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1、第三章 三极管及放大电路基础第1页，共103页，编辑于2022年，星期二4.1.1 BJT的结构简介的结构简介4.1 半导体三极管（半导体三极管（BJT）4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线4.1.4 BJT的主要参数的主要参数第2页，共103页，编辑于2022年，星期二4.1.1 BJT的结构简介的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图半导体三极管的结构示意图如图04.1.01所示。它有所示。它有两种类型两种类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je)集电结集电结(Jc)基极基极，用B或b表
2、示（Base）发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极集电极，用C或c表示（Collector）。发射区发射区集电区集电区基区基区三极管符号三极管符号第3页，共103页，编辑于2022年，星期二 结构特点：结构特点：发射区的掺杂浓度最高；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；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，且掺基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。杂浓度最低。管芯结构剖面图管芯结构剖面图第4页，共103页，编辑于2022年，星期二4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理1.内部载流子的传
3、输过程内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载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。流子传输体现出来的。外部条件：外部条件：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 （以（以NPN为例）为例）以上看出，三极管内有两种载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴自由电子和空穴)参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管。或极型三极管。或BJT(Bipolar Junction Transistor)。I
4、C=InC+ICBOIE=IB+IC第5页，共103页，编辑于2022年，星期二2.三极管的三种组态三极管的三种组态共集电极接法共集电极接法，集电极作为公共电极，用，集电极作为公共电极，用CC表示表示;共基极接法共基极接法，基极作为公共电极，用基极作为公共电极，用CB表示。表示。共发射极接法共发射极接法，发射极作为公共电极，用，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；BJT的三种组态的三种组态第6页，共103页，编辑于2022年，星期二3.电流分配关系电流分配关系根据传输过程可知根据传输过程可知 IC=InC+ICBO通常通常 IC ICBO 为电流放大系数，为电流放大系数，它它只与管子的结构尺
5、寸和掺杂只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关浓度有关，与外加电压无关。一般一般 =0.9 0.99IE=IB+IC载流子的传输过程载流子的传输过程第7页，共103页，编辑于2022年，星期二根据根据 是另一个电流放大系数，是另一个电流放大系数，同样，它也只与管子同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一一般般 1IE=IB+IC IC=InC+ICBO且令且令ICEO=(1+)ICBO（穿透电流）（穿透电流）3.电流分配关系电流分配关系第8页，共103页，编辑于2022年，星期二 可见，无论哪种连接方式，可见，无论哪种连
6、接方式，BJT在发射结正在发射结正偏，集电结反偏且电流放大系数不变时，输出电偏，集电结反偏且电流放大系数不变时，输出电流都正比与输入电流。如果能控制输入电流，就流都正比与输入电流。如果能控制输入电流，就能控制输出电流，因此能控制输出电流，因此BJT为电流控制器件。由为电流控制器件。由前可知，前可知，IE受受VBE控制，所以控制，所以IC和和IB也受也受VBE控制，控制，称之为称之为BJT的正向受控特性。的正向受控特性。3.电流分配关系电流分配关系第9页，共103页，编辑于2022年，星期二RLecb1k 图图 03.1.05 共基极放大电路共基极放大电路4.放大作用放大作用若若 vI=20mV
7、使使当则则电压放大倍数电压放大倍数VEEVCCVEBIBIEIC+-vI+vEBvO+-+iC+iE+iB iE=-1 mA，iC=iE =-0.98 mA，vO=-iC RL=0.98 V，=0.98 时，时，第10页，共103页，编辑于2022年，星期二 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，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。实现的。实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基
8、区很薄。浓度，且基区很薄。（2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏发射结正向偏置，集电结反向偏置。置。4.1.2 BJT的电流分配与放大原理的电流分配与放大原理第11页，共103页，编辑于2022年，星期二vCE=0V+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE)vCE=const(2)当当vCE1V时，时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的集电子，基区复合减少，同样的vBE下下 IB减小，特性曲线右移。减小，特性曲线右移。vCE=0V vCE 1V(1)当当vCE=
