保 留 ， 直 流 电 源 短 路 。（ 一 般 ： C短 路 ， L开 路 ， 直 流 电 源 短 路 ） 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 61 图 2-16的 直 流 通 路 和 交 流 通 路 如 图 2-17所 示 图 217共 射 放 大 器 的 交 、 直 流 通 路 (a)直 流 通 路 ； (b)交 流 通 路RB UCCR

43、C RC UoUs Rs RB RL (a) (b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 62 243放 大 器 的 主 要 性 能 指 标 放 大 器 可 等 效 为 一 个 有 源 二 端 口 网 络 如 图 2-18所 示 。 线 性 放 大 器 I o RL Uo Ui I i图 218放 大 器 等 效 为 有 源 二 端 口 网 络 的 框 图 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 63 一 、 放 大 倍 数 （ 或 增 益 ） A 放 大 器 的 输 出 量 与 输 入 量 的 比 值 。 根 据 处 理 的 输入 量 和 所 需 的

44、输 出 量 不 同 ， 有 如 下 四 种 不 同 定 义 的 放大 倍 数 ： 电 压 放 大 倍 数 （ 无 量 纲 ）电 流 放 大 倍 数 （ 无 量 纲 ）互 导 放 大 倍 数 （ 西 门 子 ）互 阻 放 大 倍 数 （ 欧 姆 ） ior iog ioi iou IUA UIA IIA UUA (219a) (219b) (219c) (219d) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 64 有 时 ， Au和 Ai可 取 分 贝 (dB)为 单 位 ， 即 ),(lg20),(lg20 dBIIAdBUUA ioiiou (220) 二 、 输 入 电 阻

45、 Ri 定 义 ： 从 放 大 器 输 入 端 看 进 去 的 电 阻 ， 即 iii IUR (221) Ri表 征 放 大 器 从 信 号 源 获 得 信 号 的 多 少 。 对 低 阻电 压 源 ， Ri越 大 ， 放 大 器 从 信 号 源 获 得 的 电 压 就 越 大 ；对 高 阻 电 流 源 ， Ri越 小 ， 放 大 器 从 信 号 源 获 得 的 电 流就 越 大 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 65 三 、 输 出 电 阻 Ro 定 义 ： 从 放 大 器 输 出 端 看 进 去 的 电 阻 。 由 图 218所 示 ， 根 据 戴 维 南 定

46、 理 ， 可 得0I0 s 或sUooo IUR (222)Ro是 一 个 表 征 放 大 器 带 负 载 能 力 的 参 数 。 电 压 输 出 。 Ro越 小 ， 带 负 载 能 力 越 强 ， 即 负 载 变 化 时放 大 器 输 出 给 负 载 的 电 压 基 本 不 变 。 电 流 输 出 。 Ro越 大 ， 带 负 载 能 力 越 强 ， 即 负 载 变 化 时放 大 器 输 出 给 负 载 的 电 流 基 本 不 变 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 66 如 图 219所 示 。 图 中 ， Auo,Aro分 别 表 示 负 载 开 路时 的 电 压

47、 、 互 阻 放 大 倍 数 ， 而 Ais,Ags则 分 别 表 示 负 载 短路 时 的 电 流 、 互 导 放 大 倍 数 。 Is AisIi RLRs Ri Ro (b) IoIi Us AuoUi RL Rs Ui Ri Ro Uo (a) AgsUi RLRi Ro (c) Io Us Rs Ui AroIi RLRi Ro Uo (d) Is Ii Ro 图 219放 大 器 二 端 口 网 络 模 型 (a)电 压 放 大 器 ； (b)电 流 放 大 器 ； (c)互 导 放 大 器 ； (d)互 阻 放 大 器 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 6

48、7 四 、 非 线 性 失 真 系 数 THD 当 输 入 某 一 频 率 的 正 弦 信 号 时 ， 其 输 出 电 流 波 形 中除 基 波 成 分 之 外 ， 还 包 含 有 一 定 数 量 的 谐 波 。 定 义 放大 器 非 线 性 失 真 系 数 为 ： mn nmI ITHD 12 2 (223) 式 中 I1m为 输 出 电 流 的 基 波 幅 值 ， Inm为 二 次 谐 波 以上 的 各 谐 波 分 量 幅 值 。 由 于 小 信 号 放 大 时 非 线 性 失 真很 小 ， 所 以 只 有 在 大 信 号 工 作 时 才 考 虑 THD指 标 。 第 2章 双 极 型 晶

