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第二章 三极管及放大电路基础(raolingyun )


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。

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
集电极 c

集电极 c

c P 基极 b N P e 发射极 e b

c N

VT

b

VT

基极 b

P N

e

发射极 e

集电极 c

集电结 P 基极 b 发射结 N P

集电 区 基 区 发射区

发射极

构示意、电路符号和文字符号如图所示。 NPN 型

PNP 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
粗 细 b I e I c Ic

2)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 β ,定 义为: β =

IC IB

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 β,定义为: β =

?iC ?iB

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 VC>VB>VE。
IB
Rb

b

c
VT

IC
Rc VCC

e
VBB

IE

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 型管电流方向相反,电位关系则为 VE>VB>VC。

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。
b + ui _ c e _ + b uo + ui _ c e _ + e uo + ui _ b c + uo _

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。

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。

iB/?
10 80 60 40 20 0

UCE=

UCE≥

0.2 0.4 0.6 0.8 uBE 输入特性曲线

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 Uon≈0.5V,锗管约 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(UCE>1)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。
当UCE大于一定数值 有关, 时 , iC只 与 iB有关,

iC/
此区域中U 此区域中 CE<UBE, 集 电 结 正 偏 , β?i >?i , 这 时

IC=βIB,

且 ?iC=β?

6 5 4 3 2 1 0

IB=100 IB=80 IB=60 IB=40 IB=20? ? 1 2 3 4 5 IB=0 uCE/V

此 区 域 中 IB=0 , IC=ICEO , UBE<死 死 区电压, 区电压, 称为截止

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性:①电流受控,即 ?iC=β?iB;②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=60?A(b 点)附近的 β 和β值。
解:在图示的输出特性曲线上作 UCE=6.5V 的垂线,与 IB=60?A 的输出特性曲线交于 b 点,由此可得该点对应的 β =

IC 2.5 × 103 = = 41 IB 60

β=

?iC (2.5 ? 1.7) × 103 = = 40 ?iB 20

ic/mA 4 3 2. 2 1. 1 0 3 6 b a 9 100? 80?A 60?A ?i 40?A 20?A IB=0 12 UCE/V

?i

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 β 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 IC≤ICM。 对于工作在大功率场合的三极管,使三极管额定消耗功率 PC≤PCM。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: 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。
C1+ Rb VBB 可以省 双电源 单电源(习惯画法) + C2 基极偏置电 + Rc Rb 输入耦合电 VT RL u C1 o + VCC — ui 集电极负载 +VC 输出耦合电 C2 + 负载电 RL u o

+ ui


Rc

符号 VT RB RC C1 C2

元器件名称 三极管 基极偏置电阻 集电极负载电阻 输出耦合电容 输入耦合电容 实现电流放大 提供偏置电压

元器件作用示意

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 把放大后的交流信号畅通地传送给负载 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:
UBE ui uBE Ui Uim UCE uo uCE Uo Uom IB ib iB Ii Iim IC ic iC Io Iom 直流分量电压、电流 交流分量电压、电流的瞬时值 直流分量和交流分量的叠加,如 iB= ib+ IB 交流分量电压、电流的有效值 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。

t

iC iB IB Q uBE uCE UCE

IC

Q

IBQ

UB

(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,这时电路处于动态工作状态。

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
I2 Rb2 IBQ I1 Re +VCC R + C2 VT + Ce R uo +

+ ui

C + Rb1

Rb1 、Rb2 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: U BQ=

Rb1 VCC R b1+ Rb2

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 β↑)→ICQ↑→IEQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓。 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
+VCC +V Rb C1 + ui Rc C +2 RL u o Rb IB + UBE - Rc IC + UCE - IE

(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

I BQ =

VCC ? U BEQ Rb
VCC Rb

IBQ ≈

I CQ ≈ βI BQ U CEQ = VCC ? I CQRc
2.动态分析 (1)动态性能指标 1)放大倍数 2)输入电阻 Ri 3)输出电阻 Ro (2)交流通路 放大电路在 VCC=0,仅 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

+VCC Rb C1 + RL uo + u i Rb - Rc + C2 ic ib ie Rc RL + uo -

ui

(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

rbe = 300 + (1 + β )

26 mV) ( I E (mA)

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

U i = I i ( Rb // rbe ) ≈ I b rbe
U o= ? I c ( Rc // RL ) = ? I c R ' L
故电压放大倍数为

Au =

Uo I R'L I R'L =? c = ?β b Ui I brbe I b rbe Au = ?

