三极管的用法.pdf

第第 5 5 章章三极管及基本放大电路三极管及基本放大电路半导体三极管是一种最重要的半导体器件。它的放大作用和开关作用促使电子技术飞跃发展。场效应管是一种较新型的半导体器件，现在已被广泛应用于放大电路和数字电路中。本章介绍半导体三极管、绝缘栅型场效应管以及由它们组成的基本放大电路。5.15.1 半导体三极管半导体三极管半导体三极管简称为晶体管。它由两个PN 结组成。由于内部结构的特点，使三极管表现出电流放大作用和开关作用，这就促使电子技术有了质的飞跃。本节围绕三极管的电流放大作用这个核心问题来讨论它的基本结构、工作原理、特性曲线及主要参数。5.1.15.1.1三极管的基本结构和类型三极管的基本结构和类型三极管的种类很多，按功率大小可分为大功率管和小功率管；按电路中的工作频率可分为高频管和低频管；按半导体材料不同可分为硅管和锗管；按结构不同可分为 NPN 管和 PNP管。无论是NPN 型还是 PNP 型都分为三个区，分别称为发射区、基区和集电区，由三个区各引出一个电极，分别称为发射极（E）、基极（B）和集电极（C），发射区和基区之间的PN 结称为发射结，集电区和基区之间的PN 结称为集电结。其结构和符号见图5-1，其中发射极箭头所示方向表示发射极电流的流向。在电路中，晶体管用字符T 表示。具有电流放大作用的三极管，在内部结构上具有其特殊性，这就是：其一是发射区掺杂浓度大于集电区掺杂浓度，集电区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；其二是基区很薄，一般只有几微米。这些结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内在依据。集电极 CN集电区基极 BP基区N发射区发射极 EBPCTE基极 B集电极 CCTE集电区N基区P发射区B发射极 E（a）(b)图 5-1两类三极管的结构示意图及符号5-15.1.25.1.2三极管的电流分配关系和放大作用三极管的电流分配关系和放大作用现以 NPN管为例来说明晶体管各极间电流分配关系及其电流放大作用，上面介绍了三极管具有电流放大用的内部条件。为实现晶体三极管的电流放大作用还必须具有一定的外部条件，这就是要给三极管的发射结加上正向电压，集电结加上反向电压。如图5-2，VBB为基极电源，与基极电阻 RB及三极管的基极B、发射极 E组成基极发射极回路（称作输入回路）,VBB使发射结正偏，VCC为集电极电源，与集电极电阻RC及三极管的集mAIB ATIEmARCVCCRBVBB电极 C、发射极 E 组成集电极发射极回路（称作输图5-2 共发射极放大实验电路出回路），VCC使集电结反偏。图中，发射极E 是输入输出回路的公共端，因此称这种接法为共发射极放大电路，改变可变电阻RB,测基极电流 IB，集电极电流 IC和发射结电流IE,，结果如表5-1。表 5-1三极管电流测试数据IB(A)IC(mA)IE(mA)00.0050.005200.9910.01402.082.12603.173.23804.264.341005.405.50从实验结果可得如下结论：（1）IE=IB+IC。此关系就是三极管的电流分配关系，它符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和 IC几乎相等，但远远大于基极电流IB.，从第三列和第四列的实验数据可知IC与 IB的比值分别为：ICIBICIB2.080.04 52，ICIB3.170.06 52.8IB的微小变化会引起IC较大的变化，计算可得：IC 4 IC3IB4 IB33.17 2.080.06 0.041.090.02 54.5计算结果表明，微小的基极电流变化，可以控制比之大数十倍至数百倍的集电极电流的变化，这就是三极管的电流放大作用。、称为电流放大系数。通过了解三极管内部载流子的运动规律，可以解释晶体管的电流放大原理。本书从略。5.1.35.1.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管的特性曲线是用来表示各个电极间电压和电流之间的相互关系的，它反映出三极管的性能，是分析放大电路的重要依据。特性曲线可由实验测得，也可在晶体管图示仪上直观地显示出来。1输入特性曲线晶体管的输入特性曲线表示了VCE为参考变量时，IB和 VBE的关系。5-2IB f(VBE)VCE常数（5-1）80604020IB(A)VCE1V图 5-3 是三极管的输入特性曲线，由图可见，输入特性有以下几个特点：(1)输入特性也有一个“死区”。在“死区”内，VBE虽已大于零，但 IB几乎仍为零。