第2章 放大电路基础讲义

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1、第2章 放大电路基础,放大电路是组成电子电路的基本单元，也是电子设备的核心模块。放大电路的性能决定了应用电路的性能，直接影响电子设备的品质。放大电路有多种基本结构和形式，适用于不同的应用电路。本章将介绍与放大电路有关的半导体器件，然后对基本放大电路的结构、性能特点、电路参数的设置以及它们对放大电路性能的影响等问题进行讨论。,2.1 晶体管 知识点 （1）晶体管的基本特性、工作状态和主要参数。 （2）晶体管三种工作状态的偏置条件及判断。 技能点 （1）会测试及选择常用的晶体管。 （2）能够熟练判断晶体管的工作状态。,2.1.1 晶体管简介 晶体管即半导体三极管（俗称三极管），是电子电路中最常用的

2、半导体器件之一，一些常见晶体管的外形如图2-1所示。晶体管的种类很多，按管芯材料分有硅管和锗管；按工作频率分有高频管、低频管；按功率分有小、中、大功率管；按工作状态分有放大管和开关管；按内部结构分有NPN和PNP两种类型。,(a)金属封装管 (b)塑料封装管 图2-1 常见的晶体管外形,晶体管符号中的箭头用于指示晶体管正向电流的方向，显然，两种类型晶体管的正向电流方向截然不同。,晶体管的内部结构及电路符号如图2-2所示。NPN和PNP两种类型晶体管的管芯均由三层半导体构成，每层依次分别称为集电区、基区和发射区；三个区之间构成的两个PN结分别称为集电结、发射结；每个区所引出的三个电极分别称为集电

3、极c、基极b和发射极e。,以晶体管VT为核心组成的放大电路的仿真电路如图2-3所示，示波器显示了放大电路的输入信号ui（通道A）、输出信号uo（通道B）的波形和相关数据。,图2-3 放大电路的仿真电路,2.1.2 晶体管的基本特性 1、晶体管的放大状态 在图2-3中所示的电路，外加的偏置电压是使得晶体管的发射结正偏（UBE0.65V）、集电结反偏（UBC=UBE-UCE5.25V）。为了进一步探讨晶体管的基本特性，下面对图2-4所示的晶体管特性仿真电路的实验数据进行分析（以NPN型硅管为例）。,图2-4 晶体管基本特性的仿真电路,调节可变电阻RP，由各个电流表可测得相应的IB、IC、IE，如表

4、2-1所示。,分析实验数据，可以看出： （1）三个电流符合基尔霍夫电流定律，即 IE = IBIC （2-1） 基极电流IB很小，一般可忽略IB不计，因此有 IE IC。 （2）IC与IB的的比值近似为一个常数，即 = IC / IB 基极电流IB的微小变化能引起集电极电流Ic较大的变化，即 =dIC/dIB 以上的和分别称为晶体管的直流电流放大系数和交流电流放大系数，且有。为了表示方便，在实际应用中一般不加以区分，统称为电流放大系数。,表2-1 实验测试数据1,由此可得出 ICIB （2-2） IE =（1+）- IB （2-3） （3）结论： 1）工作在放大状态的晶体管具有电流放大作用，I

5、C是IB的倍。反映了晶体管的电流放大能力。 2）IB的微小变化能引起IC的较大变化，通过IB来控制IC，可实现小电流（小信号）控制大电流（大信号）的目的。所以，晶体管是一种电流控制型器件。 注意：晶体管不能产生电流，电路中的电流是由直流电源提供。,2、晶体管的饱和状态 在图2-4的仿真电路中，继续增大输入的基极电流，观测到的有关数据如表2-2所示。 表2-2 实验测试数据2,从表中的数据可看出，随着IB、IC的增大，晶体管的UCE随之下降，当UCE0）时，则称晶体管进入了饱和状态。在深度饱和状态下，晶体管的c-e极之间相当于短路，等效于一个开关闭合。通常将UCE =UBE（即UBC=0、集电结

