三極管及放大電路基礎(chǔ)

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能配套多媒體CAI課件 電子教案第二章 三極管及放大電路基礎(chǔ)教學(xué)重點(diǎn)1了解三極管的外形特征、伏安特性和主要參數(shù)。2在實(shí)踐中能正確使用三極管。3理解放大的概念、放大電路主要性能指標(biāo)、放大電路的基本構(gòu)成和基本分析方法。4掌握共發(fā)射極放大電路的組成、工作原理，并能估算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻等性能指標(biāo)。5能搭建分壓式放大電路，并調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。教學(xué)難點(diǎn)1三極管的工作原理。2放大、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)以及等效電路等概念的建立。3電路能否放大的判斷。學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi) 容學(xué) 時(shí)12.1三極管222.2三極管基本放大電路63技能實(shí)訓(xùn)單管低頻放大電路的安裝與調(diào)試44*2.3多級(jí)放大電路2

2、5本章總學(xué)時(shí)142.1三極管2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)通過實(shí)物認(rèn)識(shí)常見的三極管三極管有三個(gè)電極，分別從三極管內(nèi)部引出，其結(jié)構(gòu)示意如圖所示。發(fā)射結(jié) 集電區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū)發(fā)射極 e 基極 b 集電極 c PNP集電結(jié)發(fā)射極 e 基極 b 集電極 c NPNbecVT發(fā)射極 e 基極 b 集電極 c PNPbecVT按兩個(gè)PN結(jié)組合方式的不同，三極管可分為PNP型、NPN型兩類，其結(jié)構(gòu)示意、電路符號(hào)和文字符號(hào)如圖所示。PNP型 NPN型 有箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)的電流方向，由此可以判斷管子是PNP型還是NPN型。三極管都可以用鍺或硅兩種材料制作，所以三極管又可分為鍺三極管

3、和硅三極管。2.1.2三極管中的電流分配和放大作用動(dòng)畫：三極管電流放大作用的示意IeeIccIbb細(xì)粗做一做：三極管中電流的分配和放大作用觀察分析實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)：1）三極管各極電流分配關(guān)系：IE = IB + IC ，IE ICIB2）基極電流和集電極電流之比基本為常量，該常量稱為共發(fā)射極直流放大系數(shù)，定義為：3）基極電流有微小的變化量iB，集電極電流就會(huì)產(chǎn)生較大的變化量iC，且電流變化量之比也基本為常量，該常量稱為共發(fā)射交流放大系數(shù)，定義為：1三極管的電流放大作用，實(shí)質(zhì)上是用較小的基極電流信號(hào)控制較大的集電極電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)“以小控大”的作用。2三極管電流放大作用的實(shí)現(xiàn)需要外部提供直流偏置，即必

4、須保證三極管發(fā)射結(jié)加正向電壓（正偏），集電結(jié)加反向電壓（反偏）。如圖所示，電位關(guān)系應(yīng)為VC>VB>VE。 RbRcVTVCCVBBICIBIEcbe PNP型三極管放大工作時(shí)，其電源電壓VCC極性與NPN型管相反，這時(shí)，管子三個(gè)電極的電流方向也與NPN型管電流方向相反，電位關(guān)系則為VE>VB>VC。2.1.3三極管的特性曲線三極管在電路應(yīng)用時(shí)，有三種組態(tài)（連接方式），以基極為公共端的共基極組態(tài)、以發(fā)射極為公共端的共發(fā)射極組態(tài)和以集電極為公共端的共集電極組態(tài)，如圖所示。uiuobce+_+_ uiuobce+_+_ uiuoecb+_+_共發(fā)射極 共集電極 共基極由于三極

