《電工與電子技術基礎》課件

1、電工與電子技術基礎中等職業(yè)學校教學用書（電子技術專業(yè)）任課教師：李鳳琴 李鵬第8章 半導體三極管及放大電路8.1 半導體三極管8.2 三極管放大電路的組成8.3 共發(fā)射極放大電路8.4 共集電極放大電路8.5 功率放大電路 8.6 單管放大電路實驗 8.7 功率放大器實驗8.1 半導體三極管8.1.1 三極管結構與類型8.1.2 三極管的電流放大作用8.1.3 三極管的輸入特性與輸出特性8.1.4 三極管的主要參數(shù)8.1.1 三極管結構與類型 (1) 三極管結構 如圖示,它是由三層不同性質的半導體組合而成的。按半導體的組合方式不同,可將其分為NPN型管和PNP型管。1.三極管的結構與電路符號(

2、2)電路符號符號中的箭頭方向表示發(fā)射結正向偏置時的電流方向。(3)三個區(qū)、三個極、二個結 無論是NPN型管還是PNP型管,它們內部均含有三個區(qū): 發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)。從三個區(qū)各引出一個金屬電極分別稱為 發(fā)射極（e）、基極（b）和集電極（c）。在三個區(qū)的兩個交界處形成兩個PN結, 發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結, 集電區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為集電結。2. 三極管的分類三極管的種類很多, 有下列5種分類形式：(1)按其結構類型分 NPN管和PNP管(2) 按其制作材料分 硅管和鍺管 (3) 按工作頻率分 高頻管和低頻管(4) 按功率分 大功率管和小功率管(5) 按功能分 放大管、開關

3、管、微波管等。3.三極管的外形結構 常見三極管的外形結構如圖示。 8.1.2 三極管的電流放大作用1.三極管放大的條件三極管實現(xiàn)放大作用的外部條件是發(fā)射結正向偏置, 集電結反向偏置。圖（a）為NPN管的偏置電路。(1) 三極管各極之間的電流分配關系 IE=IC+IB 且 IEIC IB2.電流分配與放大(3)三極管交流放大系數(shù)當IB有微小變化時，IC即有較大的變化。例如， 當IB由10A變到20A時，集電極電流IC則由1.04mA變?yōu)?.03mA。這時基極電流IB的變化量為:IB=0.02-0.01=0.01mA 而集電極電流的變化量為:IC=2.03-1.04=0.99 mA(2)三極管直流

4、電流放大系數(shù)基極電流IB增大時, 集電極電流IC也隨之增大。將IC與IB的比值叫做三極管的直流電流放大系數(shù)，用表示， 即 或 IC=IB 它體現(xiàn)了三極管的電流放大能力。 這種用基極電流的微小變化來使集電極電流作較大變化的控制作用，就叫做三極管的電流放大作用。我們把集電極電流變化量IC和基極電流變化量IB的比值，叫做三極管交流放大系數(shù), 用表示, 即 =IC /IB在工程計算時可認為 。 8.1.3 三極管的輸入特性與輸出特性1. 輸入特性曲線三極管的輸入特性曲線表示iB與uBE的關系,如圖示。當uCE時 從輸入端看進去, 相當于兩個結并聯(lián)且正向偏置, 此時的特性曲線類似于二極管的正向伏安特性曲

5、線。 2) 當uCE1時 從圖中可見, uCE的曲線比uCEV時的曲線稍向右移。2. 輸出特性曲線輸出特性曲線如圖示, 該曲線是指當iB一定時, 輸出回路中的iC與uCE之間的關系曲線。固定一個iB值，可得到一條輸出特性曲線，改變iB值，可得到一族輸出特性曲線。在輸出特性曲線上可劃分三個區(qū)：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)。（1）放大區(qū)：當uCE1V以后，三極管的iC與iB成正比而與uCE關系不大。所以輸出特性曲線幾乎與橫軸平行，當iB一定時，iC的值基本不隨uCE變化，具有恒流特性。這個區(qū)域的工作特點是發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置，iCiB。在這一區(qū)域的三極管具有放大作用，故稱為放大區(qū)。 （2）截止

