电气自动化专业电子技术模拟电子技术电子教案.docx

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电气自动化专业电子技术模拟电子技术电子教案

模拟电子技术课程教案

授课题目：

第2章半导体三极管

教学目的、要求：

要知道

BJT管型、共射接法BJT各电极电流关系、放大电路中对各电极电位要求、BJT放大状态下的uBE值和放大、饱和、截止状态下的uCE值。

三种组态放大电路的特点和适用场合及输入与输出的相位关系；Au、Ri、Ro大小含义；EFT与BJT性能特点区别及其主要参数；频率特性及其指标含义和影响因素、多级放大电路电压放大倍数与各级Au的关系、分贝概念及换算方法。

会画出

共射、共集放大电路的简化小信号模型电路

会计算

BJT的输入电阻rbe；共射、共集、共基电路的“Q”、Au、Ri、Ro；共源电路的Au、Ri、Ro。

会识别

BJT放大电路的三种组态；各种EFT的特性和UGS（th）、UGS（off）值。

会判断

uCE、iCE与VCC、Rc关系确定放大、饱和、截止状态；输出波形确定失真属性；三个极电位确定管型。

会使用

光电耦合器及光电三极管。

教学重点及难点：

重点

1、BJT电流放大原理及其电流分配关系式；

2、BJT的输入、输出特性；

3、BJT三种工作状态的判断方法；

4、基本放大电路静态工作点的估算；

5、BJT的h参数等效模型及放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；

难点

1、BJT放大原理及电流分配关系式；

2、BJT三种工作状态的判断方法；

3、放大电路的微变等效电路的画法；

4、放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；

教学方法与手段：

本讲以教师讲授为主。

用多媒体演示三极管的结构、输入与输出特性以及温度对三极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。

三极管工作状态、电位和管型的判断方法可以启发讨论。

课堂教学时间分配：

6学时

教学基本内容：

2.1　双极型三极管

2.1.1　BJT的结构

2.1.2　BJT的电流分配与放大原理

1、晶体管的主要类型和应用场合

双极型晶体管BJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

BJT常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。

2、BJT具有放大作用的内部条件和外部条件

1）BJT的内部条件为：

BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结（发射结和集电结）、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。

2）BJT放大的外部条件为：

发射结正偏，集电结反偏。

3、BJT的电流放大作用及电流分配关系

晶体管具有电流放大作用。

当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流IC，体现出IB对的IC控制作用。

此时，可将IC看成电流IB控制的电流源。

三个重要的电流分配关系式：

IE＝IB＋IC

IC＝βIB＋ICEO≈βIB

IC＝αIE＋ICBO≈αIE

4、晶体管的输入特性和输出特性

晶体管的输入特性和输出特性表明各电极之间电流与电压的关系。

现以共射电路为例说明。

1）共射输入特性：

iB＝f（uBE）︱VCE=常数如P24图1.26所示。

输入特性曲线分为三个区：

死区、非线性区和线性区。

其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。

当vCE≥1V时，特性曲线将会向右稍微移动一些。

但vCE再增加时，曲线右移很不明显。

曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。

2）共射输出特性：

iC＝f（uCE）︱iB=常数如P25图1.27所示，它是以iB为参变量的一族特性曲线。

对于其中某一条曲线，当vCE=0V时，iC=0；当vCE微微增大时，iC主要由vCE决定；当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域（这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的）。

