模拟电子技术 三极管部分 个人笔记

在学，就是一点点笔记，有错误的话，望请大佬指正，非常感谢。

双极结型晶体管

BJT-Bipolar Junction transistor
简称：晶体管、三极管
百度百科: 双极性晶体管.

分类

1. 按材料分：硅管、锗管
2. 按结构分：NPN、PNP
3. 按使用频率分：低频管、高频管
4. 按功率分：小功率管<500mW 中功率管0.5~1W 大功率管>1W

结构和符号

结构和特点

集电区：面积最大
基区：最薄，掺杂浓度最低
发射区：掺杂浓度最高

三极管工作原理

三极管内部载流子的传输过程

1. 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流$I_E$

2. 从发射区扩散到基区的自由电子与基区空穴的复合运动形成基极电流$I_B$。
   注：基区薄，掺杂浓度低，空穴数目少，复合运动的电流小，$I_B$是一个与$I_E$比较小的值。
   发射区扩散到基区的自由电子没有完全复合。

3. 多数电子（多子）在基区继续扩散，到达集电结的一侧。

4. 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流$I_C$
   

   由基本关系可得：
   A. 已知两个电流可确定第三个电流；（$I_B$，$I_C$流入；$I_E$流出）
   B. 根据电流方向可确定是NPN管还是PNP管；
   C. 根据电流的数值关系可确定晶体管的电极。

一般$I_B$很小，$I_E$和$I_C$大小相似。

三极管的小信号等效电路

小信号模型法（微变电路等效法）

建立小信号模型的意义

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。

建立小信号模型的条件

研究的对象仅仅是变化量，信号的变化范围很小。

建立小信号模型的思路

把三极管在静态工作点附近的小范围内的特性曲线近似地用直线来代替。

微变电路等效法

1. 晶体管的微变等效电路（输入输出）

晶体管的微变等效电路可由晶体管特性曲线求出。
- 输入回路 ¹

静态工作点Q: 见上一个二极管电路中二极管基本电路及其分析方法->二极管四种建模->4. 小信号模型.
（1）当信号很小时，在静态工作点Q附近的输入特性在小范围内可近似线性化。
（2）晶体管的输入电阻$$r_{be}=\frac{\Delta U_{BE}}{\Delta I_B}|U_{CE}=\frac{u_{be}}{i_b}|U_{CE}$$
（3）晶体管的输入回路（B(基极)、E(发射极)之间）可用$r_{be}$等效代替，即由$r_{be}$来确定$u_{be}$和$i_b$之间的关系。
（4）对于小功率晶体管：
$$r_{be}\approx 200(\Omega )+(1+\beta )\frac{26(mV)}{I_E(mA)}$$
注：（1）通常用这个公式计算$r_{be}$的阻值，在这里200(Ω)为三极管基区的体电阻，在不同的三极管可能不相同。
（2）26称为电压的温度当量，一般固定取值。
（3）$r_{be}$般为几百欧到几干欧。
- 输出回路

（1）输出特性曲线在线性工作区是一组近似等距的平行直线。
（2）晶体管的电流放大系数 ²
$$\beta =\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}|U_{CE}=\frac{i_c}{i_b}|U_{CE}$$
（3）晶体管的输出回路（B(基极)、E(发射极)之间）可用一受控电流源$i_c$=β$i_b$等效代替，即由β来确定$i_c$和$i_b$之间的关系。
注：β一般在20~200之间，在手册中常用$h_{fe}$表示。
- 晶体管的微变等效电路输入、输出回路合在一起

2. 放大电路的微变等效电路

将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。

用小信号模型替代为：

3. 小信号模型分析法的适用范围

放大电路的输入信号幅度较小，BJT工作在其V-T特性曲线的线性范围
（即放大区）内。$h_{fe}$ (β)参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关。（说白了就是一直导通 ，通常用来作定性分析，如静态工作点的大致位置，失真情况。）

优点：分析放大电路的动态性能指标（Av、$R_i$（输入电阻 ³）和$R_o$（ 输出电阻 ⁴）等（部分文字来源））非常方便，且适用于频率较高时的分析。
缺点：在BJT与放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及BJT的$h_{fe}$ (β)参数均是针对变化量（交流量）而言的，不能用来分析计算静态工作点。

