(5.5)--第二章双极型三极管及其放大电路.pdf

《(5.5)--第二章双极型三极管及其放大电路.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(5.5)--第二章双极型三极管及其放大电路.pdf（81页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第二章 双极型三极管及其放大电路 36 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 二（2）次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：2.1 双极型三极管 2.1.1 三极管的基本结构 2.1.2 三极管的电流分配和放大原理 2.1.3 三极管的伏安特性曲线 2.1.4 三极管类型和工作状态的判断 2.1.5 三极管的主要参数 2.1.6 温度对三极管参数的影响 2.1.7 三极管的类型、型号和选用原则 2.1.8 特殊三极管 重点：1.三极管的结构类型、原理、伏安特性和主要参数。难点：三极管的伏安特性 教学目的要求：1.了解三极管的放大原理

2、 2理解三极管的结构类型、原理、伏安特性和主要参数,教学方法和教学手段：板书和多媒体教学相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.对于双极型三极管，是否可以将其发射极和集电极对换使用?为什么?2.请分别说明三极管工作在放大、截止和饱和状态时两个结的偏置情况？对于 NPN 管和 PNP 应怎样加电源电压使其满足放大条件？作业 2.2;2.3 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第二章 双极型三极管及其放大电路 37第二章第二章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 双极型三极管又常称

3、为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor，缩写 BJT)、简称晶体管或三极管，常常是组成各种电子电路的核心器件。本章首先介绍三极管的结构、工作原理、特性曲线、主要参数，工作状态的判断及特殊三极管等。然后在阐明放大概念的基础上，以单管共发射极放大电路为例介绍放大电路的工作原理，通过两种基本分析方法，即图解法和微变等效电路法对电路进行静态和动态分析；然后介绍静态工作点稳定电路及共集电极和共基极放大电路；最后介绍多级放大电路四种常用的耦合方式及静态和动态的分析计算。2.1 双极型三极管双极型三极管 2.1.1 三极管的基本结构三极管的基本结构 从三极管的外形来看，三极管

4、都有三个电极，根据结构的不同，三极管一般可分成两种类型：NPN 型和 PNP 型。半导体采用光刻、扩散等工艺在同一块半导体硅(锗)片上掺杂形成三个区、两个 PN 结，并引出三个电极，就构成了三极管。常见三极管的外型和封装图如图2.1.1 所示。NPN 型三极管的结构示意图如图 2.1.2(a)所示，硅平面管的管芯结构如图 2.1.2(b)所示，位于中间的 P 区称为基区，它很簿并且掺杂浓度很低，位于上层的 N 区是发射区，掺杂浓度高，位于下层的 N 区是集电区，集电区掺杂浓度比发射区低，且集电区面积比发射区大。因此三极管有三个区：基区、集电区和发射区；两个 PN 结：集电区和基区之间的 PN

5、结称为集电结，基区和发射区之间的 PN结称为发射结；三个电极：基极b、集电极c和发射极e。NPN三极管符号如图2.1.2(c)所示，图中的箭头方向是表示发射结正偏时的电流方向。(a)常见三极管封装图 第二章 双极型三极管及其放大电路 38 （d）常见三极管的外型 图 2.1.1 几种常见三极管的外型和封装 (a)NPN 型三极管的结构示意图 (b)硅平面管的管芯结构 (c)符号 图 2.1.2 NPN 型三极管的结构、管芯和符号 PNP 型三极管结构示意图如图 2.1.3(a)所示，图 2.1.3(b)是 PNP 型三极管的符号，注意发射极的箭头是指向里的。目前我国生产的硅管多为 NPN 型，

6、锗管多为PNP 型。第二章 双极型三极管及其放大电路 39 (a)PNP 型三极管的结构示意图 (b)符号 图 2.1.3 PNP 型三极管的结构、管芯和符号 NPN 型和PNP 型三极管的工作原理类似，仅在使用时电源极性连接不同而已。下面以 NPN 型三极管为例来分析三极管的放大原理。2.1.2 三极管的电流分配和放大原理三极管的电流分配和放大原理 1实验及测量 三极管电流放大的实验电路如图 2.1.4 所示，把三极管接成两个回路：基极回路和集电极回路。发射极是公共端，因此这种接法称为三极管的共发射极接法共发射极接法。如果用的是 NPN 型三极管，电源 VBB和 VCC的极性如图 2.1.4

