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1 1信号 1 3模拟信号和数字信号 1绪论 1 2信号的频谱 1 4放大电路模型 1 5放大电路的主要性能指标 1 1 信号 信息的载体 微音器输出的某一段信号的波形 1 1信号 2 2 电信号源的电路表达形式 电压源等效电路 电流源等效电路 1 1信号 3 1 电信号的时域与频域表示 A 正弦信号 1 2信号的频谱 时域 4 1 电信号的时域与频域表示 B 方波信号 满足狄利克雷条件 展开成傅里叶级数 直流分量 其中 基波分量 三次谐波分量 1 2信号的频谱 方波的时域表示 5 2 信号的频谱 B 方波信号 频谱 将一个信号分解为正弦信号的集合 得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布 称为该信号的频谱 1 2信号的频谱 幅度谱 相位谱 6 非周期信号包含了所有可能的频率成分 0 w C 非周期信号 傅里叶变换 通过快速傅里叶变换 FFT 可迅速求出非周期信号的频谱函数 离散频率函数 连续频率函数 气温波形 气温波形的频谱函数 示意图 1 2信号的频谱 7 1 3模拟信号和数字信号 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路 模拟信号 在时间和幅值上都是连续的信号 数字信号 在时间和幅值上都是离散的信号 8 1 4放大电路模型 电压增益 电压放大倍数 电流增益 互阻增益 互导增益 1 放大电路的符号及模拟信号放大 9 负载开路时的电压增益 A 电压放大模型 输入电阻 输出电阻 由输出回路得 则电压增益为 由此可见 即负载的大小会影响增益的大小 要想减小负载的影响 则希望 考虑改变放大电路的参数 理想情况 2 放大电路模型 1 4放大电路模型 10 另一方面 考虑到输入回路对信号源的衰减 理想情况 有 要想减小衰减 则希望 1 4放大电路模型 A 电压放大模型 11 负载短路时的电流增益 B 电流放大模型 由输出回路得 则电流增益为 由此可见 要想减小负载的影响 则希望 理想情况 由输入回路得 要想减小对信号源的衰减 则希望 理想情况 1 4放大电路模型 12 C 互阻放大模型 自学 输入输出回路没有公共端 D 互导放大模型 自学 E 隔离放大电路模型 1 4放大电路模型 13 1 5放大电路的主要性能指标 1 输入电阻 14 1 5放大电路的主要性能指标 2 输出电阻 注意 输入 输出电阻为交流电阻 15 1 5放大电路的主要性能指标 3 增益 反映放大电路在输入信号控制下 将供电电源能量转换为输出信号能量的能力 其中 四种增益 常用分贝 dB 表示 16 1 5放大电路的主要性能指标 4 频率响应 A 频率响应及带宽 电压增益可表示为 在输入正弦信号情况下 输出随输入信号频率连续变化的稳态响应 称为放大电路的频率响应 或写为 其中 17 该图称为波特图纵轴 dB横轴 对数坐标 1 5放大电路的主要性能指标 4 频率响应 A 频率响应及带宽 其中 普通音响系统放大电路的幅频响应 18 1 5放大电路的主要性能指标 4 频率响应 B 频率失真 线性失真 幅度失真 对不同频率的信号增益不同产生的失真 19 4 频率响应 B 频率失真 线性失真 幅度失真 对不同频率的信号增益不同产生的失真 相位失真 对不同频率的信号相移不同产生的失真 1 5放大电路的主要性能指标 20 5 非线性失真 由元器件非线性特性引起的失真 非线性失真系数 end Vo1是输出电压信号基波分量的有效值 Vok是高次谐波分量的有效值 k为正整数 1 5放大电路的主要性能指标 21 2 1集成电路运算放大器 2运算放大器 2 2理想运算放大器 2 3基本线性运放电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 22 在半导体制造工艺的基础上 把整个电路中元器件制作在一块硅基片上 构成特定功能的电子电路 称为集成电路 简单来说 集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路 集成电路按其功能来分 有数字集成电路和模拟集成电路 模拟集成电路种类繁多 有运算放大器 宽频带放大器 功率放大器 模拟乘法器 模拟锁相环 模数和数模转换器 稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等 引言 23 模拟集成电路的特点 电阻值不能很大 精度较差 阻值一般在几十欧至几十千欧 需要大电阻时 通常用恒流源替代 电容利用PN结结电容 一般不超过几十pF 需要大电容时 通常在集成电路外部连接 不能制电感 级与级之间用直接耦合 二极管用三极管的发射结代 比如由NPN型三极管短路其中一个PN结构成 24 运算放大器外形图 25 2 1集成电路运算放大器 1 集成电路运算放大器的内部组成单元 图2 1 1集成运算放大器的内部结构框图 集成运算放大器是一种高电压增益 高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路 26 运算放大器方框图 输入级 均采用差动放大电路组成 可减小温度漂移的影响 提高整个电路共模抑制比 2 中间级 多采用有源负载的共射极放大电路 有源负载及复合管可提高电压增益 3 输出级 互补对称功放 4 偏置电路 用以供给各级直流偏置电流 由各种电流源电路组成 27 表示信号从左 输入端 向右 输出端 传输的方向 集成运算放大器的符号 vN或v 反相输入端 信号从此端输入 vP 0 输出信号和输入信号反相 vP或v 同相输入端 信号从此端输入 vN 0 输出信号和输入信号同相 vO 输出端 图2 1 2运算放大器的代表符号 a 国家标准规定的符号 b 国内外常用符号 28 2 运算放大器的电路模型 图2 1 3运算放大器的电路模型 