半导体基本知识与半导体二极管半导体基本知识与半导体二极管

半导体基本知识与半导体二极管一、半导体基本知识导体是容易导电的物体，如铁、铜等。绝缘体是几乎不导电的物体，如橡胶等。半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体，在一定条件下可导电，半1)在外界能源的作用下，导电性能显著变化。半导体的电阻率随温度的上升而明显下降，呈负温度系数的作用.半导体的电阻率也随光照的不同而改变.光敏元件、热敏元件属于此类。2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。半导体的电阻率与所含微量杂质的浓度成正比例关系。二极管、三极管属于此类。3、本征半导体(1)定义：纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料(2)结构：它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。(3)载流子：共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。本征半导体中的自由电子和空穴(1)定义：掺入杂质的半导体被称为杂质半导体。杂质半导体主要包括N型半导体和P型半导体。任何半导体都是电中性，对外部不显电性。(2)N型半导体和P型半导体N型半导体——在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷等元素，可形成N型半导体，也称电子型半导体。在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5个价电子，它与周围原子形成4个共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。P型半导体——在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等元素形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴是多数载流子。P型半导体N型半导体(1)扩散运动：电子从N区向P区扩散；空穴从P去向N区扩散。(2)产生内电场：扩散的同时在N区留下了带正电的空穴，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了空间电荷区，也就是形成了电场。○O④+++十+十(3)漂移运动：在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。(4)PN结：通常这个空间电荷区称为PN结。2、PN结的单向导电性eeP区接电源的正极，N区接电源的负极。这时外加电压形成电场的方向与自建场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成UT=kT/q称为温度电压当量。T——为绝对温度，在室温下(300K)时UT=26mv电源的正极。此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。(1)概念：PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很(2)击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。对于硅材料的PN结来说，击穿电压大于7v时为雪崩击穿，击穿电压小于4v时为齐纳击穿。(1)电容效应：由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应。(2)电容效应有两种：势垒电容和扩散电容。势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷三、半导体二极管1、半导体二极管的结构类型(1)结构：半导体二极管又导体二极管是由PN结加上引(a)外形图(b)符号线和管壳构成的。(2)类型：按管子的结构来分有：点接触型、面接触型和平面型三大类。点接触型二极管的PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。面接触型二极管的PN结面积大，用于工频大电流整流电路。平面型二极管往往用于集成电路制造工艺(3)符号和外形结构2、半导体二极管的特性及参数(1)二极管的特性：处于第一象限的称为死区电压(硅管死区电压小于0.5V,锗管死区电压小于0.1V)。通电压取0.7V,锗管取0.3V。它会有很小的反向电流，而且反向电流在一定范围内基本不随反向电压变化而变(2)二极管的主要参数最大整流电流IF——指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均最大反向工作电压UR——二极管允许的最大反向工作电压，工作时加在二一般取击穿电压的1/2-1/3作UR。二极管的直流电阻RD——加在管子两端的直流电压与直流电流之比，我们二极管的性能越好。二极管的交流电阻rd——二极管工作点附近电压的微变化与相应的电流微变化值之比，就称为该点的交流电阻。流过管子的反向电流.通常希望值愈小愈好.反向电流愈小，说明二极管的单向导一、限幅电路当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。我们把开始不变的电压称为限幅电平。它分为上限幅和下限幅。[例1.1]试分析图1-8a所示的限幅电路，输入电压的波形为图1-8b,画出它的限幅图1-8限幅电路和输入电压的波形图解：(1)E=0时限幅电平为0v。ui>0时二极管导波形图为：如图1-9所示(2)当O<E<UM时，限幅电平为+E。u图1-9图1-11图1-10图1-11二、二极管门电路二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。如图1-12所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。实现逻辑"与"运算.图1-12二极管组成的门电路三、二极管整流电路(补充内容)整流：就是把交流电变为直流电的过程。滤波：将脉动直流电变为平(1)电路结构一种最简单的整流电路。它由电源变压器T、整流二极管D和负载电阻Rfz,组成。变压器把市电电压(多为220伏)变换为所需要的交变电压e2,D再把交流电变换为(2)工作原理变压器砍级电和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图5-2(a)所示。在0~半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向过它加在负载电阻Rfz上，在π~2π时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。这时D承受反向电压，不导通，Rfz,上无电压。在π~2π时间内，重复0~π时间的过程，而在3π~4π时间内，又重复π~2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz,在Rfz上获得了一个单一右向(上正下负)的电压，达到了整流的目的，但是，负载电压Usc。以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。这种除去半周、留下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低(计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc=0.45e2)因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。