当 VBE大于某一值后，IB才随 VBE增加而明显增大。和二极管一样，硅晶体管的死区电压 VT（或称为门槛电压）约为0.5V，发射结导通电压00.2 0.4 0.6 0.8VBE(V)图 5-3 三极管的输入特性曲线VBE=（0.60.7）V；锗晶体管的死区电压VT约为 0.2V，导通电压约（0.20.3）V。若为 PNP 型晶体管，则发射结导通电压VBE分别为(-0.6 -0.7)V和(-0.2-0.3)V。（2）一般情况下，当VCE1V以后，输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合，因为 VCE1V后，IB无明显改变了。晶体管工作在放大状态时，VCE总是大于 1V 的（集电结反偏），因此常用 VCE1V的一条曲线来代表所有输入特性曲线。2.输出特性曲线晶体管的输出特性曲线表示以IB为参考变量时，IC和 VCE的关系，即:IC f(VCE)IB常数（5-2）543210IC(mA)饱和区100A80A放大区截止区60A40A20AIB=0图 5-4 是三极管的输出特性曲线，当IB改变时，可得一组曲线族，由图可见，输出特性曲线可分放大、截止和饱和三个区域。（1）截止区：IB=0 的特性曲线以下区域称为截止区。在这个区域中，集电结处于反偏，VBE0 发射结反偏或零偏，即 VCVEVB。电流 IC很小，（等于反向穿透电流 ICEO）工作在截止区时，晶体管在电路中犹如一个断开的开关。（2）饱和区：特性曲线靠近纵轴的区域是饱和36912VCE(V)图 5-4三极管的输出特性曲线区。当VCEVCVE。在饱和区 IB增大，IC几乎不再增大，三极管失去放大作用。规定 VCE=VBE时的状态称为临界饱和状态，用 VCES表示，此时集电极临界饱和电流：ICSVCC VCESRCICSVCCRC（5-3）基极临界饱和电流：IBS（5-4）当集电极电流 ICICS时，认为管子已处于饱和状态。ICVBVE。其特点是 IC的大小受 IB的控制，IC=IB，晶体管具有电流放大作用。在放大区 约等于常数，IC几乎按一定比例等距离平行变化。由于 IC只受 IB的控5-3制，几乎与 VCE的大小无关。特性曲线反映出恒流源的特点，即三极管可看作受基极电流控制的受控恒流源。例 5-1 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为Vx=+10V，Vy=0V，Vz=+0.7V，如图 5-5（a）所示,T2管各电极电位Vx=+0V，Vy=-0.3V，Vz=-5V，如图5-5（b）所示，试判断T1和 T2各是何类型、何材料的管子，x、y、z各是何电极？yxT1yxT2zz(a)(b)图 5-5例 5-1解解：工作在放大区的NPN 型晶体管应满足VCVB VE，PNP 型晶体管应满足VCVBVz Vy,，所以x 为集电极，y 为发射极，z为基极，满足 VCVB VE,的关系，管子为NPN 型。（2）在图（b）中，x 与 y 的电压为 0.3V，可确定为锗管，又因 VzVyVx,，所以z为集电极，x 为发射极，y 为基极，满足VCVBICS，所以管子工作在饱和区。（2）因为基极偏置电源-2V小于管子的导通电压，管子的发射结反偏，管子截止，所5-4以管子工作在截止区。（3）因为基极偏置电源+2V 大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏,管子导通基极电流:：IB2 0.750.35 0.26 mAICIB 30 0.26 7.8mA临界饱和电流：ICS10 VCES110 0.7 9.3mA因为 ICICS，所以管子工作在放大区。5.1.45.1.4 晶体管的主要参数晶体管的主要参数晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能的指标,是评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据,也是计算和调整晶体管电路时必不可少的根据。主要参数有以下几个。1电流放大系数(1)共射直流电流放大系数。它表示集电极电压一定时，集电极电流和基极电流之间的关系。即：IC IC EIBOICIB(5-5)(2)共射交流电流放大系数。它表示在 VCE保持不变的条件下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即:ICIBVCE常数 (5-6)上述两个电流放大系数和 的含义虽不同，但工作于输出特性曲线的放大区域的平坦部分时，两着差异极小，故在今后估算时常认为。