《常见模拟电路分析》PPT课件

1、半导体器件的基础知识,第一专题半导体器件的基础知识,7.1 半导体二极管,半导体基础知识,导 体：自然界中很容易导电的物质，例如金属,绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等,半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等,半导体的特点,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变,1. 本征半导体,本征半导体的导电机理,纯净的半导体。如：硅和锗,最外层四个价电子,共价键结构,共价键共用电子对,4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常

2、温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体,在热或光激发下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴,空穴,束缚电子,自由电子,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是带正电的载流子,自由电子或空穴的运动形成电流,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对,本征半导体的导电机理,本

3、征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴,温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度,归纳,2. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质，使杂质半导体某种载流子浓度大大增加,1）N型半导体,多余电子,磷原子,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加,多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度,少数载流子（少子）：空穴。取决于温度,2）P型半导体,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加,多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度,少数载流子（少子）：电子。取决于温度,空穴,硼原子,归纳,3

4、、杂质半导体中起导电作用的主要是多子,4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子,1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子,2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度,杂质半导体的导电机理,杂质半导体的示意表示法,空间电荷区,N区,P区,一、PN结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结,7.1.1 PN结及其单向导电性,浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 形成内电场 内电场阻止多子扩散，促使少子漂移 多子的

5、扩散和少子的漂移达到动态平衡,PN结正向偏置,P,N,_,二、PN结的单向导电性,导通,PN结反向偏置,N,P,_,截止,7.1.2 半导体二极管的基本结构,一、基本结构,PN结+管壳和引线,阳极,阴极,符号,D,1.1.1什么是半导体,2 载流子：半导体中，携带电荷参与导电的粒子,自由电子：带负电荷 空穴：带与自由电子等量的正电荷,均可运载电荷载流子,特性：在外电场作用下，载流子都可以做定向移动，形成电流,1半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,且随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化，人们把这一类物质称为半导体,1.1半导体二极管,3N 型半导体：主要靠电子导电

6、的半导体,即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子,4P 型半导体：主要靠空穴导电的半导体,1.1.2PN 结,即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子,PN 结：经过特殊的工艺加工，将 P 型半导体和 N 型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面就会出现一个特殊的接触面，称为 PN 结,PN 结具有单向导电特性,1.1半导体二极管,1）正向导通：电源正极接 P 型半导体，负极接 N 型半导体，电流大,2）反向截止：电源正极接 N 型半导体，负极接 P 型半导体，电流小,结论：PN 结加正向电压时导通，加反向电压时截止，这种特性称为 PN 结的单向导电性,1.1半导体二极管,如果反向电流未

7、超过允许值，反向电压撤除后，PN 结仍能恢复单向导电性,反向击穿：PN 结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为 PN 结的反向击穿,热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧坏，称为热击穿,结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容,1.1半导体二极管,1.1.3半导体二极管,1半导体二极管的结构和符号,利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器件 半导体二极管,箭头表示正向导通电流的方向,电路符号如图所示,1.1半导体二极管,由于管芯结构不同，二极管又分为点接触型（如图 a）、面接触型（如图 b）和平面型（如图 c,点接触型：PN 结接触面

8、小，适宜在小电流状态下使用,面接触型、平面型：PN 结接触面大，截流量大，适合于大电流场合中使用,1.1半导体二极管,2二极管的特性,伏安特性：二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定，这两者之间的关系称为二极管的伏安特性。硅二极管的伏安特性曲线如图所示,特性曲线,1.1半导体二极管,正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通,死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，如 OA 段，通常把这个范围称为死区,死区电压,导通电压,结论：正偏时电阻小，具有非线性,1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压,1.1半导体二极管,反向击

9、穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿,反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流,2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压,普通二极管不允许出现此种状态,结论：反偏电阻大，存在电击穿现象,二极管属于非线性器件,1.1半导体二极管,3半导体二极管的主要参数,1）最大整流电流 IF,二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流,二极管正常使用时允许加的最高反向电压,使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值，否则可能损坏二极管,2）最高反向工作电压 VRM,使用中如果超过此值，二极管

