Skip to content

三极管及其放大电路

INFO

7. 三极管及其放大电路(建议8学时)

7.1 三极管基础

​ 7.1.1 三极管的结构、工作原理及其电路符号

​ 7.1.2 三极管的电路特性(输入特性、输出特性和转移特性)

​ 7.1.3 中频等效电路模型

7.2 三极管放大电路的构成及其分析

​ 7.2.1 直流偏置电路及其分析

​ 7.2.2 三种接法放大电路的分析计算

TIP

  • 指数模型:iC=ISevBEvT
  • 小信号模型:
    • gm=ICVT
    • rπ=βgm
    • ro=|VA|IC
    • 小信号模型的近似前提: vbeVT,按1/5近似,则 vbe 需小于 5mV
  • BJT 工作于放大区,则:
    • 对于npn,vC 最低不得低于 vB0.4
    • 对于pnp,vC 最高不得高于 vB+0.4

习题及参考解答

知识点1:三极管的结构与工作原理

1、三极管又称为双极型晶体管,因为 ________ 。

工作时电子和空穴两种载流子同时参与导电过程

2、在放大区,晶体管的集电极电流是 ________ (少数/多数)载流子运动产生的。

少数

3、一个 pnp 三极管工作在饱和区,则满足 ________ 。

A. 发射结正偏,集电结正偏 B. 发射结正偏,集电结反偏

C. 发射结反偏,集电结正偏 D. 发射结反偏,集电结反偏

A。注意 BJT 的 “放大区” 对应 MOSFET 的 “饱和区”

4、测得某电路中处于放大状态的 BJT 的三个电极 A、B 和 C 的对地电位分别为

VA=9VVB=6VVC=6.7V,分析 A、B 和 C 分别对应 BJT 三个极中的 ________ ,________ , ________ ,可判断此 BJT 是 ________ 管(NPN或PNP)。

集电极 发射极 基极 PNP。处于放大区,则 B、E 相差 0.7 V,A点 为 C;C 点电压最低,则管子为 PNP;因此 B 点为 E, C 点为 B。

5、测得 NPN 型三极管上各电极对地电位分别为 VE=2.1VVB=2.8VVC=4.4V ,说明此三极管工作在 ________ 。

A. 放大区 B. 饱和区 C. 截止区 D. 反向击穿区

A。 VC>VB0.4,所以工作在放大区

6、在某放大电路中,测得三极管三个电极的静态电位分别为 0 V、-10 V 和 -9.3 V,则这只三极管是 ________ 。

A. NPN 型硅管 B. NPN 型锗管 C. PNP 型硅管 D. PNP 型锗管

A。C 电压最高,所以是 NPN 型;BE 相差0.7, 所以是硅。

7、一个工作在放大区的 npn 三极管,需满足 ________ 。

A. 发射结正偏,集电结正偏 B. 发射结正偏,集电结反偏

C. 发射结反偏,集电结正偏 D. 发射结反偏,集电结反偏

B。根据定义

8、已知某晶体管的各极对地电压分别是 VB=6.3VVE=7VVC=4V,可以判断这个晶体管是 ________ 管,工作在 ________ 。

A. NPN管,饱和区 B. PNP管,放大区

C. PNP管,饱和区 D. NPN管,放大区

D。C 电压最高,所以是 NPN 型;VC>VB0.4,所以工作在放大区。

知识点2:三极管的工作特性及其等效模型

1、为使高内阻信号源与低阻负载组成电路,可以在信号源与负载间接入 ________ 。

A. 共射电路 B. 共基电路 C. 共集电路 D. 共集-共基串联电路

C。共集电路,即射极跟随电路,用作电压 Buffer,提供大输入电阻和小输出电阻

2、不考虑管子的频率响应,求下列2个典型电路沿箭头方向的小信号等效电阻。

8-1-3

(b) ro+(1+gmro)(RE//rπ) 。注意 BJT RE 需与 rπ 并联,而 MOSFET 为 RS

(c) rπ+(β+1)RE 。注意,从 B 看进去,计算电阻时除以 iB,而连接 E 处的电阻压降为电阻乘以 iC,故连接 E 处的电阻需放大 (β+1) 倍;若从 E 看进去,计算电阻时除以 iC,而连接 B 处的电阻压降为电阻乘以 iB,故连接 B 处的电阻需缩小 (β+1) 倍;

