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大学模拟电子技术-范立南-课件PPT,大学,模拟,摹拟,电子技术,范立南,课件,ppt
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,模拟电子技术 第1章 半导体二极管及其电路分析,范立南 恩莉 代红艳 李雪飞 中国水利水电出版社,第1章 半导体二极管及其电路分析,1.1 本征半导体 1.2 杂质半导体 1.3 PN结 1.4 半导体二极管 1.5 稳压管,导体的导电能力最强，金、银、铜等金属均为导体； 绝缘体的导电能力最弱，塑料、橡胶等均为绝缘体； 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常用的半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)，化合物半导体为砷化镓（GaAs）。 半导体具有光敏、热敏和掺杂特性：即半导体在受到光照、加热或掺入微量杂质时，其导电性能会大大提高。,1.1 本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。,图1-1 本征半导体的共价键结构,本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流 子。 本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少 数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成 为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为 空穴。如图1-2所示。,图1-2 本征半导体的两种载流子,本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。 本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者数量 相等。 本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和。 复合：自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇，就会填补 空穴，使自由电子和空穴成对消失。 在一定温度下，自由电子、空穴的产生与复合会达到动态平 衡。,1.2 杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电 性能会得到改善。 按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。 N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等 P型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等,1.2.1 N型半导体,在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质 半导体为N型半导体，如图1-3所示。,图1-3 N型半导体,N型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。 空穴载流子是本征激发产生的。 自由电子载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂 质提供的， N型半导体的多子：自由电子 N型半导体的少子：空穴,1.2.2 P型半导体,在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质 半导体为P型半导体，如图1-4所示。,图1-4 P型半导体,P型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子载流子是本征激发产生的。 空穴载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂 质提供的， P型半导体的多子：空穴 P型半导体的少子：自由电子,1.3 PN结 1.3.1 PN结的形成,利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同 一个半导体硅片上，在P型半导体和N型半导体的交界面就 形成了PN结。 PN结的形成过程如图1-5：,(a)多子扩散运动 (b)动态平衡时的PN结 图1-5 PN结的形成,1.3.2 PN结的单向导电性,PN结的单向导电性是指当PN结外加正向电压时导通，有较 大的正向电流流过；当PN结外加反向电压时截止，仅有较 小的反向电流流过。 所谓PN结外加正向电压是指PN结的P区接电源的正极，N区 接电源的负极，通常称作PN结正向偏置，如图1-6所示。,图1-6 PN结外加正向电压的情况,1.3.3 PN结的伏安特性,所谓PN结外加反向电压是指PN结的N区接电源的正极，P区 接电源的负极，通常称作PN结反向偏置，如图1-7所示。,图1-7 PN结外加反向电压的情况,PN结两端所加电压与流过该PN结的电流之间的关系为：,PN结的伏安特性曲线如图1-8所示。,图1-8 PN结的伏安特性曲线,PN结的伏安特性曲线分为3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向击穿特性。 