模拟数字电力电子技术第1章_基础知识1

1、模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一章第一章 基础知识基础知识模拟电子篇模拟电子篇模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理补充知识补充知识0.1 无源元件1.电阻元件电阻元件是一种消耗电能的元件。伏安关系（欧姆定律）：IRU 电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。dtdiLu 模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理3.电容元件电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。dtduCi 0.2 有源元件电压源与电流源1.伏安关系电压源：端

2、电压为 ，与流过电压源的电流无关，由电源本身确定，电流任意，由外电路确定。susuu电流源： 流过电流为 ，与电源两端电压无关，由电源本身确定，电压任意，由外电路确定。sii si模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理2. 特性曲线与符号电压源电压源电流源电流源模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理一、欧姆定律一、欧姆定律IRU 二、基尔霍夫电流定律（节电电流定律）二、基尔霍夫电流定律（节电电流定律）3条或3条以上支路的连接点称为节点。电路中通过统一电流的每个分支称为支路。电路中任意闭合

3、路径称为回路。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理outinII 0i表述一表述二在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。3条支路2个节点3个回路模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理KCL通常用于节点，对于包围几个节点的闭合面也是适用的。例：列出下图中各节点的KCL方程ab解：取流入为正节点节点节点c0641iii0542iii0653iii0321iii三式相加得：三式相加得：模拟、数字及电力电子技术厚德达理

4、励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理三、基尔霍夫电压定律（回路电压定律）三、基尔霍夫电压定律（回路电压定律）UE 0U表述一表述二在任一瞬时，任一闭合回路中，电动势的代数和等于电压降的代数和。在任一瞬时，任一回路电压的代数和恒等于零。012321EEUUURRR21321EEUUURRR模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理例1.1.1 如图电路， ， ， ， ， 试求各电阻中流过的电流及电阻两端的电压值。 k11RV81Ek232RRV42E 解：设电流方向如图示，由节电电流定律，电流方程为321III21EEUUb

5、cab1EUUbdab212311EERIRI13211ERIRI 由回路电压定律将已知电阻和电动势数据代入上式即可求出结果模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理四、叠加原理四、叠加原理 在线性电路中，任何一条支路的电流（或电压），都是各个电源单独作用时在该支路中所产生的电流（或电压）的代数和。这就是叠加定理。说明：当某一独立源单独作用时，其他独立源置零。即：开路短路0 0SSIu4VR1R22A22I例 如图求电流I模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理解：应用叠加定理，上图变为R12

6、AIR2R1R2I4VA144 IA12222 IA211 III模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理五、戴维南定理五、戴维南定理对外电路来说，任何一个线性有源二端网络，都可以用一条含源支路即电压源和电阻串联的支路来代替，其电压源电压等于线性有源二端网络的开路电压，电阻等于线性有源二端网络除源后两端间的等效电阻。这就是戴维南定理。NabusRoab+模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理(a) 电路(b) 求开路电压的电路3+ 24V663 I3+ 24V662A+UOC2A例：用戴维

7、南定理求图示电路的电流I。解：(1)断开待求支路，得有源二端网络如图(b)所示。由图可求得开路电压UOC为：V181262466632OCU模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理 6 3 6 Ro (c) 求串联电阻的电路 (2)将图(b)中的电压源短路，电流源开路，得除源后的无源二端网络如图(c)所示，由图可求得等效电阻Ro为：63366663oR I 18V63(d) 图(a)的等效电路 +UOC Ro(3)根据UOC和Ro画出戴维南等效电路并接上待求支路，得图(a)的等效电路，如图(d)所示，由图可求得I 为：A23618I模拟、数字

8、及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理六、诺顿定理六、诺顿定理诺顿定理描述了电压源与电流源之间的等效互换关系。一个内阻为 的恒压源 可以等效变换成一个内阻 为的恒流源 。其中0REsRsI0REI s0RR s 同样，一个内阻为 的恒流源 可以等效变换成一个内阻 为的恒压源 。其中0REsRsIs0RR 0RIEs模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用定理线性电路的常用定理例1.1-2 试将下图所示电路变换成电压源和电流源形式，并求出 和 。sIsR模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第一节第一节 线性电路的常用