7、 所示，外加电源的极性使发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。图 2.1.4 三极管电流放大的实验电路 改变可变电阻 Rb，则基极电流 IB、集电极电流 IC和发射极电流 IE都发生变化。测量结果如表 2.1.1 所示。第二章 双极型三极管及其放大电路 40表 2.1.1 三极管电流测量数据 IB(mA)0 0.02 0.04 0.06 0.08 IC(mA)0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 IE(mA)0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 由此实验及测量结果可得出如下结论：(1)观察实验数据中的每一列，可得 IE=I

8、C+IB 此结果符合基尔霍夫电流定律。(2)IC和 IE都比 IB大得多。从第三列和第四列的数据可知，IC与 IB的比值分别为 ICIB=mAmA04.050.1=37.5 及 ICIB=mAmA06.03.2=38.3 这就是三极管的电流放大作用。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC。还是比较第三列和第四列的数据，可得出 ICIB=mAmA)04.006.0()5.13.2(=40(3)当 IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中 ICEO0.001mA=1A，下面用载流子在三极管内部的运动规律来解释上述结论。2载流子的运动(1)发射区向基区扩散电

9、子 由于发射结正向偏置，发射区的多数载流子-自由电子不断通过发射结扩散到基区，形成电子电流 IEn，其方向与电子流动方向相反，如图 2.1.5 所示。与此同时，基区的多数载流子空穴也扩散到发射区，形成空穴电流 IEP，但由于发射区杂质浓度比基区高得多(一般高几百倍)，与电子电流相比，这部分空穴电流可忽略不计，因此发射极电流 IEIEn。第二章 双极型三极管及其放大电路 41(2)电子在基区的扩散和复合 从发射区扩散到基区的大量自由电子起初都聚集在发射结附近，靠近集电结的自由电子很少，形成了浓度上的差别，因而自由电子将向集电结方向继续扩散。在扩散过程中，自由电子不断与空穴(P 型基区中的多数载流

10、子)相遇而复合。由于基区接电源 VBB的正极，基区中受激发的价电子不断被电源拉走，这相当于不断补充基区中被复合掉的空穴，形成空穴电流 IBn，它基本上等于基极电流 IB。在中途被复合掉的电子越多，扩散到集电结的电子就越少，这不利于三极管的放大作用。为此，基区一般做得很薄，掺杂浓度也很少，以大大减少电子与基区空穴复合的机会，使绝大部分自由电子都能扩散到集电结边缘。图 2.1.5 载流子运动和电流关系(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子 由于集电结反向偏置，集电结内电场增强，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，阻挡集电区的自由电子向基区扩散，但可将从发射区扩散到基区并达到集电区边缘的自由电子拉入

11、集电区，从而形成电流 ICn。ICn基本上等于集电极电流 IC。此外，由于集电结反偏，在内电场的作用下，集电区的少数载流子(空穴)和基区的少数载流子(电子)将发生漂移运动而形成电流，这个电流称为反向饱和电流反向饱和电流，用 ICBO表示。这个电流数值很小，它构成集电极电流 IC和基极电流 IB的一小部分，近似分析中可忽略不计。但受温度影响很大，与外加电压的大小关系不大。3.三极管的电流分配关系 第二章 双极型三极管及其放大电路 42由图 2.1.5 可见，集电极的电流为 IC IC=ICn+ICBO (2.1.1)基极的电流为 IB IB=IBn-ICBO+IEP 由于 IEP很小，可以忽略不

12、计，所以 IBIBn-ICBO (2.1.2)发射极的电流为 IE IE=IEn+IEPIEnICn+IBn (2.1.3)因此 IE=IC+IB (2.1.4)如上所述，从发射区扩散到基区的电子只有很小一部分在基区复合，绝大部分到达集电区。即构成发射极电流 IE的两部分中，IBn部分是很小的，而 ICn部分所占的百分比是大的。这个比值用表示，表征三极管的共射电流放大能力，称为电流放大系数 CBOBCBOCBnCnIIIIII (2.1.5)整理可得 CBOBCIII)1(2.1.6)上式的最后一项可用 ICEO表示，称为集集射极之间的穿透电流射极之间的穿透电流。CBOCEOII)1(2.1.

