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文档简介
第二章 三极管及基本放大电路 重点 掌握三极管的结构和基本特性 工作状态和极性判别方法 掌握三极管基本放大电路性能指标的计算 MaLiming ElectronicTechnique 2 2 1 双极型三极管的结构和分类 发射区掺杂浓度最高 基区掺杂浓度最低且很薄 集电极掺杂浓度介于两者之间 体积最大 这样三极管就表现出单个PN结不是有功能 电流放大作用 根据结构来分可分为PNP和NPN管 由两个PN结的三层半导体制成 分别引出三个电极发射极E emitter 基极B base 和集电极C collector MaLiming ElectronicTechnique 3 三极管的组成与符号 a NPN型 b PNP型 MaLiming ElectronicTechnique 4 PNP型三极管的组成与符号 P N P c b e e b c c e b PNP型三极管的结构和NPN型三极管类似 两者几乎具有相同的特性 只不过各电极端的电压极性和电流的方向不同 MaLiming ElectronicTechnique 5 光电管 普通开关管 高频放大管 贴片 功率三极管 金属 陶瓷放电管 防雷开关保护 中高频放大管 常见三极管 用途 MaLiming ElectronicTechnique 6 为使三极管具有电流放大作用 在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件 即 1 发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 以便于有足够的载流子供 发射 2 基区很薄 只有1微米至几十微米厚 掺杂浓度很低 以减少载流子在基区的复合机会 这是三极管具有放大作用的关键所在 3 集电区比发射区体积大且掺杂少 以利于收集载流子 由此可见 三极管并非两个PN结的简单组合 不能用两个二极管来代替 在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用 MaLiming ElectronicTechnique 7 N N P 在放大状态下IC与IB成正比 MaLiming ElectronicTechnique 8 1 输入特性曲线 根据输入回路可知 只有一PN结参与输入回路 其输入特性的函数式为 我们知道UBE加在发射结上 就相当于加在一个二极管上 输入特性和二极管的特性曲线相似 导通电压 Si0 6 0 8V 一般取0 7V Ge0 2V 0 3V 一般取0 2V i 死区电压 Si 0 5V Ge 0 1V vBE iB o vON vBE VCE 1V VCE 10V MaLiming ElectronicTechnique 9 ii 时 为什么特性曲线向右偏移 由于UCE的加入使集电结反偏 必然要导致发射极的一部分载流子参与输出回路的流通 在相同的UBE情况下 流向基极电流IB减小 vBE iB o vON vBE IB1 IB2 VCE 1V VCE 10V MaLiming ElectronicTechnique 10 对于NPN型三极管 工作在放大区时 有 VC VB VE 对于PNP型三极管 工作在放大区时 有 VC VB VE 在此区域内发射结正偏 UBE 0 7V 集电结反偏 N N P 放大区 2 2 输出特性曲线 重点 MaLiming ElectronicTechnique 11 IB 0时 Ic ICEO 由于穿透电流很小 输出曲线是一条几乎与横轴重合的直线 通常将IB 0的区域称为截止区 在此区域内发射结反偏 也可以零偏 集电结也反偏 对于NPN型三极管 工作在截止区时 有 VC VE VB 对于PNP型三极管 工作在截止区时 有 VC VE VB N N P MaLiming ElectronicTechnique 12 当uCE比较小且小于uBE时 三极管的集电极正偏 由图可知 iC随uCE的增加迅速上升而与iB不成比例 这一区域称为饱和区 把定为放大状态与饱和状态的分界点 称为临界饱和 把称为深度饱和 N N P MaLiming ElectronicTechnique 13 在此区域内发射结正偏 集电结也正偏 对于NPN型三极管 工作在饱和区时 有 VB VC VE 对于PNP型三极管 工作在饱和区时 有 VB VC VE MaLiming ElectronicTechnique 14 例 如图 已知三极管工作在放大状态 求 1 是NPN结构还是PNP结构 2 是Si还是Ge材料 3 X Y Z分别对应什么电极 1 X Y Z 3V 3 6V 9V 2 X Y Z 10V 5V 5 3V MaLiming