模拟电子技术基础（三极管和放大电路概念）

（1）根据不同的掺杂方式在同一硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成晶体管。采用平面工艺制成的NPN型硅材料晶体管结构如下图所示。位于中间的P区称为基区，它很薄且杂质浓度很低；位于上层的N区是发射区，掺杂浓度很高；位于下层的N区是集电区，面积很大；晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。所以三个电极分别是基极b、发射极e和集电极c

1.1.3晶体管的放大系数

晶体管的共射电流放大系数

（1）电流 $I_{CN}$ 与 $I_B'$ 之比称为共射直流放大系数 $\overline{\beta}$ 可得， $\overline{\beta}=\frac{I_{CN}}{I_B'}=\frac{I_C-I_{CBO}}{I_B+I_{CBO}}$ ，整理可得 $I_{CEO}$ 称为穿透电流，其物理意义，当基极开路（ $I_B=0$ ）时，在集电极电源 $V_{CC}$ 作用下的集电极与发射极之间形成的电流，而 $I_{CBO}$ 是发射极开路时，集电结的反向饱和电流。一般情况下， $I_B\gg I_{CBO}$ ， $\overline{\beta}\gg 1$ 。所以 $I_C\approx \overline{\beta}I_B$ ， $I_E\approx (1+\overline{\beta})I_B$

（2）若有输入电压 $\Delta u_1$ 作用，则晶体管的基极电流将 $I_B$ 基础上叠加动态电流 $\Delta i_B$ ，当然集电极电流也将 $I_C$ 基础上叠加动态电流 $\Delta i_C$ ， $\Delta i_C$ 与 $\Delta i_B$ 称为交流电流放大系数，记作 $\beta$ ，即

$\beta=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}$

晶体管的共基电流放大系数

（1）以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时， $I_{CN}$ 与 $I_E$ 之比称为共集直流放大系数

$\overline{\alpha}=\frac{I_{CN}}{I_E}$

因此可以得到 $\overline{\alpha}=\frac{\overline{\beta}}{1+\overline{\beta}}$

1.1.4晶体管的电流放大作用

基本概念

（1）放大是对模拟信号最基本的处理。在生产实际和科学实验中，从传感器获得的电信号都很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理，或者使之具有足够的能量来推动执行机构。晶体管是放大电路的核心元件，他能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出

（2） $\Delta U_I$ 为输入电压信号，接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极—发射极的回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。因而在输入回路需加基极电源 $V_{BB}$ ；在输出回路需加集电极电源 $V_{CC}$ ； $V_{BB}$ 和 $V_{CC}$ 的极性为下图所示，且 $V_{CC}$ 应该大于 $V_{BB}$ 。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流

晶体管内部载流子的运动

（1）当图中 $\Delta u_1=0$ 时，晶体管内部载流子运动示意图（电流方向是正极到负极）

（2）发射极加正向电压，扩散运动形成发射极电流 $I_E$ ：因为发射结加正向电压，又因为发射区杂质浓度高，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区。与此同时，空穴也从基区向发射区扩散，但由于基区杂质浓度低，所以空穴形成的电流很小，近似分时可忽略不计。可见，扩散运动形成了发射极电流 $I_E$

（3）扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流 $I_B$ ：由于基区很薄，杂质浓度很低，集电结又加了反向电压，所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，其余部分均作为基区的非平衡少子达到集电结。又由于电源 $V_{BB}$ 的作用，电子与空穴的复合运动将源源不断的进行，形成基极电流 $I_B$

（4）集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流 $I_C$ ：由于集电结加反向电压且其结面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区,形成漂移电流。与此同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动,但它小,近似分析中可忽略不计。可见，在集电极电源 $V_{CC}$ 的作用下，漂移运动形成集电极电流 $I_C$

晶体管的电流分配关系

（1）设由发射区向基区扩散所形成的电子电流为 $I_{EN}$ ，基区向发射区扩散所形成的空穴电流为 $I_{EP}$ 。基区内部复合运动所形成的电流为 $I_{BN}$ ，基区内部的非平衡少子（即发射区扩散到基区但未被复合的自由电子）漂移至集电区所形成的电流为 $I_{CN}$ ，平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的电流为 $I_{CBO}$

