2―3 晶体管工作状态分析及
由晶体管的伏安特性曲线可知,
晶体管是一种复杂的非线性器件 。 在直流工作时,其非线性主要表现为三种截然不同的工作状态,即放大,截止和饱和 。 在实际应用中,根据实现的功能不同,可通过外电路将晶体管偏置在某一规定状态 。 因此,在晶体管应用电路分析中,一个首要问题,便是晶体管工作状态分析以及直流电路计算 。
2― 3― 1晶体管的直流模型
在通常情况下,由外电路偏置的晶体管,其各极直流电流和极间直流电压将对应于伏安特性曲线上一个点的坐标,这个点称为直流 (或静态 )工作点,简称 Q点 。 在直流工作时,可将晶体管输入,
输出特性曲线 (见图 2― 5,图 2― 6)分别用图 2--8(a)和 (b)所示的折线近似,这样直流工作点 (IBQ,UBEQ)和 (ICQ,UCEQ)必然位于该曲线的直线段上 。
u
BE
0 u
CE
i
C
0
i
B
( a )
U
B E ( o n )
U
C E ( s a t )
I
B
= 0
( b )
图 2― 8
(a)输入特性近似; (b)输出特性近似
由图 2 ― 8 可知,当外电路使
UBE<UBE(on)(对硅管约为 0.7V,锗管约为
0.3V)时,IB=0,IC=0,即晶体管截止 。
此时,相当于 b,e极间和 c,e极间均开路,
相应的直流等效模型如图 2― 9(a)所示 。
( a )
e
b c
( b )
e
b c
βI
B
I
B
U
B E ( o n )
( c )
e
b c
U
B E ( o n )
U
C E ( s at )
图 2― 9
(a)截止状态模型; (b)放大状态模型; (c)饱和状态模型
例 1 晶体管电路如图 2― 10(a)所示 。
若已知晶体管工作在放大状态,β=100,
试计算晶体管的 IBQ,ICQ和 UCEQ。
I
C Q


U
CE Q
2 7 0 k
R
B
U
BB
6V
I
B Q
U
CC1 2 V
R
C
3k
( a )
图 2― 10
(a)电路; (b)直流等效电路图 2― 10
(a)电路; (b)直流等效电路
e
R
B
( b )
U
B E ( o n )
b
I
B Q
βI
B Q
c
I
C Q
U
CC
R
C


U
CE Q
解 因为 UBB使 e结正偏,UCC使 c结反偏,
所以晶体管可以工作在放大状态 。 这时用图
2― 9(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 。 由图可知
)( onBEBBQBB URIU
VRIUU
mII
m
R
UU
I
CCQCCC E Q
BQCQ
B
onBEBB
BQ
63212
202.0100
02.0
270
7.06)(



故有
I
C Q


U
CE Q
2 7 0 k
R
B
U
BB
6V
I
B Q
U
CC1 2 V
R
C
3k
( a )
2― 3― 2晶体管工作状态分析
将晶体管接入直流电路,在通常情况下,围绕晶体管可将电路化为图
2― 11(a)所示的一般形式 。
由图可知,若 UBB≤UEE+UBE(on),且
UBB <UCC,因 IB=0或 e结反偏,则晶体管截止 。 此时,三个电极电流均为零,而
UBE= UBB - UEE,UCE=UCC- UEE 。
R
B
U
BB
U
EE
R
E
R
B
U
CC
( a )
图 2― 11
(a)电路; (b)放大状态下的等效电路; (c)饱和状态下的等效电路
若 UBB>UEE+UBE(on),则晶体管导通 。 现假定为放大导通,利用图 2― 9(b)的模型可得该电路的直流等效电路如图 2― 11(b)所示 。 由图可得
UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+β)IBQRE
)(
)1(
)(
ECCQEECCC E Q
EQBQCQ
EB
OnBEEEBB
BQ
RRIUUU
III
RR
UUU
I




(2―12 a)
(2―12 b)
(2―12 c)
借助式 (2―12) 的结果,现在可对电路中的晶体管是处于放大还是饱和作出判别。
R
B
U
BB
R
C
U
CC
U
EE
R
E
U
BE ( o n )
( b )
βI
B
图 2― 11
(a)电路; (b)放大状态下的等效电路; (c)饱和状态下的等效电路
R
B
U
BB
R
C
U
CC
U
EE
R
E
U
BE ( o n )
( b )
βI
B
UCE(sat)
)
(C)
饱和特征,( 1) UCEQ≤UBE(on)
(2)IBQ>ICQ/β (ICQ < β IBQ)
判断是否饱和方法 1 先假定处于放大区,有 ICQ = β IBQ,据此求出 UCEQ
若 UCEQ> UBE(on) 则确实处于放大区;若 UCEQ ≤UBE(on)则处于饱和区,UCEQ 应取 UCE(sat)
方法 2 先假定处于临界饱和区,有 UCEQ=UBE(on),据此求出 ICQ( 即 IC(sat)),若 ICQ > β IBQ则确实处于放大区;若 ICQ
< β IBQ则处于饱和区,UCEQ 应取 UCE(sat)
例 2 晶体管电路及其输入电压 ui的波形如图 2--12(a),(b)所示 。 已知 β=50,试求 ui作用下输出电压 uo的值,并画出波形图 。 R
3
3k
U
CC
5V
R
B
3 9 k
u
i