9、定理线性电路的常用定理解： （1）将恒流源开路，恒压源短路，先求出等效电阻（如右图示）k5 . 1)/(2130RRRR（2）开路电压33RIEE按叠加原理求出 ，再用上式得出3IEV3EA20msREIks5 . 10RR（3）最后由诺顿定律得出 和sIsR模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工一、一、 半导体基础知识半导体基础知识n导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。n绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。n半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第二节第二节 半导体二极管

10、及整流电路半导体二极管及整流电路1. 1. 半导体半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。热敏性 光敏性 掺杂性模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工2. 2. 本征半导体本征半导体第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路n完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。n本征半导体的原子结构及共价键。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路n本征激发和两种载流子自由电子和空穴n温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多

11、。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路n空穴出现以后，邻近的束缚电子可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。 结 论(1) 半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。 (2) 本征半导体中

12、，自由电子和空穴结伴产生，数目相同。(3) 一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。(4) 温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工3.3.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著 改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类： 电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为电子半导体。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称 为空穴半导体。第二节

13、第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路（1） N型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。 五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体 中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子。每个五价原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整

14、流电路N型半导体的共价键结构N型半导体中的载流子：(1) 由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。(2) 本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子)，空穴称为少数载流子(少子)。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路2、P型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。 三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束

15、缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子。由于三价原子接受电子，所以称为受主原子。P型半导体中的共价键结构如右图P P 型半导体中空穴是型半导体中空穴是多子，电子是少子。多子，电子是少子。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工杂质半导体的示意表示P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工一、一、 半导体基础知识半导体基础知识选择题选择题1 空穴为

16、少子的的半导体称为AP型半导体 BN型半导体C纯净半导体 D金属导体B B2 本征半导体硅或者锗中掺入微量三价元素后，其中多数载流子是A自由电子 B空穴C正离子 D负离子B B3 N型半导体的多数载流子是A自由电子 B空穴C正离子 D负离子A A此外：该此外：该部分还会部分还会出现一些出现一些填空题之填空题之类的，关类的，关键考察对键考察对杂质半导杂质半导体的掌握体的掌握情况情况4 杂质半导体中的少数载流子的浓度取决于A掺杂浓度 B制造工艺C晶体结构 D温度DD模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路二、二、 半导体二极管半导体二极管

17、1.PN1.PN结及其单向导电性结及其单向导电性 利用半导体的制作工艺，在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。 PN结具有单一型半导体所不具有的新特性，利用这种新特性可以制造出各种半导体器件。如二极管、三极管和场效应管等。（1）PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路扩散运动的结果，在交界面P区一侧因失去了空穴而出现负离子区；而N区一侧因失去自由电子出现了正离子区。正负离子都被束缚在晶格内不能移动，于是在交界

18、面两侧形成了正、负空间电荷区。在空间电荷区内可以认为载流子已被“耗尽”，故又称耗尽区或耗尽层。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）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。漂移运动和扩散运动的方向相反漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二

19、极管及整流电路（2）PN结的单向导电性处于平衡状态下的PN结没有实用价值。如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。 当PN结在一定的电压范围内外加正向电压时，处于低电阻的导通状态。当外加反向电压时，处于高电阻的截止状态，这种导电特性，就是PN结单向导电性。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路PN结外加正向电压： PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏。PN结外加反向电压： PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏

20、。结论： PN结外加正向电压导通，加反向电压截止，即PN结具有单向导电性模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路2. 2. 半导体二极管半导体二极管（1）二极管的结构及符号半导体二极管是由一个PN结加上相应的电极和引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极（正极），N区引出的为阴极（负极）。因为PN结的单向导电性，二极管导通时的电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。电流二极管按材料的可分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按结构不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管等。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节

