1、三极管放大电路 1 在结构上 ,三极管是由两个背靠背的 PN 结组成的,那么,三极管与两只对接的二极管有什么区别呢? 答：从结构上看，图 12 1（a）所示三极管就是两只背靠背的 PN 结，好像是两只背靠背的二极管如图 121 （b ）所示。但两者的工作有本质的区别，两只背靠背的二极管是没有放大作用的。当D2 正偏、D1 反偏时，D2 的正向电流很大，D1 的反向电流很小，它们之间互不受影响。然而，三极管的两个 PN 结，由很薄的基区联系在一起。正常运用时，三极管的发射结加正向偏置、集电结加反向偏置，如图 1 2l（C）所示，图中为 NPN 型三极管共基接法。因为基区很薄，在发射区的电子，少部
2、分与基区的空穴复合多数载流子电子扩散到基区形成正向发射极电流的同时，到达基区的大部分电子迅速扩散到集电结边缘，在反偏集电结的强电场吸引下，漂移过集电结形成集电极电流。显然，流过正偏发射结的电流越大，则流过反偏集电结的电流也越大。如果改变发射结的正偏电压，使发射结电流作相应变化，则集电结的电流也将随之变化。从而实现了电流的控制和放大作用。2 由前面的讨论已知,在结构上,三极管是由两个背靠背的 PN 结组成的,由很薄的基区联系在一起.那么，三极管的发射极和集电极是否可以调换使用呢？答：在结构上，三极管中背靠背得两个 PN 结是不对称的，表现在以下两个方面：第一，发射区的掺杂浓度高于集电区。如果给发
3、射结加上正向电压，发射区就可以注入大量的载流子到基区，这些载流子将迅速扩散到集电结的边缘。第二，集电结的面积比发射结的面积大，便于收集到达集电结边缘的载流子，只要加在集电结上的反偏电压足够大，就可以收集到注入基区的大部分载流子而形成集电极电流。如果将两者调换使用，则集电区因掺杂浓度低，使向基区注入的载流子大为减少、而发射结面积小也不利于收集载流子，三极管的电流放大系数变得很小，通常 由此可见，三极管作为放大元件使用时，集电极和发射极是不可以调换便用的。3 前面讨论了三极管的集电结和发射结在结构上的区别以及它们各自的作用。试问如果将加于集电结的反相偏置电压改为正向偏置电压，是否对收集发射区注入到
4、基区的载流子更加有利？答：这里需要指出的是：发射区的多数载流子注入到基区后就成为了基区的少数载流子。通常将注入基区的这部分少子称为非平衡少数载流子。例如，NPN 型三极管在发射结正偏电压（Vbe O）作用下，使发射区（ N 区）的多数载流子电子到达基区（ P 区），即成为了基区的少子。其中很小一部分与基区的空穴复合，并在基极电压作用下形成基极电流，而绝大部分迅速扩散到集电结边缘。集电结在反偏电压作用下，空间电荷区变厚，内电场加强，内电场的方向从集电区（N 区）一侧指向基区（ P 区）一侧 【参见图 12 l（C）】。于是，在该内电场的作用下，基区的非平衡少数载流子电子漂移过集电结，形成集电极电
5、流。这就是集电结收集载流子的过程。显然，如果给集电结加上正向偏置，集电结的内电场将被削弱，对收集载流子是不利的。4 穿透电流 Iceo=(1+)Icbo，试分析起产生的原因答：Icbo 是指发射极开路时，集电极、基极间的反向饱和电流。Iceo 是指基极开路时，集电极、发射极间的反向饱和电流，又称穿透电流，其测量电路如图 1 2 5（a）所示。图 125 （b）示出了 Iceo 形成的原因。当基极开路、Vcc 加在集电结和发射结上时，发射结分配有正向电压，集电结分配有反向电压。由于集电结反偏，集电区的少子空穴将漂移过集电结，其大小为Icbo。由于基极开路，这些少子就在基区积累起来。与此同时，发射