13、7)则 IC可表示为 CEOBCIII (2.1.8)ICBO和 ICEO是晶体管内部噪声的主要来源，要尽量减少 ICBO和 ICEO的值，一般情况下，穿透电流 ICEO0，uBC0；如三极管为 PNP 型管，应使 uBE0。2.截止区 iB=0 的曲线以下的区域称为截止区。当 iB=0 时，iC=ICEO，对于小功率硅管，ICEO在 1A 以下，对于小功率锗管，ICEO在几十微安以下，因此在近似计算时，可认 第二章 双极型三极管及其放大电路 46为 iC0。对 NPN 型硅管而言，当 uBE0.5V 时，即已开始截止，但是为了可靠截止，常使 uBE0。因此截止时发射极处于反偏，集电结也处于反

14、偏。3.饱和区 曲线靠近纵坐标附近，各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。在饱和区，iB的变化对 iC的影响较小，两者不成正比，无电流放大作用，放大区的 不能用于饱和区。饱和时，三极管发射结和集电结均处于正向偏置。在饱和区，集射极之间电压降 uCE较小，一般认为，当 uCEICIB 同时满足 IE=IB+IC 第二章 双极型三极管及其放大电路 47从以上的分析即可确定三极管的类型，下面举例说明。例 2.1.1 在某放大电路中，三极管三个极的电流方向如图 2.1.9(a)所示，已知I1=1.4mA，I2=0.03mA，I3=1.43mA，试确定三极管是 NPN 型还是 PNP 型，并区分出各电极

15、。(a)(b)图 2.1.9 例 2.1.1 图 解：根据电流的参考方向及给定的电流，I1、I2的实际方向朝外，I3向里，且I3=I1+I2，根据 IEICIB，得 1 脚是集电极 C，2 脚是基极 B，3 脚是发射极 E，画出实际的电流方向如图 2.1.9(b)所示，确定出该管是 PNP 型三极管。例 2.1.2 在某放大电路中，三极管各个极的电流方向如图 2.1.10 所示，试确定三极管是 NPN 型还是 PNP 型，并区分出各电极。图 2.1.10 例 2.1.2 图 解：由图可知，I3=20uA，远小于 I2，从中可知，3 脚是基极 B，同时电流方向向里，可确定出该管是 NPN 型三极

16、管，在 NPN 型三极管中，集电极电流 IC电流方向向里，发射极电流 IE电流方向向外。判断出 2 脚是集电极 C，1 脚是发射极E。2.根据三极管各极电位，判断三极管的类型 第二章 双极型三极管及其放大电路 48三极管若是工作在放大状态，则两个 PN 结中发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管又有硅管和锗管之分。判断依据为：对 NPN 管有：UCUBUE 对 PNP 管有：UCUBU3(B)U2(E)，故为 NPN 管(2)因为 U3U1-2.3V-(-2)V=-0.3V，故为锗管。3 脚为 B 极，1 脚为 E 极，2脚为 C 极。又因为 U2(c)U3(B)U1(E)，故为 PNP 管

17、3.根据三极管各极的电位，判断三极管的工作状态 在电子电路中，可以通过测试三极管各极直流电位来判断三极管的工作状态，三极管工作在放大状态，发射结正向偏置，集电结反向偏置；三极管工作在截止状态时，发射极反向偏置，集电结也反向偏置；三极管工作在饱和状态时，发射结正向偏置，集电结正向偏置。因此，对 NPN 三极管：当 UBE死区电压，UCEUBE，三极管处于放大状态。当 UBE死区电压，UCE死区电压，三极管截止。当 UBE死区电压，UCEUBE，三极管处于放大状态。当 UBEUBE，三极管处于饱和状态。例 2.1.3 若测得放大电路中的三极管各极电位如图 2.1.11 所示，试分别判断三极管的工作

18、状态。(a)(b)(c)图 2.1.11 例 2.1.3 图 解：图(a)UBE=0.7V，大于死区电压，且 UCE=4VUBE，三极管处于放大状态；图(b)UBE=4V，小于死区电压，三极管截止；图(c)当 UBE=0.7V，大于死区电压，且 UCE=0.3VPCM，如图2.1.15所示。当大功率三极管按额定值使用时，应加规定的散热片，否则要降低额定值使用。第二章 双极型三极管及其放大电路 54 图 2.1.15 三极管的安全工作区 2.1.6 温度对三极管参数的影响温度对三极管参数的影响 三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：(1)温度对UBE的影响 当温度

