精品课件-电路与电子技术(第二版)(路松行)-第8章
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放大电路分为共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极 放大电路三种基本形式。本节以应用广泛的共发射极放大电路为例， 讨论放大电路的组成和静态工作点的设置。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
26
8.2.1 基本放大电路的组成
图8.7(a)所示为双电源供电的共射极放大电路，V是一个NPN型
三极管，作用是放大电流；VCC是输出回路的电源，作用是为输出 信号提供能量；RC是集电极负载电阻，作用是把电流的变化转换成 电压的变化；基极电源VBB和基极偏置电阻RB的作用是为发射结提供 正向偏置电压和合适的基极电流IB；C1、C2称为隔直电容，作用是 隔直流、通交流信号。图8.7(b)为单电源供电的共射极放大电路，
只要RB>>RC，单电源就可代替双电源的作用。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
27
图8.7 共射极基本放大电路 (a)双电源供电共射极放大电路；(b)单电源供电共射极放大电路
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
28
为了使三极管工作在放大状态，首先必须保证发射结为正向偏 置，集电结为反向偏置；其次为了保证放大电路能尽可能不失真地 放大交流信号，必须在静态(ui=0)时，三极管的各极都要有一个合 适的工作电压和电流，即给放大器设置一个合适的静态工作点。
10
通过分析表8.1的实验测试数据，可得到以下结论：
(1)三极管各电极电流的关系满足
且IB很小，IC≈IE。
IE=IB＋IC
(10.1)
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
11
(2)IC与IB的比值基本保持不变，其大小由三极管的内部结构 决定，定义该比值为共射极电路的直流电流放大倍数，用β表示，
即
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
21
3.极限参数 极限参数是表征三极管能够安全工作的临界条件，也是选择管 子的依据。 (1)集电极最大允许电流ICM：指当集电极电流IC增大到一定程 度，β出现明显下降时的IC值。如果三极管在使用中出现集电极电 流大于ICM的情况，则这时管子不一定会损坏，但它的性能将明显 下降。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
30
由图8.9知，基极回路电压方程为 VCC=RBIBQ＋UCE
考虑管压降UBE很小可以忽略，得到
IBQICQ=βVCICBQRBU BE
VCC RB
集电极回路电压方程为
(8.6) (8.7)
UCEQ=VCC－ICQRC
(8.8)
以上是计算放大电路静态工作点的估算法，它的优点是计算简
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
7
图8.3 三极管的三种组态 (a)共发射极；(b)共基极；(c)共集极
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
8
图8.4 测试三极管电流放大作用的实验电路
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
9
表8.1 三极管电流放大实验测试数据
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
为集电极电流IC与发射极电流IE
IC
I E
(8.5)
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
20
2.极间反向电流 极间反向电流是表征三极管工作稳定性的参数。当环境温度增 加时，极间反向电流会增大。 (1)集电结反向饱和电流ICBO：指发射极开路时，集电极和基极 之间的电流。室温下，小功率硅管的ICBO一般小于1μA，锗管约为 10μA。 (2)穿透电流ICEO：指基极开路时，集电极和发射极之间的电流。 因为ICEO=(1＋β)ICBO，所以ICEO比ICBO大得多，因β、ICBO和ICEO会 随着温度的升高而变大，故在稳定性要求较高的电路中或环境温度 变化较大的时候，应该选用受温度影响小的硅管。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
29
8.2.2 静态工作点的估算 静态工作点是指静态时，在晶体管的输出特性曲线上，由IB、
IC和UCE组成的一个点，记为Q点，其坐标分别记为IBQ、ICQ和UCEQ， 如图8.8所示。
计算Q点坐标时可先画出放大电路的直流通路，即让C1、C2开 路，如图10.9所示；然后列出输入和输出回路电压方程，即可估算 出IBQ、ICQ和UCEQ。
从以上分析可知IC，S 若U三C极C R管CU交C替ES工作UR在CCC饱和区与截止(区8.，4)则其
C、E间相当于一个开关，饱和时闭合，截止时断开，该特性称为三 极管的“开关特性”，在数字电路中应用广泛。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
19
8.1.4 三极管的主要参数 三极管的参数很多，其主要参数有以下三个。 1.电流放大倍数 共射极电流放大倍数为β；共基极电流放大倍数为α，α定义
单；缺点是不直观，无法直观地判断Q点的位置是否合适。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
31
图8.8 静态工作点
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
