晶体管应用电路(上半部分8学时)模拟电子技术及应用.ppt

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1、第 3章 晶体管应用电路 (共 20学时 ) 学习目标 : 晶体管 (即半导体三极管 )是具有放大作用的半导体 器件，它是各种类型放大电路中的重要组成部分。 通过本章学习，主要要掌握以下内容： 上半部分（ 8学时）： 1. 晶体管的基本特性及性能检测； 2. 晶体管放大电路的分析方法； 3. 共射、共集、共基三种放大器性能特点； 下半部分（ 12学时）： 4. 多级放大器的分析； 5. 差分放大器原理； 6. 功率放大器结构与原理； 7. 场效应管放大器的结构与原理。 本章内容 3.1 三极管工作原理 (4学时 ) 3.2 三极管共射放大器 (2学时 ) 3.3 三极管共集与共基放大器 (2学

2、时 ) 3.4 多级放大器 (2学时 ) 3.5 放大器主要性能参数的测试 (2学时 ) 3.6 差分放大器 (2学时 ) 3.7 低频功率放大器 (2学时 ) 3.8 场效应管放大器 (4学时 ) 3.9 项目设计 (放大电路的设计 ) 本章小结 3.1 三极管工作原理 3.1.1 结构类型与电流关系 晶体管由两个 PN结构成，根据 PN结连接方法的不同， 晶体三极管分为 PNP型和 NPN型两种。 (a)PNP型结构与符号 (b)NPN型结构与符号 晶体三极管在实际应用时，总要将它的三个极组成一个 输入端和一个输出端，其中一个极为输入、输出回路的 公共端。 晶体管的各极电流关系： IE I

3、B IC 图 3-4 晶体管输入特性与输出特性的测试电路 3.1.2 晶体管的特性曲线 V 2 V 1 + u C E u B E + m A R P 2 A U B B U C C R CR P 1 R B i B i C B C E V B B V C C 当晶体三极管工作在放大状态时，集电极电流 IC是基极电流 IB 的 倍，即 1.输入特性与转移特性 晶体管的输入特性是指以集 -射电压 uCE为参变量时，基极电 流 iB和发射结偏压 uBE之间的关系，即输入特性函数为 iB f(uBE)|uCE常数 晶体三极管的转移特性指以集 -射电压 uCE为参变量时，集电 极电流 iC和发射结偏压

4、 uBE之间的关系。 2. 输出特性 晶体三极管的输出特性是指以基极电流 iB(或发射结偏压 uBE)为 参变量时，集电极电流 iC和集 -射电压 uCE之间的关系。 输出特性曲线可分为三个不同的工作区域：截 止区、放大区和饱和区。 例 3-1 如图 3-7a所示电路，晶体三极管 V为硅管， 40， VCC 6V， RC 3k， RB 62k。输入电压 uI为方波脉冲： 低电平 UIL 0V，高电平 UIH 4V。画出输入电压为高、低电 平时的等效电路，并求相应的输出电压 uO。 图 3-7 例 3-1 (a)题图 (b)晶体三极管截止时等效电路 (c) 晶体三极管饱和时等效电路 R B R

5、C V + V CC ( a ) u O u I i C i B C E B0 V 3 V + V CC R C C E B R B u I 4 V ( c ) u O U CE ( s a t ) 0 . 3 V U BE ( on ) = 0 . 7 V I C ( s a t ) i C 0 + V CC R C C E B R B u I V ( b ) u O 例 3-2 如图所示电路，晶体三 极管 V为硅管， 50， VCC 12V， RC 3k， RE 1k。判 断在下列情况下晶体三极管所 处的工作状态： RB 10k、 150k、 300k；并求出相应的 开路电压 Uo 。 图

6、 2-.8 例 2-2 R B R C + V CC I B I E R E B C E + U o I C 例 3-2 如图所示电路，晶体三 极管 V为硅管， 50， VCC 12V， RC 3k， RE 1k。判 断在下列情况下晶体三极管所 处的工作状态： RB 10k、 150k、 300k；并求出相应的 开路电压 Uo 。 图 2-.8 例 2-2 R B R C + V CC I B I E R E B C E + U o I C 3.1.3 晶体管的主要参数 1. 电流放大系数 在放大区内 ,直流电流放大系数与交流电流放大系数基本相同 . 2. 极间反向电流 1)反向饱和电流 IC