21、半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路（2）二极管的电流方程及伏安特性11TUUKTqUeIeIIss I 通过二极管的电流； U 加在二极管两端的电压； Is二极管的反向饱和电流； UT温度的电压当量UT=kT/q。 k是玻尔兹曼常数，当外加正向电压UUT时：当外加反向电压|U|UT时 TUUeIIssII模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第二节第二节 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性曲线。用实验的方法，在二极管的正极和负极加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就得到二极

22、管的伏安特性。二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。当二极管所加正向电压比较小时0U11；（3 3）三极管的电流分配及放大关系式为：）三极管的电流分配及放大关系式为：BEIIICBCII模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路(1) (1) 输入特性曲线输入特性曲线是指一定集电极和发射极电是指一定集电极和发射极电压压 下，三极管的基极电下，三极管的基极电流流 与发射结电压与发射结电压 之间之间的关系曲线。如右图示的关系曲线。如右图示CEUBEUBI (2) (2) 输出特性曲线输出特性曲线是指一定基极电流

23、是指一定基极电流 下，三下，三极管的集电极电流极管的集电极电流 与集电与集电结电压结电压 之间的关系曲线之间的关系曲线CEUBICI 常数CEUBEBUfI)(常数BICECUfI)(3. 3. 三极管的共射极特性曲线三极管的共射极特性曲线模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路一般把三极管的输出特性分为一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，分别介绍。个工作区域，分别介绍。 截止区截止区 三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：（a）发射结和集电结均反向偏置；）发射结和集电结均反向

24、偏置；（b）若不计穿透电流）若不计穿透电流 ，有，有 、 近似为近似为0；（c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管 相当于一个开关断开。相当于一个开关断开。CIBICEOI 放大区放大区输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点：作在放大状态时，具有以下特点：（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；对）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；对NPN型的三极管，有电位关系：型的三极管，有电位关系：UCUBUE； （b）基极电流）基极电流 微小的变化会引起集电极

25、电流微小的变化会引起集电极电流 较较大的变化，有电流关系式：大的变化，有电流关系式：CIBIBCII模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路 饱和区饱和区 三极管工作在饱和状态时具有如下特点：三极管工作在饱和状态时具有如下特点：（a）三极管的发射结和集电结均正向偏置；）三极管的发射结和集电结均正向偏置；（b）三极管的电流放大能力下降，通常有）三极管的电流放大能力下降，通常有ICIB，I1I2。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路B B点的电位点的电位CCb

26、bbBVRRRU212基极电位基极电位U UB B仅由仅由R Rb1b1、R Rb2b2和和V VCCCC决定，与环境温度无关决定，与环境温度无关，即当温度升高时，即当温度升高时，U UB B基本不变。基本不变。CCEEEEeBEBEBC()TIIUUI RUUUII模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路2. 2. 静态工作点的估算静态工作点的估算b2BCCb1b2RUVRRI1=(510)IB，UB=(35)VCBIICECCCceUVIRRBBECEeUUIIRI I1 1越大于越大于I IB B，电路稳定，电路稳定Q

27、Q 点的效果越好，但为了兼顾其他点的效果越好，但为了兼顾其他指标，设计电路时，一般选取：指标，设计电路时，一般选取： I1=(1020)IB，UB=(13)V硅管硅管禇管禇管模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路 电压放大倍数电压放大倍数ocLbLui Ri R ib beeebbee(1)ui ri Ri rRLcL/RRR oLuibee(1)uRAurR 3. 3. 动态参数的估算动态参数的估算模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路输入电阻输入电阻b

28、beeiibeebb(1)(1)i rRuRrRii ib1b2iiib1b2iiib1b2bee(/)/(1)i RRRuRRRRiiRRrR 输出电阻输出电阻ocRR模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路Re越大，越大，Au下降越多，为了不使电压放大倍数下降，常在下降越多，为了不使电压放大倍数下降，常在Re两端并联一个大电容两端并联一个大电容Ce，容值约为几十到几百微法，称，容值约为几十到几百微法，称为旁路电容为旁路电容 。电压放大倍数不会下降，直流通路不变。电压放大倍数不会下降，直流通路不变 。模拟、数字及电力电子技术

