电工电子技术——第04章-2010.ppt

第4章 半导体电路基础 教学基本要求 理解PN结的单向导电性 了解二极管 稳压管 三极管和MOS场效应管的基本构造 工作原理和主要特性曲线 理解主要参数的意义 分析含有二极管的电路 理解基本放大电路的构成与工作原理 并能进行静态与动态分析 掌握微变等效电路的绘制和分析方法 理解功率放大的概念 了解常见功率放大电路的形式与分析方法 理解负反馈的概念 理解负反馈对放大电路性能的影响 了解反馈类别的判别 主要内容 二极管及应用电路三极管及放大电路场效应管放大电路多级放大电路负反馈放大电路差分放大器本章小结 二极管及应用电路 半导体基本知识半导体二极管二极管的应用 本征半导体 1 导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体 最常用的半导体为硅 Si 和锗 Ge Si Ge 本征半导体 2 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管等 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 本征半导体 3 特点是 原子核最外层的价电子是四个 是四价元素 它们排列成非常整齐的晶格结构 所以半导体又称为晶体 本征半导体 化学成分纯净的半导体 物理结构上呈单晶体形态 本征半导体 4 电子空穴对 由热激发而产生的自由电子和空穴对 自由电子 空穴 价电子 本征半导体 5 价电子与共价键 在本征半导体的晶体结构中 每一个原子与相邻的四个原于结合 每一原子的 个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对 这对价电子是每两个相邻原子共有的 它们把相邻的原子结合在一起 构成所谓共价键的结构 共价键 本征半导体 6 硅原子 共价键 价电子 价电子受到激发 形成自由电子并留下空穴 半导体中的自由电子和空穴都能参与导电 半导体具有两种载流子 自由电子和空穴同时产生 空穴 本征半导体 7 在价电子成为自由电子的同时 在它原来的位置上就出现一个空位 称为空穴 空穴表示该位置缺少一个电子 丢失电子的原子显正电 称为正离子 自由电子又可以回到空穴的位置上 使离子恢复中性 这个过程叫复合 硅原子 共价键 价电子 自由电子与空穴的产生与复合 杂质半导体 如果在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 这将使掺杂后的半导体 杂质半导体 的导电性能大大增强 N型半导体P型半导体 N型半导体 1 在硅或锗晶体中掺入磷 或其它五价元素 在这种半导体中形成了大量自由电子 这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N型半导体 N型 P 多余电子 P 特点 在N型半导体中电子是多数载流子 空穴是少数载流子 室温情况下 当磷掺杂量在10 6量级时 电子载流子数目将增加几十万倍 P型半导体 1 在硅或锗晶体中渗入硼 或其它三价元素 在半导体中形成了大量空穴 这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或P型半导体 P型 B B 空穴 掺硼的半导体中 空穴为多数载流子 自由电子是少数载流子 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体 一般情况下 掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的1010倍或更多 电子载流子数目将增加几十万倍 不论是N型半导体还是P型半导体 都只有一种多数载流子 然而整个半导体晶体仍是电中性的 思考题1 N型半导体中的自由电子多于空穴 P型半导体中的空穴多于自由电子 是否N型半导体带负电 P型半导体带正电 PN结及其单向导电性 1 载流子在电场作用下的漂移运动 在电场作用下载流子的运动称为漂移运动 由漂移运动产生的电流为漂移电流 PN结及其单向导电性 2 如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异 那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散 P N 自由电子 空穴 扩散 扩散 由于浓度差引起的载流子运动为扩散运动 相应产生的电流为扩散电流 PN结及其单向导电性 3 空间电荷区 P区 N区 内电场 1 多数载流子的扩散运动将形成耗尽层 2 耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区 内电场 3 内电场阻碍了多子的继续扩散 PN结及其单向导电性 4 PN结的形成 对进入空间电荷区的少子 内建电场又将其驱动到对面 漂移运动 在一定温度下 达到动态平衡 形成所谓PN结 这时的扩散电流等于漂移电流 PN结中没有净电流流动 漂移 漂移 空间电荷区的叫法很多 有叫耗尽区的 也有叫阻挡层的 扩散与漂移的动态平衡形成了PN结 PN结及其单向导电性 5 当外加电场加入后 如果外电场方向与内电场方向一致 即 外加电压正端接N区 负端接P区 PN结加反向偏压 不导电 截止 内建电场得到加强 空间电荷区加宽 载流子更难通过 因而不能导电 截止 PN结及其单向导电性 6 当外电场方向与内电场方向相反 即 外加电压正端接P区 负端接N区 PN结加正向偏压 导电 导通 内建电场受到削弱 空间电荷区变窄 载流子易于通过 因而产生导电现象 导通 