ElectronicTechnique 15 1 X Y Z 3V 3 6V 9V 方法 1 由于T工作在放大状态 发射结正偏 基射极电压为0 7V或0 2V 所以电位相差0 7V或0 2V的两电极为基极和发射极 剩下的为集电极 2 根据集电极最高或最低确定是NPN还是PNP 3 由于T工作在放大状态时各电极电位关系确定基极和发射极 解 1 X为集电极 4 Y为基极 Z为发射极 3 Si管 2 NPN结构 MaLiming ElectronicTechnique 16 解 1 Z为集电极 4 X为基极 Y为发射极 3 Ge管 2 PNP结构 MaLiming ElectronicTechnique 17 例 如图 判断三极管的工作状态 是Si还是Ge材料 0 7V 0V 0 3V 0 3V 0V 5V 0 6V 0V 6V 解 1 NPN结构 由各电极电位可知发射结正偏 集电结正偏 所以工作在饱和区 Si管 1 2 3 解 2 PNP结构 由各电极电位可知发射结正偏 集电结反偏 所以工作在放大区 Ge管 解 3 PNP结构 由各电极电位可知发射结反偏 集电极也反偏 所以工作在截止区 无法判断材料 MaLiming ElectronicTechnique 18 2 3 用万用表判定三极管的管脚 指针万用表 红表笔是 表内电源 负极黑表笔是 表内电源 正极与数字万用表相反 在R 100或R 1k挡测量测量时手不要接触引脚 MaLiming ElectronicTechnique 19 基极B的判断 当正 负 表笔接触某一极 负 正 表笔分别接触另两个极时 万用表指示为低阻 则该极为基极 该管为NPN PNP 方法一 MaLiming ElectronicTechnique 20 C E极的判断 对NPN型而言 假定黑表笔接集电极 红表笔接发射极 对于PNP型管 万用表的红 黑表笔对调 然后用大拇指将基极和假定集电极连接 注意两管脚不能短接 这时记录下万用表的测量值 再将原先假定的管脚对调 重新记录下万用表的读数 测量值较小的黑表笔所接的管脚是集电极 对于PNP型管 则红表笔所接的是集电极 数字表相反 MaLiming ElectronicTechnique 21 方法二 用万用表的hFE档检测 值 1 拨到hFE挡 将被测晶体管的三个引脚分别插入相应的插孔中 TO 3封装的大功率管 可将其3个电极接出3根引线 再插入插孔 三个引脚反过来再插一次 读数大的为正确的引脚 从表头或显示屏读出该管的电流放大系数 MaLiming ElectronicTechnique 22 半球型的三极管管脚识别方法 平面对着自己 引脚朝下 从左至右依次是E B C 常用的三极管9011 9018系列为高频小功率管 除9012和9015为PNP型管外 其余均为NPN型管 方法三 从外观上 MaLiming ElectronicTechnique 23 2 4 三极管的主要参数 1 电流放大系数i 共射极电流放大系数 交流电流放大系数 一般工作电流不十分大的情况下 可认为 直流电流放大系数 MaLiming ElectronicTechnique 24 共基极直流电流放大系数 共基极交流电流放大系数 一般可认为 ii 共基极电流放大系数 MaLiming ElectronicTechnique 25 2 极间反向电流ICBO为发射极开路时 集电极和基极之间的反向饱和电流 室温下小功率硅管的ICBO小于1 A 锗管约为几微安到几十微安 ICEO为基极开路时 集电极直通到发射极饱和电流 由于它是从集电区穿过基区流向发射区的电流 所以又称为穿透电流 ICBO ICEO均随温度的上升而增大 其值越小 受温度的影响越小 三极管的工作越稳定 MaLiming ElectronicTechnique 26 3 极限参数i 集电极最大允许电流ICM集电极电流iC过大时 将明显下降 ICM是指 明显下降所对应的最大允许集电极电流 若iC ICM时 三极管不一定会损坏 但 明显下降 iii 反向击穿电压U BR CEO U BR CBO U BR EBO 一般U BR CEO U BR CBO U BR EBO ii 集电极最大允许功率PCM三极管工作时 uCE大部分降在集电结上 所以集电极功率损耗PC uCEiC 会使集电结温度升高 PCM就是允许的最高集电结温度决定的最大集电极功耗 工作时PC PCM MaLiming ElectronicTechnique 27 2 5 放大电路基础 2 5 1 放大电路的组成 MaLiming ElectronicTechnique 28 2 5 2 放大的概念 电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号 即用能量较小的输入信号控制另一个能源 