电子技术基础（第2版）

1.1半导体与PN结1.2半导体二极管1.3二极管整流电路1.4滤波电路第1章半导体二极管及应用电路自然界的物质，按导电能力的不同，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于10-4Ω·cm的物质称为导体，例如金、银、铜、铁等金属都是良好的导体。电阻率大于109Ω·cm的物质称为绝缘体，例如橡胶、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。1.1.1半导体的基本知识常用的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。半导体除了有与其他物质不同的导电能力之外，还有许多特点，如受到外界影响（光照、温度变化）或掺入杂质时，其电阻会显著变化。利用半导体的这些特性，人们可制造出各种半导体器件。1.本征半导体纯度很高、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。理想的本征半导体是由单一元素构成的单晶硅。硅和锗的原子结构示意图如图1-1所示，它们的最外层电子数为4个，这层电子受原子核的束缚力较弱，称为价电子，所以硅和锗都是四价元素。1.1半导体与PN结返回下一页在硅晶体中，价电子不仅受到自身原子核的约束，同时还会受到相邻原子核的吸引。因此，价电子一方面围绕自身原子核运动，另一方面又会出现在相邻原子核的轨道上，形成稳定的共价键结构。由于价电子不易摆脱原子核束缚成为自由电子，因此本征半导体导电能力较差。本征半导体晶体结构示意图如图1-2所示。但是，如果能从外界获得能量，有少数价电子就会挣脱共价键的束缚成为自由电子。与此同时，在共价键上留下一个空位，称为空穴。由于存在空位，使附近共价键的价电子很容易过来填补，于是又留下一个新的空位。其他地方的电子又有可能来填补后一个空位。从效果上看，这种电子填补空穴的运动，相当于带正电的空穴在运动一样，所以空穴是带正电的载流子。在本征半导体中，电子和空穴总是成对出现的，称为电子—空穴对。这时电子和空穴的数目总是相等的。随着温度升高，电子—空穴的数量增多，半导体的导电性增强。1.1半导体与PN结返回下一页上一页2.杂质半导体如果在本征半导体中掺入微量的杂质，其导电能力会显著变化。根据掺入杂质的不同，可以分为P型半导体和N型半导体。（1)P型半导体。在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼（B），就形成P型半导体，如图1-3所示。硅原子与硼原子组成共价键时少一个电子，即产生一个空穴。每掺入一个硼原子就提供一个空穴，而相邻硅原子中的价电子有可能过来填补这个空穴，使硼原子多出一个电子，成为带负电的离子。P型半导体中空穴的浓度比电子的浓度高得多，它主要靠空穴导电。（2)N型半导体。在本征半导体中掺入微量的五价元素磷（P）就形成N型半导体，如图1-4所示。拥有5个价电子的磷原子与周围的硅原子组成共价键时，会多出一个价电子，这个电子很容易成为自由电子，所以N型半导体中自由电子的浓度比空穴的浓度高得多，它主要靠自由电子导电。1.1半导体与PN结返回下一页上一页1.1.2PN结及单向导电性1.PN结的形成当采用某种方法使半导体中一部分区域成为P型，另一部分区域成为N型半导体时，其交界上就会形成一个很薄的空间电荷区，如图1-5所示。由于交界面两侧存在载流子浓度差，P区中的多数载流子（空穴）就要向N区扩散；同样，N区的多数载流子（电子）也向P区扩散。在扩散中，电子与空穴复合，因此在交界面上，靠N区一侧就留下不可移动的正电荷离子，而靠P区一侧就留下不可移动的负电荷离子，从而形成空间电荷区。在空间电荷区产生一个从N区指向P区的内电场（自建电场)。随着扩散的进行，内电场不断增强。内电场的加强又反过来阻碍扩散运动，但却使P区的少数载流子电子向N区漂移，N区的少数载流子空穴向P区漂移。1.1半导体与PN结返回下一页上一页当扩散和漂移达到动态平衡时，即扩散运动的载流子数等于漂移运动的载流子数时，就形成一定厚度的空间电荷区，称其为PN结。在这个空间电荷区内，能移动的载流子极少，故又称为耗尽层或阻挡层。2.PN结的单向导电性PN结外加正向电压（称为正向偏置），即电源正极接P区，负极接N区，如图1-6（a）所示。这时，外电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，空间电荷区变薄，多数载流子的扩散运动大大超过少数载流子的漂移运动。同时电源的不断向P区补充空穴，向N区补充电子，其结果使电路中形成较大的正向电流，PN结处于正向导通状态。PN结外加反向电压（称为反向偏置），就是将电源的正极接N区，负极接P区，如图1-6（b)所示。这时外电场方向与内电场方向一致，空间电荷区变厚，多数载流子的扩散运动受到阻碍，但少数载流子的漂移运动得到加强。由于少数载流子的数目很少，故只有很小的电流通过，PN处于几乎不导电的截止状态。1.1半导体与PN结返回下一页上一页综上所述，PN结正向偏置时，处于导通状态，有较大电流通过；PN结反向偏置时，处于截止状态，反向电流很少，这就是PN结的单向导电性。1.1半导体与PN结返回上一页半导体二极管简称二极管，是一种非线性半导体器件。它具有单向导电特性，可用于整流、稳压、检波、限幅等场合。1.2.1二极管的结构二极管是在PN结的外面装上管壳，再引出两个电极而做成的。从P区引出的电极称为阳极（正极）；从N区引出的电极称为阴极（负极）。常见二极管的外形如图1-7（a)所示，二极管的结构如图1-7（b）、（c）所示，图形符号如图1-7（d)所示。二极管的类型很多，按制造二极管的材料来分，有硅二极管和锗二极管；按用途来分，有整流二极管，开关二极管，稳压二极管等；按结构来分，主要有点接触型和面接触型。点接触型二极管的PN结面积小，结电容也小，因而不允许通过较大的电流，但可在高频下工作。而面接触型的二极管由于PN结面积大，可以通过较大的电流，但只在较低频率下工作。1.2半导体二极管返回下一页1.2.2二极管的特性二极管两端电压与通过二极管电流之间的关系曲线称为二极管的伏安特性，如图1-8所示。伏安特性表明二极管具有单向导电特性。1.正向特性当加在二极管的正向电压数值较小时，由于外电场不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力，正向电流几乎为零，二极管不导通。在特性曲线上对应的这部分区域称为“死区”。死区电压的大小与材料的类型有关，一般硅二极管为0.5V左右；锗二极管为0.1V左右。当正向电压大于死区电压时，外电场削弱了内电场对扩散运动的阻力，正向电流增大，二极管导通。这时，正向电压稍有增大，电流会迅速增加，电压与电流的关系呈现指数关系。图中曲线显示，管子正向导通后其管压降很小（硅管为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V），相当于开关闭合。1.2半导体二极管返回下一页上一页2.反向特性当二极管加反向电压时，外电场增强了内电场对扩散运动的阻力，扩散运动很难进行，但少数载流子在这两个电场的作用下很容易通过PN结，形成很小的反向电流。由于少数载流子的数目很少，即使增加反向电压，反向电流仍基本保持不变，故称此电流为反向饱和电流。所以，如果给二极管加反向电压，二极管将处于截止状态，这时相当于开关断开。如果继续增加反向电压，当超过UB时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。UB为反向击穿电压。反向击穿后，如果不对反向电流的数值加以限制，将会烧坏二极管。所以普通二极管不允许工作在反向击穿区。