1、1第第3章章 双极型晶体管（双极型晶体管（BJT）中山大学中山大学 郭东亮郭东亮219471947年的晶体管年的晶体管（transistortransistor）1947年12月16日，美国新泽西州的贝尔实验室里，3位科学家威廉肖克利（William Shockley）、约翰巴顿（John Bardeen）和沃特布拉顿（Walter Brattain）成功地制造出第一个晶体管，改变了人类的历史。1950年，William Shockley开发出双极性接面晶体管（bipolar junction transistor,BJT），也就是现在俗称的晶体管。3 他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声
2、音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果晶体管。1956年，这3位科学家共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管之父晶体管之父 William ShockleyWilliam Shockley43.1 BJT3.1 BJT的结构及内部载流子的传输的结构及内部载流子的传输 晶体管是通过一定的工艺，将两个晶体管是通过一定的工艺，将两个PNPN结结合在一起的器件。两结结合在一起的器件。两个个PNPN结互相影响，使晶体管表现出不同于单个结互相影响，使晶体管表
3、现出不同于单个PNPN结的特性而具有信结的特性而具有信号放大功能，因而成为各种电子电路的核心元件。号放大功能，因而成为各种电子电路的核心元件。在晶体管中，参与导电的有空穴和电子两种载流子，又因为它在晶体管中，参与导电的有空穴和电子两种载流子，又因为它是由两个是由两个PNPN结构成，所以被称为双极型晶体管结构成，所以被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Bipolar Junction TransistorTransistor)。由于由于BJTBJT有三个电极有三个电极,因而又称为三极管。它有很多种类。按频因而又称为三极管。它有很多种类。按频率分有高频管、低频管；按功率分有大、中
4、、小功率管；按材料分率分有高频管、低频管；按功率分有大、中、小功率管；按材料分有有SiSi和和GeGe管。管。根据结构的不同，三极管一般有两种类型：根据结构的不同，三极管一般有两种类型：NPN NPN 型和型和 PNPPNP 型。型。5NPN NPN 型三极管结构示意图型三极管结构示意图e ec cb b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 c基极基极 b b发射极发射极 e eN NN NP P3.1.1 3.1.1 晶体管的结构、示意图和符号晶体管的结构、示意图和符号 图中箭头表示发射图中箭头表示发射结在正向偏置电压接结在正向偏置电压接法下的电流
5、方向。法下的电流方向。6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 c发射极发射极 e e基极基极 b bc cb be e符号符号N NN N P PP PN NPNP PNP 型三极管结构示意图型三极管结构示意图 图中箭头表示发射图中箭头表示发射结在正向偏置电压接结在正向偏置电压接法下的电流方向。法下的电流方向。3.1.2 3.1.2 晶体管放大状态下内部载流子的运动晶体管放大状态下内部载流子的运动7以以 NPN NPN 型三极管为例讨论型三极管为例讨论c cN NN NP Pe eb bb be ec c表面看表面看三极管若实现三极管若实现放大，必须从三放大
6、，必须从三极管极管内部结构内部结构和和外部所加外部所加电源的电源的极性极性来保证。来保证。不具备不具备放大作用放大作用三极管内部结构要求：三极管内部结构要求：1.1.发射区高掺杂。发射区高掺杂。2.2.基区做得很薄。通常只有几基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。微米到几十微米，而且掺杂较少。外加电源的极性应使发射结处于正向偏外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.3.集电结面积大。集电结面积大。N Ne ec cN NP Pb b二氧化硅二氧化硅集电区集电区基区基区发射区发射区8三极管放大的外部条件：三极管放大