当PN结两端外加的反向电压增加至一定值后，流过PN结的 反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的 反向击穿按照其击穿机理的不同，可分为雪崩击穿和齐纳击 穿两种。,1.3.4 PN结的电容效应,PN结的电容效应根据产生机理不同可分为：势垒电容和扩 散电容。 PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。,1.4 半导体二极管,半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引 线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、 结构、符号如图1-9所示。,图1-9 二极管的外形、结构及符号,按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二 极管等。 按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面 型二极管。 按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管 等。 按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二 极管。,1.4.1 二极管的伏安特性及主要参数,1二极管的伏安特性,图1-10 二极管的伏安特性曲线,二极管的伏安特性曲线分为3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向击穿特性。 随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向 特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大， 温度每增加10，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管 的正向压降将减小，温度每增加1，正向压降将减小 22.5mV。,2二极管的主要参数 （1）最大整流电流：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。 （2）最大反向工作电压：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而被损坏。通常规定最大反向工作电压为击穿电压的一半。,（3）反向电流：指二极管未发生击穿时的反向电流。其值 越小，说明二极管的单向导电性越好。 （4）最高工作频率：指二极管正常工作时的上限频率值， 它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的单 向导电性会受到影响。,1.4.2 二极管电路的分析,1二极管的等效电路 （1）理想模型：其伏安特性曲线和等效电路分别如图1- 11(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-11 理想模型,（2）恒压降模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1- 12(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-12恒压降模型,（3）折线模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1-13 (a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-13折线模型,（4）小信号模型 二极管小信号模型的伏安特性曲线和等效电路分别如图1-14(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-14小信号模型,2二极管电路分析举例 【例1-1】电路如图1-15所示，假设图中的二极管是理想的， 试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。,（a） (b) 图1-15 例1-1的电路图,解：二极管D导通，输出电压 。 二极管D截止，输出电压 。 【例1-2】电路如图1-16所示，二极管的正向导通压降为 0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 和 的波形。,图1-16 例1-2的电路图,解：,【例1-3】电路如图1-18所示， ， 。试分 别用理想模型和恒压降模型，求解电路的 和 的 值。,图1-18 例1-3的电路图,解： 理想模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管 阴极的电位，二极管导通。,解：恒压降模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管 阴极的电位，二极管导通。,1.5 稳压管 1.5.1 稳压管的伏安特性,稳压管又称齐纳二极管，是一种工作在反向击穿状态下的面 接触型硅半导体二极管。 稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图1-19(a)，(b)，(c) 所示。,(a)伏安特性 (b)符号 (c)等效电路 图1-19 稳压管的伏安特性、符号及等效电路,1.5.2 稳压管的主要参数,（1）稳定电压：指在规定电流下，稳压管的反向击穿电压。 （2）稳定电流：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流，通常也记作。稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至不能稳压。在保证不超过稳压管的额定功率前提下，电流越大，稳压管稳压效果越好。 （3）额定功耗：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积。 （4）动态电阻：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。越小，稳压管稳压效果越好。 （5）温度系数：用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指温度每变化1所引起的稳定电压的变化量。,1.5.3 稳压电路,图1-20所示为稳压管稳压电路，其中为稳压管，电阻为负载 电阻，电阻为限流电阻。当电网电压波动或者负载电阻变化 时，都能够引起输出电压变化。,图1-20 稳压管稳压电路,模拟电子技术第1章 半导体二极管及其电路分析 范立南 恩莉 代红艳 李雪飞中国水利水电出版社第1章 半导体二极管及其电路分析1.1 本征半导体1.2 杂质半导体1.3 PN结1.4 半导体二极管1.5 稳压管 导体的导电能力最强，金、银、铜等金属均为导体；绝缘体的导电能力最弱，塑料、橡胶等均为绝缘体；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常用的半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)，化合物半导体为砷化镓（GaAs）。半导体具有光敏、热敏和掺杂特性：即半导体在受到光照、加热或掺入微量杂质时，其导电性能会大大提高。1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。图1-1 本征半导体的共价键结构本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流子。本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为空穴。如图1-2所示。图1-2 本征半导体的两种载流子本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者数量相等。本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和。复合：自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇，就会填补空穴，使自由电子和空穴成对消失。在一定温度下，自由电子、空穴的产生与复合会达到动态平衡。 1.2 杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电性能会得到改善。按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等P型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等1.2.1 N型半导体在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质半导体为N型半导体，如图1-3所示。图1-3 N型半导体N型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。空穴载流子是本征激发产生的。自由电子载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂质提供的，N型半导体的多子：自由电子N型半导体的少子：空穴1.2.2 P型半导体在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质半导体为P型半导体，如图1-4所示。图1-4 P型半导体P型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子载流子是本征激发产生的。空穴载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂质提供的，P型半导体的多子：空穴P型半导体的少子：自由电子1.3 PN结1.3.1 PN结的形成利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一个半导体硅片上，在P型半导体和N型半导体的交界面就形成了PN结。PN结的形成过程如图1-5：(a)多子扩散运动 (b)动态平衡时的PN结图1-5 PN结的形成1.3.2 PN结的单向导电性 PN结的单向导电性是指当PN结外加正向电压时导通，有较大的正向电流流过；当PN结外加反向电压时截止，仅有较小的反向电流流过。所谓PN结外加正向电压是指PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，通常称作PN结正向偏置，如图1-6所示。 图1-6 PN结外加正向电压的情况1.3.3 PN结的伏安特性所谓PN结外加反向电压是指PN结的N区接电源的正极，P区接电源的负极，通常称作PN结反向偏置，如图1-7所示。 图1-7 PN结外加反向电压的情况PN结两端所加电压与流过该PN结的电流之间的关系为： PN结的伏安特性曲线如图1-8所示。 