《模拟电子技术(童诗白)》课件

第一章常用半导体器件 1 1半导体基础知识 1 2半导体二极管 1 3双极型晶体管 1 4场效应管 1 熟悉P型 N型半导体的基本结构及特性 2 掌握PN结的单向导电性 1 P型 N型半导体的形成和电结构特点 2 PN结的正向和反向导电特性 1 1半导体基础知识 学习目标 学习重点 1 1半导体基础知识一 本征半导体 1 半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体 根据材料的导电能力 可以将他们划分为导体 绝缘体和半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是四价元素 硅原子 锗原子 下一页 上一页 章目录 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 晶体结构是指晶体的周期性结构 即晶体以其内部原子 离子 分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征 空穴 自由电子 2 本征半导体的晶体结构 1 共价键 相邻两个原子共用一对最外层电子 价电子 的组合称为共价键 2 束缚电子 共价键中的价电子受共价键的束缚 3 自由电子 共价键中的电子获得一定能量 热能 后 挣脱共价键的束缚 本征激发 形成自由电子 4 空穴 电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后 共价键中留下一个空位 称为空穴 空穴带正电 下一页 上一页 章目录 共价键 束缚电子 4 4 4 4 4 4 4 4 4 自由电子运动方向与空穴运动方向相反 3 本征半导体中的两种载流子 载流子 能够自由移动的带电粒子 4 本征半导体中载流子的浓度 本征激发 半导体在受热或光照下产生 电子空穴对 的现象称为本征激发 复合 自由电子填补空穴 使两者消失的现象称为复合 动态平衡 在一定温度下 本征激发产生的 电子空穴对 与复合的 电子空穴对 数目相等 达到动态平衡 在一定温度下 载流子的浓度一定 下一页 上一页 章目录 4 4 4 4 4 4 4 4 4 下一页 上一页 章目录 本征半导体载流子浓度为 T 300K时 本征半导体中载流子的浓度比较低 导电能力差 Si 1 43 1010cm 3Ge 2 38 1013cm 3 T 热力学温度 k 玻耳兹曼常数 8 63 10 5eV K K1 与半导体材料载流子有效质量 有效能级密度有关的常量 Si 3 87 1016cm 3 K 3 2 Ge 1 76 1016cm 3 K 3 2 EGO 热力学零度时破坏共价键所需的能量 又称禁带宽度 Si 1 21eV Ge 0 785eV 自由电子 施主离子 电子空穴对 自由电子 二 杂质半导体 1 N型半导体 下一页 上一页 章目录 掺入微量杂质 可使半导体导电性能大大增强 按掺入杂质元素不同 可形成N型半导体和P型半导体 在本征半导体中掺入微量五价元素 硅原子 多余电子 磷原子 多数载流子 自由电子少数载流子 空穴 受主离子 电子空穴对 空穴 2 P型半导体 下一页 上一页 章目录 在本征半导体中掺入微量三价元素 硅原子 空位 硼原子 多数载流子 空穴少数载流子 自由电子 空穴 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 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 三 PN结 1 PN结的形成 下一页 上一页 章目录 形成过程 P型和N型半导体结合 扩散运动 内电场建立 阻碍扩散运动促使漂移运动 动态平衡 形成空间电荷区 PN结形成 多子浓度差 空间电荷区 耗尽层 N区 P区 内电场 自由电子 空穴 2 PN结的单向导电性 1 PN结上加正向电压 下一页 上一页 章目录 空间电荷区 N区 P区 内电场 外电场 外电场将载流子推入空间电荷区 抵消一部分空间电荷 使空间电荷区变窄 削弱内电场 扩散运动增强 漂移运动减弱 平衡被打破 扩散运动大于漂移运动 在电源的作用下 扩散运动不断进行 形成正向电流 PN结处于导通状态 I 2 PN结上加反向电压 下一页 上一页 章目录 空间电荷区 N区 P区 内电场 外电场 外电场与内电场方向一致 空间电荷区变宽 内电场增强 扩散运动减弱 漂移运动增强 平衡被打破 漂移运动大于扩散运动 漂移运动是少子的运动 少子浓度小 形成反向电流很小 PN结处于截止状态 IS 3 PN结单向导电性 3 PN结的电流方程 下一页 上一页 章目录 PN结加正向电压 结电阻很小 正向电流较大 处于导通状态 PN结加反向电压 结电阻很大 反向电流很小 处于截止状态 其中 IS 反向饱和电流 q 电子电量 k 玻耳兹曼常数 T 热力学温度 令 则 4 PN结的伏安特性 下一页 上一页 章目录 1 正向特性 2 反向特性 当u UT时 b 当反向电压超过一定数值U BR 后 反向电流急剧增加 称之为反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿 较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强电场 直接破坏共价键形成 电子空穴对 使得电流急剧增大 电子及空穴与晶体原子发生碰撞 使共价键中电子激发形成自由电子空穴对 5 PN结的电容效应 5 PN结的电容效应 1 2半导体二极管 1 了解二极管的结构和类型2 掌握二极管的伏安特性3 熟悉二极管的使用方法4 了解发光二极管和光电二极管的性能 