第四章半导体三极管及其放大电路本章内容简介本章首先讨论半导体三极管（BJT）的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。随后着重讨论BJT放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三种放大电路。内容安排上是从共发射极电路入手，再推及其他两种电路，并将图解法和小信号模型法，作为分析放大电路的基本方法。（一）主要内容★★半导体三极管的结构及工作原理，放大电路的三种基本组态★静态工作点Q的不同选择对非线性失真的影响★?用H参数模型计算共射极放大电路的主要性能指标★★共集电极电路和共基极电路的工作原理★★三极管放大电路的频率响应（二）教学要点：从半导体三极管的结构及工作原理入手，重点介绍三种基本组态放大电路的静态工作点、动态参数（电压增益、源电压增益、输入电阻、输出电阻）的计算方法，H参数等效电路及其应用。（三）基本要求：★★了解半导体三极管的工作原理、特性曲线及主要参数★了解半导体三极管放大电路的分类★全掌握用图解法和小信号分析法分析放大电路的静态及动态工作情况★个理解放大电路的工作点稳定问题?★掌握放大电路的频率响应及各元件参数对其性能的影响3.1半导体三极管（BIT）3.1.1BJT的结构简介：半导体三极管有两种类型:NPN型和PNP型结构特点：发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。3.1.2BJT的电流分配与放大原理三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的
第四章 半导体三极管及其放大电路 本章内容简介 本章首先讨论半导体三极管（BJT ）的结构、工作原理、特性曲线和主要参 数。随后着重讨论 BJT 放大电路的三种组态，即共发射极、共集电极和共基极三 种放大电路。内容安排上是从共发射极电路入手，再推及其他两种电路，并将图 解法和小信号模型法，作为分析放大电路的基本方法。 （一）主要内容: 半导体三极管的结构及工作原理，放大电路的三种基 本组态 静态工作点 Q 的不同选择对非线性失真的影响 用 H 参数模型计算共射极放大电路的主要性能指标 共集电极电路和共基极电路的工作原理 三极管放大电路的频率响应 （二）教学要点： 从半导体三极管的结构及工作原理入手，重点介绍三种基本组态放大电路 的静态工作点、动态参数（电压增益、源电压增益、输入电阻、输出电阻） 的计算方法，H 参数等效电路及其应用。 （三）基本要求: 了解半导体三极管的工作原理、特性曲线及主要参数 了解半导体三极管放大电路的分类 掌握用图解法和小信号分析法分析放大电路的静态 及动态工作情况 理解放大电路的工作点稳定问题 掌握放大电路的频率响应及各元件参数对其性能的 影响 3.1 半导体三极管（BJT） 3.1.1 BJT 的结构简介：半导体三极管有两种类型:NPN 型和 PNP 型。 结构特点：发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。 3.1.2 BJT 的电流分配与放大原理 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的
外部条件：发射结正偏，集电结反偏。1.内部载流子的传输过程发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；O基区：传送和控制载流子（以NPN为例）I.-Ig-BobI-+00LB以上看出，三极管内有两种载流子I-I+I（自由电子和空穴）参与导电，故称为双极型三极管，载流子的传输过程或BJT (Bipolar Junction Transistor)。2.电流分配关系aic=αxieic=βxiBBig=(1-α)xig1-α3.三极管的三种组态共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示。共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。IEe输出端口输出端口输人端口输区人端口瑞部e6发CCCECBIe=8IBIc=al=/(1-)BJT的三种组态3.1.3BJT的特性曲线1.输入特性曲线's=f(VBE)Iver=const(1）当VcE=OV时，相当于发射结的正向伏安特性曲线
外部条件：发射结正偏，集电结反偏。 1. 内部载流子的传输过程 发射区：发射载流子； 集电区：收集载流子； 基区：传送和控制载流子（以 NPN 为例） 以上看出，三极管内有两种载流子 (自由电子和空穴)参与导电， 故称为双极型三极管， 或 BJT (Bipolar Junction Transistor)。 2. 电流分配关系 3. 三极管的三种组态 共发射极接法，发射极作为公共电极，用 CE 表示。共基极接法，基极作为公 共电极，用 CB 表示。共集电极接法，集电极作为公共电极，用 CC 表示。 4. 放大作用 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区 传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部 条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发 射结正向偏置，集电结反向偏置。 3.1.3 BJT 的特性曲线 1. 输入特性曲线 (1) 当 时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。 B BE V const CE i = f V = ( )| VCE = 0V C E i = i B E i = (1−)i − = = 1 C B i i 载流子的传输过程 BJT 的三种组态
