晶体三极管及其基本放大电路

  • 晶体三极管
    • 晶体管的结构及其类型
    • 晶体管的电流分配与放大作用
    • 晶体管的共射特性曲线
    • 晶体管的主要参数
  • 放大电路的组成和工作原理
    • 基本共射极放大电路的组成
  • 放大电路的分析
    • 直流通路和交流通路
    • 静态分析
    • 动态分析
  • 晶体管放大电路的3种接法

基本放大电路是组成各种复杂放大电路的基本单元

晶体三极管

晶体三极管又称为双极型晶体管(BJT)—【因为空穴和电子都参与导电,是两种极性的载流子】、半导体三极管

晶体管的结构及其类型

晶体三极管及其基本放大电路_第1张图片
发射极电流向里则为PNP,反之为NPN

三个区域分别称为发射区、基区和集电区,对应电极分别称为发射极、基级和集电极。
发射区有非常多的载流子(重掺杂),作用是发射载流子
基区作为控制区,能控制从发射区流到集电区的载流子的数量。
图中发射极上的箭头表示发射结加正向偏压时,发射极电流的实际方向。

晶体管按结构工艺分类:有NPN和PNP型;
按制造材料分类:有锗管和硅管;
按照工作频率分类:有低频管和高频管;
按照容许耗散功率大小分类:有小功率管和大功率管

晶体管的电流分配与放大作用

1.晶体管内部载流子的运动
放大能使微弱的信号变成在电子学应用中足够强的有效信号。例如,音频放大电路能给扬声器提供一个较强的信号

2.晶体管的电流分配与电流放大系数
IE=IC+IB
发射极电流是电路中最大的电流,集电极电流稍小,基极电流是很小的。
一个很小的基极电流控制了大很多的发射极电流。通常,从基极到集电极的电流增益是基本确定的。这个特征值 β¯
β¯ICIB
IE=IC+IB(1+β¯)IB

在考虑基区多子扩散运动和集电区少子运动的情况下有:
IC=β¯IB+(1+β¯)ICBO=β¯IB+ICEO

式中, IBCO 是发射极开路时,集电极的反向饱和电流 ICEO 是基极开路( IB=0 )时,集电极和发射极之间流过的穿透电流,即:
ICEO=(1+β¯)ICBO

集电极电流 IC 的主要成分是由发射极电流 IE 转化而来,定义共基极直流电流放大系数 α¯ 为:
α¯ICIE

可以得到:
α¯=β¯1+β¯β¯=α¯1+α¯

晶体管的共射特性曲线

晶体管是放大电路的核心元件

ui 为要放大的输入信号,它接入基极—发射极回路,称为输入回路;
uo 为放大后的输出信号,在集电极—发射极贿赂,称为输出回路。
由于发射极是两个回路的公共端,故称此电路为共发射极放大电路,也称共射电路
为了使发射结正偏、集电极反偏,在输入回路中加基极电源 VBB ,在输出回路中加集电极电源 VCC ,且 VCC>VBB

1.输入特性曲线
晶体三极管及其基本放大电路_第2张图片

共射极连接时的输入特性曲线描述了当管压降 uCE 为某个数值时,输入电流 iB 和输入电压 uBE 之间的关系为:
iB=f(uBE)|uCE=

NPN型硅晶体管输入特性曲线3.1.7
硅管死区电压约为0.5V,发射结电压 uBE 为0.6~0.7V
锗管死区电压约为0.1V,发射结电压 uBE 为0.2~0.3V

2.输出特性曲线

晶体三极管及其基本放大电路_第3张图片
共射极连接时的输出特性曲线描述了当输入电流 iB 为某个数值时,集电极电流 iC 和管压降 uCE 之间的关系为:
iC=f(uCE)|iB=

晶体管有3个工作区
1)截至区
iB=0 的曲线以下被称为截至区。集电极电流用 iCEO 表示,其值很小
iB=0
iE=iC=iCEO
显然,晶体管在截至区没有电流放大的能力,相当于开关断开状态

对于NPN型硅管而言,当 uBE<0.5V ,已开始截止。但为了可靠截止,常使 uBE0
发射结和集电结均反偏

2)放大区
输出特性曲线的近似水平部分是放大区,也称线性区
iC=βiB
iE=iB+iC=(1+β)iBβiB
iC 几乎仅仅决定于 iB , 而与 uCE 无关,表现出基极电流对集电极电流的控制作用
发射结正偏,集电结反偏

