2 第4章三极管

电路时，选用BJT的依据。 1. 电流放大系数 直流放大系数交流放大系数含义：静态时（直流工作状态）集电极电流与基极电流之比 。含义：动态时（交流工作状态） 的电流放大特性。类似地：关系：nullnull 1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO o_open: 代表第三个电极E开路。 由集电区和基区的平衡少子漂移运动形成。在一定温度下基本是常数，故称反向饱和电流。随温度增加而增加。 2. 极间反向电流（温度稳定性）null 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流， 即输出特性曲线IB=0那条曲线所对应的纵坐标的数值。ICEO也称为集电极发射极间穿透电流。2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOnullICEO=（1+β）ICBO选用BJT时，希望反向饱和电流尽量小，以减少温度的影响。原来与基极电源提供的空穴复合的电子集电区的少子漂移到基区复合的部分刚好是I CBO不是单纯的PN结反向电流：null 3. 极限参数(1) 集电极最大允许电流ICM 如图所示，当集电极电流增加时， 就要下降，当值下 降到线性放大区值的70～30％时，所对应的集电极电流称为 集电极最大允许电流ICM。至于值下降多少，不同型号的三 极管，不同的厂家的规 定有所差别。 当IC＞ICM时，管子 性能将显著下降，但并 不一定会烧坏。(2) 集电极最大允许功率损耗PCM(2) 集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗。晶体管工作时， 若功耗（乘积 iC﹒ vCE）超过最大允许功耗将导致集电结发热 温度过高，晶体管性能下降，甚至烧毁。 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中在集电结上。 PCM= iCvCE≈iCvCB 在计算时往往用vCE取代vCB。(3) 反向击穿电压(V(BR)XXO) BJT的两个PN结反向电压超过规定值也会发生击穿， 击穿电压的大小与管子本身特性和外部电路接法有关。( Reverse Breakdown，BR) null2)V(BR)CBO: 发射极开路时的集电结击穿电压，数值较高。1)V(BR) EBO: 集电极开路时发射结的击穿电压。(Je一般正偏)nullRb→0时(短路)，V(BR)CER增至最大， 用V(BR)CES表示，此时V(BR)CES≈V(BR)CBO 通常发射极和基极间接有电阻Rb ，用V(BR)CER表示， 击穿后若不超过PCM，且击穿时间很短，击穿过程还是可逆的。输出特性曲线上的过损耗区和击穿区电流关系为：ICEO> ICER> ICES > ICBOnullvBE ： － (2～2.5)mV/℃，特性曲线左移。 β ：温度每升高 1℃，增大（0.5％～1％）， 输出特性曲线间距增大。 iC ：随温度升高而增大， 输出特性曲线向上移动。V(BR)CBO 、V(BR)CEO：随温度升高而升高（雪崩击穿具有正 温度系数）。4.1.5 温度对晶体管参数及特性的影响 发射结正向导通电压vBE、集电结反向饱和电流ICBO以及 电流放大系数β 都会受到温度的影响，结果引起 iC电流随温 度的变化，影响电路性能。ICBO：温度每升高10℃，增大一倍。4.2 基本共射极放大电路4.2 基本共射极放大电路1. 放大电路概念 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三 种基本组态放大电路。 1) 放大电路主要用于放大微弱(small signals)、变化(AC)的 信号 ，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量 得到了加强。 2) 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，经过三极 管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。4.2.1 基本共射极放大电路的组成null1) 基本放大器： 一个晶体管构成的放大器，也称为单级放大器。有三种 接法的单级放大器，即共射极、共集电极和共基极组态放大 器。2) 基本放大器的组成原则： a) 必须将晶体管偏置在放大状态，并保证在信号变化范围内 始终处于放大状态； b) 输入信号必须加在基极－发射极回路，即必须能控制发射 结电压的变化； c) 必须有合理的信号通路。—— 也是判断放大器能否正常放大信号的充要条件。2. 基本放大器的组成原则null(2) vi ：输入信号。(3) vo：输出信号。规定： 电压参考极性以共同端为负，其他点为正； 电流iC、iB以流入电极为正，iE已流出电极为正。