这种只有一种方向导电的现象称为PN结的单向导电性 半导体二极管 二极管的电路符号与基本结构二极管的伏安特性二极管的电路模型二极管的主要参数 二极管的电路符号与基本结构 1 电路符号如图 阳极 阴极 D 二极管电路符号 根据PN结的单向导电性 二极管只有当阳极电位高于阴极电位时 才能按箭头方向导通电流 符号箭头指示方向为正 色点则表示该端为正极 为了防止使用时极性接错 管壳上标有 符号或色点 二极管的电路符号与基本结构 2 点接触型 面接触型 二极管的电路符号与基本结构 3 二极管的电路符号与基本结构 4 二极管的电路符号与基本结构 5 二极管的伏安特性 1 二极管的伏安特性曲线如图所示 正向导通 0 5 锗 硅 0 2 死区 对应于二极管开始导通时的外加电压称为 死区电压 锗管约为0 2V 硅管约0 5V 二极管的伏安特性 2 正向导通 反向截止 击穿 0 5 锗 硅 0 2 反向饱和电流 外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流 称为反向饱和电流或漏电流 该电流受温度影响很大 击穿特性 外加反向电压超过某一数值时 反向电流会突然增大 这种现象称为击穿 击穿时 二极管失去单向导电性 对应的电压称为击穿电压 二极管的伏安特性 3 利用MultiSim测试二极管伏安特性 二极管的电路模型 1 1 理想二极管的电路模型 导通电压UD与二极管材料有关 硅管为0 6 0 7V 锗管为0 2 0 3V 2 考虑导通电压的二极管模型 UD 二极管的电路模型 2 3 考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型 以动态电阻rD表示曲线的斜率 UD 二极管的电路模型 3 1 限幅电路 输入电压为一正弦波 电池电压 E 4V 4 截止 截止 导通 导通 如果考虑二极管导通电压 则此时输出电压应为4 7V 当输入电压小于电池电压时 二极管两端电压处于反向偏置 截止 没有电流流过 所以输出电压跟随输入电压变化 当输入电压大于电池电压时 二极管两端电压处于正向偏置 导通 二极管两端电压为0 所以输出电压与电池电压相同 为4V 二极管的电路模型 4 2 或门电路 假定二极管导通电压忽略不计 我们用列表的方法来分析输入信号VA VB和输出信号VF的关系 VA VB VF D2 D1 3V 3V 3V 3V 0V 0V 0V 0V 导通 导通 导通 导通 导通 导通 截止 截止 3V 0V 3V 3V 如果定义3V电平为逻辑1 0V电平为逻辑0 则 该电路实现逻辑 或 的功能 F A B 二极管的主要参数 1 最大整流电流ICM最高反向电压URM最大反向电流IRM最高工作频率fM 二极管的主要参数 2 1 最大整流电流ICM 二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流 由PN结结面积和散热条件决定 超过此值工作可能导致过热而损坏 2 最高反向工作电压URM 为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压 一般为反向击穿电压的一半 二极管的主要参数 3 3 最大反向电流IR 二极管未被击穿时 流过二极管的反向电流 此值越小 单向导电性越好 硅管优于锗管 4 最高工作频率fM 二极管维持单向导电性的最高工作频率 由于二极管中存在结电容 当频率很高时 电流可直接通过结电容 破坏二极管的单向导电性 二极管的应用 二极管的应用钳位削波隔离整流限幅特殊二极管 二极管的应用 1 例1 电路如图 求 UAB V阳 6VV阴 12V V阳 V阴二极管导通若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 6V否则 UAB低于 6V一个管压降 为 6 3 或 6 7V 解 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 二极管的应用 2 例2 如图由RC构成微分电路 当输入电压ui为矩形波时 试画出输出电压uo的波形 设uc0 U0 在这里 二极管起削波作用 削去正尖脉冲 二极管的应用 3 例3 在图示或门电路中 输入端A的电位UA 3V B的电位UB 0V 求输出端F的电位UF 电阻R接负电源 12V 解 因为A端电位比B端电位高 所以 D1优先导通 设二极管的正向压降是0 3V 则 UF 2 7V 当D1导通后 D2上加的是反向电压 所以 D2截止 D1起钳位作用 将UF钳制在2 7V D2起隔离作用 二极管的应用 4 例4在如图所示的两个电路中 已知ui 30sin tV 二极管的正向压降可忽略不计 试分别画出输出电压u0的波形 二极管的应用 5 例5 二极管电路如图 D1 D2为理想二极管 试画出 10V ui 10V范围内的电压传输特性曲线uo f ui 1 当 D1管截止 D2管导通 u0 5V 2 当 D1管截止 D2管截止 u0 ui 3 当 D1管导通 D2管截止 u0 5V 电路把超过 5V的输入信号部分限制掉 二极管的应用 6 二极管电路分析小结 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负 若V阳 V阴或UD为正 正向偏置 二极管导通若V阳 V阴或UD为负 反向偏置 二极管截止 若二极管是理想的 正向导通时正向管压降为零 反向截止时二极管相当于断开 特殊二极管 稳压二极管光敏二极管发光二极管 稳压二极管 1 1 符号 UZ IZ IZM UZ IZ 2 