32
图8.9 共射极放大电路的直流通路
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
33
8.2.3 放大电路的图解法分析 图解分析是指已知电路参数RB、RC和UCC，以及晶体管的输
(2)截止区：指曲线上IB≤0的区域，此时发射结反偏，三 极管为截止状态，IC很小，集电极与发射极间相当于开路，三 极管相当于开关的断开状态。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
18
(3)饱和区：指曲线上UCE≤UBE的区域，此时IC与IB无对应关系， 集电极与发射极之间的压降称为饱和电压，用UCES表示。硅管的UCES 约为0.3 V，锗管的UCES约为0.1 V，三极管相当于开关的闭合状态。 饱和时的集电极电流IC称为临界饱和电流，用ICS表示，大小为
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
1
第8章 半导体三极管及 路
其基本放大电
➢8.1 半导体三极管 ➢8.2 基本放大电路分析 ➢8.3 静态工作点的稳定与分压式偏置电路 ➢8.4 共集电极放大电路 ➢8.5 共集极基本放大电路 ➢8.6 多级放大器 ➢8.7 场效应晶体管及其放大电路 ➢习题8
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
16
图8.5 三极管共射极电路的特性曲线 (a)输入特性曲线；(b)输出特性曲线
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
17
(1)放大区：指曲线上IB>0和UCE>1V之间的部分，此时发 射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大状态。放大区的特征
是当IB不变时IC也基本不变，即具有恒流特性；当IB变化时， IC也随之变化，且IC≈βIB，这就是三极管的电流放大作用。
入、输出特性曲线，利用作图的方法分析放大电路的工作情况。 1.静态分析 静态分析的任务是确定Q点的IBQ、ICQ和UBEQ。方法是利用式
(10.6)求出IBQ，然后在晶体管输出特性曲线上做出与RC和UCC支 路的电压方程UCE=UCC－ICRC所对应的直线，该电压方程称为直流 负载线方程，对应的直线称为直流负载线。直流负载线与对应 IBQ值的输出特性曲线的交点即为Q点。
根据以上三个极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO可以确定三极管的安 全工作区，如图10.6所示。这是一条双曲线，曲线左侧所包围面积
内三极管集电极的功耗小于PCM，故称为安全工作区；右侧集电极 的功耗则大于PCM，故称为过损耗区。
第8章
放大电路又称放大器，是电子设备中的核心部分，其主要作用 是对输入的信号进行放大，从而推动负载工作。所谓放大，实质上 就是将直流电源的能量转化为具有一定大小且随着输入信号变化而 变化的输出信号，也可以讲放大器是一个能量转换器。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
15
2.输出特性曲线 输出特性曲线是指当IB一定时，IC与UCE之间的关系曲线，即 IC=f(UCE)|IB=常数。由于三极管的基极输入电流IB对输出电流IC具 有控制作用，因此不同的基极电流IB将有不同的IC－UCE关系，由此 得到图8.5(b)所示的一簇曲线，这就是三极管的输出特性曲线。 从输出特性曲线可以看出，三极管有三个不同的工作区域，即 放大区、饱和区和截止区，它们分别表示了三极管的三种工作状态： 放大、饱和和截止。三极管工作在不同区域，特点也各不相同。
IC
IB
(8.2)
式(8.2)表明，当三极管工作在放大状态时，集电极电流始终
是基极电流的β倍。
(3)IC与IB的变化量ΔIC与ΔIB的比值也基本保持不变，定义该 比值为共射极电路的交流电流放大倍数，用β
IC
I B
(8.3)
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
12
从式(8.3)可知，当基极电流IB有一微小变化ΔIB时，集电极 电流IC将得到一个较大的变化ΔIC，且β远大于1。这表明三极管 是一个电流控制元件，即基极电流IB对集电极电流IC具有控制作用， 这就是三极管的电流放大作用。
2
8.1 半导体三极管
8.1.1 半导体三极管的结构和符号 半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管，它是放大电路中
的核心器件。其外形如图8.1所示，结构和符号如图8.2所示。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
3
图8.1 三极管的外形
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
4
图8.2 三极管的结构和符号 (a)NPN型结构；(b)PNP型结构；(c)NPN型符号；(d)PNP型符号
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
5
从图8.2(a)和(b)可看出，三极管有三个区，分别是发 射区、基区和集电区；有两个PN结，分别是发射结和集电结； 有三个电极，分别是发射极、基极和集电极。根据PN结的组合 方式不同，可形成NPN型和PNP型三极管，对应的符号如图 8.2(c)和(d)所示。从发射极箭头的方向可判断出是NPN型或 PNP型三极管。图中标注的电流方向为发射结正偏、集电结反 偏时电流的实际方向。需要说明的是，三个区的面积大小不一 样，各有特殊作用，故发射极和集电极不能调换使用。
23
图8.6 三极管的安全工作区