使用方法5 熟悉稳压管的工作原理及使用方法 1 二极管的伏安特性2 二极管的主要参数3 稳压管的性能 主要参数 学习目标 学习重点 点接触型二极管是由一根很细的金属触丝 如三价元素铝 和一块半导体 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地熔接在一起 三价金属与锗结合构成PN结 并做出相应的电极引线 外加管壳密封而成 由于点接触型二极管金属丝很细 形成的PN结面积很小 所以极间电容很小 同时 也不能承受高的反向电压和大的电流 这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件 也可用来作小电流整流 如2AP1是点接触型锗二极管 最大整流电流为16mA 最高工作频率为150MHz 1 2半导体二极管 一 常见结构 1 2半导体二极管 二极管的符号 b 面接触型 c 平面型平面型二极管是集成电路中常见的一种形式 面接触型二极管的结构如图 b 所示 由于这种二极管的PN结面积大 可承受较大的电流 但极间电容也大 这类器件适用于整流 而不宜用于高频电路中 如2CP1为面接触型硅二极管 最大整流电流为400mA 最高工作频率只有3kHz 二 伏安特性 1 正向导通 硅 0 5V锗 0 1V 伏安特性曲线 开启电压 Uon 导通电压 硅 0 7V锗 0 2V 2 反向截止 反向饱和电流IS 反向击穿电压U BR 3 温度的影响 正向特性 T上升 正向压降下降2 2 5mV 曲线左移 反向特性 T上升 IS增加一倍 曲线下移 二极管是非线性元件 三 主要参数 1 最大整流电流IF 2 最高反向工作电压UR 3 反向电流IR 4 最高工作频率fM 二极管长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 电流过大 结温太高而烧坏二极管 二极管工作时 允许外加的最大反向电压 超过此值 二极管可能击穿 二极管未击穿时的反向电流 IR越小 二极管的单向导电性越好 二极管工作的上限频率 四 二极管的等效电路 1 折线等效电路 二极管伏安特性具有非线性 分析电路时 常用线性元件所构成的电路等效代替 1 理想二极管模型 正向导通压降为零 反向截止电流为零 2 正向导通压降为常数 硅管0 7V 锗管0 2V 反向截止电流为零 1 两种等效电路 2 2 微变等效电路 在Q点附近加上一个微小变化的量 则可用Q点为切点的直线近似微小变化时的曲线 动态电阻 幅值由rd与R分压决定 例题1 试求输出电压uo 解 两个二极管存在优先导通现象 D2导通 D1截止 例题2 试画出电压uo的波形 UREF 解 1 ui UREF时 2 ui UREF时 五 稳压二极管 1 伏安特性 UZ IZmin 反向特性 当I IZmin时 没有稳压效果 电压基本稳定只要电流不超过一定值时 稳压管就不会因发热而损坏 正向导通与二极管相同 当I IZmin时 电压变化量很小 2 主要参数 rZ越小 稳压效果越好 2 稳定电流IZ IZmin 电流小于此值时稳压效果不好 3 额定功耗PZM PZM UZIZM 4 动态电阻rZ 1 稳压值UZ 5 温度系数 IZM 最大稳定电流 温度每变化1度稳压值的变化量 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 工作电流IZ在IZM和Izmin之间变化时 其两端电压近似为常数 所以稳压电路中必须串联一个电阻来限制电流 从而保证稳压管正常工作 保证稳压管有稳压效果必须 六 其它类型二极管 1 发光二极管 具有单向导电性 加正向电压时导通就发光 导通时电压比普通二极管大 电流越大 发光越强 注意不要超过极限参数 发光的颜色取决于所用材料 2 光电二极管 自学 发光二极管符号 用万用表R 100或R 1K档 任意测量二极管的两根引线 如果量出的电阻只有几百欧姆 正向电阻 则黑表笔 即万用表内电池正极 所接引线为正极 红表笔 即万用表内电源负极 所接引线为负极 用万用表判断二级管正负极 1 了解三极管的基本结构 熟悉其放大原理 2 掌握三极管电流分配关系 熟悉其输入 输出特性 1 3晶体三极管 学习目标 1 三极管的电流分配关系和放大原理 2 三极管的输出特性曲线和基本参数 学习重点 一 晶体管的结构及类型 晶体三极管又称双极型晶体管 半导体三极管 三极管等 发射区 集电区 基区 三极管的结构特点 1 发射区的掺杂浓度 集电区掺杂浓度 2 基区要制造得很薄且浓度很低 半导体三极管由两个PN结构成 类型 NPN型和PNP型 c集电极 e发射极 b基极 集电结 Jc 发射结 Je 集电极 二 电流分配与放大原理 1 内部载流子的运动规律 以NPN管共射放大电路为例 Ec EB 放大状态 发射结正偏 集电结反偏 1 发射区向基区扩散自由电子 发射结正偏 多数载流子 自由电子 的扩散运动加强 发射区自由电子不断扩散到基区形成电流IEN 基区空穴扩散到发射区形成电流IEP 发射极电流 IE IEP IEN 发射结 Je 2 自由电子在基区扩散和复合 发射结自由电子浓度很高 继续向集电结方向扩散 IBN 扩散到基区的自由电子 一部分被电源EB拉走 形成电流IBN 集电结 IBN 3 集电区收集从发射区扩散过来的自由电子 发射区扩散到基区并到集电结边缘的自由电子继续运动到集电区 形成电流ICN 集电结反偏 内电场被加强 漂移运动加强 少数载流子的运动形成电流ICBO 是构成IB与IC的一小部分 2 电流分配关系 3 晶体管的共射电流放大系数 静态 直流 当ui为零时 uI EB 动态 交流 1 令ui 0 即静态 