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 稳压二极管 3 稳压管结构和伏安特性 处于正向偏置时 特性和普通二极管相同 处于反向偏置时 如果电压较小 则二极管处于截止状态 电流近似为0 击穿时 电流迅速增大 稳压二极管处于稳压状态 1 PN结易于击穿 击穿电压比普通二极管低很多 2 PN结面积大 散热条件好 使反向击穿是可逆的 特点 稳压二极管 4 稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是 在输出直流电压时 在电路中设置一个吸收波动成分的元件 调整元件 当电源电压或负载波动时 调整元件将根据输出直流电压的变动情况 确定调整方向和大小 以保证输出的直流电压不发生变化 R是调整元件 RL是负载电阻 1 电源电压波动 2 负载变化 稳压二极管 5 要使稳压管正常工作 则其电流必须在IZ IZM之间 负载电流的变化范围为ILm ILM 电源电压波动使滤波输出电压Ui的变化范围为Uimin Uimax 限流电阻的取值范围为 R承受的最大可能电压 R承受的最小可能电压 R允许流过的最大电流 R必须流过的最小电流 如果无法由此式确定限流电阻 则稳压管稳压电路将无法满足工作要求 必须更换稳压管或采用其它形式稳压电路 稳压二极管 6 1 稳定电压UZ 2 稳定电流IZ 保证稳压管稳压性能的最小工作电流 3 最大稳定电流IZM 4 最大允许耗散功率PZM 5 动态电阻 6 电压温度系数 U 稳压管不发生热击穿的最大功率损耗 动态电阻越小稳压管稳压效果越好 稳压管受温度变化的影响系数 防止稳压管过流发生热击穿而损 光敏二极管 利用半导体的光敏特性制成的 当光线辐射于PN结时 它的反向电流随光照强度的增加而增强 所以称为光敏二极管 或光电二极管 光敏二极管的反向电流与光照度成正比 光敏二极管可以用来做为光控元件 发光二极管 发光二极管通以电流将会发出光来 它的死区电压比普通二极管高 发光强度与正向电流的大小成正比 发光二及管常用来做显示器件 发光二极管的伏安特性 三极管及放大电路 半导体三极管基本放大电路共集电极放大电路 半导体三极管 三极管的结构工作原理与伏安特性三极管的主要参数 三极管的结构 1 双极型晶体三极管 BJT 由两个PN构成 有两种类型 NPN型和PNP型 发射结 Je 集电结 Jc 基极 用B或b表示 Base 发射极 用E或e表示 Emitter 集电极 用C或c表示 Collector 发射区 集电区 基区 BJT的电路符号 常用BJT的外形 三极管的结构 2 双极型晶体三极管 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 BJT管芯结构剖面图 三极管的结构 3 最常见的结构有平面型和合金型两种 平面型都是硅管 合金型主要是锗管 BJT的工作原理伏安特性 1 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 PNP发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB NPN发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB BJT的工作原理伏安特性 2 EB RB UC 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE IB IBE ICBO IBE ICE与IBE之比称为直流电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 两者变化之比称为交流电流放大倍数 BJT的工作原理伏安特性 3 ICE与IBE之比称为直流电流放大倍数 两者变化之比称为交流电流放大倍数 BJT的工作原理伏安特性 4 BJT具有放大作用的条件 要使晶体管起放大作用 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置 具有放大作用的外部条件 放大作用的内部条件 基区很薄且掺杂浓度很低 BJT的工作原理伏安特性 5 1 输入特性曲线 输入特性曲线是指当集 射极之间的电压UCE为某一常数时 输入回路中的基极电流iB与加在基 射极间的电压uBE之间的关系曲线 BJT的工作原理伏安特性 6 1 输入特性曲线 当UCE 0 晶体管相当于两个二极管的正向并联 其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似 BJT的工作原理伏安特性 7 1 输入特性曲线 当UCE 1时 曲线仅仅右移一段距离 只要uBE不变 无论怎样增大UCE iB都基本不变 曲线基本重合 因此 通常将UCE 1的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线 BJT的工作原理伏安特性 8 2 输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时 输出电路中集电极电流iC与集 射极间的电压uCE之间的关系曲线 BJT的工作原理伏安特性 9 2 输出特性曲线 NPN IB 0 IB3 IB2 IB1 IB3 IB2 IB1 0 从输出特性上 可将三极管分为三个工作区 工作状态 截止 Cutoff 饱和 Saturation 放大 Active 截止 饱和 放大 uCE uBE BJT的工作原理伏安特性 10 1 截止区 IB 0曲线以下的区域 