由于制造工艺上的分散性，同一类型晶体管的 值差异很大。常用的小功率晶体管，值一般为 20200。过小，管子电流放大作用小，过大，工作稳定性差。一般选用 在40100 的管子较为合适。2极间电流ICBO AICBO AICEOICEO A A(a)NPN管(b)PNP管(c)NPN管(d)PNP 管图5-7ICBO的测量图 5-8ICEO的测量(1)集电极反向饱和电流ICBO。ICBO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也是集电结的反向饱和电流。可以用图5-7 的电路测出。手册上给出的ICBO都是5-5在规定的反向电压之下测出的。反向电压大小改变时，ICBO的数值可能稍有改变。另外 ICBO是少数载流子电流，随温度升高而指数上升，影响晶体管工作的稳定性。作为晶体管的性能指标，ICBO越小越好，硅管的ICBO比锗管的小得多，大功率管的ICBO值较大，使用时应予以注意。(2)穿透电流 ICEO。ICEO是基极开路，集电极与发射极间加电压时的集电极电流，由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。测量ICEO的电路如图 5-8 所示。根据晶体管的电流分配关系可知：ICEO=（1+）ICBO。故 ICEO也要受温度影响而改变，且大的晶体管的温度稳定性较差。3极限参数晶体管的极限参数规定了使用时不许超过的限度。主要极限参数如下：(1)集电极最大允许耗散功率PCM晶体管电流 IC与电压 VCE的乘积称为集电极耗散功率，这个功率导致集电结发热，温度升高。而晶体管的结温是有一定限度的，一般硅管的最高结温为 1001500C，锗管的最高结温为 701000C，超过这个限度，管子的性能就要变坏，甚至烧毁。因此，根据管子的允许结温定出了集电极最大允许耗散功率 PCM，工作时管子消耗功率必须小于 PCM。可以在输出特性的坐标系上画出PCM=ICVCE的曲线，称为集电极最大功率损耗线。如图5-9 所示。曲线的左下方均满足 PCPCM的条件为安全区，右上方为过损耗区。(2)反向击穿电压V(BR)CEO反向击穿电压 V(BR)CEO是指基极开路时，加于集电极发射极之间的最大允许电压。使用时如果超出这个电压将导致集电极电流IC急剧增大，这种现象称为击穿。从而造成管子永久性损坏。一般取电源VCC)时的 值。通常高频晶体管都用fT表征它的高频放大特性。5温度对晶体管参数的影响几乎所有晶体管参数都与温度有关，因此不容忽视。温度对下列三个参数的影响最大。(1)温度对 ICBO的影响：ICBO是少数载流子形成，与 PN 结的反向饱和电流一样，受温度影很大。无论硅管或锗管，作为工程上的估算，一般都按温度每升高10 C，ICBO增大一倍来考虑。(2)温度对 的影响：温度升高时 随之增大。实验表明，对于不同类型的管子 随温度增长的情况是不同的，一般认为：以250C时测得的 值为基数，温度每升高10C，增加约（0.51）%。(3)温度对发射结电压 VBE的影响：和二极管的正向特性一样，温度每升高10C，|VBE|约减小 22.5mV。因为，ICEO=（1+）ICBO，而IC=IB+（1+）ICBO，所以温度升高使集电极电流IC升高。换言之，集电极电流IC随温度变化而变化。5.1.55.1.5 晶体管开关的应用非门晶体管开关的应用非门图 5-11 所示的晶体管非门电路及其图形符号。晶体管T 的工作状态或从截止转为饱和，或从饱和转为截止。非门电路只有一个输入端A。F为输出端。当输入端 A 为高电平 1 1，即 VA=3V时，晶体管 T饱和，使集电极输出的电位VF=0V，即输出端 F 为低电平 0 0；当输入端A 为低电平 0 0时，晶体管T截止，使集电极输出的电位VF=VCC，R1VCCRCFATR21F即输出端 F 为高电平 1 1。可见非门电路的输出与-VBB输入状态相反，所以非门电路也称为反相 器。图 5-11三极管非门图中加负电源 VBB是为了使晶体管可靠截止。从上述分析可知，该电路的输出电平高低总是和输入电平高低相反，这种“结果与条件处于相反状态”的逻辑关系称为非（Not）逻辑关系。非逻辑也称为逻辑反、非运算。逻辑变量上的“”是非运算符，设A、F 分别为逻辑变量，则非运算的表达式可写成以下F A上式读作 F 等于 A 非。逻辑非的含义是：只要输入变量A为 0，输出变量F就为 1；反之，A为 1 时，F便为 0。换言之，也就是“见见 0 0 出出 1 1，见，见 1 1 出出 0 0”。以上是晶体管开关作用具体应用的一个实例。