电子教案《模拟电子技术》第3版王连英ppt 第2章.docx
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电子教案《模拟电子技术》第3版王连英ppt第2章
第2章 三极管及其基本放大电路
2.1 放大电路示意框图如图E2.1所示,电流、电压均为正弦波,已知Rs=600W,Vs=20mV,Vi=10mV,RL=2kW,Vo=2V,当RL开路时,测得Vo'=2.6V,fL=1000Hz,fH=500kHz。
试求该放大电路的电压、电流、功率放大倍数及其分贝数;输入电阻Ri;输出电阻Ro;通带宽度BW。
解:
如图E2.1所示,有
Av(dB)=20lg|Av|=20lg200dB=46dB
Ai(dB)=20lg|Ai|=20lg60dB=35.56dB
Ap(dB)=10lg|Ap|=20lg12000dB≈40.79dB
BW=fH-fL=(500-1)kHz=499kHz
2.2 在路测量,测得小功率硅三极管各引脚的电位如图E2.2所示,试判断其工作状态,并判断有哪几只已损坏。
解:
如图E2.2所示
(a)VC>VB>VE,VBE=VBE(on)=0.7V,发射结正偏,集电结反偏,三极管(硅NPN型小功率管)工作在放大状态。
(b)VB<VE,VC>VB,发射结,集电结均反偏,三极管工作在截止状态。
(c)VC>VB>VE,VBE>VBE(on)=0.7V,三极管已损坏(发射结开路)。
(d)VE>VB>VC,VBE=VBE(on)=-0.7V,发射结正偏,集电结反偏,三极管(硅PNP型小功率管)工作在放大状态。
(e)VB>VE,VBE=VBE(on)=0.7V,VB>VC,发射结、集电结均正偏,三极管工作在饱和状态。
2.3 在图E2.3所示各电路中,哪些电路能正常放大?
哪些不能正常放大?
为什么?
如何改正,以使其可能正常放大?
解:
图题(a)不能正常放大,因Rb=0,一是三极管不能正常工作,二是输入信号vi被短路。
应接入适当大小的Rb,才可能正常放大。
图题(b)不能正常放大,因Rc=0,一是三极管不能正常工作,二是输出信号vo被短路。
应接入适当大小的Rc,才可能正常放大。
图题(c)不能正常放大,一是Rc=0,三极管不能正常工作、输出信号vo被短路;二是C1接入的位置不对,三极管基极的直流通路被隔断,三极管不能正常工作。
应接入适当大小的Rc和正确接入耦合电容C1,才可能正常放大。
图题(d)不能正常放大,一是VCC的极性接反;二是没有接入输入、输出耦合电容。
应改变VCC的接入极性并接入输入、输出耦合电容,才可能正常放大。
2.4 在路测量,测得放大电路中的四个三极管各引脚的电位如图E2.4所示,试判断这四个三极管的引脚(e、b、c),它们是NPN型还是PNP型,是硅管还是锗管。
解:
放大电路中三极管的各电极在路电位,如图E2.4所示
(a)V3>V1>V2,V12=(3.5-2.8)V=0.7V,③脚为c,①脚为b,②脚为e;是NPN型小功率硅管。
(b)V3>V2>V1,V21=(3-2.8)V=0.2V;③脚为c,②脚为b,①脚为e;是NPN型小功率锗管。
(c)V1<V2<V3,V23=(11.3-12)V=-0.7V;①脚为c,②脚为b,③脚为e;是PNP型小功率硅管。
(d)V1>V2>V3,V21=(11.8-12)V=-0.2V;①脚为e,②脚为b,③脚为c;是PNP型的小功率锗管。
2.5 测得放大电路中的三极管各引脚的电流如图E2.5所示,试判断三极管的引脚(e、b、c),它们是NPN型还是PNP型,电流放大系数β为多少?