29、厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路beLurRALCLRRR/bebbbebirRRrRR/21CORR 电压放大系数电压放大系数输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻对应在射极电阻并上电容以后的动态参数对应在射极电阻并上电容以后的动态参数例例1.4-3模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路五、基本共集电极放大电路（五、基本共集电极放大电路（射极输出器射极输出器）模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路1. 1.

30、静态分析：求静态工作点静态分析：求静态工作点CCBbBEBe(1)VI RUI RCCBEBbe(1)VUIRRCBIIEBC(1)IIICECCEeUVI R基极电流基极电流发射极电流发射极电流管压降管压降当 时：BECCUVebCCBRRVI)1 ( 模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路2. 2. 动态分析动态分析（1 1）电压放大倍数）电压放大倍数obL(1)ui RLeL/RRR b bebL(1)iui ri RoLuibeL(1)1(1)uRAurR可见，共集电极放大电路没可见，共集电极放大电路没有电压放大作用

31、，输入输出有电压放大作用，输入输出相位相同，故称射随器相位相同，故称射随器模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻iibeLb(1)uRrRiiibibbeLi/(1)uRRRRrRi将信号源短路，负载开路，将信号源短路，负载开路，在输出端加入测试电压在输出端加入测试电压u，产生电流产生电流i，如图，如图besoe/1rRuRRissb/RRR 通常通常 bese1rRRbeso1rRR模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路

32、基本共集电极放大电路的显著特点基本共集电极放大电路的显著特点 输入电阻高输入电阻高 输出电阻低输出电阻低 当当 时，时， ，表现出跟随特性，表现出跟随特性)/)(1 (LebeRRrioUU 基本共集电极放大电路的电压放大倍数小于基本共集电极放大电路的电压放大倍数小于1，即无电，即无电压放大作用。但其输入电阻高，从信号源索取的电流压放大作用。但其输入电阻高，从信号源索取的电流小；输出电阻低，从而带负载能力强，即有足够的电小；输出电阻低，从而带负载能力强，即有足够的电流放大作用。因此得到广泛应用流放大作用。因此得到广泛应用例例1.4-4基本放大电路动态参数比较见表基本放大电路动态参数比较见表1.

33、4-1模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路六、多级放大电路六、多级放大电路 高的电压放大倍数，很大的输入电阻，很小的输高的电压放大倍数，很大的输入电阻，很小的输出电阻等，通常就将基本放大电路连接起来，组成多出电阻等，通常就将基本放大电路连接起来，组成多级放大电路级放大电路 。 级与级之间的连接，称为耦合，常见的耦合方式级与级之间的连接，称为耦合，常见的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等。有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本

34、放大电路半导体三极管及基本放大电路1. 1. 阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路将放大电路的前级输出端通过电容连接到后级输入端，将放大电路的前级输出端通过电容连接到后级输入端，称为阻容耦合。由于电容对直流量的容抗为无穷大，各称为阻容耦合。由于电容对直流量的容抗为无穷大，各级间的直流通路相互独立，每级的静态工作点级间的直流通路相互独立，每级的静态工作点Q互不干扰互不干扰模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路n n级放大电路的交流等效电路框图级放大电路的交流等效电路框图 放大电路前级的输出电压就是后级的输入电放大电路前级的输出电压

35、就是后级的输入电压，即压，即u uo1o1= =u ui2i2，u uo2o2= =u ui3i3，所以，多级放大电路所以，多级放大电路的电压放大倍数为各级放大电路电压放大倍数之积的电压放大倍数为各级放大电路电压放大倍数之积 模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，即阻，即输出电阻就是多级放大电路最后一级的输出电阻，即输出电阻就是多级放大电路最后一级的输出电阻，即阻容耦合放大电路不适用放大缓慢变化的信号；阻容耦合放大电路不适用放

