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1、电工电子技术项目化教程项目项目7 7晶体管的认知与应用电工电子技术项目化教程目目 录录任务任务7.1 7.1 晶体管的认知晶体管的认知任务任务7.2 7.2 放大电路的分析与制作放大电路的分析与制作11 五月 2023主要要求主要要求 1.1.了解半导体三极管的结构、类型与参数了解半导体三极管的结构、类型与参数;3.掌握半导体三极管的电流分配关系掌握半导体三极管的电流分配关系;4.4.掌握半导体三极管的特性曲线的含义；掌握半导体三极管的特性曲线的含义；5.5.学会安装单管放大器。学会安装单管放大器。2.2.理解理解三极管的放大作用三极管的放大作用;任务任务7.1 7.1 晶体管的认识晶体管的认
2、识11 五月 2023认识三极管11 五月 2023 1.三极管的结构 7.1.1 7.1.1 晶体管的结构和类型晶体管的结构和类型NNP发射极 E基极 B集电极 C发射结集电结 基区NPN 型ECB 三区三极两结集电区基区发射区集电极 Collector基极Base发射极Emitter集电结发射结 集电区 发射区PPNPNP型11 五月 2023 2.三极管的分类按材料分按频率特性分按功率分硅管 锗管高频管低频管大功率管中功率管小功率管按结构分NPN管PNP管11 五月 2023 下面以NPN管为例讨论三极管的电流分配与放大作用，所得结论一样适用于PNP三极管。7.1.2 7.1.2 晶体管
3、电流分配和放大作用晶体管电流分配和放大作用1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏11 五月 2023使发射结正偏使集电结反偏1.发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE的主要成份。IE2.基区中电子的复合形成基极电流IB的主要成份。IB3.集电区收集电子形成集电极电流IC的主要成份。IC11 五月 2023综上所述，得到三极管的电流分配关系：（1）IE=IC+IB（2）IC=IB（3）IE=IC+IB=（1+）IB IC 三极管中还有一些少子电流，比如ICBO，通常可以忽略不计，但它们对温度十分敏感。11 五月 20232.晶体管
4、的特性曲线 因为三极管有三个电极，因此，分别将三极管的三个电极作为输入端、输出端和公共端，有三种不同的三极管电路的组成方式。根据公共电极的不同，分别叫做共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。11 五月 2023 下图是测试三极管共发射极电路伏安特性曲线的电路图：11 五月 2023 （1）输入特性曲线 uCE1V，集电结反偏，电场足以将发射区扩散到基区的载流子吸收到集电区形成IC，uCE 再增大曲线也几乎不变死区电压与导通电压UBE硅管分别约为0.5V和0.7V锗管分别约为0.1V和0.3V11 五月 2023（1）截止区iB=0曲线以下的区域：iC=ICEO 0，两结均反偏，三极管各电极电
5、流均约等于0，所以可以等效为断开的开关；（2）输出特性曲线 放 大 区截止区ICEO饱和区（2）放大区在iB=0的特性曲线上方，近似平行于横轴的曲线族部分：iC基本不随uCE变化仅受iB控制，iC=iB，发射结正偏、集电结反偏，相当于受控电流源。uCE/ViC/mA100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 2 4 6 8 10 252015105（3）饱和区输出特性曲线近似直线上升部分：三极管饱和时管压降uCE很小，叫做饱和压降uCES，两结均正偏，相当于闭合开关。11 五月 20233.晶体管的主要参数（1）电流放大系数交流电流放大系数直流电流放大系数 交流、直流电流放大系数的意
6、义不同，但在输出特性线性良好的情况下，两个数值的差别很小，一般不作严格区分。常用小功率三极管的约为20150左右。11 五月 2023（2）极间反向电流集、基间反向饱和电流集、射间反向饱和电流（穿透电流）测试电路测试电路反向电流受温度影响大越小越好11 五月 202311 五月 2023任务任务7.27.2放大电路的分析与制作放大电路的分析与制作7.2.1 7.2.1 放大器的电路组成放大器的电路组成 放大器的作用就是把微弱的电信号不失真的加以放大。所谓失真,就是输入信号经放大器输出后,发生了波形畸变。按放大目的的不同,放大器又分交流放大器交流放大器,直流放大器直流放大器,脉冲脉冲放大器放大器