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
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U(BR)CBO为发射极开路时，集电结不致击穿而允许加在集—基极 之间的最高电压；
U(BR)EBO为集电极开路时，发射结不致击穿而允许加在射—基极 之间的最高电压。这些参数的大小关系为U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO。
述三极管的外部特性，输入回路的伏安关系用输入特性曲 线来表示，输出回路的伏安关系用输出特性曲线来表示。 特性曲线可通过实验测试或用晶体管图示仪获得。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
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1.输入特性曲线 三极管的输入特性是指当UCE一定时，IB与UBE之间的关系曲线， 即IB=f(UBE)|UCE=常数，如图8.5(a)所示。从图中可知，输入特性曲 线和二极管正向特性曲线相似，硅管死区电压约为0.5 V，锗管约 为0.2 V；导通电压硅管约为0.6～0.7 V，锗管约为0.2～0.3 V； 且当UCE增大时，输入特性曲线右移，但在UCE≥2V后曲线重合。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
22
(2)集电极最大允许功耗PCM。三极管工作时，应使集电极 功率损耗UCEIC≤PCM。若集电极功耗超过PCM，集电结的结温会 大大升高，严重时管子将被烧坏。
(3)反向击穿电压。U(BR)CEO为基极开路时，集电结不致击 穿而允许加在集—射极之间的最高电压；
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
需要注意的是，当IB=0(基极开路)时，IC≠0，而是有一微小 电流值(硅管为μA级，锗管为mA级)，称为穿透电流，用ICEO表示。 工程计算时，常忽略ICEO，故可认为β≈β。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
13
8.1.3 三极管的伏安特性曲线 通常用三极管的各极电流与电压之间的关系曲线来描
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
6
8.1.2 三极管的电流放大作用 三极管最重要的特性是其具有电流放大作用，但要使三极管工
作在放大状态，必须具备两个条件：一是必须以正确的连接方式将 三极管接在输入输出回路中，按公共端的不同，可连接成三种基本 组态(共发射极、共基极和共集电极)，如图8.3所示，不同的连接 方式，其特性存在较大差异；二是必须外加正确的直流偏置电压， 即发射结要正向偏置，集电结要反向偏置。图8.4所示电路为共发 射极电路，图中UCC＞UBB，三个电极的电位关系为UC＞UB＞UE。如果 使用PNP型管，应将基极电源和集电极电源的极性反过来，使得UC ＜UB＜UE，三个电流IB、IC和IE的方向也要反过来。
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8.2.1 基本放大电路的组成
图8.7(a)所示为双电源供电的共射极放大电路，V是一个NPN型
三极管，作用是放大电流；VCC是输出回路的电源，作用是为输出 信号提供能量；RC是集电极负载电阻，作用是把电流的变化转换成 电压的变化；基极电源VBB和基极偏置电阻RB的作用是为发射结提供 正向偏置电压和合适的基极电流IB；C1、C2称为隔直电容，作用是 隔直流、通交流信号。图8.7(b)为单电源供电的共射极放大电路，
只要RB>>RC，单电源就可代替双电源的作用。
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图8.7 共射极基本放大电路 (a)双电源供电共射极放大电路；(b)单电源供电共射极放大电路
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为了使三极管工作在放大状态，首先必须保证发射结为正向偏 置，集电结为反向偏置；其次为了保证放大电路能尽可能不失真地 放大交流信号，必须在静态(ui=0)时，三极管的各极都要有一个合 适的工作电压和电流，即给放大器设置一个合适的静态工作点。
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通过分析表8.1的实验测试数据，可得到以下结论：
(1)三极管各电极电流的关系满足
且IB很小，IC≈IE。
IE=IB＋IC
(10.1)
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
11
(2)IC与IB的比值基本保持不变，其大小由三极管的内部结构 决定，定义该比值为共射极电路的直流电流放大倍数，用β表示，
即
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3.极限参数 极限参数是表征三极管能够安全工作的临界条件，也是选择管 子的依据。 (1)集电极最大允许电流ICM：指当集电极电流IC增大到一定程 度，β出现明显下降时的IC值。如果三极管在使用中出现集电极电 流大于ICM的情况，则这时管子不一定会损坏，但它的性能将明显 下降。
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由图8.9知，基极回路电压方程为 VCC=RBIBQ＋UCE
考虑管压降UBE很小可以忽略，得到
IBQICQ=βVCICBQRBU BE
VCC RB
集电极回路电压方程为
(8.6) (8.7)
UCEQ=VCC－ICQRC
(8.8)
以上是计算放大电路静态工作点的估算法，它的优点是计算简
