第二章：三极管及其基本放大电路

1.三极管的结构、分类、符号、特点。(B)

2.三极管的电流放大原理。(B)

3.三极管的特性曲线。(B)

4.三极管的各工作状态的条件、判断。(C)

5.三极管器件手册的使用和主要参数。(B)

6.三极管的管脚识别与质量判别。(D)

7.基本放大电路的组成。(B)

8.设置静态工作点的目的。(C)

9.三种基本放大电路的原理及特点。(C)

10.放大器的主要性能指标。(B)

11.估算分析法Q点,Av、ri、ro的估算。(D)

12.图解分析法。(A)

13.波形的失真与消除。(B)

14.静态工作点不稳定的原因。(A)

15.分压式偏置放大电路的原理。(C)

16.集-基偏置放大电路的原理。(B)

17.四种耦合方式及特点。(B)

18.阻容耦合放大器的放大倍数。(B)

19.阻容耦合放大器的幅频特性。(A)

近三年四川省对口升学本章考点内容及考题分析

续表

本章应重点掌握三极管的电流放大作用,三极管的各种工作状态、管脚、管型及材料的判别;掌握放大电路静态工作点和交流参数的估算方法,提升计算能力;理解三极管的输入、输出特性曲线;理解因静态工作点设置不当引起的非线性失真和消除非线性失真的方法;理解共发射极、共集电极放大电路性能特点。

一、晶体三极管

1.三极管的结构、分类、符号、特点

(1)结构、符号、特点(见图2-2-1)

三极:发射极(e)、基极(b)、集电极(c)

三区:发射区、基区、集电区

两个PN结:发射结、集电结

图2-2-1 三极管的结构和电路图形符号

(2)分类

①按半导体材料分:硅三极管、锗三极管

②按内部结构分:NPN型三极管、PNP型三极管

③按工作频率分:低频三极管、高频三极管

④按用途分:普通三极管、开关三极管

⑤按功率分:大功率三极管、中功率三极管、小功率三极管

2.三极管的电流放大作用

(1)晶体管具有电流放大作用的内部条件:发射区掺杂浓度较大;基区薄,掺杂浓度低;集电区面积大。

(2)晶体管具有电流放大作用的外部条件:发射结正偏、集电结反偏。

(3)三极管的电流放大实质:电源电压未改变时,基极电流IB的微小变化控制集电极电流IC较大的变化。三极管是电流控制型器件。

(4)三极管的电流分配关系:IE=IB+IC。

3.三极管的特性曲线

(1)共发射极输入特性曲线:当输出电压VCE一定时,输入电压vBE与输入电流iB之间的关系曲线,如图2-2-2所示。

温度对输入特性曲线的影响:温度升高后,三极管的导通电压vBE会减小,随之而来的就是整条输入曲线左移,iB也会随之增大,如图2-2-3所示。

图2-2-2 输入特性曲线

图2-2-3 温度对输入特性曲线的影响

(2)共发射极输出特性曲线:当基极输入电流IB为定值时,输出电压vCE与输出电流iC之间的关系曲线,如图2-2-4所示。

三极管输出特性曲线有三个区域:截止区、放大区和饱和区(见表2-2-1)

图2-2-4 输出特性曲线

表2-2-1 三极管工作状态

4.三极管的主要参数

三极管的种类非常多,从三极管使用手册中可以查到三极管的型号、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。三极管有以下几个主要参数。

(1)电流放大系数

共发射极直流放大系数:

共发射极交流放大系数:

(2)极间反向饱和电流:ICEO=(1+β)ICBO

(3)极限参数

①集电极最大允许电流ICM:集电极电流IC过大时,三极管的β值要降低,当IC超过ICM后,β将下降到不能允许的程度。

②集电极最大允许耗散功率PCM:三极管的最大允许平均功率,它是IC和VCE的乘积允许的最大值,超过此值三极管会过热而损坏。

③集电极-发射极极间反向击穿电压V(BR)CEO:基极开路时,集电极与发射极之间承受的最高反向电压。若管子的VCE超过V(BR)CEO,会引起电击穿导致管子损坏。