10、将有被击穿的危险,1.1半导体二极管,1.2.1半导体三极管的基本结构与分类,1结构及符号,三极：发射极 E、基极 B、集电极 C,三区：发射区、基区、集电区,1.2半导体三极管,PNP 型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示,实际上发射极箭头方向就是发射结正向电流方向,两结：发射结、集电结,半导体三极管的结构和类型,三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极，如下图所示。三极管有三个区：发射区发射载流子的区域；基区载流子传输的区域；集电区收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（极）、基极（极）和集电极（极）。发射区和基区在交界处形成发

11、射结；基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如下图（a）、（b）所示,三极管的组成与符号 （a）NPN型; （b）PNP型,为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即： （1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。 （2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。 （3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。 由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用,三

12、极管的工作电压和基本连接方式,工作电压 三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如下图所示，其中V为三极管，UCC为集电极电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型：UCUBUE；对于PNP型：UEUBUC,三极管电源的接法 （a）NPN型; （b）PNP型,基本连接方式,三极管有三个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为

13、输入和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方式。 （1）共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如下图（a）所示。 （2）共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如下图（b）所示。 （3）共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如下图（c）所示。 图中“”表示公共端，又称接地端。无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏,三极管电路的三种组态 （a）共发射极接法;（b）共基极接法（c）共集电极接法

14、,三极管的主要参数,1）电流放大倍数 2）极间反向电流 3）极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM （2）集电极最大允许功率损耗PCM 。 （3）反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO,场效应管,场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。 根据结构不同，场效应管可以分

15、为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管,结型场效应管结构和符号,结型场效应管（JFET）结构示意图如图（a）所示,N沟道结型场效应管 （a）结构示意图;（b）图形符号;（c）外形图,P 沟道结型场效应管 （a）结构示意图;（b）图形符号,工作原理(以N沟道结型场效应管为例,场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS0，漏源之间加正向电压，即UDS0。 当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变

16、化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的,场效应管的工作原理,UGS对导电沟道的影响 （a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断,绝缘栅型场效应管,在结型场效应管中，栅源间的输入电阻一般为10+610+9。由于PN结反偏时，总有一定的反向电流存，而且受温度的影响，因此，限制了结型场效应管输入电阻的进一步提高。而绝缘栅型场效应管的栅极与漏极、源极及沟道是绝缘的，输入电阻可高达10+9以上。由于这种场效应管是由金属（Metal）,氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故称MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式

17、不同可以分为增强型和耗尽型两类,沟道增强型绝缘栅场效应管结构和符号,下图是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。绝缘栅场效应管的图形符号如下图（b）、(c)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(b)，否则为P沟道MOS管(图(c,MOS管的结构及其图形符号,下图是N沟道增强型MOS管的工作原

18、理示意图，图（b）是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。 当UGS=0时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流ID=0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故,N沟道增强型MOS管工作原理 (a)示意图； (b)电路图,当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积

19、累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示,当UGSUGS(th)时，UGS增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。所以改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流ID的大小，随着UGS的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。 必须强调，这种管子当UGSUGS(th)时，反型层（导电沟道）消失，ID=0。只有当UGSUGS(th)

20、时，才能形成导电沟道，并有电流ID,N沟道耗尽型MOS管 结构、符号和工作原理,N沟道耗尽型MOS管的结构如下图（a）所示，图形符号如下图（b）所示。N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，这些正离子的存在，使得UGS=0时，就有垂直电场进入半导体，并吸引自由电子到半导体的表层而形成N型导电沟道。如果在栅源之间加负电压，UGS所产生的外电场就会削弱正离子所产生的电场，使得沟道变窄，电流ID减小;反之，电流ID增加。故这种管子的栅源电压UGS可以是正的，也可以是负的。改变UGS，就可以改变沟道的宽窄，从而控制漏极电流ID,N沟道耗尽型MOS管的结构和符号 （a）结构;