19、升高时，输入特性曲线将向左移动，如图2.1.16所示，反之将向右移动。也就是说，在相同的IB值下，当温度升高后，对应的发射结正向压降UBE的数值会下降，其温度系数约为-(22.5)mV/。如UBE的温度系数为2mV/，即温度每升高1，UBE约下降2mV。(2)温度对ICBO的影响 ICBO是集电结加反向电压时，集电区中的少子漂移形成的。当温度上升时、少数载流子数增加，故ICBO上升，其变化规律是，温度每升高10，ICBO大致将增加一倍，说明ICBO将随温度按指数规律上升，反之，当温度降低时，ICBO减小。硅管的ICBO比锗管的小，因此硅管比锗管受温度的影响要小。由式2.1.7和式2.1.8可知

20、 ICEO=(1+)ICBO，IC=IB+ICEO，有 温度TICBOICEOIC 第二章 双极型三极管及其放大电路 55 图 2.1.16 温度对输入特性曲线的影响 图 2.1.17 温度对输出特性曲线的影响(3)温度对的影响 当温度升高时，输出特性曲线的距离随温度的升高而增大，如图2.1.17所示。图中实线为25oC的输出特性曲线，图中虚线为50oC的输出特性曲线，其中IB1=IB1,IB2=IB2，在同样的基极电流的变化量iB=IB1IB2=IB1IB2，对应的ic表示温度为25oC集电极电流的变化量，ic表示温度为50oC集电极电流的变化量，icic，因此，当温度升高时，将增大。综上所

21、述：温度对UBE，ICBO，的影响，均将使IC随温度上升而增加，这将严重地影响三极管的工作状态，其后果如何以及如何克服温度的影响，将在以后的相关章节讲述。2.1.7 三极管的类型、型号和选用原则三极管的类型、型号和选用原则 1类型 半导体三极管的种类很多，按半导体三极管耗散功率来分，有小功率三极管、中功率三极管和大功率三极管等；按半导体三极管的功能及用途来分，有放大管、开关管、复合管(达林顿管)和高反压管等；若按半导体三极管的工作频率来分，有低频管、高频管及超高频管等；就所用的材料而言，分为硅管和锗管；就三个区的掺杂方式而言，分为NPN和PNP管。2型号 国家标准对半导体器件型号的命名方法及符

22、号规定见教材附录表A-1所示。命名举例如下：第二章 双极型三极管及其放大电路 56 3DG100B高频小功率管采用硅材料NPN管，100是生产序号，B规格号 其主要参数如下：ICBO0.01A ICEO0.1A 30 U(BR)CBO40V U(BR)CEO30V U(BR)EBO4V ICM=20mA PCM=100mW fT150MHz 3.三极管的选用原则(1)考虑三极管工作性能的稳定，在同一型号的管子中，应选反向电流小的，这样的管子温度稳定性能较好。值不宜选得过高，否则管子性能不稳定。(2)若要求管子的反向电流小，工作温度高，则应选硅管；而当要求导通电压较低时，则应选锗管。(3)若要求

23、工作频率高，则选用高频管或超高频管；若用于开关电路，则应选用开关管。(4)考虑三极管的安全工作条件，管子用作放大器件时必须工作在安全区，注意PCM、ICM、U(BR)CEO的值。1)若工作电压较高时，选U(BR)CEO大的高反压管。U(BR)EBO一般较小，故要注意工作时基射极之间的反向电压不超过U(BR)EBO。2)需要输出大电流时，应选ICM值较大的管子。3)需要输出大功率时，应选择PCM较大的功率管。4三极管的检测 当前，国内各种晶体三极管有很多种，管脚的排列也不相同,我们以半圆塑封 第二章 双极型三极管及其放大电路 57s9014，s9013，s9015，s9012，s9018系列的晶

24、体小功率三极管为例，说明管脚的判别。(1)把显示文字平面朝自己，三极管的三个管脚朝下，从左向右依次为e发射极、b基极、c集电极。如图2.1.18所示。图 2.1.18 9013 管脚（2）在使用中不确定管脚排列的三极管，必须进行测量确定各管脚正确的位置，下面就介绍用万用表测量三极管的三个极的方法，用万用表R100或R1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。1)判定三极管的基极 判定NPN管的基极：先用黑表笔接某一引脚，红表笔先后接另外两个引脚，测得两个电阻值。再用黑表笔换接另一引脚，重复以上步骤，直至测得两个电阻值都很小，则黑表笔所接的那个引脚即为基极b。改用红表笔接基极B，黑表

