第二章三极管及放大电路基础.docx

1、第二章 三极管及放大电路基础第二章 三极管及放大电路基础教学重点1了解三极管的外形特征、伏安特性和主要参数。2在实践中能正确使用三极管。3理解放大的概念、放大电路主要性能指标、放大电路的基本构成和基本分析方法。4掌握共发射极放大电路的组成、工作原理，并能估算电路的静态工作点、放大倍数、输入和输出电阻等性能指标。5能搭建分压式放大电路，并调整静态工作点。教学难点1三极管的工作原理。2放大、动态和静态以及等效电路等概念的建立。3电路能否放大的判断。学时分配序号内 容学 时12.1三极管222.2三极管基本放大电路63技能实训单管低频放大电路的安装与调试44*2.3多级放大电路25本章总学时142.

2、1三极管2.1.1三极管的结构与符号通过实物认识常见的三极管三极管有三个电极，分别从三极管内部引出，其结构示意如图所示。按两个PN结组合方式的不同，三极管可分为PNP型、NPN型两类，其结构示意、电路符号和文字符号如图所示。PNP型 NPN型 有箭头的电极是发射极，箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向，由此可以判断管子是PNP型还是NPN型。三极管都可以用锗或硅两种材料制作，所以三极管又可分为锗三极管和硅三极管。2.1.2三极管中的电流分配和放大作用动画：三极管电流放大作用的示意做一做：三极管中电流的分配和放大作用观察分析实验参考数据：1）三极管各极电流分配关系：IE = IB + IC ，

3、IE ICIB2）基极电流和集电极电流之比基本为常量，该常量称为共发射极直流放大系数，定义为： 3）基极电流有微小的变化量iB，集电极电流就会产生较大的变化量iC，且电流变化量之比也基本为常量，该常量称为共发射交流放大系数，定义为： 1三极管的电流放大作用，实质上是用较小的基极电流信号控制较大的集电极电流信号，实现“以小控大”的作用。2三极管电流放大作用的实现需要外部提供直流偏置，即必须保证三极管发射结加正向电压（正偏），集电结加反向电压（反偏）。如图所示，电位关系应为VCVBVE。 PNP型三极管放大工作时，其电源电压VCC极性与NPN型管相反，这时，管子三个电极的电流方向也与NPN型管电流

4、方向相反，电位关系则为VEVBVC。2.1.3三极管的特性曲线三极管在电路应用时，有三种组态（连接方式），以基极为公共端的共基极组态、以发射极为公共端的共发射极组态和以集电极为公共端的共集电极组态，如图所示。 共发射极 共集电极 共基极由于三极管的接地方式不同，三极管的伏安特性也不同，其中共发射极（简称共射）特性曲线是最常用的。演示实验：用晶体管特性图示仪测得的共射输入和输出特性曲线1共射输入特性曲线当UCE为某一定值时，基极电流iB和发射结电压 uBE之间的关系曲线入下图所示。当UCE=0时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性相似，存在死区电压Uon（也称开启电压），硅管Uon0.5V，锗管

5、约0.1V。只有当UBE大于Uon时，基极电流iB才会上升，三极管正常导通。硅管导通电压约0.7V，锗管约0.3V。随着UCE的增大输入特性曲线右移，但当UCE超过一定数值（UCE1）后，曲线不再明显右移而基本重合。2共射输出特性曲线在基极电流IB为一常量的情况下，集电极电流iC和管压降uCE之间的关系曲线入下图所示。1）截止区 IB=0曲线以下的区域称为截止区。2）饱和区 uCE较小的区域称为饱和区。三极管饱和时的uCE值称为饱和电压降UCES，小功率硅管约为0.3V，锗管约为0.1V。3）放大区 一族与横轴平行的曲线，且各条曲线距离近似相等的区域称为放大区。此时，表现出三极管放大时的两个特