通常 开环电压增益Avo的 105 很高 输入电阻ri 106 很大 输出电阻ro 100 很小 vO Avo vP vN V vO V 注意输入输出的相位关系 29 2 运算放大器的电路模型 当Avo vP vN V 时vO V 当Avo vP vN V 时vO V 电压传输特性vO f vP vN 线性范围内vO Avo vP vN Avo 斜率 电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值 30 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 集成运放的工作区域 线性区域 Aod为差模开环放大倍数 非线性区域 输出电压只有两种可能的情况 UOM或 UOM UOM为输出电压的饱和电压 31 例2 2 1电路如图2 1 3所示 运放的开环电压增益Avo 2 105 输入电阻ri 0 6M 电源电压V 12V V 12V 1 试求当vo Vom 12V时输入电压的最小幅值vP vN 输入电流ii 2 画出传输特性曲线vo f vP vN 说明运放的两个区域 图2 1 3运算放大器的电路模型 32 例2 2 1电路如图2 1 3所示 运放的开环电压增益Avo 2 105 输入电阻ri 0 6M 电源电压V 12V V 12V 1 试求当vo Vom 12V时输入电压的最小幅值vP vN 输入电流ii 图2 1 3运算放大器的电路模型 解 由 当vo Vom 12V时 33 例2 2 1电路如图2 1 3所示 运放的开环电压增益Avo 2 105 输入电阻ri 0 6M 电源电压V 12V V 12V 2 画出传输特性曲线vo f vP vN 说明运放的两个区域 解 取a点 60 V 12V b点 60 V 12V 连接a b两点得ab线段 其斜率Avo 2 105 vP vN 60 V 则运放进入非线性区 运放的电压传输特性如图所示 34 2 2理想运算放大器 1 vo的饱和极限值等于运放的电源电压V 和V 2 运放的开环电压增益很高若 vP vN 0则vO Vom V 若 vP vN 0则vO Vom V 3 若V vO V 则 vP vN 0 4 输入电阻ri的阻值很高使iP 0 iN 0 5 输出电阻很小 ro 0 图2 2 1运放的简化电路模型 35 三 理想运放的非线性工作区 UOM UOM 图7 1 3集成运放的电压传输特性 36 工程上理想运放的参数 1 差模电压放大倍数Avd 实际上Avd 80dB即可 2 差模输入电阻Rid 实际上Rid比输入端外电路的电阻大2 3个量级即可 3 输出电阻Ro 0 实际上Ro比输入端外电路的电阻小1 2个量级即可 37 1 虚短 vp vn 或vid vp vn 0 由于运放的电压放大倍数很大 一般都在80dB以上 而运放的输出电压是有限的 一般在10V 14V 因此运放的差模输入电压不足1mV 两输入端近似等电位 相当于 短路 开环电压放大倍数越大 两输入端的电位越接近相等 虚短 是指在分析运算放大器处于线性状态时 可把两输入端视为等电位 这一特性称为虚假短路 简称虚短 显然不能将两输入端真正短路 理想运算放大器的特性 38 2 虚断 ip in vp vn ri 0 由于运放的差模输入电阻很大 一般都在1M 以上 因此流入运放输入端的电流往往不足1 A 远小于输入端外电路的电流 故通常可把运放的两输入端视为开路 且输入电阻越大 两输入端越接近开路 虚断 是指在分析运放处于线性状态时 可以把两输入端视为等效开路 这一特性称为虚假开路 简称虚断 显然不能将两输入端真正断路 39 理想运放工作在线性区的几个重要法则 2 Ii Ii 0虚断 1 V V 虚短 集成运放工作在线性区时有 又 即 输入偏流 虚短和虚断 40 理想运放工作在非线性区的特点 2 Ii Ii 0虚断仍然成立 1 只要输入电压V 与V 不相等 输出电压就饱和 即有 对理想运算放大器 V V 是正负两种饱和状态的转换点 41 综上所述 在分析具体的集成运放应用电路时 可将集成运放按理想运放对待 根据理想运放分别工作在线性区或者非线性区的特点来分析电路的工作原理 一般来说集成运放引入深度负反馈时 工作在线性区 集成运放引入正反馈或开环状态时 工作在非线性区 42 2 3基本线性运放电路 2 3 1同相放大电路 2 3 2反相放大电路 43 2 3 1同相放大电路 a 电路图 b 小信号电路模型图2 3 1同相放大电路 1 基本电路 44 2 3 1同相放大电路 2 负反馈的基本概念 反馈 将放大电路输出量 通过某种方式送回到输入回路的过程 瞬时电位变化极性 某时刻电位的斜率 电路有vo Avo vp vn 引入反馈后 vn 0 vp vi 不变 vp vn vo 使输出减小了 增益Av vo vi下降了 这时的反馈称为负反馈 45 4 4 2射极偏置电路 1 稳定工作点原理 目标 温度变化时 使IC维持恒定 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现静态工作点的稳定 T IC IE VE VB不变 VBE IB 反馈控制 1 基极分压式射极偏置电路 a 原理电路 b 直流通路 46 2 3 1同相放大电路 3 虚假短路 图中输出通过负反馈的作用 使vn自动地跟踪vp 即vp vn 或vid vp vn 0 这种现象称为虚假短路 简称虚短 由于运放的输入电阻ri很大 所以 运放两输入端之间的ip in vp vn ri 0 这种现象称为虚断 由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念 是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器 必须熟练掌握 47 2 3 1同相放大电路 4 