6、區(qū)：當iB=0時，iC=ICEO，穿透電流CEO很小，輸出特性曲線是一條幾乎與橫軸重合的直線。（3）飽和區(qū)：當uCEuBE時，iC與iB不成比例， iC隨uCE的增大而迅速上升，這一區(qū)域稱為飽和區(qū)，uCE=uBE稱為臨界飽和。8.1.4 三極管的主要參數(shù) 電流放大系數(shù)的大小反映了三極管放大能力的能力。為集電極電流變化量與基極電流變化量之比。1.電流放大系數(shù)三極管的參數(shù)是表征管子性能和正確使用及合理選擇三極管的依據(jù)。(1) ICBO為發(fā)射極開路時，集電極基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。(2) ICEO 為基極開路時，集電極發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。2.極間反向電流3.極限

7、參數(shù)(1) 擊穿電壓 U(BR)CBO 指發(fā)射極開路時，集電極基極間的 反向擊穿電壓。 U(BR)CEO指基極開路時，集電極發(fā)射極間的 反向擊穿電壓。U(BR)CEOU(BR)CBO。 U(BR)EBO指集電極開路時，發(fā)射極基極間的 反向擊穿電壓。普通晶體管該電壓值比較小， 只有幾伏。 8.2 三極管放大電路的三種組態(tài)8.2.1 三極管放大時的三種組態(tài)8.2.2 放大器的組成8.2.3 放大器的放大倍數(shù)及增益8.2.1 三極管放大時的三種組態(tài)1.放大器的三種組態(tài) 共發(fā)射極、共集電極和共基極放大器。 放大電路中三極管的三種連接方法(a)共發(fā)射極電路; (b)共集電極電路; (c)共基極電路(1)

8、共發(fā)射極放大電路信號由基極輸入、集電極輸出，發(fā)射極為公共端。(2)共集電極放大電路信號由基極輸入、發(fā)射極輸出，集電極為公共端。(3)共基極放大電路信號由發(fā)射極輸入、集電極輸出，基極為公共端。2. 放大電路的組成原則(1)直流電源VCC 通過電阻RB 1、RB2 、RC 、RE 提供三極管合適的靜態(tài)偏置，保證JE正偏、JC反偏。 (2)輸入回路應保證輸入信號ui能送到三極管BE結兩端，產(chǎn)生變化的ib 。 (3)輸出回路應使放大后的iC盡可能多的送到負載 RL上 ， 減小其它支路的分流。 (4) 設置合理的靜態(tài)工作點，即在沒有外加信號時，三極管 不僅處于放大狀態(tài)，而且有一個合適的工作電壓和電流。

9、8.2.2 放大電路中變量符號1 直流分量 用大寫字母和大寫下標表示。如IB表示基極的直流電流。2 交流分量用小寫字母和小寫下標表示。如ib表示基極的交流電流。3 總變化量是直流分量和交流分量之和,即交流疊加在直流上,用小寫字母和大寫下標表示。如iB表示基極電流總的瞬時值,其數(shù)值為iB=IB+ib。 4 交流有效值用大寫字母和小寫下標表示。如Ib表示基極的正弦交流電流的有效值。8.2.3 放大器的放大倍數(shù)及增益1. 電壓放大倍數(shù)Au及電壓增益GuUi 和Uo 分別是輸入和輸出電壓的有效值。2. 電流放大倍數(shù)Ai及電流增益GiIi 和Io 分別是輸入和輸出電流的有效值。Gu=20lgAu(db)