36、大缓慢变化的信号；在集成电路中制造大容量的电容很困难，不便于集在集成电路中制造大容量的电容很困难，不便于集成化；成化；ii1RRoonRR例例1.4-5模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第四节第四节 半导体三极管及基本放大电路半导体三极管及基本放大电路2. 2. 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 将放大电路的前级输出端直接连接到后一级输入端，将放大电路的前级输出端直接连接到后一级输入端，称为称为直接耦合。直接耦合。 直接耦合放大电路能够放大缓慢变化的信号，易于集直接耦合放大电路能够放大缓慢变化的信号，易于集成化，因此，得到越来越广泛的应用。成化，因此，得到越来越广泛的应用。 由于其静态

37、工作点相互影响，给分析、设计、调试电由于其静态工作点相互影响，给分析、设计、调试电路带来一定困难。路带来一定困难。在直接耦合放大电路中，若将输入信号短接在直接耦合放大电路中，若将输入信号短接(ui=0)，输出，输出端仍有缓慢变化的输出信号端仍有缓慢变化的输出信号uo，这种现象称为，这种现象称为零点漂移零点漂移，简称简称零漂零漂。引起零漂的原因很多，如电源电压的波动，元件的老化等，引起零漂的原因很多，如电源电压的波动，元件的老化等，但主要是由于温度对三极管参数的影响造成的，因此，也但主要是由于温度对三极管参数的影响造成的，因此，也称称零点漂移为温度漂移零点漂移为温度漂移，简称，简称温漂温漂。模拟

38、、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 场效应管是比较新型的半导体器件，利用电场效应场效应管是比较新型的半导体器件，利用电场效应来控制晶体管的电流，因而得名。来控制晶体管的电流，因而得名。 场效应管具有很高的输入电阻，几乎不取信号源的场效应管具有很高的输入电阻，几乎不取信号源的输出电流，因而功耗小，体积小，易于集成化。输出电流，因而功耗小，体积小，易于集成化。 场效应管被广泛应用于模拟集成电路和数字集成电场效应管被广泛应用于模拟集成电路和数字集成电路中。路中。 场效应管按其结构可分为场效应管按其结构可分为结结(J)型型和和绝缘栅绝缘栅(MO

39、S)型型场场效应管；效应管； 从工作性能可分为从工作性能可分为耗尽型耗尽型和和增强型增强型两类；两类； 根据所用基片根据所用基片(衬底衬底)材料不同，又可分材料不同，又可分P沟道沟道和和N沟道沟道两种导电沟道；两种导电沟道； 因此，有因此，有结型结型P沟道和沟道和N沟道沟道，绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型P沟道和沟道和N沟道沟道，及，及增强型增强型P沟道和沟道和N沟道沟道六种类型场效应管。六种类型场效应管。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 结型场效应管分为结型场效应管分为N沟道结型管和沟道结型管和P沟道结型管，它沟道结型管，它们都具有们

40、都具有3个电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的个电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和集电极相对应。基极、发射极和集电极相对应。一、结型场效应晶体管一、结型场效应晶体管1. 1. 结构及符号结构及符号(N(N型型) )漏极漏极源极源极栅极栅极场效应管电路场效应管电路符号上的箭头符号上的箭头总是总是P P指向指向N N的。的。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工2. N2. N沟道结型场效应管的工作原理沟道结型场效应管的工作原理第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路（1）当）当栅源电压栅源电压UGS=0时，时，两个两个PN结结的耗尽层的耗尽层比较窄，比较窄，

41、中间的中间的N型导电沟型导电沟道比较宽，道比较宽，沟道电阻沟道电阻小。小。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路（2 2）当）当U UGSGS00时，时，两个两个PNPN结结反向偏置，反向偏置，PNPN结的耗结的耗尽层变宽，尽层变宽，中间的中间的N N型导电沟型导电沟道相应变道相应变窄，沟道窄，沟道导通电阻导通电阻增大。增大。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路U UGSGSU UP P 时的导电沟道时的导电沟道 模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管