25、笔先后接另外两个引脚，测得两个电阻值都很大，说明被测三极管是好的。判定PNP管的基极：先用红表笔接某一引脚，黑表笔先后接另外两个引脚，测得两个电阻值。再用红表笔换接另一引脚，重复以上步骤，直至测得两个电阻值都很小，则红表笔所接的那个引脚即为基极b。改用黑表笔接基极B，红表笔先后接另外两个引脚，测得两个电阻值都很大，说明被测三极管是好的 2)测试三极管的C、E的方法 测试NPN三极管的C、E的方法：先将三极管的基极悬空，把万用笔的红、黑表笔分别接其余两个引脚，此时万用表的指针应指在无穷大的位置，接着用手同时捏住基极B与黑表笔所接的引脚，然后观察指针向右偏转的幅度。然后交换红黑表笔，再次用手同时捏

26、住基极B与黑表笔所接的引脚，然后观察指针偏转的幅度。比较两次测量中表针向右摆动的幅度，找出摆动幅度大的一次，此时黑表笔接的是集电极C，红表笔接的是发射极E。第二章 双极型三极管及其放大电路 58测试PNP三极管的C、E的方法是将红黑表笔互换。具体的操作方法与判断NPN三极管C、E的方法基本相同。这种判别电极方法的原理是：利用万用表内部的电池，给三极管的集电极、发射极加上电压，使其具有放大能力。有手捏其基极、集电极时，就等于通过手的电阻给三极管加一正向偏流，使其导通，此时表针向右摆动幅度就反映出其放大能力的大小，因此可正确判别出发射极和集电极。2.1.8 特殊三极管特殊三极管 1光敏三极管 光敏

27、三极管又叫光电三极管，它是在光敏二极管的基础上发展起来的光电器件,光敏三极管最常用的材料是硅，它是靠光的照射强度来控制电流的器件。它可等效看作一个光电二极管与一个三极管的结合，所以它具有放大作用。等效电路和符号如图2.1.19所示，一般仅引出集电极和发射极，其外形与发光二极管一样，也有引出基极的光电三极管，它常作温度补偿用。(a)等效电路 (b)符号 图 2.1.19 光敏三极管等效电路和符号 光敏三极管输出特性与一般晶体三极管特性相似，差别仅在于参变量不同，三极管的参变量为基极电流，而光电三极管的参变量是入射的光照度E。如图2.1.20所示。当无光照时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光

28、敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流ICEO，称为光敏三极管的暗电流，它受温度的影响很大，温 第二章 双极型三极管及其放大电路 59度每上升250C，ICEO约上升10倍。当有光照时，集电极电流称为光电流，当管压降uCE足够大时，iC仅仅决定于入射的光照度E。光敏三极管的主要参数有暗电流、光电流、集电极一发射极击穿电压、最高工作电压、最大集电极功耗、峰值波长、光电灵敏度等。图 2.1.20 光敏三极管输出特性 2光耦合器光耦合器 光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（如发光二极管）与受光器（如光敏三极

29、管、光敏二极管等）封装在同一管壳内，常用的三极管型光电耦合器原理图如图2.1.21所示。图 2.1.21 三极管型光电耦合器原理图 当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电光电”转换。光耦合器以光为媒介传输电信号，输入回路与输出回路之间各自独立，没有电气联系，也没有共地，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部 第二章 双极型三极管及其放大电路 60设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压，并且工作稳定，无触点，使用寿命长，传输

30、效率高，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降UF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压U(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降。【练习与思考】【练习与思考】2.1.1双极型三极管有两个PN结，如果仿照这种结构，用两个二极管反向串联，

31、并提供必要的外部偏置条件，能获得与三极管相似的电流控制和放大作用吗?为什么?2.1.2对于双极型三极管，是否可以将其发射极和集电极对换使用?为什么?2.1.3请分别说明三极管工作在放大、截止和饱和状态时两个结的偏置情况？对于NPN管和PNP应怎样加电源电压使其满足放大条件？2.1.4不管三极管工作在放大、截止还是饱和状态，都满足IC=IB，这种说法正确吗？2.1.5如何用万用表判断三极管的工作状态？2.1.6在使用三极管时，集电极电流超过ICM，三极管一定损坏吗？第二章 双极型三极管及其放大电路 61山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 三 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课

32、 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：2.2 共发射极放大电路的组成和工作原理 2.2.1 单管共发射极放大电路的组成 2.2.2 单管共发射极放大电路的工作原理 2.2.3 放大电路的主要技术指标 2.3 放大电路的静态分析 2.3.1 直流通路 2.3.2 静态工作点的近似估算 2.3.3 图解法分析静态工作点 2.4 放大电路的动态分析 2.4.1 交流通路 2.4.2 图解分析法 重点：1.单管共发射极放大电路的工作原理、主要技术指标、放大电路组成原则 2.直流通路和放大电路的静态分析方法 难点：1.单管共发射极放大电路的工作原理 2.放大电路中利用图解法进行静态分

