電子線路基礎(chǔ)第2單元三極管及放大電路

電子技術(shù)基礎(chǔ)

與技能人民郵電出版社知識目標(biāo)：了解晶體三極管的結(jié)構(gòu)，理解其電流放大特點(diǎn)。了解晶體三極管的特性曲線、溫度對特性的影響，理解其主要參數(shù)，熟悉不同晶體三極管的適用場合。理解共射放大電路主要元件的作用，了解放大電路的直流通路與交流通路。了解共射、共集和共基3種放大電路的電路構(gòu)成特點(diǎn)。了解溫度對放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，了解分壓式偏置放大器的工作原理。了解小信號放大電路性能指標(biāo)（放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻）的含義，掌握靜態(tài)工作點(diǎn)、輸入電阻、輸出電阻和電壓放大倍數(shù)的公式估算。了解多級放大電路級間3種耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn)、多級放大器的增益和輸入、輸出電阻的概念及在工程中的應(yīng)用、幅頻特性的重要性。第2單元三極管及放大電路技能目標(biāo)：學(xué)會查閱晶體管手冊，能在實(shí)踐中合理使用晶體三極管。能識讀晶體三極管電路符號、識別其引腳，會用萬用表判別晶體三極管的引腳和質(zhì)量優(yōu)劣。能識讀和繪制基本共射放大電路，能識讀分壓式偏置、集電極—基極偏置放大器的電路圖。能搭接分壓式偏置放大器，會使用萬用表測試靜態(tài)工作點(diǎn)，會調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。