7、的外部条件：e ec cR Rc cR Rb b一、晶体管内部载流子的运动一、晶体管内部载流子的运动I EIB1.1.发射结加正向电压，扩散运动发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区基区的空穴扩散到发射区形成发射形成发射极电流极电流 I IE E (基区多子数目较少，空穴基区多子数目较少，空穴电流电流I IEPEP可忽略可忽略)。2.2.扩散到基区的自由电子与空扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流穴的复合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成电子到达基区，少数与空穴复
8、合形成基极电流基极电流I Ibnbn，复合掉的空穴由复合掉的空穴由 V VBBBB 补补充。多数电子在基区继续扩散，到达集充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。电结的一侧。晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动9b bI IE EI IENENI IEPEP I IENEN I IB BI IBNBNI IEPEP b be ec cI EI BR Rc cR Rb b3.3.集电结加反向电压，漂移运动形集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流成集电极电流I Ic c 集电结反偏，结电场的方向阻止集电集电结反偏，结电场的方向阻止集电区的多子（电子）向基区运动，但却将基区的多子（电
9、子）向基区运动，但却将基区扩散进来的电子收集到集电极，形成电区扩散进来的电子收集到集电极，形成电流流I ICNCN。其能量来自外接电源。其能量来自外接电源 V VCCCC 。I C C 同时，结电场把基区的本征少子（电同时，结电场把基区的本征少子（电子）抽取到集电区，把集电区的本征少子子）抽取到集电区，把集电区的本征少子（空穴）抽取到基区，形成很小的少子漂（空穴）抽取到基区，形成很小的少子漂移电流移电流,即反向饱和电流，用即反向饱和电流，用I ICBOCBO表示。表示。ICBO晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动10 I IC C=I=ICNCN+I+ICBOCBO 二、晶体管的电流分
10、配关系二、晶体管的电流分配关系IC=ICn+ICBO IE=IEn+IEp IB=IEP+IBNIE=IC+IB晶体管内部载流子的运动与外部电流晶体管内部载流子的运动与外部电流11=ICn+IBn+IEp三、共射电流放大系数、共基电流放大系数三、共射电流放大系数、共基电流放大系数12 I IE E=I=IB B+I+IC C I ICNCN I IE E )(ECIII IC C(1(1)=)=I IB B+I+ICBOCBO I IB BI IBNBNI IEPEP有有1令令 CBOBCIII)1(BCII-共射电流放大系数共射电流放大系数 ECBCEOBCBBCEIIIIIIIIII)1(
11、TBETBETBEVvSCBVvSECVvSEeIIieIIieIi/ECnII 11或或4 4、共基交流电流放大系数、共基交流电流放大系数ECii直流参数直流参数 与交流参数与交流参数 、的含义是不的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，同的，但是，对于大多数三极管来说，与与 ，与与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。、5.5.与与 的关系的关系133.2 3.2 晶体管共射电路的伏安特性晶体管共射电路的伏安特性14 i iB B=f f(v vBEBE)V VCE CE=Const=Const一一.输入特性曲线输入特性曲线+-b
12、 bc ce e共射极放大电路共射极放大电路U UBBBBU UCCCCv vBEBEi iC Ci iB B+-v vCECE 指当集射间电压不变时，输入回路中加在基极和发射极间的电压vBE和基极电流iB间的关系曲线。15V VCECE=0V=0VV VCECE 1V1Vv vBEBE /V V(2)当VCE0时，这个电压的极性有利于把发射区扩散到基极的电子收集到集电极。如果VCEVBE，则发射结正偏，集电结反偏。集电极开始收集电子，基区复合减少，在同样的vBE下,IB减小，特性曲线右移。(1)当VCE=0V时，从输入回路看，由于发射结正偏，输入特性与半导体二极管的正向特性曲线类似。若VCE
