《电工电子技术》习题-第7章

第7章基本放大电路【基本要求】理解晶体三极管的基本构造和工作原理；理解晶体三极管的放大、饱和、截止三种工作状态以及电流放大作用；理解共射极单管放大电路的基本结构和工作原理；掌握几种基本放大电路的分析计算以及多级放大电路的分析计算。【重点】晶体三极管的放大、饱和、截止三种工作状态以及电流放大作用；共射极单管放大电路的基本结构和工作原理；几种基本放大电路的分析计算：静态工作点的估算和动态指标的近似计算；多级放大电路的分析计算。【难点】晶体三极管的三种工作状态以及电流放大作用；几种基本放大电路的近似计算；多级放大电路的近似计算。7.1基本理论7.1.1晶体三极管1.要使三极管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置，这是放大的外部条件。因此，采用NPN型或PNP型三极管联接放大电路时，一定要注意集电极电源EC和基极EB极性的正确联接。另外，要使三极管起放大作用，基区必须做得很薄，基区的掺杂浓度必须远小于发射区的掺杂浓度，这是放大的内部条件。对于NPN型三极管来说，这样才可以大大减少自由电子与空穴在基区复合的机会，使从发射区扩散过来的电子绝大部分到达集电区。2.三极管的输入特性𝐼𝐵=𝑓(𝑈BE)|𝑈CE=常数与二极管的伏安特性相似，也有死区电压。三极管的输出特性𝐼𝐶=𝑓(𝑈CE)|𝐼𝐵=常数是一族曲线，可分为放大区、截止区和饱和区。在输出特性曲线上近于水平的部分是放大区。放大区具有恒流特性，且IC=𝛽̄IB，𝛽̄近似为常数。此时发射结处于正偏，集电结处于反偏。IB=0的曲线以下的区域是截止区，IC近似为零，发射结和集电结均处于反偏。当UCEUBE时，集电结处于正偏，三极管工作于饱和状态，UCE≈0。此时发射结也处于正偏。当三极管工作在放大区时，其具有电流放大作用。3.三极管的几个主要参数（1）直流电流放大系数𝛽̄和交流电流放大系数𝛽的含义不同直流电流放大系数𝛽̄=𝐼𝐶𝐼𝐵交流电流放大系数𝛽=𝛥𝐼𝐶𝛥𝐼𝐵但在输出特性曲线近于平行等距的情况下，二者相差不大，近似估算时，常取𝛽=𝛽̄。（2）集电极反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO两者的关系为𝐼CEO=(1+𝛽̄)𝐼CBO，它们随温度升高而增大，影响三极管的稳定性。两者越小越好。（3）三极管的极限参数主要有3个当𝛽下降到额定值的三分之二时所对应的集电极电流为最大允许电流ICM，IC超过ICM不一定会损坏三极管，但以降低𝛽值为代价。集电结上允许的最大功率损耗称为集电极最大允许耗散功率PCM。在安全工作情况下，集电极耗散功率PC应满足PC=ICUCE≤PCM。当UCE大于集-射极反向击穿电压U(BR)CEO时，ICEO将大幅度上升，管子将被击穿。由极限参数ICM、PCM、U(BR)CEO共同确定三极管的安全工作区。4.接在电路中的三极管类型可以通过测量它的各个管脚的电位来判别NPN型：集电极电位最高，发射极电位最低；PNP型：发射极电位最高，集电极电位最低。硅管：基极电位与发射极电位大约相差0.6V或0.7V；锗管：基极电位与发射极电位大约相差0.2V或0.3V。7.1.2本放大电路的组成教材图7.12是共射极放大电路的简化图，其中交流信号从基极输入，集电极输出，发射极是输入和输出的公共端，故称共发射极接法。要求会画电路，明白各个元件的作用，并对各个元件有数量级概念。在放大交流信号时，输入端和输出端接有耦合电容C1和C2，其作用是隔断直流而让交流畅通。因此它们的容抗对该交流信号的频率而言，应该很小，其上的交流电压降可忽略不计，即可视为短路。但耦合电容上有直流电压，故用的是极性电容器，联接时必须注意极性，应使电容的正极与直流电压的高电位端相连，负极与低电位端相联。7.1.3放大电路的静态分析静态是当放大电路没有输入信号时的工作状态。