BJT的工作原理伏安特性 11 1 截止区 IB 0 IC IE ICEO 穿透电流 BJT的工作原理伏安特性 12 2 饱和区 条件 发射结正偏 集电结正偏 即 UBE 0 UBE UCE UC UB BJT的工作原理伏安特性 13 2 饱和区 饱和时UCE电压记为UCES 硅管UCES 0 3 0 5V 锗管UCES 0 1 0 2V 此时IB对IC失去了控制作用 管子处于饱和导通状态 BJT的工作原理伏安特性 14 3 放大区 条件 发射结正偏 集电结反偏 BJT的工作原理伏安特性 15 3 放大区 特点 UCE变化时 IC基本不变 这就是晶体管的恒流特性 改变IC的唯一途径就是改变IB 而这正是IB对IC的控制作用 IC IB 因此放大区又称为线性区 特性曲线的均匀间隔反映了晶体管电流放大作用的能力 间隔大 即 IC大 因而放大能力 也大 BJT的工作原理伏安特性 16 放大区 此时发射结正向偏置 集电结反向偏置 截止区 即截止时两个PN结都反向偏置 饱和区 饱和时 晶体管的发射结处于正偏 集电结也处于正偏 主要参数 1 晶体管参数是设计电路和选用器件的依据 电流放大系数 集 基极反向截止电流ICBO集 射极反向截止电流ICEO集电极最大允许电流ICM集 射极反向击穿电压U BR EOC集电极最大允许耗散功率PCM 主要参数 2 电流放大系数 a 直流 静态 b 交流 动态 hfe 器件手册上给出的是使用时也作为 主要参数 3 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 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 主要参数 4 集 射反向击穿电压U BR CEO 当基极开路时 加在集电极和发射极之间的最大允许电压 集 射极之间电压超过U BR CEO时 集电极电流会大幅度上升 此时 三极管被击穿而损坏 U BR CEO 集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC超过一定值时 值要下降 当 降到原来值的2 3时 对应的IC称为ICM ICM 主要参数 5 集电极最大允许耗散功率PCM 两个PN结上消耗的功率分别等于通过结的电流乘以加在结上的电压 一般集电结上消耗的功率比发射结大得多 用PCM表示 因此集电结的最高工作温度决定了三极管的最大集电极耗散功率 由U BR CEO PCM ICM共同确定三极管的安全工作区 如图所示 安全工作区 UCEIC PCM 过 损 耗 区 主要参数 6 晶体管参数与温度的关系 1 温度每增加10 C ICBO增大一倍 硅管优于锗管 2 温度每升高1 C UBE将减小 2 2 5 mV 即晶体管具有负温度系数 3 温度每升高1 C 增加0 5 1 0 基本放大电路 放大电路的组成放大电路的静态分析放大电路的动态分析放大电路的波形失真 放大电路的组成 1 信号功率小 输入 输出信号表现为电压或电流 因此 放大电路具有两个端口 信号功率增大 所谓放大 实际上是一种能量转换 即通过半导体器件的控制作用 将直流电源的能量转换为信号能量 实现信号功率的增强 转换 放大电路的组成 2 共射极放大器的组成 放大的条件是 发射结正向偏置 集电结反向偏置 放大电路的核心 与EB一起为三极管提供合适的基极电流 将集电极电流的变化转换成集射极电压的变化与EC一起为三极管提供合适的UCE 输入耦合电容 输出耦合电容 放大电路的组成 3 共射极放大器的特点 1 交流放大电路中既有直流电源 又有信号源 因此是一个交直流共存的电路 2 晶体管本身是一个非线性元件 因此 放大电路实质上是一个非线性电路 uBE UBE ui uCE UCE uce iB IB ib iC IC ic 放大电路的静态分析 1 静态分析的概念 1 静态的概念 无信号输入 电路中只有直流电源作用 2 静态等效电路 直流通路 耦合电容开路 3 静态分析的目的 确定三极管的静态工作点IB IC UCE UBE 4 静态分析的方法 图解法 近似估算法 等效电路法 放大电路的静态分析 2 放大电路静态分析的等效电路法 1 晶体管的静态等效电路 放大状态 2 放大电路静态等效电路 把输入输出回路分开处理 2 近似条件 UBE 0 7V 硅管 0 3V 锗管 放大电路的静态分析 3 放大电路静态分析的等效电路法 3 静态工作点的近似估算 4 检验三极管是否处于放大状态 问题 既然没有输入 输出信号 为什么电路还需要电压 电流 为什么要设置静态工作点 放大电路的静态分析 4 例1 已知UCC 20V RB 480k RC 6k 晶体管的 40 求放大电路的静态工作点 放大电路的动态分析 1 动态的概念 有信号输入 电路中有交流信号源作用也有直流电源作用 通常我们主要讨论交流信号的作用 动态分析的目地 确定放大电路的性能指标 u ri ro 动态分析的方法 微变等效电路法 图解法 放大电路的动态分析 2 放大电路的工作原理 uS uBE UBEQ ube VCC RB iB IBQ ib ic ib uCE UCEQ uce uo uce UCEQ VCC RCICQ iC ICQ ic uce RL RC ic ui ube 放大电路的动态分析 3 放大电路的工作原理 ib ic uce ui t t t t 0 0 0 0 反相放大 放大电路的动态分析 4 放大电路的等效电路 UC2 UCEQ 因为耦合电容容量很大 信号变化一周期电容两端电压保持恒定 UC1 UBEQ 放大电路的动态分析 5 放大电路的等效电路 非线性元件 线性电路 