电子技术基础半导体三极管及其放大电路.docx

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电子技术基础半导体三极管及其放大电路

教案用纸

学

科

电子技术基础

第二章半导体三极管及其放大电路

第一节半导体三极管

审批签字

授课时数

4

授课方法

讲授，示范

授课时间

09.09.15

授课班级

08数控

教学目的

使学生熟悉半导体三极管，识别半导体三极管，熟练掌握三极管的特性。

教学重点

和难点

三极管的结构，三极管的电流放大作用。

复习提问

二极管的特性是什么？

教具

三极管

课外作业题号

3，4

教学内容、方法和过程

附记

一、组织教学

二、前课复习：

二极管的单向导电性。

三、新课导入：

三极管是电子电路中常见的器件，主要用在放大器中。

四、新课讲解：

详见附页

五、知识点总结回顾

§2-1半导体三极管

一、三极管的结构、符号和类型

1、结构和符号

利用不同的掺杂方式在同一块硅或锗基片上，制造出能够形成两个PN结的三个掺杂区，就构成了半导体三极管。

三极管有三个半导体区，分别称为发射区、基区和集电区，从三个区引出的三个电极分别为：

发射极、基极和集电极，分别用符号E、B、C或e、b、c表示。

发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。

按照两个PN结的组合方式不同，三极管可分为NPN型和PNP型两种，结构如图所示。

NPN型三极管PNP型三极管

2、分类

三极管种类很多，按不同的分类方法可分多种：

按照频率可分为：

高频管和低频管；

按照功率可分为大功率管、中功率管和小功率管；

按照材料可分为硅管和锗管；

按照构成三极管的三个掺杂区的不同，可分为NPN型和PNP型。

二、三极管的电流放大作用

三极管具有电流放大作用。

1、三极管的工作电压

三极管要实现放大，必须满足一定的外部条件：

发射结正偏，集电结反偏。

2、三极管的电流放大作用

三极管电流放大作用所需具备的外部条件：

发射结正偏，集电结反偏。

三极管电流放大的实质是：

用较小的基极电流控制较大大集电极电流。

三、三极管的特性曲线

三极管各极上的电压和电流之间的关系，可通过伏安特性曲线直观地描述。

三极管的特性曲线主要有输入特性曲线和输出特性曲线两种。

1、输入特性曲线

三极管的输入特性曲线是指当三极管集电极发射极之间电压UCE一定的情况下，输入回路的基极电流与基-射电压之间的关系曲线。

从图可以看出三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似，只有当发射结的正向电压UBE大于死区电压是才产生基极电流IB，这时三极管处于正常放大状态，发射结两端电压为UBE。

2、输出特性曲线

三极管的输出特性曲线是指当三极管基极电流IB一定的情况下，输出回路的集电极电流与集电极发射极电压UCE之间的关系曲线。

三极管的输出特性曲线，分为三个工作区：

截止区、放大区和饱和区。

1）截止区：

三极管的发射结处于反偏或者零偏，集电结处于反偏时，该三极管工作在截止区。

2）放大区：

三极管的发射结处于正偏，集电结处于反偏时，该三极管工作在放大区。

3）饱和区：

三极管的发射结处于正偏，集电结也处于正偏时，该三极管工作在饱和区；

当三极管的发射结处于正偏，集电结处于零偏时，该三极管工作在临界饱和状态。

对于NPN三极管：

工作于放大区时，UC>UB>UE；工作于截止区时，UB≤UE；工作于饱和区时，UC≤UB。

PNP型三极管与之相反。

（a）输入特性曲线（b）输出特性曲线

在不同的电子电路中三极管的工作状态不同。

模拟电子电路中，三极管大多工作在放大状态，作为放大管使用；在数字电子电路中，三极管大多工作在饱和或截止状态，作为开关管使用。

看课本16~17页例2-1，例2-2。

四、三极管主要参数

1、电流放大系数

1）共射直流电流放大系数：

hEF=IC/IB

2）共射交流电流放大系数：

β=ΔIC/ΔIB

2、极间反向电流

1）集电极基极间反向饱和电流ICBO：

是指发射极e开路时，集电结在反向电压作用下，集电极基极之间由少子漂移运动形成的反向饱和电流。

2）集电极发射极间反向饱和电流ICEO：

是指基极b开路时，集电极和发射极之间的穿透电流。

3、极限参数

1）集电极最大允许电流ICM。

2）集电极发射极间反向击穿电压U（BR）CEO:

基极开路时，加在集-射之间的反向击穿电压。

3）集电极最大耗散功率PCM。

五、三极管的识别和简单测试

1、三极管的识别

三极管的三根引脚是有一定规律的，根据这一规律，可以方便地识别管脚极性。

参照课本18页表2-8。

2、三极管的测试

可以利用万用表判别三极管的管型、管脚极性，估测三极管的ICBO、β值。

参照课本19~20页表2-9，2-10。

六、总结回顾

三极管放大的条件是发射结正偏，集电结反偏；放大的实质是用较小的基极电流控制较大的集电极电流。

三极管有三个工作区：

分别是放大区、饱和区、截止区。

教案用纸

学

科

电子技术基础

第二章半导体三极管及其放大电路

第二节共射极基本放大电路

审批签字

授课时数

2

授课方法

讲授，示范

授课时间

2009.10.22

授课班级

08数控

教学目的

理解共射极放大电路的组成及工作原理，掌握放大电路的分析方法，能够正确估算基本放大电路的静态工作点和动态技术指标，理解静态工作点、放大失真、输入电阻和输出电阻等基本概念和意义，了解稳定静态工作点的必要性及稳定方法。

教学重点

和难点

重点：

基本共射放大电路的工作原理、分析计算方法、特点；

难点：

基本共射放大电路的分析方法。

复习提问

三极管的工作状态？

三极管放大的外部条件是什么？

教具

示波器，电路模块

课外作业题号

8，9，10

教学内容、方法和过程

附记

一、组织教学

二、前课复习：

三极管有三个电极是发射极，基极和集电极；有三种工作状态，分别是放大、截止和饱和状态。

三极管工作在放大状态的外部条件是发射极正偏，集电结反偏。

放大的实质是用较小的基极电流控制较大大集电极电流。

三、新课导入：

放大电路是电子设备中常用的一种基本单元电路，它是利用半导体三极管的电流控制作用，把信号源传来的微弱电信号不失真地放大到所需数值

四、新课讲解：

详见附页

五、知识点总结回顾

§2-2共射极基本放大电路

一、概述

1．概念

电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。

这里所讲的主要是电压放大电路。

2．分类

放大电路种类繁多，可按照不同的方法进行分类。

1）按信号的大小分：

小信号放大器和大信号放大器；

2）按所放大的信号的频率分：

直流放大器、低频放大器和高频放大器；

3）按三极管连接方式分：

共射极放大器、共集电极放大器和共基极放大器；

4）按元件的集约程度来分：

分立元件放大器和集成放大器。

二、共射极基本放大电路的组成及工作原理

1．共射极基本放大电路的组成及各元件的作用

共射放大电路的组成如图。

放大电路各元件的作用

三极管：

具有电流放大作用，是放大电路的核心

直流电源：

为电路提供能源和工作电压

基极电阻：

为电路提供静态偏流

集电极电阻：

将三极管的电流放大作用变换成电压放大作用

耦合电容：

隔直流、通交流

2．放大器中电压、电流符号及正方向的规定

在没有信号输入时，放大电路中三极管各极电压电流均为直流，当有信号输入时，电路中的电压和电流是两个电源单独作用时产生的电压、电流的叠加量。

3．静态工作点的设置

1）静态工作点

静态工作点指的是放大器在没有交流信号输入时的工作状态。

这时三极管的基极电流IB、集电极电流IC、基极与发射极之间的电压UBE和集电极与发射极间电压UCE的值叫静态值。

这些静态值分别在输入、输出特性曲线上对应着一点Q，称为静态工作点，简称Q点。

2）静态工作点的作用

放大器要能正常工作，必须有一个合适的静态工作点，首先有一个合适的偏置电流（简称“偏流”）IBQ。

放大器必须设置合适的静态工作点，这是放大器不失真的前提条件。

4．工作原理

1）在输入信号ui=0时，输出信号uo=0。

这时，在直流电源电压UCC的作用下，通过RB产生了IBQ，经三极管的电流放大作用，转换为ICQ，ICQ通过RC在c极和e极间产生了UCEQ。

IBQ、ICQ、UCEQ均为直流量，即静态工作点。

2）若输入信号电压ui，通过电容C1送到三极管的基极和发射极之间与直流电压UBEQ相叠加。

三、共射放大电路的分析方法

对放大电路进行分析，常用的方法是近似估算法和图解分析法。

1．近似估算法

利用公式通过近似计算来分析放大器性能的方法称为近似估算法。

1）近似估算放大器的静态工作点

①画直流通路

直流通路是指直流信号流经的路径。

因电容具有隔直流通交流的作用，所以在画直流通路时，把电容看作断路，如下图。

a）共射基本放大电路b）直流通路

图2-16放大电路

②求静态工作点

由直流通路可推出有关近似估算静态工作点的公式。

基极偏置电流：

静态集电极电流：

静态集电极电压：

2）近似估算放大器的输入电阻、输出电阻和电压放大倍数

①画交流通路；

交流通路是指交流信号流通的路径。

在画交流通路时，因电容通交流，而直流电源的内阻又很小，所以把电容和直流电源都视为短路，如下图。

a）电路图b）交流通路

图2-17放大电路的等效电路

②画交流等效电路；

当静态工作点合适时，若输入为低频小信号，三极管基极b和发射极e间用线性电阻rbe来等效，集电极c和发射极e间可等效为一恒流源，恒流源的大小为βib，方向与集电极电流ic的方向相同。

