三极管及放大电路基础(1).ppt

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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 2.1三极管 2.6场效晶体管放大电路 2.5多级放大电路 2.4放大器静态工作点的稳定2.3放大电路的分析2.2三极管基本放大电路2.1三极管1三极管的电流分配关系和对电流放大作用的理解。2三极管工作在放大状态时的条件。3三极管的主要参数的含义。【教学难点教学难点】1三极管结构特点、类型和电路符号。2三极管的电流分配关系及电流放大作用。3三极管的三种工作状态及特点。【教学重点教学重点】1掌握三极管结构特点、类型和电路符号。2了解三极管的电流分配关系及电流放大作用。3理解三极管的三种工作状态的特点，并会判断三极管所处的工作状态。4理解三极管

2、的主要参数的含义。【教学目的教学目的】2.1.1三极管的基本结构 2.1.5三极管的分类 2.1.4三极管的主要参数 2.1.3三极管的特性曲线 2.1.2三极管的电流放大特性2.1.1 2.1.1 三极管的基本结构三极管的基本结构NPNNPN型三极管型三极管PNPPNP型三极管型三极管电路符号中箭头表示发射结加正偏电压时的电流方向。NPN型和PNP型三极管的工作原理相同，但它们工作时的电源极性不同，管子各电极间的电流方向也不同。2.1.2三极管的电流放大特性三极管的电流放大特性三极管的主要功能是实现电流放大。其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。要使三极管具有放

3、大作用，必须给管子的发射结加正偏电压，集电结加反偏电压。三极管三个电极的电流(基极电流、集电极电流、发射极电流)之间的关系为：2.1.3三极管的特性曲线三极管的特性曲线三极管外部各极电流与极间电压之间的关系曲线，称为三极管的特性曲线，又称伏安特性曲线。指当集-射极之间的电压为定值时，输入回路中的基极电流与加在基-射极间的电压之间的关系曲线。三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。当时，不同值的输入特性曲线基本重合。三极管输入特性曲线中也存在一段死区，只有发射结电压超过死区电压，三极管才能正常工作。1输入特性曲线指当基极电流为定值时，输出电路中集电极电流与集-射极间的电压之间的关系曲

4、线。饱和区：发射结和集电结饱和区：发射结和集电结均处于正偏状态。三极管均处于正偏状态。三极管没有电流放大作用，相当没有电流放大作用，相当于一个开关的闭合状态。于一个开关的闭合状态。放大区：发射结正偏，集电放大区：发射结正偏，集电结反偏。三极管具有电流放结反偏。三极管具有电流放大作用。大作用。截止区：发射结处于反偏或零偏状态，集电结处截止区：发射结处于反偏或零偏状态，集电结处于反偏状态，三极管没有电流放大作用，相当于于反偏状态，三极管没有电流放大作用，相当于一个开关的断开状态。一个开关的断开状态。2输出特性曲线不同，对应的输出特性曲线也不同，所以三极管的输出特性曲线是一组曲线。2.1.4三极管的

5、主要参数三极管的主要参数（1）电流放大系数（2）集电极-基极反向饱和电流常用三极管的值一般在20100之间。衡量三极管电流放大能力的一个重要参数。1性能参数越小表明晶体管的热稳定性越好。一般小功率管约为1OA左右，硅管更小些。数值很小，受温度影响很大。发射极开路时，集电极-基极间的反向电流。（3）集电极-发射极反向饱和电流（1）集电极最大允许电流（2）集电极-发射极反向击穿电压的值越小，性能越稳定。硅管的值一般较锗管小。基极开路时，从集电极直接穿透三极管而到达发射极的电流，故又称为穿透电流。是衡量管子热稳定性的重要参数。基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。当实际的集-射极电压超过

6、时，集电极电流会迅速增大，此时三极管已击穿，并导致损坏。当实际的集电极电流超过此值时，三极管性能会变差，管芯发热，有烧坏的可能。当值下降到正常值的三分之二时的为集电极最大允许电流。2极限参数（3）集电极最大允许耗散功率3频率参数使用时若超过此值，三极管会因过热而损坏。三极管集电结温度升高到不至于将三极管烧毁所消耗的功率。当工作频率高于后，三极管不再具有电流放大能力，是三极管使用中的极限频率。当值下降到1时所对应的频率。（2）特征频率当值下降到低频时的（即0.707）倍所对应的频率。（1）共发射极截止频率2.1.5三极管的分类三极管的分类按半导体材料和极性分硅材料锗材料NPNPNPNPNPNP按

