36 第二章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 电视机 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 第一节晶体三极管 晶体三极管是电子电

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1 第二章 晶体三极管及基本放大电路 知识目标 了解三极管的结构, 掌握三极管的电流分配关系及放大原理 掌握三极管的输入和输出特性, 理解其含义, 了解主要参数的定义 掌握单级低频放大电路的组成和工作原理 熟悉用估算法分析放大电路的基本方法, 了解图解法分析放大电路的要领 熟悉常用稳定静态工作点的偏置放大电路, 理解稳定静态工作点的基本原理 技能目标 会查阅半导体器件手册, 能按要求选用三极管 会用万用表判别三极管的引脚, 并检测质量好坏 掌握基本放大电路静态工作点的调试方法, 会用示波器观察信号波形 熟悉截止 饱和失真的波形, 掌握消除失真的方法 会用万用表测量三极管的静态工作点, 并由此判断工作状态 会用毫伏表测量输入 输出信号有效值, 并由此计算电压放大倍数 掌握焊接 调试两级阻容耦合放大器的基本技能

2 36 第二章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 电视机 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 第一节晶体三极管 晶体三极管是电子电路中的重要元件, 本节将讨论晶体三极管的结构 工作原理 主要参数及检测方法 一 结构与分类 1 外形三极管有三个引脚, 1 所示为常见的三极管封装外形 功率大小不同的三极管体积和封装形式也不同, 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, 这样能使三极管的外壳和散热器连成一体, 便于散热 1 几种晶体三极管的外形和封装 (a) 硅酮塑料封装 (b) 金属封装小功率管 (c) 金属封装大功率管 2 结构三极管的核心是两个互相联系的 PN 结, 按两个 PN 结的组合方式不同, 可分为 N PN 型和 P NP 型两类, 它们的结构及电路图形符号如 2 所示, 文字符号为 V 三极管内部结构分为发射区 基区和集电区, 引出电极分别为发射极 e 基极 b 和集电极 c 发射区与基区之间的 PN 结称为发射结, 集电区与基区之间的 P N 结称为集电结 为了收集发射区发射过来的载流子及便于散热, 要求集电结面积较大, 因此使用时集电极与发射极不能互换 3 分类三极管的种类很多, 通常按以下方法进行分类 : (1) 依据管芯所用半导体材料不同, 分为硅管和锗管 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 (2) 按三极管内部基本结构不同, 分为 NPN 型和 PN P 型两类 目前我国制造的硅管多为 N PN 型 ( 也有少量 P NP 型 ), 锗管多为 PN P 型

3 第一节晶体三极管 37 2 三极管结构和电路图形符号 (a)pn P 型 (b)np N 型 (3) 按工作频率不同, 可分为高频管 ( 工作频率不低于 3 MHz) 和低频管 ( 工作频率在 3 M H z 以下 ) (4) 依据功率不同, 分为小功率管 ( 耗散功率小于 1 W) 和大功率管 ( 耗散功率不低于 1 W) (5) 按用途不同, 分为普通放大三极管和开关三极管等 二 三极管的电流放大作用 1 三极管的工作电压要使三极管能够正常放大信号, 必须给管子的发射结加正向电压, 集电结加反向电压 由于三极管有 N PN 和 PNP 型两类, 这两类三极管极性不同, 所以工作时外加的电源电压极性也不同 N PN 型三极管工作时电源接线如 3 所示, 电源 V C C 通过偏置电阻 Rb 为发射结提供正向偏压 Rc 为负载电阻, 为管子的集电极提供电压 要求 Rc 阻值小于 Rb 阻值, 因此集电极电压高于基极电压, 即集电结处于反向偏置 3 NP N 管工作时的供电 (a) 供电示意图 (b) 供电电路 (c) 实物接线图对于 PN P 管, 同样要求发射结加正向偏压, 集电结加反向偏压, 但因它的半导体导电极性不同, 所以 P NP 管接电源时极性与 NP N 管相反, 如 4 所示

4 38 第二章晶体三极管及基本放大电路 4 PN P 管工作时的供电 (a) 供电示意图 (b) 供电电路 (b) 实物接线图 2 三极管的电流放大作用为了观察三极管各个电极电流的情况及它们之间的关系, 下面先做个实验 实验电路如 5(a) 所示, 调节电位器 RP 可改变基极电流 IB, 用电流表可测得相应的 IC 和 IE 的数值, 将实测电流填入表 2 1 中 实验演示 三极管的特性 5 三极管演示实验 (a) 电路原理图 (b) 实物接线图 表 2 1 三极管各极电流 IB IB1 = 0 m A IB2 = 0 02 m A IB3 = 0 04 m A IB4 = 0 06 m A IC IC1 = ma IC2 = m A IC 3 = m A IC4 = m A IE IE1 = m A IE2 = ma IE 3 = m A IE4 = ma 从实验数据可以得出以下两个重要的结论 : (1) 三极管各极电流分配关系满足 IE = IC + IB (2 1)

5 第一节晶体三极管 39 即发射极电流等于集电极电流与基极电流之和 由于基极电流 IB 很小, 因而 IC IE (2 2) (2) 三极管具有电流放大作用在 5 所示电路中, 基极与发射极是信号输入端, 集电极与发射极是信号输出端, 因此发射极是输入 输出回路的公共端, 这种放大电路称为共发射极接法 将输入电流 IB 与输出电流 IC 之比称为共发射极直流电流放大系数 β, 定义式为 β = IC IB (2 3) 实验数据表明 : IC 1 IC 2 IC 3 IC 4 IB 1 IB 2 IB 3 IB 4 = β β 的大小一般在几十至几百范围, 因管子不同而有 差异 将输入电流的变化量 Δ IB 与输出电流产生的相应变化量 Δ IC 之比称为共发射极交流电流 放大系数 β, 定义式为 β = Δ IC Δ IB (2 4) 一般情况下, 同一只管子的 β 值略大于 β, 但两者很接近, 在应用时可相互代替 β 值也在几 十至几百之间, 这说明, 当 IB 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 流放大作用 在实际放大电路中, 除了共发射极连接方式外, 还有共集电极和共基极连接方式, 如 6 所示 6 三极管在电路中的三种基本连接方式 (a) 共射接法 (b) 共基接法 (c) 共集接法 三 三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是描述各电极电流和极间电压关系的曲线, 通常有输入特性曲线和输出特性曲线两组, 可用晶体管图示仪测得, 一般共发射极特性曲线最常用 1 输入特性曲线它是反映三极管输入回路电压和电流关系的特性曲线, 是表示输出电压 V C E 为定值时,IB 与 V B E 对应关系的曲线, 如 7 所示 当输入电压 V B E 较小时, 基极电流 IB 很小, 通常近 7 输入特性曲线

