电工学简明教程第三版第9章二极管和晶体管-第15章模拟量和数字量的转换

第9章二极管和晶体管第9章二极管和晶体管9.1半导体的导电特性9.2二极管9.3稳压二极管9.4双极型晶体管9.5光电器件9.1半导体的导电特性本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。9.1.1本征半导体自由电子空穴共价键SiSiSiSi本征半导体中自由电子和空穴的形成用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现,同时又不断复合。在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流。可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。空穴移动方向

电子移动方向

外电场方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2N型半导体和P型半导体1．N型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为N型半导体。SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强。2.P型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为P型半导体。

SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴价电子填补空位9.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。P区N区N区的电子向P区扩散并与空穴复合PN结内电场方向2．PN结的单向导电性(1)外加正向电压内电场方向E外电场方向RIP区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流P区N区内电场方向ER外电场方向IR2．外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行空间电荷区变宽9.2二极管9.2.1基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型表示符号正极负极金锑合金面接触型N型锗正极引线负极引线PN结底座铝合金小球引线触丝N型锗外壳9.2.2伏安特性

二极管和

PN

结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为

0.5V。导通时的正向压降，硅管约为

0.6~0.7V。

604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性

在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压

U(BR)。I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02锗管的伏安特性0锗管死区电压为

0.1V，导通时的正向压降为

0.2~0.3V。9.2.3主要参数1．最大整流电流IOM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2．反向工作峰值电压

URWM

它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。3．反向峰值电流IRM

它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。

二极管电路分析原则：定性分析：判断二极管的工作状态导通截止分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止设二极管是理想的，正向导通时二极管相当于短路，反向截止时二极管相当于断开。

[例1]

在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位VY。

[解]

因为VA

高于VB

，所以DA优先导通。如果二极管的正向压降是

0.3V，则

VY=+2.7V。当DA导通后，DB

因反偏而截止。

在这里，DA起钳位作用，将输出端电位钳制在

+2.7V。

二极管的应用范围很广,主要都是利用它的单向导电性。它可用作整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。DA

–12VYVAVBDBR两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降,二极管可看作短路,

UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UABD2起钳位作用，D1起隔离作用。

稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。稳压二极管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压二极管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。I/mAU/VOUZIZIZM+

正向

+反向

UZ

IZ9.3稳压二极管

稳压二极管的主要参数有下面几个：1．稳定电压UZ4．稳定电流

IZ

3．动态电阻

rZ2．电压温度系数

U5．最大允许耗散功率PZM

[例1]

图中通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？IZDZ+20VR=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例9.3.1的图IZ<IZM

，电阻值合适。[解]9.4.1基本结构N型硅二氧化硅保护膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型锗ECB铟球铟球PP(b)合金型9.4双极型晶体管1．NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极EP

不论平面型或合金型，都分成

NPN或

PNP三层，因此又把晶体管分为

NPN型和

PNP型两类。ECB符号T集电区集电结基区发射结发射区N集电极C发射极E基极BNPPN2．PNP型三极管

CBET符号9.4.2电流分配和放大原理我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是NPN

型管，为了使晶体管具有放大作用，电源EB

和EC

的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100

设

EC=

6

V；改变可变电阻

RB

，则基极电流

IB、集电极电流

IC

和发射极电流

IE都发生变化，测量结果如下表：基极电路集电极电路mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100基极电路集电极电路IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据结论：(1)符合基尔霍夫定律(2)

IC

和IE

比IB

大得多。从第三列和第四列的数据可得这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化

IB可以引起集电极电流较大的变化

IC。式中，

称为动态电流(交流)放大系数。

(3)

当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。

(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置,集电区才可收集从发射区发射过来的电子。下图给出了起放大作用时晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。NPN型晶体管+UBE