7、用途分普通放大三极管低噪声三极管光电三极管开关三极管达林顿三极管带阻尼三极管按功率分小功率三极管中功率三极管大功率三极管按工作频率分低频三极管高频三极管按制作工艺分平面型三极管合金型三极管扩散型三极管按外形封装分金属封装三极管玻璃封装三极管陶瓷封装三极管塑料封装三极管2.2三极管基本放大电路1基本共射极放大电路放大信号的工作原理。2三种放大电路的电路结构及性能比较。【教学难点教学难点】1基本共射极放大电路的组成及各元件的作用。2基本共射极放大电路放大信号的工作原理。3小信号放大器的主要性能指标。【教学重点教学重点】1掌握基本共射极放大电路的组成并理解电路各元件的作用。2理解基本共射极放大电路放

8、大信号的工作原理。3了解小信号放大器的主要性能指标。4了解共集电极放大电路和共基极放大电路的电路结构、特点及应用。【教学目的教学目的】2.2.1基本共射放大电路2.2.3三种基本放大电路的性能比较 2.2.2小信号放大器的主要性能指标放大电路又称放大器，可把微弱的电信号放大成较强电信号的电路。放大电路的功能和信号流程如下图所示。2.2.12.2.1基本共射放大电路基本共射放大电路（a）原理图）原理图以三极管发射极作为交流输入回路和输出回路公共端的电路，称为共发射极放大电路。（b b）实物连接图）实物连接图（1）：三极管，起电流放大作用，是放大电路的核心器件。1放大电路中各元件的作用（5）和：耦

9、合电容，传递交流信号、隔断直流电，避免放大电路的输入端与信号源之间、输出端与负载之间直流分量的互相影响。（4）：集电极负载电阻，把三极管的电流放大转换为电压放大，其阻值的大小影响放大器的电压放大倍数。（3）：基极偏置电阻，使发射结获得正偏置电压，向三极管的基极提供合适的偏置电流。（2）：直流电源，有两个作用。一是为三极管的发射结提供正偏电压和为集电结提供反偏电压，保证三极管工作于放大区；二是给放大电路提供能源。2放大电路中电压、电流符号的规定（4）大写物理量符号加小写下标，表示交流信号的有效值。如表示基极交流电流的有效值。（3）小写物理量符号加大写下标，表示交流和直流叠加信号。如表示基极电流的

10、总和。（2）小写物理量符号加小写下标，表示交流信号。如表示基极交流电流。（1）大写物理量符号加大写下标，表示直流信号。如表示基极直流电流。在放大电路中，既有输入信号源产生的交流量，又有直流电源产生的直流量。因此，为了避免电路分析时出现符号上的混淆，特作如下规定：3放大电路的工作原理放大电路在未加输入信号时（）的工作状态称为静态。此时，三极管各电极上只有直流电压和直流电流，称其为三极管的静态工作点，用下标Q表示，如、。结论：共射放大电路具有电压放大作用；共射放大电路具有反相作用。2.2.22.2.2小信号放大器的主要性能指标小信号放大器的主要性能指标电压放大倍数电压增益（dB）2输入电阻在电压放

11、大器中，越大，放大器输入端得到的输入电压就越高。从放大器输入端看进去的等效电阻。它表明了放大器对信号源的影响程度。1放大倍数衡量放大器放大能力的指标。电流放大倍数3输出电阻从放大器输出端看进去的交流等效电阻（不包括外接负载电阻），反映了放大器带负载能力的大小。在电压放大器中，越小，放大器输出端带负载的能力越强。2.2.32.2.3三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较电路以三极管的集电极作为输入回路和输出回路的公共端。特点：特点：输出电压与输入电压同相，且幅值近似相等；输入电阻大；输出电阻小，带负载能力强。作用：作用：实现阻抗匹配，又称为射极输出器或射极跟随器。1共集电极放大电路