5-75.25.2绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管915场效应管是一种电压控制型的半导体器件，它具有输入电阻高（可达10 10 ，而晶体三极管的输入电阻仅有102 104），噪声低，受温度、幅射等外界条件的影响较小，耗电省、便于集成等优点。，因此得到广泛应用。场效应管按结构的不同可分为结型和绝缘栅型；从工作性能可分耗尽型和增强型；所用基片（衬底）材料不同，又可分P 沟道和 N 沟道两种导电沟道。因此，有结型P 沟道和 N 沟道，绝缘栅耗尽型P 沟道和N 沟及增强型 P 沟道和 N 沟六种类型的场效应管。它们都是以半导体的某一种多数载流子（电子或空穴）来实现导电，所以又称为单极型晶体管。在本书中只简单介绍绝缘栅型场效应管。5.1.15.1.1绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是一种金属(M)氧化物(O)半导体(S)结构的场效应管，简称为 MOS（Metal Oxide Semiconductor）管。本节以沟道增强型绝缘栅型场效应管为主进行讨论。1N 沟道增强 MOS型管(1)结构图 5-12（a）是沟道增强型MOS管的结构示意图。用一块型半导体为衬底，在衬底上面的左、右两边制成两个高掺杂浓度的型区，用 N+表示，在这两个 N+区各引出一个电极，分别称为源极 S 和漏极 D，管子的衬底也引出一个电极称为衬底引线b。管子在工作时 b 通+常与 S 相连接。在这两个N区之间的型半导体表面做出一层很薄的二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上面喷一层金属铝电极，称为栅极G，图 5-12(b)是沟增强型 MOS 管的符号。沟道增强型 MOS 管是以型半导体为衬底，再制作两个高掺杂浓度的P+区做源极 S 和漏极D，其符号如图 5-12(c)，衬底 b 的箭头方向是区别沟道和沟道的标志。SG 铝DSio2绝缘层DDbGSGSbN+P 衬底衬PPPN+b(衬底引线)（a）（b）（c）图 5-12增强型MOS 管的结构和符号(2)工作原理如图 5-13 所示。当 VGS=0 时，由于漏源之间有两个背向的结不存在导电沟道，所以即使 D、S 间电压 VDS0，但 ID=0，只有 VGS增大到某一值时，由栅极指向P 型衬底的电场的作用下，衬底中的电子被吸引到两个N+区之间构成了漏源极之间的导电沟道，电路中才有电流 ID。对应此时的VGS称为开启电压VGS(th)=VT。在一定VDS下，VGS值越大，电场作用越强，导电的沟道越宽，沟道电阻越小，ID就越大，这就是增强型管子的含义。5-8(3)输出特性输出特性是指 VGS为一固定值时，ID与 VDS之间的关系，即ID f(VDS)VGS常数VDSVGSIDSGD（5-7）N+N沟道P衬底N+同三极管一样输出特性可分为三个区，可变电阻区，恒流区和截止区。可变电阻区：图 5-14（a）的区。该区对应 VGSVT，VDS很小，VGD=VGSVDSVT的情况。该区的特点是：若VGS不变，ID随着 VDS的增大而线性增加，可以看成是一个图 5-13Vgs对沟道的影响电阻，对应不同的 VGS值，各条特性曲线直线部分的斜率不同，即阻值发生改变。因此该区是一个受 VGS控制的可变电阻区，工作在这个区的场效应管相当于一个压控电阻。恒流区（亦称饱和区，放大区）：图 5-14（a）的区。该区对应VGSVT，VDS较大，该区的特点是若 VGS固定为某个值时，随 VDS的增大，ID不变，特性曲线近似为水平线，因此称为恒流区。而对应同一个 VDS值，不同的 VGS值可感应出不同宽度的导电沟道，产生不同大小的漏极电流ID，可以用一个参数，跨导gm来表示 VGS对 ID的控制作用。gm定义为：gmIDVGSVDS常数（5-8）ID(mA)5区区区VGS=5V43214.5V4V3.5V3V2.5V(VT)421286ID(mA)VDS=常数VT02468VGS(V)02468VDS(V)（a）输出特性(b)转移特性图 5-14N沟道增强型MOS管的特性曲线截止区（夹断区）：该区对应于VGSVT的情况，这个区的特点是：由于没有感生出沟道，故电流 ID=0，管子处于截止状态。图 5-14（a）的区为击穿区，当VDS增大到某一值时，栅、漏间的PN 结会反向击穿，使 ID急剧增加。如不加限制，会造成管子损坏。(4)转移特性转移特性是指 VDS为固定值时，ID与 VGS之间的关系，表示了VGS对 ID的控制作用。即：ID f(VGS)VDS常数（5-9）由于 VDS对 ID的影响较小，所以不同的VDS所对应的转移特性曲线基本上是重合在一起5-9的，如图 5-14（b）所示。