第02章放大器的基本原理

1、第一节第一节 晶体二极管晶体二极管第二节第二节 晶体三极管晶体三极管第三节第三节 基本放大电路基本放大电路第四节第四节 射极输出器射极输出器第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路第一节第一节 晶体二极管晶体二极管一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性三、晶体二极管及其特性三、晶体二极管及其特性二、二、PN结及其单向导电性结及其单向导电性四、特殊二极管四、特殊二极管GeSi1. 本征半导体（本征半导体（intrinsic semiconductor） 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。它们的最外层

2、电子（价电子）都是四个。单晶硅（单晶硅（SiSi）和单晶锗（）和单晶锗（GeGe）的原子结构：）的原子结构：一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性GeSiGeSiSi载流子（载流子（carrier）：）：热运动产生热运动产生自由电子自由电子空穴空穴 常温下都可以定向运动常温下都可以定向运动形成电流。形成电流。 本征半导体内的自由电本征半导体内的自由电子和空穴总是成对出现，两子和空穴总是成对出现，两种载流子的浓度相同。种载流子的浓度相同。 2. 杂质半导体杂质半导体 （extrinsic semiconductor） 掺入微量的掺入微量的5价元素价元素 掺入微量的掺入微量的3价元素价元素 N型

3、半导体型半导体P型半导体型半导体二、二、PN结的形成及其特性结的形成及其特性 扩散扩散复合复合空间电荷区空间电荷区 内电场内电场阻止扩散阻止扩散少子漂移少子漂移 漂移漂移= =扩散扩散动态平衡动态平衡PNPN结形成结形成 加正向电压（正向偏置）：加正向电压（正向偏置）： E0与与Ei 的方向相反的方向相反 空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散电流变大扩散电流变大PN结导通结导通加反向偏置：空间电荷区变宽加反向偏置：空间电荷区变宽 PN结截止结截止 PN结的单向导电性：结的单向导电性： 内电场被削弱，多子的扩散加强能够内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。形成较大的扩散电流。* *

4、PN 结正向偏置结正向偏置* * PN 结反向偏置结反向偏置内电场被加强，多子的扩散受抑制。内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。能形成较小的反向电流。PN结的单向导电性：结的单向导电性： 三、晶体二极管及其特性三、晶体二极管及其特性N区引出的电极是二极管的负极区引出的电极是二极管的负极 晶体二极管晶体二极管PN结两端引出电极结两端引出电极P区引出的电极是二极管的正极区引出的电极是二极管的正极二极管的特性：二极管的特性： 死区电压死区电压Uon ：一般：一般硅管为硅管为0.5V、锗管、锗管略小于略小于0.2V。 正

5、常工作管压降：正常工作管压降：硅管通常为硅管通常为0.7V、锗管锗管0.20.3V。 二极管的伏安特性曲线 二极管具有单向导电性；二极管具有单向导电性； 二极管的伏安特性具有非线性；二极管的伏安特性具有非线性； 二极管的伏安特性与温度有关。二极管的伏安特性与温度有关。 二极管的主要参数二极管的主要参数 ： （1）最大整流电流：指二极管长时间工作时允）最大整流电流：指二极管长时间工作时允许通过的最大正向平均电流，超过此值会损坏。许通过的最大正向平均电流，超过此值会损坏。（2）最大反向工作（峰值）电压：它是保证二）最大反向工作（峰值）电压：它是保证二极管能正常工作而设定的极限反向电压，一般定极管能

6、正常工作而设定的极限反向电压，一般定为反向击穿电压的一半或三分之二。为反向击穿电压的一半或三分之二。（3）反向饱和电流：指二极管未被击穿前的最）反向饱和电流：指二极管未被击穿前的最大反向电流，反映二极管的单向导电性能。大反向电流，反映二极管的单向导电性能。（4）最高工作频率：指二极管正常工作的上限）最高工作频率：指二极管正常工作的上限频率。频率。 四、特殊二极管四、特殊二极管稳压二极管（稳压二极管（zener diode） 工作在反向击穿区的特殊二极管工作在反向击穿区的特殊二极管 所加的反向电压小所加的反向电压小于击穿电压时，稳压管于击穿电压时，稳压管有极大的内阻；超过反有极大的内阻；超过反向

