《電工電子技術基礎與應用》教案 第12課 三極管及其應用（二）

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課題三極管及其應用（二）——認識放大電路課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）掌握多級放大電路和功率放大電路的工作原理（2）掌握反饋的分類和負反饋放大電路的基本類型（3）能夠正確調試基本放大電路素質目標：（1）弘揚愛國奮斗精神，樹立建功立業(yè)信念（2）厚植民族自豪感和科技自信心教學重難點教學重點：掌握多級放大電路和功率放大電路的工作原理，反饋的分類和負反饋放大電路的基本類型教學難點：正確調試基本放大電路教學方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學過程主要教學內容及步驟課前任務【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯(lián)系，組織學生下載“任務工單——調試基本放大電路”，并根據任務工單進行組內分工，同時提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，了解放大電路的相關知識【學生】完成課前任務考勤【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學生】班干部報請假人員及原因任務導入【教師】提出以下問題：放大電路的作用是什么？其工作原理是怎樣的？傳授新知【教師】通過學生的回答引入要講的知識，介紹共發(fā)射極放大電路、分壓偏置放大電路、共集電極放大電路、多級放大電路、功率放大電路等內容放大電路主要由三極管（或場效應管）、電阻和電容等組成，它主要用來將微弱的電信號（非電信號可以通過傳感器轉變成電信號）放大成振幅足夠大且與原電信號變化規(guī)律一致的信號，以便于人們測量或供負載使用。不同放大電路的應用場合及作用雖然不盡相同，但其信號放大的過程是相同的?！军c撥】放大電路將能量較小的輸入信號放大成能量較大的輸出信號，增加的能量是由直流電源通過放大電路轉換而來的，而不是由放大電路本身產生的。5.2.1共發(fā)射極放大電路?【教師】通過多媒體展示“共發(fā)射極放大電路”圖片（詳見教材），并進行講解1．共發(fā)射極放大電路的結構在放大電路中，通常將三極管的一對端子作為輸入端，另一對端子作為輸出端。這樣，三極管便有一個端子是輸入電路和輸出電路的公共端。若將放大電路的輸入信號加到基極和發(fā)射極之間，而輸出信號從集電極和發(fā)射極之間輸出，則該放大電路稱為共發(fā)射極放大電路。?【教師】通過多媒體展示“共發(fā)射極放大電路中各元器件的作用和性能”表格，介紹相關知識共發(fā)射極放大電路是最基本的放大電路，其中各元器件的作用和性能如表5-11所示。表5-11共發(fā)射極放大電路中各元器件的作用和性能元器件作用性能三極管VT三極管VT是放大電路的核心，是能量轉換控制元件，起電流放大作用—集電極直流電源集電極直流電源除了為輸出信號提供能量外，還能保證三極管VT的集電結反偏，從而使三極管VT工作在放大區(qū)一般為幾伏到幾十伏基極偏置

電阻基極偏置電阻能在集電極直流電源的作用下為三極管VT的基極提供一個合適的基極電流，并能保證其發(fā)射結正偏，從而使三極管VT工作在放大區(qū)一般為幾十千歐到幾百千歐集電極負載電阻集電極負載電阻一方面提供直流通路，使集電極直流電源對三極管VT的集電極施加反向偏置電壓；另一方面將集電極電流的變化變換為電壓的變化，從而實現(xiàn)電壓放大一般為幾千歐到幾十千歐耦合電容

和耦合電容和的作用是“隔直流、通交流”，即把信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間的直流電隔開，從而保證交流信號暢通無阻和一般為幾微法到幾十微法負載電阻負載電阻是放大電路的負載，它可以是揚聲器線圈繞組、繼電器線圈繞組、電動機定子繞組、測量儀表或下一級放大電路等—【點撥】關于放大電路中電壓和電流的符號，通常有如下規(guī)定。（1）直流分量用、、、等表示。（2）交流分量的瞬時值用、、、等表示。（3）交流分量的有效值用、、、等表示。（4）總量（即直流分量和交流分量的疊加）用、、、等表示。2．