21、（b）图形符号,场效应管的主要参数及注意事项,主要参数,1) 开启电压U GS(th)和夹断电压U GS(off) 2) 饱和漏极电流I DSS 3）低频跨导gm（又称低频互导） 4)直流输入电阻RGS 5)漏源击穿电压U(BR)DS 6）栅源击穿电压U(BR)GS 7）最大耗散功率PDM,注意事项,1)在使用场效应管时，要注意漏源电压UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等值不能超过最大允许值。 (2)场效应管从结构上看漏源两极是对称的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能对换用。 (3)结型场效应管的栅源电压UGS不能加正向电压，因为它工作在

22、反偏状态。通常各极在开路状态下保存。 (4)绝缘栅型场效应管的栅源两极绝不允许悬空，因为栅源两极如果有感应电荷，就很难泄放，电荷积累会使电压升高，而使栅极绝缘层击穿，造成管子损坏。因此要在栅源间绝对保持直流通路，保存时务必用金属导线将三个电极短接起来。在焊接时，烙铁外壳必须接电源地端，并在烙铁断开电源后再焊接栅极，以避免交流感应将栅极击穿，并按S、D、G极的顺序焊好之后，再去掉各极的金属短接线。 (5）注意各极电压的极性不能接错,晶闸管,晶闸管又称可控硅，是一种大功率半导体可控元件。它主要用于整流、逆变、调压、开关四个方面，应用最多的是晶闸管整流。它具有输出电压可调等特点。晶闸管的种类很多，有

23、普通单向和双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等,晶闸管的基本结构、性能及参数,晶闸管的基本结构,晶闸管的基本结构是由P1N1P2N2三个PN结四层半导体构成的，如下图所示。其中P1层引出电极A为阳极；N2层引出电极K为阴极；P2层引出电极G为控制极，其外型及符号如下图所示,晶闸管结构,晶闸管的外型及符号,晶闸管的工作原理,把晶闸管的内部结构看成由PNP和NPN型两个晶体管连接而成，如下图所示。当在A、K两极间加上正向电压UAK时，由于J2反偏，故晶闸管不导通，在控制极上加一正向控制电压UGK后，产生控制电流IG，它流入V2管的基极，并经过V2管电流放大得IC2=2IG；又因为IC2=IB1；

24、所以IC1=12IG，IC1又流入V2管的基极再经放大形成正反馈，使V1和V2管迅速饱和导通。饱和压降约为1V左右，使阳极有一个很大的电流IA，电源电压UAK几乎全部加在负载电阻RL上。这就是晶闸管导通的原理。当晶闸管导通后，若去掉UGK，晶闸管仍维持导通,晶闸管内部结构,要使晶闸管重新关断，只有使阳极电流小于某一值，使V1、V2管截止，这个电流称维持电流。当可控硅阳极和阴极之间加反向电压时，无论是否加UGK，晶闸管都不会导通。 综上所述,晶闸管是一个可控制的单向开关元件，它的导通条件为：阳极到阴极之间加上阳极比阴极高的正偏电压；晶闸管控制极要加门极比阴极电位高的触发电压。而关断条件为晶闸管阳

25、极接电源负极，阴极接电源正极，或使晶闸管中电流减小到维持电流以下。晶闸管整个工作情况如下图所示,单相半控桥式整流电路,晶闸管组成的半波电路,1）按半导体基片材料不同：NPN 型和 PNP 型,2）按功率分：小功率管和大功率管,3）按工作频率分：低频管和高频管,4）按管芯所用半导体材料分：锗管和硅管,5）按结构工艺分：合金管和平面管,6）按用途分：放大管和开关管,2分类,1.2半导体三极管,三极管常采用金属、玻璃或塑料封装。常用的外形及封装形式如图所示,3外形及封装形式,1.2半导体三极管,1三极管各电极上的电流分配,三极管电流分配实验电路如图所示,1.2.2三极管的电流放大作用,1.2半导体三

