第 2章 双极型晶体管及其放大电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–1 双极型晶体管的工作原理
2–2 晶体管伏安特性曲线及参数
2–3 晶体管工作状态分析及偏置电路
2–4 放大器的组成及其性能指标
2–5 放大器图解分析法
2–6 放大器的交流等效电路分析法
2–7 共集电极放大器和共基极放大器
2–8 放大器的级联第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件 。
它有三个电极,所以又称为半导体三极管,晶体三极管等,以后我们统称为晶体管 。
晶体管的原理结构如图 2–1(a)所示 。 由图可见,组成晶体管的三层杂质半导体是 N型 —P型 —N型结构,
所以称为 NPN管 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
P
集电极基极发射极集电结发射结发射区 集电区
( a )
N P N
c
e
b
P N P
c
e
b
b
基区
e c
( b )
N
＋
衬底
N 型外延
P
N
＋
c
e b
S i O
2
绝缘层集电结基区发射区发射结集电区
( c )
N N
图 2–1
(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
2–1–1放大状态下晶体管中载流子的传输过程当晶体管处在发射结正偏,集电结反偏的放大状态下,管内载流子的运动情况可用图 2--2说明 。 我们按传输顺序分以下几个过程进行描述 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–2晶体管内载流子的运动和各极电流
c
I
C
e
I
E
N
P
N
I
B
R
C
U
CC
U
BB
R
B
I
CBO
1 5 V
b
I
BN
I
EP
I
EN
I
CN
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,发射区向基区注入电子由于 e结正偏,因而结两侧多子的扩散占优势,这时发射区电子源源不断地越过 e结注入到基区,形成电子注入电流 IEN。 与此同时,基区空穴也向发射区注入,
形成空穴注入电流 IEP。 因为发射区相对基区是重掺杂,
基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度,所以满足
IEP << IEN,可忽略不计 。 因此,发射极电流 IE≈IEN，
其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二,电子在基区中边扩散边复合
,成为基区中的非平衡少子,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 IBN,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三,扩散到集电结的电子被集电区收集由于集电结反偏,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
2–1–2
由以上分析可知,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有如下关系：
C B OCNC
C B OCNB
CNBNENE
III
III
IIII
(2–1a)
(2–1b)
(2–1c)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式 (2–1)表明,在 e结正偏,c结反偏的条件下,晶体管三个电极上的电流不是孤立的,它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系 。 这一比例关系主要由基区宽度,掺杂浓度等因素决定,管子做好后就基本确定了 。 反之,一旦知道了这个比例关系,
就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系,从而为定量分析晶体管电路提供方便 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路为了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,定义共发射极直流电流放大系数为?
C B OB
C B OC
BN
CN
II
II
I
I
(2–2)
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 20~200
之间 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路确定了 值之后,由式 (2–1),(2–2)可得?
CEB
C E OBC B OBE
C E OBC B OBC
III
IIIII
IIIII
)1()1()1(
)1(
(2–3a)
(2–3b)
(2–3c)
式中：
C B OC E O II )1(
(2–4)
称为穿透电流 。 因 ICBO很小,在忽略其影响时,则有
BE
BC
II
II
)1(?
(2–5a)
(2–5b)
式 (2–5)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为了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,定义共基极直流电流放大系数 为?
E
C B OC
EN
CN
I
II
I
I (2–6)
显然,<1,一般约为 0.97~0.99。
由式 (2–6),(2–1),不难求得
BCE
EC B OEB
EC B OEC
III
IIII
IIII
)1()1(
(2–7a)
(2–7c)
(2–7b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于,都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系,只是选取的参考量不同,所以两者之间必有内在联系 。 由,的定义可得
1
1
BNBN
BN
CNEN
CN
EN
CN
EE
E
CNE
CN
EN
CN
II
I
II
I
I
I
II
I
II
I
I
I
(2–8)
(2–9)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–1–3 晶体管的放大作用现在用图 2–2来说明晶体管的放大作用 。 若在图中
UBB上叠加一幅度为 100mV的正弦电压 Δui,则正向发射结电压会引起相应的变化 。 由于 e结正向电流与所加电压呈指数关系,所以发射极会产生一个较大的注入电流 ΔiE,例如为 1mA。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–2
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的曲线,它对于了解晶体管的导电特性非常有用 。 晶体管有三个电极,通常用其中两个分别作输入,输出端,第三个作公共端,这样可以构成输入和输出两个回路 。 实际中,有图 2–3所示的三种基本接法 (组态 ),分别称为共发射极,共集电极和共基极接法 。
其中,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
( a )
ce
i
E
i
C
b
( b )
c
e
b
i
B
i
C
( c )
输出回路输入回路
e
c
b
i
B
i
E
图 2–3
(a)共发射极； (b)共集电极； (c)共基极第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–2–1 晶体管共发射极特性曲线因为有两个回路,所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线 。 这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来,也可以用图 2–4电路逐点测出 。
一,共发射极输出特性曲线测量电路如图 2–4所示 。
iB为参变量时,iC与 uCE,即常数 BiCEC ufi )(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
μA
mA
V
V
i
B
i
C
U
CC
U
BB
R
C
R
B
＋
－
u
BE
＋
－
u
CE
＋
－
图 2–4共发射极特性曲线测量电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路典型的共射输出特性曲线如图 2–5所示 。 由图可见,
输出特性可以划分为三个区域,对应于三种工作状态 。
现分别讨论如下 。
1
e结为正偏,c结为反偏的工作区域为放大区 。 由图 2–5可以看出,
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
u
C E
/ V5 10 15
0
1
2
3
4
饱和区截止区
I
B
＝ 40 μ A
30 μ A
20 μ A
10 μ A
0 μ A
i
B
＝－ I
CBO
放大区
i
C
/ m A
u
C E
＝ u
BE
图 2–5 共射输出特性曲线第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(1)基极电流 iB对集电极电流 iC有很强的控制作用,
即 iB有很小的变化量 ΔIB时,iC就会有很大的变化量 ΔIC。
为此,用共发射极交流电流放大系数 β来表示这种控制能力 。 β定义为常数
Eu
B
C
I
I? (2–10)
反映在特性曲线上，为两条不同 IB曲线的间隔 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(2) uCE变化对 IC的影响很小 。 在特性曲线上表现为,
iB一定而 uCE增大时,曲线略有上翘 (iC略有增大 )。 这是因为 uCE增大,c结反向电压增大,使 c结展宽,所以有效基区宽度变窄,这样基区中电子与空穴复合的机会减少,即 iB要减小 。 而要保持 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,或简称基调效应 。 从另一方面看,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
。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,共发射极输入特性曲线测量电路见图 2–4。 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,即典型的共发射极输入特性曲线如图 2–6所示 。
常数 CEuBEB ufi )(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
i
B
/ μA
u
BE
/ V
0
60
90
0,5 0,7 0,9
30
U
C E
＝ 0 U
C E
≥ 1
图 2–6 共发射极输入特性曲线第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(1)在 uCE≥1V的条件下,当 uBE<UBE(on)时,iB≈0。
UBE(on)为晶体管的导通电压或死区电压,硅管约为
0.5~0.6V,锗管约为 0.1V。 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)当 uCE =0时,晶体管相当于两个并联的二极管,
所以 b,e间加正向电压时,iB很大 。 对应的曲线明显左移,见图 2–6。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(3)当 uCE在 0~1V之间时,随着 uCE的增加,曲线右移 。 特别在 0< uCE ≤UCE(sat)的范围内,即工作在饱和区时,移动量会更大些 。
(4)当 uBE<0时,晶体管截止,iB为反向电流 。 若反向电压超过某一值时,e结也会发生反向击穿 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,温度对晶体管特性曲线的影响温度对晶体管的 uBE,ICBO和 β有不容忽视的影响 。
其中,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 2~2.5mV；温度每升高 10℃,
ICBO增大一倍 。 温度对 β的影响表现为,β随温度的升高而增大,变化规律是：温度每升高 1℃,β值增大
0.5%~1%(即 Δβ/βT≈(0.5~1)%/℃ )。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,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 β
和 β分别由式 (2–2),(2–10)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 (2–6)定义,而 α定义为,uCB为常数时,集电极电流变化量 ΔIC与发射极电流变化量 ΔIE之比,即
常数
Bu
E
C
I
I? (2–11)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于 ICBO,ICEO都很小，在数值上 β≈,α≈
应当指出,β值与测量条件有关。一般来说，在 iC
很大或很小时,β值较小。只有在 iC不大、不小的中间值范围内,β值才比较大，且基本不随 iC而变化。因此，
在查手册时应注意 β值的测试条件。尤其是大功率管更
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,
1 ICBO
ICBO指发射极开路时,集电极 —基极间的反向电流,称为集电极反向饱和电流 。
2 ICEO
ICEO指基极开路时,集电极 —发射极间的反向电流,称为集电极穿透电流 。
3 IEBO
IEBO指集电极开路时，发射极 —基极间的反向第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,
结电容包括发射结电容 Ce(或 Cb′e)和集电结电容
Cc(或 Cb′e)。 结电容影响晶体管的频率特性 。 关于晶体管的频率特性参数,详见第五章 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路四,
1
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)CEO<U(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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2 集电极最大允许电流 ICM
β与 iC的大小有关,随着 iC的增大,β值会减小 。
ICM一般指 β下降到正常值的 2/3时所对应的集电极电流 。
当 iC >ICM时,虽然管子不致于损坏,但 β值已经明显减小 。 因此,晶体管线性运用时,iC不应超过 ICM 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
3 集电极最大允许耗散功率 PCM
晶体管工作在放大状态时,c结承受着较高的反向电压,同时流过较大的电流 。 因此,在 c结上要消耗一定的功率,从而导致 c结发热,结温升高 。 当结温过高时,管子的性能下降,甚至会烧坏管子,因此需要规定一个功耗限额 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
PCM与管芯的材料,大小,散热条件及环境温度等因素有关 。 一个管子的 PCM如已确定,则由
PCM =IC·UCE可知,PCM在输出特性上为一条 IC与 UCE
乘积为定值 PCM的双曲线,称为 PCM功耗线,如图 2–7
所示 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
u
C E
工作区
i
C
0
安全
I
C M
U
( BR) CE O
P
C M
图 2–7 晶体管的安全工作区第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–3
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
u
BE
0 u
CE
i
C
0
i
B
( a )
U
B E (o n )
U
C E (s at )
I
B
＝ 0
( b )
图 2–8
(a)输入特性近似； (b)输出特性近似第 2章 双极型晶体管及其放大电路由图 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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
( 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)饱和状态模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 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。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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)直流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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
第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 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
202.01 0 0
02.0
2 7 0
7.06)(
故有第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路若 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
(2–12a)
(2–12b)
(2–12c)
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。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路R
B
U
BB
R
C
U
CC
U
EE
R
E
U
B E (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第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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
B E (o n )
( c )
U
C E (s at )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 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
(a)电路； (b) ui波形图； (c) uo波形图第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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
第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 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第 2章 双极型晶体管及其放大电路所以晶体管处于饱和 。 此时,ICQ=IC(sat)=1.4mA，
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,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 )(
(2–14a)
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
(2–14b)
(2–14c)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B
U
CC
R
C
图 2–13固定偏流电路第 2章 双极型晶体管及其放大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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,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)↓
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B
U
CC
R
C
R
E
图 2–14电流负反馈型偏置电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路结果,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第 2章 双极型晶体管及其放大电路
)(
)1(
)(
ECCQCCC E Q
BQCQ
EB
onBECC
BQ
RRIUU
II
RR
UU
I
(2–15a)
(2–15b)
(2–15c)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路为确保 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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路从分析的角度看,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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 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。
解
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
第 2章 双极型晶体管及其放大电路若按估算法直接求 ICQ,由式 (2–17a)可得
mAR UUI
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–4
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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共射极放大电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路通过上述实例可以看出,用晶体管组成放大器时
(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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路而 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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路以图 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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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 )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路线性放大器
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,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,
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
(2–19a)
(2–19b)
(2–19c)
(2–19d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路其中,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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,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。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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)互阻放大器第 2章 双极型晶体管及其放大电路四,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
T H D
1
2
2?
