三极管与放大电路基础教学案

第2章三极管及放大电路基础【课题】2.1三极管【教学目的】1掌握三极管结构特点、类型和电路符号。2了解三极管的电流分配关系及电流放大作用。3理解三极管的三种工作状态的特点，并会判断三极管所处的工作状态。4理解三极管的主要参数的含义。【教学重点】1三极管结构特点、类型和电路符号。2三极管的电流分配关系及电流放大作用。3三极管的三种工作状态及特点。【教学难点】1三极管的电流分配关系和对电流放大作用的理解。2三极管工作在放大状态时的条件。3三极管的主要参数的含义。【教学参考学时】2学时【教学方法】讲授法、分组讨论法【教学过程】一、引入新课搭建一个简单的三极管基本放大电路，通过对放大电路输入信号及输出信号的测试，引导学生认识三极管，并知道三极管能放大信号，为后续的学习打下基础。二、讲授新课2.1.1 三极管的基本结构三极管是在一块半导体基片上制作出两个相距很近的PN结构成的。两个PN结把整块半导体基片分成三部分，中间部分是基区，两侧部分分别是发射区和集电区，排列方式有NPN和PNP两种，2.1.2 三极管的电流放大特性三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量，这就是三极管的电流放大特性。要使三极管具有放大作用，必须给管子的发射结加正偏电压，集电结加反偏电压。三极管三个电极的电流(基极电流、集电极电流、发射极电流)之间的关系为：、 2.1.3 三极管的特性曲线三极管外部各极电流与极间电压之间的关系曲线，称为三极管的特性曲线，又称伏安特性曲线。1. 输入特性曲线输入特性曲线是指当集-射极之间的电压为定值时，输入回路中的基极电流与加在基-射极间的电压之间的关系曲线。三极管的输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似，也存在一段死区。2. 输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流为定值时，输出电路中集电极电流与集-射极间的电压之间的关系曲线。不同，对应的输出特性曲线也不同。截止区：曲线以下的区域。此时，发射结处于反偏或零偏状态，集电结处于反偏状态，三极管没有电流放大作用，相当于一个开关处于断开状态。饱和区：曲线上升和弯曲部分的区域。此时，发射结和集电结均处于正偏状态，三极管没有电流放大作用，相当于一个开关处于闭合状态。放大区：曲线中接近水平部分的区域。此时，发射结正偏，集电结反偏。三极管具有电流放大作用。2.1.4三极管的主要参数1. 性能参数：电流放大系数、，集电极-基极反向饱和电流，集电极-发射极反向饱和电流。2. 极限参数：集电极最大允许电流、集电极-发射极反向击穿电压、集电极最大允许耗散功率。3频率参数：共发射极截止频率、特征频率 。2.1.5 三极管的分类 三极管的种类很多，分类方法也有多种。分别从材料、用途、功率、频率、制作工艺等方面对三极管的类型予以介绍。三、课堂小结1三极管的结构、类型和电路符号。2三极管的电流放大作用。3三极管三种工作状态的特点。4三极管的主要参数。四、课堂思考P37 思考与练习题1、2、3。五、课后练习P68 一、填空题：1、2；二、判断题：1；三、选择题：1、5。【课题】2.2三极管基本放大电路【教学目的】1掌握基本共射极放大电路的组成并理解电路各元件的作用。2理解基本共射极放大电路放大信号的工作原理。3了解小信号放大器的主要性能指标。4了解共集电极放大电路和共基极放大电路的电路结构、特点及应用。【教学重点】1基本共射极放大电路的组成及各元件的作用。