電子技術(shù)基礎(chǔ)項目教程.ppt

書名：電子技術(shù)基礎(chǔ)項目教程 ISBN：978-7-111- 45542-4 作者：梁洪潔 出版社：機械工業(yè)出版社 本書配有電子課件,項目二 放大電路的分析與設(shè)計 知識目標：掌握晶體管的結(jié)構(gòu)。 掌握晶體管的放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析方法。 能力目標：能看懂電路圖，會搭建電路。 能畫出共射電路，并能對電路進行分析計算。 會檢查放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，輸出波形是否失真，工作狀態(tài)。,模塊2.1 三極管的識別和檢測,任務2.1.1 半導體三極管的結(jié)構(gòu)和符號 一、三極管的結(jié)構(gòu)和符號 三極管又稱雙極型晶體管、晶體管，簡稱三極管 外形： 分類：NPN型、PNP型,三區(qū)、三極、二結(jié)： 三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū) 三個極：發(fā)射極e、基極b、集電極c 兩個結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié) 符號： 內(nèi)部放大的條件：發(fā)射區(qū)是高濃度摻雜區(qū)；基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度低；集電結(jié)面積大。,二、三極管的分類 1.按組合方式：NPN型和PNP型。 2.按使用材料：硅管和鍺管。 3.按工作頻率：高頻管和低頻管。 4.按功能：開關(guān)管、功率管、達林頓管、光敏管等。 5.按消耗功率：小功率管、中功率管和大功率管等,任務2.1.2 三極管的偏置及各極電流的關(guān)系 一、晶體管的偏置 外部放大的條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,例2-1 晶體管的三個極管腳分別為1、2、3，用直流電壓表測得其在放大狀態(tài)下的電位分別為U1=2V、U2=7V、U3=2.7V，試判斷三極管的類型及三極管對應的各電極。 解：首先根據(jù)兩電極的電位差應是0.7V（硅管）或0.3V（鍺管）來判斷三極管的材料，并確定集電極。其次根據(jù)集電極電位的高低判斷是NPN管還是PNP管，最后根據(jù)剩余兩個管腳電位的高低判斷發(fā)射極和基極。,硅管，2管腳應為集電極c,三極管應為NPN型，3號管腳為基極，1號管腳為發(fā)射極e,二、晶體管各極電流的形成 1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子的過程 由于發(fā)射結(jié)外加正向電壓，發(fā)射區(qū)的電子載流子不斷地注入基區(qū)，基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）也流入發(fā)射區(qū)。二者共同形成發(fā)射極電流。但是，由于基區(qū)摻雜濃度比發(fā)射區(qū)的小，流入發(fā)射區(qū)的空穴流與流入基區(qū)的電子流相比，可忽略。,2.載流子在基區(qū)中擴散與復合的過程 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子載流子不斷地向集電結(jié)方向擴散。由于基區(qū)寬度制作得很小，且摻雜濃度也很低，從而大大地減小了復合的機會，使注入基區(qū)中的電子載流子絕大部分都能到達集電結(jié)。故基區(qū)中是以擴散電流為主的，且擴散與復合的比例決定了晶體管的電流放大能力。 3.集電區(qū)收集載流子的過程 集電結(jié)外加較大的反向電壓，使結(jié)內(nèi)電場很強，基區(qū)中擴散到集電結(jié)邊緣的電子，受強電場的作用，迅速漂移越過集電結(jié)而進入集電區(qū)，形成集電極電流。另一方面，集電結(jié)兩邊的少數(shù)載流子，也要經(jīng)過集電結(jié)漂移，在集電極和發(fā)射極之間形成反向飽和電流。,三、晶體管的電流分配關(guān)系與放大作用 1.電流分配關(guān)系（以NPN為例） 2.電流放大作用 電流放大系數(shù)：集電極電流變化量與基極電流變化量之比稱為電流放大系數(shù)。 