第2章电子技术基础.pptx

2.1 2.1 半导体三极管 三极管的结构三极管的结构 三极管是由两个PN结构成的，其基本特性是具有电流放大作用。三极管按其结构不同分为NPN型和PNP型两种。相应的结构示意图及电路符号如图2.1所示。第1页/共117页图2.1 三极管的结构及符号第2页/共117页 三极管内部结构分为发射区、基区和集电区，相应的引出电极分别为发射极e、基极b和集电极c。发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。电路符号中，发射极的箭头方向表示三极管在正常工作时发射极电流的实际方向。第3页/共117页 三极管在制作时，其内部结构特点是：(1)发射区掺杂浓度高；(2)基区很薄，且掺杂浓度低；(3)集电结面积大于发射结面积。以上特点是三极管实现放大作用的内部条件。第4页/共117页 三极管按其所用半导体材料不同，分为硅管和锗管；按用途不同，分为放大管、开关管和功率管；按工作频率不同，分为低频管和高频管；按耗散功率大小不同，分为小功率管和大功率管等。一般硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。第5页/共117页三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用 1.三极管放大的条件 三极管实现电流放大的外部偏置条件：发射结正偏，集电结反偏，此时，各电极电位之间的关系是：NPN型 UCUBUE PNP型 UCUBUE 如图2.2所示。第6页/共117页图2.2 三极管放大的外部偏置条件第7页/共117页 2.电流分配关系 图2.3是NPN管放大实验电路。图2.3 放大实验电路第8页/共117页 电路中的三极管的偏置满足发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，可使发射区的多子（自由电子）通过PN结注入到基区，以形成基极电流IB；集电结反偏，使集电极电位高于基极电位，于是在集电结上有一个较强的电场，把由发射区注入到基区的自由电子大部分拉到集电区，形成集电极电流IC。调节Rb，改变IB的大小，得出相应的IC和IE的数据，如表2.1所示。第9页/共117页表2.1 电流放大实验数据 IB(mA)-0.004 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 IC(mA)0.004 0.01 1.09 2.08 3.07 4.06 5.05 IE(mA)0 0.01 1.10 2.10 3.10 4.10 5.10由表可得：三极管各电极电流分配关系是：I IE=I IB+I IC由于基极电流很小，因而I IEI IC。第10页/共117页 通常称 为共射极直流电流放大系数，因而有：通常 称为共射极交流电流放大系数。由表2.1还可知：第11页/共117页 3.放大作用的实质 由上述实验结果可知，当IB有一微小变化时，能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。电流放大作用的实质是通过改变基极电流电流放大作用的实质是通过改变基极电流I IB的大小，达到控制的大小，达到控制I IC的目的的目的，而并不是真正把微小电流放大了，因此称三极管为电流控制型器件。第12页/共117页 例2.1 测得工作在放大状态的三极管两个电极的电流如图2.4所示。（1）求另一个电极的电流，并在图中标出实际方向。（2）标出e、b、c极，并判断出该管是NPN型还是PNP型管。（3）估算其值。第13页/共117页图2.4 例2.1图第14页/共117页 解：（1）图2.4(a)中、管脚的电流均为流入，则管脚的电流必为流出，且大小为0.1+4=4.1(mA)，如图2.4(b)所示。（2）由于管脚的电流最大，管脚的电流最小，因此管脚为b极，管脚为c极，管脚为e极。又由于管脚的发射极电流为流出，故该管为NPN型管。（3）由于IB=0.1mA，IC=4mA，故：第15页/共117页 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 1.输入特性曲线 三极管的输入特性曲线如图2.5所示。