10、Gi=20lgAi(db)3. 功率放大倍數(shù)AP及功率增益GPGP=20lgAP(db)Pi 和Po 分別是輸入和輸出平均功率。8.3 共發(fā)射極放大電路8.3.1 電路的構成8.3.2 電路的靜態(tài)分析8.3.3 電路的動態(tài)分析8.3.4 共發(fā)射極放大電路的特點與應用8.3.1 電路的構成圖示最常見的一種單管共射極放大電路。它由以下三個基本組成部分： （1）放大器件：BJT是放大電路的核心器件。 （2）供電電源與直流偏置電路：供電電源VCC是放大器中的能源，同時它與由偏置電阻RB1，RB2，RC及RE，組成的偏置電路共同作用，使BJT較穩(wěn)定地工作在放大狀態(tài)。（3）耦合電路：信號源通過輸入端耦合電

11、容CB與放大器相連，再由輸出端耦合電容CC將放大后的信號送至負載RL。 CB ，CC在電路中的作用是“傳送交流，隔離直流”。當放大電路沒有輸人信號（ui0）時，電路中各處的電壓、電流都是不變的直流，稱為直流工作狀態(tài)或靜止狀態(tài)，簡稱靜態(tài)。靜態(tài)時BJT各電極的直流電壓和電流數(shù)值稱為靜態(tài)工作點，它對應著管子特性曲線上的一點Q點。8.3.2 電路的靜態(tài)分析1. Q點的估算 分析放大電路的靜態(tài)工作情況時，可將電路中的電容元件視作開路，電感元件視為短路，之后所得到的電路稱為直流通路。圖（a）所示電路即為直流通路。直流通路可用于分析放大器的靜態(tài)。Q點的估算方法UB=VCCRB2/（RB1+RB2）IEQ=（

12、UB-UBEQ）/RE（硅管取UBEQ0 7 V，鍺管取UBEQ0 3 V； ）ICCIB IBIEICQ IEQ IBQ=ICQ/UCEQVCC - ICQ(RC+RE)2Q點與直流負載線 根據(jù)前面的分析，靜態(tài)時BJT兩端的電壓UCE和電流IC，之間有如下關系： UCEVCC IC（RCRE）在BJT的輸出特J性曲線上找兩個特殊點M和N： N點： UCE0 IC=VCC / (RCRE) M點： IC0 UCEVCC 連接MN的直線稱做直流負載線，如圖示。放大器直流通路中任何一個元件或電源數(shù)值的改變，都會影響Q點，但Q點的位置始終在直流負載線上。8.3.3 電路的動態(tài)分析放大器接入交流信號（

13、u0）后，電路中各處的電壓、電流同時存在直流分量與交流分量兩種成分，稱電路工作在動態(tài)。動態(tài)分析是利用放大器的輸入、輸出特性對放大器的放大能力進行定性和定量的分析與估算。1交流通路與交流負載線 交流通路決定了電路中交流電流和電壓的變化，將放大電路中的電容及電源均視為短路得到的就是交流通路，圖示為交流通路。 由交流通路可知 uceicRL 其中 RL RcRL 在BjT的輸出特性曲線上，作一條過Q點且斜率為1/ RL的直線MN，稱為交流負載線，如圖示。交流負載線用于電路動態(tài)圖解分析。 2動態(tài)的圖解分析（1）共射電路的反相放大作用。(2) Q點與波形失真關系。靜態(tài)工作點Q選擇不當，會使放大器工作時產(chǎn)

14、生信號波形失真如圖示，若Q點在交流負載線上的位置過高（QA），則輸人信號的正半周可能進人飽和區(qū)，造成輸出電壓波形負半周被部分消除，出現(xiàn)平頂，產(chǎn)生“飽和失真”。反之，若Q點位置過低（QS），則輸人信號負半周可能進人截止區(qū)，造成輸出電壓波形正半周出現(xiàn)平頂，產(chǎn)生“截止失真”。為了獲得幅度大而不失真的信號，Q點應盡量選在交流負載線的中間部分，例如Q點。3，動態(tài)的估算分析 圖解分析法比較直觀，但準確性較差，常用于分析大信號電路。當放大器在小信號工作條件下，即交流電流、電壓的變化范圍不大時，具有非線性特性的BJT可以用一個線性電路等效，近似計算分析放大器的放大倍數(shù)、輸人及輸出電阻等動態(tài)指標。（1）BJT的