3、为实现电流的放大,同时电压基本不变,选择的单管放大器为 ________ 。

A. 共射放大电路 B. 共集放大电路

C. 共基放大电路 D. 前三种放大电路都行

B。电压基本不变,即电压 Buffer,为射极跟随电路。

4、直接耦合放大电路产生零漂的原因主要是 ________ 。

A. 电阻阻值有误差 B. 晶体管参数的分散性

C. 晶体管参数受温度影响 D. 受输入信号的变化影响

C。

放大电路的零漂(Zero Drift)是指在没有输入信号时,放大器的输出偏离零点(或基准电平)的现象。这种现象通常是由于电路中的不稳定因素引起的,比如温度变化、电源电压波动、电子元件的老化、内部偏置电流的变化等。零漂对于精密放大电路来说是一个重要的性能指标,因为它会影响电路的精确度和稳定性。

零漂的主要特点和影响因素包括:

  1. 温度影响: 放大电路中的元件(如晶体管、电阻、集成电路等)的特性可能会随温度而变化,从而引起输出偏移。
  2. 电源电压波动: 电源的不稳定或电源电压的变化也可能导致放大器的输出产生漂移。
  3. 元件老化: 随着时间的推移,电子元件的特性可能会慢慢改变,这也可能导致零点的漂移。
  4. 输入偏置电流: 放大器的输入端通常有一定的偏置电流,这些电流的变化也会导致零漂。

为了减小零漂,电路设计师会采取各种措施,比如使用高稳定性的元件、设计温度补偿电路、使用差动放大电路来减少对电源波动的敏感性等。在一些高精度的应用中,还会使用特别设计的低漂移放大器来确保长期稳定性。零漂的控制对于精密测量和信号处理应用尤为重要。

5、一个电压放大器的输入电阻越小,对信号源的影响则 ________ ;输出电阻越小,带负载的能力则越 ________ 。

A. 越大,越强 B. 越小,越强 C. 越大,越弱 D. 越小,越弱

A。电压电压放大器要求输入电阻大,输出电阻小,目的是使放大器的输入从信号源获得大的电阻分压,负载从放大器的输出获得大的电阻分压。

6、如下图所示的放大电路以及晶体管的输出特性曲线、负载线,静态工作点 ________ 情况下最易产生截止失真,静态工作点 ________ 情况下最易产生饱和失真,静态工作点 ________ 情况下输出电压摆幅最大。

8-2-6-18-2-6-2

A. Q1 B. Q2 C. Q3 D. Q4

B C D。曲线中靠近右下侧为截止区,靠近左上侧为饱和区,居中则输出摆幅最大;Q2 最靠近右下侧, Q3 最靠近左上侧,Q4 居中,且左右摆放最大。

7、下图是某晶体管的输出特性曲线,说出图中 Q1Q2 两个直流工作点的设置分别存在的问题。直流工作点 Q1 存在的问题是: ________ ;直流工作点 Q2 存在的问题是: ________ 。

8-2-7

易于截止或输出摆幅受限 易于进入变阻区或易于饱和或输出摆幅受限

解释参见上题。

知识点3:三极管放大电路的分析计算

1、如下图所示放大电路,其中 Rb=470kΩRc=2kΩ,若已知 IC=1mAVCE=7VVBE=0.7Vrbe=1.6kΩVT=26mV,则说明 ________ 。

8-2-1

A. A˙V=V˙oV˙i=VCEVBE=70.7=10

B. A˙V=V˙oV˙i=ICRcVBE=1×20.73

C. A˙V=V˙oV˙i=ICRcIbRi=βRcRi=βRcRb//rbe62.5

D. A˙V=V˙oV˙i=βRcrbe76.9

D。gm=ICVT, 增益:gmRC=1mA26mV×2kΩ=76.9,注意 rbe=βgm

2、如下图所示电路,已知 VCC=9V ,假设晶体管的 β 值非常大,此时 RERC 上的压降均为 13VCCIE=0.5mA ,通过分压电阻 R1R2 的电流为 0.2IE,(a)求 R1R2 ;(b)保持电路不变,求当晶体管的 β=100 时,求IE 的实际值。

