電工電子技術(shù) 課件 5任務(wù)五 基于Multisim的共射極單管放大電路的測量實驗

任務(wù)五基于Multisim的共射極單管放大電路的測量實驗電工電子技術(shù)

黃燕華任務(wù)導(dǎo)學(xué)所謂放大，就是增加微弱電信號幅度或功率的過程，實現(xiàn)放大作用的電路就是放大電路。共射極放大電路是應(yīng)用最廣泛的放大電路，放大電路如何實現(xiàn)電流放大和電壓放大?放大電路的核心元件是什么?

任務(wù)導(dǎo)學(xué)共射極放大電路是利用基極電流對集電極電流的控制作用實現(xiàn)放大電信號的目的。經(jīng)過放大后的電流經(jīng)集電極電阻轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實現(xiàn)電壓的放大作用。放大電路的核心元件是一NPN型晶體管。任務(wù)情境如圖５-２８所示為共射極放大電路，該放大電路中ＶＴ是ＮＰＮ型晶體管，這是放大電路實現(xiàn)放大信號的基礎(chǔ)?；诠采錁O放大電路，簡述ＮＰＮ型晶體管的組成；基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件來驗證放大電路的靜態(tài)工作點、電壓放大倍數(shù)等參數(shù)。１)共射極放大電路中的ＶＴ為ＮＰＮ型晶體管，根據(jù)該晶體管的特性完成表５-１３。任務(wù)實施NPN型晶體管有幾個區(qū)？分別是什么？

NPN型晶體管有幾個極？分別是什么？

NPN型晶體管有幾個PN結(jié)？分別是什么？

除了NPN型晶體管之外另一類型的晶體管是什么？

晶體管具有放大作用的工作條件是什么？２)共射極放大電路中各元器件的作用是什么?將表５-１４填寫完整。3）什么是放大電路的“靜態(tài)”？將共射極放大電路的“靜態(tài)”電路繪制在圖5-29中。4）應(yīng)用基爾霍夫定律對5-29靜態(tài)工作回路進行分析與計算，計算基極電流、集電極電流、集電極-發(fā)射極電壓，完成表5-15。

共射極放大電路直流通路中的基極回路和集電極回路共射極放大電路各參數(shù)的分析與計算5）什么是共射極放大電路的動態(tài)？如何進行共射極放大電路的動態(tài)分析，計算主要的動態(tài)性能指標，如電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻，完成表格5-16。共射極放大電路共射極放大電路7）基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ構(gòu)建共射極放大電路的動態(tài)參數(shù)測試電路模型，測量出電壓放大倍數(shù)和輸入輸出電阻等參數(shù)，并與理論值進行比較，完成表格5-18。

知識鏈接一、晶體管的基本結(jié)構(gòu)二、晶體管的電流放大作用三、晶體管共射極組態(tài)的特性曲線四、晶體管的主要參數(shù)五、晶體管的小信號電路模型六、共射極單管放大電路

一、晶體管的基本結(jié)構(gòu)電工電子技術(shù)

黃燕華晶體管的基本結(jié)構(gòu)雙極型晶體管：兩個PN結(jié)，三個電極。簡稱三極管、晶體管（BJT）。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，晶體管分為兩種類型NPN型和PNP型。塑料封裝小功率管金屬封裝小功率管金屬封裝大功率管電流放大作用發(fā)射極E集電極C集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)B基極PNN發(fā)射極E集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)基極PPN集電極CBNPN型PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)特點

(1)基區(qū)尺寸極薄(μm數(shù)量級),占整個晶體管尺寸的百分之一以下。(2)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖為同一類型的雜質(zhì)半導(dǎo)體,但它們的攙雜濃度相差懸殊:發(fā)射區(qū)的攙雜濃度遠大于集電區(qū)的攙雜濃度。(3)集電結(jié)的面積大,發(fā)射結(jié)的面積小。注意:發(fā)射極E和集電極C不能對調(diào)使用。BECICIEIB圖形符號和電流方向NPN型PNP型BECICIBIE二、晶體管的電流放大作用

電工電子技術(shù)

黃燕華晶體管的電流放大作用晶體管實現(xiàn)電流放大作用必須具備的外部條件晶體管的發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏UBE

>0UCB

＞0即

VC>VB>VEUEB＞0UBC

＞0即

VE>VB>VC+--UBE+--UCB--+UEB+UBC--BECBECPPPNNNNPN型PNP型(一)實驗電路基極回路共發(fā)射極電路電源UCC＞UB使發(fā)射結(jié)正偏