3. 共射极放大电路组成null(6) VBB： 为发射结提供正偏，并通过Rb提供IB(称偏流)。(5) Cb1、Cb2： 耦合电容或隔直电容，其 作用是通交流隔直流。一般为 几微法到几十微法。(7) Rb： 一般为几十K~几千K，Rb、VBB 属基极回路（输入回路）。null(8) VCC： 为JC提供反偏电压，保 证晶体管工作在放大区；向放大电路提供能量。一般几~ 几十伏。(9) RC： 将iC的变化转换为vo的变化， 一般几K~几十K。 由 vCE=－iCRc ＋VCC=VCC－iCRc 看出：iC增加→vCE减小， 即两者变化相反。 RC ，VCC 同属集电极回路（输出 回路）。null习惯画法 共射极基本放大电路4. 习惯画法单电源供电nullnull直流偏置保证放大电路工作在放大区， 使信号能够不失真地放大。null注意放大作用通过基极小能量信号控制流过集电极的电流来实现，从而将直流电源VCC的能量转化为所需要的形式供给负载。放大器是一个能量控制部件。放大作用是针对变化量而言放大电路的基本知识放大电路的基本知识1.4-1.5 放大电路的基本知识1.4 放大电路模型根据处理的输入量和所需的输出量的不同，定义了四种不同的放大。参考电位点：共同端点参考电位点：共同端点 为了提高安全性和抗干扰能力，在前级信号预放大中采用隔离放大。即输入与输出电路相互绝缘，不存在公共参考点。1.5 放大电路的主要性能指标1.5 放大电路的主要性能指标1. 输入电阻 Ri其大小决定了放大电路从信号源吸取信号幅度的大小。越大越好 输入为电压信号的放大电路，Ri 越大，输入端的 越大， 即：放大电路从信号源吸取的电压越大。另一角度：作为电压源，内阻越小越好，信号衰减越小。越小越好null输入电阻的分析：2. 输出电阻Ro其大小决定了放大电路带负载能力的大小。或：电路所能适应的负载变化范围越大，带负 载能力越强。带负载能力：电路的输出量变化越小，带负载能力越强。null例：由输出回路得则电压增益为：要想减小负载的影响，则希望…？ （考虑改变放大电路的参数）理想情况null越小越好越大越好越大越好越小越好null放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦小信号 下（线性运用情况下）的交流参数，只有在放大电路处 于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。即输入、输出电阻为交流电阻，用R带小写下标i、o表示。2) 应根据信号源的性质和负载的要求选择电路模型。带负载能力强不是指功率输出能力强，而是指输出量变 化小。注意null3. 增益例1：放大电路的增益为100倍，应为多少dB？解：例2：放大电路的增益为-20dB，应为多少倍？解：电流、电压增益为负，意味着输入与输出之间的相位关系为180°。与对数增益为负的情况不能混淆。对无量钢的增益也可用分贝(dB)为单位表示。用对数的好处：扩大增益变化的视野；将乘法转换为加法。(dB_decibel)如: “甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”， 问哪个电路的增益大？ 甲从功率 角度考虑(电流增益同) null 放大电路的增益A(f) 是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的 时，相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率。即4. 频率响应3dBnull幅度失真： 由于带宽的限制，信 号中不同频率成分增益不 同。 理论上许多非正弦信 号的频谱范围都延伸到无 穷大，而放大电路的带宽 却是有限的。幅度失真线性失真null相位失真： 放大电路对不同频率的信号产生的相移不同。幅度失真和相位失真由线性电抗元件引起，称线性失真相位失真null5. 非线性失真由元器件伏安特性曲线的非线性引起，称非线性失真。(a) 分立元件（三极管），设计时要使其工作在线性区。(b) 集成运放，当输出信号的幅值接近双电源值时，将引起 非线性失真（饱和失真）。区别：线性失真：信号间的比例关系发生变化，不产生新 的频率分量。 非线性失真：产生新的频率分量。 许多周期信号的 频谱都由直流分量、 基波分量及无穷多 项高次谐波谐波分 量组成。VS4.3.1 图解分析法放大电路分析静态分析 （直流工作状态）动态分析 （交流工作状态）估算法图解法微变等效电路法 (小信号模型分析法)图解法计算机仿真4.3.1 图解分析法概念：静态、动态、直流通路、交流通路(DC Analysis)(AC Analysis)( Small-signal model analysis) 4.3 放大电路的分析方法电路处于静态时，三极管各电极 的电压、电流在特性曲线上为一 确定的点，称为静态工作点，或 Q点(Quiescent Piont) 。