半導體三極管及其基本放大電路教案

1、題目半導體三極管及其基本放大電路類型理論課第 講時間學時教學目標7.1基本放大電路的概念及工作原理7.2基本放大電路的靜態(tài)分析7.3基本放大電路的動態(tài)分析7.4共集電極放大電路7.5功率放大器及差動放大電路簡介7.6放大電路中的負反饋重點難點 了解放大電路的基本概念及結構組成；熟悉低頻小信號放大電路及功率放大器的工作原理；理解靜態(tài)工作點的圖解法，掌握其微變等效電路的估算法；熟練掌握分壓式偏置的共發(fā)射極放大電路靜態(tài)情況下的特點、動態(tài)情況下的特點；理解反饋對放大電路性能的影響。教學手段與方法教學內容與時間分配課后練習作業(yè)教學后記教學過程：（包括授課思路、過程設計、講解要點及各部分具體內容、時間分配

2、等）知識點一1、半導體三極管的結構和符號半導體三極管又稱晶體三極管，簡稱三極管，它是放大電路中的核心器件, 其外型如圖8.1所示，其結構和符號如圖8.2所示。 圖8.1 三極管的外型圖 8.2 三極管的結構和符號(a) NPN型結構; (b) PNP型結構; 圖 8.2 三極管的結構和符號(c) NPN型符號; (d) PNP型符號2、三極管的電流放大作用三極管最重要的特性是具有電流放大作用。但要使三極管工作在放大狀態(tài)，必須具備兩個條件: 一是必須以正確的連接方式將三極管接入輸入輸出回路。按公共端的不同，可連接成三種基本組態(tài)：共發(fā)射極、共基極和共集電極，如圖8.3所示。不同的連接方式，其特性存

3、在較大差異。二是必須外加正確的直流偏置電壓，即發(fā)射結正向偏置、集電結反向偏置。圖8.4所示為共發(fā)射極電路，圖中VCCVBB，三個電極的電位關系為UCUBUE。如果使用PNP型管，應將基極電源和集電極電源的極性反過來，使得UC UB UE ，三個電流IB、IC和IE的方向也要反過來。 圖 8.3 三極管的三種組態(tài)(a) 共射極; (b) 共基極; (c) 共集極按圖8.4所示的實驗電路，可通過改變RB來改變基極電流IB，集電極電流IC和發(fā)射極電流IE也隨之變化，測試結果如表8.1所示。圖 8.4 測試三極管電流放大作用的實驗電路表8.1 三極管電流放大實驗測試數(shù)據(jù)分析表8.1的實驗測試數(shù)據(jù)，可得

4、到以下結論：(1) 三極管各電極電流的關系滿足 (8.1) 且IB很小，ICIE。(2)IC與IB的比值基本保持不變，其大小由三極管的內部結構決定，定義該比值為共射極電路的直流電流放大倍數(shù)，用表示，即 (8.2)式(8.2)表明，當三極管工作在放大狀態(tài)時，集電極電流始終是基極電流的倍。(3) IC與IB的變化量IC與IB的比值也基本保持不變，定義該比值為共射極電路的交流電流放大倍數(shù)，用表示，即 (8.3) 3、三極管的伏安特性曲線1. 輸入特性曲線 三極管的輸入特性，是指當UCE一定時，IB與UBE之間的關系曲線，即IB=f(UBE)|UCE=常數(shù)，如圖8.5(a)所示。圖 8.5 三極管共射

5、極電路的特性曲線(a) 輸入特性曲線； (b) 輸出特性曲線從輸出特性曲線可以看出，三極管有三個不同的工作區(qū)域，放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，它們分別表示三極管的三種工作狀態(tài)。三極管工作在不同區(qū)域，特點也各不相同。(1) 放大區(qū)：指曲線上IB>0和UCE>1 V之間的部分，此時發(fā)射結正偏、集電結反偏，三極管處于放大狀態(tài)。其特征是當IB不變時IC也基本不變，即具有恒流特性； 當IB變化時，IC也隨之變化，這就是三極管的電流放大作用。(2) 截止區(qū)：指曲線上IB 0的區(qū)域，此時發(fā)射結反偏，三極管為截止狀態(tài)，IC很小，集電極與發(fā)射極間相當于開路，三極管相當于斷開的開關。(3) 飽和區(qū)：指曲線上