IB/uAVCE=OVVCE≥IV100806040200.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Vez / v0(2)当Vaz≥1V时,Vca=Ve-Vae>0V，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的VB下，Ib减小，特性曲线右移。(3）输入特性曲线的三个部分：死区；非线性区；线性区2.输出特性曲线Ic/mA1饱和区IB2=80MA放大区3IB1=40MAZg=0截止区1Hg/ic = f(Vce) lig=const放大区：ic平行于vce轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，截止区：ic接近零的区域，相当0的曲线的下方。此时，VBE小于死区电压，集电结反偏。饱和区：ic明显受vcE控制的区域，该区域内，一般VcE<0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。3.1.4BJT的主要参数
(2) 当 ，集电结已进入反偏状态，开始收集电 子，基区复合减少， 同样的 ，特性曲线右移。 (3) 输入特性曲线的三个部分：死区；非线性区；线性区 2. 输出特性曲线 放大区：iC平行于 vCE轴的区域， 曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。 截止区：iC接近零的区域，相当 iB=0 的曲线的下方。 此时，vBE小于死区电压，集电结反偏。 饱和区：iC明显受 vCE控制的区域，该区域内， 一般 vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏 或反偏电压很小。 3.1.4 BJT 的主要参数 VCE 1V时,VCB =VCE −VBE 0V VBE下，Ｉb减小 vCE = 0V vCE 1V C CE i const B i = f V = ( ) |
lc/mAIc/mAVc=7V500MAB=lc/lB400LAid3030300MA2020200μAbIg=100MAia10H10OuA+IB/MAVCE/V1015201002003004005001.电流放大系数(1）共发射极直流电流放大系数(②）共发射极交流电流放大系数(3）共基极直流电流放大系数（4）共基极交流电流放大系数当IcBo和IcEo很小时，直流和交流可以不加区分。Ic/mARI-Alc+VCE/VVCEQ2.极间反向电流(1）集电极基极间反向饱和电流IcBo；发射极开路时，集电结的反向饱和电流。(2）集电极发射极间的反向饱和电流IcEO:即输出特性曲线Is=0那条曲线所对应的Y坐标的数值。IcEo也称为集电极发射极间穿透电流。3.极限参数Ic/mAVCE=7V B=lc/lBIcM30F2010*B/μA0100200300400500(1）集电极最大允许电流IcM(2)集电极最大允许功率损耗PcM=IcVcE
1. 电流放大系数 (1) 共发射极直流电流放大系数 (2) 共发射极交流电流放大系数 (3) 共基极直流电流放大系数 (4) 共基极交流电流放大系数当 ICBO和 ICEO很小时，直流和交流可以不加区分。 2. 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流 ICBO；发射极开路时， 集电结的反向饱和电流。 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流 ICEO： 即输出特性曲线 IB = 0 那条曲线所对应的 Y 坐标的数值。 ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。 3. 极限参数 (1) 集电极最大允许电流 ICM (2) 集电极最大允许功率损耗 PCM = ICVCE
(3）反向击穿电压V(BR)CBO—发射极开路时的集电结反向击穿电压。V(BR)EBO—集电极开路时发射结的反向击穿电压。V(BR)CEO—基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。几个击穿电压有如下关系：V(BR)CBO>V(BR)CEO>V(BR)EBO由PcM、Ic和V(BRCEo在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。小结：本节主要介绍了三极管的结构、工作原理和特性曲线。作业：3.1.1，3.1.2，3.1.4
(3) 反向击穿电压 V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反向击穿电压。 V(BR) EBO——集电极开路时发射结的反向击穿电压。 V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。 几个击穿电压有如下关系：V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR) EBO 由 PCM、 ICM和 V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿 区。 小结：本节主要介绍了三极管的结构、工作原理和特性曲线。 作业：3.1.1，3.1.2，3.1.4
3.2共射极放大电路1.电路组成放大电路组成原则：R.4kQLIR300ks2-VeoHT12V2V01.提供直流电源，为电路提供能源。2．电源的极性和大小应保证BJT基极与发射极之间处于正向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置，从而使BJT工作在放大区。3.电阻取值与电源配合，使放大管有合适的静态点。4：输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。5.当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。1ReE1UOEVoR0VBEiE共射极放大电路1202.简化电路及习惯画法
