晶体三极管及基本放大电路课件

晶体三极管及基本放大电路晶体三极管及基本放大电路 晶体三极管是具有放大作用的半导体器件，由三极管组成的放大电路广泛应用于各种电子设备中，例如收音机、扩音机、测量仪器及自动控制装置等。本章介绍三极管应用的必备知识及由它构成的基本放大电路的工作原理和一般分析方法。晶体三极管晶体三极管三极管基本放大电路三极管基本放大电路放大电路的分析方法放大电路的分析方法静态工作点稳定的放大电路静态工作点稳定的放大电路多级放大电路多级放大电路本章小结本章小结1 第一节第一节 晶体三极管晶体三极管晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件，它由两个晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件，它由两个PN结构成，在电路中主要作为放大和开关元件使用。结构成，在电路中主要作为放大和开关元件使用。一、结构与分类一、结构与分类1 1外形外形近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装；大功率三极管多采用金属封近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装；大功率三极管多采用金属封装，通常做成扁平形状并有螺钉安装孔，有的大功率管制成螺栓形状。装，通常做成扁平形状并有螺钉安装孔，有的大功率管制成螺栓形状。塑料封装小功率管塑料封装中功率管金属封装小功率管金属封装大功率管2 2.2.结构结构 三极管的核心是两个互相三极管的核心是两个互相联系的系的PN结，按两个，按两个PN结的的组合方式不同，可分合方式不同，可分为NPN型和型和PNP型两型两类。PNP型三极管NPN型三极管三极管内部有三极管内部有发射区、基区和集射区、基区和集电区，引出区，引出电极分极分别为发射极射极e e、基极基极b b、集集电极极c c。发射区与基区之射区与基区之间的的PNPN结称称为发射射结，集，集电区与基区之区与基区之间的的PNPN结称称为集集电结。3 3.3.分类分类三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：按半导体制造材料可分为：按半导体制造材料可分为：硅管和锗管。硅管受温度影响较小、工作稳定，硅管和锗管。硅管受温度影响较小、工作稳定，因此在自动控制设备中常用硅管。因此在自动控制设备中常用硅管。按三极管内部基本结构可分为：按三极管内部基本结构可分为：NPN型和型和PNP型两类。目前我国制造的硅管型两类。目前我国制造的硅管多为多为NPN型型(也有少量也有少量PNP型型)，锗管多为，锗管多为PNP型。型。按工作频率可分为：按工作频率可分为：高频管和低频管。工作频率高于高频管和低频管。工作频率高于3MHz为高频管，工作为高频管，工作频率在频率在3MHz以下为低频管。以下为低频管。按功率可分为：按功率可分为：小功率管和大功率管。耗散功率小于小功率管和大功率管。耗散功率小于1W为小功率管，耗散为小功率管，耗散功率大于功率大于1W为大功率管。为大功率管。按用途可分为：按用途可分为：普通放大三极管和开关三极管等。普通放大三极管和开关三极管等。4 二、三极管的电流放大作用二、三极管的电流放大作用 1 1三极管放大条件三极管放大条件要使三极管能够正常放大信号，发射结应加正向电压，集电结应加反向电压。要使三极管能够正常放大信号，发射结应加正向电压，集电结应加反向电压。NPN管偏置电路PNP管偏置电路 电源电源VCC通过偏置电阻通过偏置电阻Rb为发射结提供正向偏置，为发射结提供正向偏置，RC阻值小于阻值小于Rb阻值，所以集阻值，所以集电结处于反向偏置。电结处于反向偏置。