三極管的概況1三種基本放大電路2放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定3

放大電路的分析4多級放大電路5技能實(shí)訓(xùn)6第1節(jié)三極管的概況一、三極管的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)二、三極管的主要參數(shù)三、三極管的型號、識別與檢測一、三極管的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1．三極管的結(jié)構(gòu)一個三極管有NPN型和PNP型兩類，如圖2.5（a）、（c）所示。三極管內(nèi)部3個區(qū)分別稱為：集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。與集電區(qū)相連接的PN結(jié)稱為集電結(jié)，與發(fā)射區(qū)相連接的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)。從3個區(qū)引出的電極分別稱為集電極C、基極B和發(fā)射極E，相應(yīng)的電流分別稱為集電極電流IC，基極電流IB和發(fā)射極電流IE，它們的關(guān)系是：IE=IC+IB。三極管的電路符號分別如圖2.5（b）、（d）所示，圖中發(fā)射極箭頭表示電流方向。2．常用三極管的特點(diǎn)（1）低頻小功率三極管。低頻小功率三極管一般用于工作頻率較低、功率在1W以下的電壓放大電路、功率放大電路等。常用的國產(chǎn)低頻小功率三極管型號有：3AX系列、3DX系列等。進(jìn)口的低頻小功率三極管型號有：2SA940、2SC2462、2N2944等。（2）低頻大功率三極管。低頻大功率三極管一般用做電視機(jī)、音響等家電中電源的調(diào)整管或功率輸出管，也可用于穩(wěn)壓電源、汽車點(diǎn)火電路、不間斷電源（UPS）等。常用的國產(chǎn)低頻大功率三極管型號有：3DD系列、3AD系列等。進(jìn)口的低頻大功率三極管型號有：2SA670、2SB337、2AC1827、BD201等。（3）高頻小功率三極管。高頻小功率三極管一般用于工作頻率較高、功率不大于1W的放大、振蕩、開關(guān)控制等電路。常用的國產(chǎn)高頻小功率三極管型號有：3AG系列、3DG系列等。進(jìn)口的高頻小功率三極管型號有：2SA1015、2SC1815、S90××系列、BC148、BC158等。（4）高頻大功率三極管。高頻大功率三極管一般用于視頻放大電路、前置放大電路、互補(bǔ)驅(qū)動電路、高壓開關(guān)電路、電視機(jī)行輸出電路等。常用的國產(chǎn)高頻大功率三極管型號有：3DA系列、3CA系列等。進(jìn)口的高頻大功率三極管型號有：2SA634、2SC2068、2SD966、BD135等。（5）開關(guān)三極管。開關(guān)三極管是一種飽和與截止?fàn)顟B(tài)變換速度較快的三極管，可分為小功率開關(guān)三極管和高反壓大功率開關(guān)三極管等。小功率開關(guān)三極管一般用于高頻放大電路、脈沖電路、開關(guān)電路、同步分離電路等，常用的國產(chǎn)型號有：3AK系列、3DK系列等。高反壓大功率開關(guān)三極管通常都是硅NPN型三極管，主要在彩色電視機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器中用做電源開關(guān)管等。常用的高反壓大功率開關(guān)三極管的型號有：2SC1942、2SD820、2SD1431～2SD1433等。應(yīng)用實(shí)例：圖2.7所示為5.5寸實(shí)訓(xùn)用黑白電視機(jī)行掃描部分電路，高頻大功率管用做行輸出管，在行振蕩器控制下，為行偏轉(zhuǎn)線圈提供行掃描電流。二、三極管的主要參數(shù)1．三極管伏安特性（1）輸入特性。輸入特性如圖2.8（a）所示。有一段死區(qū)，只有UBE大于死區(qū)電壓時，才有基極電流IB，三極管也才能導(dǎo)通，具有電流放大作用。三極管導(dǎo)通時，硅管的發(fā)射結(jié)壓降一般取0.7V，鍺管的發(fā)射結(jié)壓降一般取0.3V。（2）輸出特性。輸出特性如圖2.8（b）所示。輸出特性曲線可分為3個區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)，分別對應(yīng)截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)2．三極管的主要參數(shù)（1）電流放大系數(shù)β。電流放大系數(shù)β是三極管共發(fā)射極連接時，集電極電流變化量△IC與基極電流變化量△IB的比值，即。（2）集電極最大允許耗散功率PCM。PCM是三極管集電結(jié)上允許的最大功率損耗，如果集電極功率PC>PCM將燒壞三極管。通常將PCM≤1W的三極管稱為小功率管，將PCM≥5W的三極管稱為大功率管。對于功率較大的三極管，應(yīng)加散熱片。三極管集電極功率計(jì)算公式為PC=UCEIC（3）反向擊穿電壓U(BR)CEO。