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三极管的主要特性是什么？放大的实质是什么？
三极管具有电流放大的特性。其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。基本放大电路是放大电路中最基本的结构，是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性，或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性，实现信号的放大。基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管组成的放大电路。从电路的角度来看，可以将基本放大电路看成一个双端口网络。放大的作用体现在如下方面：1．放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。2．输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。
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三极管在放大状态下有什么作用
09-06-04 &匿名提问
晶体三极管的电流放大作用晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将 ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。晶体三极管的三种工作状态截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管处放大状态。饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态，因此，电子维修人员在维修过程中，经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压，从而判别三极管的工作情况和工作状态。使用多用电表检测三极管三极管基极的判别：根据三极管的结构示意图，我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极，因此，在判别三极管的基极时，只要找出两个PN 结的公共极，即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R×1k挡，先用红表笔放在三极管的一只脚上，用黑表笔去碰三极管的另两只脚，如果两次全通，则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到，则红表笔换到三极管的另一个脚，再测两次；如还没找到，则红表笔再换一下，再测两次。如果还没找到，则改用黑表笔放在三极管的一个脚上，用红表笔去测两次看是否全通，若一次没成功再换。这样最多没量12次，总可以找到基极。三极管类型的判别：三极管只有两种类型，即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R×1k挡时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为P型材料，三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为N型材料，三极管即为PNP型。
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&&&&第 3 章 晶体三极管及其放大电路第 3 章 晶体三极管及其放大电路3.1 教学基本要求主 要 知 识 点晶体管三极管 晶体管的结构及其工作原理 电流分配与放大作用 晶体管的工作状态、伏安特性及主要参数 三极管放大电路 基础 放大电路的组成原则及工作原理 放大电路的主要技术指标、查阅电子器件相关数据资料 三极管放大电路的&&&& 分析方法 图解法 静态工作点估算法 微变等效电路法 三种组态基本放大电路比较 静态工作点的选择与稳定、基本电路设计 多极放大电路 放大电路的频率响 应 耦合方式及直接耦合电路的特殊问题 分析计算方法 频率响应的基本概念 频率响应的分析计算方法 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 教 学 基 本 要 求 熟练掌握 正确理解 √ 一般了解3.2 重点和难点一、重点 1．正确理解三极管的结构、电流分配、伏安特性和“放大”的实质。 2．三极管放大电路的图解法、小信号模型和放大电路的小信号模型分析方法。 3．放大电路中静态工作点的稳定问题。 二、难点 1．正确理解 npn 和 pnp 型三极管的组成及其工作原理。 2．三极管放大电路的小信号模型分析方法和工作点稳定问题。 3．基本放大电路的设计3.3 知识要点三极管的结构及类型 电流分配及电流放大作用 1．双极型三极管 共发射极特性、工作区域 主要参数 “放大”的概念 “放大”的概念及条件 三极管的内部条件 外部条件 放大电路的组成、各元器件的作用 2．共发射极放大电路 固定偏置共发射极放大电路的原理和工作波形 共发射极放大电路的三种工作状态与失真分析 分析方法与步骤15第 3 章 晶体三极管及其放大电路静态分析 3．共发射极放大电路的图解法 动态分析 失真与最大不失真输出电压 三极管的小信号模型 4．小信号模型分析法 h 参数的物理意义 共发射极放大电路的小信号模型分析方法 5．共发射极放大电路的工作点稳定问题 6．共发射极、共基极和共集电极放大电路的特点 阻容耦合方式 直接耦合方式 7．多级放大器 变压器耦合方式 光电耦合方式 多级放大器的分析 频率响应的基本概念 rc 低通电路的特性及波特图 8．放大电路的频率响应 rc 高通电路的特性及波特图 bjt 的高频小信号混合 π 型模型 单级阻容耦合放大电路的频率特性 多级放大电路的频率特性3.4 主要内容3.4.1 晶体三极管 3.4.1.1 晶体三极管的分类及结构 晶体三极管通常简称为三极管，也称为晶体管和半导体三极管。c 集电极 n 集电区b 基极c 集电极 p 集电区b 基极c b 集电结npn 管集电结ebce cp 基区 n 发射区发射结p基区n 发射结 b epnp管n np 发射区（a）e 发射极e 发射极（b） （c）（d）图3-1 三极管结构示意图及其符号（a） npn管结构示意图 （b） npn管芯结构剖面示意图 （c） pnp管结构示意图 （d）三极管符号三极管的结构示意图及其符号如图 3-1 所示。