电工及其电子基础 2

338第五章三极管和集成运算放大器339目录§5-1三极管§5-2反馈和振荡§5-3集成运算放大器340§5-1三极管341学习目标1.了解三极管的结构、图形符号和类型。2.掌握三极管的特性和主要参数。3.掌握基本共发射极放大电路的组成和工作原理。4.了解分压式共发射极放大电路稳定静态工作点的原理。5.了解共集电极放大电路的特点和应用。342一、三极管的结构、图形符号和类型三极管的内部结构和图形符号如图所示，它有两个PN结，对应的三个半导体区分别为发射区、基区和集电区，从三个区引出的三个电极分别为发射极、基极和集电极，分别用E、B、C或e、b、c表示。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。三极管的结构和图形符号a）NPN型b）PNP型343按两个PN结的组合方式不同，三极管分为NPN型和PNP型两大类，其结构和图形符号分别如上图a和上图b所示，其文字符号用VT或V表示。几种常见三极管的封装形式和引脚排列见下表。几种常见三极管的封装形式和引脚排列344二、三极管的特性和主要参数三极管有三个电极，用它组成放大电路时，一个电极作为信号输入端，另一个电极作为信号输出端，第三个电极作为输入和输出信号的公共端。根据公共端的不同，三极管具有共发射极、共基极和共集电极三种不同的连接方式，如图所示为NPN型三极管的连接方式。

NPN型三极管的连接方式a）共发射极b）共基极c）共集电极3451. 三极管的电流放大作用以如图所示的NPN型三极管共发射极放大电路为例，IB

流经的回路称为输入回路，IC

流经的回路称为输出回路，两个回路的公共端是三极管的发射极E，所以此电路称为共发射极放大电路，简称共射放大电路。三极管要实现放大作用，必须满足一定的外部条件，即发射结加正向偏置电压（正偏），集电结加反向偏置电压（反偏）。NPN型三极管共发射极放大电路346对于上图中的NPN型三极管，三个电极的电位关系必须符合UC>UB>UE将三极管看作一个广义节点，根据基尔霍夫电流定律可知，三极管三个电极的电流关系为IE=IC+IB三极管的集电极电流IC与相应的基极电流IB之比称为共发射极直流电流放大系数，用

表示，即347故若IB

有一个变化量ΔIB，IC

也会有一个变化量ΔIC，而

是一个远大于1的数，因此ΔIC

远大于ΔIB。由此可知，较小的基极电流变化，即可引起较大的集电极电流变化，这就是三极管的电流放大作用。必须强调的是，这种电流放大能力实质是IB

对IC

的控制能力，因为无论IB

还是IC都来自电源，如果没有电源，三极管本身是不能放大电流的。3482. 三极管的三种工作状态由于工作条件不同，三极管会有截止、放大、饱和三种不同的工作状态，下面以NPN型三极管为例进行讲解，见下表。NPN型三极管的三种工作状态349三极管处于放大工作状态时，在电路中起放大作用，其压降UCE

随

IC

的增大而降低。三极管处于截止、饱和工作状态时，在电路中可以起到开关的作用，如图所示。当三极管处于截止工作状态时，集-射极（集电极-发射极）等效于一个断开的开关；而当三极管进入饱和工作状态时，集-射极等效于一个接通的开关。

三极管的开关特性a）集-射极等效于断开的开关b）集-射极等效于接通的开关3503. 三极管的主要参数（1）共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数用符号（或hFE）表示，它是指集电极电流与基极电流的比值，即（2）共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数用符号β（或hfe）表示，它是指集电极电流变化量与基极电流变化量的比值，即351（3）集-射极反向饱和电流集-射极反向饱和电流又称穿透电流，用符号ICEO

表示，它是指在基极开路、集-射极处于反向偏置的情况下流过集电极的电流。ICEO

随温度的升高而明显增大，因此它越小越好。硅三极管的穿透电流远小于锗三极管的穿透电流，因此硅三极管比锗三极管的热稳定性好。（4）集电极最大允许电流集电极最大允许电流用符号ICM

