《電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能》PPT課件及教案

《電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能》PPT課件及教案,電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能,電子技術(shù),基礎(chǔ),技能,PPT,課件,教案 《電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能》配套多媒體CAI課件 電子教案 第二章 三極管及放大電路基礎(chǔ) 教學(xué)重點 1．了解三極管的外形特征、伏安特性和主要參數(shù)。 2．在實踐中能正確使用三極管。 3．理解放大的概念、放大電路主要性能指標(biāo)、放大電路的基本構(gòu)成和基本分析方法。 4．掌握共發(fā)射極放大電路的組成、工作原理，并能估算電路的靜態(tài)工作點、放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻等性能指標(biāo)。 5．能搭建分壓式放大電路，并調(diào)整靜態(tài)工作點。 教學(xué)難點 1．三極管的工作原理。 2．放大、動態(tài)和靜態(tài)以及等效電路等概念的建立。 3．電路能否放大的判斷。 學(xué)時分配 序號 內(nèi) 容 學(xué) 時 1 2.1三極管 2 2 2.2三極管基本放大電路 6 3 技能實訓(xùn)——單管低頻放大電路的安裝與調(diào)試 4 4 *2.3多級放大電路 2 5 本章總學(xué)時 14 2.1三極管 2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)與符號 通過實物認(rèn)識常見的三極管 三極管有三個電極，分別從三極管內(nèi)部引出，其結(jié)構(gòu)示意如圖所示。 發(fā)射結(jié) 集電區(qū) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 發(fā)射極 e 基極 b 集電極 c P N P 集電結(jié) 發(fā)射極 e 基極 b 集電極 c N P N b e c VT 發(fā)射極 e 基極 b 集電極 c P N P b e c VT 按兩個PN結(jié)組合方式的不同，三極管可分為PNP型、NPN型兩類，其結(jié)構(gòu)示意、電路符號和文字符號如圖所示。 PNP型 NPN型 有箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向偏置時的電流方向，由此可以判斷管子是PNP型還是NPN型。 三極管都可以用鍺或硅兩種材料制作，所以三極管又可分為鍺三極管和硅三極管。 2.1.2三極管中的電流分配和放大作用 動畫：三極管電流放大作用的示意 Ie e Ic c Ib b 細(xì) 粗 做一做：三極管中電流的分配和放大作用 觀察分析實驗參考數(shù)據(jù)： 1）三極管各極電流分配關(guān)系：IE = IB + IC ，IE ≈ IC?IB 2）基極電流和集電極電流之比基本為常量，該常量稱為共發(fā)射極直流放大系數(shù)，定義為： 3）基極電流有微小的變化量ΔiB，集電極電流就會產(chǎn)生較大的變化量ΔiC，且電流變化量之比也基本為常量，該常量稱為共發(fā)射交流放大系數(shù)β，定義為： 1．三極管的電流放大作用，實質(zhì)上是用較小的基極電流信號控制較大的集電極電流信號，實現(xiàn)“以小控大”的作用。 2．三極管電流放大作用的實現(xiàn)需要外部提供直流偏置，即必須保證三極管發(fā)射結(jié)加正向電壓（正偏），集電結(jié)加反向電壓（反偏）。如圖所示，電位關(guān)系應(yīng)為VC>VB>VE。 Rb Rc VT VCC VBB IC IB IE c b e PNP型三極管放大工作時，其電源電壓VCC極性與NPN型管相反，這時，管子三個電極的電流方向也與NPN型管電流方向相反，電位關(guān)系則為VE>VB>VC。 2.1.3三極管的特性曲線 三極管在電路應(yīng)用時，有三種組態(tài)（連接方式），以基極為公共端的共基極組態(tài)、以發(fā)射極為公共端的共發(fā)射極組態(tài)和以集電極為公共端的共集電極組態(tài)，如圖所示。 