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1、项目二 简易助听器的制作,2.1 项目描述,本项目通过最简单的电子产品-简易助听器来认识电子元器件。助听器实质上是一种低频放大器，可用耳机进行放音，当使用者用上耳机后，可提高听者的听觉。本电路由话筒、前置低放、功率放大电路和耳机等部分组成。,下图为一个语音放大电路的原理框图，该电路能将微弱的声音信号放大，并通过扬声器发出悦耳的声音，稍加改动还可作助听器使用。,微型话筒（或传声器）,四级三极管放大,扬声器（或耳机）,该电路的核心是三极管，主要功能是电信号的放大。,语音放大助听电路（框图）,任务1 晶体三极管的认识与选择任务2 三极管基本放大电路的认识任务3 多级放大电路的分析,本项目重点：三极管
2、的认识，放大电路的结构、原理分析方法,本项目难点：基本放大电路的静态及动态指标的估算及调试方法,晶体管又名三极管（transistor），是一种把输入电流进行放大的半导体元器件。顾名思义，三极管通常具有3个极，在外表现为3个管脚。,2.2.1 半导体晶体管,6,NPN型,PNP型,由两个背靠背的PN结构成的。工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电。,三个极,1.晶体管的结构,7,三极管符号：,箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向,8,+UBE,NPN 型晶体管,电流方向和电压的极性：,9,晶体管有两个结,晶体管有三个区,晶体管有三个电极,【想一想】为什么三极管具有电信号的放大作用呢
3、？先做一下如图所示的实验。,UCCUBB,三极管像一个水槽,谁来打开“阀门”,动画：三极管的载流子运动,13,载流子运动过程：,14,放大状态,外部条件：发射结正偏，集电结反偏,从电位的角度看NPN管：发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,15,【例】测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：（1）U1=3.5V U2=2.8VU3=12V（2）U1=3V U2=2.8VU3=12V（3）U1=6V U2=11.3V U3=12V（4）U1=6V U2=11.8VU3=12V,判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。,16,【解】原则：（
4、1）先求UBE，若等于，为硅管；若等于，为锗管。（2）发射结正偏，集电结反偏。NPN管 UBE0，UBC0，即UC UB UE。PNP管 UBE0，UBC0，即UC UB UE。（1）U1 b U2 e U3 c NPN 硅（2）U1 b U2 e U3 c NPN 锗（3）U1 c U2 b U3 e PNP 硅（4）U1 c U2 b U3 e PNP 锗,特性曲线是指各电极之间的电压与电流之间的关系曲线,概念,输入特性曲线,输出特性曲线,3.晶体管的特性曲线,当 vCE1V以后，由于集电结的反偏电压可以在单位时间内将所有到达集电结边上的载流子拉到集电极，故iC不随vCE变化，所以同样的v
5、BE下的 iB不变，特性曲线几乎重叠。,（1）晶体管输入特性曲线,（2）晶体管输出特性曲线,动画：三极管的输出特性,20,输出特性,IC(mA),此区域中集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 IB=0,UBE 死区电压，称为截止区。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且 IC=IB。此区域称为线性放大区。,当uCE增大到一定值时，Jc反向击穿，造成iC剧增。此区域称为线性放大区。,三极管的开关作用,22,(2)截止,(1)饱和,1）当晶体管饱和时，UCE 0，发射极与集电极之间如同开关接通；2）当晶体管截止时，IC 0，发射极与集电极之间如同开关断开
6、，可见晶体管还有开关作用。,晶体管在模拟电路中主要起放大作用，在数字电路中主要起开关作用。,动画：三极管的开关作用,三极管的参数是用来表征管子性能优劣适应范围的，是选管的依据，共有以下三大类参数。,电流放大系数,极间反向电流,极限参数,4.晶体管的主要参数,（1）电流放大系数,交流电流放大系数 b,b=DIC/DIBvCE=const,共射电流放大系数,集电极最大允许电流ICM,集电极最大允许功率损耗PCM,三极管正常工作时集电极所允许的最大工作电流,PCM值与环境温度有关，温度愈高，则PCM值愈小。当超过此值时，管子性能将变坏或烧毁。,（2）极限参数,27,由三个极限参数可画出三极管的安全工
7、作区,ICUCE=PCM,安全工作区,过损耗区,28,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k，当USB=-2V，2V，5V时，晶体管分别工作在哪个区？,(1)USB=-2V，VBVE IB=0，IC=0，Q位于截止区,(2)USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=500.019=0.95 mAIC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA IC ICS，Q位于放大区,(3)USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.06mA IC=IB=500.06=3 mAIC最大
8、饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA IC ICS，Q位于饱和区,3 D G 6,三极管,表示器件材料和极性,高频管,A：PNP锗材料,B：NPN锗材料,D：NPN硅材料,C：PNP硅材料,5.国产半导体晶体管的命名,X：低频小功率管,D：低频大功率管,A：高频大功率管,G：高频小功率管,K：开关管,三极管的识别目测法,常用三极管管脚位置,2.2.2 半导体晶体管识别与检测,放大电路的基本概念,放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放大电路。,2.2.3 半导体晶体管基本放大电路,三极管放大电路的三种组态,【注意】无论上