5、管的接地方式不同，三極管的伏安特性也不同，其中共發(fā)射極（簡稱共射）特性曲線是最常用的。演示實(shí)驗(yàn)：用晶體管特性圖示儀測得的共射輸入和輸出特性曲線1共射輸入特性曲線當(dāng)UCE為某一定值時(shí)，基極電流iB和發(fā)射結(jié)電壓 uBE之間的關(guān)系曲線入下圖所示。UCE1V0.2uBE/V0.40.60.8201000806040iB/mAUCE=0V輸入特性曲線當(dāng)UCE=0時(shí)，輸入特性曲線與二極管的正向伏安特性相似，存在死區(qū)電壓Uon（也稱開啟電壓），硅管Uon0.5V，鍺管約0.1V。只有當(dāng)UBE大于Uon時(shí)，基極電流iB才會(huì)上升，三極管正常導(dǎo)通。硅管導(dǎo)通電壓約0.7V，鍺管約0.3V。隨著UCE的增大輸入特性曲

6、線右移，但當(dāng)UCE超過一定數(shù)值（UCE>1）后，曲線不再明顯右移而基本重合。2共射輸出特性曲線在基極電流IB為一常量的情況下，集電極電流iC和管壓降uCE之間的關(guān)系曲線入下圖所示。IB=0IB=20mAIB=40mAIB=60mAIB=80mAIB=100mA14325uCE/ViC/ mA1234056當(dāng)UCE大于一定數(shù)值時(shí)，iC只與iB有關(guān)，IC=bIB, 且iC= iB。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。此區(qū)域中IB=0 , IC=ICEO , UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。此區(qū)域中UCE<UBE,集電結(jié)正偏，iB>iC，這時(shí)UCE»0.3V，稱為飽和區(qū)。1）截止區(qū)

7、 IB=0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。2）飽和區(qū) uCE較小的區(qū)域稱為飽和區(qū)。三極管飽和時(shí)的uCE值稱為飽和電壓降UCES，小功率硅管約為0.3V，鍺管約為0.1V。3）放大區(qū) 一族與橫軸平行的曲線，且各條曲線距離近似相等的區(qū)域稱為放大區(qū)。此時(shí)，表現(xiàn)出三極管放大時(shí)的兩個(gè)特性：電流受控，即iC=iB；恒流特性，只要IB一定，iC基本不隨uCE變化而變化。例：如圖說示是某三極管的輸出特性曲線，從曲線上可以大致確定該三極管在UCE=6.5V，IB=60µA（b點(diǎn)）附近的和值。解：在圖示的輸出特性曲線上作UCE=6.5V 的垂線，與IB=60µA的輸出特性曲線交于 b點(diǎn)，由此可得該點(diǎn)

8、對(duì)應(yīng)的 2.51.7iBiCIB=020mA40mA60mA80mA100mAic/mAUCE/V3129612340ab2.1.4三極管的使用常識(shí)上網(wǎng)查找：三極管的型號(hào)、主要用途、主要參數(shù)和器件的外形尺寸與引腳排列。做一做：小功率三極管檢測1）三極管基極和類型判斷2）三極管引腳的判斷和值估測3）三極管性能簡易判斷1三極管選用選用三極管時(shí)，具體應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：（1）三極管的使用頻率工程設(shè)計(jì)中一般要求三極管的fT高于電路工作頻率3倍以上。（2）三極管工作的安全性對(duì)于工作在大電流場合的三極管，如驅(qū)動(dòng)繼電器等，應(yīng)保證集電極工作電流ICICM。對(duì)于工作在大功率場合的三極管，使三極管額定消耗功率P

9、CPCM。同時(shí)，大功率三極管在使用時(shí)，因功耗較大，應(yīng)按要求加裝一定規(guī)格尺寸的散熱片。（3）小功率的三極管U（BR）CEO可以根據(jù)電路的電源電壓來確定。一般情況下，只要使電路電源的最高電壓U（BR）CEO即可。（4）在換用三極管時(shí)，也應(yīng)注意替換三極管的極限參數(shù)、材料和管型，以及性能等。課外閱讀：光電三極管2.2三極管基本放大電路2.2.1共發(fā)射極基本放大電路以三極管為核心的基本放大電路，輸入信號(hào)ui從三極管的基極和發(fā)射極之間輸入，放大后輸出信號(hào)uo從三極管的集電極和發(fā)射極之間輸出，發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共端，故稱該電路為共發(fā)射極基本放大電路?？梢允∪bRcVCCC2C1uouiRLVTVB

