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1、第三章第三章 半导体三极管及其放大电路半导体三极管及其放大电路3.1 双极型三极管双极型三极管3.2 双极型三极管基本放大电路双极型三极管基本放大电路3.3 放大电路的图解分析法放大电路的图解分析法3.4 放大电路的微变等效电路分析法放大电路的微变等效电路分析法3.5 稳定静态工作点的方法稳定静态工作点的方法3.6 共集电极和共基极电路共集电极和共基极电路3.7 差分放大电路差分放大电路3.8 多级放大电路多级放大电路3.9 放大电路的频率响应放大电路的频率响应3.1双极型三极管双极型三极管( (BJT) )又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(
2、 (Bipolar Junction Transistor) )三极管的外形如下图所示。三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：三极管有两种类型：NPN 和和 PNP 型。型。主要以主要以 NPN 型为例进行讨论。型为例进行讨论。三极管的外形三极管的外形3.1.1三极管的结构与符号三极管的结构与符号常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。三极管的结构三极管的结构( (a) )平面型平面型( (NPN) )( (b) )合金型合金型( (PNP) )NecNPb二氧化硅二氧化硅becPNPe 发射极，发射极，b 基 极 ，基 极 ， c
3、集电极。集电极。平面型平面型( (NPN) )三极管制作工艺三极管制作工艺NcSiO2b硼杂质扩散硼杂质扩散e磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散磷杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散硼杂质扩散PN在在 N 型硅片型硅片( (集电区集电区) )氧化膜上刻一个窗口，将氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成硼杂质进行扩散形成 P 型型( (基区基区) )，再在，再在 P 型区上刻型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散窗口，将磷杂质进行扩散形成形成N型的发射区。引出型的发射区。引出三个电极即可。三个电极即可。合金型三极管制作工艺：合金型三极管制作工艺：在在 N 型锗片型锗片( (基区基区)
4、 )两边各置两边各置一个铟球，加温铟被熔化并与一个铟球，加温铟被熔化并与 N 型锗接触，冷却后形成两型锗接触，冷却后形成两个个 P 型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。型区，集电区接触面大，发射区掺杂浓度高。三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号( (a) )NPN 型型ecb符号符号集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c基极基极 b发射极发射极 eNNP集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极 c发射极发射极 e基极基极 bcbe符号符号NNPPN三极管结构示意图和符号三极管结构示意图和符号 ( (b) )PNP 型型3
5、.1.2三极管的工作原理三极管的工作原理以以 NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论三极管中的两个三极管中的两个 PN 结结cNNPebbec表面看表面看三极管若实三极管若实现放大，必须从现放大，必须从三极管内部结构三极管内部结构和和外部所加电源外部所加电源的极性的极性来保证。来保证。不具备放不具备放大作用大作用三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：NNPebcN N NP P P1. 发射区高掺杂。发射区高掺杂。2. 基区做得很薄基区做得很薄。通常只有。通常只有几微米到几十微米，而且几微米到几十微米，而且掺杂较掺杂较少少。三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使：外加
6、电源的极性应使发射发射结处于正向偏置结处于正向偏置状态，而状态，而集电结处于反向偏置集电结处于反向偏置状态。状态。3. 集电结面积大。集电结面积大。becRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程I EIB1. 发射发射发射区的发射区的电子越过发射结扩散到电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散基区，基区的空穴扩散到发射区到发射区形成发射极形成发射极电流电流 IE ( (基区多子数目较基区多子数目较少，空穴电流可忽略少，空穴电流可忽略) )。2. 复合和扩散复合和扩散电子电子到达基区，少数与空穴复到达基区，少数与空穴复合形成基极电流合形成基极电流 Ibn，复合复合掉的空穴由掉的空穴由
7、 VBB 补充补充。多数电子在基区继续扩多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。散，到达集电结的一侧。三极管中载流子的运动三极管中载流子的运动becI EI BRcRb三极管中载流子运动过程三极管中载流子运动过程3. 收集收集集电结反偏，集电结反偏，有利于收集基区扩散过来有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流的电子而形成集电极电流 Icn。其能量来自外接电源其能量来自外接电源 VCC 。I C另外，集电区和基区另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成将进行漂移运动而形成反反向向饱和电流饱和电流，用用ICBO表示表示。ICBO三极管中载流子的运动
