1、内部结构及图形符号
2、种类及命名
3、技术参数
4、特性曲线
5、基本放大电路
1、内部结构及图形符号
(2)晶体三极管的管脚
有两种类型:NPN型和PNP型。中间部分称为基区,相连电极称为基极,用B或b表示(Base);一侧称为发射区,相连电极称为发射极,用E或e表示(Emitter);另一侧称为集电区和集电极,用C或c表示(Collector)。
E-B间的PN结称为发射结(Je),C-B间的PN结称为集电结(Jc)。
(4)晶体三极管的工艺特点
三极管的符号在图的下方给出,发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的,实际上发射区的掺杂浓度大,面积小,作用是发射载流子,集电区掺杂浓度低,且集电结面积大,作用是收集载流子。基区掺杂浓度最低,且制造得很薄,其厚度一般在几个微米至几十个微米,作用是传输载流子,发射区与集电区的结构不同,不能互换。
2、种类及命名
(1)晶体三极管的种类
依工作频率分为:低频三极管和高频三极管;
依工作功率分为:小功率、中功率和大功率三极管;
依封装形式分为:金属封装、玻璃封装、塑料封装;
依导电特性分为:PNP型、NPN型;
依材料不同分为:硅管和锗管。
一般大功率三极管多为金属封装,通常以金属外壳为集电极C,直接拧在电路板上,利于散热。
(2)晶体三极管的型号表示
一、国家标准对半导体三极管的命名如下:
第一位:表示器件电极数目;
第二位:A表示锗PNP管、B表示锗NPN管、C表示硅PNP管、D表示硅NPN管;
第三位:X表示低频小功率管、D表示低频大功率管、G表示高频小功率管、A表示高频小功率管、K表示开关管。
3、技术参数
(1)反向饱和电流ICBO
它是指集电区的少数载流子在集电结反向偏置作用下漂移而形成的反向电流。它与二极管中的反向饱和电流在本质上是相同的,因此当发射极开路(IE=0)时,集电极电流值即为反向饱和电流。ICBO大小是管子质量好坏的标志之一,实际当中ICBO越小越好。小功率管约为几个微安,此值虽小但受温度影响很大,是三极管工作不稳定的主要因素之一。
ICBO的下标CB代表集电极和基极,O是Open的字头,代表第三个电极E开路。
(2)穿透电流ICEO
它是指基极开路(IB=0)时,集电极与发射极之间的反向饱和电流。ICEO的大小为ICBO的β倍。ICEO受温度影响更严重,因此它对三极管的工作稳定性影响更大。实际当中应该越小越好。
ICEO和ICBO有如下关系:ICEO=(1+β)ICBO
(3)三极管的极限参数
1)集电极最大允许电流(Icm)
如右图所示,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集电极最大允许电流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)集电极、发射极间的最大允许反向电压(BVce0)
最大允许反向电压表示三极管电极间承受反向电压的能力。
3)集电极最大允许功耗(Pcm)
是指集电极电流通过集电结时所产生的功耗,Pcm=Icvcb≈Icvce,因发射结正偏,呈低阻,所以功耗主要集中在集电结上。在计算时往往用Vce取代Vcb。
4、三极管的输出特性曲线
根据输出特性曲线的特点,通常将三极管的工作范围分为三个区域:截止区、饱和区、放大区,它们的各自特点概述如下:
截止区:IC接近零的区域,相当IC=0的曲线的下方。此时,发射结反偏,集电结反偏。
饱和区:IC受UCE显著控制的区域,该区域内UCE的数值较小,此时发射结正偏,集电结正偏。
放大区:IC平行于UCE轴的区域,曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏。
(1)截止区
输出特性曲线IB=0这条曲线以下的区域称为截止区,此时发射结与集电结均处于反向偏置。由于三极管中存在穿透电流ICEO,集电极电流并未真正截止。对硅管而言,VBE<0.5V时截止,锗管VBE<0.1V时截止。
(2)饱和区
