第四章 双极结型三极管及放大电路基础 姚恒 hyao@usst.edu.cn.

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1 第四章 双极结型三极管及放大电路基础 姚恒

2 4 双极结型三极管及放大电路基础 4.1 半导体三极管 4.2 共射极放大电路的工作原理 4.3 放大电路的分析方法
4.1 半导体三极管 4.2 共射极放大电路的工作原理 4.3 放大电路的分析方法 4.4 放大电路静态工作点的稳定问题 4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路 4.6* 组合放大电路 4.7* 放大电路的频率响应

3 引言 双极结型三极管 – Bipolar Junction Transistor，简称BJT 三端器件，内部含有两个PN结
放大电路重要组成之一 放大功能：微弱信号无失真放大

4 4.1 半导体三极管 4.1.1 BJT的结构简介 4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 4.1.3 BJT的V－I特性曲线
4.1 半导体三极管 BJT的结构简介 放大状态下BJT的工作原理 BJT的V－I特性曲线 BJT的主要参数

5 BJT的结构简介 (a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管

6 4.1.1 BJT的结构简介 半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。 (a) NPN型管结构示意图
(b) PNP型管结构示意图 (c) NPN管的电路符号 (d) PNP管的电路符号

7 4.1.1 BJT的结构简介 非对称结构 BJT结构特点： 1 基区很薄且掺杂浓度低 2 发射区和集电区同类型杂质半导体
3 发射区浓度远高于集电区，集电区面积远大于发射区 非对称结构

8 BJT的结构简介 集成电路中典型NPN型BJT的截面图

9 4.1.2 放大状态下BJT的工作原理 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏
集电结反偏 由于三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。 1. 内部载流子的传输过程 放大状态下BJT中载流子的传输过程 发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子 （以NPN为例） IE=IB+ IC IC= ICN+ ICBO

10 2. 电流分配关系 根据传输过程可知 IE=IB+ IC IC= ICN+ ICBO 通常 IC >> ICBO
 为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般  = 0.90.99 。 放大状态下BJT中载流子的传输过程

11 2. 电流分配关系 根据 IE=IB+ IC IC= ICN+ ICBO 且令 ICEO= (1+  ) ICBO （穿透电流）
 是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般  >> 1 。

12 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；
3. 三极管的三种组态 BJT的三种组态 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示； 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。

13 4. 放大作用 若 vI = 20mV 使 iE = -1 mA， 当  = 0.98 时， 则
共基极放大电路 若 vI = 20mV 使 iE = -1 mA， 当  = 0.98 时， 则 iC =  iE = mA， vO = -iC• RL = 0.98 V， 电压放大倍数

14 综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。
实现这一传输过程的两个条件是： （1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。 （2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。

15 4.1.3 BJT的V-I 特性曲线 1. 输入特性曲线 iB=f(vBE) vCE=const
（以共射极放大电路为例） iB=f(vBE) vCE=const (1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。 (2) 当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。 共射极连接

16 4.1.3 BJT的V-I 特性曲线 2. 输出特性曲线 iC=f(vCE) iB=const 输出特性曲线的三个区域:
饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。 放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。

17 4.1.4 BJT的主要参数 1. 电流放大系数 (1) 共发射极直流电流放大系数 (2) 共发射极交流电流放大系数
=（IC－ICEO）/IB≈IC / IB  vCE=const (2) 共发射极交流电流放大系数  =IC/IBvCE=const 与iC的关系曲线

18 4.1.4 BJT的主要参数 (3) 共基极直流电流放大系数 (4) 共基极交流电流放大系数α 1. 电流放大系数
=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE (4) 共基极交流电流放大系数α α=IC/IEvCB=const 当ICBO和ICEO很小时， ≈、 ≈，可以不加区分。

19 BJT的主要参数 2. 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

20 BJT的主要参数 2. 极间反向电流 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+ ）ICBO

21 BJT的主要参数 3. 极限参数 (1) 集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗PCM PCM= ICVCE

22 4.1.4 BJT的主要参数 3. 极限参数 (3) 反向击穿电压  V(BR)CBO——发射极开路时的集电结反 向击穿电压。
 V(BR) EBO——集电极开路时发射结的反 向击穿电压。  V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。 几个击穿电压有如下关系 V(BR)CBO＞V(BR)CEO＞V(BR) EBO