8、三极管中载流子的运动beceRcRb三极管的电流分三极管的电流分配关系配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICnIC = ICn + ICBO IE = ICn + IBn + IEp = IEn+ IEp一般要求一般要求 ICn 在在 IE 中占的比例中占的比例尽量大。尽量大。而二者之比称而二者之比称直流电直流电流放大系数流放大系数，即，即ECnII 一般可达一般可达 0.95 0.99三个极的电流之间满足节点电流定律，即三个极的电流之间满足节点电流定律，即IE = IC + IBCBOBCBOBCBOBCC)1(111)(IIIIIIII ECCCBOCBOECBOCnC 1 II
9、IIIIIII 可可将将其其忽忽略略，则则时时，当当) )( (代入代入( (1) )式，得式，得其中：其中：共射直流电流共射直流电流放大系数。放大系数。 1CBOBC)1(III 上式中的后一项常用上式中的后一项常用 ICEO 表示表示，ICEO 称穿透电流。称穿透电流。CEOBCCBOCEO )1( IIIII 则则当当 ICEO IC 时，忽略时，忽略 ICEO，则由上式可得，则由上式可得BCII 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 近似等于近似等于 IC 与与 IB 之比。之比。 一般一般 值约为几十值约为几十 几百。几百。 三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系BCEIII
10、BC II BE )1(II 一组三极管电流关系典型数据一组三极管电流关系典型数据IB/mA 0.001 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05IC/mA 0.001 0.01 0.56 1.14 1.74 2.33 2.91 IE/mA 0 0.01 0.57 1.16 1.77 2.37 2.961. 任何一列电流关系符合任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB IC 0 时的输入特性曲线时的输入特性曲线当当 UCE 0 时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。电子收集到集电极。UCE UBE，三极管处于放大状
11、态。，三极管处于放大状态。 * 特性右移特性右移( (因集电因集电结开始吸引电子结开始吸引电子) )V2CE UV/BEUO0CE UIB/ AUCE 1 时的输入特性具有实用意义。时的输入特性具有实用意义。IBUCEICVCCRbVBBcebRCV V A mAUBE* UCE 1 V，特，特性曲线重合。性曲线重合。三极管共射特性曲线测试电路三极管共射特性曲线测试电路三极管的输入特性三极管的输入特性二、输出特性二、输出特性NPN 三极管的输出特性曲线三极管的输出特性曲线IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB = 0O 5 10 154321划分三个区：截止区、
12、划分三个区：截止区、放大区和饱和区。放大区和饱和区。截止区截止区放放大大区区饱饱和和区区放放大大区区1. 截止区截止区IB 0 的的区域。区域。两个结都处于反向偏两个结都处于反向偏置。置。IB= 0 时，时，IC = ICEO。 硅管约等于硅管约等于 1 A，锗管，锗管约为几十约为几十 几百微安。几百微安。常数常数 B)(CECIUfI截止区截止区截止区截止区2. 放大区：放大区：条件：条件：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏特点特点：各条输出特性曲各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。且等间隔。二、输出特性二、输出特性IC / mAUCE /V10
13、0 A80A60 A40 A20 AIB =0O 5 10 154321放放大大区区集电极电流和基极电流集电极电流和基极电流体现放大作用，即体现放大作用，即BC II 放放大大区区放放大大区区对对 NPN 管管 UBE 0，UBC 0 UBC 0 。 特点特点：IC 基本上不随基本上不随 IB 而变化，在饱和区三极管失而变化，在饱和区三极管失去放大作用。去放大作用。 I C IB。 当当 UCE = UBE，即，即 UCB = 0 时，称时，称临界饱和临界饱和，UCE UBE时称为时称为过饱和过饱和。饱和管压降饱和管压降 UCES 0.4 V( (硅管硅管) )，UCES 0. 2 V( (锗
14、管锗管) )饱饱和和区区饱饱和和区区饱饱和和区区3.1.4三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的连接方式三极管的连接方式ICIE+C2+C1VEEReVCCRc( (b) )共基极接法共基极接法VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+( (a) )共发射极接法共发射极接法NPN 三极管的电流放大关系三极管的电流放大关系一、电流放大系数一、电流放大系数是表征管子放大作用的参数。有以下几个：是表征管子放大作用的参数。有以下几个：1. 共射电流放大系数共射电流放大系数 BCII 2. 共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数 忽略穿透电流忽略穿透电流 ICEO 时，时，BCII 3. 共基电流放
15、大系数共基电流放大系数 ECII 4. 共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数 忽略反向饱和电流忽略反向饱和电流 ICBO 时，时，ECII 和和 这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为：这两个参数不是独立的，而是互相联系，关系为： 1 1或或二、反向饱和电流二、反向饱和电流1. 集电极和基极之间的反向饱和电流集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO2.集电极和发射极之间的反向饱和电流集电极和发射极之间的反向饱和电流 ICEO( (a) )ICBO测量电测量电路路( (b) )ICEO测量电测量电路路ICBOceb AICEO Aceb 小功率锗管小功率锗管 ICBO 约为几微约为几微安