2基本共射极放大电路放大信号的工作原理。3小信号放大器的主要性能指标。【教学难点】1基本共射极放大电路放大信号的工作原理。2三种放大电路的电路结构及性能比较。【教学参考学时】2学时【教学方法】讲授法、分组讨论法【教学过程】一、复习 1三极管的结构、类型和电路符号。 2三极管三种工作状态的特点。二、引入新课通过演示功放经扬声器放出音乐的过程，向学生讲解放大电路的基本结构和信号流程，使学生对放大电路有初步的认识。三、讲授新课2.2.1 基本共射放大电路1放大电路中各元件的作用（对照书本P41页 图2.10）：三极管，起电流放大作用；：直流电源，提供偏压和能源；：基极偏置电阻，向三极管的基极提供合适的偏置电流；：集电极负载电阻，把三极管的电流放大转换为电压放大；和：耦合电容，传递交流信号、隔断直流电。2放大电路中电压、电流符号的规定大写物理量符号大写下标，表示直流信号；小写物理量符号小写下标，表示交流信号；小写物理量符号大写下标，表示交流和直流叠加信号；大写物理量符号小写下标，表示交流信号的有效值。3放大电路的工作原理对照书本P42页图2.11介绍基本共射放大电路中各处电压、电流的变化过程，使学生了解共射放大电路具有电压放大作用，同时，输出电压与输入电压的相位正好相反，说明共射放大电路还具有反相作用。2.2.2 小信号放大器的主要性能指标1放大倍数：电压放大倍数；电流放大倍数；电压增益（dB）。2输入电阻：输入电阻，为输入电压与输入电流的比值，越大，放大器输入端得到的输入电压就越高。3输出电阻：，为从放大器输出端看进去的交流等效电阻（它不包括外接负载电阻），越小，放大器输出端带负载的能力越强。*2.2.3 三种基本放大电路的性能比较1共射放大电路既能放大电流又能放大电压，输入电阻居其它两种电路之中，输出电阻较大，频带较窄；常作为低频电压放大的单元电路。2共集放大电路只能放大电流而不能放大电压，是三种基本放大电路中输入电阻最大、输出电阻最小的电路，并有电压跟随的特点；常用于电压放大的输入级或输出级，在功率放大电路中也常采用这种电路形式。3共基放大电路只能放大电压而不能放大电流，输入电阻小，电压放大倍数和输出电阻与共射电路相当，频率特性是三种基本电路中最好的；常用作宽频带放大电路。四、课堂小结1基本共射放大电路中各元件的作用。2基本共射放大电路信号放大的特点。3小信号放大器的主要性能指标。五、课堂思考P41 思考与练习题1、2、3。六、课后练习P68 一、填空题：3、5；三、选择题：3、4。【课题】2.3放大电路的分析【教学目的】1理解放大电路的直流通路、交流通路的概念，会画放大电路对应的直流通路和交流通路。2了解放大电路的分析方法。3掌握基本共射极放大电路静态参数和动态参数的计算方法。【教学重点】1分析放大电路的直流通路和交流通路。2基本共射极放大电路静态参数和动态参数的计算。【教学难点】1画放大电路的交流通路。2用估算的方法分析放大电路的静态和动态参数。【教学参考学时】1学时【教学方法】讲授法【教学过程】一、复习小信号放大器的主要性能指标。二、讲授新课2.3.1放大器的直流通路与交流通路1直流通路直流通路用于研究电路的静态工作点，画直流通路的原则为：电容视为开路、电感线圈视为短路。2交流通路交流通路用于研究放大电路的动态参数及性能指标，画交流通路的原则为：电容视为短路、直流电源视为短路。*2.3.2放大器的静态与动态分析1放大电路的静态分析借助于放大电路的直流通路，估算其静态工作点Q，即静态时电路中各处的直流电流和直流电压：、。