6、性：电流受控，即iC=iB；恒流特性，只要IB一定，iC基本不随uCE变化而变化。例：如图说示是某三极管的输出特性曲线，从曲线上可以大致确定该三极管在UCE=6.5V，IB=60A（b点）附近的和值。解：在图示的输出特性曲线上作UCE=6.5V 的垂线，与IB=60A的输出特性曲线交于 b点，由此可得该点对应的 2.1.4三极管的使用常识上网查找：三极管的型号、主要用途、主要参数和器件的外形尺寸与引脚排列。做一做：小功率三极管检测1）三极管基极和类型判断2）三极管引脚的判断和值估测3）三极管性能简易判断1三极管选用选用三极管时，具体应从以下几个方面考虑：（1）三极管的使用频率工程设计中一般要求

7、三极管的fT高于电路工作频率3倍以上。（2）三极管工作的安全性对于工作在大电流场合的三极管，如驱动继电器等，应保证集电极工作电流ICICM。对于工作在大功率场合的三极管，使三极管额定消耗功率PCPCM。同时，大功率三极管在使用时，因功耗较大，应按要求加装一定规格尺寸的散热片。（3）小功率的三极管U（BR）CEO可以根据电路的电源电压来确定。一般情况下，只要使电路电源的最高电压U（BR）CEO即可。（4）在换用三极管时，也应注意替换三极管的极限参数、材料和管型，以及性能等。课外阅读：光电三极管2.2三极管基本放大电路2.2.1共发射极基本放大电路以三极管为核心的基本放大电路，输入信号ui从三极管

8、的基极和发射极之间输入，放大后输出信号uo从三极管的集电极和发射极之间输出，发射极是输入、输出回路的公共端，故称该电路为共发射极基本放大电路。双电源 单电源（习惯画法）符号元器件名称元器件作用示意VT三极管实现电流放大RB基极偏置电阻提供偏置电压RC集电极负载电阻提供集电极电流通路，将放大的集电极电流变化转换成集电极电压变化C1输出耦合电容把放大后的交流信号畅通地传送给负载C2输入耦合电容使信号源的交流信号畅通地传送到放大电路输入端2.2.2静态工作点和放大原理电压、电流符号规定如下：UBEUCEIBIC直流分量电压、电流uiuoibic交流分量电压、电流的瞬时值uBEuCEiBiCt直流分量

9、和交流分量的叠加，如iB= ib+ IBUiUoIiIo交流分量电压、电流的有效值UimUomIimIom交流分量电压、电流的最大值1静态工作点（1）静态电路在没有输入信号（即输入端短路），只有直流电源单独作用下的直流工作状态。（2）静态工作点放大电路在静态时，三极管各级电压和电流在输入、输出特性曲线上可以确定一个如图所示的坐标点Q。Q点处的直流电流、电压习惯上用IBQ、ICQ、IEQ、UBEQ和UCEQ表示。 （a）输入特性曲线 （b）输出特性曲线2共射放大电路工作过程动态在放大电路中加入输入信号ui后，三极管各极电压、电流大小均在直流量的基础上，叠加了一个随ui变化而发生变化的交流量，这时

10、电路处于动态工作状态。动画：共发射极放大电路各极电压、电流的工作波形做一做：静态工作点对放大电路的影响（a）工作点合适 （b）工作点过低 （c）工作点过高3静态工作点不合适会造成输出波形失真1）饱和失真2）截止失真做一做：温度对静态工作点的影响电路评价：共射基本放大电路结构简单，只要电源VCC和基极偏置电阻Rb固定，IB也就固定了。所以又称为固定偏置放大电路。固定偏置放大电路的静态工作点变动到不合适的位置时将引起放大信号失真。因而实际应用中放大电路必须能自动稳定工作点，以保证尽可能大的输出动态范围和避免输出信号失真。2.2.3工作点稳定的三极管放大电路1分压式偏置放大电路的组成Rb1 、Rb2

