三极管放大实验报告.doc

（一）、实验目的1.对晶体三极管进行实物识别，了解它们的命名方法和主要技术指标；2.学习放大电路动态参数（电压放大倍数等）的测量方法；3.调节电路相关参数，用示波器观测输出波形，对饱和失真失真的情况进行研究；4.通过实验进一步熟悉三极管的使用方法及放大电路的研究方法。（二）、实验原理一、三极管1. 三极管基本知识三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。三极管的分类方式很多，按照材料可分为硅管和锗管；按照结构可分为NPN和PNP；按照功能可分为开关管、功率管、达林顿管、光敏管等；按照功率可分为小功率管、中功率管和大功率管；按照工作频率可分为低频管、高频管和超频管；按照安装方式可分为插件三极管和贴片三极管。三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，根据排列方式的不同可将三极管分为PNP和NPN两种。从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大。两种不同类型三极管的表示方式如图1所示，PNP型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。图1 不同类型三极管表示方式2三极管放大原理（1）发射区向基区发射电子电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。（2）基区中电子的扩散与复合电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。（3）集电区收集电子由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。3三极管的工作状态截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数=Ic/Ib，这时三极管处放大状态。饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态。二、三极管场效应管放大电路由三极管组成的放大电路是在保证输出信号波形与输入波形相同或者基本相同的前提下，将微弱的电信号增强到需要的强度。放大电路的实质就是用较小的能量去控制较大的能量，或者说用一个较小的输入信号对直流电源的能量进行控制和转换，使之变换成为较大的交流电输出，以便驱动负载工作。放大电路的输出可以是电压，也可以是电流，还可以是功率。因此基本放大电路主要有电压放大电路、电流放大电路、功率放大电路等。1.共发射极放大电路本实验中我们主要研究共发射极放大电路。放大器的任务就是对输入的信号进行放大。要放大的信号通常是由传感器提取的随时间变化的某个物理量的微弱电信号，利用放大器可以将这些微弱的电信号放大到足够的强度，并将放大后的信号输出给驱动电路，由驱动执行机构完成特定的工作。执行机构的驱动信号通常是变化量，所以放大电路放大的对象通常也是变化量。共发射极放大电路既有电流放大作用，又有电压放大作用，故常用于小信号的放大。改变电路的静态工作点，可调节电路的电压放大倍数。而电路工作点的调整，主要是通过改变电路参数(Rb、Rc)来实现。(负载电阻RL的变化不影响电路的静态工作点，只改变电路的电压放大倍数。)该电路信号从基极输入，从集电极输出。输入电阻与相同材料的二极管正向偏置电阻相当，输出电阻较高，适用于多级放大电路的中间级。（1）电路组成共发射极电压放大电路的组成如下图2所示。图中Vcc是放大器提供能量的直流电源；Rb1、Rb2是偏置电阻，其作用是为三极管提供适当的偏置电压，使三极管工作在放大区；Rc为集电极电阻，RL为负载电阻。图2（a）所示为直接耦合电路；图2（b）所示为电容耦合电路，电路中的C1和C2为耦合电容，它们的作用是隔离放大器的直流电源对信号源与负载的影响，并将输入的交流信号引入放大器，将输出的交流信号输送到负载上。图2 共发射极电压放大电路（2）放大电路的直流通路和交流通路从基本共射极放大电路工作原理的分析可知，为使电路正常放大，直流量与交流量必须共存于放大电路中，前者是直流电源作用的结果，后者是输入电压作用的结果，；而且，由于电容、电感等电抗元件的存在，使直流量与交流量所流经的通路不同。因此，为了研究问题方便，将放大电路分为直流通路与交流通路。直流通路是直流电源作用所形成的电源通路。在直流通路中，电容因对直流量呈无穷大电抗而相当于开路，电感线圈因电阻非常小可忽略不计而相当于短路；信号电压为零，但保留内阻。直流通路用于分析放大电路的静态工作点。交流电路是交流信号作用形成的电流通路。在交流通路中，大容量电容因对交流信号容抗可忽略不计而相当于短路；直流电源为恒压源，因内阻为零也相当于短路。交流通路用于分析放大电路的动态参数。2.静态工作点的确定为了使三极管的任何时刻都工作在放大区，在输入信号为0时，三极管的iB和VBE的值不能为零。否则当输入信号处在负半周时，三极管放大器的VBE将小于零，三极管将进入截止状态，不能对输入信号进行正常的放大。输入信号为零时，三极管所处的状态称为放大器的静态工作点Q，Q点对应有IB、IC、VBE和VCE4个值，实际上只要有IB、IC和VCE3个值就可以确定电路的静态工作点，并用符号IBQ、ICQ和VCEQ来表示电路的静态工作点。确定静态工作点的方法是：根据电容阻直流、通交流的特点和节点电位法，可得放大器静态时输出端的电压为VCEQ=VCC-ICQRC （1）在输出特性曲线上，式子（1）为直线，在横轴上，ICQ=0，VCEQ = VCC；在纵轴上，VCEQ=0，ICQ= VCC/Rc，连接这两点即可得式（1）所确定的直线，因该直线的斜率与-1/Rc有关，所以该直线称为直流负载线。因放大器输出端电流和电压的关系同时要满足三极管的输出特性曲线和电路的直流负载线，所以放大器静态工作点应在两曲线的交点上，即在直流负载线上。为了使放大器保持较大的动态范围，通常将静态工作点选在直线负载线的中点，根据直线负载线中点所确定的值ICQ和VCEQ就是输出电路的静态工作点，再根据IBQ=ICQ/ （2）即可确定输入电路的静态工作点IBQ。3.放大电路的输出波形失真（1）截止失真这种失真是因工作点取得太低，输入负半周信号时，三极管进入截止区而产生的失真，所以称为截止失真。当工作点太低时，放大器能对输入的正半周信号实施正常的放大，而当输入信号为负半周时，因VBE=VBEQ-vi将小于三极管的开启电压，三极管将进入截止区，iB=0, iC=0,输出电压v0=vCE=Vcc将不随输入信号而变化，产生输出波形的失