3.2 共射极放大电路 1. 电路组成 放大电路组成原则： 1．提供直流电源，为电路提供能源。 2．电源的极性和大小应保证 BJT 基极与发射极之间处于正向偏置；而集电极与 基极之间处于反向偏置，从而使 BJT 工作在放大区。 3．电阻取值与电源配合，使放大管有合适的静态点。 4．输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。 5．当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而 使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。 2. 简化电路及习惯画法 共射极放大电路
3.简单工作原理共射极基本放大电路的电压放大作用是利用了BJT的电流控制作用，并依靠Rc将放大后的电流的变化转为电压变化来实现的。4.放大电路的静态和动态静态：输入信号为零时，电路的工作状态，也称直流工作状态。动态：输入信号不为零时，电路的工作状态，也称交流工作状态。电路处于静态时，三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、Ic、和VcE（或IBQ、IcQ、和VcEQ）表示。5.直流通路和交流通路根据叠加原理可将电路中的信号分解为：直流信号和交流信号。直流信号通过直流通路求解，交流信号通过交流通路求解。直流通路：当没加输入信号时，电路在直流电源作用下，直流电流流经的通路。直流通路用于确定静态工作点。直流通路画法：①电容视为开路；②电感线圈视为短路；③信号源视为短路，但保留其内阻。交流通路：在输入信号作用下交流信号流经的通路。交流通路用于计算电路的动态性能指标。交流通路画法：①容量大的电容视为短路；②直流电源视为短路。对于放大电路来说其最基本要求，一是不失真，二是能够放大。只有在信号的整个周期内BJT始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。静态工作点设置合适能实现线性放大：静态工作点设置偏高会产生饱和失真：静态工作点设置偏低会产生截止失真。Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着放大电路几乎所有的动态系数。小结：本节主要介绍了共射极放大电路简单工作原理。作业：3.2.1
3. 简单工作原理 共射极基本放大电路的电压放大作用是利用了 BJT 的电流控制作用，并依 靠 Rc 将放大后的电流的变化转为电压变化来实现的。 4. 放大电路的静态和动态 静态：输入信号为零时，电路的工作状态，也称直流工作状态。 动态：输入信号不为零时，电路的工作状态，也称交流工作状态。 电路处于静态时，三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为 静态工作点，常称为 Q 点。一般用 IB、IC、和 VCE （或 IBQ、ICQ、和 VCEQ ） 表示。 5. 直流通路和交流通路 根据叠加原理可将电路中的信号分解为：直流信号和交流信号。直流信号 通过直流通路求解，交流信号通过交流通路求解。 直流通路:当没加输入信号时，电路在直流电源作用下，直流电流流经的通路。直 流通路用于确定静态工作点。 直流通路画法：①电容视为开路；②电感线圈视为短路；③信号源视为短路，但 保留其内阻。 交流通路:在输入信号作用下交流信号流经的通路。交流通路用于计算电路的动 态性能指标。 交流通路画法：①容量大的电容视为短路；②直流电源视为短路。 对于放大电路来说其最基本要求，一是不失真，二是能够放大。只有在信号 的整个周期内 BJT 始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。 静态工作点设置合适能实现线性放大；静态工作点设置偏高会产生饱和失真； 静态工作点设置偏低会产生截止失真。Q 点不仅影响电路是否会产生失真，而且 影响着放大电路几乎所有的动态系数。 小结：本节主要介绍了共射极放大电路简单工作原理。 作业：3.2.1
3.3图解分析法3.3.1静态工作情况分析1用近似估算法求静态工作点：采用该方法，必须已知三极管的B值。OVccIRcRhTvIcTVCE8VBE根据直流通路：硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2VVec-Vm, Ie = Blg: Ve =Vec -IeReIR=R,2.用图解分析法确定静态工作点(Q点)：采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。首先，画出直流通路；在输入特性曲线上，作出直线VBE=Vcc一IBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。在输出特性曲线上，作出直流负载线VcE=VcC-IcRc，与IBo曲线的交点即为Q点，从而得到VcEQ和Ic。ictB/MAVeeVCE斜率R.1斜率RR0Ieo:IBOIBQ+VBE/V-VCEVBEQVee3.3.2动态工作情况分析