52 2三极管的电流放大作用三极管的电流放大作用 三极管各电极电流关系的测量电路 三极管电流分配关系：三极管电流分配关系：IE=IC+IB三极管电流放大倍数：三极管电流放大倍数：=IC/IB当当IB有一微小变化，就能引起有一微小变化，就能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。大作用。6 在实际放大电路中，除了共发射极联接方式外，还有共集电极和共基极联接方在实际放大电路中，除了共发射极联接方式外，还有共集电极和共基极联接方式。式。共发射极接法共基极接法共集电极接法7 三、三极管的特性曲线三、三极管的特性曲线1 1输人特性曲线输人特性曲线输人特性曲线是反映三极管输人回路电压和电流关系的曲线，它是在输出电压输人特性曲线是反映三极管输人回路电压和电流关系的曲线，它是在输出电压VCE为定值时，为定值时，iB与与vBE对应关系的曲线。对应关系的曲线。当当输入入电压vBE较小小时，基极，基极电流流iB很小，很小，通常近似通常近似为零。零。当当vBE大于三极管的死区大于三极管的死区电压vth后，后，iC开开始上升。始上升。三极管正常三极管正常导通通时，硅管，硅管VBE约为0.7V，锗管管约为0.3V，此，此时的的VBE值称称为三极管工作三极管工作时的的发射射结正向正向压降。降。输人特性曲线8 2 2输出特性曲线输出特性曲线 输出特性曲线是反映三极管输出回路电压与电流关系的曲线，是指基极电流输出特性曲线是反映三极管输出回路电压与电流关系的曲线，是指基极电流IB为某一定值时，集电极电流为某一定值时，集电极电流IC与集电极电压与集电极电压VCE对应关系的曲线。对应关系的曲线。截止区截止区习惯把习惯把IB=0曲线以下的区域称为截止区，三极管处于截止状态，相曲线以下的区域称为截止区，三极管处于截止状态，相当于三极管内部各极开路。在截止区，三极管发射结反偏或零偏，集电结反偏。当于三极管内部各极开路。在截止区，三极管发射结反偏或零偏，集电结反偏。放大区放大区它是三极管发射结正偏、集电它是三极管发射结正偏、集电结反偏时的工作区域。最主要特点是结反偏时的工作区域。最主要特点是IC受受IB控控制，具有电流放大作用。制，具有电流放大作用。饱和区饱和区当当VCE小于小于VBE时，三极管的发时，三极管的发射结和集电结都处于正偏，此时射结和集电结都处于正偏，此时IC已不再受已不再受IB控制。此时管子的集电极控制。此时管子的集电极发射极间呈现低发射极间呈现低电阻，相当于开关闭合。电阻，相当于开关闭合。输出特性曲线9 四、三极管器件手册的使用四、三极管器件手册的使用 三极管的类型非常多，从晶体管手册可以查找到三极管的型号，主要用途、主三极管的类型非常多，从晶体管手册可以查找到三极管的型号，主要用途、主要参数和器件外形等，这些技术资料是正确使用三极管的依据。要参数和器件外形等，这些技术资料是正确使用三极管的依据。1 1三极管型号三极管型号 国产三极管的型号由五部分组成。国产三极管的型号由五部分组成。第一部分是数字第一部分是数字“3”，表示三极管。，表示三极管。第二部分是用拼音字母表示管子的材料和极第二部分是用拼音字母表示管子的材料和极性。性。APNP锗材料，BNPN锗材料，CPNP硅材料，DNPN硅材料。第三部分是用拼音字母表示管子的类型。第三部分是用拼音字母表示管子的类型。X低频小功率管，G 高频小功率管，D低频大功率管，A 高频大功率管。第四部分用数字表示器件的序号。第四部分用数字表示器件的序号。第五部分用拼音字母表示规格号。第五部分用拼音字母表示规格号。三极管型号的读识3AG54A三极管三极管NPN锗材料锗材料高频小功率高频小功率序号序号规格规格号号10 2 2三极管的主要参数三极管的主要参数 （1）直流参数）直流参数反映三极管在直流状态下的特性。反映三极管在直流状态下的特性。直流电流放大系数直流电流放大系数hFE用于表征管子用于表征管子IC与与IB的分配比例。的分配比例。集集基反向饱和电流基反向饱和电流ICBO它是指三极管发射极开路时，流过集电结的反向它是指三极管发射极开路时，流过集电结的反向漏电电流。