电工电子技术 课件 5任务五 基于Multisim的共射极单管放大电路的测量实验

任务五基于Multisim的共射极单管放大电路的测量实验电工电子技术

黄燕华任务导学所谓放大，就是增加微弱电信号幅度或功率的过程，实现放大作用的电路就是放大电路。共射极放大电路是应用最广泛的放大电路，放大电路如何实现电流放大和电压放大?放大电路的核心元件是什么?

任务导学共射极放大电路是利用基极电流对集电极电流的控制作用实现放大电信号的目的。经过放大后的电流经集电极电阻转换为电压的变化，实现电压的放大作用。放大电路的核心元件是一NPN型晶体管。任务情境如图５-２８所示为共射极放大电路，该放大电路中ＶＴ是ＮＰＮ型晶体管，这是放大电路实现放大信号的基础。基于共射极放大电路，简述ＮＰＮ型晶体管的组成；基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件来验证放大电路的静态工作点、电压放大倍数等参数。１)共射极放大电路中的ＶＴ为ＮＰＮ型晶体管，根据该晶体管的特性完成表５-１３。任务实施NPN型晶体管有几个区？分别是什么？

NPN型晶体管有几个极？分别是什么？

NPN型晶体管有几个PN结？分别是什么？

除了NPN型晶体管之外另一类型的晶体管是什么？

晶体管具有放大作用的工作条件是什么？２)共射极放大电路中各元器件的作用是什么?将表５-１４填写完整。3）什么是放大电路的“静态”？将共射极放大电路的“静态”电路绘制在图5-29中。4）应用基尔霍夫定律对5-29静态工作回路进行分析与计算，计算基极电流、集电极电流、集电极-发射极电压，完成表5-15。

共射极放大电路直流通路中的基极回路和集电极回路共射极放大电路各参数的分析与计算5）什么是共射极放大电路的动态？如何进行共射极放大电路的动态分析，计算主要的动态性能指标，如电压放大倍数、输入电阻和输出电阻，完成表格5-16。共射极放大电路共射极放大电路7）基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ构建共射极放大电路的动态参数测试电路模型，测量出电压放大倍数和输入输出电阻等参数，并与理论值进行比较，完成表格5-18。

知识链接一、晶体管的基本结构二、晶体管的电流放大作用三、晶体管共射极组态的特性曲线四、晶体管的主要参数五、晶体管的小信号电路模型六、共射极单管放大电路

一、晶体管的基本结构电工电子技术

黄燕华晶体管的基本结构双极型晶体管：两个PN结，三个电极。简称三极管、晶体管（BJT）。根据结构的不同，晶体管分为两种类型NPN型和PNP型。塑料封装小功率管金属封装小功率管金属封装大功率管电流放大作用发射极E集电极C集电结集电区发射结发射区基区B基极PNN发射极E集电结集电区发射结发射区基区基极PPN集电极CBNPN型PNP型晶体管的结构特点

(1)基区尺寸极薄(μm数量级),占整个晶体管尺寸的百分之一以下。(2)发射区和集电区虽为同一类型的杂质半导体,但它们的搀杂浓度相差悬殊:发射区的搀杂浓度远大于集电区的搀杂浓度。(3)集电结的面积大,发射结的面积小。注意:发射极E和集电极C不能对调使用。BECICIEIB图形符号和电流方向NPN型PNP型BECICIBIE二、晶体管的电流放大作用

电工电子技术

黄燕华晶体管的电流放大作用晶体管实现电流放大作用必须具备的外部条件晶体管的发射结正偏集电结反偏UBE

>0UCB

＞0即

VC>VB>VEUEB＞0UBC

＞0即

VE>VB>VC+--UBE+--UCB--+UEB+UBC--BECBECPPPNNNNPN型PNP型(一)实验电路基极回路共发射极电路电源UCC＞UB使发射结正偏