23 4.1.5 温度对BJT参数及特性的影响 1. 温度对BJT参数的影响 (1) 温度对ICBO的影响 温度每升高10℃，ICBO约增加一倍。
(2) 温度对 的影响 温度每升高1℃，  值约增大0.5%~1%。 (3) 温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响 温度升高时，V(BR)CBO和V(BR)CEO都会有所提高。 2. 温度对BJT特性曲线的影响

24 4.2 共射极放大电路的工作原理 基本共射极放大电路的组成 基本共射极放大电路

25 4.2.2 基本共射极放大电路的工作原理 1. 静态(直流工作状态) 输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。
基本共射极放大电路的工作原理 1. 静态(直流工作状态) 输入信号vi＝0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。 直流通路 VCEQ=VCC－ICQRc

26 基本共射极放大电路的工作原理 2. 动态 输入正弦信号vs后，电路将处在动态工作情况。此时，BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。 交流通路

27 4.3 放大电路的分析方法 4.3.1 图解分析法 4.3.2 小信号模型分析法 1. 静态工作点的图解分析 2. 动态工作情况的图解分析
4.3 放大电路的分析方法 图解分析法 1. 静态工作点的图解分析 2. 动态工作情况的图解分析 3. 非线性失真的图解分析 4. 图解分析法的适用范围 小信号模型分析法 1. BJT的H参数及小信号模型 2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 3. 小信号模型分析法的适用范围

28 图解分析法 1. 静态工作点的图解分析 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。 共射极放大电路

29 4.3.1 图解分析法 1. 静态工作点的图解分析  首先，画出直流通路  列输入回路方程  列输出回路方程（直流负载线）
图解分析法 直流通路 1. 静态工作点的图解分析  首先，画出直流通路  列输入回路方程  列输出回路方程（直流负载线） VCE=VCC－iCRc

30  在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。
 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。

31 2. 动态工作情况的图解分析  根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的波形

32 2. 动态工作情况的图解分析  根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE 的波形

33 2. 动态工作情况的图解分析  共射极放大电路中的电压、电流波形

34 3. 静态工作点对波形失真的影响 截止失真的波形

35 3. 静态工作点对波形失真的影响 饱和失真的波形

36 4. 图解分析法的适用范围 幅度较大而工作频率不太高的情况 优点： 直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。 缺点： 不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。

37 P123-P125 例4.3.1 分析该电路与之前电路区别 交流信号源与直流供给处于不同回路中 电容 单个直流源

38 P123-P125 例4.3.1 直流分析 交流分析

39 P123-P125 例4.3.1 图解分析 列出交流通路的KVL方程 vce=-ic（Rc//RL) 又由于： vCE= vce+ VCEQ iC= ic+ ICQ

40 书后习题 4.3.5

41 书后习题 4.3.5

42 4.3.2 小信号模型分析法 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 1. BJT的H参数及小信号模型
小信号模型分析法 1. BJT的H参数及小信号模型 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。 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。

43 vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce 1. BJT的H参数及小信号模型  H参数的引出
iB=f(vBE) vCE=const iC=f(vCE) iB=const 可以写成： 在小信号情况下，对上两式取全微分得 用小信号交流分量表示 vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce

44 vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce 1. BJT的H参数及小信号模型  H参数的引出 其中：
输出端交流短路时的输入电阻； 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数； 输入端交流开路时的反向电压传输比； 输入端交流开路时的输出电导。 四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。

45 vbe= hieib+ hrevce ic= hfeib+ hoevce 1. BJT的H参数及小信号模型  H参数小信号模型 根据
可得小信号模型 BJT的H参数模型

46 1. BJT的H参数及小信号模型  H参数小信号模型 受控电流源hfeib ，反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用。电流源的流向由ib的流向决定。 hrevce是一个受控电压源。反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响。  H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。  H参数与工作点有关，在放大区基本不变。  H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。

47 1. BJT的H参数及小信号模型  模型的简化 BJT在共射连接时，其H参数的数量级一般为 hre和hoe都很小，常忽略它们的影响。

48 1. BJT的H参数及小信号模型  H参数的确定  一般用测试仪测出； rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。 一般也用公式估算 rbe
（忽略 r’e ） rbe= rbb’ + (1+  ) re 非常重要 其中对于低频小功率管 rbb’≈200 而 (T=300K) 则