U(BR)CEO是三極管基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓大于此值時，三極管將被擊穿損壞。（4）特征頻率。特征頻率指β下降到T時三極管的工作頻率，用fT表示。通常將fT<3MHz的三極管稱為低頻管，將fT≥30MHz的三極管稱為高頻管。3．三極管的工作狀態(tài)三極管工作時有3種狀態(tài)，即截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。三極管工作在截止、飽和狀態(tài)時，相當(dāng)于開關(guān)；三極管工作在放大狀態(tài)時具有電流放大作用，放大的實(shí)質(zhì)是微小的基極電流變化控制較大的集電極電流變化，控制能力用電流放大系數(shù)β來衡量。這3種工作狀態(tài)的特點(diǎn)與參數(shù)如表2.2所示。三、三極管的型號、識別與檢測1．三極管的型號國產(chǎn)三極管的型號由5部分組成：第1部分用數(shù)字表示電極數(shù)；第2部分用字母表示材料和管型；第3部分用字母表示類型（即用途）；第4部分用數(shù)字表示序號，反映電流參數(shù)；第5部分用字母表示規(guī)格號，反映耐壓參數(shù)。三極管型號的各部分符號及意義如表2.3所示。2．三極管的識別（1）型號識別。3AX或3BX系列等，適用于低頻中、小功率電路（如低頻放大、前置放大）；3DG或3AG系列等，適用于高頻中、小功率電路（如中放、高放、變頻）；3DD或3AD系列等，適用于低頻大功率電路（如功放、直流電源變換）；3DA系列適用于高頻大功率電路（如行輸出級）；3AK系列或3DK系列等，適用于開關(guān)電路；3DU系列適用于光電轉(zhuǎn)換電路。（2）三極管管腳識別。三極管種類較多，封裝形式不一，管腳也有多種排列方式，常用的管腳排列如表2.4所示。（1）三極管管腳及管型判別。用萬用表電阻擋測量各管腳間的電阻，可判別三極管的管腳，進(jìn)而判別出它是PNP型管，還是NPN型管，具體方法如表2.5所示。3．三極管的檢測（2）三極管好壞的判別。用萬用表電阻擋測三極管各電極間PN結(jié)的正、反向電阻，如果相差較大，說明三極管基本上是好的；如果正、反向電阻都很大，說明三極管內(nèi)部有斷路或PN結(jié)性能不好；如果正反向電阻都很小，說明三極管極間短路或擊穿了，具體方法如表2.6所示。第2節(jié)3種基本放大電路一、共發(fā)射極放大電路二、共集電極放大電路三、共基極放大電路一、共發(fā)射極放大電路看一看：按圖2.9所示連接電路，接通電源；輸入峰—峰值為10mV的正弦信號，用示波器觀察輸入、輸出波形；記錄觀察到的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象演示過程中觀察到輸入、輸出波形如圖2.9中示波器屏幕所示。比較輸入、輸出波形發(fā)現(xiàn)：輸出的幅度比輸入的幅度大，而且輸出與輸入反相，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？知識探究1．電路組成圖2.9的演示電路如圖2.10所示，它是一個共發(fā)射極基本放大電路，主要作用是交流電壓放大，將微弱電信號的幅度進(jìn)行提升。2．各元件作用圖2.10中各元件的作用如下。（1）三管極VT：是放大電路的核心元件，它在電路中起電流放大作用，它的工作狀態(tài)決定了放大電路能否正常工作。（2）集電極直流電源VCC：正極接三極管的集電極，為集電結(jié)提供反向偏置。同時，它還為輸出信號提供能源。VCC一般為幾伏至幾十伏。（3）集電極負(fù)載電阻RC：將三極管集電極電流的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓詫?shí)現(xiàn)電壓放大。RC的阻值一般為幾千歐。（4）基極偏置電阻RB：為三極管發(fā)射結(jié)提供正向偏置，產(chǎn)生一個大小合適的基極直流電流IB。調(diào)節(jié)RB的阻值可控制IB的大小，IB過大或過小放大電路都不能正常工作。RB的阻值一般為幾十千歐至幾百千歐。（5）耦合電容器C1和C2：C1和C2一方面起隔直作用；另一方面又起耦合交流作用。C1和C2一般選用電解電容器，電容量為幾十微法，使用時應(yīng)特別注意它們的極性與實(shí)際工作電壓的極性是否相符合，若連接反了可能會引起C1或C2破裂。3．工作原理（1）靜態(tài)工作點(diǎn)。放大電路沒有加輸入信號時的狀態(tài)稱為靜態(tài)。此時只有直流電源VCC加在放大電路上，三極管各極電流和各極之間的電壓都是直流量，分別用IB、IC、UBE、UCE表示，它們對應(yīng)著三極管輸入、輸出特性曲線上的一個固定點(diǎn)，習(xí)慣上稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，簡稱Q點(diǎn)，如圖2.11（a）所示。靜態(tài)工作點(diǎn)可以由放大電路的直流通路來確定。直流通路指斷開電容以后的電路，圖2.9所示放大電路的直流通路如圖2.11（b）所示。由圖2.11（b）可知VCC=IB