（2）公式如下：

$I_E=I_{EN}+I_{EP}=I_{CN}+I_{BN}+I_{EP}\\ I_C=I_{CN}+I_{CBO}\\ I_B=I_{BN}+I_{EP}-I_{CBO}=I_{B}'-I_{CBO}$

从外部来看 $I_{E}=I_C+I_{E}$

1.1.5晶体管的共射曲线

输入特性曲线

（1）输入特性曲线描述管压降 $U_{CE}$ 一定的情况下，基极电流 $i_B$ 与发射结压降 $u_{BE}$ 之间的函数关系即 $i_B=f(u_{BE})|_{U_{CE}=const}$ ，当 $U_{CE}=0V$ 时，相当于集电极与发射极短路，即发射极与集电结并联。因此，输入特性曲线与PN结的伏安特性相类似，呈指数关系。

（2）当 $U_{CE}$ 增大时，曲线将右移。这时因为，由发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过基区和集电结形成集电极电流 $i_C$ ，使得在基区参与复合运动得非平衡少子随 $U_{CE}$ 的增大（即集电结反向电压的增大）而减小；因此，要获得同样的 $i_B$ ，就必须加大 $u_{BE}$ ，使发射区向基区

（3）实际上，对于确定的 $U_{BE}$ ，当 $U_{CE}$ 增大到一定的值后，集电结的电场已经足够强了，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大 $U_{CE}$ ， $i_C$ 也不能明显增大了，也就是说 $i_B$ 已经基本不变。因此 $U_{CE}$ 超过一定的数值后，曲线不再明显右移而基本重合

输出特性曲线

（1）输出特性曲线描述基极电流 $I_B$ 为一常量时，集电极电流 $i_C$ 与管压降 $U_{CE}$ 之间的函数关系，即 $i_C=f(u_{CE})|_{I_{B}=const}$ ，对于每一个确定的 $I_B$ ，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，当 $U_{CE}$ 从零逐渐增大的时候，集电结电场随之增强，因而 $i_C$ 也就逐渐增大。而当 $u_{CE}$ 增大到一定的数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来， $u_{CE}$ 再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即 $i_C$ 几乎仅仅决定于 $I_B$

（2）截止区：其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。对于共射电路， $u_{BE}\leq U_{on}$ 且 $u_{CE}> u_{BE}$ ，此时 $I_B$ =0，而 $i_C\leq I_{CEO}$

（3）饱和区：其特征是是发射结与集电结均处于正向偏置。对于共射电路， $U_{BE}>U_{On}$ 且 $U_{CE}< U_{BE}$ 。此时 $i_C$ 不仅与 $i_B$ 有关，而且明显随 $U_{CE}$ 增大而增大， $i_C$ 小于 $\overline{\beta} I_B$ 。在实际电路中，若晶体管的 $U_{BE}$ 增大时， $i_B$ 随之增大，但 $i_C$ 增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和区

（4）放大区：其特征是发射结正向偏置( $U_{BE}$ 大于发射结开启电压 $U_{on}$ )且集电结反向偏置。对于共射电路 $U_{BE}>U_{On}$ 且 $U_{CE}\geq U_{BE}$ 。 $i_C$ 几乎仅仅决定于 $i_B$ ，而与 $U_{CE}$ 无关，表现出 $i_B$ 对 $i_C$ 的控制作用。 $I_C=\overline{\beta} I_B$ ，在理想情况下，当 $i_B$ 按等差变化时，输出特性是一族横轴的等距离平行线。

（5）模拟电路中一般工作在放大状态

1.1.6晶体管的主要参数

直流参数

（1）共射直流电流放大系数 $\overline{\beta}$ ： $\overline{\beta}=\frac{I_C-I_{CEO}}{I_B}$ ，当 $I_C\gg I_{CEO}$ 时， $\overline{B}\approx \frac{I_C}{I_B}$

（2）共基直流电流放大系数 $\overline{\alpha}$ ：当 $I_{CBO}$ 可忽略时， $\overline{\alpha}=\frac{I_C}{I_E}$