9、面的哪一种组态，要使三极管具有放大作用，都必须保证三极管工作在放大区，即满足发射结正偏，集电结反偏。,射极接地,集电极接地,基极接地,Rb,VBB,RC,C1,C2,T,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,输入,输出,参考点,+VCC,1.共射基本放大电路,使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。,Rb,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,基极电源与基极电阻,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,Rb,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F50F,作用：隔
10、直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,Rb,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,+,+,单电源供电,可以省去,Rb,单电源供电,放大电路中存在以下4种不同的分量，以基极电流为例：,直流分量：,用大写字母带大写下标表示，简称“大大写”，如IB。,交流分量：,用小写字母带小写下标表示，简称“小小写”，如ib。,交直流叠加量（总量）：,用小写字母带大写下标表示，简称“小大写”，如iB=IB+ib，这表示基极实际上的总电流。,交流量有效值：,用大写字母带小写下标表示，简称“大小写”，如Ib。,直流电流,交流电流瞬时值,基极中的实际总电流是由直流量和交流量叠加而成的,无输入
11、信号(ui=0)时:,uo=0uBE=UBEuCE=UCE,+UCC,RB,RC,C1,C2,VT,+,+,ui,+,uo,+,+,+,uBE,uCE,iC,iB,iE,（1）放大原理,结论：,(1)无输入信号电压时，三极管各电极上都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE。,(IB、UBE)和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,UBE,无输入信号(ui=0)时:,uo=0uBE=UBEuCE=UCE,？,有输入信号(ui 0)时,uCE=UCC iC RC,uo 0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uo,结论：,(2)加上输入信号电压后，各电
12、极电流和电压的大 小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量，但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论：,(3)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。,(4)输出电压与输入电压在相位上相差180，即共发射极电路具有反相作用。,实现放大的条件,1）晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集 电结反偏。2）正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3）输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4）输出回路将变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。,静态：放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。,分
13、析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。,静态工作点Q：IBQ、ICQ、UCEQ。,静态分析：确定放大电路的静态值。,（3）放大电路的静态分析,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q(IB、IC、UCE),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,（3）放大电路的静态分析,根据电流放大作用,当UBE UCC时，,由KVL:UCC=IB RB+UBE,由KVL:UCC=IC RC+UCE,所以 UCE=UCC IC RC,例1：用估算法计算图示电路的静态工作点。,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例1、例2可知，当电路不
14、同时，计算静态值的表达式也不同。,由KVL可得：,由KVL可得：,由于电源的存在IB0,IC0,IC,IE=IB+IC,无信号输入时,静态工作点Ui=0时电路的工作状态,用图解法求静态工作点,UCE=VCCICRC,直流负载线,由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q,IC=0 时 UCE=UCC,可在图上作直流负载线。,IB=20A,IB=0,IB=40A,IB=60A,IB=80A,IB=100A,1.5,3,12,0,6,(V),(mA),UCE=0 时,根据 UCE=UCC-RCIC,由图中Q点得:,IB=40A IC=1.5mA UCE=6V,已知UCC=1
15、2V,RC=4k,RB=300k,=37.5。（1）作直流负载线；（2）求静态值。,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态。,分析方法：图解法,微变等效电路法。所用电路：放大电路的交流通路。,动态分析:计算电压放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro等。,分析对象：各极电压和电流的交流分量。,目的：找出Au、Ri、Ro与电路参数的关系，指导设计。,（4）放大电路的动态分析,对地短路,交流通路,短路,短路,其中：,（4）放大电路的动态分析,IB,交流负载线比直流负载线要陡,斜率为:,交流负载线,1）交流负载线,uCE怎么变化,？,先分析交流电压放大,设uBE静态工作点的基础上有一微小的