16、；硅管的安；硅管的 ICBO 小，有的为纳小，有的为纳安数量级。安数量级。当当 b 开路时，开路时， c 和和 e 之间的电流。之间的电流。CBOCEO)1(II 值愈大，则该管的值愈大，则该管的 ICEO 也愈大。也愈大。 反向饱和电流的测量电路反向饱和电流的测量电路三、三、 极限参数极限参数1. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 IC 过大时，三极管的过大时，三极管的 值要减小。在值要减小。在 IC = ICM 时，时， 值下降到额定值的三分之二。值下降到额定值的三分之二。2. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区
17、 将将 IC 与与 UCE 乘积等于乘积等于规定的规定的 PCM 值各点连接起值各点连接起来，可得一条双曲线。来，可得一条双曲线。ICUCE PCM 为过损耗区为过损耗区ICUCEOPCM = ICUCE安安全全 工工 作作 区区安安全全 工工 作作 区区过过损损耗耗区区过过损损耗耗区区三极管的安全工作区三极管的安全工作区3. 极间反向击穿电压极间反向击穿电压外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。外加在三极管各电极之间的最大允许反向电压。U(BR)CEO：基极开路：基极开路时，集电极和发射极之间时，集电极和发射极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。U(BR)CBO：发射极开：发射极开路时，
18、集电极和基极之间路时，集电极和基极之间的反向击穿电压。的反向击穿电压。安全工作区安全工作区同时要受同时要受 PCM、ICM 和和U(BR)CEO限制。限制。过过电电压压ICU(BR)CEOUCEO过过损损耗耗区区安安全全 工工 作作 区区ICM过流区过流区三极管的安全工作区三极管的安全工作区3.2双极型三极管基本放大电路双极型三极管基本放大电路3.2.1放大电路的基本概念及性能指标放大电路的基本概念及性能指标一、放大的基本概念一、放大的基本概念本质：本质：实现能量的控制。实现能量的控制。在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输
19、出较大的能量，然后推动信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。负载。小能量对大能量的控制作用称为小能量对大能量的控制作用称为放大作用放大作用。放大的对象是放大的对象是变化量。变化量。元件：元件：双极型三极管和场效应管。双极型三极管和场效应管。二、放大电路的主要技术指标二、放大电路的主要技术指标放大电路技术指标测试示意图放大电路技术指标测试示意图一、放大倍数一、放大倍数) )( (uA 电压放大倍数ioUUAu ) )( (iA 电流放大倍数ioIIAi 二、最大输出幅度二、最大输出幅度在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最
20、大输出电压给负载的最大输出电压( (或最大输出电流或最大输出电流) )可用峰可用峰-峰值表峰值表示，或有效值表示示，或有效值表示( (Uom 、Iom) )。三、非线性失真系数三、非线性失真系数 D四、输入电阻四、输入电阻 Ri所有谐波总量与基波成分之比，即所有谐波总量与基波成分之比，即12322UUUD 从放大电路输入端看进去的等从放大电路输入端看进去的等效电阻。效电阻。iiiIUR 五、输出电阻五、输出电阻 Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。从放大电路输出端看进去的等效电阻。测量测量 Ro： LS0oooRUIUR输入端正弦电压输入端正弦电压 ，分别测量空载和输出端接负载，分别测量空载
21、和输出端接负载 RL 的输出电压的输出电压 、 。oU iUoULooo)1(RUUR 输出电阻愈小，带载能力愈强。输出电阻愈小，带载能力愈强。LoLooRRRUU Aum六、通频带六、通频带BWm21uA七、最大输出功率与效率七、最大输出功率与效率 输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号 Pom表示。表示。VomPP ：效率：效率PV：直流电源消耗的功率：直流电源消耗的功率fL fHfL：下限频率：下限频率fH：上限频率：上限频率图图 2.3.23.2.2共射基本放大电路的组成与放大原理共射基本放大电路的组成与放大原理一、单管共发射极放大电路的组成一
22、、单管共发射极放大电路的组成单管共射放大电路原理电路单管共射放大电路原理电路VT：NPN 型三极管，为放大元件；型三极管，为放大元件；VCC：为输出信号提供能量；为输出信号提供能量；RC：当当 iC 通过通过 Rc，将，将电流的变化转化为集电极电流的变化转化为集电极电压的变化，传送到电路电压的变化，传送到电路的输出端；的输出端；VBB 、Rb：为发射结提为发射结提供正向偏置电压，提供静供正向偏置电压，提供静态基极电流态基极电流( (静态基流静态基流) )。二、放大电路的工作原理二、放大电路的工作原理1、放大作用：、放大作用：单管共射放大电路的原理电路单管共射放大电路的原理电路 )( )(CCC
23、EOBCBBERiuuiiiuu 实实现现了了放放大大作作用用。 Ouu 2、组成放大电路的原则：、组成放大电路的原则：（1）外加直流电源）外加直流电源的极性必须使发射结正的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。则有：偏，集电结反偏。则有：BCii （2）输入回路的接法应使输入电压）输入回路的接法应使输入电压 u 能够传送到能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量 iB。（3）输出回路的接法应使变化量）输出回路的接法应使变化量 iC 能够转化为变能够转化为变化量化量 uCE，并传送到放大电路的输出端。，并传送到放大电路的输出端。3、原理电路
24、的缺点：、原理电路的缺点：（1） 双电源供电；双电源供电； 2. uI、uO 不共地。不共地。4、单管共射放大电路、单管共射放大电路单管共射放大电路单管共射放大电路C1 、C2 ：为隔直电容或耦合电容；为隔直电容或耦合电容； RL：为负载电阻。为负载电阻。该电路也称该电路也称阻容耦合阻容耦合单管共射放大电路。单管共射放大电路。3.3.3 放大电路的基本分析方法放大电路的基本分析方法1、直流通路、直流通路图图 ( (b) )图图 ( (a) )2、静态工作点的近似计算、静态工作点的近似计算bceIBQICQ UCEQ图图 ( (a) )bBEQCCBQRUVI 硅管硅管 UBEQ = (0.6