1.2半导体二极管返回下一页上一页1.2.3二极管的参数为了正确、合理地使用二极管，必须了解二极管的主要参数。1.最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。2.反向击穿电压URM它是指允许加在二极管上的反向电压的最大值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。3.反向饱和电流IS它是指在室温下，二极管两端加上规定反向电压时的反向电流。其数值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。硅材料二极管的反向电流比锗材料二极管的反向电流要小。1.2半导体二极管返回下一页上一页另外，二极管受温度的影响较大，当温度增加时，反向电流会急剧增加，在使用时需要加以注意。二极管参数还有最高工作频率、正向压降、结电容等，此处不再说明。1.2.4特殊二极管电子设备中除广泛使用整流二极管、开关二极管外，还常常使用一些特殊功能的二极管，下面分别予以介绍。1.硅稳压二极管稳压二极管是一种能稳定电压的二极管，如图1-9为稳压二极管的符号及伏安特性。其正向特性曲线与普通二极管相似，反向特性段比普通二极管更陡些，稳压管正常工作在反向击穿区AB段内。在此区段，反向电流在IZmin～IZmax变化时，管子两端电压变化很小，起到稳压作用。若反向电流小于IZmin时，管子将工作在特性曲线的截止区，管子两端电压不能保持稳定；1.2半导体二极管返回下一页上一页若反向电流大于IZmax时，管子可能过热而损坏，所以在应用中，稳压管通常串联一个电阻来限制电流。稳压管有以下几个主要参数：（1）稳定电压UZ。是指在规定测试条件下，稳压管工作在击穿区时的稳定电压值。由于制造工艺的原因，同型号稳压管的稳压值不可能都相等。但对每一个稳压管来说，对应一定的工作电流只有一个确定值，选用时应以实际测量为准。例如2CW53型硅稳压二极管,在测试电流IZ=10mA时稳定电压UZ为4.0～5.8V。（2）最小稳定电流IZmin。指稳压管进入反击穿区时的转折点电流。稳压管工作时，反向电流必须大于IZmin，否则不能稳压。（3）最大稳定电流IZmax。指稳压管长期工作时，允许通过的最大反向电流。例如2CW53型稳压管的IZmax=41mA，在使用稳压二极管时，工作电流不允许超过IZmax，否则可能会过热烧坏管子。1.2半导体二极管返回下一页上一页（4）稳定电流IZ。指稳压管在稳定电压下的工作电流，其范围在IZmin～IZmax之间。（5）耗散功率PZM。指稳压管稳定电压UZ与最大稳定电流IZmax的乘积。在使用中若超过这个数值，管子将被烧坏。（6）动态电阻rZ。是指稳压管工作在稳压区时，两端电压变化量与电流变化量之比，即rZ=ΔUZ/ΔIZ，动态电阻愈小，稳压性能愈好。如图1-10为最简单的硅稳压管稳压电路，稳压管作为稳压元件与负载RL并联，R为限流电阻。电路在正常工作时，负载RL两端的直流电压Uo就等于稳压管的稳定电压。2.发光二极管发光二极管（LED)是一种能把电能转换成光能的半导体器件。它由磷砷化镓（GaAsP)、磷化镓（GaP）等半导体材料制成。当PN结加正向电压时，多数载流子在进行扩散运动的过程中相遇而复合，其过剩的能量以光子的形式释放出来，从而产生一定波长的光。1.2半导体二极管返回下一页上一页发光的颜色取决于所采用的半导体材料。目前使用的有红、绿、黄、蓝、紫等颜色的发光二极管。发光二极管的实物图和符号如图1-11所示。发光二极管与指示灯相比，具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快和寿命长等优点，因而LED是一种优良的发光器件，在各种电子设备、家用电器以及显示装置中得到广泛应用。发光二极管的正向工作电压比普通二极管高，约1～2V；反向击穿电压比普通二极管低，约5V左右。一般发光亮度与工作电流有关。发光二极管有电流驱动型和电压驱动型两类。对于电流驱动型，使用时必须加限流电阻RS，RS阻值的大小按RS=（U－UF)／IF来选择。图1-12为直流电流驱动电路，在发光二极管的产品说明或相关手册中，有的给出其正向电流，有的给出管子的最大电流IFM。一般IF为IFM的60%。在实际使用时，为确保发光管长期稳定工作、防止老化，管子的平均工作电流不能高于手册给出的正向电流值IF。1.2半导体二极管返回下一页上一页3.光敏二极管光敏二极管的PN结与普通二极管不同，其P区比N区薄得多。另外，为了获得光照，在其管壳上设有一个玻璃窗口，光敏二极管在反向偏置状态下工作。无光照时，光敏二极管在反向电压作用下，通过管子的电流很小；受到光照时，PN结将产生大量的载流子，反向电流明显增大。这种由于光照射而产生的电流称为光电流，它的大小与光照度有关。光敏二极管的符号和应用电路如图1-13所示。1.2半导体二极管返回上一页电子设备需要稳定的直流电源供电才能正常工作，而电网供给的都是交流电，因此必须将交流电变换成直流电，这一过程称为整流。本节主要介绍单相半波整流电路和单相桥式整流电路。1.3.1单相半波整流电路1.电路组成及工作原理图1-14为单相半波整流电路，T为电源变压器，VD为整流二极管，RL为负载电阻。设变压器副边电压为u2=U2sinωt其中，U2为变压器副边电压有效值。在u2的正半周（0～π）期间，变压器副边绕组的极性是上正下负，二极管VD承受正向电压导通，此时有电流io（io=iD）流过负载RL，其压降为Uo=io·RL，如果忽略VD的管压降uV，则uo≈u2，负载上的电压uo与u2基本相等。1.3二极管整流电路返回下一页在u2的负半周（π～2π）期间，变压器副边绕组的极性变为上负下正，二极管VD承受反向电压截止，此时电流io≈0，负载上的电压uo≈0，变压器上的电压u2全部加到二极管上。从电流的第二个周期开始又重复上述过程。尽管电源变压器侧是交流电压u2，但经二极管变换后，负载RL上的电压极性始终不变（上正下负），也就是负载得到的电压是直流电压。由于在一个周期内，二极管导电半个周期，负载RL只获得半个周期的电压，故称为半波整流。经半波整流后获得的是波动较大的脉动直流电。2.电压和电流计算负载上获得的是脉动直流电压，其大小用平均值Uo来衡量1.3二极管整流电路返回下一页上一页流过负载电流的平均值为流过二极管的平均电流与负载电流相等。故二极管反向截止期承受的最高反向电压等于变压器副边电压的最大值，所以单相半波整流电路简单，元件少，但输出电流脉动很大，变压器利用率低。因此半波整流仅适用于要求不高的场合。1.3二极管整流电路返回下一页上一页1.3.2单相桥式整流电路1.电路组成和工作管理图1-15为单相桥式整流电路的三种画法。它由整流变压器，四个二极管和负载电阻组成。在u2的正半周（0～π）时，二极管VD1、VD3承受正向电压导通，VD2、VD4承受反向电压而截止，电流io从变压器副边a端经VD1、RL、VD3回到b端，电流在电阻RL上产生压降uo。如果忽略VD1、VD3的管压降，则uo≈u2。在U2的负半周（π～2π）时，VD1、VD3反向截止，VD2、VD4承受正向电压而导通，电流io从变压副边b端开发经VD4、RL、VD2回到a端。忽略VD2、VD4的管压降，负载的电压uo≈u2。可见，在u2的一个周期内，VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，流过负载RL的电流io的方向始终不变，负载的电压为单方向的脉动直流电压。波形如图1-16所示。1.3二极管整流电路返回下一页上一页2.电流和电流计算负载的平均电流在每个周期内，两组二极管轮流导通，各导电半个周期，所以每只二极管的平均电流应为负载电流的一半，即:1.3二极管整流电路返回下一页上一页在一组二极管正向导通期间，另一组二极管反向截止，其承受的最高反向电压为变压器副边电压的峰值:桥式整流比半波整流电路复杂，但输出电压脉动比半波整流小一倍，变压器的利用率也较高，因此桥式整流电路得到了广泛的应用。