26、极管,v,IZ,曲线越陡，电压越稳定,VZ,Q,VZ0,一、稳压二极管 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态,3.5 特殊二极管,4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流IZM、IZmin,5）耗散功率,稳压二极管的参数,1）稳定电压 VZ,3）动态电阻,并联式稳压电路,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,发射结,集电结,简介,放大状态下BJT的工作原理,BJT内部有两个PN结，在应用中可能有三种工作状态： 放大：发射结正偏，集电结反偏 饱和：两个PN结均正偏 截止：两个PN结均反偏,思考：试判断三极管的工作状态,放大,截止,截止,放大

27、,饱和,放大,BJT的电流分配关系（1,电流分配关系是指晶体三极管在放大状态下各级电流之间的关系式,三种连接方式,共发射极接法、共集电极接法、共基极接法,无论哪种连接方式，要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏,注意: 1、只有三极管工作在放大模式，上述基本关系式才成立,2、上述电流分配基本关系式与组态（连接方式）无关,3、在一定的电流范围内，与为常数，则IC与IE，IC与IB之间成线性控制关系,BJT的电流分配关系（3,实验数据,表1-1三极管三个电极上的电流分配,结论：IE = IB + IC,三极管的电流分配规律：发射极电流等于基极电流和极电极电流之和,1.2半导体三极管,2

28、三极管的电流放大作用,由表 1-1 的数据可看出，当基极电流 IB 由 0.03 mA 变到 0.04 mA 时，集电极电流 IC 由 1.74 mA 变到 2.23 mA 。上面两个变化量之比为,1.2半导体三极管,1）三极管的电流放大作用，实质上是用较小的基极电流信号控制集电极的大电流信号，是“以小控大”的作用,由此可见，基极电流的微小变化控制了集电极电流较大的变化，这就是三极管的电流放大原理,结论：要使三极管起放大作用，必须保证发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压,2）三极管的放大作用，需要一定的外部条件,注意,1.2半导体三极管,利用三极管的电流放大作用，可以用来构成放大器，其方

29、框图如图所示,1）共发射极电路（CE）：把三极管的发射极作为公共端子,三极管在构成放大器时，有三种基本连接方式,1.2.3三极管的基本连接方式,1.2半导体三极管,2）共基极电路（CB）：把三极管的基极作为公共端子,3）共集电极电路（CC）：把三极管的集电极作为公共端子,1.2半导体三极管,输入特性：在 VCE 一定的条件下，加在三极管基极与发射极之间的电压 VBE 和它产生的基极电流 IB 之间的关系,1输入特性曲线,1.2.4三极管的特性曲线,1.2半导体三极管,改变 RP2 可改变 VCE ， VCE 一定后，改变 RP1 可得到不同的 VBE 和 IB,由图可见,1）当 V CE 1

30、V 时，特性曲线基本重合,2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态,1.2半导体三极管,4）三极管导通后，VBE 基本不变。硅管约为 0.7 V ，锗管 约为 0.3 V ，称为三极管的导通电压,5）VBE 与 IB 成非线性关系,3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V）时，IB 逐渐增大，三极管开始导通,1.2半导体三极管,输出特性：在 IB 一定条件下时，集电极极与发射极之间的电压 VCE 和集电极电流 IC 之间的关系,2输出特性曲线,1.2半导体三极管,先调节 RP1，使 IB 为一定值，再调节 RP2 得到不同的VCE、IC,测试电路如图

31、所示,输出特性曲线,1.2半导体三极管,条件：发射结反偏或两端电压为零,2）放大区,条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点： IC 受 IB 控制 ，即 IC = IB,在放大状态，当 IB 一定时，IC 不随 VCE 变化，即放大状态的三极管具有恒流特性,3）饱和区,条件：发射结和集电结均为正偏,VCES 称为饱和管压降，小功率硅管约 0.3 V，锗管约为 0.1 V,输出特性曲线族可分三个区,特点：VCE = VCES,1）截止区,特点： IB = 0，IC = ICEO,1.2半导体三极管,3三极管的主要参数,集电极发射极反向饱和电流 ICEO,集电极基极反向饱和电流 ICBO,2）极间反