25、0.8) V锗管锗管 UBEQ = (0.1 0.2) VICQ IBQUCEQ = VCC ICQ RC【例例】图示单管共射放大电路中，图示单管共射放大电路中，VCC = 12 V，Rc = 3 k ，Rb = 280 k ，NPN 硅管的硅管的 = 50，试估算静，试估算静态工作点。态工作点。图图 3.10( (b) )解：解：设设 UBEQ = 0.7 VA 40mA )2807.012(bBEQCCBQ RUVIICQ IBQ = (50 0.04) mA = 2 mAUCEQ = VCC ICQ Rc = (12 2 3)V = 6 V3.3图解法图解法在三极管的输入、输出特性曲线上
26、直接用作图的方在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。法求解放大电路的工作情况。一、图解法的过程一、图解法的过程( (一一) )图解分析静态图解分析静态1. 先用估算的方法计算输入回路先用估算的方法计算输入回路 IBQ、 UBEQ。2. 用图解法确定输出回路静态值用图解法确定输出回路静态值方法：方法：根据根据 uCE = VCC iCRc 式确定两个特殊点式确定两个特殊点cCCCCECCCEC 0 0 RViuVui 时，时，当当时，时，当当输出回路输出回路输出特性输出特性CCCCCECCCEC0 0 RViuVui ，直流负载线直流负载线Q由静态工作点由静态工作
27、点 Q 确 定 的确 定 的 IC Q、UCEQ 为静态值。为静态值。图图 3.10( (b) )【例例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知 Rb = 280 k ，Rc = 3 k ，集电极直流电源，集电极直流电源 VCC = 12 V，试用图解法确定静态工作点。试用图解法确定静态工作点。解：解：首先估算首先估算 IBQA 40mA)2807 . 012(bBEQCCBQ RUVI做直流负载线，确定做直流负载线，确定 Q 点点根据根据 UCEQ = VCC ICQ RciC = 0，uCE = 12 V ；uCE = 0，iC = 4 mA .0iB
28、 = 0 A20 A40 A60 A80 A134224681012MQIBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.uCE /V由由 Q 点确定静态值为：点确定静态值为：iC /mA图图 2.13( (b) )( (二二) ) 图解分析动态图解分析动态1. 交流通路的输出回路交流通路的输出回路 输出通路的外电路是输出通路的外电路是 Rc 和和 RL 的并联。的并联。2. 交流负载线交流负载线交流负载线交流负载线交流负载线斜率为：交流负载线斜率为：LCLL/ 1RRRR ，其中，其中OIBiC / mAuCE /VQ3. 动态工作情况图解分析动态工作情况图解分析输入回路工
29、作情况输入回路工作情况0.680.72 uBE iBtQ000.7t6040200uBE/ViB / AuBE/ViBUBE交流负载线交流负载线直流负载线直流负载线4.57.5 uCE912t0ICQiC / mA0IB = 4 0 A2060804Q260uCE/ViC / mA0tuCE/VUCEQ iC输出回路工作输出回路工作情况分析情况分析4. 电压放大倍数电压放大倍数BECEIOuuuuAu 【例例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如右图，出特性曲线如右图，RL = 3 k 。 uCE = (4.5 7.5) V = 3 V
30、uBE = (0.72 0.68) V = 0.04 V解：解：求求 确定交流负载线确定交流负载线LR k 5 . 1/LCLRRR取取 iB = (60 20) A = 40 A则输入、输出特性曲线上有则输入、输出特性曲线上有7504. 03BECE uuAu单管共射放大电路单管共射放大电路当输入正弦波当输入正弦波 uI 时，时，放大电路中相应的放大电路中相应的 uBE、iB、iC、uCE、uO 波形。波形。共射放大电路的电压电流波形共射放大电路的电压电流波形 二、图解法的应用二、图解法的应用( (一一) )用图解法分析非线性失真用图解法分析非线性失真1. 静态工作点静态工作点过低，引起过低
31、，引起 iB、iC、uCE 的波形失真的波形失真ibui结论：结论：iB 波形失真波形失真OQOttOuBE/ViB / AuBE/ViB / AIBQ 截止失真截止失真iC 、 uCE ( (uo ) )波形失真波形失真NPN 管截止失真时管截止失真时的输出的输出 uo 波形。波形。uo = uceOiCtOOQ tuCE/VuCE/ViC / mAICQUCEQOIB = 0QtOO NPN 管管 uo波形波形tiCuCE/VuCE/ViC / mAuo = uceib( (不失真不失真) )ICQUCEQ2. Q 点过高，引起点过高，引起 iC、uCE的波形失真的波形失真饱和失真饱和失真
32、( (二二) )用图解法估算最大输出幅度用图解法估算最大输出幅度OiB = 0QuCE/ViC / mAACBDE交流负载线交流负载线 输出波形没有输出波形没有明显失真时能够输明显失真时能够输出最大电压。即输出最大电压。即输出特性的出特性的 A、B 所所限定的范围。限定的范围。22omDECDU Q 尽量设在线段尽量设在线段 AB 的中点。则的中点。则 AQ = QB，CD = DE( (三三) )用图解法分析电路参数对静态工作点的影响用图解法分析电路参数对静态工作点的影响1. 改变改变 Rb，保持，保持VCC ，Rc ， 不变；不变；OIBiCuCE Q1Rb 增大，增大，Rb 减小，减小，
33、Q 点下移；点下移；Q 点上移；点上移；Q2OIBiCuCE Q1Q32. 改变改变 VCC，保持，保持 Rb，Rc ， 不变；不变； 升高升高 VCC，直流负载线平，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。但管子的动态功耗也增大。Q23. 改变改变 Rc，保持，保持 Rb，VCC ， 不变；不变；4. 改变改变 ，保持保持 Rb，Rc ，VCC 不变；不变；增大增大 Rc ，直流负载，直流负载线斜率改变，则线斜率改变，则 Q 点向点向饱和区移近。饱和区移近。OIBiCuCE Q1Q2OIBiCuCE Q1Q2增大增大 ，IC Q 增大，增大，U