(1)电路结构是由两个半波整流电路组合出大小相等但极性相反的两个电压e2a、e2b,构成Rfz,两个通电回路。(2)工作原理全波整流电路的工作原理，可用波形图说明。在0~π间内，e2a对DI为正负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过，如波形图所示的那样，因此称为全波整流，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率(Usc=0.9e2,比半波整流压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这给制作这种电路中，每只整流二极管承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能加上电容滤波时，Usc=1.2U2。(1)电路结构桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电(2)工作原理桥式整流电路的工作原理Rfz、D3通电回路，在Rfz,上形成上正下负的半波整洗对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、在Rfz上形成上正下负的另如此重复下去，结果在Rfz,上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半!4、几种整流电路的比较(学生自行整理)包括电路结构、输出电压、输出电流、二极管的电流、二极管的反向电压等【补充作业题】单相桥式整流电路，U₂=10V,试计算电路参数，并选择合适二极管。特殊二极管一、稳压二极管1、稳压管由二极管的特性曲线可知，如果工作在反向击穿区，则当反向电流的变化量较大时，二极管两端相应的电压变化量却很小，说明其具有稳压特性。利用这种特性可以做成稳压管。所以，稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。稳压管的伏安特性及符号分别如图1-13所示。稳压二极管是利用二极管的击穿特性。它是因为二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小，从而表现出很好的稳压特性。只要反向电流不超过最大稳压电流IZmax,反向电流小于最小稳压电流IZmin时，也不能稳压。2、稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ(2)稳定电流IZ(3)动态电阻(4)额定功率PZ(5)温度系数3、稳压管应用电路(1)电路结构利用二极管反向击穿特性，其电流变化时，管压降基本不变(2)稳压原理输入电压为整流滤波后的电压，稳压管与负载并联，稳压管反向工作，使流过稳压管的电流不超过最大极限，同时当电网电压波动时，通过R上的压将调节，使输出电压基本不变。(3)指标计算其中：rz为二极管的等效电阻。由此可见rz愈小R愈大，稳压系数愈大。二、光电二极管1、发光二极管发光二极管的PN结是工作在正向偏置状态的，其发光效率高，亮度高，是绿色环保的冷光源。可分为普通发光二极管和大功率发光二极管。发光二极管体辐射绿光或黄光等。发光二极管的PN结正向特性比较特殊，当工作电流为10一般二极管的正向导通电压相混淆。它具有体积小、响应快、光度强、寿命长等大功率发光二极管就是专为照明方向开发的，现在由于没有大规模推广使用，其价格高，多用于广告装饰领域。但其取代普通光源的地位不可改变。光敏二极管与普通结二极管类似，但在其结处，有玻璃窗口能接收外部的光反向电流与光照强度成正比。无光照时，反向电流很小，称其为暗电流；有光照时，反向电流很大，称其为光电流。半导体三极管一、三极管的简介三极管是组成各电子电路的核心器件，它由三个电极，称为半导体三极管或双极型三极管简称为三极管。它们常常是组成各种电子电路的核心器件。三极管以利用半导体材料硅它们的工作原理是类二、三极管的结构及类型1、三极管的基本结构2、三极管的类型按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，如果两边是N区中间为P区，4、三极管的图形及符号如下图，其中发射极箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向，因此从它的方向即能判断管子是NPN型还是PNP型。包含三个区：发射区，基区，集电区，同时相应的引出三个电极：发射极，基极，集电极。同时又在两两交界区形成PN结，分别是发射结和基点结。双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。三极管根据基片的材料的不同，分为锗管和硅管两大类，目前国内生产的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型；从功率大小可分为大功率管、中功率管和小功率管；从频率特性分为高频管和低频管。实际应用中多采用NPN型三、三极管的放大作用三极管的主要特点就是具有电流放大功能。所谓电流放大，是指当基极有一个较小的电流变化时，集电极随之会出现一个较大的电流变化。三极管的结构特点：发射区中掺杂，基区必须很薄，基电结的面积应很大，则基区中多子的浓度很低.NPN型三极管的基区为P型.故其中的多子空穴的浓工作时：发射结应正向偏置，集电结应反向偏置。即必须由三极管的内部结构和外部所加电源的极性两方面的条件来保证。实验：为了使三极管发射区的电子发射到基区，要之间加一正向偏压。为了把发射极发射到基区的电子吸收到集电区，要给双极半导体三极管加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压，如图所示。在实验时，改变RB,则IB数据如下表所示。数流123456基极电流IB/mA0<得出以下结论。1)三极管各极电流的分配关系为发射极电流等于集电极电流与基极电流之和，2)IB增加时，IC按比例相应增加，集电极电流与基极电流的比值称为三极管直3)当基极电流发生微小变化时，集电极电流将发生较大的变化。集电极电流变化量与基极电流变化量的比值，称为三极管交流放大系数，以β表示，有：4)当时IB=0时，IC=ICEO,该电流很小，是由少数载流子的漂移运动产生的，电路计算中可忽略不计。从表还可看出，β与β的数值很接近，因此工程上不需作严格区别，统称为电流放大系数。理论分析：在发射结正偏，集电结反偏条件下，三极管中载流子的运动：(1)在UBB作用下，发射区向基区注入电子形成IEN,基区空穴向发射区扩散形成IEP。(2)电子在基区复合和扩散，由发射区注入基区的电子继续向集电结扩散，扩散过程中少部分电子与基区空穴复合形成电流IBN。由于基区薄且浓度低，所以IBN较小。(3)集电结收集电子，由于集电结反偏，所以基区中扩散到集电结边缘的电子在电场作用下漂移过集电结，到达集电区，形成电流ICN。(4)集电极的反向电流，集电结收集到的电子包括两部分：发射区扩散到基区的电子ICN,基区的少数载流子ICBO。三极管在放大作用时，因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。而留在基区的很少，因为基区做的很薄。我们再用图形来说明一下，如图所示。由于载流子的运动，从而产生相应电流，它们电流的分其中：ICEO——为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；ICBO——为IB=0时，集电极和发射极之间的穿透电流；a——为共基极电流的放大系数；β——为共发射极电流的放大系数。它们可定义为：由于ICBO很小，可忽略，在忽略ICBO情况下，综上所述，三极管的三极电流分配关系有：四、三极管的特性曲线1、三种接法双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极，这样三个电极具有三种接法。