电工与电子技术基础第8章半导体三极管及放大电路电子教案

《电工与电子技术基础（第2版）》电子教案主编刘莲青王连起中等职业学校教学用书（电子技术专业）第8章半导体三极管及放大电路8.1半导体三极管8.2三极管放大电路的组成8.3共发射极放大电路8.4共集电极放大电路8.5功率放大电路8.6单管放大电路实验8.7功率放大器实验8.1半导体三极管8.1.1三极管结构与类型8.1.2三极管的电流放大作用8.1.3三极管的输入特性与输出特性8.1.4三极管的主要参数8.1.1三极管结构与类型(1)三极管结构如图示,它是由三层不同性质的半导体组合而成的。按半导体的组合方式不同,可将其分为NPN型管和PNP1.三极管的结构与电路符号NPN集电结发射结集电区基区发射区bcePNP集电结发射结集电区基区发射区bceNPN型PNP型(a)VcbeVcbePNP型NPN型(b)(2)电路符号符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。(3)三个区、三个极、二个结无论是NPN型管还是PNP型管,它们内部均含有三个区:发射区、基区、集电区。从三个区各引出一个金属电极分别称为发射极（e）、基极（b）和集电极（c）。在三个区的两个交界处形成两个PN结,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,集电区与基区之间形成的PN结称为集电结。2.三极管的分类三极管的种类很多,有下列5(1)按其结构类型分NPN管和PNP管(2)按其制作材料分硅管和锗管(3)按工作频率分高频管和低频管(4)按功率分大功率管和小功率管(5)按功能分放大管、开关管、微波管等。3.小功率管塑封管硅铜塑封三极管8.1.2三极管的电流放大作用1.三极管放大的条件三极管实现放大作用的外部条件是发射结正向偏置,集电结反向偏置。图（a）为NPN管的偏置电路。＋－RbUBBIEIBIC＋－UCCRc(a)V＋－RbUBBIEIBIC＋－UCCRc(b)V(1)三极管各极之间的电流分配关系IE=IC+IB且IE≈IC＞＞IB2.电流分配与放大mAμAbceV(NPN)mAUBBIEIBICUCCRbRcRP(3)三极管交流放大系数当IB有微小变化时，IC即有较大的变化。例如，当IB由10μA变到20μA时，集电极电流IC则由1.04mA变为2.03mA。这时基极电流IB的变化量为:ΔIB=0.02-0.01=0.01mA而集电极电流的变化量为:ΔIC=2.03-1.04=0.99mA(2)三极管直流电流放大系数基极电流IB增大时,集电极电流IC也随之增大。将IC与IB的比值叫做三极管的直流电流放大系数，用β表示，即或IC=βIB它体现了三极管的电流放大能力。BCII这种用基极电流的微小变化来使集电极电流作较大变化的控制作用，就叫做三极管的电流放大作用。我们把集电极电流变化量ΔIC和基极电流变化量ΔIB的比值，叫做三极管交流放大系数,用β表示,即β=ΔIC/ΔIB在工程计算时可认为≈β。β8.1.3三极管的输入特性与输出特性1.输入特性曲线三极管的输入特性曲线表示iB与uBE的关系,如图示。25℃0204060801000.20.40.60.8uBE/ViB/AuCE＝0uCE≥1V(a)1)当uCE＝０时从输入端看进去,相当于两个ＰＮ结并联且正向偏置,此时的特性曲线类似于二极管的正向伏安特性曲线。2)当uCE≥1从图中可见,uCE≥１Ｖ的曲线比uCE＝０V时的曲线稍向右移。2.输出特性曲线输出特性曲线如图示,该曲线是指当iB一定时,输出回路中的iC与uCE之间的关系曲线。uCE/V46801234饱和区截止区iB=20A60放大区iC/mA400280100固定一个iB值，可得到一条输出特性曲线，改变iB值，可得到一族输出特性曲线。在输出特性曲线上可划分三个区：放大区、截止区、饱和区。（1）放大区：当uCE1V以后，三极管的iC与iB成正比而与uCE关系不大。所以输出特性曲线几乎与横轴平行，当iB一定时，iC的值基本不随uCE变化，具有恒流特性。这个区域的工作特点是发射结正向偏置，集电结反向偏置，iC≈βiB。在这一区域的三极管具有放大作用，故称为放大区。