《汽车电工电子技术》课件第6章

第6章半导体器件及其应用6.1半导体基础知识

6.2晶体二极管及其应用

6.3稳压管及其应用

6.4特殊用途的二极管简介

6.5霍尔元件

6.6晶体三极管

6.7晶体三极管放大电路

6.8晶体三极管的开关作用

6.9晶体管振荡电路

6.10场效应管简介

6.11集成运算放大器

习题

6.1半导体基础知识

6.1.1P型与N型半导体在物理学中，按照材料的导电能力，可以把材料分为导体与绝缘体。衡量导电能力的一个重要指标是电阻率，导体的电阻率小于10-6Ωcm，绝缘体的电阻率大于106Ωcm，介于导体与绝缘体之间的物质被称为半导体。在电子技术中，常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和化合物半导体,如砷化镓（GaAs）等，

目前最常用的半导体材料是硅。

目前半导体工业中使用的材料是完全纯净、结构完整的半导体材料，这种材料称为本征半导体。当然，绝对纯净的物质实际上是不存在的。半导体材料通常要求纯度达到99.999999％，而且绝大多数半导体的原子排列十分整齐，呈晶体结构，所以由半导体构成的管件也称晶体管。

图6.1半导体共价键结构

本征硅原子最外层有四个电子，其受原子核的束缚力最小，称为价电子，如图6.1所示。晶体的结构是三维的，在晶体结构中，原子之间的距离非常的近，每个硅原子的最外层价电子不仅受到自身原子核的吸引，同时也受到相邻原子核的吸引，使得其为两个原子核共有，形成共有电子对，称为共价键结构。在热力学温度零度（即T＝0K，约为-273.15℃）时，所有价电子被束缚在共价键内，不能成为自由电子。

所以此时的半导体的表现就和绝缘体一样，不能导电。

在本征半导体中掺入五价元素磷。由于掺入杂质比例很小，不会破坏原来的晶体结构。掺入的磷原子取代了某些位置上的硅原子，如图6.2所示。磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚，成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加。这种由大量自由电子参与导电的杂质半导体称为电子型半导体或N型半导体。

图6.2掺杂半导体结构

在本征半导体中掺入三价元素硼。由于每个硼原子只有三个价电子，所以就形成了一个天然的空穴。这样，在半导体中就形成了大量的空穴。这种由大量空穴参与导电的杂质半导体称为空穴型半导体或P型半导体，如图6.3所示。在掺杂半导体中多数载流子主要是由掺入的杂质元素提供的，所以可以通过控制掺杂浓度来改变半导体的导电能力。掺杂半导体中尽管有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是呈电中性的。

图6.3自由电子与空穴运动

6.1.2PN结及其特性在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，

如图6.4所示。

图6.4PN结结构

P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。N型区内的自由电子很多而空穴很少，P型区内的空穴很多而自由电子很少，这样自由电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。因此，有些自由电子要从N型区向P型区扩散，

也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

自由电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合，结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去自由电子留下带正电的离子，这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，

这就是所谓的PN结。

在空间电荷区后，由于正、负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。显然，内电场对多数载流子的扩散运动起阻碍作用，但却把P区的少数载流子（包括N区扩散到P区的）电子拉向N区，把N区的少数载流子（包括P区扩散到N区的）空穴拉向P区，

形成所谓的漂移运动。

综上所述，PN结中存在着两种载流子的运动。一种是多数载流子克服电场阻力的扩散运动；另一种是少数载流子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，

PN结中无宏观电流。

PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当电源正极接P区，负极接N区时，

称为给PN结加正向电压或正向偏置，如图6.5所示。

图6.5正向电压下的PN结

当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多数载流子（空穴）和N区的多数载流子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，

在电场作用下的漂移运动大于扩散运动，如图6.6所示。

图6.6反向电压下的PN结

6.2晶体二极管及其应用6.2.1二极管的结构与符号晶体二极管也称半导体二极管。二极管是由一个PN结构成的半导体器件，即将一个PN结加上两条电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。P型区的引出线称为正极或阳极，N型区的引出线称为负极或阴极，如图6.7所示。图6.7二极管符号二极管的种类很多，按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管、光电二极管等；按结构分，有点接触型二极管和面接触型二极管。其中，点接触型二极管如图6.8所示，它是由一根根细的金属丝热压在半导体薄片上制成的。图6.8点接触型二极管结构点接触型二极管的金属丝和半导体的金属面很小，虽难以通过较大的电流，但因其结电容较小，因而可以在较高的频率下工作。面接触型二极管如图6.9所示，它是利用扩散、多用合金及外延等掺杂质方法，实现P型半导体和N型半导体直接接触而形成PN结的。面接触型二极管PN结的接触面积大，可以通过较大的电流，适用于大电流整流电路或在脉冲数字电路中作开关管。因其结电容相对较大，故只能在较低的频率下工作。图6.9面接触型二极管结构6.2.2二极管的伏安特性二极管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，可以用它的伏安特性来表示。二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与加于二极管两端的电压之间的关系。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U－I曲线，称二极管的伏安特性曲线。图6.10是二极管的伏安特性曲线示意图，以此为例说明其特性。图6.10二极管伏安特性曲线

1．正向特性由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。

当正向电压升高到一定值Uth以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。Uth被称为门限电压或阈电压。Uth视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Uth的值，如图中虚线与横轴的交点。正向特性整体来说，电压U与电流I不成线性关系，也就是所说的非线性，但当正向电压大于Uth以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用UF来表示。通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V，一般取为0.7V；锗管的导通电压约为0.1～0.3V,一般取为0.2V。

2．反向特性当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，且在一定的范围内几乎不随反向电压的增大而增大。常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在μA数量级。

3．反向击穿特性当反向电压增大到一定数值UBR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，此时的UBR电压值叫做击穿电压。UBR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。

4.温度对二极管伏安特性的影响

二极管是对温度敏感的器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10℃，反向电流大约增大1倍左右。