13、继续增加，输入特性应继续右移。但当VCE1后，在一定的VBE之下，集电结的反向偏压已足以将注入基区的电子基本上都收集到集电极，此时即使VCE再增加，IB也不会减少很多。因此，VCE1V后，不同的VCE值的输入特性几乎重叠。通常用VCE1V来代表VCE更高的情况。i iC C=f f(v vCECE)I IB B=Const=Const二、输出特性曲线二、输出特性曲线16 指当基极电流不变时，输出回路中取自集电极和发射极间的电压vCE与集电极电流iC间的关系曲线。1）vCE很小时，当vCE略有增加，iC增加很快。故曲线起始部分较陡。这是由于vCE很小（小于1V）时，集电结反向电压较小，对到达基区
14、的电子吸引力不够。此时，iC受vCE影响很大，vCE稍有增加，则从基区到集电区电子增加很快，此时iC增加很大。2）当vCE超过某数值后，曲线变得比较平坦，近似于水平直线。这表示当iB一定时，iC的值基本上不随vCE变化。这是由于vCE大，集电结的电场足够强，能使发射区扩散到基区的绝大部分电子到达集电区，此时vCE再增大，iC增加就不多了。17饱和区：饱和区：在特性曲线的起在特性曲线的起始部分，不同始部分，不同i iB B值的各条值的各条曲线几乎重叠。曲线几乎重叠。i iC C基本上基本上不随不随i iB B而变。这称为饱和而变。这称为饱和现象。现象。i iC C明显受明显受v vCECE控制，
15、控制，该区域内，一般该区域内，一般v vCECE0.7V(0.7V(硅管硅管)。此时，发射。此时，发射结正偏，集电结正偏或反结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。偏电压很小。随着iB的不同，可以画出一族特性曲线。放大区：放大区：i iC C平行于平行于v vCECE轴轴的区域，曲线基本平行的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。偏，集电结反偏。截止区：截止区：i iC C接近零的区接近零的区域，相当域，相当i iB B=0=0的曲线的的曲线的下方。此时，下方。此时，v vBEBE小于小于死区电压，集电结反偏。死区电压，集电结反偏。18 一般，放大区的曲线相对水平
16、轴有一点倾斜，这是由于基区调制效应引起的。所谓基区调制效应，是指当VBE为常量时，基区宽度随着VCE的增加而减小，发射区发射到基区的电子与基区空穴复合几率变小，导致IC增加。为了形象化地表示这一结果，我们可以认为集电极特性曲线族的每一条曲线都是由电压横轴负半轴上的一点发出射线延长得到的。这一点称为Early电压，用VA表示。Early Early 电压电压 VA不是实际的电压，但它描述了对于固定的IB，vCE变化对iC的影响。三极管的参数分为三大类：三极管的参数分为三大类：直流参数、交流参数、极限参数直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数一、直流参数1.1.共射直流放大系数共射直流放大系数
17、3.3 BJT3.3 BJT的主要参数的主要参数3.3.集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流I ICBOCBO集电极发射极间的反向饱和电流集电极发射极间的反向饱和电流I ICEOCEO192.2.共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数是电流的直流量之比，也用hFE标记。BCBCEOCIIIII当忽略反向饱和电流ICBO时，ECII 发射极开路时，在集电结加上一定反向电压时的反向电流。它的大小标志着集电结的质量，即单向导电性的优劣。ICBO越小越好。基极开路时，从集电极直通到发射极间的电流。ICEO越小，放大管的质量越好。OCBOCEII)1(二、交流参数二、交流参数1.1.共射交
18、流放大系数共射交流放大系数 2.2.共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 20 三极管工作时，基极电流产生一个ib，相应地集电极电流有ic，则 ，是电流的变化量之比，也用hfe标记。BCii 与共射直流放大系数的含义不同。后者反映静态（直流工作状态）时IC与IB之比。而前者反映的是动态（交流工作状态）时电流的增量之比，表征的是共射极电路的电流放大能力。ECii，体现的是共基接法下的电流放大作用。与与 之间的关系是：之间的关系是：1或或1 三、三、极限参数极限参数1.1.最大集电极电流最大集电极电流I ICMCM3.3.反向击穿电压反向击穿电压 VCBO发射极开路时的集电结所允许加的最高