7、击穿电压时，电流急向击穿电压时，电流急剧增大，电流能在很大剧增大，电流能在很大范围内变化，但管子两范围内变化，但管子两端的电压基本不变。端的电压基本不变。 使用稳压管时要注意三点：使用稳压管时要注意三点： （1 1） 稳压管一般都是硅管；稳压管一般都是硅管；（2 2） 连接电路时应反接；连接电路时应反接；（3 3） 稳压管需串入一电阻。稳压管需串入一电阻。 限流以保护稳压管；限流以保护稳压管； 当输入电压或负载电流变化时，通过该电当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。工作电流，从而

8、起到稳压作用。稳压管主要参数：稳压管主要参数： 稳定电压：正常工作时的稳定电压值。稳定电压：正常工作时的稳定电压值。 稳定电流：指稳压效果较好的工作电流。稳定电流：指稳压效果较好的工作电流。 动态电阻：正常工作时的动态电阻：正常工作时的rU/I，它是衡，它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标，其值越小越好。量稳压管稳压性能好坏的指标，其值越小越好。 最大允许耗散功率：管子不致发生热击穿的最最大允许耗散功率：管子不致发生热击穿的最大功率损耗。大功率损耗。 电压温度系数：指温度每增加电压温度系数：指温度每增加1时，稳压值时，稳压值所变化的百分数。低于所变化的百分数。低于6V为负值为负值 高于高于6V为正

9、值为正值 6V左右受温度的影响比较小左右受温度的影响比较小 变容二极管变容二极管 （capacitance diode） PN结电容效应：结电容效应： 结电容随外加电压结电容随外加电压变化而显著改变的二极变化而显著改变的二极管，反向运用。管，反向运用。 应用：电子调谐器应用：电子调谐器 光电二极管光电二极管 photo diode 反向偏置时，光反向偏置时，光照可使照可使PN结产生新结产生新的载流子，虽然多子的载流子，虽然多子不能穿过不能穿过PN结，但结，但少子在内电场作用下少子在内电场作用下可以漂移过结，反向可以漂移过结，反向饱和电流增加，形成饱和电流增加，形成光电流。光电流。 发光二极管发

10、光二极管 light emitting diode ，LED 在正向导通时会发光在正向导通时会发光 正向电压作用下，一部分在正向电压作用下，一部分在PN结内扩散的自结内扩散的自由电子和空穴发生直接复合。复合过程产生原子由电子和空穴发生直接复合。复合过程产生原子的能级跃迁，即从高能级跃迁至低能级，能量差的能级跃迁，即从高能级跃迁至低能级，能量差将以光子形式向外发射。将以光子形式向外发射。第二节第二节 晶体三极管晶体三极管一、晶体三极管的结构一、晶体三极管的结构二、晶体三极管的放大作用二、晶体三极管的放大作用三、晶体三极管的特性曲线三、晶体三极管的特性曲线四、晶体三极管的主要参数四、晶体三极管的主

11、要参数一、晶体三极管的结构一、晶体三极管的结构三区三区 三极三极 两结两结基区基区 发射区发射区 集电区集电区基极基极B（base） 发射极发射极E（emitter） 集电极集电极C（collector） 发射结发射结 集电结集电结 BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高制造工艺要求：制造工艺要求：二、晶体管三极的放大作用二、晶体管三极的放大作用共发射极接法共发射极接法: 基极电位高于发射极基极电位高于发射极集电极电位高于基极集电极电位高于基极 发射结发射结- -正向偏置正

12、向偏置 集电结集电结- -反向偏置反向偏置(UCUBUE) 晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共 端，所以称这种电路为共发射极放大电路。端，所以称这种电路为共发射极放大电路。 还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。 三极管放大原理：三极管放大原理：BECNNPEBRBIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数多数扩散到集电结。扩散到集电结。ECRc发射结正发射结正偏，发射偏，

13、发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE集电结反偏，有少集电结反偏，有少子（空穴）形成的子（空穴）形成的反向电流反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICEECRc从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为基子作为基区的少子，区的少子，漂移进入漂移进入集电区而集电区而被收集，被收集，形成形成ICE。BECNNPEBRB三极管放大原理：三极管放大原理：IB=IBE-ICBO IBEIBEBRBIEICBOICEIBEBECNNPIC=ICE+ICBO ICEECRc三极管放大原理：三极管放大原理： 发射区向基区发射电子：发射区向基