2放大电路的动态分析借助于放大电路的交流通路，估算其主要性能指标：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻，其中。三、课堂小结1直流通路与交流通路的概念、绘制原则。2基本共射放大电路静态工作点的估算。3基本共射放大电路主要性能指标的估算。四、课堂思考P44 思考与练习题1、2。五、课后练习P68 一、填空题：6；三、选择题：2；四、技能实践题：2；五、综合题：1。【课题】2.4放大器静态工作点的稳定【教学目的】1理解设置静态工作点的重要性。2掌握分压式偏置电路、集电极基极偏置电路组成特点及稳定静态工作点的原理。3了解分压式偏置电路静态工作点的估算方法。【教学重点】1放大器静态工作点稳定的意义。2分压式偏置电路、集电极基极偏置电路的组成特点及稳定静态工作点的原理。【教学难点】1分压式偏置电路、集电极基极偏置电路稳定静态工作点的原理。2分压式偏置电路静态工作点的估算。【教学参考学时】1学时【教学方法】讲授法、分组讨论法【教学过程】一、复习基本共射放大电路静态工作点的估算。二、引入新课通过静态工作点对输出波形影响的演示实验，使学生认识到静态工作点变化，会对输出波形造成影响。三、讲授新课2.4.1 放大器静态工作点稳定的意义由演示实验可知，当静态工作点发生变化，放大电路的工作状态也会发生变化，甚至会出现波形失真。如静态工作电流变大，会出现饱和失真；静态工作电流变小，会出现截止失真。实际应用中电源电压的波动、元件的老化或因温度变化引起三极管参数的变化，都会造成静态工作点变化，从而使动态参数发生变化，最终导致电路出现异常。为了保证电路在各种复杂情况下能正常工作，采用能稳定静态工作点的偏置电路，是非常必要的。2.4.2 放大器静态工作点的稳定措施1分压式偏置电路电路结构见书本P49页图2.19。静态工作点稳定的条件为：。稳定静态工作点的过程为：（某原因） 分压式偏置电路静态工作点的估算：、。2集电极基极偏置电路电路结构见书本P50页图2.21。该电路的特点是：偏置电阻跨接在三极管的极与极之间。 自动稳定静态工作点的过程为：温度升高 四、课堂小结1放大器静态工作点稳定的意义。2分压式偏置电路稳定静态工作点的过程。3集电极-基极偏置电路稳定静态工作点的过程。五、课堂思考P47 思考与练习题1、2、3、4。六、课后练习P68 一、填空题：7；二、判断题：2；四、技能实践题：1；五、综合题：2。【课题】2.5多级放大电路【教学目的】1掌握多级放大电路常用级间耦合方式的电路连接特点及应用场合。2了解多级放大电路主要参数的计算方法。【教学重点】1多级放大电路常用的级间耦合方式。2不同级间耦合方式的电路连接特点及应用场合。3多级放大电路主要参数的计算。【教学难点】放大电路的频率特性及通频带的概念。【教学参考学时】1学时【教学方法】讲授法【教学过程】一、复习1基本共射放大电路放大倍数的估算公式。 2分析一个单管共射放大电路放大倍数的范围。二、引入新课如果在实际的信号放大中，要求的放大倍数远远超过单管放大电路所能放大的范围，那么就应该考虑将二个或更多个单管放大电路连接起来，得到更大的放大倍数。三、讲授新课2.5.1 多级放大电路的极间耦合方式在多级放大电路中，级间耦合一方面要确保各级放大电路有合适的静态工作点，另一方面要使前一级的输出信号尽量不受衰减地传至后一级。1阻容耦合将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。阻容耦合放大电路中各级的静态工作点相互独立，但低频特性差且不便于集成化，因此，广泛应用在分立元件电路中。2变压器耦合将放大电路的前级输出端通过变压器接到后级输入端或负载电阻上。