6、区的多子电子在正偏电压作用下，扩散到基区。于是其中一部分与由集电区到达基区的空穴复合，形成大小为人。的电流，其余大部分到达集电区。根据三极管的电流分配关系集电极收集的电流为基区复合电流的产倍，于是发射极的总电流为Iceo =Icbo+Icbo=(1+)Icbo 如果在基极与发射极间串入电阻 R，如图 125（C）所示，则基极将部分地分流人 BO，使在基区复合的电流减小，相应地，穿透电流也减小。如果令图中 R 的阻值趋近于零（即 be 短接），则 Icbo 全部从基极流出，此时的穿透电流最小，Iceo 在数值上近似等于 Icbo。5 为什么放大电路能把小能量的电信号放大到所要求的程度？试说明组成
7、放大电路的基本原则。答： 能量守恒是宇宙的基本法则，但为什么用扩音机说话时，扬声器能输出比原来说话时大得多的能量呢？也就是说，扬声器不仅得到放大了的电压，也得到放大了的电流，即得到了较大的功率，这些能量来自何处呢？我们发现，如果把扩音机电源切断，扬声器将不再发声。可见，能量是电源供给的。放大电路的作用就是利用三极管的控制作用，把电源的能量转换为变化的输出量，而这些输出量的变化情况是与输入量的变化情况成比例的。因此，放大作用实质上就是一种能量控制作用，放大电路是一种能量控制部件。为了实现上述功能，不论哪种组态的放大电路，在组成时必须遵循下列原则：1要有极性连接正确的直流电源、合理的元件参数，以保
8、证三极管发射结正偏、集电结反偏和合适的静态工作点，使三极管工作在放大区域；2有信号的输入、输出回路，也就是信号能够从放大电路的输入端加到三极管上，经过放大后又能传给放大电路的下一级或负载。以上第回条是放大电路的静态（直流）问题，第 2 条是动态（交涉）问题。所以任何一个放大电路都是交直流共存的电路。6 在阻容耦合放大电路中，耦合电容有何作用？若耦合电容采用电解电容，其极性应如何安排？答：耦合电容具有“隔离直流，传送交流” 的作用。它的这个作用，既可以使放大电路中的直流成分不和信号及负载（或下一级放大电路）发生联系。便于设置和稳定静态工作点，又可以使信号顺利地传递过去。现以图 2l4（a）和（
9、b）电路中的 C。为例说明耦合电容隔直传交作用。在静态时，Vi=0，C2 两端电压处于稳态，则流过它的电流为零，故 Rl 两端的电压为零，显然，此时 C2 两端的电压 Vc2=vce=Vce，这是电容的隔离直流作用，如图 214（a ）所示。在动态时，ViIB 的条件是一致的，而且使用起来更直观些。12 什么是放大电路的动态分析？进行动态分析依据什么电路？答：放大电路的动态是指放大电路接入输入信号 vi 后的工作状态。此时放大电路在输入电压 vi 和直流电源 Vcc 共同作用下工作，三极管各极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号 vi作相应变化的交流分量。放大电路在动态情况
10、下，交、直流共存于同一电路。动态分析的主要内容是：分析放大电路中输入、输出电压和电流的波形，研究波形的失真和输出电压动态范围、计算电压放大倍数入、输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro 等。分析方法主要采用图解法和微变等效电路法。分析放大电路中各交流量的变化规律及动态性能时，依据的电路是放大电路的交流通路。由于交流通路是交流电流流通的路径，所以，它是将放大电路中的直流电源和耦合电容、旁路电容（电容数值较大，在信号的工作频率范围内，可视为短路）作短路处理后所得出的电路。13 研究波形是否失真，是放大电路动态分析的一项重要内容。放大电路在什么情况下将产生饱和失真和截止失真？并简述静态工作点设置的原则。答
11、：当静态工作点 Q 位置偏高，而输入信号幅度又相对比较大时，将导致三极管工作点于部分时间内进入饱和区，由此而引起的波形失真称为饱和失真。如图 23 4（a），在 时间内，工作点进入了饱和区， vce（ v0）的波形被削去了一部分，此时出现的失真为饱和失真。当静态工作点 Q 位置偏低，而输入信号幅度又相对比较大时将导致三极管工作点于部分时间内进入截止区，由此而引起的波形失真称为截止失真。从图 23 4（b）的输入特性可见，在 时间内，由于工作点进入了截止区，使 ib 波形被削去一部分，对应到图 234（C）输出特性，vce（v0 ）波形在 内也被削去一部分，此时发生的失真为截止失真。当输入信号幅