表示，它是指β下降到正常值的2/3时的集电极电流。三极管工作时，若集电极电流IC

超过ICM，β

值明显下降，特性变差。352（5）集-射极反向击穿电压集-射极反向击穿电压用符号U（BR）CEO

或BVCEO

表示。当三极管的压降UCE>U（BR）CEO时，集电极电流IC

急剧增大。（6）集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率用符号PCM

表示，正常时应使UCEIC<PCM，否则三极管会过热。PCM

小于1W的三极管称为小功率管，大于或等于1W的三极管称为大功率管。大功率管必须按要求加装散热器，才能达到规定的PCM

值。353三、基本共发射极放大电路1. 电路组成及各元件的作用如图所示即为基本共发射极放大电路，电路主要由放大三极管VT、基极偏置电阻RB、集电极负载电阻RC、输入耦合电容C1、输出耦合电容C2和直流电源VCC等组成，各元件的作用如下。NPN型三极管共发射极放大电路354（1）放大三极管VT放大三极管是放大电路的核心，起电流放大作用，可将微小的基极电流变化量转变成较大的集电极电流变化量。（2）直流电源VCC直流电源为三极管和负载提供能源，同时为三极管提供实现电流放大的外部条件，即发射结正偏、集电结反偏。（3）基极偏置电阻RB基极偏置电阻配合直流电源为三极管提供一个合适的静态偏置电流IB，使三极管能不失真地放大交流信号。355（4）集电极负载电阻RC集电极负载电阻将集电极电流的变化量转换成集电极与发射极之间电压的变化量，从而实现电压放大。（5）耦合电容C1和C2输入耦合电容C1和输出耦合电容C2起“隔直通交”的作用。隔直——隔离直流电源对信号源和负载的影响，同时也隔离信号源和负载对三极管直流工作状态的影响。通交——当C1和C2足够大时，它们的容抗很小，可近似看作短路，这样可让交流信号顺利通过。3562. 放大电路的工作原理（1）直流偏置电源VCC

一方面经电阻RB

为三极管的发射结提供合适的正向偏置电压，另一方面经电阻RC

为集电结提供合适的反向偏置电压，使三极管处于放大状态。（2）电流放大和电压放大如下图所示，输入的交流电压ui

经电容C1加到三极管的基极与发射极之间，使流过基极的电流在原直流偏置电流的基础上叠加了与输入电压波形相同的交流电流iB。357共发射极放大电路的电流和电压波形358此时在集电极产生了与基极电流波形相同但放大了的集电极电流iC，此电流在流过电阻RC

时，在RC

上形成与集电极电流iC

波形相同的电压。由于集电极与发射极之间的电压为uCE=VCC-iCRC=VCC-βiBRC，所以uCE

的波形与iB、iC

的波形相位相反。此电压经电容C2的隔直作用，便在负载电阻RL

上形成与输入电压相位相反且放大了的输出电压。3593. 放大电路的静态估算分析（1）静态的概念放大电路未输入信号（ui=0）时的状态称为静态。此时三极管的基极电流IB、集电极电流IC

和集-射极电压UCE等电路主要工作状态参数的值对应三极管输出特性曲线上的一点，这个点称为放大电路的静态工作点，简称

Q

点。Q

点的上述参数分别用IBQ、ICQ和UCEQ

表示。360（2）静态工作点的估算对放大电路进行静态分析的目的是合理设置电路的静态工作点，防止放大电路在放大交流信号时产生的非线性失真。一般通过估算法和图解法两种方法来分析、计算静态工作点。3614. 放大电路的动态估算分析放大电路输入交流信号ui

后的工作状态称为动态。此时，放大电路中同时存在直流分量和交流分量，由于放大电路中通常都存在电容、电感等电抗元件，所以分析放大电路的放大过程必须以交流通路为依据。所谓交流通路就是只允许交流信号流通的路径。因此，在画交流通路时，小容抗的电容和内阻小的电源，忽略其交流压降，都可以视为短路，如图所示为如上图所示共发射极放大电路的交流通路。共发射极放大电路的交流通路362（1）三极管的输入电阻rBE一般低频小功率三极管的输入电阻通常可用下面的经验公式进行估算小信号下rBE