49、 体 管 及 其 放 大 电 路 68 五 、 线 性 失 真 放 大 电 路 中 电 抗 元 件 (主 要 是 电 容 )的 存 在 ， 因 而放 大 器 对 信 号 中 的 不 同 频 率 分 量 具 有 不 同 的 放 大 倍 数和 附 加 相 移 ， 造 成 输 出 信 号 中 各 频 率 分 量 间 大 小 比 例和 相 位 关 系 发 生 变 化 ， 从 而 导 致 输 出 波 形 相 对 于 输 入波 形 产 生 畸 变 。 通 常 将 这 种 输 出 波 形 的 畸 变 称 为 放 大器 的 线 性 失 真 或 频 率 失 真 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放

50、大 电 路 69 各 类 符 号 的 表 示 说 明 ： (以 集 电 极 电 流 为 例 ) ICQ-集 电 极 静 态 电 流 ic集 电 极 电 流 交 流 分 量 iC集 电 极 总 电 流 (iC=ICQ+ic) Ic集 电 极 电 流 交 流 分 量 有 效 值 Icm集 电 极 电 流 交 流 分 量 最 大 值 IC集 电 极 电 流 变 化 量 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 70 放 大 器 的 分 析 方 法 主 要 有 两 种 ： 图 解 法 ： 在 晶 体 管 特 性 曲 线 上 通 过 作 图 确 定 工 作 点 及 其在 信 号 作 用

51、下 的 相 对 变 化 量 。 （ 辅 助 方 法 ） 特 点 ： 形 象 、 直 观 ， 对 理 解 放 大 原 理 、 波 形 关 系 及 非线 性 失 真 有 帮 助 ， 但 对 于 小 信 号 放 大 器 ， 用 图 解 法 难以 准 确 地 进 行 定 量 分 析 。 等 效 电 路 法 ： 利 用 器 件 模 型 进 行 电 路 分 析 的 方 法 。 （ 主要 方 法 ） 特 点 ： 运 算 简 便 ， 结 果 误 差 小 25 放 大 器 图 解 分 析 法 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 71 251直 流 图 解 分 析 直 流 图 解 分 析 是

52、 在 晶 体 管 特 性 曲 线 上 ， 用 作 图 的方 法 确 定 出 直 流 工 作 点 ， 求 出 IBQ、 UBEQ和 ICQ、 UCEQ。一 、 IBQ、 UBEQ的 求 解 一 般 不 用 图 解 法 确 定 ， 而 用 估 算 法 。 UBEQ=0.7（ 硅 管 ） 或 0.3（ 锗 管 ）二 、 I CQ、 UCEQ的 求 解 对 图 2-16 可 作 其 直 流 通 路 如 图 2-20(a)所 示 在 集 电 极 输 出回 路 ， 可 列 出 如 下 一 组 方 程 ： B onBECCBQ RUUI )(无 RE时 ： 此 式 视 具 体 电 路 而 不 同 第 2章

53、双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 72 RB UCC RC (a) RC Uo Ui RB RL (b) IBQ ICQ UCEQ iB iC UCE图 220共 射 放 大 器 的 直 流 、 交 流 通 路 (a)直 流 通 路 ； (b)交 流 通 路 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 73 如 图 221(a)所 示 。 M(0， Ucc/Rc)、 N(Ucc， 0)，MN的 斜 率 为 -1/Rc， MN与 iB=IBQ的 交 点 为 Q点 ， Q点 是上 述 两 个 方 程 组 成 方 程 组 的 解 。 因 而 ， 量 得 Q点 的 纵 坐标

54、 为 ICQ， 横 坐 标 则 为 UCEQ。 直 流 负 载 线 方 程特 性 曲 线 方 程 CCCCCE IiCEC RiUu ufi BQB)( (224a) (224b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 74 iB IBQ u CE 0 N Q M iC U CEQ U CC I CQ UCC RC (a) 图 221放 大 器 的 直 流 图 解 分 析 (a)直 流 负 载 线 与 Q点 ； (b)Q点 与 RB、 RC的 关 系 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 75 图 221放 大 器 的 直 流 图 解 分 析 (a)直