16、变化 ui,Q,2）交流工作状态的图解分析,ic,uCE沿交流负载线uCE=UCC-iCRC变化,Q,t,uCE怎么变化,？,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,晶体三极管,BJT微变等效电路,晶体管的微变等效电路,晶体管的C、E之间可用受控电流源ic=ib等效代替。,晶体管的B、E之间可用电阻rbe等效代替。,3）微变等效电路法分析,放大电路的微变等效电路,交流通路,小信号等效电路,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,小信号等效电路,电压放大倍数的计算,当放大电路输出端开路(未接RL)时，,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,放大电路输入
17、电阻的计算,定义：,讨论:共射极放大电路的Ri大还是小好?,（5）放大电路输出电阻的计算,定义：,讨论:共射放大电路的Ro大还是小好?,求ro的步骤：,所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。,共 射 极 放 大 电 路 特 点,2.输入电阻低;,1.放大倍数高;,3.输出电阻高.,小 结,交流通路,小信号等效电路,求Au、Ri、Ro,1.饱和失真,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,若Q设置过高,（5）波形的非线性失真,若Q设置过低，,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可
18、消除失真。,2.截止失真,可输出的最大不失真信号,合适的静态工作点能保证输出不失真。,t,t,怎样估算静态工作点?,元件参数老化,环境温度变化,静态工作点不稳定,RC,Rb,C1,C2,Vi,Vo,+VCC,IBQ,VCC/Rb,IBQ,ICQ,VCC-ICQRC,VCEQ=,电源电压波动,知识补充：静态工作点的稳定,温度升高将导致 IC 增大，Q 上移。,T=20 C,T=50 C,RC,RB,B,E,C,IBQ,ICQ,IEQ,+VCC,改进电路：,X,改进电路：,稳定静态工作点的原理,IB,温度升高 IC IE VE UBE,IC,所以 UBQ 不随温度变化，,由于 I2 IBQ，可得(
19、估算),电流负反馈式工作点稳定电路,CE,CE可有效消除引入发射极电阻后对交流信号放大产生的不利影响。,CE：发射极旁路电容,改进电路：,实践经验：,为了提高工作点的稳定效果，通常对硅管取vBQ=（35）V，对锗管取vBQ=（13）V；对硅管取IRb2（510）IBQ；对锗管取IRb2（1020）IBQ；CE称为发射极旁路电容，一般采用几十微法到几百微法的电解电容器。,分压式偏置电路,2.射极输出器(共集电极放大电路),因从发射极输出，所以又称射极输出器。,求Q点：,（1）静态分析,直流通路,（2）动态分析,1）电压放大倍数,电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故又称电压跟
20、随器。,2）输入电阻,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。Ri 与负载有关,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,3）输出电阻,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,射极输出器的特点：,1.电压放大倍数小于1，约等于1;2.输入电阻高；3.输出电阻低；4.输出与输入同相。,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1.因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2.因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3.利用 ri大、rO小以及 Au1 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起
21、到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,例：在图示放大电路中，已知UCC=12V,RE=2k,RB=200k，RL=2k，晶体管=60，UBE=0.6V,信号源内阻RS=100，试求:(1)静态工作点 IB、IE 及 UCE；(2)画出微变等效电路；(3)Au、Ri 和 R0。,【解】,(1)由直流通路求静态工作点。,(2)画小信号等效电路,(3)由小信号等效电路求Au、Ri、R0。,耦合,级,多级放大电路概念,多级放大电路的耦合方式,(1)直接耦合(2)阻容耦合(3)变压器耦合(4)光电耦合,2.2.4 多级放大电路,多级放大器中，前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级
22、的输入电阻是前一级的负载电阻RL。,两级放大电路,多级放大电路的耦合方式,(1)直接耦合:将放大电路的前级输出端直接接至后级输入端。,缺点：各级Q互相影响，设计 调试不便，有严重漂移问题。,优点：可放大低频甚至直流信号，利于集成。,应用：交直流集成放大器。,多级放大电路的耦合方式,(2)阻容耦合:将放大电路的前级输出端通过电容接至后级输入端。,缺点：只能传输交流信号，漂移信号和低频信 号不能通过，不利 于集成。,优点：各级Q独立，设计、调试方便，体积 小、成本低。,应用：交流放大器。,多级放大电路的耦合方式,(3)变压器耦合:放大电路的前级输出端通过变压器接至后级输入端或负载上。,优点：各级Q独立，设计、调试方便，能实现阻抗变换。,缺点：低频特性差，不能放大缓变信号，笨重，不利于集成。,应用：分立器件功率放大电路。,多级放大电路的耦合方式,(4)光电耦合:以光信号为煤介实现电信号的耦合与传递。,电压增益的计算,推广至n 级：,多级放大器总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。,2.性能参数的计算,2.3 项目实施,