u
o
( a )
图 2― 12例题 2电路及 ui,uo波形图 (a)电路; (b) ui波形图; (c) uo波形图图 2― 12例题 2电路及 ui,uo
(a)电路; (b)ui波形图; (c) uo波形图
0
3
( b )
t
u
i
/ V
0
5
( c )
t
u
o
/ V
0,3
解 当 ui=0时,UBE=0,则晶体管截止 。 此时,ICQ=0,
uo=UCEQ=UCC=5V。 当 ui =3V时,晶体管导通且有



m
I
mI
m
R
UU
I
m
R
Uu
I
s a tC
BQ
C
onBECC
s a tC
B
onBEi
BQ
0 2 8.0
50
4.1
06.0
4.1
3
7.05
06.0
39
7.03
)(
)(
)(
)(
而集电极临界饱和电流为因为
R
3
3k
U
CC
5V
R
B
3 9 k
u
i




u
o
( a )
IC(sat)<βIBQ=3mA
所以晶体管处于饱和 。 此时,
ICQ=(Ucc-UCE(sat))/Rc=(5-0.3)/3=1.6mA,
而 uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。 根据上述分析结果画出的 uo波形如图 2― 12(c)所示 。
通过本例题可以看出,在实际电路分析中,由于晶体管的直流模型很简单,一旦其工作状态确定,则直流等效电路可不必画出,而等效的涵义将在计算式中反映出来 。
2― 3― 3
晶体管在放大应用时,要求外电路将晶体管偏置在放大区,而且在信号的变化范围内,管子始终工作在放大状态 。 此时,对偏置电路的要求是,① 电路形式要简单 。 例如采用一路电源,尽可能少用电阻等; ② 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定; ③ 对信号的传输损耗应尽可能小 。
下面将介绍几种常用的偏置电路 。
一,固定偏流电路
电路如图 2― 13所示 。 由图可知,
UCC通过 RB使 e结正偏,
则基极偏流为
B
onBECC
BQ R
UUI )(
(2―14 a)
只要合理选择 RB,RC的阻值,晶体管将处于放大状态 。
CCQCCC E Q
BQCQ
RIUU
II


(2―14 b)
(2― 14c)
R
B
U
CC
R
C
R
B
U
CC
R
C
图 2― 13固定偏流电路
这种偏置电路虽然简单,但主要缺点是工作点的稳定性差 。 由式 (2― 14)
可知,当温度变化或更换管子引起 β,ICBO
改变时,由于外电路将 IBQ固定,所以管子参数的改变都将集中反映到 ICQ,UCEQ的变化上 。 结果会造成工作点较大的漂移,
甚至使管子进入饱和或截止状态 。
二,电流负反馈型偏置电路
使工作点稳定的基本原理,是在电路中引入自动调节机制,用 IB的相反变化去自动抑制 IC的变化,从而使 ICQ稳定 。 这种机制通常称为负反馈 。 实现方法是在管子的发射极串接电阻 RE,见图 2― 14。 由图可知,不管何种原因,
如果使 ICQ有增大趋向时,电路会产生如下自我调节过程:
ICQ↑→IEQ↑→ UEQ(=IEQRE)↑

ICQ↓←IEQ ↓←UBEQ(= UEQ -UEQ)↓
R
B
U
CC
R
C
R
E
R
B
U
CC
R
C
R
E
图 2― 14电流负反馈型偏置电路
)(
)1(
)(
ECCQCCC E Q
BQCQ
EB
onBECC
BQ
RRIUU
II
RR
UU
I


结果,因 IBQ的减小而阻止了 ICQ的增大;反之亦然 。 可见,通过 RE对 ICQ的取样和调节,实现了工作点的稳定 。 显然,RE的阻值越大,调节作用越强,则工作点越稳定 。 但 RE过大时,因 UCEQ过小会使 Q点靠近饱和区 。 因此,要二者兼顾,合理选择 RE的阻值 。
该电路与图 2― 11(a)电路相比,差别仅在于此时 UEE=0,UBB=UCC。 参照式
(2― 12),可得工作点的计算式为
)(
)1(
)(
ECCQCCC E Q
BQCQ
EB
onBECC
BQ
RRIUU
II
RR
UU
I


