第4章 电路与电子技术讲稿

第四章半导体器件 半导体基本知识半导体二极管半导体三极管场效应管 半导体基本知识 本征半导体杂质半导体PN结及其单向导电性 本征半导体 半导体本征半导体本征半导体的导电性能 半导体 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 它们的共同特征是四价元素 每个原子最外层电子数为4 Si Ge 半导体材料的特性 纯净半导体的导电能力很差 掺杂性 掺入少量杂质导电能力增强 热敏性 温度升高导电能力增强 光敏性 光照增强导电能力增强 还可以产生电动势 本征半导体 经过高度提纯的单一晶格结构的硅或锗原子构成的晶体 或者说 完全纯净 具有晶体结构的半导体称为本征半导体 本征半导体的特点是 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 本征半导体的导电性能 价电子与共价键自由电子与空穴电子电流与空穴电流 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子结合 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 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 自由电子与空穴 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 产生与复合 Si Si Si Si Si 电子电流与空穴电流 在外电场的作用下 有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子 填补这个空穴 同时 在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴 它也可以由相邻原子中的价电子来递补 而在该原于中又出现一个空穴 如此继续下去就好象空穴在运动 而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反 因此空穴运动相当于正电荷的运动 称为空穴电流 空穴 价电子 Si Si Si Si Si 杂质半导体 本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子 但由于数目极少导电能力仍然很低 如果在其中掺入微量的杂质 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 在硅或锗晶体中渗入少量磷 或其它五价元素 每个磷原子有五个价电子故在构成共价键结构时将因多出一个价电子 这样 在半导体中多出的该价电子容易挣脱束缚形成自由电子 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 P型半导体 在硅或锗晶体中渗入硼 或其它三价元素 每个硼原子只有三个价电子故在构成共价键结构时将因缺少一个电子而形成一个空穴 这样 在半导体中就形成了大量空穴 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 空穴的数目远大于自由电子的数目 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 PN结及其单向导电性 PN结的形成PN结的单向导电性 PN结的形成 在一块晶体两边分别形成P型和N型半导体 图中代表得到一个电子的三价杂质 例如硼 离子 带负电 代表失去一个电子的五价杂质 例如磷 离子带正电 由于P区有大量空穴 浓度大 而N区的空穴极少 浓度小 因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散 P N 自由电子 空穴 扩散 扩散 空间电荷区 P区 N区 内电场 多数载流子将扩散形成耗尽层 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 内电场阻碍了多子的继续扩散 空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用 但对少数载流子 P区的自由电子和N区的空穴 则可推动它们越过空间电荷区 进入对方 少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动 漂移 漂移 扩散与漂移 扩散和漂移的动态平衡形成了PN结 扩散和漂移是互相联系 又是互相矛盾的 在开始形成空间电荷区时 多数载流子的扩散运动占优势 但在扩散运动进行过程中 空间电荷区逐渐加宽 内电场逐步加强 于是在一定条件下 例如温度一定 多数载流子的扩散运动逐渐减弱 而少数裁流子的漂移运动则逐渐增强 最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡 达到平衡后空间电荷区的宽度基本上稳定下来 PN结就处于相对稳定的状态 PN结的单向导电性 如果在PN结上加正向电压 即外电源的正端接P区 负端接N区 