电工学第四章

1、第第 4章半导体电路基础章半导体电路基础 本章将介绍常用半导体器件二极管、三极本章将介绍常用半导体器件二极管、三极管和场效应晶体管管和场效应晶体管 本章还将讨论半导体器件的基本原理、特本章还将讨论半导体器件的基本原理、特性以及非线性器件基本电路的分析和运用。性以及非线性器件基本电路的分析和运用。4.1半导体器件的基本知识及半导体半导体器件的基本知识及半导体二极管二极管4.2双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路4.3场效应晶体管放大电路场效应晶体管放大电路4.4 多级放大电路多级放大电路4.5 负反馈放大电路负反馈放大电路4.6 差分放大电路差分放大电路4.1半导体器件的基本知识及半

2、导体器件的基本知识及半导体二极管半导体二极管半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，材料有：硅、锗、砷掺杂性：掺杂性：掺入微量杂质元素，导电能力增强掺入微量杂质元素，导电能力增强热敏性：热敏性：温度升高，导电能力增加温度升高，导电能力增加光敏性：光敏性：受光照射后，电阻变小，产生电动势受光照射后，电阻变小，产生电动势1本征半导体本征半导体本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。 SiSiSiSi本征半导体中自由本征半导体中自由电子和空穴的形成电子和空穴的形成共价键共价键用得最多的半导体是硅或锗用得最多的半导体是硅或锗, ,它们它们都是四价元

3、素。将硅或锗材料提纯并形都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量得一定能量( (热、光等热、光等) )后，少量价电子后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为即可挣脱共价键的束缚成为自由电子自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴空穴。自由电子和空穴总是成对出现。自由电子和空穴总是成对出现, ,同时又不断复合。同时又不断复合。自由电子自由电子空穴空穴在外电场的作用下，在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定自由电子逆着电场方向定向运动形成向运动形成电子电流电子电流。带。带正电的空穴吸引

4、相邻原子正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，成空穴顺着电场方向移动，形成形成空穴电流空穴电流。可见在半导体中有可见在半导体中有自由电子自由电子和和空穴空穴两两种载流子，它们都能参与导电。种载流子，它们都能参与导电。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 外电场方向外电场方向SiSiSiSiSiSiSi2杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子多余价电子在硅或锗

5、的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体型半导体。 P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个

6、电子价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为流子，将这种半导体称为 P 型半导体。型半导体。 SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴价电子填补空位价电子填补空位用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半型半导体区域和导体区域和 N 型半导体区域型半导体区域,在这两个区域

7、的交界处就形成了在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。 P 区区N 区区N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合PN结结内电场方向内电场方向3PN结及其单向导电性结及其单向导电性外加正向电压外加正向电压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使 P 区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N 区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电

8、流成较大的正向电流P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER外电场方向外电场方向IR外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过 PN 结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行空间电荷区变宽空间电荷区变宽 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型点接触型金锑合金金锑合金面接触型面接触型N型锗型锗 正

9、极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳4半导体二极管半导体二极管表示符号表示符号正极正极负极负极D二极管和二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为 0.5 V。导。导通时的正向压降，硅管约

10、为通时的正向压降，硅管约为 0.6 0.7 V。 604020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性在二极管上加反向电压在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种反向电流将突然增大。这种现象称为现象称为击穿击穿，二极管失去，二极管失去单向导电性。产生击穿时的单向导电性。产生击穿时的电 压 称 为 反 向 击 穿 电 压电 压 称 为 反 向 击 穿 电 压 U(BR)。

11、 I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0锗管死区电压为锗管死区电压为 0.1V，导通时的正向压降为，导通时的正向压降为 0.2 0.3 V。死区正向导通反向截止区反向击穿区1最大整流电流最大整流电流 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。管的最大正向平均电流。2反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URM它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。是反向击穿电压的一半

12、或三分之二。3反向峰值电流反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 例例 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA = +3 V， VB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。 解解 因为 VA 高于 VB ，所以 DA 优先导通。如果二极管的正向压降是 0.3 V，则 VY = +2.7 V。当 DA 导通后，DB 因反偏而截止。在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在 +2.7 V。 二极管的应用范围很广二极管的应用范围很广, ,主要都是利用它的单向导电性。主要