(2―15 a)
(2―15 b)
(2― 15c)
三,分压式偏置电路
分压式偏置电路如图 2― 15(a)所示,
它是电流负反馈型偏置电路的改进电路 。
由图可知,通过增加一个电阻 RB2,可将基极电位 UB固定 。 这样由 ICQ引起的 UE变化就是 UBE的变化,因而增强了 UBE对 ICQ
的调节作用,有利于 Q点的近一步稳定 。
R
B1
U
CC
R
C
R
E
( a )
R
B2
图 2― 15
(a)电路; (b)用戴文宁定理等效后的电路
U
CC
R
C
R
E
( b )
R
B
I
C Q
U
BB
I
B Q
图 2― 15
(a)电路; (b)用戴文宁定理等效后的电路
为确保 UB固定,应满足流过 RB1,RB2的电流 I1IBQ,这就要求 RB1,RB2的取值愈小愈好 。
但是 RB1,RB2过小,将增大电源 UCC的无谓损耗,因此要二者兼顾 。 通常选取
1I
锗管)
硅管)
()20~10(
()10~5(
BQ
BQ
I
I
并兼顾 RE和 UCEQ而取
CCB UU )3
1~
5
1(?
(2― 16a)
(2― 16a)
从分析的角度看,在该电路的基极端用戴文宁定理等效,可得如图 2― 15(b)的等效电路 。 图中,RB=RB1‖ RB2,UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)。
此时,工作点可按式 (2― 15)计算 。 如果 RB1,
RB2取值不大,在估算工作点时,则 ICQ可按下式直接求出:
CC
BB
B
BBB
E
onBEBB
EQCQ
U
RR
R
UU
R
UU
II
21
2
)(

(2― 17a)
(2― 17b)
例 3电路如图 2―15( a)所示。已知
β=100,UCC=12V,RB1=39kΩ,RB2=25kΩ,
RC=RE=2kΩ,试计算工作点 ICQ和 UCEQ。

VRRIUU
mAII
mA
RR
UU
I
VU
RR
R
U
kRRR
ECCQCCC E Q
BQCQ
EB
onBEBB
BQ
CC
BB
B
BB
BBB
4.4)22(9.112)(
9.10 1 9.01 0 0
0 1 9.0
21 0 115
7.07.4
)1(
4.112
2539
25
152539
)(
21
2
21






若按估算法直接求 ICQ,由式 (2― 17a)可得
mARUUI
E
onBEBB
CQ 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 。
与上述稳定 Q点的原理相类似,实际中还可采用电压负反馈型偏置电路 ( 2― 11电路 )。 其调节原理请读者自行分析 。 除此之外,在集成电路中,还广泛采用恒流源作偏置电路,即用恒流源直接设定 ICQ。 有关恒定源问题将在第四章详细讨论 。
2―4 放大器的组成及其性能指
晶体管的一个基本应用就是构成放大器 。
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 。 因此,放大器在电子技术中有着广泛的应用,是现代通信,自动控制,电子测量,生物电子等设备中不可缺少的组成部分 。 放大器涉及的问题很多,这些问题将在后续章节中逐一讨论 。 本节主要说明小信号放大器的组成原理,简要介绍放大器的性能指标,然后给出其二端口网络的一般模型 。
2― 4― 1
基本放大器通常是指由一个晶体管构成的单级放大器 。 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 2― 16所示 。 图中,
采用固定偏流电路将晶体管偏置在放大状态,
其中虚线支路的 UCC为直流电源,RB为基极偏置电阻,RC为集电极负载电阻 。 输入信号通过电容 C1加到基极输入端,放大后的信号经电容
C2由集电极输出给负载 RL。 因为放大器的分析通常采用稳态法,所以一般情况下是以正弦波作为放大器的基本输入信号 。 图中用内阻为 Rs
的正弦电压源 Us为放大器提供输入电压 Ui。 电容 C1,C2称为隔直电容或耦合电容,其作用是隔直流通交流,即在保证信号正常流通的情况下,使直流相互隔离互不影响 。 按这种方式连接的放大器,通常称为阻容耦合放大器 。
R
C
U
o
U
s