(2–23)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式中 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 双极型晶体管及其放大电路五,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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–5
2–5–1直流图解分析直流图解分析是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。
对于图 2–16所示共射极放大器,其直流通路重画于图 2–20(a)中 。 由图可知,在集电极输出回路,可列出如下一组方程：
直流负载线方程特性曲线方程
CCCCCE
IiCEC
RiUu
ufi
BQB
)(
(2–24a)
(2–24b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B
U
CC
R
C
( a )
R
C
U
o
U
i
＋
－
R
B
R
L
＋
－
( b )
I
B Q
I
C Q
＋
－
U
CE Q
Δ i
B
Δ i
C
＋
－
Δ U
CE
图 2–20共射放大器的直流,
(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如图 2–21(a)所示 。 图中,直流负载线 MN与 iB=IBQ
的输出特性曲线相交于 Q点,则该点就是方程组 (2–24)
的解 (即直流工作点 )。 因而,量得 Q点的纵坐标为 ICQ，
横坐标则为 UCEQ。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路 i B ＝ I B Q
u
C E
0
N
Q
M
i
C
U
C E Q
U
C C
I
C Q
U
C C
R
C
( a )
图 2–21
(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图 2–21
(a)直流负载线与 Q点； (b)Q点与 RB,RC的关系
u
C E
/ V2 10 12
0
1
2
3
40 μ A
30 μ A
20 μ A
10 μ A
i
C
/ m A
4 6 8
4
M
N
Q
①
②
( b )
R
B
Q
3
Q
2
Q
4
R
C
R
B
Q
1
R
C
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 4 在图 2–20(a)电路中，若
RB=560kΩ,RC=3kΩ,UCC=12V，晶体管的输出特性曲线如图 2–21(b)
解 取 UBEQ=0.7V,由估算法可得
umR UUI
B
BEQCC
BQ 2002.05 6 0
7.012
第 2章 双极型晶体管及其放大电路在输出特性上找两个特殊点：当 uCE=0时，
iC=UCC/RC=12/3=4mA，得 M点；当 iC =0时，
uCE=UCC=12V，得 N点。连接以上两点便得到图 2–21(b)
中的直流负载线 MN，它与 IB=20μA的一条特性曲线的交点 Q，即为直流工作点。由图中 Q
ICQ=2mA,UCEQ=6V。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–5–2
交流图解分析是在输入信号作用下,通过作图来确定放大管各级电流和极间电压的变化量 。 此时,放大器的交流通路如图 2–20(b)所示 。 由图可知,由于输入电压连同 UBEQ一起直接加在发射结上,因此,瞬时工作点将围绕 Q点沿输入特性曲线上下移动,从而产生
iB的变化,如图 2–22(a)所示 。 瞬时工作点移动的斜率为,
LCE
C
ku
ik
1 (2–25)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–22
(a)输入回路的工作波形； (b)输出回路的工作波形
i
B
I
B Q
t
i
B
I
B Q
u
BE
u
BE
t
i
Bma x
i
Bmi n
Q
U
BE Q
( a )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–22
(a)输入回路的工作波形； (b)输出回路的工作波形
Q
i
C
i
B m a x
i
B m i n
i
C
I
C Q
t
t
u
CE
u
CE
U
CC
U
CE Q I
C Q
R
L
′
I
C Q
U
C C
R
C
交流负载线 k ＝－
R
C
′
1
Q
1
Q
2
I
B Q
( b )
A
第 2章 双极型晶体管及其放大电路画出交流负载线之后,根据电流 iB的变化规律,可画出对应的 iC和 uCE的波形 。 在图 2–22(b)中,当输入正弦电压使 iB按图示的正弦规律变化时,在一个周期内 Q
点沿交流负载线在 Q1到 Q2之间上下移动,从而引起 iC
和 uCE分别围绕 ICQ和 UCEQ作相应的正弦变化 。 由图可以看出,两者的变化正好相反,即 iC增大,uCE减小；反之,iC减小,则 uCE增大 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路根据上述交流图解分析,可以画出在输入正弦电压下,放大管各极电流和极间电压的波形,如图 2–23
所示 。 观察这些波形,
(1)放大器输入交变电压时,晶体管各极电流的方向和极间电压的极性始终不变,只是围绕各自的静态值,按输入信号规律近似呈线性变化 。
(2)晶体管各极电流,电压的瞬时波形中,只有交流分量才能反映输入信号的变化,因此,需要放大器输出的是交流量 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
t
u
i
t
u
BE
U
BE Q
i
B
t
I
B Q
i
C
t
I
C Q
u
CE
t
U
CE Q
u
o
0
0
0
0
0
0
t图 2–23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路
(3)将输出与输入的波形对照,可知两者的变化规律正好相反,通常称这种波形关系为反相或倒相 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–5–3直流工作点与放大器非线性失真的关系直流工作点的位置如果设置不当,会使放大器输出波形产生明显的非线性失真 。 2–24(a)中,Q点设置过低,在输入电压负半周的部分时间内,动态工作点进入截止区,使 iB,iC不能跟随输入变化而恒为零,从而引起 iB,iC和 uCE的波形发生失真,这种失真称为截止失真 。 由图可知,对于 NPN管的共射极放大器,当发生截止失真时,其输出电压波形的顶部被限幅在某一数值上 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路若 Q点设置过高,如图 2–24(b)所示,则在输入电压正半周的部分时间内,动态工作点进入饱和区 。 此时,
当 iB增大时,iC则不能随之增大,因而也将引起 iC和 uCE
波形的失真,这种失真称为饱和失真 。 由图可见,当发生饱和失真时,其输出电压波形的底部将被限幅在某一数值上 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
Q
交流负载线
i
C
0t0
i
C
i
B
u
CE
u
CE
0
t
( a )
图 2–24 Q
(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图 2–24 Q
(a)截止失真； (b)饱和失真
Q
交流负载线
i
C
i
C
i
B
0
t u
CE
u
CE
0
( b )
t
0
第 2章 双极型晶体管及其放大电路通过以上分析可知,由于受晶体管截止和饱和的限制,放大器的不失真输出电压有一个范围,其最大值称为放大器输出动态范围 。 由图 2–24可知,因受截止失真限制,其最大不失真输出电压的幅度为而因饱和失真的限制,最大不失真输出电压的幅度则为 C E SC E Qom
LCQom
UUU
RIU
(2–26a)
(2–26b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式中,UCES表示晶体管的临界饱和压降,一般取为 1V。 比较以上二式所确定的数值,其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
Uopp则为该幅度的两倍,即
Uopp=2Uom (2–27)
显然,为了充分利用晶体管的放大区,使输出动态范围最大,直流工作点应选在交流负载线的中点处 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–6
2–6–1 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：一类是物理型电路模型,它是模拟晶体管结构及放大过程导出的电路模型,它有多种形式,其中较为通用的是混合 π型电路模型；另一类是网络参数模型,它是将晶体管看成一个双端口网络,根据端口的电压,电流关系导出的电路模型,其中应用最广的是 H参数电路模型 。 不论按哪种方法导出的电路模型,它们都应当是等价的,因而相互间可以进行转换 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,混合 π
工作在放大状态下的共射极晶体管如图 2–25(a)所示。
u
ce
i
b
＋
－
＋
－
u
be
i
c
( a )
g
m
u
be
＋
－
u
be
＋
－
u
ce
r
be
r
ce
r
bcb c
e
( b )
图 2–25
(a)共发射极晶体管； (b)电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路晶体管输入端 ube控制 iB的作用,可以用 b,e极间相应的交流结电阻 rbe来等效,其大小为静态工作点处 uBE对 iB的偏导值,即
b
e
Q
B
E
b
be
Q
E
BE
e
eQ
E
BE
B
E
Q
B
BE
b
be
be
i
i
i
i
i
u
i
u
r
r
i
u
i
i
i
u
i
u
r
1,
)1((2–28)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路分别为发射结交流电阻和 re等效到基极支路的折合系数 。 根据正向 PN结电流与电压间的近似关系式
T
BE
U
u
SE eIi?
可求得 re，其值为
EQ
T
U
S
T
Q
BE
E
e I
U
eI
Uu
i
r
TUB E Q
/1
11
(2–29)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路可见,re与温度有关，并与晶体管直流工作电流
IEQ成反比。室温下,UT=26mV re=26mV/IEQ。
ube通过 ib对 ic的控制作用，可以用接在 c,e极间的一个电压控制电流源来等效，即
ic =gmube (2–30)
式中控制参量 gm反映 ube对 ic的控制能力,称为正向传输电导,简称跨导 。 其大小为静态工作点处 iC对 uBE
的偏导值,即
b
c
Q
B
C
be
Q
BE
B
B
C
Q
BE
C
be
c
m
i
i
i
i
ru
i
u
i
u
i
u
i
g
(2–31)
式中,
第 2章 双极型晶体管及其放大电路为共发射极交流电流放大系数 。 利用式 (2–28)和
,gm又可表示为
1
T
CQ
T
EQ
ee
m U
I
U
I
rrg
)1(
(2–32)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路根据上述晶体管放大过程画出的共发射极交流等效电路模型如图 2–25(b)所示 。 图中 rce和 rbc分别为集电极输出电阻和反向传输电阻,它们都是模拟基区调宽效应的等效参量 。 由晶体管特性曲线可知,当 uCE变化时,iC和 iB都将发生相应变化 。 其中,uce引起的 ic变化用交流电阻 rce等效,其值为
Q
C
CE
c
ce
ce i
u
i
ur
(2–33)
反映在输出特性上，即是曲线在工作点处切线斜
uce引起的 ib变化用交流电阻 rbc等效,其值为第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–26为平面管的结构示意图,图中 rbb′,ree′和 rcc′
分别表示基区,发射区和集电区沿电流方向的体电阻 。
在图 2–25(b)的电路模型中,当考虑了寄生参量
rbb′,Cb′e和 Cb′c的影响后,便得到完整的混合 π型电路模型,如图 2--27(a)所示 。
ceQ
C
CE
B
C
Q
B
CE
b
ce
be ri
u
i
i
i
u
i
ur
(2–34)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
c
eb
r
b b ′
r
cc ′
P
N
＋
N
＋
N
C
b′ c
C
b′ e
r
ee ′
b′
图 2–26平面管结构示意图第 2章 双极型晶体管及其放大电路
g
m
u
b e
＋
－
u
be
＋
－
u
ce
r
ce
b c
e
( a )
r
b b ′
C
b′ c
r
b′ e
b′
r
b′ c
′
C
b′ e
图 2–27完整的混合 π
(a)高频时的电路模型； (b)低频时的电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–27完整的混合 π
(a)高频时的电路模型； (b)低频时的电路模型
g
m
u
b e
＋
－
u
be
＋
－
u
ce
r
ce
b c
e
( b )
r
b b ′
r
b′ e
b′
r
b′ c
′
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,低频 H参数电路模型对于图 2–25(a)所示的共发射极晶体管,在低频工作条件下,当把它看成一个双端口网络时,若取 iB和
uCE为自变量,则有
),(
),(
2
1
CEBC
CEBBE
uifi
uifu
(2–35a)
(2–35b)
在工作点处，对式 (2–35)取全微分，得
CEQ
CE
C
BQ
B
C
C
CEQ
CE
BE
BQ
B
BE
BE
du
u
i
di
i
i
di
du
u
u
di
i
u
du
(2–36a)
(2–36b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路当输入为正弦量并用有效值表示时,以上两式可写为
cecebfec
cerebiebe
UhIhI
UhIhU
(2–37a)
(2–37b)
式中：
0
0
0
0
b
ce
b
ce
I
ce
c
Q
CE
C
oe
U
b
c
Q
B
C
ie
I
ce
be
Q
CE
BE
re
U
b
be
Q
B
BE
ie
U
I
u
i
h
I
I
i
i
h
U
U
u
u
h
I
U
i
u
h
(2–38a)
(2–38b)
(2–38c)
(2–38d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路分别定义为晶体管输出交流短路时的输入电阻,
输入交流开路时的反向电压传输系数,输出交流短路时的电流放大系数和输入交流开路时的输出电导 。 可见,这四个参数具有不同的量纲,而且要在输入开路或输出交流短路条件下求得 。
由式 (2–37)并根据四个参数的意义,得出的低频 H
参数电路模型如图 2–28所示 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
be
＋
－
U
ce
b c
e
h
ie
h
oe
1
h
fe
I
b
I
e
I
b
＋
－
h
re
U
ce
图 2–28 共发射极晶体管 H参数电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于共射极输入,输出特性曲线本身就是描述晶体管端口特性的一种方式,因此,在工作点处,当用变化量的比值近似偏导数时,可在特性曲线上通过图解求出电 路模型 中每 一参数 值 。 其 方法见 图 2–