13、都是利用它的单向导电性。它可用作它可用作整流、检波、限幅、元件保护整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作以及在数字电路中作为为开关开关元件。元件。DA 12VYVAVBDBR整流整流：iu0uR检波检波：iu0uLRC发射出去。信号上由天线将低频信号装载在高频载波削波削波：iu0uRE续流续流：ERLuSDL稳压二极管是一种特殊的面稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。符号如下图所示。 稳压稳压二极管工作于反二极管工作于反向击穿区。向击穿区。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ5特殊二极管特殊二极管

14、稳压二极管的主要参数有下面几个：稳压二极管的主要参数有下面几个：1稳定电压稳定电压 UZ4稳定电流稳定电流 IZ 3动态电阻动态电阻 rZ2电压温度系数电压温度系数 U5最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZMZZZIUr 例例 图中通过稳压管的电流图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流电是限流电阻，其值是否合适阻，其值是否合适？IZDZ+20 VR = 1.6 k UZ = 12 V IZM = 18 mAIZIZ IZM ，电阻值合适。，电阻值合适。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I) 1 . 1 . 4(142.P发光二极管通常用砷化镓、发光二极

15、管通常用砷化镓、磷化镓等制成。通以电流发出能磷化镓等制成。通以电流发出能量。其表示符号如下图所示。量。其表示符号如下图所示。 作业:P.199 2、3、5、6N 型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BECN 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型N 型锗型锗ECB铟球铟球铟球铟球PP( (b) )合金型合金型4.24.2双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路NPN 型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极 C基极基极 B发射极发射极 EP不论平面型或合金型，都分成不论平面型或合金型，都分成 NPN 或或 PNP 三层，因此三层

16、，因此又把晶体管分为又把晶体管分为 NPN 型型和和 PNP 型型两类。两类。ECB符号符号T集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区N集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPPNPNP 型三极管型三极管CBET符号符号我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具型管，为了使晶体管具有放大作用，电源有放大作用，电源 EB 和和 EC

17、 的极性必须使的极性必须使发射结上发射结上加正向电加正向电压压( (正向偏置正向偏置) )，集电结加反向电压，集电结加反向电压( (反向偏置反向偏置) )。mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100设设EC = 6 V；改变可变电阻改变可变电阻 RB ，则，则基极电流基极电流 IB、集电极电、集电极电流流 IC 和发射极电流和发射极电流 IE都发生变化，测量结果都发生变化，测量结果如下表：如下表：基极电路基极电路集电极电路集电极电路1三极管的伏安特性及主要参数三极管的伏安特性及主要参数mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG1

18、00基极电路基极电路集电极电路集电极电路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据结论结论：( (1) )BCEIII 符合符合KCL定律定律( (2) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得大得多。从第三列和第四列的数据可得这就是晶体管的电流放大作用。这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态称为共发射极静态电电流流( (直流直流) )放大放大系数。电流放大作

19、用还体现在基极电流的少量系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化可以引起集电极电流较大的变化 IC 。 4002. 080. 004. 006. 050. 130. 2BC II 式中，式中， 称为称为动态动态电流电流( (交流交流) )放大放大系数。系数。CB1.5037.50.04II ，3 .3806. 030. 2BC II ( (3) ) 当当 IB = 0( (将基极开路将基极开路) )时，时，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0UBC VB VE对于对于 PNP 型晶体管应满足：型晶体管应满足： UEB 0UCB 0即即 VC

20、VB 0，UBC UBE。BCII 饱和区饱和区截止区截止区( (2) )截止区截止区 IB = 0 的曲线以下的曲线以下的区域称为截止区。的区域称为截止区。IB = 0 时，时，IC = ICEO( (很小很小) )。( (3) )饱和区饱和区当当 UCE 0) )，晶体管工作，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，于饱和状态。在饱和区，IC 和和 IB 不成正比。此时，不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，发射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区

21、 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示。晶体管的三种工作状态如下图所示。+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC

22、0 IB+ UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截止截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止开始截止可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值当晶体管接成共发射极电路时当晶体管接成共发射极电路时, ,在静态在静态( (无输入信号无输入信号) )时集时集电极电流与基极电流的比值称为电极电流与基极电流的比值称为静态电流静态电流( (直流直流) )放

23、大系数放大系数 BCII . 电流放大系数电流放大系数 ， 3三极管的主要参数三极管的主要参数当晶体管工作在当晶体管工作在动态动态( (有输入信号有输入信号) )时，基极电流的变化量时，基极电流的变化量为为 IB ，它引起集电极电流的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与与 IB 的比的比值称为值称为动态电流动态电流( (交流交流) )放大系数放大系数 BCII 集集-基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBOICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。集集-射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEOICEO 是当

24、基极开路是当基极开路( (IB = 0) )时的集电极电流，也称为时的集电极电流，也称为穿透穿透电流电流，其值越小越好。，其值越小越好。集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极集电极最大允许电流最大允许电流 ICM 。 集集- -射射反向击穿电压反向击穿电压 U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集称为集-射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 。

25、当晶体管因受热而引起当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功称为集电极最大允许耗散功率率 PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区由由 ICM 、U(BR)CEO 、PCM三者共同确定晶体管的安全三者共同确定晶体管的安全工作区。工作区。2放大电路的基本概念及性能指标放大电路的基本概念及性能指标放大电路是指输出信号电量能反映输入信号电量的变化规律信号源负载放大元器件iu0uiR0RA增益iR输入电阻0R输出电阻iuuuA0iiiIUR 输入电阻SESR

26、iIiUiRSESRiIiUoUoEoooIUR输出电阻：oUSEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE3共发射极共发射极放大电路放大电路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiEUBEIBICUCE无输入信号无输入信号(ui = 0)时时 uo = 0uBE = UBEuCE = UCEuBEtOiBtOiCtOuCEtO+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uB

27、EuCEiCiBiEICUCEOIBUBEO结论：结论：QIBUBEQUCEIC+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE直流通路直流通路( IB 、 IC 、 UCE )对直流信号电容对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）可看作开路（即将电容断开）断开断开断开断开+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE放大电路无信号输入（放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。）时的工作状态。估算法、图解法。估算法、图解法。各极电压电流的直流分量。各极电压电流的直流分量。放大电路的直流通路。放大电路的直流通路。 (1)静态工作点静态工作点Q：IB、IC、

28、UCE 。静态分析：静态分析：确定放大电路的静态值。确定放大电路的静态值。BBECCB RUUI 所以所以BCCBRUI 根据电流放大作用根据电流放大作用CEOBC III BB II当当UBE 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道IDEGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当UGS UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与

29、栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为为导通的临界栅源电压称为开启电压开启电压UGS(thth）。IDN 沟道增强型绝缘栅场效晶体管的特性曲线沟道增强型绝缘栅场效晶体管的特性曲线转移特性转移特性栅栅 - 源电压对漏极电源电压对漏极电流的控制特性流的控制特性输出特性输出特性ID /mAOUDS / VUGS = 1V2V4V3VID /mAOUGS / V无沟道无沟道有沟道有沟道UGS(th)UDS = 常数常数)() 1()(2)(thGSGSthGSGSDDDUuUu

30、Ii 绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型)() 1()(2)(thGSGSthGSGSDDDUuUuIi 开启电压绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型)0()1 ()(2)(offGSGSoffGSGSDDSDUuUuIi 夹断电压1) 开启电压开启电压 UGS(th)：是增强型是增强型MOS管的参数管的参数2) 夹断电压夹断电压 UGS(off)：3) 饱和漏电流饱和漏电流 IDSS：是结型和耗尽型是结型和耗尽型MOS管的参数管的参数4) 低频跨导低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力表示栅源电压对漏极电流的控制能力极限参数：极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。最