6、UCEUBE的區(qū)域，此時IC與IB無對應關系，集電極與發(fā)射極之間的壓降稱為飽和電壓，用UCES表示。硅管的UCES 約為0.3V，鍺管的UCES約為0.1V。三極管相當于閉合的開關。飽和時的集電極電流IC稱為臨界飽和電流，用ICS表示，大小為 (8.4)4、三極管的主要參數(shù)三極管的參數(shù)很多，其主要參數(shù)有以下幾個。1. 電流放大倍數(shù) 共射極電流放大倍數(shù)為，共基極電流放大倍數(shù)為。定義為集電極電流IC的變化量與發(fā)射極電流IE的變化量之比，即 (8.5) 2. 極間反向電流極間反向電流是表征三極管工作穩(wěn)定性的參數(shù)。當環(huán)境溫度增加時，極間反向電流會增大。(1) 集電結反向飽和電流ICBO：指發(fā)射極開路時

7、，集電極和基極之間的電流。室溫下，小功率硅管的ICBO 一般小于1A，而鍺管約為10 A。(2) 穿透電流ICEO: 指基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的電流。因為ICEO =(1+)· ICBO ，所以ICEO比ICBO大得多，因、 ICBO和 ICEO會隨著溫度的升高而變大，故在穩(wěn)定性要求較高的電路中或環(huán)境溫度變化較大的時候，應該選用受溫度影響小的硅管。3. 極限參數(shù)極限參數(shù)是表征三極管能夠安全工作的臨界條件，也是選擇管子的依據(jù)。(1) 集電極最大允許電流ICM：指當集電極電流IC增大到一定程度，出現(xiàn)明顯下降時的IC值。如果三極管在使用中出現(xiàn)集電極電流大于ICM ，這時管子不一定會

8、損壞，但它的性能將明顯下降。 (2) 集電極最大允許功耗PCM：三極管工作時，應使集電極功率損耗UCEICPCM，若集電極功耗超過PCM ，集電結的結溫大大升高，嚴重時管子將被燒壞。(3) 反向擊穿電壓: U (BR)CEO為基極開路時，集電結不致?lián)舸┒试S加在集射極之間的最高電壓； U(BR)CBO為發(fā)射極開路時，集電結不致?lián)舸┒试S加在集基極之間的最高電壓；U (BR)EBO為集電極開路時，發(fā)射結不致?lián)舸┒试S加在射基極之間的最高電壓。這些參數(shù)的大小關系為U (BR)CBO>U(BR)CEO>U (BR)EBO。根據(jù)以上三個極限參數(shù)ICM、PCM和U(BR)CEO可以確定三極管

9、的安全工作區(qū)，如圖8.6所示。圖8.6 三極管的安全工作區(qū)知識點二 基本放大電路分析1、基本放大電路的組成圖8.7(a)所示為雙電源供電的共射極放大電路，T是一個NPN型三極管，作用是放大電流；VCC是輸出回路的電源，作用是為輸出信號提供能量； RC是集電極負載電阻，作用是把電流的變化轉換成電壓的變化； 基極電源VBB和基極偏置電阻RB的作用是為發(fā)射結提供正向偏置電壓和合適的基極電流IB； C1、C2稱為隔直電容，作用是隔直流、通交流信號。圖8.7(b)為單電源供電的共射極放大電路，只要RBRC，單電源就可代替雙電源的作用。 圖 8.7 共射極基本放大電路(a) 雙電源供電共射極放大電路； (