共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)分析?【教師】通過多媒體展示“共發(fā)射極放大電路的直流通路”圖片（詳見教材），并進行講解對共發(fā)射極放大電路進行靜態(tài)分析，便是對其靜態(tài)電流流經的通路（即直流通路）進行分析。在繪制直流通路時，可將電容看作開路，將電感看作短路，將信號源看作短路（需要保留其內阻）。（5-2）由于三極管處于放大狀態(tài)時，其發(fā)射結正偏，基本不變且一般比小得多，因此式（5-2）可變換為（5-3）根據三極管的電流放大作用，可得（5-4）（5-5）在共發(fā)射極放大電路中，通過三極管的輸入、輸出特性曲線可以確定其靜態(tài)工作點Q。在輸入特性曲線上確定Q點的方法為：由直流通路求出靜態(tài)電流，在輸入特性曲線上找到與對應的點，該點就是該放大電路輸入回路的Q點。?【教師】通過多媒體展示“通過三極管的輸入、輸出特性曲線確定Q點”圖片（詳見教材），并進行講解在輸出特性曲線上確定Q點的方法為：在坐標系內繪制由方程所確定的直線，該直線通過對直流通路分析、計算得出，且與集電極負載電阻有關，因此稱為直流負載線。直流負載線與三極管輸出特性曲線的交點就是該放大電路輸出回路的Q點，的值不同，靜態(tài)工作點在直流負載線上的位置也就不同。三極管工作狀態(tài)的要求不同，所需要的靜態(tài)工作點也就不同，這可以通過改變的大小來實現(xiàn)。因此，很重要，通常將其稱為偏置電流，而產生偏置電流的電路稱為偏置電路。電路中，偏置電路的路徑為→→發(fā)射結→地。偏置電流的大小通?？赏ㄟ^改變基極偏置電阻的阻值來調整。3．共發(fā)射極放大電路的動態(tài)分析?【教師】組織學生掃碼觀看“發(fā)射極放大電路”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解動態(tài)是指放大電路在有交流輸入信號時的工作狀態(tài)，此時，放大電路中的電流和電壓都含有直流分量和交流分量。動態(tài)分析的目的是確定放大電路的電壓放大倍數，并分析放大電路的輸入電阻和輸出電阻等性能指標。動態(tài)分析的基本方法有圖解分析法和微變等效電路分析法兩種。1）圖解分析法共發(fā)射極放大電路的動態(tài)圖解分析，從中可以得出以下結論。（1）交流信號的傳輸過程為（即）→→→（即）（2）電壓和電流都含有直流分量和交流分量，即，，，由于電容具有隔直流的作用，的直流分量不能到達輸出端，因此只有交流分量能通過而成為輸出電壓。?【教師】通過多媒體展示“共發(fā)射極放大電路的動態(tài)圖解分析”圖片（詳見教材），并進行講解（3）輸入電壓和輸出電壓的相位相反，即兩者反相，表明該放大電路具有反相功能；同時，輸出電壓比輸入電壓大得多，表明該放大電路具有電壓放大功能?！军c撥】在實際應用中，對放大電路的另一個基本要求就是盡可能使輸出信號不失真。當靜態(tài)工作點設置得不恰當或輸入信號振幅過大時，放大電路的工作范圍將會超出三極管伏安特性曲線的線性范圍，從而使輸出信號出現(xiàn)失真，這種失真稱為非線性失真。2）微變等效電路分析法?【教師】通過多媒體展示“三極管電路及其微變等效模型”圖片（詳見教材），并進行講解微變等效電路分析法是一種在小信號放大條件下，將非線性的三極管等效為線性的微變等效模型的分析方法。三極管電路及其微變等效模型。?【教師】通過多媒體展示“共發(fā)射極放大電路的交流通路及其微變等效電路”圖片（詳見教材），并進行講解共發(fā)射極放大電路的交流通路。由三極管的微變等效模型可得出共發(fā)射極放大電路的微變等效電路。（1）電壓放大倍數。共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數是輸出電壓與輸入電壓的比值，由圖5-17可知，因此有（5-6）其中，為交流等效負載電阻，負號表示輸入電壓與輸出電壓反相；稱為三極管的輸入電阻，對交流信號而言它是基極與發(fā)射極之間的等效電阻。低頻小功率三極管的輸入電阻常用下式估算，即（5-7）當共發(fā)射極放大電路開路（未接）時，有（5-8）可見，共發(fā)射極放大電路開路時的電壓放大倍數比接負載電阻時的大。所接負載電阻越大，對應的電壓放大倍數就越大。（2）輸入電阻。共發(fā)射極放大電路的輸入電阻是其輸入端的等效電阻，其大小為輸入電壓與輸入電流的比值，由圖5-17可知（5-9）通常情況下，比大得多。