线性电路 由于三极管是非线性元件 因此 我们不能直接运用叠加原理来分析放大电路 但是 我们可以运用非线性特性线性化的思想 将处于放大状态的三极管用线性化模型等效来进行分析 放大电路的动态分析 6 非线性元件的线性化 输入特性的线性化 在工作点处 用切线代替输入特性 则在工作点附近输入特性与切线基本重合 由切线的斜率求得 放大电路的动态分析 7 在设置了静态工作点之后 在工作点附近的范围内 就可以用相应的切线代替直线 于是 电压和电流的增量之间就有了线性关系 所以 当电压增量 UBE按正弦量变化时 电流增量 IB也按正弦规律变化 放大电路的动态分析 8 所以 仅就交流输入电压而言 三极管的输入端可等效为 称为三极管的动态输入电阻 放大电路的动态分析 9 如果放大电路的工作点设置的低至靠近截止区 从输入特性上看 基极电流不能正比于输入电压的变化 等效电阻的关系就不能成立了 可见 放大器必须有合适的静态基极电流和电压 才能保证基极电流随基极电压的变化而正比的变化 放大电路的动态分析 10 输出特性的线性化处理 输出特性近似水平直线 即 当电压uce发生变化时 电流ic近似不变 即近似具有恒流特性 三极管的输出端可用一个受控电流源来等效 放大电路的动态分析 11 rce很大 用开路代替 放大电路的动态分析 12 放大电路的交流通路和微变等效电路 令直流电源为零 将三极管用线性等效模型代替 线性电路 放大电路的动态分析 13 放大电路 放大电路的动态分析 放大电路的动态分析 14 源电压放大倍数 可见 输入电阻越大 从电源获取信号的能力越强 输出电阻越小 放大器代负载的能力越强 放大电路的动态分析 15 1 静态工作点分析 说明晶体管确实工作在放大区 例 对放大电路进行分析计算 放大电路的动态分析 16 2 动态分析 画出小信号等效电路 输入电阻 输出电阻 电压放大倍数 源电压放大倍数 放大电路的动态分析 17 例2 图示电路 PNP管的参数为 100 1 欲使静态工作点集电极电流为1mA RB 2 计算放大电路的电压放大倍数 静态分析 根据要求 集电极静态电流为1mA 因此 放大电路的动态分析 18 动态分析 画出放大电路的微变等效电路 电压放大倍数 例3 一单管放大电路如图所示 已知晶体管的电流放大系数 50 1 计算放大电路的静态工作点 2 计算负载电阻RL按入或断开时 放大电路的电压放大倍数Au Auo 3 计算放大电路的输入电阻ri 输出电阻ro 4 如果信号源内阻RS 200 试求RL接入或断开时 放大电路对 S的电压放大倍数 解 计算放大电路的静态工作点 画出放大电路的直流通路求出静态工作点如下 计算电压放大倍数Au Auo 画出放大电路的交流通路画出放大电路的微变等效电路 计算电压放大倍数 空载放大倍数带负载的放大倍数 可见接入负载后 放大器的电压放大倍数将降低 计算放大电路的输入电阻ri 输出电阻ro 要注意 ro是放大器本身的输出电阻 其大小与外接负载电阻的大小无关 计算放大电路对 S的电压放大倍数AuS0 Aus 空载放大倍数 带负载的放大倍数 可见考虑信号源内阻将降低放大电路的电压放大倍数 放大电路的波形失真 1 1 当放大电路的静态工作点设置在输出特性的放大区时 放大器工作在放大状态 输出信号完全不失真的反映输入量的变化 2 当工作点设置的不合适时 输出量就不能复现输入信号 这时 放大电路出现了失真 如果工作点太低 靠近截止区使输出产生的失真叫截止失真 如果工作点太高 靠近饱和区使输出产生的失真叫饱和失真 3 即使放大器工作在放大状态 如果输入信号太大 输出信号仍然会产生失真 这种失真称为大信号失真 0 t uBE uBEQ iBQ uCE V ic mA 0 0 t uCE 1 根据ui的波形通过输入特性画出iB波形 2 画出输出回路的交流负载线 3 通过交流负载线画出iC和uCE的波形 由此再一次证明 放大电路要正常工作 必须设置一个合适的静态工作点 工作点适合 输出完全复现输入 工作点过低 产生截止失真 工作点过高 产生饱和失真 共集电极放大电路 1 电路构成2 静态分析3 动态分析4 射极输出器的特点与应用 射极输出器 1 电路构成 1 集电极交流接地 共集电极电路 2 发射极输出 射极输出器 射极输出器 2 静态分析 直流通路 射极输出器 3 动态分析 画出射极输出器的交流通路 画出射极输出器的微变等效电路 射极输出器 4 交流电压放大倍数 射极输出器的输出电压和输入电压同相 而且电压放大倍数接近于1 射极输出器虽然不具有电压放大能力 但因具有电流放大作用 Ie 1 Ib 因此射极输出器具有电流放大和功率放大作用 射极输出器 5 输入电阻ri 可见 射极输出器的输入电阻远大于基本共发射极放大器的输入电阻 ri rbe 在多级放大电路中 射极输出器往往用做输入级 以提高电路获取信号的能力 射极输出器 6 输出电阻ro 射极输出器的输出电阻很低 也说明射极输出器具有恒压特性 所以 在多级放大电路中 射极输出器往往用做输出级 以提高放大器带负载的能力 射极输出器 7 结论 射极输出器的电压放大倍数略小于1 且输入输出电压同相 所以 也称射极输出器为电压跟随器 射极输出器虽然不具有电压放大能力 但因具有电流放大作用 Ie 1 Ib 因此射极输出器具有电流放大和功率放大作用 射极输出器虽然不具有电压放大能力 但由于其输出电阻小 输入电阻大 无论从电源获取信号的能力还是带负载能力都很强 所以 在多级放大器中 也用其做中间极 起缓冲隔离作用 场效应管放大电路 场效应管场效应管放大电路 概述 1 场效应晶体管 FieldEffectTransistor 与双极性晶体管不同 