14、区发射电子：形成发射极电流形成发射极电流I IE E 电子在基区中扩散与复合：电子在基区中扩散与复合：形成基极电流形成基极电流I IB B 集电区收集电子：集电区收集电子：形成集电极电流形成集电极电流I IC C 满足：基尔霍夫定律：满足：基尔霍夫定律：IB IC IE I IC CIIB B直流电流直流电流放大系数放大系数ICIB交流电流交流电流放大系数放大系数 基极电流一个很小基极电流一个很小的变化的变化I IB B，可以引起集，可以引起集电极电流一个大的变化电极电流一个大的变化I IC C 。三极管放大原理：三极管放大原理：三、晶体三极管的特性曲线三、晶体三极管的特性曲线 实验电路：实验

15、电路： 输出特性曲线：输出特性曲线： 一般情况下均满足一般情况下均满足U UCECE1V1V，所以输入特性曲线通常，所以输入特性曲线通常只画出最右边那一条。只画出最右边那一条。 输出特性曲线：输出特性曲线： IB为常数时，为常数时，IC与与UCE之之间函数关系曲线间函数关系曲线ICf（UCE） 随着随着UCE的增大，的增大，IC迅迅速增大。当速增大。当UCE1V以后，以后，UCE再增加，再增加，IC也几乎不也几乎不再增大了。此时，再增大了。此时，IC主要主要由由IB决定。决定。 三个工作区三个工作区放大区：放大区： 截止区：发射结和集电结均反偏截止区：发射结和集电结均反偏饱和区：发射结和集电结

16、均正偏饱和区：发射结和集电结均正偏发射结正偏、发射结正偏、 集电结反偏集电结反偏 满足满足I IC CI IB B四、晶体三极管的主要参数四、晶体三极管的主要参数 1. 电流放大系数电流放大系数IC/IB UCE常数 直流电流放大系数直流电流放大系数IC/IBUCE常数 交流电流放大系数交流电流放大系数2. 极间反向电流极间反向电流ICB0和和ICE0 ICB0 发射极开路、集电结加反向电压时，在基发射极开路、集电结加反向电压时，在基 极回路中所测得的电流（反向饱和电流）。极回路中所测得的电流（反向饱和电流）。 ICE0 基极开路时，集电极和发射极间的反向电基极开路时，集电极和发射极间的反向电

17、 流（穿透电流）。流（穿透电流）。 ICE0ICB0ICB0（1）ICB0 ICB0 越小越好，越小越好，ICE0越大越好。他们都受温度影响。越大越好。他们都受温度影响。3. 3. 极限参数极限参数 (1)(1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM：值下降到原来的值下降到原来的 2/32/3时的时的IC 。 (2)(2)集集- -射极击穿电压射极击穿电压BUCE0：集电极和发射极之间集电极和发射极之间 的最大允许电压。的最大允许电压。 (4)(4)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PCM ：温度升到晶体管的：温度升到晶体管的 最高允许温度时，在集电极上耗散的功率值被最高允许温度时，在集

18、电极上耗散的功率值被 规定为集电极最大耗散功率。规定为集电极最大耗散功率。 PCMICUCE PCM1W的管子加散热片 (3)(3)射射- -基极反向击穿电压基极反向击穿电压BUEB0：集电极开路时，：集电极开路时， 发射结允许的最大反向电压。发射结允许的最大反向电压。 五、多级放大电路五、多级放大电路第三节第三节 基本放大电路基本放大电路一、放大电路的基本概念一、放大电路的基本概念二、基本放大电路及其工作状态分析二、基本放大电路及其工作状态分析三、放大电路性能指标的计算三、放大电路性能指标的计算四、静态工作点稳定电路四、静态工作点稳定电路一、放大电路的基本概念一、放大电路的基本概念1 1信号

19、的输入、输出和放大信号的输入、输出和放大 基本作用基本作用: :在输入信号幅度过低时，将信号原样放大，以便满足检测、传输或输出的需要。 2 2放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标（1）电压放大倍数：）电压放大倍数： iouuuA 同相位；与iou, 0uuA 反相位。与iou, 0uuA （2）输入电阻：输入电阻： 如果信号源的电动势为ES、内阻为RS siiierrrus输入阻抗越大越好输入阻抗越大越好 rirbe iiiiur SiSiiErRruri越大，ui就越大 （3）输出电阻：）输出电阻：当输入信号不变而负载电阻改变当输入信号不变而负载电阻改变时，输出电压与输出电流之比。时