6 40 第二章晶体三极管及基本放大电路 似为零 当 V B E 大于死区电压 V T ( 硅管约为 0 5 V, 锗管约为 0 2 V) 后,IB 开始上升 三极管正常导通时, 硅管 V B E 约为 0 7 V, 锗管约为 0 3 V, 此时的 V B E 值称为三极管工作时的发射结正向压降 2 输出特性曲线它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 IC 与集电极电压 V C E 之间的关系 输出特性曲线可分为截止区 放大区和饱和区三个区域, 如 8 所示 (1) 截止区习惯把 IB = 0 曲线以下的区域称为截止区, 三极管处于截止状态, 相当于三极管内部各极开路 在 IB = 0 时, 有很小的电流 IC 即为穿透电流 IC E O, 一般可忽略不计, 认为截 止时 IC 0 在截止区, 三极管发射结反偏或零 8 输出特性曲线 偏, 集电结反偏 (2) 放大区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 IC 受 IB 控制, 具有电流放大作用 另一特点是具有恒流特性, 即 IB 一定时,IC 基本不随 V C E 而变化, 即 IC 保持恒定 (3) 饱和区当 V C E 减小到 V C E < V B E 时, 三极管的发射结和集电结都处于正偏, 此时 IC 已 不再受 IB 控制 在 8 中,V C E 较小的区域即为饱和区, 三极管饱和时的 V C E 值称为饱和压降, 记作 V C E S, 小功率硅管的 V C E S 约为 0 3 V, 锗管约为 0 1 V, 此时管子的集电极发射极间呈现低电阻, 相当于开关闭合 从上述分析可以看出, 三极管工作在饱和与截止区时, 具有 开关 特性, 可应用于数字电路中 ; 三极管工作在放大区时可应用在模拟电路中起放大作用 所以三极管具有 开关 和 放大 两大功能 工程应用 通过实测电路板上三极管引脚对地的电压可以判断出管子的工作状态 对于 NPN 管, 若测得 V C > V B > V E, 则该管满足放大状态的偏置 ; 对于 PN P 管,V C < V B < V E 为放大 状态 若测得三极管的集电极对地电压 V C 接近电源电压 V C C, 则表明管子处于截止状态 若测得三极管的集电极对地电压 V C 接近零 ( 硅管小于 0 7 V, 锗管小于 0 3 V), 则表 明管子处于饱和状态

7 第一节晶体三极管 41 四 三极管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 表 2 2 所示为几种典型三极管的主要参数 表 2 2 几种典型三极管的主要参数 参数 直流参数交流参数极限参数 类别 型号 I CB O /μ A I C E O /μ A h F E f T / M H z C o b / pf I C M / m A P C M / mw V (B R)CE O / V 低频小功率管 3A X51 A 3BX81 A 3CX200B ~ ~ ~ 高频小功率管 3A G54 A 3GG100B 3DG120 A ~ DK1A 5 30~ 开关管 3DK22B ~ DK3A 中大功 率管 3A G61 3A D30 A 3DD15A ~ ~ 高耐 压管 BU X47 A BU X48 A

8 42 第二章晶体三极管及基本放大电路 1 三极管型号国产三极管的型号由五部分组成 第一部分是数字 3, 表示三极管 第二部分是用字母表示管子的材料和极性, A 表示 PN P 型锗材料, B 表示 N PN 型锗材料, C 表示 PN P 型硅材料, D 表示 NPN 型硅材料 第三部分是用字母表示管子的类型, X 表示低频小功率管, G 表示高频小功率管, D 表示低频大功率管, A 表示高频大功率管 第四部分用数字表示器件的序号, 序号不同的三极管其特性不同 第五部分用字母表示规格号, 序号相同 规格号不同的三极管特性差别不大, 只是某个或某几个参数有所不同 例如 3AG54A, 前三部分 3AG 表示是锗材料 PN P 型高频小功率三极管, 第四部分的 54 和第五部分的 A 分别是序号和规格号 目前使用的进口三极管常以 2N 或 2S 为开头, 开头的 2 表示有两个 P N 结的元件, 三极管属这一类型 N 表示该器件在美国电子工业协会注册登记, S 则表示该器件在日本电子工业协会注册登记 2 三极管的主要参数查看晶体管手册, 可看到三极管有三大类的参数 : 直流参数 交流参数和极限参数, 这些参数都从不同侧面反映管子的各种特性, 是选用器件和设计电路时的重要依据 (1) 直流参数反映三极管在直流状态下的特性 1 直流电流放大系数 hf E 用于表征管子 IC 与 IB 的分配比例, 与 β 含义相同, 只是写法不同 2 集基反向饱和电流 IC B O 它是指三极管发射极开路时, 流过集电结的反向漏电电流, IC B O 的测量电路如 10 所示 通常锗管的 IC B O 为微安数量级, 而硅管较之小一至两个数量级 反向电流 IC B O 会随温度上升而增大,IC B O 大的三极管工作的稳定性较差 3 集射反向饱和电流 IC E O 它是指三极管的基极开路时, 在集电极与发射极之间加上一定电压时的集电极电流, 它的测量电路如 11 所示 IC E O 是 IC B O 的 (1 + β) 倍, 所以它受温度影响不可忽视 考虑到管子 IC E O 的影响, 三极管的电流分配关系应为 IE = IC + IB + IC E O (2 5) 10 I C B O 测量电路 11 I C E O 测量电路

9 第一节晶体三极管 43 (2) 交流参数是反映三极管交流特性的主要指标 1 交流电流放大倍数 β 通常也写为 hf e,β 表征管子对交流信号的电流放大能力

10 44 第二章晶体三极管及基本放大电路 2 共发射极特征频率 f T 三极管的 β 值下降到 1 时, 所对应的信号频率称为共发射极特征 频率, 以 f T 表示, 如 13 所示 它是表征三极管高 频特性的重要参数 (3) 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 1 集电极最大允许电流 IC M 若三极管的 IC 超过 此值, 其 β 值将下降到正常值的 2 以下 3 2 集电极最大允许耗散功率 PC M 它是三极管的 最大允许平均功率, 它是 IC 13 f T 的意义 和 V C E 乘积允许的最大值, 超过此值三极管会过热而损坏 3 集射反向击穿电压 V (B R )C E O 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, 下标中 B 表示击穿, R 表示反向 若管子的 V C E 超过 V (B R)C E O, 会引起电击穿导致管子损坏 五 三极管引脚与管型的判别 三极管引脚与管型的判别按以下方法进行 判别时可把三极管看成是两个背靠背的 PN 结, 按照判别二极管极 性的方法可以判断出一极为公共正极或公共负极, 即为基极 b 具体的 测量方法是 : 万用表置 R 100 或 R 1 k 挡, 然后任意假定一个电极是 b 极, 并用黑表笔与假定的 b 极相接, 用红表笔分别与另外两个电极相接, 实验演示 三极管的测试 如 14 所示 如果两次测得的电阻均很小, 即为 PN 结正向电阻, 则黑表笔所接的就是 b 极, 且管子为 NPN 型 ; 如果两次测得的电阻值一大一小, 则表明假设的电极不是真正的 b 极, 则需将黑 表笔所接的引脚调换一下, 再按上述方法测试 若为 PNP 管则应用红表笔与假定的 b 极 相接, 用 黑表笔接另外两个电极 两次测得的电阻均很小时, 红表笔所接为 b 极, 且可确定为 PN P 管 当 b 极确定后, 可接着判别发射极 e 和集电极 c 若是 NP N 型管, 可将万用表的黑表笔和 红表笔分别接触两个待定的电极, 然后用手指捏紧黑表笔和 b 极 ( 不能将两极短路, 即相当接一 14 判断三极管的基极和管型 15 判断三极管的发射极和集电极