12、2共基极放大电路电路以三极管的基极作为输入回路和输出回路的公共端。特点：特点：输出电压与输入电压同相，其电压放大倍数与共射极放大电路相同；输入电阻小；高频特性好，且在高频范围工作较稳定。作用：作用：用于高频或宽频带放大电路、振荡电路或恒流源电路。3三种基本放大电路的性能比较性能性能共发射极放大电路共发射极放大电路共集电极放大电路共集电极放大电路共基极放大电路共基极放大电路输入电阻较小（1千欧左右）大（几百千欧）小（几十欧）输出电阻较大（几十千欧）小（几十欧）较大（几十千欧）电压放大倍数大（几十几百）小（略小于1）大（几十几百）电流放大倍数大（几十一百）大（几十一百）小（略小于1）相位关系反相同

13、相同相应用低频电压放大阻抗变换宽频、高频放大2.3放大电路的分析1画放大电路的交流通路。2用估算的方法分析放大电路的静态和动态参数。【教学难点教学难点】1分析放大电路的直流通路和交流通路。2基本共射极放大电路静态参数和动态参数的计算。【教学重点教学重点】1理解放大电路的直流通路、交流通路的概念，会画放大电路对应的直流通路和交流通路。2了解分析放大电路的方法。3掌握基本共射极放大电路静态参数和动态参数的计算方法。【教学目的教学目的】2.3.1放大器的直流通路与交流通路 2.3.2放大器的静态与动态分析 2.3.1 2.3.1 放大器的直流通路与交流通路放大器的直流通路与交流通路1直流通路放大电路

14、未加输入信号时，在直流电源作用下直流电流流经的通路。用于研究电路的静态工作点等问题。画直流通路的原则为：电容视为开路；电感线圈视为短路。共射放大电路的直流通路2交流通路在交流信号作用下，交流信号流经的通路。用于研究放大电路的动态参数及性能指标等问题。画交流通路的原则为：电容视为短路；直流电源视为短路。共射放大电路的交流通路 2.3.2 2.3.2 放大器的静态与动态分析放大器的静态与动态分析基本共射放大电路的静态工作点：估算静态工作点，需借助放大电路的直流通路。静态分析主要是估算放大电路的静态工作点Q，即静态时电路中各处的直流电流和直流电压：、。1静态分析静态分析2动态分析动态分析三极管的输入

15、电阻输出电阻输入电阻电压放大倍数：（其中）基本共射放大电路的主要性能指标：估算性能指标，需借助放大电路的交流通路。动态分析主要是估算电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等性能指标。2.4放大器静态工作点的稳定1分压式偏置电路、集电极基极偏置电路稳定静态工作点的原理。2分压式偏置电路静态工作点的估算。【教学难点教学难点】1放大器静态工作点稳定的意义。2分压式偏置电路、集电极基极偏置电路的组成特点及稳定静态工作点的原理。【教学重点教学重点】1理解设置静态工作点的重要性。2掌握分压式偏置电路、集电极基极偏置电路组成特点及稳定静态工作点的原理。3了解分压式偏置电路静态工作点的估算方法。【教学目的教学

16、目的】2.4.1放大器静态工作点稳定的意义2.4.2放大器静态工作点稳定的措施 2.4.1 2.4.1 放大器静态工作点稳定的意义放大器静态工作点稳定的意义按下图连接放大电路，改变电路的静态工作点（调整），观察输出波形的变化。变小，静态工作电流变大，出现底部失真，也称饱和失真。静态工作电流正常，输出不失真。变大，静态工作电流变小，出现顶部失真，也称截止失真。在放大电路的工作过程中，电源电压的波动、元件的老化或因温度变化引起三极管参数的变化，都会造成静态工作点变化，从而使动态参数发生变化，最终导致电路出现异常。为了保证电路在各种复杂情况下能正常工作，采用能稳定静态工作点的偏置电路，是非常必要的。

17、2.4.2 2.4.2 放大器静态工作点稳定的措施放大器静态工作点稳定的措施1分压式偏置电路（a）电路原理图）电路原理图（1）电路组成（b b）实物连接图）实物连接图（2）静态工作点稳定的条件（3）静态工作点稳定的过程（某原因）可见分压式偏置电路具有自动稳定静态工作点的功能。（4）分压式偏置电路静态工作点的估算直流通路直流通路2集电极基极偏置电路特点：偏置电阻跨接在三极管的极与极之间。静态工作点稳定的过程：（温度升高）2.5多级放大电路放大电路的频率特性及通频带的概念。【教学难点教学难点】1多级放大电路常用的级间耦合方式。2不同级间耦合方式的电路连接特点及应用场合。3多级放大电路主要参数的计算