29(a)~(d)。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
u
BE
Q
I
B Q
Δ u
BE
i
B
( a )
Δ i
B
0 U
BE Q
u
CE
＝ U
CE Q
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
u
BE
Q
I
B Q
Δ u
BE
i
B
( b )
0
u
BE 1
u
CE 1
u
CE 2
Δ u
CE
u
BE 2
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
0
i
C
u
CE
( c )
Q
U
CE Q
I
B 2
I
B 1
Δ I
B
i
C 1
i
C 2
Δ i
C
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
0
i
C
u
CE
( d )
Q
U
CE Q
I
B Q
i
C 2
i
C 1
Δ i
C
u
CE 2
u
CE 1
Δ u
CE
第 2章 双极型晶体管及其放大电路对于 hoe,还可采用下述方法估算 。 由于基区调宽效应,当 iB一定时,iC随 uCE的增大略有上翘 。 若将每条共射极输出特性曲线向左方延长,都会与 uCE负轴相交于一点,其交点折合的电压称为厄尔利电压,用 UA
表示,如图 2–30所示 。 显然,UA越大,表示基区调宽效应越弱 。 对于小功率晶体管,UA一般大于 100V。 由图 2--30不难求出在 Q点处的 hoe,即
A
CQ
I
C EQA
CQ
Q
CE
C
oe U
I
UU
I
u
ih
BQ
(2–39)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
i
C
U
A
0 U
C E Q
u
C E
I
C Q
Δ u
CE
Q
Δ i
C
I
B Q
图 2–30利用厄尔利电压求 hoe
第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于混合 π型电路模型与 H参数电路模型等价,所以 H参数还可以通过混合 π型参数确定 。 输出交流短路和输入交流开路的低频混合 π型电路分别如图 2–
31(a),(b)所示 。 利用该图并根据式 (2–38)每个 H参数的意义,可分别求得如下关系：
U
ce
＝ 0
＋
－
U
be
r
ce
b c
e
( a )
r
b b ′
r
b′ e
b′
r
b′ c
I
b
g
m
U
b e′
I
c
图 2–31求 H参数用的混合 π
(a)输出交流短路的混合 π型电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
be
r
ce
b c
e
( b )
r
b b ′
r
b′ e
b′
r
b′ c
g
m
U
b e′
I
c
I
b
＝ 0
＋
－
U
ce
图 2–31求 H参数用的混合 π
(a)输出交流短路的混合 π型电路；
(b)输入交流开路的混合 π型电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
cbeb
eb
I
ce
be
re
cbeb
ebm
ce
I
c
ce
oe
cbebmU
b
c
fe
cbebbbU
b
be
ie
rr
r
U
U
h
rr
rg
rI
U
h
rrg
I
I
h
rrr
I
U
h
b
b
ce
ce
0
0
0
0
11
)(
)(
(2–40a)
(2–40b)
(2–40c)
(2–40d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路如果忽略 r b′c的影响,则式 (2–40)可简化为
0
1
)1(
re
ce
oe
ebmfe
beebbie
h
r
h
rgh
rrrh
(2–41a)
(2–41b)
(2–41c)
(2–41d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路这就是工程分析中实用的 H参数 。 其相应的低频 H
参数电路模型如图 2–32所示 。
管交流模型各具特点 。 通常,在宽带放大器的分析中,
2–27(a)混合 π型电路模型比较方便；而在低频放大器的分析中,采用图 2–32H参数电路模型则相对简单 。 为了使参数一致,在以后的分析中均采用混合 π
型电路参数 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
be
＋
－
U
ce
( r
ce
)
b c
e
h
ie
( r
be
)
h
oe
1
h
fe
I
b
I
c
I
b
( βI
b
)
图 2–32 实用的低频 H参数电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–6–2 共射极放大器的交流等效电路
,可按以下步骤进行 。 第一步,根据直流通路估算直流工作点；第二步,确定放大器交流通路,用晶体管交流模型替换晶体管得出放大器的交流等效电路；第三步,
根据交流等效电路计算放大器的各项交流指标 。 其中,
关于工作点分析已在 2–3–3节中作过详细介绍,这里不再讨论 。 下面将以共射放大器为例,着重讨论放大电路交流性能的分析方法 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路共射极放大器如图 2–33(a)所示 。 图中,采用分压式稳定偏置电路,使晶体管有一合适工作点 (ICQ，
UCEQ)。 由于旁通电容 CE将 RE交流短路,因而射极交流接地 。 由放大器交流通路可以画出图 2–33(b)所示交流等效电路 。 图中虚线方框部分就是被替换的晶体管交流模型 。 根据该等效电路,共射极放大器的交流指标分析如下 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
－
＋
＋
－
U
o
U
i
U
s
R
s
R
B2
＋
C
1
R
E
C
E ＋
R
L
U
CC
R
C
R
B1
＋
C
2
( a )
图 2–33
(a)电路； (b)交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–33
(a)电路； (b)交流等效电路
U
i
R
i
＋
＋
－ －
R
s
R
B2
r
be
I
i
R
C
R
L
U
o
＋
－
( b )
e
I
b
βI
b
r
ce
R
o
I
c
I
o
b c
R
B1
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1.电压放大倍数 Au
由图可知,输入交流电压可表示为
LCL
CQ
bbebbbe
be
L
be
LC
i
o
u
LCbLCco
bebi
RRR
mVI
mV
rrrr
r
R
r
RR
U
U
A
RRIRRIU
rIU
)(
)(
)(26
)1(
)(
)()(
输出交流电压为故得电压放大倍数式中：
(2---42)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2.电流放大倍数 Ai
由图 2–33(b)可以看出,流过 RL的电流 Io为
i
LC
C
beB
B
i
o
i
B
beB
bi
LC
C
b
LC
C
co
A
RR
R
rR
R
I
I
A
R
rR
II
RR
R
I
RR
R
II
而式中 RB=RB1‖ RB2。 由此可得
(2–44)
(2–45)
若满足 RB>>rbe,RL<<RC,则第 2章 双极型晶体管及其放大电路
4,
按照 Ro的定义,在图 2–33(b)电路的输出端加一电压 Uo,并将 Us短路时,因 Ib=0,则受控源 βIb=0。 这时,
从输出端看进去的电阻为 RC,因此
CU
o
o
o RI
UR
s
0
(2–48)
另外,放大器的输入,输出电阻还可以通过测量求得 。 测量电路分别如图 2–34(a),(b)所示 。 在图 (a)
中,分别测出已知电阻 R两端到地的电压 U′i和 Ui,因而输入电流 Ii为第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
s
R
s
＋
－
U
i
′
R I
i
＋
－
U
i
R
i
放大器
R
L
( a )
＋
U
s
R
s
S＋
－
U
o
放大器
R
L
( b )
－
＋
－
U
o
′
R
o
图 2–34 Ri和 Ro
(a) Ri的测量电路； (b) Ro的测量电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路在图 (b)中,用开关 S控制已知负载电阻 RL是否接到输出端 。 在输入电压作用下,首先打开 S,测得负载开路电压 U′o,然后闭合 S,测得接入负载时的电压 Uo。
因两者电压有如下关系：
R
UU
U
I
U
R
R
UU
R
U
I
ii
i
i
i
i
iiR
i
由 Ri定义可得
(2–49)
L
o
o
o
o
Lo
L
o
R
U
U
R
U
RR
R
U
)1(?
所以
(2–50)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
5,源电压放大倍数 Aus
Aus定义为输出电压 Uo与信号源电压 Us的比值,即
u
is
i
i
o
s
i
s
o
us ARR
R
U
U
U
U
U
UA
(2–51)
可见,|Aus|<|Au|。 若满足 Ri Rs,则 Aus≈Au。
6,将旁通电容 CE开路即发射极接有电阻 RE时的情况此时,对交流信号而言,发射极将通过电阻 RE接地,
其交流等效电路如图 2–35所示 。 由图可知
Ebbebbebi RIrIrIU )1(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
s
R
s
＋
－
U
i
R
b2
R
b1
R
E
r
be βI b
R
C
R
L
＋
－
U
o
I
b
图 2–35 发射极接电阻时的交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路而 Uo仍为 -βIbR′L，则电压放大倍数变为
Em
Lm
Ebe
L
i
o
u Rg
Rg
Rr
R
U
UA
1)1(?
(2–52)
可见放大倍数减小了 。 这是因为 RE的自动调节
(负反馈 )作用,使得输出随输入的变化受到抑制,从而导致 Au减小 。 当 (1+β)RE>>rbe时,则有
E
L
u R
RA (2–53)
与此同时,从 b极看进去的输入电阻 R′i变为
Ebe
b
i
i RrI
UR )1(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路即射极电阻 RE折合到基极支路应扩大 (1+β)倍 。 因此,放大器的输入电阻为
Ri=RB1‖ RB2‖ R′i (2–54)
显然,与式 (2–46)相比,输入电阻明显增大了 。
对于输出电阻,尽管 Ic更加稳定,但从输出端看进去的电阻仍为 RC,即 Ro=RC。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 5 在图 2–33(a)电路中，若 RB1=75kΩ，
RB2=25kΩ,RC=RL=2kΩ,RE=1kΩ,UCC=12V，晶体管采用
3DG6管,β=80,r bb′=100Ω,Rs=0.6kΩ,试求该放大器的直流工作点 ICQ,UCEQ及 Au,Ri,Ro和 Aus等项指标。
解 按估算法计算 Q点：
VRRIUU
mA
R
UU
II
VU
RR
R
U
ECCQCCC E Q
E
B E QB
EQCQ
CC
BB
B
B
1.5)12(3.212)(
3.2
1
7.03
312
2575
25
21
2
第 2章 双极型晶体管及其放大电路下面计算交流指标。
kRRR
k
I
rr
r
R
U
U
A
LCL
CQ
bbbe
be
L
i
o
u
122
1
3.2
26
801 0 0
26
第 2章 双极型晶体管及其放大电路将 rbe,R′L的阻值代入上式,得
50)80(
16.0
1
2
111575
80
1
180
21
u
is
i
s
o
us
Co
beBBi
u
A
RR
R
U
U
A
kRR
krRRR
A
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 6 在上例中,将 RE变为两个电阻 RE1和 RE2串联,
且 RE1=100Ω,RE2=900Ω,而旁通电容 CE接在 RE2两端,
其它条件不变,试求此时的交流指标 。
解 由于 RE=RE1+RE2=1kΩ,所以 Q点不变 。 对于交流通路,现在射极通过 RE1接地 。 因而,交流等效电路变为图 2–35所示电路,只是图中 RE=RE1=100Ω。 此时,
各项指标分别为第 2章 双极型晶体管及其放大电路可见,RE1的接入,使得 Au减小了约 10倍 。 但是,
由于输入电阻增大,因而 Aus与 Au的差异明显减小了 。
8)8.8(
66.0
6
2
61.0811[2575])1([
8.8
1.0811
180
)1(
121
1
u
is
i
s
o
us
Co
EbeBBi
Ebe
L
i
o
u
A
RR
R
U
U
A
kRR
kRrRRR
Rr
R
U
U
A
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–7
2–7–1共集电极放大器共集电极放大电路如图 2–36(a)所示 。 图中采用分压式稳定偏置电路使晶体管工作在放大状态 。 具有内阻 Rs的信号源 Us从基极输入,信号从发射极输出,而集电极交流接地,作为输入,输出的公共端 。 由于信号从射极输出,所以该电路又称为射极输出器 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
－
＋
U
o
U
i
U
s
R
s
R
B2
C
1
R
E
R
L
U
CC
R
B1
( a )
＋
C
2
图 2–36
(a)电路； (b)交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–36
(a)电路； (b)交流等效电路
U
i
R
i
＋
＋
－
－
R
s
U
s
R
B1
( b )
I
b
R
o
R
B2
r
be
βI
b
b c
I
c
I
e
R
E
R
L
I
o
R
i
′
I
i
e
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1.电压放大倍数 Au
由图 2–36(b)，可得如下关系式
LEL
Lbe
L
i
o
u
Lbbebobebi
LbLEeo
RRR
Rr
R
U
U
A
RIrIUrIU
RIRRIU
)1(
)1(
)1(
)1()(
因而
(2–55)
式中：
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式 (2–55)表明,Au恒小于 1,一般情况下,满足
(1+β)R′L>>rbe,因而又接近于 1,且输出电压与输入电压同相 。 换句话说,输出电压几乎跟随输入电压变化 。
因此,共集电极放大器又称为射极跟随器 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2.电流放大倍数 Ai
在图 2–36(b)中,当忽略 RB1,RB2的分流作用时,
则 Ib=Ii,而流过 RL的输出电流 Io为
LE
E
i
o
i
LE
E
b
LE
E
eo
RR
R
I
I
A
RR
R
I
RR
R
II
)1(
)1(
由此可得
(2–56)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
3.输入电阻 Ri
由图 2–36(b)可知，从基极看进去的电阻 R′i为
iBBi
LbeL
RRRR
RrR
21
)1(?