5.温度对三极管参数的影响

几乎所有的三极管参数都与温度有关,因此不容忽视。温度对下列的三个参数影响最大。

(1)对β的影响

三极管的β随温度的升高而增大,温度每上升1℃,β值增大0.5%～1%,其结果是在相同的IB情况下,集电极电流IC随温度上升而增大。

(2)对反向饱和电流ICEO的影响

ICEO是由少数载流子漂移运动形成的,它与环境温度关系很大,ICEO随温度上升而急剧增加。温度每上升10℃,ICEO将增加一倍。由于硅管的ICEO很小,所以温度对硅管ICEO的影响不大。

(3)对发射结电压Vbe的影响

和二极管的正向特性一样,温度每上升1℃,Vbe将下降2～2.5 m V。

综上所述,随着温度的上升,β值将增大,IC也将增大,VCE将下降,这对三极管放大作用不利,使用中应采取相应的措施(如加装散热片等)克服温度的影响。

6.三极管在电路中的基本连接方式(见图2-2-5)

图2-2-5 三极管在电路中的基本连接方式

二、放大器的基本知识

(一)放大器的定义:能把微弱的电信号(电压或电流)放大,转换成较强的电路,称为放大器。

注意:Po＞Pi

(二)放大器的常用指标

1.放大倍数

Av=Vo/Vi

Ai=Io/Ii

Ap=Av Ai

2.放大器的增益

Gv=20lg Av

Gi=20lg Ai

Gp=10lg Ap

3.通频带BW

BW=fH-fL

三、三极管基本放大电路

1.电路组成(见图2-2-6)

图2-2-6 三极管基本放大电路组成

(1)VT:三极管,起电流放大作用。

(2)VG:直流电源,为电路提供工作电压和电流。

(3)Rb:基极偏置电阻,为基极提供合适的偏置电流。

(4)Rc:集电极负载电阻,电源通过Rc向集电极供电,同时将三极管放大电流iC转换成放大的电压输出。

(5)C1、C2:耦合输入、输出电容,起隔直通交的作用。

2.放大电路的静态分析

(1)概念

静态:将放大器输入端短路,放大器处于无交流信号输入的状态。(vi=0)

静态工作点(Q点):三极管直流电压VBEQ、VCEQ和对应的IBQ、ICQ。

(2)静态工作点的作用

①当输入正弦信号vi时,在其正半周,发射结导通;负半周,发射结截止,即负半周信号不能输入三极管,无信号输出。

②合适的静态工作点可避免信号的负半周出现截止失真。

③流经VG-Rb-VBE结-地回路的电流,称为偏置电流。提供偏置电流的目的是为了减小截止失真。

(3)放大电路的静态工作点可采用图解法与估算法进行分析计算。

估算法:固定偏置放大电路的求解顺序为IBQ、ICQ和VCEQ,分压式偏置放大电路的求解顺序为VBQ、ICQ、VCEQ及IBQ。

图解法:在输出特性曲线上做出直流负载线,用估算法求出IBQ,找出两线的交点,即为静态工作点Q。从图像中读出ICQ、VCEQ的值。

3.放大电路的动态分析

(1)动态:放大电路加有交流信号时的工作状态。

(2)动态时,放大电路中各电压电流既有直流分量,又有交流分量。可根据放大电路的交流通路对电路参数(ri、ro、Av)进行分析计算。

(3)放大电路的动态分析常用的方法有图解法和估算法。

图解法:主要利用三极管特性曲线分析最大不失真输出电压和失真情况等。

估算法:适用于低频小信号交流分量作用于放大电路时其动态技术指标的计算。

★知识小结(见表2-2-2)

表2-2-2 常见放大电路的动、静态分析

4.静态工作点不稳定的原因

电源电压的波动、元件老化以及温度变化所引起晶体管参数变化,都会造成静态工作点的不稳定,从而使动态参数不稳定,有时甚至造成电路无法正常工作。在引起Q点不稳定的诸多因素中,温度对晶体管的影响是最主要的。