8-3-3

(a)

VC=6V,VE=3V,IE=0.5mARE=30.5=6kΩ

​ 当 β 非常大时,IC=IE

RC=6kΩ

I=0.2IE=0.1mA

R1+R2=90kΩ

​ 而 R2I=3+0.7

​ 得到 R2=37kΩ

R1=53kΩ

(b)

基于戴维南等效,偏置电路的开路电压为3.7 V,等效电阻为 R1R2,于是:

IB×R1R2+0.7+IE×6=3.7V

​ 得到 IE0.483mA

3、电路如下图所示,vs 是均值为零的正弦波小信号,假设晶体管的 β=50 ,计算电路的输入电阻 Rin 和电压增益 vo/vs。若 vbe 的信号振幅被限定在 5 mV 以内,则计算信号源信号的最大值 vsmax 和输出信号的最大值 vomax (忽略 rbb )。VT 取 26 mV 。

8-3-4

β=50 α=0.98

IE=0.2mA IC=αIE=0.196mA gm=ICVT=0.196261Ω

rπ=βgm=50×260.1966.63kΩ

Rin=rπ+(1+β)0.125=6.63+6.3813.01kΩ

Avs=βRCRLRS+Rin=50×510+13.0110.86V/V

vsmax=vberπ×(RS+Rin)=56.63×(10+13.01)17.35mV

vomax=vsmaxAvs188.42mV

4、测量某放大电路负载开路时输出电压为 3 V,接入 2kΩ 负载后,测得输出电压为 1 V,则该放大电路的输出电阻为 ________ 。

A. 0.5 kΩ B. 1.0 kΩ C. 2.0 kΩ D. 4.0 kΩ

D。1V为负载和放大器输出电阻分压得到。

5、某放大电路负载开路时,输出电压 vo=6V ,接入 6 kΩ 负载后,输出电压 vo=4V ,说明该放大电路的输出电阻 Ro= ________ 。

3 kΩ。解释同上。

6、某放大电路负载开路时,输出电压 Vo=6V ,接入 3 kΩ 负载后,Vo=4V ,说明该放大电路的输出电阻 Ro= ________ 。如果该放大电路接 0.5 kΩ 的负载,输出电压 Vo= ________ 。

1.5 kΩ 1.5 V。 解释同上。

7、有两个放大倍数相同的电压放大器 X 和 Y ,分别接入内阻非零的相同信号源。在输出端开路情况下,测得放大器 X 的输出电压较小,这说明放大器 X 的 ________ 。

A. 输入电阻大 B. 输入电阻小 C. 输出电阻大 D. 输出电阻小

B。输出开路,则与负载无关;电压小,则表明输入电阻小。

8、电路如下图所示,已知 vs 的直流分量为 0,假设晶体管 β=120VT=25mV,忽略 ro,求发射极直流电流 IE、输入电阻 Ri、输出电阻 Ro 和电压增益 vo/vs

8-3-6

IE121×100+0.7+3.3IE=5

IE1.04mA

re=VTIE24Ω

Ri=(1+β)(re+Re//RL)95.76kΩ

Ro=Re//(re+RS1+β)0.676kΩ

Av=vovs=3.3//1RS1+β+re+3.3//10.47

9、已知一共射放大器工作在放大区,β=100IC=1mA,集电极电阻 RC=5kΩ,负载电阻 RL=5kΩ,不考虑厄雷效应和基区电阻,则该共射放大器的小信号增益为 ________ V/V。(VT25mV

-100。gm=ICVT=1mA25mV, gm(RCRL)=250025=100

10、放大电路如下图所示,已知:VCC=12VRS=10kΩRB1=120kΩRB2=39kΩRC=3.9kΩRE=2.1kΩRL=3.9kΩrbb=200Ωβ=50, 电路中电容容量足够大,已知 VT=25mV 。求:

(1) 静态工作点 IBQICQVCEQ

(2) 电压放大倍数 Av=vo/vi ,输入电阻 Ri ,输出电阻 Ro

8-3-9

(1) VB=RB2RB1+RB2×VCC=39120+39×122.9V

VE=VBVBE=2.90.7=2.2V

ICQIEQ=VERE=2.22.11.05mA

IBQ=IEQβ=1.05500.02mA

VCEQ=VCC(RC+RE)×IC=12(3.9+2.1)×1.05=5.7V

rbe=rbb+(β+1)×VTIC1.4kΩ

(2) Av=β(RC//RL)rbe50×(3.9//3.9)1.470

Ri=RB1//RB2//rbe120//39//1.41.3kΩ

RO=RC=3.9kΩ

注: 更严格地,偏置电路应该用戴维南等效计算。

11、分析下图所示电路,已知三极管的 β=100 ,当 RCRB 阻值分别为 ________ 时,该三极管工作在放大区。

8-3-11

A. 5.6 kΩ,10 kΩ B. 5.6 kΩ,510 kΩ C. 5.6 kΩ,1 MΩ D. 100 kΩ,1 MΩ

C。处于放大区,要求 ICRC 小,从而要求 RB 大,RC 小。

12、如下图所示放大电路,已知各晶体管的 β=50VBE=0.7V,电阻 R1=150kΩR3=7.8kΩR4=R7=2kΩR5=R6=1kΩ,电位器 RW=200Ω,且滑动端处于中间位置,电源电压 VCC=VEE=10V。若要求静态时输出电压 vO=0V,问电阻 R2 应选多大?

8-3-13

若要求静态时,vO=0V,则

IE3=vo(VEE)R7=0V(10V)2kΩ=5mA

IB3=IC3βIE3β=5mA50=0.1mA

IR3=VCCVBE3R3=10V0.7V7.8kΩ1.2mA

IC1=IR3IB3=1.2mA0.1mA=1.1mA

IE4IC4IC1+IC2=2IC1=2.2mA

电阻 R2 两端电压:

VR2=VBE4+IE4R4=0.7V+2.2mA×2kΩ=5.1V

另一方面:

VR2[VCC(VEE)]R2R1+R2=2VCCR2R1+R2

解出

R2=R1VR22VCCVR2=150kΩ×5.1V2×10V5.1V51.3kΩ

【注】差分对电路,只要保证两个管子处于放大区, C 处电阻大小的改变基本不影响 iC(忽略厄雷效应)。

13、下图所示为共射放大电路及对应三极管的伏安特性图。

(1) 用图解法求出电路的静态工作点,并判断这个工作点选得是否合适?

(2) 在 VCCRc 和三极管参数不变的情况下,如何改变电阻 Rb 使 VCEQ 提高到 5V 左右?(电阻值近似取整)

(3) 在 VCC 和三极管参数不变的情况下,为了使 ICQ=2mAVCEQ=2V,如何改变电路参数?(电阻值近似取整)

image-20231124111502418

(1) IB=100.7510=18.2μA

​ 由图可知:基极电流太小,静态工作点不合适。

image-20221006113954496

(2) 为了把三极管的集电极电压 VCEQ 提高到 5V 左右。

IC=VCCVCEQRc=10510=5mA

​ 可将静态工作点设置在 Q 点,取 Rb=100kΩ ,使 IB=90μA

(3) 应将静态工作点设置在 Q

Rc=VCCVCEQICQ=1022=4kΩ

Rb=VCCVBEQIBQ=100.740×103233kΩ

Rc 可以取 4kΩRb 可以取 240kΩ

15、分析如下所示电路:

image-20221006113855653

(1) 若 RB=100kΩRC=1.5kΩ,三极管 β=80,在静态时,三极管工作在 ________ 。

A. 放大状态 B. 饱和状态 C. 截止状态 D. 状态不定

(2) 若用直流电压表测得 VCEVCC,有可能是因为 ________ 。

A. RB 开路 B. RL 短路 C. RC 开路 D. RB 过小

B A。假设工作在放大区,RC 上的电压降大于 RB上的电压降(1.5×81=121.5>100),矛盾,所以工作在饱和区;说明 IC很小但不是开路。