《电子技术基础》(模电+数电)教材配套课件ppt_刘鹏、刘旭主编_北京理工大学出版社.ppt

电子技术基础 模电 数电 教材配套课件刘鹏 刘旭主编北京理工大学出版社ISBN 978 7 5640 7300 8 教学目的及要求 1 了解本征半导体和杂质半导体2 掌握PN结的形成以及PN结的特点3 二极管的结构 符号与特性4 掌握半导体三极管的电流放大作用和伏安特性曲线 教学重点 N P型半导体以及PN结的特点 二极管的特性 掌握半导体三极管的电流放大作用和伏安特性曲线教学难点 PN结的形成 半导体三极管的电流放大原理 第1章半导体器件基础知识 第一节半导体的基础知识第二节半导体二极管第三节半导体三极管 第1章半导体器件基础知识 一 半导体的概念 金属导体内的载流子只有一种 就是自由电子 而且数目很多 所以具有良好的导电性能 绝缘体中载流子的数目很少 因而导电性能很差 几乎不导电 半导体中的载流子数目也不多 远远低于金属导体 其导电性能比导体差而比绝缘体好 半导体 导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称半导体 常用的半导体材料有硅 Si 锗 Ge 硒 Se 和砷化镓 GaAs 及其他金属氧化物和硫化物等 半导体一般呈晶体结构 第一节半导体的基础知识 半导体的导电特性 1 掺杂性 在半导体中掺入微量杂质 可改变其电阻率和导电类型 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管和三极管等 3 光敏感性 光照能改变半导体的电阻率 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 2 温度敏感性 半导体的电阻率随温度变化很敏感 并随掺杂浓度不同 具有正或负的电阻温度系数 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 二 半导体的特性 纯净的不含任何杂质 晶体结构排列整齐的半导体 称为本征半导体 本征半导体的最外层电子 称为价电子 除受到原子核吸引外还受到共价键束缚 因而它的导电能力差 价电子从外界获得能量 挣脱共价键的束缚而成为自由电子 这时 在共价键结构中留下相同数量的空位 每次原子失去价电子后 变成正电荷的离子 从等效观点看 每个空位相当于带一个基本电荷量的正电荷 成为空穴 三 本征半导体 共价健 共价键中的两个电子 称为价电子 四 N型和P型半导体 掺杂后自由电子数目大量增加 自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式 称为电子型半导体或N型半导体 掺入五价元素 多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 用特殊工艺在本征半导体掺入微量五价元素 如磷或砷 在N型半导体中自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 掺杂后空穴数目大量增加 空穴导电成为这种半导体的主要导电方式 称为空穴半导体或P型半导体 掺入三价元素 在P型半导体中空穴是多数载流子 自由电子是少数载流子 硼原子 接受一个电子变为负离子 空穴 在半导体硅或锗中掺入少量三价元素 如硼元素 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 五 PN结1 PN结的形成在一块纯净的半导体晶片上 采取一定的工艺措施 在两边掺入不同的杂质 分别形成P型半导体和N型半导体 它们的交界面就形成了PN结 PN结的形成机理 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 P型半导体 N型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡 空间电荷区的厚度固定不变 形成空间电荷区 结具有单向导电的特性 这种特性可以通过实验加以证明 取一个 结分别接成如图所示的电路 实验证明如图 a 所示电路的灯泡发亮 说明此时 结电阻很小 处于 导通 状态 当把电路切换成如图 b 所示的电路时灯泡不亮了 说明此时PN结电阻很大 处于 截止 状态 2 PN结的单向导电性 PN结的单向导电性原理 1 PN结加正向电压 正向偏置 PN结变窄 P接正 N接负 IF 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 PN结加正向电压时 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 2 PN结加反向电压 反向偏置 P接负 N接正 PN结变宽 2 PN结加反向电压 反向偏置 内电场被加强 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 IR P接负 N接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 PN结加反向电压时 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 第一节半导体的基础知识第二节半导体二极管第三节半导体三极管 第1章半导体器件基础知识 第二节半导体二极管一 二极管的结构在PN结的两端各引出一根电极引线 然后用外壳封装起来就构成了半导体二极管 简称二极管 如图 a 所示 其图形符号如图 b 所示 图 a 图 b 二 二极管的类型 二极管按制造材料分类 主要有硅二极管和锗二极管 按用途分类 主要有整流二极管 