9、0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线输入特性曲线4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）第12页，共103页，编辑于2022年，星期二(3)输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分死区死区非线性区非线性区线性区线性区1.输入特性曲线输入特性曲线4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线第13页，共103页，编辑于2022年，星期二饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏
10、或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE)iB=const2.2.输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:4.1.3 BJT的特性曲线的特性曲线截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时，vBE小于死区电压小于死区电压。放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴的轴的区域，曲线基本平行等距。区域，曲线基本平行等距。此时，此时，发射结正偏，集电发射结正偏，集电结反偏结反偏。第14页，共103页，编辑于2022年，星期二 测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。放大截止饱和-+正偏正偏
11、反偏反偏-+-正偏正偏反偏反偏+-放大放大VcVbVe放大放大VcVbIB，此时，此时，不随温度变化而变化。不随温度变化而变化。VB VBE 且且Re可取可取大些，反馈控制作用更强。大些，反馈控制作用更强。一般取一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V 第61页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析静态工作点静态工作点第62页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：画小信
12、号等效电路画小信号等效电路确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe增益增益第63页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析输入电阻输入电阻根据定义根据定义由电路列出方程由电路列出方程则输入电阻则输入电阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻第64页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路2.放大电路指标分析放大电路指标分析输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻求输出电阻的等效电路求输出电阻的等效电路网络内独立源置零网络内独立源置零负载开路负载开
13、路输出端口加测试电压输出端口加测试电压对回路对回路1和和2列列KVL方程方程r rcece对分析过程影响很大，此处不能忽略对分析过程影响很大，此处不能忽略其中其中则则当当时，时，一般一般（）第65页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路共射极放大电路静态：静态：第66页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 固定偏流共射极放大电路固定偏流共射极放大电路电压增益：电压增益
14、：RbviRcRL固定偏流共射极放大电路固定偏流共射极放大电路输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：Ro=Rc#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？具有与固定偏流电路相同的动态指标？具有与固定偏流电路相同的动态指标？具有与固定偏流电路相同的动态指标？第67页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路第68页，共103页，编辑
15、于2022年，星期二1 4.5.2 射射极偏置电极偏置电路路end第69页，共103页，编辑于2022年，星期二4.6 共集电极电路和共基极电路共集电极电路和共基极电路 电路分析电路分析 复合管复合管 静态工作点静态工作点 动态指标动态指标 三种组态的比较三种组态的比较4.6.1 共集电极电路共集电极电路4.6.2 共基极电路共基极电路第70页，共103页，编辑于2022年，星期二4.6.1 共集电极电路共集电极电路1.电路分析电路分析共集电极电路结共集电极电路结构如图示构如图示该电路也称为该电路也称为射射极输出器极输出器求静态工作点求静态工作点由由得得第71页，共103页，编辑于2022年，
16、星期二电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：画小信号等效电路画小信号等效电路确定模型参数确定模型参数 已知，求已知，求r rbebe增益增益 4.6.1 共共集电极电集电极电路路1.电路分析电路分析其中其中一般一般，则电压增益接近于，则电压增益接近于1 1，即即电压跟随器电压跟随器第72页，共103页，编辑于2022年，星期二输入电阻输入电阻根据定义根据定义由电路列出方程由电路列出方程则输入电阻则输入电阻当当，时，时，4.6.1 共共集电极电集电极电路路1.电路分析电路分析输入电阻大输入电阻大输出电阻输出电阻由电路列出方程由电路列出方程其中其中则则输出电阻
17、输出电阻当当，时，时，输出电阻小输出电阻小共集电极电路特点：共集电极电路特点：电压增益小于电压增益小于1 1但接近于但接近于1 1，输入电阻大，对电压信号源衰减小输入电阻大，对电压信号源衰减小 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强#既然共集电极电路的电压增益小于既然共集电极电路的电压增益小于既然共集电极电路的电压增益小于既然共集电极电路的电压增益小于1 1（接近于（接近于（接近于（接近于1 1），那么它对电），那么它对电），那么它对电），那么它对电压放大没有任何作用。这种说法是否正确？压放大没有任何作用。这种说法是否正确？压放大没有任何作用。这种说法是否正确？压放大没有任何作用。这