图2.5 三极管的输入特性曲线第16页/共117页 由图2.5所示的输入特性曲线可以看出：曲线是非线性的，也存在一段死区，当外加UBE电压小于死区电压时，三极管不能导通，处于截止状态。三极管正常工作时，UBE变化不大，对于硅管，UBE约为0.7V左右，锗管的约为0.3V左右。第17页/共117页 2.输出特性曲线 当IB取值不同时，就有一条不同的输出特性曲线，如图2.6所示。图2.6 三极管的输出特性曲线第18页/共117页 3.三极管的三个工作区 (1)三极管输出特性曲线中，IB=0的输出特性曲线以下，横轴以上的区域称为截止区。其特点是：发射结和集电结均为反偏发射结和集电结均为反偏，各电极电流很小，相当于一个断开的开关。各电极电流很小，相当于一个断开的开关。(2)输出特性曲线中，截止区以上平坦段组成的区域称为放大区。其特点是：发射结正偏，集电结反偏。此时IC受控于IB；同时IC与UCE基本无关，可近似看成恒流。此区内三极管具有电流放大作用。第19页/共117页 (3)输出特性曲线中，UCEUBE的区域，即曲线的上升段组成的区域称为饱和区。饱和区的特点是：发射结和集电结均为正偏。饱和区的特点是：发射结和集电结均为正偏。饱和时的UCE称为饱和压降，用UCES表示，UCES很小，一般约为0.3V。工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关，没有电流放大作用。工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关，没有电流放大作用。第20页/共117页 三极管的主要参数三极管的主要参数 1.电流放大系数 电流放大系数是反映三极管电流放大能力的基本参数，主要有 和 2.极间反向电流 (1)ICBO是指发射极开路时从集电极流到基极的反向电流。如图2.7(a)所示。第21页/共117页图2.7 极间反向电流 第22页/共117页 (2)穿透电流ICEO 是指基极开路（IB=0）、集电极与发射极之间加上规定的电压时，从集电极流到发射极的电流。如 图2.7(b)所示。它与ICBO之间的关系为：ICEO=(1+)ICBO 3.极限参数 (1)集电极最大允许电流ICM (2)集电极发射极间击穿电压U(BR)CEO (3)集电极最大允许功耗PCM第23页/共117页 例2.2 若测得放大电路中工作在放大状态的三个三极管的三个电极对地电位U1、U2、U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管？是NPN型还是PNP型？并确定c、b、e极。(1)U1=2.5V U2=6V U3=1.8V (2)U1=6V U2=3V U3=2.7V (3)U1=1.7V U2=2V U3=0V第24页/共117页 解：(1)由于U13=U1 U3=0.7V，故该管为硅管，且1、3管脚中一个是e极，一个是b极，则2脚为c极。又因为2脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，3脚为e极。(2)由于U23=0.3V，故该管为锗管，且2、3管脚中一个是e极，一个是b极，则1脚为c极。又因为1脚电位最低，故该管为PNP型，从而得出2脚为b极，3脚为e极。第25页/共117页 (3)由于U12=0.3V，故该管为锗管，且1、2管脚中一个是e极，一个是b极，则3脚为c极。又因为，3脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，2脚为e极。第26页/共117页 三极管的测试及手册的使用三极管的测试及手册的使用 1.万用表测试三极管 常见几种国产三极管管脚图排列如表2.2所示。第27页/共117页表2.2 常用三极管管脚排列第28页/共117页 基极及管型的判别：具体测试方法如图2.8（a）所示。集电极和发射极的判别：具体测试方法如图2.8（b）所示，在实际测试中，常用手指代替100k的电阻。第29页/共117页(a)基极的测试 (b)集电极和发射极的测试图2.8 三极管管脚的测试第30页/共117页 (2)判别ICEO的大小 对于NPN管，将万用表置于电阻档的R100或R1K档后，将黑表笔接c极，红表笔接e极，测量阻值，所测阻值越大，表明ICEO越小。