11 第一节晶体三极管 45 电阻 ), 观察表针摆动幅度, 参见 15 然后将黑 红表笔对调, 按上述方法重测一次 比较两次表针摆动幅度, 摆动幅度较大的一次黑表笔所接引脚为 c 极, 红表笔所接为 e 极 若为 PN P 型管, 上述方法中将黑 红表笔对换即可 六 片状三极管器件在 20 世纪 80 年代后期, 无引脚的片状器件, 特别是微型片状三极管在彩色电视机 移动电话 录像机 袖珍式随身听 计算机等电子产品中大量采用, 这种器件在安装时贴焊在印制铜箔面 对这一新工艺和新器件必须有所了解, 这将有助于从事电子产品生产和维修工作 1 片状三极管外形额定功率在 100~ 200 m W 的小功率三极管一般采用 SO T 23 形式封装, 如 16(a) 所示, 其中 1 引脚为基极,2 引脚为发射极,3 引脚为集电极 大功率三极管多采用 SO T 89 形式封装, 如 16(b) 所示, 其功率为 1~ 1 5 W,1 引脚为基极,2 引脚与 4 引脚内部连接在一起作为集电极, 使用时可任接一引脚,3 引脚为发射极 2 带阻片状三极管带阻片状三极管是指在三极管的管芯内加入一只电阻 R1 或两只电阻 R1 R2, 如 17 所示 不同型号带阻片状三极管的 R1 和 R2 可以有不同的阻值, 形成一整体系列, 这种器件在设计 安装时可省去偏置电阻, 减小了安装元件的数量, 有利电子产品小型化 带阻片状三极管的封装有 SO T 23 SC 70 等形式 ( 参见图 1 30) 表 2 5 列举了部分带阻片状三极管型号及特性 16 片状三极管外形与引脚 (a)so T 23 封装 (b)so T 89 封装 17 带阻片状三极管内部电路 (a) 带一个偏置电阻 (b) 带两个偏置电阻 表 2 5 部分带阻片状三极管型号及特性 型号 极性 R 1 / R 2 型号 极性 R 1 / R 2 D T A123Y P 2 2 kω / 2 2 kω D T C114E N 10 kω / 10 kω D T A143X P 4 7 kω / 22 kω D T C124E N 22 kω / 22 kω D T A114Y P 10 kω / 47 kω D T C144 N 47 kω / 47 kω D T A115E P 100 kω / 100 kω D T C144 WK N 47 kω / 22 kω D T C143X N 4 7 kω / 10 kω D T C114 T N R1 = 10 kω D T C363E N 6 8 kω / 6 8 kω D T C124 T N R 1 = 22 kω 3 复合双三极管 复合双三极管是指一个封装内包含有两只三极管, 有些还带有偏置电阻 该类片状器件品 种齐全, 可以满足不同电路的使用要求, 其外形封装常见的有 SOT 36 S O T 25 U M 6 等形

12 46 第二章晶体三极管及基本放大电路 式, 如 18 所示 18 复合双三极管的封装形式及尺寸 (a)so T 36 封装 (b)so T 25 封装 (c)u M 6 封装 复习思考题 1 三极管的主要特性是什么? 放大的实质是什么? 2 三极管三个电极的电流哪个最大? 哪个最小? 哪两个相接近? 3 某三极管的引脚 1 流出电流为 3 m A, 引脚 2 流进电流是 2 95 ma, 引脚 3 流进电流为 0 05 m A, 判断各引脚名称, 并指出管型 4 测得某电路中几个三极管的各极电位如题 1 1 所示, 试判断各管工作在什么状态? 题 题 1 2 是某只三极管的输出特性曲线, 求 i B = 60 μ A,v CE = 10 V 时的 I C 及 β 题 某三极管的极限参数为 P C M = 250 mw,i C M = 60 m A,V (B R)C E O = 100 V (1) 如果 V C E = 12 V, 集电极电流为 25 m A, 问管子能否正常工作? 为什么?

13 第二节三极管基本放大电路 47 (2) 如果 V C E = 3 V, 集电极电流为 80 ma, 问管子能否正常工作? 为什么? 第二节三极管基本放大电路 放大电路的功能是把微弱的电信号放大成较强的电信号, 扩音机就是放大电路的典型应用, 如 19 所示 扩音机输入端送入话筒的微弱电信号, 经扩音机内部的放大电路将信号放大后, 从输出端送出较强的电信号, 驱动喇叭发出足够的声音 19 放大电路的典型应用 放大电路必须由直流电源供电才能工作, 因为放大电路输出信号功率比输入信号功率大得多, 输出功率是从直流电源转化而来的 所以放大电路实质上是一种能量转换器, 它将直流电能转换成交流信号电能输出给负载 本节从三极管基本放大电路入手, 着重介绍低频放大电路的组成和基本工作原理 一 基本放大电路的组成 1 电路形式共发射极基本放大电路的实物接线图如 20(a) 所示, 20(b) 为对应的电路原理图 画电路图时, 往往省略电源的图形符号, 而用其 电位的极性及数值来表示, 20(b) 中 + V C C 表示该点接电池或直流 电源的正极, 而电源的负极就接在电位为零的公共端 上 电路分析 共射基本放大电路 20 共发射极基本放大电路 (a) 实物接线图 (b) 电路原理图 2 元件作用 V: 晶体三极管, 起电流放大作用

14 48 第二章晶体三极管及基本放大电路 + V C C : 直流供电电源, 为电路提供工作电压和电流 Rb : 基极偏置电阻, 电源电压通过 Rb 向基极提供合适的偏置电流 IB C1 : 输入耦合电容, 耦合输入交流信号 vi, 并起隔离直流电的作用 C2 : 输出耦合电容, 耦合输出交流信号 v o, 并起隔离直流电的作用 Rc : 集电极负载电阻, 电源 V C C 通过 Rc 为集电极供电, 另一个作用是将放大的电流 ic 转换为放大的电压输出 3 放大电路的电压 电流符号规定放大电路没有输入交流信号时, 三极管的各极电压和电流都为直流 当有交流信号输入时, 电路的电压和电流是由直流成分和交流成分叠加而成的, 为了便于区分不同的分量, 通常做以下规定 : (1) 直流分量用大写字母和大写下标表示, 例如 IB IC IE V B E V C E (2) 交流分量用小写字母和小写下标表示, 例如 ib ic ie v b e v c e (3) 交直流叠加瞬时值用小写字母和大写下标表示, 例如 ib ic ie v B E v C E 4 三种基本放大电路的比较除了常用的共发射极放大电路外, 另两种基本放大电路是共集电极和共基极放大电路, 电路构成如 22 所示, 下面比较三种基本放大电路的特点 22 共集电极和共基极放大电路 (a) 共集电极放大电路 (b) 共基极放大电路

15 第二节三极管基本放大电路 49 (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 (3) 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 高频振荡器及宽频带放大器 二 放大电路的静态工作点放大电路的工作状态分静态和动态两种 静态是指无交流信号输入时, 电路中的电压 电流都不变的状态 动态是指放大电路有交流信号输入, 电路中的电压 电流随输入信号做相应变化的状态 静态工作点 Q 是指放大电路在静态时, 三极管各极电压和电流值 ( 主要指 IB Q IC Q V C E Q ) 1 观察静态工作点对放大波形的影响按 23(a) 接好实验电路, 放大电路输入端由信号发生器送入 1 kh z 的正弦波信号, 用示波器观察放大输出电压波形 为了直观了解设置静态工作点的必要性, 先将放大电路的基极电阻 Rb 取掉, 让 IB = 0, 观察不设置静态工作点时示波器显示的输出电压波形 将 Rb 接入, 再观察输出电压波形 23 静态工作点对波形影响实验 (a) 电路接线图 (b)rb 断开时的失真波形 实验现象显示 : 不加偏置时, 将输入信号源幅度调至 0 6 V, 这时输出电压波形只有正弦波的下半部分, 出现了严重失真 接入 Rb 使电路有合适的静态工作点后, 就能输出不失真的放大信号 2 不设置静态工作点, 波形产生失真的原因当放大电路的基极偏置电阻开路时,IB = 0, 静态工作点在 24(a) 所示的三极管输入特性曲线的原点 O 上 如果输入正弦波信号 vi, 在 vi 的正半周, 发射结处于正向偏置, 当正向电压大于三极管的死区电压 V T 时, 才产生基极电流 ib ; 在 vi 的负半周, 由于发射结处于反向偏置, 基极电流 ib = 0 所以不设置静态工作点时的基极电流变化如 24(a) 所示,ib 不随 vi 变化, 产生了严重的失真, 被放大的输出电流 ic 输出电压 vce 也产生了严重失真 若设置了合适的静态工作点, 三极管就有一定的基极电流 IB Q 和电压 V B E Q, 如 24(b) 所示 加入交流信号时, 三极管发射结始终处于线性区域,ib 能跟随 v i 不失真地变化, 因此被放大的输出电流 ic 电压 v ce 也能不失真地被放大输出