一般用IB、 IC、 VBE和VCE (或IBQ、ICQ、 VBEQ 和VCEQ )表示。静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状 态，也称直流工作状态。电路处于静态时，三极管各电极 的电压、电流在特性曲线上为一 确定的点，称为静态工作点，或 Q点(Quiescent Piont) 。一般用IB、 IC、 VBE和VCE (或IBQ、ICQ、 VBEQ 和VCEQ )表示。输入信号为零（vi接地） 电容开路静态等效电路nullRb+VCCRCC1C2T由于电源的存在：IB0IC0ICIE=IB+IC无信号输入时null动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。交流(信号)通路直流量为零， VCC成为交流地动态等效电路电容短路null 通常，放大电路中交流信号的作用和直流电源的作用共 存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，引入直流通路 和交流通路，总响应是两个响应的叠加。直流通路：① vs=0，保留Rs；②电容开路； ③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。直流分析/静态分析 (IBQ，ICQ，VCEQ)交流通路： ① 大容量电容相当于短路； ② 直流电压源相当于短路（内阻为0）。交流分析/动态分析 (Av，Ri，Ro，fH)直流通路用于偏置电路分析；交流通路用于放大性能分析。 二者都不是实际电路。1. 静态工作情况分析1) 根据直流通路近似估算Q点 1. 静态工作情况分析 直流通路 共射极放大电路2) 用图解分析法确定Q点2) 用图解分析法确定Q点输入回路中 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。输出回路中(1) 将放大电路分成非线性和线性两部分。输入直流 负载线null(3) 做线性部分的 V-I 特性---(输出)直流负载线VCC 、 VCC /Rc由VCE =VCC－ICRC，在输出特性曲线上确定两个特殊点， 即可画出直流负载线。(2) 做非线性部分(BJT)的输出V-I 特性，并确定IBQ，一般用 估算法： (因输入特性一般不易准确测得)(4) 与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。Rc增大时， 绕(VCC,0) 点向下转动输出直流 负载线1) 放大电路在接入正弦信号时的工作情况2. 动态工作情况图解分析1) 放大电路在接入正弦信号时的工作情况通过图解分析，可得如下结论： (1) vi vBE iB iC vCE (2)无输入信号时，各电极是恒定的电压和电流；Q’Q”:动态工作范围nullQ’Q”:动态 工作范围(3) 加入输入信号后，输入交流信号叠加在原静态直流量的基础上。总电流、电压的瞬时值在变，但方向始终不变。(4) vce与vi波形一样，幅度远比vi大——体现了放大作用。 (5) vce与vi相位相反——反向电压放大器。接上负载时，放大电路的工作情况：接上负载时，放大电路的工作情况：vce= -ic (Rc || RL)交流负载电阻是：R'L= RL||Rc 直流时: VCE =VCC－ICRc= -ic R'L2) 交流负载线☞直流通路原电路由交流通路得交流负载线由交流通路得交流负载线 由于交流负载线必过Q点，因此过输出特性曲线上的Q点，做一条斜率为-1/RL 直线，该直线即为交流负载线。（绕Q点转动） null做法： 在横坐标上，从 VCEQ点处向右量取一 段数值为ICQR’L的电压，得A点，连接AQ的直线即为交流负载线。交流负载线的另一种做法：null交流负载线归纳：(2) R'L= RL||Rc， 是交流负载电阻。 (3) 交流负载线是有 交流 输入信号时 工作点的运动轨 迹。 (4) 交流负载线与直 流负载线相交于 Q点。(1) 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线， 其斜率为-1/R'L 。3) Q点的选择要合适3) Q点的选择要合适vCE减小，集电结收集载流子能力减弱。nullIB=0ICEO≈0null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。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。 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要： (1) 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； (2) 要有合适的交流负载线。 