5.稳定静态工作点典型电路

(1)分压式偏置放大电路(见图2-2-7)

图2-2-7 分压式偏置放大电路

固定偏置放大电路主要受温度变化影响静态工作点不稳定,分压式偏置放大电路在固定偏置的基础上,增加基极下偏置电阻,增加射极电阻Re,增加射极旁路电路Ce。固定偏置放大电路是一种普遍应用的稳定静态工作点偏置电路。稳定静态工作点简要过程:

T↑→ICQ↑→IEQ↑→VEQ↑→VBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓

(2)集电极-基极偏置放大电路(见图2-2-8)

图2-2-8 集电极-基极偏置放大电路

Rb跨接在三极管的集电极和基极之间,这样能将VCEQ的变化通过Rb反馈到输入端,自动调节基极电流IBQ来稳定静态工作点。稳定静态工作点简要过程:

T↑→ICQ↑→VCEQ↓→IBQ↓→ICQ↓

四、放大器的直流通路和交流通路(www.chuimin.cn)

1.直流通路

直流通路:直流电流流通的路径,用于研究静态工作点。

直流通路画法:将电容视为开路,电感视为短路。

2.交流通路

交流通路:交流电流流通的路径,用于研究动态参数及性能指标。

交流通路画法:将大电容和小电源视为短路。

五、多级放大器

1.多级放大器的极间耦合方式

阻容耦合:优点是元件少、重量轻、成本低,适用于低频小信号放大电路。

变压器耦合:优点是实现电路间的阻抗匹配,使负载获得最大的输出功率。

光电耦合:优点是可实现前后级电隔离,便于集成化。

直接耦合:主要优点是适应集成技术。

基本要求:

(1)保证信号能顺利地由前级传送到后级;

(2)连接后仍能使各级放大器有正常的静态工作点;

(3)信号在传送的过程中失真要小,级间传输效率要高。

2.阻容耦合多级放大电路的电压放大倍数

(1)总的电压放大倍数

Av=Av1·Av2·Av3·…·Avn

(2)总的电压增益

Gv(dB)=Gv1(dB)+Gv2(dB)+…+Gvn(dB)

(3)阻容耦合多级放大器的幅频特性(见图2-2-9)

图2-2-9 阻容耦合多级放大器的幅频特性

通频带:BW=fH-fL

注意:多级放大器的通频带比它的任何一单级通频带都窄。

【例1】 试判断如图所示各三极管工作状态。

【答案】 图(a)发射结正偏,集电结正偏,工作在饱和状态。

图(b)发射结正偏,集电结反偏,工作在放大状态。

图(c)发射结反偏,工作在截止状态。

图(d)发射结正偏,集电结反偏,工作在放大状态。

【解析】 三极管有三种工作状态。工作状态是发射结正偏,集电结反偏为放大状态;发射结正偏,集电结正偏为饱和状态,发射结反偏为截止状态。解题关键是理解正偏、反偏的含义,当P区电位大于N区电位,该PN结即为正偏,否则为反偏。

【例2】 测出两种工作于放大状态的三极管对地电位分别是:①1脚5.7 V、2脚5 V、3脚10 V,②1脚-7.5 V、2脚-3 V、3脚-3.3 V。试判断两种三极管的管脚、管型和材料。

【答案】 ①为NPN型硅管,1脚为基极B,2脚为发射极E,3脚为集电极C。

②为PNP型锗管,1脚为集电极C,2脚为发射极E,3脚为基极B。

【解析】 处于放大状态的三极管各级电位高低关系,对于NPN型满足VC＞VB＞VE,对于PNP型管满足VE＞VB＞VC。硅管发射结电压约为0.7 V,锗管发射结电压约为0.3 V。分析时可假设为某一类型管,根据该假设类型管首先确定VC、VB、VE高低顺序,其次比较VB、VE电压差绝对值满足0.7 V或者0.3 V,即可获得管型、管脚及材料。

【例3】 在如图所示的三极管放大电路中,已知输入信号ui波形及输出信号uo波形分别如图(a)、(b)所示,则可以确定它出现了( )