42、及其放大电路场效应管及其放大电路（3）当）当UP0时，可产生漏极电流时，可产生漏极电流ID。ID的大小将随栅源电压的大小将随栅源电压UGS的变化而变化，从而实现电的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。压对漏极电流的控制作用。 UDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，

43、结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形。导电沟道成为一个楔形。U UGSGS和和U UDSDS共同作用共同作用的情况的情况 为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场效应管在工作时，栅极和源极之间的效应管在工作时，栅极和源极之间的PN结必须反向偏置。结必须反向偏置。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3. 3. 转移特性和输出特性转移特性和输出特性（1 1）转移特性）转移特性在场效应管的在场效应管的UDS一定时，一定时，ID与与UGS之间的关系曲线称为场效应管之间的关系曲

44、线称为场效应管的转移特性曲线，它反映了场效的转移特性曲线，它反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制应管栅源电压对漏极电流的控制作用。作用。常数DSUGSDUfI)( 当当UGS=0时，导电沟道电阻最小，时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。 当当UGS=UP时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时此时ID=0，称，称UP为夹断电压。为夹断电压。近似计算公式：近似计算公式：21PGSDSSDUUII模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及

45、其放大电路（2 2）输出特性）输出特性输出特性曲线是指输出特性曲线是指栅源电压栅源电压U UGSGS一定一定时，漏极电流时，漏极电流I ID D与与漏源电压漏源电压U UDSDS之间之间的关系曲线的关系曲线常数GSUDSDUfI)( 可变电阻区：可变电阻区：在在UDS较小靠近特性曲线纵轴处，较小靠近特性曲线纵轴处， ID几几乎随着乎随着UDS线性增加。随着线性增加。随着UGS的改变，的改变，ID随随UDS线性增线性增加的比值也相应改变，因此，此区可把场效应管的漏、加的比值也相应改变，因此，此区可把场效应管的漏、源极之间看作受源极之间看作受UGS控制的可变电阻。控制的可变电阻。模拟、数字及电力电

46、子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 恒流区恒流区(饱和区饱和区)：此区的特点是此区的特点是ID只受只受UGS的控制的控制而几乎与而几乎与UDS无关，具有恒流特点。因为无关，具有恒流特点。因为ID不随不随UDS增大而增大，达到饱和状态，故又称饱和区。增大而增大，达到饱和状态，故又称饱和区。截止区：截止区：当当UGS UP靠近特性曲线横轴处为夹靠近特性曲线横轴处为夹断区，此时管子处于截止状态。断区，此时管子处于截止状态。 击穿区：击穿区：当当UDS增大到某一值时，栅、漏间增大到某一值时，栅、漏间PN结结会发生反向击穿，会发生反向击穿， ID急剧增加，如不

47、加限制会造成急剧增加，如不加限制会造成管子损坏。管子损坏。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路二、绝缘栅场效应管二、绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET分为分为 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 N N沟道增强型沟道增强型MOSFET MOSFET 结构和工作原理结构和工作原理 结构结构 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET结构示意图和符号图结构示意图和符号图 d(Drain(Drain) )为漏极，相当为漏极，相当c c g(Gate g(Gate)

48、 )为栅极，相当为栅极，相当b b s(Sources(Source) )为源极，相当为源极，相当e e模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 工作原理工作原理l 绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通道绝缘栅型场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏的宽窄，从而控制漏- -源极间电流的大小源极间电流的大小l感生沟道的形成感生沟道的形成uGS铝铝SiO2P衬底型硅衬底型硅耗尽区耗尽区受主离子受主离子（a）uGS00时，形成空间时，形成空间电荷区。当电荷区。当u uGSGSUUT T，形，形成导电沟道。成导电沟道。 U