βR ' L
rbe

2)输入电阻 Ri Ri 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

Ri = Rb // rbe
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。 可以看出 Ro=Rc
ic ib + u i Rb - 输入电阻 Ri ie Rc RL + uo - 输出电阻 Ro

例: 在如图所示电路中, 已知 VCC=12V, b=300k , c=3 k , L=3 k , s=3 k , R R R R β=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。
+VCC Rb C1 + RL uo Rc + C2

ui

解:先求静态工作点

I BQ =

V CC?U BEQ Rb

=

VCC 12 = mA = 40?A R b 300

I CQ ≈ β I BQ = 50 × 0.04mA = 2mA U CEQ = VCC ? I CQ Rc = 12V ? 2 × 3V = 6V
然后求三极管的动态输入电阻

rbe = 300 + (1 + β )

26 mA) ( 26 mV) ( = 300 + 1 + 50 ( ) ≈ 0.963k? I E(mA) 2(mA)

1)RL 接入时的电压放大倍数 Au: Au = ?

βR 'L
rbe

3× 3 3 + 3 = ?78 =? 0.963 50 × =? 50 × 3 = ?156 0.963

RL 断开时的电压放大倍数 Au: Au = ?

βR ' L
r be

2)输入电阻 Ri 为: Ri = Rb // rbe = 300 // 0.963 = 0.96k? 3)输出电阻 Ro 为:Ro=Rc=3k

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→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。
RP 100k Rb2 C1 + + 10?F Rb1 ui 20k - 20k Rc 2.4k C + 210?F VT 100?F Re 1k S2 + Ce VCC +12V

+ S1 RL2 1.2k RL1 2.4k uo -

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 UB/V UE/V UC/V 计算值

Rb2/k

UBE/V

UCE/V

IC/mA

2.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/k RL/k Uo Au RC=2.4 k 、RL=2.4k 时 uo 和 ui 波形

ui
2.4 ∞

t 0 uo t 0

1.2



2.4

2.4

3.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
第一次 测量项目 测试条件:Rc=2.4k ,RL =∞,Ui=20mV IC/mA Uo/V Au 2.0 第二次 第三次 第四次 第五次

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 IC/mA UCE/V uo 波形 失真 分析判断 三极管的工作状态

uo
IC 减小

t O uo

IC=2.0

2.0

t O uo

IC 增大

t O

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?

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。

中间级 输入级 放大器 放大器 输出级

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。

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 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,
+ ui= ui1 Ri1 Ro1 + u?o1 _ + uo1=ui2


+ Ro2 Ri2 + u?o2 _ uo= uo2

_ 1.电压放大倍数

_

Au =

U o U o2 U o2 U i2 U o2 U o1 = = ? = ? = Au1 ? Au 2 U i U i1 U i2 U i1 U i2 U i1

所谓“有载电压放大倍数”是指接上后级时的电压放 Au1 Au 2 是每级“有载电压放大倍数”。 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: G p = 10 lg

Po (dB) Pi Uo (dB) Ui

如果输入电阻和输出电阻相等,则电压增益 Gu 为: Gu = 20 lg

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:

Gu (dB) = Gu1 (dB) + Gu 2 (dB)
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 Ri = Ri1 (2)输出电阻 多级放大电路的输出级就是电路的最后一级,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 R o = Ron 。 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。
Au Aum 0.707Aum 通频带 0 fL fH f

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

1 倍时, 所对应的低端频率 fL 称为下限频率, 高端频 2

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= fH-fL (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。


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