1.3二极管整流电路返回上一页整流电路把交流电变成脉动的直流电,这种直流电波动很大，主要是含有许多不同幅值和频率的交流成分。为了获得平稳的直流电，必须利用滤波器将交流成分滤掉。常用滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。1.4.1电容滤波电路利用电容器对直流开路，对交流短路的特点，将电容与负载并联，交流成分被电容滤掉，负载便得到平滑的直流电压。图1-17为带电容滤波的单相半波整流电路。当u2的正半周从零开始上升时，二极管VD正向导通，电源通过二极管对电容充电，电容的电压uC逐渐上升。当电源电压达到最大值，电容电压也充电到最大值,随后电源电压开始下降，由于电容电压不能突变，结果u2小于uC,二极管VD承受反向电压截止。这时已充电的电容便向负载电阻放电，电容电压逐渐下降。在整个负半周期间，二极管VD仍加反压截止，电容继续放电。1.4滤波电路返回下一页当u2的第二个周期正半周开始时，u2小于uC，二极管VD仍未导通。随着电容放电，uC逐渐下降，到曲线B点后，u2大于uC，VD重新导通。如此不断重复，负载上就得到一个比较平稳的直流电压。显然，时间常数RLC越大，放电越慢，负载得到的电压越平稳，滤波效果越好。因此，实用上通常选择容量较大的电解电容作为滤波电容。滤波电容按以下公式估算：RLC≥（3～5)T其中，T为交流电周期。电路接入滤波电容后，输出的平均电压增大，通常按下式估算：Uo=U2图1-18为桥式整流电容滤波电路。它的工作原理与半波整流相同。区别在于桥式电路每半个周期电容有一次充放电过程，因此输出电压的脉动更小，更平滑。1.4滤波电路返回下一页上一页滤波电容和输出电压按下式估算：电容滤波电路虽然简单,但输出直流电压的平滑程度与负载有关。当负载减小时，时间常数RLC减小，输出电压的波纹增大，所以它不适用于负载变化较大的场合。电容滤波也不适用于负载电流较大的场合，因为负载电流大（RL较小），这时只有增大电容的容量，才能取得好滤波效果。但电容容量太大，会使电容体增大，成本上升，而且大的充电电流也容易引起二极管损坏。1.4.2电感滤波电路利用电感线圈交流阻抗很大，直流电阻很小的特点，将电感线圈与负载电阻R串联，就组成电感滤波电路。如图1-19所示。整流电路输出的脉动直流电压中的直流成分在电感线圈上形成的压降很小，而交流成分却几乎全都降落在电感上，负载电阻上得平稳的直流电压。1.4滤波电路返回下一页上一页电感量越大，电压越平稳，滤波效果越好。但电感量大会引起电感的体积过大，成本增加，输出电压下降。电感滤波适用于输出电流大、负载经常变动的场合，其缺点是体积大、易引起电磁干扰。1.4.3复式滤波电路将电容滤波和电感滤波组合起来，可获得比单个滤波器更好的滤波效果，这就是复式滤波器。常见的有Г型和π型两类复式滤波器。1.Г型滤波器为了减小负载电压的脉动程度，在电感线圈后面再接电容，如图1-20（a）所示，这样先经过电感滤波，去掉大部分交流成分，然后再经电容滤波，滤除剩余的交流成分，使负载电阻得到一个更平滑的直流电压，这种电路性能与电感滤波电路基本相同。1.4滤波电路返回下一页上一页2.π型滤波器图1-20（b)为π型滤波器，它是在电感的前后各并联一个电容。整流器输出的脉动直流电先经过C1滤波，再经过电感L和电容C2滤波，使交流成分大大降低，在负载得到平滑的直流电压。1.4滤波电路返回上一页图1-1返回图1-2返回图1-3返回图1-4返回图1-5返回图1-6返回图1-7返回图1-8返回图1-9返回图1-10返回图1-11返回图1-12返回图1-13返回图1-14返回图1-15返回图1-16返回图1-17返回图1-18返回图1-19返回图1-20返回2.1半导体三极管2.2三极管放大电路的组成2.3三极管放大电路静态与动态分析2.4共集放大器与共基放大器第2章基本放大电路半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管，是1946年由美国科学家肖克利等人发明的，这是20世纪最重要的成就之一。三极管内部有两种载流子（自由电子和空穴）参加导电，故属于双极型半导体器件。2.1.1三极管的结构和类型1.结构三极管是由两个PN结组成的，按结构分为NPN型和PNP型两种，如图2-1所示。不管是PNP型还是NPN型三极管，都有发射区、基区和集电区，从三个区引出的电极分别称为发射极E、基极B、集电极C。在三个区的两两交界处形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。三极管并不是两个PN结的简单组合，它是在一块半导体基片上制造出三个掺杂区，形成两个有内在联系的PN结。为此，在制造三极管时，应使发射区的掺杂浓度较高；基区很薄，且掺杂浓度较低；集电区掺杂浓度最低而且面积大。2.1半导体三极管返回下一页2.分类（1）按管芯所用的半导体材料不同，分为硅管和锗管。硅管受温度影响小，工作较稳定。（2）按三极管内部结构分为NPN型和PNP型两类，我国生产的硅管多为NPN型，锗管多为PNP型。（3）按功率分，有大功率管（PC＞1W),中功率（PC为0.5～1W），小功率（PC＜0.5W）。（4）按照工作频率分，有高频管（fT≥3MHz）和低频管（fT＜3MHz）。（5）按用途不同，分为普通放大三极管和开关三极管。（6）按封装形式不同，分为金属壳封装管、塑料封装管和陶瓷环氧封装管。2.1半导体三极管返回下一页上一页2.1.2三极管的电流放大原理1.工作电压要使三极管起放大作用，必须外接直流工作电源。外接电源应使三极管的发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。图2-2（a）、（b）分别为NPN型和PNP型三极管电路的双电源接法。采用双电源供电，在实际使用中很不方便，这时可将两个电源合并成一个电源UCC，再将Rb阻值增大并改接到UCC上。2.放大原理下面以NPN型三极管为例讨论三极管的电流放大原理。如图2-3所示，当发射结处于正向偏置，发射区的大量电子因扩散运动而越过发射结进入基区。同时基区的空穴也会向发射区扩散，但是数量很少，可以忽略。所以发射极电流IE主要是由发射区电子扩散运动形成的。2.1半导体三极管返回下一页上一页电子进入基区后，有少数与基区的空穴复合，为了维持基区空穴数目不变，电源将不断地向基区提供空穴（实际上是抽走电子），从而在基极形成基极电流IB。进入基区的大多数电流继续向集电区扩散，在集电结反向电压的作用下很容易越过集电结到达集电极，形成集电极电流IC。发射极电流IE、基极电流IB、集电极电流IC的关系是IE=IB+IC在三极管制成后，三个区的厚薄及掺杂浓度便确定，因此发射区所发射的电子在基区复合的百分数和到达集电极的百分数大体确定，即IC与IB存在固定的比例关系，用公式表示为IC=βIB式中，β为共发射极电流放大系数。如果基极电流IB增大，集电极电流IC也按比例相应增大；反之，IB减少时，IC也按比例减小，通常基极电流IB的值为几十微安，而集电极电流为毫安级，两者相差几十倍以上。2.1半导体三极管返回下一页上一页因此用很小的基极电流就可以控制很大的集电极电流，这就是三极管电流放大原理。2.1.3三极管的特性三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流的关系曲线，它是内部载流子运动的外部表现，在分析三极管放大电路时要使用特性曲线。三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线。