12、度过大，可能同时出现以上两种失真，称之为双向失真。以上失真是由于三极管特性的非线性引起的，总称为非线性失真。从以上分析可知：静态工作点设置不当和输入电压幅度过大是造成非线性失真的根本原因。所以，合理地设置静态工作点是保证放大电路正常工作的一个重要问题。设置静态工作点应遵循的原则是：首先静态工作点必须位于由集电极最大允许电流 ICM、集电极一发射极反向击穿电压 V(BR)CEO。，以及集电极最大允许耗散功率 PCM 三个极限参数所限定的安全工作区内；此外，要根据放大电路的用途和信号幅度来确定静态工作点。例如，当希望尽可能提高最大不失真输出幅度时，宜将静态工作点设置在交流负载线中央；当信号幅度不大
13、，为了减少电源能量的消耗和噪声（随着 Ic 的增大，由电子热运动而引起的噪声电压将急剧上升），在不产生失真和保证一定的电压放大倍数的前提下（Ic 愈小，则三极管输入电阻rbe，愈大，电压放大倍数 Av 愈小），常将 Q 点选得低一些；若要求尽量提高电压放大倍数，同时信号幅度比较小，对噪声方面的指标要求又不高时，在不产生失真的情况下，可将 Q 点设置高一些。14 前面研究了非线性失真的类型和产生原因，现在讨论如何根据输出电压波形判断失真类型和消除失真的办法。已知图 23 5（ a）所示放大电路的输人电压 vi 为正弦波，若输出电压 v0 的波形分别为图 235（b ）、（C）和（d ）所示，诚说
14、明各为何种失真？欲消除失真，应采取什么措施？答：图 235（a）电路的三极管是 PNP 型，下面依据三极管输出特性曲线和交流负载线分析波形失真情况。在图 2 35（e）中，当工作点移至 Ql 后将出现饱和失真，此时 ,-vce 波形负半波出现削波，即认e 波形的正半波被削波；因为 v0=vce，故出现饱和失真时，V0 的正半波被削波；可以推论，当出现截止失真时，将是 V0 的负半波被削波。由此可知：图 235（b ）所示波形是饱和失真，图（b）所示波形是截止失真，图（d ）是同时出现了饱和失真和截止失真。为了消除饱和失真，应适当降低 Q 点，即减小 IBQ。对于图 235（a ）所示电路，一般
15、可加大上偏流电阻 Rb1；为了消除截止失真，应适当提高 Q 点，即增加 IBQ，一般可减小上偏流电阻 Rb1；当同时出现饱和失真和截止失真时，直通过适当提高电源电压 VCC或减小输入电压 vi 幅度来消除。通过分析可以得出：对于由 NPN 管组成的放大电路，当饱和失真时，V 。将出现负半波被削波；当截止失真时，V。将是正半波被削波。15 由于三极管特性的非线性，使放大电路的输出电压幅度受到了限制。什么是放大电路的最大输出电压幅值和输出动态范围？如何扩大输出动态范围？答：放大电路的最大输出电压幅值 Vom，是指不产生饱和失真和截止失真时，放大电路能输出的最大电压幅值，故又称最大不失真输出电压幅值
16、。最大不失真输出电压的峰一峰值 Vp-p 称为输出动态范围，Vp-p=2Vom在输入信号一定的情况下，输出动态范围与静态工作点 Q 在交流负载线上的位置有关现以基本共射电路为例说明。在基本共射电路中 vo=vce，并假设三极管共射输出特性是平行等距的（图中未画出输出特性）。在图 236（a）中，Q 点在交流负载线 AB 的偏上方，当输入信号幅度逐渐增加时，将首先出现饱和失真，所以最大输出电压幅值 Vom=VCE(sat)=VCE-VCES，式中，VCE(sat)为最大不饱和失真电压幅值，VCES 为管子的饱和压降，估算时一般取 1V。在图 236（b）中，Q 点在交流负载线 AB 的偏下方，当