可见外电场与内电场的方向相反 故内电场被削弱 整个空间电荷区变窄 有利于多数载流子的扩散运动增强 形成较大的扩散电流 正向电流 少子漂移电流微乎其微 此时PN结的电流可认为是多子的扩散电流 其大小受外电路的限流电阻R的制约 在一定范围内 外电场愈强 正向电流 由P区流向N区的电流 愈大 这时PN结呈现的电阻很低 正向电流包括空穴电流和电子电流两部分 空穴和电子虽然带有不同极性的电荷 但由于它们的运动方向相反 所以电流方向一致 外电源不断地向半导体提供电荷 使电流得以维持 如果在PN结上加反向电压 即外电源的正端接N区 负端接P区 可见外电场与内电场的方向相同 因此空间电荷区加厚 内电场增强 多子的扩散极难进行 少子的漂移运动得以顺利进行 通过PN结得电流主要是漂移电流 其值较小 通常为微安级 称为反向饱和电流 此电流受温度影响较大 PN结反偏时 呈现高阻截止状态 由以上分析可见 PN结具有单向导电性 即在PN结上加正向电压时 PN结电阻很低正向电流较大 PN结处于导通状态 加反向电压时 PN结电阻很高 反向电流很小 PN结处于截止状态 思考题 为什么空间电荷区靠近N区的一侧带正电 而靠近P区的一侧带负电 空间电荷区既然是由带电的正负离子形成 为什么它的电阻率很高 半导体二极管 二极管的基本结构和类型二极管的伏安特性二极管的主要参数二极管的应用特殊二极管 二极管的基本结构和类型 半导体二极管 PN结 电极引线 管壳 P区 阳极 正极 N区 阴极 负极 结构 点接触型 面接触型 点接触型二极管一般为锗管如图 a 所示 它的PN结结面积很小 结电容小 因此不能通过较大电流 但其高频性能好 故一般适用于高频小功率的场合工作 也用作数字电路中的开关元件 面接触型二极管 一般为硅管 如图 b 所示 它的PN结结面积大 结电容大 故可通过较大电流 可达上千安培 但其工作频率较低一般用作整流 图 c 是二极管的表示符号 箭头方向表示加正向电压时的正向电流的方向 逆箭头方向表示不导通 体现了二极管的单向导电性能 其文字符号为D 在使用二极管时 必须注意极性不能接错 否则电路非但不能正常工作 还有毁坏管子和其他元件的可能 二极管的伏安特性 所谓二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系 二极管既然是一个PN结 它当然具有单向导电性 所以其伏安特性曲线如图所示 由图中可见 二极管的伏安特性是非线性的 大致可分为四个区 死区 正向导通区 反向截止区和反向击穿区 死区 由图可见当外加正向电压很低时 由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子 除少量较大者外 扩散运动的阻力 故正向电流很小 几乎为零 这一区域称为死区 U V 0 4 0 0 8 50 25 I mA 20 40 60 A 40 20 通常硅管的死区电压约为0 5V 锗管约为0 2V 死区 正向导通区 当外加正向电压大于死区电压时 二极管由不导通变为导通 当电压再继续增加时 电流将急剧增加 而二极管的电压却几乎不变 此时二极管的电压称为正向导通压降 硅管正向导通压降为0 6 0 7V 锗管的正向导通压降为0 2 0 3V 反向截止区 在二极管上加反向电压时 由于少数载流子的漂移运动形成很小的反向电流 反向电流有两个特点 一是它随温度的上升增长很快 一是在反向电压不能超过某一范围 反向电流的大小基本恒定 而与反向电压的高低无关 故通常称它为反向饱和电流 这是因为 少数载流子数目有限 他们基本上都参与导电 所以 在反向电压不超过某一范围时 反向电流很小且基本恒定 此时 二极管呈高阻截止状态 反向击穿区 当外加反向电压过高时 反向电流将突然增加 二极管失去单向导电性 这种现象称为击穿 二极管被击穿后 一般不能恢复原来的性能 便失效了 产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压 UBR U V 0 4 0 0 8 50 25 I mA 20 40 60 A 40 20 反向击穿 击穿发生在空间电荷区 发生击穿的原因 一种是处于强电场中的载流子获得足够大的能量碰撞晶格而将价电子碰撞出来 产生电子空穴对 新产生的载流子在电场作用下获得足够能量后又通过碰撞产生电子空穴对 如此形成连锁反应 反向电流越来越大 最后使得二极管反向击穿 另一种原因是强电场直接将共价键中的价电子拉出来 产生电子空穴对 形成较大的反向电流 二极管的主要参数 二极管的特性除用伏安特性曲线表示外 还可用一些数据来说明 这些数据就是二极管的参数 二极管的主要参数有下面几个最大整流电流ICM最高反向电压URM最大反向电流IRM 最大整流电流ICM 最大整流电流是指二极管长时间使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 当电流超过允许值时 将由于PN结过热而使管子损坏 最高反向电压URM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 也是二极管正常工作时所允许加的最高反向电压 一般是反向击穿电压的一半或三分之二 