为几百至一千欧。（2）放大电路的输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的交流等效电阻（注意：不包括信号源内阻）称为放大电路的输入电阻。由下图可知Ri=RB//rBE363共发射极放大电路的输入电阻364（3）放大电路的输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的交流等效电阻（注意：不包括负载电阻）称为放大电路的输出电阻。由下图可知Ro=RC//rCE共发射极放大电路的输出电阻365（4）电压放大倍数Au电压放大倍数是输出电压相量与输入电压相量之比，是表示放大电路放大电信号能力的主要性能指标之一，也称电压增益。式中，R′L=RL//RC。366四、分压式共发射极放大电路1. 电路组成基本共发射极放大电路虽然简单，但是稳定性不好，静态工作点易受温度、电源电压波动等影响，如图所示的分压式共发射极放大电路可以克服这一缺点。367分压式共发射极放大电路a）电路图b）直流通路c）交流通路368如上图中，RB1

为上偏置电阻，RB2

为下偏置电阻，RB1

和RB2

将电源电压VCC分压后为三极管基极提供一个相对稳定的直流电流，因此该电路称为分压式偏置电路。CE

为发射极电阻RE

的旁路电容。CE

一般选用几十到几百微法的电解电容，在低频信号频率上的容抗很小，故称旁路电容。交流电流经CE

流入公共端，直流电流经RE

流入公共端。由于电容的隔直作用，CE

对电路的静态工作点没有影响。3692. 稳定静态工作点的原理适当选择偏置电阻RB1

和RB2

的电阻值，使RB1

中流过的直流电流I1

远大于IBQ（一般选5~10倍）。此时，基极电压UBQ

由VCC

和RB1

与RB2

的分压比确定，即由于接入了发射极电阻RE，发射极直流电流IEQ

在其上产生直流电压，加到发射结的直流电压则为UBEQ=UBQ-UEQ370当温度升高而引起ICQ

增大时，IEQ

相应增大，UEQ也相应升高。由于UBQ

基本不变，加上RE

的负反馈作用，UBEQ

就降低，IBQ

随之减小，从而抑制了ICQ

的增大，最终使静态工作点趋于稳定。上述过程可表示为温度T↑→ICQ↑→IEQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓由以上分析可知，主要是由于RE

对ICQ

变化的抑制作用，才使放大电路的静态工作点得到了稳定。371五、共集电极放大电路1. 电路组成共集电极放大电路（简称共集放大电路）如下图a所示，其直流通路和交流通路分别如下图b和下图c所示。372共集电极放大电路a）电路图b）直流通路c）交流通路373由上图可知，输入信号从三极管的基极与集电极之间输入，从发射极与集电极之间输出。集电极为输入、输出电路的公共端，故称共集电极放大电路。由于信号从发射极输出，而且输出与输入同相位，所以这种电路又称射极输出器。3742. 电路特点（1）电压放大倍数小于1且接近于1（uo=ui-uBE≈ui），共集电极放大电路无电压放大能力，但由于IE=（1+β）IB，所以，共集电极放大电路仍具有电流放大作用。（2）输出电压与输入电压同相位。（3）输入电阻较大。（4）输出电阻较小。3753. 电路应用射极输出器具有电压跟随作用和输入电阻大、输出电阻小的特点，且有一定的电流和功率放大作用，因此在分立元件多级放大电路和集成电路中都有十分广泛的应用。（1）用作输入级，因为其输入电阻大，所以可以减轻信号源的负担。（2）用作输出级，因为其输出电阻小，所以可以提高带负载的能力。（3）用在两级共射放大电路之间作为隔离级（或称缓冲级）。因为其输入电阻大，对前级影响小；输出电阻小，对后级的影响也小，所以可以有效提高总的电压放大倍数。376六、多级放大电路在实际应用中，要把一个微弱的电信号放大几千倍或几万倍甚至更大，仅靠一个放大电路是不够的，通常需要把若干个放大电路连接起来，将信号进行逐级放大，这类电路称为多级放大电路。多级放大电路的组成框图如图所示。多级放大电路的组成框图377多级放大电路的第一级为输入级，又称前置级，接信号源，要求输入电阻大；最后一级为输出级，又称功放级，连接负载，要求输出电阻小；中间级则要求具有足够大的电压放大倍数。多级放大电路中各单级放大电路之间的连接称为耦合。级间耦合方式分为阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等。378§5-2反馈和振荡379学习目标1.掌握反馈的定义及类型。2.理解负反馈对放大电路性能的影响。3.了解正弦波振荡器的基本组成和自激振荡条件。4.了解开环、闭环控制方式在汽车中的应用。380一、反馈的定义及类型1. 反馈的定义将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路形式送回到输入回路，并对输入量产生影响的过程称为反馈。引入了反馈的放大电路称为反馈放大电路，如图所示，它由基本放大电路和反馈电路（反馈网络）两部分组成。反馈放大电路381如上图中，称为比较环节，输入信号与反馈信号相加，形成基本放大电路的净输入量，加到基本放大电路的输入端，而反馈信号则由基本放大电路的输出端取出，经过反馈电路回送到输入端。基本放大电路可以是单级，也可以是多级，或是集成放大电路；反馈电路可以由电阻、电容、电感、三极管等元件组成。反馈电路与基本放大电路组成一个闭环系统，因此引入反馈的放大电路称为闭环放大电路，而未引入反馈的放大电路称为开环放大电路。3822. 反馈的类型（1）正反馈和负反馈根据反馈极性的不同，反馈可分为正反馈和负反馈。使基本放大电路净输入量增大的反馈称为正反馈，使基本放大电路净输入量减小的反馈称为负反馈。放大电路主要采用负反馈，振荡电路主要采用正反馈。383（2）电压反馈和电流反馈根据反馈信号从输出端取样方式的不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自基本放大电路的输出电压，称为电压反馈；如果反馈信号取自基本放大电路的输出电流，称为电流反馈。电压反馈的取样环节与基本放大电路输出端并联，电流反馈的取样环节与基本放大电路输出端串联，如图所示。反馈信号从输出端的取样方式a）电压反馈b）电流反馈384（3）串联反馈和并联反馈根据反馈信号与输入信号连接方式（也称比较方式）的不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈。串联反馈的反馈信号在输入端与输入信号串联，并联反馈的反馈信号在输入端与输入信号并联，如图所示。反馈信号与输入信号的连接方式a）串联反馈b）并联反馈385二、负反馈对放大电路性能的影响1. 电压放大倍数下降，但稳定性能提高为了便于分析，假设负反馈放大电路无附加相移。如图所示为负反馈放大电路框图，其中A为基本放大电路，F为负反馈电路，ui