31、大漏极电流、耗散功率、击穿电压。DSGSm UDUIg 栅源电压栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提的，是由场效应管自身的电流提的，故称自给偏压。故称自给偏压。+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS +_ _UGST为为N沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管2 2场效应管放大电路场效应管放大电路+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS +_ _UGS估算法：估算法：UGS = RSID2GS(OFF)GSDSSD)1 (UUII 将已知的将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，代入上两式，解出解出UGS、ID; 由由 UDS= =

32、UDD ID（RD+ RS）解出）解出UDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS +_ _UGS 例例 已知已知UDD =20V、RD=3k 、 RS=1k 、 RG=500k 、UGS(off)= 4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。确定静态工作点。用估算法UGS = 1 ID2GSD)41 ( 8 UIUDS= = 20 2（ 3 + 1 ）= 12 V列出关系式列出关系式解出解出 UGS1 = 2V、UGS2 = 8V、ID1=2mA、ID2=8mA 因因UGS2 UGS(off) 故舍去故舍去 ，所求静态解为所求静态

33、解为UGS = 2V ID=2mA、解：一般rds很大，可忽略，得简化小信号模型:场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型GDSDSuGSuGDSDiGSmugdsrDSuGSuGDSDiGSmug+UDD RSCSC2C1RG1RDRG2RG+RLuu估算法：估算法：SDDDG2G1G2GSRIURRRU 将已知的将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出代入上两式，解出UGS、ID; 由由 UDS= = UDD ID（RD+ RS）解出）解出UDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式2GS(OFF)GSDSSD)1 (UUII 流过流过 RG 的电流为零的电流为零GSuu i)(L

34、DdRRiuo/RG1RDRG2RG+RL+SDGTOUiUdI交流通路交流通路)( LDGSmRRug/)(G2G1GRRRR/iDORR输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻 RG是为了提是为了提高输入电阻高输入电阻Ri而设置的。而设置的。)(LDmRRguuA/iouiu1i3GR2GR1GRGGSuSLRDR0uDGSmugdi1ikRRkRRIDGGGDSS30M1047M2mA5 . 0321 ，电路参数，例V1(off)GSU沟道耗尽型场效应管的电路如图示，已知N点电压、电流。试确定场效应管的工作 , , V182DDSUkR解：+UDD RSCSC2C1RG1RDRG2RG3+RLu

35、u由直流通路列写方程：1GR2GR3GRDRSRDDUDSG1GR2GR3GRDRSRDDUDSGDQSDQDDGGGGSQIRIURRRU2000413. 0212 22)()1 ( 5 . 0)1 (GSQoffGSGSQDSSDQUUUII联立求解得)V(79. 2A6 . 1舍GSQDQUmI , V21. 0A31. 0GSQDQUmI , V1 . 8)(SDDQDDDSQRRIUUiu1i3GR2GR1GRGGSuSLRDR0uDGSmugdi1i+UDD RSC2C1RG1RG2RG3+RLuu共漏极放大电路（源极输出器）共漏极放大电路（源极输出器）1GR2GR3GRSRDDU

36、DSGSDDDG2G1G2GSRIURRRU 2GS(OFF)GSDSSD)1 (UUII +UDD RSC2C1RG1RG2RG3+RLuuiu1i3GR2GR1GRG GSuDLRSR0uSGSmugSiiR0R短路短路对地短接iu1i3GR2GR1GRG GSuDLRSR0uSGSmugSiiR0RLmLmRgRguuA1iouLSLRRR/213i/GGGiRRRiuRiSmSRgRiuR10000i双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构NPN型PNP型结型耗尽型 N沟道 P沟道绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道C与E一般不可倒置使用D与S可倒置使用

37、载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成4.44.4多级放大电路多级放大电路1 1多级放大器及级间耦合方式多级放大器及级间耦合方式11BR12BR1CR2CR1T2T2ERiu0uCCU直接耦合放大器直接耦合放大器零漂零漂：输入短路时，输：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压出仍有缓慢变化的电压产生。产生。主要原因主要原因：温度变化引起，：温度变化引起，也称也称温漂温漂。电源电压波

