第2章三极管及放大电路-共118页

2.1半导体三极管2.2基本放大电路2.3放大电路的静态工作点对输出波形的影响2.4放大电路的直流偏置方式2.5放大电路的三种组态2.6放大电路性能指标的估算2.7多级放大电路2.8放大电路的频率特性本章小结2.1半导体三极管2.1.1三极管的结构三极管是由两个PN结构成的，其基本特性是具有电流放大作用。三极管按其结构不同分为NPN型和PNP型两种。相应的结构示意图及电路符号如图2.1所示。图2.1三极管的结构及符号三极管内部结构分为发射区、基区和集电区，相应的引出电极分别为发射极e、基极b和集电极c。发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。电路符号中，发射极的箭头方向表示三极管在正常工作时发射极电流的实际方向。三极管在制作时，其内部结构特点是：(1)发射区掺杂浓度高；(2)基区很薄，且掺杂浓度低；(3)集电结面积大于发射结面积。以上特点是三极管实现放大作用的内部条件。三极管按其所用半导体材料不同，分为硅管和锗管；按用途不同，分为放大管、开关管和功率管；按工作频率不同，分为低频管和高频管；按耗散功率大小不同，分为小功率管和大功率管等。一般硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。2.1.2三极管的电流放大作用1.三极管放大的条件三极管实现电流放大的外部偏置条件：发射结正偏，集电结反偏，此时，各电极电位之间的关系是：NPN型UC＞UB＞UEPNP型UC＜UB＜UE如图2.2所示。图2.2三极管放大的外部偏置条件2.电流分配关系图2.3是NPN管放大实验电路。图2.3放大实验电路电路中的三极管的偏置满足发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，可使发射区的多子（自由电子）通过PN结注入到基区，以形成基极电流IB；集电结反偏，使集电极电位高于基极电位，于是在集电结上有一个较强的电场，把由发射区注入到基区的自由电子大部分拉到集电区，形成集电极电流IC。调节Rb，改变IB的大小，得出相应的IC和IE的数据，如表2.1所示。表2.1电流放大实验数据IB(mA)-0.00400.010.020.030.040.05IC(mA)0.0040.011.092.083.074.065.05IE(mA)00.011.102.103.104.105.10由表可得：三极管各电极电流分配关系是：IE=IB+IC由于基极电流很小，因而IE≈IC。通常称为共射极直流电流放大系数，因而有：BCIIBEII)1(通常称为共射极交流电流放大系数。由表2.1还可知：β≈BCIIBCII3.放大作用的实质由上述实验结果可知，当IB有一微小变化时，能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。电流放大作用的实质是通过改变基极电流IB的大小，达到控制IC的目的，而并不是真正把微小电流放大了，因此称三极管为电流控制型器件。例2.1测得工作在放大状态的三极管两个电极的电流如图2.4所示。（1）求另一个电极的电流，并在图中标出实际方向。（2）标出e、b、c极，并判断出该管是NPN型还是PNP型管。（3）估算其β值。图2.4例2.1图解：（1）图2.4(a)中①、②管脚的电流均为流入，则③管脚的电流必为流出，且大小为0.1+4=4.1(mA)，如图2.4(b)所示。（2）由于③管脚的电流最大，①管脚的电流最小，因此①管脚为b极，②管脚为c极，③管脚为e极。又由于③管脚的发射极电流为流出，故该管为NPN型管。（3）由于IB=0.1mA，IC=4mA，故：401.04BCII2.1.3三极管的特性曲线1.输入特性曲线三极管的输入特性曲线如图2.5所示。图2.5三极管的输入特性曲线由图2.5所示的输入特性曲线可以看出：曲线是非线性的，也存在一段死区，当外加UBE电压小于死区电压时，三极管不能导通，处于截止状态。三极管正常工作时，UBE变化不大，对于硅管，UBE约为0.7V左右，锗管的约为0.3V左右。