A.饱和失真 B.截止失真

C.交越失真 D.饱和失真及截止失真

【答案】 A

【解析】 静态工作点Q设置偏高时,输出波形底部被截平,出现饱和失真,改进措施是增大RB。静态工作点Q设置低时,输出波形顶部被截平,出现截止失真,改进措施是减小RB。当输入IBQ幅度过大时,输出波形顶部和底部均被截平,既出现饱和失真又出现截止失真,改进措施时减小IBQ幅度。

【例4】 在如图所示的电路中,已知VCC=12 V,RB=100 kΩ,晶体管的β=100。试回答以下问题:

(1)当ui=0 V时,测得VBEQ=0.7 V,若要使基极电流IBQ=20μA,则RB与RW之和R′B为多大?若测得VCEQ=6 V,求RC的值;

(2)若输入电压有效值ui=5 m V时,空载输出电压有效值uo=0.6 V,求电压放大倍数Av;

(3)若输出端接入负载RL(RL=RC),求电压放大倍数Av。

【解析】 本题为典型的共发射极基本放大电路用估算分析法解题。(1)直流通路状态下,即可求出未知量。(2)根据电压放大倍数定义求解。(3)输出端空载时,输出端带负载时,其余参数未发生改变,根据RC∥RL与RC比值即可求得带负载电压放大倍数。

【例5】 如图所示,晶体管的β=80,VBEQ=0.7 V,求VBQ、IBQ、ICQ、VCEQ、Av。

【解析】 本题解题关键在于求静态工作点画直流通路时,旁路电容Ce作开路处理,发射极上保留Rf、Re两个电阻。计算静态工作点的顺序是VBQ、ICQ、IBQ、VCEQ。求电压放大倍数Av,交流通路如图(a)所示,为了方便分析内部结构作如图(b)所示的微变等效电路。

一、单项选择题

1.下列数据中,对于NPN型三极管来说,处于放大状态的是( )

A.VBE＞0,VBE＞VCE B.VBE＞0,VBE＜VCE

C.VBE＜0,VBE＞VCE D.VBE＜0,VBE＜VCE

2.三极管处于饱和状态时( )

A.集电结正偏,发射结反偏 B.集电结、发射结均正偏

C.集电结、发射结均反偏 D.集电结反偏,发射结正偏

3.工作在放大状态的三极管,当IB从20μA增大到40μA时,IC从2 m A变为4 m A,则它的β值约为( )

A.10 B.50

C.80 D.100

4.测得某三极管各极对地电位分别是VC=7 V,VE=2 V,VB=2.7 V,则该三极管处于( )

A.放大状态 B.饱和状态

C.截止状态 D.无法确定

5.由三极管构成的放大电路电压增益Gv=-20 d B,则下列说法正确的是( )

A.该电路是反相放大电路 B.该电路的作用不是放大而是衰减

C.该电路不具备放大能力 D.该电路的电压放大倍数是10

6.某三级放大电路中,各级电压增益分别为30 dB、-20 dB、50 d B,则该放大电路的电压总增益为( )

A.0 B.50 d B C.60 d B D.100 d B

7.三极管参数为PCM=800 m W,ICM=100 m A,V(BR)CEO=30 V,在下列几种情况中,_________属于正常工作。( )

A.VCE=15 V,IC=150 m A B.VCE=20 V,IC=80 m A

C.VCE=35 V,IC=100 m A D.VCE=10 V,IC=50 m A

8.造成放大器静态工作点不稳定的因素有很多,最主要的影响是( )

A.电源VG的波动 B.环境温度的变化

C.集电极电阻RC的变化 D.耦合电容的变化

9.三极管放大电路中,当集电极电流增大时,则三极管( )

A.基极电流减小 B.集电极对发射极电压VCE上升

C.集电极对发射极电压VCE下降 D.放大倍数减小

10.用万用表R×1 k挡,黑表笔接某性能良好的三极管①脚,红表笔分别接②③脚测得两次阻值均为几千欧姆;再将黑表笔接③脚,红表笔接②脚同时用手接触①③脚时发现指针偏转较小;而再将黑表笔接②脚,红表笔接③脚同时用手接触①②脚时发现指针偏转较大,则( )

