1.本章主要介绍bipolar三极晶体管的知识

2.本章主要内容如下：

• 晶体管的结构
• 工作原理
• 伏安特性及主要电参数
• 共发射极、共集电极、共基极三种放大电路的组成
• 电路的静态（无输入电信号的状态）和动态（有输入电信号的状态）分析方法
• 温度对晶体管参数及放大电路静态工作点的影响
• 多级放大电路的分析方法
• 放大电路的频率特性分析方法

3.晶体管

• 是通过一定的半导体工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互影响，使晶体管表现出不同于单个PN结，而具有放大的作用，晶体管就是利用其放大作用组成放大电路
• 晶体管的类型根据结构类型可分为：NPN型和PNP型
• 三个极的命名：B取自英文base，基本的；C取自collector，收集；E取自emitter，发射
• 根据材料不同可分为：硅管和锗管
• 三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
• 把两个PN结背靠背的放在一起，不会有放大的作用，但是晶体管具有放大的作用，主要是晶体管具有非常独特的内部结构
• NPN型晶体管的示意图：

发射结的导通正方向为从基区到发射区；集电结的导通正方向为从基区到集电区；两个PN的正向导通的方向相反

NPN型晶体管的符号：

有箭头的是发射极，一般NPN型晶体管的基极接高电位，所以习惯画法箭头由基极指向发射极

• PNP型晶体管结构示意图：

PNP型晶体管的电路符号：

有箭头的是发射极，一般PNP型晶体管的发射极接高电位，所以习惯画法箭头由发射极指向基极

• 平面型晶体管的结构示意图

a.发射区小，掺杂浓度高；

b.集电区面积很大；

c.基区掺杂浓度很低，而且很薄；

• 晶体管的工作原理

依据晶体管中两个PN结的偏置情况，晶体管工作在四中状态：放大状态、饱和状态、截止状态、倒置状态

（1）放大状态条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置

a.VEE使发射结正向偏置，VCC使集电结反向偏置

b.载流子的传输规律

发射结PN结正向偏置，有利于多数载流子的扩散运动，不利于少数载流子的漂移运动 →

因此，发射区就会向基区扩散多数载流子（自由电子），从而形成电子电流→

同理，基区的多数载流子也会向发射区扩散从而形成空穴电流→

因此，发射结的电流应该由两部分形成，一部分是发射区的多数载流子自由电子向基区扩散形成的电子电流，另一部分是基区的多数载流子空穴向发射区扩散形成的空穴电流→

但是，由于基区的掺杂浓度很小，空穴电流可以忽略不计→

发射区扩散到基区中的自由电子会和基区的空穴附和，从而形成基极电流→

由于空穴的掺杂浓度很低，因此，基极电流很小→

剩余的大多数自由电子继续向集电结扩散→

由于集电结反向偏置，PN结反向偏置时，有利于少子的漂移运动，不利于多子的扩散运动→

由于剩余的自由电子属于少数载流子，很容易穿过集电结到达集电区，从而形成集电极电流

在晶体管中，除了自由电子在扩散过程中形成的电流外，还存在集电区和基区中的少数载流子相互漂移运动形成的饱和电流。集电区中的少数载流子是空穴，会在电场的作用下向基区扩散。基区中的少数载流子自由电子也会在电场的作用下向集电区做漂移运动。由此形成一个反向饱和电流

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晶体管及放大电路基础

1.本章主要介绍bipolar三极晶体管的知识

2.本章主要内容如下：

• 晶体管的结构
• 工作原理
• 伏安特性及主要电参数
• 共发射极、共集电极、共基极三种放大电路的组成
• 电路的静态（无输入电信号的状态）和动态（有输入电信号的状态）分析方法
• 温度对晶体管参数及放大电路静态工作点的影响
• 多级放大电路的分析方法
• 放大电路的频率特性分析方法

3.晶体管

• 是通过一定的半导体工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互影响，使晶体管表现出不同于单个PN结，而具有放大的作用，晶体管就是利用其放大作用组成放大电路
• 晶体管的类型根据结构类型可分为：NPN型和PNP型
• 三个极的命名：B取自英文base，基本的；C取自collector，收集；E取自emitter，发射
• 根据材料不同可分为：硅管和锗管
• 三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
• 把两个PN结背靠背的放在一起，不会有放大的作用，但是晶体管具有放大的作用，主要是晶体管具有非常独特的内部结构
• NPN型晶体管的示意图：