图1-8 PN结的伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线分为3部分：（1）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。当PN结两端外加的反向电压增加至一定值后，流过PN结的反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的反向击穿按照其击穿机理的不同，可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。1.3.4 PN结的电容效应PN结的电容效应根据产生机理不同可分为：势垒电容和扩散电容。PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。1.4 半导体二极管半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、结构、符号如图1-9所示。图1-9 二极管的外形、结构及符号按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二极管。 1.4.1 二极管的伏安特性及主要参数1二极管的伏安特性图1-10 二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性曲线分为3部分：（1）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大，温度每增加10，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管的正向压降将减小，温度每增加1，正向压降将减小22.5mV。 2二极管的主要参数（1）最大整流电流：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。（2）最大反向工作电压：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而被损坏。通常规定最大反向工作电压为击穿电压的一半。（3）反向电流：指二极管未发生击穿时的反向电流。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。（4）最高工作频率：指二极管正常工作时的上限频率值，它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的单向导电性会受到影响。1.4.2 二极管电路的分析1二极管的等效电路（1）理想模型：其伏安特性曲线和等效电路分别如图1-11(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-11 理想模型（2）恒压降模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1-12(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-12恒压降模型（3）折线模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1-13(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-13折线模型（4）小信号模型二极管小信号模型的伏安特性曲线和等效电路分别如图1-14(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-14小信号模型2二极管电路分析举例【例1-1】电路如图1-15所示，假设图中的二极管是理想的，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。（a） (b)图1-15 例1-1的电路图解：二极管D导通，输出电压 。 二极管D截止，输出电压 。【例1-2】电路如图1-16所示，二极管的正向导通压降为0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 和 的波形。图1-16 例1-2的电路图解：【例1-3】电路如图1-18所示， ， 。试分别用理想模型和恒压降模型，求解电路的 和 的值。图1-18 例1-3的电路图解： 理想模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管阴极的电位，二极管导通。解：恒压降模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管阴极的电位，二极管导通。1.5 稳压管1.5.1 稳压管的伏安特性稳压管又称齐纳二极管，是一种工作在反向击穿状态下的面接触型硅半导体二极管。稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图1-19(a)，(b)，(c)所示。(a)伏安特性 (b)符号 (c)等效电路图1-19 稳压管的伏安特性、符号及等效电路1.5.2 稳压管的主要参数（1）稳定电压：指在规定电流下，稳压管的反向击穿电压。（2）稳定电流：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流，通常也记作。稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至不能稳压。