18、。【教学重点教学重点】1掌握多级放大电路常用级间耦合方式的电路连接特点及应用场合。2了解多级放大电路主要参数的计算方法。【教学目的教学目的】2.5.1多级放大电路的级间耦合方式2.5.2多级放大电路的主要性能指标 2.5.1 2.5.1 多级放大电路的级间耦合方式多级放大电路的级间耦合方式级间耦合的要求：确保各级放大电路有合适的静态工作点；使前一级的输出信号尽量不受衰减地传至后一级。1阻容耦合（a）连接方框图）连接方框图连接特点：连接特点：放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。在多级放大电路中，各级之间的连接方式称为级间耦合方式。（b b）电路图）电路图应用：应用：分立元件电路。缺点：缺

19、点：低频特性差且不便于集成化。优点：优点：各级的静态工作点相互独立。2变压器耦合（a）连接方框图）连接方框图连接特点：连接特点：放大电路的前级输出端通过变压器接到后级输入端或负载电阻上。（b b）电路图）电路图应用：应用：分立元件的功率放大电路。缺点：缺点：低频特性差且不便于集成化。优点：优点：各级静态工作点各自独立，具有阻抗变换作用，易于实现级间的阻抗匹配。3直接耦合（a）连接方框图）连接方框图连接特点：连接特点：放大电路的前一级输出端直接连接到后一级的输入端。（b b）电路图）电路图应用：应用：集成放大电路。缺点：缺点：各级之间的静态工作点相互牵连、互相影响，且存在零点漂移。优点：优点：低

20、频特性良好，便于集成化。4光电耦合（a）连接方框图）连接方框图连接特点：连接特点：放大电路的前级输出端通过光电耦合器接到后级输入端。（b b）电路图）电路图应用：应用：在同一设备中需要将“热地”和“冷地”隔开的场合。缺点：缺点：传输模拟量时精度较差。优点：优点：各级电路的静态工作点互不影响，且实现了前后电路的电气隔离。2.5.2 2.5.2 多级放大电路的主要性能指标多级放大电路的主要性能指标多级放大电路总的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积。1电压放大倍数（n为多级放大电路的级数）用分贝表示，则总的增益为各级增益的代数和。2输入电阻和输出电阻多级放大电路的输出电阻为最后一级的输出电阻，。多

21、级放大电路的输入电阻为第一级的输入电阻，。3频率特性与通频带放大电路的电压放大倍数是频率的函数，常用幅频特性曲线来描述。工程上，把电压放大倍数下降到中频时的0.707（或）倍所对应的低端频率称为下限频率，对应的高端频率称为上限频率，并把与之间的频率范围称为该放大电路的通频带，用表示，。将这两个单级放大电路连接成一个两级放大电路后，电路的通频带比任何一级放大电路都窄。多级放大电路提高了电压放大倍数，却牺牲了通频带。2.6场效晶体管放大器1绝缘栅型和结型场效晶体管的结构特点。2场效晶体管电压控制原理及三个工作区域的特点。3场效晶体管主要参数的含义。【教学难点教学难点】1绝缘栅型和结型场效晶体管的结

22、构特点、类型和电路符号。2场效晶体管的电压控制原理、特性曲线及三个工作区域的特点。3场效晶体管放大电路结构及偏置方式。【教学重点教学重点】1了解绝缘栅型和结型场效晶体管的结构特点、类型。2掌握绝缘栅型和结型场效晶体管的电路符号。3理解场效晶体管电压控制原理、特性曲线及三个工作区域的特点。4了解场效晶体管主要参数的含义。5了解场效晶体管放大电路的结构及偏置方式。【教学目的教学目的】2.6.1场效晶体管简介2.6.2场效晶体管放大电路 2.6.1 2.6.1 场效晶体管简介场效晶体管简介场效晶体管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的器件，属于电压控制型半导体器件。1绝缘栅场效晶体管（a a