综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：(1)二极管具有单向导电性；(2)二极管的伏安特性具有非线性；(3)二极管的伏安特性与温度有关。

6.2.3二极管的主要参数

1．最大整流电流IFM

IFM是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时，工作电流应小于IFM

，否则，可能导致结温过高而烧毁PN结。

2．最高反向工作电压URM

URM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压UBR时，二极管可能被击穿损坏，因而，URM通常取为（1/2～2/3）UBR

。

3．反向电流IR

IR是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR=IR（sat），但考虑表面漏电等因素，实际上IR稍大一些。IR愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。另外，IR与温度密切相关，使用时应注意。

4．最高工作频率fM

fM是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。fM的大小主要由二极管的电容效应来决定。二极管的命名方法见书后附录二。

6.2.4二极管的应用

1．单相半波整流电路半波整流电路如图6.11所示。它由电源变压器、整流二极管VD和负载电阻RL组成。电路的工作过程是：在u2的正半周（ωt=0～π），二极管因加正向偏压而导通，有电流iL流过负载电阻RL。由于将二极管看作理想器件，故RL上的电压uo与u2的正半周电压基本相同。在u2的负半周（ωt=π～2π），二极管VD因加反向电压而截止，RL上无电流流过，RL上的电压uo=0。可画出整流波形如图6.12所示。图6.11单相半波整流电路图

图6.12半波整流电路的波形图

可见，由于二极管的单向导电作用，使流过负载电阻的电流为脉动电流，电压也为一单向脉动电压，

其电压的平均值（输出直流分量）为

即

流过负载的平均电流为

流过二极管VD的平均电流（即正向电流）为

加在二极管两端的最高反向电压为

选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小（只有半个波），脉动程度大，整流效率低，仅适用于输出电流小、

允许脉动程度大、

要求较低的场合。

2．单相桥式整流电路

单相桥式整流电路如图6.13所示，电路由电源变压器、负载电阻RL和四只接成电桥形式的整流二极管VD1～VD4组成，故有桥式整流电路之称。图6.13桥式整流电路图(a)桥式电路一；

(b)桥式电路二；

(c)简化图

图6.14桥式整流电路电流路径(a)VD1、VD3导通时的电流方向；(b)VD2、VD4导通时的电流方向

在u2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管VD1流向RL，再由二极管VD3流回变压器，所以VD1、VD3正向导通，VD2、VD4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在u2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管VD2流向RL，再由二极管VD4流回变压器，所以VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电压的波形图如图6.15所示。

图6.15单相桥式整流电路的波形图

输出电压的平均值为

流过负载的平均电流为

流过二极管VD的平均电流（即正向电流）为

加在二极管两端的最高反向电压为

选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。

例6-1在如图6.11所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

(1)负载电阻RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？

(2)电网电压波动范围是±10％，二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？

解

(1)负载电阻RL上的电压平均值为

Uo=0.45U2=0.45×30=13.5V流过负载电阻的电流平均值为

(2)二极管承受的最大反向电压为

二极管流过的最大平均电流为

例6-2

在如图6.13所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

(1)负载电阻RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？

(2)电网电压波动范围是±10％，二极管承受的最大整流电流IF与最高反向工作电压URM至少应选取多少？

解

(1)负载电阻RL上的电压平均值为流过负载电阻的电流平均值为

(2)二极管承受的最大整流电流为

最高反向工作电压为

3．汽车整流器汽车整流器的作用是将汽车交流发电机产生的交流电变成直流电输出。常见的汽车整流器由六只硅二极管组成。硅二极管有两种类型，其外形相同但极性相反。一种为正极管，其引线为二极管的正极，外壳为负极，在二极管壳底上有红字标记；另一种为负极管，

其引线为二极管的负极，

外壳为正极，

管壳底上有黑字标记。

在负极搭铁的整流发电机，三个正极管子的外壳装在一起与后端盖绝缘的铝合金散热器板上的三个孔中，这三只正极管的壳体和散热板一起成为发电机的正极，并由螺栓引出后端盖作为发电机的火线接线柱。而三只负极管的外壳装压在后端盖的三个孔中，它们的外壳与发电机外壳一起成为发电机的负极，

如图6.16所示。

图6.16汽车整流器与正、

负二极管

6.3稳压管及其应用

6.3.1稳压管的结构

在二极管上所加的反向电压如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；反过来看，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电流变化很大，而管子两端的电压却变化极小，

能起到稳压作用。

这种特殊的二极管叫稳压管。

稳压管（也称为齐纳二极管）是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，其代表符号如图6.17所示。这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度高，且很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿，只要反向电流不超过IZM，仍能正常工作，其特性如图6.18所示。

图6.17稳压管符号

图6.18稳压管的特性曲线

稳压管是利用反向击穿区的稳压特性进行工作的，因此，稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压，不同类型稳压管的稳定电压不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在一定范围。例如：2CW11的稳压值是3.2V到4．5V，其中某一只管子的稳压值可能是3．2V，

另一只管子则可能是4.5V。

6.3.2稳压管的主要参数

1．稳定电压UZ

UZ就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。

2．稳定电流IZ

IZ是稳压管工作时的参考电流值。它通常有一定的范围，即IZmin~IZmax。如果超过IZmax，稳压管可能过热而损坏。3．动态电阻rZ它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，

即

这个数值随工作电流的不同而改变。通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。

6.3.3稳压管的应用电路

交流电经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面：

(1)由于输入电压（市电）不稳定（通常交流电网允许有±10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定。

(2)当负载RL变化（即负载电流IL变化)时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，

使得输出直流电压发生变化。

(3)当环境温度发生变化时，引起电路元件（特别是半导体器件）参数发生变化，导致输出电压发生变化。所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能适合电子设备的需要。

