电工与电子技术基础第8章半导体三极管及放大电路电子教案.ppt

电工与电子技术基础（第2版） 电子教案,主 编 刘莲青 王连起,中等职业学校教学用书（电子技术专业）,第8章 半导体三极管及放大电路,8.1 半导体三极管 8.2 三极管放大电路的组成 8.3 共发射极放大电路 8.4 共集电极放大电路 8.5 功率放大电路 8.6 单管放大电路实验 8.7 功率放大器实验,8.1 半导体三极管,8.1.1 三极管结构与类型 8.1.2 三极管的电流放大作用 8.1.3 三极管的输入特性与输出特性 8.1.4 三极管的主要参数,8.1.1 三极管结构与类型,(1) 三极管结构 如图示,它是由三层不同性质的半导体组合而成的。按半导体的组合方式不同,可将其分为NPN型管和PNP型管。,1.三极管的结构与电路符号,(2)电路符号,符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。,(3)三个区、三个极、二个结 无论是NPN型管还是PNP型管,它们内部均含有三个区: 发射区、基区、集电区。 从三个区各引出一个金属电极分别称为 发射极（e）、基极（b）和集电极（c）。 在三个区的两个交界处形成两个PN结, 发射区与基区之间形成的PN结称为发射结, 集电区与基区之间形成的PN结称为集电结。,2. 三极管的分类,三极管的种类很多, 有下列5种分类形式： (1)按其结构类型分 NPN管和PNP管 (2) 按其制作材料分 硅管和锗管 (3) 按工作频率分 高频管和低频管 (4) 按功率分 大功率管和小功率管 (5) 按功能分 放大管、开关管、微波管等。,3.三极管的外形结构,常见三极管的外形结构如图示。,8.1.2 三极管的电流放大作用,1.三极管放大的条件 三极管实现放大作用的外部条件是发射结正向偏置, 集电结反向偏置。图（a）为NPN管的偏置电路。,(1) 三极管各极之间的电流分配关系 IE=IC+IB 且 IEIC IB,2.电流分配与放大,(3)三极管交流放大系数 当IB有微小变化时，IC即有较大的变化。例如， 当IB由10A变到20A时，集电极电流IC则由1.04mA变为2.03mA。这时基极电流IB的变化量为:,IB=0.02-0.01=0.01mA 而集电极电流的变化量为: IC=2.03-1.04=0.99 mA,8.1.3 三极管的输入特性与输出特性,1. 输入特性曲线,三极管的输入特性曲线表示iB与uBE的关系,如图示。,当uCE时 从输入端看进去, 相当于两个结并联且正向偏置, 此时的特性曲线类似于二极管的正向伏安特性曲线。 2) 当uCE1时 从图中可见, uCE的曲线比uCEV时的曲线稍向右移。,2. 输出特性曲线,输出特性曲线如图示, 该曲线是指当iB一定时, 输出回路中的iC与uCE之间的关系曲线。,固定一个iB值，可得到一条输出特性曲线，改变iB值，可得到一族输出特性曲线。 在输出特性曲线上可划分三个区：放大区、截止区、饱和区。,（1）放大区：当uCE1V以后，三极管的iC与iB成正比而与uCE关系不大。所以输出特性曲线几乎与横轴平行，当iB一定时，iC的值基本不随uCE变化，具有恒流特性。这个区域的工作特点是发射结正向偏置，集电结反向偏置，iCiB。在这一区域的三极管具有放大作用，故称为放大区。,（2）截止区：当iB=0时，iC=ICEO，穿透电流CEO很小，输出特性曲线是一条几乎与横轴重合的直线。,（3）饱和区：当uCEuBE时，iC与iB不成比例， iC随uCE的增大而迅速上升，这一区域称为饱和区，uCE=uBE称为临界饱和。,8.1.4 三极管的主要参数,电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的能力。为集电极电流变化量与基极电流变化量之比。,1.电流放大系数,三极管的参数是表征管子性能和正确使用及合理选择三极管的依据。,(1) ICBO为发射极开路时，集电极基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。 (2) ICEO 为基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。