导电过程中只有一种载流子参与 所以又称为单极型晶体管 场效应晶体管 FET 按结构分为两类 EFT 结型 JFET 绝缘栅型 JGFET 金属氧化物场效应管 MOSFET 按导电载流子类型分为 N沟道 N沟道 P沟道 P沟道 对于MOSFET按沟道的变化 还分为增强型和耗尽型两种 耗尽型 增强型 耗尽型 增强型 概述 2 场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子 使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件 英文名称为 MetalOxideSemiconductorFiledEffectTransistor 缩写为MOSFET 概述 3 特点 基本上不需要信号源提供电流 输入阻抗很高 可达109 1015 受温度和辐射等外界因素影响小 制造工艺简单 便于集成化等 只有多数载流子参与导电 所以又称其为单极性晶体管 N沟道增强型绝缘栅场效应管 1 结构及电路符号 工作原理 UGS 0时 ID 0 G D S B 电路符号 N沟道增强型绝缘栅场效应管 2 当UGS 0时 在栅极下面的二氧化硅中将产生一个指向P型衬底 且垂直衬底表面的电场 继续增大UGS UGS越大 反型层中的自由电子浓度越大 沟道越宽 导电能力越强 将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压UGS th 其值约为2 10V之间 在漏源之间加上正向电压UDS便会产生漏极电流ID ID的大小受UGS控制 利用N型沟道 P型衬底 导电 其导电能力依靠栅极正偏电压来增强 故称N沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道增强型绝缘栅场效应管 3 沟道形成后 在UDS作用下 ID沿沟道从漏极流向源极 并产生电压降 使栅极与沟道内各点的电压不再相等 于是沟道不再均匀 靠近源极端宽 靠近漏极端窄 增大UDS到一定数值后 在近漏极端沟道被预夹断 继续增大UDS 加在夹断点与源极之间的电压不再改变 ID基本上维持不变 趋于饱和 N沟道增强型绝缘栅场效应管 4 特性曲线 场效应管的特性曲线有转移特性和输出特性两组 在恒流区内 NMOS管的ID近似地表示为 式中IDO是UGS 2UGS th 时ID的值 UGS th 为开启电压 N沟道增强型绝缘栅场效应管 5 主要参数 开启电压UGS th 当UDS为某一固定数值时 使沟道将漏 源极连结起来的最小的栅源电压UGS就是开启电压UGS th 它只适用于增强型场效应管 低频跨导gm 在UDS 常数时 漏极电流的微变量与引起这个微变量的栅源电压的微变量之比称为跨导 即 N沟道增强型绝缘栅场效应管 6 最大漏源电压UDS 最大漏源电压是指漏极电流开始急剧上升 发生雪崩击穿时所对应的UDS值 漏极最大耗散功率PDSM 场效应管的耗散功率等于UDS和ID的乘积 这些耗散在管子中的功率将变为热能 使管子的温度升高 为了限制它的温度不要升得太高 就要限制它的耗散功率不能超过最大值PDSM 显然 PDSM受管于的最高工作温度的限制 PDSM与三极管的PCM意义相同 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 1 耗尽型绝缘栅场效应管在制造时已在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子 在UGS 0时就已经在P衬底表面感应出反型层 1 结构及电路符号 电路符号 G D S B 衬底 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 2 当UGS负到一定程度 UGS UGS OFF 后 N型沟道中的电子耗尽 ID 0 管子截止 UGS OFF 称为管子的夹断电压 2 工作原理 当UGS 0时 只要UDS 0 ID 0 这时的ID IDSS 当UGS 0时 N沟道变宽 ID增大 当UGS 0时 N沟道变窄 ID减小 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 3 3 特性曲线 实验表明 在UGS OFF UGS 0的范围内 耗尽型绝缘栅场效应管的转移特性可以近似表示为 UGS off UGS 0 IDSS为UGS 0时的漏极电流ID N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 4 使用注意事项 结型场效应管栅源电压不能接反 但可在开路状态下保存 绝缘栅场效应管 由于输入电阻极高 结电容CGS很小 因此绝缘层上只要感应产生很少的电荷就可产生极高的电压 而绝缘层又很薄 因此 很容易被击穿 保存时应将各电极短路 焊接时 电烙铁必须有外接地线 以屏蔽交流电场 特别在焊接绝缘栅场效应管时 要按源 漏 栅的先后次序焊接 且最好在断电后再焊 结型场效应管可用万用表定性检查 但绝缘栅场效应管必须用测试仪器测试 而且要 接入仪表后才能去掉各电极短路线 取下时 先短路再取 避免栅极悬空 场效应管放大器 场效应管的偏置电路与静态分析 场效应管放大电路的动态分析 场效应管的偏置电路与静态分析 1 固定偏压式 场效应管的偏置电路与静态分析 2 自给偏压式 1 该电路只适用于耗尽型场效应管电路 2 静态时 漏极电流不为零 因为偏压是ID在RS上产生的 故称为自给偏压 场效应管的偏置电路与静态分析 3 分压式偏压 1 RG1和RG2构成的分压式电路给栅极G提供静态电位VG 