发射结的导通正方向为从基区到发射区；集电结的导通正方向为从基区到集电区；两个PN的正向导通的方向相反

NPN型晶体管的符号：

有箭头的是发射极，一般NPN型晶体管的基极接高电位，所以习惯画法箭头由基极指向发射极

• PNP型晶体管结构示意图：

PNP型晶体管的电路符号：

有箭头的是发射极，一般PNP型晶体管的发射极接高电位，所以习惯画法箭头由发射极指向基极

• 平面型晶体管的结构示意图

a.发射区小，掺杂浓度高；

b.集电区面积很大；

c.基区掺杂浓度很低，而且很薄；

• 晶体管的工作原理

依据晶体管中两个PN结的偏置情况，晶体管工作在四中状态：放大状态、饱和状态、截止状态、倒置状态

（1）放大状态条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置

a.VEE使发射结正向偏置，VCC使集电结反向偏置

b.载流子的传输规律

发射结PN结正向偏置，有利于多数载流子的扩散运动，不利于少数载流子的漂移运动 →

因此，发射区就会向基区扩散多数载流子（自由电子），从而形成电子电流→

同理，基区的多数载流子也会向发射区扩散从而形成空穴电流→

因此，发射结的电流应该由两部分形成，一部分是发射区的多数载流子自由电子向基区扩散形成的电子电流，另一部分是基区的多数载流子空穴向发射区扩散形成的空穴电流→

但是，由于基区的掺杂浓度很小，空穴电流可以忽略不计→

发射区扩散到基区中的自由电子会和基区的空穴附和，从而形成基极电流→

由于空穴的掺杂浓度很低，因此，基极电流很小→

剩余的大多数自由电子继续向集电结扩散→

由于集电结反向偏置，PN结反向偏置时，有利于少子的漂移运动，不利于多子的扩散运动→

由于剩余的自由电子属于少数载流子，很容易穿过集电结到达集电区，从而形成集电极电流

在晶体管中，除了自由电子在扩散过程中形成的电流外，还存在集电区和基区中的少数载流子相互漂移运动形成的饱和电流。集电区中的少数载流子是空穴，会在电场的作用下向基区扩散。基区中的少数载流子自由电子也会在电场的作用下向集电区做漂移运动。由此形成一个反向饱和电流

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共发射极放大电路分析

1.放大电路主要作用
将微弱的电信号不失真地放大到所需要的倍数
2.放大电路的主要性能指标

• 电压放大倍数=
• 电流放大倍数
• 互阻放大倍数
• 互导放大倍数

a.放大器对信号源而言是一个负载，可以被等效成一个电阻，定义为输入电阻；
b.输入电阻越大，输入电压越高。放大后得到的输出电压也越高，即电路的放大能力越强；
c.输入电阻越大，输入电流

d.对于负载而言，放大电路是一个信号源。此处用电压源表示信号源；
e.将

当

放大电路输出电阻

f.放大电路的性能指标：
定义为全谐波失真度D=谐波电压总有效值与基波电压有效值之比
g.动态范围

h.幅频特性：放大得到的信号幅值与频率之间的函数关系
相频特性：放大得到的信号相位与频率之间的函数关系

3.

以前介绍的放大电路存在主要问题，因此，需要改进
改进后的共发射极放大电路如下：

在信号源的输入端和负载

• 隔直：隔离交流信号源（待放大信号）
  和直流偏置信号
  之间的影响，隔离输出偏置电压信号
  对交流输出（放大后的输出）
  的影响
• 通交：提供交流信号源-放大电路-输出信号之间传递的通道

我们期望交流信号能够通过放大电路畅通无阻加载载负载上，因此，电容的容抗要足够小，一般取10微法拉的电解电容
继续改进放大电路，让发射结和集电结共用一个偏置电压源，从而得到一个基本共发射极放大电路：

共发射极基本放大电路标准画法如下：
不画出电源的符号，只画出电源正极对地的电位

• 以上电路的两种工作状态：

静态-当输入信号为0时电路的工作状态；此时整个放大电路中无交流分量，只有直流分量
动态-有输入信号作用时电路的工作状态；此时整个放大电路中的信号是交直留混合信号，呈现随时间变化的动态；

• 放大电路的静态分析：

静态分析-通过放大电路的直流通路求解静态工作点值基极电流

放大电路的静态工作点决定放大电路动态性能的好坏，所以需要进行静态工作点分析
直流信号不能越过

a.图解法

画出以上方程的函数曲线，晶体管的输入特性曲线与此直线的交点为放大电路输入回路的静态工作点

同理，画出以上方程的函数曲线，晶体管的输出特性曲线与此直线的交点为放大电路的输出回路的静态工作点
b.估算法
由输入回路方程

• 放大电路的动态分析

动态分析是放大电路的静态特性（直流特性）确定后，分析交流放大特性，求解放大电路的电压放大倍数

a.图解法

(1)假设当 负载

两端开路时

在输入回路

a.信号的传递过程
基极电流的形成

在一定的条件下，将晶体管的输入特性线性化，可以近似认为晶体管的基极电流和管压降之间的关系式线性的。在已知放大电流的直流静态工作点

b.输出信号
已知放大电流输出回路的直流静态工作点

由于放大电路的基极电流和集电极电流之间有一定的比例关系

而晶体管的管压降

由于

由于放大电路输出端电容器

（2）放大电路的非线性失真
a.如果放大电路的静态工作点太低
当输入信号

当输入信号

显然，基极电流出现了失真，原因是工作点进入截止区而产生的失真，因此这种失真被定义为“截止失真”