總結(jié)：要實現(xiàn)晶體管的放大作用，一方面要滿足內(nèi)部條件，即發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很??；另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,任務2.1.3 晶體管的連接方式,共發(fā)射極連接（簡稱：共射接法） 以基極為輸入端，集電極為輸出端，發(fā)射極為公共端。 共基極連接（簡稱：共基接法） 以發(fā)射極為輸入端，集電極為輸出端，基極為公共端。 共集電極連接（簡稱：共集接法） 以基極為輸入端，發(fā)射極為輸出端，集電極為公共端。,任務2.1.4 三極管的特性曲線 特性曲線：三極管各極電壓與電流之間的關(guān)系用曲線表示就是三極管的特性曲線。 特性曲線分類：輸入特性曲線、輸出特性曲線 測試電路：,一、輸入特性曲線 輸入特性：指三極管輸入電流和輸入電壓之間的關(guān)系。 輸入特性曲線：輸入特性的曲線即為輸入特性曲線。,二、輸出特性曲線 輸出特性：指三極管輸出電流和輸出電壓之間的關(guān)系。 輸出特性曲線：輸出特性的曲線即為輸出特性曲線。 工作狀態(tài)：截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)。,1.截止區(qū) 定義：將IB=0以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。 接法：三極管發(fā)射結(jié)零偏或反偏，集電結(jié)反偏，即 UBE0，UCB0 特點：三極管的發(fā)射極集電極之間相當于斷路，類似于開關(guān)的斷開狀態(tài)。 2.飽和區(qū) 定義：將UCEUBE時是區(qū)域稱為飽和區(qū)。 接法：三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏. 特點：在理想狀態(tài)下，三極管的發(fā)射極集電極之間相當于短路，類似于開關(guān)的閉合狀態(tài)。,3.放大區(qū) 定義：將UCEUBE且=0以上的區(qū)域稱為放大區(qū)。 接法：三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 特點：三極管的輸出電流和輸入電流的關(guān)系滿足,任務2.1.5 三極管的主要參數(shù) 一、電流放大系數(shù) 1.共射電流放大系數(shù)： 1）共射直流電流放大系數(shù)： 是指在共射極放大電路中，若交流輸入信號為零，則管子各極間的電壓和電流都是直流量，此時，集電極電流和基極電流之比，即,2）共射交流電流放大系數(shù)： 把兩電流變化量之比稱為共射交流電流放大系數(shù)。 通常： =20200 一般=4080,2.共基極電流放大系數(shù) 1）共基極直流電流放大系數(shù)： 是指在共基極放大電路中，若交流輸入信號為零，集電極電流和發(fā)射極電流之比 2）共基極交流電流放大系數(shù)： 是指在共基極放大電路中，有交流輸入信號時，集電極電流的變化量與發(fā)射極電流的變化量之比,二、極間反向飽和電流 1.反向飽和電流反向飽和電流ICBO 反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路，集電結(jié)加反向電壓時測得的集電極電流。在一定溫度下，基本上是常數(shù)，與UCB無關(guān)。常溫下，小功率鍺管的ICBO為A級，硅管則更小，為nA級。 2.穿透電流ICEO 穿透電流ICEO是指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向電流。穿透電流的大小受溫度的影響較大，溫度升高， ICBO增大， ICEO增大。穿透電流ICEO是衡量晶體管質(zhì)量的重要參數(shù)。,三、極限參數(shù) 1.集電極最大允許電流ICM 晶體管的集電極電流ICM在相當大的范圍內(nèi)值基本保持不變，但當IC的數(shù)值大到一定程度時，電流放大系數(shù)值將下降。我們把增大到使值下降到正常值的2/3時所對應的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM 。實際中，集電極電流IC必須滿足IC ICM 。 2.集電極最大允許功耗 集電極最大允許功耗是指晶體管正常工作時允許消耗的最大功率。 3.集電極發(fā)射極間的擊穿電壓 指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。