这时ID可以近似地表示为：ID IDSS（1 VGSVGS（th）2（5-10）其中 IDSS是 VGS=2VGS（th）时的值 ID2 2沟道耗尽型 MOS管沟道耗尽型 MOS管的结构与增强型一样，所不同的是在制造过程中，在 sio2绝缘层中掺入大量的正离子。当VGS=0 时，由正离子产生的电场就能吸收足够的电子产生原始沟道，如果加上正向 VDS电压，就可在原始沟道的中产生电流。其结构、符号如图5-15 所示。VGSVDSID108642ID(mA)区SGD3V2V1VVGS=0V1V2V0481214VDS(V)(a)ID(mA)8D6IDSS2-4-2024VGS(V)SGb(b)区区N+N+N沟道P 衬底(c)图 5-15N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管（a）结构示意图(b)输出特性 c)转移特性(d)符号(d)当 VGS正向增加时，将增强由绝缘层中正离子产生的电场，感生的沟道加宽，ID将增大，当 VGS加反向电压时，削弱由绝缘层中正离子产生的电场，感生的沟道变窄，ID将减小，当VGS达到某一负电压值VGS(off)=VP时，完全抵消了由正离子产生的电场则导电沟道消失，使ID0，VP称为夹断电压。在 VGSVP后，漏源电压VDS对 ID的影响较小。它的特性曲线形状，与增强型MOS管类似，如图 5-15（b）、（c）所示.。由特性曲线可见，耗尽型MOS管的 VGS值在正、负的一定范围内都可控制管子的ID，因此，此类管子使用较灵活，在模拟电子技术中得到广泛应用。增强型场效应管在集成数字电路中被广泛采用，可利用VGSVT和 VGSVT来控制场效应管的导通和截止，使管子工作在开关状态，数字电路中的半导体器件正是工作在此种状态。5-105.2.25.2.2场效应管主要参数场效应管主要参数1场效应管与双极型晶体管的比较(1)场效应管的沟道中只有一种极性的载流子（电子或空穴）参于导电，故称为单极型晶体管。而在双极型晶体三极管里有两种不同极性的载流子（电子和空穴）参于导电。(2)场效应管是通过栅源电压VGS来控制漏极电流ID，称为电压控制器件。晶体管是利用基极电流 IB来控制集电极电流IC，称为电流控制器件。(3)场效应管的输入电阻很大，有较高的热稳定性，抗辐射性和较低的噪声。而晶体管的输入电阻较小，温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。(4)场效应管的跨导gm的值较小，而双极型晶体管 的值很大。在同样的条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。(5)场效应管在制造时，如衬底没有和源极接在一起时，也可将 D、S 互换使用。而晶体管的 C和 E互换使用，称倒置工作状态，此时 将变得在非常小。(7)工作在可变电阻区的场效应管，可作为压控电阻来使用。另外，由于 MOS场效应管的输入电阻很高，使得栅极间感应电荷不易泄放，而且绝缘层做得很薄，容易在栅源极间感应产生很高的电压，超过V（BR）GS而造成管子击穿。因此 MOS管在使用时避免使栅极悬空。保存不用时，必须将 MOS管各极间短接。焊接时，电烙铁外壳要可靠接地。2场效应管的主要参数(1)直流参数直流参数是指耗尽型 MOS 管的夹断点电位 VP(VGS(off)，增强型 MOS 管的开启电压VT(VGS(on)以及漏极饱和电流IDSS，直流输入电阻RGS(2)交流参数低频跨导 gm：gm的定义是当 VDS=常数时，vgs的微小变量与它引起的iD的微小变量之比，即：gmdiDdvGSVDS常数（5-11）它是表征栅、源电压对漏极电流控制作用大小的一个参数，单位为西门子s 或 ms。极间电容：场效应管三个电极间存在极间电容。栅、源电容Cgs和栅、漏电容Cg d一般为 13pF，漏源电容Cds约在 0.11pF之间。极间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度。(3)极限参数最大漏极电流 IDM。管子工作时允许的最大漏极电流。最大耗散功率 PDM。由管子工作时允许的最高温升所决定的参数。漏、源击穿电压V（BR）DS。VDS增大时使 ID急剧上升时的VDS值。栅、源击穿电压V（BR）GS。在 MOS管中使绝缘层击穿的电压。3各种场效应管特性的比较表 52 总结列举了 6 种类型场效应管在电路中的符号，偏置电压的极性和特性曲线。读者可以通过比较以于区别。