CTEB

IEIBIC+UCE

+UBE

IBIEIC

CTEB

+UCE

PNP型晶体管对于

NPN型晶体管应满足：

UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于

PNP型晶体管应满足：

UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE1.输入特性曲线

输入特性曲线是指当集-射极电压

UCE

为常数时，输入电路(基极电路)中，基极电流

IB

与基-射极电压

UBE

之间的关系曲线

IB

=f(UBE)。00.40.8IB

/

AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100

晶体管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生

IB。9.4.3特性曲线2．输出特性曲线

输出特性曲线是指当基极电流IB

为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流

IC

与集-射极电压

UCE

之间的关系曲线

IC

=f(UCE)。在不同的

IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三个工作区ICEC=UCCIBRB+UBE

+UCE

EBCEB共发射极电路IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003691243212.31.5放大区2．输出特性曲线IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003691243212.31.5放大区(1)放大区输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，。放大区也称为线性区，因为IC

和IB

成正比的关系。对NPN型管而言，应使UBE

>0，UBC

<

0，此时，UCE

>UBE。饱和区截止区(2)截止区

IB=0的曲线以下的区域称为截止区。IB=0时，IC=ICEO(很小)。对NPN型硅管，当

UBE<

0.5V时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使

UBE

≤

0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC

<

0)，此时，IC

0，UCE

UCC。(3)饱和区

当

UCE

<

UBE

时，集电结处于正向偏置(UBC

>

0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC

和IB

不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O3691243212.31.5放大区当晶体管饱和时，UCE

0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC

0

，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示。+

UBE>0

ICIB+UCE

(a)放大

UBC<0+IC

0IB=0+UCE

UCC

(b)截止

UBC<0++UBE≤

0

+UBE>

0

IB+UCE

0

(c)饱和

UBC>0+

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

≤

0

0.1晶体管结电压的典型值当晶体管接成共发射极电路时,在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数9.4.4主要参数1.电流放大系数，

当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为

IB，它引起集电极电流的变化量为

IC

。

IC

与

IB

的比值称为动态电流(交流)放大系数

在输出特性曲线近于平行等距并且

ICEO

较小的情况下，可近似认为，但两者含义不同。2.集-基极反向截止电流ICBOICBO

是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3．集-射极反向截止电流ICEO

ICEO

是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。4．集电极最大允许电流ICM

当

值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流

ICM。

5．集-射反相击穿电压

U(BR)CEO6.集电极最大允许耗散功率PCM

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集-射反相击穿电压

U(BR)CEO

。

当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率

PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安全工作区

由

ICM

、U(BR)CEO

、PCM三者共同确定晶体管的安全工作区。9.5光电器件9.5.1发光二极管9.5.2光电二极管第10章基本放大电路第10章基本放大电路10.1共发射极放大电路的组成10.2共发射极放大电路的分析10.3静态工作点的稳定10.4射极输出器*10.5差分放大电路10.6互补对称放大电路*10.7场效晶体管及其放大电路10.1共发射极放大电路的组成电路中各元件的作用：C1RS+ui

RCRB+UCCC2RL+es

+uo

++iB+uBE

iC+uCE

T

晶体管

T

晶体管是电流放大元件，在集电极电路获得放大了的电流

iC

，该电流受输入信号的控制。集电极电源电压UCC

电源电压UCC

除为输出信号提供能量外，它还保证集电结处于反向偏置，以使晶体管具有放大作用。C1RS+ui

RCRB+UCCC2RL+es

+uo

++iB+uBE

iC+uCE

T

集电极负载电阻

RC

将

iC

的变化变换为

uC

的变化，实现电压放大。

偏置电阻RB

它的作用是提供大小适当的基极电流，以使放大电路获得合适的工作点，并使发射结处于正向偏置。耦合电容

C1

和

C2

1．起隔直作用；2．起交流耦合的作用，即对交流信号可视为短路。10.2共发射极放大电路的分析10.2.1静态分析

放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。静态分析是要确定放大电路的静态值(直流值)

IB，

IC

，

UBE

和

UCE。1.用放大电路的直流通路确定静态值RCRB+UCCIB+UBE

IC+UCE

T可用右图所示的直流通路来计算静态值RCRB+UCCIB+UBE

IC+UCE

T硅管的UBE

约为0.6V，比UCC

小得多，可以忽略不计。

[例1]