49、UT T开启开启电压。电压。lu uGSGS越大，则越大，则导电沟道导电沟道越宽，沟道电阻越小，越宽，沟道电阻越小， i iDD越大越大 。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路l当当u uGSGSUUT T 时，时，u uDSDS00 i iD D有电流。有电流。 当当u uDSDS较小时，较小时， u uGDGD= = u uGSGS - - u uDSDS UUT T，沟道各处宽，沟道各处宽度基本不变度基本不变电阻电阻不变不变 i iD D与与u uDSDS线线性关系。性关系。l当当uGS0 iD=0l漏源电压漏源电压uDS对漏极

50、电流对漏极电流i iD的影响的影响模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路u uDSDS u uGDGD d d处变窄，处变窄，s s处不变处不变电阻电阻 i iD D与与u uDSDS非线性关系。非线性关系。当当u uGDGD =U=UT T时时d d处沟道消处沟道消失失 预夹断。预夹断。u uDSDS u uGDGDUUT T 夹夹断区向断区向s s处扩展处扩展 u uDSDS几几乎全部降到夹断区乎全部降到夹断区 i iD D基本基本不变。不变。模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放

51、大电路 N沟道增强型MOS管的特性曲线iD=f(uDS) uGS=常数常数 输出特性输出特性uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS =5VN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线2.5截止区：截止区：0iUuDTGS ,模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路可变电阻区可变电阻区：TDSGSGDDSTGSUuuuuUu ,很小很小特点：特点：若若uGS不变，不变，iDuDS 线性关系线性关系（电阻值不变）；（电阻值不变）；若若uGS不同，斜率不同，斜率也不同（电阻不也不同（电阻不同）。同）。所以，

52、可变电阻所以，可变电阻区是受区是受uGS控制控制的压控电阻。的压控电阻。uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS =5VN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线2.5模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路饱和区（恒流区）：饱和区（恒流区）：TDSGSGDDSTGSUuuuuUu ,较大较大特点：特点：出现了夹断。出现了夹断。uGS不变，若不变，若uDS 增加，增加， iD几几乎不变乎不变（恒流）；（恒流）；uDS 不变，若不变，若uGS变化，变化， iD也也变化（变化（ uGS控制控制iD ）。）

53、。定义一参数定义一参数跨导跨导gmuDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS =5VN沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线2.5常常数数 DSuGSDmuig|模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工 转移特性转移特性uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制关系可用的控制关系可用 iD=f(uGS) uDS=const 这一曲线描述，称为这一曲线描述，称为转移特性曲线转移特性曲线。工程上有公式：工程上有公式： iD=K(uGS-UT)2K为参数，由管子为参数，由管子的结构决定。的结构决定。10234567iD（mA）uGS（V）1 2 3 4 5 6 7U

54、T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模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工n与晶体管的比较与晶体管的比较(1) (1) 场效应管是电压控制器件，基本不取信号电流，在只允场效应管是电压控制器件，基本不取信号电流，在只允许向信号源索取极小电流的情况下，应采用场效应管；许向信号源索取极小电流的情况下，应采用场效应管；而三极管是电流控制器件，取用一定的信号电流。而三极管是电流控制器件，取用一定的信号电流。(2) (2) 场效应管为单极型器件，只有多子参与导电；三极管既场效应管为单极型器件，只有多子参与导电；三极管既有多子参与导电也有少子参与导电，因此为双极型器件。有多子参与导电

55、也有少子参与导电，因此为双极型器件。场效应管具有较好的温度稳定性，且输入电阻高，抗辐场效应管具有较好的温度稳定性，且输入电阻高，抗辐射、抗干扰能力强。射、抗干扰能力强。(3) (3) 由于场效应管结构对称，源极和漏极可互换，且耗尽型由于场效应管结构对称，源极和漏极可互换，且耗尽型的的MOSMOS管的控制电压管的控制电压U UGSGS可正、可负，具有一定灵活性。可正、可负，具有一定灵活性。(4) (4) 场效应管还具有工艺简单、易集成和占用芯片面积小的场效应管还具有工艺简单、易集成和占用芯片面积小的优点，尤其适用于大规模的集成电路。优点，尤其适用于大规模的集成电路。第五节第五节 场效应管及其放大