10、BRbRc+VCCC2C1uouiRL基極偏置電阻輸入耦合電容集電極負(fù)載電阻負(fù)載電阻輸出耦合電容雙電源 單電源（習(xí)慣畫法）符號(hào)元器件名稱元器件作用示意VT三極管實(shí)現(xiàn)電流放大RB基極偏置電阻提供偏置電壓RC集電極負(fù)載電阻提供集電極電流通路，將放大的集電極電流變化轉(zhuǎn)換成集電極電壓變化C1輸出耦合電容把放大后的交流信號(hào)暢通地傳送給負(fù)載C2輸入耦合電容使信號(hào)源的交流信號(hào)暢通地傳送到放大電路輸入端2.2.2靜態(tài)工作點(diǎn)和放大原理電壓、電流符號(hào)規(guī)定如下：UBEUCEIBIC直流分量電壓、電流uiuoibic交流分量電壓、電流的瞬時(shí)值uBEuCEiBiCt直流分量和交流分量的疊加，如iB= ib+ IBUiU

11、oIiIo交流分量電壓、電流的有效值UimUomIimIom交流分量電壓、電流的最大值1靜態(tài)工作點(diǎn)（1）靜態(tài)電路在沒有輸入信號(hào)（即輸入端短路），只有直流電源單獨(dú)作用下的直流工作狀態(tài)。（2）靜態(tài)工作點(diǎn)放大電路在靜態(tài)時(shí)，三極管各級(jí)電壓和電流在輸入、輸出特性曲線上可以確定一個(gè)如圖所示的坐標(biāo)點(diǎn)Q。Q點(diǎn)處的直流電流、電壓習(xí)慣上用IBQ、ICQ、IEQ、UBEQ和UCEQ表示。iBuBEQIBQUBEQ UCEQICQiCuCEIBQQ （a）輸入特性曲線 （b）輸出特性曲線2共射放大電路工作過程動(dòng)態(tài)在放大電路中加入輸入信號(hào)ui后，三極管各極電壓、電流大小均在直流量的基礎(chǔ)上，疊加了一個(gè)隨ui變化而發(fā)生變化

12、的交流量，這時(shí)電路處于動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)。動(dòng)畫：共發(fā)射極放大電路各極電壓、電流的工作波形做一做：靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大電路的影響 雙蹤示波器顯示屏 雙蹤示波器顯示屏 雙蹤示波器顯示屏 （a）工作點(diǎn)合適 （b）工作點(diǎn)過低 （c）工作點(diǎn)過高3靜態(tài)工作點(diǎn)不合適會(huì)造成輸出波形失真1）飽和失真2）截止失真做一做：溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響電路評(píng)價(jià)：共射基本放大電路結(jié)構(gòu)簡單，只要電源VCC和基極偏置電阻Rb固定，IB也就固定了。所以又稱為固定偏置放大電路。固定偏置放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)變動(dòng)到不合適的位置時(shí)將引起放大信號(hào)失真。因而實(shí)際應(yīng)用中放大電路必須能自動(dòng)穩(wěn)定工作點(diǎn)，以保證盡可能大的輸出動(dòng)態(tài)范圍和避免輸出信號(hào)失真。2.2.

13、3工作點(diǎn)穩(wěn)定的三極管放大電路1分壓式偏置放大電路的組成I1IBQI2C2RL+uoC1VTRcCeReRb1+VCC+uiRb2+Rb1 、Rb2分別為上、下偏置電阻， Vcc通過Rb1 和Rb2分壓后，為三極管VT提供基極偏置電壓。Re為發(fā)射極電阻，起穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)作用。Ce稱為射極旁路電容，由于Ce容量較大，對(duì)交流信號(hào)來講，相當(dāng)于短路，從而減小了電阻Re對(duì)交流信號(hào)放大能力的影響。2穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過程B點(diǎn)電位UBQ為： 分壓式偏置放大電路的基極電壓由Rb1、Rb2分壓決定，而與三極管的參數(shù)無關(guān)。當(dāng)溫度升高，分壓式偏置放大電路穩(wěn)定工作點(diǎn)的過程可表示為：T（溫度）（或）ICQIEQUEQUBE