所以与共射电路相比，由于 R′i显著增大，因而共集电路的输入电阻大大提高了。
(2–57)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
4.输出电阻 Ro
在图 2–36(b)中,当输出端外加电压 Uo,而将 Us短路并保留内阻 Rs时,2–37所示电路 。 由图可得
＋
－
U
o
r
be
R
s
R
B2
R
B1
βI
b
R
o
′
R
E
R
o
I
o
I
e
I
o
′
I
b
图 2–37求共集放大器 Ro的等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1
1
)1(
)(
0
21
sbe
EoEU
b
o
o
sbe
o
o
o
beo
BBss
sbebo
Rr
RRR
I
U
R
Rr
I
U
R
III
RRRR
RrIU
s
则由 e极看进去的电阻 R′o为所以,输出电阻
(2–58)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–7–2共基极放大器图 2–38(a)给出了共基极放大电路 。 图中 RB1,RB2、
RE和 RC构成分压式稳定偏置电路,为晶体管设置合适而稳定的工作点 。 信号从射极输入,由集电极输出,
而基极通过旁通电容 CB交流接地,作为输入,输出的公共端 。 按交流通路画出该放大器的交流等效电路如图 2–38(b)所示 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路C
1
－
＋
U
i
＋
R
E
＋
C
2
R
CR
B1
R
B2
＋ C
B
－
＋
U
o
R
L
U
CC
( a )
图 2–38
(a)共基极放大电路； (b)交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–38
(a)共基极放大电路； (b)交流等效电路
I
i
－
＋
U
i
R
E
R
i
I
e
r
be
R
i
′
βI
b
I
c
R
C
R
o
R
L
I
o
－
＋
U
o
( b )
I
b
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1.电压放大倍数 Au
由图 2–38(b)可知
LCL
be
L
i
o
u
LCbobebi
RRR
r
R
U
U
A
RRIUrIU
)(,
(2–59)
所以式中：
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2,电流放大倍数 Ai
在图 2–38(b)中，由于输入电流 Ii≈Ie，而输出电流
LC
C
co RR
RII
,故有
LC
C
LC
C
e
c
i
o
i RR
R
RR
R
I
I
I
IA
(2–60)
显然,Ai<1。 若 RC>>RL,则 Ai≈α,即共基极放大器没有电流放大能力 。 但因 Au>>1,所以仍有功率增益 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
3.输入电阻 Ri
按上述基极支路和射极支路的折合关系，由射极看进去的电阻 R′i为
1
1
be
EiEi
be
e
i
L
r
RRRR
r
I
U
R
所以
(2–61)
4.输出电阻 Ro
由图 2–38(b)可知,若 Ui=0,则 Ib=0,βIb=0,显然有
Co RR?
(2–62)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–7–3 三种基本放大器性能比较以上我们分析了共射,共集和共基三种基本放大器的性能,为了便于比较,现将它们的性能特点列于表 2–1中 。 其中,共射极电路既有电压增益,又有电流增益,所以应用最广,常用作各种放大器的主放大级 。
但作为电压或电流放大器,它的输入和输出电阻并不理想 ——即在电压放大时,输入电阻不够大且输出电阻又不够小；而在电流放大时,则输入电阻又不够小且输出电阻也不够大 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–8 放大器的级联
2–8–1级间耦合方式多级放大器各级之间连接的方式称为耦合方式 。 级间耦合时,一方面要确保各级放大器有合适的直流工作点,另一方面应使前级输出信号尽可能不衰减地加到后级输入 。 常用的耦合方式有三种,即阻容耦合,
变压器耦合和直接耦合 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接,
其方框图如图 2–39(a)所示 。 由于电容器隔直流而通交流,所以各级的直流工作点相互独立,这样就给设计,
调试和分析带来很大方便 。 而且,只要耦合电容选得足够大,则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级,实现逐级放大 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
i
R
i2
A
1
A
2
＋
－
U
o
C
( a )
＋
－
U
i
R
i2
A
1
A
2
＋
－
U
o
( b )
N
2
N
1
R
i2
′
图 2–39
(a)阻容耦合框图； (b)变压器耦合框图第 2章 双极型晶体管及其放大电路
U
o
R
E2
U
CC
( a )
U
o
U
CC
图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联
U
o
U
CC
( b )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联
U
CC
( c )
U
o Q
U
i Q
R
I
o
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联
U
o
U
CC
( d )
N P N
P N P
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–8–2级联放大器的性能指标计算分析级联放大器的性能指标,一般采用的方法是：
通过计算每一单级指标来分析多级指标 。 在级联放大器中,由于后级电路相当于前级的负载,而该负载正是后级放大器的输入电阻,所以在计算前级输出时,
只要将后级的输入电阻作为其负载,则该级的输出信号就是后级的输入信号 。 因此,一个 n级放大器的总电压放大倍数 Au可表示为
unuu
no
oo
i
o
i
o
u AAAU
U
U
U
U
U
U
UA
21
)1(01
21
(2–64)
可见,Au为各级电压放大倍数的乘积。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路级联放大器的输入电阻就是第一级的输入电阻 Ri1。
不过在计算 Ri1时应将后级的输入电阻 Ri2作为其负载,
即
211 iL RRio RR
(2–65)
而级联放大器的输出电阻就是最末级的输出电阻
Ron。 不过在计算 Ron时应将前级的输出电阻 Ro(n-1)作为其信号源内阻,即
)1( nosn RRono RR
(2–66)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 7 图 2-41(a)给出了一个分别由 NPN和 PNP管构成的两极直接耦合的共射极放大器，其交流通路如图 2-
41（ b)所示，试计算该电路的交流指标。
解 （ 1）电压放大倍数 Au
12
21
12
121
1
1
22
2
2 2 2 2
1 1 2 1
22
()
()
( 1 )
Li
sC
o
u u u
i
Cio
u
i be
CLo
u
i be E
i i R R B B be
o o R R C
U
A A A
U
RRU
A
Ur
RRU
R
U r R
R R R R r
R R R
(2) 输入电阻 Ri
(3) 输入电阻 Ro
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
－
＋
＋
－
U
o
U
i
R
B2
＋
R
E1
C
E
＋
U
CC
R
C1
R
B1
( a )
V
1
R
E2
R
C2
＋
R
L
V
2
图 2-41 两级共射极放大器
(a)电路 (b) 交流通路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2-41 两级共射极放大器
(a)电路 (b) 交流通路
－
＋
＋
－
U
o
U
i
R
B2
( b )
R
B1
R
i
R
C1
R
E2
R
i2
R
C2
R
L
R
o
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–8–3
实际应用的放大器,除了要有较高的放大倍数之外,往往还对输入,输出电阻及其它性能提出要求 。
根据三种基本放大电路的特性,将它们适当组合,取长补短,可以获得各具特点的组合放大器 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,共集 —共射 (CC–CE)和共射 —共集 (CE–CC)组合放大器
CC–CE和 CE–CC组合放大器的交流通路分别如图 2–
42(a),(b)所示 。 利用共集放大器输入电阻大而输出电阻小的特点,将它作为输入级构成 CC–CE组合电路时,
放大器具有很高的输入电阻,这时源电压几乎全部输送到共射电路的输入端 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
o
R
B1
( a )
R
i
↑
R
B2
R
C2
R
L
R
o
－
＋
U
i
＋
－
U
s
R
s
R
E1
R
o1
↓
V
1
V
2
图 2–42CC–CE和 CE–CC
(a)CC–CE电路； (b)CE–CC电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–42CC–CE和 CE–CC
(a)CC–CE电路； (b)CE–CC电路
＋
－
U
o
R
B1
( b )
R
i
R
B2
R
L
R
o
↓
－
＋
U
i
V
1
R
C1
R
i2
↑
R
E2
V
2
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 8 放大电路如图 2–43所示。已知晶体管 β=100,
rbe1=3kΩ,rbe2=2kΩ,rbe3=1.5kΩ，试求放大器的输入电阻、输出电阻及源电压放大倍数。
R
s
＋
－
U
s
R
E1
5,3 k
V
Z
R
R
C2
3k
R
E3
3k
－ U
EE
( － 6 V )
R
L
U
o
－
＋
0,2 k
V D
1
V
1
V
2
V
3
(＋ 6 V )
＋ U
CC
2k
U
Z
图 2–43 例 8电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 该电路为共集,共射和共集三级直接耦合放大器,
亦可看作 CC--CE–CC组合放大器 。 为了保证输入和输出端的直流电位为零,电路采用了正,负电源,并且用稳压管 VZ和二极管 VD1分别垫高 V2,V3管的射极电位 。 而在交流分析时,因其动态电阻很小,可视为短路 。
(1)输入电阻 Ri：
k
RRrRR
krR
iEbeRRii
bei
iL
1 5 0)23.5)(1 0 01(3
))(1(
2
2111
22
21
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(2)输出电阻 Ro,
45
1001
5.13
3
1
3
32
33
22
23
beC
ERRoo
Co
rR
RRR
kRR
os
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,共射 —共基 (CE–CB)组合放大器
CE–CB组合放大器及其交流通路分别如图 2–
44(a),(b)所示 。 由于共基放大器的输入电阻很小,将它作为负载接在共射电路之后,致使共射放大器只有电流增益而没有电压增益 。 而共基电路只是将共射电路的输出电流接续到输出负载上 。 因此,这种组合放大器的增益相当于负载为 R′L(=RC‖ RL)的一级共射放大器的增益,即第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B3
( a )
＋
－
U
s
R
s
U
i
＋
C
1
R
B2
＋
C
3
R
B1
R
C
＋
C
2
U
CC
U
o
＋
C
E
R
E
R
L
V
2
V
1
U
o1
图 2–44 CE–CB
(a)电路； (b)交流通路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–44 CE–CB
(a)电路； (b)交流通路
＋
－
U
s
R
s
( b )
R
i
R
B
＋
－
U
i
V
1
R
i2
V
2
U
o1
R
C
R
L
R
o
＋
－
U
o
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
121
2
2
1
1
1
2
1
1
1
21
11
211
a
I
I
I
I
I
I
I
I
A
r
R
r
Ra
Ir
RaI
U
U
A
e
c
b
c
b
c
i
o
i
be
L
be
L
bbe
Lb
i
o
u
而第 2章 双极型晶体管及其放大电路接入低阻共基电路使得共射放大器电压增益减小的同时,也大大减弱了共射放大管内部的反向传输效应 。 其结果,一方面提高了电路高频工作时的稳定性,
另一方面明显改善了放大器的频率特性 。 正是这一特点,使得 CE–CB
应用 。
2–1 双极型晶体管的工作原理
2–2 晶体管伏安特性曲线及参数
2–3 晶体管工作状态分析及偏置电路
2–4 放大器的组成及其性能指标
2–5 放大器图解分析法
2–6 放大器的交流等效电路分析法
2–7 共集电极放大器和共基极放大器
2–8 放大器的级联第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件 。
它有三个电极,所以又称为半导体三极管,晶体三极管等,以后我们统称为晶体管 。
晶体管的原理结构如图 2–1(a)所示 。 由图可见,组成晶体管的三层杂质半导体是 N型 —P型 —N型结构,
所以称为 NPN管 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
P
集电极基极发射极集电结发射结发射区 集电区
( a )
N P N
c
e
b
P N P
c
e
b
b
基区
e c
( b )
N
＋
衬底
N 型外延
P
N
＋
c
e b
S i O
2
绝缘层集电结基区发射区发射结集电区
( c )
N N
图 2–1
(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
2–1–1放大状态下晶体管中载流子的传输过程当晶体管处在发射结正偏,集电结反偏的放大状态下,管内载流子的运动情况可用图 2--2说明 。 我们按传输顺序分以下几个过程进行描述 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–2晶体管内载流子的运动和各极电流
c
I
C
e
I
E
N
P
N
I
B
R
C
U
CC
U
BB
R
B
I
CBO
1 5 V
b
I
BN
I
EP
I
EN
I
CN
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,发射区向基区注入电子由于 e结正偏,因而结两侧多子的扩散占优势,这时发射区电子源源不断地越过 e结注入到基区,形成电子注入电流 IEN。 与此同时,基区空穴也向发射区注入,
形成空穴注入电流 IEP。 因为发射区相对基区是重掺杂,
基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度,所以满足
IEP << IEN,可忽略不计 。 因此,发射极电流 IE≈IEN，
其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二,电子在基区中边扩散边复合
,成为基区中的非平衡少子,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 IBN,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三,扩散到集电结的电子被集电区收集由于集电结反偏,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
2–1–2
由以上分析可知,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有如下关系：
C B OCNC
C B OCNB
CNBNENE
III
III
IIII
(2–1a)
(2–1b)
(2–1c)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式 (2–1)表明,在 e结正偏,c结反偏的条件下,晶体管三个电极上的电流不是孤立的,它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系 。 这一比例关系主要由基区宽度,掺杂浓度等因素决定,管子做好后就基本确定了 。 反之,一旦知道了这个比例关系,
就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系,从而为定量分析晶体管电路提供方便 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路为了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,定义共发射极直流电流放大系数为?