在保证不超过稳压管的额定功率前提下，电流越大，稳压管稳压效果越好。（3）额定功耗：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积。（4）动态电阻：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。越小，稳压管稳压效果越好。（5）温度系数：用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指温度每变化1所引起的稳定电压的变化量。1.5.3 稳压电路图1-20所示为稳压管稳压电路，其中为稳压管，电阻为负载电阻，电阻为限流电阻。当电网电压波动或者负载电阻变化时，都能够引起输出电压变化。 图1-20 稳压管稳压电路,模拟电子技术 第2章 晶体管及其放大电路分析,范立南 恩莉 代红艳 李雪飞 中国水利水电出版社,第2章 晶体管及其放大电路分析,2.1 晶体管的基本概念 2.2 晶体管放大电路的分析 2.3 多级放大电路的分析 2.4 放大电路的频率特性,利用不同的掺杂方式在同一块硅片上，制造出能够形成两个PN结的三个掺杂区，就构成了半导体三极管，又称为双极型晶体管（BJT，Bipolar Junction Transistor的缩写）、晶体三极管，通常简称为晶体管。 晶体管按照频率可分为：高频管和低频管； 按照功率可分为大功率管、中功率管和小功率管； 按照材料可分为硅管和锗管； 按照构成晶体管的三个掺杂区的不同，可分为NPN型和PNP型。,2.1 晶体管的基本概念 2.1.1 晶体管的结构及分类,结构示意图和符号分别如图2-1和2-2所示。,(a)结构示意图 (b)符号 图2-1 NPN型晶体管的结构示意图及符号,(a)结构示意图 (b)符号 图2-2 PNP型晶体管的结构示意图及符号,晶体管的几种常见外形如图2-3所示。,(a)、(b)小功率管 (c)中功率管 (d)大功率管 图2-3 晶体管的常见外形,2.1.2晶体管的电流放大作用,1放大的基本概念 放大作用是一种能量控制作用，放大的对象是变化量，能够 将微小的变化量不失真的放大输出。放大作用是通过放大电 路来实现的，放大电路的核心元件是晶体管。 晶体管具有放大作用所需具备的内部条件：在制造晶体管时 需保证其发射区掺杂浓度高；基区很薄且掺杂浓度低；集电 结面积大。 晶体管具有放大作用所需具备的外部条件：发射结正偏，集 电结反偏。,基本共射放大电路如图2-4所示。,图2-4 基本共射放大电路,2晶体管内部载流子的运动 （1）发射区向基区大量注入电子 （2）电子在基区复合和进一步扩散 （3）集电区大量收集电子,图2-5 晶体管内部载流子运动示意图,2.1.3 晶体管的输入输出特性曲线,图2-6 基本共射放大电路,晶体管的输入特性曲线是指当晶体管集-射之间电压一定的 情况下，输入回路的基极电流与基-射电压之间的关系曲 线，可以表示为： 晶体管的输出特性曲线是指当晶体管基极电流一定的情况 下，输出回路的集电极电流与集-射电压之间的关系曲线， 可以表示为：,(a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线 图2-7 晶体管的输入输出特性曲线,晶体管的输出特性曲线，分为三个工作区：截止区、放大区 和饱和区。 （1）截止区：晶体管的发射结处于反偏或者零偏，集电结 处于反偏时，该晶体管工作在截止区。 （2）放大区：晶体管的发射结处于正偏，集电结处于反偏 时，该晶体管工作在放大区。 （3）饱和区：晶体管的发射结处于正偏，集电结也处于正 偏时，该晶体管工作在饱和区； 当晶体管的发射结处于正偏，集电结处于零偏时，该晶体管 工作在临界饱和状态。,【例2-1】测得三只晶体管的直流电位如图2-8(a)、(b)、(c)所 示，试判断它们的工作状态。,图2-8 例2-1图,解：图2-8(a)中发射结正偏，集电结也正偏，所以该管工作 在饱和状态。 图2-8(b)中发射结正偏集电结反偏，所以该管工作在放大状 态。 图2-8(c)中晶体管发射结反偏，集电结也反偏，所以该管工 作在截止状态。,2.1.4 晶体管的主要参数,1晶体管的主要参数 （1）电流放大系数 共射直流电流放大系数 共射交流电流放大系数： 共基直流电流放大系数： 共基交流电流放大系数：,（2）反向电流 集-基反向饱和电流 是指发射极e开路时，集电结在反 向电压作用下，集-基之间由少子漂移运动形成的反向饱和 电流。 集-射反向饱和电流 是指基极b开路时，集电极和发射极 之间的穿透电流。,（3）极限参数 集电极最大允许电流 集电极最大耗散功率 极间反向击穿电压 ：为基极开路时，加在集-射之间的反向击穿电压。 ：为射极开路时，加在集-基之间的反向击穿电压。 ：为集电极开路时，加在射-基之间的反向击穿电压。,2温度对晶体管参数的影响 （1）温度对反向饱和电流的影响：反向饱和电流随着温度 的升高而增大。 （2）温度对的影响：随着温度的升高，晶体管的输入特性 曲线将左移。 （3）温度对共射电流放大系数的影响：共射电流放大系数 随温度的升高而增大，在输出特性曲线上表现为各曲线间的 间隔增大。 温度对晶体管上述三个参数的影响，集中体现在使晶体管的 集电极电流的增加上。,【例2-2】已知某单管放大电路中，电源电压为25V，现有三 只管子 、 、 ，它们的分别为0.01、0.1、0.05； 分别为50V、50V、20V； 分别为15、100、100， 试问选择哪只管子比较合适。 解：选择 管比较合适。,2.2 晶体管放大电路的分析 2.2.1 晶体管放大电路的性能指标,基本共射放大电路如图2-12所示。