凡亿专栏 | 考点精讲 | 晶体三极管的放大原理
考点精讲 | 晶体三极管的放大原理

这周的主角是晶体管,严格的说是双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor,1947年诞生),后续我们还要讲到另一个分支,叫场效应管(Field effect Transistor,1952年诞生)。晶体管的诞生史可以戳小电科普篇|晶体管诞生记。

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晶体管被誉为20世纪最伟大的发明,(小电认为没有之一(*^▽^*)),它在模拟信号领域可以被用来做信号放大、功率放大、制作成集成运算放大器;在数字信号领域,它可以构成最基本的门电路、开关电路,以及有数字门衍生的大规模数字集成电路、微处理器等。可以说,当今世界电子领域几乎全部的电路,都离不开晶体管。

初识双极型晶体管


晶体管内部有三层半导体构成:两层N型和一层P型(NPN),或是两层P型和一层N型,看起来像是肉夹馍或是馍夹肉。不过夹在中间的那层基极的厚度不及整个晶体管厚度的百分之一。b29fa4ec538aa5ee7bd03ae8add5e3.jpg

对NPN管,直观看b、e组成了一个PN结,称为发射结;b、c组成了另一个PN结,称为集电结。但是,晶体管完全不是两个简单PN结的集合,发射区和集电区虽是参杂同样杂质,但发射区参杂浓度远高于集电区,至少相差几千倍。晶体管中箭头方向代表了管子的类型,箭头向外的,是NPN管,箭头朝里的是PNP管。箭头不仅标注了哪个管脚是发射极,并指明了晶体管的管型,同时还表示了电流的方向。

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三极管的伏安特性曲线


输入特性曲线是指vCE为某一常数时,基极电流iB和发射结电压vBE之间的关系。

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工程上,常用VCE=1时的输入特性曲线近似代替VCE>1时的输入特性曲线簇。

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输出特性曲线:

描述基极电流iB为一常量时,集电极电流iC与管压降vCE之间的函数关系。

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01

放大区   

上图标注的中心空白区域,在这个区域内,晶体管的集电极电流iC几乎不受电压vCE控制,近似满足

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一般情况下认定发射结正偏,且集电结反偏时,为放大状态。


02

饱和区  

上图中黄色的区域,这个区域内,iC随着电压vCE增大而增加。一般认为VCEVCES称为晶体管的饱和压降,是饱和区 和放大区的临界电压,一般为0.3V。,属于饱和区。其中


在电路中如果知道工作于饱和状态,分析时可以将BJT看成一个导通的开关。


03

截止区  

就是iB=0的那根线。当iB=0时,iC也约等于0。

一般情况下,认定发射结零偏或反偏,而集电结反偏时为截止状态。


在电路中如果知道截止状态,分析时可以将BJT看成一个断开的开关.


认识静态和动态


静态是指某一特定的、不变化的状态。对于放大电路来说,通常指输入信号等于0,整个电路多出的工作状态,包括各个支路的静态电流和个节点的电压。

静态的所有量,都用一个下标Q(Quiescent,静止状态)来表述。比如IBQ就是指晶体管静态时基极的电流IB。放大器的静态工作点是指输入信号为零,直流电源单独作用下三极管的基极电流IBQ 、集电极电流ICQ 、管压降VCEQ

动态是指电路中某一个量发生一定数量的变化,导致其他参量随之发生一定的变化,这个变化状态称为动态。对于放大电路来说,动态分析主要研究输入的变化量,与输出变化量之间的关系

放大器的静态工作点不仅影响电路是否会产生失真,而且影响着放大电路几乎所有的动态系数。动态量是对在静态基础上的变化量的描述。

放大电路的组成


一个放大器能够放大信号,需要满足下面三点:

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静态工作点的位置需要通过图解法的静态分析获得。

静态工作点的图解分析

将放大器的直流通路分成三个部分:BJT、输入回路的管外电路、输出回路的管外电路。

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静态工作点(IBQ,VBEQ):最左边的输入回路的管外电路的回路方程与BJT输入特性曲线的交点


静态工作点(ICQ,VCEQ):最右边的输出回路管外电路的回路方程(直流负载线)与IB=IBQ的那条输出特性曲线的交点。


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注意:如果没有提供输入特性曲线,那么将发射结近似为恒压源,将VBEQ取值为0.7V,进而解出IBQ。



动态工作的图解分析

动态分析是根据输入信号vi,通过图解法确定输出电压vo,从而得出vo和vi之间的幅度关系、相位关系和动态范围;观察失真情况,以及确定最大不失真幅度。

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上图动画是工作在空载的时候哦(●'◡'●)


动态分析时最关键的是交流负载线:交流通路中输出回路关于输出电压vCE和输出电流iC的方程


01

交流负载线的求解

画出交流通路

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得到输出回路方程:

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上式是纯交流量,但特性曲线的横轴vCE是三极管输出端的电压,既有直流量也有交流量,同理纵轴iC是三极管集电极上流过的电流,也是既有直流也有交流,于是:

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代入回路方程得到负载线方程

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02

由输入信号获得输出信号

根据如下的变化过程,可以逐一得到放大器输出的电压和电流

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03

饱和失真和截止失真

当静态工作点接近饱和区,出现的失真叫饱和失真

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当静态工作点接近截止区,出现的失真叫截止失真



对于NPN管:

iC的正半周和vCE的负半周被削平,是饱和失真

iC的负半周和vCE的正半周被削平,是截止失真



实际中我们其实很难看到Vce的正半周削平的这种削顶失真,因为在这种失真还没达到之前,输入信号ib就已经出现失真,使得输出出现一种馒头状的失真。大家可以戳之前写的《放大倍数最大与最大不失真幅度》的文章。

PNP管放大电路

方法:遵循NPN管已有的全部定义,所有求值全部取反,也就是所有的电压和电流均取负值。那么饱和失真的过程:

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于是PNP管的饱和失真就是:-iC的正半周和-vCE的负半周被削平,也就是iC的负半周和vCE的正半周被削平。

截止失真的分析也是同样,PNP管的截止失真是:iC的正半周和vCE的负半周被削平。


最大不失真幅度(失真电压裕度)


最大不失真幅度(失真电压裕度)是指在一个晶体管放大电路中,输入为正弦信号,输出所能达到的最大不失真正弦信号的幅度。即有多大的电压空间,能保证输出电压信号不失真。

如果Q点偏向饱和区,那么先出现饱和失真,最大不失真幅度为(VCEQ-VCES)

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如果Q点偏向截止区,那么先出现截止失真,最大不失真幅度为(VCEmax-VCEQ).

VCEmax指交流负载线和横轴的交点。

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一不小心原理讲了这么多,下面该分层演练了。(基础篇是机械专业的难度;进阶篇是电类专业的难度;提优篇是写给考研党的)


基础篇


例1

填空题:

某放大电路及其输出特性曲线和静态工作点位置如下图所示,则输出电压容易出现_________失真,为了减小该失真将电阻Rb__________。

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求解

1、Q点接近饱和区,所以容易出现饱和失真


2、需要降低Q点,也就是减小IBQ的值,所以需要增大Rb

例2


下面两个放大器是否可能放大?                         

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求解

1、画出直流通路,看电源的安排是否可能使得发射结正偏,集电结反偏。两图的直流通路一样

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选取合适的电阻值是可以的。

2、画出交流通路,看信号是否可以顺利传输

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3、结论:左图可能放大,右图输出为0,所以不可能放大

进阶篇

例1


下图电路,已知VCC=12V,三极管VBEQ=0.7V,VCEQ=10V,问:当增大输入信号vi,最先出现的是什么失真呢?

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求解注意两点:


1、VCES 未告知时,可用VBEQ 代替。

2、空载,直流负载线和交流负载线重合,所以VCEmax=VCC

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所以先出现的是截止失真

例2


判断下图电路能否放大交流信号,如果不能放大,那么在不增减电路元器件的基础上如何修改电路。

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求解:

1、画出直流通路,看是否可以发射结正偏,集电极反偏。应该是没问题的。

2、画交流通路,看信号能不能顺利传输到输出端

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输出电压为0,所以不能放大。

3、不能增减元器件,静态没有问题,那只能修改交流通路,可以将输出端改到集电极。

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修改后的交流通路:

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这就能顺利传输信号喽(*^▽^*)


提优篇


例1选自2015年考研真题

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求解

注意:这题的晶体管是PNP管,如果全部遵循NPN的定义,所有的值都将是取反的。于是题目中Vce的负半轴削平,那使用NPN的作图方式,就是-Vce的正半周是削平的。

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上图看似和NPN一样,但注意所有的电压电流都是负值哦。也就是说输出特性曲线其实是在第三象限的。


-Vce的正半周接近截止区,正半周削平是截止失真。

消除这种失真,需要将Q点上抬,增大IBQ,那就只能减小Rb了。

例2


电路如图所示,晶体管β=100,静态时V_BE=0.7V,求空载和带载3kΩ下最大的不失真幅度。若增大输入信号,那么最先出现什么失真?

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求解

1、因为没有提供任何特性曲线,所以静态工作点需要全部采用解析法

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2、给出直流负载线和交流负载线方程

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3、空载时,交流负载线和直流负载线相同

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VCES没有提供,直接取为VBE,所以最大不失真幅度为4.6-0.7=3.9V,Q点偏高,先出现饱和失真

4、带负载时,

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于是画出交流负载线:

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所以最大不失真幅度应该是2.8V,Q点接近截止区,先出现截止失真。

好了,今天一不注意写太长了,就不放抢答题喽,大家好好消化一下内容吧。细节上,还可以看下面的推荐阅读,都是之前写的推文。

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