,2.极间反向电流,3.极限参数,(1) 击穿电压 U(BR)CBO 指发射极开路时，集电极基极间的 反向击穿电压。 U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的 反向击穿电压。U(BR)CEOU(BR)CBO。 U(BR)EBO指集电极开路时，发射极基极间的 反向击穿电压。普通晶体管该电压值比较小， 只有几伏。,8.2 三极管放大电路的三种组态,8.2.1 三极管放大时的三种组态 8.2.2 放大器的组成 8.2.3 放大器的放大倍数及增益,8.2.1 三极管放大时的三种组态,1.放大器的三种组态 共发射极、共集电极和共基极放大器。,放大电路中三极管的三种连接方法 (a)共发射极电路; (b)共集电极电路; (c)共基极电路,(1)共发射极放大电路,信号由基极输入、集电极输出，发射极为公共端。,(2)共集电极放大电路,信号由基极输入、发射极输出，集电极为公共端。,(3)共基极放大电路,信号由发射极输入、集电极输出，基极为公共端。,2. 放大电路的组成原则,(1)直流电源VCC 通过电阻RB 1、RB2 、RC 、RE 提供三极管合适的静态偏置，保证JE正偏、JC反偏。,(2)输入回路应保证输入信号ui能送到三极管BE结两端，产生变化的ib 。,(3)输出回路应使放大后的iC尽可能多的送到负载 RL上 ， 减小其它支路的分流。,(4) 设置合理的静态工作点，即在没有外加信号时，三极管 不仅处于放大状态，而且有一个合适的工作电压和电流。,8.2.2 放大电路中变量符号,1 直流分量 用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。 2 交流分量 用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。 3 总变化量 是直流分量和交流分量之和,即交流叠加在直流上,用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值,其数值为iB=IB+ib。 4 交流有效值 用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值。,8.2.3 放大器的放大倍数及增益,1. 电压放大倍数Au及电压增益Gu,Ui 和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。,2. 电流放大倍数Ai及电流增益Gi,Ii 和Io 分别是输入和输出电流的有效值。,Gu=20lgAu(db),Gi=20lgAi(db),3. 功率放大倍数AP及功率增益GP,GP=20lgAP(db),Pi 和Po 分别是输入和输出平均功率。,8.3 共发射极放大电路,8.3.1 电路的构成 8.3.2 电路的静态分析 8.3.3 电路的动态分析 8.3.4 共发射极放大电路的特点与应用,8.3.1 电路的构成,图示最常见的一种单管共射极放大电路。它由以下三个基本组成部分： （1）放大器件：BJT是放大电路的核心器件。,（2）供电电源与直流偏置电路：供电电源VCC是放大器中的能源，同时它与由偏置电阻RB1，RB2，RC及RE，组成的偏置电路共同作用，使BJT较稳定地工作在放大状态。 （3）耦合电路：信号源通过输入端耦合电容CB与放大器相连，再由输出端耦合电容CC将放大后的信号送至负载RL。 CB ，CC在电路中的作用是“传送交流，隔离直流”。,当放大电路没有输人信号（ui0）时，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态时BJT各电极的直流电压和电流数值称为静态工作点，它对应着管子特性曲线上的一点Q点。,8.3.2 电路的静态分析,1. Q点的估算 分析放大电路的静态工作情况时，可将电路中的电容元件视作开路，电感元件视为短路，之后所得到的电路称为直流通路。图（a）所示电路即为直流通路。直流通路可用于分析放大器的静态。