在共发射极基本交流放大电路中，已知

UCC=12V，RC=4k

，

RB=300k

，。试求放大电路的静态值。[解]2．用图解法确定静态值根据直线方程

UCE=UCC

RCIC可得出：

IC=0时，UCE=

UCC

图解过程说明:在晶体管的输出特性曲线组上作出一直线，它称为直流负载线，与晶体管的某条(由IB

确定)输出特性曲线的交点Q

称为放大电路的静态工作点，由它确定放大电路的电压和电流的静态值。基极电流IB

的大小不同，静态工作点在负载线上的位置也就不同，改变IB

的大小，可以得到合适的静态工作点，

IB称为偏置电流，简称偏流。通常是改变RB

的阻值来调整IB的大小。0IB=0µA20µA40µA60µA80µA123UCCRCN24681012UCCMQ直流负载线图解过程:IC

/mAUCE

/VQ1Q2

[例2]

在共发射极基本交流放大电路中，已知UCC=12V，RC=4k

，RB=300k

，晶体管的输出特性曲线如上图。(1)作出直流负载线，(2)求静态值。[解]

(1)由IC=0

时，UCE=UCC=12V，和UCE=0

时，可作出直流负载线(2)由得出静态工作点Q，静态值为IB=40AIC=1.5mAUCE=6V0IB=0µA20µA40µA60µA80µA1231.524681012MQ静态工作点求得静态值为：IB=40µA，IC=1.5mA，UCE=6VIC

/mAUCE

/VN10.2.2动态分析放大电路有输入信号时的工作状态称为动态。动态分析是在静态值确定后，分析信号的传输情况。确定放大电路的电压放大倍数

Au

；输入电阻

ri；输入电阻

ro。动态分析的两种基本分析方法：微变等效电路法和图解法。1．微变等效电路法晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替晶体管的特性曲线，晶体管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。(1)晶体管的微变等效电路

IB

UBE

在晶体管的输入特性曲线上，将工作点

Q

附近的工作段近似地看成直线，当

UCE

为常数时，

UBE

与

IB

之比称为晶体管的输入电阻，在小信号的条件下，rbe

是一常数，由它确定

ube

和

ib

之间的关系。因此，晶体管的输入电路可用

rbe

等效代替。OIB

UBE

UCEIB

Q低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算Rbe

是对交流而言的一个动态电阻。动态

IB

ICQIC

UCE

ICUCE

晶体管输出特性曲线是一组近似等距离的平行直线，当

UCE

为常数时，

IC

与

IB

之比为

。

即为晶体管的电流放大系数，在小信号的条件下，

是一常数，由它确定

ic

受

ib

的控制关系。

因此，晶体管的输出电路可用一受控电流源

ic=

ib

等效代替。UCE

IC

UCEQIC

IBICUCE晶体管的输出特性曲线不完全与横轴平行。

在小信号的条件下，rce

也是一常数，在等效电路中与

ib

并联，由于

rce的阻值很高，可以将其看成开路。当

IB

为常数时，

UCE

与

IC

之比称为晶体管的输出电阻。由以上分析可得出晶体管的简化微变等效电路。CBE+ube

+uce

icibTib

ibBECicrbe

+uce

+ube

(2)放大电路的微变等效电路

对交流(动态)分量而言，电容、直流电源也可以认为是短路。C1RS+ui

RCRB+UCCC2RL+es

+uo

++iBiCT基本放大电路可画出放大电路的交流通路。+ube

TRCiiibicRLRSRBEBC+ui

+es

+uo

+uce

将交流通路中的晶体管用其微变等效电路来代替，即得到放大电路的微变等效电路。交流通路rbe

EBCRCRLRBRSiiib+ui

+es

+uo

ui=

ubeuo=

uceic

ib基本放大器的微变等效电路当输入的是正弦信号时，各电压和电流都可用相量表示。(3)电压放大倍数的计算rbe

EBCRCRLRBRS+

+

+

由上图可列出式中故放大电路的电压放大倍数当放大电路输出端开路(未接RL

)时可见，接入

RL，电压放大倍数降低。[例3]