14、QIBQICQ。在上述穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過程中，發(fā)射極電阻Re起著重要的反饋?zhàn)饔谩．?dāng)輸出回路電流IC發(fā)生變化時(shí)，通過Re上的電壓變化來影響b-e間的電壓，從而使基極電流IB向相反方向變化，從而抑制了集電極電流ICQ的增大，自動(dòng)穩(wěn)定了電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。2.2.4 放大電路的分析1靜態(tài)分析（1）直流通路 是放大電路在Ui=0，僅VCC作用下直流電流所流過的路徑。畫直流通路的原則：1）輸入信號(hào)ui短路2）電容視為開路（電容所在支路斷開）。3）電感視為短路例：單級(jí)共射放大電路直流通路uoRbRc+VCCC2C1uiRL RbRc+VCCIBICIEUBE+UCE+（2）估算靜態(tài)工作點(diǎn) 根據(jù)放大電路的直流

15、通路求IBQ、ICQ、IEQ、和UCEQ這四個(gè)量。由上圖所示的直流通路，可以得到固定偏置放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算公式 2動(dòng)態(tài)分析（1）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)1）放大倍數(shù)2）輸入電阻Ri3）輸出電阻Ro（2）交流通路 放大電路在VCC=0，僅ui作用下交流電流所流過的路徑。畫交流通路的原則：1）由于耦合電容容量大，所有耦合電容視為通路。2）電源電壓對(duì)地短路。例：單級(jí)共射放大電路交流通路+VCCuoRbRcC2C1uiRL uiuoRbRcRLicieib+（3）估算主要性能指標(biāo) 根據(jù)放大電路的交流通路求Au、Ri和Ro這些主要參數(shù)。在上圖固定偏置放大電路的交流通路中，三極管b、e之間存在一個(gè)等效電阻rbe

16、通常用下式近似計(jì)算1）電壓放大倍數(shù)Au根據(jù)放大倍數(shù)的定義，從電路的交流通路上可得故電壓放大倍數(shù)為2）輸入電阻RiRi是從放大電路的輸入端看進(jìn)去的等效電阻， Ui=Ii Rb/rbe。所以輸入電阻為3）輸出電阻Ro根據(jù)輸出電阻Ro的定義， Ro是從放大電路輸出端（負(fù)載RL之前）看進(jìn)去的等效內(nèi)阻?？梢钥闯鯮o=RcuiuoRbRcRLicieib+輸入電阻Ri輸出電阻Ro例：在如圖所示電路中，已知VCC=12V，Rb=300k，Rc=3 k，RL=3 k，Rs=3 k，=50，試求：1）RL接入和斷開兩種情況下電路的電壓放大倍數(shù)Au；2）輸入電阻Ri和Ro。uoRbRc+VCCC2C1uiRL解：

17、先求靜態(tài)工作點(diǎn)然后求三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻1）RL接入時(shí)的電壓放大倍數(shù)Au：RL斷開時(shí)的電壓放大倍數(shù)Au：2）輸入電阻Ri為：3）輸出電阻Ro為：Ro=Rc=3k技能實(shí)訓(xùn)：單管低頻放大電路安裝與調(diào)試作業(yè)任務(wù)書一、任務(wù)目標(biāo) 1學(xué)會(huì)搭建單級(jí)共射放大電路。2熟悉常用電子儀器設(shè)備和模擬電路裝置的使用。3學(xué)會(huì)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試方法。4掌握放大電路電壓放大倍數(shù)測試方法。二、實(shí)訓(xùn)步驟 清點(diǎn)元器件元器件檢測按圖搭建單級(jí)共射放大電路通電前檢查通電調(diào)試測試數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析。Rb2C210µF10µFC1VTRP100k20kRc2.4kRL21.2kCeRe1kRb120kVCC+12V+