16 50 第二章晶体三极管及基本放大电路 24 不设置静态工作点产生失真的原因 (a) 未设置静态工作点情况 (b) 设置静态工作点情况 三 放大原理 25 所示的放大电路中, 电源 V C C 通过偏置电阻 Rb 提供 V B E Q, 输入交流信号 vi 通过电容 C1 的耦合送到三极管的基极和发射极 基射极间总的电压为交流信号 vi 与直流电压 V B E Q 的叠加, 波形如 25(b) 所示, 基极电流 ib 产生相应的变化, 波形如 25(c) 所示 25 放大电路的电压 电流波形 (a) 输入电压 (b) 基极发射极间电压 (c) 基极电流 (d) 集电极电流 (e) 集电极发射极间电压 (f) 输出电压 ib 电流经过放大后获得对应的集电极电流, 如 25(d) 所示 ic 电流大时, 负载电阻 Rc 的压降也相应大, 使集电极对地的电位降低 ; 反之 ic 电流变小时, 集电极对地的电位升高 因此

17 第三节放大电路的分析方法 51 集射极间的电压 v C E 波形与 ic 变化情况正相反, 如 25(e) 所示 集电极的信号经过耦合电容 C2 后隔离了直流成分 V C E Q, 输出的只是放大信号的交流成分, 波形如 25(f) 所示 综上分析可知, 在共发射极放大电路中, 输出电压 v o 与输入信号电压 v i 频率相同, 相位相反, 幅度得到放大, 因此, 这种单级的共发射极放大电路通常也称为反相放大器 复习思考题 1 在题 2 1 所示放大电路中, 指出存在的错误, 并加以改正 2 什么是放大电路的静态工作点? 为什么要设置静态工作点? 3 说明下列电压和电流符号的含义 :I B i B i b V BE v B E v o 题 2 1 第三节放大电路的分析方法 放大电路是模拟电子技术中最基本 最核心的部分 本节将介绍小信号放大电路的主要性能指标和两种通用的分析方法, 即估算法和图解法 一 主要性能指标衡量小信号放大电路性能的几个主要技术指标是放大倍数 输入电阻和输出电阻 1 放大倍数放大倍数是描述放大电路放大能力的一项技术指标, 它是在输出波形不失真情况下输出端电量与输入端电量的比值 (1) 电压放大倍数 A v 是指放大电路的输出电压有效值 V o 与输入电压有效值 Vi 的比值,

18 52 第二章晶体三极管及基本放大电路 定义式为 A v = V o V i (2 6) 电压放大倍数在工程中常用对数形式来表示, 称为电压增益, 用 Gv 表示, 单位为分贝 (db), 定义式为 Gv = 20 lg Av (db) (2 7) (2) 电流放大倍数 A i 是指放大电路的输出电流有效值 Io 与输入电流有效值 Ii 的比值, 定义式为 A i = Io Ii (2 8) 电流放大倍数以对数形式来表示称为电流增益, 用 Gi 表示, 定义式为 Gi = 20 lg Ai (db) (2 9) (3) 功率放大倍数 A p 是放大电路输出功率 Po 与输入功率 Pi 的比值, 定义式为 A p = Po Pi (2 10) 功率增益定义式为 例 2 Gp = 10 lg A p (db) (2 11) 1 某放大电路, 输入正弦信号电压为 15 m V, 输出信号电压为 1 5 V, 试计算该放大 电路的电压放大倍数, 并转换为电压增益 解 :(1) 电压放大倍数 A v = V o 1 5 = = 100 Vi (2) 电压增益 Gv = 20 l g A v db = 20 lg 100 db = 40 db 2 输入电阻和输出电阻 (1) 输入电阻 Ri 放大电路的输入端可以用一个等效交流电阻 Ri 来表示, 它反映了放大 电路对信号源所产生的负载效应,Ri 定义式为 Ri = Vi Ii (2 12) (2) 输出电阻 Ro 是从放大电路输出端向放大电路看进去的等效交流电阻, 注意不应包括 外接负载电阻 RL,Ro 定义式为 Ro = V o Io (2 13) 输出电阻 Ro 越小, 放大电路负载变化时, 输出电压越稳定 ; 如果要求负载变化对输出电流的影响小, 则输出电阻需尽可能大 二 估算分析法所谓估算法就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 分析小

19 第三节放大电路的分析方法 53 信号放大电路采用估算法较为简便, 常用来估算放大电路的静态工作点 放大倍数 输入电阻 输出电阻等 下面以 26 电路为例介绍估算法的分析方法与步骤 1 估算静态工作点 (1) 画出直流通路直流通路是指静态时, 放大电路直流电流通过的路径, 估算法就是根据直流通路列出计算方程 由于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, 如 27 所示 26 基本放大电路 27 基本放大电路的直流通路 (2) 根据 27 所示的直流通路得出以下计算公式 IB Q = V C C - V B E Q Rb (2 14) 硅管的 V B E Q 约为 0 7 V, 锗管约为 0 3 V, 当 V C C VB E Q 时, 则可将 VB E Q 略去来估算 IB Q, 即 IB Q V C C Rb (2 15) 根据三极管的电流放大特性可得 IC Q =βi B Q (2 16) 由 27 所示的直流通路可得出以下公式 V C E Q = V C C - Rc IC Q (2 17)

20 54 第二章晶体三极管及基本放大电路 2 估算交流参数 (1) 画交流通路交流通路是指输入交流信号时, 放大电路交流信号流通的路径 由于容 抗小的电容以及内阻小的直流电源可看作交流短 路, 因此画交流通路只需把容量较大的电容及直流 电源用一条短路线替代即可, 如 算放大电路的交流电量时需借助交流通路 28 所示 估 (2) 三极管输入电阻 rb e 的估算三极管的 b 极与 e 极之间存在一个等效电阻, 称为三极管的输 入电阻 rb e 对于小功率三极管在共发射极接法时, 常用下式近似估算 rb e 300 Ω + (1 +β) 26 m V IE (ma) 28 基本放大电路的交流通路 (2 18) (3) 放大电路输入电阻 Ri 的估算从交流通路 28 可看出放大电路的输入电阻可以 等效为 rb e 与 Rb 的并联, 即 一般 Rb rbe, 上式可近似为 Ri = Rb rb e (2 19) Ri rb e (2 20) (4) 估算放大电路输出电阻 Ro 将 28 所示交流通路的外接负载 RL 断开, 从放大电 路的输出端看进去的等效电阻为 Rc 与三极管输出电阻 rce 并联, 即 因 rce Rc, 所以 Ro = Rc rce Ro Rc (2 21) (5) 电压放大倍数的估算从 28 所示的交流通路来看, 输入信号电压 v i 为 输出信号电压 vo 为 vi = ii (Rb rb e ) ib rb e vo = - ic (Rc RL )= - ic R L (2 22) 式中,R L = Rc RL = Rc RL Rc + RL 由此可推出电压放大倍数的计算公式为, 称为交流等效负载电阻, 当放大电路未接 RL 时,R L = Rc A v = vo vi = - ic R L ib rb e = β ib R L ib rb e 即 A v = - β R L rb e (2 23) 式中, 负号表示 vo 与 vi 相位相反 例 2 2 求 29 所示的放大电路的静态工作点 (IB Q IC Q V C E Q ) 及交流参数 (Ri Ro A v )

