原创 模电笔记

一、三极管的等效模型

    如图所示：

    这就是三极管的内部结构模型、外部特性相当于两个二极管反向串联

二、三极管的基本电气特性

    如图所示：

若给NPN型三极管的基极加上一个电流Ib，若在集电极和发射极之间加上大于零的正向电压Uce，就会有一个电流Ic流进集电极。而且Ic是Ib的β倍（三极管的β值大约在几十～几百之间）。

  此时Ic的大小电流与Uce大小无关。也就是说：Uc发生变化不会引起Ic变化, 体现出Ic具有受Ib和β的乘积所控制的恒流源的性质。

如图所示:

图B

结论：

1、三极管集电极电流Ic的大小受基极电流Ib的控制。等于基极电流的β倍，Ic=βIb  与集电极电压Uce无关。

2、三极管发射极电流Ie=Ic+Ib=βIb+Ib=（β+1）Ib

3、Ic与Ie相比只相差（β+1）/1倍，近视相等。Ic=βIb与Ie=（β+1）Ib

特别提示：如果用普通二极管组成同样的电路，就不会产生类似的集电极电流。这是因为三极管的外部特性与二极管对接的结构虽然有相似之处，但内部结构与普通二极管有着本质的不同。

三、二极管正向精密导通曲线

    如图所示：

三极管基极与发射极之间的导通特性与二极管的特性相同

每个二极管的正向导通电压和导通曲线的曲率都不一样，但正向微弱导通电压大约都在0.5V；明显导通电压大约都在0.7V附近。导通电压与导通电流之间的变化关系，大多数在导通电压每变化20mV；导通电流会变化一倍的系数左右。

2.简单的电路偏置

1、电源电压            E   = 10V

2、三极管电流放大倍数  β  = 100

    3、基极电阻            Rb  = 930KΩ

4、集电极电阻          Rc  = 5KΩ

根据设定条件获得的静态工作点

1、静态基极电流           Ib  = (10V-0.7V)/930KΩ=10uA

2、静态集电极电流         Ic  = β×Ib=100×10uA=10mA

3、静态集电极电阻上的电压 URc = 5KΩ1mA=5V

     4、静态基极电压           Ube =0.7V

5、静态集电极电压         Uce = 10V-URc=10V-RcIc=5V

二、电路运行动态分析 如图所示：

电源接通以后，耦合电容Cb被充电，电压逐渐达到0.7V。电容的容量比较大，能够在动态条件下保持两端的电压差基本不变。

根据二极管的正向导通规律

1、当输入交流电压为 +10mV的时候

a、基极到发射极之间的电压由0.7V上升到0.71V。基极电流由10uA上升到14.14uA。

    b、此时的集电极电流就会由1mA上升到1.414mA。集电极电阻上的电压就会由5V增加到7.07V。集电极与地之间的电压就会由5V减少到2.93V。

c、正半周的输入电压，会导致集电极电压下降2.07V。

2、当输入交流电压为 -10mV 的时候

    a、基极到发射极之间的电压由0.7V下降到0.69V。基极电流由10uA下降到0.707uA。

b、此时的集电极电流就会由1mA下降到0.707mA。集电极电阻上的电压就会由5V减小到3.535V。集电极与地之间的电压就会由5V上升到6.465V。

c、负半周的输入电压，会导致集电极电压发生上升1.465V。

3、放大器的参数

a、电压放大倍数Av=Ucpp/Uipp=(6.465V-2.93V)/(20mV)=176倍。

b、输入阻抗Zi=Uipp/Ibpp=(0.71V-0.69V)/(1.414uA-0.707Ua)=2.9KΩ

c、最大允许输入电压Uip

当输入交流电压为 +20mV的时候

基极到发射极之间的电压由0.7V上升到0.72V。基极电流就会增大一倍；由10uA上升到20uA。

此时的集电极电流也随之增大一倍；由1mA上升到2mA。集电极电阻上的电压也会增大一倍；由5V增加到10V。于是+20mV的正半周的输入电压使集电极与地之间的电压由5V减小到0V。