下面以常用的并联型稳压电路为例介绍稳压管的稳压原理，

如图6.19所示。

图6.19简单并联型稳压电路该电路的稳压原理是：当电网电压升高时，必然引起整流滤波电路输出电压Ui升高，而Ui

的升高又会引起输出电压Uo（即UZ

）的增大。由稳压管的稳压特性可知，UZ的增大，势必引起IZ的较大增大，于是限流电阻R上的电流IR增大，R上的电压降也增大，这在很大程度上让R承担了Ui的变化，从而使Uo基本上趋于稳定（Ui↑→Uo↑→IZ↑→I↑→UR↑→Uo↓）。反之，当Ui下降而引起Uo变小时，也会引起IZ减小，R上的压降UR减小，同样保持了Uo的基本稳定。同理，当负载电流IL变化（即RL变化），如IL增大，在Ui

不变的情况下，势必会引起Uo（即UZ）的减小，使IZ有较大的下降，因而保持了总电流IR（IR＝IZ＋IL）基本不变，使UL基本稳定。由上分析可见，在这种稳压电路中，稳压管起着电流控制作用。即不论是由于Ui还是由于IL

的变化使输出电压UL发生小的波动时，IZ都会产生较大变化，从而改变了总电流的大小而调整了R上的压降，或是补偿了IL的变化，结果都使UL维持基本不变。R在电路中起着限流和调压作用。如R=0，则会使Ui（远大于UZ）直接加于VDZ两端，引起过大的IZ，使VDZ损坏。另外，R=0时，始终是UL=Ui，电路不会有稳压性能。因此，这种电路的稳压作用是稳压管VDZ和限流电阻R共同完成的。目前在汽车电源保护中运用最广泛的就是将稳压管反向并联于需要保护的电路上，如图6.20所示。利用稳压管的反向击穿稳压特性对正向瞬变电压进行抑制吸收（或箝位）而起到保护作用，在图中，正常情况下这个稳压管VDZ是不导通的，当出现瞬时过电压时，该稳压管导通，电压只能升到VDZ的击穿电压，瞬时电压的能量通过VDZ到搭铁消耗掉。之后，稳压管VDZ又恢复到不导通。同时也可利用其正向导通特性对反向瞬变过电压进行短路保护。这种保护电路具有反应迅速、线路简单可靠，且在备用状态下不消耗功率等优点。图6.20汽车稳压电路图

6.3.4集成稳压器大多数电子电路需要稳定可靠的直流电源。集成稳压器即是将稳压电路的所有元件制作在一片硅片上。集成稳压器的原理实际上与分立的线性稳压电路相同，同样包括基准电压、比较取样、误差放大以及调整电路等部分。集成稳压器有以下优点：可以通过电路设计采用多种措施提高稳压性能；由于集成稳压器的电路元件少，焊点相应减少，所以可靠性提高；安装方便，便于维修；成本低。集成稳压器已逐步替代分立稳压电路，目前常用的三端固定集成稳压器包含7800和7900两大系列。

7800系列是三端固定正电压输出稳压器，7900系列是三端固定负电压输出稳压器。它们的最大特点是稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为集成稳压器的主流产品，如图6.21所示。我们可以根据需要查手册选择合适的集成稳压器。

图6.21集成稳压器

三端集成稳压器CW7800系列内部结构方框图如图6.22所示。它属于串联型稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。它由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护等组成。此外它还有过热和过压保护电路，因此，其稳压性能要优于分立元件的串联型稳压电路。如串联稳压的启动电路是比较放大管的负载电阻，此电阻在电源工作过程始终接于电路中，当输入电压变化（电网波动）时，通过负载电阻影响输出电压也跟着变化。而三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态下，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持了输出电压的稳定。

图6.22CW7800的原理框图

6.4特殊用途的二极管简介

6.4.1发光二极管（LED）发光二极管的实质是由P型半导体和N型半导体组成的一个PN结，如图6.23所示。其简单工作原理是：PN结的N侧和P侧的电荷载流子分别为电子和空穴，如果加一正偏压，使电流沿图6.24所示方向通过器件，复合区中的空穴就穿过结进入N型区，复合区中的电子也会越过结进入P型区，在结的附近，多余的载流子会发生复合，在复合过程中会发光，即N+P→光子，如图6.24所示。图6.23发光二极管与符号不同的半导体材料，发出的光的颜色是不一样的，用砷化镓（GaAs）时，复合区发出的光是红色的；用磷化镓（GaP）时，则发出绿色的光。发光二极管在使用时必须正向偏置，还应串接限流电阻，不能超过极限工作电流IFM。在使用时，工作温度一般为-20℃～75℃，不要安装在发热元件附近。图6.24发光二极管原理图

在发光二极管技术发展的早期，LED已经被用于汽车仪表照明和车内一些电子设备的指示灯。基于技术的迅猛发展和成本的不断下降，时至今日，欧美市场采用LED信号灯或室内灯的车型已不罕见。首先与传统的白炽灯泡不同，LED是一种几乎不发热的光源，这就使其寿命大大增加。发光二极管的使用寿命可达5万至10万小时，即5至10年以上，一般在车辆寿命期间无需更换。LED照明可以直接把电能转化为光能，完全能够满足环保节能的需要。反观一只白炽灯泡，只能把电能的12%~18%转化为光能，

其余电能都转化为热能散发了。

普通白炽灯泡的启动时间较长，一般在100～300ms，而LED的启动时间仅为几十纳秒。对高速行驶中至关重要的制动灯而言，这样的时间差距就意味着相差4～7m的刹车距离，可大大降低事故发生率。在汽车照明产品中，目前应用LED技术最多的即高位刹车灯，常见的适用车型有奥迪A4、宝马3系列E36和E46、欧宝雅特G、大众高尔夫4等。将LED光源运用于组合尾灯的成功范例也很多，如宝马5系列、欧宝雅特、奔驰S级等都采用了造型独特的LED后位灯，

