项目二半导体三极管及其放大电路

项目二：半导体三极管及其放大电路一、晶体管的结构和符号1．结构和符号晶体管的结构示意图如图5-9a所示，分为NPN型管和PNP型管。为了收集发射区发射过来的载流子以及便于散热，要求集电结面积较大，发射区多数载流子的浓度比集电区大，因此使用时集电极与发射极不能互换。晶体管的图形符号如图5-9b所示，符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。情境教学一：半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称晶体管。2．外形图5-10几种常见的晶体管的外形结构二、晶体管的工作电压图5-11晶体管的工作电压bRcRVbRcRVNPNPNPCCUCCUNPNPNPmAACCUBRBICIEImAPR图5-12晶体管电流的实验电路晶体管各个电极的电流分配实验电路如图5-12所示。此电路称为晶体管的共发射极放大电路。4.053.182.361.540.720.01/mA3.953.102.301.500.700.01/mA0.100.080.060.040.020/mABIEICI表晶体管电流测量数据从表中的实验数据可以找出晶体管各极电流分配关系BCEIII晶体管的电流放大作用从表5-1中的实验数据还可以看出：，而且当调节电位器RP使有一微小变化时，会引起较大的变化，这表明基极电流（小电流）控制着集电极电流（大电流），所以晶体管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的电流放大作用。CIBICICIBIBI三、晶体管的特性曲线1．输入特性曲线0204060801000.20.40.60.8C025V10iB/AuBE/VCEUCEU图5-13输入特性曲线2.输出特性曲线（图5-14）（1）截止区发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。（2）放大区发射结正向偏置，集电结反向偏置。与成正比关系。CIBI（3）饱和区发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去放大作用，处于“饱和”状态。称为晶体管的饱和压降，此值很小，约为0.3V。CICEOU（4）击穿区当大于某一值后，开始剧增，这个现象称为一次击穿。一次击穿过程是可逆的。CICEOU晶体管具有“开关”和“放大”功能。3．极限参数（1）集电极最大允许电流当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为。使用时，超过时晶体管并不一定会损坏，但值将降低。CMICMICICMI（2）集电极－发射极反向击穿电压指基极开路时，加于集电极与发射极间的反向击穿电压，一般为几十伏至几百伏以上。(BR)CEOU（3）发射极－基极反向击穿电压指集电极开路时，允许加在发射极－基极之间的最高反向电压，一般为几伏至几十伏。(BR)EBOU（4）集电极最大允许功耗使用中应使允许管耗线，如图5-16所示。CMPCMPCCEIU1．电路组成情境教学二晶体管基本放大电路一、共射基本放大电路的工作原理图6-4共发射极基本放大电路2．电路分析（1）直流通路+RbRcCCU图6-5直流通路令交流输入信号＝0，电容和有隔断直流的作用，所以开路。据此画出图6-4的直流通路如图6-5所示。iu1C2C直流通路的画法直流通路的作用1）为电路实现能量转换提供电能。2）使电路获得合适的静态工作点。RcRbRLiUoU图6-6交流通路交流通路的画法令直流电源＝0，即将电源正极与地线短接。在电容和的值较大时，它们对交流信号呈现的容抗很小，可以忽略不计，所以用短路代替。据此画出图6-4的交流通路如图6-6所示。CCU1C2C交流通路的作用将微弱的输入信号，按一定要求放大后，从输出端输出。（2）交流通路图7放大器的电压、电流波形（3）放大原理分析（4）各元件的作用1）晶体管V放大电路的核心，起电流放大作用，反映晶体管的电流控制作用。