漏电电流。ICBO大的三极管工作的稳定性较差。大的三极管工作的稳定性较差。ICBO测量电路 ICEO测量电路集集射反向饱和电流射反向饱和电流ICEO它是指三极管的基极开路，集电极与发射极之间它是指三极管的基极开路，集电极与发射极之间加上一定电压时的集电极电流。加上一定电压时的集电极电流。ICEO是是ICBO的的(1+)倍，所以它受温度影响不可忽视。倍，所以它受温度影响不可忽视。11 （2）交流参数）交流参数是反映三极管交流特性的主要指标。是反映三极管交流特性的主要指标。交流电流放大倍数交流电流放大倍数hfe通常也写为通常也写为，用于表征管子对交流信号的电流放大能，用于表征管子对交流信号的电流放大能力。力。共发射极特征频率共发射极特征频率fT三极管的三极管的 值下降到值下降到1时，所对应的信号频率称为共发时，所对应的信号频率称为共发射极特征频率，它是表征三极管高频特性的重要参数。射极特征频率，它是表征三极管高频特性的重要参数。（3）极限参数）极限参数三极管有使用极限值，如果超出范围则无法保证管子正常工作。三极管有使用极限值，如果超出范围则无法保证管子正常工作。集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM若三极管的工作电流超过若三极管的工作电流超过ICM，其，其 值将下降到正常值将下降到正常值的值的2/3以下。以下。集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM它是三极管的最大允许平均功率。它是三极管的最大允许平均功率。集集射反向击穿电压射反向击穿电压V（BR）CEO它是基极开路时，加在集电极和发射极之它是基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。若管子的间的最大允许电压。若管子的VCE超过超过V（BR）CEO，会引起电击穿导致管子损坏。，会引起电击穿导致管子损坏。12 五、三极管引脚与管型的判别五、三极管引脚与管型的判别 （1）先确定）先确定b极极（2）判断）判断e极、极、c极极 确定b极判断e极、c极13 2.1 2.1 三极管基本放大电路三极管基本放大电路 一、基本放大电路的构成一、基本放大电路的构成 1.1.电路元件作用电路元件作用 共发射极基本放大电路由三极管、电阻和电容所组成。共发射极基本放大电路由三极管、电阻和电容所组成。V晶体三极管，起电流放大作用晶体三极管，起电流放大作用+VCC直流供电电源直流供电电源 Rb基极偏置电阻基极偏置电阻 C1输入耦合电容输入耦合电容 C2输出耦合电容输出耦合电容 RC集电极负载电阻集电极负载电阻 2.2.放大电路的电压、电流符号规定放大电路的电压、电流符号规定 共发射极基本放大电路直流分量直流分量用大写字母和大写下标表示，如用大写字母和大写下标表示，如IB、IC、IE、VBE、VCE。交流信号交流信号用小写字母和小写下标表示，如用小写字母和小写下标表示，如ib、ic、ie、vbe、vce。交流和直流叠加信号交流和直流叠加信号用小写字母和大写下标表示，如用小写字母和大写下标表示，如iB、iC、iE、vBE、vCE。14 3 3三种基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较 共集电极放大电路共基极放大电路 （1）共发射极放大电路的电压、电流、功率放大倍数都较大，所以应用）共发射极放大电路的电压、电流、功率放大倍数都较大，所以应用在多级放大器的中间级。在多级放大器的中间级。（2）共集电极放大电路只有电流放大作用，无电压放大作用，它的输入电阻）共集电极放大电路只有电流放大作用，无电压放大作用，它的输入电阻大，输出电阻小，常用作实现阻抗匹配或作为缓冲电路来使用，也可作为多级放大大，输出电阻小，常用作实现阻抗匹配或作为缓冲电路来使用，也可作为多级放大器的输入级和输出级。