11、分别为上、下偏置电阻， Vcc通过Rb1 和Rb2分压后，为三极管VT提供基极偏置电压。Re为发射极电阻，起稳定静态工作点作用。Ce称为射极旁路电容，由于Ce容量较大，对交流信号来讲，相当于短路，从而减小了电阻Re对交流信号放大能力的影响。2稳定静态工作点的过程B点电位UBQ为：分压式偏置放大电路的基极电压由Rb1、Rb2分压决定，而与三极管的参数无关。当温度升高，分压式偏置放大电路稳定工作点的过程可表示为：T（温度）（或）ICQIEQUEQUBEQIBQICQ。在上述稳定静态工作点的过程中，发射极电阻Re起着重要的反馈作用。当输出回路电流IC发生变化时，通过Re上的电压变化来影响b-e间的电

12、压，从而使基极电流IB向相反方向变化，从而抑制了集电极电流ICQ的增大，自动稳定了电路的静态工作点。2.2.4 放大电路的分析1静态分析（1）直流通路 是放大电路在Ui=0，仅VCC作用下直流电流所流过的路径。画直流通路的原则：1）输入信号ui短路2）电容视为开路（电容所在支路断开）。3）电感视为短路例：单级共射放大电路直流通路 （2）估算静态工作点 根据放大电路的直流通路求IBQ、ICQ、IEQ、和UCEQ这四个量。由上图所示的直流通路，可以得到固定偏置放大电路的静态工作点计算公式2动态分析（1）动态性能指标1）放大倍数2）输入电阻Ri3）输出电阻Ro（2）交流通路 放大电路在VCC=0，仅

13、ui作用下交流电流所流过的路径。画交流通路的原则：1）由于耦合电容容量大，所有耦合电容视为通路。2）电源电压对地短路。例：单级共射放大电路交流通路 （3）估算主要性能指标 根据放大电路的交流通路求Au、Ri和Ro这些主要参数。在上图固定偏置放大电路的交流通路中，三极管b、e之间存在一个等效电阻rbe通常用下式近似计算1）电压放大倍数Au根据放大倍数的定义，从电路的交流通路上可得故电压放大倍数为2）输入电阻RiRi是从放大电路的输入端看进去的等效电阻， Ui=Ii Rb/rbe。所以输入电阻为3）输出电阻Ro根据输出电阻Ro的定义， Ro是从放大电路输出端（负载RL之前）看进去的等效内阻。可以看

14、出Ro=Rc例：在如图所示电路中，已知VCC=12V，Rb=300k，Rc=3 k，RL=3 k，Rs=3 k，=50，试求：1）RL接入和断开两种情况下电路的电压放大倍数Au；2）输入电阻Ri和Ro。解：先求静态工作点然后求三极管的动态输入电阻1）RL接入时的电压放大倍数Au： RL断开时的电压放大倍数Au： 2）输入电阻Ri为： 3）输出电阻Ro为：Ro=Rc=3k技能实训：单管低频放大电路安装与调试作业任务书一、任务目标 1学会搭建单级共射放大电路。2熟悉常用电子仪器设备和模拟电路装置的使用。3学会放大电路静态工作点的调试方法。4掌握放大电路电压放大倍数测试方法。二、实训步骤 清点元器件

15、元器件检测按图搭建单级共射放大电路通电前检查通电调试测试数据记录数据分析。共射放大电路 三、调试与记录 1调试静态工作点接通电源前，先将RP调至最大，函数信号发生器输出旋钮至零。（1）接通+12V电源，调节RP，使IC=2.0mA。（2）用万用表测量UB、UE、UC和Rb2（Rb2+RP）的值。将调试数据填入表中。静态工作点测试记录（IC=2.0mA）测量值计算值UB/VUE/VUC/VRb2/kUBE/VUCE/VIC/mA2测量电压放大倍数（1）在上述调整放大电路的输入端加入频率为1kHz正弦信号ui，调节函数信号发生器输出旋钮使放大器输入信号Ui=10mV。（2）用示波器观察放大器输出电