这三种接法也称三共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。析讨论三极管共发射极接法时的特性曲线。三极管共发射极接法时的输入特性方程为：,它与PN结的正向特性相似，对输入特性有影响，且UCE>1v时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用UEC=0和UCE=2v,两3、输出特性三极管共发射极接法时的输出特性方程为：(1)截止区：IB<=0时，此时的集电极电流近似为一般将满足IB<=0时的区域称为截止区。此时IB近透电流。一般硅三极管的穿透电流较小，所以在输出特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流较大，约为几十微安到几百微安，可以认为当发射结反向偏置时，发射区不再向基区注入电子，则三极管处于截止状态。所以，在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。对于NPN三极管来说，此时UBE<0,UBC<0.(2)饱和区：此时两个结均处于正向偏置，UCE=0.3V,图1-19b中靠近纵坐标的附近各条输出特性曲线的上升部分属于三极管的饱和区。见图1-19b中纵坐标附近虚线以左的部分。在这个区域，不同值的IB各条特性曲线几乎重叠在一起十分密集。也就是说当UCE较小时，管子的集电极电流IC基本上不随基极电流IB而变化，这种现象称为饱和。在饱和区三极管失去了放大作用，此时不(3)放大区：此时IC=βIB,IC基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。在放大区内各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平的直线，表示当IB一定时，IC的值基本上不随UCE而变化，同时也说明在放大区的IC值基本上与集电极电压UCE无关。而当基极电流有一个微小的变化量△g时，相应地1.放大系数——放大系数有两种(直流和交流),但我们一般认为，它们二者是相等的，不必区分它们。(1)共射电流放大系数β——β体现共射接法时三极管的电流放大作用，定义为集电极电流与基极电流的变化量之比，即：(2)共基电流放大系数α——体现共基接法时三极管的电流放大作用，α的定义是集电极电流与发射极电流的变化量之比。即：(3)共基电流放大系数α和共射电流放大系数β,二者的关系是：2.极间的反向电流(1)基电极—基极的反向饱和电流ICBO——ICBO表示当发射极开路时，集电极和基极之间的反向电流。(2)穿透电流ICEO,它与ICBO关系为：ICEO=(1+B)ICBO,穿透电流表示当基极开路时，集电极和发射极之间的电流。3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM——当集电极电流过大时，三极管的β值就要明显减小，此时对应得值就是集电极最大允许电流。当IC=ICM时，管子的β值下(3)集电极最大允许耗散功率PCM——当三极管工作时，管子两端的压降为UCE,集电极流过的电流为IC因此损耗的功率为PC=ICUCE,集电极消耗的电能将转化为热能使管子的温度升高，如果温度过高，将使三极管的性能恶化甚至被损坏，所以集电极损耗有一定的限制。六、三极管工作状态判定三极管发射结、集电结的偏置和管子工作状态的关系示于表中。偏发发射置\结发射结集电结截止反偏或零偏反偏放大正偏反偏饱和正偏正偏或零偏2.三极管电流关系判定法三极管中的电流和工作状态的关系如表所示电工流关电系截止放大饱和共射电路三极管基极电位集电极电位和三极管工作状态的关系，如表所示。电位值(V电位)截止0放大UCES<UC<VCC饱和场效应管场效应管是通过改变输入电压来控制输出电流的电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此它的输入电阻很高，它还具有温度特性好、抗干扰能力强、便于集成等优点。场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，它又被称为单极性三一、结型场效应管结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着区即为栅极g(G),N型硅端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。2.结型场效应管的工作原理我们以N沟道结型场效应管为例说明结型场效应管的工作原理。在D、S间加上正相电压UDS,则源极和漏极之间形成电流ID,我们通过改变栅极和源极的反相电压UGS,就可以改变两个PN结阻挡层的(耗尽层)的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。栅极和源极加正相电压UGS,两个PN结阻挡层的(耗尽层)的宽度变大，无漏极电流ID。,场效应管截止。3.结型场效应管的特性曲线下面以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管特性曲线。(1)输出特性曲线：(如图1-21a所示)根据工作特性我们把它分为四个区域，即：可变电阻区、放大区、击穿区、截止区。(a)输出特性曲线图1-21结型场效应管的特性曲线图(b)转移特性曲线转移特性关系方程为'D=/(Uσg)lU=我们根据这个特性关系可得出它的转移特性曲线如图1-21b所示。它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。从图中我们可以看出当UGS=UP时ID=0。我们称UP为夹断电压。转移特性和输出特性反映场效应管工作时是UGS、UDS、ID之间的关系的，它们之间是可以互相转换的。二、绝缘栅场效应管1.N沟道结型场效应管的特点绝缘栅型场效应管由金属氧化物和半导体制成，所以称为金属氧化物半导体场效应管或简称MOS场效应管.由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，因此其输入电阻更高。可达109Ω以上。从导电沟道来分，绝缘栅型场效应管也有N沟道和P沟道两种类型。无论N沟道或P沟道。又都可以分为增强型和耗尽型两种。下面以N沟道增强型MOS场效应管为例介绍。2.绝缘栅型场效应管的结构和原理B§N沟道箭头向里我们首先来看N沟道增强型MOS场效应管的符号图：如图1-22所示用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其表面上覆盖一层二氧化硅的绝缘层，再在二氧化硅层上刻出两个窗口。通过扩散形成两个高掺杂的N区，分别引出源极S和漏极D然后在源极和漏极之间的B§N沟道箭头向里极在管子内部连接在一起。由图可见这种场效应管由金属氧化物和半导体组成。道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。栅极和源极加反相电压UGS,导电它的转移特性曲线如图1-23所示；它的输出特性曲线如图1-24所示，它也分为4个区：可变电阻区、放大区、截止区和击穿区。1-24结型场效应管的输出特性曲线图饱和漏极电流IDSS;夹断电压UP;直流输入电阻RGS。低频跨导gm:极间电容(3)极限参数(1)场效应管是电压控制器件，它通过UGS来控制ID;(2)场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很高；(3)它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；(4)它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大(5)场效应管的抗辐射能力强第一章小结2、半导体器件半导体二极管特殊二极管半导体三极管场效应管3、应用电路二极管应用电路(整流电路)1.1温度升高时，二极管的正向压降是增大还是减小?