10、b) 單電源供電共射極放大電路2、靜態(tài)工作點的估算靜態(tài)工作點是指靜態(tài)時，在晶體管的輸出特性曲線上，由IB、IC和UCE組成的一個點，記為Q點, 其坐標分別記為IBQ、ICQ和UCEQ，如圖8.8所示。計算Q點坐標時可先畫出放大電路的直流通路，即讓C1、C2開路，如圖8.9所示，然后列出輸入和輸出回路電壓方程，即可估算出IBQ、ICQ和UCEQ。由圖8.9知，基極回路電壓方程為 VCC=RBIBQ+UCE考慮管壓降UCE很小, 可以忽略，得到 (8.6) (8.7)集電極回路電壓方程為(8.8)圖 8.8 靜態(tài)工作點圖8.9 共射極放大電路的直流通路3、放大電路的圖解法分析1. 靜態(tài)分析靜態(tài)分析

11、的任務是確定Q點的IBQ、ICQ和UCEQ。方法是利用式(8.6)求出IBQ，然后在晶體管輸出特性曲線上，作出與RC和VCC支路的電壓方程UCE=VCC-ICRC所對應的直線，該電壓方程稱為直流負載線方程，對應的直線稱為直流負載線。直流負載線與對應IBQ值的輸出特性曲線的交點即為Q點。具體做法是: 選取兩個特殊點, 當UCE=0時，IC=VCC/RC，它對應于縱軸上的一個點（0，VCC/RC）；當IC=0時，UCE=VCC，它對應于橫軸上的一個點（VCC，0）。連接這兩點的直線即為直流負載線，其斜率為-1/RC，如圖8.8所示。 2. 動態(tài)分析放大器輸入端加入信號時，電路的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動

12、態(tài)分析的任務是分析放大器的動態(tài)工作情況，計算電壓放大倍數(shù)。首先要畫出放大電路的交流通路。交流通路的作法是將C1、C2短路，由于電源內阻較小可忽略，因而可將電源對地短路，如圖8.10所示。  圖8.10 放大電路的交流通路1) 動態(tài)工作情況放大器的動態(tài)工作情況如圖8.11所示。圖 8.11 放大器的動態(tài)工作情況圖中文字符號的含義是：(1) 小寫的字母和小寫的下角標，表示瞬時值，如ib、ic、ube、uce、uo等。(2) 大寫的字母和大寫的下角標，表示直流量，如IB、IC、UBE、UCE等。(3) 大寫的字母和小寫的下角標，表示交流量的有效值，如Ui、Uo等。(4) 小寫的字母和大寫的

13、下角標，表示交流量和直流量的疊加總量，如iB=IB+ib，iC=IC+ic，uCE=UCE+uce，uBE=UBE+ube。1） 電壓放大倍數(shù)利用圖8.11中的ui和uo幅值，可以求出電壓放大倍數(shù)Au: (8.9)2） 放大電路的非線性失真 截止失真和飽和失真時的波形如圖8.12 和圖8.13所示。圖 8.12 截止失真圖 8.13 飽和失真3） 放大電路的參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響在共射極基本放大電路中，當VCC、RB、RC及發(fā)生變化時，Q點的位置也將隨之改變。下面分別進行討論。(1) 在其它參數(shù)保持不變時，VCC升高，則直流負載線平行右移，Q點將移向右上方，此時交流負載線也將平行右移，放大電路

14、的動態(tài)工作范圍增大，但由于ICQ、UCEQ同時增大，使三極管的靜態(tài)功耗變大，應防止工作點超出三極管安全工作區(qū)的范圍。反之，若VCC減小，則Q點向左下方移動，管子更加安全，但動態(tài)工作范圍將縮小，見圖8.14(a)。(2) 其它參數(shù)不變，增大RB，直流負載線的位置不變，但因IBQ減小，故Q點沿直流負載線下移，靠近截止區(qū)，輸出波形易產生截止失真。若RB減小，則Q點沿直流負載線上移，靠近飽和區(qū)，易產生飽和失真，見圖8.14(b)。(3) 其它參數(shù)不變，增大RC，直流負載線要比原來更平坦，因IBQ不變，故Q點將移近飽和區(qū)，使動態(tài)工作范圍變小，易于發(fā)生飽和失真。若RC減小，直流負載線變陡，Q點右移，使UC