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vp vn ip in 0 所以 可作为公式直接使用 48 2 3 1同相放大电路 4 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻Ri 输入电阻定义 根据虚短和虚断有vi vp ii ip 0 所以 3 输出电阻Ro Ro 0 特点 输入电阻高 输出电阻小 带负载能力强V V Vi 所以共模输入等于输入信号 对运放的共模抑制比要求高 49 2 3 1同相放大电路 5 电压跟随器 根据虚短和虚断有 vo vn vp vi 可作为公式直接使用 输入电阻大输出电阻小 能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小 50 电压跟随器的作用 无电压跟随器时负载上得到的电压 电压跟随器时 ip 0 vp vs 根据虚短和虚断有 vo vn vp vs 51 2 3 2反相放大电路 a 电路图 b 由虚短引出虚地vn 0图2 3 5反相放大电路 1 基本电路 52 2 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vn vp 0 ii 0 所以i1 i2 即 可作为公式直接使用 2 3 2反相放大电路 特点 反相端为虚地 所以共模输入可视为0 对运放共模抑制比要求低输出电阻小 带负载能力强要求放大倍数较大时 反馈电阻阻值高 稳定性差 如果要求放大倍数100 R1 100K Rf 10M 53 2 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro Ro 0 2 3 2反相放大电路 54 当R2 R3时 1 试证明Vs R3R1 R2 Im 解 1 根据虚断有I1 0 所以I2 Is Vs R1 例2 3 3直流毫伏表电路 2 R1 R2 150k R3 1k 输入信号电压Vs 100mV时 通过毫伏表的最大电流Im max 又根据虚短有Vp Vn 0 R2和R3相当于并联 所以 I2R2 R3 I2 Im 所以 当R2 R3时 Vs R3R1 R2 Im 2 代入数据计算即可 55 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2 4 1求差电路 2 4 2仪用放大器 2 4 3求和电路 2 4 4积分电路和微分电路 56 2 4 1求差电路 从结构上看 它是反相输入和同相输入相结合的放大电路 当 则 若继续有 则 根据虚短 虚断和N P点的KCL得 57 2 4 1求差电路 从放大器角度看 时 增益为 该电路也称为差分电路或减法电路 58 2 4 1求差电路 一种高输入电阻的差分电路 59 2 4 2仪用放大器 60 2 4 3求和电路 根据虚短 虚断和N点的KCL得 若 则有 该电路也称为加法电路 61 2 4 3求和电路的进一步讨论 8 1 1求和电路 虚短 虚断 特点 调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 称为支路增益 一般 1 1 反相求和电路 62 2 4 4积分电路和微分电路 1 积分电路 式中 负号表示vO与vI在相位上是相反的 根据 虚短 得 根据 虚断 得 因此 积分运算 即 63 2 4 4积分电路和微分电路 1 积分电路 根据 虚短 得 根据 虚断 得 因此 即 又 即 64 2 4 4积分电路和微分电路 当vI为阶跃电压时 有 vO与t成线性关系 1 积分电路 65 积分电路的用途 将方波变为三角波 66 积分电路的用途 将三角波变为正弦波 67 积分电路的用途 可见 输出电压的相位比输入电压的相位领先90 因此 此时积分电路的作用是移相 图7 2 17 68 2 4 4积分电路和微分电路 2 微分电路 根据 虚短 得 根据 虚断 得 因此 即 69 若输入 则 高频信号将产生较大的噪声 70 Auo越大 运放的线性范围越小 必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 71 3 1半导体的基本知识 3 3二极管 3 4二极管基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 2PN结的形成及特性 3半导体二极管及基本电路 72 3 1半导体的基本知识 3 1 1半导体材料 3 1 2半导体的共价键结构 3 1 3本征半导体的导电作用 3 1 4杂质半导体 73 导体 conductor 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 semiconductor 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 insulator 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 3 1 1半导体材料 74 3 1 1半导体材料 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 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 75 3 1 2半导体的共价键结构 动画演示 76 3 1 2半导体的共价键结构 硅和锗的共价键 covalentbond 结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 动画演示 77 3 1 3本征半导体的导电作用 1 本征半导体 intrinsicorpureinsulator 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 78 3 1 