用三极管组成电路时，信号从一个电极输入，一个电极输出，第三个极作为公共端。因为可以选用不同的电极作为公共端，所以三极管电路就有共发射极、共集电极和共基极三种不同的接法，如图2-4所示。这里以共发射极接法为例讨论电路的输入和输出特性曲线。1.共发射极输入特性曲线输入特性曲线是指三极管集电极与发射极之间电压UCE一定时，基极电流IB与基极、发射极之间电压UBE的关系曲线，即2.1半导体三极管返回下一页上一页IB=f（UBE)|UCE=常数当UCE=0（C、E极短接），发射结和集电结相当于两个正向接法的二极管相并联，这时得到的特性曲线和二极管的正向伏安曲线很相似，如图2-5（a)所示。当UCE≠0时，曲线将向右移。这是因为集电结加反向电压后，集电结吸引电子的能力增强，使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区，所以在相同的UBE下IB要减小，曲线也就相应地向右移动了。UCE不同，对应的输入特性曲线应有所不同，但实际上UCE≥1V以后，所有的特性曲线几乎是重合的。这是因为UCE≥1V后，集电结已将发射区发射的电子中的大部分拉到集电结，UCE再增加，IB也不会再明显增加了。从输入特性曲线可以看出，只有当发射结电压UBE大于死区电压时，输入回路才会产生电流IB，通常硅管死区电压为0.5V，锗管为0.1V。当三极管导通后，其发射结电压与二极管的管压降相同，硅管电压为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V。2.1半导体三极管返回下一页上一页2.共发射极输出特性曲线输出特性曲线是指在基极电流IB一定的情况下集电极电流IC与集电极、发射极之间电压UCE之间的关系，即IC=f（UCE)|IB=常数固定IB值，每改变一个UCE值得到对应的IC值，由此绘出一条输出特性曲线。IB值不同，特性曲线也不同，所以特性曲线是一簇曲线。如图2-5（b)所示。输出特性曲线可划分为放大区、饱和区和截止区。（1）放大区：发射结电压正向偏置且大于死区电压，集电结反向偏置，IC完全受IB控制，与UCE无关。IB增值大（或减小），IC也按照比例增大（或减小），三极管具有电流放大作用，所以称这个区域为放大区。（2）截止区：IB=0的特性曲线与横轴之间的区域称为截止区。其特点是三极管的发射结电压小于死区电压或反向偏置，基极电流IB=0，集电极电流IC等于一个很小的穿透电流ICEO。在截止区，三极管是不导通的。2.1半导体三极管返回下一页上一页（3）饱和区：发射结和集电结都处于正向偏置，IC不受IB的控制，三极管失去电流放大作用。理想状态下，UCE=0。2.1.4三极管的主要参数三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，了解这些参数是合理选用三极管的前提。三极管的主要参数有以下几个。1.共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数是集电极电流与基极电流之比，它表示三极管的电流放大能力。通常有交流电流放大系数和直流电流放大系数之分。交流电流放大系数直流电流放大系数2.1半导体三极管返回下一页上一页由于它们在数值上比较接近，为了使用方便，常认为两者相等。β值可以用仪器测量，也可以直接从输出特性曲线上求取，其数值为20～150。β太小放大能力差，太大则三极管性能不稳定。2.极间反向电流（1)集电极反向饱和电流ICBO指发射极开路时，集电结加反向电压时形成的反向电流。ICBO越小，管子性能越好。另外，ICBO受温度影响较大，使用时必须注意。（2）穿透电流ICEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流。ICEO对放大不起作用，还会消耗无用功率，引起管子工作不稳定，因此，希望ICEO越小越好。ICEO与ICBO关系如下：ICEO=（1+β）ICBO2.1半导体三极管返回下一页上一页3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM。指三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当管子的集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，甚至可能烧坏管子。（2)集电极最大允许损耗PCM。指三极管长期工作时最大允许损耗的功率。由于PCM=UCEIC，三极管工作时，大部功率消耗在集电结上，引起集电结温度升高。过高的结温将损坏三极管，PCM就是根据最高允许结温度定出的，使用中三极管的实际功率损耗PC不应超过PCM。需要指出的是，PCM与管子的散热条件和环境温度有关，通过散热片改善散热条件或降低环境温度均可以提高PCM。（3)极间反向击穿电压。三极管各电极间的反向电压超过一定值，都会引起管子击穿。最常用的三极管的反向击穿电压是BUCEO和BUCBO。BUCEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。BUCBO是指当发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压。BUCEO和BUCBO均可在手册中查到。2.1半导体三极管返回下一页上一页ICM、PCM、BUCEO三个极限参数决定了三极管的安全工作区，如图2-6所示。在使用管子时，不能超过上述三个极限数值，也不允许其中两个参数同时达到极限值。需要指出的是，温度对三极管的所有参数都有影响，尤其对ICBO、UBE和β三个参数。（1）ICBO随温度升高而急剧增加。当温度升高时，基区和集电区产生的电子空穴对增多，导致ICBO上升，温度硅管的ICBO受温度影响比锗管大，但硅管的ICBO在数值上较小，因此硅管工作比锗管稳定。（2）UBE随温度升高而减小。当温度升高时，大多管的UBE减小2.5mV。（3）β随温度升高而增大。温度每升高1℃，β要增加0.5%～1.0%。2.1半导体三极管返回下一页上一页2.1.5特殊三极管1.光电三极管光电三极管也称为光敏三极管，其等效电路和电路符号如图2-7所示。2.达林顿三极管达林顿三极管又称复合管。这种复合管是由两只输出功率大小不等的三极管按一定接线规律复合而成的。根据内部两只三极管复合方式的不同，有四种形式的达林顿三极管。复合以后的极性取决于第一只三极管，例如若第一只三极管是NPN型三极管，则复合以后的极性为NPN型。达林顿三极管主要作为功率放大管和电源调整管，如图2-8所示。3.带阻尼管的行输出三极管这种三极管是将阻尼二极管和电阻封装在管壳内。在基极与发射极之间接入一只小电阻，可提高管子的高反向耐压值。2.1半导体三极管返回下一页上一页将阻尼二极管装在三极管的内部，减小了引线电阻，有利于改善行扫描线性和减小行频干扰。带阻尼管的三极管主要用做电视机行输出三极管，如图2-9所示。2.1半导体三极管返回上一页工业生产和日常生活中需要将微弱变化的电信号放大几百倍、几千倍甚至几十万倍之后去带动执行机构，对生产设备进行测量、控制或调节。完成这一任务的电路称为放大电路，简称放大器。2.2.1三极管放大器的组成元件图2-10为共发射极基本放大电路。当输入端加入微弱的交流电压信号ui时，输出端就得到一个放大了的输出电压uo。由于放大器的输出功率比输入功率大，而输出功率通过直流电源转换获得，所以放大器必须加上直流电源才能工作。从这一点来说，放大器实质上是能量转换器，它把直流电能转换成交流电能。放大器是由三极管、电阻、电容和直流电源等元器件组成的。各元件作用如下：（1）三极管VT起电流放大作用。（2）基极电阻RB为三极管提供一个合适的基极电流，使三极管处于放大状态。