33、析 教学目的要求：1.了解放大的概念，掌握单管共发射极放大电路的工作原理 2.熟练求解放大电路的主要技术指标，熟悉放大电路组成原则 3.能够熟练画出放大电路的直流通路 4.掌握放大电路的静态分析方法、确定静态工作点 Q 教学方法和教学手段：教师讲授,板书,结合学生的课堂练习和课堂讨论。讨论、思考题、1.什么是静态工作点 Q？如何确定静态工作点 Q？2.如何画直流通路？如何画交流通路？作业：2.8;2.12 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第二章 双极型三极管及其放大电路 622.2 共发射极放大电路的组成和工作原理

34、共发射极放大电路的组成和工作原理 在模拟电子电路中，放大电路是最常用、最重要的一种单元电路。它利用放大器的控制作用把微弱的电信号进行放大，从而满足负载(如喇叭、显示仪表等)的需要。例如收音机、电视机的天线收到微弱的信号后，经过放大以后才能推动扬声器和显象管工作。而在自动控制系统中，被测物理量由温度传感器转换成微弱的电信号，必须由放大器将其电压或电流在幅度上进行放大，输出信号的能量得到加强后，再去推动执行元件以实现温度的自动调节等等。基本放大电路一般是指由一个三极管组成的放大电路。本节以应用最广泛的共发射极电路为例，介绍放大电路的组成和工作原理。为了理解放大电路的工作原理，那么我们首先要知道这里

35、放大的含义是什么。从表面看，所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。那么输入信号能量较小，而输出信号能量较大，这个较大的输出信号的能量来至哪里呢？输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过放大器的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。放大电路的结构示意图如图2.2.1所示。因此，在电子电路中，放大的实质是一种能量控制作用，即用能量较小的输入信号去控制直流电源，从而在输出端得到一个与输入变化相似但数值却大得多的能量。在这里需要强调的是，放大作用是针对变化量来说的。图 2.2.1 放大电路的结构示意图 具有能量控制作用的元件如三极管、场效应管等，它们都可以实现放大作用，

36、是组成放大电路的核心元件。2.2.1 单管共发射极放大电路的组成单管共发射极放大电路的组成 单管共发射极基本放大电路如图2.2.2所示。因为发射极是输入回路和输出回 第二章 双极型三极管及其放大电路 63路的公共端，所以此电路称为共发射极基本放大电路，简称共射放大电路。图 2.2.2 共发射极基本放大电路 共射放大电路基本组成如下：放大元件VT是NPN型三极管，它具有能量转换和控制作用，是放大电路的核心。直流电源VCC为输出信号提供能量并保证三极管集电结反偏。RC是集电极负载电阻，它把集电极电流iC的变化转换为电压的变化送到输出端。直流电源VBB使三极管的发射结正向偏置，并通过Rb给放大电路提

37、供静态基极电流。合适的静态基极电流可以使三极管工作在线性放大区，对放大电路的性能有重要影响。电容C1、C2称为耦合电容，它们的作用是“隔离直流，传送交流”。对于直流分量来说，电容是开路的，C1隔断信号源与放大器的直流联系，C2则隔断放大器与负载的直流联系。对于交流信号，C1、C2的容抗值较小，其交流压降忽略不计，可将C1、C2视为短路。电容的容量越大，则容抗值就越小，因此，需将其容量取的大些，一般为几微法至几十微法。在放大电路中，常用的是极性电容器，其正极必须接高电位，连接时一定注意极性不要接反。2.2.2 单管共发射极放大电路的工作原理单管共发射极放大电路的工作原理 1放大作用 当输入交流信

38、号ui为0时，放大电路各支路的电压和电流均为直流分量。直流电源VBB和VCC使三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，从而保证三极管工作在放大状态。当在放大电路的输入端加上一个微小的交流信号ui后，使得三极管发射结上的电压发生变化，产生变化量uBE,从而引起基极电流iB产生相应的变化量iB。第二章 双极型三极管及其放大电路 64因为三极管工作在放大状态，所以集电极电流iC随之产生更大的变化，即iC=iB，实现了电流的放大。iC的变化量在集电极电阻RC上产生压降，由于集射极间的电压uCEVCC-iCRC，VCC是不变的直流量，所以uCE的变化与RC上电压的变化量数值相等极性相反，即uCE-iCR