15、微變等效電路。其中：rbb=300 （2）動態(tài)估算。 將放大器交流通路中的BJT用其微變等效電路代替，得到放大器的微變等效電路。此后放大器的各項動態(tài)指標均可通過a.電壓放大倍數(shù)b.輸入電阻RiRB1/RB2/rbec.輸出電阻R0RC例1. 圖示分壓偏置共射放大器,RB1=75k,RB2=18k,RC=4K、RE1k、RL4k、VCC9V，三極管為硅管100，(1)畫直流通路、交流通路和微變等效電路;(2)求靜態(tài)工作點Q；(3)求電路的Au，Ri，Ro 。IBQICQIEQUCEQ解:(1)直流通路、交流通路和微變等效電路(2)靜態(tài)工作點UBQ=IEQ=IBQ=ICQ=IEQIBQ=1.040

16、.0104=1.0296mAUCEQVCCRCICQREIEQ=941.029611.04=3.84V(3)計算Au，Ri，Ro 輸入電阻RiRB1/RB2/rbe75/18/2.83=2.37k輸出電阻R0RC=4k電壓放大倍數(shù)8.3.4 共發(fā)射極放大電路的特點與應用1.既有電壓放大又有電流放大，輸出電壓與輸入電壓反相；2.輸入電阻大小適中，一般為k；3.輸出電阻大小也適中，一般為幾k；4.共射放大器常用于電壓信號的放大。8.4 共集電極放大電路8.4.1 電路的構成8.4.2 電路分析8.4.3 共集電極放大電路的特點與應用8.4.1 電路的構成共集電極放大電路如圖（a）所示，圖（b）是電

17、路的交流通路。由交流通路可見，集電極是輸人、輸出回路的共同端點。負載接在發(fā)射極上，因為是從發(fā)射極把信號輸出去，所以電路又稱為射極輸出器。.直流通路與靜態(tài)工作點IBQ=ICQ=IBQIEQ=(1+)IBQUCEQVCCREIEQ(1)直流通路方法:電容開路(2)靜態(tài)工作點計算8.4.2 電路分析1)電壓放大倍數(shù)：2)輸入電阻：RiRB/rbe+(1+)(RE/RL) rbe+(1+)(RE/RL)（高）3)輸出電阻：其中：一般滿足：Au1R0RE/(低)(2)性能指標的計算8.4.3 共集電極放大電路的特點與應用1特點 由上面分析可知，射極輸出器的特點是：電壓放大倍數(shù)小于1（無電壓放大）；具有一

18、定的電流放大能力（Ai）和功率放大能力；輸出與輸入同相；輸入電阻高；輸出電阻低。2應用 射極輸出器應用在實際電路中，顯然不是為了提高整個電路的電壓放大能力，真正目的是為了提高或改善原有電路的其他性能，與此同時保持原電路的電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出之間的相位關系。它主要有以下兩方面用途。（1）阻抗變換作用 通常射極輸出器可以接在放大電路與信號源之間，如圖（a）所示，此時它起提高放大電路輸入電阻的作用，以減小放大器向信號源取用電流的同時增大有效輸人電壓。 射極輸出器還可以接在放大電路與負載之間，如圖（b）所示，此時它起降低放大電路輸出電阻的作用，以提高放大器帶動負載的能力。 （2）緩沖隔離作用 當把

19、射極輸出器接在某兩個放大電路之間時，如圖（c）所示，它可以起到降低前級放大電路的輸出電阻的同時提高后級放大電路輸人電阻的作用，即緩沖隔離作用，它使前后兩個電路之間的相互影響減小了，而性能都得到了提高。8.5 功率放大電路8.5.1 功率放大電路的類型及特點8.5.2 OCL功率放大電路8.5.3 OTL功率放大電路8.5.1 功率放大電路的類型及特點功率放大器作為放大電路的輸出級, 具有以下幾個特點(1) 由于功率放大器的主要任務是向負載提供一定的功率, 因而輸出電壓和電流的幅度足夠大; (2) 由于輸出信號幅度較大, 使三極管工作在飽和區(qū)與截止區(qū)的邊沿, 因此輸出信號存在一定程度的失真; (