7、BO ， 2)穿透电流 ICEO (1 )ICBO 。 A E开路 V BB R B I CBO A E开路 V BB R B I CBO C C B B A E 开路 V CC R C I CEO C B A E 开路 V CC R C I CEO C B (a) (b) (c) (d) 图 3-9 晶体三极管的极间反向电流 (a)NPN管的 ICBO (b)PNP管的 ICBO (c) NPN管的 ICEO (d) PNP管的 ICEO 3. 极限参数 极限参数是表征晶体三极管能够安全工作的临界条件，也是选 择管子的依据。 (1)集电极最大允许电流 ICM (2)集电极最大允许功耗 PCM

8、 (3)反向击穿电压 U(BR)CEO、 U(BR)CBO、 U(BR)EBO 根据三个极限参数可以确定晶体三极管的安全工作区。 图 2-10 晶体三极管的安全工作区 I CM i C / mA u CE / V i B = 0 20 40 60 80 100 10 20 5 15 25 安全区 过耗区P CM A U （ BR ） CEO o 1 0 2 0 3 0 40 50 几种常见晶体管的外形 3.1.4 晶体管的性能检测 一、管脚 (B、 C、 E)的判别 1.基极（ B）和类型的判别 将指针式万用表置于 R 1K档，黑表笔（为万用表内部直 流电源的正极）接到某一假设的三极管 “ 基

9、极 ” 管脚上， 红表笔（为万用表内部直流电源的负极）先后接到另外两 个管脚，如果两次测得电阻值都很大（或都很小），而且 对换表笔后两个电阻值又都很小（或都很大），则可确定 假设的 “ 基极 ” 是正确的，若以上步骤所测得电阻值一大 一小，则假设的 “ 基极 ” 是错误的，此时，要重新假设一 个管脚为 “ 基极 ” ，重复上述过程。 基极（ B）确定后，以黑表笔接基极，红表笔接另外两极， 如果测得电阻值都很小，则三极管为 NPN型，反之为 PNP型。 2. 集电极（ C）和发射极（ E）的判别 以 NPN型三极管为例，在基极以外的两个电极中任意假 设一个为 “ 集电极 ” ，并在已确定的基极和

10、假设的 “ 集电 极 ” 中接入一个大电阻 R如图 2 8所示，（实测中也可用 大姆指和食指接触两极，用人体电阻替代电阻 R），将万 用表的黑表笔搭接在假设的 “ 集电极 ” 上，红表笔搭接在 假设的 “ 发射极 ” 上，如果万用表指针有较大偏转，则以 上假设正确，如果指针偏转较小，则假设不正确。 二、 值的测量 1.估测 值 将万用表欧姆档置于 R 1K档，黑、红表笔分别 与 NPN型三极管的集电极（ C）、发射极（ E）相接， 当在基极（ B）和集电极（ C）之间接入电阻后，万 用表指针会右偏，即 C、 E间电阻变小，如果偏转角 度大，说明三极管的电流放大能力强， 值大；若右 偏角度小，说

11、明放大能力低， 值小。 2.定量测量 值 三极管电流放大系数 ，可通过图 2-17所示电路测量。调节电源 VBB使 IB为某一定值，然后改变 VCC读出 UCE和 IC的对应数据，当 取定若干个不同的 IB值时 ,就可得到一组与之对应的 UCE和 IC值， 再将测试结果用逐点描图法画在直角坐标系（ iC uCE）中，即 得输出特性曲线。在输出特性曲线的放大区域内，选取 IB值并 找出对应的 IC值代入公式 IC / IB ），就可得到电流放大系数。 3.2 三极管共射放大器 3.2.1 信号的输入与输出 3.2.2 电路的组成 1.直流通路 是指放大器中直流电源单独作用时，直流电流所能 通过的

12、路径。画出直流通路的基本原则是：将电容元件视为 开 路 、交流信号源 短路 ，如果有电感元件，则视其 短路 。 2.交流通路 是指交流信号单独作用时，交流电流所通过的路径。 画出交流通路的基本原则是 ： 将电容元件视为 短路 、直流电压 源 短路 接地，如果有电感元件，则视其 开路 。 3.微变等效电路 是指放大器在低频小信号作用下的交流等效电 路。即从三极管的 B-E极看去可等效为一个电阻 rbe(“基 -射极等 效电阻 ” )，其数值大小与三极管静态参数 IEQ和 值等有关，可 按下式估算 3.2.3 电路的分析方法 R B R C V + V C C ( a ) R C R B u s

13、R L R S V + - ( b ) R C R B u s R L R S + - ( d ) + - - + u o u i r b e i b R C R B u s R L R S V + - ( c ) + - - + u o u i 图 2 - 1 2 共 射 放 大 器 的 直 流 、 交 流 通 路 i b (a)直流通路 (b)交流通路 (c)交流通路的习惯画法 (d)微变等效电路 4.静态工作点分析 (1)图解法 是指在三极管特性曲线上，用作图的方法求得放大 器中三极管的静态参数。 (2)估算法 是指用近似计算的方法得到静态工作点参数 。 5.动态工作点分析 利用微变等效