从而使输出端的负载上得到能量较大的信号 如扩音器 负载上信号的变化规律是由输入信号决定的 而负载上得到的较大的能量一般是由另一个直流电源提供的 MaLiming ElectronicTechnique 29 2 5 3 放大电路的主要性能指标 1 放大电路示意图 放大电路示意图 MaLiming ElectronicTechnique 30 一 放大倍数 表征放大器的放大能力的参数 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求 放大器可分为四种类型 所以有四种放大倍数的定义 MaLiming ElectronicTechnique 32 三 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 输入端正弦电压 分别测量空载和输出端接负载RL的输出电压 输出电阻愈小 带载能力愈强 输出信号受RL影响越小 越稳定 MaLiming ElectronicTechnique 34 2 6 共射放大电路的组成和工作原理 1 具有合适的直流偏置电路保证三极管工作在放大状态 即有合适的静态的工作点 2 具有正常的交流通路保证交流信号不失真传输 MaLiming ElectronicTechnique 35 2 放大电路的主要分析方法 1 输入的交流信号特别微小时 三极管始终工作在放大区 可用微变等效法求电路的主要性能指标 重点 2 输入的交流信号较大时 三极管有可能工作在饱和区和截止区 可用图解法分析电路最大不失真的条件及非线性失真的情况 MaLiming ElectronicTechnique 36 由于电路的输入端口和输出端口有四个端口 而三极管只有三个电极 必然有一个电极共用 因而就有共发射极 简称共射极 共基极 共集电极三种组态的放大电路 下图所示为最基本的共射极放大电路 低频常用 3MHz以下 MaLiming ElectronicTechnique 37 2 6 1 共发射极放大电路的结构 MaLiming ElectronicTechnique 38 各元件的作用 1 晶体三极管 具有电流放大作用 工作在放大区时iC iB 2 UCC Rb Rc 构成了直流偏置电路 为电路提供合适的静态工作点 使三极管工作在放大区 3 输入信号源 为电路提供交流输入信号 一般是将非电量变为电量的换能器 如各种传感器 将声音变换为电信号的话筒 将图像变换为电信号的摄像管等 MaLiming ElectronicTechnique 39 思考 输出信号中只有交流分量 那UCC的存在是否多余 UCC的作用是什么 4 耦合电容C1 C2 起 隔直导交 的作用 它把信号源与放大电路之间 放大电路与负载之间的直流隔开 MaLiming ElectronicTechnique 40 放大电路中电压 电流的名称及表示方法 MaLiming ElectronicTechnique 41 例 在图所示电路中 50 UBE 0 7 试求 1 电容极性 2 静态工作点参数Q IB IC UCE 3 计算动态指标Au ri ro的值 3DG6 280KW 3KW 20mF 12v C1 UCC 3KW 20mF 直流通路 交流通路 MaLiming ElectronicTechnique 42 直流通路 2 7 放大电路的分析方法 1 求静态工作点 原电路图 2 7 1 图解法 MaLiming ElectronicTechnique 43 1 根据IC IB 可找出对应的输出特性曲线 2 根据UCE UCC ICRC 可找出相应的特性曲线 直流通路图 MaLiming ElectronicTechnique 44 放大电路的各极间波形 2 动态分析 MaLiming ElectronicTechnique 45 放大电路的各极间波形 C1 UCC MaLiming ElectronicTechnique 46 思考 输出信号中只有交流分量 那UCC的存在是否多余 UCC的作用是什么 UCC的作用 1 提供直流电流 从而将方向不断改变的交流电转化到同一方向上 确保三极管始终工作在放大区 2 提供多余的能量输出 MaLiming ElectronicTechnique 47 Multisim仿真结果 MaLiming ElectronicTechnique 48 1 输出电压的波形和输入信号电压的波形相同 只是输出电压幅度比输入电压大 2 输出电压与输入信号电压相位差为180 放大电路工作的实质是用微弱的信号电压ui通过三极管去控制集电极电流iC iC在RL上形成压降作为输出电压 iC是直流电源UCC提供的 因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用 直流电能转化成交流电能的功率 结论 