C B OB
C B OC
BN
CN
II
II
I
I
(2–2)
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 20~200
之间 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路确定了 值之后,由式 (2–1),(2–2)可得?
CEB
C E OBC B OBE
C E OBC B OBC
III
IIIII
IIIII
)1()1()1(
)1(
(2–3a)
(2–3b)
(2–3c)
式中：
C B OC E O II )1(
(2–4)
称为穿透电流 。 因 ICBO很小,在忽略其影响时,则有
BE
BC
II
II
)1(?
(2–5a)
(2–5b)
式 (2–5)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为了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,定义共基极直流电流放大系数 为?
E
C B OC
EN
CN
I
II
I
I (2–6)
显然,<1,一般约为 0.97~0.99。
由式 (2–6),(2–1),不难求得
BCE
EC B OEB
EC B OEC
III
IIII
IIII
)1()1(
(2–7a)
(2–7c)
(2–7b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于,都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系,只是选取的参考量不同,所以两者之间必有内在联系 。 由,的定义可得
1
1
BNBN
BN
CNEN
CN
EN
CN
EE
E
CNE
CN
EN
CN
II
I
II
I
I
I
II
I
II
I
I
I
(2–8)
(2–9)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–1–3 晶体管的放大作用现在用图 2–2来说明晶体管的放大作用 。 若在图中
UBB上叠加一幅度为 100mV的正弦电压 Δui,则正向发射结电压会引起相应的变化 。 由于 e结正向电流与所加电压呈指数关系,所以发射极会产生一个较大的注入电流 ΔiE,例如为 1mA。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–2
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的曲线,它对于了解晶体管的导电特性非常有用 。 晶体管有三个电极,通常用其中两个分别作输入,输出端,第三个作公共端,这样可以构成输入和输出两个回路 。 实际中,有图 2–3所示的三种基本接法 (组态 ),分别称为共发射极,共集电极和共基极接法 。
其中,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
( a )
ce
i
E
i
C
b
( b )
c
e
b
i
B
i
C
( c )
输出回路输入回路
e
c
b
i
B
i
E
图 2–3
(a)共发射极； (b)共集电极； (c)共基极第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–2–1 晶体管共发射极特性曲线因为有两个回路,所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线 。 这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来,也可以用图 2–4电路逐点测出 。
一,共发射极输出特性曲线测量电路如图 2–4所示 。
iB为参变量时,iC与 uCE,即常数 BiCEC ufi )(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
μA
mA
V
V
i
B
i
C
U
CC
U
BB
R
C
R
B
＋
－
u
BE
＋
－
u
CE
＋
－
图 2–4共发射极特性曲线测量电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路典型的共射输出特性曲线如图 2–5所示 。 由图可见,
输出特性可以划分为三个区域,对应于三种工作状态 。
现分别讨论如下 。
1
e结为正偏,c结为反偏的工作区域为放大区 。 由图 2–5可以看出,
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
u
C E
/ V5 10 15
0
1
2
3
4
饱和区截止区
I
B
＝ 40 μ A
30 μ A
20 μ A
10 μ A
0 μ A
i
B
＝－ I
CBO
放大区
i
C
/ m A
u
C E
＝ u
BE
图 2–5 共射输出特性曲线第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(1)基极电流 iB对集电极电流 iC有很强的控制作用,
即 iB有很小的变化量 ΔIB时,iC就会有很大的变化量 ΔIC。
为此,用共发射极交流电流放大系数 β来表示这种控制能力 。 β定义为常数
Eu
B
C
I
I? (2–10)
反映在特性曲线上，为两条不同 IB曲线的间隔 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(2) uCE变化对 IC的影响很小 。 在特性曲线上表现为,
iB一定而 uCE增大时,曲线略有上翘 (iC略有增大 )。 这是因为 uCE增大,c结反向电压增大,使 c结展宽,所以有效基区宽度变窄,这样基区中电子与空穴复合的机会减少,即 iB要减小 。 而要保持 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,或简称基调效应 。 从另一方面看,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
。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,共发射极输入特性曲线测量电路见图 2–4。 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,即典型的共发射极输入特性曲线如图 2–6所示 。
常数 CEuBEB ufi )(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
i
B
/ μA
u
BE
/ V
0
60
90
0,5 0,7 0,9
30
U
C E
＝ 0 U
C E
≥ 1
图 2–6 共发射极输入特性曲线第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(1)在 uCE≥1V的条件下,当 uBE<UBE(on)时,iB≈0。
UBE(on)为晶体管的导通电压或死区电压,硅管约为
0.5~0.6V,锗管约为 0.1V。 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)当 uCE =0时,晶体管相当于两个并联的二极管,
所以 b,e间加正向电压时,iB很大 。 对应的曲线明显左移,见图 2–6。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(3)当 uCE在 0~1V之间时,随着 uCE的增加,曲线右移 。 特别在 0< uCE ≤UCE(sat)的范围内,即工作在饱和区时,移动量会更大些 。
(4)当 uBE<0时,晶体管截止,iB为反向电流 。 若反向电压超过某一值时,e结也会发生反向击穿 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,温度对晶体管特性曲线的影响温度对晶体管的 uBE,ICBO和 β有不容忽视的影响 。
其中,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 2~2.5mV；温度每升高 10℃,
ICBO增大一倍 。 温度对 β的影响表现为,β随温度的升高而增大,变化规律是：温度每升高 1℃,β值增大
0.5%~1%(即 Δβ/βT≈(0.5~1)%/℃ )。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,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 β
和 β分别由式 (2–2),(2–10)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 (2–6)定义,而 α定义为,uCB为常数时,集电极电流变化量 ΔIC与发射极电流变化量 ΔIE之比,即
常数
Bu
E
C
I
I? (2–11)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于 ICBO,ICEO都很小，在数值上 β≈,α≈
应当指出,β值与测量条件有关。一般来说，在 iC
很大或很小时,β值较小。只有在 iC不大、不小的中间值范围内,β值才比较大，且基本不随 iC而变化。因此，
在查手册时应注意 β值的测试条件。尤其是大功率管更
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,
1 ICBO
ICBO指发射极开路时,集电极 —基极间的反向电流,称为集电极反向饱和电流 。
2 ICEO
ICEO指基极开路时,集电极 —发射极间的反向电流,称为集电极穿透电流 。
3 IEBO
IEBO指集电极开路时，发射极 —基极间的反向第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,
结电容包括发射结电容 Ce(或 Cb′e)和集电结电容
Cc(或 Cb′e)。 结电容影响晶体管的频率特性 。 关于晶体管的频率特性参数,详见第五章 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路四,
1
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)CEO<U(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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2 集电极最大允许电流 ICM
β与 iC的大小有关,随着 iC的增大,β值会减小 。
ICM一般指 β下降到正常值的 2/3时所对应的集电极电流 。
当 iC >ICM时,虽然管子不致于损坏,但 β值已经明显减小 。 因此,晶体管线性运用时,iC不应超过 ICM 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
3 集电极最大允许耗散功率 PCM
晶体管工作在放大状态时,c结承受着较高的反向电压,同时流过较大的电流 。 因此,在 c结上要消耗一定的功率,从而导致 c结发热,结温升高 。 当结温过高时,管子的性能下降,甚至会烧坏管子,因此需要规定一个功耗限额 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
PCM与管芯的材料,大小,散热条件及环境温度等因素有关 。 一个管子的 PCM如已确定,则由
PCM =IC·UCE可知,PCM在输出特性上为一条 IC与 UCE
乘积为定值 PCM的双曲线,称为 PCM功耗线,如图 2–7
所示 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
u
C E
工作区
i
C
0
安全
I
C M
U
( BR) CE O
P
C M
图 2–7 晶体管的安全工作区第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–3
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
u
BE
0 u
CE
i
C
0
i
B
( a )
U
B E (o n )
U
C E (s at )
I
B
＝ 0
( b )
图 2–8
(a)输入特性近似； (b)输出特性近似第 2章 双极型晶体管及其放大电路由图 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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
( 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)饱和状态模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 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。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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)直流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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
第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 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
202.01 0 0
02.0
2 7 0
7.06)(
故有第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路若 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
(2–12a)
(2–12b)
(2–12c)
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。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路R
B
U
BB
R
C
U
CC
U
EE
R
E
U
B E (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第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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
B E (o n )
( c )
U
C E (s at )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 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
(a)电路； (b) ui波形图； (c) uo波形图第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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
第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 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第 2章 双极型晶体管及其放大电路所以晶体管处于饱和 。 此时,ICQ=IC(sat)=1.4mA，
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,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 )(
(2–14a)
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
(2–14b)
(2–14c)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B
U
CC
R
C
图 2–13固定偏流电路第 2章 双极型晶体管及其放大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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,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)↓
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B
U
CC
R
C
R
E
图 2–14电流负反馈型偏置电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路结果,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第 2章 双极型晶体管及其放大电路
)(
)1(
)(
ECCQCCC E Q
BQCQ
EB
onBECC
BQ
RRIUU
II
RR
UU
I
(2–15a)
(2–15b)
(2–15c)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路为确保 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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路从分析的角度看,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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 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。
解
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
第 2章 双极型晶体管及其放大电路若按估算法直接求 ICQ,由式 (2–17a)可得
mAR UUI
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–4
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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共射极放大电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路通过上述实例可以看出,用晶体管组成放大器时
(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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路而 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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路以图 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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 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 )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路线性放大器
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第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,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,
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
(2–19a)
(2–19b)
(2–19c)
(2–19d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路其中,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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,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)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路三,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。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
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)互阻放大器第 2章 双极型晶体管及其放大电路四,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
T H D
1
2
2?