19、反向电压。VEBO-集电极开路时发射结所允许加的最高反向电压。VCEO基极开路时集电极和发射极间所允许加的最高反向电压。21极限参数指使用三极管时不得超过的限度。极限参数指使用三极管时不得超过的限度。2.2.最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率P PCMCM ICM指三极管的参数变化不超过规定值时允许的最大集电极电流。当集电极电流大于ICM时，值明显变小，三极管性能下降。由于三极管处于放大状态时，有一个PN结是反偏的。因此就有外加在各电极间的最大允许反向电压的限制。否则反向电流上升，导致管子击穿而损坏。三极管工作时，损耗功率为PC=iCvCE，PCM表示集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值会
20、使管子性能变坏或烧毁。PCM值与环境温度有关。温度越高，则PCM越小。由由P PCMCM、I ICMCM、V V（BRBR）CEOCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区、安全工作区。如过电流区和击穿区、安全工作区。如图图所示。所示。22温度对晶体管特性及参数的影响温度对晶体管特性及参数的影响 温度对输入特性的影响：温度升高时正向特性左移，反之右移。6060404020200 0 0.40.4 0.80.8I I/mA/mAU U/V/V温度对输入特性的影响温度对输入特性的影响20200 060600 0 温度对输出特性的影响温度升高将导致IC
21、增大。i iC CV VCECEO Oi iB B20200 060600 0温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响23三极管工作状态的判断三极管工作状态的判断 例例11：测量某测量某NPNNPN型型BJTBJT各电极对地的电压值如下，试判别各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？管子工作在什么区域？解：解：原则：原则：正偏正偏反偏反偏反偏反偏集电结集电结正偏正偏正偏正偏反偏反偏发射结发射结饱和饱和放大放大截止截止对对NPNNPN管而言，放大时管而言，放大时对对PNPPNP管而言，放大时管而言，放大时（1 1）放大区）放大区（2 2）截止区）截止区（3 3）饱和区）饱和区24 例例
22、22某放大电路中某放大电路中BJTBJT三个电极的电流如图所示。三个电极的电流如图所示。I IA A-2mA,-2mA,I IB B-0.04mA,-0.04mA,I IC C+2.04mA,+2.04mA,试判断管脚、管型。试判断管脚、管型。解：解：电流的正方向和电流的正方向和KCLKCL。I IE E=I IB B+I IC CA AB BC C I IA AI IB BI IC CC C为发射极为发射极B B为基极为基极A A为集电极。为集电极。管型为管型为NPNNPN管。管。25分析：先求分析：先求U UBEBE，若等于，若等于0.6-0.7V0.6-0.7V，为硅管；若等于，为硅管；
23、若等于0.2-0.3V0.2-0.3V，为锗管。，为锗管。NPNNPN管管U UBEBE0 0，U UBCBC0 0，即，即。PNPPNP管管U UBEBE0 0，U UBCBC 0 0，即，即。263.4 BJT3.4 BJT的直流模型和微变等效电路的直流模型和微变等效电路27(a)(a)等效电路等效电路 正偏的发射结 PN结；反偏的集电结 基极集电极开路；集电极电流IC由基极电流IB控制 受控电流源。直流模型用于：确定直流工作点。（b b）简化的直流模型）简化的直流模型3.4.1 BJT3.4.1 BJT的等效电路和直流模型的等效电路和直流模型28【例例3.4-13.4-1】基本的共射放大
24、电路如图基本的共射放大电路如图 3.43.4 2 2所示（图中未所示（图中未画出交流部分），求三极管各极的电流及集画出交流部分），求三极管各极的电流及集-射间电压射间电压V VCECE。设设V VBEBE0.7V0.7V，已知。已知。解：解：根据三极管的直流模型，得到等效电路如图，列出基极回路方程：得BEbBBBVRIVbBEBBBRVVI，可求得BCIIBEII)1(由集电极回路，列方程得：cCCCCERIVV3.4.2 BJT的交流小信号模型的交流小信号模型29 只要满足vbe VT，则高阶项可忽略不计，取前两项，iB对于vbe就是线性的。TbeTbeBEVvBVvVSBeIeIi/)(小