56、电路场效应管及其放大电路模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工一、填空题一、填空题1.1本征半导体硅或锗中掺入微量的三价元素后，其中多数本征半导体硅或锗中掺入微量的三价元素后，其中多数载流子是载流子是 。1.2本征半导体硅或锗中掺入微量的五价元素后，其中多数本征半导体硅或锗中掺入微量的五价元素后，其中多数载流子是载流子是 。1.3二极管的主要特征是二极管的主要特征是 。1.4硅材料二极管导通时，其两端电压为硅材料二极管导通时，其两端电压为 伏；伏；锗材料二极管导通时，其两端电压为锗材料二极管导通时，其两端电压为 伏。伏。1.5半导体二极管的反向饱和电流越半导体二极管的反向饱和电流越 ，说明

57、该二极管的，说明该二极管的单向导电性越好。单向导电性越好。习题解析习题解析空穴空穴自由电子自由电子单向导电性单向导电性0.60.80.10.3小小模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工习题解析习题解析1.6稳压管击穿区的特性曲线越陡，管子的动态电阻越稳压管击穿区的特性曲线越陡，管子的动态电阻越 ，稳压性能就越稳压性能就越 。1.7三极管的三种状态分别是三极管的三种状态分别是 、 、 ；若发射结反偏，则三极管工作在若发射结反偏，则三极管工作在 ；若发射结正偏、；若发射结正偏、集电结反偏，则三极管工作在集电结反偏，则三极管工作在 ；若发射结正偏、；若发射结正偏、集电结正偏，则三极管工作在集电结

58、正偏，则三极管工作在 。1.8半导体三极管属于半导体三极管属于 控制型器件，场效应管属于控制型器件，场效应管属于 控制型器件，二者相比，控制型器件，二者相比， 的输入电阻更高的输入电阻更高1.9根据导电沟道的不同，场效应管可分为根据导电沟道的不同，场效应管可分为 和和 。 1.10共集电极放大电路没有共集电极放大电路没有 放大作用，但有放大作用，但有 和和 放大作用放大作用1.11多级放大电路的三种耦合方式是多级放大电路的三种耦合方式是 、 和和 。静态工作点相互独立的是。静态工作点相互独立的是 电路，电路，既能放大直流信号又能放大交流信号的是既能放大直流信号又能放大交流信号的是 电路。电路。

59、小小好好截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区截止区截止区放大区放大区饱和区饱和区电流电流电压电压场效应管场效应管N沟道沟道P沟道沟道电压电压电流电流功率功率直接耦合直接耦合 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阻容耦合阻容耦合模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工习题解析习题解析二、选择题二、选择题1.1 1.1 在一个由在一个由NPNNPN晶体管组成的基本共射放大电路中，当输晶体管组成的基本共射放大电路中，当输入信号为入信号为1kHz1kHz、5mv5mv正弦波时，输出电压波形出现了顶部正弦波时，输出电压波形出现了顶部削平的失真，这种失真是（削平的失真，这种失真是（ ）A

60、 A 饱和失真饱和失真 B B 截止失真截止失真 C C 交越失真交越失真 D D 频率失真频率失真 B 4 k C 3 k D 2 k1.2某放大电路在负载开路时的输出电压为某放大电路在负载开路时的输出电压为4V，接入，接入12k ,的负载电阻后，输出电压降为的负载电阻后，输出电压降为3V，这说明放大电路的输出，这说明放大电路的输出电阻为（电阻为（ ）A 10 kBB模拟、数字及电力电子技术厚德达理 励志勤工习题解析习题解析1.31.3二极管构成的电路，如下图所示，设二极管加反向电二极管构成的电路，如下图所示，设二极管加反向电压截止，反向电流为零，二极管加正向电压导通，正向压截止，反向电流为