,图2-12 基本共射放大电路,共集放大电路如图2-13所示,图2-13 基本共集放大电路,共基放大电路如图2-14所示。,图2-14 基本共基放大电路,晶体管放大电路的主要性能指标有：放大倍数、输入电阻、 输出电阻、非线性失真系数和通频带。 （1）放大倍数是用于衡量放大电路放大能力的主要指标。 通常将输出量与输入量的比值定义为放大倍数，用 表示， 又称为增益。 按照输入量和输出量的不同，放大倍数可分为： 电压放大倍数 电流放大倍数 互阻放大倍数 互导放大倍数,（2）输入电阻 输入电阻是用于衡量一个放大电路从信号源获取信号能力大 小的指标。通常将输入电阻定义为输入电压与输入电流之 比，即从放大电路输入端看进去的等效电阻，记作，即： 可以根据输入电阻的大小来判断一个放大电路从信号源获取 信号的能力。输入电阻越大越好。,（3）输出电阻 输出电阻是用于衡量一个放大电路带负载能力大小的指标。 输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻。 可以根据输出电阻的大小来判断一个放大电路带负载电阻的 能力。输出电阻越小，带负载能力越强。所以通常希望一个 放大电路的输出电阻越小越好。,（4）通频带 通频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号的放大能力 的指标。中频时放大倍数最大，低频或高频时放大倍数都会 下降并产生相移。放大电路的放大倍数随频率变化的关系曲 线如图2-16所示。,图2-16 放大倍数随频率变化的曲线,（5）非线性失真系数 非线性失真系数可定义为： （6）最大不失真输出电压 最大不失真输出电压是指输出波形不失真情况下，输出电压 的最大值，记作 。 （7）最大输出功率和效率 最大输出功率是指输出波形不失真情况下，负载上所获得的 最大功率，记作 。 效率 是指最大输出功率与直流电源提供功率之比。效率 越高，说明在交流输入信号的控制下，能量转换能力就越 强。,2.2.2 晶体管放大电路的图解分析法,如图2-17所示的放大电路中，,图2-17 基本共射放大电路,图2-17所示电路的直流通路如图2-18所示。,图2-18 图2-17所示电路的直流通路,图2-17所示电路的交流通路如图2-19所示。,图2-19图2-17所示电路的交流通路,晶体管放大电路的分析方法有图解法和微变等效电路法两 种。所谓图解法是利用晶体管的输入特性曲线、输出特性曲 线及放大电路中其它元件的参数，通过作图对放大电路进行 分析的方法。,(a)输入回路 (b)输出回路 图2-20图2-17所示电路的图解法分析,图解法的特点是比较直观，通常适用于输入信号幅度较大、 工作频率较低情况电路的分析或进行放大电路的失真情况分 析。 静态工作点过高出现饱和失真。消除饱和失真的办法是降低 静态工作点，可以采取增大或者减小等办法来降低静态工作 点。 静态工作点过低出现截止失真。消除截止失真的办法是提高 静态工作点，可以采取减小或者增大等办法来提高静态工作 点。,2.2.3 晶体管放大电路的等效电路分析法,1晶体管的低频小信号h参数等效电路 现将晶体管看成一个二端口网络，如图所示：,端电压和电流之间关系可分别表示为：,简化后的晶体管h参数等效电路如图所示 ：,2晶体管的低频小信号h参数等效电路分析法 利用晶体管的低频小信号h参数等效电路对放大电路进行分 析，通常也称为晶体管的微变等效电路法，分析步骤如下： （1）求静态工作点 画直流通路； 求静态工作点。 （2）求交流性能 画交流通路； 画交流等效电路； 求交流性能。,下面用微变等效电路法分析下图所示电路：,（1）求静态工作点 画直流通路。,求静态工作点。,（2）求交流性能 画交流通路。,画交流等效电路。,求交流性能。 电压放大倍数为： 输入电阻为： 输出电阻为：,例：阻容耦合放大电路如图示，已知 ， ， ， ， 试求：（1）静态工作点；（2）交流性能 、 和 。,解：（1）求静态工作点 画直流通路,求静态工作点。,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能,2.2.4 静态工作点稳定放大电路,（1）求静态工作点 画直流通路,求静态工作点。,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能。 电压放大倍数为： 输入电阻为： 输出电阻为：,2.2.5 基本共集放大电路的分析,（1）求静态工作点 画直流通路,求静态工作点。,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能。 电压放大倍数为： 输入电阻为： 输出电阻为：,2.2.6 基本共基放大电路的分析,（1）求静态工作点 画直流通路,求静态工作点。,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能。 电压放大倍数为： 输入电阻为： 输出电阻为：,2.3 多级放大电路的分析,多级放大电路中，每个单级放大电路称为一级，各个单级放 大电路之间的连接方式，称为耦合方式。 常见的耦合方式有：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等。 直接耦合方式是将前一级放大电路的输出端直接送到后一级 放大电路的输入端的连接方式，如图示 ：,直接耦合放大电路的特点是： （1）各级的静态工作点不独立，使得各级的静态工作点相互影响，不便于进行电路的分析、设计和调试； （2）直接耦合多级放大电路中，由于信号的传送不经过电抗元件，所以频率特性好，可以放大低频信号或直流信号，且容易集成。