(2–23)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式中 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 双极型晶体管及其放大电路五,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 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–5
2–5–1直流图解分析直流图解分析是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。
对于图 2–16所示共射极放大器,其直流通路重画于图 2–20(a)中 。 由图可知,在集电极输出回路,可列出如下一组方程：
直流负载线方程特性曲线方程
CCCCCE
IiCEC
RiUu
ufi
BQB
)(
(2–24a)
(2–24b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B
U
CC
R
C
( a )
R
C
U
o
U
i
＋
－
R
B
R
L
＋
－
( b )
I
B Q
I
C Q
＋
－
U
CE Q
Δ i
B
Δ i
C
＋
－
Δ U
CE
图 2–20共射放大器的直流,
(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如图 2–21(a)所示 。 图中,直流负载线 MN与 iB=IBQ
的输出特性曲线相交于 Q点,则该点就是方程组 (2–24)
的解 (即直流工作点 )。 因而,量得 Q点的纵坐标为 ICQ，
横坐标则为 UCEQ。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路 i B ＝ I B Q
u
C E
0
N
Q
M
i
C
U
C E Q
U
C C
I
C Q
U
C C
R
C
( a )
图 2–21
(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图 2–21
(a)直流负载线与 Q点； (b)Q点与 RB,RC的关系
u
C E
/ V2 10 12
0
1
2
3
40 μ A
30 μ A
20 μ A
10 μ A
i
C
/ m A
4 6 8
4
M
N
Q
①
②
( b )
R
B
Q
3
Q
2
Q
4
R
C
R
B
Q
1
R
C
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 4 在图 2–20(a)电路中，若
RB=560kΩ,RC=3kΩ,UCC=12V，晶体管的输出特性曲线如图 2–21(b)
解 取 UBEQ=0.7V,由估算法可得
umR UUI
B
BEQCC
BQ 2002.05 6 0
7.012
第 2章 双极型晶体管及其放大电路在输出特性上找两个特殊点：当 uCE=0时，
iC=UCC/RC=12/3=4mA，得 M点；当 iC =0时，
uCE=UCC=12V，得 N点。连接以上两点便得到图 2–21(b)
中的直流负载线 MN，它与 IB=20μA的一条特性曲线的交点 Q，即为直流工作点。由图中 Q
ICQ=2mA,UCEQ=6V。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–5–2
交流图解分析是在输入信号作用下,通过作图来确定放大管各级电流和极间电压的变化量 。 此时,放大器的交流通路如图 2–20(b)所示 。 由图可知,由于输入电压连同 UBEQ一起直接加在发射结上,因此,瞬时工作点将围绕 Q点沿输入特性曲线上下移动,从而产生
iB的变化,如图 2–22(a)所示 。 瞬时工作点移动的斜率为,
LCE
C
ku
ik
1 (2–25)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–22
(a)输入回路的工作波形； (b)输出回路的工作波形
i
B
I
B Q
t
i
B
I
B Q
u
BE
u
BE
t
i
Bma x
i
Bmi n
Q
U
BE Q
( a )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–22
(a)输入回路的工作波形； (b)输出回路的工作波形
Q
i
C
i
B m a x
i
B m i n
i
C
I
C Q
t
t
u
CE
u
CE
U
CC
U
CE Q I
C Q
R
L
′
I
C Q
U
C C
R
C
交流负载线 k ＝－
R
C
′
1
Q
1
Q
2
I
B Q
( b )
A
第 2章 双极型晶体管及其放大电路画出交流负载线之后,根据电流 iB的变化规律,可画出对应的 iC和 uCE的波形 。 在图 2–22(b)中,当输入正弦电压使 iB按图示的正弦规律变化时,在一个周期内 Q
点沿交流负载线在 Q1到 Q2之间上下移动,从而引起 iC
和 uCE分别围绕 ICQ和 UCEQ作相应的正弦变化 。 由图可以看出,两者的变化正好相反,即 iC增大,uCE减小；反之,iC减小,则 uCE增大 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路根据上述交流图解分析,可以画出在输入正弦电压下,放大管各极电流和极间电压的波形,如图 2–23
所示 。 观察这些波形,
(1)放大器输入交变电压时,晶体管各极电流的方向和极间电压的极性始终不变,只是围绕各自的静态值,按输入信号规律近似呈线性变化 。
(2)晶体管各极电流,电压的瞬时波形中,只有交流分量才能反映输入信号的变化,因此,需要放大器输出的是交流量 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
t
u
i
t
u
BE
U
BE Q
i
B
t
I
B Q
i
C
t
I
C Q
u
CE
t
U
CE Q
u
o
0
0
0
0
0
0
t图 2–23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路
(3)将输出与输入的波形对照,可知两者的变化规律正好相反,通常称这种波形关系为反相或倒相 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–5–3直流工作点与放大器非线性失真的关系直流工作点的位置如果设置不当,会使放大器输出波形产生明显的非线性失真 。 2–24(a)中,Q点设置过低,在输入电压负半周的部分时间内,动态工作点进入截止区,使 iB,iC不能跟随输入变化而恒为零,从而引起 iB,iC和 uCE的波形发生失真,这种失真称为截止失真 。 由图可知,对于 NPN管的共射极放大器,当发生截止失真时,其输出电压波形的顶部被限幅在某一数值上 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路若 Q点设置过高,如图 2–24(b)所示,则在输入电压正半周的部分时间内,动态工作点进入饱和区 。 此时,
当 iB增大时,iC则不能随之增大,因而也将引起 iC和 uCE
波形的失真,这种失真称为饱和失真 。 由图可见,当发生饱和失真时,其输出电压波形的底部将被限幅在某一数值上 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
Q
交流负载线
i
C
0t0
i
C
i
B
u
CE
u
CE
0
t
( a )
图 2–24 Q
(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图 2–24 Q
(a)截止失真； (b)饱和失真
Q
交流负载线
i
C
i
C
i
B
0
t u
CE
u
CE
0
( b )
t
0
第 2章 双极型晶体管及其放大电路通过以上分析可知,由于受晶体管截止和饱和的限制,放大器的不失真输出电压有一个范围,其最大值称为放大器输出动态范围 。 由图 2–24可知,因受截止失真限制,其最大不失真输出电压的幅度为而因饱和失真的限制,最大不失真输出电压的幅度则为 C E SC E Qom
LCQom
UUU
RIU
(2–26a)
(2–26b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式中,UCES表示晶体管的临界饱和压降,一般取为 1V。 比较以上二式所确定的数值,其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
Uopp则为该幅度的两倍,即
Uopp=2Uom (2–27)
显然,为了充分利用晶体管的放大区,使输出动态范围最大,直流工作点应选在交流负载线的中点处 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–6
2–6–1 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：一类是物理型电路模型,它是模拟晶体管结构及放大过程导出的电路模型,它有多种形式,其中较为通用的是混合 π型电路模型；另一类是网络参数模型,它是将晶体管看成一个双端口网络,根据端口的电压,电流关系导出的电路模型,其中应用最广的是 H参数电路模型 。 不论按哪种方法导出的电路模型,它们都应当是等价的,因而相互间可以进行转换 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,混合 π
工作在放大状态下的共射极晶体管如图 2–25(a)所示。
u
ce
i
b
＋
－
＋
－
u
be
i
c
( a )
g
m
u
be
＋
－
u
be
＋
－
u
ce
r
be
r
ce
r
bcb c
e
( b )
图 2–25
(a)共发射极晶体管； (b)电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路晶体管输入端 ube控制 iB的作用,可以用 b,e极间相应的交流结电阻 rbe来等效,其大小为静态工作点处 uBE对 iB的偏导值,即
b
e
Q
B
E
b
be
Q
E
BE
e
eQ
E
BE
B
E
Q
B
BE
b
be
be
i
i
i
i
i
u
i
u
r
r
i
u
i
i
i
u
i
u
r
1,
)1((2–28)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路分别为发射结交流电阻和 re等效到基极支路的折合系数 。 根据正向 PN结电流与电压间的近似关系式
T
BE
U
u
SE eIi?
可求得 re，其值为
EQ
T
U
S
T
Q
BE
E
e I
U
eI
Uu
i
r
TUB E Q
/1
11
(2–29)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路可见,re与温度有关，并与晶体管直流工作电流
IEQ成反比。室温下,UT=26mV re=26mV/IEQ。
ube通过 ib对 ic的控制作用，可以用接在 c,e极间的一个电压控制电流源来等效，即
ic =gmube (2–30)
式中控制参量 gm反映 ube对 ic的控制能力,称为正向传输电导,简称跨导 。 其大小为静态工作点处 iC对 uBE
的偏导值,即
b
c
Q
B
C
be
Q
BE
B
B
C
Q
BE
C
be
c
m
i
i
i
i
ru
i
u
i
u
i
u
i
g
(2–31)
式中,
第 2章 双极型晶体管及其放大电路为共发射极交流电流放大系数 。 利用式 (2–28)和
,gm又可表示为
1
T
CQ
T
EQ
ee
m U
I
U
I
rrg
)1(
(2–32)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路根据上述晶体管放大过程画出的共发射极交流等效电路模型如图 2–25(b)所示 。 图中 rce和 rbc分别为集电极输出电阻和反向传输电阻,它们都是模拟基区调宽效应的等效参量 。 由晶体管特性曲线可知,当 uCE变化时,iC和 iB都将发生相应变化 。 其中,uce引起的 ic变化用交流电阻 rce等效,其值为
Q
C
CE
c
ce
ce i
u
i
ur
(2–33)
反映在输出特性上，即是曲线在工作点处切线斜
uce引起的 ib变化用交流电阻 rbc等效,其值为第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–26为平面管的结构示意图,图中 rbb′,ree′和 rcc′
分别表示基区,发射区和集电区沿电流方向的体电阻 。
在图 2–25(b)的电路模型中,当考虑了寄生参量
rbb′,Cb′e和 Cb′c的影响后,便得到完整的混合 π型电路模型,如图 2--27(a)所示 。
ceQ
C
CE
B
C
Q
B
CE
b
ce
be ri
u
i
i
i
u
i
ur
(2–34)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
c
eb
r
b b ′
r
cc ′
P
N
＋
N
＋
N
C
b′ c
C
b′ e
r
ee ′
b′
图 2–26平面管结构示意图第 2章 双极型晶体管及其放大电路
g
m
u
b e
＋
－
u
be
＋
－
u
ce
r
ce
b c
e
( a )
r
b b ′
C
b′ c
r
b′ e
b′
r
b′ c
′
C
b′ e
图 2–27完整的混合 π
(a)高频时的电路模型； (b)低频时的电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–27完整的混合 π
(a)高频时的电路模型； (b)低频时的电路模型
g
m
u
b e
＋
－
u
be
＋
－
u
ce
r
ce
b c
e
( b )
r
b b ′
r
b′ e
b′
r
b′ c
′
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,低频 H参数电路模型对于图 2–25(a)所示的共发射极晶体管,在低频工作条件下,当把它看成一个双端口网络时,若取 iB和
uCE为自变量,则有
),(
),(
2
1
CEBC
CEBBE
uifi
uifu
(2–35a)
(2–35b)
在工作点处，对式 (2–35)取全微分，得
CEQ
CE
C
BQ
B
C
C
CEQ
CE
BE
BQ
B
BE
BE
du
u
i
di
i
i
di
du
u
u
di
i
u
du
(2–36a)
(2–36b)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路当输入为正弦量并用有效值表示时,以上两式可写为
cecebfec
cerebiebe
UhIhI
UhIhU
(2–37a)
(2–37b)
式中：
0
0
0
0
b
ce
b
ce
I
ce
c
Q
CE
C
oe
U
b
c
Q
B
C
ie
I
ce
be
Q
CE
BE
re
U
b
be
Q
B
BE
ie
U
I
u
i
h
I
I
i
i
h
U
U
u
u
h
I
U
i
u
h
(2–38a)
(2–38b)
(2–38c)
(2–38d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路分别定义为晶体管输出交流短路时的输入电阻,
输入交流开路时的反向电压传输系数,输出交流短路时的电流放大系数和输入交流开路时的输出电导 。 可见,这四个参数具有不同的量纲,而且要在输入开路或输出交流短路条件下求得 。
由式 (2–37)并根据四个参数的意义,得出的低频 H
参数电路模型如图 2–28所示 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
be
＋
－
U
ce
b c
e
h
ie
h
oe
1
h
fe
I
b
I
e
I
b
＋
－
h
re
U
ce