（2）截止区：当iB=0时，iC=ICEO，穿透电流ＩCEO很小，输出特性曲线是一条几乎与横轴重合的直线。（3）饱和区：当uCEuBE时，iC与iB不成比例，iC随uCE的增大而迅速上升，这一区域称为饱和区，uCE=uBE称为临界饱和。8.1.4三极管的主要参数电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的能力。β为集电极电流变化量与基极电流变化量之比。1.电流放大系数β三极管的参数是表征管子性能和正确使用及合理选择三极管的依据。(1)ICBO为发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。(2)ICEO为基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。2.极间反向电流3.极限参数(1)U(BR)CBO指发射极开路时，集电极—基极间的U(BR)CEO指基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBO指集电极开路时，发射极—基极间的反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小，只有几伏。8.2三极管放大电路的三种组态8.2.1三极管放大时的三种组态8.2.2放大器的组成8.2.3放大器的放大倍数及增益8.2.1三极管放大时的三种组态1.放大器的三种组态共发射极、共集电极和共基极放大器。bec＋－＋－uiuobec＋－＋－uiuo(a)(b)bec＋－＋－uiuo(c)(a)共发射极电路;(b)共集电极电路;(c)共基极电路(1)共发射极放大电路信号由基极输入、集电极输出，发射极为公共端。+_+_+VCCuSu0ui+_RSRB1RB2RERCC1C2CEVRL++++VCCRBRERLRSC2C1+_+_u0uSui+_++(2)共集电极放大电路信号由基极输入、发射极输出，集电极为公共端。+_+_uSRSuiC1C2C3RERLRB2RB1RC+_u0+VCC+++(3)共基极放大电路信号由发射极输入、集电极输出，基极为公共端。2.放大电路的组成原则(1)直流电源VCC通过电阻RB1、RB2、RC、RE提供三极管合适的静态偏置，保证JE正偏、JC反偏。(2)输入回路应保证输入信号ui能送到三极管BE结两端，产生变化的ib。(3)输出回路应使放大后的iC尽可能多的送到负载RL上，减小其它支路的分流。(4)设置合理的静态工作点，即在没有外加信号时，三极管不仅处于放大状态，而且有一个合适的工作电压和电流。8.2.2放大电路中变量符号1直流分量用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电2交流分量用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。3总变化量是直流分量和交流分量之和,即交流叠加在直流上,用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值,其数值为iB=IB+ib4交流有效值用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值。8.2.3放大器的放大倍数及增益1.电压放大倍数Au及电压增益GuiouUUA||Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值。2.电流放大倍数Ai及电流增益GiioiIIA||Ii和Io分别是输入和输出电流的有效值。Gu=20lgAu(db)Gi=20lgAi(db)3.功率放大倍数AP及功率增益GPiuioPAAPPA||GP=20lgAP(db)Pi和Po分别是输入和输出平均功率。8.3共发射极放大电路8.3.1电路的构成8.3.2电路的静态分析8.3.3电路的动态分析8.3.4共发射极放大电路的特点与应用8.3.1电路的构成图示最常见的一种单管共射极放大电路。它由以下三个基本组成部分：（1）放大器件：BJT是放大电路的核心器件。