39、C。在这里，集射极间电压uCE的交流分量就等于输出电压uo，由于在一定条件下uo远大于ui，从而实现了放大作用。由以上分析可见，当放大电路的输入端有一个变化量ui时,在电路中将产生以下变化过程：iBEBCBoCECC()()uuiiiuui R 2组成放大电路的原则 通过以上分析还可以看出，三极管组成的放大电路要正常工作必须遵循以下几个原则：（1）外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。（2）输入回路的接法应使输入电压ui能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量iB。（3）输出回路的接法应使变化量iC能够转化为变化量uCE，并传送到放大电路的输出端。综上所述，在实际构成放

40、大器时，必须满足以上三条原则，否则电路将不能正常放大。另外，今后为了使电路图清晰，省去基极直流电源VBB，将基极电阻Rb改接到VCC的正极。由于直流电源的一端通常是电路的公共端（接地端），电源可不画出，只需标出另一端对公共端的电压值和极性即可，这就是放大电路的简画法，如图2.2.3所示。第二章 双极型三极管及其放大电路 65 图 2.2.3 单管共射简化电路 由于电路中既有直流电源又有交流信号源，所以电路中既有直流分量也有交流分量，电压和电流的名称较多，符号不同，容易混乱，为此规定如下，以便区别。（1）直流分量用大写字母加大写下标表示，如IB、IC、UCE等。（2）交流分量的瞬时值用小写字母加

41、小写下标表示，如ib、ic、uce等；有效值用大写字母加小写下标表示，如Ib、Ic、Uce等，而幅值是在有效值基础上加“m”下标，如Ibm、Icm、Ucem等。（3）总电压（或总电流）的瞬时值则是某时刻的交流瞬时值和直流量的叠加，用小写字母加大写下标表示，如iB、uCE等，其中iB=IB+ib，uCE=UCE+uce。2.2.3 放大电路的主要技术指标放大电路的主要技术指标 为了衡量放大电路的性能，规定了各种技术指标。由于放大电路的技术指标很多，下面只介绍几个主要的性能指标。测试电路如图2.2.4所示。放大电路可以看成二端口网络，假设输入端加上一正弦测试信号，然后测量电路中的其他有关电量，并算

42、出各項技术指标。图2.2.4 放大电路技术指标测试图 第二章 双极型三极管及其放大电路 661放大倍数 放大倍数又叫增益增益，是衡量放大电路放大能力的重要指标。输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图2.2.4所示。电压放大倍数电压放大倍数指的是输出电压与输入电压的变化量之比，当输入信号是正弦电压时，则 ouiUAU (2.2.1)同理电流放大倍数定义为输出电流与输入电流的变化量之比。oiiIAI (2.2.2)本章重点研究电压放大倍数。值得注意的是，只有在输

43、出信号没有明显失真的情况下，上面的表达式才有意义。这一要求同样适用于下面各项指标。2输入电阻 输入电阻输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻Ri，定义为输入电压有效值和输入电流有效值之比。即 iiiURI (2.2.3)输入电阻的定义见图2.2.4。输入电阻表明了放大电路从信号源吸取电流大小的能力，当信号源内阻一定时，Ri越大，放大电路从信号源吸取的电流则越小，反之则大。一般情况下，放大电路输入电阻越大越好。当然，有时候也要视需要而定。3输出电阻 放大电路的输出可以等效成一个有内阻的电压源，该信号源的内阻就是放大电路的输出电阻输出电阻Ro，即输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效内阻。Ro

44、的定义见图2.2.4。求解时，信号源sU短路，而负载电阻RL开路，外加一个正弦测试电压oU，此时，输出电流为oI，则二者之比为输出电阻Ro，即 第二章 双极型三极管及其放大电路 67oooURI (2.2.4)这只是理论上的一种计算方法，在实际电路中，往往采用“实验测试法”。首先在输入端加一正弦信号电压iU，分别测出输出负载开路时的输出电压oU和带上负载时的电压oU，由图2.2.4可得 1oooURURL (2.2.5)由上式可见，输出电阻Ro越小，带负载时的输出电压oU越接近负载开路时的输出电压oU，表明放大电路受负载影响越小，带负载能力越强。可知，输出电阻是衡量放大电路带负载能力的一项技术