34、CEQ 减小，则减小，则 Q 点移近饱点移近饱和区。和区。图解法小结图解法小结1. 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；失真的关系；2. 方便估算最大输出幅值的数值；方便估算最大输出幅值的数值；3. 可直观表示电路参数对静态工作点的影响；可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4. 有利于对静态工作点有利于对静态工作点 Q 的检测等。的检测等。3.4微变等效电路法微变等效电路法 晶体管在小信号晶体管在小信号( (微变量微变量) )情况下工作时，可以在静情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的用
35、直线段近似地代替三极管的特性曲线特性曲线，三极管就可以，三极管就可以等效为一个线性元件等效为一个线性元件。这样就。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。线性电路。微变等效条件微变等效条件研究的对象仅仅是研究的对象仅仅是变化量变化量信号的信号的变化范围很小变化范围很小一、简化的一、简化的 h 参数微变等效电路参数微变等效电路( (一一) ) 三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路 iB uBE 晶体管的输入特性曲线晶体管的输入特性曲线 常数常数 CEBBEbeUiurrbe ：晶体管的输入电阻。：晶体管的输入电阻。 在小
36、信号的条件下，在小信号的条件下，rbe是一常是一常数。晶体管的输入电路可用数。晶体管的输入电路可用 rbe 等效等效代替。代替。1. 输入电路输入电路Q 点附近的工作段点附近的工作段近似地看成直线近似地看成直线 可认为可认为 uBE 与与 iB 成正比成正比QOiB uBE 2. 输出电路输出电路假设在假设在 Q 点附近特性曲线基本上是水平的点附近特性曲线基本上是水平的( ( iC 与与 uCE无关无关) )，数量关系上，数量关系上， iC 比比 iB 大大 倍；倍； iB iB从三极管输出端看，从三极管输出端看，可以用可以用 iB 恒流源代恒流源代替三极管；替三极管；该恒流源为受控源；该恒流
37、源为受控源；为为 iB 对对 iC 的控制。的控制。uCE QiC O3. 三极管的简化参数等效电路三极管的简化参数等效电路注意：注意：这里忽略了这里忽略了 uCE 对对 iC与输出特性的影响，在与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小。误差很小。三极管的简化三极管的简化 h 参数等效电路参数等效电路cbe + uBE + uCE iC iBebcrbe iB+ uBE + uCE iC iB4. 电压放大倍数电压放大倍数 Au；输入电阻输入电阻 Ri、输出电阻、输出电阻 ROC1RcRb+VCCC2RL+VT
38、+ iUOUbebirIU 而而bLco IRIU io UUAu beLio rRUUAu 所以所以)/(LcLRRR Ri = rbe / Rb ，Ro = RcoUrbe ebcRcRLRbbIcIbI + + iU单管共射放大电路的等效电路单管共射放大电路的等效电路( (二二) ) rbe 的近似估算公式的近似估算公式rbb ：基区体电阻。基区体电阻。re b ：基射之间结电阻。基射之间结电阻。欧姆，可忽略。欧姆，可忽略。只有几只有几：发射区体电阻，一般：发射区体电阻，一般 er EQEQbe26IIUrT EQbbBBEbe26)1(ddIriur 低频、小功率管低频、小功率管 rb
39、b 约为约为 300 。UT ：温度电压当量。：温度电压当量。c beiBiCiEbb rbe rer e b 电流放大倍数与电压放大倍数之间关系电流放大倍数与电压放大倍数之间关系讨论讨论1. 当当 IEQ 一定时，一定时， 愈大则愈大则 rbe 也愈大，选用也愈大，选用 值值较大的三极管其较大的三极管其 Au 并不能按比例地提高；并不能按比例地提高；EQbeL26)1(300beIrrRAu 因：因：2. 当当 值一定时，值一定时，IEQ 愈大则愈大则 rbe 愈小，可以得到较愈小，可以得到较大的大的 Au ，这种方法比较有效。，这种方法比较有效。 ( (三三) ) 等效电路法的步骤等效电路
40、法的步骤( (归纳归纳) )1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点的静态工作点 Q 。2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数求出静态工作点处的微变等效电路参数 和和 rbe 。3. 画出放大电路的微变等效电路。可先画出三画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。流通路。4. 列出电路方程并求解。列出电路方程并求解。二、二、 微变等效电路法的应用微变等效电路法的应用uA . 1 计计算算电电压压放放大大倍倍数数例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算
41、电压放例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。大倍数和输入、输出电阻。C1RcRb+VCCC2RL+VT+ iUOURerbe bcRcRLRboUbIcIbI + ReeIe+ iU接有发射极电阻的放大电路接有发射极电阻的放大电路rbe bcRcRLRboUbIcIbI + ReeIe+ iU根据微变等效电路列方程根据微变等效电路列方程eebebiRIrIU be)1( II 其中其中LbLCO RIRIU 而而ebeLiO)1(RrRUUAu eLRRAu 引入发射极电阻引入发射极电阻后，后， 降低了。降低了。uA若满足若满足(1 + ) Re rbe 与三极管