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图8.3 三极管的三种组态 (a)共发射极；(b)共基极；(c)共集极
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图8.4 测试三极管电流放大作用的实验电路
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表8.1 三极管电流放大实验测试数据
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为集电极电流IC与发射极电流IE
IC
I E
(8.5)
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20
2.极间反向电流 极间反向电流是表征三极管工作稳定性的参数。当环境温度增 加时，极间反向电流会增大。 (1)集电结反向饱和电流ICBO：指发射极开路时，集电极和基极 之间的电流。室温下，小功率硅管的ICBO一般小于1μA，锗管约为 10μA。 (2)穿透电流ICEO：指基极开路时，集电极和发射极之间的电流。 因为ICEO=(1＋β)ICBO，所以ICEO比ICBO大得多，因β、ICBO和ICEO会 随着温度的升高而变大，故在稳定性要求较高的电路中或环境温度 变化较大的时候，应该选用受温度影响小的硅管。
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8.2.2 静态工作点的估算 静态工作点是指静态时，在晶体管的输出特性曲线上，由IB、
IC和UCE组成的一个点，记为Q点，其坐标分别记为IBQ、ICQ和UCEQ， 如图8.8所示。
计算Q点坐标时可先画出放大电路的直流通路，即让C1、C2开 路，如图10.9所示；然后列出输入和输出回路电压方程，即可估算 出IBQ、ICQ和UCEQ。
从以上分析可知IC，S 若U三C极C R管CU交C替ES工作UR在CCC饱和区与截止(区8.，4)则其
C、E间相当于一个开关，饱和时闭合，截止时断开，该特性称为三 极管的“开关特性”，在数字电路中应用广泛。
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8.1.4 三极管的主要参数 三极管的参数很多，其主要参数有以下三个。 1.电流放大倍数 共射极电流放大倍数为β；共基极电流放大倍数为α，α定义
单；缺点是不直观，无法直观地判断Q点的位置是否合适。
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
31
图8.8 静态工作点
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
32
图8.9 共射极放大电路的直流通路
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
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8.2.3 放大电路的图解法分析 图解分析是指已知电路参数RB、RC和UCC，以及晶体管的输
(2)截止区：指曲线上IB≤0的区域，此时发射结反偏，三 极管为截止状态，IC很小，集电极与发射极间相当于开路，三 极管相当于开关的断开状态。
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(3)饱和区：指曲线上UCE≤UBE的区域，此时IC与IB无对应关系， 集电极与发射极之间的压降称为饱和电压，用UCES表示。硅管的UCES 约为0.3 V，锗管的UCES约为0.1 V，三极管相当于开关的闭合状态。 饱和时的集电极电流IC称为临界饱和电流，用ICS表示，大小为
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第8章 半导体三极管及 路
其基本放大电
➢8.1 半导体三极管 ➢8.2 基本放大电路分析 ➢8.3 静态工作点的稳定与分压式偏置电路 ➢8.4 共集电极放大电路 ➢8.5 共集极基本放大电路 ➢8.6 多级放大器 ➢8.7 场效应晶体管及其放大电路 ➢习题8
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图8.5 三极管共射极电路的特性曲线 (a)输入特性曲线；(b)输出特性曲线
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(1)放大区：指曲线上IB>0和UCE>1V之间的部分，此时发 射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大状态。放大区的特征
是当IB不变时IC也基本不变，即具有恒流特性；当IB变化时， IC也随之变化，且IC≈βIB，这就是三极管的电流放大作用。
入、输出特性曲线，利用作图的方法分析放大电路的工作情况。 1.静态分析 静态分析的任务是确定Q点的IBQ、ICQ和UBEQ。方法是利用式
(10.6)求出IBQ，然后在晶体管输出特性曲线上做出与RC和UCC支 路的电压方程UCE=UCC－ICRC所对应的直线，该电压方程称为直流 负载线方程，对应的直线称为直流负载线。直流负载线与对应 IBQ值的输出特性曲线的交点即为Q点。
根据以上三个极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO可以确定三极管的安 全工作区，如图10.6所示。这是一条双曲线，曲线左侧所包围面积
内三极管集电极的功耗小于PCM，故称为安全工作区；右侧集电极 的功耗则大于PCM，故称为过损耗区。
第8章
放大电路又称放大器，是电子设备中的核心部分，其主要作用 是对输入的信号进行放大，从而推动负载工作。所谓放大，实质上 就是将直流电源的能量转化为具有一定大小且随着输入信号变化而 变化的输出信号，也可以讲放大器是一个能量转换器。