PNP管的接法与之相反。(3)判别的大小 将万用表置于hFE档，将三极管的c、b、e管脚插入面板上相映的插孔中，利用表头读数即可。第31页/共117页 2.手册的使用 (1)根据电路对三极管的要求查阅手册，从而确定选用三极管的型号，其极限参数ICM、U(BR)CEO和PCM应分别大于电路对管子的集电极最大允许电流、集电极发射极间击穿电压和集电极最大允许功耗的要求。(2)当三极管的型号确定后，应选极间反向电流小的管子。第32页/共117页 (3)在维修电子设备时，若发现三极管损坏，应该用同型号的管子替换。若找不到同型号的管子而需要用其它型号的管子来替换时，应注意：要用同种材料、同种类型的管子替换；替换管子的参数ICM、U(BR)CEO和PCM一般不得低于原管。三极管的命名方法见附录1，型号参数举例见附录4及附录5。第33页/共117页 特种三极管简介特种三极管简介 1.光电三极管 光电三极管如图2.9所示。(a)结构示意图 (b)电路符号 (c)基本电路图2.9 光电三极管第34页/共117页 2.光电耦合器 光电耦合器如图2.10所示。图2.10 光电耦合器第35页/共117页l 试说出三极管的各种分类。l 如何在三极管输出特性曲线的放大区求出某一工作点Q的 和？l 如何利用万用表检测三极管的管脚及其好坏？l 比较普通三极管和特殊三极管的异同。2.1思考题返回第36页/共117页2.2 基本放大电路 放大电路的基本知识放大电路的基本知识 1.放大的概念 所谓放大，就是用较小的输入信号去控制较大的输出信号，且输出与输入之间有相应的变化关系。所谓放大，就是用较小的输入信号去控制较大的输出信号，且输出与输入之间有相应的变化关系。其方框图如图2.11所示。第37页/共117页图 2.11 放大电路方框图第38页/共117页 2.放大电路的性能指标 (1)放大倍数第39页/共117页 （2）输入电阻ri ri就是向放大电路输入端看进去的等效电阻，ri越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路输入端所得的电压越接近信号源电压，对于电压放大器，要求ri要大。（3）输出电阻ro 对于负载来说，放大器相当于一个带有内阻的信号源，这个内阻就是输出电阻，ro的大小反映了放大器带负载能力的强弱。如图2.12所示。第40页/共117页图2.12 求输出电阻的等效电路第41页/共117页 （4）非线性失真 放大器的输出信号波形与输入信号波形如图2.13所示。(a)不失真波形 (b)失真波形图2.13 放大器的非线性失真第42页/共117页 基本放大电路的组成及原理基本放大电路的组成及原理 1.电路组成 电路如图2.14所示。图2.14 基本放大电路第43页/共117页 2.工作原理 设输入正弦交流信号为ui，则 uBE=UBE+ui iB=IB+ib iC=IC+ic uCE=UCC iC RC，最后，通过隔直电容的作用，uCE中的交流成分uce到达输出端，形成输出电压uo。上述各电流、电压波形如图2.15所示。第45页/共117页图2.15 放大器有关电流、电压波形 第46页/共117页 由图2.15可以看出：uo的幅度远大于ui的幅度，可见该电路将ui进行了放大，且uo与ui的相位相反。晶体管放大电路中各电流、电压的名称和符号如表2.3所示。第47页/共117页 名称 静态值 正弦交流分量 总电流或电压 直流电源 瞬时值 有效值 瞬时值 对地电压基极电流 IB ib Ib iB集电极电流 IC ic Ic iC发射极电流 IE ie Ie iE集-射极电压 UCE uce Uce uCE基-射极电压 UBE ube Ube uBE集电极电源 VCC基极电源 VBB发射极电源 VEE表2.3 放大电路中各电流、电压的名称和符号第48页/共117页2.2思考题思考题l 简述基本放大电路的工作原理。l 放大电路的性能指标有那些?返回第49页/共117页2.3 放大电路的静态工作点 对输出波形的影响 放大电路输入端未加交流信号（即ui=0）时，电路的工作状态称为直流状态，简称静态。将静态时IB、UBE、IC、UCE称为静态工作点，用Q表示。Q点过高或过低都将产生非线性失真，所以必须设置合适的Q点。