RB+UBE

則式中，UBE為三極管導(dǎo)通時的發(fā)射結(jié)電壓，硅管約0.7V，鍺管約0.3V。由于一般VCC>>UBE，故上式可近似為由此可知：當(dāng)增大RB時，IB減小，靜態(tài)工作點(diǎn)降低；當(dāng)減小RB時，IB增大，靜態(tài)工作點(diǎn)升高。在實(shí)際應(yīng)用中，就是通過改變RB的大小，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)。（2）工作原理。待放大的交流信號ui連接在放大電路的輸入端，產(chǎn)生一個交流電流ib，疊加在基極靜態(tài)電流IB上，引起基極電流iB作相應(yīng)的變化。通過VT的電流放大作用，引起了VT集電極電流iC發(fā)生較大的變化。iC的變化使RC上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化，從而引起VT的集電極和發(fā)射極之間的電壓uCE也跟著變化。uCE中的交流分量經(jīng)過C2耦合暢通地傳送給負(fù)載，成為輸出交流電壓uo。上述過程可簡述為歸納：放大電路的實(shí)質(zhì)，是一種用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置，即利用三極管的電流控制作用，將直流電源的能量部分地轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號。二、共集電極放大電路1．電路組成共集電極放大電路的組成如圖2.12所示。在其電路結(jié)構(gòu)上有兩個明顯的特點(diǎn)：一是三極管的集電極直接與直流電源相連，二是從三極管的發(fā)射極輸出信號。2．主要特點(diǎn)共集電極放大電路的主要特點(diǎn)是：輸入電阻高，傳遞信號源信號效率高；輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)；電壓放大倍數(shù)小于1而接近于1，且輸出電壓與輸入電壓相位相同，具有跟隨特性。因而在實(shí)際應(yīng)用中，共集電極放大電路被廣泛用做輸出級或中間隔離級。注意：共集電極放大電路雖然沒有電壓放大作用，但仍有電流放大作用，因而有功率放大作用。三、共基極放大電路1．電路組成共基極放大電路組成如圖2.13所示。公共端三極管的基極通過一個電容器接地；輸入端發(fā)射極可以通過一個電阻或一個線圈與電源的負(fù)極連接，輸出信號從集電極和基極之間取出。2．主要特點(diǎn)共基極放大電路的主要特點(diǎn)是：在輸入回路中有一個很大的發(fā)射極電流，所以輸入電阻很??；輸出電阻較大；因?yàn)檩敵龆耸羌姌O，輸入端是發(fā)射極，因而其電流放大系數(shù)小于1。第3節(jié)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定一、分壓式偏置放大器二、集電極—基極偏置放大器看一看：按圖2.14所示連接電路，將萬用表串聯(lián)在三極管的集電極，萬用表的選擇開關(guān)置于直流電流擋（5mA），接通5V直流電源，記下萬用表讀數(shù)；將燒熱的電烙鐵靠近三極管，觀察萬用表讀數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納：演示現(xiàn)象溫度變化會影響三極管集電極電流。當(dāng)溫度升高時，集電極電流增大；當(dāng)溫度降低時，集電極電流減小。集電極電流的變化會影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，因此，溫度變化將影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。一、分壓式偏置放大器1．電路組成分壓式偏置放大器如圖2.16所示。2．各元件作用標(biāo)注各元件及作用3．穩(wěn)定工作點(diǎn)原理（1）利用RB1和RB2的分壓作用固定基極電位UB。（2）利用發(fā)射極電阻RE產(chǎn)生反映IC變化的UE，再引回到輸入回路去控制UBE，實(shí)現(xiàn)IC基本不變。穩(wěn)定過程如下：T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓二、集電極—基極偏置放大器集電極—基極偏置放大器的電路如圖2.17所示，其特點(diǎn)是將它引入了直流電壓負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。穩(wěn)定過程如下：T↑→IC↑→UC↓→UB↓→UBE↓→IB↓→IC↓第4節(jié)放大電路的分析一、靜態(tài)參數(shù)估算二、動態(tài)參數(shù)估算一、靜態(tài)參數(shù)估算靜態(tài)參數(shù)估算要借助直流通路，分壓式偏置放大器的直流通路如圖2.18所示，具體估算步驟如下。1．求UB2．求IE3．求IB、IC4．求UCE

二、動態(tài)參數(shù)估算分壓式偏置放大器的交流通路如圖2.20所示。1．電壓放大倍數(shù)Au

電壓放大倍數(shù)是放大電路的基本性能指標(biāo)，定義為：輸出電壓與輸入電壓的比。2．輸入電阻Ri輸入電阻是指從放大電路輸入端AA′（見圖2.21）看進(jìn)去的等效電阻，定義為RiRo分壓式偏置放大器的輸入電阻估算公式為

Ri=rbe//RB1//RB2

若考慮信號源內(nèi)阻，如圖2.21所示，則放大電路輸入電壓Ui是信號源US在輸入電阻Ri上的分壓，即由此可見，輸入電阻Ri是衡量信號源傳遞信號效率的指標(biāo)。3．輸出電阻Ro輸出電阻是指放大器信號源短路、負(fù)載開路，從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，定義為Ro也不是一個真實(shí)存在的電阻。對負(fù)載而言，放大電路相當(dāng)于一個具有內(nèi)阻的信號源，如圖2.21所示，輸出電阻就是這個等效電源的內(nèi)阻。由于Ro的存在，使放大電路接上負(fù)載后的輸出電壓為Uo=Uo′?IoRo

圖2.20所示的分壓式偏置放大器的輸出電阻估算公式為知識拓展放大電路輸出電阻的測量在工程實(shí)踐中，可用實(shí)驗(yàn)的方法測出輸出電阻。在放大電路輸入端加一正弦電壓信號，測出負(fù)載開路時的輸出電壓Uo