20、，输出电压与输出电流之比。oooiur oLoLouRrRu负载负载RLRL实际获得的输出电压为实际获得的输出电压为输出电阻越小越好：输出电阻越小越好： ro越小，越小，uo就越大，电路带负就越大，电路带负载的能力强，载的能力强，RL的变化对输的变化对输出电压的影响也越小。出电压的影响也越小。2 2放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标（4）通频带：）通频带： 2 2放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标下限频率下限频率 上限频率上限频率 放大电路在高频和低频端的放大倍数会明显下降。放大电路在高频和低频端的放大倍数会明显下降。 7 . 0BWLHff通频带：通频带： 通频带越宽放大

21、通频带越宽放大器适应能力越强器适应能力越强 （5）噪声系数噪声系数 NSPPSNR信噪比应越大越好信噪比应越大越好 oiSNRSNRNF输出端信噪比输入端信噪比（有用信号功率）（有用信号功率） （噪声信号功率）（噪声信号功率） 信噪比信噪比噪声系数噪声系数 衡量放大电路抑制噪声的能力衡量放大电路抑制噪声的能力 2 2放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标（1 1）共发射极放大电路的组成：共发射极放大电路的组成： T：电流放大；：电流放大；C1、C2：隔直、耦合；：隔直、耦合；EC：满足偏：满足偏置、提供输出能量；置、提供输出能量；RC：实现电压放大。：实现电压放大。 二二 基本放大电路及

22、其工作状态分析基本放大电路及其工作状态分析 1. 基本放大电路基本放大电路 （2）共发射极基本放大电路的工作过程：）共发射极基本放大电路的工作过程： ui （ ） iB （ ） iC （ ） uCE （ ） uo （ ）2. 放大电路的静态工作点放大电路的静态工作点 放大电路没有输入信号时的工作状态。即确放大电路没有输入信号时的工作状态。即确定放大电路的静态（即直流）值定放大电路的静态（即直流）值IB、IC和和UCE。 （1 1）直流通路法）直流通路法 开路开路 开路开路 BCBBECBRERUEIICIB UCEECICRC （2）用图解法确定静态工作点：）用图解法确定静态工作点： 线性元件

23、上线性元件上的电压与电的电压与电流的关系：流的关系：晶体管电晶体管电压与电流压与电流的关系：的关系：输出特输出特性曲线性曲线 交点为静态工作点交点为静态工作点 步骤：步骤：1作直流负载线：直线方程作直流负载线：直线方程 UCEECICRC 2求求IB：IBEC/RB 3交点交点Q为放大器的静态工作点为放大器的静态工作点 UCEECICRC 直流负载线直流负载线3.放大电路的动态分析放大电路的动态分析 交流通路：交流通路： 交流负载线：交流负载线： RLRC/RL 通过输出特性曲线上的通过输出特性曲线上的Q点做斜率为点做斜率为-1/RL 一条直一条直线，即为线，即为交流负载线交流负载线。LcoR

24、iu电路的输出电压电路的输出电压L1RL1R交流负载线的斜率为交流负载线的斜率为直流负载线的斜率为直流负载线的斜率为交流负载线比直交流负载线比直流负载线陡。流负载线陡。uiubeibicuceu0 动态分析过程：动态分析过程： 瞬时极性：瞬时极性：4放大电路的非线性失真放大电路的非线性失真 （non-linear distortion） 因因Q点设置不当或信号幅度过大，而使得放大电路点设置不当或信号幅度过大，而使得放大电路超出晶体管线性工作范围所导致的输出信号失真。超出晶体管线性工作范围所导致的输出信号失真。分两种：分两种：饱和失真饱和失真 Q点靠近饱和区点靠近饱和区 截止失真截止失真 Q点靠

25、近截止区点靠近截止区三三 放大电路性能指标的计算放大电路性能指标的计算1.微变等效电路微变等效电路 输入回路将三极管等效为一只电阻输入回路将三极管等效为一只电阻rbe，其定义为，其定义为BBEbeiur输出回路可视为一只电流源，其大小被定义为输出回路可视为一只电流源，其大小被定义为bc ii 只在低频小信号情况下适用只在低频小信号情况下适用 2.2.用微变等效电路计算性能指标用微变等效电路计算性能指标 NPN型共发射极放大电路的微变等效电路型共发射极放大电路的微变等效电路电压放大倍数：电压放大倍数： beLiou rRuuA输入阻抗：输入阻抗： beBiii/rRiur输出阻抗：输出阻抗： C