二极管的反向饱和电流是增大还是减小?1.2通常小功率硅二极管的正向压降是多少伏?小功率锗二极管的正向压降是多1.3硅稳压管工作于伏安特性的哪一段?在使用中要注意什么问题?1.4稳压值为为7.5伏和8.5伏的两只稳压管串联或并联使用时，可得到几种不同的稳压值?和稳压值为各为多少伏?设稳压管正向导通压降为0.7伏1.5用两个二极管连接成一个三极管，为什么?1.6三极管有哪三种基本连接方式?试用NPN型管的图形符号画出这三种连接1.7三极管的集电区和发射区均属于同一类型的半导体，如果把三极管的发射极和集电极互换使用，有什么不好?1.8如下图所示是某二极管在某温度时的伏安特性。试判断该管是硅管还是锗管?1.9写出下图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压Un=0.7V。UR=-6V,UO=-6.2V,试分析A、B、C中哪个是基极，哪个是发射极哪个是集电极，并说明这个三极管是NPN管?管还是PNP?1.11某三极管的电流放大实验测试数据如表所示。0试求：(1)IB=0.02～0.07mA和0.04～0.07mA之间的β值各为多少?(2)IB=0.04mA和0.07mA时的β值各为多少?(3)穿透电流ICEO不超过多少?断各管分别工作在何种状态(放大、饱和、截止)。三、学生练习第2章基本放大器共射放大电路uo——是输出电压VT——NPN型晶体管，是放大电路的核心元Ucc——是放大电路的直流电源。RB——是基极偏置电阻。共射放大电路——输入回路和输出回路的公共端是发射极。直流量用大写字母、大写下角标表示，如Ig,Ic,UcE等；交流量用小写字母、小写下角标表示，如ip,ic,uce等；总变化量是交直流叠加量，用小写字母、大写下角标表示，如ig,ic,ucE等。(1)静态工作情况分析静态——放大电路输入端未加输入信号即ui=0时的工作状态称为静态。静态工作点——晶体管的Ig,Ic,Ucr称为该放大电路的静态工作点，简称Q点。直流通路——按直流信号在电路中流通的路径可画出直流通路。直流通路的画法——电容开路；电感短路。静态计算——估算法。Ic=βI₃Uce=Ucc-Rclc[例2.1]在上图中，已知Ucc=20V,Rg=400kΩ,Rc=6kΩ,β=50,试求放大电路的静态工作点的Ig,Ic,UcE。解：根据式(2-1),式(2-2),式(2-3)可得Ic=βI₃=Uc=Ucc-Rlc=2.动态工作情况分析动态——放大电路输入端加输入信号即ui≠0时的工作状态称为动态。这时电路中各电量将在静态直流分量的基础上叠加一个交流分量。动态参数——电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。(1)放大分析3、静态工作点的选择与波形失真波形失真——是指输出波形相对于输入波形产生了畸变。(1)饱和失真产生原因——当静态工作点设置太高时，在交流信号的正半周，随输入信号增大，集电极电流ic因受最大值Icm的限制而不能相应地增大，这时尽管ig的波形完好，但ic正半周和ucE负半周的顶部被削去，这种由于动态工作点进入饱和(2)截止失真产生原因——静态工作点设置太低时，在交流信号的负半周，晶体管因发射结反偏而进入截止状态，使ic负半周和ucE正半周的顶部被削去。这种由于动态非线性失真——饱和失真和截止失真都是由于晶体管工作在特性曲线的非线性区域所引起的，因而称为非线性失真。放大电路的最佳静态工作点——是指输入信号变化时，输出信号正、负半周都能达到最大值而不出现失真的工作点。动态范围——任何状态下，不失真的最大输出称为放大电路的动态范围。显然，最佳工作点下，电路的动态范围最大。在保证输出信号不失真的前提下，降低电路的静态工作点，有利于减少放大电路的损耗。放大电路的饱和失真放大电路的截止失真4、放大电路的微变等效电路分析法(1)晶体管微变等效电路模型(2)微变等效电路分析法交流通路——对频率较高的交流信号，放大电路中的耦合电容、旁路电容画交流通路时都视为短路；直流电源由于内阻很小，对交流信号也视为短路。放大电路的微变等效电路电压放大倍数Au:(bì(负号表示输出电压与输入电压反相)输入电阻Ri:从放大电路的输入端看进去的交流等效电阻，它等于放大电路输入电压与输入电流的比值，即Ri=Ui/li。Ri=RB//rbe≈Tbe输出电阻Ro:从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻，它等于放大电路输出电压与输出电流的比值，即Ro=Uo/Io。是衡量放大电路带负载能力的一个性输入电阻和输出电阻图静态工作点稳定电路一、温度变化对静态工作点的影响温度升高时——静态电流增大——(1)信号失真；(2)集电极损耗增大，管温升高，损坏三极管。二、分压式偏置稳定电路(1)利用电阻Rg₁和RB₂分压来稳定基极电位；(2)由发射极电阻RE实现静态工作点的稳定通常Ug>>UpE,所以集电极电流，则：说明了Ug和Ic是稳定的，基本上不随温度而变，而且也基本上与管子的参数β值无关。(1)静态计算Uce≈Uc-Ic(Rc+R₈)(2)动态分析R′=RcI|RRi=RB₁//Rp₂//rbUce≈Ucc-lc(Rc+R)=12-2×(2+2)=6V(2)估算电压放大倍数Au(3)估算输入电阻Ri,输出电阻Ro。Ri=Rg₁//RB₂//rbe≈rbe=0.83kΩRo=Rc=2kΩ电容CE的作用：射极旁路电容(一般取10～100μF),它对直流相当于开路，静态时使直流信号通过RE实现静态工作点的稳定；对交流相当于短路，动态时交流信号被CE旁路掉，使输出信号不会减少，即Au计算与式(2-7)完全相同。作业：电路如下图所示，已知晶体管β=50,Ucc=12V,RB₁=22k2,RB₂=12kΩ,R₁=3k2,Rc=3k2,RE=2k2,CE=100uF。试求：(1)静态值Ico和UcEo。(2)电压放大倍数Au。(3)输入电阻Ri,输出电阻Ro。共集放大电路和共基放大电路(1)静态计算(根据直流通路来分析)Ucc=I₈Rg+UBE+I₂RUc≈Ucc-IcR(2)动态计算(根据微变等效电路来分析)3、射极输出器的特点R₁=Ra/IR’=RΘ//[+(1+β)R{](1)静态工作点稳定。射极输出器中的电阻RE具有稳定静态工作点的作用，过程如下：T(C)↑→Ic↑→Ue↑→UBE↓→Ig↓→Ic!(2)电压放大倍数略小于1(近似为1)。电压放大倍数约为1并为正值，可见输出电压uo随着输入电压u;的变化而变化，大小近似相等，相位相同。所以，射极输出器又称为射极跟随器。射极输出器虽然没有电压放大，但仍具有电流放大和功率放大的作用。(3)输入电阻高。(4)输出电阻低。4、射极输出器的应用(1)用做输入级。在要求输入电阻较高的放大电路中，常用射极输出器做输入级。利用其输入电阻很高的特点，可减少对信号源的衰减，有利于信号的传输。(2)用做输出级。由于射极输出器的输出电阻很低，常用做输出级。可使输出级在接入负载或负载变化时，对放大电路的影响小，使输出电压更加稳定。(3)用做中间隔离级。将射极输出器接在两级共射电路之间，利用其输入电阻高的特点，可提高前级的电压放大倍数；利用其输出电阻低的特点，可减小后级信号源内阻，提高后二、共基放大电路由发射极输入信号，集电极输出信号，基极交流接地，是输入回路与输出回路的公共端，故称共基电路。(1)静态分析共基电路的直流通路与共射分压式偏置稳定电路的直流通路完全相同，因而静态工作点的估算方法也完全一样。(2)动态分析R₁=Rgl/(₀/(1+β))Ro=Rc3、特点通频带宽、稳定性好，输出电流恒定。多用于高频和宽频带电路中，在声像及通信技术中应用较广。信号源中间级输入级负载输出级放大器放大信号源中间级输入级负载输出级放大器放大器21放大器放大器放大人器放大器多级放大电路二、级间耦合方式耦合：多级放大电路中级与级之间的连接称为耦合。