故称为分压式偏置 2 调整分压比 可使UGS 0或使UGS 0 使用灵活 适用于各种类型的场效应管 场效应管的偏置电路与静态分析 4 静态计算 因为栅极电流为零 所以 场效应管放大电路的动态分析 1 场效应管的微变等效电路 电压控制电流源 场效应管放大电路的动态分析 2 共源极放大器的动态分析 因为源极S是输入回路和输出回路的公共端 所以 该电路称为共源极放大电路 输入电阻 输入电阻 很高 场效应管放大电路的动态分析 3 负号仍然说明输出与输入电压反向 电压放大倍数 场效应管放大电路的动态分析 4 源极跟随器的动态分析 因为从源极S取出信号 称为源极输出器 在交流通路中 漏极是输入回路和输出回路的公共端 因此也称为共漏极放大器 微变等效电路 场效应管放大电路的动态分析 5 输入电阻 很大 场效应管放大电路的动态分析 6 输出电阻 如果RS gm 因为gm较大 所以 输出电阻较小 场效应管放大电路的动态分析 7 电压放大倍数Au 源极输出器的输出电压与输入电压同相 且放大倍数小于等于1 接近于1 多级放大电路 多级放大的概念多级放大器的级间耦合多级放大器的性能分析功率放大电路简介 多级放大的概念 为了将信号从上一级放大输出端有效地传送到下一级放大的输入端 在两级放大之间需要考虑信号的耦合问题 多级放大器的级间耦合 阻容耦合 高 低频特性差 要求电容容量大 电路结构简单 前后级静态无影响 适用于中低频放大 变压器耦合 电路笨重 高 低频特性差 具有阻抗变换作用 适用于中低频放大 直接耦合 电路结构简单 低频特性很好 前后级静态互相影响存在零点漂移 适用于集成电路 光电耦合 抗干扰能力强 前后级电隔离 高频特性较差 多级放大器的性能分析 1 多级放大电路的等效模型 总放大倍数 A A1 A2 AN 总输入电阻 ri ri1 总输出电阻 ro roN 多级放大器的性能分析 2 阻容耦合放大电路的静态和动态分析 由于采用阻容耦合 各级放大电路的静态工作互相独立 因此 静态分析可分别针对每级单管放大电路进行 多级放大器的性能分析 3 静态分析 第一级 第二级 多级放大器的性能分析 4 动态分析 多级放大器的性能分析 5 动态分析 多级放大器的性能分析 6 例题分析 已知阻容耦合放大电路的参数如下 试计算电路的静态工作点 输入电阻 输出电阻和电压放大倍数 多级放大器的性能分析 7 静态工作点 多级放大器的性能分析 8 静态工作点 多级放大器的性能分析 9 动态计算 多级放大器的性能分析 10 动态计算 多级放大器的性能分析 2 直接耦合放大电路 直接耦合放大电路可以放大极低频率 甚至直流 信号 但是存在两个主要问题 1 静态工作点的相互影响 由于没有隔离直流的电容 因而前后级放大电路之间的直流电位互相影响 这给调试电路带来不变 2 零点漂移 当环境 特别是温度 变化引起晶体管参数发生变化导致工作点偏离 后级放大将会把这种偏移作为虚假信号进行放大 显然第一级放大的漂移影响最大 多级放大器的性能分析 3 零点漂移问题 当输入信号为零时 输出电压不保持恒定 而是在某个范围随时间 温度不断地缓慢变化 称这种现象为零点漂移或 零漂 1 产生零漂的原因 2 衡量零漂的指标 A 温度对晶体管参数的影响 B 电源EC的波动 输出端漂移电压 折合到输入端的等效漂移电压 只有输入端等效漂移电压比输入信号小许多时 放大后的有用信号才能很好地区分出来 因此抑制零点漂移成为制作高质量直接耦合放大电路的一个重要问题 在输出的总的零点漂移中 第一级的零点漂移的影响最大 多级放大器的性能分析 4 克服零点漂移的途径 2 采用高质量的电阻元件和高质量的硅管 并通过 老化 来提高其稳定性 采用高稳定度的稳压电源 3 采用采用温度补偿电路 4 改变电路的结构 从根本上解决零点漂移 1 可加入深度的负反馈 特别要注重对第一级零点漂移的抑制 功率放大电路简介 概述放大器的三种工作状态互补对称功率放大器 概述 1 把完成电压放大的部分电路称为电压放大级 而把完成功率放大的部分电路称为功率放大级 这样的电路也称为功率放大器 通常功率放大都是由射极输出器完成 值得注意的是 和电压放大一样 功率放大器也并不是真的将功率放大了 而是通过三极管的控制作用 将直流电源的能量转换成交流电的形式供给负载 概述 2 功率放大电路的基本要求 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率 晶体管往往工作在极限状态 PCM ICM U BR CEO 由于功率较大 则必须考虑效率问题 效率即负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比 由于功率较大 在电路设计中要考虑散热问题 如加散热片 放大器的三种工作状态 1 甲类工作状态 设置了合适的静态工作点 输出波形正负对称而且不失真 静态工作点Q大致设在交流负载线的中点 不论有无输入信号 电源供给的功率PE UCCIC总是不变的 效率很低 最高为50 Q 提高效率的途径 1 增大放大电路的动态工作范围来增加输出功率2 减小电源供给的功率 放大器的三种工作状态 2 乙类工作状态 静态工作点设置在截止区 输入信号只有正半波能够被输出 所以输出波形严重失真 Q 在UCC不变的条件下使IC减小 即将静态工作点Q沿负载线下移 可以使电源供给的功率减小 若静态工作点下移到IC 0处 则 PE UCCIC接近于零 放大器的三种工作状态 3 甲乙类工作状态 静态工作点很低 放大器仍处于截止失真状态 输出波形负半周不能完全被输出 静态工作点介于甲类工作状态与乙类工作状态之间称为甲乙类工作状态 