25、信号条件小信号条件将指数项展开，.!3121132/TbeTbeTbeVvVvVvVveTbe 小信号线性模型即微变等效电路，用于交流信号分析。晶体管是非线性器件，这将使放大电路的分析变得复杂。因此试图对它进行适当的近似处理，使得在一定条件下表现为线性特性，以便分析计算。这个一定条件就是：当信号变化的范围很小时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的。也就是说，在一个很小的范围内，输入、输出特性曲线可以近似看作一段直线。即需满足小信号条件(小信号下变量之间满足线性关系)。小信号模型假设小信号模型假设30最直接的想法：二极管等效于一个动态电阻。BJTBJT的小信号模型的小信号模型
26、H参数等效电路参数等效电路31输入回路输入回路 ),(1CEBBEvifv输出回路输出回路 ),(2CEBCvifi复习：二端口网络的H参数：22212122121111UHIHIUHIHU32由于由于 代表代表 的变化部分，也就是可以用的变化部分，也就是可以用 的交流分量来代替，即：的交流分量来代替，即：BEdvBEvBEvbeBEvdvbBidi ceCEvdvcCidi cerebiebevhihvceboefereiebevihhhhivc三极管在共射接法下的H参数 假定三极管工作在小信号下，取全微分，得 CEBCEBEBCEBBEBEdvIvvdiVivdvCEBCEcBCEBcCd
27、vIvidiViidiceoebfevhihicCEBBEieVivh输出端交流短路时的输入电阻（欧姆）输出端交流短路时的输入电阻（欧姆）CEBCfeViih输出端交流短路时的正向电流传输比输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数或电流放大系数BCEBEreIvvh输入端交流开路时的反向电压传输比输入端交流开路时的反向电压传输比 BCECoeIvih输入端交流开路时的输出电导（西门子）输入端交流开路时的输出电导（西门子）33 由此，可得到三极管H参数微变等效电路。这是将三极管线性化后的线性模型，从而可将三极管电路当线性电路处理。忽略过小的参数（hre,hoe），不会带来显著误差，即为设想
28、的小信号模型。ceoebfecvhihicerebiebevhihv34r rbebe可用公式估算：可用公式估算：)()(26)1(200mAImVrEbe公式的适用范围：小信号（0.1mAIE5mA）。r rbebe的计算的计算（公式来源可参考第（公式来源可参考第2 2章二极管的微变等效模型部分。）章二极管的微变等效模型部分。）小信号模型的另一种形式小信号模型的另一种形式35bembvgi bembbemrgivg用跨导表示的用跨导表示的BJTBJT小信号模型小信号模型3.5 BJT共射电路的工作原理共射电路的工作原理36通常画法通常画法基本的共射电路基本的共射电路直流电源：保证发射结正偏、
29、集电结反偏；直流电源：保证发射结正偏、集电结反偏；电容：隔直通交；电容：隔直通交；注意交流输入回路和输出回路。注意交流输入回路和输出回路。oCCERciiBBECivviivvCBC21通过上产生压降在加到三极管的基极通过信号放大过程：信号放大过程：判断一个电路有无放大作用37应该主要根据以下几条原则：n外加电源的极性是否能保证三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，实现iB到 iC的转化。n输入回路的接法是否能将信号送进，实现输入vi到iB的转化。n输出回路的接法是否能将放大了的信号送出，实现iC 到输出vo的转化。【例3.5-1】根据上面讨论的放大电路组成原则，判断图示电路有无放大作用。设
30、电路中的电容足够大，交流情况下可视为短路。（a a）（b b）38分析：分析：(a)Cb足够大，视作短路，从而使得输入vi0，即信号不能送进放大管。改正方法是去掉Cb。(b)Vcc使发射结反偏，集电结正偏。改正方法是把Vcc倒过来。(c)由于Ce的存在使发射极对地短路，vo=0，即输出信号vo送不出去。改正方法是去掉Ce。(d)缺少集电极电阻RC，使得集电极电流iC的变化不能产生vo。改正方法是接入Rc。（c c）（d d）3.6.1 静态与动态、直流通路与交流通路静态与动态、直流通路与交流通路39 直流电压源的存在能保证晶体管处于放大区，即放大器需要直流偏置才能处于放大区；同时，信号源是时变