要求：一是静态工作点互不影响；二是前级输入信号应尽可能多地传送到后级。常用的耦合方式有：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。直接耦合：级间直接连接或用电阻连接的方式称为直接耦合。直接耦合放大电路既能放大直流与缓慢变化的信号，也能放RR放大直流与缓慢变化的信号，不适于集成电路。变压器耦合：级间通过变压器连接的方式称为变压器耦合。变压器能隔断直流、传输交流，可使各级静态工作点独立。积大、成本高，因而变压器耦合放大电路不适于集成电路，Au=Aui·Au₂·Au₃.·Aun注意：把后一级的输入电阻作为前一级的负载电阻。四、例题：计算两级阻容耦合放大电路的电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。一、直接耦合放大电路的特殊问题解决办法：(1)加后级发射极电阻；(2)加发射极稳压管；(3)采用PNP和NPN三极管互相配合。(1)零点漂移：输入信号为零，输出信号随外界条件变化而偏离静态值的现象，(2)零点漂移产生的主要原因由温度引起的零漂最严重，因此又称为温漂。(3)解决零点漂移的办法精选元器件，对元器件进行老化处理；采用差动放大电路。由两个完全对称的单管共射放大电路组成，采用双端输入-双端输出连接方式，一般由正、负两组电源供电，且Ucc=-UEE。2.电路工作原理(1)静态分析静态时输入信号ui=0,由于电路左右两边完全对称，静态值完全相同，故Uo=Uo1-Uo2=0,实现了零输入、零输出的要求。(2)对共模信号的抑制作用共模信号：两个输入端加上了一对大小相等，相位相同的信号电压，我们把(3)对差模信号的放大作用差模信号：在两个输入端加上了一对大小相等，相位相反的信号电压，我们把这样的信号称为差模信号。uan=1/2uauap=-1/2uaA₁=A₂U=AU=A×1/2uu₀₂=A₁₂Uia₂=-A₄₂×1/2u₁a=-u₀₁Uou=U₀₁-U₀₂=2u。(4)共模抑制比【作业】(1)估算各管的静态电压、电流值；(2)计算电压放大倍数Aa。(3)如果输出端接入RL=5K的负载，再求Ad。场效应管放大电路一、分压式偏置电路1、电路结构(N沟道耗尽型绝缘栅场效应管共源放大电路)3、场效应管放大电路的微变等效电路分析法(1)场效应管的等效电路(2)基本性能指标(Au,Ri,Ro)电压放大倍数输入电阻输出电阻二、自给偏压式(适用于结型场效应管和耗尽型场效应管)1、电路结构(耗尽型场效应管共源放大电路)Ugso=Ugo-Uso=-IpoRsIpo=Ipss(1-Ugso/Ugs(om)²Upso=Vpp-Ipo(Rp+Rs)(1)电压放大倍数Au=-gm(Rp//RL)(2)输入电阻(3)输出电阻功率放大电路输出足够大功率的放大电路称为功率放大器，简称功放。一、功率放大器的概念1.功率放大器的任务功率放大器是大信号放大器，要求输出功率大、效率高、失真小。η=Po/Ppc2.功率放大器的分类(1)按晶体管的工作状态分类。可分为：甲类、乙类和甲乙类。(2)按电路形式分类。有单管功率放大器、互补推挽功率放大器和变压器耦合功率放大器。二、互补对称功率放大器1.双电源互补对称功率放大器——OCL电路(1)电路组成(2)工作原理。静态时，由于两管均无直流偏置而截止，故Ig=0,Ic=0。因此放大器工作在乙类状态，功耗为0。动态时，在u;的正半周期内，VT₁管因发射结正偏而导通，VT₂管因发射结反偏而截止。这时icl≈iel流过负载RL,产生输出电压的正半周波形。在u;产生输出电压的负半周波形。两管在输入信号作用下均工作在乙类状态，交替轮流导通，从而在负载RL上合成一个完整的波形。由于两管相互补足对方缺少的半个周期，工作性能对称，故这种电路称为互补对称功率放大器或无输出电容功(3)交越失真。乙类功放为零偏置时，当输入信号小于晶“体管的死区电压时两管都截止，从而使输出波形在正、负半周交接处出现失真，称为交越失为了消除交越失真，可给两个互补管的发射结设置一个略大于死区电压的正向偏压，使两管在静态时处于微导通。来克服交越失真，这种工2.单电源互补对称功率放大器——OTL电路OCL电路采用双电源供电，给使用和维修带来不便，因此可在放大器输出端接入一个大电容C,利用这个大电容C的充放电来代替负电源，称为单电源互补对称功率放大器或无输出变压器功率放大器，简称OTL电路。3.复合管互补对称功率放大器&BBVT₁VT₂E2晋&YTとJE₁VT₁BleYT₂bBE oB₂YT₂E o&8S导yr&同相输入反相输入增益调节同相输入反相输入增益调节复合管是由两个或两个以上的晶体管(有时还有场效应管)构成的一个三端子器件，又称达林顿管。连接时，在串接点应保证电流的连续；在并接点应保证总电流为两管电流的算术和。复合管的类型取决于VT₁的类型，复合管的电流放大系数β=β₁β2。(1)参数散热片与3脚相连负载阻抗：42。散热片与3脚相连输出功率：14W。源供电，接成OTL电路。(2)应用电路2.集成功放LM386及应用电路(1)参数LM386:音频小功率集成放大器，它频响宽、功耗低、电源电压适应范围宽。额定工作电压Ucc:=4～16V。静态电流：电源电压为6V时，静态工作电流为4mA。电压增益：1和8脚间外接电阻、电容元件以调整电路的电压增益。频响范围：可达到数百千赫兹。最大允许功耗：660mW。输出功率：工作电压为6V,负载阻抗为82时，输出功率约为325mW;工作电压为9V,负载阻抗为8Ω时，输出功率可达1.3W。输入阻抗：两个输入端的输入阻抗都为50kΩ。(2)应用电路地本章小结1、三极管工作在放大区的条件发射结正偏，集电结反偏。2、三极管放大电路的三种连接方式共发射极、共集电极、共基极放大电路。4、多级放大器的耦合方式直接耦合、阻容耦合、变压器耦合。5、场效应管放大电路的连接方式6、场效应管放大电路的偏置电路1、三极管放大电路(1)静态分析(2)动态分析微变等效电路法。2、场效应管放大电路(1)静态计算(2)动态分析(1)静态分析(2)动态分析(1)静态分析(2)动态分析5、功放电路的原理分析习题讲解2.2什么是静态工作点?放大电路为什么要设置静态工作点?静态工作点、静态值的确定方法有哪两种?2.3改变Rc和Ucc对放大电路的直流负载线有什么影响?通路；(3)直流负载线与交流负载线；(2.5在什么条件下三极管可用微变等效电路来代替?2.6电压放大倍数Au是不是与β成正比?2.7能否靠增大Rc来提高放大电路的电压放大倍数?当Rc过大时对放大电路的工作有何影响?(设Ig不变。)2.8输入电阻和输出电阻反映了放大器哪方面的性能?通常希望放大电路的输入电阻高一些好，还是低一些好?而输出电阻呢?放大电路的带负载能力是指什2.9试判断题2.9图中各个电路能不能放大交流信号?为什么?Ω,三极管的β=40。(1)试估算放大电路的静态值IBq,Ico,Uce;(2)如果三极静态时，C1和C2上的电压各为多少?并标2.11在习题2.10中，如改变Rg,使Uce=3V,试用直流通路求Rg的大小；如改变Rg,使Ic=1.5mA,Rg又等于多少?并分别用图解法求出静态工作点。2.12在题2.10图(a)中，若Ucc=10V,今要求Uce=5V,Ic=2mA,试求Rc和2.14在习题2.10图(a)所示的固定偏置放大电路中，Ucc=12V,三极管的β=20,Ic=1mA。现在要求Au≥100,试计算Rc,Rg及UcE。2.15已知某放大电路的输出电阻为3.3kΩ,输出端的开路电压的有效值为2V,试问该放大电路接有负载电阻RL=5.1kΩ时，输出电压将下降到多少?2.16有一放大电路如题2.16图(a)所示，其三极管的输出特性以及放大电路的交、直流负载线如题2.16图(b)所示。试问：(1)Rg,Rc,RL各为多少?(2)不产生失真的最大输入电压为多少?(3)若不断加大输入电压幅值，该电路首先出现何种性质的失真?调节电路中哪个电阻能消除失真?将阻值调大还是调小?