交流等效通路

③求交流性能。

●输入电阻Ri

输入电阻是指从输入端看进去的交流等效电阻。

从等效电路可以看出Ri≈RB∥rbe

因为RB＞＞rbe

所以Ri≈rbe

●输出电阻Ro

对负载来说，放大器相当于一个具有内阻的信号源，这个内阻就是放大器的输出电阻。

从等效电路看，RC等效电流源的内阻，所以Ro≈RC

●电压放大倍数Au

放大器的放大倍数是输出电压uo与输入电压ui的比值。

即：

输入信号：

ui=ibrbe

输出信号：

uo=-icRL′

代入上式求得：

Au=-

当放大电路不带负载（即空载）时，上式中的

=RC，即放大电路空载时电压放大倍数Au=-

看课本28页例2-3，求静态工作点，输入电阻输出电阻。

2．图解分析法

利用三极管的输入、输出特性曲线和电路参数，通过作图来分析放大器性能的方法，称为图解分析法，简称图解法。

1）图解法分析放大器的静态工作点

（1）在ic、uce平面坐标上作出晶体管的输出特性曲线。

（2）根据直流通路列出放大电路直流输出回路的电压方程式：

UCE=UCC－ICRC

（3）根据电压方程式，在输出特性曲线所在坐标平面上作直流负载线。

因为两点可决定一条直线，所以分别取（IC=0，UCE=UCC）和（UCE=0，IC=EC/Rc）两点，这两点也就是横轴和纵轴的截距，连接两点，便得到直流负载线。

（4）根据直流通路中的输入回路方程求出IBQ。

（5）找出IB=IBQ这一条输出特性曲线，该曲线与直流负载线的交点即为Q点（静态工作点），该Q点直观地反映了静态工作点（IBQ、ICQ、UCQ）的三个值。

即为所求静态工作点的值。

直流通路图解静态工作点

2）静态工作点的调整

静态工作点的位置与UCC、RB、RC大小有关，这三个参数中任一个改变，静态工作点都将发生改变。

在实际应用中一般在RC、UCC一定的情况下，调整静态工作点是通过改变RB的阻值来改变。

3）图解法分析放大器动态性能

做交流负载线，而后根据输入信号解析动态性能。

放大器动态图解分析

教案用纸

学

科

电子技术基础

第二章半导体三极管及其放大电路

第三节分压式射极偏置电路

审批签字

授课时数

2

授课方法

讲授

授课时间

2009.09.22

授课班级

08数控

教学目的

使学生掌握静态工作点的稳定措施

教学重点

和难点

重点：

分压式射极偏置电路的结构特点，静态工作点稳定原理，静态工作点的估算。

难点：

静态工作点稳定原理。

复习提问

直流通路、交流通路的画法。

教具

课外作业题号

10，12

教学内容、方法和过程

附记

一、组织教学

二、前课复习：

基本共射放大器的直流通路和交流通路及其静态工作点的估算。

三、新课导入：

基本共射电路静态工作点容易受到环境的影响，为此引入了分压式射极偏置电路。

四、新课讲解：

详见附页

五、知识点总结回顾

§2—3分压式射极偏置电路

一、影响静态工作点的主要因素

为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。

但是，当环境温度变化、电源电压波动或更换晶体管时，都会使原来的静态工作点改变。

温度的变化严重影响静态工作点。

对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。