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2.输出特性曲线 输出特性曲线是指当IB一定时，IC与UCE之间的关系曲线，即 IC=f(UCE)|IB=常数。由于三极管的基极输入电流IB对输出电流IC具 有控制作用，因此不同的基极电流IB将有不同的IC－UCE关系，由此 得到图8.5(b)所示的一簇曲线，这就是三极管的输出特性曲线。 从输出特性曲线可以看出，三极管有三个不同的工作区域，即 放大区、饱和区和截止区，它们分别表示了三极管的三种工作状态： 放大、饱和和截止。三极管工作在不同区域，特点也各不相同。
IC
IB
(8.2)
式(8.2)表明，当三极管工作在放大状态时，集电极电流始终
是基极电流的β倍。
(3)IC与IB的变化量ΔIC与ΔIB的比值也基本保持不变，定义该 比值为共射极电路的交流电流放大倍数，用β
IC
I B
(8.3)
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从式(8.3)可知，当基极电流IB有一微小变化ΔIB时，集电极 电流IC将得到一个较大的变化ΔIC，且β远大于1。这表明三极管 是一个电流控制元件，即基极电流IB对集电极电流IC具有控制作用， 这就是三极管的电流放大作用。
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8.1 半导体三极管
8.1.1 半导体三极管的结构和符号 半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管，它是放大电路中
的核心器件。其外形如图8.1所示，结构和符号如图8.2所示。
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图8.1 三极管的外形
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图8.2 三极管的结构和符号 (a)NPN型结构；(b)PNP型结构；(c)NPN型符号；(d)PNP型符号
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从图8.2(a)和(b)可看出，三极管有三个区，分别是发 射区、基区和集电区；有两个PN结，分别是发射结和集电结； 有三个电极，分别是发射极、基极和集电极。根据PN结的组合 方式不同，可形成NPN型和PNP型三极管，对应的符号如图 8.2(c)和(d)所示。从发射极箭头的方向可判断出是NPN型或 PNP型三极管。图中标注的电流方向为发射结正偏、集电结反 偏时电流的实际方向。需要说明的是，三个区的面积大小不一 样，各有特殊作用，故发射极和集电极不能调换使用。
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图8.6 三极管的安全工作区
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U(BR)CBO为发射极开路时，集电结不致击穿而允许加在集—基极 之间的最高电压；
U(BR)EBO为集电极开路时，发射结不致击穿而允许加在射—基极 之间的最高电压。这些参数的大小关系为U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBO。
述三极管的外部特性，输入回路的伏安关系用输入特性曲 线来表示，输出回路的伏安关系用输出特性曲线来表示。 特性曲线可通过实验测试或用晶体管图示仪获得。
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1.输入特性曲线 三极管的输入特性是指当UCE一定时，IB与UBE之间的关系曲线， 即IB=f(UBE)|UCE=常数，如图8.5(a)所示。从图中可知，输入特性曲 线和二极管正向特性曲线相似，硅管死区电压约为0.5 V，锗管约 为0.2 V；导通电压硅管约为0.6～0.7 V，锗管约为0.2～0.3 V； 且当UCE增大时，输入特性曲线右移，但在UCE≥2V后曲线重合。
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(2)集电极最大允许功耗PCM。三极管工作时，应使集电极 功率损耗UCEIC≤PCM。若集电极功耗超过PCM，集电结的结温会 大大升高，严重时管子将被烧坏。
(3)反向击穿电压。U(BR)CEO为基极开路时，集电结不致击 穿而允许加在集—射极之间的最高电压；
第8章 半导体三极管及其基本放大电路
需要注意的是，当IB=0(基极开路)时，IC≠0，而是有一微小 电流值(硅管为μA级，锗管为mA级)，称为穿透电流，用ICEO表示。 工程计算时，常忽略ICEO，故可认为β≈β。
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8.1.3 三极管的伏安特性曲线 通常用三极管的各极电流与电压之间的关系曲线来描
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8.1.2 三极管的电流放大作用 三极管最重要的特性是其具有电流放大作用，但要使三极管工
作在放大状态，必须具备两个条件：一是必须以正确的连接方式将 三极管接在输入输出回路中，按公共端的不同，可连接成三种基本 组态(共发射极、共基极和共集电极)，如图8.3所示，不同的连接 方式，其特性存在较大差异；二是必须外加正确的直流偏置电压， 即发射结要正向偏置，集电结要反向偏置。图8.4所示电路为共发 射极电路，图中UCC＞UBB，三个电极的电位关系为UC＞UB＞UE。如果 使用PNP型管，应将基极电源和集电极电源的极性反过来，使得UC ＜UB＜UE，三个电流IB、IC和IE的方向也要反过来。