3.3 图解分析法 3.3.1 静态工作情况分析 1. 用近似估算法求静态工作点：采用该方法，必须已知三极管的 β 值。 根据直流通路：硅管 VBE=0.7V，锗管 VBE=0.2V 2. 用图解分析法确定静态工作点(Q 点)： 采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。 首先，画出直流通路；在输入特性曲线上，作出直线 VBE =VCC－IBRb，两线的 交点即是 Q 点，得到 IBQ 。在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCC－ ICRC，与 IBQ 曲线的交点即为 Q 点，从而得到 VCEQ 和 ICQ 。 3.3.2 动态工作情况分析 C B CE CC C C b CC BE B I I V V I R R V V I = = − − = ； ；
ic斜率R/IRLVee过输出特性曲线上的O点做一条斜率为R-1/(RL//Re)直线，该直线即为交流负载斜率R线。交流负载线是有交流输入信号时9IcoIBO点的运动轨迹。R'L=RL//Rc，是交流负载电阻。VCEVeEQVec1.1交流通路及交流负载线2.输入交流信号时的图解分析通过图解分析，可得如下结论：V,→VBEiB→icVCE-VI1.2.Vo与vi相位相反；3.可以测量出放大电路的电压放大倍数：4.可以确定最大不失真输出幅度。ic/mA饱和区200uA160uA120uA放大区80uAin=40uAOQ20VCE/V截止区lig/uA交流负载线ic/mAig/uAic/mAQ60e060uA4040uA020uAVBE/VVeeNtVBE/VVCEVVBFOttr
1. 1. 交流通路及交流负载线 2. 输入交流信号时的图解分析 通过图解分析，可得如下结论： 1. 2. vo 与 vi 相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数； 4. 可以确定最大不失真输出幅度。 | | i BE B C CE o v →v →i →i →v → v Q Q1 Q2 vCE/V iC/mA 放大区 0 iB=40uA 80uA 120uA 160uA 饱和区 200uA 截止区 过输出特性曲线上的 Q 点做一条斜率为 -1/(RL∥Rc)直线，该直线即为交流负载 线。交流负载线是有交流输入信号时 Q 点的运动轨迹。R'L= RL∥Rc，是交流负 载电阻。 Q Q` Q`` IBQ VBEQ vB E/V iB/uA t t vB E/V iB/uA 20 40 60 Q Q` Q`` ICQ VCEQ vC E/V iC/mA vC E/V iC/mA t t 交流负载线 20uA 40uA 60uA
3.BJT的三个工作区饱和区特点：ic不再随iB的增加而线性增加，截止区特点：iB=0，ic=IcEO当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真1.波形的失真饱和失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。截止失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。2.2.放大电路的动态范围放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位，即：_Vcc-VcES；要有合适的交流负载线。CEO23.输出功率和功率三角形放大电路向电阻性负载提供的输出功率在输出特性曲线上，正好是三角形DABO的面积，这一三角形称为功率三角形。要想P。大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom和lom都要大。ic/mAIcoIBQomVCE/VVecVcEQk-VomVom Iom1P, =Vomlom220放大电路如图所示。已知BJT的β=80，Rb=300K2，Rc-2K2，Vcc+12V,求：（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（2）当Rb=100KQ时，放大电路的O点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略饱和压降）解：（1）放大电路的Q点：12VVc-VBEIB ==40A1c=I,=80×40A=3.3mA300KQR
3. BJT 的三个工作区 饱和区特点： iC 不再随 iB 的增加而线性增加， 截止区特点：iB = 0，iC = ICEO 当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真 1. 波形的失真 饱和失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失 真。对于 NPN 管，输出电压表现为底部失真。 截止失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失 真。对于 NPN 管，输出电压表现为顶部失真。 2. 2. 放大电路的动态范围 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：工作点 Q 要设置在输出特性曲 线放大区的中 间部位，即： ；要有合适的交流负载线。 3. 输出功率和功率三角形 放大电路向电阻性负载提供的输出功率在输出特性曲线上，正好是三角形 DABQ 的面积，这一三角形称为功率三角形。要想 Po 大，就要使功率三角形的 面积大，即必须使 Vom 和 Iom 都要大。 放大电路如图所示。已知 BJT 的 ß=80， Rb=300KΩ， Rc=2KΩ， VCC= +12V， 求：（1）放大电路的 Q 点。此时 BJT 工作在哪个区域？ （2）当 Rb=100KΩ 时，放大电路的 Q 点。此时 BJT 工作在哪个区域？（忽略 饱和压降） 解：（1）放大电路的 Q 点： om om om om o V I V I P 2 1 2 2 = = A I I A mA K V R V V I C B b CC BE B 40 80 40 3.3 300 12 = = = = − = 2 CC CES CEQ V V V − =