检波二极管 稳压二极管 开关二极管等 按接触的面积大小分类 可分为点接触型和面接触型两类 1 点接触型 点接触型二极管是一根很细的金属触丝 如三价元素铝 和一块N型半导体 如锗 的表面接触 然后在正方向通过很大的瞬时电流 使触丝和半导体牢固接在一起 三价金属与锗结合构成PN结 由于点接触型二极管金属触丝很细 形成的PN结很小 所以它不能承受大的电流和高的反向电压 由于极间电容很小 所以这类管子适用于高频电路 2 面接触型 面接触型或称面结型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的 由于这种二极管的PN结面积大 可承受较大的电流 但极间电容较大 这类器件适用于低频电路 主要用于整流电路 三 二极管的伏安特性 二极管2CP31加正向电压的实验数据 二极管2CP31加反向电压的实验数据 三 二极管的伏安特性 1 正向特性0A段 死区AB段 正向导通区 2 反向特性0D段 反向截止区DE段 反向击穿区 1 正向特性 0A段称为 死区 在这一区间 正向电压增加时正向电流增加甚微 近似为零 在该区 二极管呈现很大的正向电阻 对外不导通 AB段称为正向导通区 随着外加电压的增加 电流急剧增大 此时二极管电阻很小 对外呈现导通状态 在电路中相当于一个闭合的开关 二极管在导通状态下 管子两端的正向压降很小 硅管为0 7V 锗管为0 3V 而且比较稳定 表现出很好的恒压特性 但所加的正向电压不能太大 否则PN结会因过热而被烧坏 2 反向特性 0D段称为反向截止区 当反向电压增加时 反向电流增加很小 几乎保持不变 此电流称为反向饱和电流 记作IS IS愈大 表明二极管单向导电性能愈差 小功率硅管的IS小于1 A 锗管的IS为几 A 几千 A 这也是硅管和锗管的一个显著区别 这时二极管呈现很高的电阻 在电路中相当于一个断开的开关 电路呈现截止状态 段称为反向击穿区 当反向电压增加到一定值时 反向电流急剧增大 这种现象称为反向击穿 发生反向击穿时所加的电压称为反向击穿电压 记作UBR 反向击穿电压愈大 表明二极管的耐压性能愈好 反向击穿后的电流不加以限制 结同样也会因过热而被烧坏 这种情况称为热击穿 1 最大整流电流IFM IFM是指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流 IFM与PN结的材料 面积及散热条件有关 大功率二极管使用时 一般要加散热片 在实际使用时 流过二极管最大平均电流不能超过IFM 否则二极管会因过热而损坏 2 最高反向工作电压URM 反向峰值电压 URM是指二极管在使用时允许外加的最大反向电压 其值通常取二极管反向击穿电压的一半左右 在实际使用时 二极管所承受的最大反向电压值不应超过URM 以免二极管发生反向击穿 四 二极管的主要参数 3 反向电流IR与最大反向电流IRMIR是指在室温下 二极管未击穿时的反向电流值 IRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流 一般很小 但其受温度影响很大 当温度升高时 IRM显著增大 4 最高工作频率fM二极管的工作频率若超过一定值 就可能失去单向导电性 这一频率称为最高工作频率 它主要由PN结的结电容的大小来决定 点接触型二极管结电容较小 fM可达几百兆赫兹 面接触型二极管结电容较大 fM只能达到几十兆赫兹 1 发光二极管2 光电二极管 五 特殊二极管 3 稳压二极管 1 稳定电压UzUz是稳压管反向击穿稳定工作的电压 2 稳定电流IzIz是指稳压管工作的最小电流值 如果电流小于Iz 则稳压性能差 甚至失去稳压作用 3 动态电阻rzrz是稳压管在反向击穿工作区 电压的变化量与对应的电流变化量的比值 即rz越小 稳压性能越好 稳压二极管基本参数 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 补充 二极管电路的分析 电路如图 求 UAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴二极管导通若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 6V 例1 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 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 0V 求 UAB 课堂作业1 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 8V 参考点 二极管阴极电位为8V 课堂作业2 1 当温度升高时 二极管的反向饱和电流将 A 减小B 不变C 增大2 N型半导体是在本征半导体中加入物质后形成的A 电子B 空穴C 三价硼元素D 五价锑元素 C 课堂作业3 D D A 课堂作业4 高 第三节半导体三极管 一 三极管的结构和分类 按三个区的组成形式 三极管可分为NPN型和PNP型 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 发射结 集电结 结构特点 集电区 面积最大 电流放大原理 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IB 多数扩散到集电结 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IC 二 三极管的电流放大作用及其放大的基本条件 1 三极管各电极上的电流分配 