在共发射极基本交流放大电路中，已知UCC=12V，RC=4k

，RB=300k

，。试求电压放大倍数Au。[解]

在例10.2.1中已求出所以(4)放大电路输入电阻的计算放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻ri

，即它是对交流信号而言的一个动态电阻。

如果放大电路的输入电阻较小：第一，将从信号源取用较大的电流，从而增加信号源的负担；第二，经过内阻Rs

和ri

的分压，使实际加到放大电路的输入电压ui

减小，从而减小输出电压；第三，后级放大电路的输入电阻，就是前级放大电路的负载电阻，从而将会降低前级放大电路电压放大倍数。因此，通常希望放大电路的输入电阻能高一些。以共发射极基本放大电路为例，其输入电阻为共发射极基本放大电路的输入电阻基本上等于晶体管的输入电阻，是不高的。注意：ri

与

rbe意义不同不能混淆。(5)放大电路输出电阻的计算放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源。其内阻即为放大电路的输出电阻ro

，它也是一个动态电阻。

如果放大电路的输出电阻较大(相当于信号源的内阻较大)。当负载变化时，输出电压的变化较大，也就是放大电路带负载的能力较差。因此，通常希望放大电路输出级的输出电阻小一些。放大电路的输出电阻可在信号源短路和输出端开路的条件下求得。从基本放大电路的微变等效电路看，当，电流源相当于开路，故RC

一般为几千欧，因此，共发射极放大电路的输出电阻较高。*2．图解法首先在输入特性上作图，由输入信号ui

确定基极电流的变化量

ib

，再在输出特性上作图，得到交流分量ic

和uce

即(uo)。由图解分析可得出：(1)

交流信号的传输情况：0uBE/VQ1QQ2604020006040200.580.60.62UBEttiB/µA在输入特性上作图(ui)uBE/ViB/µAIB(ib)0IB=40µA2060803Q1.5612N0Mt00Q22.250.752.251.50.75IC39369交流负载线

接负载后，Uom减小，Au下降。tQ1空载输出电压iC

/mAuCE/VuCE/ViC

/mA(ic)UCEuo=

uce直流负载线(2)电压和电流都含有直流分量和交流分量，即(3)

输入信号电压ui

和输出电压uo

相位相反。(4)失真现象失真是指输出信号的波形不像输入信号的波形。原因：

1．静态工作点不合适：

Q点过低，截止失真；

Q点过高，饱和失真。

2．信号太大，

超出了特性曲线上的线性范围。称为非线性失真。10.3静态工作点的稳定由于某种原因，例如温度的变化，将使集电极电流的静态值IC

发生变化，从而影响静态工作点的稳定。上一节所讨论的基本放大电路偏置电流

当

RB

一经选定后，IB

也就固定不变，称为固定偏置放大电路，它不能稳定

Q

点。

+UCCRCC1C2TRLRE+CE++RB1RB2RS+ui

+es

+uo

iBiC+uCE

+uBE

分压式偏置放大电路

放大电路不仅要有合适的静态工作点

Q，而且要保持

Q点的稳定。

为此，常采用分压式偏置放大电路。+UCCRCTRERB1RB2IBIC+UCE

+UBE

I1I2IE直流通路由直流通路可列出若使则基极电位

可认为

VB

与晶体管的参数无关，不受温度影响，而仅为RB1

和

RB2

的分压电路所固定。

若使VB>>UBE则

因此，只要满足

I2>>IB

和

VB>>UBE

两个条件，

VB

和

IE或

IC

就与晶体管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，使静态工作点能得以基本稳定。对硅管而言，在估算时一般可取

I2

=(5~10)IB

和

VB=(5~10)UBE

。这种电路稳定工作点的实质是：当温度升高引起IC

增大时，发射极电阻RE上的电压降增大，使UBE

减小，从而使IB减小，以限制IC

的增大，工作点得以稳定。电容CE

的作用是使交流旁路，防止RE

上产生交流电压降降低电压放大倍数，CE

称为交流旁路电容。[例1]