7、,下面以共射极交流基本放大电路为例分析:11 五月 2023晶体管晶体管V V具有放大作用,是放大器的核心;基极电阻基极电阻RbRb,与基极电流集电极电流和三极管的电压偏置有密切关系;集电极电阻集电极电阻RcRc,把放大的电流转换成电压输出;耦合电容耦合电容C1C1和和C2C2,具有隔直通 交作用,传递交流信号又使放 大器不受信号源和输出负载的影响.1.共射极基本放大电路的基本组成11 五月 2023 2.共射极放大器的工作原理适当选取Rb,RC,UCC参数,晶体管就能工作在放大区:若晶体管射基极等效动态电阻为rbe,加入输入信号ui前iB=IB,则分析电路:符号说明符号说明:以基极电流为例,
8、iB代表基极电流的瞬时值,IB代表直流分量,ib代表交流分量,有效值用Ib表示,复数量量用 表示.11 五月 202311 五月 2023放大电路的工作原理放大电路的工作原理:微弱的电压信号uiicuoBJTRC利用晶体管的控制作用，把直流电能直流电能转化成交流电能交流电能ui经过输入端电容C1与UBE叠加到晶体管输入端,使基极电流iB发生变化,进而使集电极电流ic发生变化,ic在RC上的压降使晶体管输出端电压发生变化,最后经过电容C2输出交流电压uo(从图中可见uo与 ui相位相反,称为放大器的倒相作用,适当选取RC,uo会比ui大的多)11 五月 20233.共射极基本放大电路的静态分析及
9、静态工作点（1）静态工作点的意义 当ui=0时，放大电路中没有交流成分，称为静态静态,或称为直流工作状态直流工作状态。静态工作点可以用晶体管的电流,电压一组数值来表示,分别是基极电流基极电流I IBQBQ，集电极电流，集电极电流I ICQCQ及集射极电压及集射极电压U UCEQCEQ。它们在三极管特性曲线上所确定的一个点,称为静态工静态工作点作点，习惯上常用Q表示,又称为Q Q点点.11 五月 2023I IBQBQ太小,交流信号ui的负半波的全部或部分会使发射结进入“死区”,电路处于截止状态,失去对负半波的正常放大作用;I IBQBQ过大当输入信号正半周到来时,电路会进入饱和区,同样不能正常
10、放大.可见I IBQBQ的值对放大电路工作好坏起着重要作用,此外还有I ICQ CQ 和和U UCEQCEQ,Q点是由三者共同决定.理想的Q点应处在放大区,当到来时,随成线性变化,在变化内,输出特性曲线间隔均匀,不能脱离安全工作区11 五月 2023（2）求静态工作点 处于静态状况下的电路处于静态状况下的电路,只有直流成分而无交流成分只有直流成分而无交流成分,可删可删去电容去电容,变为变为直流通路直流通路.11 五月 2023依据KVL有:UBEQ近似等于二极管的正向电压值,一般取:UBEQ0.3V(0.3V(硅管硅管)0.7V(0.7V(锗管锗管)UCC UBEQIBQUCC RCICQ+U
11、CEQ UCC=0ICQ=IBQ11 五月 2023【例7.1】求如图所示放大电路的静态工作点。已知UCC=12 V,Rc=2k,Rb=30k,80。解:11 五月 20234.共射极放大电路的动态分析及主要性能指标（1）性能指标1）放大倍数或增益电压放大倍数倍数Au电流放大倍数Ai功率放大倍数Ap 工程上经常用以10为底的对数来表示电压放大倍数和电流放大倍数的大小，11 五月 20232）输入电阻3）输出电阻从放大电路的输入端看进去的等效电阻被称为放大电路的输入电阻，定义为输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻11 五月 2023设这时放大倍数为 ,当放大倍数下降为 时,所对应频率分别为
12、上限频率fH和下限频率fL,两频率之间的频率范围,称为放大器的通频带通频带.4)通频带放大器对不同频率的交流信号有着不同的放大倍数,一般说来,频率太高或太低放大倍数都要下降,只有对某一频率段放大倍数才较高且基本保持不变11 五月 2023（2）动态分析交流通路11 五月 20231）微变等效电路分析法 在在小信号条件下小信号条件下,在给定的工作范围内在给定的工作范围内,将晶体管看成一个线性元将晶体管看成一个线性元件件,把晶体管放大电路等效成一个线性电路来分析计算把晶体管放大电路等效成一个线性电路来分析计算,这种方法就这种方法就是是微变等效电路分析法微变等效电路分析法.晶体管的微变等效电路晶体管