RB的阻值一般在几十千欧至几百千欧之间。2.2三极管放大电路的组成返回下一页（3）集电极电阻RC能将集电极电流IC的变化转换成电压变化，实现电压放大作用。RC的阻值一般为几千欧至几十千欧。（4）耦合电容C1和C2的作用是隔直流、通交流。它既可以将信号源与放大电路、放大电路与负载之间的直流通路隔开，又能让交流信号顺利通过。C1、C2一般采用容量较大的电解电容器。（5）供电电源UCC除为放大电路提供能源之外，还通过RB、RC提供三极管的工作电压，使三极管处于放大状态。（6)符号“⊥”为接地符号,表示电路中的零参考电位。2.2.2偏置电路的类型三极管放大器要完成对交变信号不失真放大，必须满足以下条件：三极管的发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。三极管的偏置电压是由电源通过偏置电路提供的。常用的偏置电路有三种类型。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页1.固定式偏置电路图2-10共发射极基本放大电路就属于固定式偏置电路。基极电阻RB又称为偏置电阻，电源UCC通过它向三极管提供合适的静态电流，使三极管发射结处于正向偏置。这种电路简单，但工作稳定性差。2.分压式偏置电路图2-11为分压式偏置电路，RB1、RB2组成分压器向三极管提供直流电压。通过RB1的电流分成两路。一路流入基极作为三极管的基极电流，另一路通过RB2入地。只要RB1、RB2取值合适，就能保证三极管处于放大状态。由于此电路带有负反馈电阻RE，故三极管的工作稳定性较高。3.集电极-基极反馈式偏置电路如图2-12所示，偏置电阻RB接在三极管的基极与集电极之间，为三极管提供基极电流，RB还具有负反馈作用，能稳定电路的静态工作点。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页2.2.3直流通路和交流通路1.直流通路无交流信号输入时，放大电路的工作状态称为静态。此时放大电路各支路的电压和电流都是直流量。直流电流通过的路径称为直流通路。利用放大器的直流通路可分析其静态值，图2-13（b）为共发射极基本放大器的直流通路。2.交流通路当输入交流信号时，放大器的工作状态称为动态。这时放大电路中除了存在直流成分之外还有交流成分。通常把交流电流所通过的路径称为交流通路，交流通路可用于放大器的动态分析。图2-13（c)为共发射极基本放大器的交流通路。绘制交流通路应掌握的原则是：（1)由于电路中耦合电容、旁路电容的容量较大，对交流来说可视为短路。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页（2)直流电源的内阻很小，交流电流在其上的压降很小，对交流信号可视为短路。2.2.4三极管放大电路中的信号在放大器的输入端加入一个交流电压信号ui，使电路处于交流信号放大状态（动态）。当交变信号ui经C1加到三极管VT的基极时，它与原来的直流电压UBE（设为0.7V）进行叠加，使发射结的电压为uBE=UBE+ui。基极电压的变化必然导致基极电流随之发生变化，此时基极电流为iB=IB+ib，如图2-14（a)和图2-14（b)所示。由于三极管具有电流放大作用，基极电流的微小变化可以引起集电极电流较大的变化。如果电流放大倍数为β，则集电极电流为iC＝βiB，即集电极电流比基极电流增大β倍，实现了电流放大。如图2-14（c)所示。2.2三极管放大电路的组成返回下一页上一页经放大的集电极电流iC通过电阻RC转换成交流电压uce。所以三极管的集电极电压也是由直流电压UCE和交流电压uce叠加而成，其大小为：uCE＝UCE＋uce＝UCC－icRC。如图2-14（d)所示。放大后的信号经C2加到负载RL上。由于C2的隔直作用，在负载上便得电压的交流分量uce，即uo＝uce＝－icRC。式中，“-”号表示输出信号电压Uo与输入信号电压ui相位相反（相差180°），这种现象称为放大器的反相放大。

2.2三极管放大电路的组成返回上一页分析放大电路时，一般要求解决两个方面的问题，即确定放大电路的静态和动态时的工作情况。静态分析就是要确定放大电路没有输入交流信号时，三极管各极的电流和电压。动态分析则是研究在正弦波信号作用下，放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。2.3.1三极管放大电路的静态工作点的估算三极管放大电路的静态值，即直流IBQ、ICQ、UCEQ的值在输出特性上反映为一个点，称为静态工作点Q。静态工作点的分析方法有估算法和图解法。1.估算法静态工作点的估算可根据直流通路进行。图2-15为共发射极基本放大电路的直流通路，在静态工作点Q处的静态值为：2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页其中,UBEQ为三极管发射结压降，硅管为0.6～0.7V，锗管为0.2～0.3V。在进行静态工作点估算时，需要把β值作为已知量。2.图解法对于三极管放大器这样的非线性电路，可将其划分为线性部分和非线性部分。非线性部分用输出特性曲线表示其电流，而对于输出回路的线性部分，列出电压方程为:UCE＝UCC－ICRC画出该方程对应的直线MN，如图2-16（b)所示。直线MN称为直流负载线，其斜率为tanα＝－1/RC，静态值既要符合三极管的特性参数，又要满足方程式UCE＝UCC－ICRC。所以静态工作点一定对应于静态基极电流IB的输出特性曲线与直流负载线的交点，其坐标值为静态直流电压UCEQ和静态直流电流ICQ。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页改变电路的参数可改变静态值。例如减小RB使IB增大，静态工作点Q将上移至Q1；若增大RC，直流负载线斜率减小，静态工作点由Q移到Q2，如图2-17（a）所示。图解法是在三极管的特性曲线上，通过作图的方法来分析放大电路的工作情况。其优点是比较直观。2.3.2放大电路的动态分析1.输出端不接负载时的动态分析动态分析是静态的基础上，研究交流电压和电流信号的传输情况和相互关系。动态分析一般在交流通路上进行。假设在放大器输入端加入交流信号ui=0.02sinωtV，由于电路中C1对交流阻抗很小，可以认为ui全部加到基极和发射极之间，uBE＝UBEQ＋ui。输入特性曲线上静态工作点Q（设UBEQ=0.7V，ICQ＝40μA）就是输入信号ui=0时的工作点。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页当输入信号变化时，工作点就在Q点附近上作上下变化。从图2-17（a)可以看出，当电压uBE在0.68～0.72V之间变化时，电流iB则在20～60μA作正弦变化，即ib=20sinωtμA。因此，基极总电流为:iB＝IBQ＋ib＝40＋20sinωtμA由于三极管的电流放大作用，ib变化将引起ic很大的变化，如图2-17（b)所示。当iB=60μA时，负载线与IB=60μA的输出曲线的交点为Q1；当iB=20mA时，负载线与iB=20mA的输出特性曲线的交点为Q2。因此，当信号变化时，工作点就在Q1与Q2之间变化。如果工作点的变化是在放大区内，那么ib作正弦变化时，ic、uce也按正弦规律变化，所以2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页由于C2的隔直作用，uCE中的只有交流成分uce可以通过电路C2送到输出端，故uo＝uce＝3sin（ωt-π)V输出电压与输入电压之比，称为电压放大倍数。由图2-17（b）得负号表示输出电压与输入电压的相位相差180°。2.