3本征半导体的导电作用 2 载流子 自由电子和空穴 carrier freeelectronsandholes 自由电子 空穴 束缚电子 动画演示 79 3 1 3本征半导体的导电作用 3 载流子的产生与复合 本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 动画演示 80 3 1 4杂质半导体 1 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 动画演示 81 3 1 4杂质半导体 2 N型半导体 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子是什么 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 动画演示 82 3 2PN结的形成及特性 3 2 1载流子的漂移与扩散 3 2 2PN结的形成 3 2 3PN结的单向导电性 3 2 4PN结的反向击穿 3 2 5PN结的电容效应 83 3 2 2PN结的形成 P型半导体 N型半导体 扩散 diffusion 的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移 drift 运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 空间电荷区 也称耗尽层 84 3 2 2PN结的形成 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 动画演示 85 3 2 2PN结的形成 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 86 3 2 3PN结的单向导电性 PN结 PNjunction 正向偏置 内电场减弱 使扩散加强 扩散 飘移 正向电流大 P N 动画演示 87 3 2 3PN结的单向导电性 PN结 PNjunction 反向偏置 N P 内电场加强 使扩散停止 有少量飘移 反向电流很小 反向饱和电流很小 A级 动画演示 88 3 2 4PN结的反向击穿 电击穿 可逆 热击穿 不可逆 击穿 雪崩击穿 avalanchebreakdown 碰撞 载流子倍增效应 齐纳击穿 zenerbreakdown 局部电场增强 分离 整流二极管雪崩击穿 多数 稳压二极管齐纳击穿 多数 击穿 89 3 2 5PN结的电容效应 PN结的两种电容效应 扩散电容CD和势垒电容CB PN结处于正向偏置时 多子的扩散导致在P区 N区 靠近结的边缘有高于正常情况的电子 空穴 浓度 这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻域 PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能 1 扩散电容 90 3 2 5PN结的电容效应 PN结反向偏置时 载流子数目很少 扩散电容可忽略 1 扩散电容 91 3 2 5PN结的电容效应 势垒区是积累空间电荷的区域 当反向偏置电压变化时 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化 2 势垒电容 类似于平板电容器两极板上电荷的变化 92 3 2 5PN结的电容效应 PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映 在高频运用时 须考虑PN结电容的影响 PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关 正偏时 结电容较大 主要决定于扩散电容 反偏时 结电容较小 主要决定于势垒电容 93 3 3二极管 3 3 1半导体二极管的结构 3 3 2二极管的伏安特性 3 3 3二极管的参数 94 3 3 1半导体二极管的结构 半导体二极管 diodeinsulator 图片 95 3 3 1半导体二极管的结构 半导体二极管 diodeinsulator 图片 96 3 3 1半导体二极管的结构 半导体二极管 diodeinsulator 图片 97 3 3 1半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 1 点接触型二极管 a 点接触型 二极管的结构示意图 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 98 3 3 1半导体二极管的结构 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 99 3 平面型二极管 c 平面型 4 二极管的代表符号 symbol anodecathode 3 3 1半导体二极管的结构 往往用于集成电路制造艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 100 3 3 2PN结的伏安特性 正向特性 反向特性 反向击穿特性 二极管的伏安特性 volt amperecharacteristic 曲线的表示式 硅二极管2CP10的V I特性 101 3 3 3二极管的参数 1 最大整流电流IF 二极管长期运行时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 反向击穿电压VBR 二极管反向击穿时的电压值 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半 3 反向电流IR 指管子未击穿时的反向电流 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 102 2 3 3二极管的参数 4 二极管的极间电容 parasiticcapacitance 