32、向饱和电流,选用管子时， 值应恰当，一般说来， 值太大的管子工作稳定性差,1）共射极电流放大倍数,两者关系,ICEO = （1 + ） ICBO,1.2半导体三极管,3）极限参数,反向击穿电压,当基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压V（BR）CEO,当发射极开路时，集电极与基极之间所能承受的最高反向电压V（BR）CBO,当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反向电压V（BR）EBO,1.2半导体三极管,当 IC 过大时，电流放大系数 将下降。在技术上规定， 下降到正常值的 2/3 时的集电极电流称集电极最大允许电流,集电极最大允许电流ICM,在三极管因温度升高而引起的参

33、数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率,三极管应工作在三极管最大损耗曲线图中的安全工作区。三极管最大损耗曲线如图所示,集电极最大允许耗散功率 PCM,1.2半导体三极管,1.3场效晶体管,半导体三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件，称为电流控制型器件,场效晶体管是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的器件，称为电压控制器件,根据结构和工作原理不同，场效晶体管可分为,结型 （JFET,绝缘栅型 （MOSFET,1.3.1结型场效晶体管,1符号和分类,结型场效晶体管的电路符号和外形如图所示,三个电极：漏极（D），源极（S）和栅极（G），D 和 S 可交换使用

34、，电路符号和外形如图所示,结型场效晶体管可分为 P 沟道和 N 沟道两种，在电路符号中用箭头加以区别,1.3场效晶体管,2电压放大作用,场效晶体管的放大电路如图所示,场效晶体管共源极电路中，漏极电流受栅源电压控制,场效晶体管是电压控制器件，具有电压放大作用,1.3场效晶体管,1.3.2绝缘栅场效晶体管,栅极与漏、源极完全绝缘的场效晶体管，称绝缘栅场效晶体管（MOSFET,输入电阻很大，在 1012 以上,它也有 N 沟道和 P 沟道两大类，每一类中又分为增强型和耗尽型两种,1.3场效晶体管,1电路符号和分类,N 沟道箭头指向内。沟道用虚线为增强型，用实线为耗尽型，N 沟道称 NMOS 管,P

35、沟道箭头指向外。沟道用虚线为增强型，用实线为耗尽型，P 沟道称 PMOS 管,1.3场效晶体管,四种场效晶体管的电路符号如图所示,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,N 沟道增强型,2结构和工作原理,1）结构,1.3场效晶体管,在源区和漏区之间的衬底表面覆盖一层很薄的绝缘层，再在绝缘层上覆盖一层金属薄层，形成栅极（G,N 型区引出两个电极：漏极（D）、源极（S,从衬底基片上引出一个电极，称为衬底电极,以 N 沟道增强型 MOSFET 为例,2）工作原理,当 VGS = 0 ，在漏、源极间加一正向电压 VDS 时，漏源极之间的电流 ID = 0,当 VGS VT ，在绝缘层和衬底之间

36、感应出一个反型层，使漏极和源极之间产生导电沟道。在漏、源极间加一正向电压 VDS 时，将产生电流 ID,总结,VGS 越大，导电沟道越宽，沟道电阻越小， ID 越大。则通过调节 VGS可控制漏极电流 ID,3）输出特性和转移特性（与晶体管类似,1.3场效晶体管,3电压放大作用,MOS 场效晶体管放大电路与结型场效晶体管放大电路的工作原理相似,N 沟道耗尽型场效晶体管的 VGS 可取负值，取正值和零均能正常工作,通常将增强型 MOS 管简写为 EMOS，耗尽型 MOS 管简写为 DMOS,1.3场效晶体管,1.3.3MOSFET 和三极管的比较,1MOSFET 温度稳定性好,2MOSFET 输入