,任務2.1.6 三極管的判別 一、三極管的型號 一般由五大部分組成。見附錄A。 1）第一部分用數(shù)字表示，為電極數(shù)。“3”代表晶體管。 2）第二部分用字母表示，為晶體管的材料與類型。A表示PNP型鍺管，B表示NPN型鍺管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。 3）第三部分用字母表示，為管子的功能，如G表示高頻小功率管，X表示低頻小功率管等。 4）第四部分用數(shù)字表示，為晶體管的序號。 5）第五部分用字母表示，為晶體管的規(guī)格號。,二、三極管的識別,2.晶體管的識別 如果晶體管上有型號，可根據(jù)表2-1判別晶體管，若沒有用萬用表進行測試。測試前應先將萬用表調(diào)到R1k檔，并調(diào)零。 （1）晶體管類型和管腳的判別 1）晶體管類型和基極的判別：用萬用表的第一根表筆依次接晶體管的一個引腳，而第二根表筆分別接另兩根管腳，輪流測量，直至兩個電阻均很小。這時第一根表筆所接的那個電極即為基極b，如果紅表筆接基極則可判定晶體管為PNP型；如果黑表筆接基極b，則為NPN型。 2）晶體管集電極和發(fā)射極的判定：判定晶體管集電極和發(fā)射極的方法有以下兩種。,方法一：對于NPN型的晶體管，黑表筆接晶體管基極b，紅表筆分別接另外兩個引腳時，所測得的兩阻值一個大一些，一個小一些。在阻值小的一次測量中，紅表筆所接的引腳為集電極c，另一個為發(fā)射極e。 對于PNP型的晶體管，紅表筆接晶體管基極b，黑表筆分別接其余兩個引腳時，同樣在阻值小的一次測量中，黑表筆接的引腳為集電極c，另一個為發(fā)射極e。 方法二：當晶體管為NPN型時，在基極和其中任意極之間接一個50k100k的電阻或用手連接，如圖2-10所示，將萬用表的表筆分別輪流接到晶體管的集電極和發(fā)射極上（基極懸空），直至萬用表指針有明顯偏轉(zhuǎn)時為止。電阻R或手所接兩引腳分別為基極和集電極，另外一引腳為發(fā)射極。 PNP型的判斷與之相反。,3.晶體管質(zhì)量的檢測 用電阻或手連接基極和集電極，萬用表的紅、黑表筆分別接發(fā)射極和集電極。萬用表指針偏轉(zhuǎn)的角度越大，說明晶體管的放大倍數(shù)越大。如果指針不動或者偏轉(zhuǎn)不大，說明管子放大能力很差或者已經(jīng)損壞。,任務2.1.7 特殊三極管 1.光電三極管 光敏晶體管也是一種晶體管，當光照強弱變化時，電極之間的電阻會隨之變化。光敏晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。 光敏晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。 符號：,2.光電耦合器 光敏耦合器在電路中起傳輸和隔離作用。它以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。主要由發(fā)光源和受光器兩部分組成。發(fā)光源一般為發(fā)光二極管，其引腳為輸入端；受光器一般為光敏二極管、光敏晶體管等，其引腳為輸出端。,（a）光電電阻型 （b）光電二極管型,（c）光電三極管型 （d）光電池,模塊2.2 放大電路的組成,任務2.2.1 基本共射放大電路的組成和元件的作用,是放大電路的核心元件，具有電流放大的作用,為基極提供合適的偏置電流,將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換成集電極發(fā)射極之間電壓的變化。,是放大信號所需要的能源，為集電結(jié)提供反向偏置電壓。,起隔直通交的作用。,任務2.2.2 放大電路中電壓、電流方向和符號的規(guī)定 一、電壓、電流方向的規(guī)定 電壓和電流的方向是相對的，為了便于分析，規(guī)定電壓的正方向以“地”為參考零電位，電流以其實際方向為正方向。 二、電壓、電流符號的規(guī)定 1.直流分量：基本符號和下標符號均為大寫字母。 如IB、UBE等。 2.交流分量：基本符號和下標符號均為小寫字母。 如ib、ube等。 3.瞬時值（交直流疊加）：基本符號為小寫字母，下標符號均為大寫字母。 如Ib、Ube等。 瞬時值為直流分量與交流分量之和，即ib= IB + ib 。,模塊2.3 共射放大電路的分析,分析包括,任務2.3.1 共射放大電路的靜態(tài)分析 靜態(tài)：指輸入信號ui=0時放大電路的工作狀態(tài)。 靜態(tài)工作點：電路在放大狀態(tài)下，當電路中的UCC、Rc、Rb一定時，三極管各極的電壓UBE、UCE和電流IB、IC也就確定了。