在UCE<1V的范围内所对应的特性曲线近似直线上升的区域,称为饱和区,三极管饱和时UCE的值称为饱和压降,用UCES表示,小功率硅管约0.3V,锗管约0.1V。三极管工作在饱和区时,集电结与发射结均处于正向偏置,呈现低电阻状态,故电流较大,相当于一个开关的接通状态。
(3)放大区
5、简单的晶体管放大电路
三极管有三个电极,其中两个可以作为输入,两个可以作为输出,这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。
◇共发射极接法,发射极作为公共电极,用CE表示;
◇共基极接法,基极作为公共电极,用CB表示;
◇共集电极接法,集电极作为公共电极,用CC表示。
(1)三极管的电流放大作用
简单的晶体管接在放大电路中的晶体三极管,具有电流放大作用,即流过集电极的电流(称集电极电流)Ic,比流过基极的电流(基极电流或偏置电流)Ib大β倍,β就是三极管的共射极电流放大系数,用公式表示:
放大电路
(1)放大电路主要用于放大微弱信号,输出电压或电流在幅度上得到了放大,输出信号的能量得到了加强。
(2)输出信号的能量实际上是由直流电源提供的,只是经过三极管的控制,使之转换成信号能量,提供给负载。
(2)共射组态放大电路的组成
三极管T——起放大作用。 负载电阻RC,RL——将变化的集电极电流转换为电压输出。 偏置电路VCC,Rb——使三极管工作在线性区。 耦合电容C1,C2——输入电容C1保证信号加到发射结,不影响发射结偏置。输出电容C2保证信号输送到负载,不影响集电结偏置。 | ![]() |
(3)静态和动态
静态——Vi=0时,放大电路的工作状态,也称直流工作状态。
动态——Vi≠0时,放大电路的工作状态,也称交流工作状态。
放大电路建立正确的静态,是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态,正确地区分直流通路和交流通路。
(4)放大原理
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三极管具有电流放大作用,放大器输入信号Vi的变化引起三极管发射结电压VBE的变化,近而引起基极电流IB的变化,由于IC=β*IB,引起大的集电极电流IC变化,IC的变化通过集电极负载电阻RC转变为输出电压的变化。 |
三极管的测试
三极管的测试分为测试三极管的类型、管脚排列,首先是如何测试三极管的类型使用万用表的电阻档(R×1)档,判断如下:
其次是如何测试三极管的管脚排列,判断出管子类型和基极后,使用万用表的电阻档(R×1)档,如下测试:
一、整流电路
二、滤波电路
三、稳压电路
四、振荡电路
整流:利用整流元件(通常是整流二极管)的单向导电性,实现将交流电变换成单向的脉动直流电。
1)半波整流
2)全波整流
3)桥式整流
单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过,而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高,在同样功率容量条件下,体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路,故广泛应用于直流电源之中。
滤波:将脉动直流中的交流成分滤除,减少交流成分,增加直流成分。滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同,实现滤波。
电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C应该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联。
经过滤波电路后,既可保留直流分量,又可滤掉一部分交流分量,改变了交直流成分的比例,减小了电路的脉动系数,改善了直流电压的质量。
电容滤波电路原理:
若v2处于正半周,二极管D1、D3导通,变压器次端电压v2给电容器C充电。