42、的参数与三极管的参数 、rbe 无关无关。uA2. 放大电路的输入电阻放大电路的输入电阻 bebeiii/)1(RRrIUR 引 入引 入 Re 后，输入电阻后，输入电阻增大了。增大了。3. 放大电路的输出电阻放大电路的输出电阻coRR rbe ebcRcRLRboUbIcIbI + + ReeIcIrbe bcRcRbbIbI ReeIe将放大电路的输入将放大电路的输入端短路，负载电阻端短路，负载电阻 RL 开开路路 ，忽略，忽略 c 、e 之间的之间的内电阻内电阻 rce 。RLiU讨论讨论引入引入 Re 后对输出电阻的影响。后对输出电阻的影响。cIrbe ebcRcRbbIbI ReeI
43、rce oU+_OIbceeOCCCOO IrUUIIRUI 其中其中beebi0 rUIU ，因为因为ebececeeCbececeOebececeObeceeceOC)1()1()1(RrrrURIrrrUUrrrUrUrUrUIOe beee/ rRR 式中式中输出电阻的等效电路输出电阻的等效电路将将 代入代入 式，放大电路输出电阻为式，放大电路输出电阻为C I ccooIRUI ebecececooo)1(/RrrrRIUR 上式中，通常上式中，通常 ，故可简化为，故可简化为1becerr )(/ebecececoRrrrRR 如果如果 Re = 0 ，但考虑，但考虑 rce 的作用，
44、则的作用，则ceco/rRR 显然，接入显然，接入 Re 后，三极管集电极至公共端之间的后，三极管集电极至公共端之间的等效电阻大大提高了。等效电阻大大提高了。3.5工作点的稳定问题工作点的稳定问题3.5.1温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响 三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：子参数的影响主要表现有： 1. UBE 改变。改变。UBE 的温度系数约为的温度系数约为 2 mV/ C，即温度，即温度每升高每升高 1 C，UBE 约下降约下降 2 mV 。 2. 改变。改变。温度每升高温度每升高 1 C， 值约
45、增加值约增加 0.5% 1 %， 温度系数分散性较大。温度系数分散性较大。 3. ICBO 改变。改变。温度每升高温度每升高 10 C ，ICBQ 大致将增加一大致将增加一倍，说明倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。将随温度按指数规律上升。温度升高将导致温度升高将导致 IC 增大，增大，Q 上移。波形容易失真。上移。波形容易失真。iCuCEOiBQCCCRVVCCQ T = 20 C T = 50 C温度对温度对 Q 点和输出波形的影响点和输出波形的影响3.5.2静态工作点稳定电路静态工作点稳定电路一、电路组成一、电路组成分压式偏置电路分压式偏置电路C1RcRb2+VCCC2RL+ +
46、CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB分压式工作点稳定电路分压式工作点稳定电路由于由于 UBQ 不随温度变化，不随温度变化，电流负反馈式工作点稳定电路电流负反馈式工作点稳定电路T ICQ IEQ UEQ UBEQ ( (= UBQ UEQ) ) IBQ ICQ 说明：说明：1. Re 愈大，同样的愈大，同样的 IEQ 产生的产生的 UEQ 愈大，则愈大，则温度稳定性愈好。但温度稳定性愈好。但 Re 增大，增大，UEQ 增大，要保持输增大，要保持输出量不变，必须增大出量不变，必须增大 VCC。2. 接入接入 Re ，电压放大倍数将大大降低。在，电压放大倍数将大大降低。在 Re 两端并联大
47、电容两端并联大电容 Ce ，交流电压降可以忽略，则，交流电压降可以忽略，则 Au 基基本无影响。本无影响。 Ce 称旁路电容称旁路电容3. 要保证要保证 UBQ 基本稳定，基本稳定，IR IBQ，则需要，则需要 Rb1、Rb2 小一些，但这会使电阻消耗功率增大，且电路的小一些，但这会使电阻消耗功率增大，且电路的输入电阻降低。实际选用输入电阻降低。实际选用 Rb1、Rb2 值，取值，取 IR = (5 10)IBQ，UBQ = (5 10)UBEQ。二、静态与动态分析二、静态与动态分析静态分析静态分析C1RcRb2+VCCC2RL+ +CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于由于 IR
48、 IBQ， 可得可得( (估算估算) )CCb2b1b1BQVRRRU eBEQBQeEQEQCQ RUURUII 则则)(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU 静态基极电流静态基极电流 CQBQII 动态分析动态分析C1RcRb2+VCCC2RL+ +CeuoRb1ReiBiCiEiRuirbe ebcRcRLoUbIcIiUbI + + Rb2Rb1RcRb2+VCCRL+ uiuoRb1Re beLrRAu LcL/ RRR cob2b1bei/RRRRrR 3.6共集电极和共基极电路共集电极和共基极电路三种基本接法三种基本接法共射组态共射组态共集组态共集组态共基组态共
49、基组态3.6.1共集电极放大电路共集电极放大电路C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+sUoUiUoUsU +_ _+rbeSR eR iIbIeIoIbeccIbI ( (b) )等效电路等效电路为射极输出器为射极输出器共集电极放大电路共集电极放大电路( (a) )电路图电路图一、静态工作点一、静态工作点C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+SUOU由基极回路求得静态基极电流由基极回路求得静态基极电流ebBEQCCBQ)1(RRUVI BQCQII 则则eCQCCeEQCCCEQRIVRIVU ( (a) )电路图电路图共集电极放大电路共集电极放大电路二、电流放大倍数二、电流放大倍数biII
50、 eoII )1(beioi IIIIA所以所以三、电压放大倍数三、电压放大倍数ebeeo)1(RIRIU ebbebeebebi)1(RIrIRIrIU ebeeio)1()1(RrRUUAu Lee/ RRR 结论：电压放大倍数恒小于结论：电压放大倍数恒小于 1，而接近，而接近 1，且输出电，且输出电压与输入电压同相，又称压与输入电压同相，又称射极跟随器。射极跟随器。iUOUSU +_+rbeSR eR iIbIeIoIbeccIbI ( (b) )等效电路等效电路四、输入电阻四、输入电阻eebebiRIrIU ebeiii)1(RrIUR iUOUSU +_+rbeSR eR iIbIe