带上负载时的动态分析放大器总是要接负载的，如图2-18所示为接负载RL后的交流通路。可见放大器带上负载后，输出回路的实际交流负载RL′为RC与RL的并联，即RL′＝RC∥RL。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页放大器不带负载时，它的交流负载就是集电极直流负载电阻RC，所以用直流负载就可以分析放大器的动态工作情况。放大器带上负载RL后，它的交流负载变为R′L，因此，要用交流负载线进行分析，交流负载线的斜率为tanα′=－1/R′L。当输入信号为零时，电路的动态和静态是一样的。即交流负载线应通过静态工作点Q。所以，交流负载是过Q点且与横轴夹角为α′的直线。由于R′L<RL，则α′>α，所以交流负载线比直流负载线陡一些。接负载R′L后，信号的工作点就沿着交流负载线变化。由于三极管输出曲线的恒流特点，接RL与不接RL的iC相差不大，而uCE的动态范围减小了。因此，输出电压减小，电压放大倍数下降。由图2-17求得，接负载RL（=3kΩ）输出电压幅值为uom＝7.5－6＝1.5V，则电压放大倍数为2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页2.3.3放大电路的非线性失真信号经过放大后往往会引起失真，即放大器的输出信号波形不能复现输入信号的波形。引起失真的原因很多，最常见的是静态工作点选择不当或信号太大，导致动态范围超出三极管的线性区。如图2-19中，若IB太小，静态工作点Q位置太低，当信号为负半周时，三极管可能进入截止区，使ib产生截止失真，ib的失真会引起ic、uce失真。若IB太大，静态工作点位置太高，当信号为正半周时，虽然ib可能不失真，但三极管易进入饱和区工作，ic和uce被削去波顶，造成饱和失真。为了防止截止失真，应使静态基极电流IBQ大于ib的峰值Ibm，使iB变化到最小值时仍大于零，以便发射结始终处于正向导通状态。UCC、RC确定后，可调整RB取得合适的基极电流。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页为了防止饱和失真，静态UCEQ值必须大于输出电压uo的峰值Uom与三极管饱和压降UCES之和，这样UCE变化到最小值时仍大于饱和压降UCES，使三极管不会进入饱和状态。通常将静态工作点Q选择在交流负载线的中点。当然，在不发生截止失真的情况下，Q点位置选择低一些，静态值IB、IC小一些，以降低电路的功率损耗。2.3.4微变等效电路分析法三极管是非线性元件，不能采用分析线性电路的方法来计算三极管放大器。但是如果放大器的输入信号电压很小，可以把三极管小范围的特性曲线近似用直线代替，从而把三极管放大电路作为线性电路来处理，这就是微变等效电路分析法。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页1.三极管的微变等效电路三极管的输入电压和输入电流的关系用输入特性曲线表示。如果输入信号很小，就可以把静态工作点附近的曲线当做直线，即近似地认为输入电流正比于输入电压，这样就可以用一个等效电阻来代表输入电压和电流的关系：rbe称为三极管的输入电阻，它的大小与静态工作点有关，通常在几百欧至几千欧之间。对于低频小功率三极管，常用下式估算:式中,IEQ为发射极静态电流。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页在放大区内，输出特性曲线可近似看成是一组与横轴平行的直线。集电极电流与UCE无关，而只受基极电流控制。因此三极管的输出电路可用电流源ΔIC=βΔIB来等效表示。但ΔIC不是独立电源，而是受ΔIB控制的电流源，称为受控源。把三极管输入、输出特性的等效电路综合起来，就得到三极管的等效电路，如图2-20所示。利用这个线性等效电路来代替三极管，可使放大器的动态分析计算变得非常简单。微变等效电路分析只能用于动态，其静态分析仍应按直流通路进行计算。要画出放大器的等效电路，先要画出其交流通路，然后用三极管等效电路取代三极管即可，图2-21为共发射极基本放大器的微变等效电路。2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页2.电压放大倍数计算放大倍数定义为输出电压与输入电压之比，即由图2-21得输入电压输出电压为其中,R′L=RC∥RL所以2.3三极管放大电路静态与动态分析返回下一页上一页电压放大倍数定量说明了放大器的电压放大能力，是放大器的一项很重要的性能指标。它与静态工作点和负载大小有关。3.输入电阻ri与输出电阻ro放大电路的输入端与信号源（或前一级放大电路）相通，输出端与负载（或后一级放大电路）相连。所以，放大电路与信号源、负载之间是互相联系又互相影响的，这种影响可以用输入电阻和输出电阻表示。（1）输入电阻ri。从放大器输入端看进去的等效交流电阻叫做放大器的输入电阻。对于共发射极基本放大器，其输入电阻为ri=RB∥rbe一般RB》rbe，所以，ri≈rbe（2)输出电阻ro。这是从放大电路输出端（不包括负载电阻RL）看进去的交流等效电阻。对于共射基本放大电路，输出电阻为：ro≈RC2.3三极管放大电路静态与动态分析返回上一页根据输入回路和输出回路连接的不同，三极管放大器分为共发射、共集电极和共基极三种不同的组态，前面主要讨论了共发射组态电路，本节将讨论后两种组态电路。2.4.1共集电极放大器图2-24为共集电极放大器电路，从图2-24（c）交流通路可以看出，交流信号从B、C极之间输入，从E、C极之间输出，C极为公共端，所以称为共集电极放大器。1.静态工作点由直流通路列出基极回路电压方程2.4共集放大器与共基放大器返回下一页得2.电压放大倍数根据图2-24（d）微变等效电路，列出回路电压方程其中

2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页所以电压放大倍数因为rbe《（1+β)RL，所以共集电极放大器的电压放大倍数小于1但接近于1，输出电压与输入电压大小几乎相等，相位相同，表现出良好的电压跟随特性。故共集电极放大器又称射极跟随器。3.输入电阻ri由微变等效电路得:ri可达几十千欧至几百千欧，所以共集电极电路的输入电阻很大。2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页4.输出电阻ro求输出电阻时，将信号源短路（uS=0），保留信号源内阻rS，去掉RL，同时在输出端接上一个信号电压uo，产生电流io，则式中由此求得2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页一般所以