此时C相当于并联在v2上,所以输出波形同v2,是正弦波。
当v2到达wt=p/2时,开始下降。先假设二极管关断,电容C就要以指数规律向负载RL放电。指数放电起始点的放电速率很大。
在刚过wt=p/2时,正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。
在超过wt=p/2后的某个点,正弦曲线下降的速率越来越快,当刚超过指数曲线起始放电速率时,二极管关断。
所以在t2到t3时刻,二极管导电,C充电,Vi=Vo按正弦规律变化;t1到t2时刻二极管关断,Vi=Vo按指数曲线下降,放电时间常数为RLC。
利用储能元件电感器L的电流不能突变的性质,把电感L与整流电路的负载RL相串联,也可以起到滤波的作用。
当v2正半周时,D1、D3导电,电感中的电流将滞后v2。当负半周时,电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性,四个二极管D1、D3、D2、D4的导电角都是180°。
理想的稳压电路输出电阻Ro=0,则Vo与负载RL无关,为了降低Ro,稳定Vo,高质量的稳压电路必须采用深度电压负反馈以改善电路性能。
引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化。
振荡电路:是一种自激振荡电路,它的特点是利用“自激振荡”原理工作的,其实质是放大器引正反馈的结果。振荡电路是不需要输入信号,自己就可以产生一定输出信号的电子电路。
振荡电路的振荡条件:相位平衡条件和幅值平衡条件
1)振幅平衡条件(∣AF│=AF=1)
2)其二为相位平衡条件(φa+φf=2nπ,n=0,1,2,…)。
自激振荡:是指在不外加信号的条件下,放大电路就能够产生某一频率和一定幅度的输出信号,这种现象称“自激振荡”。
振荡电路的组成部分:由四部分组成,即放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。
(1)放大电路具有一定的电压放大倍数,其作用是对选择出来的某一频率的信号进行放大。根据电路需要可采用单级放大电路或多级放大电路。
(2)反馈网络是反馈信号所经过的电路,其作用是将输出信号反馈到输入端,引入自激振荡所需的正反馈,一般反馈网络由线性元件R、L和C按需要组成。
(3)选频网络具有选频的功能,其作用是选出指定频率的信号,以便使正弦波振荡电路实现单一频率振荡。选频网络分为LC选频网络和RC选频网络。使用LC选频网络的正弦波振荡电路,称为LC振荡电路;使用RC选频网络的正弦波振荡电路,称为RC振荡电路。
(4)稳幅环节具有稳定输出信号幅值的作用,以便使电路达到等幅振荡,因此稳幅环节是正弦波振荡电路的重要组成部分。
1、变压器反馈式振荡器
反馈网络采用变压器,利用变压器的一次绕组与电容并联组成振荡回路作选频网络,代替晶体管集电极电阻Rc,从变压器的二次绕组引回反馈电压并将其加到放大电路的输入端,电路如图1-31所示。
变压器反馈式LC振荡电路的特点是振荡频率调节方便,容易实现阻抗匹配和达到起振要求,输出波形一般,频率稳定度不高,产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫,一般适用于要求不高的设备。
2、电感三端式振荡器
电感三点式振荡器的典型电路如图1-32所示。在LC振荡回路中,电感有一个抽头使线圈分成两部分即线圈L1和线圈L2,线圈L1的3端接到晶体管的基极B,线圈L2的1端接晶体管的集电极C,中间抽头2接发射极E。也就是说电感线圈的三端分别接晶体管的三极,所以叫电感三点式振荡器,又称哈特莱振荡器。
在该电路中L1兼作反馈网络,通过耦合电容Cl将Ll,反馈电压加在晶体管的输入端,经放大后,在LC振荡回路中得到高频振荡信号,只要适当选择电感线圈抽头的位置.使反馈信号大于输入信号,就可以在LC回路中获得不衰减的等幅振荡。
3、电容三端式振荡器