15、EQ增大，管子的靜態(tài)功耗也增大，見圖8.14(c)。 (4) 其它參數(shù)不變，增大，則三極管的輸出特性曲線如虛線所示，此時直流負載線不變，IBQ不變，但由于同樣的IBQ值對應的曲線升高，故Q點將沿著直流負載線上移，則ICQ增大，UCEQ減小，Q點靠近飽和區(qū)。若減小，則ICQ減小，Q點將沿直流負載線下移，見圖8.14(d)。圖 8.14 放大電路的參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響4、微變等效電路法 1. 簡化的等效電路 所謂等效，就是替代前后電路的伏安關系不變。由于三極管輸入、輸出端的伏安關系可用其輸入、輸出特性曲線來表示，因此在輸入特性放大區(qū)Q點附近，其特性曲線近似為一段直線，即iB與uBE成正比，如圖8

16、.15(a)所示。故三極管的B、E間可用一等效電阻rbe來代替。從輸出特性看，在Q點附近的一個小范圍內，可將各條輸出特性曲線近似認為是水平的，而且相互之間平行等距，即集電極電流的變化量iC與集電極電壓的變化量uCE無關，而僅取決于iB ，即iC =iB，如圖8.15(b) 所示。故在三極管的C、E間可用一個線性的受控電流源來等效，其大小為iB 。圖 8.15 輸入和輸出特性曲線的線性近似三極管的等效電路如圖8.16所示。由于該等效電路忽略了uCE對iB、iC的影響，因此又稱為簡化微變等效電路。圖 8.16 三極管等效電路2. rbe的近似計算公式 rbe稱為三極管的輸入電阻，在中低頻時, 它的

17、大小近似為 rbe=300+(1+) (8.10) 3. Ri、Ro和 的計算 動態(tài)分析的目的是為了確定放大電路的輸入電阻Ri、輸出電阻Ro和電壓放大倍數(shù) 。其方法是：先畫出交流通路，圖8.7(b)的交流通路如圖8.10所示； 然后根據(jù)交流通路畫出微變等效電路，圖8.10所對應的微變等效電路如圖8.17所示。由微變等效電路可求出Ri、Ro和 。圖 8.17 微變等效電路因為其中放大倍數(shù)(8.11) 式中的負號表示輸出電壓與輸入電壓反相。從式中可看出, 提高電壓放大倍數(shù)一種有效的辦法是增大負載電阻RL。輸入電阻(8.12)輸出電阻 (8.13)例 8.1在圖8.18所示的共射極基本放大電路中，已

18、知=80，RB=282 k，RC=RL=1.5 k，VCC=12 V。試求Q點和 、Ri、Ro的值。若Ui=10 mV，Uo為多少？圖 8.18 例8.1電路圖解 設UBEQ=0.7 V，則Q點的值為 由于 IEQ=ICQ+IBQ=3.2+0.04=3.24 mA因此Ri=RBrbe=2820.950.95kRo=RC=1.5 k則知識點三 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定與分壓式偏置電路圖8.19顯示了UBE的變化對Q點的影響。圖8.19 UBE對Q點的影響 1. 電路 分壓式偏置電路如圖8.20所示。圖 8.20 分壓式偏置電路其工作原理如下：(1) 利用基極電阻RB1、RB2分壓來保持基極電位UB基本不

19、變，設計時要使IB遠小于I1，讓I1 I2。即 （8.14） 當UB >> UBE時，有： (8.15) 顯然ICQIE是固定不變的，與晶體三極管的ICBO和無關。(2) 利用RE形成電流負反饋，控制IC 。當IC隨著溫度T的升高而增大時，利用RE形成電流負反饋，維持IC基本不變，其過程如下：T()ICIEUEUBE=(UB-UE )(因UB固定)IB IC故此電路也稱為電流負反饋工作點穩(wěn)定電路。(3) 穩(wěn)定條件： 從穩(wěn)定工作點的效果看，I1和UB應越大越好。但在實際應用中，它們要受到其它因素的限制。I1大，電路從電源吸取的功率也必然大，且要減小RB1和RB2，這將使輸入

