模拟电子技术课件完整(第四版)胡宴如主编

第1章半导体二极管 SemiconductorDiode 1 1半导体的基础知识 1 1 1本征半导体 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 本征半导体 纯净的半导体 如硅 锗单晶体 载流子 自由运动的带电粒子 共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚 硅 锗 的原子结构 简化模型 硅 锗 的共价键结构 自由电子 束缚电子 第1章半导体二极管 本征激发 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子 并在共价键中留下一个空位 空穴 的过程 复合 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程 漂移 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动 两种载流子 电子 自由电子 空穴 两种载流子的运动 自由电子 在共价键以外 的运动 空穴 在共价键以内 的运动 结论 1 本征半导体的电子空穴成对出现 且数量少 2 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电 3 本征半导体导电能力弱 并与温度有关 第1章半导体二极管 1 1 2杂质半导体 一 N型半导体和P型半导体 N型 磷原子 自由电子 电子数 空穴数 电子为多数载流子 多子 空穴为少数载流子 少子 载流子数 电子数 空穴数 电子数 P型 硼原子 空穴 空穴数 电子数 空穴 多子 电子 少子 载流子数 空穴数 施主离子 施主原子 受主离子 受主原子 第1章半导体二极管 二 杂质半导体的导电作用 I IP IN I IP IN N型半导体I IN P型半导体I IP 三 P型 N型半导体的简化图示 第1章半导体二极管 1 1 3PN结 一 PN结 PNJunction 的形成 1 载流子的浓度差引起多子的扩散 2 复合使交界面形成空间电荷区 耗尽层 空间电荷区特点 无载流子 阻止扩散进行 利于少子的漂移 3 扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 第1章半导体二极管 内建电场 二 PN结的单向导电性 1 外加正向电压 正向偏置 forwardbias 内电场 外电场 外电场使多子向PN结移动 中和部分离子使空间电荷区变窄 IF I多子 I少子 I多子 2 外加反向电压 反向偏置 reversebias 外电场使少子背离PN结移动空间电荷区变宽 IR I少子 0 PN结的单向导电性 正偏导通 呈小电阻 电流较大反偏截止 电阻很大 电流近似为零 第1章半导体二极管 扩散运动加强形成正向电流IF 漂移运动加强形成反向电流IR 1 2半导体二极管的结构及特性 1 2 1半导体二极管的结构和类型 构成 PN结 引线 管壳 二极管 Diode 符号 A anode C cathode 分类 按材料分 硅二极管 锗二极管 按结构分 点接触型 面接触型 平面型 第1章半导体二极管 1 2 2二极管的伏安特性 一 PN结的伏安方程 UT 26mV 当T 300 27 C 二 二极管的伏安特性 第1章半导体二极管 正向特性 Uth iD 0 Uth 0 5V 0 1V 硅管 锗管 U Uth iD急剧上升 0 U Uth UD on 0 6 0 8V 硅管0 7V 0 1 0 3V 锗管0 2V 反向特性 IS U BR 反向击穿 U BR U 0 iD IS 0 1 A 硅 几十 A 锗 U U BR 反向电流急剧增大 反向击穿 反向击穿类型 电击穿 热击穿 反向击穿原因 齐纳击穿 Zener 反向电场太强 将电子强行拉出共价键 击穿电压 6V 负温度系数 雪崩击穿 反向电场使电子加速 动能增大 撞击使自由电子数突增 PN结未损坏 断电即恢复 PN结烧毁 击穿电压 6V 正温度系数 击穿电压在6V左右时 温度系数趋近零 第1章半导体二极管 1 2 3温度对二极管特性的影响 T升高时 UD on 以 2 2 5mV C下降 第1章半导体二极管 1 2 4二极管的主要参数 1 IF 最大整流电流 最大正向平均电流 2 URM 最高反向工作电压 为U BR 2 3 IR 反向电流 越小单向导电性越好 影响工作频率的原因 4 fM 最高工作频率 超过时单向导电性变差 PN结的电容效应 第1章半导体二极管 结论 1 低频时 因结电容很小 对PN结影响很小 高频时 因容抗增大 结电容分流 使单向导电性变差 2 结面积小时结电容小 工作频率高 1 3二极管的分析方法 1 3 1理想二极管及二极管特性的折线近似 一 理想二极管 特性 符号及等效模型 正偏导通 uD 0 反偏截止 iD 0U BR 二 二极管的恒压降模型 UD on uD UD on 0 7V Si 0 2V Ge 三 二极管的折线近似模型 UD on 斜率1 rD rD UD on 第1章半导体二极管 UD on 例1 3 1硅二极管 R 2k 分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD 2V和VDD 10V时IO和UO的值 解 VDD 2V 理想 IO VDD R 2 2 1 mA UO VDD 2V 恒压降 UO VDD UD on 2 0 7 1 3 V IO UO R 1 3 