（2）供电电源与直流偏置电路：供电电源VCC是放大器中的能源，同时它与由偏置电阻RB1，RB2，RC及RE，组成的偏置电路共同作用，使BJT较稳定地工作在放大状态。（3）耦合电路：信号源通过输入端耦合电容CB与放大器相连，再由输出端耦合电容CC将放大后的信号送至负载RL。CB，CC在电路中的作用是“传送交流，隔离直流”。当放大电路没有输人信号（ui＝0）时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态时BJT各电极的直流电压和电流数值称为静态工作点，它对应着管子特性曲线上的一点Q点。8.3.2电路的静态分析1.Q点的估算分析放大电路的静态工作情况时，可将电路中的电容元件视作开路，电感元件视为短路，之后所得到的电路称为直流通路。图（a）所示电路即为直流通路。直流通路可用于分析放大器的静态。Q点的估算方法UB=VCCRB2/（RB1+RB2）IEQ=（UB-UBEQ）/RE（硅管取UBEQ＝0．7V，锗管取UBEQ＝0．3V；）ICC＞＞IBIB≈IEICQ≈IEQIBQ=ICQ/βUCEQ＝VCC-ICQ(RC+RE)2．Q点与直流负载线根据前面的分析，静态时BJT两端的电压UCE和电流IC，之间有如下关系：UCE＝VCC－IC（RC＋RE）在BJT的输出特J性曲线上找两个特殊点M和N：N点：UCE＝0IC=VCC/(RC＋RE)M点：IC＝0UCE＝VCC连接MN的直线称做直流负载线，如图示。放大器直流通路中任何一个元件或电源数值的改变，都会影响Q点，但Q点的位置始终在直流负载线上。8.3.3电路的动态分析放大器接入交流信号（u≠0）后，电路中各处的电压、电流同时存在直流分量与交流分量两种成分，称电路工作在动态。动态分析是利用放大器的输入、输出特性对放大器的放大能力进行定性和定量的分析与估算。1．交流通路与交流负载线交流通路决定了电路中交流电流和电压的变化，将放大电路中的电容及电源均视为短路得到的就是交流通路，图示为交流通路。由交流通路可知uce＝—icR’L其中R’L＝Rc∥RL在BjT的输出特性曲线上，作一条过Q点且斜率为—1/R’L的直线M＇N′，称为交流负载线，如图示。交流负载线用于电路动态图解分析。2．动态的图解分析（1）共射电路的反相放大作用。(2)Q点与波形失真关系。静态工作点Q选择不当，会使放大器工作时产生信号波形失真如图示，若Q点在交流负载线上的位置过高（QA），则输人信号的正半周可能进人饱和区，造成输出电压波形负半周被部分消除，出现平顶，产生“饱和失真”。反之，若Q点位置过低（QS），则输人信号负半周可能进人截止区，造成输出电压波形正半周出现平顶，产生“截止失真”。为了获得幅度大而不失真的信号，Q点应尽量选在交流负载线的中间部分，例如Q点。3，动态的估算分析图解分析法比较直观，但准确性较差，常用于分析大信号电路。当放大器在小信号工作条件下，即交流电流、电压的变化范围不大时，具有非线性特性的BJT可以用一个线性电路等效，近似计算分析放大器的放大倍数、输人及输出电阻等动态指标。（1）BJT的微变等效电路。其中：EQbbbeImVrr26)1('rbb`=300Ω（2）动态估算。将放大器交流通路中的BJT用其微变等效电路代替，得到放大器的微变等效电路。此后放大器的各项动态指标均可通过beLCurRRA)//(a.电压放大倍数b.输入电阻Ri＝RB1//RB2//rbec.输出电阻R0＝RC例1.图示分压偏置共射放大器,RB1=75kΩ,RB2=18kΩ,RC=4KΩ、RE＝1kΩ、RL＝4kΩ、VCC＝9V，三极管为硅管β＝100，(1)画直流通路、交流通路和微变等效电路;(2)求静态工作点Q；(3)求电路的Au，Ri，Ro。RC+VCC+uiRL++C1C2+-uo-a+RB1RB2RECERB1RC+VCC(b)RB2REBIBQICQIEQUCEQ解:(1)直流通路、交流通路和微变等效电路RCRB2RL+--+uouirbeibRB1RiRoβib(d)uiRB1RB2RCRL(c)+­ibicieuo+-(2)静态工作点UBQ=VVRRRCCBBB74.19187518212IEQ=mARUUEBEQBQ04.117.074.1