18、种说法是否正确？第73页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.6.1 共共集电极电集电极电路路2.复合管复合管作用：提高电流放大系数，增大电阻作用：提高电流放大系数，增大电阻r rbebe复合管也称为复合管也称为达林顿管达林顿管第74页，共103页，编辑于2022年，星期二4.6.2 共基极电路共基极电路1.静态工作点静态工作点 直流通路与射极偏直流通路与射极偏置电路相同置电路相同第75页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.6.2 共基极共基极电路电路2.动态指标动态指标电压增益电压增益输出回路：输出回路：输入回路：输入回路：电压增益：电压增益：第76页，共103页，编辑于202
19、2年，星期二 4.6.2 共基极共基极电路电路#共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？2.动态指标动态指标 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻第77页，共103页，编辑于2022年，星期二3.三种组态的比较三种组态的比较电压增益：电压增益：输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：4.6.2 共基极共基极电路电路第78页，共103页，编辑于2022年，星期二例题例题1.放大电路如图所示。试求放大电路如图所
20、示。试求。已知已知=50。解：解：两者比较可看出增益明显提高两者比较可看出增益明显提高end第79页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.1 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应4.7.2 单极放大电路的高频响应单极放大电路的高频响应 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应4.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.7.3 单极放大电路的低频响应单极放大电路的低频响应4.7.4 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应 多级放大电路的增益多级放大电路的增益 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应 低频等效电路低频
21、等效电路 低频响应低频响应 研究放大研究放大电路的动态指电路的动态指标（主要是增标（主要是增益）随信号频益）随信号频率变化时的响率变化时的响应。应。第80页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.1 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应1.RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应（电路理论中的稳态分析）（电路理论中的稳态分析）RC电路的电压增益（传递函数）：电路的电压增益（传递函数）：则则且令且令又又电压增益的幅值（模）电压增益的幅值（模）（幅频响应）（幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角（相频响应）（相频响应）增益频率函数增益频率函数第81页，共103页，编辑于202
22、2年，星期二最大误差最大误差-3dB频率响应曲线描述频率响应曲线描述4.7.1 RCRC电电路的频率路的频率响应响应幅频响应幅频响应0分贝水平线分贝水平线斜率为斜率为-20dB/十倍频程十倍频程 的直线的直线相频响应相频响应1.RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应表示输出与输入的相位差表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入高频时，输出滞后输入因为因为所以所以第82页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.1 RCRC电电路的频率路的频率响应响应2.RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应RC电路的电压增益：电路的电压增益：幅频响应幅频响应相频响应相频响应输出超前输入输出超前输入第
23、83页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.2 单极放大电路的高频响应单极放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模 模型的引出模型的引出 模型简化模型简化 模型参数的获得模型参数的获得 的的频率响应频率响应2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路 高频响应高频响应3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应 增益增益-带宽积带宽积 高频等效电路高频等效电路 高频响应高频响应 几个上限频率的比较几个上限频率的比较第84页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.2 单极放大电路的高频响应单极放大电路的高频响应1.B
24、JT的高频小信号建模的高频小信号建模模型的引出模型的引出 rbe-发射结电阻发射结电阻re归算到归算到基极回路的电阻基极回路的电阻 -发射结电容发射结电容-集电结电阻集电结电阻 -集电结电容集电结电容 rbb-基区的体电阻，基区的体电阻，b是假想是假想的基区内的一个点。的基区内的一个点。互导互导第85页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.2 单极放大电路的高频响应单极放大电路的高频响应1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模模型简化模型简化混合混合 型高频小信号模型型高频小信号模型第86页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.7.2 单单级高频级高频响应响应又因为又因为所以所