实验电路基极电源UBB与集电极电源UCC 10 20V 使三极管发射结正偏 集电结反偏 三极管处在放大状态 同时也是放大电路的能量来源 提供IB和IC IE IB IC 1 2 式 1 2 表明 发射极电流等于基极电流与集电极电流之和 1 三极管的电流放大作用基极电流IB的微小变化 将使集电极电流IC发生大的变化 2 三极管放大的基本条件要使三极管具有放大作用 必须要有合适的偏置条件 即 发射结正向偏置 集电结反向偏置 对于NPN型三极管 必须保证集电极电压高于基极电压 基极电压又高于发射极电压 即UC UB UE 而对于PNP型三极管 则与之相反 即UC UB UE 三 三极管的伏安特性 1 输入特性曲线 特点 非线性 正常工作时发射结电压 NPN型硅管UBE 0 6 0 7VPNP型锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 2 输出特性曲线 在不同的IB下 可得出不同的曲线 所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线 晶体管有三种工作状态 因而输出特性曲线分为三个工作区 1 放大区 在放大区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 IC mA UCE V 100 A80 A60 A40 A20 A O36912 4 2 3 1 5 3 2 1 IB 0 2 饱和区 饱和区是指iB 0 uCE 0 3V的区域 在饱和区 IB IC 发射结处于正向偏置 集电结也处于正偏 当UCE0 晶体管工作于饱和状态 饱和区 IC mA UCE V 100 A80 A60 A40 A20 A O36912 4 2 3 1 5 3 2 1 IB 0 3 截止区 截止时 发射结反偏 集电结也处于反向偏置 UBC 0 此时 IC 0 UCE UCC IB 0的曲线以下的区域称为截止区 截止区 综上所述 对于NPN型三极管 工作于放大区时 发射结正偏 集电结反偏 工作于饱和区时 发射结正偏 集电结正偏 工作于截止区时 发射结反偏 集电结反偏 例1 1用直流电压表测量某放大电路中某个三极管各极对地的电位分别是 U1 2V U2 6V U3 2 7V 试判断三极管各对应电极与三极管管型 解 根据三极管能正常实现电流放大的电压关系是 NPN型管UC UB UE 且硅管放大时UBE约为0 7V 锗管UBE约为0 3V 而PNP型管UC UB UE 且硅管放大时UBE约为 0 7V 锗管UBE约为 0 3V 所以先找电位差绝对值为0 7V或0 3V的两个电极 若UB UE则为NPN型 UB UE则为PNP型三极管 本例中 U3比U1高0 7V 所以此管为NPN型硅管 脚是基极 脚是发射极 脚是集电极 解在图 a 中 三极管为NPN型 UB 2 7V UC 8V UE 2V 经比较 UC UB UE 故发射结正偏 集电结反偏 所以图 a 中的三极管工作于放大区 在图 b 中 三极管为NPN型 UB 3 7V UC 3 3V UE 3V 经比较 UB UC UE 发射结和集电结均正向偏置 所以图 b 中的三极管处于饱和区 作业5 判断图中的三极管的工作状态 在图 c 中 三极管为NPN型 UB 2V UC 8V U 2 7V 经比较 UC UE UB 发射结和集电结均反向偏置 所以图 c 中的三极管工作于截止区 在图 d 中 三极管为PNP型 对于PNP型三极管 工作在放大区时 各极电压的关系大小应为UE UB UC 工作于截止区时 各极电压的大小关系应为UB UE UC 工作于饱和区时 各极电压的大小关系应为UE UC UB 在图 d 中 UB 3V UE 0V UC 5V 经比较得 UE UB UC 发射结正向偏置 集电结反向偏置 所以图 d 中的三极管工作于放大区 四 三极管的主要参数 1 电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 当晶体管接成发射极电路时 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 由于晶体管的输出特性曲线是非线性的 只有在特性曲线的近于水平部分 IC随IB成正比变化 值才可认为是基本恒定的 作业6 在UCE 6V时 在Q1点IB 40 A IC 1 5mA 在Q2点IB 60 A IC 2 3mA 求 在以后的计算中 一般作近似处理 在Q1点 有 由Q1和Q2点 得 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 穿透电流ICEO 3 集电极最大允许电流ICM 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 5 反向击穿电压U BR CEO U BR CEO是三极管基极开路时 集射极之间的最大允许电压 当集射极之间的电压大于此值 三极管将被击穿损坏 4 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 UCEIC 硅管允许结温约为150 C 锗管约为70 90 C 1 NPN型三极管处在放大状态时是 A UBE0 UBC 0C UBE 0 UBC02 当晶体管工作在放大区时 发射结电压和集电结电压应为 A 前者反偏 后者也反偏B 前者正偏 后者反偏C 前者正偏 后者也正偏3 某放大状态的晶体三极管 当IB 20 A时 IC 1mA 当IB 60 A时 IC 3mA 则该管的电流放大系数 值为 B C 课堂作业7 50 第一章结束 第二章基本放大电路 