因此，共發(fā)射極放大電路的輸入電阻近似于三極管的輸入電阻，該電阻很小。（3）輸出電阻。共發(fā)射極放大電路的輸出電阻是其輸出端的等效電阻。計算時，可將共發(fā)射極放大電路微變等效電路中的輸入信號源短路（即），輸出端負載開路，此時，，電流源相當于開路，則有（5-10）由于一般為幾千歐，因此共發(fā)射極放大電路的輸出電阻通常很大。5.2.2分壓偏置放大電路1．分壓偏置放大電路的結構?【教師】通過多媒體展示“分壓偏置放大電路及其直流通路”圖片（詳見教材），并進行講解分壓偏置放大電路，它與共發(fā)射極放大電路的區(qū)別在于：三極管VT的基極連接有兩個基極偏置電阻和，和對直流電源的電壓進行分壓，從而使基極有了一定的電位；發(fā)射極分別串聯(lián)了電阻和電容。若將所有電容全部斷開，則可得到分壓偏置放大電路的直流通路。2．分壓偏置放大電路的靜態(tài)分析由圖5-18（b）可知，。通常很小，若，則基極的電壓為（5-11）由式（5-11）可知，與三極管的參數無關，因此的變化不受溫度變化的影響。此外，由圖5-18（b）還可知，，若使，則（5-12）由式（5-12）可知，與三極管的參數無關，因此的變化也不受溫度變化的影響。3．分壓偏置放大電路的動態(tài)分析?【教師】通過多媒體展示“分壓偏置放大電路的交流通路”圖片（詳見教材），并進行講解分壓偏置放大電路的交流通路，它與共發(fā)射極放大電路的交流通路相似，它們的等效電路也相似。其中，，電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻的計算方法與共發(fā)射極放大電路的相同。5.2.3共集電極放大電路共集電極放大電路中，交流信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，因此基于該電路制成的器件又稱為射極輸出器。1．共集電極放大電路的靜態(tài)分析?【教師】通過多媒體展示“共集電極放大電路及其直流通路”圖片（詳見教材），并進行講解由圖（b）可知由于，因此共集電極放大電路靜態(tài)工作點的電流為（5-13）（5-14）共集電極放大電路靜態(tài)工作點的電壓為（5-15）2．共集電極放大電路的動態(tài)分析?【教師】通過多媒體展示“共集電極放大電路的交流通路及其微變等效電路”圖片（詳見教材），并進行講解共集電極放大電路的交流通路可分析共集電極放大電路的動態(tài)性能指標。1）電壓放大倍數共集電極放大電路的電壓放大倍數為（5-16）其中，由于，，即與的振幅相近、相位相同，因此|Au|小于1且接近于1。2）輸入電阻共集電極放大電路的輸入電阻為（5-17）共集電極放大電路的輸入電阻比較大，通常為幾十千歐到幾百千歐。3）輸出電阻共集電極放大電路的輸出電阻為（5-18）其中，。共集電極放大電路的輸出電阻很小，一般只有幾歐到幾十歐。5.2.4多級放大電路?【教師】組織學生掃碼觀看“多級放大電路的耦合方式（1）”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解上述放大電路都是單級放大電路，它們的放大倍數有限。在實際應用中，通常需要將多個單級放大電路連接起來，組成多級放大電路，對輸入信號進行連續(xù)放大，以滿足需要。?【教師】通過多媒體展示“多級放大電路的結構框圖”圖片（詳見教材），并進行講解多級放大電路的結構框圖中，與信號源相連接的第一級放大電路稱為輸入級，與負載相連接的末級放大電路稱為輸出級，輸出級與輸入級之間的放大電路稱為中間級。?【教師】組織學生掃碼觀看“多級放大電路的耦合方式（2）”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解（1）輸入級主要完成與信號源的銜接，并對輸入信號進行放大。為使輸入信號盡量不受信號源內阻的影響，輸入級應具有較大的輸入電阻，通常采用大輸入電阻的放大電路，如共集電極放大電路等。（2）中間級用于將微弱的輸入電壓放大到足夠的振幅，即進行電壓放大。（3）輸出級用于對信號進行功率放大，以滿足輸出負載所需要的功率，并與負載的阻抗相匹配?？梢钥闯?，多級放大電路各級是串連的，前一級的輸出信號是后一級的輸入信號，后一級的輸入電阻是前一級的負載。