变压器耦合放大电路的各级静态工作点各自独立，具有阻抗变换作用，易于实现级间的阻抗匹配，但低频特性差且不便于集成化，因此，在分立元件功率放大电路中应用较多。3. 直接耦合将放大电路的前一级输出端直接连接到后一级的输入端。直接耦合放大电路有良好的低频特性，便于集成化，但各级之间的静态工作点相互牵连、互相影响，且存在零点漂移，因此，多应用于集成放大电路中。4光电耦合将放大电路的前级输出端通过光电耦合器接到后级输入端。光电耦合放大电路各级电路的静态工作点互不影响，且实现了前后电路的电气隔离，但直接用来传输模拟量时精度较差，在电子设备中得到广泛的应用。2.5.2 多级放大电路的主要性能指标1. 电压放大倍数、 2输入电阻和输出电阻输入电阻是第一级的输入电阻；输出电阻是最后一级的输出电阻。3频率特性与通频带工程上，把电压放大倍数下降到中频时的0.707倍所对应的低端频率称为下限频率，对应的高端频率称为上限频率，并把与之间的频率范围称为该放大电路的通频带，用表示，即 。多级放大电路提高了电压放大倍数，但通频带变窄。因此，为了满足多级放大电路通频带的要求，必须把每个单级放大电路的通频带设计得更宽一些。 四、课堂小结1多级放大电路常用的级间耦合方式。2阻容耦合、变压器耦合、直接耦合、光电耦合的电路连接特点、各自的优缺点及应用场合。3多级放大电路电压放大倍数、输入输出电阻的计算。4、通频带的概念，以及多级放大电路与单级放大电路相比，通频带的变化情况。五、课堂思考P52 思考与练习题1、2、3。六、课后练习P68 一、填空题：4；二、判断题：3。【课题】2.6场效晶体管放大器【教学目的】1了解绝缘栅型和结型场效晶体的结构特点、类型。2掌握绝缘栅型和结型场效晶体管的电路符号。3理解场效晶体管电压控制原理、特性曲线及三个工作区域的特点。4了解场效晶体管主要参数的含义。5了解场效晶体管放大电路的结构及偏置方式。【教学重点】1绝缘栅型和结型场效晶体管的结构特点、类型和电路符号。2场效晶体管的电压控制原理、特性曲线及三个工作区域的特点。3场效晶体管放大电路结构及偏置方式。【教学难点】1绝缘栅型和结型场效晶体管的结构特点。2场效晶体管电压控制原理及三个工作区域的特点。3场效晶体管主要参数的含义。【教学参考学时】2学时【教学方法】讲授法【教学过程】一、复习1三极管的电流放大原理。2分压偏置式单管共射放大电路组成特点及稳定静态工作点的原理。二、讲授新课2.6.1 场效晶体管简介场效晶体管简称场效管，是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的器件，故其属于电压控制型半导体器件。与三极管相比，它具有输入电阻高、噪声低、功耗小等优点，因此，在大规模集成电路中得到广泛的应用。1绝缘栅场效管结构：绝缘栅场效管有耗尽型和增强型两大类，每一类又有沟道和沟道两种。其电路符号见书本P56页图2.30，衬底的实线和虚线分别表示有预留导电沟道和没有预留导电沟道，箭头指向管内表示为沟道MOS管，箭头指向管外表示为沟道MOS管。工作原理（书本P56页图2.31）：以增强型MOS场效管为例，当栅、源极间电压时，漏、源极间没有导电沟道，漏极电流，处于截止状态。当时，漏区和源区间有导电沟道（沟道），此时，如果在漏极和源极之间加正向电压，则会有电流经沟道到达源极，形成漏极电流，场效管处于导通状态。主要特性：场效管的主要特性有转移特性和输出特性。着重介绍输出特性曲线的三个区域可变电阻区、饱和区和击穿区。2结型场效管结构：结型场效管有N沟道和P沟道两大类。