集电结反偏（二）实验操作IB变化→IC和IE变化集电极回路改变电位器RB′的阻值→UBE变化→IB变化→IC变化UBBRBRB′

′IBμAEICUCCIECmAmA→

IE变化。晶体管的电流放大作用UBBRBRB′

′IBμAEICUCCIECmAmAIB／mA00.020.04

0.06

0.08

0.10IC／mA＜0.001

0.74

1.50

2.25

3.05

3.85IE／mA＜0.001

0.76

1.542.313.13

3.95(三)分析实验数据结论

(1)每一组数据说明三个电极的电流符合KCL。IE

=IB+ICBECICIEIBIB／mA00.020.04

0.06

0.08

0.10IC／mA＜0.001

0.74

1.50

2.25

3.05

3.85IE／mA＜0.001

0.76

1.542.313.13

3.95(2)电流IE、IC比IB大得多。以第3组数据为例IC≈IE＞＞IB（3）基极电流的微小变化引起集电极电流的显著变化。晶体管的电流放大作用→放大微弱电信号IB／mA00.020.04

0.06

0.08

0.10IC／mA＜0.001

0.74

1.50

2.25

3.05

3.85IE／mA＜0.001

0.76

1.542.313.13

3.95以第三组数据变化到第四组数据为例三、晶体管共射极组态的特性曲线电工电子技术

黄燕华晶体管的输入特性曲线表示各极电流与极间电压的关系。是了解晶体管特性和分析晶体管工作状态的重要依据。共射极放大电路UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE（一）共射极组态输入特性曲线NPN型硅管输入特性曲线正常工作时

VC＞VB＞VEUCE≥1V即可使集电结反偏。常数UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCEIB／μA0.40.8UBE／V206040800UCE≥1VUBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE所有的输入特性曲线几乎重合。死区电压硅管0.4～0.5V锗管0.2V线性工作范围：晶体管正常工作时的正偏电压硅管0.6～0.7V锗管0.2～0.3VIB与UBE之间是非线性关系IB／μA0.40.8UBE／V206040800UCE≥1V控制死区晶体管的输出特性曲线表示集电极电流与集电极——发射极电压UCE的关系。是了解晶体管特性和分析晶体管工作状态的重要依据。共射极放大电路UBBRBRB′

′IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE共射极组态输出特性曲线UBBRBRB′

IBμAEICUCCCmAmA++－－UBEUCE4UCE／VIC／mA132036912100μAIB=0

20μA40μA60μA80μA输出特性曲线族常数第一、每一条曲线的变化规律以IB=40μA为例恒流特性段

UCE＞1V后，UCE增加，IC几乎不再增加。特性曲线近似平行于水平轴,表现为恒流特性。起始段

UCE＜1VIC随UCE增加近似成正比,线性增加，该段近似为陡直的直线。4UCE／VIC／mA132036912100μAIB=0

20μA40μA60μA80μAICIB的数值增加,曲线上移，组成一组输出特性曲线。1.放大区条件:发射结正偏

集电结反偏截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA饱和区放大区ICEOEBC+--0.6～0.7V+--UCE＞1V第二、整个输出特性分为三个区特点:电流放大作用②要改变IC，只能用改变IB的办法达到。表现为IB对IC的控制作用即电流放大作用。①每一条曲线表现为恒流,即IC与UCE无关。放大区截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA饱和区ICEO③IB以等差值规律变化，对应的特性曲线是一组间距基本相等的平行线，它们之间的间距就体现了基极电流对集电极电流的控制和放大作用。例如，保持UCE=6V不变，调节IB由40μA增大为60μA对应的IC由1.5mA增大为2.25mA。放大区饱和区截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μAICEO△IB=60－40=20μA△IC=2.25－1.5=0.75mA基极电流的微小变化△IB引起集电极电流△IC的显著变化△IC＞＞△IB截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA饱和区放大区ICEO2.截止区①由于IB≤0，表明发射结反偏，集电结亦反偏。②穿透电流ICEO

，基极断开（IB=0），集-射极之间加上一定值的UCE时，集电极-发射极的电流。ICEO由少子形成，近似为零。但ICEO随温度增加而显著增加，使晶体管工作不稳定。E-CBUBE≤0++-UCE≥1VICEO截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA饱和区放大区ICEO③晶体管的开关作用IB=0、ICEO≈0。开关断开E-CBUBE≤0++-UCE≥1VICEO≈0IB=0CEB截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA饱和区放大区ICEO3.饱和区①发射结正偏，集电结亦为正偏。ECBUBE≈0.7V++--UCE＜0.7V②晶体管失去放大作用。③晶体管的开关作用。深度饱和时,UCES≈0。等效为开关闭合CEB饱和区截止区UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA放大区ICEO四、晶体管的主要参数电工电子技术

