模拟电子技术-双极结型三极管（BJT）及其放大电路

$本章重点：共射放大电路、基极分压式射极偏置电路小信号模型分析法的求解$

一、BJT

双极性晶体管（英语：bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor,
BJT），俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件，这种晶体管的工作，同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载流子晶体管。

BJT

NPN型

PNP型

1-1 BJT结构简介

从三个杂质半导体区域各自引出一个电极,分别称为发射极e、,集电极c ,基极b ,它们对应的杂质半导体区域分别称为发射区﹑集电区和基区。这三个区域的特点是:基区宽度很薄(微米数量级),而且掺杂浓度很低;发射区和集电区是同类型的杂质半导体,但前者比后者掺杂浓度高很多,而集电结面积大于发射结面积,因此它们不是电气对称的。

1-2放大状态下BJT的工作原理

BJT可能有四种工作状态：放大、饱和、截止、倒置

1-2-1 BJT内部载流子的传输过程

（1）发射区向基区扩散载流子,形成发射极电流$I_E$。
（2）载流子在基区扩散与复合,形成复合电流$I_{BN}$。
（3）集电区收集载流子,形成集电极电流$I_C$。
$$I_B=I_E-I_C$$
（4）BJT有三种连接方式：共射、共基、共集。无论是哪种连接方式,要使BJT有放大作用,都必须保证发射结正偏.集电结反偏,而其内部载流子的传输过程相同,电流分配关系也相同。

1-2-2 BJT的电流分配关系

• 通常把$I_{C}N$与发射极电流$I_E$的比定义为BJT共基极直流电流放大系数$\overline{\alpha }$,即$$\overline{\alpha }=\frac{I_{C}N}{I_E}$$,$\overline{\alpha }<1$,但接近于1，一般在0.98以上。
• 当$I_{C}BO$很小时，有$$I_C\approx \overline{\alpha }{I}_E$$
• $\overline{\beta }$称为共射极直流电流放大系数。$I_{C}EO$是集电极与发射极之间的反向饱和电流,常称为穿透电流。其数值一般很小,当它可忽略时$$I_C\approx \overline{\beta }{I}_B$$
  $$I_E=I_B+I_C=(1+\overline{\beta })I_B$$

1-3 BJT的I-V特性曲线（共射极连接）

• 输入特性
• 输出特性
  

截止区	放大区	饱和区
$v_{BE}<死区$	$v_{CE}>v_{BE}>死区$	$v_{CE}<v_{BE}>死区$
$i_b\approx 0$,$i_b\approx 0$	$i_c=\beta i_b$	$i_c=\beta i_b$

1-4 BJT的主要参数

$$\overline{\beta }\approx I_c/I_b$$ 直流电流放大系数与交流放大系数差不多

1-5 温度对BJT参数及特性的影响

二、基本共射极放大电路

• $R_b$为限流电阻
• $I_{BQ}=\frac{V_{BB}-V_{BEQ}}{R_b}$
• $I_{CQ}=\beta I_{BQ}$
• $V_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}{R}_c$

三、BJT放大电路的分析方法

3-1 图解分析法

利用BJT的输入和输出特性曲线及管外电路的特性方程,通过作图能直观地对BJT放大电路的静态及动态工作情况进行全面的分析。

(1)静态

• 输入回路：静态工作点既应在BJT的输入特性曲线上，又应满足外电路组成的回路方程$v_{BE}=V_{BB}-i_B{R}_b$,由此回路方程可作出一条斜率为$-1/R_b$的直线,称其为输入直流负载线。
• 输出回路：静态工作点既应在$i_B=I_{B}Q$的那条输出特性曲线上，又应满足外电路的回路方程$v_{CE}=Vcc-i_c{R}_c$。该方程也是一条直线,称为输出直流负载线,其斜率为$-1/R_c$。
  
  （2）动态
• 根据$v_s$的波形,在 BJT的输入特性曲线图上画出$v_{BE}$、$i_B$的波形。
• 根据$i_B$的变化范围在输出特性曲线图上画出$i_C$和$v_{CE}$的波形。

（3）静态工作点对波形失真的影响

• 因Q点过高而产生的失真称为饱和失真。
• 因Q点偏低而产生的失真称为截止失真。
• 在Q点设置过低时,最大不失真输出电压的幅值$V_{oM}$将受到截止失真的限制,而使$V_{oM}=V_{CEQ}-V_{CES}$。
• 如果Q点的位置设置合理,但输人信号$v_s$的幅值过大时,输出信号$v_o$也会产生失真,而且饱和失真和截止失真可能会同时出现。
• 为了减小或避免BJT放大电路的非线性失真,必须合理地设置其静态工作点Q。当输入信号$v_s$较大时,应把Q点设置在输出交流负载线的中点(线段Q’Q""的中点),这时可得到输出电压的最大动态范围。