（3）极间反向电流： $I_{CBO}$ 是发射极开路时集电结的反向饱和电流。 $I_{CEO}$ 是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流， $I_{CEO}$ =(1+ $\overline{\beta}$ ) $I_{CBO}$ 。同一型号的管子反向电流愈小,性能愈稳定。

选用管子时， $I_{CBO}$ 与 $I_{CEO}$ 应尽量小。硅管比锗管的极间反向电流小2~3个数量级，因此温度稳定性也比锗管好。

交流参数

（1）交流参数是描述晶体管对于动态信号的性能指标

（2）共射交流电流放大系数 $\beta$ ， $\beta=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_B}|_{U_{CE}=const}$ ，选用管子时， $\beta$ 应适中，太小则放大能力不强，太大则温度稳定性差

（3）共基交流电流放大系数 $\alpha$ ， $\beta=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_E}|_{U_{CB}=const}$ ，近似分析时 $\overline{\alpha}\approx \alpha\approx1$ ， $\overline{\beta}\approx \beta$

（4）特征频率 $f_T$ ：由于晶体管中PN结结电容的存在,晶体管的交流电流放大系数是所加信号频率的函数。信号频率高到一定程度时，集电极电流与基极电流之比不但数值下降，且产生相移。使共射电流放大系数的数值下降到1的信号频率称为特征频率 $f_T$ 。

极限参数

（1）极限参数是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。

（2）最大集电极耗散功率 $P_{CM}$ ： $P_{CM}$ 决定于晶体管的温升。当硅管的温度大于150°C、锗管的温度大于70°C时，管子特性明显变环，甚至烧坏。对于确定型号的晶体管, $P_{CM}$ 是一一个确定值,即 $P_{CM}$ = $i_cu_{CE}$ =常数,在输出特性坐标平面中为双曲线中的一条。曲线右上方为过损耗区。

（3）对于大功率管的 $P_{CM}$ ，应特别注意测试条件，如对散热片的规格要求。当散热条件不满足要求时，允许的最大功率将小于 $P_{CM}$

（4）最大集电极电流 $I_{CM}$ ： $i_C$ 在相当大的范围内 $\beta$ 值基本不变，但当 $i_C$ 的数值大到一定数值时 $\beta$ 值将减小。使 $\beta$ 值明显减小的 $i_C$ 即为 $I_{CM}$

（5）极间反向击穿电压：

$U_{(BR)CBO}$ 是发射极开路时集电极一基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。

$U_{(BR)CBO}$ 是基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受反向电压。

$U_{(BR)CBO}$ 是集电极开路时发射极基极间的反向击穿电压,这是发射结所允许加的最高反向电压。

1.1.7温度对晶体管特性及参数的影响

温度对 $I_{CBO}$ 的影响

（1）因为 $I_{CBO}$ 是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，所以，当温度升高时，热运动加剧，有更多的价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子浓度明显增大。因而参与漂移运动的少子数目增多,从外部看就是 $I_{CBO}$ 增大。可以证明，温度每升高10°C , $I_{CBO}$ 增加约一倍。反之，当温度降低时 $I_{CBO}$ 减小。

由于 $I_{CEO}$ =(1+β) $I_{CBO}$ ，所以温度变化时, $I_{CEO}$ 也会产生相应的变化。

由于硅管的 $I_{CBO}$ 比锗管的小得多，所以从绝对数值上看，硅管比锗管受温度的影响要小得多

温度对输入特性的影响

（1）与二极管伏安特性类似，温度升高时，正向特性将左移。反之右移， $|U_{BE}|$ 具有负温度系数，当温度变化1摄氏度，若 $i_B$ 不变，则 $|U_{BE}|$ 大约变化 $2\sim 2.5mV$ ，即温度升高1摄氏度，大约下降 $2\sim 2.5mV$ 。换言之， $u_{BE}$ 不变，则当温度升高时， $i_B$ 将增大