26、CCE0/RRrr四、四、 静态工作点的稳定电路静态工作点的稳定电路 当温度升高时，反向饱和电流当温度升高时，反向饱和电流 ICBO和和 ICEO都都将增加，而且温度升高还会提高三极管的将增加，而且温度升高还会提高三极管的 值，值，从而引起从而引起IC增大，使输出特性曲线整体上移。增大，使输出特性曲线整体上移。 原来设置原来设置好的工作点发好的工作点发生偏移。生偏移。导致导致改进电路改进电路 分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路 不能太大 旁路电容 RB1、RB2组成了电源组成了电源EC的分压电路。的分压电路。 IB1IB2IBIB2 三极管参数引起的三极管参数引起的IB变化基本上不会影响变化

27、基本上不会影响UB。 CBBBBBBERRRRIU21222固定固定UB：稳定过程：稳定过程：tICIEIEREUEUBE（UBUE）IBIC五、多级放大器五、多级放大器 阻容耦合阻容耦合变压器耦合变压器耦合直接耦合直接耦合 耦合的方式耦合的方式总放大倍数：总放大倍数： Au Au1 Au2 Aun 输入电阻就是输输入电阻就是输入级的输入电阻，输入级的输入电阻，输出电阻就是输出级的出电阻就是输出级的输出电阻。输出电阻。 阻容耦合：阻容耦合：第四节第四节 射极输出器射极输出器一、射极输出器的工作状态一、射极输出器的工作状态二、射极输出器的应用二、射极输出器的应用射极输出器射极输出器（emitte

28、r followeremitter follower）= =射极跟随器射极跟随器= =共集电极放大器共集电极放大器 输出信号是从发射输出信号是从发射极和集电极两端取极和集电极两端取出的。出的。 一、射极输出器的工作状态一、射极输出器的工作状态1.静态分析静态分析 射极输出器直流通路射极输出器直流通路 BBBCBE)1 (IIIIIIEBBECCB)1 (RRUUIEECCCEIRUU2.动态分析动态分析bLeLo)1 (iRiRuLRRR/ELbLbbeeLbbei)1 (iRiriRirubLbbebLiou)1 ()1 (iRiriRuuA电压放大倍数接近电压放大倍数接近1 1，且略小，且

29、略小1 1。输出电压和输入电压同相位，具有跟随作用。输出电压和输入电压同相位，具有跟随作用。 （1 1）电压放大倍数：）电压放大倍数： 微变等效电路微变等效电路（2 2）输入电阻）输入电阻 和共发射极电路不同的是：和共发射极电路不同的是：射极输出器大大提高了自射极输出器大大提高了自身的输入电阻。身的输入电阻。LbeBi)1 (/RrRr2.动态分析动态分析（3 3）输出电阻）输出电阻 EoSbeoSbeoebboRuRruRruiiii)()1 ()(1)1 (1SbeESbeEESbeoooRrRRrRRRriur)()1 (SbeERrRSbeoRrr 射极输出器的输出电阻很低，有很强的带

30、负载能力。 -恒压源。 2.动态分析动态分析二、射极输出器的应用二、射极输出器的应用作输入级作输入级输入电阻高输入电阻高特性特性应用应用作输出级作输出级输出电阻低输出电阻低输入电阻高输入电阻高输出电阻低输出电阻低作中间级作中间级效果效果提高了放大倍数；减提高了放大倍数；减小了对信号源的影响小了对信号源的影响 提高了驱动能力提高了驱动能力 电阻转换电阻转换二、绝缘栅场效应管的主要参数二、绝缘栅场效应管的主要参数第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一、绝缘栅型场效应管一、绝缘栅型场效应管三、场效应管基本放大电路三、场效应管基本放大电路一、绝缘栅场效应管一、绝缘栅场效应管 N沟道增

31、强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管 （金属（金属-氧化物氧化物-半导体场效应管）半导体场效应管） Metal-Oxide-Semiconducter，MOSMOS场效应管：场效应管： 三个电极：栅极三个电极：栅极G、源极、源极S和漏极和漏极D NMOSPMOS增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型1. 增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管 在在UGS=0时没有导电沟道，只在时没有导电沟道，只在UGS增加至电增加至电场达到一定强度后才能形成导电沟道。场达到一定强度后才能形成导电沟道。 增强型增强型NMOS的特性的特性转移特性转移特性开启电压开启电压UT ：刚好能够形成导电：刚好能够形成导电沟道的栅源电压。沟道的栅源电压。在在MOS管的栅极和源极之间加管的栅极和源极之间加输入信号，则通过输入电压输入信号，则通过输入