最大反向电流IRM 它是指在二极管上加最高反向工作电压时的反向电流值 反向电流越小 说明二极管的单向导电性能越好 但反向电流受温度的影响很大 使用中应加以注意 硅管的反向电流较小 一般在几个微安以下 锗管的反向电流较大为硅管的几十到几百倍 除此之外 二极管的参数还有最高工作频率 结电容值 工作温度和微变电阻等 二极管的应用 二极管的应用范围很广 主要都是利用它的单向导电性 它可用于整流 检波 元件保护以及在脉冲与数字电路中作为开关元件 举例说明 应用一 电平控制电路 如图 求输出端F的电位VF 解 因为A端电位比B端电位高 所以 DA优先导通 设二极管的正向压降是0 3V 则VF 2 7V 当DA导通后 DB上加的是反向电压 所以 DB截止 DA起钳位作用 将VF钳制在2 7V DB起隔离作用 应用二 半波整流电路 如图 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 应用三 检波电路 Ui是被调制的高频信号 因二极管的单向导电作用 把载波信号的负半周截去 再经电容C将高频成分旁路 在负载RL两端得到输出电压uo就是原来的低频信号 应用四 削波电路 电路如图 设 试分析输出电压的波形 分析 假设D两端断开 开路电压 应用五 二极管 续流 保护电路 开关S闭合 直流电源E接通电感量较大的线圈 全部电流流过电感线圈开关S断开 电流迅速降为零 电感量较大的线圈两端产生很大的负的暂态电压 如没有其他电路 将在开关两端产生电弧 损坏开关 有二极管 电压0 7V范围内 稳压二极管 结构和工作原理稳压的符号与稳压电路伏安特性与稳压原理主要参数 结构和工作原理 稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管 其特殊之处在于它工作在特性曲线的反向击穿区 正常工作时处于反向击穿状态 并通过制造工艺保证PN结不会被热击穿 所以 在切断电源后 管子能恢复原来的状态 在电路中与适当电阻配合 能起到稳定电压的作用 故称其为稳压管 伏安特性与稳压电路 稳压管的伏安特性曲线的反向击穿特性比普通二极管的要陡些 稳压的符号与稳压电路 R是限流电阻 RL是负载电阻 稳压管的主要 参数 稳定电压UZ 稳压管正常工作时的端电压 一般为3 25V 电压温度系数 u 稳压管的稳压值受温度变化影响的系数 稳定电流IZ 稳压管正常工作时的电流 IZ在IZmin IZmax间取值 动态电阻rz 稳压管在反向击穿区内的电压变化量与相应电流变化量之比值 最大允许耗散功率PZM 保证管子安全工作时所允许的最大功率损耗 发光二极管 发光二极管通以电流将发光 发光二极管的符号如图 a 所示 伏安特性如图 b 所示 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 发光二极管常用来做显示器件 发光二极管的伏安特性 复习思考题 为什么稳压管的动态电阻越小 则稳压愈好 利用稳压管或普通二极管的正向压降 是否也可以稳压 半导体三极管 三极管的结构三极管的伏安特性 工作原理三极管的主要参数 三极管的结构 半导体三极管 晶体管 是最重要的一种半导体器件 广泛应用于各种电子电路中 晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种 平面型主要是硅管 锗管都是合金型 C 三极管的结构 有NPN和PNP两类晶体管 它们都具有三层两结的结构 三极管的结构 每一类都分成基区 集电区和发射区 分别引出基极B 发射极E和集电极C 每一类都有两个PN结 基区和发射区之间的结称为发射结 基区和集电区之间的结称为集电结 三极管的伏安特性 工作原理 NPN型和PNP型晶体管的工作原理类似仅在使用时电源极性联接不同而已 下面以NPN型晶体管为例来分析讨论 三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路 共发射极电路 共集电极电路和共基极电路电流放大原理三极管的伏安特性 三极管的三个电极之间可以组成不同的输入回路和输出回路 共发射极电路 基极和发射极组成输入回路 集电极和发射极组成输出回路 最常用 共集电极电路 基极和集电极组成输入回路 发射极和集电极组成输出回路 如射极输出器 共基极电路 集电极和基极组成输入回路 发射极和基极组成输出回路 电流放大原理 如图 对NPN型晶体管加EB和EC两个电源 接成共发射极接法构成两个回路 改变电阻RB 则基极电流IB 集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化 电流方向如图中所示 电流放大原理 通过实验及测量结果 得 IC 或IE 比IB大得多 如表中第三 四列数据 电流放大原理 电流放大作用 IB的微小变化可以引起IC的较大变化 第三列与第四列的电流增量比 当IB 0 基极开路 时 很小 约1微安以下 为集射极穿透电流 电流放大原理 内部载流子运动规律 1 发射区向基区扩散电子 发射结处于正向偏置 掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散 