13、的微变等效电路晶体管的输入回路晶体管的输入回路晶体管的输入特性曲线是非线性的,但在小信号输入情况下,静态工作点Q附近的工作段可认为是一条直线11 五月 2023定义定义式中,ube,ib是交流量,rbe称为晶体管的输入电阻,它是一个动态电阻,这样就可以把晶体管的输入回路等效成如图所示.11 五月 2023对于低频小功率晶体管对于低频小功率晶体管,rbe常用下面公式来估算常用下面公式来估算:式中式中,I IE E是发射极是发射极电流的静态值电流的静态值,近似近似为为I ICQCQ晶体管的输出回路晶体管的输出回路 在晶体管的输出特性曲线中可以看出在晶体管的输出特性曲线中可以看出,在放大区内在放大区
14、内,输出曲线是一输出曲线是一组近似水平平行和等间隔的直线如图示组近似水平平行和等间隔的直线如图示,忽略忽略u uCECE对对i iC C的影响的影响,则则 i iC C与与 i iB B之比为之比为小信号条件下小信号条件下,是是常数常数,i iC C受受 i iB B控制控制,因此考虑用受控源因此考虑用受控源等效等效11 五月 2023晶体管的晶体管的微变等效电路微变等效电路11 五月 2023直流电源内阻很小直流电源内阻很小,常常忽略不记常常忽略不记,交流交流时可视为短路时可视为短路C1C1和和C2C2在一定在一定频率范围内频率范围内,容容抗很小抗很小,可视为可视为为短路为短路输入信号为正弦
15、量输入信号为正弦量,故可用相量表示故可用相量表示法法11 五月 20235.共射极分压式固定偏置放大电路 合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。Q点位置过高、过低都可使信号产生失真，前面分析时只考虑放大电路的内部因素，在外界条件变化时，也会使静态工作点移动，进而产生失真。因此设法稳定静态工作点是一个重要问题.11 五月 2023分压式偏置电路电路特点电路特点 利用利用R Rb1b1,R Rb2b2分压分压,选择适当参选择适当参数数,固定基极电位固定基极电位:i iC C温度温度i iC Ci iE Eu uE Eu uBEBEi iB B温度温度i iC Ci iE Eu uE
16、Eu uBEBEi iB Bi iC C11 五月 2023静态工作点的估算静态工作点的估算根据UB=UCCRb2/（Rb1+Rb2）有，11 五月 2023【例7.2】在图所示电路中,已知UCC=12V,Rc=2k,Rb1=20k,Rb2=10k,RL=6k,Re=2k,晶体管3DG6=37.5。试求静态工作点.静态工作点为静态工作点为:解11 五月 2023参数的计算参数的计算(1)电压放大倍数定义为输出电压与输入电压的比值,用 表示由由图图负号表示输入电压负号表示输入电压与输出电压反相与输出电压反相,RLRC,RL1V,1V,结果将结果将U UB2B2=U UC1C11V,VT1V,VT
17、2 2进入饱和区；同样，进入饱和区；同样，满足了满足了VTVT2 2偏置和工作点偏置和工作点,VT,VT1 1也不能也不能正常工作，要使得前后两级都能正正常工作，要使得前后两级都能正常放大，就必须考虑它们工作点的常放大，就必须考虑它们工作点的相互影响，要有特殊偏置电路。相互影响，要有特殊偏置电路。11 五月 2023 图图(a)(a)所示电路，是在所示电路，是在VTVT2 2发射极串上电阻发射极串上电阻R Re2e2来提高后级射极来提高后级射极U UE2E2电位，使电位，使VTVT2 2有一个合适的工作点有一个合适的工作点.不过不过R Re2e2的存在将要抑制的存在将要抑制i ic2c2的变化
18、，的变化，使第二级放大倍数大为下降。使第二级放大倍数大为下降。11 五月 2023 图图(b)(b)示电路，用一个稳压管示电路，用一个稳压管VZVZ代替了代替了R Re2e2，既能提高，既能提高U Ue2e2，又，又能使它保持不变，即它的动态电阻很小，不会使第二级的放大倍数能使它保持不变，即它的动态电阻很小，不会使第二级的放大倍数下降。其中电阻下降。其中电阻R R是为了调节是为了调节VTVT2 2的工作点，使的工作点，使VZVZ工作点在反向击工作点在反向击穿状态，并使穿状态，并使I IC2C2符合适当的静态工作电流。这种电路也有局限性，符合适当的静态工作电流。这种电路也有局限性，当级数较多时，