如图6.25所示。

图6.25汽车LED刹车灯

6.4.2光电二极管（光敏二极管）半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样,都具有一个PN结,但与普通二极管不同得是，光电二极管的PN结面积尽量做得大一些，电极面积尽量小些，PN结的结深很浅，一般小于1μm，另外就是管壳上有一个能让光照射入其光敏区的窗口，如图6.26所示。光电二极管的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。光电二极管必须加反向电压才能正常工作。使用时，应尽量选用暗电流小的产品，管壳必须保持清洁，以保持其光电灵敏度，管壳脏了，应用酒精及时清洗。

图6.26光电二极管与符号汽车上一般采用光电二极管制成的曲轴位置传感器，称为光电式曲轴位置传感器，如图6.27所示。光电式曲轴位置传感器一般装在分电器内，由信号发生器和带光孔的信号盘组成。信号发生器安装在分电器壳体上，由两只发光二极管、两只光敏二极管和电路组成。发光二极管正对着光敏二极管。信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，由于信号盘上有光孔，因而产生透光和遮光交替变化现象。当发光二极管的光束照到光敏二极管时，光敏二极管产生电压；当发光二极管光束被挡住时，光敏二极管电压为0。这些电压信号经电路部分整形放大后，即向电子控制单元输送曲轴转角信号，电子控制单元根据这些信号计算发动机转速和曲轴位置。

图6.27光电式曲轴位置传感器的结构与原理(a)光电式曲轴位置传感器；

(b)光电式信号发生器作用原理

6.4.3变容二极管（VCD）变容二极管（VariableCapacitanceDiode）是利用反向偏压来改变PN结电容量的特殊半导体器件，如图6.28所示。它与普通二极管有相同之处，都有PN结，但也有重要区别。对于一般的半导体二极管，人们总希望尽量减小其结电容；对于变容二极管，却是要利用结电容。因为变容二极管的结电容能随外加的反向偏压而变化，可作为可变电容器，其电容量最大值可达几十到几百皮法，所以它被用作调频、扫频及相位控制。目前，变容二极管的应用已相当广泛。例如，彩色电视机普遍采用具有记忆功能（预选台）的电子调谐器，其工作原理就是通过控制直流反向电压来改变变容二极管的结电容量，以选择某一频道的谐振频率。

图6.29所示为用变容二极管组成的调谐电路，反向电压大小由电位器RP调节，C1为隔直电容，振荡频率为 。当RP改变时，变容二极管的电容量C即改变，

谐振频率f也改变。

图6.28变容二极管

图6.29调谐电路

※6.5霍尔元件

霍尔效应如图6.30所示，金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电动势或霍尔电压）。这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示：

图6.30霍尔效应原理图式中,RH为霍尔系数；I为控制电流（A）；B为磁感应强度（T）；d为霍尔元件的厚度（m）。对于一个制成的霍尔元件来说，RH和d为常量。如果使通入的电流I不变，则霍尔电势UH只取决于磁感应强度B。实践中就是应用这个原理，制成了信号发生器。

霍尔元件的主要参数有以下几种。输入电阻（Rin）和输出电阻（Rout）：霍尔元件控制电流极间的电阻为Rin

，霍尔电势极间的电阻为Rout。输入电阻与输出电阻一般为几欧姆到几百欧姆。额定控制电流Ic：额定控制电流Ic为使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。Ic大小与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸越小，Ic越小。一般为几毫安到几十毫安（尺寸大的可达数百毫安）。不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压）Uo和不等位电阻Ro:霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，其极间的电势为不等位电势。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等因素有关。可以用输出的电压表示，或用空载霍尔电压UH的百分数表示，一般Uo不大于10mV或±20%UH。不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。Uo及Ro越小越好。

灵敏度kH：灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。目前在汽车上，霍尔元件主要用于曲轴位置传感器与霍尔式电子点火装置。霍尔式电子点火装置是由内装霍尔发生器的分电器、放大器、点火线圈和火花塞组成的。霍尔发生器的结构如图6.31所示，它是由触发叶轮和信号触发开关组成的。触发叶轮与分火头制成一体并由分电器轴带动，其叶片数与气缸数相等。触发开关由霍尔集成电路和带导板的永久磁铁组成。霍尔集成电路的外层为霍尔元件，同一基板的其他部分制成放大回路。触发叶轮的叶片则在霍尔集成电路和永久磁铁之间转动。图6.31霍尔发生器

图6.32霍尔效应式曲轴位置传感器

其工作原理如图6.32所示。触发叶轮转动，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙时，霍尔集成电路中的磁场即被触发叶轮的叶片旁路(或称隔磁)。这时不产生霍尔电压，发生器无信号输出，集成电路放大器输出级导通，点火线圈的初级绕组中便有电流通过。当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过导板至霍尔集成电路，这时产生霍尔电压，发生器有信号输出，集成电路放大器输出级截止。点火线圈的初级电流被切断，根据电磁感应原理，点火线圈的次级绕组中感应出高压电动势，经分电器送至火花塞，实现点火。霍尔式电子点火装置点火正时精度高，耐久性好，不受温度、湿度、灰尘、油污等影响，是一种常用的晶体管点火系统。

6.6晶

体

三

极

管

6.6.1三极管的基本结构半导体二极管内部只有一个PN结，若在半导体二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体，如图6.33（a）所示，则这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成三个区，分别称为发射区、基区和集电区。从三个区引出的引脚分别称为发射极、基极和集电极，用符号E、B、C来表示。处在发射区和基区交界处的PN结称为发射结；处在基区和集电区交界处的PN结称为集电结。具有这种结构特性的器件称为三极管。图6.33NPN型三极管结构与符号

三极管通常也称为双极型晶体管（BJT），简称晶体管或三极管。三极管在电路中常用字母V来表示。三极管内部的两个PN结相互影响，使三极管呈现出单个PN结所没有的电流放大的功能，开拓了PN结应用的新领域，促进了电子技术的发展。因图6.33（a）所示三极管的三个区分别由NPN型半导体材料组成，所以，这种结构的三极管称为NPN型三极管，图6.33（b）是NPN型三极管的符号，符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。