5-11表 52各种场效应管的符号、转移特性和输出特性结 构类 型工作方式图 形符 号工作时所需电压极性转移特性IDIDSSVGS（OFF）输出特性IDVGS=0VGS0oVDSoVGSS（OFF）绝缘栅型N沟道增强型GDIDID增大VGS0GSDoVGS(th)GSVoVDS-ID减小VGS0VGS=0VGS0oVDS -IDVGS0oVDSoVGS（OFF）VGS5-125.35.3 晶体管共发射极放大电路晶体管共发射极放大电路模拟信号是时间的连续函数，处理模拟信号的电路称为模拟电子电路。模拟电子电路中的晶体三极管通常都工作在放大状态，它和电路中的其它元件构成各种用途的放大电路。而基本放大电路又是构成各种复杂放大电路和线性集成电路的基本单元。晶体管基本放大电路按结构有共射、共集和共基极三种，本书讨论前两种放大电路。5.3.15.3.1 共发射极放大电路的组成共发射极放大电路的组成在图 5-16（a）的共发射极交流基本放大电路中，输入端接低频交流电压信号 i（如音频信号，频率为 20HZ20KHZ）。输出端接负载电阻L（可能是小功率的扬声器，微型继电器、或者接下一级放大电路等），输出电压用o表示。电路中各元件作用如下：+VCC+VCCRRCRBCRBC+2IICBC1+VCERoSRLVBEiis(a)(b)图 5-16 共发射交流放大1.集电极电源 VCC是放大电路的能源，为输出信号提供能量，并保证发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，使晶体管工作在放大区。VCC取值一般为几伏到几十伏。2.晶体管 T 是放大电路的核心元件。利用晶体管在放大区的电流控制作用，即ic=ib的电流放大作用，将微弱的电信号进行放大。3.集电极电阻 RC是晶体管的集电极负载电阻，它将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电路的电压放大作用。RC一般为几千到几十千欧。4.基极电阻 RB以保证工作在放大状态。改变RB使晶体管有合适的静态工作点。RB一般取几十千欧到几百千欧。5耦合电容 C1、C2起隔直流通交流的作用。在信号频率范围内，认为容抗近似为零。所以分析电路时，在直流通路中电容视为开路，在交流通路中电容视为短路。C1、C2一般为十几微法到几十微法的有极性的电解电容。5.3.25.3.2 静态分析静态分析放大电路未接入vi前称静态。动态则指加入vi后的工作状态。静态分析就是确定静态值，即直流电量,由电路中的IB、IC和 VCE一组数据来表示。这组数据是晶体管输入、输出特性曲线上的某个工作点，习惯上称静态工作点，用Q（IB、IC、VCE）表示。5-13放大电路的质量与静态工作点的合适与否关系甚大。动态分析则是在已设置了合适的静态工作点的前提下；讨论放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等技术指标。1 由放大电路的直流通路确定静态工作点将耦合电容 C1、C2视为开路，画出图 5-16（b）所示的共发射极放大电路的直流通路，由电路得：IBVCC VBERBVCCRBICIBVCE VCC ICRC（5-12）用式（5-12）可以近似估算此放大电路的静态作点。晶体管导通后硅管VBE的大小约在0.60.7V之间（锗管 VBE的大小约在0.20.3V 之间）。而当 VCC较大时，VBE可以忽略不计。2由图解法求静态工作点Q（1）用输入特性曲线确定IBQ和 VBEQ根据图 5-16（b）中的输入回路，可列出输入回路电压方程：VCC IBRB VBE（5-13）同时 VBE和IB还符合晶体管输入特性曲线所描述的关系，输入特性曲线用函数式表示为：IB f(VBE)VCE常数（5-14）用作图的方法在输入特性曲线所在的VBEIB平面上作出式（5-13）对应的直线，那么求得两线的交点就是静态工作点Q，如图 5-17（a）所示，Q 点的坐标就是静态时的基极电流IBQ和基射极间电压VBEQ。(2)用输出特性曲线确定ICQ和 VCEQ由图 5-16（b）电路中的输出回路，以及晶体管的输出特性曲线，可以写出下面两式：VCC ICRC VCEIC f(VCE)IBVCCRB（5-15）（5-16）ICVCCRCIB常数QIBQICQQIB=IBQOVBEQVCCVBEOVCEQVCCVCE（a）(b)图 5-17图解法求静态工作点晶体管的输出特性可由已选定管子型号在手册上查找，或从图示仪上描绘，而式（5-15）为一直线方程，其斜率为tg=-1/RC，在横轴的截距为VCC，在纵轴的截距为VCC/RC。这一5-14直线很容易在图 5-17（b）上作出。因为它是直流通路得出的，且与集电极负载电阻有关，故称之为直流负载线。由于已确定了IBQ的值，因此直流负载线与IB=IBQ所对应的那条输出特性曲线的交点就是静态工作点 Q。如图 5-17（b）所示，Q 点的坐标就是静态时晶体管的集电极电流 ICQ和集一射极间电压VCEQ。由图5-17可见，基极电流的大小影响静态工作点的位置。若 IBQ偏低，则静态工作点Q 靠近截止区；若IBQ偏高则 Q 靠近饱和区。因此，在已确定直流电源 VCC集电极电阻 RC的情况下，静态工作点设置的合适与否取决于IB的大小，调节基极电阻 RB，改变电流IB，可以调整静态工作点。5.3.35.3.3动态分析动态分析静态工作点确定以后，放大电路在输入电压信号vi的作用下，若晶体管能始终工作在特性曲线的放大区，则放大电路输出端就能获得基本上不失真的放大的输出电压信号 o。放大电路的动态分析，就是要对放大电路中信号的传输过+VCC程、放大电路的性能指标等问题进行分析讨论，这也iC=IC+icRBRC是模拟电子电路所要讨论的主要问题。微变等效电路+C2iB=IB+ibC1+法和图解法是动态分析的基本方法。vCEo1信号在放大电路中的传输与放大i以图 5-18（a）为例来讨论，图中IB、IC、VCE表（a）示直流分量（静态值），ib、ic、vce表示输入信号作用vi下的交流分量（有效值用Ib、Ic、Vce），iB、iC、vCE表（b）ot示总电流或总电压，这点务必搞清。设输入信号vi为正弦信号，通过耦合电容C1加到iB晶体管的基射极，产生电流 ib，因而基极电流iB=IBibIB+ib。集电极电流受基极电流的控制，iC=IC+ic=（IB（c）o+ib）。电阻 RC上的压降为 iCRC，它随 iC成比例地变t化。而集射极的管压降vCE=VCC-iCRC=VCC-（IC+ic）RC=VCE-ic RC，它却随iCRC的增大而减小。耦合电容 C2阻隔直流分量 VCE，将交流分量vce=-ic RC送至输出端，这就是放大后的信号电压vo=vce=-ic RC。vo为负，说明vi、ib、ic为正半周时，vo为负半周，它与输入信号电压vi反相。图5-18（b）（f）为放大电路中各有关电压和电流的信号波形。综上所述，可归纳以下几点：（1）无输入信号时，晶体管的电压、电流都是直流分量。有输入信号后，iB、iC、vCE都在原来静态值的基础上叠加了一个交流分量。虽然iB、iC、vCE的瞬时值是变化的，但它们的方向始终不变，即均是脉动直流量。（2）输出 vo与输入 vi频率相同，且幅度vo比 vi大的多。（e）ovotIC（d）ovCEvceVCEtiCic（f）ot图 5-18 放大电路中电压、电流的波形5-15（3）电流 ib、ic与输入vi同相，输出电压vo与输入vi反相，即共发射极放大电路具有“倒相”作用。2微变等效电路法(1)晶体管的微变等效电路所谓晶体管的微变等效电路，就是晶体管在小信号（微变量）的情况下工作在特性曲线直线段时，将晶体管（非线性元件）用一个线性电路代替。由图 5-19（a）晶体管的输入特性曲线可知，在小信号作用下的静态工作点 Q 邻近的 Q1Q2工作范围内的曲线可视为直线，其斜率不变。两变量的比值称为晶体管的输入电阻，即rbeVBEIBVCE常数vbeib（5-17）式（5-17）表示晶体管的输入回路可用管子的输入电阻rbe来等效代替，其等效电路见图5-20（b）。根据半导体理论及文献资料，工程中低频小信号下的rbe可用下式估算rbe 300 (1)26 mVIEQ(mA)（5-18）小信号低频下工作时的晶体管的rbe一般为几百到几千欧。iBQ1IBQQQ2 VBEOVBEQVCCvBEOVCEQ IB ICICQQ1Q VCEQ2vCEICiC IB（a）（b）图 5-19 从晶体管的特性曲线求rbe、和 rce由图 5-19（b）晶体管的输出特性曲线可知，在小信号作用下的静态工作点 Q 邻近的 Q1Q2工作范围内，放大区的曲线是一组近似等距的水平线，它反映了集电极电流 IC只受基极电流 IB控制而与管子两端电压基本VCE无关，因而晶体管的输出回路可等效为一个受控的恒流源，即 IC=IB及 ic=ib（5-19）iccbib ibrbeiccbvbeibvcevbercevceee（a）（b）图 5-20三极管的微变等效电路实际晶体管的输出特性并非与横轴绝对平行。当IB为常数时，VCE变化会引起5-16 IC变化这个线性关系就是晶体管的输出电阻rce，即rceVCEICIB常数vceic（5-20）rce和受控恒流源ib并联。由于输出特性近似为水平线，rce又高达几十千欧到几百千欧，在微变等效电路中可视为开路而不予考虑。图5-20(b)为简化了的微变等效电路。