可见，共集电极电路的输出电阻是很小的，一般在几十欧到几百欧。综上分析，共集电极电路具有以下特点：（1）电压放大倍数小于1但接近于1，输出电压与输入电压同相位;（2）虽然没有电压放大能力，但具有电流放大和功率放大能力;（3）输入电阻高，输出电阻低。由于共集电极电路具有输入电阻高，输出电阻低的特点，所以它在电子电路中应用极其广泛。它通常用做为多级放大器的输入端，中间级缓冲和输出级。2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页2.4.2共基极放大器图2-25为共基极放大电路，RC为集电极电阻，RB1、RB2为基极偏置电阻，用来保证三极管有合适的静态工作点。由交流通路可见，输入信号ui从E、B极输入，从C、B极之间输出，故B极是输入/输出电路的公共端。1.静态工作点将C1、C2、CB看成开路，可画出直流通路。由直流通路得一般UB远大于UBE，故2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页2.电压放大倍数从图的微变等效电路得可见，共基极电路与共发射极电路的电压放大倍数在数值上相同，而相位相反。3.输入和输出电阻2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页所以输入电阻由上式可见，共基极电路的输入电阻比共发射极电路的输入电阻低，一般为几欧至十几欧。输出电阻ro=RC共基极电路具有频率响应特性好的优点，它广泛用于高频电路，如无线电、通信方面。2.4.3三种组态放大器比较三极管的三种组态放大电路尽管接法不同，但都有一点是相同的：三极管的发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。2.4共集放大器与共基放大器返回下一页上一页由于输入和输出信号的公共端不同，交流信号在放大过程中的流通途径不相同，从而导致放大电路的性能也有所不同。在组成多级放大电路或组成低频、高频电路时，应根据具体情况选用合适的电路。表2-2列出了共发射极、共集电极、共基极三种组态电路的性能和用途。2.4共集放大器与共基放大器返回上一页图2-1返回图2-2返回图2-3返回图2-4返回图2-5返回图2-6返回图2-7返回图2-8返回图2-9返回图2-10返回图2-11返回图2-12返回图2-13返回图2-14返回图2-15返回图2-16返回图2-17返回图2-18返回图2-19返回图2-20返回图2-21返回图2-24返回图2-25返回表2-2返回3.1多级放大器3.2反馈放大电路3.3功率放大器第3章交流放大电路在实际的电子设备中，输入信号是很微弱的，要将信号放大到足以推动负载，仅用单级放大是不可能实现的，必须使用多级放大。多级放大器由若干个单级放大器连接而成，这些单级放大器根据其功能和在电路中的位置，可划分为输入级、中间级和输出级，如图3-1所示。3.1.1级间耦合方式放大器级与级之间的连接称为耦合。通过耦合将信号源或前级的输出信号不失真地传输到后级的输入端。耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合三种形式，前两种方式比较常用。1.阻容耦合阻容耦合是利用电容和电阻作为耦合元件将前后两级放大电路连接起来。其中电容器称为耦合电容，典型的两级阻容耦合放大器如图3-2所示。图中的第一级的输出信号通过电容C2、RB2和第二级的输入端相连接。阻容耦合的优点是：前级和后级直流通路彼此隔开，各级的静态工作点相互独立，互不影响。3.1多级放大器返回下一页这就给分析、设计和调试电路带来很大的方便。此外，阻容耦合还具有体积小、重量轻的优点，因此在多级交流放大电路中得到了广泛应用。阻容耦合的缺点是：因电容对交流信号具有一定的容抗，在传输过程中信号会受到衰减；对直流信号（或变化缓慢的信号）容抗很大，不便于传输；在集成电路中，制造大电容很困难，不利于集成化。2.直接耦合将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式称为直接耦合，如图3-3所示。直接耦合所用元件少，体积小，低频特性好，便于集成化。直接耦合既可以放大交流信号,也可以放大直流信号。其缺点是：由于前级和后级的直流通路相通，使得各级静态工作点相互影响。另外由于温度变化等原因，使放大电路在输入信号为零时，输出端出现信号不为零的现象，即产生零点漂移。3.1多级放大器返回下一页上一页零点漂移严重时将会影响放大器的正常工作，必须采取措施予以解决。直接耦合放大器多用于直流放大器。3.变压器耦合利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来的方式称为变压器耦合，如图3-4所示。将VT1的输出信号经过变压器T1送到VT2的基极和发射极之间。VT2的输出信号经T2耦合到负载RL上。RB11、RB12和RB21、RB22分别为VT1管和VT2管的偏置电阻，CB2是RB21和RB22的旁路电容，用于防止信号被偏置电阻所衰减。变压器耦合的优点是：由于变压器不能传输直流信号，有隔直作用，因此各级静态工作点相互独立，互不影响。变压器在传输信号的同时还能够进行阻抗、电压、电流变换。变压器耦合的缺点是体积大、笨重等，不能实现集成化应用。3.1多级放大器返回下一页上一页3.1.2多级放大电路的指标估算1.多级放大器的电压放大倍数计算多级放大器的电压放大倍数时，应考虑到前后级之间的相互影响。此时可把后级的输入电阻看成前级的负载，也可以把前级等效成一个具有内阻的信号源，经过这样处理，将多级放大器化为单级放大器，便可应用单级放大器的计算公式来计算。对于图3-5两级放大器，前级的放大倍数为：后级的放大倍数为:3.1多级放大器返回下一页上一页两级总的放大倍数为:上述表明，总的电压放大倍数等于两级电压放大倍数的乘积。由此可以推出n级放大器总的电压放大倍数为：多级放大器的输入电阻就是第一级放大器的输入电阻，其输出电阻就是最后一级放大器的输出电阻。2.放大倍数的分贝表示法当放大器的级数较多时，放大倍数将很大，表示和计算都不方便。为了简便起见，常用一种对数单位——分贝（dB）来表示放大倍数。用分贝表示的放大倍数称为增益。3.1多级放大器返回下一页上一页电压增益的表示电流增益的表示功率增益的表示3.1.3放大电路的频率特性在实际应用中，放大器的输入信号往往不是单一频率的，而是含有不同频率的谐波信号。在不同频率时，放大器的放大倍数以及输入与输出电压的相位差也是不相同的。3.1多级放大器返回下一页上一页1.频率特性的概念当工作信号的频率下降，耦合电容和旁路电路的容抗变大，产生交流压降，结果使放大倍数下降。当信号频率较高时，由于三极管的极间电容影响和电流放大系数下降，使放大器的电压放大倍数减小。放大倍数随频率变化的关系特性曲线称为幅频特性。当频率增大或减小时，输入与输出信号的相位差（即相位移Φ）也将变化。放大器输出信号与输入信号的相位差与频率关系曲线称为相频特性。幅频特性和相频特性统称为频率特性。2.共射放大电路的频率特性图3-7为共射放大电路的频率特性，在一个较宽的频率范围内，曲线是平坦的，即放大倍数不随信号频率变化，这就是中频放大倍数Aum。这一段频率范围称为中频段，通常所说放大器的放大倍数就是指这一段频率范围的放大倍数。在高频或低频段，曲线向下倾斜，说明随着频率减小或增大，放大倍数都将下降。3.1多级放大器返回下一页上一页当放大倍数下降到中频时放大倍数的0.707倍时，所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH。上限频率与下限频率之差称为放大器的通频带fbw。fbw=fH-fL通频带越宽，放大器在放大不同频率信号时，产生的失真就越小。不同的应用场合放大器对通频带的要求也不相同，家用电器中的音频功率放大器对通频带的要求就比较高，至少应在150～6000Hz，而工业自动控制中应用的低频放大器，工作频率通常比较窄，对通频带就没有特别的要求。低频段放大倍数下降主要是耦合电容和发射极旁路电容的阻抗增大引起的。在频率较低时，电容的容抗较大，不能忽略。由于耦合电容的容抗增大，交流电压在其上产生的压降增大，结果使输入到基极和发射极间的信号电压减小，从而使输出也减小，放大倍数减小。3.1多级放大器返回下一页上一页在高频段，三极管电流放大系数下降，结果电容减小，从而使放大倍数下降。3.多级放大电路的频率特性如图3-8为两级放大器的幅频特性。两个参数完全相同的单级放大器(放大倍数为Aum1和Aum2)在组成两级放大器后，其总的放大倍数等于两个单级放大倍数的乘积，在重新确定上限频率和下限频率后，可以看出，中频段的放大倍数与高、低频段的放大倍数的差值变大，即两级放大器比单级放大器的通频带窄。显然，放大器的级数越多，通频带越窄。为了满足多级放大器通频带的要求，必须把每个单级放大器的通频带选得更宽一些。