3-2 小信号模型分析法

• 步骤：
  $▶$画放大电路的小信号等效电路
  $▶$估算$r_{be}$
  $$r_{be}=r_{b{b}^{\prime }}+(1+\beta )\frac{26(mV)}{I_{EQ}(mA)},(r_{b{b}^{\prime }}一般取200\Omega )$$
  $▶$求电压增益$A_v$
  $$A_v=\frac{v_o}{v_i}=-\frac{\beta R_L^{\prime }}{R_b+r_{be}}$$
  $▶$计算输入电阻$R_i$
  $$R_i=\frac{v_i}{i_i}=R_b+r_{be}$$
  $▶$计算输出电阻$R_o$
  $$R_o\approx R_c$$

四、BJT放大电路静态工作点的稳定问题

4-1 基极分压式射极偏置电路

• 稳定原理
  $T\uparrow \to I_C\uparrow \to I_E\uparrow \to V_E\uparrow 、V_B不变\to V_{BE}\downarrow \to I_B\downarrow \to I_C\downarrow$
  
• Q点的估算
  $▶$在$I_i>>I_{BQ}$条件下（此时$R_{b1}$看作与$R_{b2}$串联）有$$V_{BQ}\approx \frac{R_{b2}}{R_{b1}+R_{b2}}{V}_{cc}$$
  $▶$集电极电流$$I_{CQ}\approx I_{EQ}=\frac{V_{BQ}-V_{BEQ}}{R_e}$$
  $▶$基极电流$$I_{BQ}=\frac{I_{CQ}}{\beta }$$
  $▶$集电极-射极电压$$V_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}(R_c+R_e)$$
• 动态性能的分析
  
  $▶$电压增益$A_v$ $$A_v=\frac{v_o}{v_i}=-\frac{\beta R_L^{\prime }}{(1+\beta )R_e+r_{be}}$$
  由上式可知接入电阻$R_e$后,提高了静态工作点的稳定性,但电压增益也下降了,$R_e$越大,$A_v$下降越多。为了解决这个矛盾,通常在$R_e$两端并联一只大容量的电容C。(称为发射极旁路电容),它对一定频率范围内的交流信号可视为短路,因此对交流信号而言,发射极和“地”直接相连,则电压增益不会下降。此时有$$A_v=-\frac{\beta R_L^{\prime }}{r_{be}}$$
  $▶$输入电阻$R_i$ $$R_i=\frac{v_i}{i_i}=R_{b1}//R_{b1}//[r_{be}+(1+\beta )R_e]$$
  $▶$输出电阻$R_o$ $$R_o\approx R_c$$

4-2 含有双电源的射极偏置电路

$$V_{CEQ}=V_{CQ}-V_{EQ}=V_{CQ}-I_{CQ}{R}_C-(-V_{EE})$$

4-3 含有电流源的射极偏置电路

在BJT集成电路中,制作大电阻比制作BJT占用的表面积要大得多,所以常用电流源作放大电路的偏置电路。这种电路的优点是发射极电流$l_{EQ}$由电流源的输出电流$l_O$提供,与图中电阻$R_b$及BJT的β无关,因而很稳定。对于合理的β值,$l_{CQ}$、$V_{CEQ}$也很稳定。

五、共集电极放大电路和共基极放大电路

共集电极放大电路的特点是:电压增益小于1而接近于1,输出电压与输入电压同相。即共集电极放大电路没有电压放大作用,只有电压跟随作用;输人电阻高,输出电阻低。正是因为这些特点,使得共集电极放大电路在电子电路中应用极为广泛。例如利用它输人电阻高﹑从信号源吸取电流小的特点,将它作多级放大电路的输入级。利用它输出电阻小、带负载能力强的特点,又可将它作多级放大电路的输出级。同时利用它的输入电阻高、输出电阻低的特点,将它作为多级放大电路的中间级,可以隔离前后级之间的相互影响,在电路中起阻抗变换的作用,这时可称其为缓冲级。

共基极放大电路有电压放大作用,且输人电压和输出电压相位相同,没有电流放大作用,有电流跟随作用。在三种组态中,其输人电阻最小,输出电阻较大,高频特性比共射放大电路好,常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合,在模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。

六、多级放大电路

• 级联放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。
• 级联放大电路的输出电阻$R_o$等于最后一级(输出级)的输出电阻。
• 级联放大电路的输入电阻$R_i$等于第一级放大电路的输出电阻。

$个人觉得$较为经典的习题