ui uo b c e + _ + _ ui uo b c e + _ + _ ui uo e c b + _ + _ 共發(fā)射極 共集電極 共基極 由于三極管的接地方式不同，三極管的伏安特性也不同，其中共發(fā)射極（簡稱共射）特性曲線是最常用的。 演示實驗：用晶體管特性圖示儀測得的共射輸入和輸出特性曲線 1．共射輸入特性曲線 當(dāng)UCE為某一定值時，基極電流iB和發(fā)射結(jié)電壓 uBE之間的關(guān)系曲線入下圖所示。 UCE≥1V 0.2 uBE/V 0.4 0.6 0.8 20 100 0 80 60 40 iB/mA UCE=0V 輸入特性曲線 當(dāng)UCE=0時，輸入特性曲線與二極管的正向伏安特性相似，存在死區(qū)電壓Uon（也稱開啟電壓），硅管Uon≈0.5V，鍺管約0.1V。只有當(dāng)UBE大于Uon時，基極電流iB才會上升，三極管正常導(dǎo)通。硅管導(dǎo)通電壓約0.7V，鍺管約0.3V。 隨著UCE的增大輸入特性曲線右移，但當(dāng)UCE超過一定數(shù)值（UCE>1）后，曲線不再明顯右移而基本重合。 2．共射輸出特性曲線 在基極電流IB為一常量的情況下，集電極電流iC和管壓降uCE之間的關(guān)系曲線入下圖所示。 IB=0 IB=20mA IB=40mA IB=60mA IB=80mA IB=100mA 1 4 3 2 5 uCE/V iC/ mA 1 2 3 4 0 5 6 當(dāng)UCE大于一定數(shù)值時，iC只與iB有關(guān)，IC=bIB, 且ΔiC=βΔ iB。此區(qū)域稱為線性放大區(qū)。 此區(qū)域中IB=0 , IC=ICEO , UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。 此區(qū)域中UCEΔiC，這時UCE?0.3V，稱為飽和區(qū)。 1）截止區(qū) IB=0曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。 2）飽和區(qū) uCE較小的區(qū)域稱為飽和區(qū)。三極管飽和時的uCE值稱為飽和電壓降UCES，小功率硅管約為0.3V，鍺管約為0.1V。 3）放大區(qū) 一族與橫軸平行的曲線，且各條曲線距離近似相等的區(qū)域稱為放大區(qū)。此時，表現(xiàn)出三極管放大時的兩個特性：①電流受控，即ΔiC=βΔiB；②恒流特性，只要IB一定，iC基本不隨uCE變化而變化。 例：如圖說示是某三極管的輸出特性曲線，從曲線上可以大致確定該三極管在UCE=6.5V，IB=60μA（b點）附近的和β值。 解：在圖示的輸出特性曲線上作UCE=6.5V 的垂線，與IB=60μA的輸出特性曲線交于 b點，由此可得該點對應(yīng)的 2.5 1.7 ΔiB ΔiC IB=0 20mA 40mA 60mA 80mA 100mA ic/mA UCE/V 3 12 9 6 1 2 3 4 0 a b 2.1.4三極管的使用常識 上網(wǎng)查找：三極管的型號、主要用途、主要參數(shù)和器件的外形尺寸與引腳排列。 做一做：小功率三極管檢測 1）三極管基極和類型判斷 2）三極管引腳的判斷和β值估測 3）三極管性能簡易判斷 1．三極管選用 選用三極管時，具體應(yīng)從以下幾個方面考慮： （1）三極管的使用頻率 工程設(shè)計中一般要求三極管的fT高于電路工作頻率3倍以上。 （2）三極管工作的安全性 對于工作在大電流場合的三極管，如驅(qū)動繼電器等，應(yīng)保證集電極工作電流IC≤ICM。 對于工作在大功率場合的三極管，使三極管額定消耗功率PC≤PCM。同時，大功率三極管在使用時，因功耗較大，應(yīng)按要求加裝一定規(guī)格尺寸的散熱片。 （3）小功率的三極管U（BR）CEO可以根據(jù)電路的電源電壓來確定。一般情況下，只要使電路電源的最高電壓≤U（BR）CEO即可。 （4）在換用三極管時，也應(yīng)注意替換三極管的極限參數(shù)、材料和管型，以及性能等。 課外閱讀：光電三極管 2.2三極管基本放大電路 2.2.1共發(fā)射極基本放大電路 以三極管為核心的基本放大電路，輸入信號ui從三極管的基極和發(fā)射極之間輸入，放大后輸出信號uo從三極管的集電極和發(fā)射極之間輸出，發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共端，故稱該電路為共發(fā)射極基本放大電路。 