2 0 65 mA VDD 10V 理想 IO VDD R 10 2 5 mA 恒压降 UO 10 0 7 9 3 V IO 9 3 2 4 65 mA 结论 VDD大采用理想模型VDD小用恒压降模型 第1章半导体二极管 例1 3 2试求电路中电流I1 I2 IO和输出电压UO的值 解 假设二极管断开 UP 15V UP UN 二极管导通 等效为0 7V的恒压源 UO VDD1 UD on 15 0 7 14 3 V IO UO RL 14 3 3 4 8 mA I2 UO VDD2 R 14 3 12 1 2 3 mA I1 IO I2 4 8 2 3 7 1 mA P N 第1章半导体二极管 例1 3 3二极管构成 门 电路 设V1 V2均为理想二极管 当输入电压UA UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时 求输出电压UO的值 0V 0V 正偏导通 正偏导通 0V 0V 5V 正偏导通 反偏截止 0V 5V 0V 反偏截止 正偏导通 0V 5V 5V 正偏导通 正偏导通 5V 第1章半导体二极管 例1 3 4画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui 15sin t V 作用下输出uO的波形 按理想模型 切换到EWB环境观察桥式整流波形 第1章半导体二极管 例1 3 5ui 2sin t V 分析二极管的限幅作用 ui较小 宜采用恒压降模型 ui 0 7V V1 V2均截止 uO ui uO 0 7V ui 0 7V V2导通V 截止 ui 0 7V V1导通V2截止 uO 0 7V 思考题 V1 V2支路各串联恒压源 输出波形如何 切至EWB 第1章半导体二极管 小结 理想二极管 正偏导通电压降为零相当开关合上 反偏截止电流为零相当开关断开 恒压降模型 正偏电压 UD on 时导通等效为恒压源UD on 否则截止 相当于二极管支路断开 第1章半导体二极管 1 3 2图解法和微变等效电路法 一 二极管电路的直流图解分析 uD VDD iDR iD f uD 1 2V 100 M N 斜率 1 R 静态工作点 也可取UQ 0 7V IQ VDD UQ R 5 mA 二极管直流电阻RD 斜率1 RD iD 第1章半导体二极管 二 交流图解法 电路中含直流和小信号交流电源时 二极管中含交 直流成分 C隔直流通交流 当ui 0时 iD IQ UQ 0 7V 硅 0 2V 锗 设ui sinwt VDD VDD R Q IQ UQ id 斜率1 rD rd UT IQ 26mV IQ 第1章半导体二极管 当ui幅度较小时 二极管伏安特性在Q点附近近似为直线 三 微变等效电路分析法 对于交流信号电路可等效为 例1 3 6ui 5sin t mV VDD 4V R 1k 求iD和uD 解 1 静态分析 令ui 0 取UQ 0 7V IQ VDD UQ R 3 3mA 2 动态分析 rd 26 IQ 26 3 3 8 Idm Udm rd 5 8 0 625 mA id 0 625sin t 3 总电压 电流 0 7 0 005sin t V 3 3 0 625sin t mA 第1章半导体二极管 1 4特殊二极管 1 4 1稳压二极管 一 伏安特性 符号 特性 工作条件 反向击穿 二 主要参数 1 稳定电压UZ流过规定电压时稳压管两端的反向电压值 2 稳定电流IZ越大稳压效果越好 小于Imin时不稳压 3 最大工作电流IZM 最大耗散功率PZM PZM UZIZ 4 动态电阻rZ UZ IZ 越小稳压效果越好 几 几十 第1章半导体二极管 5 稳定电压温度系数CTV 一般 UZ 4V CTV 0 为齐纳击穿 具有负温度系数 UZ 7V CTV 0 为雪崩击穿 具有正温度系数 4V UZ 7V CTV很小 第1章半导体二极管 例1 4 1分析简单稳压电路的工作原理 R为限流电阻 IR IZ IL UO UI IRR 当UI波动时 RL不变 反之亦然 当RL变化时 UI不变 反之亦然 第1章半导体二极管 1 4 2光电二极管 一 发光二极管LED LightEmittingDiode 1 符号和特性 工作条件 正偏 一般工作电流几十mA 导通电压1 2V 2 主要参数 电学参数 IFM U BR IR 光学参数 峰值波长 P 亮度L 光通量 发光类型 可见光 红 黄 绿 显示类型 普通LED 不可见光 红外光 点阵LED 符号 特性 七段LED 第1章半导体二极管 第1章半导体二极管 二 光敏二极管 1 符号和特性 符号 特性 工作条件 反偏 2 主要参数 电学参数 暗电流 光电流 最高工作范围 光学参数 光谱范围 灵敏度 峰值波长 第1章半导体二极管 补充 选择二极管限流电阻 步骤 1 设定工作电压 如0 7V 2V LED UZ 2 确定工作电流 如1mA 10mA 5mA 3 根据欧姆定律求电阻R UI UV IV R要选择标称值 第1章半导体二极管 第1章半导体二极管 1 5半导体二极管特性的测试与应用 1 5 1半导体器件型号命名方法 第二章介绍 1 5 2半导体二极管参数选录 参见P19 20 1 5 3半导体二极管的识别与检测 一 目测判别极性 第1章半导体二极管 二 用万用表检测二极管 在R 1k挡进行测量 红表笔是 表内 负极 黑表笔是 表内 正极 测量时手不要接触引脚 1 用万用表指针式检测 一般硅管正向电阻为几千欧锗管正向电阻为几百欧 正反电阻相差不大为劣质管 