要使在温度变化时，保持静态工作点不变，可采用分压式射极偏置电路。

二、分压式偏置电路

如图2-28a所示，为分压式射极偏置电路。

a）分压式偏置电路b）直流通路c）交流通路

图2-28分压式射极偏置电路

1．电路结构特点

与前面介绍的共射基本放大电路的区别在于：

三极管基极接了两个分压电阻RB1、RB2，发射极串联了电阻RE和电容CE。

（1）利用上偏置电阻RB1和下偏置电阻RB2组成串联分压器，为基极提供稳定的静态工作电压UBQ。

其直流通路如图2-28b所示。

（2）利用发射极电阻RE，自动使静态工作电流IEQ稳定不变。

有以上所述，静态工作电流IEQ主要由外电路参数UCC、RB1和RE决定，与环境温度、三极管参数几乎无关。

2．静态工作点稳定原理

（1）直流通路如图2-28b所示，由基极电阻RB1、RB2分压而得到固定的基极电位UB。

设图中流过RB1、RB2的电流分别为I1、I2，则

温度升高

（2）由以上分析可知，该电路是利用发射极电阻Re的电流负反馈作用稳定静态工作点。

3．估算静态工作点

基极电位：

UBQ

静态发射极电流：

IEQ=UBQ/RE

静态集电极电流：

ICQ≈IEQ

静态偏置电流：

IBQ=ICQ/β

静态集电极电压：

UCEQ=UCC-ICQ（RC+RE）

4．输入电阻、输出电阻、电压放大倍数的计算

分压式偏置电路的交流通路（如图2-28c）与共射极基本放大电路的交流通路相似，等效电路也相似，其中RB=RB1∥RB2。

所以输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的估算方式完全相同。

课本36页例2-5估算静态工作点、输入电阻、输出电阻、电压放大倍数。

三、总结回顾

分压式射极偏置电路的构成及静态工作点稳定原理。

教案用纸

学

科

电子技术基础

第二章半导体三极管及其放大电路

第四节多极放大电路

审批签字

授课时数

2

授课方法

讲授

授课时间

2009.09.29

授课班级

08数控

教学目的

使学生了解多级放大电路的组成及其耦合方式。

教学重点

和难点

多级放大电路的耦合方式。

复习提问

分压式射极偏置电路的组成。

教具

课外作业题号

教学内容、方法和过程

附记

一、组织教学

二、前课复习：

分压式射极偏置电路的组成及静态工作点稳定原理。

三、新课导入：

在实际应用中，仅靠单级放大电路是不够的，为获得足够大的放大倍数,需将单级放大器串接,组成多级放大器。

多级放大电路由输入级、中间级和输出级三部分组成。

四、新课讲解：

详见附页

五、知识点总结回顾

§2-4多极放大电路

在实际应用中，仅靠单级放大电路是不够的，为获得足够大的放大倍数,需将单级放大器串接,组成多级放大器。

多级放大电路由输入级、中间级和输出级三部分组成。

图2-29多级放大电路的组成

一、多级放大电路的耦合方式

各级放大器之间的连接方式，叫做“耦合”。

放大器常见的级与级之间的耦合方式主要有：

直接耦合，阻容耦合，变压器耦合，光电耦合。

1．直接耦合方式

无耦合元器件，信号通过导线直接传递，可放大变化缓慢的信号。

（1）优点：