定义共射直流电流放大系数 ICEO 穿透电流 IC IB 2 令ui 0 即动态 定义共射交流电流放大系数 iC iB 4 共基电流放大系数 定义共基直流电流放大系数 定义共基交流电流放大系数 三 晶体管的共射特性曲线 1 输入特性曲线 2 UCE增大 曲线右移 UCE越大 从发射区扩散到基区的自由电子被VB拉走的数量越少 故要获得同样的iB 就需加大uBE 3 当UCE 1V时 输入特性曲线重合 1 UCE 0时 相当于两个PN结并联 曲线与PN结伏安特性相似 2 输出特性曲线 放 工作状态 放大 截止和饱和状态三种工作状态 1 放大区 线性区 iC与uCE无关 几乎仅仅受iB控制 IC IB ic iB 发射结正偏 集电结反偏 iC f uCE IB 常数 大 区 2 截止区 IB 0曲线以下 可靠截止uBE 0V 发射结反偏 集电结反偏 模拟电路 放大区数字电路 截止和饱和区 3 饱和区 uBE 0 7V si 且UCE UBE 发射结正偏 集电结正偏 iB的变化对iC影响很小 不成正比 IC IB 四 晶体管的主要参数 1 直流参数 1 共射直流电流放大系数 3 极间反向电流 ICBO是发射极开路时集电结的反向饱和电流 ICEO是基极开路时集电极与发射极间的穿透电流 2 交流参数 1 共射交流电流放大系数 3 特征频率fT 使 的数值下降到1的信号频率 3 极限参数 1 最大集电极耗散功率PCM U BR CEO ICM 2 最大集电极电流ICM 3 极间反向击穿电压 U BR CBO U BR CEO U BR EBO iC超过ICM 晶体管不一定损坏 但 明显下降 五 温度对晶体管特性及参数的影响 1 温度对ICBO的影响 2 温度对输入特性的影响 3 温度对输出特性的影响 六 光电三极管 自学 温度升高 ICBO增大 Si管比Ge管受温度影响小 与PN结正向曲线相似 温度升高 输入曲线左移 温度升高 ICBO增大 增大 输出曲线上移 且间距加大 1 4场效应管 1 熟悉场效应管的结构 分类2 了解场效应管的的工作原理 主要参数和应用 绝缘栅型场效应管的结构特点绝缘栅型场效应管的特性曲线 学习目标 学习重点 1 4场效应管 场效应管 FET 是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件 由于它仅靠一种载流子导电 又称单极型晶体管 1 N沟道增强型MOS管 一 绝缘栅型场效应管 MOSFET 金属层 氧化物层 半导体层 S Source 源极G Gate 栅极D Drain 漏极B Substrate 衬底 1 结构 符号 2 工作原理 当加uDS时 若uGS 0 两个PN结背靠背 不存在导电沟道 即iD 0 uDS uGS uDS 0 uGS 0 uGS排斥SiO2附近的空穴 剩下不能移动的离子 形成耗尽层 衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间 形成一个N型薄层 即反型层 也是d s之间的导电沟道 随着uGS增大 开启电压UGS th 刚刚形成反型层的uGS电压 uDS uGS uGS UGS th uDS 0 由于有导电沟道 会产生漏极电流iD 导电沟道存在电位梯度 导电沟道不均匀 沿着s d方向逐渐变窄 当uDS UGS UGS th 时 导电沟道出现预夹断 当uDS较大 uDS UGS UGS th 时 导电沟道出现夹断 此时 iD的大小与uDS无关 由uGS决定 恒流区 当uDS较小 uDS UGS UGS th 时 uDS增大 iD也增大 可变电阻区 3 特性曲线与电流方程 输出特性曲线 可变电阻区 恒流区 夹断区 预夹断轨迹 iD f uDS 对应不同的UGS下得一簇曲线 夹断区恒流区可变电阻区 输出特性曲线 分三个区域 输出特性曲线 分三个区域 夹断区 uGS109欧 夹断区 输出特性曲线 分三个区域 恒流区 uDS UGS UGS th 导电沟道出现夹断 iD取决于uGS 而与uDS无关 恒流区 输出特性曲线 分三个区域 可变电阻区 导电沟道未夹断前 对应不同的uGS d s间可等效不同的电阻 uDS UGS UGS th 可变电阻区 转移特性曲线与电流方程 UGS th 转移特性曲线 电流方程 IDO uGS 2UGS th 时的iD 恒流区 iD基本上由uGS决定 与UDS关系不大 恒流区 转移特性曲线 输出特性曲线 总结 N沟道增强型 导电沟道是N型 所以衬底是P型 2 N沟道耗尽型MOS管 在G的下方 在SiO2中掺入大量的正离子 即使uGS 0 也会吸引P中的电子形成沟道 想让沟道消失 必须加足够负电压 夹断电压UGS off 反型层消失时的uGS 为负值 符号 N沟道耗尽型MOS管的uGS可以为正 也可以为负 3 P沟道增强型 导电沟道是P型 所以衬底是N型 P沟道MOS的工作原理与N沟道MOS完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同 电流方向不同而已 4 P沟道耗尽型 5 VMOS管 自学 二 结型场效应管 1 结构 以N沟道为例 三个电极 g 栅极d 漏极s 源极 两个PN结夹着一个N型沟道 g栅极 d漏极 s源极 N沟道 P沟道 符号 1 工作原理 N沟道结型场效应管正常工作 应在uGS0 形成漏极电流iD 1 uGS对沟道的控制作用 耗尽层 当 uGS 到一定值时 沟道会完全合拢 uGS UGS off 夹断电压 在栅源间加负电压uGS 令uDS 0 当uGS 0时 导电沟道最宽 当 uGS 时 沟道电阻增大 2 当uGS为0 UGS off 中某一值 uDS对iD的影响 当uDS 