解:
放大电路中的三极管的各电极在路电流,如图E2.5所示
(a)I1=I2+I3,I2>I3,I2、I3流入三极管,I1流出三极管,①脚为e,②脚为c,③脚为b;是NPN型小功率管;
(b)I3=I1+I2,I2>I1,I1、I2流出三极管,I3流入三极管;①脚为b,②脚为c,③脚为e;是PNP型小功率管;
2.6 三极管电路如图E2.6所示,设T的VBE(on)=0.7V,VCES=0.3V,β=50,D的VD(on)=0.7V,试分析、判断T的工作区域。
图E2.6
解:
三极管电路如图E2.6所示
(a)若T工作在放大或饱和区,则:
VB=[VBE(on)+VD(on)+0.3]V=(0.7+0.7+0.3)V=1.7V≠1V,
VC≥[VCES+VD(on)+0.3]V=(0.3+0.7+0.3)V=1.3V
所以,T不可能工作在放大或饱和区;
若T工作在截止区,则
VB<[VBE(on)+VD(on)+0.3]V=(0.7+0.7+0.3)V=1.7V
所以,T可能工作在截止区。
但,也不排除T已损坏的可能:
(1)若三极管T的发射结开路,VB由外电路设置为+1V,VC≈+5V;
(2)若三极管T的发射结短路、集电结开路(此种情况较少),则
VB=[VD(on)+0.3]V=(0.7+0.3)V=+1V,VC≈+5V。
(b)三极管T开始工作前,VBE′=6V>VBE(on)=0.7V,VCB′=(12-6)V=6V>0,
即,VC′>VB′>VE′,所以T可能工作在放大或饱和区
若工作在放大区,则IB<IBS=
;若工作在饱和区,则IB>IBS=
。
图示电路中
显然,IB>IBS,所以,三极管T工作在饱和区。
2.7三极管电路如图E2.7所示,设T的VBE(on)=0.7V,VCES=0.3V,β=100,试求出各电路的IB、IC、VCE,并分析、判断T的工作状态。
解:
如图E2.7所示电路
(a)
因为IB<IBS,所以T工作于放大状态
IC=βIB≈100×0.104mA=10.4mA
VCE=VCC-ICRc≈(12-10.4×1)V=1.6V
(b)
因为IB>IBS,所以T工作于饱和状态
VC=VCE=VCES=0.3V
(c)三极管T开始工作前,VBE′=0,所以,三极管T工作于截止状态,有
IB=IC=0
VC=VCE≈5V
2.8 某三极管的PCM=100mW,ICM=20mA,V(BR)CEO=15V,试问若设置其在下列几种情况下,哪种设置是正确的,哪种是不正确的,为什么?
(1)VCE=3V,IC=100mA;
(2)VCE=2V,IC=40mA;(3)VCE=20V,IC=4mA。
解:
依三极管极限参数定义,有所谓三极管工作安全区:
PCM=iCvCE,ICM,V(BR)CEO
(1)PCM′=iCvCE=(100×3)mW=300mW>PCM=100mW,在安全区外,故设置不正确;
(2)IC=40mA>ICM=20mA,在安全区外,故设置不正确;
(3)PCM′=iCvCE=(4×20)mW=80mW<PCM=100mW,但VCE>V(BR)CEO=15V,在安全区外,故设置不正确。
图E2.9
2.9 试画出图E2.9所示各电路的直流通路和交流通路。
设图中所有电容对交流信号均可视为短路。
解:
图E2.9所示电路的直流通路和交流通路如图E2.9.1所示
图E2.9.1
2.10三极管电路如图E2.10所示,试用Multisim仿真软件按表E2.10的要求,求取当Rb、Rc为不同量值时的VBE、VBC、IB、IC、IE、VCE和β参数,并将测量数据填入表E2.10中。
分析测量数据,验证IB、IC、IE间的关系;验证三极管处于截止、放大、饱和状态时的偏置条件;验证三极管处于截止、放大、饱和状态时的外电路特点。
图E2.10
表E2.10
Rc=1k
Rc=5.1k
Rb(=Rb1+Rp)/K
Rb(=Rb1+Rp)/K
110
90
70
50
30
10
110
90
70
50
30
10
VBE/mV
VBC/V
IB/mA
IC/mA