V



R
s


U
i
C
1
R
B
( U
CC
)
C
2
R
L


U
CC
图 2― 16共射极放大电路
通过上述实例可以看出,用晶体
(1)必须将晶体管偏置在放大状态,
并且要设置合适的工作点 。 当输入为双极性信号 (如正弦波 )时,工作点应选在放大区的中间区域;在放大单极性信号 (如脉冲波 )时,工作点可适当靠向截止区或饱和区 。
(2)输入信号必须加在基极 —发射极回路 。 由于正偏的发射结其 iE与 uBE的关系仍满足式 (1― 4),即
T
BE
T
BE
U
u
S
U
u
SE eIeIi )1(
(2― 18)
而 iC≈iE。 所以,uBE对 iC有极为灵敏的控制作用 。 因此,只有将输入信号加到基极 —发射极回路,使其成为控制电压
uBE的一部分,才能得到有效地放大 。 具体连接时,若射极作为公共支路 (端 ),则信号加到基极;反之,信号则加到射极 。
由于反偏的 c结对 iC几乎没有控制作用,
所以输入信号不能加到集电极 。
(3)必须设置合理的信号通路 。 当信号源和负载与放大器相接时,一方面不能破坏已设定好的直流工作点,另一方面应尽可能减小信号通路中的损耗 。
实际中,若输入信号的频率较高 (几百赫兹以上 ),采用阻容耦合则是最佳的连接方式 。
2― 4― 2直流通路和交流通路
对一个放大器进行定量分析时,
其分析的内容无外乎两个方面 。 一是直流 (静态 )工作点分析,即在没有信号输入时,估算晶体管的各极直流电流和极间直流电压 。 二是交流 (动态 )性能分析,即在输入信号作用下,确定晶体管在工作点处各极电流和极间电压的变化量,进而计算放大器的各项交流指标 。
以图 2― 16所示的共射放大器为例,
按照上述方法,将电路中的耦合电容
C1,C2开路,得直流通路,如图 2― 17(a)
所示;将 C1,C2短路,直流电源 UCC对地也短路,便得交流通路,如图 2― 17(b)所示 。
图 2― 17共射放大器的交,直流通路
(a)直流通路; (b)交流通路
R
B
U
CC
R
C
R
C
U
o
U
s


R
s
R
B
R
L


( a ) ( b )
2― 4― 3
放大器有一个输入端口,一个输出端口,所以从整体上看,可以把它当作一个有源二端口网络,如图 2― 18所示 。
因为输入信号是正弦量,所以图中有小写下标的大写字母均表示正弦量的有效值,并按二端口网络的约定标出了电流的方向和电压的极性 。 这样,放大器的性能指标可以用该网络的端口特性来描述 。
线性放大器
I
o
R
L


U
o


U
i
I
i
图 2― 18放大器等效为有源二端口网络的框图
一,放大倍数 A
放大倍数又称为增益,定义为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输出量不同,有如下四种不同定义的放
i
o
r
i
o
g
i
o
i
i
o
u
U
U
A
U
I
A
I
I
A
U
U
A
电压放大倍数电流放大倍数互导放大倍数互导放大倍数互阻放大倍数
(2―19 a)
(2―19 b)
(2―19 c)
(2―19 d)
其中,Au和 Ai为无量纲的数值,而
Ag的单位为西门子 (S),Ar的单位为欧姆
(Ω)。 有时为了方便,Au和 Ai可取分贝 (dB)
为单位,即
),(lg20),(lg20 dBIIAdBUUA
i
o
i
i
o
u
(2―20)
二,输入电阻 Ri
输入电阻是从放大器输入端看进去的电阻,它定义为
在图 2― 18的框图中,对信号源来说,放大器相当于它的负载,Ri则表征该负载能从信号源获取多大信号 。
i
i
i I
UR? (2― 21)
三,输出电阻 Ro
输出电阻是从放大器输出端看进去的电阻 。 在图 2― 18的框图中,对负载来说,放大器相当于它的信号源,而 Ro
正是该信号源的内阻 。 根据戴文宁定理,
放大器的输出电阻定义为
0I0 s 或sU
o
o
o I
UR (2― 22)
Ro是一个表征放大器带负载能力的参数。
根据放大器输入和输出信号的不同,利用上述三个指标,则图 2― 18所示的框图可具体描述为四种二端口网络模型,如图 2― 19所示 。 图中,Auo,Aro分别表示负载开路时的电压,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 。
I
s
A
i s
I
i
R
L
R
s
R
i
R
o
( b )
I
o
I
i


U
s
A
u o
U
i
R
L


R
s
U
i
R
i


R
o


U
o
( a )
A
g s
U
i
R
L
R
i
R
o
( c )
I
o
U
s


R
s


U
i
A
r o
I
i
R
L
R
i


R
o


U
o
( d )
I
s
I
i
R
o
图 2― 19
(a)电压放大器; (b)电流放大器; (c)互导放大器; (d)互阻放大器
四,非线性失真系数 THD
由于放大管输入,输出特性的非线性,
因而放大器输出波形不可避免地会产生或大或小的非线性失真 。 具体表现为,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 。 为此,定义放大器非线性失真系数为
m
n
m
I
I
TH D
1
2
2?
(2― 23)
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 。
五,线性失真
放大器的实际输入信号通常是由众多频率分量组成的复杂信号 。 由于放大电路中含有电抗元件 (主要是电容 ),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 。 有关描述线性失真的一些具体指标,如截止频率,通频带等将在第五章中详细说明 。