37、电阻极高，因此，MOSFET 放大级对前级的放大能力影响极小,3MOSFET 存放时，应使栅极与源极短接，避免栅极悬空,4MOSFET 的源极和漏极可以互换使用,1.3场效晶体管,本章小结,2晶体二极管的核心是 PN 结，故具有单向导电性。二极管属于非线性器件，其伏安特性是非线性的。二极管的门坎电压，硅管约 0.5 V ，锗管约 0.2 V。导通电压，硅管约 0.7 V ，锗管约 0.3 V,1本征半导体内存在两种载流子：自由电子和空穴。杂质半导体有 P 型和 N 型两种，P 型半导体中空穴是多子，N 型半导体中自由电子是多子。PN 结是在 P 型半导体与 N 型半导体交界面附近形成的空间电荷

38、区，也叫阻挡层或耗尽层 。PN 结具有单向导电性，即正偏时导通，反偏时截止,4MOS 管是一种电压控制器件。MOS 管的优点是：输入阻抗高、受幅射和温度影响小、集成工艺简单。超大规模集成电路主要应用 MOS 管,3晶体三极管是一种电流控制器件，它以较小的基极电流控制较大的集电极电流，以较小的基极电流变化控制较大的集电极电流变化。所谓电流放大作用，实质上就是这种“小控制大”，“小变化控制大变化”的作用。三极管有 PNP 型和 NPN 型两大类。管外有三个电极：发射极、基极和集电极；管内有两个 PN 结：发射结和集电结。使用时有三种电路组态：共发射极、共基极和共集电极组态；三种工作状态：截止状态、

39、饱和状态和放大状态。两种基本功能：开关功能和放大功能,第二专题常见模拟电路分析,基本放大电路,放大的概念及放大电路的性能指标,一、 什么是放大,1、概念： 将微弱的电信号通过放大电路(也称放大器)放大到具有足够大的功率去推动负载，这就是放大,2、放大的本质： 能量的控制和转换；即在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量,注意：只有在不失真的情况下放大才有意义,2. 性能指标,1) 放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,信号源,信号源内阻,输入电压,输出电压,输入电流,输出电流,任何放大电路均

40、可看成为二端口网络,2)输入电阻和输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻,空载时输出电压有效值,带RL时的输出电压有效值,输入电压与输入电流有效值之比,从输入端看进去的 等效电阻,3)通频带,4)最大不失真输出电压Uom：交流有效值,由于电容、电感及半导体器件PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力,下限频率,上限频率,2)输入回路应使交流信号电压能加到管子上，使产生交流电流,第二节 放大电路的组成及工作原理,一、组成原则,1)电源极性必须使放大管处于放大状态，即e结正偏，c结反偏,3)输出回路应使

41、输出电流 尽可能多地流到负载上，减少其他分流,4)为了保证放大电路不失真地放大信号，必须在没有外加信号时使放大管有一个合适的静态工作点，称之为合理的设置静态工作点,三、设置静态工作点的必要性,输出电压必然失真！ 设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数,为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压,四、基本共射放大电路的工作原理,饱和失真,截止失真,底部失真,顶部失真,动态信号驮载在静态之上,输出和输入反相,要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区,波形分析,五、放大电路的组成原则,静态工作点合适：合适的直流电

42、源、合适的电路参数。 动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。 对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量,两种实用放大电路直接耦合放大电路,问题： 1. 两种电源 2. 信号源与放大电路不“共地,将两个电源合二为一,共地，且要使信号驮载在静态之上,静态时,动态时，b-e间电压是uI与Rb1上的电压之和,两种实用放大电路阻容耦合放大电路,耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流,静态时，C1、C2上电压,动态时,C1、C2为耦合电容,uBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。 负载上只有交流信号,清华大学

43、 华成英 ,讨论,1. 用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。 用PNP型晶体管组成一个共射放大电路,照葫芦画瓢,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB,VCC：使UCEUon，同时作为负载的能源,Rc：将iC转换成uCE(uo),动态信号作用时,二、基本共射放大电路,C1 C2 ：隔直耦合电容,习惯画法,单电源供电,7.5 多级放大电路,7.5.1 阻容耦合多级放大电路,各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此