为输入量，uf

为反馈量，u′i为净输入量，uo

为输出量，基本放大电路的电压放大倍数称为开环电压放大倍数，用A表示，反馈系数用F

表示。则386负反馈放大电路的电压放大倍数称为闭环电压放大倍数，用Af表示，由下图可得387由上式可知，引入负反馈后，放大电路的闭环电压放大倍数衰减为开环电压放大倍数的1/（1+AF）。通常将（1+AF）称为反馈深度。当（1+AF）>>1时，称为深度负反馈。此时上式表明，在深度负反馈条件下，放大电路的闭环电压放大倍数已与开环电压放大倍数无关，它不再受放大电路各种参数的影响，而只由反馈系数F

决定。此时，只要采用高稳定性的反馈元件，闭环电压放大倍数Af

就能获得很高的稳定性。3882. 减小了非线性失真当放大电路输入正弦波信号时，三极管的特性有可能使放大电路输出信号的波形正、负半周幅度不一致，即产生非线性失真，如下图a所示。如下图b所示为没有负反馈的情况，输出的失真波形正半周大，负半周小。引入负反馈后的情况如下图c所示，负反馈信号uf

与输入信号ui

进行叠加后使净输入信号u′i正半周小，负半周大。这样的预失真信号经过放大后恰好得到补偿，使输出信号正、负半周幅度接近相等，从而减小了非线性失真。389负反馈减小了非线性失真a）放大电路的非线性失真b）没有负反馈的情况c）引入负反馈后的情况3903. 展宽了通频带放大电路引入负反馈后，电压放大倍数下降，但电压放大倍数的稳定性得以提高，由频率不同而引起的电压放大倍数的变化也因此减小。中频段原电压放大倍数较大，反馈信号相应较大，因此电压放大倍数下降较多；而在高频段和低频段，由于原电压放大倍数较小，反馈信号相应较小，则电压放大倍数下降较少，结果使放大电路的幅频特性趋于平缓，即通频带展宽了。3914. 改变了放大电路的输入、输出电阻负反馈对放大电路输入电阻的影响取决于反馈信号在输入端的连接方式。串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。负反馈对放大电路输出电阻的影响取决于反馈信号从输出端的取样方式。电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。因此，根据电路需要可以引入相应类型的负反馈，从而有效改善电路的性能。392三、正弦波振荡器1. 正弦波振荡器的基本组成如图所示为正弦波振荡器的组成框图。正弦波振荡器的组成框图393当开关S接“1”时，输入信号