其电路符号见书本P58页图2.33，栅极箭头指向管内表示为沟道结型场效管，栅极箭头指向管外表示为沟道结型场效管。主要特性：与绝缘栅型场效管相似，简单介绍。3场效管的主要参数开启电压、 夹断电路、 漏极饱和电流、 跨导、 漏源击穿电压。2.6.2 场效晶体管放大电路场效管放大电路也有三种组态：共源极放大电路、共漏极放大电路和共栅极放大电路，分别与三极管放大电路的共射放大电路、共集放大电路和共基放大电路相对应。其中最常见的是共源极放大电路。1. 分压式偏置放大电路介绍电路结构，各元件的作用及简单的工作原理。2自给偏压式偏置放大电路介绍电路结构，各元件的作用及简单的工作原理。三、课堂小结1绝缘栅型和结型场效晶体管的类型和电路符号。2场效晶体管的电压控制原理、特性曲线及三个工作区域的特点。3场效晶体管主要参数的含义。4、场效晶体管放大电路结构及偏置方式。四、课堂思考P57 思考与练习题1、2、3。五、课后练习P68一、填空题：8；二、判断题：4。【课题】实训项目2.1三极管的管脚识别和质量判断【实训目标】1掌握常用三极管的管脚识别方法。2掌握常用三极管的类型判断和质量判断方法。【实训重点】1常用三极管的管脚识别方法。2常用三极管的质量判断。【实训难点】三极管的质量判断【参考实训课时】1学时【实训方法】 讲授法、演示法、实操法【实训过程】一、实训任务任务一三极管的类型及管脚识别三极管的型号一般都直接标注在管壳上，根据三极管的命名方法即可知其类型是NPN还是PNP。其管脚的分布有一定的规律，可通过分布特征直接分辨三极管的三个管脚。利用实训室提供的不同型号三极管介绍管脚的分布规律。如果不知道三极管的类型及管子的引脚排列，可用指针式万用表按照书本P61页的操作步骤进行识别。介绍判定基极和三极管类型、判定集电极和发射极的方法。任务二三极管的质量判断（以NPN型管为例）1穿透电流的估测（1） 将万用表置于欧姆挡R100或1K挡。（2）将三极管基极悬空，万用表红表笔接发射极，黑表笔接集电极，此时测得阻值应在几十到几百千欧以上。若阻值很小，说明穿透电流大，稳定性差；若阻值为零，说明管子已经击穿；若阻值无穷大，说明管子内部断路；若阻值不稳定或阻值逐渐下降，说明管子噪声大、不稳定，不宜采用。2电流放大系数的测量（1）将万用表量程开关旋至挡。（2）将三极管的3个电极对应插入N列的三个插孔中，此时读出的数值即为该三极管的电流放大系数，如果太小，则表示该三极管已失去放大作用。任务三综合训练对3只不同型号的三极管，按上述步骤分别进行类型及引脚的识别和质量判断。二、实训小结1三极管的类型判断和管脚的识别。2三极管的质量判断。三、课堂思考如果三极管为PNP型，应如何对其进行管脚的识别和质量判断？四、课后作业1实训报告及本次实训的体会和收获。2完成项目实训评价表的学生自评部分。【课题】实训项目2.2 三极管放大电路的测量【实训目标】1掌握分压式偏置电路静态工作点的测量方法。2掌握示波器和信号发生器的使用。3掌握分压式偏置电路输入、输出波形及电压放大倍数的测量方法。4了解波形失真的原因，并用示波器观察不同的失真波形。【实训重点】1分压式偏置电路静态工作点的测量方法。2示波器和信号发生器的使用。3分压式偏置电路输入、输出波形及电压放大倍数的测量。【实训难点】1分压式偏置电路输入、输出波形及电压放大倍数的测量。2用示波器观察不同的失真波形，了解波形失真的原因。【参考实训课时】2学时【实训方法】讲授法、演示法、实操法【实训过程】一、实训任务任务一分压式偏置电路静态工作点的测量1根据电路原理图在实训箱中完成分压式偏置放大电路的连接。2检查无误后给放大电路加上15V直流电源，并调节电位器，使放大器处于放大的工作状态。