图 3-1a 所示为 npn 型三极管，图 3-1c 所示为 pnp 型三极管。三极管有三个区：基区、集电区和发射区；两个 pn 结：集电区和基区之间的 pn 称为集电结，基区和发射区之间的 pn 结称为发射结；三个电极：基极 b、集电极 c 和发射极 e。其 结构特点是发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大，基区掺杂 浓度远低于发射区且很薄。16第 3 章 晶体三极管及其放大电路3.4.1.2 三极管的工作原理 1. 三极管放大交流信号的外部条件 要使三极管正常放大交流信号，除了需要满足内部条件 外，还需要满足外部条件：发射结外加正向电压（正偏压） ， 集电结外加反向电压（反偏压） ，对于 npn 管， u be & 0 ，ibicci cni cbonrcbi bnp nu ccu bc & 0 ；对于 pnp 管， u be & 0 ， u bc & 0 。2. 晶体管内部载流子运动过程 ①发射区的电子向基区运动 如图 3-2 所示。由于发射结外加正向电压，多数载流子不 断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流 i en 。同时基区 的多子—空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流 i ep 。 ② 发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合rbu bbi ebi eniee图3-2 三极管内部载流子运动示意图当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，且基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散 过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合， ③ 集电区收集发射区扩散过来的电子 由于集电结加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的非平衡“少子” ，在电场力作用下，几乎 全部漂移过集电结，到达集电区，形成集电极电流 i cn 。同时，集电区“少子”和基区本身的“少 子” ，也向对方做漂移运动，形成反向饱和电流 i cbo 。 i cbo 是由“少子”形成的电流，称为集电结 反向饱和电流。 3. 三极管的电流分配关系 由图 3-2 可得i b = i bn
i cbo i c = i cn + i cbo i e = i en = i bn + i cn i e = ( i b + i cbo ) + ( i c
i cbo ) = i b + i c3.4.1.3 三极管的特性曲线及主要参数 1. 三极管的特性曲线 1）输入特性(3-1) (3-2) (3-3) (3-4)输入特性曲线是指在集射极电压 uce 为一定值时，输入基极电流 ib 与输入基射极电压 u be 之间 的关系曲线，如图 3-3a 所示，即ib = f (u be ) u2） 输出特性ce =常数(3-5)三极管输出特性是指当 ib 为定值时，集电极电流 ic 与集射极之间电压 uce 的关系曲线，即ic = f (uce ) i3.）工作区域b =常数(3-6)一般将输出特性分成三个区：放大区、饱和区和截止区 (1) 放大区17第 3 章 晶体三极管及其放大电路三极管工作在放大区时，其发射结正向偏置，集电结处于反向偏置， （2）饱和区 三 极 管 工 作 在 饱 和 区 时 i b / μau ce = 0 vic / mai cm4 放 3 2 大 区 b a cu ce = u beu ce & 1v ，此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 （3）截止区 当三极管工作在截止区时，发射结 反偏压或正偏压小于开启电压且集电结 反偏置， ib = 0 ， ic ≤ i ceo 很小。 2. 三极管的主要参数 共发射极直 流电流放大系数00.4 0.8饱和区u ce ≥ 1 v80 60 40过功耗区i b = 20μaube(a) (a) 输入特性1ib = 0u (br)ceo u / v ce0截止区8v(b)图3-3 三极管的特性曲线(b) 输出特性β =ic ib共发射极交流电流放大系数1．电流放大倍数共基极直流电流放大系数ic ib i α = c ie β= ie ib共集电极直流电流放大系数 γ = 2．极间反向电流集电极－基极之间的反向饱和电流 i cbo 集电极－发射极之间的穿透电流 i ceo 集电极最大允许电流 i cm3．极限参数集电极－发射极之间反向击穿电压 u (br) ceo 集电极最大允许功率损耗 pcm3.4.2 三极管放大电路的基本分析方法3.4.2.1 三极管放大电路的三种组态 三极管放大电路有三种组态：共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，如 图 3-4 所示。rbc1 t+ u cc + u cc+ u ccrcc2 c1rlrb rb1t c2 trcc2rl rsrsusuiuorsus(a)uire(b)uorlu o c1 r b2re(c)uius图3-4 放大电路的三种组态(a) 共发射极放大电路 (b) 共集电极放大电路 (c) 共基极放大电路3.4.2.2 共发射极放大电路的组成 1．放大电路组成原则18第 3 章 晶体三极管及其放大电路（1）晶体三极管工作在放大区，要求使管子的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置； （2）由于三极管的各极电压和电流均有直流分量( u i = 0 时)，也称为静态值或静态工作点，而被 放大的交流信号叠加在直流分量上，要使电路能不失真地放大交流信号，必须选择合适的静态值。 （3）要使放大电路能不失真地放大交流信号，放大器必须有合适的交流信号通路，以保证输入、 输出信号能有效、顺利地传输。 （4）放大电路必须满足一定的性能指标要求。 2. 基本放大电路中电压和电流的表示方法 由于放大电路中既有需要放大的交流信号 ui ，又有放大电路所需的直流偏置，所以三极管的各 极 电 压 和 电 流 中 都 是 直 流 分 量 与 交 流 分 量 共 存 ， 如 u be = u be + u be ， ib = i b + ib ，uce = u ce + u ce ， ic = i c + ic 等。3.4.2.3 共发射极放大电路的分析 一、 图解法的步骤 当放大器在大信号条件下工作时，难以用电路分析的方法对放大器进行分析，通常采用图解法 分析。 1) 画出放大器的直流通路和交流通路 当 ui = 0 时，放大电路处于静态，直流电路流经的通路称为放大电路的直流通路。画直流 通路时应令交流信号源为零(交流电压源短路，交流电流源开路)，保留其内阻；相关电容器开路， 电感短路。 当 ui ≠ 0 时，放大电路处于动态工作状 态，交流电流流经的通路称为放大器的交流 通路。画交流通路时，令直流电源为零(直流 电压源短路，直流电流源开路)，保留其内 阻；令电抗很小的大 容量电容和小电 感短 路；令电抗很大的小 容量电容和大电 感开 路；保留电抗不可忽略的电容或电感。 2) 由直流通路进行静态分析 在 ui = 0 时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态，对直流通路的分析 称为静态分析。其步骤为： （1）分析输入回路 给定晶体三极管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得 ib 和 ube 的方程，并在输 入特性上作出这条直线，它与晶体管输入特性相交于 q 点，求得对应的 ib 和 ube，如图 3-5a 所 示。 （2）分析输出回路 由直流通路得到直流负载线 ic ＝f（uce） ，并在晶体管的输出特性上作出这条直线，它与三极 管输出特性中与 ib 对应的点就是所求放大电路的静态工作点 q(ib ,uce，ic)，如图 3-5b 所示，则可 求得相应的 ic 和 uce 的值。这条直线的斜率为1 rc ，故称为直流负载线。0u be(a)i b / μau cc a rbic / ma1 rbmq2ibqicu be / vq80
1 rc 60 40i b = 20μaq1n00 u ce / vu ce(b)u cc图3-5 图解法分析静态工作点19第 3 章 晶体三极管及其放大电路3) 由交流通路进行动态分析 （1）先画出交流通路及交、直流负载线 直流负载线方程由 kvl 得ic ii(3-7)ib t ++u cc = i b rb + u be
u ce = u cc
i c rc 输出回路直流负载线方程，由 kvl 得/ uce = u ce + u ce = u ce
u ce ic = i c
ce 于是有 ′ ′ rl rlrsusu ce由上两式在图 3-7 中作出输入回路和输出回路的直流负载线。+ui-u beu o rl-rbrc-图3-6 共射极基本放大电路交流通路(3-8)从式(3-8)作出输出回路的交流负载线，可以看到，当 u ce = u ce 时， ic = i c ，这表明交流负载′ 线一定通过静态工作点 q；交流负载线的斜率为－1 rl 而不是－ 1 rc ，如图 3-7b 所示。应该指出，当 rl＝∞，即负载开路情况下，交直流负载线重合。i b / μa ib ibu cc rbi b / μaq1
1 rb qq2ic / maq11 / rl80 601
rc40i c / maicicibicu be 0 u be 0qq2u ceib = 20μa0t00 0u bemtu ce / vu beu cc u ce / v 0t(a)tu om(b)图3-7 图解法分析共射极放大器的工作波形(a) 输入信号及波形 (b) 输出信号及波形（2）由输入电压 ui 求得基极电流 ib （3）由 ib 确定 ic 和 u ce (u o ) (4) 放大电路的电压放大倍数等于输出电压相量与输入电压相量的比值，即& u & u au = & o = o ∠ a ui ui二、(3-9)微变等效电路法三极管工作于低频小信号时，bjt 可视为一个线性二端口网络，并采用线性网络的 h 参数表示三极管输入、输出电流和电压的关系，然后采用线性电路的分析方法分析三极管放大电路。这种 方法称为 h 参数等效电路分析法，又称为微变等效电路分析法。 1）微变等效电路法的分析步骤 a. 认识电路。包括电路中各元器件的作用、放大器的组态和直流偏置电路等，这是电子线路 读图的基础；20第 3 章 晶体三极管及其放大电路b. 正确画出放大器的交流、直流通路图； c. 在直流通路的基础上，求静态工作点； d. 在交流通路的基础上，画出小信号等效（如 h 参数）电路图； e. 根据定义计算电路的动态性能参数，其中关键在于用电路中的已知量表示定义式中的待求 量。 2) 估算法计算静态值 3）三极管的 h 参数等效模型 当 ui ≠ 0 且为低频小信号时，将三极管视为一个线性二端口网络，并采用线性网络的 h 参数 表示三极管输入、输出电流和电压的关系,三极管的微变等效电路可简化成图 3-8c 所示。icbb cibhiehfeibiccbibhiehfeibe (c)iccib ucee (a)ubeubehreuce1 hoeuce ube1 hoeucee (b)图3-8 三极管及其h参数等效模型(a)三极管视为二端口网络 (b)三极管的h参数等效模型 (c)三极管的简化h参数等效模型rbe 通常用以下经验值公式进行估算。 26 26 rbe = rbb / + (1 + β ) ≈ 200 + (1 + β ) ie ie4）画出放大电路的微变等效电路(3-10)值得注意的是， rbe 是三极管的交流参数，但它的值与静态工作点和温度等参数有关。在画放大电路的微变等效电路时，首先画出放大器的交流通路，然后用 h 参数等效电路来 代替三极管符号，即可得到如图 3-9b 所示的放大电路的微变等效电路。各电极交流电压和电流均 为同频率的正弦信号，且用相量表示。& iirs+ib+c b +ic+rl& ii+& ibi&1rb+bc& βi b& ic+rbubeuce-rs+rbercrce+rlus+ -ui--rcuo -ui -u bee（b）u ce -uo -use（a）-ri(a) 交流通路ro图3-9 共射极放大电路的微变等效电路(b) 微变等效电路5）放大电路动态性能参数的计算 （1）求电压放大倍数（电压增益） auau =& & ′ u o