静态工作点对输出波形的影响如图2.16所示。第50页/共117页图2.16 静态工作点的影响第51页/共117页 当静态工作点位置适当（Q0）时，输出信号将随输入信号相应变化，无非线性失真。在(b)图中，若Q点位置偏高（Q1），由于在输入信号正半周的部分时间内三极管工作于饱和状态，使输出电压uo=uce出现了下平顶失真，这种失真称为饱和失真。第52页/共117页 若Q点位置偏低（Q2），由于在输入信号负半周的部分时间内三极管工作于截止状态，使输出电压uo=uce出现了上平顶失真，这种失真称为截止失真。有时，尽管静态工作点位置适当（如Q），但当输入信号幅度过大时，输出信号将会同时出现饱和失真和截止失真，称之为双向失真。第53页/共117页2.3思考题l 放大电路的静态工作点对输出波形有什么影响？返回第54页/共117页2.4 放大电路的直流偏置方式 1.固定偏置方式 （1）电路组成 静态情况下放大器各电流的通路称为放大器的直流通路。画直流通路的原则是：电容开路，电感短路画直流通路的原则是：电容开路，电感短路。图2.14电路的直流通路如图2.17所示，这种直流通路称为固定偏置电路。第55页/共117页图2.17 固定偏置电路第56页/共117页 （2）Q点的计算第57页/共117页 2.具有发射极电阻的偏置方式 （1）电路组成 电路如图2.18所示。图2.18 具有发射极电阻的偏置电路 第58页/共117页（2）Q点的计算第59页/共117页 与固定偏置的放大器相比，这种偏置方式有一定的稳定静态工作点的作用。简单表示如下：TICQIEQIEQRe ICQ IBQUBEQ第60页/共117页 3.分压偏置方式 （1）电路组成及原理 电路如图2.19所示。图2.19 分压式偏置电路第61页/共117页 该电路的热稳定作用的原理简单表示如下：TICQIEQ(UBQIEQRe)ICQ IBQUBEQ 第62页/共117页（2）Q点的计算第63页/共117页 例2.3 电路如图2.17所示，若Rb=250K，Rc=1K，VCC=10V，三极管的=100。求电路的静态工作点。解：ICQ=IBQ=10040A=4mA UCEQ=VCC ICQ RC=6V第64页/共117页 例2.4 电路如图2.19所示，若Rb1=36k，Rb2=24k，Rc=3k，Re=2k，RL=4k，VCC=12V，三极管的=80，求Q。解：第65页/共117页2.4思考题思考题l 放大电路的直流偏置方式有哪几种？l 如何计算其静态工作点？返回第67页/共117页 共发射极放大电路共发射极放大电路 电路如图2.20(a)所示。交流输入信号经电容C1从基极输入，交流输出信号从集电极经电容2隔直后传送给负载。电路图的下方为交流通路，可以看出，发射极是交流信号的公共端，故称为共发射极放大器。2.5 放大电路的三种组态放大电路的三种组态第68页/共117页 (a)共发射极放大器 图2.20 放大器的三种组态 第69页/共117页 交流通路的下方是输入输出信号波形。从波形图可以看出，输出信号电压比输入信号电压的幅度大，具有电压放大作用，且相位相反。第71页/共117页共基极放大电路共基极放大电路 电路如图2.20（b）所示。交流信号从发射极输入，从集电极输出，电路的下方为交流通路，由交流通路可看出，三极管的基极为公共端，因此，该电路称为共基极放大电路。图(b)中还画出了输出电压波形，从波形图中可以看出，输出信号电压的幅度比输入信号电压的幅度大，具有电压放大作用，且相位相同。第72页/共117页 (b)共基极放大器 图2.20 放大器的三种组态第73页/共117页 共集电极放大电路共集电极放大电路 电路如图2.20(c)所示。交流信号从基极输入，发射极输出，故该电路又称为射极输出器。电路图的下方为交流通路，可以看出，集电极为交流输入输出的公共端，故称为共集电极放大电路。图(c)中还画出了输出信号电压与输入信号电压波形，从图中可以看出，二者幅度大致相等，无电压放大作用，且相位相同。但由于ieib，故该电路具有电流放大作用。第74页/共117页 (c)共集电极放大器 图2.20 放大器的三种组态 第75页/共117页2.5思考题l三种基本放大电路各自有什么特点？返回第77页/共117页 1.放大电路的交流通路及微变等效电路 (1)放大电路的交流通路 放大器交流信号的流经途径叫放大器的交流通路。