二极管的两极之间有电容 此电容由两部分组成 势垒电容 barrier depletion capacitance CB和扩散电容 diffusioncapacitance CD 势垒电容 势垒区是积累空间电荷的区域 当电压变化时 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化 这样所表现出的电容是势垒电容 103 2 3 3二极管的参数 4 二极管的极间电容 扩散电容 为了形成正向电流 扩散电流 注入P区的少子 电子 在P区有浓度差 越靠近PN结浓度越大 即在P区有电子的积累 同理 在N区有空穴的积累 正向电流大 积累的电荷多 这样所产生的电容就是扩散电容CD CB在高频和反向偏置时明显 CD在正向偏置时明显 104 3 3 3二极管的参数 5 微变电阻rD vD rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻 105 3 4二极管基本电路及其分析方法 3 4 1简单二极管电路的图解分析方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 106 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 理想模型 idealdiode 当电源电压远比二极管的管压降大时 利用此模型作近似分析 107 2 恒压降模型 offsetmodel 二极管导通后 认为其压降是恒定的 典型值为0 7V 只有当二极管的电流大于等于1mA时 才是正确的 vD iD 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 108 3 折线模型 piecewiselineardiodemodel 认为其压降不是恒定的 而是随着二极管电流的增加而增加 用一个电池与一个电阻的串联来进一步的近似 rD近似为200 vD iD Vth 0 5V 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 109 4 小信号模型 smallsignalmodel 当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作 可以把伏安特性看出一条直线 小信号模型的微变等效电阻rd 26 mv ID vD iD vD iD 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 110 应用举例 1 整流电路 二极管当作理想元件处理 即二极管的正向导通电阻为零 忽略二极管正向压降 反向电阻为无穷大 D R vO vs vs vO 111 应用举例 2 二极管的静态工作情况分析 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 112 3 限幅电路 应用举例 有一限幅电路如图所示 R 1k VREF 3V 二极管为硅二极管 分别用理想模型和恒压降模型求解一下两问 vI 0V 4V 6V时 求相应的输出电压vO的值 当vI sinwt V 时 绘出相应的输出电压波形 113 4 开关电路 应用举例 5V vI1 vI2 VCC 4 7k vO 5 低电压稳压电路 114 6 小信号工作情况分析 应用举例 求 vD iD vi 0 1sin tV VDD 5V 叠加原理 115 3 5特殊体二极管 3 5 1齐纳二极管 3 5 2变容二极管 3 5 4光电子器件 1 光电二极管 2 发光二极管 3 激光二极管 116 3 5 1齐纳二极管 vZ V iZ mA IZ VZ 稳压误差 曲线越陡 电压越定 VZ 动态电阻 rz越小 稳压性能越好 117 4 稳定电流IZ 最大 最小稳定电流Izmax Izmin 5 最大允许功耗 稳压管 zenerdiode 的参数 1 稳定电压VZ 3 动态电阻 3 5 1齐纳二极管 118 稳压管稳压电路 3 5 1齐纳二极管 119 小结 PN结的形成及特性 二极管应用电路的分析与计算 稳压电路的设计原则 120 第四章双极型三极管及放大电路基础 4 1半导体三极管 BJT 双结晶体管 4 2共射极放大电路 4 3放大电路分析方法 4 4放大电路的稳定工作点问题 4 5共集电极和共基极放大电路 4 7放大电路的频率特性 4 6组合放大电路 第4章半导体三极管及放大电路基础 按频率 高频管 低频管 按功率 按材料 小 中 大功率管 硅管 锗管 按类型 NPN型 PNP型 半导体三极管 是具有电流放大功能的元件 三极管分类 4 1半导体三极管 BJT 双结晶体管 4 1 1基本结构 NPN型 NPN型三极管符号 PNP型三极管符号 发射极箭头表示 当发射结正偏时 电流的流向 发射极 集电极 基极 集电极电流 发射极电流 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 发射结Je 集电结Jc 集电区 面积最大 问题 c e两极可否互换 BJT结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 管芯结构剖面图 BJT结构剖面图 三极管的基本接法 共集电极接法 c作为公共端 b为输入端 e为输出端 共基极接法 b作为公共端 e为输入端 c为输出端 共发射极接法 e作为公共端 b为输入端 c为输出端 4 1 2BJT的电流分配和放大原理 在三极管内部 发射结正偏 集电结反偏 PNP管发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB即VC VB VE 1 三极管放大的条件 从外部的电位看 NPN管发射结正偏 VB VE EB来实现 集电结反偏 VC VB EC来实现 即VC VB VE 