第一节放大的概念和放大电路的主要性能指标第二节放大电路的分析方法第三节固定偏置共射极放大电路第四节分压式偏置电路共射极放大电路第五节共集电极放大电路与共基极放大电路第七节多级放大电路 教学目的及要求 1 掌握放大电路的组成 工作原理和性能指标 2 掌握放大电路的静态 动态分析方法 3 掌握微变等效电路的分析方法4 掌握动态指标的求解方法5 掌握放大器偏置电路的特点 6 了解共集电极电路和共基极电路组成7 掌握多级放大电路的级间耦合方式 8 理解多级放大电路的分析 教学重点 放大电路的静态 动态分析方法 放大电路的微变等效电路及其动态指标教学难点 三极管的微变等效电路 多级放大电路的分析方法 第2章放大电路基础 一 放大的概念 第一节放大的概念和放大电路的主要性能指标 二 放大电路的主要性能指标 1 放大倍数 2 输入电阻Ri 放大电路对信号源 或对前级放大电路 来说 是一个负载 可用一个电阻来等效代替 这个电阻是信号源的负载电阻 也就是放大电路的输入电阻 定义 输入电阻是对交流信号而言的 是动态电阻 输入电阻是表明放大电路从信号源分压大小的参数 电路的输入电阻Ri 从信号源取得的电压ui 因此一般总是希望得到较大的输入电阻 3 输出电阻ro 放大电路对负载 或对后级放大电路 来说 是一个信号源 可以将它进行戴维宁等效 等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻 定义 输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数 电路的输出电阻愈小 负载变化时输出电压的变化愈小 因此一般总是希望得到较小的输出电阻 三 直流通路与交流通路 静态分析的对象是直流量 用来确定管子的静态工作点 动态分析的对象是交流量 用来分析放大电路的性能指标 1 直流通路的画法 画法 将电容视为开路 电感视为短路 其他元器件不变 2 交流通路的画法 画法 信号频率较高时 将容量较大的电容视为短路 将电感视为开路 将直流电源 设内阻为零 视为短路 其他不变 第二节放大电路的分析方法 一 估算法 用在静态直流分析 由KVL UCC IBRB UBE 三极管工作在放大区 则 由KVL UCC ICQRC UCE 所以UCE UCC ICQRC 1 静态分析 用作图的方法确定静态值 步骤 1 用估算法确定IB 优点 能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响 3 由输出特性确定iC和UCC UCC icRC UCE 直流负载线方程 2 根据IB值在输出特性曲线中找到对应的曲线 如图2 5 所示 二 图解法既可作静态分析 也可作动态分析 直流负载线 由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点 iC 0 UCE UCCUCE 0 iC UCC RC UCC icRC UCE 解 1 估算法 由 2 1 2 2 和 2 3 可得 CEQ CC CQRC 20 2 103 6 103 8V 2 图解法在图2 4 c 中 根据IC cc Rc 3 3mA cc 20 作直流负载线MN 与 B BQ 40 A的曲线相交得静态工作点 根据 点所对应的坐标得 CQ 2mA CEQ 8V 作业2 用估算法计算静态工作点 已知 UCC 12V RC 4k Rb 300k 37 5 解 2 动态分析 用图解法进行动态分析 缺点 精度低 不能用于复杂电路 不能算出输入电阻ri 输出电阻ro 交流负载线是一条通过Q点的直线 其斜率为 3 静态工作点对输出波形的影响 a 截止失真 b 饱和失真 4 图解法的适用范围 图解法的优点是能直观形象地反映三极管的工作情况 但必须实测所用管子的特性曲线 且用它进行定量分析时误差较大 此外仅能反映信号频率较低时的电压 电流关系 因此 图解法一般适用于输出幅值较大而频率不高时的电路分析 在实际应用中 多用于分析Q点位置 最大不失真输出电压 失真情况及低频功放电路等 三 微变等效电路分析法 用于动态分析 当信号很小时 在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化 1 三极管基极与发射极之间等效交流电阻rbe rbe一般为几百欧到几千欧 即输入端等效 三极管的输入电阻 三极管的输入回路 B E之间 可用rbe等效代替 即由rbe来确定ube和ib之间的关系 2 三极管集电极与发射极之间等效为受控电流源 即输出端等效 输出特性 输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线 三极管的输出回路 C E之间 可用一受控电流源ic ib等效代替 即由 来确定ic和ib之间的关系 一般在20 200之间 ib 晶体三极管 微变等效电路 放大电路的微变等效电路 三极管的B E之间可用rbe等效代替 三极管的C E之间可用一受控电流源ic ib等效代替 第三节固定偏置共射极放大电路 一 组成及各元器件的作用 1 电路组成 2 各元件的作用 三极管VT 放大元件 IC IB 要保证集电结反偏 发射结正偏 使三极管工作在放大区 集电极电源Ucc 它除了为输出信号提供能量外 还为集电结和发射结提供偏置 以使晶体管起到放大作用 Ucc一般为几伏到几十伏 集电极负载电阻Rc 它的主要作用是将已经放大的集电极电流的转化变换为电压的变化 以实现电压放大 Rc阻值一般为几千欧到几十千欧 基极偏置电阻Rb 串联Rb是为了控制基极电流IB的大小 使放大电路获得较合适的工作点 Rb阻值一般为几十千欧 