可以省去 Rb Rc VCC C2 C1 ＋ ＋ uo ui RL VT ＋ — — ＋ VBB Rb Rc +VCC C2 C1 ＋ ＋ uo ui RL 基極偏置電阻 輸入耦合電容 集電極負(fù)載電阻 負(fù)載電阻 輸出耦合電容 雙電源 單電源（習(xí)慣畫法） 符號 元器件名稱 元器件作用示意 VT 三極管 實現(xiàn)電流放大 RB 基極偏置電阻 提供偏置電壓 RC 集電極負(fù)載電阻 提供集電極電流通路，將放大的集電極電流變化轉(zhuǎn)換成集電極電壓變化 C1 輸出耦合電容 把放大后的交流信號暢通地傳送給負(fù)載 C2 輸入耦合電容 使信號源的交流信號暢通地傳送到放大電路輸入端 2.2.2靜態(tài)工作點和放大原理 電壓、電流符號規(guī)定如下： UBE UCE IB IC 直流分量電壓、電流 ui uo ib ic 交流分量電壓、電流的瞬時值 uBE uCE iB iC t 直流分量和交流分量的疊加，如iB= ib+ IB Ui Uo Ii Io 交流分量電壓、電流的有效值 Uim Uom Iim Iom 交流分量電壓、電流的最大值 1．靜態(tài)工作點 （1）靜態(tài)——電路在沒有輸入信號（即輸入端短路），只有直流電源單獨作用下的直流工作狀態(tài)。 （2）靜態(tài)工作點——放大電路在靜態(tài)時，三極管各級電壓和電流在輸入、輸出特性曲線上可以確定一個如圖所示的坐標(biāo)點Q。Q點處的直流電流、電壓習(xí)慣上用IBQ、ICQ、IEQ、UBEQ和UCEQ表示。 iB uBE Q IBQ UBEQ UCEQ ICQ iC uCE IBQ Q （a）輸入特性曲線 （b）輸出特性曲線 2．共射放大電路工作過程 動態(tài)——在放大電路中加入輸入信號ui后，三極管各極電壓、電流大小均在直流量的基礎(chǔ)上，疊加了一個隨ui變化而發(fā)生變化的交流量，這時電路處于動態(tài)工作狀態(tài)。 動畫：共發(fā)射極放大電路各極電壓、電流的工作波形 做一做：靜態(tài)工作點對放大電路的影響 雙蹤示波器顯示屏 雙蹤示波器顯示屏 雙蹤示波器顯示屏 （a）工作點合適 （b）工作點過低 （c）工作點過高 3．靜態(tài)工作點不合適會造成輸出波形失真 1）飽和失真 2）截止失真 做一做：溫度對靜態(tài)工作點的影響 電路評價： 共射基本放大電路結(jié)構(gòu)簡單，只要電源VCC和基極偏置電阻Rb固定，IB也就固定了。所以又稱為固定偏置放大電路。固定偏置放大電路的靜態(tài)工作點變動到不合適的位置時將引起放大信號失真。因而實際應(yīng)用中放大電路必須能自動穩(wěn)定工作點，以保證盡可能大的輸出動態(tài)范圍和避免輸出信號失真。 2.2.3工作點穩(wěn)定的三極管放大電路 1．分壓式偏置放大電路的組成 I1 IBQ I2 C2 RL + uo － C1 VT Rc Ce Re Rb1 +VCC + ui － Rb2 + + + Rb1 、Rb2分別為上、下偏置電阻， Vcc通過Rb1 和Rb2分壓后，為三極管VT提供基極偏置電壓。 Re為發(fā)射極電阻，起穩(wěn)定靜態(tài)工作點作用。 Ce稱為射極旁路電容，由于Ce容量較大，對交流信號來講，相當(dāng)于短路，從而減小了電阻Re對交流信號放大能力的影響。 2．穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程 B點電位UBQ為： 分壓式偏置放大電路的基極電壓由Rb1、Rb2分壓決定，而與三極管的參數(shù)無關(guān)。 當(dāng)溫度升高，分壓式偏置放大電路穩(wěn)定工作點的過程可表示為： T（溫度）↑（或β↑）→ICQ↑→IEQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓。 在上述穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程中，發(fā)射極電阻Re起著重要的反饋作用。當(dāng)輸出回路電流IC發(fā)生變化時，通過Re上的電壓變化來影響b-e間的電壓，從而使基極電流IB向相反方向變化，從而抑制了集電極電流ICQ的增大，自動穩(wěn)定了電路的靜態(tài)工作點。 2.2.4 放大電路的分析 1．靜態(tài)分析 （1）直流通路 是放大電路在Ui=0，僅VCC作用下直流電流所流過的路徑。 畫直流通路的原則： 1）輸入信號ui短路 2）電容視為開路（電容所在支路斷開）。 