在分压式偏置放大电路中，已知UCC=12V，RC=2k

，RE=2k

，RB1=20k

，RB2=10k

，RL=6k

，晶体管的。(1)试求静态值；(2)画出微变等效电路；(3)计算该电路的Au，

ri

和

ro

。[解](1)(2)rbe

EBCRCRLRB2RS+

+

+

RB1(3)10.4射极输出器

10.4.1静态分析

射极输出器是从发射极输出。在接法上是一个共集电极电路。10.4.1静态分析RERB+UCCIB+UBE

+UCE

TICIE直流通路C1RS+ui

RERB+UCCC2RL+es

+uo

++iB+uBE

iE+uCE

T射极输出器用直流通路确定静态值10.4.2动态分析rbe

EBRERLRBRS+

+

+

C由射极输出器的微变等效电路可得出1．电压放大倍数2．输入电阻射极输出器的输入电阻很高。3．输出电阻rbe

EBRERBRS+

计算ro

的等效电路C右图中将信号源短路，保留其内阻RS

，RS

与

RB

并联后的等效电阻为R

S

。在输出端将RL

取去，外加一交流电压

，产生电流

。例如，

=40，rbe=0.8k，RS=50，RB=120k，由此得可见射极输出器的输出电阻是很低的。

射极输出器的主要特点是：电压放大倍数接近

1；输入电阻高；输出电阻低。因此，它常被用作多级放大电路的输入级或输出级。

[例1]

用射极输出器和分压式偏置放大电路组成两级放大电路，如下图所示。已知：UCC=12V，

1=60，RB1=200k

，RE1=2k

，RS=100

。后级的数据同例10.3.1，即RC2=2k

，RE2=2k

，R

B1=20k

，R

B2=10k

，RL=6k

，

2

=37.5，试求：(1)前后级放大电路的静态值；(2)放大电路的输入电阻ri

和输出电阻

ro

；(3)各级电压放大倍数Au1，Au2及两级电压放大倍数Au。

[解]

由于电容有隔直作用，各级放大电路的静态值可以单独考虑。同时耦合电容上的交流电压降可以忽略不计，使前级输出信号电压差不多无损失地传送到后级输入端。C1RSRE1RB1C2+es

++T1+UCCRC2C3T2RLRE2+CE2+R

B1R

B2(1)

前级静态值为后级静态值同例10.3.1，即(2)

放大电路的输入、输出电阻为前级的负载电阻，其中ri2

为后级的输入电阻，已在例10.3.1中求得，ri2=0.79k

，于是输出电阻(3)计算电压放大倍数前级后级(见例10.3.1)Au2=71.2两级电压放大倍数Au=Au1

Au2=0.98(71.2)=69.8*10.5差分放大电路T1T2RCRB+UCC+ui1

iBiCRCRB+ui2

iBiCRPREEEiEiE+uO

差分放大电路用两个晶体管组成，电路结构对称，在理想情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相同，因此，两管的静态工作点也必然相同。10.5.1静态分析在静态时，ui1=ui2=0，则

IC1=IC2

，VC1=VC2

，故输出电压

uO

=VC1

VC2=0

差分放大电路的优点是具有抑制零点漂移的能力。什么是零点漂移？一个理想的放大电路，当输入信号为零时，其输出电压应保持不变(不一定是零)。但实际上，主要由于环境温度的变化，输出电压并不保持恒定，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象称为零点漂移(或称温漂)，它影响放大电路的工作。对差分放大电路，由于电路的对称性，当温度变化时，两边的变化量相等，即

IC1=

IC2

，

VC1=

VC2

虽然每个管子都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是互相抵消的，所以输出电压依然为零，即

uO

=VC1+

VC1

(VC2+

VC2)