β i b rl r′ = = β l & & ui i b rbe rbe(3-11)上式中的负号表明共发射极放大电路的输出电压 uo 与输入电压 ui 相位相反。21第 3 章 晶体三极管及其放大电路（2）求放大器的输入电阻 ri& & u u ri = & i = & i & = rb // rbe ≈ rbe i i i1 + i b(3) 求放大器的输出电阻 ro(3-12)由于微变等效 电路中存 在受控电 源，输出电 阻的 求法应采用外 加电压法 。令负载开路& （ rl = ∞ ）和信号源为零（ u s = 0 ，保留内阻）的情况下，在输出端外加一电压 u ，产生电流& i ，则可得输出电阻为ro =& u & iu s =0 rl = ∞= rce // rc ≈ rc(3-13)3.4.3 放大电路静态工作点的稳定3.4.3.1 温度对放大电路静态工作点的影响 固定偏置电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。当电源电压 u cc 和偏置电阻 rb 确 定后，基极电流 i b 就为某一常数。因此，当环境温度变化、电源电压波动或组件参数变化时，静 态工作点将不稳定，尤其是温度变化引起 q 点漂移。放大电路就可能进入非线性区，产生非线性 失真。 温度对晶体管参数的影响最终表现为使集电极电流增大。温度升高时，使得 iceo 增大，放大器 的静态工作点漂移进入饱和区，将产生饱和失真。 3.4.3.2 分压偏置式共发射极放大电路 图 3-10a 所示电路是分压偏置式共发射极放大电路。 1．认识电路，熟悉电路的组态、各元件 的作用等。该电路为共发射极放大电路， 其中 rb1 、 rb2 和 re 组成分压式射极偏置 稳 定工作 点电路 ； rc 为集 电极负 载；0.1k 15k+ u cc = +12v+ u ccrb12k trcc2rb1ic i1rcibc1c1 、 c 2 和 c e 分别为耦合电容和发射极旁路电容。 2．熟悉该电路稳定工作点的原理。 3．进行静态工作点的估算 合 理 选 择 电 路 参 数 ， 使 得β = 80rsuirb25k(a)ceuorl 2kubi2t uceubeus1krerb2re(b)ie图3-10 基极分压射极偏置电路(a)原理电路 (b)直流通路i1 ≈ i 2 && i b ，则有 u b ≈ i 2 rb2 = u cc
ic ≈ ie = rb2 = 3v rb1 + rb2， = ib =u b
u be = 2.3 ma reie ≈ 29 μa βu ce ≈ u cc
i c ( rc + re ) = 12
2.3 × ( 2 + 1) = 5.1 v可见，该电路的静态工作点设置在靠近饱和区一侧的放大区。 4．动态参数的计算22第 3 章 晶体三极管及其放大电路1）画出如图 3-11 所示的交流通路图和微变等效电路图。 & ic ii ib + ++& ib& i1& i2b +c& ic& βi brs+++rb1 rb2ubeuce- - rc re uo -rlrsrbee+rl+uiu beusui（a）-us -rb1rb2rc& ieuo---ri(a) 交流通路 (b) 微变等效电路（b）ro图3-11 分压式射极偏置电路的等效电路2） 求电压放大倍数& uo & & ，关键在于用电路中的已知量表示待求量 u o 和 u i 。 & ui 26 先计算 rbe = 200 + (1 + 80) = 1.115 k ie根据定义： au =再计算au =/
β rl 80 × 1 = = 72 rbe 1.1153）计算输入电阻 ri =4）计算输出电阻ui=iii1 + i 2 + i bui= rb1 // rb2 // rbe = 15 // 5 // 1.115 ≈ 0.86 kro =u= rce // rc ≈ rc = 2 ku s =0 r l =∞i5) 计算源电压增益 aus =& & &
uo uo ui ri 0.86 = & × & = au × = 72 × = 64.5 & us ui us ri + rs 0.86 + 0.16）若图 3-10a 所示电路中电容 c e 开路，则放大器参数将随之变化，此时u i = i b rbe + i e re = i b [rbe + (1 + β ) re ] au = ri = /
β rl 80 × 1 = = 0.97 rbe + (1 + β ) re 1.115 + 81 & ii& ib+ i & 1b +c& ic& βi bui= rb1 // rb2 //[rbe + (1 + β ) re ] ≈ 3.586 krs+& i2rbee+iiuiu bero =u= rce // rc ≈ rc = 2 ku s =0 r l =∞us -rb1rb2-rc& ierluo--reiriro图3-12 图3-10中 ce 开路时的等效电路3.4.4 共集电极和共基极放大电路3.4.4.1 共集电极放大电路23第 3 章 晶体三极管及其放大电路+ u ccrbc1t+ u ccrbttrsc2rsrbusuire(a)rluore(b)usuire(c)uorl图3-13 共集电极放大电路(a) 原理图 (b) 直流通路 (c) 交流通路共集电极放大电路如图 3-13 所示，由于输出量取自发射极，故也称射极输出器。由其交流通路来 看，信号从基极输入发射极输出，输入输 出公用集电极，故称为共集电极放大电 路。 3.4.4.2 共基极放大电路 共基极放大电路如图 3-14a 所示，其 输入信号由发射极输入，输出电压取自集 电极。由图 3-14a 的交流通路可见，输入 回路和输出回路共用基极，故称为共基 极放大电路。i1+ u ccrb1rccb 2 cerb1ubi1rc t+ u ccub ib tc b1 u be i2rsrlibu beuorb 2re(a)uiusrb2i2re(b)图3-14(a) 原理电路图共基极放大电路(b) 直流通路图表 3-1 放大电路三种组态的比较 共射极电路rbc1 t共集电极电路+ u cc共基极电路+ u ccrcrbc1t+ u ccc2 rlrb1c2rcc2rsusuiuotrsrluirerluouoc1 r b2reuius β ( rc // rl ) & au =