25、以模型参数的获得模型参数的获得（与（与H参数的关系）参数的关系）1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模低频时，混合低频时，混合 模型与模型与H参数模型等效参数模型等效所以所以又又 rbe=rb+(1+)re 从手册中查出从手册中查出第87页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.7.2 单单级高频级高频响应响应 的的频率响应频率响应由由H参数可知参数可知1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模即即根据混合根据混合 模型得模型得低频时低频时所以所以当当时，时，第88页，共103页，编辑于2022年，星期二共发射极截止频率共发射极截止频率 4.7.2 单单级高频级高频响应响应 的的频率响
26、应频率响应1.BJT的高频小信号建模的高频小信号建模 的幅频响应的幅频响应令令则则特征频率特征频率共基极截止频率共基极截止频率第89页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.7.2 单单级高频响级高频响应应2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路等效电路等效电路第90页，共103页，编辑于2022年，星期二 4.7.2 单单级高频响级高频响应应2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路对节点对节点 c 列列KCL得得电路简化电路简化忽略忽略 的分流得的分流得称为称为密勒电容密勒电容等效后断开了输入输出之间的联
27、系等效后断开了输入输出之间的联系第91页，共103页，编辑于2022年，星期二2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路电路简化电路简化 4.7.2 单单级高频响级高频响应应最后最后第92页，共103页，编辑于2022年，星期二2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应高频响应高频响应 4.7.2 单单级高频响级高频响应应由电路得由电路得电压增益频响电压增益频响又又其中其中低频增益低频增益上限频率上限频率第93页，共103页，编辑于2022年，星期二2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应增益增益-带宽积带宽积 4.7.2 单单级高
28、频响级高频响应应BJT 一旦确定，一旦确定，带宽增益积基本为常数带宽增益积基本为常数#如何提高带宽？如何提高带宽？如何提高带宽？如何提高带宽？第94页，共103页，编辑于2022年，星期二例题例题 解：解：模型参数为模型参数为例例4.7.1 设共射放大电路在室温下运行，其参数为：设共射放大电路在室温下运行，其参数为：试计算它的低频电压增益和上限频率。试计算它的低频电压增益和上限频率。低频电压增益为低频电压增益为又因为又因为所以上限频率为所以上限频率为第95页，共103页，编辑于2022年，星期二3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应 4.7.2 单单级高频响级高频响应应高频等效电
29、路高频等效电路第96页，共103页，编辑于2022年，星期二3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应 4.7.2 单单级高频响级高频响应应高频响应高频响应列列 e 点的点的KCL而而所以电流增益为所以电流增益为其中其中电压增益为电压增益为 其中其中 特征频率特征频率忽略忽略第97页，共103页，编辑于2022年，星期二3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应 4.7.2 单单级高频响级高频响应应几个上限频率的比较几个上限频率的比较 的的上限频率上限频率特征频率特征频率共基极上限频率共基极上限频率共发射极上限频率共发射极上限频率共基极电路频带最宽，无密勒电容共基极电路频带
30、最宽，无密勒电容第98页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.3 单极放大电路的低频响应单极放大电路的低频响应1.低频等效电路低频等效电路第99页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.3 单极放大电路的低频响应单极放大电路的低频响应2.低频响应低频响应按图按图3.7.13参数计算参数计算中频增益中频增益当当则则下限频率取决于下限频率取决于即即第100页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.3 单极放大电路的低频响应单极放大电路的低频响应幅频响应波特图幅频响应波特图第101页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.4 多极放大电路的频率响应多极放大电路的频率响应1.
31、多级放大电路的增益多级放大电路的增益 前级的开路电压是下级的信号源电压前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载下级的输入阻抗是前级的负载第102页，共103页，编辑于2022年，星期二4.7.4 多极放大电路的频率响应多极放大电路的频率响应2.多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应 多级放大电路的通频带比多级放大电路的通频带比 它的任何一级都窄它的任何一级都窄（以两级为例）（以两级为例）则单级的上下限频率处的增益为则单级的上下限频率处的增益为当两级增益和频带均相同时，当两级增益和频带均相同时，两级的增益为两级的增益为即两级的带宽小于单级带宽即两级的带宽小于单级带宽end第103页，共103页，编辑于2022年，星期二