集電結(jié)反偏（二）實驗操作IB變化→IC和IE變化集電極回路改變電位器RB′的阻值→UBE變化→IB變化→IC變化UBBRBRB′

′IBμAEICUCCIECmAmA→

IE變化。晶體管的電流放大作用UBBRBRB′

′IBμAEICUCCIECmAmAIB／mA00.020.04

0.06

0.08

0.10IC／mA＜0.001

0.74

1.50

2.25

3.05

3.85IE／mA＜0.001

0.76

1.542.313.13

3.95(三)分析實驗數(shù)據(jù)結(jié)論

(1)每一組數(shù)據(jù)說明三個電極的電流符合KCL。IE

=IB+ICBECICIEIBIB／mA00.020.04

0.06

0.08

0.10IC／mA＜0.001

0.74

1.50

2.25

3.05

3.85IE／mA＜0.001

0.76

1.542.313.13

3.95(2)電流IE、IC比IB大得多。以第3組數(shù)據(jù)為例IC≈IE＞＞IB（3）基極電流的微小變化引起集電極電流的顯著變化。晶體管的電流放大作用→放大微弱電信號IB／mA00.020.04

0.06

0.08

0.10IC／mA＜0.001

0.74

1.50

2.25

3.05

3.85IE／mA＜0.001

0.76

1.542.313.13

3.95以第三組數(shù)據(jù)變化到第四組數(shù)據(jù)為例三、晶體管共射極組態(tài)的特性曲線電工電子技術(shù)

黃燕華晶體管的輸入特性曲線表示各極電流與極間電壓的關(guān)系。是了解晶體管特性和分析晶體管工作狀態(tài)的重要依據(jù)。共射極放大電路UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE（一）共射極組態(tài)輸入特性曲線NPN型硅管輸入特性曲線正常工作時

VC＞VB＞VEUCE≥1V即可使集電結(jié)反偏。常數(shù)UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCEIB／μA0.40.8UBE／V206040800UCE≥1VUBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE所有的輸入特性曲線幾乎重合。死區(qū)電壓硅管0.4～0.5V鍺管0.2V線性工作范圍：晶體管正常工作時的正偏電壓硅管0.6～0.7V鍺管0.2～0.3VIB與UBE之間是非線性關(guān)系IB／μA0.40.8UBE／V206040800UCE≥1V控制死區(qū)晶體管的輸出特性曲線表示集電極電流與集電極——發(fā)射極電壓UCE的關(guān)系。是了解晶體管特性和分析晶體管工作狀態(tài)的重要依據(jù)。共射極放大電路UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE共射極組態(tài)輸出特性曲線UBBRBRB′

IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE4UCE／VIC／mA132036912100μAIB=0

20μA40μA60μA80μA輸出特性曲線族常數(shù)第一、每一條曲線的變化規(guī)律以IB=40μA為例恒流特性段

UCE＞1V后，UCE增加，IC幾乎不再增加。特性曲線近似平行于水平軸,表現(xiàn)為恒流特性。起始段

UCE＜1VIC隨UCE增加近似成正比,線性增加，該段近似為陡直的直線。4UCE／VIC／mA132036912100μAIB=0

20μA40μA60μA80μAICIB的數(shù)值增加,曲線上移，組成一組輸出特性曲線。1.放大區(qū)條件:發(fā)射結(jié)正偏

集電結(jié)反偏截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)ICEOEBC+--0.6～0.7V+--UCE＞1V第二、整個輸出特性分為三個區(qū)特點:電流放大作用②要改變IC，只能用改變IB的辦法達到。表現(xiàn)為IB對IC的控制作用即電流放大作用。①每一條曲線表現(xiàn)為恒流,即IC與UCE無關(guān)。放大區(qū)截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)ICEO③IB以等差值規(guī)律變化，對應(yīng)的特性曲線是一組間距基本相等的平行線，它們之間的間距就體現(xiàn)了基極電流對集電極電流的控制和放大作用。例如，保持UCE=6V不變，調(diào)節(jié)IB由40μA增大為60μA對應(yīng)的IC由1.5mA增大為2.25mA。放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μAICEO△IB=60－40=20μA△IC=2.25－1.5=0.75mA基極電流的微小變化△IB引起集電極電流△IC的顯著變化△IC＞＞△IB截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)ICEO2.截止區(qū)①由于IB≤0，表明發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)亦反偏。②穿透電流ICEO