IE/mA
VCE/V
β
研究、分析:
依表E2.10要求,将仿真测量相关数据填入表E2.10中,比较、分析表E2.10的仿真测量数据可知:
(1)不论Rb和RC如何变化,始终有IE=IB+IC。
(2)当VBE≤0.5V,VC>VB、IB≈0,三极管T工作在截止区时,IC≠0,有穿透电流ICEO存在,但数值较小;当VBE>0.69V,VC<VB、VCE≤0.17V,三极管T工作在饱和区时,IC不受IB的控制,IC≠βIB;当VC>VB>VE、VBE≥0.688V、VCE>0.39V,三极管T工作在放大区时,IC受IB的控制,IC=βIB,但β不是常量,只不过在小信号时,数值的变化不大。
(3)三极管T工作在放大状态时,发射结压降VBE不是一个常量,有一个IB,就有一个对应的VBE,或者说,有一个VBE,就有一个对应的IB,只不过VBE数值的变化范围不大;有一个IB就有一个对应的IC、一个对应的VCE,或者说,在放大电路中,IC、VCE受到IB的控制。
(4)当VBE≤0.5V时,不论RC为何值,三极管T都工作在截止状态。
(5)RC取值较大,三极管T更容易进入饱和区。
(6)线性的三极管估算法,仅适用于输入信号较小的小信号放大状态。
2.11 放大电路如图E2.11(a)所示,图E2.11(b)所示是放大电路中三极管的输出特性,静态时VBEQ=0.7V,VCES=0.3V,利用图解法分别求出当RL=∞和当RL=4kW时的静态工作点和最大不失真输出电压Vom。
图E2.11
解:
如图E2.11(a)所示
mA=3mA
过(12,0)点和(0,3)点在图E2.10(b)中作直流负载线,如示意图E2.11.1中所示。
因C2的隔直作用,RL大小与静态工作点无关,有静态工作点Q,ICQ≈0.67mA、VCEQ≈9.09V。
当RL=∞时,交流负载线与直流负载线重合,VOM≈VCC-VCE=(12-9.09)V≈2.91V。
当RL=4kW时,RL'=Rc//RL=4/2kW=2kW,ICQRL'≈0.67×2V=1.34V,VOM=1.34V。
2.12 放大电路如图E2.12所示,已知三极管β=80,VBE(on)=0.7V,VCES=0.3V,在下列情况下,用直流电压表测量三极管的集电极电位VC,应分别为多少?
(1)正常情况;
(2)Rb短路;(3)Rb开路;(4)Rc短路;(5)Rc开路;(6)三极管发射结开路;(7)三极管发射结短路;(8)三极管集电结开路;(9)三极管集电结短路。
图E2.12
解:
如图E2.12所示
(1)正常情况下,IBQ=
,VC=VCQ=VCC-βIBQRc
(2)Rb短路,若三极管发射结因电流过大烧毁(开路),VC≈VCC;Rb短路,若三极管发射结因电流过大烧毁(短路),则将影响VCC的正常工作,难以判断VC的数值。
(3)Rb开路,IB=0,IC=ICEO,VC=VCC。
(4)Rc短路,VC=VCC。
(5)Rc开路,VC=0。
(6)三极管发射结开路,VC=VCC。
(7)三极管发射结短路,VC=VCC。
(8)三极管集电结开路,VC=VCC。
(9)三极管集电结短路,V≈VBE(on)=0.7V。
图E2.13
图E2.13.1
2.13小信号共射放大电路如图E2.13所示,已知三极管的β=60,VBE(on)=0.7V,rbb'=200W,试求:
(1)静态工作点Q;
(2)画出对应的简化小信号微变等效电路;(3)放大电路的Av、Ri、Ro、Avs。
解:
如图E2.13所示
(1)IBQ=
mA≈20A
ICQ=βIBQ=60×20μA=1.2mA
VCEQ=VCC-ICQRc≈(12-1.2×4)V=7.2V
(2)对应的简化小信号微变等效电路如图E2.13.1所示。
(3)
≈-80
Ri=Rb//rbe≈(560//1.5)kW≈1.5kW
Ro=Rc=4kW
=-48
2.14 若将图E2.13所示电路中的三极管由NPN型硅管换成PNP型锗管,设β、rbb'不变,电路的其它参数也不变,为使电路正常放大,工作电源的极性应如何变化?