器的输入级和输出级。（3）共基极放大）共基极放大电路主要是频率特性好，所以多用作高频放大器、高频振荡电路主要是频率特性好，所以多用作高频放大器、高频振荡器及宽频带放大器。器及宽频带放大器。15静态工作点对波形影响实验电路 二、放大电路的静态工作点二、放大电路的静态工作点 未设置静态工作点情况设置静态工作点情况输入电流波形失真输入电流波形正常16 三、放大原理三、放大原理输入交流信号输入交流信号vi通过电容通过电容C1的耦合送到三极管的基极和发射极。交流信号的耦合送到三极管的基极和发射极。交流信号vi与直与直流偏压流偏压VBEQ叠加的叠加的vBE波形如图（波形如图（b），基极电流），基极电流iB产生相应的变化，波形如图（产生相应的变化，波形如图（c）所示。所示。电流电流iB经放大后获得对应的集电极电流经放大后获得对应的集电极电流iC，如图（，如图（d）所示。集）所示。集射极电压射极电压vCE波形与输出电流波形与输出电流iC变化情况相反，如图（变化情况相反，如图（e）所示。）所示。vCE经耦合电容经耦合电容C2隔离直流成分，隔离直流成分，输出的只是放大信号的交流成分输出的只是放大信号的交流成分vo，波形如图（，波形如图（f）所示。）所示。放大电路的电压和电流波形17 第三节第三节 放大电路的分析方法放大电路的分析方法一、主要性能指标一、主要性能指标 1 1放大倍数放大倍数电压放大倍数电压放大倍数 电电 压压 增增 益益 Gv=20lgAv (dB)电流放大倍数电流放大倍数电电流流增增 益益 G=20lgAi (dB)功率放大倍数功率放大倍数功功率率增增 益益 Gp=10lgAp（dB）2.2.输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻18 二、估算分析法二、估算分析法 估算分析法是利用电路中已知参数，通过数学方程式近似计算来分析放大电路。估算分析法是利用电路中已知参数，通过数学方程式近似计算来分析放大电路。常用来估算小信号放大器的静态工作点和放大倍数、输入电阻、输出电阻等。常用来估算小信号放大器的静态工作点和放大倍数、输入电阻、输出电阻等。1 1估算静态工作点估算静态工作点（1）画出直流通路）画出直流通路电容对直流电相当于开路，因此画直流通路时把电容支路断电容对直流电相当于开路，因此画直流通路时把电容支路断开即可。开即可。基本放大电路 基本放大电路的直流通路 19 （2）根据直流通路得出以下计算公式）根据直流通路得出以下计算公式略去略去V VBEQ的影响不计，即的影响不计，即根据三极管的电流放大特性可得根据三极管的电流放大特性可得 ICQ=IBQ输出回路直流通路可得出以下公式输出回路直流通路可得出以下公式VCEQ=VCC-ICQRC 放大器的直流通路20 2.2.估算交流参数估算交流参数 （1）画交流通路）画交流通路把容量较大的电容及直流电源简化为一条短路线。把容量较大的电容及直流电源简化为一条短路线。三极管输入电阻三极管输入电阻rbe300+（1+）放大器输入电阻放大器输入电阻ri=Rb/rbe rbe放大器输出电阻放大器输出电阻 ro=Rc/rceRc 电压放大倍数电压放大倍数vi=ii（Rb/rbe）ib rbevo=-ic（RC/RL）Av=vo/vi=-(RC/RL)/rbe 放大器的交流通路 21三、图解分析法三、图解分析法 1.1.图解法分析静态工作点图解法分析静态工作点 （1）计算）计算IBQ，（2）根据）根据VCEQ=VCC-ICQRC作直流负载线作直流负载线（3）确定）确定Q点，直流负载线与点，直流负载线与IBQ=40A的输出曲线的交点的输出曲线的交点 放大电路输出等效电路图解分析22输入特性曲线 输出特性曲线2.2.图解法分析动态工作情况图解法分析动态工作情况（1）根据）根据vi在输入特性曲线上画在输入特性曲线上画ib波形；波形；（2）在输出特性曲线上作交流负载线；）在输出特性曲线上作交流负载线；（3）在输出特性曲线上，根据）在输出特性曲线上，根据ib波形画输出电压波形画输出电压vCE和输出电流和输出电流iC波形；波形；（4）分析放大倍数。）