3）電感視為短路 例：單級共射放大電路直流通路 uo Rb Rc +VCC C2 C1 ＋ ＋ ui RL Rb Rc +VCC IB IC IE UBE + － UCE + － （2）估算靜態(tài)工作點 根據(jù)放大電路的直流通路求IBQ、ICQ、IEQ、和UCEQ這四個量。 由上圖所示的直流通路，可以得到固定偏置放大電路的靜態(tài)工作點計算公式 2．動態(tài)分析 （1）動態(tài)性能指標(biāo) 1）放大倍數(shù) 2）輸入電阻Ri 3）輸出電阻Ro （2）交流通路 放大電路在VCC=0，僅ui作用下交流電流所流過的路徑。 畫交流通路的原則： 1）由于耦合電容容量大，所有耦合電容視為通路。 2）電源電壓對地短路。 例：單級共射放大電路交流通路 +VCC uo Rb Rc C2 C1 ＋ ＋ ui RL ui uo Rb Rc RL ic ie ib + + － － （3）估算主要性能指標(biāo) 根據(jù)放大電路的交流通路求Au、Ri和Ro這些主要參數(shù)。 在上圖固定偏置放大電路的交流通路中，三極管b、e之間存在一個等效電阻rbe通常用下式近似計算 1）電壓放大倍數(shù)Au 根據(jù)放大倍數(shù)的定義，從電路的交流通路上可得 故電壓放大倍數(shù)為 2）輸入電阻Ri Ri是從放大電路的輸入端看進(jìn)去的等效電阻， Ui=Ii Rb//rbe。所以輸入電阻為 3）輸出電阻Ro 根據(jù)輸出電阻Ro的定義， Ro是從放大電路輸出端（負(fù)載RL之前）看進(jìn)去的等效內(nèi)阻?？梢钥闯? Ro=Rc ui uo Rb Rc RL ic ie ib + + － － 輸入電阻Ri 輸出電阻Ro 例：在如圖所示電路中，已知VCC=12V，Rb=300kΩ，Rc=3 kΩ，RL=3 kΩ，Rs=3 kΩ，β=50，試求： 1）RL接入和斷開兩種情況下電路的電壓放大倍數(shù)Au； 2）輸入電阻Ri和Ro。 uo Rb Rc +VCC C2 C1 ＋ ＋ ui RL 解：先求靜態(tài)工作點 然后求三極管的動態(tài)輸入電阻 1）RL接入時的電壓放大倍數(shù)Au： RL斷開時的電壓放大倍數(shù)Au： 2）輸入電阻Ri為： 3）輸出電阻Ro為：Ro=Rc=3kΩ 技能實訓(xùn)：單管低頻放大電路安裝與調(diào)試 作業(yè)任務(wù)書 一、任務(wù)目標(biāo) 1．學(xué)會搭建單級共射放大電路。 2．熟悉常用電子儀器設(shè)備和模擬電路裝置的使用。 3．學(xué)會放大電路靜態(tài)工作點的調(diào)試方法。 4．掌握放大電路電壓放大倍數(shù)測試方法。 二、實訓(xùn)步驟 清點元器件→元器件檢測→按圖搭建單級共射放大電路→通電前檢查→通電調(diào)試→測試數(shù)據(jù)記錄→數(shù)據(jù)分析。 Rb2 C2 10μF 10μF C1 VT RP 100k 20k Rc 2.4k RL2 1.2k Ce Re 1k Rb1 20k VCC +12V + ui － 100μF S1 RL1 2.4k + uo － S2 + + + 共射放大電路 三、調(diào)試與記錄 1．調(diào)試靜態(tài)工作點 接通電源前，先將RP調(diào)至最大，函數(shù)信號發(fā)生器輸出旋鈕至零。 （1）接通+12V電源，調(diào)節(jié)RP，使IC=2.0mA。 （2）用萬用表測量UB、UE、UC和Rb2（Rb2+RP）的值。將調(diào)試數(shù)據(jù)填入表中。 靜態(tài)工作點測試記錄（IC=2.0mA） 測量值 計算值 UB/V UE/V UC/V Rb2/kΩ UBE/V UCE/V IC/mA 2．測量電壓放大倍數(shù) （1）在上述調(diào)整放大電路的輸入端加入頻率為1kHz正弦信號ui，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出旋鈕使放大器輸入信號Ui=10mV。 （2）用示波器觀察放大器輸出電壓uo的波形。 （3）在波形不失真的條件下，用交流毫伏表測量以下三種情況下的Uo值，并將測量結(jié)果填入表中。 電壓放大倍數(shù)測量記錄（Ui=10mV，f=1kHz） Rc/kΩ RL/kΩ Uo Au RC=2.4 kΩ、RL=2.4kΩ時uo和ui波形 2.4 ∞ ui t 0 uo t 0 1.2 ∞ 2.4 2.4 3．觀察靜態(tài)工作點對電壓放大倍數(shù)的影響。 RC=2.4kΩ，RL =∞，Ui=20mV。 （1）調(diào)節(jié)RP，并用示波器觀察uo波形。 （2）在保持輸出不失真的情況下，測量不同工作點上的電壓放大倍數(shù)Au，并將測量結(jié)果填入表中。 不同工作點上Au的測量 測量項目 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 測試條件：Rc=2.4kΩ，RL =∞，Ui=20mV IC/mA 2.0 Uo/V Au 注意：測量IC時，必須將函數(shù)信號發(fā)生器輸出旋鈕置于零。 4．觀察靜態(tài)工作點對輸出波形失真的影響。 使電路中RC=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，ui=0。 （1）調(diào)節(jié)RP使IC=2.0mA，測量UCE值。逐步加大輸入信號ui，使輸出信號uo足夠大且不失真。 （2）保持輸入信號不變，改變RP，以增大和減小IC ，使輸出波形失真。 （3）測量失真情況下的IC、UCE，將測量結(jié)果填入表中，并繪制不同情況下uo的失真波形。 靜態(tài)工作點對輸出波形影響 測試記錄 分析判斷 IC/mA UCE/V uo波形 失真 三極管的工作狀態(tài) IC減小 uo t O IC=2.0 2.0 uo t O IC增大 uo t O 四、問題討論 1．總結(jié)放大電路靜態(tài)工作點及負(fù)載的變化，對放大電路的電壓放大倍數(shù)及輸出波形的影響。? 2．在什么情況下輸出波形會出現(xiàn)正或負(fù)半周失真？如何獲得最大不失真輸出？ 3．在實驗測量中，為什么所有儀器的公共端（接地端）要連接在一起？ *2.3多級放大電路 多級放大電路的組成如下圖所示。輸入和中間級的任務(wù)是電壓放大，根據(jù)需要將微弱的信號放大到足夠大，為輸出級提供所需要的輸入信號；輸出級一般為功率放大電路，驅(qū)動負(fù)載動作。 中間級 輸入級 輸出級 放大器 放大器 2.3.1多級放大電路的耦合方式 多級放大電路中級與級之間的連接稱為耦合，耦合方式就是指連接方式。 常用的耦合方式有：阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合三種。 課外閱讀：光電耦合 2.3.2阻容耦合放大電路 對放大信號而言，多級放大電路的前一級輸出信號就是后一級的輸入信號，所以可將后級放大電路的輸入電阻視為前級電路的負(fù)載。兩級放大電路框圖如圖所示， Ri1 ui= ui1 + _ + Ro2 u′o2 uo= uo2 + _ _ Ri2 Ro1 + uo1=ui2 — + _ u′o1 1．電壓放大倍數(shù) 是每級“有載電壓放大倍數(shù)”。所謂“有載電壓放大倍數(shù)”是指接上后級時的電壓放大倍數(shù)，即在計算每級電壓放大倍數(shù)時，一定要把后級的輸入電阻作為前級的負(fù)載電阻。 一般將用分貝表示的放大倍數(shù)稱為增益，用G表示。 功率增益GP定義為： 如果輸入電阻和輸出電阻相等，則電壓增益Gu為： 若用分貝（dB）表示，則多級放大總增益為各級增益的代數(shù)和，即： + 2．輸入和輸出電阻 （1）輸入電阻 由于輸入級連接著信號源，它的主要任務(wù)是從信號源獲得輸入信號。 多級放大電路的輸入電阻就是輸入級的輸入電阻，即 （2）輸出電阻 多級放大電路的輸出級就是電路的最后一級，其作用是推動負(fù)載工作。 多級放大電路的輸出電阻就是輸出級的輸出電阻，即。 3．幅頻特性 （1）幅頻特性基本概念 電路電壓放大倍數(shù)的幅度與頻率的關(guān)系稱為放大電路的幅頻特性，可用幅頻特性曲線表示，如圖所示。 f Au 0 Aum 0.707Aum fL fH 通頻帶 阻容耦合放大電路的幅頻特性 工程上將放大倍數(shù)下降到Aum的倍時，所對應(yīng)的低端頻率fL稱為下限頻率，高端頻率fH稱為上限頻率。fL與 fH之間的頻率范圍稱為通頻帶，用BW表示，則 BW= fH－fL （2）影響通頻帶的因素 引起低頻段放大倍數(shù)下降的主要因素是級間耦合電容和旁路電容的容抗作用。 造成高頻段放大倍數(shù)下降的主要因素是三極管結(jié)電容和電路分布電容的影響。 電路評價： 多級放大電路的級間耦合方式應(yīng)能保證信號在級與級之間順利傳輸，但耦合后各級電路仍具有合適的靜態(tài)工作點。把若干級放大電路級聯(lián)起來，就可以很容易得到非常大的放大倍數(shù)。但電路放大倍數(shù)過大時，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的放大，這時需要加入負(fù)反饋，才能做到穩(wěn)定的放大。 16