6、零偏）称为晶体管的临界饱和状态。,3、晶体管的截止状态 将基极电源VB的开关J1断开，电路状态如图2-5所示。晶体管的UBE0，IB、IC、IE均近似为0，UCE等于集电极电源VC，此时晶体管的状态称为截止状态。在截止状态中，晶体管的c-e极之间相当于开路，等效于一个开关断开。通常将UBE0（即发射结反偏或零偏）作为晶体管截止的标志。,图2-5 晶体管截止状态的仿真电路,2.1.3 晶体管的特性曲线和主要参数 1、晶体管的特性曲线 晶体管的特性曲线是指各电极间电压和电流之间的关系曲线。晶体管的特性曲线通常用专门的特性图示仪直观显示。NPN型硅管典型的特性曲线如图2-6所示。,1、输入特性曲线

7、指当集电极与发射极之间电压uCE为常数时，输入回路中的基极电流iB与基-射电压uBE之间的关系曲线，如图2-6a所示。 它类似二极管正向特性曲线：硅管死区电压约为0.5 V（锗管的约为0.1V）；发射结正常导通时，常温下硅管的导通电压uBE约为0.7 V（锗管的uBE约为0.3V）；且当uCE1V后，输入曲线基本与uCE无关。 2、输出特性曲线 指当iB为常数时，输出回路中的iC与uCE之间的关系曲线，由不同的iB可得出不同的曲线，故晶体管的输出特性是一组曲线，如图2-6 b所示。通常将输出特性曲线划分成三个区域（即晶体管的三种工作状态）。 （1）放大区 输出曲线近于水平的区域为放大区，也称线

8、性区。此时晶体管的发射结正偏，集电结反偏。晶体管工作在放大状态，具有恒流特性：iC=iB，iC仅受iB控制，与uCE基本无关。 偏置： NPN型 UCUBUE（集电极电位最高、发射极电位最低）； PNP型 UCUBUE（发射极电位最高、集电极电位最低）。,（2）饱和区 uCEuBE时的区域称为饱和区。此时的发射结和集电结均为正偏。晶体管进入饱和状态后，iB失去了对iC正常的控制作用，iCiB。 此时对应的uCE值称为饱和压降，用uCES表示。硅管的uCES约为0.3V，锗管的约为0.1V，一般都可认为uCES0。此时晶体管的c-e之间相当于短路，等效于一个开关闭合。 偏置： NPN型 UC U

9、B、UBUE（基极电位最高）； PNP型 UC UB、UB UE（基极电位最低）。 （3）截止区 iB = 0以下的区域称为截止区。此时的发射结零偏或反偏，集电结反偏。晶体管进入截止状态，iB = 0， iC = ICEO 0，其中的ICEO称为穿透电流（一般可忽略）。 此时晶体管的c-e之间相当于开路，等效于一个开关断开。为了使截止可靠，通常总使得发射结处于反偏。 偏置： NPN型 UB UE； PNP型 UB UE。 综上所述，设置不同的偏置电压，晶体管可以工作在放大状态，实现电流放大；还可以进入饱和、截止状态，相当于一个可控的无触点开关，常在数字电路中用做开关元件。,2. 晶体管的主要参

10、数 电流放大系数 是表征晶体管电流放大能力的参数。值太小时电流放大能力差；而值太大则稳定性差，选择晶体管时需折中考虑，值会随温度的升高而增大。 穿透电流ICEO 指基极开路时集-射极之间的电流。其随温度上升而剧增，是影响晶体管温度稳定性的主要因素， ICEO越小越好。硅管的ICEO比锗管的小得多。 集电极最大允许电流ICM 指能保证晶体管正常工作时所允许的最大工作电流。在实际使用中，集电极的工作电流iC必须满足iCICM。 集电极一发射极间的击穿电压U(BR)CEO 是指当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。使用时必须满足uCE U(BR)CEO。 集电极最大耗散功率PCM 是指晶体