ui

经基本放大电路放大，在输出端得到一个较大的输出信号uo，此时如果将开关S瞬间接“2”，从输出端引入正反馈信号uf，并使uf与原输入信号ui

大小相等、相位相同，则整个电路在去掉输入信号ui

的情况下，即可依靠反馈信号uf

持续输出稳定的信号。由上图可以看出，正弦波振荡电路由一个基本放大电路和一个正反馈电路（又称正反馈网络）组成，但要产生单一频率的正弦波，还必须有选频电路（又称选频网络），此外还要有稳幅环节，以保证输出信号的稳定。3942. 自激振荡的条件由于自激振荡电路无须外加信号而是用反馈信号作为输入信号，因此要形成等幅振荡必须保证每次回送的反馈信号与原输入信号完全相同，即不仅幅度要相同，相位也要相同，所以振荡电路的自激振荡应包含以下两个条件。（1）幅度平衡条件根据反馈信号与输入信号大小相等的要求，设放大电路电压放大倍数为A，反馈系数为F，则有uf=AFui=ui，可得AF=1一般取AF>1，这样做是为了便于电路起振。395（2）相位平衡条件根据反馈信号与输入信号相位相同的要求，则基本放大电路与反馈电路的总相移必须等于2π的整数倍，即φA+φF=2nπ（n为整数）这样所引入的反馈才是正反馈。振荡电路只有同时满足幅度平衡条件和相位平衡条件才有可能起振。根据选频电路的不同，正弦波振荡器包括RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。通过相应的转换电路，可以将正弦波转换为矩形波、三角波、锯齿波等非正弦波。396§5-3集成运算放大器397学习目标1.了解集成运算放大器的外形、结构和图形符号。2.掌握集成运算放大器的工作特性。3.了解集成运算放大器的典型应用电路。4.了解集成运算放大器在汽车中的应用。398一、集成运算放大器的外形、结构和图形符号集成运算放大器（简称集成运放）相当于一个高增益的多级直流放大电路，它是一种通用性很强的功能器件。常用集成运算放大器的外形如图所示。常用集成运算放大器的外形a）金属圆壳式b）双列直插式c）单列直插式d）贴片式399集成运算放大器的内部结构框图如图所示，通常包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。集成运算放大器的内部结构框图400集成运算放大器的图形符号如图所示。集成运算放大器有多个引脚，但在图形符号上只标出了两个输入端和一个输出端。同相输入端标“+”或“P”，表示输出信号与该端输入信号同相；反相输入端标“-”或“N”，表示输出信号与该端输入信号反相。集成运算放大器的图形符号a）国标符号b）通用符号401二、集成运算放大器的工作特性1. 理想特性在分析集成运算放大器的应用电路时，常把集成运算放大器看作理想器件，即具备以下特性。（1）开环电压放大倍数趋于无穷大。（2）输入电阻趋于无穷大。（3）输出电阻趋于零。（4）共模抑制比趋于无穷大。4022. 电压传输特性（1）线性工作区由于理想集成运算放大器的开环电压放大倍数趋于无穷大，因此电路中必须引入负反馈，才能保证集成运算放大器工作在线性区。集成运算放大器在线性应用电路中近似为理想器件，输出量与输入量之间呈线性关系（见下图中的斜线部分）。集成运算放大器的电压传输特性曲线403此时两输入端电压基本相等，即uP≈uN，这一特性称为“虚短”。如果一个输入端接地，则另一个输入端也接近地电位，这一特性称为“虚地”。同时，两个输入端的电流也近似为零，即iP=iN≈0，这一特性称为“虚断”。（2）非线性工作区当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，集成运算放大器的开环电压放大倍数很大，只要有微小的电压输入，集成运算放大器就一定工作在非线性区。404三、集成运算放大器的线性应用1. 反相放大器反相放大器又称反相输入比例运算器，其基本电路如图所示，其特点是输入信号和反馈信号都加在集成运算放大器的反相输入端。如下图中，Rf为反馈电阻，R′为平衡电阻。接入R′是为了使集成运算放大器输入级尽可能工作在对称状态。反相放大器基本电路4052. 同相放大器同相放大器又称同相输入比例运算器，其基本电路如图所示。同相放大器基本电路