17、输入信号幅度逐渐增加时，将首先出现截止失真，故最大输出电压幅值 Vom=VCE(cut)=ICQRl，式中，VCE(cut)为最大不截止失真电压幅值。在图 2 36（C）中，Q 点在交流负载线 AB 的中点，随着输入信号幅度的增加，两种失真可能同时出现，所以最大不失真输出电压幅值 Vom=VCE(sat)=VCE(cut) V。，。一，故 Vom=VCE-VCES=ICQRl。显然，此种情况可获得最大的不失真输出。由以上分析可知，为了扩大输出动态范围，宜将静态工作点设置在交流负载线的中央。16 放大电路的输出动态范围也可以通过实验的方法测得。怎样用示波器观察基本共射放大电路的最大不失复输出电压
18、波形呢？答：要观察最大不失真输出电压波形，需将静态工作点调整在交流负载线中央。为此，可通过观察输出电压波形的失真情况使静态工作点落在负载线中央。具体做法是：将放大电路加入幅度较大的正弦输入电压，调整偏流电阻，使在荧光屏上出现的饱和失真与截止失真对称。然后减小输入信号，使两种失真都刚好消失，这时得到的波形就是最大不失真波形。2 313 电压放大倍数是放大电路的一个重要性能指标，是否可以通过选用电流放大系数 较高的三极管来获得较高的电压放大倍数？如果增大三极管的静态工作电流，是否能提高电压放大倍数？答：在图 2313（a）、（b ）所示的固定偏流式和基极分压式射极偏置的共射放大电路中，电压放大倍数
19、的表达式是相同的，均为似乎两者的电压放大倍数都将随着 的上升以同样的比例增大，实际上却不然。关键在于当 增大时，两个电路中的 rbe 变化情况不同。因为 rbe 的表达式为在固定偏流式放大电路中，当 增大时，IBQ 基本不变，而 IEQ 将增大，故 r。也基本不变，因此，在不失真的条件下， Av 将随着 的增大基本上按同样的比例而增大。对于射极偏置共射放大电路，当 增大时，IEQ 基本不变，故 rbe 几乎与尸成正比增加，致使 Av基本不变。如果适当地加大三极管的静态工作电流 IEQ，在没有饱和的情况下，rbe 值减少，放大倍数 Av 增加。因此，增加人。，是提高共射放大电路电压放大倍数的一个
20、有效措施。但应指出，随着 rbe 的减少、Av的增加，输入电阻 Ri 却减小了。17 在前面计算电压放大倍数等动态性能指标时未计及信号源内阻 Rs 的影响。试分析图 2.3.14(a)所示共射放大电路中，当 Rs=1k 和 Rs=10k 时对电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的影响。设三极管的 =70，VBE=0.7V，rbe=1.1k 。答：画图 2.3.14(a)放大电路的微变等效电路如图 2.3.14(b)所示。先计算输入电阻 Ri 和输出电阻 R0。由图 2.3.14(b)知：由此可见，信号源内阻 Rs 对输入电阻和输出电阻没有影响。在计及信号源内阻 Rs 后，电压放大倍数（称之为源电压
21、放大倍数 Avs）可由图 2.3.14(b)所示电路求得：故当 Rs=1k 时，源电压放大倍数当 Rs=10k 时可见，当计及信号源内阻尼后，电压放大倍数降低了，下降程度决定于输入电阻和信号源内阻的比值。当 Ri=Rs 时， Avs 约为 Av 的一半（见本题 Rs=10k 时）。若 Ri 增加，当 Ri=10Rs 时，则有Avs Av（见本题 Rs=1k 时）。这说明输入电阻对电路的放大能力影响较大。输入电阻常用来衡量对信号源（或前级）信号的衰减程度。一般，希望输入电阻大一些。从另一角度讲，当 时有 AvsAv，这说明信号源内阻（或前级的输出电阻）愈小，对后级放大电路（或负载）的影响就愈小，