A.该管为NPN管,②脚为集电极 B.该管为NPN管,③脚为集电极

C.该管为PNP管,②脚为集电极 D.该管为PNP管,③脚为集电极

二、判断题(正确的选“A”,错误的选“B”)

1.晶体三极管具有能量放大作用。( )

2.在单管放大电路中,若VG不变,只要改变集电极电阻RC的值就可以改变集电极电流的值。( )

3.放大器常采用分压式偏置电路的主要目的是为了提高输入阻抗ri。( )

4.放大器的放大倍数与信号频率无关,即无论信号的高、中、低任一频段,放大倍数都是相同的。( )

5.共发射极放大电路的输出电压和输入电压信号是反相的。( )

6.三极管放大电路有负载RL后,电压放大倍数Av将比空载时提高。( )

7.画低频小信号放大器的直流通路时,电容器应看作开路。( )

8.射极输出器具有稳定输出电压的作用。( )

9.在三极管的输出特性曲线的饱和区,IC受IB的控制而变化,即ΔIC=βΔIB。( )

10.三极管的输出特性曲线可分为截止区、饱和区和放大区,放大区具有恒流特性。( )

三、填空题

1.放大器必须对电信号的_________有放大作用,否则,就不能称为放大器。

2.当半导体三极管的________正向偏置,_________反向偏置时,三极管具有放大作用,即基极电流能控制_________极电流。

3.为了保证不失真放大,放大电路必须设置静态工作点。对NPN管组成的基本共射放大电路,如果静态工作点太低,将会产生_________失真,应调RB,使其_________,则IB_________,这样可克服失真。

4.三极管的电流放大原理是_________电流的微小变化控制_________电流的较大变化。

5.已知一放大电路中某三极管的三个管脚电位分别为①3.5 V,②2.8 V,③5 V,试判断:

a.①脚是_________,②脚是_________,③脚是_________;(填“e”“b”或“c”)

b.管型是________;(填“NPN”或“PNP”)

c.材料是_________。(填“硅”或“锗”)

6.电压放大倍数出现正负号表示________关系,其中“+”号表示________关系,而“-”号表示_________关系;但电压增益出现“-”号则表示该电路不是_________而是_________。

7.放大器的输入电阻越________越好,这样有利于减轻________的负担;而输出电阻越_________越好,这样可以提高_________的能力。

8.射极输出器电路属于________电路,其对________没有放大能力,但对________和_________却有放大能力,它的输入电阻很_________,而输出电阻很_________。

9.三极管的输出特性曲线可分为三个区域,即________区、_________区和________区。当三极管工作在_________区时,关系式IC=βIB才成立;当三极管工作在_________区时,IC=0,VCC≈VCE;当三极管工作在________区时,VCE≈0。

10.通常多级放大器级数越多,通频带越_________。

四、分析计算题

1.在如图所示的电路中,VCC=12 V,Rb=200 kΩ,Rc=1 kΩ,Re=1 kΩ,β=80,发射结管压降为0.7 V,试求静态工作点的IBQ、ICQ、VCEQ。

第1题图

2.放大电路如图所示,已知三极管的β=40,VBEQ=0.7 V。

(1)估算静态工作点的ICQ、IBQ、VCEQ;

(2)用流程图说明温度升高时,稳定静态工作点的过程。

第2题图

3.在如图所示的电路中,已知三极管为硅管(VBEQ=0.7 V),且β=50,试估算静态值IBQ、ICQ、VCEQ。

第3题图

4.如图所示的电路中,VBEQ=0.3 V,β=50,试求静态工作点的IBQ、ICQ、VCEQ。

第4题图

5.在如图所示的两级阻容耦合放大电路中,设三极管VT1、VT2的参数为β1=β2=50,VBE1=VBE2=0.7 V,其他元件的数值如图中所示。求:

(1)第一级和第二级放大器的静态工作点;

(2)总的电压放大倍数Av;

(3)输入电阻ri和输出电阻ro。

第5题图