正反电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路 第2章半导体三极管 SemiconductorTransistor 2 1双极型半导体三极管 2 1 1晶体三极管 一 结构与符号 发射极E 基极B 集电极C 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 emitter base collector NPN型 PNP型 分类 按材料分 硅管 锗管 按结构分 NPN PNP 按使用频率分 高频管 低频管 按功率分 小功率管 500mW 中功率管500mW 1W 大功率管 1W 第二章半导体三极管 二 电流放大原理 1 三极管放大的条件 内部条件 发射区掺杂浓度高 基区薄且掺杂浓度低 集电结面积大 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 2 满足放大条件的三种电路 共发射极 共集电极 共基极 实现电路 第二章半导体三极管 3 三极管内部载流子的传输过程 1 发射区向基区注入多子电子 形成发射极电流IE ICN 基区空穴运动因浓度低而忽略 2 电子到达基区后 大部分向BC结方向扩散 形成ICN IE 少部分与空穴复合 形成IBN IBN 基区空穴来源 基极电源提供 IB 集电区少子漂移 ICBO ICBO IB IBN IB ICBO 即 IB IBN ICBO 3 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流IC IC IC ICN ICBO 第二章半导体三极管 4 三极管的电流分配关系 当管子制成后 发射区载流子浓度 基区宽度 集电结面积等确定 故电流的比例关系确定 即 IB IBN ICBO IC ICN ICBO IE IC IB 穿透电流 第二章半导体三极管 2 1 2晶体三极管的特性曲线 一 输入特性 输入回路 输出回路 与二极管特性相似 特性基本重合 电流分配关系确定 特性右移 因集电结开始吸引电子 导通电压UBE on Si管 0 6 0 8V Ge管 0 2 0 3V 取0 7V 取0 2V 第二章半导体三极管 二 输出特性 放大区 截止区 饱和区 1 截止区 IB 0的区域 条件 两个结反偏 2 放大区 条件 发射结正偏 集电结反偏 特点 水平 等间隔 3 饱和区 uCE uBE uCB uCE uBE 0 条件 两个结正偏 特点 1 IC IB 2 临界饱和 3 深度饱和 UCE SAT 0 3V 硅管 UCE SAT 0 1V 锗管 uCE uBE 第二章半导体三极管 三 温度对特性曲线的影响 1 温度升高 输入特性曲线向左移 温度每升高1 C UBE 2 2 5mV 温度每升高10 C ICBO约增大1倍 2 温度升高 输出特性曲线向上移 T2 温度每升高1 C 0 5 1 输出特性曲线间距增大 第二章半导体三极管 T2 2 1 2晶体三极管的主要参数 一 电流放大系数 1 共发射极电流放大系数 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 P33例2 1 2 2 共基极电流放大系数 1一般为0 95 0 99 二 极间反向饱和电流 CB间反向饱和电流ICBO CE间反向饱和电流ICEO 第二章半导体三极管 三 极限参数 1 ICM 集电极最大允许电流 超过时 值明显降低 U BR CBO 发射极开路时C B间反向击穿电压 2 PCM 集电极最大允许功率损耗 PC iC uCE 3 U BR CEO 基极开路时C E间反向击穿电压 U BR EBO 集电极极开路时E B间反向击穿电压 U BR CBO U BR CEO U BR EBO P342 1 7 已知 ICM 20mA PCM 100mW U BR CEO 20V 当UCE 10V时 IC mA当UCE 1V 则IC mA当IC 2mA 则UCE V 10 20 20 第二章半导体三极管 2 2单极型半导体三极管 场效应管FET FieldEffectTransistor 类型 结型JFET JunctionFieldEffectTransistor 绝缘栅型IGFET InsulatedGateFET 特点 1 单极性器件 一种载流子导电 3 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 2 输入电阻高 107 1015 IGFET可高达1015 一 增强型N沟道MOSFET MentalOxideSemi FET 2 2 1MOS场效应管 1 结构与符号 P型衬底 掺杂浓度低 用扩散的方法制作两个N区 在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层 用金属铝引出源极S和漏极D 在绝缘层上喷金属铝引出栅极G S 源极Source G 栅极Gate D 漏极Drain 第二章半导体三极管 2 工作原理 1 uGS对导电沟道的影响 uDS 0 反型层 沟道 a 当0 UGS UGS th 开启电压 时无沟道 b 当uGS UGS th 时 衬底中电子被吸引到表面 形成导电沟道 uGS越大 沟道越厚 2 uDS对iD的影响 uGS UGS th DS间的电位差使沟道呈楔形 uDS 靠近漏极端的沟道厚度变薄 预夹断 漏极附近反型层消失 预夹断发生之前 uDS iD 预夹断发生之后 uDS iD不变 第二章半导体三极管 3 