三极管

第5章 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。 5.1 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。 5.1.1 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。 （a） (b) 图5-1 两类三极管的结构示意图及符号 5.1.2 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及三极管的集电极C、发射极E组成集电极——发射极回路（称作输出回路），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 (μA) 0 20 40 60 80 100 IC (mA) 0.005 0.99 2.08 3.17 4.26 5.40 IE (mA) 0.005 10.01 2.12 3.23 4.34 5.50 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： ，　 IB的微小变化会引起IC较大的变化，计算可得： 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。 、β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。 5.1.3 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。 （5-1） 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VBE =（0.6~0.7）V；锗晶体管的死区电压VT约为0.2V，导通电压约（0.2~0.3）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VCE >1V以后，输入特性几乎与VCE=1V时的特性重合，因为VCE >1V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VCE≥1V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: （5-2） 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，VBE≤0发射结反偏或零偏，即VC>VE≧VB。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区。当VCEVC>VE。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： （5-3） 基极临界饱和电流：　 （5-4） 当集电极电流IC>ICS时，认为管子已处于饱和状态。ICVB>VE。 其特点是IC的大小受IB的控制，△IC=β△IB，晶体管具有电流放大作用。在放大区β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？ (a) (b) 图5-5 例5-1 解： 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VC>VB> VE ，PNP型晶体管应满足VCVz> Vy,，所以x为集电极，y为发射极，z为基极，满足VC>VB> 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VzICS，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:： 因为IC ƒβ)时的β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

路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理

上的估算，一般都按温度每升高10０C，ICBO增大一倍来考虑。 (2)温度对β的影响：温度升高时β随之增大。实验表明，对于不同类型的管子β随温 度增长的情况是不同的，一般认为：以250C时测得的β值为基数，温度每升高10C，β增加 约（0.5~1）%。 (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2~2.5mV。 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。 5.1.5 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，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；当输入端A为低电平0时，晶体管T截止，使集电极输出的电位VF = VCC，即输出端F为高电平1。 可见非门电路的输出与输入状态相反，所以非门电路也称为反相 器。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“ˉ”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 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0出1，见1出0”。 以上是晶体管开关作用具体应用的一个实例。 5.2 绝缘栅型场效应晶体管 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109Ω—1015Ω，而晶体三极管的输入电阻仅有102Ω—104Ω），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。 5.1.1 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Ｎ沟道增强型绝缘栅型场效应管为主进行讨论。 N沟道增强MOS型管 (1) 结构 图5-12（a）是Ｎ沟道增强型MOS管的结构示意图。用一块Ｐ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Ｎ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Ｐ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Ｎ沟增强型MOS管的符号。Ｐ沟道增强型MOS管是以Ｎ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Ｎ沟道和Ｐ沟道的标志。 S G 铝 D Sio2 绝缘层 PPP衬 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ＰＮ结不存在导电沟道，所以即使D、S间电压VDS≠0，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。 (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 （5-7） 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Ⅰ区。