2 电子在基区的扩散和复合 基区厚度很小 电子在基区继续向集电结扩散 但有少部分与空穴复合而形成IBE IB 占IE固定比例 电流放大原理 3 集电区收集扩散电子 集电结反偏内电场增强 对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区 形成集电极电流 ICE IC 占IE固定比例 放大作用的内部条件 外部条件 电压 基区很薄且掺杂浓度很低 小结 在晶体管中 不仅IC比IB大很多 当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化晶体管放大的外部条件 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置放大作用的内部条件 基区很薄且掺杂浓度很低 三极管的伏安特性 三极管的伏安特性反映了三极管电极之间电压和电流的关系 要正确使用三极管必须了解其伏安特性 输入特性输出特性 输入特性 输入特性 三极管集电极与发射极之间加一定电压 即 基极电流IB和基极与发射极之间UBE之间的关系 当UCE 0时 输入特性相当于两个并联二极管的特性 当UCE 0时 输入特性右移 当UCE 1V后 输入特性基本重合 输出特性 输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时 输出电路 集电极电路 中集电极电流IC与集 射极电压UCE之间的关系曲线 在不同的IB下 可得到不同的曲线 即晶体管的输出特性曲线是一簇曲线 见下图 各态偏置情况 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 截止 放大 饱和 复习思考题 三极管按制造工艺分可分为 按结构分可分为 发射结正偏 集电结反偏 三极管工作在什么状态 发射结和集电结均反偏 三极管工作在什么状态 发射结和集电结均正偏 三极管工作在什么状态 4 2教学基本要求 1 理解单管共射极放大器的工作原理和性能特点 掌握静态工作点的估算和简化微变等效电路的分析方法 理解电压放大倍数 输入电阻和输出电阻的概念 2 了解射极输出器的基本特点 了解基本的互补对称功率放大器的工作原理 3 了解场效应管放大器偏置电路的构成 能简化小信号电路模型 4 2 2放大电路的基本概念及性能指标 技术指标 增益A 输入电阻Ri 输出电阻R0 放大电路的主要功能是将信号源送来的信号放大后送给执行部件 放大器的技术指标 增益A 指放大电路中放大器的响应与激励的比值 如上图的电压增益 输入电阻Ri 从放大器输入端口看入的等效电阻 用以说明放大器获取信号的能力 输出电阻Ri 从放大器输出端口看进去的戴维南等效电阻 用以说明带负载的能力 放大电路的组成 1 交流放大电路中既有直流电源 又有信号源 当交流信号电压ui 0时 电路中只有直流电流流通 当ui 0时 电路电流中既有直流分量 又有交流分量 因此 它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 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 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 放大电路的静态分析 2 1 静态工作点的近似估算法 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 放大电路的动态分析 2 非线性元件的线性化 输入特性的线性化 设三极管的静态工作点远离截止区 在工作点处 我们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 当电压有一个增量 UBE时 其电流也有一个相应的增量 IB 于是 由切线的斜率求得 放大电路的动态分析 3 非线性元件的线性化 也就是说 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曲线 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 4 非线性元件的线性化 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 在小信号时 rbe是一常数 低频小功率管可用公式估算 其值一般为几百 几千欧姆 放大电路的动态分析 5 非线性元件的线性化 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 这个合适的基极电流和基极电压就是放大电路的静态工作点 放大电路的动态分析 6 非线性元件的线性化 输出特性的线性化处理 由图可见 输出特性近似水平直线 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 只有当ib发生变化时 ic才会发生变化 且ic ib 只受ib的控制 于是 三极管的输出端可用一个受控电流源来等效 该受控电流源的内阻的大小为 放大电路的动态分析 