当输入交流电压大于+20mV的时候，集电极与地之间的电压已没有继续减小的余地。于是便会出现失真。

由此可见：

1、共发射极放大器，输出电压与输入电压相比被放大了。

2、输入电压与输出电压的相位相反。

三、最大输出动态范围的概念

    如图所示：

1、条件：

a、基极静态电流为10uA

b、三极管β=100

c、集电极静态电流为1mA

d、集电极电阻取5KΩ时，集电极电阻上的电压=5KΩ*1mA=5V，等于电源电压的一半。此时集电极的电压也等于6V，也等于电源电压的一半。

2、动态分析

a、当基极电流增加到20uA的时候，集电极电流等于2mA，集电极电阻上的电压=5KΩ×2mA=10V，此时集电极的电压等于0V。当基极电流大于20uA的时候，集电极电流本来应当大于2mA，但因为电源电压的只有10V，集电极电阻上的电压不可能大于10V；集电极电阻上的电流也就不会大于2mA，集电极的电压也不可能低于0V。所以集电极电压向下变化的最大范围为5V。

b、当基极电流减小到0uA的时候，集电极电流也等于0mA，集电极电阻上的电压=5KΩ×0mA=0V，此时集电极的电压等于10V。基极电流不可能小于0uA，集电极电阻上的电压也不可能小于0V、也因为电源电压只有10V，集电极电压最大只能达到10V；所以集电极电压向上变化的最大范围为5V。

c、最大允许输入电压Uip

当集电极静态电压为电源电压一半；输入交流电压为 +20mV的时候

若基极到发射极之间的电压由0.7V上升到0.72V。基极电流就会增大一倍；由10uA上升到20uA。

此时的集电极电流也随之增大一倍；由1mA上升到2mA。集电极电阻上的电压也会增大一倍；由5V增加到10V。于是+20mV的正半周的输入电压使集电极与地之间的电压由5V减小到0V。

当输入交流电压大于+20mV的时候，集电极与地之间的电压已没有继续减小的余地。于是便会出现失真。

    所以

1、当集电极静态电压为电源电压一半的时候，集电极电压向上和向下变化各有一半电源电压的变化余地。

2、而当集电极静态电压不是电源电压一半的时候，集电极电压向上和向下变化；总有一个方向不到一半电源电压的变化余地。

3、当集电极静态电压为电源电压一半的时候，若要不显著失真的放大交流信号，三极管的基极发射极之间输入的交流电压峰值最大不允许超过20mV。因为基极发射极事件的电压如果增加20毫伏，基极电流就会增加一倍，集电极电流也会因此增加一倍，从而导致集电极电阻上的电压发生一倍的变化（再也没有增大的余地了）。

4、当输入交流电压大于+20mV的时候，输出电压便会出现明显的饱和失真。

    结论：

把共发射极放大器集电极静态电压设计为电源电压的一半，可以获得最大输出电压动态范围。也是设计共发射极放大器的基本原则。

四、最佳静态工作点的设计元件参数的计算

例一

规定的条件：E=12V  β=100  Ic=1mA

1、基极电阻Rb的计算方法

∵电源电压E=12V    ∵集电极电流Ic=1mA  ∴基极电流Ib=Ic/β=10uA  ∴基极电阻Rb=URb/Ib=(12V-0.7V)÷10uA=1130KΩ

∴Rb=URb/Ib= URb/(Ic×β)

2、集电极电阻Rc的计算方法

∵集电极静态电压应当设计为电源电压的一半

∴Uc=0.5E=6V         ∴URc=E-Uc=12V-6V=6V

∴Rc=6V/1mA=6KΩ     ∴Rc=0.5E/Ic

例二

规定条件：E=8VIc=4mA   β=200

1、基极电阻Rb的计算方法

       ∵电源电压E=8V    ∵集电极电流Ic=4mA

       ∴基极电流Ib=Ic/β=20uA    ∴基极电阻Rb=(8V-0.7V) /20uA=365KΩ

Rb=URb/Ib= βURb/Ic

2、集电极电阻Rc的计算方法

∵集电极静态电压应当设计为电源电压的一半

∴Uc=0.5E=4V

∴URc=8V-4V=4V

∴URc=4V/4Ma=1KΩ

Rc=0.5EIc