根据同样的原理，也可以组成PNP型三极管，图6.34（a）、（b）分别为PNP型三极管的内部结构和符号。

图6.34PNP型三极管结构与符号

图6.35三极管外形图

6.6.2三极管的电流放大作用具有电流放大作用的三极管，PN结内部结构的特殊性是：

(1)为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂浓度远高于基区半导体的掺杂浓度，且发射结的面积较小。

(2)发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂浓度要高于集电区的掺杂浓度，且集电结的面积要比发射结的面积大，

便于收集电子。

(3)联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂浓度也很低。上述的结构特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内因外，还要有外部条件。三极管的发射结为正向偏置、集电结为反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。三极管内部载流子的运动可分为三个过程，下面以NPN型三极管为例来讨论（共射极接法），

如图6.36与图6.37所示。

图6.36三极管连接方式

图6.37NPN型三极管中电子运动示意图

1．发射区向基区发射电子的过程

发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子（自由电子）不断地通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到发射区，由于两者掺杂浓度上的悬殊，形成发射极电流IE的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源UCC的负极来补充。

2．电子在基区中的扩散与复合的过程扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源EBB不断地向基区提供空穴，形成基极电流IB。由于基区掺杂的浓度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，因而，基极电流IB也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。

3．集电结收集电子的过程

反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区，可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速推向集电极，相当于被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源ECC吸收，形成集电极电流IC。调节电位器RB，使IB、IC均发生变化，通过测量可得表6－1所示数据。表6-13DG6的实验数据

根据上面的分析和节点电流定律可得，三极管三个电极的电流IE、IB、IC之间的关系为

(1) IE=IB+IC

(2)IB的微小变化会引起IC的较大变化。如：ΔIB=(0.028-0.01)mA=0.018mA

ΔIC=(1.972-0.99)mA=0.982mA这种由于基极电流的微小变化而引起集电极电流的较大变化的控制作用称为晶体三极管的电流放大作用。

6.6.3三极管的特性曲线

1．输入特性曲线输入特性曲线是描述三极管在管压降UCE保持不变的前提下，基极电流iB和发射结压降uBE之间的函数关系，即

iB=f(uBE)|uCE=常数

图6.38三极管输入特性曲线

三极管的输入特性曲线如图6.38所示，可见NPN型三极管共射极输入特性曲线的特点是：（1）UCE=0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为UCE=0时，集电极与发射极短路，相当于两个二极管并联，这样iB与uBE的关系就成了两个并联二极管的伏安特性关系。（2）UCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移，而且当UCE的数值增至较大时（如UCE＞1V），各曲线几乎重合。这是因为UCE由零逐渐增大时，使集电结宽度逐渐增大，基区宽度相应地减小，使存储于基区的注入载流子的数量减小，复合减小，因而iB减小。如保持iB为定值，就必须加大uBE，故使曲线右移。当UCE较大时（如UCE＞1V），集电结所加反向电压已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去，以致UCE再增加，iB也不再明显地减小，这样，就形成了各曲线几乎重合的现象。（3）和二极管一样，三极管也有一个门值电压，通常硅管约为0.5～0.6V，锗管约为0.1～0.2V。

2．输出特性曲线输出特性曲线是描述三极管在输入电流iB保持不变的前提下，集电极电流iC和管压降uCE之间的函数关系，即

三极管的输出特性曲线如图6.39所示。由图6.39可见，当IB改变时，iC和uCE的关系是一组平行的曲线簇，并有截止、放大、

饱和三个工作区。

图6.39三极管输出特性曲线

1）截止区

IB=0特性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏，发射结电压uBE≤0，也是处于反偏的状态。处在截止状态下的三极管，发射结和集电结都是反偏，在电路中犹如一个断开的开关，晶体管无电流的放大作用。实际的情况是：处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流ICE0，该电流称为三极管的穿透电流，它是在基极开路时测得的集电极-发射极间的电流，不受IB的控制，但受温度的影响。

1）截止区

IB=0特性曲线以下的区域称为截止区。此时晶体管的集电结处于反偏，发射结电压uBE≤0，也是处于反偏的状态。处在截止状态下的三极管，发射结和集电结都是反偏，在电路中犹如一个断开的开关，晶体管无电流的放大作用。实际的情况是：处在截止状态下的三极管集电极有很小的电流ICE0，该电流称为三极管的穿透电流，它是在基极开路时测得的集电极-发射极间的电流，不受IB的控制，但受温度的影响。

2）饱和区对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，uCE较小时，iC虽然增加，但iC增加不大，即IB失去了对iC的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射结和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集—射饱和压降，用UCES表示。UCES很小，通常中、小功率硅管UCES＜0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基—射饱和压降，以UCES表示，硅管的UBES在0．8V左右。三极管截止和饱和的状态与开关断、通的特性很相似，数字电路中的各种开关电路就是利用三极管的这种特性来制作的。

3）放大区三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。工作在放大区的三极管才具有电流的放大作用。此时三极管的发射结处在正偏，集电结处在反偏。由放大区的特性曲线可见，特性曲线非常平坦，当iB等量变化时，iC几乎也按一定比例等距离平行变化。由于iC只受iB控制，几乎与uCE的大小无关，说明处在放大状态下的三极管相当于一个输出电流受IB控制的受控电流源。在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。

6.6.4三极管的主要参数

1．共射电流放大系数β和β

电流放大系数表示晶体管的电流控制能力。在共射极放大电路中，若交流输入信号为零，则管子各极间的电压和电流都是直流量，此时的集电极电流IC和基极电流IB的比就是β，称为共射直流电流放大系数。当共射极放大电路有交流信号输入时，因交流信号的作用，必然会引起iB的变化，相应地也会引起iC的变化，两电流变化量的比称为共射交流电流放大系数β，即