rbe& au =(1 + β ) re // rl rbe + (1 + β ) re // rlβ ( rc // rl ) & au = rbeu o 与 ui 反相& ai ≈ βu o 与 ui 同相& ai ≈ 1 + βu o 与 ui 同相& ai ≈ αri ≈ re // rbe 1+ βri = rb // rbe ro ≈ rc多级放大电路的中间级ri = rb //[rbe + (1 + β ) r'l ]ro = rbe + rs // rb // re 1+ βro ≈ rc高频或宽频带电路及恒流源电路输入级、中间级、输出级3.5 多级放大电路在实际工作中，加到放大电路输入端的信号往往都非常微弱,要将其放大到能推动负载工作的程 度,仅通过单级放大电路难以满足实际要求，必须通过多个单级放大电路级联,才可满足实际要求。24第 3 章 晶体三极管及其放大电路3.5.1 多级放大电路的级间耦合 1．多级放大电路的组成 多级放大电路的组成可用图 3-15 所示的框图来表示。 其中,输入级与中间级的主要作用是实现电压放大，输出级 的主要作用是功率放大,以推动负载工作。 2．多级放大电路的耦合方式 多级放大电路中，将前后级之间的连接方式称为耦合方式，常用的耦合方式有:阻容耦合、直 接耦合、变压器耦合。 1）阻容耦合 将放大器前后级之间通过电容连接的方式称为阻容耦合方式。 2）直接耦合 为了避免在信号传输过程中，耦合电容对缓慢变化的信号带来不良影响,也可以前后级之间直接 用导线连接起来,这种连接方式称为直接耦合。直接耦合放大电路的各级静态工作点相互影响，并 且还存在零点漂移现象，抑制零点漂移常用的方法是采用差分放大电路。 3）变压器耦合 放大器的前后级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦合。变压器耦合电路多用于低频放 大电路中， 变压器可以通过电磁感应进行交流信号的传输，并且可以进行阻抗匹配，以使负载得 到最大功率。由于变压器不能传输直流，故各级静态工作点互不影响，可分别计算和调整。 4）光电耦合 光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线 实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。 3.4.2 多级放大电路的分析和计算 1. 电压增益 多级放大电路的分析和计算与单级放大器的分析方法基本相同。对一个 n 级级联的放大信 号 源输 入 级 中 间 级 输 出 级负 载图3-15 多级放大器的组成框图& & & & 器，假设各级的电压放大系数分别为 au1
au3&&&&au n ，则总的电压放大系数为&&&&& au nu u u u & & & & =
on = au1 au2 au3
au n ui u i u i2 u i3 u inuo(3-13)在计算每级电压增益时，必须考虑前后级之间的影响，即前级放大器作为后级放大器的信号/ 源，后级放大器是前级放大器的负载，例如 r l1 = ri2 ， r l1 = rc1 // ri2 。2. 输入电阻和输出电阻 多级放大电路的输入电阻 ri 就是第一级放大电路的输入电阻；多级放大电路的输出电阻 ro 就 是末级放大电路的输出电阻。3.6 放大电路的频率响应3.6.1 频率响应基本概念 实际放大电路中，当输入信号的频率很低甚至接近零时，电容器的容抗不可以忽略。此外，三 极管以及场效应管的内部电容都将影响放大器的输出信号及其他性能，可见，放大器放大器的电压25第 3 章 晶体三极管及其放大电路增益是信号频率的函数。 在低频段，放大电路可以采用低频等效电路。耦合电容、旁路电容的容抗不可以忽略，应包括 在等效电路中；三极管内部电容、寄生电容、负载分布电容等小容量电容器的容抗较大可以视为开 路。所得等效电路的频率响应为放大器的低频响应。 在高频段采用高频等效电路，容量较大的耦合电容、旁路电容的容抗较小，可将其视为短路， 而三极管内部电容、寄生电容、负载分布电容等小容量电容器的容抗较小，其分流不可以忽略，应 包括在等效电路中。所得等效电路的频率响应为放大器的高频响应。 3.6.1.1 rc 低通电路的频率特性 1. rc 低通电路 rc 低通电路及其频率特性如图 3-16 所示，其电压传输系数数(传递函数)为auh =令1 / jω c1 1 1 = = f u i r1 + 1 / jω c1 1 + jω r1c1 1 + j fh 1 ωh = ，或 f h = 1 2πr1c1 r1c1 uo=(3-14)(3-15)1
au h = 1 + ( f / fh )2
arctan( f / f )
h h幅频特性(3-16)相频特性au / db0 －30.1 f hf h 10 f hfau / db 20 db/十倍频0 －30.1 f lf l 10 f lfr1－20+ uic1+uoc2－200 45o--0.1 f hf h 10 fhf+ ui+r1uo90o+ 20 db/ 十倍频-(a)45o 45 o /十倍频(a) 90o(b)0 45o /十倍频 (b)0.1 f l f l 10 f lf图3-16 rc低通电路(a) 低通电路 (b) 频率特性图3-17 高通电路频率特性(a)高通电路 (b)频率特性3.6.1.2 rc 高通电路及频率特性 rc 高通电路及其频率特性如图 3-17 所示，其电压传输系数为aul =uo=ui其中r2 = r 2 + 1 / jω c 21 f 1 j l f(3-17)ωl =1 1 ， 或 fl = 2πr2 c 2 r2 c2 幅频特性(3-18)1
1 + ( f l / f )2
= arctan( f / f ) l
l(3-19)相频特性26第 3 章 晶体三极管及其放大电路3.6.2 bjt 的高频小信号混合 π 型模型 1. bjt 的高频小信号模型 根据晶体管的放大原理及物理过程建立三极管的混合 π 型高频小信号模型, 其电流放大作用主 要表现在集电极输出电流 ic 受发射结有效输入电压 u b / e 的控制作用。在等效模型中，这种作用受 u b / e 控制的电流源表示, 即 i c = g mu b/ e 其中式中, g m 表示 u b / e 对 ic 的控制能力, 称为正向传输电导, 常称为跨导。g m 定义为 gm = fβ = ic u b/ e =u ceic u be(3-20)u ce1 ，称为共发射极截止频率。 2π