分析放大倍数。23 四、放大波形的失真与消除四、放大波形的失真与消除放大电路的静态工作点设置不合适，将导致放大输出的波形产生失真。放大电路的静态工作点设置不合适，将导致放大输出的波形产生失真。1.1.饱和失真饱和失真 若偏置电阻若偏置电阻Rb偏小，基极电流偏小，基极电流IBQ就较大，由示波器观察到的输出电压就较大，由示波器观察到的输出电压vo波形波形就会产生饱和失真。就会产生饱和失真。（a）实验电路 （b）饱和失真波形（c）图解分析产生饱和失真的原因是：产生饱和失真的原因是：IBQ偏大时，静态工作点偏高，当输入信号正半周幅偏大时，静态工作点偏高，当输入信号正半周幅度较大时管子进入饱和区，度较大时管子进入饱和区，iB增大无法使增大无法使iC相应增大，于是会出现饱和失真。相应增大，于是会出现饱和失真。24 2 2截止失真截止失真 若偏置电阻若偏置电阻Rb偏大，此时基极电流偏大，此时基极电流IBQ很小，由示波器观察到的输出电压很小，由示波器观察到的输出电压vo波形波形将出现截止失真。将出现截止失真。（a）实验电路 （b）截止失真波形（c）图解分析 截止失真波形的观测产生截止失真的原因是：产生截止失真的原因是：IBQ偏小时，静态工作点偏低。在输入电压偏小时，静态工作点偏低。在输入电压vi的负半周的负半周时，三极管的发射结将在一段时间内处于反向偏置，造成时，三极管的发射结将在一段时间内处于反向偏置，造成ic负半周、负半周、vo的正半周相应的正半周相应的波顶被削去。的波顶被削去。25 3.3.静态工作点的测量与调整静态工作点的测量与调整选取一只定值电阻和一只电位器，选取一只定值电阻和一只电位器，串联后接入电路用以代替偏流电阻串联后接入电路用以代替偏流电阻Rb。将万用表置于电流挡，然后串接在将万用表置于电流挡，然后串接在集电极回路。集电极回路。接通调试电路电源，缓慢地调节电接通调试电路电源，缓慢地调节电位器，直至万用表指示的位器，直至万用表指示的IC电流达到要求。电流达到要求。选一个阻值与之相当的固定电阻去选一个阻值与之相当的固定电阻去代替代替Rb和和RP。调测放大器静态工作点的方法26 第四节第四节 工作点稳定放大电路工作点稳定放大电路一、放大电路静态工作点不稳定的原因一、放大电路静态工作点不稳定的原因（1）温度影响）温度影响（2）电源电压波动）电源电压波动（3）元件参数改变）元件参数改变二、分压式偏置放大电路二、分压式偏置放大电路1 1电路组成电路组成Rb1是上偏置电阻，是上偏置电阻，Rb2是下偏置电阻。电源电压经是下偏置电阻。电源电压经Rb1、Rb2串联分压后为三极串联分压后为三极管提供基极电压管提供基极电压VBQ。Re起到稳定静态电流的作用，起到稳定静态电流的作用，Ce是是Re的交流信号旁路电容的交流信号旁路电容。分压式偏置放大电路 27 2 2稳定静态工作点稳定静态工作点3.3.电路参数估算电路参数估算（1）静静态态工工作作点点的的估估算算 分分压压式式偏偏置置放放大大电电路路的的直直流流通通路路图图所所示示，可可推推导导出出下列静态工作点的估算公式。下列静态工作点的估算公式。VCEQVCC-ICQ（Rc+Re）分压式偏置放大电路的直流通路28 （2）交流参数估算）交流参数估算电压放大倍数电压放大倍数 输入电阻输入电阻ri=Rb1/Rb2/rbe 输出电阻输出电阻 roRc 分压式偏置放大电路的交流通路 要确保分压偏置电路的静态工作点稳定，应满足两个条件：要确保分压偏置电路的静态工作点稳定，应满足两个条件：I2IBQ（实际可（实际可取取I2=10IBQ）；）；VBQVBEQ，（实际可取，（实际可取VBQ=3VBEQ）。）。要改变分压偏置电路的静态工作点，通常的方法是调整上偏置电阻要改变分压偏置电路的静态工作点，通常的方法是调整上偏置电阻Rb1的阻值。