耦合电容的极性要不要改变?
如何改变?
取PNP型锗管VBE(on)=-0.2V,VCES=-0.1V,试求此时电路的静态工作点、Av、Ri、Ro、Avs。
解:
若将图E2.13所示电路中的三极管由NPN型硅管换成PNP型锗管,电路中的工作电源和耦合电容的极性要改变,应反向连接,如图E2.14所示。
图E2.14
(1)静态工作点
ICQ=βIBQ≈60×(-21)mA=-1.26mA
VCEQ=VCC-ICQRc≈-(12-1.26×4)V≈-6.96V
(2)动态分析
Ri=Rb//rbe≈(560//1.438)kW≈1.438kW
Ro=Rc=4kW
2.15 小信号共射放大电路的电路型式如图E2.13所示,输入信号为中频正弦波信号,如果用示波器测得其输出电压vo的波形分别如图E2.15(a)、(b)、(c)所示,试分析这些波形属于何种失真?
应如何调整电路参数,或限定工作条件,以消除失真?
图E2.15
(a)输入波形 (b)、(c)、(d)输出波形
解:
如图E2.13所示,放大电路所用三极管为NPN型,电路组态为共射放大电路。
由此,图E2.15所示vo的波形,分别解读为:
(b)相对vi的负半波产生了失真,为截止失真。
可减小Rb、增大VCC或减小输入信号的幅值,以消除失真。
(c)相对vi的正半波产生了失真,为饱和失真。
可增大Rb、减小Rc、增大VCC或减小输入信号的幅值,以消除失真。
(d)同时产生了饱和、截止失真,又称双向失真。
可增大VCC或减小输入信号的幅值,以消除失真。
2.16 放大电路如图E2.16所示,已知VCC=+12V,RL=2kW,三极管的β=40,rbb'=200W,VBE(on)=0.7V。
若要求|Av|≥50,ICQ=1mA,试确定Rb、Rc的数值,并计算VCEQ。
解:
如图E2.16所示
mA=0.025mA
取E24系列标称值,Rb=470kW,有
mA≈0.024mA
由
≥50,RL'=Rc//RL
有
RL'≥
≥1.6kW,Rc≥8kW
取E24系列标称值,Rc=8.2kW,有
≈50.2>50
符合要求。
VCEQ=VCC-ICQRc≈(12-40×0.024×8.2)V≈4.13V
图E2.16
2.17 基极分压式工作点稳定的共射小信号放大电路如图E2.17所示,已知三极管的β=50,VBE(on)=0.7V,rbb'=200W,VCES=0.3V,试求:
(1)静态工作点;
(2)对应的微变等效电路图;
(3)Av、Ri、Ro;(4)若在输出端接上RL=2kW的负载电阻后的Av、Ri、Ro。
图E2.17
解:
如图E2.17所示
(1)
V=2.4V
mA≈2.7mA
mA≈0.053mA
VCEQ≈VCC-ICQ(Rc+Re)≈[12-2.7×(2+1)]V=3.9V
(2)对应的微变等效电路如图E2.17.1所示。
图E2.17.1
(3)
W≈691W
≈-145
Ri=Rb1//Rb2//rbe≈(82//33//0.691)kW≈0.671kW
Ro=Rc=2kW
(4)
≈-72
Ri=Rb1//Rb2//rbe≈(82//33//0.691)kW≈0.671kW
Ro=Rc=2kW
2.18 若将图E2.17所示电路中的Rb1先后调整,更换为:
(1)100kW;
(2)56kW。
电路的其他参数都不变,试问电路的静态工作点将如何变化?