rb' e (c b' e + c b' c ) gm f t = β0 fβ = 称为三极管的特征频率。 2π (c b' e + c b' c )2.共发射极放大电路的高频响应 1)求密勒等效电容 在 π 型小信号模型中，将 c b / c 和 rb / c ,进行 单向化处理。根据密勒定理，可以用输入侧的 ′ cm 和输出侧的 cm 两个电容去分别代替 c b / c ， 但要求变换前后应保证相关电流不变。brbb′& ib+b′c& ic+rscb′c cb′e rb′ee(a)r' buiu b′e-usg m u b′ercuo r l-′ c m = (1 + g m rl )c b′c = (1
au )cb′c (3-21) & a 1 ′ cb′c ≈ c b′c cm = u (3-22) & aubrbb′ b′& ib+& ic cmc +rs+rb′ecb′e′ cmau =uou b/e-′ =
g m r l 为从基极到集电极的电压us-u b/ e放大倍数； cm 称为密勒电容。 2) 高频响应上限频率' 由图 3-44b(忽略了 rb = rb1 // rb 2 的影响) 可得 / 中频增益 a us m =
e(b)g m u be′ rluo-图3-18 高频段微变等效电路au aum0.707aum 低频段 中频段 高频段rb / e r s + rbb / + rb / e≈ β′ rl r s + rbebw0.7f 0 0
f h1 = 2πrc = 2π [( r + r / ) // r / ][c / + (1 + g r / )c / ] s m l
bb be be bc
f h2 = ≈ / / /
2πrl c m 2πrl c b / c ( 3-23) 考 虑到 c = cb′e + cm && c b / c 于 是 满足 f h1 && f h2 ， 因 此，取放大器的上限截止频率为 f h ≈ f h1 ，放大器的高频源27fh f90o180o 270oφ = 45oφ = 45o(b)图3-19 单级放大器及其频率特性第 3 章 晶体三极管及其放大电路电压增益为a ush ≈ a us m 1 1 + j( f f h1 ) rb / e r s + rbb / + rb /e
1 2πrc3) 放大器的带宽增益积为/ a us m f h = g m r l
(3-24)a us m f h 为带宽－增益积。可见，选定电路参数和三极管参数后 au0 f h 基本上是个常数，因此，放大器的低频电压增益与通频带存在矛盾。 3.6.3 单级阻容耦合放大电路的频率特性 图 3-46 所示是单级阻容耦合共射放大电路的频率特性，图 a 是幅频特性,图 b 是相频特性。1
f l1 = 2π ( r + r )c
l2 2π ( rc + rl )c 2
(3-25)考虑到 ( r s + rbe ) && ( r c + r l ) ，因此满足 f l1 && f l 2 ，因此，可取 f l1 作为下限截止频率。 由于 ce 接在发射极电路，流过它的电流 i e 是基极电流 i b 的 (1 + β ) 倍。 ce 的大小对电压放 大倍数的影响较大，因此， ce 是影响低频响应的主要因素。 3.6.4 多级放大器的频率响应 假设由两级完全相同的单级共射极 rc 耦合放大电路级联 构成一个两级放大器，其中，单级放大器的幅频特性如图 347a 所示，中频段电压增益为 aum1 = aum2 ，每级的上限频率aum1 0.707aum1 aum1 f 0 fl1& & au1 = au2f h1 = f h2 ，下限频率 f l1 = f l2 ，两级放大器的中频增益为 2 aum = aum1 aum2 = aum1 ，这时两级放大器的上、下限频率分别为 f h 和 f l ，而不是 f h1 和 f l1 ，因为在 f h1 和 f l1 处，两级放2 大 器 的 电 压 增 益 为 0.49 aum1 ， 如 图 3-47b 所 示 。 显 然 ，(a)fh1& auaum 0.707aumaum1 aum 2 = aumf h & f h1 ， f l & f l1 ， bw0.7 = f h
f l & bw1 = f h1
f l1 。也就是说，多级放大器级联后，总电压增益提高了，当通频带 变窄了，这是多级放大器的一个重要概念。0.49aumbw1 bw0.70 fl1 fl f fh fh1(b)3.7 典型例题分析答：图3-20 多级放大器频率特性[例 3-1] 试判断下列电路中，哪些可能放大交流信号，哪些不能放大交流信号，为什么 例 3-1 图 a 所示放大电路中，虽然选择 r1～r3 的值可以使 bjt 有合适的静态工作点，但输入 交流通路被电容器 c 3 短路，使 ui 不能正常施加到 bjt 的 be 结上，因此不能正常放大交流信号。 例 3-1 图 b 所示放大电路中，bjt 的 be 结上得不到合适的静态工作点，因此不能正常放大交流 信号。28第 3 章 晶体三极管及其放大电路+ u cc+ u ccr1c1r2t++c2r2c1r1+ u cc+r1(b)+c2c1r2tt++c2+ c3(a)r3r3 +c3(c)r3+ c3+ u ccr1c1r2tr1++c2r3t+ u ccc1+r2+ +c2c4+r1r3t+ u ccc1+c2+ c3r2(f)r3 c3(d)rlr4(e)c3 r4 +例3－1 图例 3-1 图 c 所示放大电路中，直流电源的极性不符合 pnp 三极管直流偏置的要求，正确接法应 该为