集成运放中各级放大电路之间都是直接耦合方式； （3）直接耦合放大电路存在着零点漂移现象。,阻容耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过电容接到后 一级放大电路的输入端的连接方式。这个电容称为耦合电 容，如图示。,阻容耦合放大电路的特点是： （1）阻容耦合多级放大电路中，各级直流通路之间是不连 通的，因此各级的静态工作点独立。 （2）阻容耦合多级放大电路的低频特性差，不能放大变化 缓慢的信号。 （3）由于大电容不容易制作，所以阻容耦合方式不便于集 成。,变压器耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过变压器接 到后一级放大电路的输入端或直接接负载电阻的连接方式， 如图所示。,变压器耦合放大电路的特点是： （1）变压器耦合多级放大电路中，各级直流通路之间是不连通的，因此各级的静态工作点独立，便于分析、设计和调试； （2）变压器耦合多级放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号； （3）由于变压器具有阻抗变换作用，能够实现阻抗匹配、获得最大输出功率。 （4）由于变压器的体积和重量都很大，所以变压器耦合多级放大电路不便于集成。,多级放大电路的动态性能 ：,2.4 放大电路的频率特性,放大电路的电压放大倍数与输入信号频率之间的函数关系称 为频率特性，或称为频率响应。 电压放大倍数的幅值随频率变化的关系，称为幅频特性； 电压放大倍数的相位随频率变化的关系，称为相频特性。 幅频特性和相频特性统称为频率特性。,晶体管的简化混合 模型,单管放大电路的频率特性曲线：,晶体管放大电路对不同频率信号的放大能力不同，只有在中频某段频率范围内，电压放大倍数最大且恒定不变，此时的电压放大倍数称为中频电压放大倍数。 随着输入信号频率的减小，电压放大倍数下降到中频电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率称为下限截止频率， 随着输入信号频率的增加，电压放大倍数下降到中频电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率称为上限截止频率。,低频段：频率低于下限截止频率的部分； 高频段：频率高于上限截止频率的部分； 通频带：位于下限截止频率与上限截止频率之间的部分。通 频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号放大能力的指 标。通频带越宽，表示放大电路所能放大的信号频率的范围 越宽。,对于多级放大电路的频率特性来说，有如下结论： （1）多级放大电路的下限截止频率高于构成它的各级放大电路的下限截止频率； （2）多级放大电路的上限截止频率低于构成它的各级放大电路的上限截止频率； （3）多级放大电路的通频带比构成它的各级放大电路的通频带都窄。,模拟电子技术第2章 晶体管及其放大电路分析 范立南 恩莉 代红艳 李雪飞中国水利水电出版社第2章 晶体管及其放大电路分析2.1 晶体管的基本概念2.2 晶体管放大电路的分析2.3 多级放大电路的分析2.4 放大电路的频率特性 利用不同的掺杂方式在同一块硅片上，制造出能够形成两个PN结的三个掺杂区，就构成了半导体三极管，又称为双极型晶体管（BJT，Bipolar Junction Transistor的缩写）、晶体三极管，通常简称为晶体管。晶体管按照频率可分为：高频管和低频管；按照功率可分为大功率管、中功率管和小功率管；按照材料可分为硅管和锗管；按照构成晶体管的三个掺杂区的不同，可分为NPN型和PNP型。2.1 晶体管的基本概念2.1.1 晶体管的结构及分类结构示意图和符号分别如图2-1和2-2所示。(a)结构示意图 (b)符号图2-1 NPN型晶体管的结构示意图及符号 (a)结构示意图 (b)符号图2-2 PNP型晶体管的结构示意图及符号 晶体管的几种常见外形如图2-3所示。 (a)、(b)小功率管 (c)中功率管 (d)大功率管图2-3 晶体管的常见外形2.1.2晶体管的电流放大作用1放大的基本概念放大作用是一种能量控制作用，放大的对象是变化量，能够将微小的变化量不失真的放大输出。放大作用是通过放大电路来实现的，放大电路的核心元件是晶体管。晶体管具有放大作用所需具备的内部条件：在制造晶体管时需保证其发射区掺杂浓度高；基区很薄且掺杂浓度低；集电结面积大。晶体管具有放大作用所需具备的外部条件：发射结正偏，集电结反偏。基本共射放大电路如图2-4所示。 图2-4 基本共射放大电路 2晶体管内部载流子的运动（1）发射区向基区大量注入电子（2）电子在基区复合和进一步扩散（3）集电区大量收集电子图2-5 晶体管内部载流子运动示意图 2.1.3 晶体管的输入输出特性曲线图2-6 基本共射放大电路晶体管的输入特性曲线是指当晶体管集-射之间电压一定的情况下，输入回路的基极电流与基-射电压之间的关系曲线，可以表示为：晶体管的输出特性曲线是指当晶体管基极电流一定的情况下，输出回路的集电极电流与集-射电压之间的关系曲线，可以表示为： (a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线图2-7 晶体管的输入输出特性曲线晶体管的输出特性曲线，分为三个工作区：截止区、放大区和饱和区。（1）截止区：晶体管的发射结处于反偏或者零偏，集电结处于反偏时，该晶体管工作在截止区。（2）放大区：晶体管的发射结处于正偏，集电结处于反偏时，该晶体管工作在放大区。