21 第三节放大电路的分析方法 55 解 :(1) 求静态工作点 IB Q V C C Rb = 12 V = 0 04 m A Ω IC Q =β IB Q = ma 1 5 ma V C E Q = V C C - IC Q Rc = 12 V ma 4 kω = 6 V (2) 求交流参数 26(m V) rb e = 300 Ω + (1 +β) IE Q (m A) = 300 Ω + (38 + 1) 26 mv 1 5 ma Ri = Rb rb e rbe = 976 Ω Ro Rc = 4 kω A v = - β R L rb e - 78 = 976 Ω β = - Rc RL Rc + RL rb e = 共发射极放大电路 三 图解分析法 用估算法分析放大电路的优点是简单 方便, 但对电路中信号的变化情况及放大波形是否产 生失真却无法直观地分析 图解分析法是利用三极管的输入特性和输出特性曲线, 通过作图分 析放大电路的工作情况, 其优点是能直观地了解静态工作点设置与波形失真的关系 现以 29 所示的共射极放大电路为例, 简要介绍图解分析的方法与步骤 1 图解法分析静态工作点 (IC Q V C E Q ) 30(a) 所示为放大电路的输出回路的电路图, 左边为晶体三极管 ( 非线性电路部 分 ), 其输出特性曲线 ic - vc E 如 30(b) 所示 ; 右边为线性电路部分,iC - vc E 关系应满足方程 30 图解法分析静态工作点 (a) 电路图 (b) 图解分析

22 56 第二章晶体三极管及基本放大电路 vc E = V C C - ic Rc 图解法分析步骤如下 : (1) 作出晶体三极管的输出特性曲线根据三极管型号查阅晶体管手册或用晶体管图示仪 直接测量, 均可得到管子的伏安特性曲线, 如 该电路的偏流已由 V C C 和 Rb 所确定, 即 IB Q 30(b) 所示 = V 12 V C C = Rb Ω = 40 μ A 所以 vc E 与 ic 的关系对应于 IB Q = 40 μ A 的一条输出特性曲线 (2) 作出线性电路部分的伏安特性 直流负载线根据 vc E = V C C - ic Rc 在输出曲线上 画直流负载线 M N, 它是一条直线, 与横轴相交于 M (vc E = V C C,iC = 0) 与纵轴相交于 N vc E = 0,iC = V C C Rc 点得到直流负载线, 即 M 点 (vc E = 12 V,iC = 0 ma);n 点 (vc E = 0 V,iC = 3 m A) 连接 M N 两 (3) 确定 Q 点直流负载线与 IB Q 对应的一条输出特性曲线的交点即是静态工作点 Q,Q 点所对应的 I C Q 和 V C E Q 就是三极管的静态电流和电压 由 30(b) 可读出 :IC Q = 1 5 ma, V C E Q = 6 V 2 图解法分析动态工作情况 当接入正弦输入信号 vi 时, 电路就处于动态工作情况, 图解法分析动态工作情况的步骤如下 : (1) 根据 vi 在输入特性曲线上画出 ib 波形设放大电路的输入信号 vi = 0 02 sin ω t(v), 三极管的输入电压 vb E 是在原来直流电压 V B E Q 的基础上叠加一个交流量 vi, 根据 vb E 的变化规律 可从输入特性上画出对应的 ib 波形图, 如 31(a) 所示, 基极电流 ib 将在 20~ 60 μ A 之间变动 (2) 在输出特性曲线上画出交流负载线对交流信号来说, 输出耦合电容可视为短路,Rc 31 图解法分析动态工作情况 (a) 输入特性曲线 (b) 输出特性曲线

23 第三节放大电路的分析方法 57 与 RL 是并联的, 所以等效的交流负载电阻 R L 为 R L = Rc RL = Rc RL Rc + RL = 4 4 kω = 2 kω 画交流负载线的具体方法是 : 先画一条斜率为的辅助线 M H, 与横轴相交于 M(vC E = R L V C C,iC = 0), 与纵轴相交于 H vc E = 0,iC = V C C 载线, 如 所示 31(b) 所示 R L 然后平移辅助线使其通过 Q 点, 即得到交流负 (3) 在输出特性曲线上, 根据 ib 波形和交流负载线画出相应的 ic 和 vc E 波形, 如 31(b) (4) 在输出特性曲线上根据 vc E 波形读出输出电压幅值 V ce m = (7 5-6)V = 1 5 V, 由此可 知电压放大倍数为 四 波形的失真与消除 A v = - V ce m V i m = V 0 02 V = - 75 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 例如, 在音频放大中表现为声音失真, 在电视扫描放大电路中将 表现为图像比例失真 由静态工作点设置不合适引起的失真主要有截 止失真和饱和失真两类 1 饱和失真 如 实验演示 放大器静态工作点对波形的影响 32(a) 所示的实验电路, 音频信号发生器产生 60 mv / 1 k Hz 的正弦信 号, 若偏置电阻选 50 kω,ib Q 就较大, 此时放大器输出的电压波形就会产生失真, 其 负半周被削去一部分, 称为饱和失真, 如 根据图解分析法可以从 32(b) 所示 32(c) 看出,IB Q 偏大时, 静态工作点 Q 偏高, 在饱 和临界点附近,iB 增大无法使 ic 相应增大, 于是会出现 ic 的正半周 vc e 的负半周发生切割失真 ( 饱和失真 ) 为了使放大电路不出现饱和失真, 可适当增大偏置电阻 Rb, 使 IB Q 降低,Q 点下移, 则可消除 饱和失真 2 截止失真 如 33(a) 所示的实验电路, 若偏置电阻选用 2 MΩ, 此时 IB Q 很小, 由示波 器观察到输出电压波形如 截止失真 33(b) 所示, 电压波形的正半周出现平顶失真, 称为 根据图解分析法可以从 33 (c) 看出,IB Q 偏小时, 静态工作点 Q 偏低 在 输入电压 vi 的负半周, 三极管的发射结将在一段时间内处于反向偏置, 造成 ic 的负半周 vce 的正 半周相应的波顶被削去 消除放大电路截止失真的方法是适当降低偏置电阻 Rb, 使 IB Q 增大 3 静态工作点的测量与调整 对于从事组装或维修电子产品的人员, 重要的并不是设计偏置电阻 Rb 的大小, 而是将电路静

24 58 第二章晶体三极管及基本放大电路 32 饱和失真波形的观测 (a) 实验电路 (b) 饱和失真波形 (c) 饱和失真图解分析 33 截止失真波形的观测 (a) 实验电路 (b) 截止失真波形 (c) 截止失真图解分析

25 第三节放大电路的分析方法 59 态工作点调整到所要求的数值上, 使之满足产品的设计要求 静态工作点的测量与调整如 34 所示, 具体步骤如下 : (1) 选取一只定值电阻 ( 一般取 20 ~ 100 kω) 和一只电位器 (470 kω ~ 1 MΩ), 串联后接入电路用以代替偏流电阻 Rb (2) 将万用表置于直流电流挡, 然后串接在集电极回路 (3) 接通调试电路电源, 缓慢地调节电位器, 直至万用表指示的 IC 电流达到要求, 电流 IC 值的大小在具体的设备中通常由电路图标注 与 RP (4) 断开电源, 用万用表电阻挡测得 Rb 的总阻值, 选用一个相当阻值的固定电 34 调测三极管静态工作点的方法 阻去代替 Rb 和 RP, 取出集电极电流表, 并接好集电极开口, 这样调整偏置电阻的工作就完成了 电流测量法的缺点是需要将集电极回路断开, 应用时不太方便 在实际工作中也常采用电压测 量法, 测量电阻 Rc V R c 两端的电压, 然后通过欧姆定律换算 Rc = IC, 即可知道流过 Rc 的集电极电流 复习思考题 1 放大电路常用的分析方法有哪几种? 主要用在什么场合? 2 试画出题 3 1 所示电路的直流通路和交流通路 ( 设电路中的电容器容量足够大 ) 题 3 1