u cc ，因此不能正常放大交流信号。 例 3-1 图 d 所示放大电路中，虽然选择 r1～r3 的值可以使 bjt 又合适的静态工作点，但输出交 流通路被电容器 c 3 短路，使 u ce 不能正常施加到负载 rl 上，因此不能正常放大交流信号。 例 3-1 图 e 所示放大电路中，选择 r1～r4 的值可以使 bjt 又合适的静态工作点，同时又具备了 正常的交流输入、输出回路，因此具备了放大交流信号的条件。 例 3-1 图 f 所示放大电路中，虽然选择 r1～r4 的值可以使 bjt 又合适的静态工作点，但输入交 流通路被电容器 c 4 短路，使 ui 不能正常施加到 bjt 的 be 结上，因此不能正常放大交流信号。 [例 3-2] 电路如例 3-2 图所示，若三极管的 β＝100， rbb / = 300 ，ucc＝10v，试求：①静态工作& & & & & & 点；②电压放大倍数 au1 = u o1 u i 和 au2 = u o2 u i ；③输入电阻 ri 和输出电阻 ro。解：①由估算法ub ≈rb2 15 u cc = × 10 ≈ 4.3 v rb1 + rb2 20 + 15 u
0.7 ic ≈ ie = b = = 1.8 ma re 2 i 1.8 ib = c = = 18 μa β 100u ce ≈ u cc
i c ( rc + re ) = 10
1.8 × (2 + 2) = 2.8 v② 晶体三极管的输入电阻为rbe = 300 + (1 + β )26 26 ≈ 300 + (1 + 100) × = 1.76 kω ie 1.829第 3 章 晶体三极管及其放大电路例 3-2 图所示放大电路中，图 a 的输出电压取自集电极，即 uo1，为共发射极电路；输出电压 uo2 取自发射极，为共集电极电路。则由图 b 所示微变等效电路可得rb120 krc2k+ u ccc1+ c2 + +& ib+ +bc& ic& βi b+u o1+rs+rbee& ie+rlrs2k+u beui r b-u berb215 k+ c3 2krcu o1us-+ui-re uo2 -us-+ ro1reu o2ro2（b）ri例3-2图(b) 微变等效电路（a）(a) 原理电路图& & & u
i c rc βi b rc βrc & au1 = o1 = = = & i i b rbe + i e re i b rbe + (1 + β ) i b re & & & & u rbe + (1 + β ) re 100 × 2 = 0.98 1.76 + (1 + 100) × 2 & & & u i r (1 + β ) i b re (1 + β ) re & au 2 = &o 2 = & e e& = & & r = r + (1 + β ) r ui i b rbe + i e re i b rbe + (1 + β ) i b e be e = = (1 + 100) × 2 = 0.98 1.76 + (1 + 100) × 2由上两式可以看出， u o1 = ui ， u o 2 = ui ，故此电路是将单路信号转换成大小近似相等相位相反 的两个信号输出，故称为分相电路。 ③输入、输出电阻分别为ri = rb //[rbe + (1 + β ) re ] = 20 // 15 //[1.76 + (1 + 100) × 2] ≈ 8.2 kω式中 rb = rb1 // rb2 由集电极输出时，输出电阻为ro1 ≈ rc = 2 kω由发射极输出时，输出电阻为ro = re //rs // rb1 // rb2 + rbe 2 // 20 //15 + 1.76 = 2 // ≈ 33 ω (1 + β ) 1 + 100r1c b1rs[ 例 3-3] 如 例 3-3 图 所 示 放 大 电 路 ， 已 知 电 源 电 压u cc = +18 v ， r1 = 56 kω ， r2 = 16 kω ， r3 = 6 kω ， rs = 0.3 kω ， rl = 12 kω ， c b1 = cb 2 = 10 μf ， ce = 30 μf ，三极管的 rbb / = 100 ， u be = u ces = 0.7 v ， f t = 150 mhz 。1） 试计算静态工作点；30r3t+ u cccb2rluiuor2usr3ce例3-3图第 3 章 晶体三极管及其放大电路2） 画出微变等效电路图； 3） 计算 ri 、 ro 、 au 和 aus ； 4） 求放大器的最大不失真输出电压幅度 u om(max) ； 5） 信号在放大过程中，首先出现何种失真如何消除 解：1）计算静态工作点 i b 、 i c 和 u ce 。 由例 3-3 图所示电路 u b = u cc r2 =4v r1 + r2ic ≈ ie =i u b
0.7 = = 1 ma ， i b = c = 10 μa r4 3.3 k β & ib+ b +u ce ≈ u cc
i cq ( r3 + r4 ) = 8.7 v rbe = 100 + (1 + β ) 26 = 2.7 k iers+c& βi b& ic+rbe r3erl2）画出例 3-3 图所示电路的微变等效电路图。 3）由例 3-3 图所示电路的微变等效电路得ui-u beuo-us-r1 r2 ri-ri = r1 // r2 // rbe = 2.2 kωro ≈ r3 = 6 kω
β ( r3 // r l ) au = = 148 rbe
β ( r3 // r l ) ri ri aus = u s
= 133 ri + rs rbe ri + rs4）为求放大器的最大不失真输出电压幅度 u om(max) ，先画 出放大器的交流、直流负载线。由图可见，放大器的最大不失真 输 出 电 压 幅 度 u om(max) 由 交 流 负 载 线 确 定 ， 根 据u om(max) = min{u cem 1 , u cem 2 }ro例3-3图 微变等效电路ic / ma 1 / rl2 10q8.7 12 18/ i cq rluce / v例3-3图 直流、交流负载线， ，取 即rb1151 kω′ u cem1 ≤ i c rl′ u om(max) = i c rl = 1 ma × 4 kω = 4 v 。5 ） 信 号 在 放 大 过 程 中 ， 由 于cb1c1 4 .2 kωrrb21cb2 t122μ150 kω+ 15v+ u ccu b1′ u cem 2 = u ce