既可以放大交流信号，也可以放大变化非常缓慢（直流）的信号；电路简单，便于集成，所以集成电路中多采用这种耦合方式。

（2）缺点：

存在着各级静态工作点相互牵制和零点漂移这两个问题。

（第5章将讨论零点漂移问题。

2．阻容耦合方式

用容量足够大的耦合电容进行连接，传递交流信号。

（1）优点：

因电容具有“隔直”作用，所以各级电路的静态工作点相互独立，互不影响。

这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。

此外，还具有体积小、重量轻等优点。

（2）缺点：

因电容对交流信号具有一定的容抗，在信号传输过程中，会受到一定的衰减。

尤其对于变化缓慢的信号容抗很大，不便于传输。

此外，在集成电路中，制造大容量的电容很困难，所以这种耦合方式下的多级放大电路不便于集成

3．变压器耦合方式

通过变压器进行连接，将前级输出的信号通过变压器耦合到后级。

（1）优点：

因变压器不能传输直流信号，只能传输交流信号和进行阻抗变换，所以，各级电路的静态工作点相互独立，互不影响。

改变变压器的匝数比，容易实现阻抗变换，因而容易获得较大的输出功率。

（2）缺点：

变压器体积大而重，不便于集成。

同时频率特性差，也不能传送直流和变化非常缓慢的信号。

4．光电耦合方式

（1）以光电耦合器为媒介来实现电信号的耦合和传输

（2）光电耦合既可传输交流信号又可传输直流信号，而且抗干扰能力强，易于集成化。

二、多级放大器的近似估算

1．估算多级放大器的电压放大倍数Au

多级放大器的电压放大倍数Au等于各级电压放大h倍数之积，即对于一个n级放大器有：

Au=Au1Au2Au3……Aun

式中Au1、Au2、Aun为第一级、第二级、第n级电压放大倍数。

注意，这里所反应的各级放大倍数并不是孤立的，必须要考虑后级对前级的影响。

2．估算多级放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro

多级放大器的输入电阻等于第一级放大器的输入电阻Ri1

即：

Ri=Ri1

多级放大器的输出电阻Ro等于最后一级放大器的输出电阻Ron

即：

Ro=Ron

但计算输入输出电阻时，必须考虑级间的影响。

三、总结回顾

放大器级间耦合方式及其各自特点。

教案用纸

学

科

电子技术基础

第二章半导体三极管及其放大电路

第五节负反馈放大电路

审批签字

授课时数

2

授课方法

讲授

授课时间

2009.10.13

授课班级

08数控

教学目的

使学生能够正确判断电路中是否引入反馈以及反馈的类型，掌握四种负反馈放大电路的组态对放大电路性能的影响

教学重点

和难点

重点：

反馈的基本概念及其判断方法，负反馈放大电路的四种组态，负反馈对放大电路性能的影响。

难点：

反馈的判断

复习提问

多级放大电路级间有哪几种耦合方式？

教具

课外作业题号

12

教学内容、方法和过程

附记

一、组织教学

二、前课复习：

多级放大电路常见的级间耦合方式有四种，阻容耦合，变压器耦合，直接耦合和光电耦合。

三、新课导入：

放大电路中信号从输入端到输出端，但很多电路中，常将输出信号在反向传输到输入端，及反馈。

实用的放大电路几乎都采用反馈。

四、新课讲解：

详见附页

五、知识点总结回顾

§2-5负反馈放大电路