7 非线性元件的线性化 输出特性的线性化处理 rce很大 用开路代替 放大电路的动态分析 8 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 9 放大电路的动态分析 放大电路 放大电路的动态分析 10 放大电路的动态分析 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 放大电路的动态分析 11 放大电路的分析举例 1 静态工作点分析 采用近似估算法 说明晶体管确实工作在放大区 例1 对放大电路进行分析计算 放大电路的动态分析 12 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 最大不失真输出幅度 放大电路的动态分析 13 放大电路的分析举例 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 基极电流 放大电路的动态分析 14 动态分析 画出放大电路的微变等效电路 电压放大倍数 分压式偏置放大电路 若使 固定偏置电路 分压式偏置电路 分压式偏置放大电路 UB不随温度变化 与晶体管参数无关 分压式偏置放大电路 RE越大 稳定效果越好 但RE消耗能量也增加 直流压降随之增大 会减小输出电压幅度 交流分量ie通过RE 也会产生交流压降 降低放大电路的放大倍数 为此 并联一个较大容量的电容CE 称为旁路电容 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 如果在放大电路中将输出信号从发射极取出 这样 就需要在发射极接一个电阻 而同时 集电极电阻失去了将电流变化转换成电压变换的作用 所以短接 这样就构成了射极输出器电路 射极输出器 2 静态分析 直流通路 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 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 射极输出器微变等效电路 射极输出器 4 动态分析 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 所以 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 由上面分析可见 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 可见 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 射极输出器 8 射极输出器的特点 放大倍数接近于1 输出电压与输入电压同相 输入电阻高 输出电阻低 射极输出器的用途 1 用作多级放大电路的输入级 以减轻信号源负担 利用输入电阻高的特性 2 用作多级放大电路的输出级 以提高放大电路的带载能力 利用输出电阻低的特性 3 作为两个共发射极放大电路之间的中间缓冲级 以改善工作性能 利用其阻抗变换作用 4 作为功率放大器 4 4多级放大器 概述单个晶体管构成的放大电路不能满足工程的实际需要 为此将多个单元放大电路通过级联方式构成一类性能更为优越的放大电路 即多级放大电路 多级放大器在应用中作为整体 其电路性能可以通过各级放大单元安排来完成 如电路的放大能力 输入电阻 输出电阻 4 4多级放大器 多级放大器及级间耦合方式 直接耦合 直流电路直接连通 无相对独立性 不利于静态工作点设置 变压器耦合 静态工作点相对独立 体积大笨重不利于集成化 常用于中频信号 电容耦合 静态工作点相对独立 不适于信号变化缓慢的低频信号 光电耦合 静态工作点独立 符合集成化趋势 级联 多级放大器中各单元放大电路之间的连接 种类 直接耦合变压器耦合电容耦合光电耦合 4 4多级放大器 多级放大器的交流分析 放大器的总输入电阻 通常为 放大器的总电压增益 放大器的总输出电阻 通常为 互补对称功率放大器 174页 概述放大器的三种工作状态互补对称功率放大器 概述 前面主要将微弱的小信号进行放大 关心的是波形的失真和放大能力 没有提及功率损耗和效率问题 但实际当中还需要对信号进行功率放大以推动执行机构工作 而功率放大电路中的电压和电流就不再象电压放大电路中那样是微弱的信号了 故在分析中就必须考虑功率损耗和效率问题 效率 负载得到的交流信号功率与电源供给的直流电源的平均功率之比值 互补对称功率放大器 设计思想 因为 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 Ic为交直流叠加后的电流 如它正 负半周对称 则 互补对称功率放大器 设计思想 放大器的效率为 放大器的损耗为 放大器的三种工作状态 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 甲类工作状态的效率很低 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 特点 放大器的三种工作状态 