，基極斷開（IB=0），集-射極之間加上一定值的UCE時，集電極-發(fā)射極的電流。ICEO由少子形成，近似為零。但ICEO隨溫度增加而顯著增加，使晶體管工作不穩(wěn)定。E-CBUBE≤0++-UCE≥1VICEO截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)ICEO③晶體管的開關(guān)作用IB=0、ICEO≈0。開關(guān)斷開E-CBUBE≤0++-UCE≥1VICEO≈0IB=0CEB截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA飽和區(qū)放大區(qū)ICEO3.飽和區(qū)①發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)亦為正偏。ECBUBE≈0.7V++--UCE＜0.7V②晶體管失去放大作用。③晶體管的開關(guān)作用。深度飽和時,UCES≈0。等效為開關(guān)閉合CEB飽和區(qū)截止區(qū)UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA放大區(qū)ICEO四、晶體管的主要參數(shù)電工電子技術(shù)

黃燕華四.晶體管的主要參數(shù)

（一）電流放大系數(shù)表示晶體管放大電信號的能力。

直流電流放大系數(shù)

表示晶體管性能優(yōu)劣、適用范圍及合理選擇、正確使用晶體管的依據(jù)。利用輸出特性曲線可以計算出。βUCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA放大區(qū)1.52.25ICEO

交流電流放大系數(shù)

UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA放大區(qū)1.52.25ICEO在放大區(qū)約為幾十至一百左右。利用輸出特性曲線，可以計算出β。

（二）集-射極反向飽和電流ICEO（穿透電流）

（三）集電極最大允許電流ICM。

（四）集--射反向擊穿電壓U(BR)CEO。極限參數(shù)使用中不得超過BCEIC--+UCEIBIB=0ICEOUCC輸出特性曲線中IB=0(基極開路)曲線所對應(yīng)的集電極電流即為ICEO。ICEO是失控電流,越小越好。

（五）集電極最大允許耗散功率PCM。晶體管工作時，集電極消耗的電功率五、晶體管的小信號電路模型

電工電子技術(shù)

黃燕華五.晶體管小信號電路模型(一)為什么要建立晶體管小信號電路模型？線性元件解析計算(圖解分析)UBIBICIEBRBEUCCCRC注意:晶體管小信號電路模型只對電流、電壓變化量（△IB、

△

IC

、

△

UBE

、

△

UCE）等效。非線性元件△IC△UCE△IB--+△UBE+--BCEEEEB△IB△UBE+--+△UCE--小信號電路模型C△IC（二）可能性對交流變化量（動態(tài)）等效特性曲線中都有一段近似為線性段。之間具有線性正比關(guān)系。電流、電壓變化量電信號幅度較小，在該線性段工作，電流變化量與電壓變化量之間就存在確定的線性正比關(guān)系。IBUBE0Q△UBE△IB在輸入特性的直線范圍，rbe是常數(shù)，能夠用來表示△

IB與△UBE之間的關(guān)系。這樣，晶體管基極與發(fā)射極之間就可以用晶體管的輸入電阻rbe等效代替?；錁O間△IB與△UBE的關(guān)系常數(shù)Q點附近近似直線,各點斜率相同晶體管的輸入電阻△UCE△IC+-CEβ△IBBE△IB△UBErbe+-在輸出特性的放大區(qū)內(nèi)，IC與UCE無關(guān)，只受IB控制?！鱅C=β·△IB因此，集-射極之間可以用一個電流源等效代替。該電流源受△IB控制，稱為受控電流源?！鱑CE與△IC的關(guān)系由輸出特性曲線決定。其變化量之間的關(guān)系UCE／VIC／mA3960612160μA80μA241840μA120μA200μA等效的意義對晶體管三個電極以外的電路等效。對極間電壓與電流的變化量之間等效。式中IE是工作點Q對應(yīng)的發(fā)射極電流?！鱅C△UCE△IB--+△UBE+--BCEEBE△IB△UBErbe+-△UCE△IC+-CEβ△IB六、共射極單管放大電路

電工電子技術(shù)

黃燕華

共射極單管放大電路既有電壓放大作用,又有電流放大作用,且電壓放大倍數(shù)較高。一.電路組成和各元件的作用輸入回路輸出回路共射極放大電路+C1RLRCRBC2V+--ECuiuO++--IBIC發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏輸出信號uO

提供給負載RL。輸入信號ui

信號源提供。晶體管V

電流放大作用。直流電源EC

使發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。EC又是放大電路的能源,一般為幾伏至十幾伏。+C1RLRCRBC2V+--ECuiuO++--IBIC各元件的作用IB—偏置電流決定靜態(tài)工作點。RB一般為幾十kΩ至幾百kΩ。+C1RLRCRBC2V+--ECuiuO++--IBIC基極電阻RB