一、反馈的基本概念

1、反馈的定义

广义上讲，凡是将输出量送回到输入端，并且对输入量产生影响的过程都称为反馈。

放大电路中的反馈是指将放大的输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路，按照某种方式送回到放大器的输入回路中，并与输入信号叠加，从而改变放大器性能的一种方法。

反馈放大器的方框图

反馈放大器由基本放大电路和反馈网络两大部分组成。

2、反馈的分类

1）按反馈极性分：

正反馈和负反馈。

正反馈：

是输出量比无反馈时变大了，这种情况称正反馈。

正反馈使放大器的放大倍数增加。

负反馈：

是输出量比无反馈时变小了，这种情况称负反馈。

负反馈使放大器的放大倍数减小。

2）按反馈在输出回路的取样对象分：

电压反馈和电流反馈。

电压反馈：

反馈信号取自输出端负载两端的电压。

电流反馈：

反馈信号取自输出电流。

3）按反馈电路在输入端连接方式：

串联反馈和并联反馈。

串联反馈：

反馈电路与信号源相串联。

并联反馈：

反馈电路与信号源相并联。

二、反馈的判断

1、有无反馈的判断

判断一个电路是否有反馈，是通过分析电路是否存在反馈通路而进行的。

没有反馈通路，反馈不存在有反馈通路，并且反馈信号与输

入信号有叠加过程存在反馈

2、反馈极性的判断

反馈极性的判断采用瞬时极性法进行判断，具体步骤如下：

①先假设输入信号在某一瞬间对地为“+”；

②从输入端到输出端依次标出放大器各点的瞬时极性；

③将反馈信号的极性与输入信号的极性进行比较，确定反馈极性。

使净输入信号增大则为正反馈，若使净输入信号减小则为负反馈。

3、电压反馈和电流反馈的判断

看反馈电路在输出回路的连接方法，若反馈电路接在电压输出端为电压反馈，不接在电压输出端为电流反馈。

4、串联反馈和并联反馈的判断

看反馈电路在输入回路连接方法，若反馈电路接在输入端，为并联反馈，不接在输入端为串联反馈。

5、直流反馈和交流反馈的判断

在放大电路中存在直流分量和交流分量，若反馈回来的信号是直流量，则会对电路的直流性能产生影响（如静态工作点），称直流反馈。

若反馈回来的信号是交流量，则会对电路的交流性能产生影响（如A、Ri、R0），称交流反馈。

反馈电路中存在电容时，根据电容“隔直通交”特性进行判断。

直流负反馈稳定电路的静态工作点，交流负反馈可以改善电路的性能。

三、负反馈放大器的四种基本类型

1．电压串联负反馈

2．电压并联负反馈

3．电流串联负反馈

4．电流并联负反馈

课本43页例2-6判断电路的反馈类型。

四、负反馈对放大器性能的影响

1．提高放大倍数的稳定性

2．改善非线性失真

3．影响输入电阻和输出电阻

串联负反馈可以提高放大器的输入电阻。

并联负反馈可以减小放大器的输入电阻。

引入电流负反馈可提高放大器的输出电阻，稳定输出电流。

电压负反馈可减少输出电阻，稳定输出电压。

五、负反馈放大电路的特例——射极输出器

1．电路组成

2．射极输出器的特点

1）电压放大倍数接近于1

2）输出电压与输入电压相位相同

3）输入电阻很大

4）输出电阻很小

3．电路应用

射极输出器具有输入电阻很大，输出电阻很小及电压跟随作用，有一定的电流和功率放大作用，它的应用十分广泛。

1）用作多级放大电路的输入级

2）用