耦合电容C1 C2 几 F 隔离输入 输出与放大电路直流的联系 电容有通交流 隔直流的作用 二 固定偏置共射极放大电路的分析 1 固定偏置共射极放大电路的静态工作点 由 Ucc Rb b极 e极 地可得 当UBE UCC时 由 Ucc Rc c极 e极 地可得 UCE UCC ICRC 2 固定偏置共射极放大电路的动态分析 1 电压放大倍数 式中的负号表示输出电压的相位与输入相反 2 输入电阻Ri 3 输入电阻Ro 外加 求Ro的步骤 1 断开负载RL 3 外加电压 4 求 2 令或 作业 在图 a 所示电路中 UBE 试求 1 静态工作点参数IBQ ICQ UCEQ Uo值 2 计算动态指标 ri ro的值 解 求静态工作点参数 画出微变等效电路如图 b 所示 2 计算动态指标 第四节分压式偏置电路共射极放大电路 一 温度对静态工作点的影响1 温度升高使反向饱和电流ICBO增大 ICBO是集电区和基区的少子在集电结反向电压的作用上形成的电流 温度每升高100C时 ICBO约增大一倍 由于穿透电流ICEO 1 ICBO 故ICEO上升更显著 ICEO的增加 表现为共射输出特性曲线族向上平移 iC uCE Q 温度升高时 输出特性曲线上移 O 当温度升高时 Q点沿负载线上移 容易使三极管V进入饱和区造成饱和失真 甚至引起过热烧坏三极管 2 温度升高使电流放大系数 增大温度升高会使 增大 温度每升高10C 约增大0 5 0 的增大反映在输出特性曲线上 各条曲线的间隔在增加 温度升高使发射结电压UBE减小当温度升高时 发射结导通电压将减小 温度每升高 0 UBE约减小2 5mV 对于共射基本电路 其基极电流IB UCC UBE Rb将增大 当温度升高时 三极管的集电极电流 将迅速增大 工作点向上移动 当环境温度发生变化时 共射基本电路工作点将发生变化 严重时会使电路不能正常工作 二 分压式偏置电路共射极放大电路的组成 Rb1为上偏置电阻 Rb2为下偏置电阻 Re为发射极电阻 Ce为射极旁路电容 三 分压式偏置电路共射极放大电路的工作原理 Q点稳定的过程 UB固定 输入特性曲线 基极电位基本恒定 不随温度变化 因为I1 IB 忽略IB 则UB Rb2UCC Rb1 Rb2 四 分压式偏置电路共射极放大电路的分析 1 分压式偏置电路共射极放大电路的静态分析 由b极 e极 Re 地可得 由 Ucc Rc c极 e极 Re 地可得 作业 在图 a 中 若已知 50 UBEQ 0 7V Rb2 20k Rb1 50k Rc 5k Re 2 7k UCC 12V 求静态工作点参数 解 2 分压式偏置电路共射极放大电路的动态分析 作业 在图中 若已知 50 UBE 0 7V Rb2 20k Rb1 50k Rc 5k Re 2 7k UCC 12V 若RL 5k 求Au ri ro 解 第五节共集电极放大电路与共基极放大电路 一 共集电极放大电路 射极输出器 因对交流信号而言 集电极是输入与输出回路的公共端 所以是共集电极放大电路 因从发射极输出 所以称射极输出器 1静态分析 直流通路 2动态分析 1 电压放大倍数 电压放大倍数Au 1且输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 微变等效电路 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro 将信号源短路 保留其内阻 在输出端去掉RL 加一交流电压 产生电流 则 例2 3若如图2 13 a 所示电路中各元件参数为 UCC 12V RB 240k RE 3 9k RS 600 RL 12k 60 C1和C2容量足够大 试求 Au Ri Ro 在图示放大电路中 已知UCC 12V RE 2k RB 200k RL 2k 三极管 60 UBE 0 6V 信号源内阻RS 100 试求 1 静态工作点IB IE及UCE 2 画出微变等效电路 3 Au ri和ro 作业4 解 1 由直流通路求静态工作点 直流通路 2 由微变等效电路求Au ri ro 微变等效电路 二 共基极放大电路 1 静态分析 共基极放大电路的直流通路与图2 11共射极分压式偏置电路的直流通路一样 所以与共射极放大电路的静态工作点的计算相同 2 输入电阻 当不考虑Re的并联支路时 当考虑Re时 3 输出电阻 ro Rc 由于在求输出电阻RO时令 则有 受控电流源作开路处理 故输出电阻 第七节多级放大电路 在实际的电子设备中 为了得到足够大的放大倍数或者使输入电阻和输出电阻达到指标要求 一个放大电路往往由多级组成 多级放大电路由输入级 中间级及输出级组成 一 级间耦合方式 1 阻容耦合阻容耦合是利用电容器作为耦合元件将前级和后级连接起来 这个电容器称为耦合电容 如图2 24所示 第一级的输出信号通过电容器C2和第二级的输入端相连接 阻容耦合的优点是 前级和后级直流通路彼此隔开 每一级的静态工件点相互独立 互不影响 便于分析和设计电路 因此 阻容耦合在多级交流放大电路中得到了广泛应用 阻容耦合的缺点是 在集成电路里制造大电容很困难 不利于集成化 所以 阻容耦合只适用于分立元件组成的电路 2 变压器耦合 变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来 这种耦合方式称为变压器耦合 将V1的输出信号经过变压器T1送到V2的基极和发射极之间 V2的输出信号经T2耦合到负载RL上 变压器耦合的优点是 由于变压器不能传输直流信号 且有隔直作用 因此各级静态工作点相互独立 互不影响 变压器耦合的缺点是 体积大 笨重等 不能实现集成化应用 3 直接耦合 