22、所以输出电阻常用来衡量电路的带负载能力。一般，希望输出电阻小一些。18 23 节已分析了合适的静态工作点，对于保证放大电路的优良性能是十分重要的。但在实际应用中，诸多因素造成静态工作点不稳定。什么是影响放大电路静态工作点稳定的主要原因呢？答：使静态工作点 Q 变动的原因主要有两个方面；一是电路参数的变化；二是温度的影响。下面主要分析温度变化对 Q 点的影响。温度变化后，三极管的 VBE, ,ICBO 随之而变动。一般温度每升高 1， VBE 约减小 2.5mV，约增大（05 1.0）；温度每升高 10，ICBO 约增加一倍， ICEO 上升更显著。这三个因素的影响，最终都表现在使人随温度升高而
23、增加，从而导致工作点的变动。如对于固定偏流式共射放大电路，温度升高时，将使 Q 点沿直流负载线上移，从而可能使三极管产生饱和失真。一般来说，对于由硅管组成的放大电路，影响稳定性的主要因素是 VBE 和 的变化，而对于由锗管组成的放大电路，ICBO 的变动则是工作点不稳定的主要原因。19 实际放大电路均采用能稳定静态工作点的偏置电路。试分析图 2.4.2(a)和(b)所示电路能稳定静态工作点的原理。答：图 2.4.2(a)所示射极偏置电路，在例 2.4.2 中已讨论过，当 I1=(510)IB 和 VB=(35)VBE 时，I1 I2，故有与管子的参数无关，基本上为一固定值。当由于温度升高或更换
24、不同参数的三极管使 Ic 增加时，则有以上说明，该电路有稳定静态工作点的作用。它是将正比于直流电流人的电压 I。R引到输入回路来实现的，故该电路又称为直流电流负反馈偏置电路，这种电路在较宽的温度范围内具有相当好的稳定度，能适应管子在的分散性，在实际中使用很广。图 24 2 （b）所示电路是集电极一基极偏置电路，它是另一种常见的稳定工作点的电路，由图可知，该电路所以，当温度升高或更换三极管使 Ic 增加时，则 VCE=Vcc-(Ic+IB)Rc 将随之减小，IB 相应减小，从而牵制了 Ic 增加，使 Ic 基本稳定。这种电路是通过 Rb 吧支流电压 VCE 的变化引回到输入电路而实现Ic 稳定的
25、，故又称为直流电压负反馈偏置电路。20 图 2.4.6 所示的两管直接耦合电路，为什么能稳定静态工作点？答：图 24 6 所示两管直接耦合电路具有以下特点：1两管直接耦合， T1 的集电极电压 Vcl 就是 T2 的基极电压VB2；2每一级都是射极偏置电路，能稳定本级的静态工作点；3Tl 的基极偏置电源不是取自电源 Vcc，而是通过 R1、R2 取自 T2 发射极电压 VE2 的一部分，构成了直流负反馈，使工作点更稳定，这种由后级向前级供电的方法叫级间直流负反馈。稳定过程如下：级间直流负反馈不仅可以减小因温度变化造成的工作点不稳定，而且可以减小在更换三极管时，由于卢值的分散性而产生的工作点变化
26、。例如，当 T1 更换上一只 1 值较大的三极管时，将会产生下述过程：维持 Ic2 和 Icl 基本不变。同理，若更换 T2 管时，也有类似作用。可见，在更换三极管时，即使产值不同，也能使工作点基本不变，这给维修工作提供了方便，这也是级间直流负反馈电路被广泛采用的重要原因之一。应该注意到，由于直接耦合放大电路各级间工作点的相互影响，为了使调试工作点不致太困难，级间反馈的跨越级数不宜过多，通常只限两三级之间。21 由于射极输出器具有输出电阻低的特点，故经常用射极输出器（或由两个射极输出级组成的互补对称电路）作为多级放大电路的输出级，因此要求它有局可能大的跟随范围（即最大的不失真输出电压）。试分析
27、图 25 3（a ）所示射极跟随器的跟随范围有多宽？它与电路的哪些参数有关？答：射极跟随器的输出电压 v0 不仅在相位上与输入电压相同，而且在幅度上也接近输入电压 vi 的幅度，但它的跟随范围受三极管的非线性特性的限制，为了避免出现非线性失真，v0 需限定在一定范围内，vi也必须限定在一定范围内。由于在共集电极电路中 v0=-vce。（从交流通路可见），所以分析共集电路输出电压的跟随范围，可以借助于分析共射电路动态范围的方法，即分析认 e 的动态范围。现分两种情况讨论。(1)Q 点已确定（电路参数已定）在图 253（b）中已作出共集电路的直流负载线 MN 和交流负载线 AB 示意图。由图可见：