11、管正常工作时最大允许消耗的功率。晶体管工作时，在管子消耗的功率为 PC = ICUCE，正常工作时，必须保证 PCPCM。,2.1.4 晶体管的测试 1、晶体管的初步测试 1）晶体管内部的结构相当于两个PN结的串联组合（如图2-7所示），只要其中有一个PN结损坏则不能使用。利用测试二极管的方法可以判断其好坏。 2）测试晶体管c-e之间的电阻RCE可初步判断穿透电流ICEO，合格管子的RCE应近似为无穷大，若较小则表明ICEO过大，质量较差，一般不能再使用了。 3）根据发射结正向电阻的大小，可以判断管子的材料是硅或锗（与二极管的判断类似）。,(a) NPN型 (b) PNP型,图2-7 晶体管内

12、部的等效结构,2、判断晶体管的管脚 （1）根据外形判断晶体管的管脚 一些常见晶体管的管脚排列（从底部看）如图2-8 所示（其中的D引脚接外壳）。,（2）用万用表判断晶体管的管脚和类型 1）判断基极和类型 2）判断集电极和发射极,思考题： （1）能否将晶体管的发射极与集电极互换使用？为什么？ （2）怎样用万用表判断晶体管的管脚和类型？ （3）试根据晶体管各个电极的电位，判断图2-9各晶体管的工作状态（放大、饱和或截止）。,图2-9 判断晶体管的工作状态,2.2 基本放大电路 知识点 （1）共射放大电路的结构特点及工作状态的分析。 （2）两种偏置电路的静态工作点估算。 （3）共射放大电路的性能特点

13、及其参数的估算。 （4）共集放大电路、共基放大电路的结构和性能特点。 技能点 （1）会测试、调试共射放大电路的静态工作点。 （2）会判断放大电路的失真并消除。 （3）会估算基本放大电路的性能参数。,晶体管有三个电极，在电路的应用中可以分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端，从而构成共发射极、共集电极和共基极三种接法的放大电路，如图2-10所示（以NPN管为例）。,三种接法的共同点： 输入信号都能改变发射结压降，从而以基极电流的变化控制集电极电流，实现晶体管的电流放大（控制）作用。因此，在构成放大电路时，集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。,2.2.1 共发射极放大电路

14、1、基本共射放大电路结构 基本共射放大电路的组成如图2-11所示（以NPN型硅管为例）。图中的接地符号“”（直流电源的负极）是电路中的0电位。输入信号ui、基极、发射极形成输入回路；负载RL（输出信号uo）、集电极、发射极形成输出回路。发射极是输入、输出回路的公共端，即共射放大电路。,其中：晶体管VT是放大电路的核心，起电流放大作用；Rb是基极偏置电阻，为晶体管提供适当的静态基极电流；Rc是集电极负载电阻，将集电极的电流变化转换为集电极的电压变化；C1和C2是耦合电容，起“隔直通交”作用，即为交流信号提供通路，同时隔离放大电路与信号源和负载之间的直流通路，使电路的工作状态稳定；RL为外接负载，

15、是放大电路的驱动对象，其可以是各种直接实现能量转换的部件（如扬声器等），也可以是后级放大电路的输入电阻。 显然，只要设置合适的电路参数，使直流电源UCC通过Rb、Rc为晶体管VT提供“发射结正偏、集电结反偏”的偏置电压，就能保证晶体管工作在放大状态。,2、工作状态分析 （1）静态分析 1）静态工作点 输入信号为0（即ui=0）时的工作状态称为静态。静态时，电路中的各个电压、电流均为稳定值。根据直流信号在电路中流通的路径可画出放大电路的直流通路，如图2-12a所示（电容在直流通路中相当于开路）。此时晶体管的静态参数IBQ、UBEQ以及ICQ、UCEQ称为该放大电路的静态工作点，简称Q点（这两对数值分别确定了晶体管输入、输出特性曲线上的一点Q），如图2-12b所示。,2）静态工作点的估算 根据直流通路(图2-12a)，则有 IBQ = （2-4） 其中UBEQ为发射结正向压降，一般硅管取值为0.7V，锗管取值为0.3V。 若UCC UBEQ时，则有 IBQ UCC / Rb 。 ICQ = IBQ （2-5） UCEQ = UCCICQRC （2-6）,（2）动态分析 电路输入交流信号（即ui0）时的工作状态称为动态。放大电路的动态如图2-13所示。 ui通过输