2.输出特性曲线当IB取值不同时，就有一条不同的输出特性曲线，如图2.6所示。图2.6三极管的输出特性曲线3.三极管的三个工作区(1)三极管输出特性曲线中，IB=0的输出特性曲线以下，横轴以上的区域称为截止区。其特点是：发射结和集电结均为反偏，各电极电流很小，相当于一个断开的开关。(2)输出特性曲线中，截止区以上平坦段组成的区域称为放大区。其特点是：发射结正偏，集电结反偏。此时IC受控于IB；同时IC与UCE基本无关，可近似看成恒流。此区内三极管具有电流放大作用。(3)输出特性曲线中，UCE≤UBE的区域，即曲线的上升段组成的区域称为饱和区。饱和区的特点是：发射结和集电结均为正偏。饱和时的UCE称为饱和压降，用UCES表示，UCES很小，一般约为0.3V。工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关，没有电流放大作用。2.1.4三极管的主要参数1.电流放大系数电流放大系数是反映三极管电流放大能力的基本参数，主要有和β2.极间反向电流(1)ICBO是指发射极开路时从集电极流到基极的反向电流。如图2.7(a)所示。图2.7极间反向电流(2)穿透电流ICEO是指基极开路（IB=0）、集电极与发射极之间加上规定的电压时，从集电极流到发射极的电流。如图2.7(b)所示。它与ICBO之间的关系为：ICEO=(1+β)ICBO3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极—发射极间击穿电压U(BR)CEO(3)集电极最大允许功耗PCM例2.2若测得放大电路中工作在放大状态的三个三极管的三个电极对地电位U1、U2、U3分别为下述数值，试判断它们是硅管还是锗管？是NPN型还是PNP型？并确定c、b、e极。(1)U1=2.5VU2=6VU3=1.8V(2)U1=-6VU2=-3VU3=-2.7V(3)U1=-1.7VU2=-2VU3=0V解：(1)由于U13=U1-U3=0.7V，故该管为硅管，且1、3管脚中一个是e极，一个是b极，则2脚为c极。又因为2脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，3脚为e极。(2)由于∣U23∣=0.3V，故该管为锗管，且2、3管脚中一个是e极，一个是b极，则1脚为c极。又因为1脚电位最低，故该管为PNP型，从而得出2脚为b极，3脚为e极。(3)由于∣U12∣=0.3V，故该管为锗管，且1、2管脚中一个是e极，一个是b极，则3脚为c极。又因为，3脚电位最高，故该管为NPN型，从而得出1脚为b极，2脚为e极。2.1.5三极管的测试及手册的使用1.万用表测试三极管常见几种国产三极管管脚图排列如表2.2所示。表2.2常用三极管管脚排列①基极及管型的判别：具体测试方法如图2.8（a）所示。②集电极和发射极的判别：具体测试方法如图2.8（b）所示，在实际测试中，常用手指代替100kΩ的电阻。(a)基极的测试(b)集电极和发射极的测试图2.8三极管管脚的测试(2)判别ICEO的大小对于NPN管，将万用表置于电阻档的R×100或R×1K档后，将黑表笔接c极，红表笔接e极，测量阻值，所测阻值越大，表明ICEO越小。PNP管的接法与之相反。(3)判别β的大小将万用表置于hFE档，将三极管的c、b、e管脚插入面板上相映的插孔中，利用表头读数即可。2.手册的使用(1)根据电路对三极管的要求查阅手册，从而确定选用三极管的型号，其极限参数ICM、U(BR)CEO和PCM应分别大于电路对管子的集电极最大允许电流、集电极—发射极间击穿电压和集电极最大允许功耗的要求。(2)当三极管的型号确定后，应选极间反向电流小的管子。(3)在维修电子设备时，若发现三极管损坏，应该用同型号的管子替换。若找不到同型号的管子而需要用其它型号的管子来替换时，应注意：要用同种材料、同种类型的管子替换；替换管子的参数ICM、U(BR)CEO和PCM一般不得低于原管。三极管的命名方法见附录1，型号参数举例见附录4及附录5。