(4)将RL电阻调大，对交、直流负载线会产生什么影响?(5)若电路中其他参数不变，只将三2.17在题2.17图所示的射极输出器RE=1kΩ,三极管的β=50,roe=1kΩ。试求Ar;和ro。FET的Up=-1V,Ipss=0.5mA,请确定静态工作点。2.19功率放大电路与电压放大电路有何异同?功率放大电路有何特殊要求?2.20何为交越失真?怎样消除交越失真?2.21功率放大电路如题2.21图所示。(1)说明电路的工作原理。(2)说明电路中R4和C3的作用。(3)若考虑UcEs=0.5V,在输出基本不失真的情况下，估算电路的最大输出功率。一、三极管放大电路的静态和动态分析(1)直流通路：(2)静态估算：其它：根据KVL定理列基极回路方程，求解得到Igo(1)画出微变等效电路：交流通路一微变等效电路(2)动态计算例题：电路如图所示，三极管UBE=0.7V,β=80。(1)求静态工作点；(2)画出微变等效电路；(3)求电路的Au、Ri和Ro。二、阻容耦合多级放大电路的静态和动态分析Au=Aul×Au2×……×Aun注意：后级的输入电阻是前级的负载。(1)画出微变等效电路；(2)求电压放大倍数；(3)求输入电阻Ri和输出电阻Ro。2、动态分析(1)画出微变等效电路(2)动态分析(1)列出器件的特性方程；(2)列出回路方程；(1)画出微变等效电路(2)求解动态参数(1)画出等效电路；(2)求电压放大倍数；(3)求放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro。【作业】(1)画出微变等效电路；(2)求电压放大倍数；(3)求输入电阻Ri和输出电阻Ro。负反馈与集成放大电路一、反馈的定义反馈：将放大电路的输出量(电压或电流)的一部分或全部，通过一定的方式送闭环放大器：引入反馈的放大电路称为闭环放大器。开环放大器：没有引入反馈的放大电路称为开环放大器。输入量Xj输入量XjA&fFX=X;-XX。=A(X;-Xf)=A(X₁-FX。)=AX;-AFX。反馈深度：(1+AF)是描述反馈强弱的物理量，它又被称为反馈深度，它是反馈二、反馈的分类和判断1、有无反馈的判断反馈信号能使原来的净输入信号减小即为负反馈，反之则为正反馈。如果反馈信号增强了净输入信号的作用，这样的反馈为正反馈；如果反馈信号削弱了外加输入信号的作用，这样的反馈为负反馈。判断的方法是：瞬时极性法。先将反馈网络与放大电路的输入段断开，然后设定输入信号有一个正极性的变化，再看反馈回来的量是正极性的还是负极性的，若是负极性，则表示反馈量是削弱输入信号，因此是负反馈。反之则为正反图3-3直流反馈和交流反馈3、直流反馈和交流反馈如果反馈量是直流信号(只含有直流量)则称为直流反馈；如果反馈量是交流信号(只含有交流量),则称为交流反馈；如果反馈量既有交流信号又有直流信号，则称为交直流反馈。反馈信号是取自输出电压，并与之成比例，则为电压反馈；反馈信号取自输出电流,并与之成比例，则为电流反馈。判断方法：只要令负反馈放大电路的输出电压为零，若反馈信号随之消失，则说明在电路中引入了电压反馈；若反馈信号依然存在，则说明在电路中引入了电流反馈。另一种方法，将负载RL开路，从而使(if=0或uf=0)即由输出信号引起的反馈信号消失，从而确定为电流反馈；否则，反馈信号仍存在则为电压反馈。若反馈信号为电压量uf,它与输入电压ui以串联的形式进行比较求差而获得的净输入电压ube=ui-uf,为串连负反馈。若反馈信号为电流量is,它与输入电流io(i₀=ii-if)以并联的形式进行比较求差而获得的净输入电流，为并联负反馈。三、负反馈放大电路组态的判断1、串联电压负反馈反馈类型：串联电压负反馈Ü₄=U₁-U,3、并联电压负反馈反馈类型：并联电压负反馈。,mU,=A,1是输入电流控制的电压源，它稳定输出电压。4、并联电流负反馈反馈类型：并联电流负反馈。电流源。它能稳定输出电流。【补充作业】反馈有哪些类型?如何判断?(1)负反馈使放大倍数下降(2)负反馈提高放大倍数的稳定性例：某负反馈放大电路，其A=104,反馈系数F=0.01。如由于某些原因，使A变化了±10%,求Af的相对变化量为多少?解：由上式得输入电阻的影响，只取决于反馈电路在输入端的连接方式，即：取决于是串(1)串联反馈使输入电阻提高即：rif=(1+FA)ri(2)并联反馈使输入电阻下降即：rif=ri/(1+FA)3.负反馈对输出电阻的影响输出电阻的影响，只取决于反馈电路在输出端的连接方式，即：取决于是电(1)电压反馈使输出电阻降低即：rof=ro/(1+FA)(2)电流反馈使输出电阻提高即：rof=(1+FA)ro4.负反馈对放大电路非线性失真的影响负反馈可以使放大电路的非线性失真减小，它还可以抑制放大电路自身产生注：负反馈只能减小本级放大器自身产生的非线性失真和自身的噪声，对输入信号存在的非线性失真和噪声，负反馈是不能改变的。频带的变化表达式为：fow=fkr-frr≈(1+FAm)fp即：引入负反馈后，上限频率提高(1+FAm)倍，下限频率下降(1+FAm)倍；频带展宽(1+FAm)倍。深度负反馈放大电路的计算时，于是例：计算图3-8中各放大电路的电压放大倍数。解：图3-8(a)电路是电压串连负反馈。反馈电压为图3-8(b)电路是电压并联负反馈。反馈电流为：图3-8图3-8(c)电路是电流并联负反馈。反馈电流为：图3-8(d)电路是电流串联负反馈，反馈电压为：集成运算放大器集成运算放大器(简称运放)是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器。一、集成运放的组成(1)所有各元件是在同一块硅片上用相同的工艺过程制造的，因而具有相同的同向偏差、温度特性等参数，特别适用于制造对称性较高的差分放大电路。(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，阻值范围有一定的局限性，一般在几十欧到几十千欧之间，过高或过低的电阻制造很困难。(3)由于集成工艺不适于制作大容量的电容，更难于制造电感器件，所以电路(4)为了提高集成度和集成电路性能，一般集成电路的功耗要小，这样集成运(5)在集成电路中，制造有源器件比制造大电阻占用的面积小，工艺上也不麻烦。所以在集成放大电路中，常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。恒流源偏置电路输出级输入级路，输入级的好坏对提高集成运放的整体质量至关重要，如输入电阻、共模抑制比、输入电压范围以及电压放大倍数等许多性能指标的优劣，输入级都起决定性要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。输入级大都采用差分放大电路的形式。最常见的有三种：基本形式、长尾式和恒流(3)中间级：为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，不仅要求电压放大倍数足够大，而且还要求输入电阻较高。中间级是整个放大电路的主要放大电路。其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射(或共源)放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载。其电压放大倍数可(4)输出级：为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路集成显然，在放大器的三种组态中，具有低输出电阻的共集(或共漏)放大器最适合围不够大，还不能直接作为输出级电路，因而必须加以改进。过流保护电路集成运放输出级的输出电流很大，当输出端意外短路或负载电流太大时，容易损坏运放的内部管子，所以必须有过流保护电路。二、集成运放的性能指标6.输入失调电压Uio及其温漂dUio/dT7、输入失调电流Io及其温漂dljo/dT三、集成运放的应用基础有两个输入端和一个输出端。