温度对输出特性的影响

（1）图所示为某晶体管在温度变化时输出特性变化的示意图，实线所示为20°C时的特性曲线，虚线所示为20°C时的特性曲线，且 $I_{B1}$ 、 $I_{B2}$ 、 $I_{B3}$ 分别等于 $I_{B1}'$ 、 $I_{B2}'$ 、 $I_{B3}'$ 。当温度从20°C升高至20°C时，不但集电极电流增大,且其变化量 $\Delta i_c'>\Delta i_c$ ,说明温度升高时β增大。

1.1.8光电三极管

结构和组成

（1）光电三极管依照光照强度来控制集电极电流的大小，其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连，并仅引出集电极和发射极

（2）光电三极管与普通三极管的输出特性曲线相类似，只是将参变量基极电流 $I_B$ 用入射光强 $E$ 取代，无光照时的集电极电流称为暗电流 $I_{CEO}$ ,它比光电二极管的暗电流约大两倍,而且受温度的影响很大,温度每上升25C, $I_{CEO}$ 上升约10倍。有光照时的集电极电流称为光电流。当管压降 $u_{CE}$ 足够大时， $i_C$ 几乎仅仅决定于入射光强E。对于不同型号的光电三极管，当入射光强E为1 000 lx时,光电流从小于1mA到几毫安不等

1.2放大电路的概念和性能指标

1.2.1放大概念

基本概念

（1）利用扩音机放大声音，是电子学中的放大，其原理框图如图下所示，图中V为供电电源0。 $\perp$ 为电路的公共端。话筒(传感器)将微弱的声音转换成电信号，经放大电路放大成正够强的电信号后，驱动扬声器(执行机构)，使其发出较原来强得多的声音。这种放大是放大的对象为变化量(差异),不同之处在于扬声器所获得的能量(或输出功率)远大于话简送出的能量(或输人功率)。可见，放大电路放大的本质是能量的控制和转换；是在输人信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。能够控制能量的元件称为有源元件,因而在放大电路中必须存在有源元件，如晶体管和场效应管等。

（2）放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，只有它们您在合适的区域晶体管工作在放大区、场效应管工作在恒流区)，才能使输出量与输人量始终保持线性关系，即电路才不会产生失真。

（3）由于任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号(谐波)的叠加，所以放大电路常以正弦波作为测试信号。

1.2.2放大电路的主要性能指标

基本概念

（1）下图所示为放大电路的示意图。对于信号而言，任何一个放大电路均可看成一个两端口网络。左边为输入端口，当内阻为 $R_S$ 的正弦波信号源 $\dot{U}_S$ 作用时，放大电路得到输入电压 $\dot{U}_i$ ，同时产生输入电流 $\dot{I}_i$ ；右边为输出端口,输出电压为 $\dot{U}_o$ 。输出电流为 $\dot{I}_o$ ， $R_L$ 为负载电阻。不同放大电路在 $\dot{U}_S$ 和 $R_L$ 相同的条件下 $\dot{U}_o$ 、 $\dot{I}_i$ 、 $\dot{I}_o$ 将不同，说明不同放大电路从信号源索取的电流和获不同，且对同样信号的放大能力也不同；同一放大电路在幅值相同、频率不同的 $\dot{U}_S$ 作用下， $\dot{U}_o$ 也将不同,即同一放大电路对不同频率信号的放大能力也存在差异。为了反映放大电路的各方面性能，引出如下主要指标。

放大倍数

（1）放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标，其值为输出意义 $\dot{X_O}$ ( $\dot{U}_o$ 或 $\dot{I}_o$ )与输入量 $\dot{X_i}$ ( $\dot{U}_i$ 或 $\dot{I}_i$ )之比。对于小功率放大电路，人们常常只关心电路单一指标的放大倍数，如电压放大倍数，而不研究功率放大能力

（2）电压放大倍数是指输出电压 $\dot{U}_o$ 与输入电压 $\dot{U}_i$ 之比，记为 $\dot{A}_{UU}$ 即

$\dot{A}_{UU}=\dot{A}_{U}=\frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i}$