图 2–28 共发射极晶体管 H参数电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于共射极输入,输出特性曲线本身就是描述晶体管端口特性的一种方式,因此,在工作点处,当用变化量的比值近似偏导数时,可在特性曲线上通过图解求出电 路模型 中每 一参数 值 。 其 方法见 图 2–
29(a)~(d)。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
u
BE
Q
I
B Q
Δ u
BE
i
B
( a )
Δ i
B
0 U
BE Q
u
CE
＝ U
CE Q
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
u
BE
Q
I
B Q
Δ u
BE
i
B
( b )
0
u
BE 1
u
CE 1
u
CE 2
Δ u
CE
u
BE 2
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
0
i
C
u
CE
( c )
Q
U
CE Q
I
B 2
I
B 1
Δ I
B
i
C 1
i
C 2
Δ i
C
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–29在特性曲线上求 H
0
i
C
u
CE
( d )
Q
U
CE Q
I
B Q
i
C 2
i
C 1
Δ i
C
u
CE 2
u
CE 1
Δ u
CE
第 2章 双极型晶体管及其放大电路对于 hoe,还可采用下述方法估算 。 由于基区调宽效应,当 iB一定时,iC随 uCE的增大略有上翘 。 若将每条共射极输出特性曲线向左方延长,都会与 uCE负轴相交于一点,其交点折合的电压称为厄尔利电压,用 UA
表示,如图 2–30所示 。 显然,UA越大,表示基区调宽效应越弱 。 对于小功率晶体管,UA一般大于 100V。 由图 2--30不难求出在 Q点处的 hoe,即
A
CQ
I
C EQA
CQ
Q
CE
C
oe U
I
UU
I
u
ih
BQ
(2–39)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
i
C
U
A
0 U
C E Q
u
C E
I
C Q
Δ u
CE
Q
Δ i
C
I
B Q
图 2–30利用厄尔利电压求 hoe
第 2章 双极型晶体管及其放大电路由于混合 π型电路模型与 H参数电路模型等价,所以 H参数还可以通过混合 π型参数确定 。 输出交流短路和输入交流开路的低频混合 π型电路分别如图 2–
31(a),(b)所示 。 利用该图并根据式 (2–38)每个 H参数的意义,可分别求得如下关系：
U
ce
＝ 0
＋
－
U
be
r
ce
b c
e
( a )
r
b b ′
r
b′ e
b′
r
b′ c
I
b
g
m
U
b e′
I
c
图 2–31求 H参数用的混合 π
(a)输出交流短路的混合 π型电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
be
r
ce
b c
e
( b )
r
b b ′
r
b′ e
b′
r
b′ c
g
m
U
b e′
I
c
I
b
＝ 0
＋
－
U
ce
图 2–31求 H参数用的混合 π
(a)输出交流短路的混合 π型电路；
(b)输入交流开路的混合 π型电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
cbeb
eb
I
ce
be
re
cbeb
ebm
ce
I
c
ce
oe
cbebmU
b
c
fe
cbebbbU
b
be
ie
rr
r
U
U
h
rr
rg
rI
U
h
rrg
I
I
h
rrr
I
U
h
b
b
ce
ce
0
0
0
0
11
)(
)(
(2–40a)
(2–40b)
(2–40c)
(2–40d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路如果忽略 r b′c的影响,则式 (2–40)可简化为
0
1
)1(
re
ce
oe
ebmfe
beebbie
h
r
h
rgh
rrrh
(2–41a)
(2–41b)
(2–41c)
(2–41d)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路这就是工程分析中实用的 H参数 。 其相应的低频 H
参数电路模型如图 2–32所示 。
管交流模型各具特点 。 通常,在宽带放大器的分析中,
2–27(a)混合 π型电路模型比较方便；而在低频放大器的分析中,采用图 2–32H参数电路模型则相对简单 。 为了使参数一致,在以后的分析中均采用混合 π
型电路参数 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
be
＋
－
U
ce
( r
ce
)
b c
e
h
ie
( r
be
)
h
oe
1
h
fe
I
b
I
c
I
b
( βI
b
)
图 2–32 实用的低频 H参数电路模型第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–6–2 共射极放大器的交流等效电路
,可按以下步骤进行 。 第一步,根据直流通路估算直流工作点；第二步,确定放大器交流通路,用晶体管交流模型替换晶体管得出放大器的交流等效电路；第三步,
根据交流等效电路计算放大器的各项交流指标 。 其中,
关于工作点分析已在 2–3–3节中作过详细介绍,这里不再讨论 。 下面将以共射放大器为例,着重讨论放大电路交流性能的分析方法 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路共射极放大器如图 2–33(a)所示 。 图中,采用分压式稳定偏置电路,使晶体管有一合适工作点 (ICQ，
UCEQ)。 由于旁通电容 CE将 RE交流短路,因而射极交流接地 。 由放大器交流通路可以画出图 2–33(b)所示交流等效电路 。 图中虚线方框部分就是被替换的晶体管交流模型 。 根据该等效电路,共射极放大器的交流指标分析如下 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
－
＋
＋
－
U
o
U
i
U
s
R
s
R
B2
＋
C
1
R
E
C
E ＋
R
L
U
CC
R
C
R
B1
＋
C
2
( a )
图 2–33
(a)电路； (b)交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–33
(a)电路； (b)交流等效电路
U
i
R
i
＋
＋
－ －
R
s
R
B2
r
be
I
i
R
C
R
L
U
o
＋
－
( b )
e
I
b
βI
b
r
ce
R
o
I
c
I
o
b c
R
B1
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1.电压放大倍数 Au
由图可知,输入交流电压可表示为
LCL
CQ
bbebbbe
be
L
be
LC
i
o
u
LCbLCco
bebi
RRR
mVI
mV
rrrr
r
R
r
RR
U
U
A
RRIRRIU
rIU
)(
)(
)(26
)1(
)(
)()(
输出交流电压为故得电压放大倍数式中：
(2---42)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2.电流放大倍数 Ai
由图 2–33(b)可以看出,流过 RL的电流 Io为
i
LC
C
beB
B
i
o
i
B
beB
bi
LC
C
b
LC
C
co
A
RR
R
rR
R
I
I
A
R
rR
II
RR
R
I
RR
R
II
而式中 RB=RB1‖ RB2。 由此可得
(2–44)
(2–45)
若满足 RB>>rbe,RL<<RC,则第 2章 双极型晶体管及其放大电路
4,
按照 Ro的定义,在图 2–33(b)电路的输出端加一电压 Uo,并将 Us短路时,因 Ib=0,则受控源 βIb=0。 这时,
从输出端看进去的电阻为 RC,因此
CU
o
o
o RI
UR
s
0
(2–48)
另外,放大器的输入,输出电阻还可以通过测量求得 。 测量电路分别如图 2–34(a),(b)所示 。 在图 (a)
中,分别测出已知电阻 R两端到地的电压 U′i和 Ui,因而输入电流 Ii为第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
s
R
s
＋
－
U
i
′
R I
i
＋
－
U
i
R
i
放大器
R
L
( a )
＋
U
s
R
s
S＋
－
U
o
放大器
R
L
( b )
－
＋
－
U
o
′
R
o
图 2–34 Ri和 Ro
(a) Ri的测量电路； (b) Ro的测量电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路在图 (b)中,用开关 S控制已知负载电阻 RL是否接到输出端 。 在输入电压作用下,首先打开 S,测得负载开路电压 U′o,然后闭合 S,测得接入负载时的电压 Uo。
因两者电压有如下关系：
R
UU
U
I
U
R
R
UU
R
U
I
ii
i
i
i
i
iiR
i
由 Ri定义可得
(2–49)
L
o
o
o
o
Lo
L
o
R
U
U
R
U
RR
R
U
)1(?
所以
(2–50)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
5,源电压放大倍数 Aus
Aus定义为输出电压 Uo与信号源电压 Us的比值,即
u
is
i
i
o
s
i
s
o
us ARR
R
U
U
U
U
U
UA
(2–51)
可见,|Aus|<|Au|。 若满足 Ri Rs,则 Aus≈Au。
6,将旁通电容 CE开路即发射极接有电阻 RE时的情况此时,对交流信号而言,发射极将通过电阻 RE接地,
其交流等效电路如图 2–35所示 。 由图可知
Ebbebbebi RIrIrIU )1(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
s
R
s
＋
－
U
i
R
b2
R
b1
R
E
r
be βI b
R
C
R
L
＋
－
U
o
I
b
图 2–35 发射极接电阻时的交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路而 Uo仍为 -βIbR′L，则电压放大倍数变为
Em
Lm
Ebe
L
i
o
u Rg
Rg
Rr
R
U
UA
1)1(?
(2–52)
可见放大倍数减小了 。 这是因为 RE的自动调节
(负反馈 )作用,使得输出随输入的变化受到抑制,从而导致 Au减小 。 当 (1+β)RE>>rbe时,则有
E
L
u R
RA (2–53)
与此同时,从 b极看进去的输入电阻 R′i变为
Ebe
b
i
i RrI
UR )1(
第 2章 双极型晶体管及其放大电路即射极电阻 RE折合到基极支路应扩大 (1+β)倍 。 因此,放大器的输入电阻为
Ri=RB1‖ RB2‖ R′i (2–54)
显然,与式 (2–46)相比,输入电阻明显增大了 。
对于输出电阻,尽管 Ic更加稳定,但从输出端看进去的电阻仍为 RC,即 Ro=RC。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 5 在图 2–33(a)电路中，若 RB1=75kΩ，
RB2=25kΩ,RC=RL=2kΩ,RE=1kΩ,UCC=12V，晶体管采用
3DG6管,β=80,r bb′=100Ω,Rs=0.6kΩ,试求该放大器的直流工作点 ICQ,UCEQ及 Au,Ri,Ro和 Aus等项指标。
解 按估算法计算 Q点：
VRRIUU
mA
R
UU
II
VU
RR
R
U
ECCQCCC E Q
E
B E QB
EQCQ
CC
BB
B
B
1.5)12(3.212)(
3.2
1
7.03
312
2575
25
21
2
第 2章 双极型晶体管及其放大电路下面计算交流指标。
kRRR
k
I
rr
r
R
U
U
A
LCL
CQ
bbbe
be
L
i
o
u
122
1
3.2
26
801 0 0
26
第 2章 双极型晶体管及其放大电路将 rbe,R′L的阻值代入上式,得
50)80(
16.0
1
2
111575
80
1
180
21
u
is
i
s
o
us
Co
beBBi
u
A
RR
R
U
U
A
kRR
krRRR
A
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 6 在上例中,将 RE变为两个电阻 RE1和 RE2串联,
且 RE1=100Ω,RE2=900Ω,而旁通电容 CE接在 RE2两端,
其它条件不变,试求此时的交流指标 。
解 由于 RE=RE1+RE2=1kΩ,所以 Q点不变 。 对于交流通路,现在射极通过 RE1接地 。 因而,交流等效电路变为图 2–35所示电路,只是图中 RE=RE1=100Ω。 此时,
各项指标分别为第 2章 双极型晶体管及其放大电路可见,RE1的接入,使得 Au减小了约 10倍 。 但是,
由于输入电阻增大,因而 Aus与 Au的差异明显减小了 。
8)8.8(
66.0
6
2
61.0811[2575])1([
8.8
1.0811
180
)1(
121
1
u
is
i
s
o
us
Co
EbeBBi
Ebe
L
i
o
u
A
RR
R
U
U
A
kRR
kRrRRR
Rr
R
U
U
A
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–7
2–7–1共集电极放大器共集电极放大电路如图 2–36(a)所示 。 图中采用分压式稳定偏置电路使晶体管工作在放大状态 。 具有内阻 Rs的信号源 Us从基极输入,信号从发射极输出,而集电极交流接地,作为输入,输出的公共端 。 由于信号从射极输出,所以该电路又称为射极输出器 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
－
＋
U
o
U
i
U
s
R
s
R
B2
C
1
R
E
R
L
U
CC
R
B1
( a )
＋
C
2
图 2–36
(a)电路； (b)交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–36
(a)电路； (b)交流等效电路
U
i
R
i
＋
＋
－
－
R
s
U
s
R
B1
( b )
I
b
R
o
R
B2
r
be
βI
b
b c
I
c
I
e
R
E
R
L
I
o
R
i
′
I
i
e
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1.电压放大倍数 Au
由图 2–36(b)，可得如下关系式
LEL
Lbe
L
i
o
u
Lbbebobebi
LbLEeo
RRR
Rr
R
U
U
A
RIrIUrIU
RIRRIU
)1(
)1(
)1(
)1()(
因而
(2–55)
式中：
第 2章 双极型晶体管及其放大电路式 (2–55)表明,Au恒小于 1,一般情况下,满足
(1+β)R′L>>rbe,因而又接近于 1,且输出电压与输入电压同相 。 换句话说,输出电压几乎跟随输入电压变化 。
因此,共集电极放大器又称为射极跟随器 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2.电流放大倍数 Ai
在图 2–36(b)中,当忽略 RB1,RB2的分流作用时,
则 Ib=Ii,而流过 RL的输出电流 Io为
LE
E
i
o
i
LE
E
b
LE
E
eo
RR
R
I
I
A
RR
R
I
RR
R
II
)1(
)1(
由此可得
(2–56)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
3.输入电阻 Ri
由图 2–36(b)可知，从基极看进去的电阻 R′i为
iBBi
LbeL
RRRR
RrR
21
)1(?