转移特性曲线 UDS 10V UGS th 当uGS UGS th 时 uGS 2UGS th 时的iD值 4 输出特性曲线 可变电阻区 uDS uGS UGS th uDS iD 直到预夹断 饱和 放大区 uDS iD不变 uDS加在耗尽层上 沟道电阻不变 截止区 uGS UGS th 全夹断iD 0 第二章半导体三极管 开启电压 截止区 饱和区 放大区 恒流区 可变电阻区 二 耗尽型N沟道MOSFET Sio2绝缘层中掺入大量正离子 在uGS 0时 已形成沟道在DS间加正电压时 形成iD 当uGS UGS off 时 全夹断 输出特性 转移特性 IDSS UGS off 饱和漏极电流 夹断电压 当uGS UGS off 0时 三 P沟道MOSFET 增强型 耗尽型 第二章半导体三极管 2 2 2结型场效应管 2 工作原理 uGS 0 uDS 0 这时uGD UGS off 沟道呈楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断 预夹断 当uDS 预夹断点下移 3 转移特性和输出特性 UGS off 当UGS off uGS 0时 1 结构与符号 第二章半导体三极管 N沟道增强型 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 IDSS N沟道结型 P沟道结型 MOSFET符号 特性的比较 第二章半导体三极管 2 2 3场效应管的主要参数 PDM uDSiD 受温度限制 1 开启电压UGS th 增强型 和夹断电压UGS off 耗尽型 指uDS 某值 使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值 2 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管 当uGS 0时所对应的漏极电流 3 直流输入电阻RGS 指漏源间短路时 栅 源间加反向电压呈现的直流电阻 JFET RGS 107 MOSFET RGS 109 1015 4 低频跨导gm 反映了uGS对的iD的控制能力 单位mS 毫西门子 5 漏源动态电阻rds 6 最大漏极功耗PDM 第二章半导体三极管 2 3半导体三极管电路的基本分析方法 基本思想 根据叠加定理 分别分析电路中的交 直流成分 一 分析三极管电路的基本思想和方法 直流通路 ui 0 称为静态 交流通路 ui 0 动态 只考虑变化的电压和电流 画交流通路原则 1 固定不变的电压源都视为短路 2 固定不变的电流源都视为开路 3 视电容对交流信号短路 基本方法 图解法 在输入 输出特性图上画交 直流负载线 求静态工作点 Q 分析动态波形及失真等 解析法 根据发射结导通压降估算 Q 用小信号等效电路法分析计算电路动态参数 第2章半导体三极管 二 电量的符号表示规则 AA A 大写表示电量与时间无关 直流 平均值 有效值 A 小写表示电量随时间变化 瞬时值 大写表示直流量或总电量 总最大值 总瞬时值 小写表示交流分量 总瞬时值 直流量 交流瞬时值 交流有效值 直流量往往在下标中加注Q A 主要符号A 下标符号 第2章半导体三极管 2 3 1直流分析 一 图解分析法 输入直流负载线方程 uCE VCC iCRC uBE VBB iBRB 输出直流负载线方程 输入回路图解 Q 静态工作点 VBB VBB RB 115k UBEQ IBQ 0 7 20 输出回路图解 VCC VCC RC iB 20 A 1k 2 3 UCEQ ICQ 二 工程近似分析法 第2章半导体三极管 三 电路参数对静态工作点的影响 1 改变RB 其它参数不变 RB iB Q趋近截止区 RB iB Q趋近饱和区 2 改变RC 其它参数不变 RC Q趋近饱和区 第2章半导体三极管 例2 3 1设RB 38k 求VBB 0V 3V时的iC uCE 解 VBB 0V uCE 5V iC 0 则iB 0 5 VBB 3V 0 3 uCE 0 3V 0 5 iC 5mA 第2章半导体三极管 截止状态的等效 iB 0 iC 0 uCE 5V 饱和状态的等效 iB iC VCC RC uCE 0 判断是否饱和 临界饱和电流 若iB IBS 则三极管饱和 例2 3 2耗尽型N沟道MOS管 RG 1M RS 2k RD 12k VDD 20V IDSS 4mA UGS off 4V 求iD和uO iG 0 uGS iDRS iD1 4mA iD2 1mA uGS 8V UGS off 增根 uGS 2V uDS VDD iD RS RD 20 14 6 V uO VDD iDRD 20 14 8 V 在放大区 第2章半导体三极管 2 3 2交流分析 一 图解分析法 线性 非线性 线性 输入回路 A左 B右 输出回路 B左 A右 第2章半导体三极管 例2 3 3 硅管 ui 10sin t mV RB 176k RC 1k VCC VBB 6V 图解分析各电压 电流值 解 令ui 0 求静态电流IBQ 0 7V 30 Q ui IBQ 交流负载线 6 直流负载线 6 ICQ Ucem 第2章半导体三极管 第2章半导体三极管 1 当ui 0 uBE UBEQ iB IBQ iC ICQ uCE UCEQ 放大电路的非线性失真问题 因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围 从而引起非线性失真 1 Q 过低引起截止失真 NPN管 顶部失真为截止失真 PNP管 