（3）饱和区：晶体管的发射结处于正偏，集电结也处于正偏时，该晶体管工作在饱和区；当晶体管的发射结处于正偏，集电结处于零偏时，该晶体管工作在临界饱和状态。【例2-1】测得三只晶体管的直流电位如图2-8(a)、(b)、(c)所示，试判断它们的工作状态。图2-8 例2-1图 解：图2-8(a)中发射结正偏，集电结也正偏，所以该管工作在饱和状态。图2-8(b)中发射结正偏集电结反偏，所以该管工作在放大状态。图2-8(c)中晶体管发射结反偏，集电结也反偏，所以该管工作在截止状态。2.1.4 晶体管的主要参数1晶体管的主要参数（1）电流放大系数 共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数： 共基直流电流放大系数：共基交流电流放大系数： （2）反向电流集-基反向饱和电流 是指发射极e开路时，集电结在反向电压作用下，集-基之间由少子漂移运动形成的反向饱和电流。集-射反向饱和电流 是指基极b开路时，集电极和发射极之间的穿透电流。（3）极限参数集电极最大允许电流集电极最大耗散功率极间反向击穿电压 ：为基极开路时，加在集-射之间的反向击穿电压。 ：为射极开路时，加在集-基之间的反向击穿电压。 ：为集电极开路时，加在射-基之间的反向击穿电压。2温度对晶体管参数的影响（1）温度对反向饱和电流的影响：反向饱和电流随着温度的升高而增大。（2）温度对的影响：随着温度的升高，晶体管的输入特性曲线将左移。（3）温度对共射电流放大系数的影响：共射电流放大系数随温度的升高而增大，在输出特性曲线上表现为各曲线间的间隔增大。温度对晶体管上述三个参数的影响，集中体现在使晶体管的集电极电流的增加上。【例2-2】已知某单管放大电路中，电源电压为25V，现有三只管子 、 、 ，它们的分别为0.01、0.1、0.05； 分别为50V、50V、20V； 分别为15、100、100，试问选择哪只管子比较合适。解：选择 管比较合适。 2.2 晶体管放大电路的分析 2.2.1 晶体管放大电路的性能指标基本共射放大电路如图2-12所示。图2-12 基本共射放大电路共集放大电路如图2-13所示 图2-13 基本共集放大电路 共基放大电路如图2-14所示。图2-14 基本共基放大电路晶体管放大电路的主要性能指标有：放大倍数、输入电阻、输出电阻、非线性失真系数和通频带。（1）放大倍数是用于衡量放大电路放大能力的主要指标。通常将输出量与输入量的比值定义为放大倍数，用 表示，又称为增益。按照输入量和输出量的不同，放大倍数可分为：电压放大倍数 电流放大倍数互阻放大倍数互导放大倍数（2）输入电阻输入电阻是用于衡量一个放大电路从信号源获取信号能力大小的指标。通常将输入电阻定义为输入电压与输入电流之比，即从放大电路输入端看进去的等效电阻，记作，即：可以根据输入电阻的大小来判断一个放大电路从信号源获取信号的能力。输入电阻越大越好。 （3）输出电阻输出电阻是用于衡量一个放大电路带负载能力大小的指标。输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻。可以根据输出电阻的大小来判断一个放大电路带负载电阻的能力。输出电阻越小，带负载能力越强。所以通常希望一个放大电路的输出电阻越小越好。（4）通频带通频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号的放大能力的指标。中频时放大倍数最大，低频或高频时放大倍数都会下降并产生相移。放大电路的放大倍数随频率变化的关系曲线如图2-16所示。图2-16 放大倍数随频率变化的曲线（5）非线性失真系数非线性失真系数可定义为：（6）最大不失真输出电压最大不失真输出电压是指输出波形不失真情况下，输出电压的最大值，记作 。（7）最大输出功率和效率最大输出功率是指输出波形不失真情况下，负载上所获得的最大功率，记作 。效率 是指最大输出功率与直流电源提供功率之比。效率越高，说明在交流输入信号的控制下，能量转换能力就越强。2.2.2 晶体管放大电路的图解分析法如图2-17所示的放大电路中， 图2-17 基本共射放大电路 图2-17所示电路的直流通路如图2-18所示。图2-18 图2-17所示电路的直流通路图2-17所示电路的交流通路如图2-19所示。图2-19图2-17所示电路的交流通路晶体管放大电路的分析方法有图解法和微变等效电路法两种。所谓图解法是利用晶体管的输入特性曲线、输出特性曲线及放大电路中其它元件的参数，通过作图对放大电路进行分析的方法。 (a)输入回路 (b)输出回路图2-20图2-17所示电路的图解法分析图解法的特点是比较直观，通常适用于输入信号幅度较大、工作频率较低情况电路的分析或进行放大电路的失真情况分析。静态工作点过高出现饱和失真。消除饱和失真的办法是降低静态工作点，可以采取增大或者减小等办法来降低静态工作点。静态工作点过低出现截止失真。消除截止失真的办法是提高静态工作点，可以采取减小或者增大等办法来提高静态工作点。2.2.3 晶体管放大电路的等效电路分析法1晶体管的低频小信号h参数等效电路现将晶体管看成一个二端口网络，如图所示：端电压和电流之间关系可分别表示为： 简化后的晶体管h参数等效电路如图所示 ：2晶体管的低频小信号h参数等效电路分析法利用晶体管的低频小信号h参数等效电路对放大电路进行分析，通常也称为晶体管的微变等效电路法，分析步骤如下：（1）求静态工作点画直流通路；求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路；画交
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