31、的，各项参数随Q点位置而不同，希望输出信号与输入信号呈线性关系。由此可见，对放大电路存在着两方面的分析：(1)静态（直流）分析，确定静态工作点Q（仅直流电源作用时三极管各极电流和电压）；(2)动态（交流）分析，即在输入信号作用下，分析放大电路的增益、输入电阻、输出电阻、最大输出幅度等。根据叠加原理，线性放大器总的响应是两个单独响应的叠加。一个电路的静态和动态之间既有不变与变的区别，又有联系。动态所讨论的变化一个电路的静态和动态之间既有不变与变的区别，又有联系。动态所讨论的变化量，是在某一个特定的量，是在某一个特定的“静态静态”的基础上变化的，放大管的电流和电压都是在原来的基础上变化的，放大管的
32、电流和电压都是在原来直流量的基础上又叠加了一个交流成份，形成电路中交、直流并存的现象。直流量的基础上又叠加了一个交流成份，形成电路中交、直流并存的现象。3.6 BJT3.6 BJT放大电路的分析方法放大电路的分析方法407568.072.05.75.4BECEvvvA例：某电路静态例：某电路静态V VBEQBEQ=0.7=0.7（V V），），V VCEQCEQ=6=6（V V），加输入信号后，），加输入信号后，的变化范围的变化范围为为0.68V-0.72V,0.68V-0.72V,的变化范围为的变化范围为7.5V-4.5V7.5V-4.5V，BEvCEv7.06vA?0.02V VBEQ-0
33、.02V vi vCE t 0.68V vBE 0.72V t 7.5V 4.5V VCEQ t 由于三极管是非线性元件，各项动态参数随静态工作点Q点位置的变化而有所不同。严格说来，放大电路的性能指标如Av等，也将随Q点位置而异。而且，若Q点设置不当，在截止区或饱和区的话，则信号不仅得不到放大，而且将产生严重的非线性失真。因此，为了得到Av、Ri、Ro等动态指标，首先要估算或者设置好电路的静态工作点。也就是说，分析和设计电路的一般进程是先静态后动态先静态后动态。41（1）直流通路：电容开路；电感短路；（2）交流通路：电容短路；电感感抗；理想电压源短路（等效交流电阻=0）；理想电流源开路（等效交
34、流电阻=）电路静态时讨论的对象是直流成分。但放大电路中常有电抗性元件，如电容、电感等，这时直流和交流成分的通路将有所不同。直流通路和交流通路分析静态分析静态根据直流通路；分析动态根据直流通路；分析动态根据交流通路根据交流通路【例例1 1】直流通路和交流通路直流通路和交流通路42【例例2 2】直流通路和交流通路直流通路和交流通路3.6.2 图解分析法图解分析法43 利用三极管的特性曲线，通过作图法分析放大器的基本特性，称为图解法。图解法是放大电路的基本分析方法之一。【例例】设设R Rb b=300K=300K,V,VCCCC=12V,R=12V,RC C=4K=4K。我们用图解法来确。我们用图解
35、法来确定电路的静态工作点。定电路的静态工作点。1.1.用图解分析法作静态分析用图解分析法作静态分析44 首先，根据三极管的直流模型，由电路的直流通路，对三极管输入端列出输入回路方程，得到)(4010300123ARVRVVIbCCbBECCB 然后，写出三极管输出端输出回路的直流伏安特性（这个方程称为三极管输出回路的直流负载方程）kIRIVVCCCCCCE412直流负载线直流负载线 两部分伏安特性的交点即为静态工作点Q,由图可读出IC和 VCE：由图可读出Q点坐标：ICQ=1.5mA，VCEQ=6V，IBQ=40uA。几个参数对静态工作点几个参数对静态工作点Q的影响的影响45（1 1）R Rb
36、 b对对Q Q点的影响点的影响bBECCBRVVI（1）当电路中Rb很大，使得VBEVon，基极电流IB0，则Q点处于负载线的下端，三极管处于截止状态。这种情况下，三极管所有电流均为0，忽略漏电流时，VCE=VCC。（2）当Rb减小时，使得VBEVon，基极电流IB增大，Q点沿负载线上移至中间部分，三极管处于线性放大状态。这种情况下，IC IB。（3）当Rb继续减小，VBE继续增大，IB也增大，Q点沿负载线上移至上端集电极电流无法再增大的点，三极管处于饱和状态。此时集电结正偏，IC和IB不再成比例关系，此时CCCSCRVIbCCbBECCBRVRVVIonCEVV46（2 2）R Rc c对对
37、Q Q点的影响点的影响 当VCC固定，RC改变时，负载线和静态工作点Q的移动 当RC固定，VCC改变时，负载线和静态工作点Q的移动（3 3）V Vcccc对对Q Q点的影响点的影响(R(RC3C3 R RC2C2 R RC1C1)(V(VCC1CC1 V VCC2CC2 V VCC3CC3)47【例】如图所示，已知=50，判断电路工作在什么区域？解：解：由输入回路，得由输入回路，得 )(193.01007.020mARVVIbBECCB设三极管处于放大状态，得设三极管处于放大状态，得)(65.9193.050mAIIBC)V(5.761065.920RIVVCCCCCE 这个结果显然不对。因为