其中：标有+的为同相输入端(输出电压的相位与该输入电压的相位相同)标有-的为反相输入端(输出电压的相位与该输入电压的相位相反)2.理想集成运放输入偏置电流：IB₁=IB₂=0无干扰无噪声失调电压Ulo、失调电流Io及它们的温漂均为零。3.集成运放工作在线性区的特性当集成运放工作在线性放大区时的条件是：即：同相输入端与反相输入端的电位相等，但不是短路。我们把满足这个条件称为"虚短";理想运放的输入电阻为～,因此集成运放输入端不取电流。4.集成运放工作在非线性工作区当集成运放工作在非线性区时的条件是：集成运放在非线性工作区内一般是开环运用或加正反馈。它的输入输出关系是：运算电路定义：将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。分类：反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。U_=U₄=0,L_=I+=0U_=U₄=0,L_=I+=0从上式我们可以看出：Uo与Ui是比例关系，改变比例系数,即可改变Uc的数值。负号表示输出电压与输入电压极性相反。放的共模抑制比要求低输出特性：因为：U_=U+=U;(虚短但不是虚地);I_=I₄=0;改变Rf/R1即可改变Uo的值，输入、输出电压的极性相同。高输入信号分别加之反相输入端和同相输入端。实际完成的是：对输入两信号的差运算。2.和、差电路它的输出电压与输入电压的关系为：Y=-(a₀X₀+a₁X₁+a₂X₂)此电路的功能是对Ui1、Ui2进行反相求和，对Ui3、Ui4进行同相求和，然后进行的叠加即得和差结果。由于该电路用一只集成运放，它的电阻计算和电路调整均不方便，因此我们常用解：给定的运算关系中既有加法，又有减法，可以利用两个集成运放达到以上要然后将A的输出再与u通过反相求和，使·可选R;₁=20kΩ,则可算得图3-18若选Rr₂=100kΩ,则还可算得Rp₁=R₁//R₃//R=40kΩ//13.333kΩ//20kΩ≈6.667k2Rg=R://R₁//Rr:=20kΩ//100kΩ//100kΩ≈14.286kΩ微分是积分的逆运算，它的输出电压与输入电压呈微分关4.对数和指数运算电路对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数。我们把反相比例电路中Rf用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路。指数运算电路是对数运算的逆运算，将指数运算电路的二输入、输出电压的关系为：集成运放应用的一些实际问题失调电压、失调电流的存在，使得实际运放当输入信号为零时，输出不为零。为此，有些运放在引脚中设有调零端子，接上调零电位器Rp可调零。电位器应选用精密的线绕电位器。调零同时用最低档直流电压表测输出电压，使输出电压为零即可。有些集成运放没设调零端，例如有些双运放、四运放就不设调零端。为此，使用时可采取辅助调零的办法。(a)引到反相端(b)引到同相端(a)在电源端子上接电容(b)在反馈电阻两端并联电容(C)在输入端并联RC支路为了消除自激，有些集成运放在内部已做了消振电路，有些集成运放则引出消振端子，外接消振RC网络。在实际应用中，为了使电路稳定，有些电路分别在运放的正、负电源端与地之间并接上几十微法与0.01～0.1μF电容，有些在反馈电阻两端并联电容。有些在输入端并联一个RC支路。(1)输入保护运放的差模或共模输入信号电压过高会引起其输入级损坏，为此，可在集成运放输入端并联接入极性相反的两只二极管，用来将输入电压限制在(2)输出保护输出端保护是为了防止输出碰到过电压时使输出级击穿。正常工作时，输出电压小于双向稳定管的稳压值，双向稳压管相当于开路。当输出端电压大于稳压管稳压值时，稳压管将击穿，使运放负反馈加深，将输出电压限制在稳压范围内。(3)电源极性错接保护电源极性错接保护电路，它是利用二极管的单向导电性来防止电源极性接错造成运放损坏的。由图可知，当电源极性接反时，二极管截止，等于电源断路，从而保护了集成运放。4.专用型集成运放集成运放按特性可分为通用型和专用型(或特殊型)两大类。通用型运放的放大倍数一般较高，其他参数没有特殊的要求，专用型运放则是指在某一方面的性能指标特别优异的运放，它按特性参数又可分为高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高压型、大功率型、高精度型、跨导型及低噪声型等。通用型运放应用范围广，产量大，价格便宜，是首选的对象，但在某些特殊要求场合，则必须选择专用型运放。有源滤波电路和电压比较器一、滤波电路的基础知识1、滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不2、滤波电路的分类：(按工作频率的不同)低通滤波器：允许低频率的信号通过，将高频信号衰减。高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减。带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减。带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过，而允许此频带以外的信号衰3、无源滤波电路的缺陷电路增益小；驱动负载能力差等。二、有源滤波电路通带截止角频率对于低有源滤波电路，我们可以通过改变电阻Rf和R1的阻值来调节通带电压(通带截止角频率)电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生电路的构成是利用集成运放工作在非线性状态所具有的特性，即集成运放在开环工作状态或处于正反馈工作状态。电压比较器可分为单限比较器、滞回比较器、窗口比较器三大类。1、单限比较器我们把参考电压和输入信号分别接至集成运放的同相和反相输入端，就组成了简单的电压比较器即单限比较器。单限比较器仅具有一个阈值电压，我们将比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压的值。它还被称为门输入电压从低逐渐升高经过UR时，uo将从高电平变为低电平。相反，当输入例：电路如3-33(a)所示，输入电压为正弦波如图3-34所示，试画出输出波形解：输出波形与UR有关，输出波形如图3-35所示电路特点：单限比较器结构简单，灵敏多高，但是抗干能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。滞回比较器具有滞回特性，有抗干扰能力强的特点，但灵敏度比单限比较器低。滞回比较器电路的特点是集成运放引入了正反馈，滞回比较器又称施密特触发当u,=-Ug时，阈值电压可直接驱动TTL等数字集成电路器件；它的响应速度比同等价格集成运放构成比较器快；为提高速度，集成电压比较器内部电路的输入级工作电流较大。本章小结1.反馈的基本概念，引入负反馈后对放大电路的性能改善，深负反馈放大电路分析及计算方法。2.所谓放大电路中的反馈，通常是指将放大电路的输出量，输出电压或输出电流全部或输出量的一部分，通过一定方式，反送到放大电路的输入回路中去。3.根据反馈极性的不同，可以分为正反馈和负反馈。根据反馈信号本身的交，直流性质不同，可分为直流反馈和交流反馈。根据反馈信号在放大电路输出端采样方式的不同，可以分为电压反馈和电流反馈。根据反馈信号与输入信号在输入回路中求和形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。4.对于负反馈而言，根据反馈信号在输出端采样方式以及在输入回路中求和形式的不同共有四种组态"它们分别是，电压串联负反馈，电压并联负反馈，电流串联负反馈和电流并联负反馈。直流负反馈的作用是稳定静态工作点，不影响放大电路的动态性能。交流负反馈的作用是改善放大电路的各项动态技术指标。6.电压负反馈使输出电压保持稳定，因而降低了放大电路的输出电阻。