26 60 第二章晶体三极管及基本放大电路 3 NP N 型三极管接成题 3 2 所示的放大电路, 试进行以下分析 : (1) 已知 V CC = 12 V, 若要把放大器的静态集电极电流 I C 调到 1 6 m A, 问 R b 应选多大? (2) 若要把三极管的管压降 V C E 调到 2 4 V,Rb 应调为多少? (3) 已知三极管的 r be = 1 kω, 求电压放大倍数 A v 4 题 3 3 所示为单管 ( 或单级 ) 共射极放大电路的输入波形 v i 和两种失真的输出电压波形, 试问属于什么失真? 应如何克服失真? 题 3 2 题 在题 3 4(a) 所示电路中, 已知三极管的输出特性曲线如题 3 4(b) 所示, 试画出直流负载线 和静态工作点 Q, 并由 3 4(b) 读出放大电路的静态参数 I C Q 和 V C E Q 题 3 4 第四节静态工作点稳定的放大电路 前面讨论的共发射极基本放大电路, 结构简单, 但由于这种电路中, 只要 V C C 和 Rb 为定值, IB Q 也就是固定值, 电路本身不能自动调节静态工作点, 故称为固定偏置放大电路 固定偏置放

27 第四节静态工作点稳定的放大电路 61 大电路的静态工作点 Q 极易受温度变化或更换管子等因素的影响而变动 当 Q 点变动到不合适的位置时将引起放大信号失真 因而实用的放大电路应该考虑静态工作点的稳定, 以保证尽可能大的输出动态范围和避免非线性失真 一 放大电路静态工作点不稳定的原因 (1) 温度升高会使三极管的参数 β 和 I C E O 增大 V B E 减小, 结果是使集电极电流 IC 增大 (2) 电源电压的变化会使管子的工作电压 V C E 和电流 IC 发生变化 (3) 维修时更换不同 β 值的管子或电路元件老化引起参数的改变均会使静态工作点偏移 因此实际应用时, 很少采用固定偏置放大电路, 大多采用能自动稳定静态工作点的放大电路, 常见的电路形式有分压式偏置放大电路 集电极基极偏置放大电路 二 分压式偏置放大电路 1 电路组成 35 所示为分压式偏置放大电路, 与固定偏置放大电路比较增加了 Rb 2 Re Ce 三个元件 Rb1 是上偏置电阻,Rb 2 是下偏置电阻, 电源电压 V C C 经 Rb 1 Rb 2 串联分压后为三极管基极提供基极电位 V B Q Re 是发射极电阻, 起到稳定静态电流 IE Q 的作用,Ce 并联在 Re 两端, 电路分析 分压式偏置放大电路 称为射极旁路电容, 它的容量较大, 对交流信号相当于短路, 这样对交流信号的放大能力不因 Re 的接入而降低 35 分压式偏置放大电路 (a) 实物接线图 (b) 电路原理图 2 稳定静态工作点的原理当温度上升时, 由于三极管的 β IC E Q 增大及 V B E Q 减小而引起集电极电流 IC Q 增大, 则发射极电阻 Re 上的压降 V E Q 增大 基极电位 V B Q 由 Rb 1 Rb 2 串联分压提供, 大小基本稳定, 因此 V B E Q (= V B Q - V E Q ) 减小, 于是集电极电流 IC Q 的增加受到限制, 达到稳定静态工作点的目的 上述自动稳定工作点过程如 36 所示

28 62 第二章晶体三极管及基本放大电路 36 分压式偏置放大电路稳定工作点的过程 工程应用 在分压式偏置放大电路中, 当满足 I2 IB Q VB Q V B E Q 两个条件时, 该电路的静态电流 IC Q 将主要由电源 V C C 和电阻 Rb 1 Rb2 Re 决定, 与三极管的参数基本无关 因此在生产过程中, 只要选用的三极管 β 差别不是很大, 就无需对每台产品的放大电路进行静态工作点调整, 而且更换三极管也不必重新调整偏置电阻, 为产品的批量生产和维修带来了很大方便, 所以分压偏置放大电路在电子产品中得到非常广泛的应用 实际应用中, 硅管一般取 I2 = (5 ~ 10)IB Q,VB Q = (3 ~ 5)VB E Q ; 锗管一般取 I2 = (10~ 20)IB Q,V B Q = (1~ 3)V B E Q, 就可满足静态工作点稳定的要求 分压式偏置放大电路如果要重新设置静态工作点, 只要调整上偏置电阻 Rb 1 的阻值即可, 调整方法与固定偏置放大电路相同 3 电路参数的估算 (1) 静态工作点的估算分压式偏置放大电路的直流通路如 37 所示, 可推导出下列静态工作点的估算公式 V B Q = V C C Rb 2 Rb 1 + Rb 2 (2 24) IC Q IE Q = V B Q - VB E Q Re (2 25) IB Q = IC Q β (2 26) V C E Q = V C C - IC Q (Rc + Re ) (2 27) (2) 交流参数的估算分压式偏置放大电路的交流通路如图 (2 38) 所示, 与固定偏置电路相比, 两者交流通路基本相同, 只是分压偏置放大电路用 Rb 1 Rb 2 代替了固定偏置放大电路中的 Rb, 所以估算电压放大倍数 输入电阻 输出电阻的方法与固定偏置放大电路相同 A v = - β R L rb e (R L = Rc RL ) (2 28) Ri = rb e Rb 1 Rb 2 rb e (2 29)

29 第四节静态工作点稳定的放大电路 63 Ro = Rc (2 30) 2 37 分压式偏置放大电路直流通路 38 分压式偏置放大电路交流通路 例 2 3 在 39 所示电路中, 已知三极管 rb e = 1 kω,v B E Q = 0 7 V, 试计算 : (1) 静态工作点 IC Q IB Q V C E Q ; (2) 电压放大倍数 A v ; (3) 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro 解 : 计算静态工作点时, 固定偏置电路是先算 IB Q, 再算 IC Q, 最后算 V C E Q 而分压式偏置电路则是 先算 V B Q 和 IC Q, 再算 IB Q, 最后算 V C E Q (1) VB Q = VC C Rb 2 Rb 1 + Rb 2 IC Q = V B Q - V B E Q IB Q = IC Q β Re = = 1 7 m A 40 = V 2 4 V 2 4 V V 10 3 Ω = 43 μ A = 1 7 ma V C E Q = V C C - IC Q (Re + Rc )= 12 V (1 + 2)V = 6 9 V (2) A v = - β R L rb e = - (3) Ri rb e = 1 kω Ro Rc = 2 kω = 例 2 3 图 应用实例 40 所示为简易电视天线放大器, 与室外天线配合使用, 它由两级分压式偏置放大电路组成, 对 V H F 波段的 12 个频道有较均匀的放大作用, 电压增益约为 20 db, 输入端和输出端与 75 Ω 的同轴电缆连接

30 64 第二章晶体三极管及基本放大电路 40 简易电视天线放大器 (a) 电路原理图 (b) 印制板图 三 集电极基极偏置放大电路 1 电路组成 41 所示的集电极基极偏置放大电路是另一种具有稳定工作点的放大电路, 该电路的特点是 :Rb 跨接在三极管的集电极和基极之间, 这样就能将 V C E Q 的变化通过 Rb 反馈到输入端, 自动调节基极电流 IB Q 来稳定静态工作点 2 稳定静态工作点的原理 电路分析 集电极基极偏置放大电路 当温度升高使集电极电流 IC Q 增加时, 在 Rc 上的压降也增大, 因此管压降 V C E Q 就要降低, 使 IB Q 减小, 从而牵制了 IC Q 的增加, 其稳定静态工作点的过程如 42 所示 41 集电极基极偏置放大电路

31 第五节多级放大电路 集电极基极偏置放大电路稳定静态工作点的过程 工程应用 要使放大电路的静态工作点较为稳定, 集电极基极偏置放大电路的直流负载 Rc 应该比较大 用变压器作为负载的电路中, 由于变压器线圈的直流电阻小, 其 V C E Q V C C,V C E Q 基本是固定的, 这就无法利用 V C E Q 的变化起调节 IC Q 的作用 复习思考题 1 电路如题 4 1 所示, 已知三极管的 β = 60 题 4 1 (1) 求静态工作点 ; (2) 求 Av Ri Ro ; (3) 说明放大电路中各元件作用 ; (4) 说明分压式偏置放大电路是如何稳定静态工作点的 2 说明集电极基极偏置电路是如何稳定静态工作点的 为什么直流负载电阻 R c 工作点稳定效果较差? 较小时, 该电路的静态 第五节多级放大电路 单级放大电路的电压放大倍数是有限的, 在信号很微弱时, 为得到较大的输出信号电压, 必