14、电路，可以求出放大器 的动态性能指标，如电压放大器倍数 Au、输入等效电阻 Ri和输出等效电阻 Ro 。 5.动态工作点分析 利用微变等效电路，可以求出放大器 的动态性能指标，如电压放大器倍数 Au、输入等效电阻 Ri和输出等效电阻 Ro 。 例 3-3 如图 (a)所示固偏式共射放大器，已知三极管为硅管， 50， 求：（ 1）静态工作点 Q（参数）；（ 2）电压放大器数 Au及输入、 输出电阻 Ri、 Ro 。 R C V C C R B R L + + R E C 1 C 2 + - u o + - u i （ a ） + C E + ( 1 2 V ) 4 k 5 1 0 k 1 k 4

15、 k R B R C + V C C ( b ) I B Q I E Q R E R C R B R L （ c ） + - - + u o u i R C R B R L + - - + u o u i r b e i b R i R o ( d ) i b R C V C C R B R L + + R E C 1 C 2 + - u o + - u i （ a ） + C E + ( 1 2 V ) 4 k 5 1 0 k 1 k 4 k R B R C + V C C ( b ) I B Q I E Q R E R C R B R L （ c ） + - - + u o u i R C

16、 R B R L + - - + u o u i r b e i b R i R o ( d ) i b 例 3-4 如图 a所示分压偏置共射放大器， RB1=75k、 RB2=18k、 RC=4k、 RE 1k、 RL 4k、 VCC 9V，三极管为硅管 50， （ 1）试求静态工作点 Q；（ 2）若更换管子使 变为 100，确定此 时的静态工作点；（ 3）求 Au， Ri， Ro（ 100时）。 共射放大器特点小结 1.电压放大倍数较大，输出电压与输 入电压反相；既有电压放大作用， 又有电流放大作用； 2.输入电阻大小适中，一般为几 k ； 3.输出电阻大小适中，一般为几 k 。 又称电压

17、跟随器或射极跟随器（射随器） + V CC R B R E R L R S C 2 C 1 + _ + _ u 0 u S u i + _ + + 3.3 共集与共基放大器 3.3.1 共集电极放大器 .直流通路与静态工作点 + V CC R B R E R L R S C 2 C 1 + _ + _ u 0 u S u i + _ + + ICQ IEQ IBQ UCEQ B E C IBQ= EB BEQCC RR UV )1( ICQ=IBQ IEQ=(1+)IBQ UCEQ VCC REIEQ R B R E R L R S + _ + _ u 0u S u i + _ 2.交流通路与

18、主 要性能参数 (1)电压放大倍数： )/)(1( )/)(1( LEbe LE u RRr RRA (2)输入电阻： Ri RB/rbe+(1+)(RE/RL) rbe+(1+)(RE/RL) （高） (3)输出电阻： 其中 ： EQ bbbe I mVrr 26)1( 一般满足： Au1 R0 RE/ 1 / BSbe RRr 1 / BSbe RRr （低） 共集放大器特点小结 1.电压放大倍数约等于，但具有电流 放大作用，输出电压与输入电压同相； 2.输入电阻高，一般为几十 k ； 3.输出电阻低，一般为十几至几十 ； 4.共集放大器又叫做电压跟随器，简称 为射随器。 三极管共基极放大

19、器 + _ + _ u S R S u i C 1 C 2 C 3 R E R L R B2 R B1 R C + _ u 0 + V CC + + + 3.3.2 共基极放大器 .直流通路与静态工作点 + _ + _ u S R S u i C 1 C 2 C 3 R E R L R B2 R B1 R C + _ u 0 + V CC + + + + V CC R B1 R B2 R E R C V ICQ IEQ I1 I2 IBQ UCEQ B E C UBEQ 0.3V(Ge管 ) UBEQ 0.7V(Si管 ) UBQ= CC BB B V RR R 21 2 IEQ= E BEQBQ R UU IBQ= 1 EQI ICQ=IEQ IBQ 静态工作点参数的估算公式 + _ + _ u S R S u i R E R L R C + _ u 0 2.交流通路与主要性能参数 (1)电压放大倍数： be LCu r RRA )/( (2)输入电阻： (3)输出电阻： 其中 ： EQ bbbe I mVrr 26)1( Ri RE/rbe (低 ) R0 RC (较高 ) 共基放大器特点小结 1.电压放大倍数较大， 输出电压与输入 电压同相；不具有电流放大作用； 2.输入电阻很小，一般为十几至几十 ； 3.输出电阻适中，一般为几 k 。 第 3章 上半部分完