直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式 这种耦合方式称为直接耦合 直接耦合所用元件少 体积小 低频特性好 便于集成化 直接耦合的缺点是 由于失去隔离作用 使前级和后级的直流通路相通 静态电位相互牵制 使得各级静态工作点相互影响 另外还存在着零点漂移现象 4 光电耦合 放大器的级与级之间通过光电耦合器相连接的方式 称为光电耦合 由于它是通过电 光 电的转换来实现级间耦合 各级的直流工作点相互独立 采用光电耦合 可以提高电路的抗干扰能力 1 电压放大倍数 所以总的电压放大倍数为 即总的电压放大倍数为各级放大倍数的连乘积 二 多级放大电路的主要性能指标 2 输入电阻 Ri Ri1 3 输出电阻 Ro Ron 第二章结束 第三章集成运算放大器的基本概念 第一节集成运算放大器的基本组成第二节差分放大电路第三节集成运算放大器的分类及主要参数 教学目的及要求 1 了解集成运算放大器的基本组成 2 掌握差动放大电路 3 掌握集成运算放大器的主要参数 教学重点 掌握差动放大电路教学难点 差动放大电路 集成运算放大器的主要参数 第三章集成运算放大器的基本概念 集成运算放大器简介 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路 是发展最早 应用最广泛的一种模拟集成电路 放大倍数104 107 集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上 组成一个不可分的整体 集成电路特点 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 价格低 集成运算放大器件外形图 实际集成运算放大器的管脚和符号 反相输入端 同相输入端 信号传输方向 输出端 a b a 符号 b 引脚 实际运放开环电压放大倍数 第一节集成运算放大器的基本组成 集成运放由四部分组成 输入级 中间级 电压放大级 输出级和偏置电路 1 输入级对于高增益的直接耦合放大电路 减小零点漂移的关键在第一级 因此集成运放的输入级一般是由差分放大电路组成的 利用差分放大电路的对称性 可以减小零点漂移的影响 它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端 2 中间级中间级 电压放大级 的主要作用是提高电压增益 大多采用由恒流源作为有源负载的共发射极放大电路 其放大倍数一般在几千倍以上 3 输出级输出级应具有较大的电压输出幅度 较高的输出功率和较低的输出电阻 一般采用甲乙类互补对称放大电路 4 偏置电路偏置电路提供给各级直流偏置电流 使之获得合适的静态工作点 它由各种电流源电路组成 此外还有一些辅助环节 如电平移动电路 过载保护电路以及高频补偿环节等 零点漂移 指输入信号电压为零时 输出电压发生缓慢地 无规则地变化的现象 产生的原因 三极管参数随温度变化 电源电压波动 电路元件参数的变化 第二节差分放大电路 零点漂移的危害 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力 严重时 由于后级放大电路的放大作用 可能淹没有效信号电压 无法分辨是有效信号电压还是漂移电压 差动放大电路 差分式放大电路 是抑制零点漂移最有效的电路结构 第二节差分放大电路 电路结构对称 在理想的情况下 两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等 两管特性相同 静态工作点相同左右对称 一 基本差分放大电路 1 电路组成及特点 静态时 即ui1 ui2 0时 放大电路处于静态 由于电路完全对称 两三极管集电极电位Uc1 Uc2 则输出电压Uo Uc1 Uc2 0 当温度变化时 两三极管集电极电流Ic1和Ic2同时增加 集电极电位Uc1和Uc2同时下降 且 Uc1 Uc2 uo Uc1 Uc1 Uc2 Uc2 0 故输出端没有零点漂移 这就是差分放大电路抑制零点漂移的基本原理 2 零点漂移的抑制 3 差模信号与差模放大倍数 大小相等 极性相反 两个差模信号分别用uid1和uid2表示 uid1 uid2 ui1 uid1 ui2 uid2 uid1 差模输入电压uid uid1 uid2 2uid1 2uid2 差模输出电压 uod uc1 uc2 2uc1 差模电压放大倍数 即对差模信号放大能力没有影响 4 共模信号与共模放大倍数 大小相等 极性相同 ui1 ui2 uic 在共模信号作用下 由于电路完全对称 输出电压uoc 0 两管集电极电位呈等量同向变化 所以输出电压为零 即对共模信号没有放大能力 CommonModeRejectionRatio 差模放大倍数 差模输出电压 差模输入电压 共模放大倍数 共模输出电压 共模输入电压 KCMR越大 说明差放分辨差模信号的能力越强 而抑制共模信号的能力越强 5 共模抑制比kCMR 共模抑制比 二 典型差分放大电路 1 电路组成 电路由两个对称的共射电路通过公共的发射极电阻Re相耦合 故又称为射极耦合差分放大电路 电路由正负电源供电 Re的作用 稳定静态工作点 限制每个管子的漂移 UEE 用于补偿Re上的压降 以使VT1 VT2获得合适的工作点 第三节集成运算放大器的分类及主要参数 一 集成运算放大器的分类 集成运算放大器是电子技术领域中的一种最基本的放大元件 在自动控制 测量技术 家用电器等多种领域中应用相当广泛 国产集成运算放大器有通用型和特殊型两大类 1 通用型通用型有通用1型 低增益 通用2型 中增益 通用3型 高增益 三类 2 特殊型特殊型有高精度型 高阻抗型 高速型 高压型 