• 波形分析

静态工作点Q很低，基极电流

波形的部分出现了失真，这种失真由于静态工作点进入截止区而产生的失真，因此叫做“截止失真”

b.放大电路的静态工作点太高
输入信号基极电流

• 波形分析

已知输出信号基极电流的波形，当工作点沿着这条直线运动时，基极电流和集电极电流之间有一定的线性的比例关系，但是直到静态工作点进入饱和区，基极电流增大，集电极电路不会再增大，集电极电流上半部出现失真。这种失真是由于静态工作点进入饱和区导致的，这种失真叫做“饱和失真”。因此，可画出输出信号

c.输入信号太大
放大电流的输入端基极电流出现截止失真
从而使输出信号的上下部都被削平

输出信号既产生了饱和失真，也产生了截止失真
饱和失真和截止失真统称为非线性失真
（3）放大电路的动态范围
静态工作点最高可以到达纵轴，最低可以到达横轴图解法结论：1.利用图解法可以求出放大电路的电压放大倍数2.共发射极放大电路输出电压与输入电压的相位相反3.当输入信号的幅值过大或者静态工作点不合适，将使工作点进入非线性区而产生非线性失真（饱和失真，截止失真）4.非线性失真的特点饱和失真-输出波形的下半部被削平截止失真-输出信号的上半部被削平5.放大电路的信号

6.动态范围a.如果静态工作点在直流负载线的中点，在忽略掉

的情况下动态范围

b.如果静态工作点在直流负载线中点的下方（静态工作点太低）

c.如果静态工作点太高

(2)

放大电路的输出端，交流信号和直流信号走的路径不同。
交流通路画法：
a.电容

b.直流电压源短路（直流电源内阻很小，交流信号通过直流电源时产生的交流压降也很小）

因此：

故得到：

画出

当放大电路的负载

a.斜率为

b.经过静态工作点
c.动态范围

• 图解法的特点

a.便于观察
b.作图繁琐
c.当信号太小时无法作图
d.放大电路的一些性能指标无法用图解法求得

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放大电路动态分析之微变等效电路

1.晶体管的微变等效电路

当晶体管工作在小信号下时，可将其等效为具有一定的线性关系的线性元器件

直流电源

在交流小型号的情况下，用微变等效电路的模型来替代晶体管

因此：

放大倍数

输入电阻

输出电阻

动态范围

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静态工作点的选择与稳定

1.放大电路静态工作点的选择

主要约束条件：

（1）静态工作点Q应该工作在放大区

（2）为了获得尽可能大的动态范围，静态工作电Q应该设置在交流负载线的中间

（3）电压放大倍数：

（4）输入电阻 ：

（5）功耗和噪声：在满足放大电路的放大性能的情况下，尽可能地减小

2.放大电路的静态工作点Q不稳定的原因

（1）温度

（2）老化

（3）电源电压波动，原件参数变化

结论：温度是影响静态工作点不稳定的主要因素

3.稳定静态工作点的途径

（1）选择温度性能好的元器件

（2）经过一定的工艺处理，在使用之前在晶体管额定的电压和电流下让其工作一段时间

（3）采用温度补偿：在电路中引入热敏原件来纠正工作点的变化

（4）采用负反馈技术：目前最主要的技术

4.负反馈技术用于稳定放大电路的静态工作点-分压式偏置共发射极放大电路的组成及工作原理：

基本的共发射极放大电路：

分压式共发射极放大电路增加的原件：

（1）发射极电阻

（2）旁路电容

（3）偏置电阻

分压式偏置放大电路的直流通路如下：

（以上这个地方看不懂？？？？？？）

分压式偏置电路稳定静态工作点的机理：

电路将输出回路的电流

在电阻

上的电压降的变化返送到输入回路，产生了抑制输出电流

变化的作用，使输出电流

基本不变

电容

对于交流信号满足

5.分压式偏置共发射极放大电路的静态分析

（1）放大电路的直流通路

根据分压式偏置共发射极放大电路求解电路的静态工作点

a.戴维林等效电路法

写出输入回路的方程：

由以上方程可得

b.估算法

由于电路中

因此，晶体管的基极对地的电位

6.分压式偏置的共发射极放大电路的动态分析

将耦合电容

从而画出其交流通路

将交流通路中的晶体管进行微变等效-输入回路用电阻

与基本功发射极放大电路的微变等效电路一样

因此，分压式偏置放大电路的几个主要动态性能指标如下：

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共集电极放大电路

1.共集电极放大电路结构

直流通路：

静态工作点采用戴维南等效法和估算法

动态分析：

微变等效电路如下：