的阻值。若该电路的静态工作点正常，而放大倍数严重下降，应重点检查射极旁路电若该电路的静态工作点正常，而放大倍数严重下降，应重点检查射极旁路电容容Ce是否开路或失效。是否开路或失效。用工程应29 三、集电极三、集电极基极偏置放大电路基极偏置放大电路 1 1电路组成电路组成 电路的组成特点电路的组成特点：Rb跨接在放大管的跨接在放大管的c极和极和b极之间。极之间。集电极基极偏置放大电路2 2稳定静态工作点的原理稳定静态工作点的原理 30 第五节第五节 多级放大电路多级放大电路一、多级放大器的耦合方式一、多级放大器的耦合方式为确保多级放大器能正常工作，级间耦合必须满足以下两个基本要求：为确保多级放大器能正常工作，级间耦合必须满足以下两个基本要求：（1）必须保证前级输出信号能顺利地传输到后级，并尽可能地减小功率损耗）必须保证前级输出信号能顺利地传输到后级，并尽可能地减小功率损耗和波形失真。和波形失真。（2）耦合电路对前、后级放大电路的静态工作点没有影响。）耦合电路对前、后级放大电路的静态工作点没有影响。1 1阻容耦合阻容耦合 阻容耦合放大电路 31 2 2变压器耦合变压器耦合利用变压器初次级线圈之间具有利用变压器初次级线圈之间具有“隔直流耦合交流隔直流耦合交流”的作用，使各级放大器的的作用，使各级放大器的工作点相互独立，而交流信号能顺利输送到下一级，就称为变压器耦合。工作点相互独立，而交流信号能顺利输送到下一级，就称为变压器耦合。变压器耦合放大电路32直接耦合放大电路3 3直接耦合直接耦合直接耦合放大器直接耦合放大器前后级之间没有隔直流的耦前后级之间没有隔直流的耦合电容或变压器，因此适用于放大直流信号或合电容或变压器，因此适用于放大直流信号或变化极其缓慢的交流信号。变化极其缓慢的交流信号。33二、阻容耦合放大电路的电压放大倍数二、阻容耦合放大电路的电压放大倍数两级阻容耦合放大电路方框图在多级放大电路中，前级输出信号经耦合电容两级阻容耦合放大电路方框图在多级放大电路中，前级输出信号经耦合电容加到后级输入端作为信号，所以可将后级输入电阻视为前级的负载。加到后级输入端作为信号，所以可将后级输入电阻视为前级的负载。前级的电压放大倍数为前级的电压放大倍数为 后级的电压放大倍数为后级的电压放大倍数为 两级总电压放大倍数为两级总电压放大倍数为 两级阻容耦合放大电路方框图 34三、阻容耦合放大器的幅频特性三、阻容耦合放大器的幅频特性1 1幅频特性的基本概念幅频特性的基本概念电压放大倍数的幅度与频率的关系曲线称为幅频特性曲线电压放大倍数的幅度与频率的关系曲线称为幅频特性曲线。放大倍数下降到中频段放大倍数放大倍数下降到中频段放大倍数Avm的的0.707倍时，对应的低端频率倍时，对应的低端频率fL称为下限称为下限频率，对应的高端频率频率，对应的高端频率fH称为上限频率。称为上限频率。通频带通频带 BW=fH-fL阻容耦合放大器幅频特性两级放大器通频带35本 章 小 结 1.三极管是由两个PN结构成的半导体器件，在发射结正偏。集电结反偏时，具有电流放大作用。2.三极管的工作性能由输入特性曲线和输出特性曲线来描述。三极管的主要参数是运用和选择三极管的依据。3.共射极基本放大电路对学习和掌握放大电路的工作原理和分析方法是十分重要的。要不失真地放大交流信号，必须为放大器设置合适的静态工作点。4.放大电路的主要性能指标有：放大倍数、输入电阻和输出电阻，应用估算法能分析放大电路的静态工作点、输入电阻、输出电阻、放大倍数。5.由于三极管参数、温度及电源电压的变化会使电路静态工作点变动，因此在实际放大电路中必须采取措施稳定静态工作点。比较常用的稳定静态工作点的偏置电路有分压式偏置电路、集电极一基极偏置电路。6多级放大器的级间耦合方式主要有阻容耦合，变压器耦合、直接耦合三种。7放大器的通频带由上限频率和下限频率之差决定，放大器对通频带范围内的信号实现正常放大。36个人观点供参考，欢迎讨论！