20、電阻Ri減小；UB大，必然使UE增大，UCE就要減小，即最大輸出電壓幅度減小。通?？刹捎孟铝薪?jīng)驗數(shù)據(jù):I1=(510)IB, UB=35 V(硅管)I1=(1020) IB ，UB=13 V(鍺管)利用這兩組經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選擇電路參數(shù)，就可基本滿足穩(wěn)定靜態(tài)工作點的要求。 (4) CE的作用: 如果沒有電容CE，則RE不僅對直流有負反饋作用，而且對交流信號也有負反饋作用，這將使輸出信號變小，電壓放大倍數(shù)降低。為了消除RE上的交流壓降，可并聯(lián)上一個大的電容CE 。其作用是對交流旁路，即對交流信號， CE被CE短路，使RE不對交流信號產生反饋，故稱CE為射極交流旁路電容。2. 電路的分析計算1) 靜態(tài)分

21、析 先畫出直流通路，如圖8.21所示。圖8.21 直流通路設I1I2， I1 >>IBQ，則 一般情況下， 2) 動態(tài)分析微變等效電路如圖8.22所示。圖 8.22 微變等效電路由微變等效電路知其中 則電壓放大倍數(shù)為 （8.16）放大電路的輸入電阻為放大電路的輸出電阻為例8.2在圖8.20所示的放大電路中，已知VCC=12 V，=50，RB1=10 k，RB2=20 k，RE=RC=2 k, RL=4 k。求：（1）靜態(tài)工作點Q。（2）電壓放大倍數(shù) 、輸出電阻Ro、輸入電阻Ri。 解 （1） 由于 因此因此 Ri=RB1RB2rbe=201.110=0.95 kRo=RC=2 k知

22、識點 4共集電極放大電路共集電極放大電路的組成圖8.23所示為共集電極放大電路，圖8.24所示為其直流通路，圖8.25(a)所示為其交流通路。 圖 8.23 共集電極放大電路圖8.24 共集極放大電路的 =直流通路共集電極放大電路的分析1. 靜態(tài)分析 共集電極放大電路的直流通路如圖8.24所示。列出基極回路電壓方程：IBQRB+UBEQ+IEQRE=VCCICQ=IBQUCEQ=VCC-IEQREVCC-ICQRE2. 動態(tài)分析 共集電極放大電路的交流通路和微變等效電路如圖8.25(a)、(b) 所示。圖 8.25 共集電極放大電路的交流通路和微變等效電路 (a) 交流通路； (b) 微變等效

23、電路1) 電壓放大倍數(shù)令 （8.17）2) 輸入電阻Ri=rbe+(1+)RERB (8.18)3) 輸出電阻根據(jù)輸出電阻的定義，通過較為復雜的分析計算（過程省略），可得到 知識點5 多級放大器8.5.1 多級放大器的概念前面討論的放大器均屬于由一只三極管構成的單級放大器，其放大倍數(shù)一般為幾十至幾百。在實際應用中通常要求有更高的放大倍數(shù)，為此就需要把若干單級放大器級聯(lián)組成多級放大器。多級放大器的一般結構如圖8.29所示。 圖 8.29 多級放大器的一般結構通常稱連接方式為耦合。多級放大器的耦合有：阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合三種方式。1. 阻容耦合 2. 直接耦合 3. 變壓器耦合多級放大器的分析以圖8.30所示的兩級阻容耦合放大器為例，分析多級放大器的工作情況。 圖8.30 兩級阻容耦合放大器1. 靜態(tài)工作分析 由于級間耦合電容的存在，因此各級靜態(tài)工作點彼此獨立，可單獨設置和計算，其方法與8.2節(jié)相同。2. 動態(tài)工作分析 動態(tài)分析的任務是求出多級放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。1) 電壓放大倍數(shù)圖8.30所示的兩級阻容耦合