32 66 第二章晶体三极管及基本放大电路 须将若干个单级电压放大电路级联起来, 进行多级放大, 以得到足够大的电压放大倍数 如果需要输出足够大的功率以推动负载 ( 例如扬声器 继电器 控制电机等 ) 工作, 末级还要接功率放大电路 多级放大电路的结构框图如 43 所示 43 多级放大电路的框图 一 多级放大电路的耦合方式多级放大电路由两个或两个以上的单级放大电路组成, 级与级之间的连接方式称为耦合 常用的耦合方式有阻容耦合 变压器耦合 直接耦合和光电耦合等 为确保多级放大电路能正常工作, 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和波形失真 (2) 保证前 后级放大电路的静态工作点能正常设置 1 阻容耦合 44(a) 所示放大电路的前级通过耦合电容 C2 和后级的输入电阻 Ri2 连接起来, 故称为阻容耦合方式 由于两级之间由电容隔离了直流电, 所以静态工作点互不影响, 可以各自调整到合适位置 阻容耦合方式带来的局限性是 : 不适宜传输缓慢变化的信号, 更不能传输恒定的直流信号 2 变压器耦合 44(b) 所示放大电路, 利用变压器一次侧 二次侧之间具有 隔直流 耦合交流 的作用, 使各级放大电路的工作点相互独立, 而交流信号能顺利输送到下一级 由于变压器制造工艺复杂 价格高 体积大 不宜集成化, 所以目前较少采用 3 直接耦合 44(c) 所示放大电路的前后级之间没有隔直流的耦合电容或变压器, 因此适用于直流信号或变化极其缓慢的交流信号 直接耦合需要解决的问题是前后级静态工作点的配置和相互牵连问题 直接耦合便于电路集成化, 故在集成电路中得到了广泛应用 4 光电耦合 44(d) 所示放大电路的前级与后级的耦合元件是光电耦合器件 前级的输出信号通过发光二极管转换为光信号, 该光信号照射在光电三极管上, 还原为电信号输送至后级输入端 光电耦合既可传输交流信号又可传输直流信号 ; 既可实现前后级的电隔离, 又便于集成化

33 第五节多级放大电路 放大电路级间耦合方式 (a) 阻容耦合 (b) 变压器耦合 (c) 直接耦合 (d) 光电耦合

34 68 第二章晶体三极管及基本放大电路 二 阻容耦合多级放大电路的电压放大倍数在多级放大电路中, 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 在 46 所示的两级阻容耦合放大电路框图中, 前级的电压放大倍数为 A v1 = V o 1 Vi1 后级的电压放大倍数为 A v2 = V o 2 两级总电压放大倍数为 Vi2 46 两级阻容耦合放大电路框图 因 V o 1 = V i2, 故有 A v = V o2 V i1 = V o 2 Vi2 Vi2 Vi1 A v = V o 2 Vi2 V o1 V i1 = A v1 A v2 (2 31) 即总电压放大倍数等于两级电压放大倍数的乘积 推广到一般的情况, 多级放大电路总的放大 倍数为每一级电压放大倍数的乘积, 若为 n 级放大电路, 则总的电压放大倍数为 A v = A v1 A v2 A v n 必须注意, 以上各级的电压放大倍数均已考虑到把后级的输入电阻作为前一级的负载, 因此 比不带负载时的电压放大倍数要小 若用分贝 (db) 表示, 则总增益为各级增益的代数和, 即 Gv (db)= Gv 1 (db)+ Gv2 (db)+ + Gv n (db) (2 32) 三 阻容耦合放大电路的幅频特性 阻容耦合放大电路对一定频率范围的信号放大倍数高且稳定, 这个频率范围称为中频区

35 第五节多级放大电路 69 在中频区之外, 随频率升高或频率下降都将使放大倍数急剧下降, 如 数的幅度与频率的关系曲线称为幅频特性 曲线 数 A v m 的 工程上把放大倍数下降到中频段放大倍 1 2 ( 即 0 707) 倍时, 对应的低端频率 f L 称为下限频率, 对应的高端频率 f H 称为 上限频率 f L 与 f H 之间的频率范围称为通 频带或波段宽度, 记作 B W, 即 B W = f H - f L (2 33) 47 所示, 电压放大倍 47 阻容耦合放大电路幅频特性 工程应用 通频带是放大电路的重要指标, 例如, 音响放大设备下限频率越低, 低音响应越好 ; 上限频率越高, 高音特性越好 在低频段引起放大倍数下降的因素主要是耦合电容和射极旁路电容的容抗变大, 使信号衰减加大 实用中一般选用较大电容量的耦合电容 (4 7~ 50 μf), 射极旁路电容则更应大些 (30~ 100 μ F) 在高频段引起放大倍数下降的主要因素是三极管的结电容和电路引线分布电容的影响 工作频率较高时应选用截止频率高的三极管, 并注意元器件的安装工艺 多级放大电路的通频带比它的任何一级的通频带都窄 48(a) (b) 所示为两级参数完全相同的单级放大电路的幅频特性曲线, 组成两级放大电路后放大倍数相乘, 其幅频特性曲线如 48 (c) 所示, 中频段的放大倍数与高 低频段放大倍数的差值变大, 即两级放大电路的通频带 B W 比单级放大电路的通频带 B W 窄 且放大电路级数越多, 通频带就越窄 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选得更宽一些 复习思考题 1 什么是多级放大电路? 为什么要使用多级放大电路? 2 多级放大电路有哪几种耦合方式, 各有什么特点? 3 根据题 5 1 所示放大电路回答 : (1) 电路由几级放大电路构成? 并说明各级之间采用何种耦合方式? 48 两级放大电路的通频带 (a) (b) 单级放大电路的通频带 (c) 两级放大电路的通频带

36 70 第二章晶体三极管及基本放大电路 题 5 1 (2) 各级采用哪类偏置电路? (3) 画出电路框图 4 某三种放大电路中, 若测得 A v1 = 10,Av2 = 100,A v3 = 100, 试问总的电压放大倍数是多少? 折算为分贝数 是多少? 5 什么是幅频特性? 试确定题 5 2 所示曲线的上 下限频率的数值及放大信号的频率范围 题 5 2 本章小结 1 三极管是由两个 P N 结构成的半导体器件, 在发射结正偏 集电结反偏的条件下, 具有电流放大作用 ; 在发射结与集电结均正偏时, 处于饱和状态, 相当于开关的闭合 ; 在发射结与集电结均反偏时, 处于截止状态, 相当于开关的断开 在实际电路中, 三极管的放大功能和开关功能得到广泛应用 三极管有 PNP 型和 N PN 型两大类 三极管的特性曲线和参数是正确运用器件的依据, 根据它们可以判断管子的质量以及正确使用范围 β 表示电流放大能力 ;IC B O IC E O 的大小表明三极管的温度稳定性 ;PC M IC M V (B R )C E O 规定了三极管的安全运用范围 2 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电路设置合适的静态工作点, 以保证放大信号时始终工作在放大区 3 放大电路的分析方法有估算法和图解法两种 估算法较为简便, 可用来估算静态工作点 输入电阻 输出电阻 放大倍数 ; 图解法要作出直流负载线 交流负载线, 用来分析放大电路