0时 iD 0 当uDS 0且较小时 从d s电位依次减小 即耗尽层承受的反向电压由d s逐渐减小 故宽度也沿着d s方向逐渐变窄 uDS iD 当uDS uGS uGS off 即uGD UGS off 时 漏极的耗尽层出现预夹断 当uDS uGS uGS off 即uGD UGS off 时 漏极的耗尽层夹断层加长 uDS增大 电流iD基本不变 3 当uGD UGS off 时 uGS对iD的控制作用 当uGD UGS off 时 当uDS为常量时 uGS的大小影响iD的大小 也就是说 可以通过改变uGS控制iD的大小 随uDS的加大 uGD越来越负 场效应管是电压控制元件 用gm 低频跨导 来描述动态的栅 源电压对漏极电流的控制作用 N沟道结型场效应管小结 1 当uDS uGS uGS off 时 导电沟道未出现夹断 对应不同的uGS d s间可等效不同的电阻 2 当uDS uGS uGS off 时 导电沟道出现预夹断 3 当uDS uGS uGS off 时 导电沟道出现夹断 iD取决于uGS 而与uDS无关 4 uGS 0 PN结反偏 iG 0 3 结型场效应管的特性曲线 1 输出特性曲线 可变电阻区 恒流区 击穿区 夹断区 预夹断轨迹 可变电阻区 导电沟道未夹断前 uDS与iD线性关系 对应不同的uGS d s间可等效不同的电阻 恒流区 导电沟道出现夹断 iD取决于uGS 而与uDS无关 预夹断轨迹 uDS uGS uGS off 夹断区 uGS UGS off 时 导电沟道完全被夹断 iD 0 2 转移特性曲线 UGS off IDSS 恒流区的转移特性曲线近似一条 IDSS 饱和漏电流 uGS 0时 产生预夹断后的漏极电流 1 151 16 三 场效应管的主要参数 1 直流参数 1 开启电压UGS th 增强型MOS管的参数 2 夹断电压UGS off 结型场效应管和耗尽型MOS管的参数 3 饱和漏极电流IDSS 耗尽型管 在UGS 0时产生预夹断后的漏极电流 P49图1 4 13场效应管的符号及特性 2 交流参数 4 直流输入电阻RGS DC 栅 源电压与栅极电流之比 结型管大于107 MOS管大于109 1 低频跨导gm 表示uGS对iD控制作用的强弱 iD uGS iD uGS 某点切线斜率 3 极限参数 2 极间电容 场效应管的三个极之间均存在极间电容 高频电路中 考虑极间电容的影响 管子的最高工作频率fM是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值 1 最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值 2 击穿电压 U BR DS 管子进入恒流区后 使iD骤然增大的uDS U BR GS 结型管 使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS MOS管 使绝缘层击穿的uGS 3 最大耗散功率PDM PDM决定管子允许的温升 PDM确定后 可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线 再根据由IDM和U BR DS可得到管子的安全工作区 四 MOS管使用注意事项 2 在使用场效应管时 要注意漏源电压 漏源电流及耗散功率等 不要超过规定的最大允许值 1 保存MOS管应使三个电极短接 避免栅极悬空 MOS场效应管的输入阻抗非常高 这本来是它的优点 但在使用上却带来新的问题 由于输入阻抗高 当带电荷物体一旦靠近栅极时 在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄放掉 电荷的累积造成了电压的升高 尤其是在极间电容比较小的情况本下 少量的电荷就会产生较高的电压 以至管子还没使用或者在焊接时就已经击穿或者出现指标下降的现象 特别是MOS管 其绝缘层很薄 更易击穿损坏 保存MOS管应使三个电极短接 避免栅极悬空 五 场效应管与晶体管的比较 晶体管噪声在晶体管内 载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏 因而产生不规则变化的电压起伏 这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声 晶体管噪声是晶体管的重要参数 晶体管按工作原理可分为两大类 一类是双极型晶体管 另一类是单极型晶体管 即场效应晶体管 FET 双极型晶体管的噪声按物理来源通常分为四类 热噪声 散粒噪声 配分噪声和1 f噪声 热噪声晶体管的基区或各项电阻上载流子的不规则热运动产生的电流起伏 即为热噪声 由于热噪声频谱是均匀分布的 又称为白噪声 散粒噪声晶体管中少数载流子通过发射极 基极结注入到基区时 少数载流子的数目和速度都有起伏 引起通过结的电流的微小变化 同时 少数载流子在基区内的不规则运动 包括所产生的复合过程也将引起电流起伏 这些都属于晶体管的散粒噪声 散粒噪声与频率无关 配分噪声在晶体管基区中 发射极电流的一部分变为集电极电流 另一部分变为基极电流 有一个由空穴 电子复合作用而定的电流分配系数 复合现象本身同样受到热起伏效应的影响 因此分配系数不是恒定的 它的微小变化也会引起集电极电流的起伏 这就是晶体管的配分噪声 参考资料 1 f噪声在晶体管噪声频谱 图 中 低频时噪声急剧上升 呈1 fn关系 随工艺条件 表面处理和环境气氛等的不同 n取1 2之间 故常称为1 f噪声 低频噪声产生的原因和机理很复杂 尚待深入研究 噪声系数晶体管的噪声系数有多种定义方法 常用输入信噪比与输出信噪比的相对比值作为晶体管的噪声系数 