因此，输出特性曲线可以分为三个区域：

饱和区、截止区和放大区。

3）晶体管工作在三种不同工作区外部的条件和特点

工作状态

NPN型

PNP型

特点

截止状态

E结、C结均反偏

VB＜VE、VB＜VC

E结、C结均反偏

VB＞VE、VB＞VC

IC≈0

放大状态

E结正偏、C结均反偏

VC＞VB＞VE

E结正偏、C结均反偏

VC＜VB＜VE

IC≈βIB

饱和状态

E结、C结均正偏

VB＞VE、VB＞VC

E结、C结均正偏

VB＜VE、VB＜VC

VCE＝VCES

5、晶体管的主要参数

1）直流参数

（1）共射直流电流放大系数：

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB|

，

在放大区基本不变。

（2）共基直流放大系数：

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

显然

与

之间有如下关系：

=IC/IE=

IB/（1+

）IB=

/（1+

）

（3）穿透电流ICEO：

ICEO=（1+

）ICBO；式中ICBO相当于集电结的反向饱和电流。

2）交流参数

（1）共射交流电流放大系数β：

β=∆IC/∆IB∣

，在放大区β值基本不变。

（2）共基交流放大系数α：

α=∆IC/∆IE∣

当ICBO和ICEO很小时，

≈α、

≈β，可以不加区分。

（3）特征频率fT：

三极管的β值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有关。

由于结电容的影响，当信号频率增加时，三极管的β将会下降。

当β下降到1时所对应的频率称为特征频率。

3）极限参数和三极管的安全工作区

（1）最大集电极电流ICM：

当集电极电流增加时，β就要下降，当β值下降到线性放大区β值的70～30％时，所对应的集电极电流称为最大集电极电流ICM。

至于β值下降多少，不同型号的三极管，不同的厂家的规定有所差别。

可见，当IC＞ICM时，并不表示三极管会损坏。

（2）最大集电极耗散功率PCM：

PCM=iCuCE。

对于确定型号的晶体管，PCM是一个定值。

当硅管的结温大于150℃、锗管的结温大于70℃时，管子的特性明显变坏，甚至烧坏。

（3）极间反向击穿电压：

晶体管某一级开路时，另外两个电极之间所允许加的最高反向电压，即为极间反向击穿电压，超过此值管子会发生击穿现象。

极间反向电压有三种：

UCBO、UCEO和UEBO。

由于各击穿电压中UCEO值最小，选用时应使其大于放大电路的工作电源VCC。

（4）三极管的安全工作区：

由PCM、ICM和击穿电压V（BR）CEO在输出特性曲线上可以确定四个区：

过损耗区、过电流区、击穿区和安全工作区。

使用时应保证三极管工作在安全区。

如P28图1.29所示。

6、温度对晶体管特性及参数的影响

1）温度对反向饱和电流的影响：

温度对ICBO和ICEO等由本征激发产生的平衡少子形成的电流影响非常严重。

2）温度对输入特性的影响：

当温度上升时，正向特性左移。

当温度变化1℃时，UBE大约下降2～2.5mV，UBE具有负温度系数。

3）温度对输出特性的影响温度升高时，由于ICEO和β增大，且输入特性左移，导致集电极电流IC增大，输出特性上移。

总之，当温度升高时，ICEO和β增大，输入特性左移，最终导致集电极电流增大。

2.1.3　BJT的特性曲线

2.1.4　BJT的使用常识

2.2　共发射极基本放大电路

2.2.1共发射放大电路的各元件作用

1电路组成

放大电路组成原则：

（1）提供直流电源，为电路提供能源。

（2）电源的极性和大小应保证BJT基极与发射极之间处于正向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置，从而使BJT工作在放大区。

（3）电阻取值与电源配合，使放大管有合适的静态点。

（4）输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。

（5）当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。

2简化电路及习惯画法

直流通路、交流通路及其画法

（1）直流通路的画法：

电容视为开路、电感视为短路；信号源视为短路，但应保留内阻。

（2）交流通路的画法：

耦合电容视为短路；无内阻直流电源视为短路；

放大电路的静态分析和动态分析

静态分析：

就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，BJT或FET各电极间的电流和电压就是Q点。

可用估算法或图解法求解。

动态分析：

就是求解各动态参数和分析输出波形。

通常，利用三极管h参数等效模型画出放大电路在小信号作用下的微变等效电路，并进而计算输入电阻、输出电阻与电压放大倍数。

或利用图解法确定最大不失真输出电压的幅值、分析非线性失真等情况。

放大电路的分析应遵循“先静态，后动态”。

的原则，只有静态工作点合适，动态分析才有意义；Q点不但影响电路输出信号是否失真，而且与动态参数密切相关。

3、图解法确定Q点和最大不失真输出电压

（1）用图解法确定Q点的步骤：

已知晶体管的输出特性曲线族→由直流通路求得IBQ→列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线→在输出特性曲线平面上作出直流负载线→由IBQ所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。