51、IoIbeccIbI 输入电阻较大。输入电阻较大。Ri五、输出电阻五、输出电阻OU+_rbeSR bIeIoIbeccIbI bsssbebo/ )( RRRRrIU 式中式中 1)1(sbeooobeoRrIURIII所以所以而而 输出电阻低，故带载能力比较强。输出电阻低，故带载能力比较强。Ro求射极输出器求射极输出器 Ro 的等效电路的等效电路3.6.2共基极放大电路共基极放大电路共基极放大电路共基极放大电路( (a) )原理电路原理电路VEE 保证发射结正偏；保证发射结正偏；VCC 保证集电结反偏；三极管保证集电结反偏；三极管工作在放大区。工作在放大区。( (b) )实际电路实际电路实际
52、电路采用一个电实际电路采用一个电源源 VCC ，用，用 Rb1、Rb2 分分压提供基极正偏电压。压提供基极正偏电压。C1C2+_+_OUiUReVEEVCCRcRLVTC1C2OUVCCRb2Rb1+_ReCbRLiURc一、静态工作点一、静态工作点( (IBQ , ICQ , UCEQ) )实际电路实际电路C1C2OUVCCRb2Rb1+_ReCbRLiURcCQBEQCCb2b1b1eeBEQBQEQ)(1IUVRRRRRUUI 1EQBQII)(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU 二、电流放大倍数二、电流放大倍数微变等效电路微变等效电路由图可得：由图可得：coei,I
53、III 所以所以 ecioIIIIAi由于由于 小于小于 1 而近似等于而近似等于 1 ，所以共基极放电电路，所以共基极放电电路没有电流放大作用。没有电流放大作用。+_+_OUiURerbeLR iIeICIOIbIbI bec共基极放大电路的等效电路共基极放大电路的等效电路三、电压放大倍数三、电压放大倍数+_+_OUiURerbeLR iIeICIOIbIbI bec由微变等效电路可得由微变等效电路可得beLioLbobebi rRUUARIUrIUu 所以所以共基极放大电路没有电流放大作用，但是共基极放大电路没有电流放大作用，但是具有电压放具有电压放大作用大作用。电压放大倍数与共射电路相等
54、，但没有负号，说。电压放大倍数与共射电路相等，但没有负号，说明该电路明该电路输入、输出信号同相位。输入、输出信号同相位。四、输入电阻四、输入电阻暂不考虑电阻暂不考虑电阻 Re 的作用的作用 1)1(bebbebiiirIrIIUR五、输出电阻五、输出电阻暂不考虑电阻暂不考虑电阻 Re 的作用的作用 Ro rcb . 已知共射输出电阻已知共射输出电阻 rce ，而，而 rcb 比比 rce大大 得多，可认为得多，可认为rcb (1 + )rce如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输出电阻为出电阻为Ro = Rc / rcb Rc三种基本组态的比较
55、三种基本组态的比较大大( (数值同共射数值同共射电路，但同相电路，但同相) )小小( (小于、近于小于、近于 1 ) )大大( (十几十几 一几百一几百) ) 小小 大大( (几十几十 一百以上一百以上) ) 大大( (几十几十 一百以上一百以上) )电电路路组态组态性能性能共共 射射 组组 态态共共 集集 组组 态态共共 基基 组组 态态C1C2OUVCCRb2Rb1+_ReCbRLiUC1Rb+VCCC2RL+Re+iUOUC1Rb+VCCC2RL+iUOURciAuA )1( beLrR ebee)1()1(RrR beLrR 三种基本组态的比较三种基本组态的比较 频率频率响应响应大大(
56、 (几百千欧几百千欧 几兆欧几兆欧) )小小( (几欧几欧 几十欧几十欧) )中中( (几十千欧几十千欧几百千欧几百千欧) )rce小小( (几欧几欧 几十欧几十欧) )大大( (几十千欧以上几十千欧以上) )中中(几百欧几百欧几千欧几千欧) rbe组态组态性能性能共共 射射 组组 态态共共 集集 组组 态态共共 基基 组组 态态iRoR 1sbeRrce)1(r 1berebe)1(Rr 差差较好较好好好3.7 差分放大电路差分放大电路3.7.1 零点漂移零点漂移直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象。并缓慢地
57、发生不规则变化的现象。原因：原因：放大器件的参数受温度影响而使放大器件的参数受温度影响而使 Q 点不稳定。点不稳定。零点漂移现象零点漂移现象uOtOuItO放大电路级数愈多，放放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。愈严重。抑制零点漂移的措施：抑制零点漂移的措施：( (1) ) 引入直流负反馈以稳定引入直流负反馈以稳定 Q 点；点；( (2) ) 利用热敏元件补偿放大器的零漂；利用热敏元件补偿放大器的零漂；利用热敏元件补偿零漂利用热敏元件补偿零漂R2R1+VCC+VT2+ RcVT1uIuOiC1ReRuB1( (3) ) 采用差分放大电路。采用差分放大电路
58、。3.7.2差分放大电路差分放大电路输入级大都采用差分放大电路的形式。输入级大都采用差分放大电路的形式。电路形式电路形式基本形式基本形式长尾式长尾式恒流源式恒流源式一、基本形式差分放大电路一、基本形式差分放大电路1. 电路组成电路组成+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+uIdId21uId21u+uoR1R2假设电路完全对称假设电路完全对称当当 uId = 0，时，时UCQ1 = UCQ2UO = 0差分放大电路的基本形式差分放大电路的基本形式2. 电压放大倍数电压放大倍数VT1 和和 VT2 基极输入电压大小相等，极性相反，基极输入电压大小相等，极性相反，称为差模输入电压称为差模
59、输入电压( (uId) )。在差模信号作用下：在差模信号作用下：Id1u1C21uAu IdCuAuu1221 Id12CC1ouAuuuu 差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为1IdoduAuuA 3. 共模抑制比共模抑制比差分放大电路差分放大电路输入电压输入电压差模输入电压差模输入电压 uId共模输入电压共模输入电压 uIc( (uIc大小相等，极性相同大小相等，极性相同) )+VCCRcVT1VT2RbRcRb+uIc+uoRR共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：IcocuuA Ac 愈小愈好，而愈小愈好，而Ad 愈大愈好愈大愈好图图 4.2.7共模输入电压共模输入电压共模抑制比共模抑制