电流负反馈使输出电流保持稳定，因而提高了输出电阻。串联负反馈提高了电路的输入电阻。并联负反馈则降低了输入电阻。7.无论何种极性和组态的反馈放大电路，其闭环放大倍数均可以写成一般表达式8.对深负反馈放大电路的分析计算方法可利用近似公式估计反馈环路的放大倍数。9.负反馈放大电路在一定条件下可能转化成正反馈，甚至产生自激振荡。自激振12.反相、同相和差动放大电路及其性能特点；和、差电路的类型和运算；反相积分电路及其输出电压的计算；13.一阶RC低通、高通有源滤波电路的组成特点以及传输函数、幅频特性和截止频率的计算，带通、带阻滤波器的实现方法。14.简单电压比较器及其传输特性的画法。在已知输入波形下，如何画出比较器是否有存在。3.5理想集成运放的AOd=(),rid=(),rod=(),CMRR=3.6电压比较器与放大电路、线性运算电路的主要区别是():电路中的集成运放工作在(),此时电路处于()或()。因此电压比较3.7当电压比较器中运放反相输入端的电位高于同相输入端的电位，则输出为()。当运放同相输入端的电位高于反相输入端的电位，则输出为3.8无论是單门限电压比较器还是滞回电压比较器，均可采用同相输入和反相输入两种接法。若希望vi足够高时输出为低电平，则应采用()输入。若希3.9單门限电压比较器与滞回电压比较器的性能有所不同，()灵敏度高， ()抗干扰能力強；有两个閾值，()有一个閾值。(A.單门限电3.10什么是反馈?什么是正反馈，什么是负反馈?用什么方法来判断正反馈和负反馈?3.11什么是电压反馈?电流反馈?这两种反馈如何判断?3.12什么是串联反馈?并联反馈?这两种反馈如何判断?3.13负反馈电路有哪些组合?请一一列举。3.14负反馈为什么能够改变放大器的性能指标?减小放大信号非线性失真的措施有什么?3.15构成反馈通路的元件有哪些?若要使得放大器帶负载能力強，并要求向信号3.16某负反馈放大电路，输出端接地时，电路中的反馈量仍存在，则表明该反馈是什么反馈?3.17放大电路产生零漂的主要原因是什么?3.18零点漂移产生的原因是?3.19工作在线性区的理想運放器，两个输入端的输入电流均为零，称为什么?3.20两个输入端的电位相等称为什么?(若反相输入情况下同相端接地，反相端又称为什么?3.21画出由集成运算放大器组成的加法和减法电路，并且分析它的运算关系。采用同相输入形式?3.23电压比较器简称比较器，它的功能是什么?都有哪些功能?集成电压比较器有哪些应用?3.24在图3-1中各电路中判断是否存在反馈?并说明理由。3.25在图3-2中各电路中判断电路存在何种负反馈?并简要说明各电路的特点。图3-23.26如图3-3所示电压串联负反馈电路中，假设集成运放的开环电压放大倍数的相对变化量。图3-33.27试用集成运放实现求和运算：U。=-(U₁+10U₂+Ug),要求对应的各输入信号来说，电路的输入电阻不小于5KΩ。请选择电路的结构形式并确定电路参,并要求各路输入电阻至少为100KΩ。请选择电路结构形式并确定电路参数。3.29解析如图3-4所示的集成运放电路输入、输出信号的关系；输入电压为正弦波时，画出输出电压的波形图。图3-4图3-5特性曲线和输出电压波形。图3-6图3-73.33在图3-8中，已知Rf=2R1,ui=-2V。试求输出电压uo。图3-83.34如图3-9是利用两个运算放大器组成的较高输入电阻的差动放大电路。试求输出uo与输入uil,ui2的运算关系式。图3-9第4章正弦波振荡器振荡电路是一种能量转换装置，它无需外加信号，就能自动地将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器按输出信号波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两4.1自激振荡如果在输入端不外接信号，只是将输出信号的一部分正反馈到输入端以代替输入信号，输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象称为自激振荡。二、振荡条件1.自激振荡的条件AF=AF∠(Q^+9r)由此可得到自激振荡的两个条件：幅值平衡条件AF=12.起振过程在振荡电路接通电源的瞬间，电路中的电流突变，以及电路内不可避免的噪声和干扰，都成为了振荡电路的原始信号。这些原始信号都很微弱，但只要起振时AF>1,这些微弱的信号通过放大→正反馈→放大→再反馈……如此反复循环，就可以由小到大，迅速的振荡起来。由于三极管是非线性元件，当信号幅度增加到一定程度，必将使三极管工作到非线性区，放大电路的放大倍数降低，输出信号幅度的增加越来越少，最后达到一个相对稳定的状态，振荡器的输出就维持在某一幅值稳定的振荡，这时AF=1。由此可见，起振过程是从AF>1到AF=1的过程。3.正弦波振荡电路的组成振荡电路一般应该包括以下几个部分：(1)电压放大电路：由三极管或集成运算放大器组成，具有足够大的电压放大倍数，以能够获得较大的输出电压。(2)反馈回路：必须引入正反馈，把输出信号反馈到输入端，作为放大器的输入信号。(3)选频回路：用于确定振荡频率，使电路中只有这种频率的信号才能满足自激振荡的条件而产生振荡。判断振荡的一般方法：(1)是否满足相位平衡条件。(2)放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。(3)是否满足幅度平衡条件，检验|A户丨：,能起振，但输出波形明显失真。RC正弦波振荡器左图为RC桥式振荡电路的原理图，这个电路由两个部分组成，即放大网络Au和选频反馈放大电路，具有输入阻抗高和输出阻抗低和R1、R2正好形成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路的名称即由此得来。2.RC选频网络的选频特性可得到近似的低频等效电路，如图4-3(b)所示。它是一个超前网络，输出电压Uo的相位超前输入电压Ui。图4-3(c)所示。它是一个滞后网络，输出电压Uo的相位落后输入电压Ui。由此可得，在低频和高频之间存在一个频率fo,其相位关系既不是超前也不是滞后，输出电压Uo与输入电压Ui相位一致。这就是RC下面再根据电路推倒出它的频率特性。串并联网络的选频特性。由此可得RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应当时，幅频响应的值最大，即而相频响应的相位角为零，即9r=0。这就是说，当或时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的1/3,同时输出电压与输入电压同相位。如下图所示。高高3.振荡的建立、稳定与稳幅措施360°)。所以，放大电路可选用同相输入方式的集成运算放大器或两级共射分立元件放大电路等。为了使电路能振荡，还应满足起振条件，即要求|AF|>1而以图4-2为例所示电路的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数，即放大器的放大倍数当0=0%时，,因而按起振条件，要求即R>2R如图4-2所示电路起振后，振荡器的振幅会不断增加，由于受运放最大输出电压|AF|适当减小(反之则应增大),就可以维持U。值基本不变。通常利用二极管和稳压管的非线性特征以及热敏电阻等元件的非线性特征，来自动地稳定振荡器输出的幅度。RC振荡电路的振荡频率取决RC乘积，当要求振荡频率较高时，RC值必然很小。由于RC网络是放大电路的负载之一，所以RC值的减小加重也限制了振荡频率的提高，因此，RC振荡器通常只作为低频振荡器用，工作频率一般在1MHZ以下。共同特点是用LC谐振回路作为选频网络，而且通常采用LC并联回路。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。一、LC选频放大电路简单的LC并联回路只包含一个电感和一个电容，如图所示。R表示回路的等效损耗电阻，其数值一般很小，