底部失真为截止失真 不发生截止失真的条件 IBQ Ibm 交流负载线 第2章半导体三极管 2 Q 过高引起饱和失真 ICS NPN管 底部失真为饱和失真 PNP管 顶部失真为饱和失真 IBS 基极临界饱和电流 不接负载时 交 直流负载线重合 V CC VCC 不发生饱和失真的条件 IBQ Ibm IBS V CC 第2章半导体三极管 饱和失真的本质 负载开路时 接负载时 受RC的限制 iB增大 iC不可能超过VCC RC 受R L的限制 iB增大 iC不可能超过V CC R L R L RC RL 第2章半导体三极管 选择工作点的原则 当ui较小时 为减少功耗和噪声 Q 可设得低一些 为提高电压放大倍数 Q 可以设得高一些 为获得最大输出 Q 可设在交流负载线中点 第2章半导体三极管 2 3 2交流分析 二 小信号等效分析法 微变等效 1 晶体三极管电路小信号等效电路分析法 三极管电路可当成双口网络来分析 1 晶体三极管H Hybrid 参数小信号模型 从输入端口看进去 相当于电阻rbe rbe Hie 从输出端口看进去为一个受ib控制的电流源 ic ib Hfe 第2章半导体三极管 2 晶体三极管交流分析 步骤 1 分析直流电路 求出 Q 计算rbe 2 画电路的交流通路 3 在交流通路上把三极管画成H参数模型 4 分析计算叠加在 Q 点上的各极交流量 例2 3 4 100 uS 10sin t mV 求叠加在 Q 点上的各交流量 第2章半导体三极管 12V 12V 510 470k 2 7k 3 6k 解 令ui 0 求静态电流IBQ 1 求 Q 计算rbe 2 交流通路 ube uce 3 小信号等效 4 分析各极交流量 5 分析各极总电量 uBE 0 7 0 0072sin t V iB 24 5 5sin t A iC 2 4 0 55sin t mA uCE 5 5 0 85sin t V 第2章半导体三极管 2 场效应管电路小信号等效电路分析法 小信号模型 从输入端口看入 相当于电阻rgs 从输出端口看入为受ugs控制的电流源 id gmugs 例2 3 4gm 0 65mA V ui 20sin t mV 求交流输出uo 10k 4k 交流通路 小信号等效电路 ui ugs gmugsRS ugs ui 1 gmRS uo gmugsRD 1 gmRS 36sin t mV 第2章半导体三极管 2 4半导体三极管的测试与应用 2 4 1半导体三极管使用基本知识 一 外型及引脚排列 第2章半导体三极管 二 万用表检测晶体三极管的方法 1 根据外观判断极性 3 用万用表电阻挡测量三极管的好坏PN结正偏时电阻值较小 几千欧以下 反偏时电阻值较大 几百千欧以上 指针式万用表 在R 1k挡进行测量 红表笔是 表内 负极 黑表笔是 表内 正极 注意事项 测量时手不要接触引脚 2 插入三极管挡 hFE 测量 值或判断管型及管脚 第二章半导体三极管 三 晶体三极管的选用 1 根据电路工作要求选择高 低频管 2 根据电路工作要求选择PCM ICM U BR CEO应保证 3 一般三极管的 值在40 100之间为好 9013 9014等低噪声 高 的管子不受此限制 4 穿透电流ICEO越小越好 硅管比锗管的小 数字万用表 1 可直接用电阻挡的PN结挡分别测量判断两个结的好坏 注意事项 红表笔是 表内 正极 黑表笔是 表内 负极NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔需要准确测量 值时 应先进行校正 2 插入三极管挡 hFE 测量 值或判断管型及管脚 PC PC ICM C U BR CEO C 第二章半导体三极管 附录 半导体器件的命名方式 第一部分 数字 电极数 2 二极管 3 三极管 第二部分 第三部分 字母 汉拼 材料和极性 A 锗材料N型 B 锗材料P型 C 硅材料N型 D 硅材料P型 A 锗材料PNP B 锗材料NPN C 硅材料PNP D 硅材料NPN 字母 汉拼 器件类型 P 普通管 W 稳压管 Z 整流管 K 开关管 U 光电管 X 低频小功率管 G 高频小功率管 D 低频大功率管 A 高频大功率管 第四部分 第五部分 数字 器件序号 字母 汉拼 规格号 例如 2CP2AP2CZ2CW 3AX313DG12B3DD63CG3DA3AD3DK 常用小功率进口三极管 9011 9018 第二章半导体三极管 3 2三种基本组态放大电路 3 2 1共发射极放大电路 一 电路组成 VCC 直流电源 1 使发射结正偏 集电结反偏 2 向负载和各元件提供功率 C1 C2 耦合电容 隔直流 通交流 RB1 RB2 基极偏置电阻 提供合适基极的电流 RC 集电极负载电阻 将 IC UC使电流放大 电压放大 RE 发射极电阻 稳定静态工作点 Q CE 发射极旁路电容 短路交流 消除RE对电压放大倍数的影响 第3章放大电路基础 二 直流分析 ICQ IBQ IEQ I1 UBEQ 要求 I1 5 10 IBQ BQ 5 10 UBEQ 方法1 估算 UCEQ 稳定 Q 的原理 T IC UE UBE IB IC 第3章放大电路基础 方法 利用戴维南定理求IBQ 第3章放大电路基础 V CC R B1 IBQ 交流通路 1 电压放大倍数 Ro 源电压放大倍数 2 输入电阻 3 输出电阻 Ro RC 三 性能指标分析 小信号等效电路 Ri 第3章放大电路基础 当没有旁路电容CE时 小信号等效电路 1 电压放大倍数 源电压放大倍数 2 输入电阻 3 输出电阻 Ro RC 交流通路 