45、指标。Ro越小，表明放大电路带负载的能力越强，反之则差。输入电阻与输出电阻描述了电子电路在相互连接时所产生的影响，它们会直接或间接地影响放大电路的放大能力。4通频带 因为放大电路中有电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，所以放大电路对不同频率信号的放大能力不同。放大倍数随频率的变化规律称为频率响应，放大倍数的大小随频率的变化规律叫幅频响应，放大倍数的相位随频率的变化规律叫相频响应。输入信号频率较低或较高时放大倍数通常都要下降，只有在中频段，放大倍数近似为常量且最大，用Aum表示。在低频段，当放大倍数下降为中频段的12时，对应的频率fL称为下限截止频率下限截止频率。在高频段，当放大倍数下

46、降为中频段的12时，对应的频率fH称为上限截止频率上限截止频率。fH和fL之间的频率范围，称为放大电路的通频带通频带 BW，如图2.2.5所示。第二章 双极型三极管及其放大电路 68 图2.2.5 放大电路的频率特性 通频带越宽，表示放大电路对不同信号频率的适应能力越强。在电子电路中常遇到的信号往往不是单一频率的信号，而是在一段频率范围内，例如广播中的音频信号，其频率范围通常在几十赫至几十千赫之间，要使放大后的信号不失真，放大电路应有足够宽的通频带。一般来说，音响设备的通频带应宽于(20Hz20kHz)的范围，才能完全不失真地放大声音信号。5最大不失真输出幅度 最大不失真输出幅度最大不失真输出

47、幅度是指使输出波形没有明显失真时的最大输出电压（或最大输出电流），常用有效值Uom表示。6最大输出功率与效率 最大输出功率最大输出功率指的是在输出信号无明显失真的情况下，电路能输出的最大功率，常用Pom表示。在放大电路中，输入的功率通常很小，但经放大电路的控制和转换后，直流电源的功率被转换成交流功率，得到较大的输出功率。直流电源能量的利用率称为效率，它的定义是最大输出功率与直流电源消耗的功率之比，即 omVPP (2.2.6)公式中Pv是直流电源提供的功率。【练习与思考】【练习与思考】2.2.1 为什么说放大的实质是一种能量控制作用？2.2.2 为什么放大的对象是变化量？2.2.3 组成放大电

48、路的原则是什么？2.2.4 放大电路主要的性能指标有那些？说明各项性能指标的物理意义。第二章 双极型三极管及其放大电路 692.3 放大电路的静态分析放大电路的静态分析 由前面分析可知，在放大电路中，当外加输入信号不为零时，交流量与直流量是共存的。所以对放大电路定量分析时，其分析的内容一般包括两个方面，一是直流（静态）工作点分析，二是交流（动态）性能分析。静态是当没有输入信号时，估算三极管的各极直流电流和极间直流电压，所以静态也称为直流工作状态。各极直流电流和极间直流电压的数值可用三极管特件曲线上的一个确定的点表示，通常称它为静态工作点，用Q表示。工作点合适，电路才能正常放大，否则，不仅失真严

49、重，甚至无法工作。放大电路建立合适的静态，是保证动态工作的前提。分析电路的步骤一般先静态后动态，常用的分析方法有图解法和微变等效电路法等。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。下面以单管共射放大电路为例，分析其直流通路。2.3.1 直流通路直流通路 静态时，放大电路各处的电压、电流都是直流量，耦合电容C1、C2相当于开路。所以此时的放大电路可画成图2.3.1（b）的形式，即为放大电路的直流通路直流通路。确定直流通路的方法是：将原放大电路中所有电容开路，电感短路。（a）共射放大电路 （b）直流通路 图 2.3.1 单管共射放大电路及其直流通路 第二章 双极型三极管

50、及其放大电路 702.3.2 静态工作点的近似估算静态工作点的近似估算 近似估算就是在一定条件下,把三极管这个非线性元件线性化，从而使非线性放大电路的分析转化为线性电路的求解。当外加输入信号为零时，静态工作点处的基极电流、集电极电流、基极与发射极间电压、集电极与发射极间电压分别用IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ来表示。根据图2.3.1（b）中的直流通路，采用估算法求得单管共射放大电路的静态基极电流表达式为 CCBEQBQbVUIR (2.3.1)在这里，0.7BEQUV（硅管），如果VCC、Rb已知，则可由上式估算出IBQ的值。再由基极电流和集电极电流的关系求得静态集电极电流为 CQBQII