′；然后，再測出接入負(fù)載RL時的輸出電壓Uo，則有式中，Uo

′、Uo是用晶體管毫伏表測出的交流電壓有效值。第5節(jié)多級放大電路一、多級放大電路的構(gòu)成二、多級放大電路的性能指標(biāo)一、多級放大電路的構(gòu)成1．電路組成一般多級放大電路的組成框圖如圖2.22所示。輸入級推動級功放級中間級2．級間耦合（1）阻容耦合。阻容耦合是指用較大容量的電容器連接兩個單級放大電路的連接方式，如圖2.23所示，其特點(diǎn)是各級靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，電路調(diào)試方便，但信號有損失。（2）直接耦合。直接耦合是指用導(dǎo)線連接兩個單級放大電路的連接方式，如圖2.24所示，其特點(diǎn)是信號無損失，但各級靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，電路調(diào)試麻煩。（3）變壓器耦合。除阻容耦合和直接耦合外，還有一種耦合方式稱變壓器耦合，即用變壓器將兩個單級放大電路連接起來，如圖2.25所示。變壓器耦合的特點(diǎn)是各級靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，電路調(diào)試方便，但變壓器體積較大的缺陷，使其僅用于諧振放大器和電視機(jī)的行激勵級等場合。二、多級放大電路的性能指標(biāo)1．電壓放大倍數(shù)Au=Au1Au2?Aun多級放大電路總的電壓放大倍數(shù)等于各級電路電壓放大倍數(shù)的乘積。在計(jì)算單級放大電路電壓放大倍數(shù)時，把后一級的輸入電阻作為本級的負(fù)載。當(dāng)多級放大電路的電壓放大倍數(shù)很高時，可用增益來衡量放大電路的放大能力。增益的定義為Gu=20Lg|Au|增益的單位為分貝（dB）。由上式可知：電壓放大倍數(shù)每增加10倍，增益增加20dB。2．輸入電阻和輸出電阻

多級放大電路的輸入電阻即為第一級放大電路的輸入電阻；多級放大電路的輸出電阻即為最后一級（第n級）放大電路的輸出電阻。故：

Ri=Ri1Ro=Ron3．幅頻特性幅頻特性是指放大電路的電壓放大倍數(shù)與頻率之間的關(guān)系。單級阻容耦合放大電路的幅頻特性如圖2.27（a）所示，圖2.27（b）所示為兩級阻容耦合放大電路的幅頻特性。技能實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)1三極管的識別與檢測1．實(shí)訓(xùn)目的（1）掌握常用三極管的識別與簡易檢測。（2）掌握光電三極管的簡易檢測。2．器材準(zhǔn)備4．內(nèi)容與步驟（1）常用三極管的識別與檢測。根據(jù)提供的常用三極管完成表2.10。（2）在提供的三極管中，選出一只NPN型三極管，參照表2.9中所述的方法，估測其電流放大系數(shù)β值。（3）參照圖2.28所示，檢測光電三極管。實(shí)訓(xùn)2分壓式偏置放大器的安裝與調(diào)試1．實(shí)訓(xùn)目的（1）掌握元件的合理選用。（2）掌握分壓式偏置放大器的安裝技巧。（3）掌握分壓式偏置放大器的調(diào)試方法。2．器材準(zhǔn)備4．內(nèi)容與步驟（1）根據(jù)圖2.29所示的電路繪制出裝配電路圖，標(biāo)清楚各元件的位置。（2）根據(jù)圖2.29所示電路列出元件清單。備好元件，檢查各元件的好壞。（3）根據(jù)繪制好的裝配圖，完成各元件的安裝。檢查無誤后，通電調(diào)試。（4）觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形失真的影響。單元小結(jié)（1）本單元重點(diǎn)介紹了三極管的識別、檢測和使用，基本放大電路的組成、識讀和常用的性能指標(biāo)。（2）三極管有基極（B）、集電極（C）、發(fā)射極（E）3個電極，分為NPN型和PNP型兩大類，每類又分為低頻小功率管、低頻大功率管、高頻小功率管、高頻大功率管、開關(guān)管等。（3）三極管的常用參數(shù)有電流放大系數(shù)β、集電極最大允許耗散功率PCM、反向擊穿電壓U(BR)CEO等。選擇三極管時，β不宜太大，PCM和U(BR)CEO的值應(yīng)不低于應(yīng)用電路中的實(shí)際值。（4）三極管有3種工作狀態(tài)：放大狀態(tài)具有電流放大功能，放大實(shí)質(zhì)是小的基極電流控制大的集電極電流；截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于開關(guān)斷開；飽和狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)閉合。（5）放大電路具有3種組態(tài)：共發(fā)射極放大電路用于提升信號的幅度；共集電極放大電路用于增強(qiáng)帶負(fù)載的能力；共基極放大電路用于拓寬通頻帶。（6）放大電路分析分為靜態(tài)參數(shù)估算和動態(tài)參數(shù)估算。（7）在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將多級放大電路組合在一起使用。（8）放大電路安裝時，應(yīng)養(yǎng)成先畫裝配圖、后安裝的習(xí)慣。安裝三極管時，應(yīng)特別