Ri R i 第3章放大电路基础 例3 2 1 100 RS 1k RB1 62k RB2 20k RC 3k RE 1 5k RL 5 6k VCC 15V 求 Q Au Ri Ro 解 1 求 Q 2 求Au Ri Ro Aus Ro RC 3k 去掉旁路电容CE时 1 静态工作点 Q 不变 2 求Au Aus Ri Ro Ro RC 3k 既稳定 Q Au又较大的电路 第3章放大电路基础 3 2 2共集电极放大电路 射极输出器 射极跟随器 IBQ VCC UBEQ RB 1 RE ICQ IBQ UCEQ VCC ICQRE 交流通路 二 性能指标分析 R L RE RL RB R i 一 电路组成与静态工作点 第3章放大电路基础 3 2 2共集电极放大电路 射极输出器 射极跟随器 一 电路组成与静态工作点 IBQ VCC UBEQ RB 1 RE ICQ IBQ UCEQ VCC ICQRE 二 性能指标分析 交流通路 1 Ri R i 第3章放大电路基础 射极输出器特点 Au 1输入输出同相 Ri高 Ro低 用途 输入级输出级中间隔离级 求输出电阻 us 0 u i iRE R s Rs RB 第3章放大电路基础 P74例3 2 2 120 RB 300k r bb 200 UBEQ 0 7VRE RL Rs 1k VCC 12V 求 Q Au Ri Ro 解 1 求 Q IBQ VCC UBE RB 1 RE 12 0 7 300 121 1 27 A IEQ ICQ IBQ 3 2 mA UCEQ VCC ICQRE 12 3 2 1 8 8 V 2 求Au Ri Ro rbe 200 26 0 027 1 18 k Ri 300 1 18 121 51 2 k 第3章放大电路基础 无C3 RB3 Ri RB1 RB2 rbe 1 RE Ri 50 510 45 k Ri RB3 RB1 RB2 rbe 1 RE Ri 100 50 510 115 k 无C3有RB3 接C3 RB3 rbe rbe Ri rbe 1 R B RE 1 R B RE Ri 51 50 10 425 k 提高Ri的电路 50 10k 第3章放大电路基础 3 2 3共基极放大电路 一 求 Q 略 二 性能指标分析 Ri R i Ro Ro RC 特点 1 Au大小与共射电路相同 2 输入电阻小 Aus小 RL 第3章放大电路基础 3 2 4场效应管放大电路 三种组态 共源 共漏 共栅 特点 输入电阻极高 噪声低 热稳定性好 一 直流偏置电路 1 自给偏压电路 栅极电阻RG的作用 1 为栅偏压提供通路 2 泻放栅极积累电荷 源极电阻RS的作用 提供负栅偏压 漏极电阻RD的作用 把iD的变化变为uDS的变化 UGSQ UGQ USQ IDQRS 第3章放大电路基础 2 分压式自偏压电路 调整电阻的大小 可获得 UGSQ 0 UGSQ 0 UGSQ 0 第3章放大电路基础 解方程得 IDQ1 0 69mA UGSQ 2 5V 增根 舍去 IDQ2 0 45mA UGSQ 0 4V 例3 2 4已知UGS off 0 8V IDSS 0 18mA 求 Q 10k 24V 第3章放大电路基础 二 性能指标分析 1 共源放大电路 有CS时 无CS时 RS Ri Ro不变 第3章放大电路基础 2 共漏放大电路 io 第3章放大电路基础 3 3差分放大电路 DifferentialAmplifier 3 3 1差分放大电路的工作原理 特点 a 两个输入端 两个输出端 b 元件参数对称 c ui1 ui2时 uo 0 能有效地克服零点漂移 ICQ1 ICQ2 IEE IEQ1 IEQ2 UCQ1 VEE UBEQ IEEREE IEE VEE UBEQ REE ICQ1 ICQ2 VEE UBEQ 2REE UCQ1 VCC ICQ1RC UCQ2 VCC ICQ2RC Uo UCQ1 UCQ2 0 一 电路组成及静态分析 直流通路 UCQ2 第3章放大电路基础 1 差模输入与差模特性 差模输入 ui1 ui2 差模输入电压 uid ui1 ui2 2ui1 ui2 差模信号交流通路 ic1 ic2 使得 ic1 ic2 uo1 uo2 差模输出电压 uod uC1 uC2 uo1 uo2 2uo1 差模电压放大倍数 带RL时 RL Rid 2rbe 差模输入电阻 差模输出电阻 Rod 2RC 大小相同极性相反 二 动态分析 第3章放大电路基础 例3 3 1已知 80 r bb 200 UBEQ 0 6V 试求 1 静态工作点 2 差模电压放大倍数Aud 差模输入电阻Rid 输出电阻Rod 解 1 ICQ1 ICQ2 VEE UBEQ 2REE 12 0 6 2 20 0 285 mA UCQ1 UCQ2 VCC ICQ1RC 12 0 285 10 9 15 V 2 10 10 5 k Rid 2rbe 2 7 59 15 2 k Rod 2RC 20 k 第3章放大电路基础 2 共模输入与共模抑制比 共模输入 ui1 ui2 共模输出电压 uic ui1 ui2 使得 ie1 ie2 IEQ1 ie1 IEQ2 ie2 ue 2ie1REE 2REE 2REE 共模输入电压 uoc uC1 uC2 0 共模抑制比 用对数表示 大小相同极性相同 共模信号交流通路 第3章放大电路基础 2 若Aud 50 Auc 0 05 求输出电压uo 及KCMR 1 01V 0 99V 解 可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和 