共射极放大电路的图解分析

1. 静态工作点的图解分析（直流）

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
  注：电容断路，电感短路，交流电源断开（只保留直流物理量）
  

• 列输入回路方程
  $$V_{BE}=V_{BB}-i_B{R}_b$$

• 列输出回路方程（直流负载线）
  $$V_{CE}=V_{CC}-i_C{R}_C$$

• 在输入特性曲线上（下图），作出直线$V_{BE}=V_{BB}-i_B{R}_b$，两线的交点即是静态工作点Q点，得到$I_{BQ}.$

• 在输出特性曲线上，作出直流负载线$V_{CE}=V_{CC}-i_C{R}_C$，与$I_{BQ}$曲线的交点即为Q点，从而得到$V_{CEQ}$和$I_{CQ}$。
  

2. 动态工作情况图解分析（交流）

动态分析步骤：
根据$V_i$的波形在三极管输入特性曲线上求$i_B$
在输出特性曲线上作交流负载线，求$i_C$及$V_{CE}$的波形
求电压增益

• 放大电路接入负载时（用交流负载线）
  当放大电路接入负载时，输出回路中，$R_c$和$R_L$时并联的。它们并联电阻值为：
  交流负载线是一条过静态工作点Q点，斜率为$-1/R_{L^{\prime }}$的直线。
  
  
  $U_{CE}$的变化沿一条直线——交流负载线

3. 图解最大不失真输出电压$U_{om}$

具体步骤：

• 确定Q点；
• 画出交流负载线；
• 确定$U_{om}$
  $U_{om}=min\{U_{CEQ}-U_{CES},I_{CQ}\ast R_L^{{}^{\prime }}\}$
  

图解分析法的优缺点

1. 优点

• 求得静态工作点Q
• 已知输入波形，画输出波形
• 确定电压的放大倍数
• 最大不失真电压幅度
• 根据失真形状，判别失真的类型（饱和失真/截止失真）

2. 缺点

• 必须已知曲线
• 不能求其他动态指标

截止失真和饱和失真

交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹，下图为设计好的情况。

非线性失真

三极管有三种工作状态：饱和、放大、截止。
非线性失真包含饱和失真和截止失真。

如果静态工作点Q的选择不当，就会使在一个输入信号周期内，三极管的工作状态进入饱和或截止区，而产生波形失真（非线性失真包含饱和失真和截止失真）。

1. 实际波形：
   
2. Q点过低，信号进入截止区（削顶）–称为截止失真
   截止失真是在输入回路首先产生失真！
   消除方法：增大$V_{BB}$，即向上平移输入回路负载线。
3. Q点过高，信号进入饱和区（削低）–称为饱和失真
   消除方法：增大$R_b$，减小$V_{BB}$，减小$R_C$，减小β，增大$V_{CC}$(注：$V_{CC}$一般不用)
   最大不失真输出电压$U_{om}$：比较$U_{CEQ}$与($V_{CC}-U_{CEQ}$)，取其小者，除以√2。

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1. 个人理解：三极管的基极(B)与发射极(E)之间像一个有阻值的PN结。 ↩︎

2. 例如，基极电流$I_b$的变化量 $\Delta I_b=10\mu A，\beta =50$ ，根据 $\Delta I_c=\beta I_b$ 的关系式，集电极电流的变化量 $\Delta I_c$ = 50×10 = 500μA ，实现了基极电流对集电极电流的控制与放大。 ↩︎

3. 放大电路的输入电阻是从输入端向放大电路内看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻后，输入电压与输入电流之比，即$R_i=\frac{U_i}{I_i}$。对于信号源来说，输入电阻就是它的等效负载。 ↩︎

4. 对负载而言，放大电路的输出端可等效为一个信号源。输出电阻越小，输出电压受负载的影响就越小，若$R_o$ ​= 0，则输出电压的大小将不受$R_L$的大小影响，称为恒压输出。当$R_L$<<$R_o$时即可得到恒流输出。因此，输出电阻的大小反映了放大电路带负载能力的大小。 ↩︎