共射放大电路组成 4 1 2BJT的电流分配与放大原理 2 内部载流子的传输过程 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下 通过载流子传输体现出来的 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 发射区 发射载流子 以上看出 三极管内有两种载流子 自由电子和空穴 参与导电 故称为双极型三极管 或BJT BipolarJunctionTransistor 以NPN为例 放大状态下BJT中载流子的传输过程 集电区 收集载流子 基区 传送和控制载流子 IE IB IC 为电流放大系数 它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关 与外加电压无关 一般 1 几十 3 三极管电流分配关系 IE IC IB 3 4 2 1 4 三极管的电流分配关系总结 5 电流放大系数 发射极是输入回路 输出回路的公共端 1 共发射极电路 输入回路 输出回路 IC VBB mA A VCE VBE RB IB VCC 注意 T的类型与VBE IB VCE IC极性 e b c 4 1 3BJT的特性曲线 vCE 0V iB f vBE vCE 常数 1 当vCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 以共射极放大电路为例 1 输入特性曲线 2 当vCE 1V时 vCB vCE vBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 同样的vBE下IB减小 特性曲线右移 3 输入特性曲线的三个部分 死区 非线性区 线性区 结论 整体是非线性的 局部可看作是线性的 2 输出特性 IB 0 20 A 放大区 输出特性曲线通常分三个工作区 1 放大区 在放大区有iC iB 也称为线性区 具有恒流特性 在放大区 发射结处于正向偏置 集电结处于反向偏置 晶体管工作于放大状态 b c e RL 2 截止区 iB 0以下区域为截止区 有iC ICEO 0 在截止区发射结Je处于反向偏置 集电结Jc处于反向偏置 晶体管工作于截止状态 饱和区 截止区 3 饱和区 当vCE vBE时 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 IB IC 发射结处于正向偏置 集电结也处于正偏 深度饱和时 硅管vCES 0 3V 锗管vCES 0 1V VCES 放大区 Je正偏 Jc反偏 IC IB 且 iC iB VC VB VE 2 饱和区 Je正偏 Jc正偏 即vCE vBE vCE 0 3V iC iB 3 截止区 Je反偏或零偏 VBE Vth 0 iB 0 iC ICEO 0 输出特性三个区域的特点 测量三极管三个电极对地电位 试判断三极管的工作状态 放大Vc Vb Ve 放大Vc Vb Ve 例1 若将3 3V改为3 7V呢 例2 图中已标出各硅晶体管电极的电位 判断晶体管的状态 VBE 0 7 V Je正偏 VCE 5V Jc反偏 PNP管为放大状态 放大 饱和 截止 4 1 4主要参数 1 电流放大系数 直流电流放大系数定义 交流电流放大系数定义 当晶体管接成发射极电路时 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数 晶体管的参数也是设计电路 选用晶体管的依据 注意 和 的含义不同 但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下 两者数值接近 常用晶体管的 值在20 200之间 Q1 Q2 在Q1点 有 由Q1和Q2点 得 例 三极管输出特性如图 在VCE 6V时 在Q1点IB 40 A IC 1 5mA 在Q2点IB 60 A IC 2 3mA 求和 1 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流 受温度的影响大 温度 ICBO 2 集 射极反向截止电流 穿透电流 ICEO ICEO受温度的影响大 温度 ICEO 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 2 极间反向电流 1 集电极最大允许电流ICM 2 集 射极反向击穿电压U BR CEO 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 3 集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于三极管允许的温升 消耗功率过大 温升过高会烧坏三极管 PC PCM ICUCE 硅管允许结温约为150 C 锗管约为70 90 C 3 极限参数 ICUCE PCM 安全工作区 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 1 对于硅三极管来说其死区电压约为 A 0 1VB 0 5VC 0 7V 课后自测题 2 锗三极管的导通压UBE约为 A 0 1VB 0 3VC 0 5V 3 测得三极管三个电极的静态电流分别为0 06mA 3 66mA和3 6mA 则该管的为 A 40B 50C 60 4 三极管能够放大的外部条件是 A 发射结正偏 集电结正偏B 发射结反偏 集电结反偏C 发射结正偏 集电结反偏 课后自测题 5 当三极管工作于饱和状态时 其 A 发射结正偏 集电结正偏B 发射结反偏 集电结反偏C 发射结正偏 集电结反偏 6 反向饱和电流越小 三极管的稳定性能 A 越好B 越差C 无变化 7 与锗三极管相比 硅三极管的温度稳定性能 A 高B 低C 一样 8 温度升高 三极管的电流放大系数 A 增大B 减小C 不变 课后自测题 9 温度升高 三极管的管压降 