49 该电路虽然不实用 但是输入输出回路比较直观
小信号模型分析法 2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 （1）利用直流通路求Q点 共射极放大电路 顺便求出IE=(1+β)IB 为之后求rbe做准备 该电路虽然不实用 但是输入输出回路比较直观 一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V， 已知。

50 2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路
（2）画小信号等效电路 H参数小信号等效电路

51 2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路
（3）求放大电路动态指标 H参数小信号等效电路 电压增益 根据 则电压增益为

52 2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路
（3）求放大电路动态指标 输入电阻 输出电阻 令 Ro = Rc 所以

53 4.3.2 小信号模型分析法 3. 小信号模型分析法的适用范围
小信号模型分析法 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－I特性曲线的线性范围（即放大区）内。H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。 优点： 分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)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。

54 小信号模型分析法 例题 P 求以下电路性能指标（分别考虑RL连接与开路情况）

55 小信号模型分析法 例题 P 求以下电路性能指标（分别考虑RL连接与开路情况）

56 例题 放大电路如图所示。已知BJT的 ß=80， Rb=300k ， Rc=2k， VCC= +12V，求：
（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？ （2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降） 解：（1） 共射极放大电路 静态工作点为Q（40A，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。 （2）当Rb=100k时， VCE不可能为负值， 其最小值也只能为0，即IC的最大电流为： 此时，Q（120uA，6mA，0V）， ，所以BJT工作在饱和区。

57 4.4 放大电路静态工作点的稳定问题 4.4.1 温度对静态工作点的影响 4.4.2 射极偏置电路 1. 基极分压式射极偏置电路
4.4 放大电路静态工作点的稳定问题 温度对静态工作点的影响 射极偏置电路 1. 基极分压式射极偏置电路 2. 含有双电源的射极偏置电路 3. 含有恒流源的射极偏置电路

58 温度对静态工作点的影响 4.1.6节讨论过，温度上升时，BJT的反向电流ICBO、ICEO及电流放大系数或都会增大，而发射结正向压降VBE会减小。这些参数随温度的变化，都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加（ICQ=  IBQ+ ICEO） ，从而使Q点随温度变化。 要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流IBQ 。

59 4.4.2 射极偏置电路 1. 基极分压式射极偏置电路 IC T   IC  IE  VE、VB不变  VBE 
射极偏置电路 1. 基极分压式射极偏置电路 （1）稳定工作点原理 目标：温度变化时，使IC维持恒定。 如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。 (a) 原理电路 (b) 直流通路 稳定原理： IC T   IC  IE  VE、VB不变  VBE   IB （反馈控制）

60 1. 基极分压式射极偏置电路 I1 >>IBQ ， VBQ >>VBEQ （1）稳定工作点原理
此时， VBQ与温度无关 Re取值越大，反馈控制作用越强 一般取 I1 =(5~10)IBQ ， VBQ =3~5V

61 1. 基极分压式射极偏置电路 （2）放大电路指标分析 ①静态工作点

62 （2）放大电路指标分析 ②电压增益 <A>画小信号等效电路

63 （2）放大电路指标分析 ②电压增益 <A>画小信号等效电路 <B>确定模型参数 已知，求rbe
<C>增益 输出回路： 输入回路： 电压增益： （可作为公式用）

64 （2）放大电路指标分析 ③输入电阻 则输入电阻 放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻

65 （2）放大电路指标分析 ④输出电阻 此处只需记住结论即可 求输出电阻的等效电路 网络内独立源置零 负载开路 输出端口加测试电压 其中 则
当 时， 一般 （ ） 此处只需记住结论即可

66 变化 （非常重要） P136 第二段 基极分压式射极偏置电路能够克服温度带来的影响，但是电压增益明显下降 为了克服这个问题，在射极偏置电阻Re两端并上一个大电容，该电容也叫旁路电容。交流的时候可以使Re短路，但是直流的时候旁路电容相当于开路忽略不计， Re仍然在电路中参与计算 所以接入旁路电容后放大电路增益： 分母变大