因此，多級放大電路的電壓放大倍數等于各級電壓放大倍數的乘積，即（5-19）多級放大電路的輸入電阻等于第一級放大電路的輸入端所對應的兩端電路的等效電阻，也就是第一級的輸入電阻，即（5-20）多級放大電路的輸出電阻等于最后一級放大電路的負載兩端（不含負載）所對應的兩端電路的等效電阻，也就是最后一級的輸出電阻，即（5-21）5.2.5功率放大電路功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路，通常直接用于驅動負載，因此通常要求其具有足夠大的輸出功率和較高的轉換效率，而且輸出信號的非線性失真要小。功率放大電路通?？勺鳛槎嗉壏糯箅娐返妮敵黾?。根據三極管工作狀態(tài)的不同，功率放大電路可分為甲類、乙類和甲乙類三種?【教師】通過多媒體展示“功率放大電路的靜態(tài)工作點”圖片（詳見教材），并進行講解甲類功率放大電路的靜態(tài)工作點位于放大區(qū)，其靜態(tài)功耗大，轉換效率低，但失真較?。灰翌惞β史糯箅娐返撵o態(tài)工作點位于截止區(qū)，其靜態(tài)功耗接近于零，轉換效率高，但存在嚴重的失真；甲乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點接近截止區(qū)，其失真較乙類功率放大電路小，其靜態(tài)功耗較甲類功率放大電路小，轉換效率高。1．無輸出電容（OCL）的互補對稱功率放大電路?【教師】通過多媒體展示“OCL電路的工作原理”圖片（詳見教材），并進行講解無輸出電容（OCL）的互補對稱功率放大電路（以下簡稱OCL電路）屬于乙類放大電路。其中，OCL電路正負電源的電壓絕對值相同；三極管和是參數特性對稱一致的NPN型三極管和PNP型三極管，它們的基極連接在一起作為輸入端，發(fā)射極也連接在一起直接接負載。OCL電路處于靜態(tài)時，由于兩個三極管的基極都未加偏置電壓，因此它們都不導通，電流為零，OCL電路工作于截止區(qū)，處于乙類工作狀態(tài)。此時，發(fā)射極的電位為零，負載上無電流通過。設OCL電路的輸入信號為正弦交流電壓，當輸入信號的波形位于正半周時，的發(fā)射結正偏導通，的發(fā)射結反偏截止，電流經流向負載，負載的兩端為正半周輸出電壓。當輸入信號的波形位于負半周時，因發(fā)射結反偏而截止，因發(fā)射結正偏而導通，電流經負載流向，負載的兩端為負半周輸出電壓?？梢?，在的整個波形周期內，和交替導通，從而使負載得到完整的輸出電壓。在OCL電路的實際應用中，由于其中的三極管為非線性元件，當輸入電壓小于三極管的閾值電壓時，兩個三極管都不導通，因此OCL電路輸出信號上、下半周交界處將會出現(xiàn)交越失真。2．無輸出變壓器（OTL）的互補對稱功率放大電路?【教師】通過多媒體展示“OTL電路的工作原理”圖片（詳見教材），并進行講解無輸出變壓器（OTL）的互補對稱功率放大電路（以下簡稱OTL電路）屬于甲乙類功率放大電路，、、、和組成了分壓偏置電路，可以給和的發(fā)射結提供正偏電壓。當OTL電路處于靜態(tài)時，調節(jié)的大小，使公共端E的電位為，則輸出耦合電容上的電壓也等于。此時，調節(jié)與之間的電壓，可使和處于微導通狀態(tài)。這樣，即使在輸入電壓很小的情況下，也總能使和導通，從而避免輸出信號出現(xiàn)交越失真。設輸入信號為正弦交流電壓，當輸入信號位于波形正半周時，導通，截止，電流經流向負載，負載兩端為正半周輸出電壓。當輸入信號位于波形負半周時，截止，導通，輸出耦合電容放電，電流經負載流向，負載兩端為負半周輸出電壓?！窘涷瀭鞒小吭诠β史糯箅娐分?，由于輸出電壓和輸出電流的振幅都很大，三極管的工作范圍較大，因此輸出信號將不可避免地出現(xiàn)非線性失真。一般情況下，測量系統(tǒng)和電聲設備中的功率放大電路要求非線性失真要盡量小，而工業(yè)控制系統(tǒng)中的功率放大電路則以輸出大功率為目的，對非線性失真的要求不高?！緦W生】聆聽、思考、理解、記錄課堂實踐【教師】準備器材，帶領學生到實驗室進行試驗操作1）連接電路連接電路，連接完畢并檢查無誤后，接通直流穩(wěn)壓電源。將接信號發(fā)生器的正弦波輸出端，接示波器。2）計算靜態(tài)值3DG6型三極管的電流放大系數，該放大電路的靜態(tài)值、和分別為、、。3）調試最佳靜態(tài)工作點（1）斷開開關S（即先不加負載），首先用信號發(fā)生器給電路輸入頻率為1kHz的輸入電壓，將信號發(fā)生器的正弦波增益調至40dB。（2）將正弦波振幅旋鈕