上述两个电流放大系数β和β的含义虽然不同，但工作在输出特性曲线放大区平坦部分的三极管，两者的差异极小，可做近似相等处理，故在今后应用时，通常不加区分，直接互相替代使用。由于制造工艺的分散性，同一型号三极管的β值差异较大。常用的小功率三极管的β值一般为20～100。β过小，管子的电流放大作用小，β过大，管子工作的稳定性差，一般选用β在40～80之间的管子较为合适。

2．极间反向饱和电流ICB0和ICE0（1）集电结反向饱和电流ICB0是指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下，硅管的ICB0在nA（10-9）的量级，通常可忽略。（2）集电极—发射极反向电流ICE0是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流，即穿透电流。穿透电流的大小受温度的影响较大，穿透电流小的管子热稳定性好。两个极间反向饱和的电流关系为

3．极限参数

1）集电极最大允许电流ICM

晶体管的集电极电流IC在相当大的范围内β值基本保持不变，但当IC的数值大到一定程度时，电流放大系数β值将下降。使β明显减少的IC即为ICM。为了使三极管在放大电路中能正常工作，

IC不应超过ICM。

2）集电极最大允许功耗PCM

晶体管工作时,集电极电流在集电结上将产生热量，产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM，

即

功耗与三极管的结温有关，结温又与环境温度、管子是否有散热器等条件相关。手册上给出的PCM值是在常温下25℃时测得的。硅管集电结的上限温度为150℃左右，锗管为70℃左右，使用时应注意不要超过此值，

否则管子将损坏。

3）反向击穿电压UBR（CE0）

反向击穿电压UBR（CE0）是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。使用中如果管子两端的电压UCE＞UBR（CE0），集电极电流IC将急剧增大，这种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。三极管电路在电源UCC的值选得过大时，有可能会出现击穿现象，当管子截止时，UCE＞UBR（CE0）将导致三极管击穿从而损坏。一般情况下，三极管电路的电源电压UCC应小于

6.6.5三极管的简易测试

1．寻找基极测试三极管要使用万用表的欧姆挡，并选择R×100或R×1k挡位。测试的第一步是判断哪个管脚是基极。任取两个电极，如1、2极，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取1、3两个电极和2、3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是要寻找的基极。

2．判定管型

找出三极管的基极后，就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为NPN型；若表头指针偏转角度很小，则被测管即为PNP型。

3．测出极性对于PNP型管子，把红表笔和黑表笔分别搭在基极以外的两个电极上，再用手去触摸基极和黑表笔接触的一个电极（注意不要使B、C极碰在一起）。如果手接触时，表针摆动，立即记下指针摆动的幅度。然后把两根表笔位置互换一下做同样的测试，记下指针的摆动幅度，如果第一次指针摆动幅度大，第二次的小，则第一次红表笔接的是集电极，黑表笔接的是发射极。如果用一只100kΩ左右的电阻代替手的接触，串联在B、C之间进行测量，其结论会更加可靠。对于NPN型管子来说，测试方法类似，只不过接黑表笔的是集电极，接红表笔的是发射极。

6.7晶体三极管放大电路

6.7.1晶体三极管电压放大电路实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，

使之转换成较大的交流能量输出，

驱动负载。

常见的音响放大器就是一个典型的放大电路，其示意图如图6.40（a）所示。其中，传声器（话筒）是一个声—电转换器件，它把声波转换成微弱的电信号，并作为音响放大器的输入信号；该信号经过音响放大器中放大电路的放大，在其输出端得到很强的电信号；扬声器（喇叭）是一个电—声转换器件，它接在音响放大器的输出端，把放大后的电信号还原为较强的声波。

此外，一般放大电路都需要直流电源，

以提供电路所需要的能量。

图6.40（b）所示为放大器的等效模型。其中，信号源提供放大电路的输入信号，它具有一定的内阻；放大电路由三极管、场效应管、集成电路等具有放大作用的有源器件组成，它能将输入信号进行放大，得到输出信号；负载接在放大电路的输出端，是耗能器件，如扬声器等，大多数情况下可以等效为一个电阻。

图6.40音响放大器(a)示意图；

(b)等效模型

1．基本电压放大电路此处以共发射极放大电路为例。

1）放大电路组成的原则（1）为保证三极管工作在放大区，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。（2）电路中应保证输入信号能加至三极管的发射结，以控制三极管的电流。同时，也要保证放大了的信号从电路中输出。（3）

元件参数的选择应保证输入信号能不失真地放大，

否则，

放大将失去意义。

2）放大电路的基本组成放大电路的基本组成如图6.41所示。

图6.41共射放大电路的基本单元电路(a)双电源供电；

(b)单电源供电；

(c)电子电路画法

（1）晶体管V是整个电路的核心，起到电流放大作用；（2）直流电源UCC（几伏到几十伏），一方面通过RB给晶体管的发射结提供正向偏压，通过RC给集电结提供反向偏压，另一方面提供负载所需信号的能量；（3）RB决定基极偏置电流iB的大小，称为基极偏置电阻（一般为几万欧姆到几十万欧姆）。（4）RC将集电极电流的变化转换为电压的变化，提供给负载，称为集电极负载电阻（一般为几千欧姆到几万欧姆）；（5）电容C1、C2的作用是隔断放大电路与信号源、放大电路与负载之间的直流通路，仅让交流信号通过，即隔直通交。C1称为输入耦合电容，C2称为输出耦合电容。

C1、RB、UCC及V的B、E极构成信号的输入电路。

C2、RC、UCC及V的C、E极构成信号的输出电路。

RB、UCC构成晶体管的偏置电路。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。与晶体管的3个电极相对应，还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。在分析放大电路时，常以公共端作为电路的零电位参考点，称之为“地”端（并非真正接到大地）。电路图上用“⊥”作标记，电路中各点的电压都是指该点对地端的电位差。电压参考正方向规定为上“+”下“-”。电流参考正方向规定为流入电路为正，流出电路为负（与双口网络规定相同）。