（2）共射放大电路的微变等效电路放大电路的直流通路确定静态工作点。交流通路则反映了信号的传输过程并通过它可以分析计算放大电路的性能指标。图5-21（a）是图 5-16（a）共射放大电路的交流通路。C1、C2的容抗对交流信号而言可忽略不计，在交流通路中视作短路，直流电源VCC为恒压源两端无交流压降也可视作短路。据此作出图 5-21（a）所示的交流通路。将交流通路中的晶体管用微变等效电路来取代，可得如图5-21（b）所示共射放大电路的微变等效电路。IiIbIbIcIoRSRSViVSViRBRCRLVOVSRBrbeRCRLVO（a）交流通路(b)微变等效电路图 5-21共射放大电路的交流通路及微变等效电路3动态性能指标的计算（1）电压放大倍数AV电压放大倍数是小信号电压放大电路的主要技术指标。设输入为正弦信号，图 5-21（b）中的电压和电流都可用相量表示。由图 5-21（b）可列出 I(R/R)VobCL IrVibbeVoVi(R/R)IbCLrIbbeAV-RLrbe（5-21其中，RL=RC/RL；Av为复数，它反映了输出与输入电压之间大小和相位的关系。式(5-21)中的负号表示共射放大电路的输出电压与输入电压的相位反相。当放大电路输出端开路时，（未接负载电阻RL），可得空载时的电压放大倍数（AVo），Avo RCrbe(5-22)比较式（5-21）和（5-22），可得出：放大电路接有负载电阻RL时的电压放大倍数比空载时降低了。RL愈小，电压放大倍数愈低。一般共射放大电路为提高电压放大倍数，总希望负载电阻 RL大一些。5-17输出电压Vo输入信号源电压VS之比，称为源电压放大倍数（AVS），则VoVSVoViViVSriRS riRLRS rbeAVS AV（5-23）式（5-23）中 ri=RB/rberbe（通常RB rbe）。可见RS愈大，电压放大倍数愈低。一般共射放大电路为提高电压放大倍数，总希望信号源内阻RS小一些。（2）放大电路的输入电阻ri一个放大电路的输入端总是与信号源（或前一级放大电路）相联的，其输出端总是与负载（或后一级放大电路）相接的。因此，放大电路与信号源和负载之间（或前级放大电路与RLVoVoRSVSViIirori后级放大电路），都是互相联系，互相影响的。图5-22（a）、（b）表示为它们之间的联系。信号源本级放大电路负载（a）RSVSVi1Ii1ro1ViVo1Iirori1riVi2Ii2ro2ri2RLVoVoVo 2前级放大电路本级放大电路后级放大电路（b）图 5-22 放大电路与信号源及前后级电路的联系输入电阻 ri也是放大电路的一个主要的性能指标。放大电路是信号源（或前一级放大电路）的负载，其输入端的等效电阻就是信号源（或前一级放大电路）的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻ri。其定义为为输入电压与输入电流之比。即riViIi（5-24）图 5-16（a）共射放大电路的输入电阻可由图5-23 所示的等效电路计算得出。由图可知VViiIiRBrberiViIi RB/rbe rbe（5-25）一般输入电阻越高越好。原因是：第一，较小的 ri从信号源取用较大的电流而增加信号源的负担。第二，电压信号源内阻RS和放大电路的输入电阻ri分压后，ri上得到的电压才是5-18放大电路的输入电压Vi（如图 5-23 所示），ri越小，相同的Vs使放大电路的有效输入Vi减小，那么放大后的输出也就小。第三，若与前级放大电路相联，则本级的ri就是前级的负载电阻RL，若 ri较小，则前级放大电路的电压放大倍数也就越小。总之，要求放大电路要有较高的输入电阻。IiIbIbIbIbIoViRBrbeRCRLRSRBrbeRCVo图 5-23 放大电路的输入电阻图 5-24放大电路的输出电阻(3)输出电阻ro放大电路是负载（或后级放大电路）的等效信号源，其等效内阻就是放大电路的输出电阻 ro，它是放大电路的性能参数。它的大小影响本级和后级的工作情况。放大电路的输出电阻 ro，即从放大电路输出端看进去的戴维宁等效电路的等效内阻，实际中我们采用如下方法计算输出电阻：，则将输入信号源短路，但保留信号源内阻，在输出端加一信号V0，以产生一个电流Io放大电路的输出电阻为roVoIoVs0（5-26）图 5-16（a）共射放大电路的输出电阻可由图5-24所示的等效电路计算得出。由图可知，就是电阻 RC中的电流，当 VS=0 时，Ib=0，Ib=0，而在输出端加一信号Vo，产生的电流Io取电压与电流之比为输出电阻。VrooI RC（5-27）0,RoVSL计算输出电阻的另一种方法是，假设放大电路负载开路