u ces & i c rl ，若输入信号幅度足够大且不失真，首先出现信号顶部失真，即 截止失真。为了消除截止失真应适当加大 i b ， 从而增大 i c ，可以通过减小 r1 ，或增大 r2 ， 或减小 r3 等方法，消除上述截止失真。 [例 3-4] 共射-共集两级阻容耦合放大电路如 例 3-4a 图所示。已知三极管 t1 、 t2 的 β1 =β2 = 50， u be = 0.7v。 (1) 求电路的输入电阻 ri 和输出电阻 ro ； (2) 若只有 t1 组成的单级放大器， rl 接在第31rs50 ω2 2μa51 ωt2ce22 2μui rb121 2 kω/ re1ce1 uo1100μusre11 kωre23 .3 kωrl5.1 kωuoo(a)& i b1rs+++ -t1& i c1 & βi b1u be1rbe1+rbe2& i b2t2β i b2uiusrb-& i e1rc1u o1-r/ e1rb21-re2uorlrir（b）/ l1ro图3-4 rc耦合共射—共集放大器第 3 章 晶体三极管及其放大电路一级输出端 a、o 点之间，求第一级电压增益。 (3) 当 rl 按图所示连接在第二级输出端时，试计算电路总的电压增益。 解：这是一个两级放大器，第一级为共射极放大器，第二级为共集电极放大器。 1) 先求该电路的静态工作点和 rbe1 ，再求输入电阻 ri 和输出电阻 ro 。u b1 = u cc rb12 = 2.86 v rb11 + rb12 u
u be1 2.86
0.7 = ≈ 2 ma i e1 = b1 / 0.051 + 1 re1 + re1/ u ce1 ≈ u cc
i c1 ( rc1 + re1 + re1 ) = 15
2 × 5.251 ≈ 4.5v u cc
0.7 i b2 = = = 45 μa r b21 + (1 + β ) re2 150 + 51× 3.3i e2 = 50 × 45 μa ≈ 2.3 ma 26 rbe1 = 200 + (1 + 50) = 863 ω 2 26 rbe2 = 200 + (1 + 50) = 776 ω 2.3 / ri = rb11 // rb12 //[rbe1 + (1 + β ) re1 ] = 51 // 12 //[0.863 + (1 + 50) × 0.051] = 2.55 k r +r 4.2 + 0.776 ≈ 95 ω ro ≈ re2 // c1 be2 ≈ 3.3 // 1+ β 1 + 502) 由 t1 组成单级放大器， rl 接到 ao 端时的电压放大系数au = β rl1 50 × (4.2 // 5.1) = = 33.25 / 0.863 + (1 + 50) × 0.051 rbe1 + (1 + β ) re3) rl 接在第二级输出端时ri 2 = rb21 //[ rbe2 + (1 + β )( rl // re2 )] = 150 //[0.776 + (1 + 50)(5.1 // 3.3)] = 61 k/ rl1 = rc1 // ri2 = 4.2 // 61 = 3.93 kau1 =
au2 =/ β rl1 50 × 3.93 = = 56.72 / rbe1 + (1 + β ) re 0.863 + (1 + 50) × 0.051/ β rl 50 × 2 = ≈ 0.99 / rbe2 + (1 + β ) rl 0.776 + (1 + 50) × 2au = au1 au2 = 56.72 × 0.99 = 56.15/ 由此可见，接入 t2 组成的共集电极放大器，使前级放大器负载 rl1 增大，从而使电压放大系数增大，尽管 t2 组成的共集电极放大器的电压放大系数&1，但在相同负载 rl 的条件下，两级放大器的 总电压放大系数比单级共射极放大器的电压放大系数大。 [ 例 3-5] 试 设 计 一 阻 容 耦 合 单 级 晶 体 三 极 管 放 大 器 。 已 知 u cc = +12 v ， rl = 3 k ，rs = 300
，性能要求： au = 50 ， ri & 1 k ， rl = 3 k ， f l & 100 hz ， f h & 100 khz ，且电路的稳定性好。 解：(1)选择电路方案。考虑到要求电路的稳定性好，采用分压式射极偏置共射极放大电路。由 于 要 求 f h & 100 khz ， 因 此 选 用 高 频 小 功 率 管 s9013 ， 其 参 数 为 i cm = 20 ma ，32第 3 章 晶体三极管及其放大电路u (br)ceo ≥ 20 v ， f t ≥ 150 mhz 。通常要求 β & au ，故选 β ≥ 60 。(2) 设置静态工作点 由于是小信号电压放大器，按照分压偏置式共发射极放大 电 路 静 态 工 作 点 的 设 置 方 法 ， 电 路 如 例 3-5 图 所 示 。 取50 k+ u ccc 1.5 krb1r1 56 k 1 c1 u b ≈ u cc = 3 v ， 且 要 求 ri ( ri ≈ rbe ) & 1 k ， 由 4 t rl rs uo 26 ce ui rb2 rbe = 200 + (1 + β ) ，得到 3 k re ie 24 k us 1 .5 k 26 β = 1.95 ma ，取 i c = 1.5 ma ic ≈ ie & 例3-5 图
rbe = 200 + (1 + β ) = 1257 ω & 1000 ω ， 1.5 u
u be 则 re ≈ b = 1.53 k ，取标称值电阻： re = 1.5 k ie ub 3 × 60 β= = 24 k rb2 = 5 × 1.5 (5 ~ 10) i c u ub rb1 = cc rb2 = 72 k ，为了调整工作点得方便，取 rp = 50 k 电位器与 r1 = 56 k ub{rprc2固定电阻串连组成 rb1 。au rbe = 0.838 k β r/ r 0.838 × 3 rc = l l / = = 1.16k ，取标称值电阻 rc = 1.2 k rl
0.838/ rl ≈由于 ( r s + rbe ) & ( r c + r l )c1 ≥ (3 ~ 10)1 = 10.2 μf ，取标称值电容 c1 = c 2 = 33μf 2πf l ( rs + rbe ) 1 c e ≥ (1 ~ 3) ≈ 127 μf ，取标称值电容 c e = 220 μf 。 rs + rbe 2πf h ( re // ) 1+ β工程应用中，耦合电容和旁路电容可以根据经验或参考其它电路酌情选用合适得值。在低频范 围内，可选择 c1 = c 2 = 10 ~ 33 μf ， c e = 50 ~ 220 μf 。 得 f l = f l1 = 115 h z33