静态分析是要确定放大电路的静态值IB、UBE、IC和UCE；其中UBE对硅管而言，可设为0.6V或0.7V，是已知的。静态值可用放大电路的直流通路来确定。画直流通路时，电路中的电容可视为开路。计算时，往往可将UBE略去，得出估算值。也可用图解法确定静态值，其步骤如下：给出三极管的输出特性曲线作直流负载线由直流通路求出偏流IB由IB对应的输出特性与直流负载线的交点得出静态工作点Q找出对应Q点的静态值IB、IC、UCE。RB、RC及UCC对直流静态值都有影响，一般通过改变RB的阻值来调节静态共工作点。7.1.4放大电路的动态分析动态是当放大电路有输入信号时的工作状态。动态分析是在静态值确定后分析电压电流交流分量的传输情况，并计算电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。1.交流电压放大倍数𝐴̇𝑢=𝑈̇𝑜𝑈̇𝑖=−𝛽𝑅𝐿′𝑟be其中𝑟be=300+(1+𝛽)26(mV)𝐼𝐸(mA)(𝛺)是三极管的动态输入电阻，𝑅𝐿′=𝑅𝐶//𝑅𝐿称为交流负载。电压放大倍数关系式中的负号表明基本放大电路的输出电压uo与输入电压ui反相。2.输入电阻和输出电阻（1）输入电阻和输出电阻都是交流等效电阻，不能当做直流电阻来计算。（2）区别三极管和放大电路的输入电阻和输出电阻，两者不能混淆。输入电阻：𝑟𝑖=𝑈̇𝑖𝐼̇𝑖=𝑅𝐵//𝑟be≈𝑟be式中的rbe是三极管的输入电阻，ri是放大电路的输入电阻。输出电阻：𝑟𝑜=𝑅𝐶//𝑟ce≈𝑅𝐶式中的rce是三极管的输出电阻，其值较高，常略去不计。注意，输出电阻ro不包括负载电阻RL。（3）要了解放大电路的输入电阻和输出电阻对放大电路工作性能的影响，以及通常要求输入电阻高一些，输出电阻低一些的道理。3.动态分析的图解法（1）按照uiibiCuo的信号传输顺序来分析，可以清楚地看到放大电路的电压和电流（iB、uBE、iC和uCE）都含有直流分量和交流分量。这里需要说明一点，在交流通路中标的是交流分量的参考方向，它们的方向和极性是交变的。但要注意，这是分析方法，并不是在三极管中电流可以两个方向流动。因为交流分量是叠加在直流分量上的，对总电压和总电流（iB、uBE、iC和uCE）来讲它们只是大小上的变化，方向和极性是不变的。（2）如果工作范围合适，当输入电压ui为正弦量时，各个交流分量都是正弦量，输出电压uo也是正弦量，不产生失真。且ui、ib和iC同相，而uo和ui反相。（3）当静态工作点偏高或偏低时会产生饱和或截止失真，信号幅度过大时也会产生失真，这些有图解法都很直观。图解法作图麻烦，精度差，但是直观全面，对交流放大电路各个交流分量的传输、相位、失真一目了然，有利于正确理解。7.1.5分压式偏置放大电路静态工作点调整合适以后，应保持稳定，以保证良好的放大效果，避免非线性失真。固定偏置放大电路受环境温度变化影响，会产生静态工作点漂移。要想克服这一缺点，必须对电路加以改进。常用的是分压式偏置放大电路。应理解和掌握以下几点：1.只有满足I2IB和VBUBE两个条件，静态工作点才能基本稳定；2.稳定工作点的原理。当温度升高时，ICBO、、UBE的变化导致集电极电流IC和射极电流IE增大，射极电阻RE上的电压VE也随之增大。由于基极电位VB为分压电路所固定，所以UBE随VE的增大而减小，因此IC随温度的升高而增大部分可被IB减小导致的IC减小部分相抵消，静态工作点基本保持不变，即𝑇↑→𝐼𝐶↑→𝑉𝐸↑→𝑈BE↓→𝐼𝐵↓→𝐼𝐶↓可见，这种电路能稳定工作点的实质，是利用射极电阻的作用来抑制集电极电流的变化而使静态工作点基本不变。3.电路静态和动态值的计算。7.1.6射极输出器1.特点：交流电压放大倍数接近1，且略小于1；输出电压与输入电压同相；输入电阻高；输出电阻低。2.用途：由于输入电阻高，可减小对信号源电流的吸收，减轻信号源的负担，因此常用作多级放大器的输入级；由于输出电阻低，带载能力强，因此也常作为多级放大电路的输出级；利用其高输入电阻、低输出电阻以及放大倍数接近于1的特点，射极输出器也常被用作隔离级，以隔离前后级电路之间的相互影响。