44、不能在集成电路中采用,1阻容耦合多级放大电路分析,1）静态分析：各级单独计算,2）动态分析 电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积,注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。 输入电阻就是第一级的输入电阻。 输出电阻就是最后一级的输出电阻,2阻容耦合多级放大的频率特性和频率失真,中频段：电压放大倍数近似为常数。 低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。 高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低,除

45、了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特性，相位移与频率的函数关系称为相频特性，二者统称为频率特性或频率响应。放大电路呈现带通特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上限频率和下限频率，其差值称为通频带。 一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信

46、号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真,7.5.2 直接耦合多级放大电路,优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。 缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。 零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响,7.6 差动放大电路,7.6.1 差动放大电路的工作原理,抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路,温

47、度变化时两个单管放大电路的工作点都要发生变动，分别产生输出漂移uol和uo2。由于电路是对称的，所以uol=uo2 ，差动放大电路的输出漂移uouoluo2 0，即消除了零点漂移,1抑制零点漂移的原理,2差模输入,差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反,因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则,差模电压放大倍数,可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力,3共模输入,共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同,共模电压放大倍数,说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点

48、漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力,共模抑制比,共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强,在发射极电阻RE的作用：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力,负电源UEE的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位,恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用,7.6.2 差动放大电路的输入输出方式,双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端

49、输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式,单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入,单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE

50、对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路,7.7 互补对称功率放大电路,7.7.1 功率放大电路的特点及类型,1功率放大电路的特点,功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态，非线性失真也要比小信号的电压放大电路严重得多。此外，功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的

51、利用率，必须尽可能提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值,2功率放大电路的类型,甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50。 乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。 甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类和乙类之间,7.7.2 互补对称功率放大电路,1OCL功率放大电路,静态（ui=0）时，UB=0、

52、UE=0，偏置电压为零，V1、V2均处于截止状态，负载中没有电流，电路工作在乙类状态。 动态（ui0）时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载；在ui的负半周V2导通而V1截止，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载。可见在输入信号ui的整个周期内，V1、V2两管轮流交替地工作，互相补充，使负载获得完整的信号波形，故称互补对称电路,由于V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可与低阻负载RL直接匹配,从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真称为交越失真。产生交越失真的原因是由于V1、V2发射结静态偏压为零，放

53、大电路工作在乙类状态。当输入信号ui小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压为零，使波形失真,为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V2虽然都已基本导通，但因它们对称，UE仍为零，负载中仍无电流流过,2OTL功率放大电路,因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载，同时对电容C充电

54、；在ui的负半周V2导通而V1截止，电容C通过V2、RL放电，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载，电容C在这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，必须保持电容C上的电压基本维持在UCC/2不变，因此C的容量必须足够大,7.2 整流电路,7.2.1 单相半波整流电路,Tr：整流变压器,D：理想二极管,u20，D导通；uD=0，I取决于外电路,u20，D截止；I =0，uD（负值）取决于外电路,RL：负载电阻,u1，u2：正弦波瞬时值,u20时，二极管导通,一、工作原理,u20时，二极管截止,uo,io,uD,uo= u2，uD= 0,uo= 0，uD= u2,Tr,D,二、主要参数,

55、输出电压平均值,输出电流平均值,二极管的平均电流,二极管上承受的最大反向电压,最大整流电流,IOM ID(AV,反向工作峰值电压,URWM UDRM,整流桥,一、电路,7.2.2 单相桥式整流电路,简化画法,u2正半周时,二、工作原理,Tr,u20，D1，D3通， D2，D4止,u20， D2，D4通， D1，D3止,uo=u2,uo=-u2,u2负半周时,uo,io,三、各电量计算,输出电压平均值,输出电流平均值,uo,io,流过变压器副边的电流仍为正弦电流，其有效值,二极管上承受的最高反向电压,二极管的平均电流,三、整流元件选择,最大整流电流,IOM ID(AV,最大反向工作电压,URWM