16、压uo的波形。（3）在波形不失真的条件下，用交流毫伏表测量以下三种情况下的Uo值，并将测量结果填入表中。电压放大倍数测量记录（Ui=10mV，f=1kHz）Rc/kRL/kUoAuRC=2.4 k、RL=2.4k时uo和ui波形2.41.22.42.43观察静态工作点对电压放大倍数的影响。RC=2.4k，RL =，Ui=20mV。（1）调节RP，并用示波器观察uo波形。（2）在保持输出不失真的情况下，测量不同工作点上的电压放大倍数Au，并将测量结果填入表中。不同工作点上Au的测量测量项目第一次第二次第三次第四次第五次测试条件：Rc=2.4k，RL =，Ui=20mVIC/mA2.0Uo/VAu

17、注意：测量IC时，必须将函数信号发生器输出旋钮置于零。4观察静态工作点对输出波形失真的影响。使电路中RC=2.4k，RL=2.4k，ui=0。（1）调节RP使IC=2.0mA，测量UCE值。逐步加大输入信号ui，使输出信号uo足够大且不失真。（2）保持输入信号不变，改变RP，以增大和减小IC ，使输出波形失真。（3）测量失真情况下的IC、UCE，将测量结果填入表中，并绘制不同情况下uo的失真波形。静态工作点对输出波形影响测试记录分析判断IC/mAUCE/Vuo波形失真三极管的工作状态IC减小IC=2.02.0IC增大 四、问题讨论1总结放大电路静态工作点及负载的变化，对放大电路的电压放大倍数及

18、输出波形的影响。2在什么情况下输出波形会出现正或负半周失真？如何获得最大不失真输出？3在实验测量中，为什么所有仪器的公共端（接地端）要连接在一起？*2.3多级放大电路多级放大电路的组成如下图所示。输入和中间级的任务是电压放大，根据需要将微弱的信号放大到足够大，为输出级提供所需要的输入信号；输出级一般为功率放大电路，驱动负载动作。2.3.1多级放大电路的耦合方式多级放大电路中级与级之间的连接称为耦合，耦合方式就是指连接方式。常用的耦合方式有：阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种。课外阅读：光电耦合2.3.2阻容耦合放大电路对放大信号而言，多级放大电路的前一级输出信号就是后一级的输入信号，所以可将后

19、级放大电路的输入电阻视为前级电路的负载。两级放大电路框图如图所示，1电压放大倍数是每级“有载电压放大倍数”。所谓“有载电压放大倍数”是指接上后级时的电压放大倍数，即在计算每级电压放大倍数时，一定要把后级的输入电阻作为前级的负载电阻。一般将用分贝表示的放大倍数称为增益，用G表示。功率增益GP定义为： 如果输入电阻和输出电阻相等，则电压增益Gu为： 若用分贝（dB）表示，则多级放大总增益为各级增益的代数和，即：+2输入和输出电阻（1）输入电阻由于输入级连接着信号源，它的主要任务是从信号源获得输入信号。多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻，即（2）输出电阻多级放大电路的输出级就是电路的最后一级

20、，其作用是推动负载工作。多级放大电路的输出电阻就是输出级的输出电阻，即。3幅频特性（1）幅频特性基本概念电路电压放大倍数的幅度与频率的关系称为放大电路的幅频特性，可用幅频特性曲线表示，如图所示。 阻容耦合放大电路的幅频特性工程上将放大倍数下降到Aum的倍时，所对应的低端频率fL称为下限频率，高端频率fH称为上限频率。fL与 fH之间的频率范围称为通频带，用BW表示，则BW= fHfL（2）影响通频带的因素引起低频段放大倍数下降的主要因素是级间耦合电容和旁路电容的容抗作用。造成高频段放大倍数下降的主要因素是三极管结电容和电路分布电容的影响。电路评价：多级放大电路的级间耦合方式应能保证信号在级与级之间顺利传输，但耦合后各级电路仍具有合适的静态工作点。把若干级放大电路级联起来，就可以很容易得到非常大的放大倍数。但电路放大倍数过大时，难以实现稳定的放大，这时需要加入负反馈，才能做到稳定的放大。