画交流通路的原则是：电容短路，直流电压源短路。画交流通路的原则是：电容短路，直流电压源短路。其余元件按原连接关系画出。其余元件按原连接关系画出。交流通路用作分析放大器的交流工作状态。图2.14的交流通路如图2.21所示。2.6 放大电路性能指标的估算放大电路性能指标的估算 第78页/共117页图2.21 放大器的交流通路第79页/共117页 (2)放大电路的微变等效电路 三极管的输入回路可用一个等效电阻rbe来等效，如图2.22(b)所示，rbe称做三极管的等效输入电阻，且 当三极管的输入信号是微小的交流量时，其等效输入电阻也可表示为第80页/共117页 图2.22 三极管输入等效电路 (a)输入特性曲线 (b)输入等效电路第81页/共117页 低频小功率三极管的等效输入电阻可用下式估算：三极管的输出回路可用一个受控的恒流源来等效。综上所述，三极管在小信号条件下工作时，其完整的等效电路如图2.23(b)所示。第82页/共117页图2.23 三极管简化微变等效电路 (a)输出特性曲线 (b)简化微变等效电路第83页/共117页 2.性能指标的估算 例2.5 已知共射放大器如图2.14所示。已知Rb=220k，Rc=3k，RL=4k，VCC=12v,晶体管的rbe=800，=40，求放大器的输入电阻ri、输出电阻ro、电压放大倍数Au。第84页/共117页图2.24 固定偏置共射放大器的微变等效电路 解：（1）画微变等效电路，如图2.24所示。第85页/共117页 （2）性能指标计算 ri=Rb/rbe800 ro=Rc=3k 图中，=RL/Rc=1.7k 则：式中的“”号表示输出信号电压与输入信号电压相位相反。第86页/共117页 例2.6 电路如图2.20(a)所示，已知条件如例2.4，求此分压式偏置放大器的输入电阻ri、输出电阻ro、电压放大倍数Au。第87页/共117页 解：（1）画微变等效电路，如图2.25所示。图2.25 分压偏置式共e放大器的微变等效电路第88页/共117页（2）性能指标计算 rbe=300+(1+)=1353 ri=Rb1/Rb2/rbe 1.3k ro=Rc=3k 其中，=RL/Rc=1.7k 则第89页/共117页 例2.7 共集电极放大电路如图2.20(c)所示，其中硅三极管的=100，电阻Rb=200K，Re=2K，RL=2K，RS=1K，电源VCC=12V。试：（1）画出微变等效电路 （2）求Au的值 （3）求ri的值 （4）求ro的值。第90页/共117页 解：（1）画微变等效电路，如图2.26(a)所示。图2.26 共c放大器的微变等效电路 (a)微变等效电路 (b)求ro的微变等效电路第91页/共117页 （3）ri=Rbrbe+（1+）RL=67.5 K （2）IBQ=（VCCUBEQ）/Rb+(1+)Re=28A IEQ=(1+)IBQ 2.8mA rbe=300+（1+）26/IE 1.2K Au=（1+）RL/rbe+（1+）RL=0.99第92页/共117页 （4）ro的估算 在图2.26(a)中，令us=0，并去掉负载RL，在输出端加一电压uo，则可画成如图2.26(b)所示的形式。由图可得：ro =Re ro ro=uo/-ie=-uo/（1+）ib uo =-ib（rbe+RS Rb）ro=（rbe+RSRb）/（1+）ro =Re（rbe+RSRb）/（1+）=20 第93页/共117页 通过上述计算结果，可得共集电极放大电路的特点是：Au1，而又近似等于1。ri很大。ro很小。第94页/共117页 3.三种基本放大电路的性能比较 三种组态的基本放大电路的比较见表2.4。第95页/共117页表2.4 三种组态的基本放大电路的比较共射放大电路共基放大电路共集放大电路电路形式交流等效电路Au -RLrbe（RL=RcRL）大 RLrbe（RL=RcRL）大（1+）RL（rbe+（1+）RL）1 （RL=ReRL）riRbrbe 中Rerbe/（1+）低Rbrbe+（1+）RL 高roRc 高Rc 高Rerbe/（1+）低相位180（ui与uo反相）0（ui与uo同相）0（ui与uo同相）高频特性差好较好第96页/共117页l怎样画放大电路的微变等效电路。