MaLiming ElectronicTechnique 49 直流通路 解 求静态工作点参数 Q 2mA 6V 2 7 2 微变等效电路法 重点 原电路图 MaLiming ElectronicTechnique 50 在分析电路时 一般用交流通路来研究交流量及放大电路的动态性能 所谓交流通路 就是交流电流流通的途径 在画法上遵循两条原则 1 将原理图中的耦合电容C1 C2视为短路 2 电源UCC的内阻很小 对交流信号视为短路 交流通路 原电路图 MaLiming ElectronicTechnique 51 当放大电路的交流信号较小时 三极管工作在放大状态 可将三极管输入回路等效为一线性电阻 输出回路等效为一受控电流源 如图所示电路 MaLiming ElectronicTechnique 52 画出微变等效电路如图所示 原交流通路图 MaLiming ElectronicTechnique 53 2 计算动态指标 负号表示输出电压与输入电压相位相反 MaLiming ElectronicTechnique 54 注意 三极管的输出电阻和放大电路的输出电阻不是同一概念 rbe e 方法 去除负载RL 去除独立源 保留其内阻 保留受控源 外加电压U 对应的外加电流I 则 MaLiming ElectronicTechnique 55 2 7 3 分压式共发射极放大电路 稳定静态工作点 C1 VCC 例 已知 求1 静态工作点 2 求 MaLiming ElectronicTechnique 56 VCC 1 静态分析 假设三极管工作在放大区 则有 直流通路 MaLiming ElectronicTechnique 57 VCC Q 2 4mA 4 8V 所以假设成立 直流通路 MaLiming ElectronicTechnique 58 2 静态工作点稳定的过程 温度升高 交流通路 MaLiming ElectronicTechnique 59 2 动态分析 微变等效电路 MaLiming ElectronicTechnique 60 加压求流法 RB1 RB2 rbe ib RC RL uo ib ic Ro ii MaLiming ElectronicTechnique 61 2 8 共集极放大电路 射极输出器 2 8 1 共集极放大电路的组成 MaLiming ElectronicTechnique 62 2 8 2 共集极放大电路的分析 MaLiming ElectronicTechnique 63 二 性能指标 MaLiming ElectronicTechnique 64 MaLiming ElectronicTechnique 65 共集极放大电路的输入电阻 共集极放大电路的输出电阻 rbe MaLiming ElectronicTechnique 66 则共集极放大电路的输出电阻RO为 MaLiming ElectronicTechnique 67 例 已知 求1 静态工作点 2 求 C1 VCC 直流通路 微变等效电路 MaLiming ElectronicTechnique 68 Q 3 2mA 8 8V 1 静态工作点 设三极管工作在放大区 则有 所以假设成立 MaLiming ElectronicTechnique 69 2 交流分析 rbe 微变等效电路 ib ic ie 原电路 MaLiming ElectronicTechnique 70 MaLiming ElectronicTechnique 71 由上题可知 共集极放大电路具有电压放大倍数小于1而接近1 输出电压与输入电压同相 输入电阻大 输出电阻小等特点 虽然共集极放大电路本身没有电压放大作用 但是由于其输入电阻很大 只从信号源吸取很小的功率 所以对信号源影响很小 又由于其输出电阻很小 当负载RL改变时 输出电压变动很小 所以有较好的负载能力 可作为恒压源输出 所以共集极放大电路多用于多级放大电路的输入级 输出级或缓冲级 MaLiming ElectronicTechnique 72 共基极放大电路具有输出电压与输入电压同相 电压放大倍数高 输入电阻小 输出电阻大等特点 由于共基极放大电路具有较好的高频特性 故广泛用高频及宽带放大电路中 VCC C1 2 9 共基极放大电路 C2 C3 MaLiming ElectronicTechnique 73 例 已知 求1 静态工作点 2 求 C1 VCC MaLiming ElectronicTechnique 74 1 静态工作点 设三极管工作在放大区 则有 MaLiming ElectronicTechnique 75 Q 2mA 6V 1 静态工作点 所以假设成立 MaLiming ElectronicTechnique 76 2 交流分析 MaLiming ElectronicTechnique 