=

VC1

VC2=0零点漂移完全被抑制了。电位器RP

起调零作用，因为电路不可能完全对称，静态时输出电压不一定等于零，可通过调节RP使静态输出电压为零。

在静态时，设

IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC，忽略阻值很小的

RP

可列出

上式中前两项较第三项小得多，可略去，则每管的集电极电流发射极电位

VE

0。每管的基极电流每管的集-射极电压接入RE

是为了稳定和获得合适的静态工作点，负电源EE

用来抵偿RE

上的直流压降。10.5.2动态分析1．共模输入两个输入信号电压的大小相等，极性相同，即

ui1=ui2

，这样的输入称为共模输入。在共模输入信号的作用下，若电路完全对称时，两管集电极电位的变化相同，因而，输出电压等于零，所以对共模信号没有放大能力，亦即放大倍数为零。2．差模输入两个输入信号电压的大小相等，而极性相反，即

ui1

=

ui2

，这样的输入称为差模输入。

设ui1

>0，ui2<0，则

IC1>0，

IC2<0，

VC1<0，

VC2>0

。故uO=

VC1

VC2

可见，在差模输入时，输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍。T1RCibic+ui1

+uo1

RB单管差模信号通路由于差模信号使两管的集电极电流一增一减，其变化量相等，通过RE

的电流近于不变，RE

上没有差模信号压降，故RE

对差模信号不起作用，可得出下图所示的单管差模信号通路。单管差模电压放大倍数同理可得双端输出电压为双端输入-双端输出差分电路的差模电压放大倍数为当在两管的集电极之间接入负载电阻时，式中两输入端之间的差模输入电阻为两集电极之间的差模输出电阻为同相输入端：当输入电压与输出电压的相位（极性）相同时，称该输入端为同相输入端。反相输入端：当输入电压与输出电压的相位（极性）相反时，称该输入端为反相输入端。

[例1]

在前图所示的差分放大电路中，已知UCC=12V，EE=12V，

=50，RC=10k

，RE=10k

，RB=20k

，RP=100

，并在输出端接负载电阻RL=20k

，试求电路的静态值和差模电压放大倍数。[解]式中3．比较输入两个输入信号电压既非共模，又非差模，它们的大小和相对极性是任意的，这种输入常作为比较放大来运用。差值电压(ui1

ui2)

经放大后，输出电压为uO=Au(ui1

ui2)为了便于分析，可将这种信号分解为共模分量和差模分量，例如uI1=10mV=2mV+8mVuI2=6mV=2mV

8mV其中，2mV

是共模分量，8mV

和(

8mV)是差模分量。

为了全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，通常引用共模抑制比KCMRR

来表征其值越大越好。共模抑制比差模放大倍数共模放大倍数10.6互补对称放大电路10.6.1对功率放大电路的基本要求在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级对功率放大电路的基本要求是：

(1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。(2)效率要高。放大电路有三种工作状态。(1)

甲类工作状态tiCQOOiCuCE甲类工作状态静态工作点Q

大致在负载线的中点。这种工作状态下，放大电路的最高效率为50%。(2)

甲乙类工作状态tiCQOOiCuCE甲乙类工作状态静态工作点Q

沿负载线下移，静态管耗减小，但产生了失真。(3)乙类工作状态tiCQOOiCuCE乙类工作状态静态工作点下移到IC

0

处，管耗更小，但输出波形只剩半波了。10.6.2互补对称放大电路1．无输出变压器(OTL)的互补对称放大电路OtuiR1iC2RLR3R2D1D2B1B2T1T2+UCCCLAC+++ui

+uo

OtuoiC1OTL电路图中两个晶体管T1(NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同。静态时，调节R3，使A

点的电位为。

输出耦合电容

CL

上的电压也为。

R1

和D1

、D2

上的压降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。iC2RL+UCCCL+OtuiiC1R1R3R2D1D2B1B2T1T2AC++ui