（2）输出波形的非线性失真

非线性失真包括饱和失真和截止失真。

饱和失真是由于放大电路中三极管工作在饱和区而引起的非线性失真。

截止失真是由于放大电路中三极管工作在截止区而引起的非线性失真。

2.2.2共发射极放大电路的静态分析

共射极基本放大电路的电压放大作用是利用了BJT的电流控制作用，并依靠Rc将放大后的电流的变化转为电压变化来实现的。

（1）放大电路的分析方法

静态：

输入信号为零时，电路的工作状态，也称直流工作状态。

动态：

输入信号不为零时，电路的工作状态，也称交流工作状态。

电路处于静态时，三极管个电极的电压、电流在特性曲线上确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。

一般用IB、IC、和VCE（或IBQ、ICQ、和VCEQ）表示。

（2）直流通路和交流通路

根据叠加原理可将电路中的信号分解为：

直流信号和交流信号。

直流信号通过直流通路求解，交流信号通过交流通路求解。

直流通路:

当没加输入信号时，电路在直流电源作用下，直流电流流经的通路。

直流通路用于确定静态工作点。

直流通路画法：

①电容视为开路；②电感线圈视为短路；③信号源视为短路，但保留其内阻。

交流通路:

在输入信号作用下交流信号流经的通路。

交流通路用于计算电路的动态性能指标。

交流通路画法：

①容量大的电容视为短路；②直流电源视为短路。

对于放大电路来说其最基本要求，一是不失真，二是能够放大。

只有在信号的整个周期内BJT始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。

静态工作点设置合适能实现线性放大；静态工作点设置偏高会产生饱和失真；静态工作点设置偏低会产生截止失真。

Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着放大电路几乎所有的动态系数。

直流分析,又称为静态分析,求电路的直流工作状态,即基极直流电流IB;集电极直流电流IC;集电极与发射极间直流电压UCE。

交流分析,又称动态分析,求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻三项性能指标。

三、放大电路的分析

解析法确定静态工作点（两个回路方程）

输入回路方程——基极电流IBQ:

输出回路方程——集电极电流ICQ：

【例】估算图放大电路的静态工作点。

设UCC=12V,Rc=3kΩ,Rb=280kΩ,β＝５０。

解

2.2.3用图解法分析动态工作情况

2.2.4BJT的三个工作区及放大电路的

非线性失真

2.2.5用小信号模型法分析动态工作情况

微变等效电路分析法

微变等效电路分析法的一般步骤：

①根据直流通路估算静态工作点，并确定H参数；

②画出放大电路的交流通路；

③交流通路用BJT的H参数小信号模型代替电路中的BJT，画出放大电路的小信号模型等效电路。

④根据放大电路的小信号模型等效电路计算放大电路的交流指标、、。

H参数：

β；rbe与Q点有关，公式估算

用微变等效电路分析共射极基本放大电路

1）利用直流通路求Q点：

一般硅管VBF=0.7V，锗管VBE=0.2V，β已知。

2）画出小信号等效电路

3）求电压增益：

4）

求输入电阻：

求输出电阻：

例：

电路如图所示，若三极管UBE=0.7V，UCE（sat）=0.3V，rbb’＝100Ω，Rs=1kΩ,Rb=560kΩ,Rc=4kΩ,RL=4kΩ,Vcc=12V,β＝50。