38、动、。电源电压波动、元件老化等也会产生输出元件老化等也会产生输出电压的漂移。电压的漂移。温漂指标温漂指标：温度每升高：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。2 2多级放大器的交流分析多级放大器的交流分析SRLR1 iiRR oonRR1uA2uAunA suiu1ou2iu2ouinuou1oR2oR2iR3iRunuuinoioioiouAAAuuuuuuuuA 212211 iiRR onoRR 例例 电阻表达式。增益、输入电阻、输出写出电路的电压变等效电路如图示，请已知两级放大电路的微iuo

39、u1ber1BR2ber2BR1CR11 bi22 bi1bi2bi1ci2ci2CR2iiiR2iR1oRoRLR1ou解：电压增益2111uuooioiouAAuuuuuuA)/(1211111iCbeiouRRruuA)/(1121211LCbeoouRRruuA222121121)/()/(beLCbeiCuuurRRrRRAAA输入电阻11/beBirRR iuou1ber1BR2ber2BR1CR11 bi22 bi1bi2bi1ci2ci2CR2iiiR2iR1oRoRLR1ou输出电阻2CoRRSR Suiu1BR2BR1CR2CRLRou1C2C3C1T2TCCU3 3互补对

40、称功率放大器互补对称功率放大器EoPP电源供给的直流功率率负载得到的交流信号功ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶体管在输入信号晶体管在输入信号的整个周期都导通的整个周期都导通,静态静态IC较大，波形好较大，波形好, 管耗大效率低。管耗大效率低。晶体管只在输入信号晶体管只在输入信号的半个周期内导通，的半个周期内导通， 静态静态IC=0，波形严重，波形严重失真失真, 管耗小效率高。管耗小效率高。晶体管导通的时间大于晶体管导通的时间大于半个周期，静态半个周期，静态IC 0，一般功放常采用。一般功放常采用。 互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本互补对称电路是集成

41、功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器于省去了变压器而被称为无输出变压器()电路，简称电路，简称OTL电路。若互补对称电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容输出电容(电路，简称电路，简称OCL电电路。路。 OTL电路采用单电源供电，电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源电路采用双电源供电。供电。T1、T2的特性一致；的特性一致；一个一个NPN型、一个型、一个PNP型型两管均接成射极输出器；两管均接成射极输出器；

42、输出端有大电容；输出端有大电容；单电源供电。单电源供电。ui= 02 CCCUu 2CCAUV , IC1 0， IC2 0OTL原理电路原理电路RLuiT1T2+UCCCAuO+ +- -+ +- -RLuiT1T2Auo+ +- -+ +- - 设输入端在设输入端在UCC/2 直流直流基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。 若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。则负载上得到的交流信号正负半周对称。ic1ic2交流通路交流通路uo (4) 交越失真交越失真 当输入信号当输入信号ui为正弦波时，为正弦波时，输出信号

43、在过零前后出现的输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。失真称为交越失真。 交越失真产生的原因交越失真产生的原因 由于晶体管特性存在非线性，由于晶体管特性存在非线性， ui 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuiuo大大小小接近正弦波接近正弦波uouiA+uidufuiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 Rif 提高。提高。i01RFAR)(ifbiiiuR 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiuRuf+bbeiu FARR0i1fiifbbeiuR i

44、无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：ibeifiuRiiibube+o01RFAR)(ofFARR0o1of 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。恒流输出特性，故输出电阻提高。四种负反馈对四种负反馈对 Ri 和和 Ro 的影响的影响串联电压串联电压 串联电流串联电流并联电压并联电压并联电流并联电流思考题：为了分别实现：思考题：为了分别实现： (1) 稳定输出电压；稳定输出电压；

45、 (2) 稳定输出电流；稳定输出电流； (3) 提高输入电阻；提高输入电阻； (4) 降低输出电阻。降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？应引入哪种类型的负反馈？RiRo减低减低增高增高增高增高增高增高增高增高减低减低减低减低减低减低将前级的输出端直接接后级的输入端。将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。4.64.6差分放大器差分放大器1 1. . +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元

46、件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差分放大原理电路差分放大原理电路 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同2 2. . uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+共模信

47、号共模信号 需要抑制需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2差模信号差模信号 是有用信号是有用信号例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系