1 ui1 1 01 1 00 0 01 V ui2 0 99 1 00 0 01 V uid ui1 ui2 1 01 0 99 0 02 V uiC ui1 ui2 2 1 V 2 uod Auduid 50 0 02 1 V uoc Aucuic 0 05 1 0 05 V uo Auduid Aucuic 1 05 V 60 dB 1 求差模输入电压uid 共模输入电压uic 例3 3 2 第3章放大电路基础 3 3 2具有电流源的差分放大电路 一 电流源电路 增大共模放大倍数的思路 增大RE 用恒流源代替RE 特点 直流电阻为有限值 动态电阻很大 1 三极管电流源 简化画法 电流源代替差分电路中的RE 第3章放大电路基础 2 比例型电流源 第3章放大电路基础 二极管温度补偿 比例型电流源 UBE1 UBE2 多路电流源 镜像电流源 UBE1 UBE2 I0 IREF 微电流源 I0R2 UBE1 UBE2 4 NMOS管电流源 原理电路 当V1 V2几何尺寸相同时 I0 IREF 当V1 V2几何尺寸不同时 I0 IREF 采用V3管代替R 3 镜像和微电流源 第3章放大电路基础 V3 V4构成比例电流源电路 二 具有电流源的差分放大电路 简化画法 能调零的差分电路 第3章放大电路基础 MOS差分电路 例3 3 3 100 1 求静态工作点 2 求电路的差模Aud Rid Ro 解 1 求 Q ICQ1 ICQ2 0 5I0 UCQ1 UCQ2 6 0 42 7 5 2 85 V 2 求Aud Rid Ro Ro 2RC 15 k 第3章放大电路基础 三 差分放大电路的差模传输特性 iC1 iC2 I0 特点 1 iC1 iC2 I0 当ui 0 iC1 iC2 0 5I0 2 当 UT ui UT UT iC1 iC2 ui 3 当 4UT ui 4UT 一只管子截止 另一只饱和 差分电路进入饱和区 输出限幅 第3章放大电路基础 3 3 3差分放大电路的输入 输出方式 一 单端输入 输出方式 1 单端输出 输出为双端输出的一半 较双端输出小 即ui1 ui ui2 0 参数计算与双端输入相同 四种连接方式比较见P88 2 单端输入 第3章放大电路基础 为双端输入的特例 二 双端变单端的转换电路 双端输入单端输出差分电路 具有双端输出效果的单端输出电路 对于差模信号 ic1 ic3 ic4 iL ic2 ic4 V3 V4为镜向电流源 ic2 ic1 2ic1 uo 2ic2RL 使单端输出获得双端输出效果 对于共模信号 ic1 ic2 iL 0 uoc 0 ic1 ic2 电阻桥产生双端输入信号 负载多为一端接地 第3章放大电路基础 ic1 ic2 ic3 ic4 iL 3 4互补对称功率放大电路 引言 3 4 2甲乙类互补对称功率放大电路 3 4 1乙类双电源互补对称功率放大电路 第3章放大电路基础 引言 一 功率放大的特殊要求 Pomax大 三极管尽限工作 Pomax PDC要高 失真要小 二 共发射极放大电路的效率问题 设 Q 设置在交流负载线中点 VCC IC 第3章放大电路基础 三 放大电路的工作状态 甲类 2 乙类 甲乙类 2 Q Q Q 乙类工作状态失真大 静态电流为零 管耗小 效率高 甲乙类工作状态失真大 静态电流小 管耗小 效率较高 甲类工作状态失真小 静态电流大 管耗大 效率低 类型与效率 第3章放大电路基础 3 4 1乙类双电源互补对称功率放大电路 OCL OCL OutputCapacitorless 一 电路组成及工作原理 ui 0V1导通V2截止 iC1 io iE1 iC1 uO iC1RL ui 0V2导通V1截止 iC1 io iE2 iC2 uO iC2RL 问题 当输入电压小于死区电压时 三极管截止 引起交越失真 交越失真 输入信号幅度越小失真越明显 ui 0V1 V2截止 第3章放大电路基础 二 功率和效率 1 输出功率 最大不失真输出电压 电流幅度 最大输出功率 最大输出功率 2 电源功率 PDC IC1VCC IC2VEE 2IC1VCC 2VCCUom RL 最大输出功率时 PDC 2V2CC RL PDC 2V2CC RL 3 效率 PDC 2VCCIcm 实际约为60 最大输出功率时 第3章放大电路基础 令 则 时管耗最大 即 每只管子最大管耗为0 2Pom 5 选管原则 PCM 0 2Pom U BR CEO 2VCC ICM VCC RL 4 管耗 第3章放大电路基础 例3 4 1已知 VCC VEE 24V RL 8 忽略UCE sat 求Pom以及此时的PDC PC1 并选管 解 PDC 2V2CC RL 2 242 8 45 9 W 0 5 45 9 36 4 9 W U BR CEO 48V ICM 24 8 3 A 可选 U BR CEO 60 100V ICM 5A PCM 10 15W 第3章放大电路基础 3 4 2甲乙类互补对称功率放大电路 一 甲乙类双电源互补对称功率放大电路 克服交越失真思路 电路 当ui 0时 V1 V2微导通 当ui 0 至 V1微导通 充分导通 微导通 V2微导通 截止 微导通 当ui 0 至 V2微导通 充分导通 微导通 V1微导通 截止 微导通 交越失真 第3章放大电路基础 克服交越失真的电路 实际电路 第3章放大电路基础 二 复合管互补对称放大电路 1 复合管 达林顿管 目的 实现管子参数的配对 ib1 1 1 ib1 1 1 1 2 ib1 1 1 2 1 2 ib1 1 