是升高还是降低?
为什么?
动态参数将如何变化?
动态范围是增大还是减小?
为什么?
解:
如图E2.17所示,有
1)静态工作点
IBQ=
,VBQ=
VCEQ=VCC-ICQ(Rc+Re),ICQ=
IBQ
若改变Rb1则,Rb1↑→VBQ↓→IBQ↓、ICQ↓→VCEQ↑,工作点降低。
反之亦反之。
所以,
(1)工作点降低;
(2)工作点升高。
2)动态参数
Ri=Rb1//Rb2//rbe≈rbe
Ro=Rc
,RL'=Rc//RL(此处RL'=Rc)
Rb1↑→IBQ↓→rbe↑→Ri↑
|Av|↓
若改变Rb1则,
反之亦反之。
所以,
(1)|Av|↓、Ri↑、Ro不变;
(2)|Av|↑、Ri↓、Ro不变。
3)动态范围
电路输出电压的动态范围的大小,取决于VCEQ和ICQRL'两者中数值较小的一项。
改变Rb1对输出电压动态范围的影响,应具体情况具体分析。
如图E2.17所示电路
VCEQ-VCES=(2.9-0.3)V=2.6V
ICQRL'=ICQRc≈2.7×2V=5.4V
(1)Rb1↑→ICQ↓、VCEQ↑
mA≈2.28mA
VCEQ≈VCC-ICQ(Rc+Re)≈[12-2.28×(2+1)]V=5.16V
VCEQ-VCES=(5.16-0.3)V=4.86V
ICQRL'=ICQRc≈2.28×2V=4.56V
动态范围将增大(4.56V>2.6V)。
(2)Rb1↓→ICQ↑、VCEQ↓
mA≈2.75mA
VCEQ≈VCC-ICQ(Rc+Re)≈[12-2.75×(2+1)]V=0.75V
VCEQ-VCES=(0.75-0.3)V=0.45V
ICQRL'=ICQRc≈2.75×2V=7.5V
动态范围将减小(0.45V<2.6V)。
2.19 小信号共射放大电路如图E2.19所示,三极管的β=50,VBE(on)=0.7V,rbb'=200W。
(1)求电路的静态工作点;
(2)画出微变等效电路图;
(3)求Av、Ri和Ro;
(4)若改用β=100的三极管,则静态工作点如何变化?
动态参数如何变化?
(5)如旁路电容Ce因日久干涸开路,则将引起电路的哪些动态参数发生变化,如何变化?