48、统中是常见的。 +Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。上的压降，以获得合适的工作点。电位器电位器 RP : 起调零作用。起调零作用。1. .静态分析静态分析 在静态时，设在静态时，设 IB1 = IB2 = IB， IC1= IC2 = IC，忽略，忽略阻值很小的阻值很小的 RP 可列出可列出 EEEBEBB12EIRUIR 上式中前两项较第三项小得多略去，上式中前两项较第三项小得多略去，则每管的集电极电流则每管的集电极电流EEEC2REII 发射

49、极电位发射极电位 VE 0每管的基极电流每管的基极电流EECB2 REII 每管的集每管的集 射极电压射极电压ECECCCCCCCE2RREUIRUU RC+UCCRB1T1RE -EEIB2IEICIE+UCE+UBE+单管直流通路单管直流通路2. .动态分析动态分析单管差模信号通路单管差模信号通路 由于差模信号使两管的集电极电流一增一减，由于差模信号使两管的集电极电流一增一减，其变化量相等，通过其变化量相等，通过 RE 的电流近于不变，的电流近于不变，RE 上没上没有差模信号压降，故有差模信号压降，故 RE 对差模信号不起作用，可得对差模信号不起作用，可得出下图所示的单管差模信号通路。出下

50、图所示的单管差模信号通路。单管差模电压放大倍数单管差模电压放大倍数beBCbeBbCbi1o1d1rRR)rR(iRiuuA 同理可得同理可得d1beBCi2o2d2ArRRuuA T1RCibic+uo1RB+ ui1 双端输入双端输入双端输出差分电路的差模电压放大倍数为双端输出差分电路的差模电压放大倍数为beBCd1i2i1odrRRAuuuA 当在两管的集电极之间接入负载电阻时当在两管的集电极之间接入负载电阻时beBLdrRRA 式中式中LCL21/RRR 两输入端之间的差模输入电阻为两输入端之间的差模输入电阻为)( 2beBirRr 两集电极之间的差模输出电阻为两集电极之间的差模输出电

51、阻为Co2Rr 例例1: :在在前图所示的差分放大电路中前图所示的差分放大电路中,已知已知UCC=12V， EE = 12V, = 50, RC = 10 k , RE =10 k , RB = 20 k ， RP =100 , 并在输出端接负载电阻并在输出端接负载电阻RL = 20k , 试求试求电路的静态值和差模电压放大倍数电路的静态值和差模电压放大倍数。解解: :mA0.6A101021223EEC REImA0.012mA500.6CB IIV6V)100.6101012(33CCCCCE IRUU112.4120550beBLd rRRA 式中式中 k521/LCLRRR k 2.4

52、1)0.626(20026)1()(200EbeIr 单端输出时差分电路的差模电压放大倍数为单端输出时差分电路的差模电压放大倍数为)(beBCi1o1i2i1o1d212反相输出反相输出rRRuuuuuA )(212beBCi2o2i2i1o2d相输出相输出同同rRRuuuuuA 即：单端输出差分电路的电压放大倍数只有双端输出即：单端输出差分电路的电压放大倍数只有双端输出差分电路的一半。差分电路的一半。 双端输入分双端输出和单端输出两种。此外，还双端输入分双端输出和单端输出两种。此外，还有单端输入的有单端输入的, 即将即将T1输入端或输入端或T2输入端接输入端接“地地”, 而而另另一端接输入信

53、号一端接输入信号ui 。同样单端输入也分为双端输出和。同样单端输入也分为双端输出和单端输出两种。四种差分放大电路的比较见表单端输出两种。四种差分放大电路的比较见表15.7.1。(Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK ) (lg20(dB)CdCMR分贝AAK KCMR越大，说明差放分辨越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0，实际

54、输出电压实际输出电压 即共模信号对输出有影响即共模信号对输出有影响 。DC交流负载线交流负载线 直流负载线直流负载线L1tanR 流负载线更陡。流负载线更陡。交流负载线比直交流负载线比直所以所以因为因为,RRCL IC/mA4321O4812162080 AA60 A40 A20 AUCE/VQQuCE/VttiB/ AIBtiC/mAICiB/ AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQiCQ1Q2ibuiuo 阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容、发射阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容、发射极旁路电容及三极管的结电容等，它们的容抗随频极旁路电容及三极管的结电容