黄燕华四.晶体管的主要参数

（一）电流放大系数表示晶体管放大电信号的能力。

直流电流放大系数

表示晶体管性能优劣、适用范围及合理选择、正确使用晶体管的依据。利用输出特性曲线可以计算出。βUCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA放大区1.52.25ICEO

交流电流放大系数

UCE／VIC／mA1320436912100μAIB=020μA40μA60μA80μA放大区1.52.25ICEO在放大区约为几十至一百左右。利用输出特性曲线，可以计算出β。

（二）集-射极反向饱和电流ICEO（穿透电流）

（三）集电极最大允许电流ICM。

（四）集--射反向击穿电压U(BR)CEO。极限参数使用中不得超过BCEIC--+UCEIBIB=0ICEOUCC输出特性曲线中IB=0(基极开路)曲线所对应的集电极电流即为ICEO。ICEO是失控电流,越小越好。

（五）集电极最大允许耗散功率PCM。晶体管工作时，集电极消耗的电功率五、晶体管的小信号电路模型

电工电子技术

黄燕华五.晶体管小信号电路模型(一)为什么要建立晶体管小信号电路模型？线性元件解析计算(图解分析)UBIBICIEBRBEUCCCRC注意:晶体管小信号电路模型只对电流、电压变化量（△IB、

△

IC

、

△

UBE

、

△

UCE）等效。非线性元件△IC△UCE△IB--+△UBE+--BCEEEEB△IB△UBE+--+△UCE--小信号电路模型C△IC（二）可能性对交流变化量（动态）等效特性曲线中都有一段近似为线性段。之间具有线性正比关系。电流、电压变化量电信号幅度较小，在该线性段工作，电流变化量与电压变化量之间就存在确定的线性正比关系。IBUBE0Q△UBE△IB在输入特性的直线范围，rbe是常数，能够用来表示△

IB与△UBE之间的关系。这样，晶体管基极与发射极之间就可以用晶体管的输入电阻rbe等效代替。基—射极间△IB与△UBE的关系常数Q点附近近似直线,各点斜率相同晶体管的输入电阻△UCE△IC+-CEβ△IBBE△IB△UBErbe+-在输出特性的放大区内，IC与UCE无关，只受IB控制。△IC=β·△IB因此，集-射极之间可以用一个电流源等效代替。该电流源受△IB控制，称为受控电流源。△UCE与△IC的关系由输出特性曲线决定。其变化量之间的关系UCE／VIC／mA3960612160μA80μA241840μA120μA200μA等效的意义对晶体管三个电极以外的电路等效。对极间电压与电流的变化量之间等效。式中IE是工作点Q对应的发射极电流。△IC△UCE△IB--+△UBE+--BCEEBE△IB△UBErbe+-△UCE△IC+-CEβ△IB六、共射极单管放大电路

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黄燕华

共射极单管放大电路既有电压放大作用,又有电流放大作用,且电压放大倍数较高。一.电路组成和各元件的作用输入回路输出回路共射极放大电路+C1RLRCRBC2V+--ECuiuO++--IBIC发射结正偏集电结反偏输出信号uO

提供给负载RL。输入信号ui

信号源提供。晶体管V

电流放大作用。直流电源EC

使发射结正偏、集电结反偏。EC又是放大电路的能源,一般为几伏至十几伏。+C1RLRCRBC2V+--ECuiuO++--IBIC各元件的作用IB—偏置电流决定静态工作点。RB一般为几十kΩ至几百kΩ。+C1RLRCRBC2V+--ECuiuO++--IBIC基极电阻RB