图E2.19
解:
如图E2.19所示
(1)
mA≈1.55mA
mA≈0.03mA
VCEQ=VCC-ICQ(Rc+Re1+Re2)≈[12-1.55×(2.2+0.27+1.2)]V=6.31V
(2)微变等效电路如图E2.19.1所示。
(3)
≈-3.7
Ri=Rb1//Rb2//[rbe+(1+β)Re1]≈82//27//[1.067+(1+50)×0.27]kW≈8.57kW
Ro=Rc=2.2kW
(4)ICQ≈IEQ≈1.55mA
mA≈0.015mA
VCEQ=VCC-ICQ(Rc+Re1+Re2)≈[12-1.55×(2.2+0.27+1.2)]V≈6.31V
≈-3.77
Ri=Rb1//Rb2//[rbe+(1+β)Re1]≈82//27//[1.933+(1+100)×0.27]kΩ≈11.98kW
Ro=Rc=2.2kW
(5)
≈-0.72
Ri=Rb1//Rb2//[rbe+(1+β)(Re1+Re1)]≈82//27//[1.067+51×(0.27+1.2)]kW≈16.03kW
2.20 图E2.20所示电路是利用二极管的正向特性进行温度补偿,试分析其稳定静态工作点的工作原理。
解:
如图E2.20所示电路,其稳定静态工作点的大致过程如下:
当温度升高时
当温度降低时,各电量向相反的方向变化。
电路的静态工作点基本稳定。
2.21 共集放大电路如图E2.21所示,已知
mV,三极管的β=50,rbb'=200W,VBE(on)=0.7V。
(1)求静态工作点;
(2)画出对应的微变等效电路;
(3)求解Av、Ri、Ro、Vo。
图E2.21
解:
如图E2.21所示
(1)
mA≈28mA
ICQ≈IEQ=(1+β)IBQ≈51×0.028mA≈1.43mA
VCEQ=VCC-IEQRe≈(12-1.43×4)V=6.28V
(2)对应的微变等效电路如图E2.21.1所示。
(3)
≈0.99
Ri=Rb//[rbe+(1+β)(Re//RL)]≈{200//[1.13+51×(4//4)]}kW≈68kW
Vo=Vs·Avs≈20×0.98mV≈19.6mV
图E2.21.1
2.22如图E2.22(a)所示,一负载RL与一信号源相连接,Vs=2V,试求Vo。
若该负载RL通过一射极输出器与信号源相连接,如图E2.22(b)所示,已知三极管的β=100,rbb'=200W,VBE(on)=0.7V。
试求此时的Vo',并由计算结果说明射极输出器的作用。
图E2.22
解:
如图E2.22所示
V=0.2V
mA≈23mA
Ri=Rb//[rbe+(1+β)(Re//RL)]≈{390//[1.33+101×(1//1)]}kW≈45.75kW
Vo'=Vs·Avs≈2.2×0.80V≈1.76V
Vo'>Vo
由以上分析可知,尽管插入的共集放大电路(射极输出管)的电压放大倍数Av≈0.97<1,但由于它的输入电阻较大,输出电阻较小,与信号源连接后,由于其阻抗转换的作用,将使负载RL上获得的输出电压增大。
2.23 共基放大电路如图E2.23所示,已知三极管的β=60,rbb'=200W,VBE(on)=0.7V。
(1)求静态工作点;
(2)画出对应的微变等效电路;
(3)求Av、Ri、Ro。
图E2.23
解:
如图E2.23所示
(1)
mA≈18mA
ICQ≈IEQ=(1+β)IBQ≈(1+60)×0.018mA≈1.10mA
VCEQ=VCC-ICQ(Rc+Re)≈[12-1.1×(4+2)]V=5.4V
(2)对应的微变等效电路如图E2.23.1所示。
图E2.23.1
(3)
Ro=Rc=4kW
2.24 共射、共集、共基三种组态的放大电路,根据下列要求,应选用哪一种组态较为合适?
(1)要求对信号电压和信号电流都有放大作用;
(2)信号源是电流源,要求进行电流放大;
(3)要求输入电阻要高一些;
(4)要求输出电阻要低一些;
(5)负载电阻较小、放大器的负荷较重;
(6)要求能放大频率很高的信号。
解答:
(1)由于共射组态放大电路既有电压放大作用,又有电流放大作用,所以应选用共射组态放大电路。
(2)由于信号源是电流源,所以放大电路的输入电阻应该小一些;由于要进行电流放大,所以放大电路应具有电流放大能力。
综合考虑应选用共射组态放大电路。
(3)共集组态放大电路的输入电阻最大,所以应选用共集组态放大电路。
(4)共集组态放大电路的输出电阻最小,所以应选用共集组态放大电路。
(5)共集组态放大电路的带负载的能力较强,所以应选用共集组态放大电路。
(6)共基组态放大电路的高频特性较好,通带较宽
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