2.1.6特种三极管简介1.光电三极管光电三极管如图2.9所示。(a)结构示意图(b)电路符号(c)基本电路图2.9光电三极管2.光电耦合器光电耦合器如图2.10所示。图2.10光电耦合器试说出三极管的各种分类。如何在三极管输出特性曲线的放大区求出某一工作点Q的和β？如何利用万用表检测三极管的管脚及其好坏？比较普通三极管和特殊三极管的异同。2.1思考题返回2.2基本放大电路2.2.1放大电路的基本知识1.放大的概念所谓放大，就是用较小的输入信号去控制较大的输出信号，且输出与输入之间有相应的变化关系。其方框图如图2.11所示。图2.11放大电路方框图2.放大电路的性能指标(1)放大倍数ioiiiA输入电流输出电流iopPPA信号源提供的功率负载获得的功率iouuuA输入电压输出电压（2）输入电阻riri就是向放大电路输入端看进去的等效电阻，ri越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路输入端所得的电压越接近信号源电压，对于电压放大器，要求ri要大。（3）输出电阻ro对于负载来说，放大器相当于一个带有内阻的信号源，这个内阻就是输出电阻，ro的大小反映了放大器带负载能力的强弱。如图2.12所示。图2.12求输出电阻的等效电路（4）非线性失真放大器的输出信号波形与输入信号波形如图2.13所示。(a)不失真波形(b)失真波形图2.13放大器的非线性失真2.2.2基本放大电路的组成及原理1.电路组成电路如图2.14所示。图2.14基本放大电路2.工作原理设输入正弦交流信号为ui，则uBE=UBE+uiiB=IB+ibiC=IC+icuCE=UCCiCRC，最后，通过隔直电容的作用，uCE中的交流成分uce到达输出端，形成输出电压uo。上述各电流、电压波形如图2.15所示。图2.15放大器有关电流、电压波形由图2.15可以看出：uo的幅度远大于ui的幅度，可见该电路将ui进行了放大，且uo与ui的相位相反。晶体管放大电路中各电流、电压的名称和符号如表2.3所示。名称静态值正弦交流分量总电流或电压直流电源瞬时值有效值瞬时值对地电压基极电流IBibIbiB集电极电流ICicIciC发射极电流IEieIeiE集-射极电压UCEuceUceuCE基-射极电压UBEubeUbeuBE集电极电源VCC基极电源VBB发射极电源VEE表2.3放大电路中各电流、电压的名称和符号2.2思考题简述基本放大电路的工作原理。放大电路的性能指标有那些?返回2.3放大电路的静态工作点对输出波形的影响放大电路输入端未加交流信号（即ui=0）时，电路的工作状态称为直流状态，简称静态。将静态时IB、UBE、IC、UCE称为静态工作点，用Q表示。Q点过高或过低都将产生非线性失真，所以必须设置合适的Q点。静态工作点对输出波形的影响如图2.16所示。图2.16静态工作点的影响当静态工作点位置适当（Q0）时，输出信号将随输入信号相应变化，无非线性失真。在(b)图中，若Q点位置偏高（Q1），由于在输入信号正半周的部分时间内三极管工作于饱和状态，使输出电压uo=uce出现了下平顶失真，这种失真称为饱和失真。若Q点位置偏低（Q2），由于在输入信号负半周的部分时间内三极管工作于截止状态，使输出电压uo=uce出现了上平顶失真，这种失真称为截止失真。有时，尽管静态工作点位置适当（如Q），但当输入信号幅度过大时，输出信号将会同时出现饱和失真和截止失真，称之为双向失真。2.3思考题放大电路的静态工作点对输出波形有什么影响？返回2.4放大电路的直流偏置方式1.固定偏置方式（1）电路组成静态情况下放大器各电流的通路称为放大器的直流通路。画直流通路的原则是：电容开路，电感短路。图2.14电路的直流通路如图2.17所示，这种直流通路称为固定偏置电路。图2.17固定偏置电路（2）Q点的计算CCQCCCEQBQCQbCCBQBEQCCbBEQCCBQBEQbBQCCRIVUIIRVIUVRUVIURIV2.具有发射极电阻的偏置方式（1）电路组成电路如图2.18所示。图2.18具有发射极电阻的偏置电路（2）Q点的计算ecCQCCCEQ