低功耗型及大功率型等 通用型的指标比较均衡全面 适用于一般电路 特殊型的指标大多数有一项指标非常突出 它是为满足某些专用的电路需要而设计的 1开环差模电压放大倍数Aod当集成运放工作在线性区时 输出开路时的输出电压uO与输入端的差模输入电压uid u u 的比值称为开环差模电压放大倍数Aod 2输入失调电压uiO及输入失调电压温度系数auiO为使运放输出电压为零 在输入端之间所加的补偿电压 称为输入失调电压uiO auiO是指在规定温度范围内 输入失调电压胡随随温度的变化率 即一般集成运放的auiO小于 3输入失调电流Iio及输入失调电流温度系数aIIo当输入信号为零时 集成运放两输入端静态电流之差 称为输入失调电流Iio 即Iio IB IB Iio愈小愈好 二 集成运算放大器的主要参数 4共模抑制比KCMR其定义同差动放大电路 若用分贝数表示时 集成运算的共模抑制比KCMR通常在80 180dB之间 5输入偏置电流IIB当输入信号为零时 集成运放两输入端的静态电流IB 和IB 的平均值 称为输入偏置电流IIB 即 这个电流也是愈小愈好 典型值为几百纳安 6差模输入电阻rid和输出电阻rod7最大差模输入电压Uidmax指集成运放对共模信号具有很强的抑制性能 但这个性能必须在规定的共模输入电压范围之内 若共模输入电压超出Uidmax 则集成运放输入级就会击穿而损坏 8最大共模输入电压Uidmax集成运放对共模信号具有很强的抑制性能 但这个性能必须在规定的共模输入电压范围之内 若共模输入电压超出Uidmax 集成运放的输入级就会不正常 KCMR将显著下降 9最大输出电压幅度Uopp指能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压 10静态功耗Pco指不接负载且输入信号为零时 集成运放本身所消耗的电源总功率 Pco一般为几十毫瓦 三 理想运放的概念 1 理想运放的主要条件为 为了便于分析集成运放的线性应用 我们还需要建立 虚短 与 虚断 这两个概念 1 虚短 2 理想运放的特点 2 虚断 2 由于开环输入电阻rid无穷大 输入电流约等于0即I I U U rid 0 称 虚断 1 因为Uo Aod U U 而且所以输入电压约等于0即U U 0 称 虚地 如果U U 0 称 虚短 第三章结束 第4章集成运算放大器的应用 第一节理想运算放大器第二节集成运算放大器的线性应用第三节集成运算放大器的非线性应用 电压比较器第四节集成运算放大器应用时的事项 教学目的及要求 1 掌握理想运放的特点 2 掌握运放的比例 加 减 微分 积分运算 教学重点 运放的线性应用教学难点 运放的线性应用和非线性应用 第4章集成运算放大器应用电路 一 理想运算放大器工作在线性区的特点当集成运放电路引入负反馈时 集成运放工作在线性区 如图4 1所示 引入负反馈是集成运放工作在线性区的基本特征 工作在线性放大状态的理想运放具有 虚短 和 虚断 的两个重要特点 第一节理想运算放大器 集成运放在应用过程中若处于开环状态 或只引入了正反馈 则表明成运放工作在非线性区 对于理想运放 输出电压uo与输入电压 u u 不再是线性关系 称集成运放工作在非线性工作区 其电压传输特性如图4 2所示 二 理想运算放大器工作在非线性区的特点 1 输出电压uo只有两种可能的情况 当u u 时 uo Uom 当u u 时 uo Uom 2 由于理想运放的Rid 则有i i 0即输入端几乎不取用电流 由此可见 理想运放工作在非线性区时的具有 虚断 的特点 第二节集成运算放大器的线性应用 集成运算放大器与外部电阻 电容 半导体器件等构成闭环电路后 能对各种模拟信号进行比例 加法 减法 微分 积分 对数 反对数 乘法和除法等运算 1 反相比例运算电路 因虚地 所以u u 0 因虚断 i i 0 平衡电阻R R Rf 一 比例运算 代数方程式是uo kui 比例常数k为电路的电压放大系数Auf 节点N的电流方程为iR if i 结论 1 Auf为负值 即uo与ui极性相反 因为ui加在反相输入端 2 Auf只与外部电阻R RF有关 与运放本身参数无关 3 Auf 可大于1 也可等于1或小于1 作业1 电路如下图所示 已知R 10k Rf 50k 求 Auf R 解 Auf Rf R 50 10 5 R R Rf 10 50 10 50 8 3k 2 同相比例运算电路 因虚断 所以i i 0 因虚短 所以u u ui 分压原理 平衡电阻R R Rf 当R 为有限值 包括零 uo ui Auf 1 称电压跟随器 结论 1 Auf为正值 即Uo与Ui极性相同 因为Ui加在同相输入端 2 Auf只与外部电阻R RF有关 与运放本身参数无关 3 Auf 1 不能小于1 4 U U 0 反相输入端不存在 虚地 现象 二 加 减运算电路 代数方程式是y K1X1 K2X2 K3X3 因虚地 u u 0 平衡电阻 R R1 R2 R3 Rf 因虚断 i 0if i1 i2 i3 1 反相求和运算电路 1 求和运算电路 上式可模拟的代数方程式为 式中 当R1 R2 R3 R时 上式变为 当Rf R时 上式中比例系数为 1 实现了加法运算 2 同相求和运算电路 根据 虚断 概念i1 i2 i3 0 R1 R2 R3 R Rf 2 加减运算电路 利用叠加定理求uo与ui1 ui2 ui3各ui4之间的关系 当ui3 ui4短路时 当ui1 ui2短路时 当Ui1 Ui2 Ui3 Ui4共同作用时 若又满足Rf R1 R2 R3 R4时则 如果电路有两个输入 且参数对称 因虚断 所以i i 0 因虚地 所以u u 0 所以iC iR 三 微分和积分运算电路 1 