28、最大不截止失真的 vce 幅值 最大不饱和失真的。vce 幅值 从图可见、VCE(cut)R02，所以，从集电极看进去的输出电阻较大，带负载能力较差，故电路需要调整才能保证 v01 -v02。倒相电路常被用于某些功率放大电路的驱动级（倒相级）中，其输出信号作为推挽电路的输入信号。图 256（a ）电路中由 Rd 和 Cd 组成的单元电路，称之为去耦电路，用来消除低频振荡。24 图 257 （a）所示电路，属于何种组态？若输人信号波形为正弦波，试定性画出vBE,iE,iC,vCB 及 v0 的波形，并说明 v0 与 vi 的相位关系。答：从图 2 57（ a）所示电路的交流等效电路图 257 （
29、b），可见：信号电压从发射极一基极输入，从集电极一基极输出，基极是输入回路和输出回路的公共端，故图 257（a）所示电路是共基极组态。绘出图 25 7（a）所示电路 vi、 vBE、 iE、 ic、 vCB。和 v。波形如图 257（C）、（d）、（e ）、（ f）、（g ）和（h ）所示。图（d ）中 vbe 波形的相位与波形的相依相反，是因为信号。从 e一 b 极输入；图（ g）中 vcb 波形与 ic 波形相位相反，从图 25 7 （b）交流通路可见，是因为 vcb=-ic(Rc/Rl)。从以上波形可见，在共基极电路中，输出电压与输人电压相位相同，这是该电路的一个特点。25 为什么在共基
30、极电路中集电极一基极反向饱和电明 ICBO 的变化对集电极电流的影响很小（相对于共射极电路而言）?试求出共基极电路和共射固定偏流电路的温度稳定系数 为多少？答：图 25 9（a）所示为共基极电路，它的输入电流是 iE，输出电流是 iC，且 Ic= IE+I(CBO)，一般 =0.950.99。图 259（b）所示为固定偏流式共射极电路，它的输入电流是 iB，输出电流是 ic，且Ic= IB+(1+ )I(CBO)，一般 =1999。故共射极电路 ic 中的 I(CBO)比共基极电路 ic 中的 I(CBO)大（ 1 十 ）倍，因此，共基极电路与共射极电路相比，输出特性比较平坦，恒流特性好，集电
31、极电流人受人。的影响小。集电极一基极反向饱和电流 I(CBO)是少数载流子形成的电流，受温度影响较大，温度稳定系数，反映了集电极电流受 I(CBO)影响的程度，即温度变化对集电极电流的影响程度。在图 25 9（a）所示共基极电路中：故在图 2 59（b）所示固定偏流式共射极电路中：稳定系数 S 越小，说明 ICBO 的变化引起的 IC 的变化就越小也就是电路受温度变化的影响越小，电路越稳定。由于共基极钩的 S 小于固定偏流式放大电路的 S，所以，共基极电路比固定编流式共射电路稳定26 要看懂电子电路原理图必须能正确识别放大电路的组态和分析输出与输人波形的关系。图2 5 11 所示各电路具有不同
32、的结构，它们各属于什么组态？哪些电路的输出电压 v。波形是正确的？哪些是错误的？请加以改正。设输人电压 Vi 均为正弦波。答：图 2.5.11(a)：vi 由射极输入，vo 由集电极输出，故为共基组态；输出电压 V。波形是错误的应去掉直流分量。图 2.5.11（b）：v；由基极输入，V。由集电极输出，故为共射组态。输出电压 v0 波形是错误的，v0 中的交流分量应与 vi 反相（vi 形如图 2511（a）所示，下同）。图 2.5.11（C）：vi 由基极输入，v0 由射极输出，故为共集组态；输出电压 v0 波形正确。图 2511（d）：是共射组态； v。波形是错误的，vo 中的直流量应为负值。图 2 511（e ）：是共集组态； v。波形是错误的，v。中的直流量应为负值。图 25 11 (f)：是共基组态；v0 波形是错的，v0 中的交流分应与 vi 同相。