60、比 KCMRcdCMRlg20AAK ( (1) ) KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；愈大，抑制零漂能力愈强；( (2) ) 理想情况下，电路参数完全对称，理想情况下，电路参数完全对称，Ac = 0， KCMR = 。( (3) ) 基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。可减小每个管子输出端的温漂。1. 电路
61、组成电路组成+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe Re 称为称为“长尾电阻长尾电阻”。且引入且引入共模负反馈共模负反馈。 Re 愈大，共愈大，共模负反馈愈强。模负反馈愈强。Ac 愈小。每个管愈小。每个管子的零漂愈小。子的零漂愈小。 对差模信号对差模信号无负反馈。无负反馈。长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路2. 静态分析静态分析+VCCRc+VT1VT2Rc+uIdId21uId21u+uoRR VEERe当当 uId = 0 时，由于电路结构对称，故：时，由于电路结构对称，故： IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ
62、 ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 =UCQ2 = UCQ， 1= 2= IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE则则eBEQEEBQ)1(2RRUVI ICQ IBQ)(BQBQ对地对地RIU cCQCCCQRIVU ( (对地对地) )长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路3. 动态分析动态分析RcVT1VT2Rc+ uoRR uI1 uI22LR2LR)(2beBidrRiv2/2LcCRRivod长尾式差分放大电路的交流通路长尾式差分放大电路的交流通路+-Odu11Bi22Bi2LR2LRIdu+2Bi1Bi-接有调零电位器的长尾差分电路接有调零电位器的长
63、尾差分电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2LRRWVEE+VCCRe差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为beLCOdd)2/(rRRRvvAid差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为)(2beidrRR co2RR 三、恒流源式差分放大电路三、恒流源式差分放大电路 用三极管代替用三极管代替“长尾式长尾式”电路的长尾电阻，即构成电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+ uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31. 电路组成电路组成VT3：恒流管：恒流管作用：作用： 能使能使 iC1、iC2基本上不随温度的基本
64、上不随温度的变化而变化，从而变化而变化，从而抑制共模信号的变抑制共模信号的变化。化。恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路2. 静态分析静态分析当忽略当忽略 VT3 的基极电流时，的基极电流时， Rb1 上的电压为上的电压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3)(EECC2b1b1b1bVVRRRUR 于是得到于是得到CQ3CQ2CQ121III C1CQCCCQ2CQ1RIVUU 11CQBQ2BQ1 III RIUU1BQBQ2BQ1 e3BEQEQ3CQ31bRUUIIR 恒流源式差分放大电路恒流源式差分放大电路3. 动态分析动态分析由于恒流三
65、极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模电压放大倍数为beLC2I1IOd)2/(rRRRuuuA 差模输入电阻为差模输入电阻为差模输出电阻为差模输出电阻为)(2beidrRR co2RR 四、差分放大电路的输入、输出接法四、差分放大电路的输入、输出接法有四种不同的接法有四种不同的接法差分输入、双端输出；差分输入、双端输出；差分输入、单端输出；差分输入、单端输出；单
66、端输入、双端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。单端输入、单端输出。1. 差分输入、双端输出差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+ uoRRuIuI2+VCCVEEIR+beLCd)2/(rRRRA )(2beidrRR co2RR 差分输入、双端输出差分输入、双端输出2. 差分输入、单端输出差分输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo uO 约为双端输出的一半，即约为双端输出的一半，即beLCd)/(21rRRRA )(2beidrRR coRR 若由若由 VT2 集电极输集电极输出，出， uO 为为“正正”。差分输入、单端输出差分输入、单端输出3. 单端输入、双端输出单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+ uoRRuI+VCCVEEI+单端输入单端输入则则 当共模负反馈足当共模负反馈足够强时，够强时，IE21uu IEI1BE21uuuu IE2BE210uuu 三极管仍然基本工作在差分状态，所以三极管仍然基本工作在差分状态，所以；beLCd)2/(rRRRA ；)(2beidrRR co2RR 单端输入、双端输出单端输入、双