（1）估算电路的静态工作点。

（2）求Au，Ri，Ro和Aus。

解：

（1）求其静态工作点。

（2）首先画出微变等效电路图。

rbe＝rbb’＋（1+β）UT/IE＝1.4kΩ；

Au＝－βRL’/rbe＝－71.4；其中RL’＝RC//RL；

Ri＝Rb//rbe＝1.4kΩ；Ro＝Rc＝4kΩ；

Aus＝〔Ri/（Ri+Rs）〕Au＝41.7；

2.3稳定静态工作点的放大电路

—射极偏置电路

稳定工作点原理：

目标：

温度变化时，使IC维持恒定。

如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。

射极偏置电路电路稳定工作点的物理过程：

利用Rb1和Rb2组成的分压器以固定基极电位。

如果I1>>IB（I1是流经Rb1、Rb2的电流），就可近似地认为基极电位VB＝Rb2VCC/（Rb1+Rb2）。

在此条件下，当温度上升时，IC（IE）将增加，由于IE的增加，在Re上产生的压降IERe也要增加，使外加于管子的VBE减小（因VBE=VB–IERe，而VB又被Rb1和Rb2所固定），由于VBE

的减小使IB自动减小，结果牵制了IC的增加，从而使IC基本恒定。

这就是反馈控制的原理。

由上述分析可知，I愈大于IB及VB愈大于VBE，则该电路稳定Q的效果愈好。

为兼顾其他指标，设计此种电路时，一般可选取I1=（5~10）IB （硅管）；I1=（10~20）IB （锗管）

VB=（3~5）V （硅管）；VB=（1~3）V ；（锗管）

射极偏置电路改进

具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标，

共射极放大器如图所示。

分压式稳定偏置电路，使晶体管有一合适工作点

（ICQ，UCEQ）。

由于旁通电容CE将RE交流短路，因而射极交流接地。

由放大器交流通路画出图所示交流等效电路。

虚线方框部分是被替换的晶体管交流模型。

电压放大倍数Au

输入交流电压、输出交流电压、电压放大倍数分别为：

2.4共集电极放大电路和共基极放大电路

2.4.1　共集电极放大电路

共集电极放大器

具有内阻Rs的信号源Us从基极输入，信号从发射极输出，而集电极交流接地，作为输入、输出的公共端。

由于信号从射极输出，所以该电路又称为射极输出器。

◆电压放大倍数Au

Au恒小于1，一般情况下，满足（1+β）R′L>>rbe，因而又接近于1，且输出电压与输入电压同相。

又称为射极跟随器。

◆输入电阻Ri

从基极看进去的电阻R′i为

与共射电路相比，由于R′i显著增大，因而共集电路的输入电阻大大提高了。

◆输出电阻Ro

从射级看进去的电阻Ro

2.4.2　共基极放大电路

当输出端外加电压Uo，而将Us短路并保留内阻Rs时，可得图示电路。

图中RB1、RB2、RE和RC构成分压式稳定偏置电路，为晶体管设置合适而稳定的工作点。

信号从射极输入，由集电极输出，而基极通过旁通电容CB交流接地，作为输入、输出的公共端。

按交流通路画出该放大器的交流等效电路如图。

◆

电压放大倍数Au

◆电流放大倍数Ai

输入电流Ii≈Ie，而输出电流

Ai<1。

若RC>>RL，则Ai≈α，即共基极放大器没有电流放大能力。

但因Au>>1，所以仍有功率增益。

◆输入电阻Ri

按上述基极支路和射极支路的折合关系，由射极看进去的电阻R′i为

◆

输出电阻Ro

由图可知，若Ui=0，则Ib=0,βIb=0，有

三种基本放大器性能比较

共射极电路既有电压增益，又有电流增益，应用最广，常用作各种放大器的主放大级。

但作为电压或电流放大器，它的输入和输出电阻并不理想——即在电压放大时，输入电阻不够大且输出电阻又不够小；而在电流放大时，则输入电阻又不够小且输出电阻也不够大。

作业及实践：

2.242.272.282.39

教学说明：

教学后记：