55、等，它们的容抗随频率变化，故当信号频率不同时，放大电路的输出电率变化，故当信号频率不同时，放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化。压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化。f|Au |0.707| Auo |fLfH| Auo |幅频特性幅频特性f 270 180 90相频特性相频特性 iUbIcIoUbISErbeRBRCRLEBC+ +- -+ +- -+ +- -RSbeU+ +- -oUbeUiUiUbIcIoUbISErbeRBRCRLEBC+ +- -+ +- -+ +- -RSbeU+ +- -C1C2oUiUbIcIoUbISErbeRBRCRLEBC+ +-

56、 -+ +- -+ +- -RSCo 在图示放大电路中，已知在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 6k, RE1= 300， RE2= 2.7k， RB1= 60k， RB2= 20k RL= 6k ，晶体管，晶体管=50， UBE=0.6V, 试求试求: :(1) (1) 静态工作点静态工作点 IB、IC 及及 UCE；(2) (2) 画出微变等效电路；画出微变等效电路；(3) (3) 输入电阻输入电阻Ri、Ro及及 Au。RB1RCC1C2RB2CERE1RL+UCCuiuo+RE2V3V12206020CCB2B1B2B URRRVmA8 . 0 mA36 . 032E1EBE

57、BEC RRUVII A16 A500.8CB IIV8 . 4V38 . 068 . 012)(2E1EECCCCCE RRIRIUURB1RCRB2RE1+UCCRE2+UCEIEIBICVBk6Co RRk86. 18 . 02651200I26) 1(200Ebe rk 15/2B1BB RRR其其中中1EbeBi1/RrRR) ( k03.8 1EbeL) 1 (RrRAu 69. 8 SEiUiIbIcIoUbIeIBRI 在图示放大电路中，已知在图示放大电路中，已知UCC=12V, RE= 2k, RB= 200k， RL= 2k ，晶体管，晶体管=60， UBE=0.6V, 信

58、号源内阻信号源内阻RS= 100，试求试求: :(1) 静态工作点静态工作点 IB、IE 及及 UCE； 画出微变等效电路；画出微变等效电路；(3) Au、Ri 和和 Ro 。.RB+UCCC1C2RRLui+uo+es+RSmA035. 0mA260)(12006 . 012) (1EBBECCB RRUUImA14. 2 0.035mA60)(1 )(1BE II V727V142212EECCCE.RIUU +UCCRBR+UCE+UBEIIBICSbe3 .176010094. 0oRrRk94. 024. 1266120026) (1200Ebe Ir LbeB) (RrRR1/ik

59、7 .41 LbeL) 1()(1RrRAu 98.0 rbeRBRLEBC+ +- -+ +- -+ +- -RSiUbIcIoUbISEeIRE两级之间通过耦合电容两级之间通过耦合电容 C2 与下级输入电阻连接与下级输入电阻连接RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+RS+RC2C3CE2RE2RL+UCC+oU1OUiUSEB1R B2R T1T2 由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，通路互不相通，。RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+RS+RC2C3CE2RE2RL+UCC+oU1OUiUSEB1R B2R T1T2第一

60、级第一级第二级第二级212ioi1oiouuAAUUUUUUAu电压放大倍数2iR1bI2bI1cI2cIrbeRB2RC1EBC+ +- -+ +- -+ +- -RSiUiI1oU1b1ISErbeRC2RLEBC+ +- -oU2b2IB1R B2R RB12i1C1L/ RRR1be1L1i1rRUUAuo1be2L2rRUUAu22io21iiRR 2ooRR LCL2RRR/2 如图所示的两级电压放大电路，如图所示的两级电压放大电路，已知已知1= 2 =50, T1和和T2均为均为3DG8D。 RB1C1C2RE1+RC2C3CE+24V+OUiUB1R B2R T1T2E2R E