这种工作状态称为甲乙类工作状态 Q 互补对称功率放大器 1 设计思想 放大器的输出功率为 放大器输出电压uce的有效值 放大器集电极电流ic的有效值 放大器的直流电源的输出功率为 放大器在甲类放大时 互补对称功率放大器 2 放大器的效率为 放大器的损耗为 可见 在同样的输出功率下 减小 降低 直流电源的输出功率是提高效率的手段之一 互补对称功率放大器 3 电路的组成 采用射随器作为基本放大形式 放大器之间采用直接耦合形式 即 输入端和输出端的电容被取消 互补对称功率放大器 4 功率放大电路的工作状态 放大器必须工作在甲类工作状态 IC较大 直流电源的输出功率较大 输出电压的最大值也只能有0 5UCC 所以 该类电路的效率很低 互补对称功率放大器 5 功率放大电路的工作状态 为了提高效率 必须降低放大器的静态工作点 在乙类 或甲乙类 工作状态下 但是 输出波形的失真 互补对称功率放大器 6 互补对称功率放大器 互补对称功率放大器 7 电路的特点 T1和T2都是射极输出器 两个异型管子 轮流导通半个周期 互相弥补了对方的失真 所以称互补 电路中正负电源对称 管子参数和特性也对称 所以 称为互补对称电路 互补对称功率放大器 8 存在的问题及改进措施 在输入电压正负交界处出现了交越失真 为了克服交越失真 可给管子设置一定的静态偏流IB 这时 放大电路工作在甲乙类工作状态 电路中因需要两个电源 给使用带来不便 所以 实际中只使用一个电源 另一个电源的作用由接在输出端的电容器完成 互补对称功率放大器 9 改进的互补对称功率放大器 交越失真 输入电压ui较小时 不足以克服死区电压而产生的失真 克服办法 将静态工作点上移一点儿 是进入甲乙类状态 互补对称功率放大器 10 由图可见 互补对称放大电路实际上是由两组射级输出器组成的 所以 它还具有输入电阻高 输出电阻低的特点 电容C取值足够大 以保证动态时 电容两端电压基本不变 静态时 电容C两端电压为0 5UCC 所以 T1 T2两管的发射极电位也为0 5UCC 互补对称功率放大器 11 具有推动级的互补对称放大电路 静态时 作为驱动管的T1 它的集电极电路中的二极管D1 D2导通 它们的正向压降为互补管T3 T4 提供了一定的基极偏置电压 保证T3 T4工作在甲乙类工作状态 动态时 由于二极管D1 D2的动态电阻很小 动态电压可忽略不计 所以 T3 T4两管的基极电位对输入信号而言可视为相等 互补对称功率放大器 12 工作过程分析 在ui的负半周 RL作为T2的负载得到在uo的正半周 C对交流视为短路 电源对电容器充电 在ui的正半周 RL作为T3的负载得到在uo的负半周 此时 电容C起电源的作用 负载电流由电容C的放电电流构成 互补对称功率放大器 13 另一种改进电路 T3的偏置电阻R1不接到UCC的正端而接到A点 是为了取得电压负反馈 以保证静态时A点的电位稳定在0 5UCC T IC3 IC3R3 VA VB3 IC3 VA 互补对称功率放大器 13 复合管 互补对称功率放大电路中 需要一对异型 特性对称的NPN和PNP功率管 在输出功率不太大时 可直接选配管子 但是 当输出功率在几十毫瓦以上时 就需要采用中功率管和大功率管 而大功率管却不易配对 所以 通常采用复合管来实现配对 互补对称功率放大器 14 复合管 互补对称功率放大器 15 复合管组成的互补对称放大电路 负反馈放大电路 负反馈的基本概念负反馈的类型负反馈对放大器性能的影响 负反馈的基本概念 1 正反馈与负反馈 将放大器输出端的信号 电压或电流 的一部分或者全部 通过某种电路 反馈电路 引回到输入端 称为反馈 若引回的反馈信号削弱输入信号或与输入信号作用相反 而使放大电路的放大倍数下降 则这种反馈为负反馈 若反馈信号增强或与输入信号作用相同 则为正反馈 负反馈的基本概念 2 反馈电路的组成 包含两部分 基本放大电路A 反馈电路F 基本放大电路 比较环节 反馈电路 负反馈的基本概念 3 没有反馈时 净输入就是外部输入 有反馈时 Xd Xi Xf 如果加反馈后XdXi则称此反馈为正反馈 输出将越来越大 因此放大电路将出现不稳定 在放大电路中 不希望出现正反馈 负反馈的类型 1 按反馈信号和输出信号的关系分 1 电压 2 电流按反馈信号和输入信号的关系分 1 串联 2 并联并联电压负反馈并联电流负反馈串联电流负反馈串联电压负反馈 负反馈的类型 2 1 电压串联反馈 2 电压并联反馈 3 电流串联反馈 4 电流并联反馈 负反馈的类型 3 放大电路中反馈的判断 1 反馈存在的判别 2 交流反馈与直流反馈的判别 如果在输入 回路 和输出 回路 之间存在除有源器件以外的其它支路 则该支路构成放大电路的反馈 称为反馈支路 交流反馈 这种情况一般在反馈通路中接有隔直或旁路电容 直流反馈 这种情况一般在反馈通路中接有旁路电容 如果反馈在交流 直流通路均存在 则反馈为交直流反馈 反馈系数可能不同 负反馈的类型 4 放大电路中反馈的判断 3 反馈组态的判别 开路短路法 反馈支路与电压输出端 负载端 在同一位置 电压反馈 反馈支路与电压输出端 负载端 不在同一位置 电流反馈反馈支路与信号电压输入在同一位置 并联反馈 反馈支路与信号电压输入不在同一位置 串联反馈 4 反馈组态的判别 连接位置判别法 如果负载短路后反馈消失 电压反馈 如果负载开路后反馈消失 电流反馈 如果输入端开路反馈消失 串联反馈 如果输入端短路反馈消失 并联反馈 负反馈的类型 5 放大电路中反馈的判断 5 反馈极性的判别 瞬时极性法 如果反馈使输入得到加强 正反馈 如果反馈使输入受到削弱 负反馈 瞬时极性法 从输入端注入某一极性 增大或减小 的信号 按