19、越往后级稳压管的稳压电压就越高，集电极电位也当级数较多时，越往后级稳压管的稳压电压就越高，集电极电位也越高，电源电压也就需要越高，将会带来其它问题。越高，电源电压也就需要越高，将会带来其它问题。11 五月 2023 图(C)示电路，采用所谓电平移动的办法，就是用稳压管连接两极放大，这样可以降低VT2的电压UB2，不用再升高电压UC2就可以使得到合适的工作点;同时因为VZ动态电阻很小，传输效率较高，缺点是VZ电流受温度影响较大，静态工作点稳定性不好。11 五月 2023如图（如图（d）电路，是利用）电路，是利用NPN,PNP偏置电压极性相反的特点，来实偏置电压极性相反的特点，来实现电平移动。现电
20、平移动。VT1为为NPN管，管，VT2为为PNP管，利用集电极的高电位管，利用集电极的高电位和电源电压，使发射结获得正向电压偏置，只要适当选择，就能使和电源电压，使发射结获得正向电压偏置，只要适当选择，就能使得到适当静态工作点。得到适当静态工作点。11 五月 2023因为多级放大器，是多级串连逐级连续放大的，所以总的电压放大倍数是各级放大倍数的乘积。求多级放大器的增益时，首先必须求出各级放大电路的增益。需要考虑各级之间的关求多级放大器的增益时，首先必须求出各级放大电路的增益。需要考虑各级之间的关系，系，后级的输入电阻是前级的负载电阻，前级的输出电压是后级的输入信号，空载输出电后级的输入电阻是前
21、级的负载电阻，前级的输出电压是后级的输入信号，空载输出电压为信号源电势压为信号源电势。至于多级放大器的。至于多级放大器的输入电阻输入电阻和和输出电阻输出电阻，就把多级放大器等效为一个放，就把多级放大器等效为一个放大器，大器，从输入端看放大器得到的电阻为输入电阻从输入端看放大器得到的电阻为输入电阻，从输出端看放大器得到的电阻为输出电从输出端看放大器得到的电阻为输出电阻阻。2.多级放大器的增益11 五月 2023 1.基本差分放大器组成及抑制零漂的原理虚线两边的电路完全对称，且两个三级管参数完全相同。虽然每只管子的零漂并未减少，但两管各自的零漂电压相同，在输出端可以抵消，因而零漂被抑制掉。完全对称
22、7.2.4 7.2.4 基本差分放大器基本差分放大器11 五月 20232.输入信号类型及差模电压放大倍数基本差分放大器的输入信号可以分为共模信号和差模信号两种。uI1与uI2大小相等、极性相同的部分为共模信号分量，用uIC表示。而uI1=uI2时为共模输入状态。因电路对称，所以此时输出电压uOC恒为零，这与输入信号为零（静态）的输出结果相同，说明差分放大器对共模信号有抑制能力，而对称且相近两管的零漂就相当于共模信号。共模输入状态11 五月 2023正常输入中uI1与uI2不同的部分为差模信号分量，用uID表示。在放大器两输入端输入大小相等、方向相反的信号，即uI1=uI2，为差模输入状态。有
23、uI1=uID/2，uI2=uID/2。设两管放大倍数分别为设两管放大倍数分别为A A1 1、A A2 2，集电极输出电，集电极输出电压分别为压分别为u uO1O1、u uO2O2，有，有而电路对称有而电路对称有A A1 1=A=A2 2=A=A差模输入状态11 五月 2023所以，差模放大倍数与单管共射放大器的电压放大倍数相同。所以，差模放大倍数与单管共射放大器的电压放大倍数相同。而一般有而一般有R Rb br rbebe有负载有负载R RL L时时两管集电极输出一正一负、大小相同，则两管集电极输出一正一负、大小相同，则R RL L中间点为交流接地。中间点为交流接地。差模输入的差放11 五月
24、 2023放大器的输入回路经过两个管子的发射结和RS，故输入电阻为放大器的输出端经过两个Rc，故输入电阻为差分电路对共模信号无放大、对差模信号有放大。说明只有输入有差别输出才有变动，即放大差模分量、抑制共模分量。3.共模抑制比表明差分放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，定义为共模抑制比越大放大差模信号的能力越强，抑制共模信号的能力也越强，理想状况下KCMR趋于，一般为4060dB。11 五月 2023功率放大器简称功放，是一种向负载提供功率的放大器。一般多级放大器总要带动一定的负载，如扬声器、电动机、仪表指针等，这都需要输出一定的功率，因而一般多级放大器最后一级都要设置为功率放大器。差分放