20、3) 功率放大器在輸出功率的同時, 三極管消耗的能量亦較大, 因此, 不可忽視管耗問題。 （1）甲類uitoiCICQ定義三極管集電極電流導通角為2360或180(電壓放大器）1. 功率放大器的分類（2）乙類uitiCICQ=0定義此時三極管集電極電流導通角為2180或90（低頻功放）（3）甲乙類ui此時三極管集電極電流導通角為180 360或 90 180（低頻功放）tiCo（4）丙類ui此時三極管集電極電流導通角為180或90（高頻功放）tiC0（1）輸出功率要足夠大 一般用在多級放大器的輸出級。 （2）效率要高 放大器實質上是一個能量轉換器, 它是將電源供給的直流能量轉換成交流信號的能量

21、輸送給負載, 因此, 要求轉換效率高。為定量反映放大電路效率的高低, 引入?yún)?shù), 它的定義為式中, Po為信號輸出功率, PE是直流電源向電路提供的功率。2. 功率放大器的特點（3）非線性失真要小為使輸出功率大, 功率放大器采用的三極管均應工作在大信號狀態(tài)下。由于三極管是非線性器件, 在大信號工作狀態(tài)下, 器件本身的非線性問題十分突出, 因此, 輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。當輸入是單一頻率的正弦信號時, 輸出將會存在一定數(shù)量的諧波。諧波成分愈大,表明非線性失真愈大, 通常用非線性失真系數(shù)表示, 它等于諧波總量和基波成分之比 通常情況下, 輸出功率愈大, 非線性失真就愈嚴重。8.5

22、.2 OCL功率放大電路乙類功放由于其三極管只在輸人信號的半個周期內導通，而另外半個周期截止，因此，當輸入正弦信號時，輸出端只能獲得半個周期的失真波形。為避免輸出波形失真，在實際電路中均采用兩只管子輪流導通的互補電路。1電路 圖（a）所示為乙類互補對稱式功率放大器，常稱為OCL電路。因其具有體積小、效率高、頻率響應好及易于集成等優(yōu)點而獲得廣泛應用。電路采用正、負對稱的雙電源（VCC）供電。選用兩個參數(shù)基本相同的功放管，V1為NPN管，其集電極接正電源（VCC；V2為PNP管，其集電極接負電源（Vcc）。兩管的基極和發(fā)射極相互連在一起，信號從基極輸入，射極作為輸出端直接接負載RL。這個電路可以看

23、成是由圖（b）和（c）兩個射極輸出器組合而成。靜態(tài)時，兩管射極電位穩(wěn)定為零。2工作原理 當ui=0時，V1，V2均截止，無電流流過負載RL；當ui處于正半周時， V1導通， V2截止，有電流（iLic1）流過負載R，；當ui處于負半周時，V1截止， V2導通，仍有電流（ iLic2 ）流過負載RL。這樣，就實現(xiàn)了靜態(tài)時功耗最小，而在有輸人信號時， V1，V2輪流導電，兩個管子互補對方的不足，工作性能又對稱，從而在負載上得到一個完整的波形。 3參數(shù)計算 (1)最大不失真輸出功率P0max設輸出電壓為 u0Ucmsint電流為 i0Icmsint 則P0 1/2 UcmIcm最大不失真輸出電壓幅度