與EC配合為晶體管V發(fā)射結(jié)提供正偏電壓,同時為V

提供合適的基極電流IB。集電極電阻RC

將電流放大作用轉(zhuǎn)換為電壓放大作用。RC一般為幾kΩ至幾十kΩ。耦合電容C11和C22

隔直流、通交流。隔直電容，一般為幾μF至幾十μF。小結(jié):信號放大過程該放大電路只能放大交流信號。C11ui→uBE→iBβ電流放大作用→iC電壓作用放大RC→iCRCC2uCE=EC-iCRC→uCE→uOiBC1RLRCRBC2V+--ECuiuO++----++--uBEuCEiC二.放大電路的靜態(tài)分析放大電路沒有輸入信號

(ui=

0)時的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時,電路中只有在EC作用下產(chǎn)生的直流電流和直流電壓。為放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，使放大信號輸入后工作在特性曲線的放大區(qū)（線性部分），保證放大信號不失真。靜態(tài)分析的任務(wù)是確定電路中的直流電量--IB

、

IC和UCE。

（靜態(tài)工作點）靜態(tài)是放大電路工作的基礎(chǔ)。分析方法直流通路（一）直流通路放大電路中的C1、C22

斷路。直流電流流通的路徑。靜態(tài)ui=0ui=0VRCRB+--IBICIEUCEUBE+--+UCCUCC=ECVRCRB+--ECIBICIEUCEUBE+--ECRBRCVRLC1C2（二）靜態(tài)分析計算靜態(tài)工作點兩種方法1.估算法晶體管電流放大系數(shù)β和電路參數(shù)RC、RB、UCC（EC）均為已知。對基極回路列寫KVL方程基極電流式中硅管UBE可按0.6V、鍺管可按0.3V代入，估算。通常UCC＞＞UBE近似有集電極電流IC=β·IB對集電極極回路列寫KVL方程VRCRB+-IBICIEUCEUBE+-+UCC三.動態(tài)分析輸入信號ui加入后,引起各部分電流、電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化量，疊加在原來的靜態(tài)直流量之上。此時各部分電流、電壓中既有靜態(tài)直流分量，又有交流動態(tài)分量。交直流共存電路輸出端開路RL=∞iBC1RLRCRBC2V+--ECuiuO++----++--uBEuCEiC表7-1放大電路中電流、電壓文字符號

電量靜態(tài)值(直流分量)

交流分量總電壓或總電流瞬時值有效值最大值基極電流集電極電流發(fā)射極電流

IB

IC

IEib

ic

ieIb

Ic

IeIbm

IcmIemiB

iC

iE集－射極電壓基－射極電壓UCE

UBE

uce

ubeUceUbeUcemUbemuCE

uBE（二）微變等效電路法工作點選擇合適，位于特性曲線放大區(qū)的中間部分ui是小信號放大電路線性工作，波形不失真。微變等效電路法用于交流動態(tài)分析。是定量分析、計算交流動態(tài)的重要方法。晶體管的電壓變化量與電流變化量之間存在線性正比關(guān)系，晶體管可以用小信號電路模型等效代替。EBECV++----ibicubeuceBCEErbe++----ibicubeuceβib1.放大電路的交流通路將放大電路的交直流共存電路分解為直流(靜態(tài))和交流(動態(tài)),分別進行分析。交流通路交流電流流通的路徑。表示交流信號的傳輸關(guān)系

。

只適用于交流（動態(tài)）工作情況。耦合電容C1和C2---短路處理直流電源EC---短路處理處理方法ECC1C2RLRCRBV+ui--RLRCRBV+ui--+--uiRBRCRLV2.放大電路的微變等效電路·uSVRB+ibii--+RSui--RCRLiC+uO--信號源負載·RCβibib+-uoRLRBRSrbeiiiC+us-ui+-BCE3.微變等效電路分析法設(shè)輸入信號ui是正弦信號,用相量法計算。（1）電壓放大倍數(shù)Au表示放大電路放大電信號能力的主要性能指標。RC+-RLRBRSrbe+-+-輸出電壓相量輸入電壓相量電壓放大倍數(shù)RC+-RLRBRSrbe+-+-式中“--”表示輸出信號uo與輸入信號ui相位相反。=RL∥RC等效負載電阻(2)輸入電阻riri定義US·++----RSIo·Ui·Uo·Ii·RL放大電路+--是衡量放大電路對信號源(或前級放大電路)影響的性能指標。從放大電路輸入端看入的交流、動態(tài)電阻。ri=RB∥rbe一般情況下，要求ri大一些為好。共射極放大電路ri較小。riRC+-RLRBRSrbe+-+-（3）輸出電阻表示放大電路帶負載能力的性能指標。ro越小，信號源越近似為恒壓