即 噪声系数通常以分贝为单位来表示 降低晶体管噪声的主要途径是提高截止频率和降低基区电阻 场效应晶体管噪声FET的噪声源一般有三项 热噪声 感应栅噪声和1 f噪声 FET的热噪声主要来源于沟道电阻 栅电阻和源串联电阻 感应栅噪声是因为沿沟道的噪声电压起伏通过电容耦合到栅极上感应出的电荷变化而出现的噪声电流 由于沟道的热噪声和感应栅噪声都是由相同的噪声电压在沟道中引起的 因而它们之间有部分相关性 FET噪声频谱与双极型晶体管类似 减小FET噪声的主要途径是提高跨导 减小栅电容和降低寄生电阻RS和Rg值 由于FET是多数载流子器件 从原理上讲 比双极型晶体管工作频率高 噪声系数低 第二章基本放大电路 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 一 放大的概念 放大的概念 将微弱的电信号 电压或电流 放大成较大的电信号 放大的对象为变化量 放大的实质 能量的控制与转换 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用 将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出 对放大电路的基本要求 1 要有足够的放大倍数 电压 电流 功率 2 尽可能小的波形失真 不失真 输出量和输入量始终保持线性关系 另外还有输入电阻 输出电阻 通频带等其它技术指标 本章主要讨论电压放大电路 二 放大电路的性能指标 放大电路的输入电阻Ri 输出电阻Ro 同一个的放大电路 在幅值相同但频率不同的下 也会不同 信号源由和内阻RS串联组成 是放大电路的输入电压 是放大电路的输出电压 1 示意图 放大倍数 输入电阻 从放大电路输入端看进去的等效电阻 2 放大电路的性能指标 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标 其值为输出量与输入量之比 重点 放大电路是信号源的负载 Ri越大 加到放大电路的输入电压越大 信号电压在内阻上的损失越小 信号源 输出电阻 任何放大电路从输出端向左看都可以等效成一个有内阻的电压源 其中的内阻称为输出电阻Ro Ro可以从放大电路本身来计算 也可以通过实验室测量出Uo U o和RL由下式计算 输出电阻Ro越小 负载电阻RL变化时 Uo的变化越小 放大电路的带负载能力越强 在多级放大电路中 后一级放大电路是前一级的负载 即放大电路 的Ri2是放大电路 的负载电阻 而前一级放大电路是后一级的信号源 即放大电路 是放大电路 的信号源 其内阻为Ro1 放大电路 通频带 非线性失真系数 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力 二极管 三极管和场效应管是非线性元件 若输入信号幅值太大 经过放大电路后输出电压会产生非线性失真 输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D 设基波幅值为A1 谐波幅值为A2 A3 则 放大倍数的模随频率变化的曲线 最大不失真输出电压 最大输出功率与效率 当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压 实测时 需定义非线性失真系数D的额定值 输出波形的非线性失真系数刚刚达到额定值时的输出电压即为最大不失真输出电压 一般用有效值Uom表示 在输出信号不失真的情况下 负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率Pom 此时 输出电压达到最大不失真输出电压 直流电源能量的利用率称为效率 其值为最大输出功率Pom与电源消耗功率PV之比 2 2基本共射放大电路的工作原理 一 基本共射放大电路的组成及各元件的作用 晶体管T 放大元件 iC iB 要保证发射结正偏 集电结反偏 使晶体管工作在放大区 基极电源VBB与基极电阻Rb 使发射结处于正偏 并提供大小适当的基极电流 共发射极基本电路 2 2基本共射放大电路的工作原理 一 基本共射放大电路的组成及各元件的作用 集电极电源VCC 为电路提供能量 并保证集电结反偏 集电极电阻RC 将变化的电流转变为变化的电压 当ui 0时 只有直流分量IB IC IE UBE UCE 静态 IB IC UCE IE UBE UBE iB iC uCE iE uBE 有输入信号 ui 0 时 不管电压 还是电流 都会有交流分量和直流分量 且交流分量是叠加在直流分量上面的 UBE uCE VCC iCRC 二 设置静态工作点的必要性 1 静态工作点 Q 求IBQ ICQ IEQ UBEQ UCEQ UBEQ 由KVL VBB IBQRb UBEQ 由KVL UCC ICQRC UCEQ 所以UCEQ VCC ICQRC 列方程求解静态工作点的方法叫估算法 结论 无输入信号电压时 三极管各电极都是恒定的电压和电流 IB UBE和IC UCE IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点 称为静态工作点 2 设置静态工作点的必要性 如果没有静态电流电压 1 静态时 IB 0 IC 0 UCE VCC 管子处于截止状态 2 动态时 如果输入信号足够大 正半周时 管子导通 负半周管子截止 输出波形失真 如果输入信号不够大 管子始终处于截止状态 所以 要使放大电路正常工作 要设置静态工作点 这样才可能使管子在整个周期内都处于放大状态 三 放大电路的工作原理及波形分析 UBE iB iC uCE uBE uBE UBE ubeiB IBQ ib iC ICQ ic iBuCE UCE uce uCE VCC iCRC uce uo 结论 1 加上输入信号电压后 各电极电流和电压的大小均发生了变化 都在直流量的基础上叠加了一个交流量 但方向始终不变 集电极电流 直流分量 交流分量 动态分析 静态分析 结论 2 若参数选取得当 输出电压可比输入电压大 即电路具有电压放大作用 3 输出电压与输入电压在相位上相差180 即共发射极电路具有反相作用 1 晶体管必须工作在放大区 发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置静态工作点 使晶体管工作于放大区 3 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流 4 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压 经电容耦合只输出交流信号 四 放大电路的组成原则 1 组成原则 uCE VCC iCRC 2 常见的两种共射放大电路 直接耦合共射放大电路 无负载时的静态工作点 令 思考 为什么Rb1不可缺少 接负载时的静态工作点 阻容耦合共射放大电路 C1 C2为耦合电容 电解电容 容量大 对直流信号相当于开路 对交流信号相当于短路 阻容耦合放大电路带负载与不带负载时的静态工作点是相同的 当UBE UCC时 由KVL VCC IBQRb UBEQ 由KVL VCC ICQRC UCEQ 所以UCEQ UCC ICQRC 求静态工作点 2 3放大电路的分析方法 一 直流通路和交流通路 分析任务 静态工作点分析 求Q IBQ ICQ UCEQ 动态参数分析 求 Ri Ro 直流通路 无信号时直流电流流经的通路 用来计算静态工作点 电容视为开路 电感视为短路 信号源用短路代替 但内阻要保留 交流通路 有信号时交流电流流经的通路 用来计算电压放大倍数 输入电阻 输出电阻等动态参数 大容量的电容视为短路 直流电源 VCC 用短路代替 直接耦合共射放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 交流通路 信号源 2 阻容耦合共射放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 交流通路 二 图解法 作图求解静态工作点的方法叫图解法 1 由图解法求静态工作点 思考 直流负载线方程怎么得来 直流通路 直流负载线 2 由图解法求电压放大倍数 加入输入信号 uI 3 波形非线性失真的分析 截止失真 当Q点过低时 ib在负半周会出现失真 ic也会出现负半周失真 uce uO 正半周失真 饱和失真 当Q点过高时 ib不会出现失真 但Q点过高进入饱和区ic会出现正半周失真 uce uO 负半周失真 4 交流负载线 阻容耦合共射放大电路 带负载后 最大不失真输出电压变小 不带负载时最大不失真输出电压Uom的求法 阻容耦合共射放大电路 带负载时最大不失真输出电压Uom的求法 三 等效电路法 1 估算法求静态工作点 前已述 此略 对晶体管模型用线性电路来表示 然后应用求解线性电路的方法来进行分析计算 2 直接耦合放大电路 交流负载线与直流负载线相同 5 图解法的适用范围分析Q点位置 分析最大不失真输出电压等 2 微变等效电路法求动态参数1 晶体管的h参数交流小信号模型 微变等效电路 1 晶体管的h参数交流小信号模型 微变等效电路 采用h参数微变等效电路的条件 输入信号幅度很小 把晶体管看成是一个线性双端口网络 输入特性 输出特性 求全微分 h参数的物理意义及求解方法 等效动态电阻 输入曲线基本重合 小 大 小 大 简化的h参数等效模型 微变等效电路 rbe的求法 基区体电阻 几十 几百欧姆 晶体管的微变等效电路 适用于信号较小的情况 以及信号低频的情况 2 微变等效电路法分析共射放大电路的动态参数 2 输入电阻 1 电压放大倍数 微变等效电路 3 输出电阻 那么 因为 令信号源电压 保留内阻 断开负载电阻 然后在输出端加一正弦信号 产生 则输出电阻为 例题1 解 1 求静态工作点 直流通路 2 动态分析 微变等效电路 例题2 解 1 先求静态工作点 直流通路 2 微变等效电路 2 4放大电路静态工作点的稳定 一 工作点稳定的必要性1 引起工作点变化的原因 主要是温度 3 解决办法 二 典型的静态工作点稳定电路 1 电路分析 设 则 基极电位几乎仅取决于Rb1与Rb2对VCC的分压 而与环境温度无关 2 Re的作用 1 基极电位UBQ 引入直流负反馈来稳定静态工作点 Re为负反馈电阻 2 静态工作点的估算 a b 两个电路的直流通路是一样的 推导过程见书第106页 3 动态参数的估算 1 无旁路电容的阻容耦合电路 发射极电阻Re会降低电压放大倍数 所以在电阻Re两端加一旁路电容Ce 2 具有旁路电容的阻容耦合电路 动态参数计算 旁路电容Ce容量很大 对交流来说可视为短路 三 稳定静态工作点的措施 1 利用二极管的反向特性进行温度补偿的电路 前面介绍的电路是引入直流负反馈来稳定静态工作点 下面介绍的电路用温度补偿来稳定静态工作点 IR 二极管反向电流 2 利用二极管的正向特性进行温度补偿的电路 T 0C IC UD UB IC UE UBE T升高 二极管内电流基本不变 2 5晶体管单管放大电路的三种接法 一 基本共集放大电路 电压跟随器 射极跟随器 共射 共集 共基 可以从交流通路的角度考虑是哪种接法 静态 晶体管工作在放大状态 发射结正偏 集电结反偏 1 电路组成 动态 基极输入 发射极输出 交流通路 微变等效电路 2 静态工作点的计算 输入回路 3 动态参数计算 