UBE A 升高B 降低C 不变 10 对PNP型三极管来说 当其工作于放大状态时 极的电位最低 A 发射极B 基极C 集电极 11 测得三极管三个电极对地的电压分别为 2V 8V 2 2V 则该管为 A NPN型锗管B PNP型锗管C PNP型硅管 12 测得三极管三个电极对地的电压分别为2V 6V 2 2V 则该管 A 处于饱和状态B 放大状态C 截止状态D 已损坏 输入电阻 输出电阻 电压放大模型 电流放大模型 1 2 1什么叫信号放大 1 2 2放大电路模型 1 2 3 放大电路的主要性能指标 增益 放大倍数 互阻放大模型 互导放大模型 频率响应及带宽 非线性失真 1 2放大电路的基本知识 基本放大电路组成框图 基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路 放大电路有几个部分组成 共发射极 共集电极 共基极 信号源 放大电路 负载 当RL 时 称为开路 负载可以是电阻 也可以是电路等 1 放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号 输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大 输出信号的能量得到了加强 2 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的 只是经过三极管的控制 使之转换成信号能量 提供给负载 因此对于能量来说只是控制和转换 不是放大 信号放大的概念 电压增益 电压放大倍数 电流增益 互阻增益 互导增益 放大的四种类型 放大电路是一个双口网络 从端口特性来研究放大电路 可将其等效成具有某种端口特性的等效电路 输入端口可以等效为一个输入电阻 输出端口可以等效为一个输出电阻 1 2 2放大电路模型 绪论内容 放大电路模型 负载开路时的电压增益 由输出回路得 则电压增益为 1 电压放大电路的几种增益 输入电阻 输出电阻 放大电路模型 关心输出电流与输入电流的关系 电流放大电路模型 由可见 Ri是反映放大电路对信号源衰减的重要参数 Ri应尽量大一些 利用电压Vi和Vs求Ri 2 输入电阻 定义 注意 输入 输出电阻为交流电阻 由可见Ro是描述放大电路带负载能力的重要参数 Ro应尽量小一点 3 输出电阻 利用测得电压V o和Vo 求Ro V o Vo Ro Vo RL 空载 反映放大电路在输入信号控制下 将电源能量转换为输出信号能量的能力 甲放大电路的增益为20倍 和 乙放大电路的增益为20dB 问哪个电路的增益大 四种增益 3 对数增益 放大倍数用分贝值表示 A 频率响应及带宽 电压增益可表示为 在输入正弦信号情况下 输出随输入信号频率连续变化的稳态响应 称为放大电路的频率响应 或写为 其中 4 频率响应及带宽 频域指标 其中 普通音响系统放大电路的幅频响应 高频区 中频区 低频区 4 频率响应及带宽 频域指标 由元器件非线性特性引起的信号波形失真 5 非线性失真 削底 削顶 6 书中有关符号的约定 大写字母 大写下标表示直流量 如 VCE IC等 小写字母 大写下标表示总量 含交 直流 如 vCE iB等 小写字母 小写下标表示纯交流量 如 vce ib等 上方有圆点的大写字母 小写下标表示相量 如 等 电路组成 简化电路及习惯画法 简单工作原理 放大电路的静态和动态 直流通路和交流通路 4 2共射极放大电路 输入回路 基极回路 输出回路 集电极回路 基极直流电源EB集电极直流电源EC 隔直耦合电容 Cb1 Cb2 基极电阻Rb 集电极电阻Rc 1 电路组成 输入电压ui 输出电压uo 作用 保证T的放大条件 隔离直流 传递交流 交流信号是工作对象 调节电流 转换信号形式 习惯画法 共射极基本放大电路 2 简化电路及习惯画法 vi 0 vi Vsin t 3 放大工作原理 静态 输入信号为零 vi 0或ii 0 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 动态 输入信号不为零时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 电路处于静态时 三极管个电极的电压 电流在特性曲线上确定为一点 称为静态工作点 常称为Q点 一般用IB IC 和VCE 或IBQ ICQ 和VCEQ 表示 4 放大电路的静态和动态 直流通路 交流通路画法 将直流电源和耦合电容看作短路 5 直流通路和交流通路 直流通路画法 直流不通的元件去掉 直流通路 直流流经的路径 交流通路 交流流经的路径 交通画法要领 抓住T的三极 注意电阻变动 直流电路 交流电路都是电路的组成部分 在电路中是一个整体 只是要在概念上要能区分开来 6 放大电路的组成条件 1 晶体管必须工作在放大区 故发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置合适的静态工作点 避免信号出现非线性失真 3 输入回路能将变化的电压转化成变化的基极电流 4 输出回路可将变化的输出电流转化成相应的输出电压 传输给负载 参阅P 186习题4 2 1 根据放大电路的组成原则 在下图所示各电路中只有图 具备放大条件 例题 检查方法 先查直流条件 再查交流信号通路 直流不通 交流短路 直流不通 直流电源极性接反 分析电路注意区别交直流 集电极电流 直流分量 交流分量 动态分析 静态分析 分析时须将电流和电压的直流分量和交流分量分开 对直流量用直流通路 求静态工作点Q 对交流量用交流通路 求电压放大倍数 输入和输出电阻等 直流是工作基础 交流是工作对象 实际是二者一体 分析要一分为二 用近似估算法求静态工作点 用图解分析法确定静态工作点 交流通路及交流负载线 输入交流信号时的图解分析 BJT的三个工作区 1 静态工作情况分析 2 动态工作情况分析 4 3放大电路分析方法 图解分析法 小信号模型分析法 