55、流 负 载 线 与 Q点 ； (b)Q点 与 RB、 RC的 关 系(b) uCE/V2 10 1201 23 40A30A20A10AiC/mA 4 6 84 M NQ RBQ3Q2 Q4RC RB Q1 RC 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 76 例 4 在 图 220(a)电 路 中 ， 若 RB=560k,RC=3k, UCC=12V， 晶 体 管 的 输 出 特 性 曲 线 如 图 221(b)所 示 ，试 用 图 解 法 确 定 直 流 工 作 点 。 解 取 UBEQ=0.7V， 则 2002.05607.012 mRUUI B BEQCCBQ 在 特

56、性 曲 线 上 找 出 M、 N点 M (0， Ucc/Rc)即 M(0V， 4mA)； N(Ucc， 0)即 N(12V， 0mA) 连 接 MN得 直 流 负 载 线 ， 其 与 I BQ=20A特 性 曲 线 的 交 点 Q即 为直 流 工 作 点 ， 从 图 中 测 得 Q点 坐 标 为 ICQ=2mA， UCEQ=6V。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 77 从 图 2-20(b)， 可 见 ：RB IBQ Q点 沿 直 流 负 载 线 下 移 ， 靠 近 截 止 区RB IBQ Q点 沿 直 流 负 载 线 上 移 ， 靠 近 饱 和 区RC M点 沿 纵

57、 轴 下 移（ N点 不 变 ） Q点 沿 特 性 曲 线 左移 ， 靠 近 饱 和 区 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 78 252交 流 图 解 分 析 LCEC R1uik (225) 对 图 2-16 可 作 其 交 流 通 路 如 图 2-20(b)所 示 。 Je的 电 压 uB=Ui+UBEQ， 所 以 Q点 沿 输 入 特 性 曲 线 上 下 移 动 ，使 iB也 形 成 如 图 2-22所 示 的 变 化 曲 线 。 根 据 iB的 变 化 可 在 输 出 特 性 曲 线 上 依 据 交 流 负 载 线 ， 分 别作 出 iC、 uCE的 变 化 曲

58、 线 。 一 、 交 流 负 载 线 的 定 义iB变 化 时 瞬 时 工 作 点 移 动 的 轨 迹 称 为 交 流 负 载 线 。二 、 交 流 负 载 线 的 斜 率由 交 流 通 路 可 知 ， 集 电 极 回 路 约 束 i C和 uCE的 关 系 为 ： 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 79 依 据 交 流 负 载 线 作 出 的 iC、 uCE的 变 化 曲 线 如 图 2-22(b)所 示 。(iCuCE) 三 、 交 流 负 载 线 的 作 法具 体 作 法 为 ： 令 iC=ICQ， 在 横 坐 标 上 从 UCEQ点 向 右 量 取 ICQ的 电

59、 压 即 可 得 A点 ， 连 接 AQ即 得 交 流 负 载 线 。 如 图 2-22(b)所 示 。 LR 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 80 图 222放 大 器 的 交 流 图 解 分 析 (a)输 入 回 路 的 工 作 波 形 ； (b)输 出 回 路 的 工 作 波 形 iB IBQ t iB IBQ uBE uBE t iBmax iBmin Q UBEQ (a) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 81 图 222放 大 器 的 交 流 图 解 分 析 (a)输 入 回 路 的 工 作 波 形 ； (b)输 出 回 路 的 工

60、 作 波 形 Q iC iBmax iBmin iC ICQ t t uCE uCE UCCUCEQ I CQRL ICQ UCC RC 交 流 负 载 线 k RC 1 Q1 Q2 IBQ (b) A L 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 82 输 入 正 弦 电 压 下 ， 放 大 管 各 极 电 流 和 极 间 电 压 的波 形 ， 如 图 223所 示 。 观 察 这 些 波 形 ， 可 以 得 出 以 下几 点 结 论 ： (1)各 极 电 流 方 向 、 极 间 电 压 极 性 保 持 不 变 。 在 Q点 附 近 按 输 入 信 号 规 律 变 化 。 即

61、 在 Q点 处 的 直 流 量 上 叠加 一 个 交 流 分 量 ， 所 以 分 析 时 直 流 计 算 和 交 流 计 算 可分 开 。 (2)直 流 量 保 证 了 交 流 量 的 不 失 真 。 (3)放 大 器 的 输 出 与 输 入 信 号 是 反 相 （ 或 称 倒 相 ）的 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 83 t ui t uBE UBEQ iB t IBQ iC t ICQ uCE t UCEQ uo 0 0 0 0 0 0 t 图 223共 射 极 放 大 器 的 电 压 、 电 流 波 形 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电