2 rbe rbe1 1 1 rbe2 2 1 1 ib1 1ib1 ib ic ie 1 2 1 2 ib1 第3章放大电路基础 NPN NPN NPN PNP PNP PNP NPN PNP NPN PNP NPN PNP 构成复合管的规则 1 B1为B C1或E1接B2 C2 E2为C或E 2 应保证发射结正偏 集电结反偏 3 复合管类型与第一只管子相同 第3章放大电路基础 练习 接有泻放电阻的复合管 ICEO1 2ICEO1 R 泻放电阻 减小 第3章放大电路基础 V1 V3 NPN V2 V4 PNP R3 R5 穿透电流泄放电阻 RE1 RE2 稳定 Q 过流保护 取值0 1 0 5 V5 V7 RP 克服交越失真 R4 使V3 V4输入电阻平衡 V8 构成前置电压放大 RB1 引入负反馈 提高稳定性 UE UB8 IB8 IC8 UB3 UE 准互补对称电路 2 复合管互补对称电路举例 第3章放大电路基础 因PNP管 小 采用三只管子复合而成 克服交越失真 第3章放大电路基础 三 甲乙类单电源互补对称放大电路 OTL电路 OutputTransformerless E 电容C的作用 1 充当VCC 2电源 2 耦合交流信号 当ui 0时 当ui 0时 V2导通 C放电 V2的等效电源电压 0 5VCC 当ui 0时 V1导通 C充电 V1的等效电源电压 0 5VCC 应用OCL电路有关公式时 要用VCC 2取代VCC OTL互补对称放大电路 第3章放大电路基础 OCL电路和OTL电路的比较 第3章放大电路基础 3 5多级放大电路 极间耦合形式 直接耦合 电路简单 能放大交 直流信号 Q 互相影响 零点漂移严重 阻容耦合 各级 Q 独立 只放大交流信号信号频率低时耦合电容大 光电耦合 主要用于耦合开关信号 抗干扰能力强 变压器耦合 用于选频放大器 功率放大器等 第3章放大电路基础 一 多级放大电路的组成 输入级 中间级 输出级 Ri Ro 1 直接耦合零漂的影响 3 5 1多级放大电路的组成及性能指标的估算 2 零漂的衡量 将输出的漂移折合到输入端 如 UO1 1V U02 2V A1 103 A2 104 则 UI1 1mV UI2 0 2mV 结论 A1零漂严重 U 0 02V 0 42V 8 42V 第3章放大电路基础 二 多级放大电路性能指标的估算 Au1 Au2 Aun Au1 dB Au1 dB Au2 dB Aun dB 考虑级与级之间的相互影响 计算各级电压放大倍数时 应把后级的输入电阻为前级的负载处理 Ri Ro Ri Ri1 Ro Ron 第3章放大电路基础 例3 5 1 1 60 2 100 rbe1 2k rbe2 2 2k 求Au Ri Ro 解 Ri2 R6 R7 rbe2 33 10 2 2 1 7 k R L1 R3 Ri2 5 1 1 7 1 3 k Ri Ri1 R1 R2 rbe1 1 1 R4 5 7 k Ro R8 4 7k Ri2 Ri 第3章放大电路基础 3 5 2通用型集成运算放大器的组成及基本特性 一 通用型集成运放 OperationalAmplifier 的组成 1 模拟集成电路的特点 1 直接耦合 采用差分电路形式 元件相对误差小 2 大电阻用恒流源代替 大电容外接 3 二极管用三极管代替 B C极接在一起 4 高增益 高输入电阻 低输出电阻 2 组成方框图 输入级 差分电路 大大减少温漂 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 输出级 OCL电路 带负载能力强 偏置电路 镜像电流源 微电流源 第3章放大电路基础 输入级 中间级 输出级 输入级 V1 V3和V2 V4 共集 共基组合差分电路 V5 V6 有源负载 构成双端变单端电路 中间级 V7 V8 复合管 共发射极 具有高增益 输出级 甲乙类互补对称功率放大电路 OCL V11 V13 采用单电源 OTL 时 输入端静态电位应为0 5VCC 3 通用型集成运算放大器741简化电路 第3章放大电路基础 二 集成运算放大器电路符号及理想化条件 1 运放的符号 老符号 现用符号 直流电源接法 VCC VEE 等效电路 u 同相端输入电压 u 反相端输入电压 uid 差模输入电压 uid u u Aud 开环差模电压放大倍数 uo Aud u u 第3章放大电路基础 2 运放特性的理想化 6 UIO 0 IIO 0 理想运放 4 KCMR 5 BW 1 Aud 2 Rid 3 Ro 0 传输特性 理想 线性区 实际 3 理想运放工作在线性区的两个特点 u u 虚短 证明 uo Aud u u Auduid u u uo Aud 0 i i 0 虚断 证明 i uid Rid 0 同理i 0 4 理想运放工作在非线性区的两个特点 1 u u 时 uo UOmax u u 时 uo UOmax 2 i i 0 虚断 第3章放大电路基础 3 6放大电路的调试与测试 自学 实验 单管共发射极电路的测试 EWB仿真 输入电阻的测量方法 输出电阻的测量方法 uot 负载开路时的输出电压 uo 带负载时的输出电压 第3章放大电路基础 4 1负反馈放大电路的组成和基本类型 引言 4 1 2负反馈放大电路的基本类型 4 1 3负反馈放大电路分析 第4章 负反馈放大电路与基本运算电路的应用 4 1 1反馈放大电路的组成及基本关系式 反馈 将电路的输出量 电压或电流 的部分或全部 通过一定的元件 以一定的方式回送到输入回路并影响输入量 电压或电流 和输出量的过程 引