,Q点的估算方法 UB=VCCRB2/（RB1+RB2） IEQ=（UB-UBEQ）/RE （硅管取UBEQ0 7 V，锗管取UBEQ0 3 V； ） ICCIB IBIE ICQ IEQ IBQ=ICQ/ UCEQVCC - ICQ(RC+RE),2Q点与直流负载线 根据前面的分析，静态时BJT两端的电压UCE和电流IC，之间有如下关系： UCEVCC IC（RCRE） 在BJT的输出特J性曲线上找两个特殊点M和N： N点： UCE0 IC=VCC / (RCRE) M点： IC0 UCEVCC 连接MN的直线称做直流负载线，如图示。放大器直流通路中任何一个元件或电源数值的改变，都会影响Q点，但Q点的位置始终在直流负载线上。,8.3.3 电路的动态分析,放大器接入交流信号（u0）后，电路中各处的电压、电流同时存在直流分量与交流分量两种成分，称电路工作在动态。动态分析是利用放大器的输入、输出特性对放大器的放大能力进行定性和定量的分析与估算。 1交流通路与交流负载线 交流通路决定了电路中交流电流和电压的变化，将放大电路中的电容及电源均视为短路得到的就是交流通路，图示为交流通路。,由交流通路可知 uceicRL 其中 RL RcRL 在BjT的输出特性曲线上，作一条过Q点且斜率为1/ RL的直线MN，称为交流负载线，如图示。交流负载线用于电路动态图解分析。,2动态的图解分析 （1）共射电路的反相放大作用。,(2) Q点与波形失真关系。静态工作点Q选择不当，会使放大器工作时产生信号波形失真如图示，若Q点在交流负载线上的位置过高（QA），则输人信号的正半周可能进人饱和区，造成输出电压波形负半周被部分消除，出现平顶，产生“饱和失真”。反之，若Q点位置过低（QS），则输人信号负半周可能进人截止区，造成输出电压波形正半周出现平顶，产生“截止失真”。为了获得幅度大而不失真的信号，Q点应尽量选在交流负载线的中间部分，例如Q点。,3，动态的估算分析 图解分析法比较直观，但准确性较差，常用于分析大信号电路。当放大器在小信号工作条件下，即交流电流、电压的变化范围不大时，具有非线性特性的BJT可以用一个线性电路等效，近似计算分析放大器的放大倍数、输人及输出电阻等动态指标。 （1）BJT的微变等效电路。,（2）动态估算。 将放大器交流通路中的BJT用其微变等效电路代替，得到放大器的微变等效电路。此后放大器的各项动态指标均可通过,a.电压放大倍数,b.输入电阻,RiRB1/RB2/rbe,c.输出电阻,R0RC,例1. 图示分压偏置共射放大器,RB1=75k,RB2=18k,RC=4K、RE1k、RL4k、VCC9V，三极管为硅管100， (1)画直流通路、交流通路和微变等效电路; (2)求静态工作点Q； (3)求电路的Au，Ri，Ro 。,解:(1)直流通路、交流通路和微变等效电路,(2)静态工作点,UBQ=,IEQ=,IBQ=,ICQ=IEQIBQ=1.040.0104=1.0296mA,UCEQVCCRCICQREIEQ=941.029611.04=3.84V,(3)计算Au，Ri，Ro,输入电阻 RiRB1/RB2/rbe75/18/2.83=2.37k,输出电阻 R0RC=4k,电压放大倍数,8.3.4 共发射极放大电路的特点与应用,1.既有电压放大又有电流放大，输出电压与输入电压反相； 2.输入电阻大小适中，一般为k； 3.输出电阻大小也适中，一般为几k； 4.共射放大器常用于电压信号的放大。,8.4 共集电极放大电路,8.4.1 电路的构成 8.4.2 电路分析 8.4.3 共集电极放大电路的特点与应用,8.4.1 电路的构成,共集电极放大电路如图（a）所示，图（b）是电路的交流通路。由交流通路可见，集电极是输人、输出回路的共同端点。负载接在发射极上，因为是从发射极把信号输出去，所以电路又称为射极输出器。,.直流通路与静态工作点,IBQ=,ICQ=IBQ,IEQ=(1+)IBQ,UCEQVCCREIEQ,(1)直流通路,方法:电容开路,(2)静态工作点计算,8.4.2 电路分析,1)电压放大倍数：,2)输入电阻：,RiRB/rbe+(1+)(RE/RL) rbe+(1+)(RE/RL) （高）,3)输出电阻：,其中：,一般满足：Au1,R0RE/,(低),(2)性能指标的计算,8.4.3 共集电极放大电路的特点与应用,1特点 由上面分析可知，射极输出器的特点是：电压放大倍数小于1（无电压放大）；具有一定的电流放大能力（Ai）和功率放大能力；输出与输入同相；输入电阻高；输出电阻低。 