38、，电路只有+20V的电源，在它的作用下，放大管各极对地电压不可能小于0，问题出在哪里？48 对三极管对三极管“处于线性放大区处于线性放大区”的假设不正确！事实上它处于饱和的假设不正确！事实上它处于饱和状态！状态！)(21020mAKRVICCCCS)(04.0502mAIICSBS临界饱和时的基极电流：临界饱和时的基极电流：而现在而现在mAImAIBSB04.0913.0说明放大管确实已进入饱和区，无放大作用。即说明放大管确实已进入饱和区，无放大作用。即I IC CIIB B所以，正确的结论是：所以，正确的结论是：)mA(913.0IB)mA(2IICSConCESCEVVV49重要结论重要结
39、论BSCSBIIIbCCbBECCBRVRVVIcCCCSBSRVIIcCCbCCRVRVcbRR从上面的讨论可见，当从上面的讨论可见，当 时，放大管处在饱和区。时，放大管处在饱和区。因此，为了避免因此，为了避免Q Q点进入饱和区，电路中各有关参数应满足一定关系。点进入饱和区，电路中各有关参数应满足一定关系。下面我们考察这种定量关系：下面我们考察这种定量关系：因为，因为，临界饱和时，临界饱和时，若要若要Q Q点不进入饱和区，必须满足：点不进入饱和区，必须满足：I IB BIIBSBS，即即 于是，就有于是，就有 这就告诉我们，可以根据基本放大电路中这就告诉我们，可以根据基本放大电路中R Rb
40、b、R RC C和和的参数值，迅速判断出的参数值，迅速判断出Q Q点点是否在饱和区内。是否在饱和区内。502.2.用图解分析法作动态分析用图解分析法作动态分析（1 1）电路未接负载）电路未接负载l 直流量VBEQ之上叠加交流量vbe(vi)；l 输入信号很小时，ib变化规律与vbe相同；l 若三极管处于放大区，ic变化规律同ibbBBiIiv vBEBE=V=VBEBE+v+vi i静态工作点确定后，就可以在此基础上进行动态分析了。静态工作点确定后，就可以在此基础上进行动态分析了。51i iC C=I=IC C+i+ic c v vCECE=V=VCECE+v+vcece根据根据v vCECE
41、与与i iC C的线性关系的线性关系CCCCCERiVvv vCECE随着随着i ic c按正弦规律反方向变化。按正弦规律反方向变化。v vCECE中的交流量中的交流量v vcece的波形即输出电压的波形即输出电压v vo o的波形。的波形。52总结总结1）当没有输入信号时，三极管有静态电流、电压IBQ、ICQ、VCEQ等值；而加入输入信号后，ceCEQCEcCQCbeBEQBEbBQBvVviIivVviIi 三极管电流、电压的瞬时值随信号的变三极管电流、电压的瞬时值随信号的变化而变化，但化而变化，但方向（即极性）始终不变方向（即极性）始终不变。2)由于输入信号很小，在信号的变化过程中，其动
42、态范围在三极管的伏安特性曲线上近似于直线，因而管子是在近似线性近似线性状态下工作的，电路中的各交流量均与输入信号成线性关系线性关系。所以电路能基本实现不失真放大。放大倍数为交流量之比；3)输出与输入相位差180，这称之为反相反相，是共射放大电路的一个特点。53（2 2）电路接负载）电路接负载放大器工作时，输出端接有负载放大器工作时，输出端接有负载R RL L。这时放大器的工作情况是否会因为。这时放大器的工作情况是否会因为R RL L的接入而的接入而受影响呢？受影响呢？静态时，由于C2隔直流，Q点不会因RL的接入发生改变。直流负载线为：CECCCCVRIV.Q 动态时，输出回路中RCRL，并联值
43、称为放大器的交流负载电阻 ，即，LRLCLCLCLRRRRRRR/54V V CCCC0LcceRiv此时，交流通路集射回路方程为此时，交流通路集射回路方程为 0LcceRiv 这条斜率为 的直线称为交流负载线交流负载线，它由交流通路决定。此外，负载线必须经过Q点（ICQ,VCEQ）。ceLcvR1i1LR)(1CEQCELCQCVvRIi交直流共存时，负载直线方程：55LCQCEQCCRIVV)(1CEQCELCQCVvRIiCEQCELCQLCVvRIRi令iC=0，有CEQCELCQVvRI此时的vCE是负载线与横坐标轴的交点，记为CCV 计算出VCC,(VCC,0)点与Q点连线即为交流