這四個值在輸入特性曲線和輸出特性曲線上個對應一個固定不變的點Q，我們稱之為靜態(tài)工作點，簡稱工作點，記做IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。,靜態(tài)分析 動態(tài)分析,共射放大電路,基本共射放大電路 分壓工作點穩(wěn)定電路,分析方法,等效電路法 圖解法,一、等效電路法 1.根據(jù)放大電路畫出直流通路 直流通路：是放大電路未加輸入信號時，放大電路在直流電源的作用下，直流電流所通過的路徑。 畫直流通路的方法：電容視為開路，電感視為短路。,2.根據(jù)直流通路求靜態(tài)工作點 （ 、 、 ）,輸入回路的直流通路：,二、圖解法 1.根據(jù)輸入回路求,在輸入特性曲線上做點A：設(shè)UBE=0，則,做點B：設(shè)UBE=2，則,直流負載線：A、B兩點的連線就是輸入回路的直流負載線，其斜率為 靜態(tài)工作點：直流負載線與輸入特性曲線的交點就是靜態(tài)工作點Q，Q所對應的IB、UBE即為靜態(tài)工作點的數(shù)值IBQ、UBEQ。,2.根據(jù)輸出回路求,輸出回路的直流通路：,在輸出特性曲線上做M點：設(shè)IC=0，則 做N點：設(shè)UCE=0，則 直流負載線：連接M、N兩點的直線就是輸出回路的直流負載線，其斜率為 靜態(tài)工作點：直流負載線與輸出特性曲線中的交點就是靜態(tài)工作點Q，Q所對應的IC、UCE即為靜態(tài)工作點ICQ、UCEQ的數(shù)值。,任務2.3.2 共射放大電路的動態(tài)分析,分析方法,等效電路法 圖解法,一、等效電路法 動態(tài)指標：電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro 1.畫出交流通路 交流通路：是放大電路在信號源的作用下，只有交流電流通過的路徑。 畫直流通路的方法：直流電源短路，電容短路。,2.畫出交流微變等效電路 （1）三極管的微變等效電路 微變等效電路：利用輸入信號在微小范圍內(nèi)變化時，三極管上的電壓、電流近似為線性變化的特點，將三極管等效為線性元件，放大電路等效為線性電路，即微變等效電路。,（2）基本共射放大電路的微變等效電路 用三極管的微變等效電路來代替交流通路中的三極管，即得到放大電路的微變等效電路。,3.求解放大電路的動態(tài)指標 （1）電壓放大倍數(shù)Au 若電路為空載狀態(tài)，即,（其中： ）,（2）輸入電阻ri 輸入電阻： 就是從放大電路輸入端看進去的等效動態(tài)電阻，它等于輸入端的電源信號電壓ui與輸入信號電流ii之比。 當 （3）輸出電阻ro 輸出電阻： 就是從放大電路輸出端（不含負載）看進去的等效動態(tài)電阻，它等于輸出端的電壓uo與輸出端的電流io之比。,例2-2 放大電路如圖所示，其UCC=20V，RC=RL=6.8K，Rb=510K ，硅三極管的=50，用等效電路法求： （1）靜態(tài)工作點； （2）動態(tài)參數(shù)Au、ri、ro。,解：（1）,（2）,二、圖解法,任務2.3.3 放大電路的非線性失真 失真：是指輸出信號的波形與輸入信號的波形不成比例的現(xiàn)象。 一、截止失真 1.產(chǎn)生的原因 如果靜態(tài)工作點Q對IBQ、ICQ選得偏低，而輸入信號的幅度又相對比較大時，則信號的負半周有一部分進入截止區(qū)，使iB的負半周削掉一部分，從而使iC負半周和uCE的正半周也被削掉一部分，產(chǎn)生了因三極管的非線性所引起的非線性失真，稱截止失真。,2.改進的措施 減小偏流電阻Rb，以增加偏流電流IBQ，提高靜態(tài)工作點Q的位置。,二、飽和失真 1.產(chǎn)生的原因 如果靜態(tài)工作點Q對IBQ、ICQ選得偏高，在輸出特性上，由于UEQ偏低，iB工作在正半周時iC有一部分已經(jīng)進入飽和區(qū)，這時的集電極電流不再滿足iC=iB。此時，iC不會隨iB的增加而增加，由此引起的失真稱為飽和失真。,2.改進的措施 方法一：增大Rb，以減小偏流電流IBQ ，降低靜態(tài)工作點Q的位置。 但應注意，選取IBQ時應使iB的正半周不會工作在輸出特性曲線的彎曲部分，適當增大UCEQ的數(shù)值，以保證集電結(jié)工作在反向工作狀態(tài)。 方法二：通過減小Rc來減小等效負載電阻Rc/ 。,任務2.3.4 分壓式工作點穩(wěn)定電路的分析 穩(wěn)定過程,一、靜態(tài)分析 直流通路： I1IBQ I1 I2,