4) 输出功率和功率三角形 4) 输出功率和功率三角形 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。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ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。null超过此值，β 将明显下降。建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路 图解法的适用范围：信号频率低、幅度较大的情况。当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。 一般情况下，由高低频小功率管构成的放大电路都符合小功率条件，因此其输入输出特性在小范围内均可视为线性。 由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。4.3.2 小信号模型分析法(Small-signal model analysis)1. BJT的H参数及小信号模型1. BJT的H参数及小信号模型* 三极管可以用一个电路模型来代替。 * 对于低频模型可以不考虑结电容的影响。 * 小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性 同样的含义。* 物理型模型： 由结构、放大过程抽象得到。 如：混合п型电路模型。 * 网络参数模型： 由双端口网络的特性方程求出。 如：H参数电路模型。（H_Hybrid: 混合的）输出信号功率大于输入信号源所提供的功率BJT的小信号建模常用两种类型(1) BJT H参数的引出(1) BJT H参数的引出在小信号情况下，对上两式在工作点处取全微分得：用小信号交流分量表示vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce 对于BJT双口网络，我们已经 知道输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE) vCE=constiC=f(vCE) iB=const可以写成：Q点值在工程上，全微分可用⊿表示，并用交流分量来代替。或null输出端交流短路时的输入电阻；(i_input)输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；(f_forward)输入端交流开路时的反向电压传输比；(r_rearward)输入端交流开路时的输出电导。(o_output)其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。（H_Hybrid）(e_共射接法) (2) BJT的H参数小信号模型(2) BJT的H参数小信号模型vbe= hieib+ hrevceic= hfeib+ hoevce戴维南定理：就端口特性而言，单口网络可以等效为一个电压源和电阻串联的单口网络。 诺顿定理： 就端口特性而言，单口网络可以等效为一个电流源和电阻的并联。根据方程，可得小信号模型：戴维南等效 电路形式☞☞诺顿等效 电路形式关于小信号模型的讨论（应注意的问题）(a)电流源hfeib为一电流控 制电流源(CCCS) ，而 不是独立的电源。 (b)电流源hfeib的流向不能 随意假定，而是由ib决 定。 (c) 受控电压源(VCVS) hrevce同理。关于小信号模型的讨论（应注意的问题）(CCCS_current control current source) (VCVS_voltage control voltage source) (CCVS: 电流控制电压源) (VCCS: 电压控制电流源)null 小信号模型在Q点求出，与静态工作点有关系，反映了Q点附近的工作情况， 但不能用于求Q点值。(d)该模型（H参数）仅适用于交流小信号，不能用于静态 分析（求Q点值）、求大信号和电压、电流总值。(3) 模型简化(3) 模型简化 对共射极接法，H参数一般采用习惯符号：输入电阻rbe；正向电流传输比或电流放大系数 ；反向电压传输比 。输出电导1/rce；数量级模型简化 μr反映三极管内部的电压反馈，因数量很小，一般可以忽略。 rce比输出电阻Rc( 或RL) 大得多，与电流源并联时，分流极小，可作开路处理。模型简化反映了晶体管电流的以小控大作用 用H参数等效电路分析放大电路前，首先必须得到Q点处的H参数。Rbb’ ：基区体电阻 用H参数等效电路分析放大电路前，首先必须得到Q点处的H参数。方法1： H参数测试仪、BJT特性图示仪。方法2： 估算rbere ：发射结交流电阻在发射极产生同 样大小的电流效 果时，re在基区 的等效值。由r’e ：发射区体电阻null温度的 电压当量适用范围：0.1mA标准

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