l 画出基极放大电路的微变等效电路，并求出性能指标Au、ri、ro 。返回2.6思考题第97页/共117页 2.7 2.7 多级放大电路多级放大电路 多级放大电路的组成多级放大电路的组成 多级放大电路的框图如图2.27所示。图2.27 多级放大器一般结构框图第98页/共117页 多级放大电路性能指标的估算多级放大电路性能指标的估算 两级阻容耦合放大器如图2.28（a）所示。图2.28(a)两极阻容耦合放大器第99页/共117页 两级阻容耦合放大器的微变等效电路如图2.28(b)所示。图2.28(b)两级阻容耦合放大器微变等效电路第100页/共117页 1.输入电阻与输出电阻 ri=ri1=Rb11/Rb12/rbe1 ri2=Rb21/Rb22/rbe2 ro1=Rc1 ro=ro2=Rc2 第101页/共117页 2.电压放大倍数 第102页/共117页 推论可知：多级放大器总电压放大倍数等于各单级电压放大倍数的乘积多级放大器总电压放大倍数等于各单级电压放大倍数的乘积。例2.8 设图2.28(a)所示阻容耦合两级放大器中各元件参数如下：Rb11=100k Rb12=27k Re1=5.1k，Rc1=12k，Rb21=33k，Rb22=8.2k，Re2=3k，Rc2=3.3k，RL2=3k，C1=C2=50F，Ce1=Ce2=100F，1=2=60，VCC=20V，求放大器的输入、输出电阻和电压放大倍数。第103页/共117页解：第104页/共117页 ri1=Rb11/Rb12/rbe12.34k ri2=Rb21/Rb22/rbe21.37k ro1=Rc1=12 k ro=ro2=Rc2=3.3 k则 Au=Au1Au2=2856第105页/共117页2.7思考题l怎样计算多级放大器的电压放大倍数？返回第106页/共117页 2.8 放大电路的频率特性放大电路的频率特性 1.阻容耦合单管放大器的幅频特性 图2.29所示为共e放大器的幅频特性曲线。图2.29 共发射极阻容耦合放大器的幅频特性第107页/共117页 在幅频特性曲线中，把放大倍数下降到中频放大倍数的 所对应的低端频率点和高端频率点分别称为下限截止频率fL和上限截止频率fH，将fL和fH之间的频率范围称为通频带（简称带宽）B，即 B=fH fL 第108页/共117页 设多级放大器由幅频特性相同的单级放大器组成，其幅频特性应由各单级幅频特性的电压放大倍数相乘而获得，如图2.30所示。2.多级阻容耦合放大器的幅频特性第109页/共117页图2.30 两级放大器的幅频特性举例第110页/共117页 显然，多级放大器的带宽小于构成它的任一个单级放大器的带宽。所以，多级放大器虽然能使放大器的放大倍数大幅度地提高，但是以牺牲带宽为代价的。第111页/共117页2.8思考题l 多级放大电路的通频带为什么比单级放大电路的通频带窄？返回第112页/共117页 本章小结本章小结 1.半导体三极管是由两个PN结构成的，它具有放大作用需要两个条件：内部条件和外部条件。所谓的放大作用实际是一种能量控制作用。三极管是一种电流控制型器件，它工作在放大状态时具有受控特性和恒流特性。三极管的特性受温度影响比较大。第113页/共117页 2.三极管放大电路由三极管、偏置电源以及有关元件组成。放大电路存在两种状态：无输入信号时的静态和有输入信号时的动态。静态值在特性曲线上对应的点为静态工作点，动态时的交流信号叠加在静态值上，其动态工作点不能超出三极管的放大区，否则会产生明显的非线性失真。第114页/共117页 3.对放大器的定量分析，一是确定静态工作点；二是求出动态时的性能指标，方法是等效电路法，此方法只适用于分析放大器的动态工作情况。4.放大器的静态工作点的稳定十分重要，它关系到放大器增益高低及失真大小。其主要措施之一是采用合理的偏置电路。第115页/共117页 5.多级放大器各级之间的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。对于多级放大器而言，前一级放大器相当于后一级放大器的信号源；而后一级放大器相当于前一级放大器的等效负载。多级放大器的总电压放大倍数等于各单级电压放大倍数的乘积，带宽小于构成它的任一个单级放大器的带宽。返回 本 章 完第116页/共117页感谢您的观看！第117页/共117页