2．电压放大器的基本分析方法

1）静态分析与静态工作点的意义无信号输入时，放大电路的工作状态称为静态。静态时，电路中各处的电压、电流均为直流量。由于电路中的电容、电感等电抗元件对直流没有影响，因此，对直流而言，放大电路中的电容可视为开路（电感可视为短路），据此所得到的等效电路称为放大电路的直流通路，

如图6.42所示。

图6.42直流通路静态时，晶体管各极的直流电流、电压分别用IB、UBE、IC、UCE表示。由于这组数值分别与晶体管输入、输出特性曲线上一点的坐标值相对应，故常称这组数值为静态工作点，用Q表示。显然，静态工作点是由直流通路决定的。静态工作点常用如下近似计算法进行估算：在上述工作情况下，对应不同的IB值，UBE的变化很小，作为近似估算，可以认为UBE不变，对硅管近似地取UBE≈0.7V，对锗管近似地取UBE≈0.3V。通常UCCUBE，因而由上两式可得：

电子电路中电流一般比较小，在计算过程中，电流IB的单位常取μA,电流IC的单位常取mA，电阻的单位为kΩ，电压的单位仍是V。放大电路既然是放大交流信号的，为什么还要设置合适的静态工作点呢？主要是由于晶体管等放大器件是非线性器件，如果工作点设置不合适将会使放大后的波形与输入信号波形不一致而引起失真，如图6.43所示。图6.43静态工作点设置不当引起的失真(a)截止失真；

(b)饱和失真

（1）截止失真。当工作点设置过低(IB过小)，甚至去掉RB（IB

＝0）时，如图6.43（a）所示，在输入信号的负半周，三极管的工作状态进入截止区。因而引起iB、iC、uCE的波形失真，称为截止失真。对于NPN型共发射极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。对于PNP型共发射极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。（2）饱和失真。当工作点设置过高(IB过大)时，如图6.43（b）所示，在输入信号的正半周，三极管的工作状态进入饱和区。因而引起iC、uCE的波形失真，称为饱和失真。对于NPN型共发射极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。对于PNP型共发射极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数RB、RC、UCC对静态工作点的影响，为调试电路给出理论指导，如图6.44所示。在三极管的输出特性曲线图上作出表达式UCE=UCC-ICRC的直线图形，称为直流负载线MN。图6.44静态工作点的影响因素(a)RB变化对Q点的影响；(b)RC变化对Q点的影响；(c)UCC变化对Q点的影响

①RB对Q点的影响:

RB↑→IBQ↓→工作点沿直流负载线下移；

RB

↓→IBQ↑→工作点沿直流负载线上移。

②RC对Q点的影响：

RC的变化，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。

RC↓→N点上升→直流负载线变陡→工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线右移；

RC↑→N点下降→直流负载线变平坦→工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线左移。

③UCC对Q点的影响：

UCC的变化不仅影响IBQ，还影响直流负载线，因此，UCC对Q点的影响较复杂。

UCC↑→IBQ↑→M↑→N↑→直流负载线平行上移→工作点向右上方移动；

UCC↓→IBQ↓→M↓→N↓→直流负载线平行下移→工作点向左下方移动。实际调试中，主要通过改变电阻RB来改变静态工作点，而很少通过改变UCC来改变工作点。

例6-3

晶体三极管放大电路如图6.41（c）所示，已知RB=300kΩ，RC=3kΩ，UCC=12V，β=50。求该电路的静态工作点。

解

2）动态分析有信号输入时，放大电路的工作状态称为动态。动态时，电路中既有代表信号的交流分量，又有代表静态偏置的直流分量，是交、直流共存状态。尽管电路中既有交流分量，又有直流分量，但由于电路中含有电抗性元件，

因此，

交流通路与直流通路是不相同的。

图6.45交流通路

动态分析中，一般采用微变等效的方法来求得电路的相关参数。微变等效电路分析法,是一种线性化的分析方法。它的基本思想是：把晶体管用一个与之等效的线性电路来代替，从而把非线性电路转化为线性电路，再利用线性电路的分析方法进行分析。当然，这种转化是有条件的，这个条件就是“微变”，即变化范围很小，小到晶体管的特性曲线在Q点附近可以用直线代替。这里的“等效”是指对晶体管的外电路而言，用线性电路代替晶体管之后，端口电压、电流的关系并不改变。由于这种方法要求变化范围很小，因此，输入信号只能是小信号，只适用于小信号电路的分析，且只能分析放大电路的动态。

三极管的输入特性是非线性的，如图6.46(a)所示。但当输入信号很小时，在静态工作点Q

附近的工作段可认为是直线,三极管输入电路可以用rBE等效代替，如图6.47所示。

图6.46三极管输入、

输出特性

图6.47三极管的等效电路

低频小功率三极管的输入电阻常用下式进行估算：

画放大电路微变等效电路的步骤如下：（1）画出放大电路的交流通路。在放大电路中，耦合电容C1和C2的电容量比较大，其交流容抗很小,可忽略它的交流压降，故用短路线取代；直流电源内阻很小也可以忽略不计，对交流分量直流电源可视为短路,如图6.48(b)所示。

图6.48等效电路(a)并发射极放大电路；

(b)并发射极放大电路的等效电路

（2）画放大电路的微变等效电路。用三极管的微变等效电路取代交流通路中的三极管，如图6.48（b）所示。设输入信号为正弦波，图中的电流、电压用相量来表示。放大电路放大信号性能的优劣是用它的性能指标来表示的。性能指标是指在规定条件下，按照规定程序和测试方法所获得的有关数据。放大电路性能指标很多，且因电路用途不同而有不同的侧重。