25、大器功率放大器，提供较强输出功率（电流）以驱动负载多级放大器OUTOUT7.2.5 7.2.5 功率放大器功率放大器11 五月 2023功率放大器的基本特点1.输出功率足够大放大器实质都是将电源的直流功率转化为负载输出的交变功率，转换效率是其重要性能指标，效率高、损耗小才是理想的功放。功放的工作于大信号输入状态，无法使用小信号的微变等效方法。消耗的那部分功率以热能形式散发。2.效率尽可能高3.非线性失真尽可能小4.散热须良好5.分析应用图解法，微变等效电路法不适用11 五月 2023 功率放大器的分类及主要参数1.功率放大器的分类按照功放管的静态工作点位置不同，其工作状态可以分为甲类、乙类和甲
26、乙类放大等形式。Q点在放大区正中央Q点在放大区与截止区临界Q点在放大区但接近截至区导通角2导通角导通角211 五月 20232.主要参数效率：是功放的重要参数，是指负载得到的信号功率和电源供给的功率比值的百分数，即Pom/PV，其中PV为直流电源提供的功率，为功放工作在甲类状态时电源供给功率与输出信号电流功放工作在甲类状态时电源供给功率与输出信号电流i iC C无关。即无论有无信号输入无关。即无论有无信号输入输出，电源供给功率是固定的。输出，电源供给功率是固定的。11 五月 2023管耗：即功放管消耗的功率，主要发生在发射极上，称为集电极耗散功率PT。此式说明电源供给功率由输出信号功率和管此式
27、说明电源供给功率由输出信号功率和管耗两部分组成，未加输入信号时管耗最大达耗两部分组成，未加输入信号时管耗最大达到到U UCEQCEQI ICQCQ，有信号输入则管耗减小，减小的，有信号输入则管耗减小，减小的部分就是输出功率部分就是输出功率P Pomom。11 五月 2023推挽功率放大器欲提高功放效率，一是增加放大电路的动态范围以增加输出功率，二是减小电源供给功率，即是要求在UCC一定条件下减少静态电流ICQ，此时通常采用乙类或甲乙类推挽功放。为了防止降低单管Q点位置可能出现削波失真，需要NPN与PNP两个对管交替的放大，一推一拉，输出信号由两管输出信号拼接而成，故名推挽式功放。11 五月 2
28、0231.电路组成与工作原理当输入正弦信号时，正半周信号使当输入正弦信号时，正半周信号使VTVT1 1导通、导通、VTVT2 2截止，负载上输出半个正弦波；负半周信号使截止，负载上输出半个正弦波；负半周信号使VTVT1 1截止、截止、VTVT2 2导通，负载上输出另半个正弦波。导通，负载上输出另半个正弦波。11 五月 2023上述推挽功放中对管工作于甲乙类状态，而不是乙类状态，这是为了减少“交越失真”。为了减少交越失真，可使对管工作点稍高于截止点，即在两管为了减少交越失真，可使对管工作点稍高于截止点，即在两管的发射结加上很小的正偏压，各管都有一个很小的静态电流的发射结加上很小的正偏压，各管都有
29、一个很小的静态电流I IC C，放大器工作于甲乙类状态，而不会对效率有很大影响。，放大器工作于甲乙类状态，而不会对效率有很大影响。由于乙类状态中，三极管静态Q点在截止点，没有基极偏流，而管子的输入特性有一段死区，且特性开始部分非线性比较严重，在两管交替工作时则有图（a）所示的交越失真现象。11 五月 20232.输出功率、效率的估算在忽略静态电流IC、饱和压降UCES和穿透电流ICEO条件下，可将理想对管按乙类估算，且只分析一个管子的情况就可以了。则最大输出功率为则最大输出功率为UCES0，可以忽略。11 五月 2023直流电源供给功率为可见，电源供给的功率随输入、输出信号的大小自动调节，显然
30、效率要高于甲类功放。则电路在最大输出功率时的效率为推挽式功放效率比甲类单管功放高了很多。以上功放都是变压器耦合式功放，具有体积大、不易集成，频率窄，有功率损耗，易产生自激等缺点，无输出变压器功放才是发展趋势。11 五月 2023甲类甲类乙类乙类甲乙类甲乙类QQ点位置点位置放大区交流负载放大区交流负载线中点线中点放大与截止区临放大与截止区临界界接近截止区的放接近截止区的放大区域大区域导通角导通角2 2（360360）（180180）2 2（180180360360）最高效率最高效率50%50%78.5%78.5%趋近趋近78.5 78.5 失真现象失真现象饱和失真，截止饱和失真，截止失真失真交越失真交越失真无交越失真无交越失真典型电路典型电路变压器耦合共射变压器耦合共射电路电路互补对称功放对互补对称功放对管管无变压器无变压器OCL,OTLOCL,OTL