37 知识能力测验二 71 的动态特性比较直观, 并有助于对放大原理的理解 4 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 集电极基极偏置电路 5 多级放大电路的级间耦合方式有阻容耦合 变压器耦合 直接耦合和光电耦合 4 种 多级放大电路的电压放大倍数 A v 和电压增益 G v 分别为 (1) Av = Av1 Av2 Av n (2) Gv = Gv1 + Gv2 + + Gv n 6 放大电路的通频带由上限频率和下限频率之差决定, 放大电路对通频带范围内的信号实现正常放大 知识能力测验二 一 判断题 ( 共 15 分, 每小题 3 分 ) 1 晶体三极管的输入特性曲线反映 V B E 与 IC 的关系 ( ) 2 晶体三极管的主要性能是具有电流和电压放大作用 ( ) 3 N PN 管处于放大状态时, 发射结加正向电压, 集电结加反向电压 ( ) 4 放大电路通常用 ib ic vc e 表示静态工作点 ( ) 5 为消除放大电路的截止失真, 应将上偏置电阻 Rb 调小些 ( ) 二 填空题 ( 共 40 分, 每个填空 2 分 ) 1 三极管具有两个 PN 结 :(1) 结,(2) 结 ; 还有三个区 :(1), (2),(3) 2 放大电路的基本性能是具有 能力 3 对直流通路而言, 放大电路中的电容可视为 ; 对于交流通路而言, 容抗小的电 容器可视作, 内阻小的电源可视作 4 在共发射极放大电路中, 输入电压 vi 与输出电流 io 相位, 与输出电压 vo 相 位 5 通常用放大倍数来表示放大电路的,(1)Ai = ;(2)A v = ; (3)A p =, 这三者之间的关系是 6 通常用 为单位表示放大电路的增益,Gp = A p,gv = A v 7 一放大电路的电压放大倍数为 1 000, 转换为分贝数为 三 选择题 ( 共 15 分, 每小题 3 分 ) 1 处于放大状态时, 加在硅材料三极管的发射结正偏压为 A 0 1~ 0 3 V B 0 5~ 0 8 V C 0 9~ 1 0 V D 1 2 V 2 N PN 三极管工作在放大状态时, 其两个结的偏压为 A V B E >0 V B E < V C E B V B E <0 V B E < V C E C V B E >0 V B E > V C E D V B E <0 V C E >0

38 72 第二章晶体三极管及基本放大电路 3 放大电路电压放大倍数 A v = - 40, 其中负号代表 A 放大倍数小于 0 C 同相放大 B 衰减 D 反相放大 4 若某电路的电压增益为 - 20 db, 该电路是 A 同相放大电路 C 跟随器 B 衰减器 D 反相放大电路 5 一个由 NPN 硅管组成的共发射极基本放大电路, 若输入电压 v i 的波形为正弦波, 而用示波 器观察到输出电压的波形如题 1 所示, 那是因为造 成的 A B Q 点偏高出现的饱和失真 Q 点偏低出现的截止失真 C Q 点合适,vi 过大 D Q 点偏高出现的截止失真 四 分析题 (6 分 ) 分析题 2 中的放大电路存在的问题 题 1 题 2 五 计算题 1 基本放大电路如题 3 所示, 求 :(9 分 ) (1) 静态工作点 IB Q IC Q V C E Q ; (2) 电压放大倍数 A v ; (3) 输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro 题 3 题 4

39 实验技能训练二 73 2 在题 4 所示放大电路中, 已知三极管的 β = 50,Rb 1 = 30 kω,rb 2 = 10 kω,rc = 1 5 kω,re = 2 kω (15 分 ) (1) 说明元件 Rc V Re Rb 1 和 Ce 的作用 ; (2) 用符号式表述稳定工作点的过程 ; (3) 估算静态工作点 IB Q IC Q V C E Q 实验技能训练二 单管低频放大电路的调试 一 训练目的 1 通过实验进一步熟悉单管低频放大电路的基本原理 2 学会使用电子仪器 ( 低频信号发生器 万用表 毫伏表 示波器 ) 测量和调整电路 二 训练器材 1 示波器 2 低频信号发生器 3 直流稳压电源 4 毫伏表 5 万用表 6 电烙铁 镊子 剪线钳等常用工具 1 套 7 单管低频放大电路套件 ( 如实验 1 所示 ) 三 训练内容与步骤 1 单管低频放大电路的制作 实验 1 所示为单管低频放大电路的原理 图, 按图焊接好电路 焊接时应注意三极管的引脚和电解电容的极性不能焊错 2 静态工作点的调整 实验 1 (1) 工作点的静态调整在三极管集电极与电阻 Rc 之间串入电流表 ( 可用万用表直流电流 挡 ), 接入 12 V 电源, 调电位器 RP 使 IC Q = 1 m A, 用电压表测量 V B E Q V C E Q (2) 静态工作点的动态调整在负载 RL 未接入时, 用示波器观察输出电压 v 的波形 在 放大电路输入端利用低频信号发生器输入 1 kh z 低频信号, 从 Vi = 10 m V( 峰值 ) 开始逐渐增加 输入信号幅度, 从示波器上观察放大电路输出信号波形直到开始出现失真为止 再一次仔细地 微调电位器 RP, 使输出不失真波形的幅度最大, 测量静态工作点 IC Q V C E Q 将波形图和测量数 据记录在实验表 2 1 中 3 观察静态工作点对输出波形的影响 (1) 在负载 RL 接入时, 在放大电路输入端利用低频信号发生器输入 20 mv / 1 kh z 低频信 号, 同时用示波器观察输出电压 vo 的波形

40 74 第二章晶体三极管及基本放大电路 实验表 2 1 静态工作点对输出波形的影响 测量数据 工作点 工作点合适工作点偏低工作点偏高 I C Q V C E Q R P 输出电压波形 (2) 观察截止失真波形将电位器 RP 调大, 使输出波形顶部出现约 形图, 测量静态工作点 IC Q V C E Q 及 RP 阻值, 记录在实验表 2 1 中 1 的切割失真, 画出波 3 (3) 观察饱和失真波形将电位器 RP 调小, 使输出波形底部出现约 1 / 3 的切割失真, 画出 波形图, 测量静态工作点 IC Q V C E Q 及 RP 阻值, 记录在实验表 2 1 中 4 放大倍数的测量 (1) 不接入负载电阻, 放大电路输入 10 mv / 1 k Hz 的低频信号, 用毫伏表测量输入电压 Vi 和输出电压 V o 数值, 计算放大电路的电压放大倍数 A v, 将测量结果记入实验表 2 2 (2) 接入负载电阻 RL = 3 kω, 放大器输入 10 m V / 1 k Hz 的低频信号, 用毫伏表测量输入电 压 Vi 和输出电压 V o 数值, 计算放大器的电压放大倍数 A v, 将测量结果记入实验表 2 2, 并与应 用公式计算的结果相比较 实验表 2 2 放大倍数的测量 是否加负载电阻 输入信号 V i 输出信号 Vo 放大倍数 Av 未接接入 5 故障现象观察和分析 (1) 上偏置电阻 Rb 1 开路, 在放大电路输入端分别加上 300 m V 和 800 m V 的正弦信号, 用 示波器观察输出波形, 并分析 Rb1 开路对电路的影响 (2) 旁路电容 Ce 开路, 放大电路输入 10 mv / 1 k H z 的低频信号, 比较电容 Ce 接入与开路 这两种情况下的输出电压 V o 与电压放大倍数 A v, 并将数据记录在实验表 2 3 中 实验表 2 3 旁路电容对放大倍数的影响 是否加旁路电容 C e 输入信号 V i 输出信号 V o 放大倍数 A v 未接 接入

41 实验技能训练二 75 四 思考题 1 增大输入信号幅度会使输出波形出现失真, 试分析原因 说明如何消除这种失真 2 输出电压波形的顶部被切割, 属于何种失真? 应如何消除这种失真? 3 为什么接入负载后放大倍数会减小? 4 断开射极电阻的旁路电容 Ce, 对放大器的放大倍数有何影响? 试分析原因

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