无电压放大作用 但有电流放大作用 交流通路 微变等效电路 输入电阻大 从信号源索取的电流小 输出电阻小 带负载能力强 总结 Au 1 Ri很大 R0很小 常用作多级放大电路的输入级和输出级 也可以用它连接两电路 使它的高输入阻抗与前级电路的高输出阻抗匹配 低输出阻抗与后级的低输入阻抗相匹配 起到缓冲作用 减少了前后级之间的影响 令断开负载电阻 然后在输出端加一正弦信号 产生 微变等效电路 例题 交流通路 1 静态工作点的计算 2 动态参数计算 二 基本共基放大电路 1 静态工作点计算 2 动态参数计算 电路特点 与共射相同 输入电阻比共射小 输出电阻与共射相同 无电流放大作用 2 6晶体管基本放大电路的派生电路 一 复合管放大电路1 复合管的组成及其电流放大系数 复合管组成原则 1 每只管子的电流有合适的通路 且均工作在放大区 2 第一只管子的集电极或发射极接第二只管子的基极 3 复合管的类型同第一只管子 例题 p144习题2 18 2 复合管共射放大电路 微变等效电路 3 复合管共集放大电路 自学 二 共射 共基放大电路 自学 三 共集 共基放大电路 自学 2 7场效应管放大电路 一 场效应管放大电路的三种接法 共源 共漏 共栅 二 场效应管放大电路静态工作点的设置方法及分析估算 以共源电路为例 1 基本共源放大电路 1 用图解法求静态工作点 输入回路 输出回路 2 利用管子的转移特性求Q 结型场效应管和耗尽型绝缘栅型场效应管转移特性 2 自给偏压电路 适用于耗尽型和结型场效应管 电路 a 的分析 自给偏压 靠源极电阻上的电压为栅 源两极提供一个负偏压 电路 b 的分析 3 分压式偏置电路 三 场效应管放大电路的动态分析 1 MOS管的低频小信号模型 g gm的求法 2 从 1 从转移特性上求出Q点的切线的斜率 作图 求gm 2 基本共源放大电路的动态分析 3 基本共漏放大电路的分析 1 静态分析 交流通路 微变等效电路 2 动态分析 第三章多级放大电路 3 1多级放大电路的耦合方式 一 直接耦合1 静态工作点的设置 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合 T2导通时VB2 0 7V 则UCEQ1 0 7V T1管的静态工作点接近饱和区 提高电位VB2 使T1远离饱和区 可在T2发射极接一电阻Re2 VB2 但这样会降低电压放大倍数 可用二极管代替Re2 VB2 1 4V 动态时二极管等效成一个小电阻 VB2 VB2 电阻R的作用是使稳压管工作在稳压的范围里 动态时稳压管等效成一个小电阻 或者可用稳压管代替Re2 NPN管的集电极电位总比基极高 经过几级放大后 输出电位不断升高 甚至越来越接近电源电压 电源电压Vcc是一定的 级数越多 后级静态工作点越难以设置 可使用NPN型和PNP型混合使用的方法解决这个问题 Uo Rc2 Re2 Vcc Uo UEB2 只要适当选取电阻Rc2和Re2 就能使Uo Uo 2 直接耦合电路的优 缺点 缺点 静态工作点相互影响 优点 1 可放大变化缓慢的信号 可放大直流信号 低频特性好 2 易于集成 因为不使用电容 缺点 1 不能放大变化缓慢的信号和直流信号 2 由于有电容 不易于集成 多用于分立元件电路 二 阻容耦合 优点 静态工作点不互相影响 三 变压器耦合 变压器耦合 缺点 不能放大直流信号 低频特性不好 体积大 重量大 优点 工作点不影响 可以实现阻抗匹配 电流传输比 光电耦合器将发光二极管与光电三极管相互绝缘地组合在一起 发光二极管为输入回路 将电能转换成光能 光电三极管为输出回路 将光能再转换成电能 在输出回路常采用复合管以提高电流放大能力 传输特性 CTR比 小 只有0 1到0 5 四 光电耦合1 光电耦合器 参数 图1电路中 当输入信号ui为低电平时 晶体管V1处于截止状态 光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零 输出端Q11 Q12间的电阻很大 相当于开关 断开 当ui为高电平时 v1导通 B1中发光二极管发光 Q11 Q12间的电阻变小 相当于开关 接通 对于开关电路 往往要求控制电路和开关电路之间要有很好的电隔离 这对于一般的电子开关来说是很难做到的 但采用光电耦合器就很容易实现了 光电耦合器的应用之一 组成开关电路 2 光电耦合放大电路 优点 输入与输出在电气上完全隔离 抗干扰能力强 3 2多级放大电路的动态分析 一 电压放大倍数 放大电路中前一级的输出电压是后一级的输入电压 注意 每级电压放大倍数的计算 它的负载电阻就是后一级的输入电阻 二 输入电阻 三 输出电阻 多级放大电路的输出电阻就是最后一级的输入电阻 多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻 注意 第一级是共集放大电路时 输入电阻与第二级的输入电阻有关 注意 最后一级是共集放大电路时 输出电阻与倒数第二级的输出电阻有关 例题1 1 静态分析 第一级 第二级 动态分析 例题2 试求图示电路的 例题3 试求图示电路的 3 3直接耦合放大电路 一 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1 什么是零点漂移 2 产生零点漂移的原因 输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象 主要由温度变化引起 又称为温度漂移 3 克服零点漂移的方法 二 差动放大电路 1 引入直流负反馈 Re 2 温度补偿 p110图2 4 6利用二极管进行温度补偿电路 3 采用差动放大电路 1 抑制零漂的原理 