24、: UCM=VCCUCES其中UCES為三極管的飽和壓降，當UCES 2VCC最大允許集電極電流ICM VCC/RL集電極最大允許損耗功率PCM PCm1 0.2P0max8.5.3 OTL功率放大電路在乙類互補功放中，靜態(tài)時由于ICo。所以要靠輸入信號電壓的激勵來使管子導通。當輸入正弦電壓信號的瞬時值小于管子死區(qū)電壓時三極管不導通。于是出現(xiàn)兩管交替工作銜接不好，在這一段時間內因兩只管子均不導通、使負載上無電流，以至輸出電壓出現(xiàn)失真。如圖示，并把這種失真稱為“交越失真”。克服交越失真單電源、輸出端接大電容的甲乙類互補對稱功率放大器UEQ=1/2VCC1.電路圖:2.OTL功率放大器的主要技術參

25、數(shù)接入大電容起到一個負電源作用,因此OCL電路的參數(shù)與OCL區(qū)別只是將公式中的VCC換成 VCC/2。以上電路缺點輸出電壓的最大幅度只有VCC/2。并且實際輸出電壓的正向峰值達不到VCC2。因為隨UARC1的電流VT1管壓降UCE （不能進入飽和狀態(tài)）輸出正向幅度解決方法引入帶自舉的功放電路，即接入較大容量電容C1（其直流電壓可認為不變） 例1. 已知乙類互補對稱功放VCCVEE24V、RL8，試估算：(1)該電路最大輸出功率P0max ；(2)最大管耗Pcm1 ；(3)說明該功放電路對功率管的要求。 解（1） 36W (2) Pcm10.2P0max0.236=7.2W (3) a)選擇功率

26、管時為保證管子不被燒壞，要求管子集電極 最大允許損耗功率 PCM PCm1 0.2P0max=7.2W, b)處于截止狀態(tài)的管子，其集射反向擊穿電壓 U(BR)CEO 2VCC=48V c)功率管最大允許集電極電流ICM VCC/RL=3A8.6 單管放大電路實驗8.6.1 實驗目的8.6.2 實驗儀器8.6.3 實驗電路8.6.4 實驗內容8.6.5 思考題8.6.1 實驗目的1.掌握共射放大器靜態(tài)工作點的調試方法。2. 掌握放大器主要性能參數(shù)的測試方法。8.6.2 實驗儀器1直流穩(wěn)壓電源。2信號發(fā)生器。3雙蹤示波器。4晶體管交流毫伏表。5萬用表。8.6.3 實驗電路實驗電路如圖示。各元器件

27、的參數(shù)為：RRPl00k、RB110k、RB210k、RC3k、RL3k、RElk、C1C210pF、GE100F、三極管V為3DG6、cclV。8.6.4 實驗內容1靜態(tài)工作點的調試（1）調整直流穩(wěn)壓電源的輸出為12V，并接到實驗電路的VCC和地之間。（2）調節(jié)電位器RP使IcQ2mA；由于測量電流需要斷開電路，比較麻煩，因此常采用測試電壓的方法，將萬用表調至直流電壓10V擋，調節(jié)RP并用萬用表監(jiān)測使UEQ 2V。然后保持RP不變將數(shù)據(jù)填人表82。 2電壓放大倍數(shù)的測量 （1）調節(jié)信號發(fā)生器，使其輸出f1kHz、有效值為10mV（用交流毫伏表測量），并將該信號接人實驗電路的輸入端（ui）。 （2）將交流毫伏表量程調至10V擋，斷開1、2兩點，測量空載（不接RL）時的輸出電壓uo大小，并將測量數(shù)據(jù)記錄于表83中，計算出電壓放大倍數(shù)。（3）連接1、2兩點，測量帶載（接RL）時的輸出電壓仍。大小，并將測量數(shù)據(jù)記錄于表83中，計算出電壓放大倍數(shù)。（4）用雙蹤示波器觀察輸入與輸出電壓線的波形，并比較相位關系和幅度關系。 3觀察靜態(tài)工作點對輸出波形的影響 保持輸人信號為1kHz、10mV不變，減小RRp觀察輸出波形的變化，增加RRP觀察輸出波形的變化。8.6.5 思考題1共射放大器的輸人、輸出電