（3）电流放大倍数是指输出电压 $\dot{I}_o$ 与输入电压 $\dot{I}_i$ 之比，记为 $\dot{A}_{ii}$ 即

$\dot{A}_{ii}=\dot{A}_{i}=\frac{\dot{I}_o}{\dot{I}_i}$

（4）电压对电流的放大倍数是输出电压 $\dot{U}_o$ 与输入电流 $\dot{I}_i$ 之比

$\dot{A}_{ui}=\frac{\dot{U}_o}{\dot{I}_i}$

因其量钢为电阻，因此也成为互阻放大倍数

（5）电流对电压的放大倍数是输出电流 $\dot{I}_o$ 与输入电压 $\dot{U}_i$ 之比

$\dot{A}_{ui}=\frac{\dot{I}_o}{\dot{U}_i}$

输入电阻

（1）放大电路与负载相连就成为信号源的负载，必然从信号源索取电流，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。输入电阻 $R_i$ 是从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压有效值 $U_i$ 和输入电流有效值 $I_i$ 之比，即

$R_i=\frac{U_i}{I_i}$

（2） $R_i$ 越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路所得到的输入电压 $U_i$ 越接近信号源电压 $U_s$ ；换言之信号源内阳的降越小、信号电压损失越小。根据诺顿定理，可将信号源等效变换为电流源，通常信号源内阻 $R_s$ 是常量， $R_i$ 越小，输入电流 $I_i$ 就越接近信号源电流 $I_s$ ，信号源内阻 $R_s$ 的分流越小，信号电流损失越小。可见，放大电路输入电阻的大小要视放大电路对信号的需要而设计。

输出电阻

（1）任何一个放大电路的输出电阻都可以等效成一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻 $R_o$ ， $U_{o}'$ 为空载输出电压的有效值， $U_{o}$ 为带负载后输出电压有效值，因此

$U_o=\frac{R_L}{R_o+R_L}U_o'$

输出电阻

$R_o=(\frac{U_o'}{U_o}-1)R_L$

（2） $R_o$ 愈小，负载电阻 $R_L$ 变化时， $U_{o}$ 的变化愈小，放大电路的带负载能力愈强。然而，若要使负载电阻获得的信号电流大一些,则放大电路的输出电阻就应当大一些。因此，放大电路输出电阻的大小要视负载的需要而设计。

（3）输入电阻与输出电阻描述了电子电路在相互连接时所产生的影响。当两个放大电路相互连接时，放大电路Ⅱ的输入电阻 $R_{i2}$ 是放大电路Ⅰ的负载电阻，而放大电路Ⅰ是放大电路Ⅱ的信号源，其内阻就是放大电路Ⅰ的输出电阻 $R_{o1}$ 。因此,输人电阻和输出电阻均会直接或间接地影响放大电路的放大能力。

通频带

（1）通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输人信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。一般情况，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。某放大电路放大倍数的数值与信号频率的关系曲线，称为幅频特性曲线，图中 $\dot{A}_m$ 为中频放大倍数。

（2）在信号频率下降到一定程度时,放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍， $\left | \dot{A}_m\right |$ 的频率称为下限截止频率 $f_L$ 。信号频率上升到一定程度，放大倍数数值也将减小使放大倍数的数值等于0.707倍， $\left| \dot{A_m} \right |$ 的频率称为上限截止频率 $f_H$ ， $f$ 小于 $f_L$ 的部分称为放大电路的低频段， $f$ 大于 $f_L$ 的部分称为放大电路的高频段，而 $f_L$ 与 $f_H$ 之间的部分称为放大电路中频段，也称为通频带 $f_{bw}$

$f_{bw}=f_H-f_L$

（3）通频带宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。当频率趋近于零或无穷大时放大倍数的数值趋近于零。对于扩音机，其通频带应宽于鲁频(20 Hz~20 kHz)范围，才能完全不失真地放大声音信号。在实用电路中有时也希望频带尽可能窄，比如选频放大电路，从理论上讲希望它只对单一频率的信号放大,以避免干扰和噪声的影响。

非线性失真系数

最大不失真输出电压

（1）最大不失真输出电压定义为当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。实测时,需要定义非线性失真系数的额定值，比如10%，输出波形的非线性失真系数刚刚到此额定值时的输出电压即为最大不失真输出电压。一般以有效值 $U_{om}$ 表示。他可以用峰值 $U_{opp}$ 表示， $U_{opp}=2\sqrt{2}U_{om}$