Vc1 Vc2 uo Vc1 Vc2 0温度升高 Vc1 Vc2uo Vc1 Vc1 Vc2 Vc2 0 差动放大电路以增加一套相同电路的代价来换取对零漂的抑制 1 静态 对称 两个输入 2 动态 共模信号 ui1 ui2 差模信号 ui1 ui2 差模信号作用下Re中电流变化为零 Re对差模信号相当于短路 温度变化对电路的影响相当于共模信号作用于电路 抑制共模信号 放大差模信号 差动 任意输入信号 例 ui1 2sintV ui2 4V 则 uic sint 2V uid 2sint 4V 2 参数计算 2 共模放大倍数 Rb一般很小 可忽略 1 静态工作点 3 差模放大倍数 4 共模抑制比 KCMR越大 对差模信号的放大能力越强 对共模信号的抑制能力越强 3 差分电路的四种接法 1 双端输入双端输出 2 双端输入单端输出 静态分析 静态电流IBQ1 IBQ2 ICQ1 ICQ2 动态分析a 输入差模信号 思考 什么时候输入与输出同相 b 输入共模信号 输入共模信号时 Re电阻上的电流变化 iRE 2 iE 发射级电位的变化 uE 2 iERe 所以对每一个晶体管来说 可认为 iE流过阻值为2Re的射级电阻 Re越大 KCMR越大 3 单端输入 双端输出 如果电路参数理想对称 则Ac 0 单端输入 若输入信号为 4 单端输入 单端输出 单端输入 双端输出电路与双端输入 双端输出电路的静态工作点和动态参数的分析完全相同 分析与双端输入 单端输出相同 单端输入 双端输出电路与双端输入 双端输出电路的区别 单端输入 双端输出电路在差模信号输入的同时 伴随着共模信号输入 注意 四种接法的动态参数归纳 输入电阻 双端输出单端输出 单端输入 若输入信号为 C1输出 4 具有恒流源的长尾式差动放大电路 Re越大 KCMR越大 抑制温漂的作用越强 但为了保持原来的静态工作点 电源电压就要增加 且集成电路中 制作大电阻也不容易 故靠增大Re的阻值来提高KCMR是不现实的 用晶体管电路来代替Re 若忽略UBE3的影响 则IC3基本上是恒定电流 恒流源的内阻为无穷大 相当于T1管和T2管的发射极接了一个阻值为无穷大的电阻 使电路的Ac 0 KCMR 5 零点可调的差分放大电路 调零 输入端短路 输出也为零 但T1和T2无法做到绝对对称 所以在前面电路中加一小电阻的电位器Rw在两个管子的发射极之间 例题1 已知Rb 1K Rc 10K RL 5 1K VCC 12V VEE 6V 晶体管的 100 rbe 2K 1 若T1管和T2管的发射极静态电流均为0 5mA 则Re的取值为多少 T1管和T2管的管压降等于多少 2 计算Au Ri和Ro的数值 3 若将电路改成单端输出 用直流表测得输出电压u0 3V 试问输入电压 uI约为多少 设IEQ 0 5mA 且共模输出电压忽略不计 3 直流表测得的输出电压中既含有直流 静态 量又含有变化量 信号作用的结果 例题2 电路如图所示 T1管和T2管的 均为40 rbe均为3k 试问 若输入直流信号 uI1 20mv uI2 10mv 则电路的共模输入电压 uIC 差模输入电压 uId 输出动态电压 uO 解 电路的共模输入电压 uIC 差模输入电压 uId 差模放大倍数Ad和动态电压 uO分别为 由于恒流源差动电路的共模放大倍数为零 故 uO仅由差模输入电压和差模放大倍数决定 例题3 电路如图所示 所有晶体管均为硅管 均为60 rbb 100 静态时 UBEQ 0 7V 试求 1 静态时T1管和T2管的发射极电流 2 若静态时uO 0 则应如何调节Rc2的值才能使uO 0V 3 若静态uO 0V 则Rc2 电压放大倍数为多少 解 1 T3管的集电极电流IC3 UZ UBEQ3 Re3 0 3mA静态时T1管和T2管的发射极电流IE1 IE2 0 15mA 2 若静态时uO 0 则应减小Rc2 u0 IC4 IE4 IB4 IB4 IC2 IRC2 IRC2 RC2 当uI 0时uO 0 T4管的集电极电流IC4 VEE Rc4 0 6mA Rc2的电流及其阻值分别为 电压放大倍数求解过程如下 恒流源电路 只有差模放大倍数 即Au1 Aud1 三 直接耦合互补输出级 OCL 电压放大电路的输出级基本要求 1 输出电阻低 2 最大不失真输出电压尽可能大 提出 互补输出电路 由一对互补三极管组成 T1管为NPN管 T2管为PNP管 它们参数相同 特性对称 这个电路也称为OCL 输出无电容 互补输出电路 一 基本电路 两个三极管基极接在一起 发射极接在一起 输入信号从基极加入 输出接在发射极 静态工作点 T1管 互补输出级电路怎么工作 输入正弦波 ui 0时 T1管导通 T2管截止 u0 ui 画电流走向 ui 0时 T2管导通 T1管截止 u0 ui 画电流走向 电流实际向上 值为负 电压为负 交越失真 输入信号很小时 达不到三极管的开启电压 三极管不导通 因此在正负半周过零处会出现一些非线性失真 称为交越失真 克服交越失真 在输入信号未输入之前 人为地给发射结一个静态偏置 使得一旦加入输入信号 三极管就能导通 2 消除交越失真的互补输出级 动态时 二极管动态电阻很小 可认为T1和T2的基极动态电位近似相等 且均为ui 在输入信号作用下 即使输入电压小于死区电压 也能保证至少有一个管子导通 实现双向跟随 静态时 即在ui 0时 电流从Vcc R1 D1 D2 R2 D1 D2导通 压降为1 4V 使T1和T2都处于临界导通状态 有电流 但由于T1和T2对称 uo 0 在电路中增加R1 D1 D2 R2支路 输入加在D1 D2中间 如果T1 T2都是复合管 称为准互补电路 还有一种克服交越失真的办法 集成电路中 一般