23、）N N沟道增强型沟道增强型（c c）N N沟道耗尽型沟道耗尽型（b b）P P沟道增强型沟道增强型（d d）P P沟道耗尽型沟道耗尽型场效晶体管具有输入电阻高、噪声低、功耗小等优点，在大规模集成电路中得到广泛的应用。（1）结构绝缘栅场效晶体管的电路符号：（a a）耗尽型耗尽型衬底的实线和虚线分别表示有预留导电沟道和没有预留导电沟道。箭头方向表示衬底与沟道之间是由指向，箭头指向管内表示为N沟道MOS管，箭头指向管外表示为P沟道MOS管。绝缘栅场效晶体管有耗尽型和增强型两大类，每一类又有沟道和沟道两种。绝缘栅型场效晶体管的栅极与源极、漏极之间都是绝缘的。绝缘栅型场效晶体管又简称MOS场效晶体管。

24、（b b）增强型）增强型（2）工作原理在实际使用时，只要有可能，常将衬底电极与源极相连。当栅、源极间电压时，漏、源极间没有导电沟道，处于截止状态。N沟道增强型绝缘栅场效管沟道增强型绝缘栅场效管越大，导电沟道越宽，沟道电阻越小，越大，这就是沟道增强型场效管控制的基本原理。当超过开启电压时，形成漏区和源区间的导电沟道。此时在漏极和源极之间加正向电压，则会有电流经沟道到达源极，形成漏极电流电流，场效管处于导通状态。（3）主要特性（a a）转移特性曲线）转移特性曲线转移特性转移特性 （b b）输出特性曲线）输出特性曲线只有当时才有漏极电流，且随着增大，相应增大。转移特性反映了对的控制能力。漏源电压一定

25、时,漏极电流与栅源电压之间的关系称为转移特性。栅源电压一定时,漏极电流与漏源电压之间的关系称为输出特性。区：称为击穿区。该区域漏源电压较大，场效管内的PN结被击穿，和失去对的控制作用，若不加限制，场效管会损坏。使用时不可过大。区：称为可变电阻区。该区域较小，的大小不仅与有关，也与有关。沟道电阻随的大小而变。区：称为饱和区。该区域漏极电流几乎不随漏源电压的变化而变化，只随栅源电压的增大而增大，故区又称放大区。输出特性输出特性2结型场效晶体管N沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管P沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管（a）转移特性曲线）转移特性曲线 （b）输出特性曲线）输出特性曲线漏源电压一定时,

26、漏极电流与栅源电压之间的关系称为转移特性。当时的漏极电流称为漏极饱和电流。当时，导电沟道被完全“夹断”，管子截止，此时的为夹断电压转移特性曲线位于纵坐标的左侧，说明栅源极之间加的是负电压，即。转移特性转移特性栅源电压一定时,漏极电流与漏源电压之间的关系称为输出特性。输出特性曲线分为三个区域：可变电阻区（区）、饱和区（区）、击穿区（区），其含义与绝缘栅型场效晶体管相同。输出特性输出特性3场效晶体管的主要参数（1）开启电压：指增强型绝缘栅场效晶体管开始产生电流时的值。对于N沟道管子，为正值；对于P沟道管子，为负值。（5）漏源击穿电压：指漏源极之间允许的最大电压。当实际电压超过该值时，会使PN结反向

27、击穿。（4）跨导：指为定值时，漏极电流与引起这个变化的栅源输入电压之比，即：。跨导是衡量场效晶体管放大能力的一个重要参数。（3）漏极饱和电流：指结型场效晶体管或耗尽型绝缘栅场效晶体管在栅源极短路（0）条件下，漏源电压所形成的漏极电流。（2）夹断电压：指耗尽型场效晶体管或结型场效晶体管当漏源电压固定在某一数值，导电沟道开始消失时的值。此时漏极电流很小，近似等于零。2.6.2 2.6.2 场效晶体管放大电路场效晶体管放大电路1分压式偏置放大电路V 为场效晶体管；电路与分压式偏置共射放大电路相似、为耦合电容，起隔离直流、传输交流信号的作用。为旁路电容，消除对交流信号的衰减作用；为源极电阻，用于稳定静态工作点；为漏极电阻，将漏极电流转换为输出电压；、为分压电阻，为栅极提供合适的偏置电压；2自给偏压式偏置放大电路为栅极电阻，其他元件作用与分压式偏置放大电路相同。电路利用漏极电流在源极电阻上产生的源极电压来提供栅源极间的偏压。此偏置电路只能提供负偏压，只适用于结型场效晶体管和绝缘栅耗尽型场效晶体管电路中，不能用于增强型场效晶体管电路。