67 射极接旁路电容的基极分压式射极偏置共射放大电路
直流通路 计算方法和不接电容一样 电路图

68 射极接旁路电容的基极分压式射极偏置共射放大电路
电路图 交流通路 射极电阻被短路

69 至此共射放大电路介绍完毕(掌握两个电路）
基本共射放大电路 基极分压式射极偏置共射放大电路 （基极分压电阻，射极多接一个电阻） 注意：旁路电容（射极并一个电容） 分析方法： Step1：直流分析 Step2：交流小信号模型分析

70 4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路 共集电极放大电路 共基极放大电路 放大电路三种组态的比较

71 集电极交流接地，所以叫共集电路 4.5.1 共集电极放大电路 补充知识: 如何判断共XX电路类型？ 经验方法：谁交流接地就是共谁电路
共集电极放大电路 共集电极电路结构如图示 该电路也称为射极输出器 补充知识: 如何判断共XX电路类型？ 经验方法：谁交流接地就是共谁电路 集电极交流接地，所以叫共集电路

72 共集电极放大电路 共集电极电路结构如图示 该电路也称为射极输出器 1.静态分析 由 直流通路 得

73 共集电极放大电路 2.动态分析 ①小信号等效电路 交流通路

74 4.5.1 共集电极放大电路 2.动态分析 ②电压增益 输入回路： 输出回路： 电压增益： 一般 ，则电压增益接近于1， 即 。 电压跟随器
共集电极放大电路 2.动态分析 ②电压增益 输入回路： 其中 输出回路： 电压增益： 一般 ，则电压增益接近于1， 即 。 电压跟随器

75 共集电极放大电路 2.动态分析 ③输入电阻 当 ， 时， 输入电阻大

76 共集电极放大电路 2.动态分析 ④输出电阻 由电路列出方程 其中 则输出电阻 当 ， 时， 输出电阻小

77 4.5.1 共集电极放大电路 共集电极电路特点： ◆ 电压增益小于1但接近于1， ◆ 输入电阻大，对电压信号源衰减小
共集电极放大电路 。 共集电极电路特点： ◆ 电压增益小于1但接近于1， ◆ 输入电阻大，对电压信号源衰减小 ◆ 输出电阻小，带负载能力强

78 共基极放大电路 交流时基极接地 1.静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同 实际还应计算VBCQ

79 2.动态指标 小信号等效电路 交流通路 ①电压增益 输入回路： 输出回路： 电压增益：

80 2.动态指标 小信号等效电路 ② 输入电阻 ③ 输出电阻

81 4.5.3 放大电路三种组态的比较 1.三种组态的判别 以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极输出——共射极放大电路
放大电路三种组态的比较 1.三种组态的判别 以输入、输出信号的位置为判断依据： 信号由基极输入，集电极输出——共射极放大电路 信号由基极输入，发射极输出——共集电极放大电路 信号由发射极输入，集电极输出——共基极电路

82 2.三种组态的比较

83 4.5.3 放大电路三种组态的比较 3.三种组态的特点及用途 共射极放大电路：
放大电路三种组态的比较 3.三种组态的特点及用途 共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。 共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。 共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。

84 4.6 组合放大电路 共射—共基放大电路 共集—共集放大电路

85 共集—共集放大电路 (a) 原理图 (b)交流通路 T1、T2构成复合管，可等效为一个NPN管

86 4.6.2 共集—共集放大电路 1. 复合管的主要特性 rbe＝rbe1＋(1＋1)rbe2 两只PNP型BJT组成的复合管
共集—共集放大电路 1. 复合管的主要特性 两只NPN型BJT组成的复合管 两只PNP型BJT组成的复合管 rbe＝rbe1＋(1＋1)rbe2

87 4.6.2 共集—共集放大电路 1. 复合管的主要特性 rbe＝rbe1 PNP与NPN型BJT组成的复合管
共集—共集放大电路 1. 复合管的主要特性 NPN与PNP型BJT组成的复合管 PNP与NPN型BJT组成的复合管 rbe＝rbe1

88 4.6.2 共集—共集放大电路 2. 共集共集放大电路的Av、 Ri 、Ro 式中 ≈12 rbe＝rbe1＋(1＋1)rbe2
共集—共集放大电路 2. 共集共集放大电路的Av、 Ri 、Ro 式中 ≈12 rbe＝rbe1＋(1＋1)rbe2 RL＝Re||RL Ri＝Rb||[rbe＋(1＋)RL]