电容三点式振荡器的典型电路图。其结构与电感三点式振荡器相似,只是将L、C互换了位置。LC振荡回路中采用两个电容串联成电容支路,两电容中间有一引出端,通过引出端从LC振荡回路的电容支路上取一部分电压反馈到放大电路的输入端,由于电容支路三个端点分别接于晶体管的三极上,所以把这种电路称为电容三点式LC振荡器,又称为柯尔皮兹振荡器。
电感三点式振荡器和电容三点式振荡器各自的特点:
电感三点式LC振荡器的特点是振荡频率调节方便,电路容易起振,输出信号的波形中含有高次谐波,波形较差,频率稳定度不高,可产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫。一般用于要求不高的场合或设备中。
电容三点式LC振荡器的特点是频率调节不方便,输出信号的波形好,频率的稳定度较高,可产生几兆赫至100MHz以上的频率。一般用于频率固定或在小范围内频率调节的场合或设备中。
电感三点式振荡器与电容三点式振荡器相比有两个缺点:
(1)改变电感不方便。
(2)因反馈电压取自Ll上,Ll对高次谐波阻抗大,从而引起振荡回路输出。
谐波分量增大,输出波形较差。
4、RC振荡器
◇采用RC元件组成的电路作选频网络的正弦波振荡电路,称为RC振荡器。按反馈网络的结构特点,RC振荡电路可分为RC移相式、RC桥式和双T式选频网络的振荡电路。其中RC桥式振荡电路采用RC串并联电路作选频网络,故又称RC串并联振荡电路,如图所示。
◇这个电路由两部分组成,即放大器Au和选频网络Fuo Au为集成运算放大器所组成的电压串联负反馈放大器,而Fu则由Zl、Z2组成,同时兼作正反馈网络。Z1、Z2和R1、R2正好形成一个四臂电桥,放大电路的输入端和输出端分别接到电桥的两个对角线上,因此这种RC振荡电路又称RC桥式振荡器。
RC移相式正弦波振荡电路:
RC移相式正弦波振荡电路是把RC移相网络作为正弦波振荡电路的反馈环节,如图l-30所示。该振荡电路的RC移相网络提供180°解的相移,而放大器采用反相输入比例放大电路,故φa=-180。φa+φf=0°满足振荡的相位条件,只要调节热敏电阻Rf,使放大倍数足以补偿反馈网络引起的信号幅度衰减,就可以产生正弦波振荡信号。
文氏电桥振荡电路:
振荡电路的原理图如图所示。其中集成运放A作为放大电路,它的选频网络是一个由R、C元件组成的串并联网络,RF和R’支路引入一个负反馈。
由图可见,串并联网络中的R1、C1和R2、C2以及负反馈支路中的RF和R’正好组成一个电桥的四个臂,因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路。
5、石英晶体振荡器
采用石英晶体作选频网络选频元件的正弦波振荡电路叫石英晶体振荡器。石英晶体振荡器的形式多种多样,但其基本电路只有两类,即并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路。在前者中石英晶体是以并联谐振的形式出现,而在后者中则是以串联谐振的形式出现。在并联晶体振荡电路中,石英晶体工作在串联谐振频率和并联谐振频率之间,石英晶体作为一个电感来组成振荡电路。而在串联晶体振荡电路中,石英晶体工作在串联谐振频率处,利用串联谐振时阻抗最小的特性来组成正弦波振荡电路。
分析判断电路能否产生振荡常采用的方法:
◇分析电路能否产生振荡的方法是看电路是否满足自激振荡条件。首先检查相位平衡条件即检查反馈是否为正反馈;然后检查振幅平衡条件,一般振幅平衡条件比较容易满足,若不满足,可在测试调整时,通过改变放大倍数│Au│和反馈系数│F│使电路满足│AF│>1的振幅平衡条件。通常只要正弦波振荡电路满足相位平衡条件,就可认为电路产生正弦波振荡。
◇判断相位平衡条件,常用瞬时极性法,所谓瞬时极性法即断开反馈信号至放大电路的输入端点,在放大电路的输入端加一输入电压Vi,并设其极性为正,然后经过放大电路和反馈网络的传输放大后,若引入的是并联反馈,则看反馈信号Vf与输入信号Vi的极性是否相同,若两者极性相同,则电路满足相位平衡条件,能产生正弦波振荡;若两者极性不同,则电路不满足相位平衡条件,无法产生正弦波振荡。