分析方法 4 3 1图解分析法 3 静态工作点对vo波形的影响 共射极放大电路 用近似估算法求静态工作点 根据直流通路可知 该方法为常用方法 必须熟练掌握 但需已知 值 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V 4 3 1图解分析法 1 静态工作情况分析 IB IC VCE三个数值即决定了静态工作点Q IB IC 采用该方法分析静态工作点 须给定三极管的输入 输出特性曲线 用图解分析法确定静态工作点 首先 画出直流通路 1 静态工作情况分析 列输入回路方程 输入直流负载线 VBE VCC IBRb 列输出回路方程 输出直流负载线 VCE VCC ICRc 在输入特性曲线上 作出直线vBE VCC iBRb 两线的交点即是Q点 得到IBQ 在输出特性曲线上 作出直流负载线vCE VCC iCRc与IBQ曲线的交点即为Q点 从而得到VCEQ和ICQ 由交流通路得交流负载线 共射极放大电路 vce ic Rc RL 因为交流负载线必过Q点 即vce vCE VCEQic iC ICQ同时 令R L Rc RL 交流通路及交流负载线 2 动态工作情况分析 2 输入交流信号时的图解分析 3 3 2动态工作情况分析 共射极放大电路 2 vo与vi相位相反 3 可以测量出放大电路的电压放大倍数 4 可以确定最大不失真输出幅度 通过图解分析 可得如下结论 1 vi vBE iB iC vCE vo 2 动态工作情况的图解分析 共射极放大电路中的电压 电流波形 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 截止区特点 iB 0 iC ICEO vCE VCES 典型值为0 3V 3 BJT的三个工作区 放大区特点 iC iB iC与iB成线性关系 故又称线性区 当工作点进入饱和区或截止区时 信号将产生非线性失真 饱和失真 截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真 对于NPN管 输出电压表现为底部失真 注意 对于PNP管 由于是负电源供电 失真的表现形式 与NPN管正好相反 放大区是否为绝对的线性区 波形的失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真 对于NPN管 输出电压表现为顶部失真 静态工作点偏低引起的 4 工作点不合适引起vo的失真 共射NPN 截止失真 vO被削顶 截止失真 共射 NPN 饱和失真 vO被铲底 饱和失真 工作点偏高引起饱和失真 最大不失真输出电压 VOmax以小的一边为准 放大电路如图所示 已知BJT的 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 忽略BJT的饱和压降 解 1 2 当Rb 100k时 静态工作点为Q 40uA 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 其最小值也只能为0 即IC的最大电流为 所以BJT工作在饱和区 VCE不可能为负值 例题 IC IB 0VCE 1V 1 图 b 示出了图 a 固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交 直流负载线 试求输出电压的最大不失真幅度为 A 1VB 1 6VC 2VD 2 4V 2 若想得到最大的不失真输出电压 VCEQ VCES 无RL 2 4V有RL 1 5V VCEQ VCES ICQR L 课堂练习题 3 如图所给电路及vi和vo的波形 问出现的是什么失真 如改变直流电源极性和三极管类型 但vi和vo的波形不变 则出现的是什么失真 若改为共射或共集放大电路 vi和vo的波形还是如此 则出现的又是什么失真 课堂练习题 5 图解法的适用范围 形象直观 适应于Q点分析 失真分析 最大不失真输出电压的分析 能够用于大信号分析 不易准确求解 不能求解输入电阻 输出电阻 频带等等参数 6 判断三极管工作状态小结 根据直流电位判别 对于NPN管 当VC VB VE T为放大状态 对于PNP管 当VC VB VE T为放大状态 根据电流判别 3 根据Q点的位置判别 0 IB IBS T为放大状态 IB IBS T为饱和状态 参阅习题4 2 2 Q点变化过程中始终处在放大区 1BJT的小信号建模 2共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出 H参数小信号模型 模型的简化 H参数的确定 意义 思路 利用直流通路求Q点 画小信号等效电路 求放大电路动态指标 4 3 2小信号模型分析法 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 建立小信号模型 就是将非线性器件做线性化处理 从而简化放大电路的分析和设计 1 BJT的小信号建模 H参数的引出 在小信号情况下 对上两式取全微分得 用小信号交流分量表示 vbe hieib hrevce ic hfeib hoevce 对于BJT双口网络 已知输入输出特性曲线如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 可以写成 BJT双口网络 1 BJT的H参数及小信号模型 三极管可以用一个模型 只适用交流小信号条件下 来代替 H参数模型 对于低频模型可以不考虑结电容的影响 小信号意味着三极管在线性条件下工作 微变也具有同样的含义 2 BJT的小信号模型引出 即rbe hie hfeur hrerce 1 hoe 一般采用习惯符号 则BJT的H参数模型为 ur很小 一般为10 3 10 4 rce很大 约为100k 故一般可忽略它们的影响 得到简化电路 ib是受控源 且为电流控制电流源 CCCS 电流方向与ib的方向是关联的