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 特点 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 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 特点 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 功率放大电路的组成 射极输出器具有功率放大的作用 所以 采用射极输出器作为基本放大形式 大电容和变压器都无法实现集成 所以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 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 但是 降低工作点的直接后果就是输出波形的失真 为此 采用两个异型管 PNP NPN 组成一个新的放大电路 让它们分别工作在输入信号的两个半波 从而得到完整的输出信号 互补对称功率放大器 互补对称功率放大器 互补对称功率放大器 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 4 5放大器中的负反馈 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 基本放大电路中 有源器件 晶体管 具有信号单向传递性 被放大信号从输入端输入 放大以后输出 只有输入信号对输出信号的控制 如果在电路中存在一些通路 将输出信号的一部分反送到放大器的输入端 与外部输入信号叠加 产生基本放大电路的净输入信号 实现输出信号对输入的控制 即称构成了反馈 负反馈的基本概念 2 反馈电路的组成 任何带有负反馈的放大电路都包含两部分 一个是不带负反馈的基本放大电路A 另一个是反馈电路F 它是联系放大电路输出端和输入端的环节 一般由电阻和电容元件组成 基本放大电路 比较环节 反馈电路 负反馈的基本概念 3 反馈电路的组成 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 按反馈信号在输出信号取样分 1 电压 2 电流按反馈信号与输入信号的比较形式分 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 按信号的关系分 负反馈的类型 2 按信号的关系分 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 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 如果在直流通路中反馈消失 则反馈仅为交流反馈 这种情况一般在反馈通路中接有隔直流电容 如果反馈在交流通路中消失 则反馈仅为直流反馈 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 判断 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 3 反馈组态的判别 连接位置判别法 负反馈的类型 5 判断 4 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 按照放大电路的工作特性 沿反馈环一周标出各点信号的瞬时极性 直至反馈支路在输入端的连接点 比较注入信号极性和反馈回的信号极性 根据反馈组态判别反馈的极性 负反馈的类型 6 判断 对于串联反馈 如果注入极性与反馈极性相同 负反馈如果注入极性与反馈极性相反 正反馈 对于并联反馈 如果注入极性与反馈极性相同 正反馈如果注入极性与反馈极性相反 负反馈 负反馈的类型 7 判断举例 反馈支路 电压反馈 串联反馈 串联电压负反馈 负反馈 负反馈的类型 10 判断举例 反馈支路 电流反馈 并联反馈 并联电流负反馈 负反馈 负反馈的类型 11 判断举例 分压式偏置电路 反馈支路 电流反馈 串联反馈 负反馈 串联电流负反馈 负反馈的类型 12 判断举例 射极输出器 反馈支路 电压反馈 串联反馈 负反馈 串联电压负反馈 负反馈的类型 13 反馈支路 电压反馈 串联反馈 负反馈 交流电压串联负反馈 例题3判断下列电路的反馈类型 RE1 RE3本级交直流 RE2本级直流串联电流负反馈 串联电流负反馈 RF级间交流串联电压负反馈 负反馈对放大器性能的影响 1 负反馈降低放大电路的放大倍数 低放大电路的放大倍数 降低放大电路的放大倍数 可见引入负反馈会降低放大电路的放大倍数 这是负反馈带来的唯一缺点 但是 与此同时 它也带来了很多好处 如提高放大倍数的稳定性 改善波形失真等 负反馈对放大器性能的影响 2 负反馈提高放大电路的稳定性 稳定的含义是不变性 放大电路的稳定性包含静态工作点的稳定 输出电流的稳定 输出电压的稳定 放大倍数的稳定等 直流负反馈稳定静态工作点 分压式偏置电路 电流负反馈稳定输出电流 分压式偏置电路 RE无旁路电容 电压负反馈稳定输出电压 射极输出器 放大倍数的稳定 提高放大电路的稳定性 由于反馈放大电路中 输入输出变量的不同