2）直流电源使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，确保晶体管工作在放大状态。它又是整个放大电路的能量提供者。CCU3)集电极电阻将晶体管的集电极电流变换成集电极电压（）。CCCCCERiUuCR4）基极偏置电阻决定静态基极电流的大小。也称偏置电流，故称为偏置电阻。BR5）电容和（1）隔断直流，使静态工作点不受信号源和输出端负载的影响；（2）传送交流信号，电容量足够大时，容抗很小，近似为短路，故称为耦合电容。1C2C二、共射基本放大电路的静态工作点放大器的工作状态：静态和动态。静态工作点Q：放大电路在静态时，晶体管各极电压和电流值（主要指、、）。BQICQICEQU动态：放大电路有交流信号输入，电路中的电压、电流随输入信号作相应变化的状态。静态：无交流信号输入时，电路中的电压、电流都不变的状态。结论：静态工作点的设置是否合理，直接影响着放大电路的工作状态，它的稳定也影响着放大电路的稳定性。静态工作点对放大器的影响BIBIbi若设置较小，在输入信号为负半周时，交流信号所产生的与直流量叠加后，很容易使晶体管进入截止区而失去放大作用，如图b所示；BIbiBICiCEu若设置较大，在输入信号为正半周时，与叠加后，使很大，很小（此时集电结仍正偏），这样很容易使晶体管进入饱和区而失去放大作用，如d所示。当工作点设置适当时，将会得到如图c所示的波形。三、共射基本放大电路的参数估算1．静态分析静态分析主要是确定放大电路的静态工作点，所示的放大电路的直流通路如图所示。bBEQCCBQRUUIbCCBQRUICCQCCCEQRIUUBQCQII图直流通路2．动态分析微变等效电路法又称小信号分析法，它将晶体管在静态工作点附近进行线性化，然后用一个线性模型来等效。动态分析主要确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。有输入信号时，晶体管的各个电流和电压瞬时值都含有直流分量和交流分量，而放大，只考虑其中的交流分量。动态分析最基本的方法是微变等效电路法。（2）放大电路的微变等效电路图a所示是放大电路的交流通路。把交流通路中的晶体管用其微变等效电路代替，即得到放大电路的微变等效电路，如图b所示。图共射基本放大电路的等效电路a）交流通路b）微变等效电路放大电路输出电压与输入电压的比值叫作电压放大倍数，定义为ioUUAubebirIUbeLiorRUUAu式中,负号表示输出电压与输入电压反相。如果电路中输出端开路（=∞），则LRbeCrRAuLbCLco)//(RIRRIU（3）交流参数的计算uA1）电压放大倍数放大电路对信号源（或前一级放大电路）而言，是一个负载，可以用一个动态电阻来等效，这个动态电阻就是放大电路的输入电阻。其定义为iriiiIUrbiRrber∥beirr一般bRberir2）输入电阻输出电阻越小，带负载能力越强。IUro放大电路对负载（或后一级放大电路）而言，是一个信号源，其内阻即为放大电路的输出电阻。它是一个动态电阻。在输入信号短路（=0）和输出端开路（=∞）的条件下，在输出端加上电压，若产生的电流为，则orIULRiUI0iU因为0bI0cI所以orCR=故or3）输出电阻U图示为共射放大电路，试画出它的直流通路，求静态工作点，画出它的微变等效电路，计算其电压放大倍数、输入输出电阻。图6-12共发射极放大电路例(1)放大电路的直流通路如图a所示，其静态工作点mA04.010300V123bCCBQRUI图amAmA5.104.038BQCQIIV64k1.5mA-V12CCQCCCEQRIUU解（2）放大电路的微变等效电路如图b所示，其交流参数如下：k1960beirrk4CoRrk2k4444LCLC'LRRRRR761238beLrRAuk1960)5.12638300(mV26300CQbeIr图b情境教学三：静态工作点稳定的分压式偏置电路基本共射极放大电路的特点：优点：结构简单，电压和电流放大作用都比较大，缺点：静态工作点不稳定。