77 MaLiming ElectronicTechnique 78 计算结果表明 共基 共射电路元件参数相同时 它们的电压放大倍数数值是相等的 但是共基极放大电路输入电阻小 这类电路主要用于高频电压放大电路 MaLiming ElectronicTechnique 79 三极管放大电路三种基本组态的比较 MaLiming ElectronicTechnique 80 MaLiming ElectronicTechnique 81 2 10 多级放大电路 在实际的电子设备中 为了得到足够大的放大倍数或者使输入电阻和输出电阻达到指标要求 一个放大电路往往由多级组成 多级放大电路由输入级 中间级及输出级组成 如图所示 MaLiming ElectronicTechnique 82 可以分别考虑输入级如何与信号源配合 输出级一般为功率放大电路来实现 如何满足负载的要求 中间级如何保证放大倍数足够大 各级放大电路可以针对自己的任务来满足技术指标的要求 本章只讨论由输入级到输出级组成的多级小信号放大电路 MaLiming ElectronicTechnique 83 2 10 1 级间耦合方式多级放大电路是将各单级放大电路连接起来 这种级间连接方式称为耦合 要求前级的输出信号通过耦合不失真地传输到后级的输入端 常见的耦合方式有阻容耦合 直接耦合及变压器耦合三种形式 MaLiming ElectronicTechnique 84 1 阻容耦合阻容耦合是利用电容器作为耦合元件将前级和后级连接起来 这个电容器称为耦合电容 如图所示 MaLiming ElectronicTechnique 85 阻容耦合两级放大电路的直流通路 MaLiming ElectronicTechnique 86 阻容耦合的优点是 前级和后级直流通路彼此隔开 每一级的静态工件点相互独立 互不影响 便于分析 设计和调试电路 因此 阻容耦合在多级交流放大电路中得到了广泛应用 阻容耦合的缺点是 信号在通过耦合电容加到下一级时会大幅衰减 对直流信号 或变化缓慢的信号 很难传输 在集成电路里制造大电容很困难 不利于集成化 所以 阻容耦合只适用于分立元件组成的电路 MaLiming ElectronicTechnique 87 2 直接耦合直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式 这种耦合方式称为直接耦合 如图所示 MaLiming ElectronicTechnique 88 直接耦合的优点 所用元件少 体积小 低频特性好 便于集成化 直接耦合的缺点是 由于失去隔离作用 使前级和后级的直流通路相通 静态电位相互牵制 使得各级静态工作点相互影响 另外还存在着零点漂移现象 MaLiming ElectronicTechnique 89 讨论 1 静态工作点相互牵制 如图所示 不论V1管集电极电位在耦合前有多高 接入第二级后 被V2管的基极钳制在0 7V左右 致使V2管处于临界饱和状态 导致整个电路无法正常工作 MaLiming ElectronicTechnique 90 2 零点漂移现象 由于温度变化等原因 使放大电路在输入信号为零时输出信号不为零的现象称为零点漂移 产生零点漂移的主要原因是由于温度变化而引起的 零点漂移也称温度漂移 要使用直接耦合的多级放大电路 必须解决静态工作点相互影响和零点漂移问题 解决方法我们将在差动式放大电路中讨论 MaLiming ElectronicTechnique 91 3 变压器耦合变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来 这种耦合方式称为变压器耦合 如图所示 MaLiming ElectronicTechnique 92 变压器耦合的优点是 由于变压器不能传输直流信号 且有隔直作用 因此各级静态工作点相互独立 互不影响 变压器在传输信号的同时还能够进行阻抗 电压 电流变换 变压器耦合的缺点是 体积大 笨重等 不能实现集成化应用 MaLiming ElectronicTechnique 93 2 10 2 耦合对信号传输的影响1 信号源和输入级之间的关系信号源接放大电路的输入级 输入级的输入电阻就是它的负载 因此可归结为信号源与负载的关系 MaLiming ElectronicTechnique 94 2 各级间的关系中间级级间的相互关系归结为 前级的输出信号为后级的信号源 其输出电阻为信号源内阻 后级的输入电阻为前级的负载电阻 如图所示 第二级的输入电阻为第一级的负载 第三级的输入电阻为第二级的负载 依次类推 rbe1 e rbe2 MaLiming ElectronicTec
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