18、ui100µFS1RL12.4k+uoS2+共射放大電路 三、調(diào)試與記錄 1調(diào)試靜態(tài)工作點(diǎn)接通電源前，先將RP調(diào)至最大，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕至零。（1）接通+12V電源，調(diào)節(jié)RP，使IC=2.0mA。（2）用萬用表測量UB、UE、UC和Rb2（Rb2+RP）的值。將調(diào)試數(shù)據(jù)填入表中。靜態(tài)工作點(diǎn)測試記錄（IC=2.0mA）測量值計(jì)算值UB/VUE/VUC/VRb2/kUBE/VUCE/VIC/mA2測量電壓放大倍數(shù)（1）在上述調(diào)整放大電路的輸入端加入頻率為1kHz正弦信號(hào)ui，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕使放大器輸入信號(hào)Ui=10mV。（2）用示波器觀察放大器輸出電壓uo的波形。（3）

19、在波形不失真的條件下，用交流毫伏表測量以下三種情況下的Uo值，并將測量結(jié)果填入表中。電壓放大倍數(shù)測量記錄（Ui=10mV，f=1kHz）Rc/kRL/kUoAuRC=2.4 k、RL=2.4k時(shí)uo和ui波形2.4uit0uot01.22.42.43觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響。RC=2.4k，RL =，Ui=20mV。（1）調(diào)節(jié)RP，并用示波器觀察uo波形。（2）在保持輸出不失真的情況下，測量不同工作點(diǎn)上的電壓放大倍數(shù)Au，并將測量結(jié)果填入表中。不同工作點(diǎn)上Au的測量測量項(xiàng)目第一次第二次第三次第四次第五次測試條件：Rc=2.4k，RL =，Ui=20mVIC/mA2.0Uo/VAu注意

20、：測量IC時(shí)，必須將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出旋鈕置于零。4觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸出波形失真的影響。使電路中RC=2.4k，RL=2.4k，ui=0。（1）調(diào)節(jié)RP使IC=2.0mA，測量UCE值。逐步加大輸入信號(hào)ui，使輸出信號(hào)uo足夠大且不失真。（2）保持輸入信號(hào)不變，改變RP，以增大和減小IC ，使輸出波形失真。（3）測量失真情況下的IC、UCE，將測量結(jié)果填入表中，并繪制不同情況下uo的失真波形。靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸出波形影響測試記錄分析判斷IC/mAUCE/Vuo波形失真三極管的工作狀態(tài)IC減小uotOIC=2.02.0uotOIC增大uotO 四、問題討論1總結(jié)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)及負(fù)載的變化，對(duì)放大

21、電路的電壓放大倍數(shù)及輸出波形的影響。 2在什么情況下輸出波形會(huì)出現(xiàn)正或負(fù)半周失真？如何獲得最大不失真輸出？3在實(shí)驗(yàn)測量中，為什么所有儀器的公共端（接地端）要連接在一起？*2.3多級(jí)放大電路多級(jí)放大電路的組成如下圖所示。輸入和中間級(jí)的任務(wù)是電壓放大，根據(jù)需要將微弱的信號(hào)放大到足夠大，為輸出級(jí)提供所需要的輸入信號(hào)；輸出級(jí)一般為功率放大電路，驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)放大器放大器2.3.1多級(jí)放大電路的耦合方式多級(jí)放大電路中級(jí)與級(jí)之間的連接稱為耦合，耦合方式就是指連接方式。常用的耦合方式有：阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合三種。課外閱讀：光電耦合2.3.2阻容耦合放大電路對(duì)放大信號(hào)而言，多級(jí)放大電路的前一級(jí)輸出信號(hào)就是后一級(jí)的輸入信號(hào)，所以可將后級(jí)放大電路的輸入電阻視為前級(jí)電路的負(fù)載。兩級(jí)放大電路框圖如圖所示，Ri1ui= ui1+_+Ro2u´o2uo= uo2+_Ri