静态工作点不稳定原因：电源电压波动、电路参数变化、晶体管老化等，但主要原因是晶体管特性参数（、β、）随温度变化造成的。BEUCBOI例如，当温度升高时，对于同样的，输出特性曲线将上移。严重时，将使晶体管进入饱和区而失去放大能力。实用的分压式偏置电路如下图。BQI分压偏置电路的特点（1）基极电位稳定。一般很小，，，BQI1IBQI21IIb2b1CCb2BRRURV（2）工作点稳定：利用发射极电阻来获得反映电流变化的信号，反馈到输入端，实现工作点的稳定。其过程为(ºC)↑→↑→↑→↓→↓→↓TCQIEVBEUBQICQI通常，所以发射极电流BVBEUeBeBEBERVRUVI式（6-11）、式(6-12)分别说明了和是稳定的，基本上不随温度而变，而且也基本上与管子的参数β无关。BVEI直流通路（1）画直流通路如图a所示。由式可得mA2mA2)2010(1210)(Veb2b1CCb2eBEQRRRURRImA2EQCQIImA05.0mA402CQBQIIV4V)22(2V12)(eCCQCCCEQRRIUU解（2）画微变等效电路如图b，微变等效电路82005.026300mV26300BQbeIr820////bebeb2b1irrRRrk2CoRrk1k2222//LC'LRRR49820101403be'LrRAu情境教学四：多级放大器图6-23用作音频功放的多级放大器组成方框图一、级间耦合方式及特点1．阻容耦合图6-24两级阻容耦合放大器特点：静态工作点相互没有影响优点：体积小、重量轻缺点：不能传送直流信号，不适合传送变化缓慢的信号2．直接耦合图6-25两级直接耦合方式特点：既能放大交流信号，还能放大直流信号或变化缓慢的信号缺点：各级的静态工作点互相影响，温度造成的直流工作点的漂移会被逐级放大，温漂较大。图6-26变压器耦合方式3．变压器耦合方式优点：阻抗、电压和电流的变换缺点：体积和重量都较大，高频性能差、价格高，不能传送变化缓慢的或直流信号。4．光电耦合图6-27光电耦合特点：既可传输交流信号又可传输直流信号，既可实现前后级的电隔离，又便于集成化。二、多级放大器的分析1．电压放大倍数多级放大器对被放大的信号而言，属串联关系。前一级的输出信号就是后一级的输入信号。设各级放大器放大倍数依次为、…、，所以多级放大器总的电压放大倍数为各级电压放大倍数之积，即1uA2uAunAunuuuAAAA21（6-20）式中，、…、为有负载时的电压放大倍数，其负载为相应后级的输入电阻，则视具体电路而定。1uA2uA1unAunA2．输入电阻和输出电阻多级放大器的输入电阻，是从输入端看进去的等效电阻，就是第一级的输入电阻，即i1irrnrroo多级放大器输出电阻是从输出端看进去的等效电阻，即最后一级的输出电阻。图6-28单管共射极放大器非线性失真波形3．非线性失真输出信号波形与输入信号波形之间的变异，称为波形失真（非线性失真）。放大电路的静态工作点选得不恰当或输入信号幅度过大，使信号进入晶体管的截止区或饱和区而造成的波形失真，分别称为截止失真或饱和失真。情境教学五：负反馈放大器一、反馈的基本概念负反馈的作用：稳定静态工作点、稳定放大倍数、改变输入、输出电阻、拓展通频带、减小非线性失真等。反馈：凡是将放大电路输出信号Xo（电压或电流）的一部分或全部通过某种电路（反馈电路）引回到输入端，就称为反馈。正反馈：若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低，则称这种反馈为负反馈。正反馈：若反馈信号增强输入信号，则为正反馈。图7-6分别为无负反馈的基本放大电路和带有负反馈的放大电路的方框图。负反馈的放大电路包含基本放大电路和反馈电路两部分。输入信号Xi与反馈信号Xf在“”处叠加后产生净输入信号Xd=Xi－Xf。基本放大电路（开环）的放大倍数A=Xo/Xd，反馈电路的反馈系数F=Xf/Xo，带有负反馈的放大电路（闭环）的放大倍数Af=X