62、 路 84 253直 流 工 作 点 与 放 大 器 非 线 性 失 真 的 关 系 Q点 过 低 动 态 工 作 点 进 入 截 止 区 ， 出 现 截 止 失 真 。对 NPN管 的 共 射 极 放 大 器 ， 发 生 截 止 失 真 时 ， 其 输 出 电压 出 现 “ 胖 顶 ” 的 现 象 （ 顶 部 限 幅 ） ， 如 图 2-24(a)所 示 。 Q点 过 高 动 态 工 作 点 进 入 饱 和 区 ， 出 现 饱 和 失 真 。对 NPN管 的 共 射 极 放 大 器 ， 发 生 饱 和 失 真 时 ， 其 输 出 电压 出 现 “ 削 顶 ” 现 象 （ 底 部 限 幅 ）

63、， 如 图 2-24(b)所 示 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 85 Q 交 流 负 载 线 iC 0t0 iC i B uCE uCE 0 t (a)图 224 Q点 不 合 适 产 生 的 非 线 性 失 真 (a)截 止 失 真 ； (b)饱 和 失 真 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 86图 224 Q点 不 合 适 产 生 的 非 线 性 失 真 (a)截 止 失 真 ； (b)饱 和 失 真 Q 交 流 负 载 线 iC iC iB 0t u CE uCE 0 (b) t 0 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大

64、 电 路 87 保 证 输 出 不 失 真 的 输 出 电 压 的 最 大 值 称 为 放 大 器输 出 动 态 范 围 。 截 止 失 真 确 定 的 最 大 不 失 真 输 出 电 压 的 幅 度 为 ： LCQom RIU (226a) 饱 和 失 真 确 定 的 最 大 不 失 真 输 出 电 压 的 幅 度 为 ：(226b) CESCEQom UUU 上 两 式 中 ， 较 小 的 即 为 放 大 器 最 大 不 失 真 输 出 电 压 的 幅 度 ，而 输 出 动 态 范 围 则 为 该 幅 度 的 两 倍 ， 即 ： Uopp=2Uom 要 使 晶 体 管 的 输 出 动 态

65、范 围 最 大 ， Q点 应 选 在 直 流 负 载 线 的中 点 处 。 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 88 26 放 大 器 的 交 流 等 效 电 路 分 析 法 261 晶 体 管 交 流 小 信 号 电 路 模 型 根 据 导 出 的 方 法 不 同 ， 晶 体 管 交 流 小 信 号 电路 模 型 可 分 为 两 类 ： 物 理 型 电 路 模 型 （ 如 ： 混 合 型 电 路 模 型 ） ； 网 络 参 数 模 型 （ 如 ： H参 数 电 路 模 型 ）它 们 是 等 价 的 ， 相 互 之 间 可 以 进 行 转 换 。 第 2章 双 极 型 晶

66、 体 管 及 其 放 大 电 路 89 一 、 混 合 型 电 路 模 型 工 作 在 放 大 状 态 下 的 共 射 极 晶 体 管 如 图 225(a)所 示 。 图 225晶 体 管 放 大 过 程 分 析 及 电 路 模 型 (a)共 发 射 极 晶 体 管 ； (b)电 路 模 型uceib ube ic(a) gmubeube ucerbe rcerbcb ce(b) 第 2章 双 极 型 晶 体 管 及 其 放 大 电 路 90 1.交 流 结 电 阻 rbe： 等 效 晶 体 管 输 入 端 ube控 制 iB的 作 用 ， 其大 小 为 静 态 工 作 点 处 uBE对 iB的 偏 导 值 ， 即 beQBEebeQEBEe eQEBEBEQBBEbbebe iiiiiuiur riuiiiuiur 1, )1(式 中 (228) Je交 流 电 阻 Re等 效 到 基 极 的 折 合 系 数TBEUuSE eIi EQTUSTQBEEe IUeIUuir TUBEQ /1 11又 因 为 ： 则 （ 一 ） 忽 略 寄 生 效 应 分 析 第 2章 双 极 型 晶