3.1多级放大器返回上一页在讨论偏置电路时，知道采用直流负反馈可以稳定静态工作点。实际上，负反馈还有很多用途，例如在放大电路中用负反馈来改善电路的波形失真和频率特性，改变电路的输入阻抗和输出阻抗。因此，研究电路中的负反馈具有重要意义。3.2.1反馈的概念1.反馈的基本概念将放大器输出信号的一部分或全部，通过一定的电路（反馈电路）送回到放大器的输入端，称为反馈。反馈放大电路由基本放大电路A和反馈电路F组成，框图如图3-9所示。2.反馈的分类根据反馈的作用不同，反馈分为正反馈和负反馈两种。如果反馈到输入端的信号对原输入信号起加强作用（即两者在相位关系上成为相加），使放大倍数增加，这种反馈称为正反馈。3.2反馈放大电路返回下一页如果反馈信号对原输入信号起削弱作用（即两者在相位关系上成为相减），使放大倍数减小，这种反馈称为负反馈。正反馈虽然可以提高放大倍数，但却会造成电路工作不稳定，所以多用于振荡器中。而负反馈虽然会降低放大倍数，但却能改善放大电路的其他性能，故广泛用于放大器中。具有负反馈的放大电路称为负反馈放大电路。放大电路的输出量与净输入量之比，称为开环放大倍数反馈量与输出量之比，称为反馈系数引入反馈后，基本放大电路的净输入为原输入信号与反馈信号之差，即:3.2反馈放大电路返回下一页上一页输出量与输入信号之比称为闭环放大倍数按照从输出端取出反馈信号的方式不同，负反馈可分为电压负反馈和电流负反馈两种,如图3-10和图3-11所示。反馈信号（电压或电流）的大小与放大器的输出电压成正比的负反馈称为电压负反馈。反馈信号（电压或电流）的大小与放大器的输出电流成正比的负反馈称为电流负反馈。按照反馈信号引入到输入端的方式不同，可分为串联反馈和并联反馈两种。如果反馈信号以电压形式与输入信号在输入端串联叠加，则称为串联反馈；如果反馈信号以电流形式与输入信号在输入并联叠加，则称为并联反馈。3.2反馈放大电路返回下一页上一页3.2.2负反馈的类型判断1.电压串联负反馈如图3-12所示电路中，输出回路与输入回路通过发射极电阻RE相联系，输出电压通过RE反馈到输入回路中，RE上的电压就是反馈电压，且。由于反馈电压与输出电压成正比，故为电压反馈。从输入回路看，反馈信号以电压形式与输入信号串联起来加到三极管的基极和发射极之间，由于与的方向相反，使净输入信号减小，故为串联负反馈。综上所述，放大电路引入了电压串联负反馈。2.电压并联负反馈如图3-13所示电路中，输出回路与输入回路通过基极电阻RB相联系，输出电压通过电阻RB反馈到输入端。在正弦输入信号的正半周时，其引起的电流方向和电压极性如图所示，由于共发射极放大器的反相作用，输出电压与输入电压的极性相反，3.2反馈放大电路返回下一页上一页反馈信号为:由于与输出电压成正比，故为电压负反馈。从输入回路看，反馈信号以电流的形式与输入电流并联叠加后形成净输入加到三极管的基极，其值为：是减小的，即引入反馈后使净输入减小，所以是并联负反馈。3.电流串联负反馈图3-14所示电路是一个常用的具有电流负反馈的共发射极放大器。当正弦信号正半周输入时，电路中的电流方向和电压极性如图3-14所示。在这个电路中，反馈信号是RE上的电压，由于3.2反馈放大电路返回下一页上一页反馈电压与三极管的输出电流成正比，所以是电流反馈。由于反馈电压与输入电压串联起来加到三极管的基极与发射极之间，而且反馈电压与输入电压的作用是互相抵消的，净输入电压小于输入电压。因此，它是电流串联负反馈。4.电流并联负反馈图3-15所示电路为另一种电流负反馈，图中标出当输入正弦信号为正半周时，电流的方向和电压的极性。反馈到放大器输入端的反馈信号取自VT2的发射极电阻RE上的电压，并通过电阻引回到输入端，由图3-15得:3.2反馈放大电路返回下一页上一页经整理后得:由于反馈电流与V2管的输出电流成正比，而且是与并联叠加后输入VT1管基极的，净输入电流小于输入电流，所以它是电流并联负反馈。综上所述，根据负反馈信号从输出端取出的方式以及引至输入端的方式不同，有电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈和电流并联负反馈四种，负反馈的方式不同，产生的效果也不同。上面所讲的都是交流反馈，即反馈信号都是交流量，但上述各个电路对直流量同样也起负反馈作用。如果不要求一个反馈电路同时对交流、直流都有反馈作用，可利用隔直或旁路电容对信号进行开路或短路。3.2反馈放大电路返回下一页上一页3.2.3负反馈对放大器性能的影响1.负反馈使放大器的放大倍数减小，但能提高工作稳定性引入负反馈后，放大倍数为：由于1+AF>1，|Af|<|A|，可见引入负反馈后，放大器的闭环放大倍数会减小。负反馈越深（即1+AF值越大)，放大器的闭环放大倍数越小。放大器的放大倍数取决于晶体管及电路元件的参数，当元件老化或更换、电源不稳、负载及环境温度变化时，都会引起放大倍数变化。为此，通常要在放大器中加入负反馈以提高放大倍数的稳定性。可以证明，闭环放大倍数的相对变化量dAf/Af与开环放大倍数相对变化量dA/A的关系为:3.2反馈放大电路返回下一页上一页上式表明，引入负反馈后，放大器的放大倍数虽然下降了，但放大倍数的稳定性却提高了（1+AF）倍。2.展宽通频带放大器的放大倍数会随着信号频率而改变，在高频段和低频段放大倍数显著减小，放大器有一定的通频带。加入负反馈后，可以使通频带变宽，如图3-16所示。当无反馈时，中频段放大倍数较大；引入负反馈时，中频段电压放大倍数下降最多，而在低频段或高频段时，因无反馈时放大倍数较小，引入负反馈量也较小，故放大倍数下降也比较小，从而展宽了通频带。3.减小非线性失真由于基本放大电路中有非线性的三极管，所以信号经过放大后都不可避免地要产生失真。但引入负反馈后，输出的失真信号又返送回输入端，并使净输入的波形发生畸变，3.2反馈放大电路返回下一页上一页畸变的方向正好与基本放大器畸变方向相反，故可在很大程度上限制输出信号的畸变，减小非线性失真。如图3-17中，假定无反馈时基本放大电路的放大倍数是正半周大，负半周小。当输入为标准的正弦信号时，则输出波形是上大、下小的畸变。引入负反馈后，负反馈信号正比于输出，因此是上大下小的畸变波；所以，净输入为上小下大的畸变波；经放大后，输出波形就得到了纠正，从而减小非线性失真。需要指出的是，负反馈可以减小由放大器非线性所产生的失真，而对于输入信号本身固有的失真并不能减小。此外，负反馈只是减小非线性失真，并不能完全消除失真。4.负反馈对输入、输出电阻的影响放大器引入负反馈后，输入电阻和输出电阻都会发生变化，因此，可以利用负反馈改变放大器的输入、输出电阻。（1）串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。负反馈对输入电阻的影响仅与反馈信号在输入回路出现的形式有关，而与输出端的取样方式无关。3.2反馈放大电路返回下一页上一页引入串联负反馈后，反馈信号电压抵消了输入信号电压，导致信号源提供的电流减小，所以在一定的条件下，输入电阻比无反馈时大。对于并联负反馈，由于反馈信号电流对输入信号电流进行了分流，导致信号提供的电流增大，所以在净输入电流一定的条件下，并联负反馈将使输入电流增大，即输入电阻比无反馈时减小。（2）电流负反馈使输出电阻增大，电压负反馈使输出电阻减小。从放大器的输出端看进出，放大器相当于一个信号源，这个信号源的内阻就是放大器的输出电阻。输出电阻越小，输出电压随负载的变化也越小，由于电压负反馈能使输出电压稳定，所以放大器引入电压负反馈后，输出电压随负载的变化减小，也就是相当于输出电阻减小。放大器引入电流负反馈可使输出电流稳定，输出电流随负载的变化减小，这只有在输出电阻比负载电阻大很多时才会出现，即电流负反馈使输出电阻增大。3.2反馈放大电路返回上一页一般电子设备是由多级放