与EC配合为晶体管V发射结提供正偏电压,同时为V

提供合适的基极电流IB。集电极电阻RC

将电流放大作用转换为电压放大作用。RC一般为几kΩ至几十kΩ。耦合电容C11和C22

隔直流、通交流。隔直电容，一般为几μF至几十μF。小结:信号放大过程该放大电路只能放大交流信号。C11ui→uBE→iBβ电流放大作用→iC电压作用放大RC→iCRCC2uCE=EC-iCRC→uCE→uOiBC1RLRCRBC2V+--ECuiuO++----++--uBEuCEiC二.放大电路的静态分析放大电路没有输入信号

(ui=

0)时的工作状态称为静态。静态时,电路中只有在EC作用下产生的直流电流和直流电压。为放大电路设置合适的静态工作点，使放大信号输入后工作在特性曲线的放大区（线性部分），保证放大信号不失真。静态分析的任务是确定电路中的直流电量--IB

、

IC和UCE。

（静态工作点）静态是放大电路工作的基础。分析方法直流通路（一）直流通路放大电路中的C1、C22

断路。直流电流流通的路径。静态ui=0ui=0VRCRB+--IBICIEUCEUBE+--+UCCUCC=ECVRCRB+--ECIBICIEUCEUBE+--ECRBRCVRLC1C2（二）静态分析计算静态工作点两种方法1.估算法晶体管电流放大系数β和电路参数RC、RB、UCC（EC）均为已知。对基极回路列写KVL方程基极电流式中硅管UBE可按0.6V、锗管可按0.3V代入，估算。通常UCC＞＞UBE近似有集电极电流IC=β·IB对集电极极回路列写KVL方程VRCRB+-IBICIEUCEUBE+-+UCC三.动态分析输入信号ui加入后,引起各部分电流、电压产生相应的变化量，叠加在原来的静态直流量之上。此时各部分电流、电压中既有静态直流分量，又有交流动态分量。交直流共存电路输出端开路RL=∞iBC1RLRCRBC2V+--ECuiuO++----++--uBEuCEiC表7-1放大电路中电流、电压文字符号

电量静态值(直流分量)

交流分量总电压或总电流瞬时值有效值最大值基极电流集电极电流发射极电流

IB

IC

IEib

ic

ieIb

Ic

IeIbm

IcmIemiB

iC

iE集－射极电压基－射极电压UCE

UBE

uce

ubeUceUbeUcemUbemuCE

uBE（二）微变等效电路法工作点选择合适，位于特性曲线放大区的中间部分ui是小信号放大电路线性工作，波形不失真。微变等效电路法用于交流动态分析。是定量分析、计算交流动态的重要方法。晶体管的电压变化量与电流变化量之间存在线性正比关系，晶体管可以用小信号电路模型等效代替。EBECV++----ibicubeuceBCEErbe++----ibicubeuceβib1.放大电路的交流通路将放大电路的交直流共存电路分解为直流(静态)和交流(动态),分别进行分析。交流通路交流电流流通的路径。表示交流信号的传输关系

。

只适用于交流（动态）工作情况。耦合电容C1和C2---短路处理直流电源EC---短路处理处理方法ECC1C2RLRCRBV+ui--RLRCRBV+ui--+--uiRBRCRLV2.放大电路的微变等效电路·uSVRB+ibii--+RSui--RCRLiC+uO--信号源负载·RCβibib+-uoRLRBRSrbeiiiC+us-ui+-BCE3.微变等效电路分析法设输入信号ui是正弦信号,用相量法计算。（1）电压放大倍数Au表示放大电路放大电信号能力的主要性能指标。RC+-RLRBRSrbe+-+-输出电压相量输入电压相量电压放大倍数RC+-RLRBRSrbe+-+-式中“--”表示输出信号uo与输入信号ui相位相反。=RL∥RC等效负载电阻(2)输入电阻riri定义US·++----RSIo·Ui·Uo·Ii·RL放大电路+--是衡量放大电路对信号源(或前级放大电路)影响的性能指标。从放大电路输入端看入的交流、动态电阻。ri=RB∥rbe一般情况下，要求ri大一些为好。共射极放大电路ri较小。riRC+-RLRBRSrbe+-+-（3）输出电阻表示放大电路带负载能力的性能指标。ro越小，信号源越近似为恒压