微分运算电路 三 微分和积分运算电路 2 积分运算 因虚断 所以i i 0 因虚地 所以u u 0 所以iR iC 1 过零比较器所谓过零比较器就是参考电压为零 待比较电压 输入信号 和零参考电压 基准电压 在输入端进等比较 输出端得到比较后的电压 第三节集成运算放大器的非线性应用 电压比较器 集成运放工作在开环状态 根据运放工作在非线性的特点 输出电压为 U0M 当输入电压ui0时uo UOM 2 一般单限比较器 图4 22所示的电路是一般单限比较器 UREF为外加参考电压 集成运放的反相输入端接信号ui 同相输入端接参考电压UREF 由于Aod 所以当U U 时 ui UREF时 受电源电压的限制 uo只能为正极限值UOM 即UOH UOM 反之 当U U 时 uo为负极限值 即UOL UOM 其传输入特性如图4 22 b 实线所示 第四节集成运算放大器应用时的事项 一 使用时应注意的问题 1 根据实用电路要求 选择合适型号集成运算放大器的品种繁多 按其性能不同来分类 除高益的通用型集成运放外 还有高输入阻抗 低漂移 低功耗 高速 高压 高精度和大功率等各种专用型集成成运放 2 按各类运放的外形结构特点 型号和管脚标记 看清它的引线 明了各管脚作用 正确进行连线 目前集成运放的常见封装方式有金属壳封装和双列直插式封装 双列直插式有8 10 12 14 16管脚等种类 3 使用前应对所选的集成运放进行参数测量使用运放之前往往要用简易测试法判断其好坏 例如用万用表欧姆 100 或 10 对照管脚测试有无短路和断路现象 必要时还可采用测试设备测量运放的主要参数 4 要注意调零及消除自激振荡由于失调电压及失调电流的存在 输入为零时输出往往不为零 此时一般需外加调零电路 为防止电路产生自激振荡 应在运放电源端加上去耗电容 有的运放还需外接频率补偿电路 第四章结束 第5章负反馈放大电路 第一节反馈的基本概念第二节反馈电路的类型与判别第三节负反馈对放大电路性能的影响 教学目的及要求 1 掌握负反馈的概念及含义 2 理解负反馈放大电路 3 理解负反馈对放大电路性能的影响 教学重点 负反馈的概念及含义 负反馈对放大电路性能的影响教学难点 负反馈对放大电路性能的影响 第5章负反馈放大电路 一 反馈与反馈支路 反馈 就是将放大电路输出信号 电压或电流信号 的全部或一部分 通过反馈支路形成反馈信号引回到输入端 和输入信号作比较 相加或相减 再由比较所得的信号去控制输出 这样一来 输出不但取决于输入 也取决于输出本身 第一节反馈的基本概念 二 反馈放大电路的组成 Xo 输出信号 Xi 输入信号 Xf 反馈信号 Xd 净输入信号 净输入信号 Xd 若Xd Xi 此时 反馈信号削弱了净输入信号 电路为负反馈 若Xd Xi 即反馈信号起了增强净输入信号的作用则为正反馈 第二节反馈电路的类型与判别 一 负反馈放大电路的基本类型 四种基本类型 1 电压串联负反馈 负反馈信号取自输出电压 反馈信号与输入信号相串联 2 电压并联负反馈 负反馈信号取自输出电压 反馈信号与输入信号相并联 3 电流串联负反馈 负反馈信号取自输出电流 反馈信号与输入信号相串联 4 电流并联负反馈 负反馈信号取自输出电流 反馈信号与输入信号相并联 二 反馈极性的判别 瞬时极性法 利用瞬时极性法判别负反馈与正反馈的步骤 1 设接 地 参考点的电位为零 4 若反馈信号与输入信号加在同一输入端 或同一电极 上 两者极性相反时 净输入电压减小 为负反馈 反之 极性相同为正反馈 3 若反馈信号与输入信号加在不同输入端 或两个电极 上 两者极性相同时 净输入电压减小 为负反馈 反之 极性相反为正反馈 晶体管的瞬时极性法 1 NPN 集电极信号电位的瞬时极性与基极的瞬时极性相反 而发射极信号电位的瞬时极性与基极的瞬时极性相同 2 PNP 与NPN相反 通过反馈是存在于直流通路中还是交流通路中 来判断电路引入的是直流反馈还是交流反馈 图 a 直流反馈图 b 交流反馈 三 直流负反馈与交流负反馈 方法总结 电容观察法 判断直流反馈还是交流反馈 电容观察法 反馈通路如果存在隔直电容 就是交流反馈 反馈通路如果存在旁路电容 就是直流反馈 如果不存在电容 就是交直流反馈 四 电压反馈和电流反馈的判别 判断输出端 方法总结 判断输出端反馈电路直接从输出端引出的 是电压反馈 从负载电阻RL的靠近 地 端引出的 是电流反馈 五 串联反馈和并联反馈的判别 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端 同相和反相 上的 是串联反馈 加在同一个输入端 同相或反相 上的 是并联反馈 运算放大器电路反馈类型的判别方法 总结 1 判断输出端反馈电路直接从输出端引出的 是电压反馈 从负载电阻RL的靠近 地 端引出的 是电流反馈 2 判断输入端输入信号和反馈信号分别加在两个输入端 同相和反相 上的 是串联反馈 加在同一个输入端 同相或反相 上的 是并联反馈 试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路 解 因反馈信号取自输出电压 所以是电压反馈 因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上 所以是串联反馈 串联电压负反馈 作业1 试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路 解 因反馈信号取自输出电流 所以是电流反馈 因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上 所以是并联反馈 并联电流负反馈 作业2 作业 P10