3)饱和区
饱和区是指输出特性曲线中 iC 上升部分与纵轴之间的区域。在饱和区, iCiBuCE 变化,即没有电流放大能力。

饱和时,发射结与集电结均处于正向偏置。饱和状态下的 uCE 称为饱和压降,记为 UCES ,其值很小,对于NPN型硅管约为0.3V,PNP型锗管约为-0.1V.
发射结和集电结均正偏

等效电路模型
晶体三极管及其基本放大电路_第4张图片

在模电中,大多情况下,应保证晶体管工作在放大状态。而在开关电路或脉冲数字电路中,晶体管主要工作于饱和状态或截止状态。

晶体管的主要参数

1.电流放大系数
1)共射极直流电流放大系数
β¯ICIB

2)共射极交流电流放大系数
β=ΔiCΔiB

放大区平坦部分: ββ¯

3)共射极直流电流放大系数
α¯ICIE

4)共射极交流电流放大系数
α=ΔiCΔiE

近似分析中认为 αα¯

2.极间反向电流

1)集电极—基极反向饱和电流 ICBO

2)集电极—发射极反向饱和电流 ICEO

3.极限参数
使晶体管得到充分利用而又安全可靠的参数

1)集电极最大容许电流 ICM

2)集电极最大容许耗散功率 PCM

放大电路的组成和工作原理

基本共射极放大电路的组成

两个原则:
发射结正偏,集电结反偏;—N端接负极正偏,P端接正极正偏
输入信号能送到放大电路的输入端

晶体三极管及其基本放大电路_第5张图片

放大电路的分析

放大电路可分为静态和动态两种情况分析。静态是没有输入信号的工作状态。

直流通路和交流通路

将基本共射极放大电路拆分为直流通路和交流通路。

直流通路:
置交流输入信号源为零,视电容为开路

交流通路:
置直流电源为零,对交流信号,电容容抗为 1wc ,当电容足够大,可视电容为短路,将零电位端同视一个地端。

静态分析

1)计算静态值

IBQ=VCCBBEQRb
UBEQ 被认为是已知量,即管压降

求出集电极电流
ICQ=βIBQ

UCEQ
UCEQ=VCCICQRc

1)图解法
利用线性特性与三极管输入输出特性
晶体三极管及其基本放大电路_第6张图片

动态分析

晶体管的微变等效电路模型
晶体三极管及其基本放大电路_第7张图片

发射结电阻:
re=UTIEQ

rbe=rbb+(1+β)re=rbb+(1+β)UTIEQ
IEQmArbb300ΩUT26mV
0.1mAIEQ5mA
rbe=300+(1+β)26(mV)IEQ(mA)

考虑到晶体管输出特性曲线不完全与横轴平行而有所上翘,即随着 uCE 的增大 iC
有所增大,则
rce=ΔUCEΔIC=uceiC|IB
rce 称为晶体管的输出电阻,就是等效电流源的内阻。

放大电路交流性能指标的计算
1)电压放大倍数 A˙u
A˙u=U˙oU˙i=βRLrbe

2)输入电阻 Ri
Ri=U˙iI˙i

3)输出电阻 Ro
Ro=U˙I˙|US=0,RL=

4)源电压放大倍数 A˙us
A˙us=U˙oU˙S=A˙uU˙iU˙S=A˙uRiRi+RS

失真
1)截止失真:静态工作点进入了截止区,出现 ui 负半周“削顶”失真

需要提高静态工作点的位置,适当减小输入信号的幅值。
对共射极放大电路来说,可以减少 Rb 来增大 IBQ

2)饱和失真:静态工作点进入了饱和区,出现 ui 正半周“削顶”失真

需要降低静态工作点的位置,适当减小输入信号的幅值。
对共射极放大电路来说,可以增大 Rb 来减小 IBQ

晶体管放大电路的3种接法

静态工作点稳定的共射极放大电路
晶体三极管及其基本放大电路_第8张图片

输入与输出反相,既能放大电压也能放大电流,输入、输出电阻适中,主要被应用于低频多级放大电路的中间级

共集电极放大电路

输入输出同相,只放大电流,输入电阻最高,输出电阻最小,常被用于输入级、输出级或作为隔离用的缓冲级。
又被称为射极输出器,电压放大倍数接近于1.

共基极放大电路
晶体三极管及其基本放大电路_第9张图片

只放大电压,输入电阻小,高频特性很好,常被用于高频或宽频带低输入阻抗的场合。

性能比较:
晶体三极管及其基本放大电路_第10张图片

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