这里仅介绍其中几项指标的含义。

（1）电压放大倍数Au。放大电路的电压放大倍数定义为输出电压有效值与输入电压有效值之比，即

不带负载时的放大倍数

带负载时的放大倍数

式中,交流等效电阻

。

由于RL′<RC，所以接上负载后放大倍数下降。式中的负号表示输入电压与输出电压相位相反。

（2）输入电阻ri。放大电路由信号源提供输入信号，当放大电路与信号源相连时，就要从信号源索取电流。索取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度。所以定义输入电阻来衡量放大电路对信号源的影响。当信号频率不高时，电抗效应不考虑。则有对输入电阻的要求视具体情况而不同。进行电压放大时，希望输入电阻要高，进行电流放大时，又希望输入电阻要低；有的时候又要求阻抗匹配，希望输入电阻为某一特定的数值。

（3）输出电阻ro。当放大电路将信号放大后输出给负载时，对负载RL而言，放大电路可视为具有内阻的信号源，该信号源的内阻即称为放大电路的输出电阻。它也相当于从放大电路输出端看进去的等效电阻。

输出电阻的大小为

放大电路的输出电阻的大小，反映了它带负载能力的强弱。ro越小，带负载能力越强。

例6-4

放大电路如图6.48（a）所示，已知RB=300kΩ，RC=3kΩ，RL=3kΩ，UCC=12V，β=50。求：电路带负载与不带负载时的放大倍数、输入电阻与输出电阻。

解

交流等效电阻

不带负载时的放大倍数

带负载时的放大倍数

据图6.48（b）可得

ro=RC=3kΩ

3．放大电路中的反馈

所谓反馈，就是指把放大电路输出回路的某个电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性能获得改善的过程。这一过程可用图6.49所示方框图来表示。

引入反馈后的放大电路称为反馈放大电路。

图6.49反馈放大器的方框图

按照反馈对放大电路性能影响的效果，可将反馈分为正反馈和负反馈两种极性。凡引入反馈后，反馈到放大电路输入回路的信号（称为反馈信号，用表示）与外加激励信号（用表示）比较的结果,使得放大电路的有效输入信号（也称净输入信号，用表示）削弱，即，从而使放大倍数降低，这种反馈称为负反馈。凡引入反馈后，比较结果使，从而使放大倍数提高，这种反馈称为正反馈。根据基本放大电路与反馈网络在输出、输入端的连接方式（即取样与比较方式）不同，反馈有以下几种类型。（1）按反馈信号在输出端取样对象，可分为电压反馈和电流反馈。若反馈网络与基本放大电路在输出端并联，当Xf取自RL两端的电压Uo，即Xf∝Uo时，输出为电压取样，称为电压反馈；若反馈网络与基本放大电路在输出端相串联，这时Xf取自流过RL的电流，即Xf∝Io，输出为电流取样，称为电流反馈。对电压反馈有Xo=Uo；对电流反馈有Xo=Io。（2）按反馈信号与输入信号在输入端连接方式，可分为串联反馈和并联反馈。若反馈网络与基本放大电路在输入端相串联，Xf与Xi以电压形式相叠加，称为串联反馈；若在输入端相并联，Xf与Xi以电流形式相叠加,称为并联反馈。综合考虑输入、输出端的反馈形式，负反馈放大电路可分为四种类型（也称四种组态）。它们是：电压串联负反馈组态、电流串联负反馈组态、电压并联负反馈组态和电流并联负反馈组态。

负反馈对电路性能的影响：（1）由负反馈放大电路的一般表达式可知，闭环放大倍数仅是开环放大倍数的(F是反馈系数，A为放大倍数)，因为（1＋FA）＞1，故引入负反馈后，放大电路的放大倍数降低。

负反馈虽使闭环放大倍数降低，但却换来了其他性能的改善。（2）放大电路放大倍数的数值取决于电路中元器件的参数。而晶体管的更换，电源电压的不稳定，温度及负载的变化等都将使放大倍数发生变化。因此，一般情况下，放大倍数是不稳定的。利用负反馈的自动调节原理，可以抑制放大倍数的变化，从而提高其稳定性。放大倍数的稳定性可用它的相对变化量来表示。

（3）由于晶体管某些参数随频率而变化，电路中又总是存在一些电抗性元件，因而使放大倍数也随频率而变化，放大电路通频带比较窄。负反馈的自动调节作用可以使放大电路的放大倍数随频率的变化减小，从而使通频带展宽。（4）负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真的，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。

※6.7.2功率放大电路

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力较强。功率放大电路与电压放大电路的比较如下。（1）

本质相同。（2）任务不同（3）指标不同。

对功率放大电路的基本要求如下：（1）

输出功率要大。

（2）

效率η要高。

（3）

合理的设置功放电路的工作状态。（4）失真要小。

图6.50放大电路的工作状态

1．互补对称功率放大电路互补对称电路是集成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，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路，

如图6.51所示。

图6.51OTL电路图

该电路的工作原理是：当正半周信号输入时，功放管V1导通，V2截止，V1通过C输出正半周放大信号的同时，电源也对大容量电容器C充电。当负半周信号输入时，功放管V2导通，V1截止，电容C通过V2放电的同时输出负半周放大信号。电路中大容量的电容器C除了是交流信号的耦合电容外，还是功放管V2的供电电源，因此C的容量必须足够大，一般在1000μF以上。

互补对称电路直接与负载相连，若输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。注意OTL电路采用单电源供电，OCL电路采用双电源供电，如图6.52所示。

图6.52OCL电路图

该电路的工作原理是：当输入信号为正半周时，三极管V2因反向偏置而截止，三极管V1因正向偏置而导通，三极管V1对输入的正半周信号实施放大，在负载电阻上得到放大后的正半周输出信号。当输入信号为负半周时，三极管V1因反向偏置而截止，三极管V2因正向偏置而导通，三极管V2对输入的负半周信号实施放大，在负载电阻上得到放大后的负半周输出信号。虽然正、负半周信号分别是由两个三极管放大的，但两个三极管的输出电路都是负载电阻RL，输出的正、负半周信号将在负载电阻RL上合成一个完整的输出信号。通过以上两个电路的简单分析，所谓“互补”电路就是不同类型的两