该区对应VGS＞VT，VDS很小，VGD=VGS－VDS＞VT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Ⅱ区。该区对应VGS＞VT，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： （5-8） （a）输出特性 (b)转移特性 图5-14　N沟道增强型MOS管的特性曲线 截止区（夹断区）：该区对应于VGS≤VT　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Ⅲ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： （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的，如图5-14（b）所示。这时ID可以近似地表示为： （5-10） 其中IDSS是VGS=2VGS（th）时的值ID Ｎ沟道耗尽型MOS管 Ｎ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。 图5-15 N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 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ID≈0，VP称为夹断电压。 在VGS＞VP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VGS＞VT 和VGS＜VT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。 5.2.2 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β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β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： （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1~3pF，漏源电容Cds约在0.1~1pF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5—2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。 表5—2 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 输 出 特 性 VDS VGS 结 型 N 沟 道 D G ID S ＋ － ID IDSS o VGS ID VGS=0 VGS< 0 VDS P 沟 道 D G ID S － ＋ -ID IDSS VGS o VGSS（OFF） -ID VGS=0 VGS >0 o －VDS 绝 缘 栅 型 N 沟 道 增 强 型 D ID G S ＋ ＋ ID o VGS(th) VGS ID 增大 VGS>0 o VDS P 沟 道 D I D G S － － -ID VGS(th) o VGS -ID 减小 VGS<0 o －VDS N 沟 道 耗 尽 型 D G S ＋ －， ＋ ID IDS VGS（OFF） o VGS ID VGS>0 VGS=0 VGS<0 o VDS P 沟 道 D IDS G S － ＋， － -ID o VGS（OFF） VGS -ID VGS<0 VGS=0 VGS>0 o －VDS 5.3 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。 5.3.1 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νi（如音频信号，频率为20HZ~20KHZ）。输出端接负载电阻ＲL（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νo表示。电路中各元件作用如下： νi (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 = βib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。 5.3.2 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。 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： （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0.6~0.7V之间（锗管VBE的大小约在0.2~0.3V 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： （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： （5-14） 用作图的方法在输入特性曲线所在的VBE—IB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： （5-15） （5-16） （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tgα=-1/RC，在横轴的截距为VCC，在纵轴的截距为VCC/ RC。这一直线很容易在图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。 5.3.3 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νo。放大电路的动态分析，就是要对放大电路中信号的传输过程、放大电路的性能指标等问题进行分析讨论，这也是模拟电子电路所要讨论的主要问题。微变等效电路法和图解法是动态分析的基本方法。 1．信号在放大电路中的传输与放大 以图5-18（a）为例来讨论，图中IB、IC、VCE表示直流分量（静态值），ib、ic、vce表示输入信号作用下的交流分量（有效值用Ib、Ic、Vce），iB、iC、vCE表示总电流或总电压，这点务必搞清。 设输入信号vi为正弦信号，通过耦合电容C1加到晶体管的基—射极，产生电流ib，因而基极电流iB = IB + ib。集电极电流受基极电流的控制，iC = IC + ic =β（IB + ib）。电阻RC上的压降为iCRC，它随iC成比例地变化。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。 （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 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Q1~ Q2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 （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 （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。 （a） （b） 图5-19从晶体管的特性曲线求rbe、β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Q1~ Q2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 ΔIC = ΔβIB 及 ic = βib （5-19） （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，ΔVCE变化会引起Δ 变化这个线性关系就是晶体管的输出电阻rce，即 （5-20） rce和受控恒流源βib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。 （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 （5-21 其中，RL′=RC // RL ；A v 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 ）， (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。 输出电压 输入信号源电压 之比，称为源电压放大倍数（ ），则 （5-23） 式（5-23）中ri = RB//rbe≈rbe （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） 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 （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 ∴ （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上得到的电压才是放大电路的输入电压 （如图5-23所示），ri越小，相同的 使放大电路的有效输入 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。 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： 将输入信号源短路，但保留信号源内阻，在输出端加一信号 ，以产生一个电流 ，则放大电路的输出电阻为 （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，当VS = 0时，Ib = 0，βIb = 0，而在输出端加一信号 ，产生的电流 就是电阻RC中的电流，取电压与电流之比为输出电阻。 （5-27） 计算输出电阻的另一种方法是，假设放大电路负载开路（空载）时输出电压为 ，接上负载后输出端电压为Vo，则 ∴ （5-28） 由此可见，输出电阻越小，负载得到的输出电压越接近于输出信号，或者说输出电阻越小，负载大小变化对输出电压的影响越小，带载能力就越强。 一般输出电阻越小越好。原因是：第一，放大电路对后一级放大电路来说, 相当于信号源的内阻，若ro较高，则使后一级放大电路的有效输入信号降低，使后一级放大电路的AVs降低。第二，放大电路的负载发生变动，若ro较高，必然引起放大电路输出电压有较大的变动，也即放大电路带负载能力较差。总之，希望放大电路的输出电阻ro越小越好。 例5-3 图5-16（a）所示的共射放大电路，已知VCC=12V，RB=300KΩ，RC=4KΩ，RL=4KΩ，RS=100Ω，晶体管的β=40。求：①估算静态工作点；②计算电压放大倍数；③计算输入电阻和输出电阻。 解：①估算静态工作点。由图5-16（b）所示直流通路得： ②计算电压放大倍数。首先画出如图5-20（a）所示的交流通路，然后画如图5-20（b）所示的微变等电路，可得： ③计算输入电阻和输出电阻。根据式（5-25）和（5-28）得： ， 4．放大电路其它性能指标的介绍 输入信号经放大电路放大后，输出波形与输入波形不完全一致称为波形失真，而由于晶体管特性曲线的非线性引起的失真称为非线性失真。下面我们分析当静态工作点位置不同时，对输出波形的影响。 （1）波形的非线性失真 如果静态工作点太低，如图5-25所示 点，从输出特性可以看到，当输入信号vi在负半周时，晶体管的工作范围进入了截止区。这样就使 的负半周波形和 的正半周波形都严重失真（输入信号vi为正弦波），如图5-25所示。这种失真称为截止失真， 消除截止失真的方法是提高静态工作点的位置，适当减小输入信号vi的幅值。对于图5-16的共射极放大电路，可以减小R B阻值，增大IBQ，使静态工作点上移来消除截止失真。 如果静态工作点太高，如图5-25所示 点，从输出特性可以看到，当输入信号vi在正半周时，晶体管的工作范围进入了饱和区。这样就使 的正半周波形和 的负半周波形都严重失真，如图5-25所示。这种失真称为饱和失真， 消除饱和失真的方法是降低静态工作点的位置，适当减小输入信号vi的幅值。对于图5-16的共射极放大电路，可以增大R B阻值，减小IBQ，使静态工作点下移来消除饱和失真。 总之，设置合适的静态工作点，可避免放大电路产生非线性失真。如图5-25所示Q点选在放大区的中间，相应的ic和vo都没有失真。但是，还应注意到即使Q点设置合适，若输入v i的信号幅度过大，则可能既产生饱和失真又产生截止失真。 图5-25 静态工作点与非线性失真的的关系 （2）通频带 由于放大电路含有电容元件（耦合电容C1、C2及布线电容、PN结的结电容），当频率太高或太低时，微变等效电路不再是电阻性电路，输出电压与输入电压的相位发生了变化，电压放大倍数也将降低，所以交流放大电路只能在中间某一频率范围（简称中频段）内工作。通频带就是反映放大电路对信号频率的适应能力的性能指标。 图5-26（a）为电压放大倍数Av与频率f的关系曲线，称为幅频特性。可见在低频段Av有所下降，这是因为当频率低时，耦合电容的容抗不可忽略，信号在耦合电容上的电压降增加，因此造成Av下降。在高频段Av下降的原因，是由于高频时三极管的β值下降和电路的布线电容、PN结的结电容的影响。 （b） 图5-26 放大电路通频带 图5-26（a）所示的幅频特性中，其中频段的电压放大倍数为Avm。当电压放大倍数下降到 时，所对应的两个频率分别称为上限频率fH和下限频率fL，fH - fL的频率范围称为放大电路的通频带（或称带宽）BW。 BW = fH - fL 由于一般fL<< fH，故BW≈fH。通频带越宽，表示放大电路了的工作频率范围越大。 对于频带的放大电路，如果幅频特性的频率坐标用十进制坐标，可能难以表达完整。在这种情况下，可用对数坐标来扩大视野，对数幅频特性如图5-26（b）所示。其横轴表示信号频率，用的是对数坐标；其纵轴表示放大电路的增益分贝值。这种画法首先是由波特（H.W.Bode）提出的，故常称为波特图。 在工程为了便于计算，常用分贝（dB）表示放大倍数（增益）。 因此，在工程上通常把fH - fL的频率范围称为放大电路的“-3dB”通频带（简称3dB带宽）。 （3）最大输出幅度 最大输出幅度是指输出波形的非线性失真在允许限度内，放大电路所能供给的最大输出电压（或输出电流），一般指有效值，以Vomax（或Iomax）表示。 图解法能直观地分析放大电路的工作过程。估算电压放大倍数、清晰地观察到波形失真情况、估算出不失真时最大限度的输出幅度。但图解法也有局限性，作图过程繁琐，误差大，且不能计算输入、输出电阻、多级放大电路及反馈放大电路等。图解法适合于分析大信号下工作的放大电路（功率放大电路），对小信号放大