7.1.7多级放大电路放大电路的输入信号一般情况下都很微弱，单级放大电路往往不能满足要求，常需要将若干个单级放大电路组合成多级放大电路。多级放大电路的静态工作点可独立分析。进行动态分析时要注意，后级的输入电阻就是前级的负载电阻，而前级就是后级的信号源，其输出电阻就是后级的信号源内阻。各级放大电路的电压放大倍数可单独计算，总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。7.2典型例题分析例7.1试判断图7.1所示各电路能否放大交流信号？为什么？应如何改进？解：（a）不能放大交流信号。没有设置偏置电阻，不能产生偏流IB，应该设置偏置电阻RB。VT1C2CCCUCRVT1C2CCCUBR（a）（b）（b）不能放大交流信号。集电极没有设置电阻，不能将晶体管放大的电流转换成电压放大，应该设置集电极电阻RC。（c）不能放大交流信号。偏置电阻通过导线直接接地，使发射结被短路，应该将该段导线去掉。（d）不能放大交流信号。交流信号被C1短路，应将C1接于偏置电阻与基极联结点的左侧。（e）不能放大交流信号。静态时，C1相当于断路，偏置电流无法流入基极。应将C1接于偏置电阻与基极联结点的左侧，并交换正负极。（f）不能放大交流信号。该管为PNP管，电源UCC、C1、C2极性接反，应将UCC、C1、C2反接。例7.2在图7.2中晶体管是PNP型锗管。（1）UCC和C1、C2的极性如何？在图中标出；（2）设UCC=−12V，RC=3kΩ，β=75，如果要将静态值IC调到1.5mA，问RB应调到多大？（3）在调整静态工作点时，如不慎将RB调到零，对晶体管有无影响？为什么？通常采取何种措施来防止发生这种情况？解：（1）在PNP型晶体管的放大电路中UCC和C1、C2的极性与NPN型晶体管的放大电路中UCC和C1、C2的极性相反。如图7.3所示。（2）𝐼𝐵=𝐼𝐶𝛽=150075μA=20μA𝑅𝐵≈𝑈CC𝐼𝐵=1220×10−3kΩ=600kΩ图7.1例7.1图VT2CCCUBR1CCRVT2CCCUBR1CCRVT2CCCUBR1CCR（c）（d）（f）（e）2CCCUBRCR1CSu（3）如不慎将RB调到零，则电源12V电压全加在发射极与基极之间，致使IB增大而烧坏发射结。通常在偏置电路中串联一只阻值较小的固定电阻，以防止上述情况发生。例7.3在图7.4所示电路中，UCC=12V，RC=2kΩ，RE=2kΩ，RB=300kΩ，β=50，电路有两个输出端。试求：（1）电压放大倍数𝐴𝑢1=𝑈̇O1𝑈̇𝑖和𝐴𝑢2=𝑈̇O2𝑈̇𝑖；（2）输出电阻ro1和ro2。(设信号源内阻RS=0)解：先求静态值IE。直流通路如图7.5（a）所示，由𝑈𝐶𝐶=𝑅𝐵𝐼𝐵+𝑈BE+𝑅𝐸𝐼𝐸，得𝐼𝐵≈𝑈CC𝑅𝐵+(1+𝛽)𝑅𝐸=12300+(1+50)×2mA=30μA𝐼𝐸=(1+𝛽)𝐼𝐵=51×30×10−3=1.53mA则有𝑟be=300+(1+𝛽)26𝐼𝐸=300+51×261.53=1.17kΩ两个输出端的交流通路分别如图7.5（b）和（c）所示。CCUBRCRERiUo2Uo1U图7.4例7.3图VT2CCCU1CCRBR图7.3例7.2解图VT2CCCU1CCRBR图7.2例7.2图VT𝐴̇𝑢1=−𝛽𝑅𝐶𝑟be+(1+𝛽)𝑅𝐸=−50×21.17+51×2=−0.97𝐴̇𝑢2=(1+𝛽)𝑅𝐸𝑟be+(1+𝛽)𝑅𝐸=50×21.17+51×2≈1（2）𝑟o1≈𝑅𝐶=2kΩ𝑟o2=𝑅𝐸//𝑅𝑆//𝑅𝐵+𝑟be1+𝛽≈𝑟be𝛽=117050=23.4𝛺例7.4在图7.6所示的分压式偏置放大电路中，已知UCC=15V，RC=3kΩ，RE=2kΩ，IC=1.55mA，β=50，试估算RB1和RB2。（取标称值）解：直流通路如图7.