44、负载线。注意：未接负载时电路的交、直流负载线是重合的。因此，当放大电路接上负载并考虑有交流输入信号时，动态的工作情况图解就不是在直流负载线上，而是在交流负载线上进行了。当输入信号变化时，动态工作点将以直流工作点Q为中心，沿交流负载线上下移动。56用图解法分析波形的非线性失真用图解法分析波形的非线性失真 （1 1）Q Q点适当点适当工作点都在放大区，输出不失真。工作点都在放大区，输出不失真。57（2 2）Q Q点偏点偏低低-波形上半部波形上半部失真失真信号幅度相对大，信号幅度相对大，工作点有一部分工作点有一部分进入截止区进入截止区 截止失真截止失真 Q点偏低，而信号幅度相对大时，动态工作点有一部
45、分进入截止区。如图所示，ib 的波形已出现失真，则ic、vce 的波形也出现失真,这种现象称为截止截止失真失真。58（3 3）Q Q点偏点偏高高-波形下半部波形下半部失真失真工 作 点 一 部工 作 点 一 部分 进 入 饱 和分 进 入 饱 和区区 饱和失真饱和失真 Q点偏高，而信号幅度相对大时，动态工作点有一部分进入饱和区。如图所示，则ic、vce 的波形也出现失真,这种现象称为饱和失真饱和失真。59Q Q点已定（放大区内），能输出的不失真最大幅度值是多大？点已定（放大区内），能输出的不失真最大幅度值是多大？用图解法分析波形的不失真最大幅度值用图解法分析波形的不失真最大幅度值 当Q点处于放
46、大区时，若信号幅度相对比较大，也会出现失真。取VCET-VCEQ和VCEQ VCES两段距离中小的数值，即为能输出的最大值。显然，当Q点在交流负载线中间时，能使电路不失真输出最大。为减小非线性失真，必须合理选择静态工作点的位置并适当限制输入信号的幅度。图解法小结图解法小结60v 利用电子器件的特性曲线和其它有关电路元件的参数，通过作图来分析电路的方法图解分析法，是分析放大器的一种基本方法。v 用图解法分析放大器，主要有下列内容：（1）确定静态工作点，分析电路参数对Q点的影响。（2）根据给定的输入电压的波形，确定其它信号特别是输出信号的波形。（3）确定电压放大倍数并分析电路参数对它的影响。（4）
47、分析非线性失真。确定最大不失真输出信号的幅度。61v 图解法擅长于确定Q点和分析大信号工作。主要优点主要优点：能综观作为电路核心的电子器件状态变化的全过程，物理图象完整而具体。缺点缺点：不能分析复杂电路（例如负反馈放大器）；小信号工作时作图不准；无法获得某些交流指标（例Ri、Ro）；定量计算有赖于所用器件具体的特性曲线，比较麻烦。3.6.3 等效电路分析法等效电路分析法62 在放大电路的交流通路中，用小信号等效模型取代放大管就可得到电路的交流微变等效电路。利用这个等效电路可以求解放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等交流指标。图 3.6 16 例3.6-3图63图图 3.63.6 17
48、17 微变等效电路微变等效电路图图 3.63.6 18 18 求求图图 3.63.6 1616电路的输出电阻电路的输出电阻解：（解：（1 1）微变等效电路如）微变等效电路如图图 3.63.6 1717。对基极输入回路，有对基极输入回路，有 所以，输入电阻为所以，输入电阻为 )/(12bebbiirRRiv)/(21bebbiiirRRivR 对集电极输出回路，断开负载，加上对集电极输出回路，断开负载，加上测试电压测试电压 ，产生相应的测试电流，产生相应的测试电流 ，如，如图图 3.6 3.6 1818所示。所以输出电阻为所示。所以输出电阻为 CVoRIVRs064beLCbebLCCiOvrR
49、RrIRRIVVA)/()/(2144.1)1.5/3.3(150（3）求增益、最大输出幅度iSivSiiOSOvSRRRAVVVVVVA1436.02.12.1214)(1.2)143(10153VAVVvSSmOm 本节以共射电路为例介绍了放大电路的两种基本分析方法：图解分析法图解分析法和微变等微变等效电路法效电路法。它们形式上是两种独立的分析方法，但实质上相互联系，相互补充。通常，在输入信号比较小、三极管基本上在线性范围内工作、放大电路比较复杂输入信号比较小、三极管基本上在线性范围内工作、放大电路比较复杂等情况下使用微变等效电路法微变等效电路法；在输入信号比较大、三极管的工作点延伸到特性曲线的非线性部分、要求分析输输入信号比较大、三极管的工作点延伸到特性曲线的非线性部分、要求分析输出的最大幅值，以及要求合理安排电路工作点和参数出的最大幅值，以及要求合理安排电路工作点和参数等情况下使用图解分析法图解分析法。65第第3章小结章小结第第3章重点掌握：章重点掌握：1.BJT输入、输出特性曲线 2.直流模型、交流小信号模型（条件、用途、参数计算）3.图解分析法、微变等效电路分析法