所以与共射电路相比，由于 R′i显著增大，因而共集电路的输入电阻大大提高了。
(2–57)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
4.输出电阻 Ro
在图 2–36(b)中,当输出端外加电压 Uo,而将 Us短路并保留内阻 Rs时,2–37所示电路 。 由图可得
＋
－
U
o
r
be
R
s
R
B2
R
B1
βI
b
R
o
′
R
E
R
o
I
o
I
e
I
o
′
I
b
图 2–37求共集放大器 Ro的等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1
1
)1(
)(
0
21
sbe
EoEU
b
o
o
sbe
o
o
o
beo
BBss
sbebo
Rr
RRR
I
U
R
Rr
I
U
R
III
RRRR
RrIU
s
则由 e极看进去的电阻 R′o为所以,输出电阻
(2–58)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–7–2共基极放大器图 2–38(a)给出了共基极放大电路 。 图中 RB1,RB2、
RE和 RC构成分压式稳定偏置电路,为晶体管设置合适而稳定的工作点 。 信号从射极输入,由集电极输出,
而基极通过旁通电容 CB交流接地,作为输入,输出的公共端 。 按交流通路画出该放大器的交流等效电路如图 2–38(b)所示 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路C
1
－
＋
U
i
＋
R
E
＋
C
2
R
CR
B1
R
B2
＋ C
B
－
＋
U
o
R
L
U
CC
( a )
图 2–38
(a)共基极放大电路； (b)交流等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–38
(a)共基极放大电路； (b)交流等效电路
I
i
－
＋
U
i
R
E
R
i
I
e
r
be
R
i
′
βI
b
I
c
R
C
R
o
R
L
I
o
－
＋
U
o
( b )
I
b
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
1.电压放大倍数 Au
由图 2–38(b)可知
LCL
be
L
i
o
u
LCbobebi
RRR
r
R
U
U
A
RRIUrIU
)(,
(2–59)
所以式中：
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2,电流放大倍数 Ai
在图 2–38(b)中，由于输入电流 Ii≈Ie，而输出电流
LC
C
co RR
RII
,故有
LC
C
LC
C
e
c
i
o
i RR
R
RR
R
I
I
I
IA
(2–60)
显然,Ai<1。 若 RC>>RL,则 Ai≈α,即共基极放大器没有电流放大能力 。 但因 Au>>1,所以仍有功率增益 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
3.输入电阻 Ri
按上述基极支路和射极支路的折合关系，由射极看进去的电阻 R′i为
1
1
be
EiEi
be
e
i
L
r
RRRR
r
I
U
R
所以
(2–61)
4.输出电阻 Ro
由图 2–38(b)可知,若 Ui=0,则 Ib=0,βIb=0,显然有
Co RR?
(2–62)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–7–3 三种基本放大器性能比较以上我们分析了共射,共集和共基三种基本放大器的性能,为了便于比较,现将它们的性能特点列于表 2–1中 。 其中,共射极电路既有电压增益,又有电流增益,所以应用最广,常用作各种放大器的主放大级 。
但作为电压或电流放大器,它的输入和输出电阻并不理想 ——即在电压放大时,输入电阻不够大且输出电阻又不够小；而在电流放大时,则输入电阻又不够小且输出电阻也不够大 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–8 放大器的级联
2–8–1级间耦合方式多级放大器各级之间连接的方式称为耦合方式 。 级间耦合时,一方面要确保各级放大器有合适的直流工作点,另一方面应使前级输出信号尽可能不衰减地加到后级输入 。 常用的耦合方式有三种,即阻容耦合,
变压器耦合和直接耦合 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接,
其方框图如图 2–39(a)所示 。 由于电容器隔直流而通交流,所以各级的直流工作点相互独立,这样就给设计,
调试和分析带来很大方便 。 而且,只要耦合电容选得足够大,则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级,实现逐级放大 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
i
R
i2
A
1
A
2
＋
－
U
o
C
( a )
＋
－
U
i
R
i2
A
1
A
2
＋
－
U
o
( b )
N
2
N
1
R
i2
′
图 2–39
(a)阻容耦合框图； (b)变压器耦合框图第 2章 双极型晶体管及其放大电路
U
o
R
E2
U
CC
( a )
U
o
U
CC
图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联
U
o
U
CC
( b )
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联
U
CC
( c )
U
o Q
U
i Q
R
I
o
第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–40
(a)垫高后级的发射极电位； (b)
(c)电阻和恒流源电平移位； (d)NPN,PNP管级联
U
o
U
CC
( d )
N P N
P N P
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–8–2级联放大器的性能指标计算分析级联放大器的性能指标,一般采用的方法是：
通过计算每一单级指标来分析多级指标 。 在级联放大器中,由于后级电路相当于前级的负载,而该负载正是后级放大器的输入电阻,所以在计算前级输出时,
只要将后级的输入电阻作为其负载,则该级的输出信号就是后级的输入信号 。 因此,一个 n级放大器的总电压放大倍数 Au可表示为
unuu
no
oo
i
o
i
o
u AAAU
U
U
U
U
U
U
UA
21
)1(01
21
(2–64)
可见,Au为各级电压放大倍数的乘积。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路级联放大器的输入电阻就是第一级的输入电阻 Ri1。
不过在计算 Ri1时应将后级的输入电阻 Ri2作为其负载,
即
211 iL RRio RR
(2–65)
而级联放大器的输出电阻就是最末级的输出电阻
Ron。 不过在计算 Ron时应将前级的输出电阻 Ro(n-1)作为其信号源内阻,即
)1( nosn RRono RR
(2–66)
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 7 图 2-41(a)给出了一个分别由 NPN和 PNP管构成的两极直接耦合的共射极放大器，其交流通路如图 2-
41（ b)所示，试计算该电路的交流指标。
解 （ 1）电压放大倍数 Au
12
21
12
121
1
1
22
2
2 2 2 2
1 1 2 1
22
()
()
( 1 )
Li
sC
o
u u u
i
Cio
u
i be
CLo
u
i be E
i i R R B B be
o o R R C
U
A A A
U
RRU
A
Ur
RRU
R
U r R
R R R R r
R R R
(2) 输入电阻 Ri
(3) 输入电阻 Ro
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
－
＋
＋
－
U
o
U
i
R
B2
＋
R
E1
C
E
＋
U
CC
R
C1
R
B1
( a )
V
1
R
E2
R
C2
＋
R
L
V
2
图 2-41 两级共射极放大器
(a)电路 (b) 交流通路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2-41 两级共射极放大器
(a)电路 (b) 交流通路
－
＋
＋
－
U
o
U
i
R
B2
( b )
R
B1
R
i
R
C1
R
E2
R
i2
R
C2
R
L
R
o
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
2–8–3
实际应用的放大器,除了要有较高的放大倍数之外,往往还对输入,输出电阻及其它性能提出要求 。
根据三种基本放大电路的特性,将它们适当组合,取长补短,可以获得各具特点的组合放大器 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路一,共集 —共射 (CC–CE)和共射 —共集 (CE–CC)组合放大器
CC–CE和 CE–CC组合放大器的交流通路分别如图 2–
42(a),(b)所示 。 利用共集放大器输入电阻大而输出电阻小的特点,将它作为输入级构成 CC–CE组合电路时,
放大器具有很高的输入电阻,这时源电压几乎全部输送到共射电路的输入端 。
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
＋
－
U
o
R
B1
( a )
R
i
↑
R
B2
R
C2
R
L
R
o
－
＋
U
i
＋
－
U
s
R
s
R
E1
R
o1
↓
V
1
V
2
图 2–42CC–CE和 CE–CC
(a)CC–CE电路； (b)CE–CC电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–42CC–CE和 CE–CC
(a)CC–CE电路； (b)CE–CC电路
＋
－
U
o
R
B1
( b )
R
i
R
B2
R
L
R
o
↓
－
＋
U
i
V
1
R
C1
R
i2
↑
R
E2
V
2
第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 8 放大电路如图 2–43所示。已知晶体管 β=100,
rbe1=3kΩ,rbe2=2kΩ,rbe3=1.5kΩ，试求放大器的输入电阻、输出电阻及源电压放大倍数。
R
s
＋
－
U
s
R
E1
5,3 k
V
Z
R
R
C2
3k
R
E3
3k
－ U
EE
( － 6 V )
R
L
U
o
－
＋
0,2 k
V D
1
V
1
V
2
V
3
(＋ 6 V )
＋ U
CC
2k
U
Z
图 2–43 例 8电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 该电路为共集,共射和共集三级直接耦合放大器,
亦可看作 CC--CE–CC组合放大器 。 为了保证输入和输出端的直流电位为零,电路采用了正,负电源,并且用稳压管 VZ和二极管 VD1分别垫高 V2,V3管的射极电位 。 而在交流分析时,因其动态电阻很小,可视为短路 。
(1)输入电阻 Ri：
k
RRrRR
krR
iEbeRRii
bei
iL
1 5 0)23.5)(1 0 01(3
))(1(
2
2111
22
21
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
(2)输出电阻 Ro,
45
1001
5.13
3
1
3
32
33
22
23
beC
ERRoo
Co
rR
RRR
kRR
os
第 2章 双极型晶体管及其放大电路二,共射 —共基 (CE–CB)组合放大器
CE–CB组合放大器及其交流通路分别如图 2–
44(a),(b)所示 。 由于共基放大器的输入电阻很小,将它作为负载接在共射电路之后,致使共射放大器只有电流增益而没有电压增益 。 而共基电路只是将共射电路的输出电流接续到输出负载上 。 因此,这种组合放大器的增益相当于负载为 R′L(=RC‖ RL)的一级共射放大器的增益,即第 2章 双极型晶体管及其放大电路
R
B3
( a )
＋
－
U
s
R
s
U
i
＋
C
1
R
B2
＋
C
3
R
B1
R
C
＋
C
2
U
CC
U
o
＋
C
E
R
E
R
L
V
2
V
1
U
o1
图 2–44 CE–CB
(a)电路； (b)交流通路第 2章 双极型晶体管及其放大电路图 2–44 CE–CB
(a)电路； (b)交流通路
＋
－
U
s
R
s
( b )
R
i
R
B
＋
－
U
i
V
1
R
i2
V
2
U
o1
R
C
R
L
R
o
＋
－
U
o
第 2章 双极型晶体管及其放大电路
121
2
2
1
1
1
2
1
1
1
21
11
211
a
I
I
I
I
I
I
I
I
A
r
R
r
Ra
Ir
RaI
U
U
A
e
c
b
c
b
c
i
o
i
be
L
be
L
bbe
Lb
i
o
u
而第 2章 双极型晶体管及其放大电路接入低阻共基电路使得共射放大器电压增益减小的同时,也大大减弱了共射放大管内部的反向传输效应 。 其结果,一方面提高了电路高频工作时的稳定性,
另一方面明显改善了放大器的频率特性 。 正是这一特点,使得 CE–CB
应用 。