56、 UDRM,整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3,滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为较平滑的直流电压u4,单相半波整流（半波整流） 单相桥式整流（全波整流,7.3 电源滤波电路,单相半波整流滤波电路,初始时刻uC=0,0tT/4,uuC：C充电，uo按正弦变化,t1,T/4tt1,uC按指数规律下降,u按正弦规律下降,快,慢,uuC：uo按正弦规律变化,uo= uC,t1tt2,uuC：D截止 uo按指数规律变化,t2,7.3.1 电容滤波电路,桥式整流电容滤波电路,没有电容时的输出波形,一、滤波原理,0,T/4,t1,t2,C事先未充电,u2uo，D1、D3通，C充电,C放电，

57、指数规律，快,u2uo，D1、D3仍导通,uo正弦规律,uo仍为正弦规律,C放电， uo指数规律,有电容时的输出波形,u2正弦规律，慢,全波整流与半波整流的比较,二极管上承受的最高反向电压,输出电压的平滑程度和平均值与电容的放电时间常数RLC有关。 RLC越小，输出平均电压越低，输出电压中含纹波成分越大,RLC大,RLC小,UO,UO,二、滤波电容的选择与输出电压的估算,C容量选择,T：交流电压的周期,C耐压选择,RLC愈大电容器放电愈慢UO(平均值)愈大,输出电压的估算,桥式整流电容滤波,若取,则,同理，可得半波整流电容滤波,三、整流二极管的导通角,整流电路二极管的导通时间T/2，因此，二极

58、管的导通角度小，导致流过二极管的冲击电流大，容易损坏管子,整流二极管的导通电流,1电容滤波电路,二、滤波电路,第一节单相全波整流和滤波电路,1）工作原理,v2 为正半周，且 v2 vC 时，VD1、VD3 管导通， v2 向 C 充电,直到 v2 vC 时，VD1、VD3 管截止，C 上电压通过负载放电,同理， v2 负半周 -v2 vC 时，VD2、VD4 管导通， v2 向 C 充电,直到 -v2 vC 时，VD2、VD4 管截止，C 上电压通过负载放电,如此不断地充放电，维持着输出电压的锯齿状波动,第一节单相全波整流和滤波电路,3）输出电压,2）波形图,1.2,第一节单相全波整流和滤波电

59、路,在整流电路的输出端接上一个电感，利用其限制电流变化的特点，能使通过整流管的电流平滑。电感滤波适用于负载电流较大的场合,2电感滤波电路,第一节单相全波整流和滤波电路,电感与电容组成 LC 滤波器，可进一步减小输出电压的脉动程度,1）LC 滤波电路,3复合滤波电路,第一节单相全波整流和滤波电路,2）RC 滤波器,由于电感体积大，在输出电流不很大的场合，常用电阻代替电感，组成 RC- 形滤波器,第一节单相全波整流和滤波电路,一、串联调整型直流稳压电路的基本原理,1工作原理,第二节连续调整型直流稳压电路,输入电压 VI 增大，致使 VO 增大，增大 RP ，其上压降增大， VO 的增大也受到了限制

60、,VI 不变， RL 增大时，输出电压亦将增大，此时增大 RP 使分压系数减小，就可以使 VO 的增大受到限制,因调整元件 RP 与负载串联,故称为串联型稳压电路,7.4 稳压二极管,1、结构：同二极管,2、伏安特性：同二极管,DZ,符号,3、稳压管与二极管的主要区别,1、二极管工作在正向区，稳压管工作在反向击穿区,2、稳压管比二极管的反向特性更陡,4、主要参数,1）稳定电压 UZ：正常工作时管子两端的电压,4）动态电阻,2）稳定电流IZ和最大稳定电流IZM,3）最大允许功耗,UZ,IZ,IZM,5）电压温度系数 稳压值受温度变化影响的系数。数值上等于温度每升高1时稳定电压的相对变化量,稳压管