2应用 射极输出器应用在实际电路中，显然不是为了提高整个电路的电压放大能力，真正目的是为了提高或改善原有电路的其他性能，与此同时保持原电路的电压放大倍数和输入、输出之间的相位关系。它主要有以下两方面用途。,（1）阻抗变换作用 通常射极输出器可以接在放大电路与信号源之间，如图（a）所示，此时它起提高放大电路输入电阻的作用，以减小放大器向信号源取用电流的同时增大有效输人电压。 射极输出器还可以接在放大电路与负载之间，如图（b）所示，此时它起降低放大电路输出电阻的作用，以提高放大器带动负载的能力。 （2）缓冲隔离作用 当把射极输出器接在某两个放大电路之间时，如图（c）所示，它可以起到降低前级放大电路的输出电阻的同时提高后级放大电路输人电阻的作用，即缓冲隔离作用，它使前后两个电路之间的相互影响减小了，而性能都得到了提高。,8.5 功率放大电路,8.5.1 功率放大电路的类型及特点 8.5.2 OCL功率放大电路 8.5.3 OTL功率放大电路,8.5.1 功率放大电路的类型及特点,功率放大器作为放大电路的输出级, 具有以下几个特点 (1) 由于功率放大器的主要任务是向负载提供一定的功率, 因而输出电压和电流的幅度足够大; (2) 由于输出信号幅度较大, 使三极管工作在饱和区与截止区的边沿, 因此输出信号存在一定程度的失真; (3) 功率放大器在输出功率的同时, 三极管消耗的能量亦较大, 因此, 不可忽视管耗问题。,（1）甲类,定义三极管集电极电流导通角为 2360或180(电压放大器）,1. 功率放大器的分类,（2）乙类,ui,定义此时三极管集电极电流导通角为 2180或90（低频功放）,（3）甲乙类,ui,此时三极管集电极电流导通角为 180 360或 90 180（低频功放）,（4）丙类,ui,此时三极管集电极电流导通角为 180或90（高频功放）,（1）输出功率要足够大 一般用在多级放大器的输出级。,（2）效率要高,放大器实质上是一个能量转换器, 它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载, 因此, 要求转换效率高。为定量反映放大电路效率的高低, 引入参数, 它的定义为,式中, Po为信号输出功率, PE是直流电源向电路提供的功率。,2. 功率放大器的特点,（3）非线性失真要小 为使输出功率大, 功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由于三极管是非线性器件, 在大信号工作状态下, 器件本身的非线性问题十分突出, 因此, 输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时, 输出将会存在一定数量的谐波。谐波成分愈大,表明非线性失真愈大, 通常用非线性失真系数表示, 它等于谐波总量和基波成分之比 通常情况下, 输出功率愈大, 非线性失真就愈严重。,8.5.2 OCL功率放大电路,乙类功放由于其三极管只在输人信号的半个周期内导通，而另外半个周期截止，因此，当输入正弦信号时，输出端只能获得半个周期的失真波形。为避免输出波形失真，在实际电路中均采用两只管子轮流导通的互补电路。,1电路 图（a）所示为乙类互补对称式功率放大器，常称为OCL电路。因其具有体积小、效率高、频率响应好及易于集成等优点而获得广泛应用。电路采用正、负对称的双电源（VCC）供电。选用两个参数基本相同的功放管，V1为NPN管，其集电极接正电源（VCC；V2为PNP管，其集电极接负电源（Vcc）。两管的基极和发射极相互连在一起，信号从基极输入，射极作为输出端直接接负载RL。这个电路可以看成是由图（b）和（c）两个射极输出器组合而成。静态时，两管射极电位稳定为零。,2工作原理 当ui=0时，V1，V2均截止，无电流流过负载RL；当ui处于正半周时， V1导通， V2截止，有电流（iLic1）流过负载R，；当ui处于负半周时，V1截止， V2导通，仍有电流（ iLic2 ）流过负载RL。这样，就实现了静态时功耗最小，而在有输人信号时， V1，V2轮流导电，两个管子互补对方的不足，工作性能又对称，从而在负载上得到一个完整的波形。