3用万用表分别测量分压式偏置电路的静态工作点、。 任务二示波器、信号发生器的使用练习1熟悉示波器面板上各开关、旋钮的位置，按使用说明将各开关、旋钮置于合适的挡位。通电后，调节各个旋钮，直至荧光屏上呈现清晰的扫描线。2熟悉信号发生器面板上各开关、旋钮的位置和作用。3由低频信号发生器输出幅度为100 mV，频率分别为 100Hz、200 Hz、1kHz、10kHz的正弦波、矩形波和三角波信号，利用示波器观察波形；测出其周期；再计算各自的频率，并与信号发生器所示频率对比。说明：由于学时的原因，在本实训开始前，应利用课余时间教会学生对示波器和信号发生器的初步使用。任务三波形及电压放大倍数测量1保持放大器的静态工作点不变，在放大电路的输入端加入正弦波信号，其频率、幅度为，放大电路的输出端接示波器。当输出波形无失真现象时，用晶体管毫伏表分别测出、（）的大小。2增大输入信号幅度，用示波器监视放大器输出波形，用晶体管毫伏表测出最大不失真输出电压。3放大器输出端接入负载电阻，保持输入端信号频率、幅度为不变，测出此时的输出电压（）。4用示波器双踪显示功能同时观察和的波形，测出它们的大小和相位。任务四波形失真分析1在，的情况下，将频率为的正弦信号加在放大器的输入端，增大输入信号幅度，用示波器监视放大器的输出信号为不失真的正弦波。 2调节电位器使其阻值增大，直至从示波器观察到放大器的输出波形出现失真，记录此时的波形，并测出相应的集电极静态电流 。 3调节电位器使其阻值减小，直至从示波器观察到放大器的输出波形出现失真，记录此时的波形，并测出相应的集电极静态电流。二、实训小结1分压式偏置放大电路静态工作点的测量。2示波器、信号发生器面板上各开关、旋钮的位置和作用。3分压式偏置放大电路输入输出波形及电压放大倍数测量。4分压式偏置放大电路波形失真的测量。三、课堂思考1负载对放大电路电压放大倍数有什么影响？2放大电路的输出信号波形失真与基极偏置电流大小的关系。四、课后作业1实训报告及本次实训的体会和收获。2完成项目实训评价表的学生自评部分。【课题】实训项目2.3 分压式偏置放大器的安装和调试【实训目标】1掌握分压式偏置放大器的工作原理。2掌握分压式偏置放大器的安装与调试方法。【实训重点】1分压式偏置放大器的元器件识别和检测。2分压式偏置放大器的安装与调试。【实训难点】1分压式偏置放大器的工作原理2分压式偏置放大器的调试【参考实训课时】2学时【实训方法】 讲授法、演示法、实操法【实训过程】一、实训任务 说明：由于学时的原因，可根据学生的实际情况，将实训任务的部分内容安排在课余时间完成。任务一分压式偏置放大器的元器件识别对分压式偏置放大器所包含的元器件进行识别，并了解它们在电路中的作用。任务二分压式偏置放大器元器件的检测在分压式偏置放大器中，主要的元器件有三极管、电解电容、电位器和电阻，在安装之前必须对它们进行检测，以确保元器件是好的。任务三分压式偏置放大器的电路安装利用万能板对照实物连接图进行元器件的焊接和装配。任务四分压式偏置放大器的调试按实训项目2.2.的任务一和任务二所述步骤，对安装好的分压式偏置放大器进行静态工作点的测量及电压放大倍数的测量。注意：电路通电前，必须先对整个电路板的焊点、连线进行检查，当确认安装无误时，方可通电调试。二、实训小结1分压式偏置放大器的工作原理。2分压式偏置放大器的调试过程。三、课堂思考通过理论计算的方法，估算出分压式偏置放大器的静态工作点及电压放大倍数，并与实训测量值进行比较。四、课后作业1实训报告及本次实训的体会和收获。2完成项目实训评价表的学生自评部分。