,3参数计算,(1)最大不失真输出功率P0max,设输出电压为 u0Ucmsint,电流为 i0Icmsint 则,P0 1/2 UcmIcm,最大不失真输出电压幅度: UCM=VCCUCES 其中UCES为三极管的饱和压降，当UCES VCC时， 有UCMVCC，则 最大输出功率为 P0max ,(3)效率,(2)直流电源供电功率PDC,两个三极管集电极电流均为“半波整流”波形，其直流分量为 IC1IC2IC0 1/ Icm,PDC(VCCIC0) VCCIcm,78%为理论值,实际一般仅为60%左右.,(4)管耗PC,总管耗：PCPDCP0,每只晶体管的管耗为：PC1PC21/2PC,每只晶体管的最大管耗为：PCm10.2P0max,4. 功率管的选择：,集射反向击穿电压 U(BR)CEO 2VCC,最大允许集电极电流 ICM VCC/RL,集电极最大允许损耗功率 PCM PCm1 0.2P0max,8.5.3 OTL功率放大电路,在乙类互补功放中，静态时由于ICo。所以要靠输入信号电压的激励来使管子导通。当输入正弦电压信号的瞬时值小于管子死区电压时三极管不导通。于是出现两管交替工作衔接不好，在这一段时间内因两只管子均不导通、使负载上无电流，以至输出电压出现失真。如图示，并把这种失真称为“交越失真”。,克服交越失真,单电源、输出端接大电容的甲乙类互补对称功率放大器,UEQ=1/2VCC,1.电路图:,2.OTL功率放大器的主要技术参数,接入大电容起到一个负电源作用,因此OCL电路的参数与OCL区别只是将公式中的VCC换成 VCC/2。,以上电路缺点输出电压的最大幅度只有VCC/2。并且实际输出电压的正向峰值达不到VCC2。因为随UARC1的电流VT1管压降UCE （不能进入饱和状态）输出正向幅度 解决方法引入带自举的功放电路，即接入较大容量电容C1（其直流电压可认为不变）,例1. 已知乙类互补对称功放VCCVEE24V、RL8，试估算：(1)该电路最大输出功率P0max ；(2)最大管耗Pcm1 ；(3)说明该功放电路对功率管的要求。 解（1） 36W (2) Pcm10.2P0max0.236=7.2W (3) a)选择功率管时为保证管子不被烧坏，要求管子集电极 最大允许损耗功率 PCM PCm1 0.2P0max=7.2W, b)处于截止状态的管子，其集射反向击穿电压 U(BR)CEO 2VCC=48V c)功率管最大允许集电极电流 ICM VCC/RL=3A,8.6 单管放大电路实验,8.6.1 实验目的 8.6.2 实验仪器 8.6.3 实验电路 8.6.4 实验内容 8.6.5 思考题,8.6.1 实验目的,1.掌握共射放大器静态工作点的调试方法。 2. 掌握放大器主要性能参数的测试方法。,8.6.2 实验仪器,1直流稳压电源。 2信号发生器。 3双踪示波器。 4晶体管交流毫伏表。 5万用表。,8.6.3 实验电路,实验电路如图示。各元器件的参数为：RRPl00k、RB110k、RB210k、RC3k、RL3k、RElk、C1C210pF、GE100F、三极管V为3DG6、cclV。,8.6.4 实验内容,1静态工作点的调试 （1）调整直流稳压电源的输出为12V，并接到实验电路的VCC和地之间。 （2）调节电位器RP使IcQ2mA；由于测量电流需要断开电路，比较麻烦，因此常采用测试电压的方法，将万用表调至直流电压10V挡，调节RP并用万用表监测使UEQ 2V。然后保持RP不变将数据填人表82。 2电压放大倍数的测量 （1）调节信号发生器，使其输出f1kHz、有效值为10mV（用交流毫伏表测量），并将该信号接人实验电路的输入端（ui）。 （2）将交流毫伏表量程调至10V挡，断开1、2两点，测量空载（不接RL）时的输出电压uo大小，并将测量数据记录于表83中，计算出电压放大倍数。,（3）连接1、2两点，测量带载（接RL）时的输出电压仍。大小，并将测量数据记录于表83中，计算出电压放大倍数。 （4）用双踪示波器观察输入与输出电压线的波形，并比较相位关系和幅度关系。 3观察静态工作点对输出波形的影响 保持输人信号为1kHz、10mV不变，减小RRp观察输出波形的变化，增加RRP观察输出波形的变化。,8.6.5 思考题,1共射放大器的输人、