OTL电路+uo

在ui

的正半周，T1

导通，T2

截止，电流iC1

自上而下流过负载RL

；在ui

的负半周，T1

截止，T2

导通，电流iC2

自下而上流过负载RL

；在ui

的一个周期内，电流iC1

和

iC2

以正反方向交替流过负载RL，在RL

上合成而得出一个交流输出信号电压uo。Otuo电流是靠电容CL

放电形成的，为了使输出波形对称，CL

的容量必须足够大。这种功率放大电路在理想情况下的效率为78.5%。2．无输出电容(OCL)的互补对称放大电路R1RLR3R2D1D2T1T2+UCCAC++ui

+uo

UCCOCL电路

OCL电路需用正负两路电源。其工作原理与OTL电路基本相同。*10.7场效晶体管及其放大电路10.7.1绝缘栅场效晶体管SiO2绝缘层源极S栅极G漏极D

P

型硅衬底N+N+N

沟道增强型绝缘栅场效晶体管结构示意图DSG符号再在两个N+

型区之间的二氧化硅绝缘层的表面及两个N+

型区的表面分别安置三个电极：栅极G、源极D

和漏极D。由于柵极电流几乎为零，栅源电阻RGS

很高，最高可达1014

。

构成：用一块杂质浓度较低的P

型薄硅片作为衬底，其上扩散两个相距很近的高掺杂N+

型区。并在表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层。P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0UGSN+N+UDS当栅-源电压UGS=0

时，D

与S之间是两个PN

结反向串联，无论D

与S

之间加什么极性的电压，总有一个PN

结是反向偏置的，漏极电流ID

均接近于零。

当在柵极和源极之间加正向电压但数值较小时(0<UGS

<UGS(th)

)

，由柵极指向衬底方向的电场吸引电子向上移动，填补空穴在P

型硅衬底的上表面形成耗尽层，此时仍然没有漏极电流。

当UGS

大于一定数值时(UGS>UGS(th))，在栅极下P

型半导体表面形成N

型层，通常称它为反型层。这就是沟通源区和漏区的N

型导电沟道(与P

型衬底间被耗尽层绝缘)。UGS

正值越高，导电沟道越宽。P型硅衬底N++BSGD。耗尽层N型导电沟道N+N+

UGS+EG形成导电沟道后，在漏-源电压UDS

的作用下，将产生漏极电流ID

，管子导通。

在一定的漏-源电压UDS

下，使管子由不导通变为导通的临界栅-源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。

只有当

UGS>UGS(th)后，

ID

才随栅-

源电压的变化而变化，这就是N

沟道增强型绝缘栅场效晶体管的栅极控制作用。P型硅衬底N++BSGD。UDSIDN+UGSN+N沟道N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的导通N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的特性曲线(1)转移特性栅-源电压对漏极电流的控制特性(2)输出特性ID/mAOUDS/

VUGS=1V2V4V3VN沟道增强型管的输出特性曲线ID/mAOUGS/

V无沟道有沟道UGS(th)UDS

=常数N沟道增强型管的转移特性曲线P沟道增强型绝缘栅场效晶体管SiO2

绝缘层结构示意图N型硅衬底源极S栅极G漏极DP+P+其工作原理与N沟道管相似，接线时应调换电源的极性，电流方向也相反。跨导是表示场效晶体管放大能力的参数，它是当漏-源电压UDS

为常数时，漏极电流的增量

ID

与引起这一变化的栅源电压的增量

UGS

的比值，即DSG符号漏-源击穿电压UDS(BR)

、栅-源击穿电压UGS(BR)

以及漏极最大耗散功率PDM

是管子的极限参数，使用时不可超过。*10.7.2场效晶体管放大电路下图是场效晶体管的分压式偏置共源极放大电路C1+UDD+SGDRDRG1RGRG2TRSRLCSC2+ui

+uo

分压式偏置放大电路

静态时，电阻

RG

中无电流，栅-

源电压为式中，VG

为栅极电位。当有输入信号时，由交流通路可得输出电压为SGDRDRG1RGRG2TRL分压式偏置放大电路的交流通路+

+

电压放大倍数为式中，的负号表示输出电压和输入电压反向。放大电路的输入电阻为放大电路的输出电阻为ro

RD

。

[例1]

在分压式偏置共源极放大电路中，已知

UDD=20V，RD=5k

，RS=1.5k

，RG1=100k

，RG2=47k，RG=2M

，RL=10k

，gm=2mA/V，ID=1.5mA。试求：(1)静态值；(2)电压放大倍数。[解]

(1)静态值(2)电压放大倍数下图是由场效晶体管构成的源极输出器，它和晶体管的射极输出器一样，具有电压放大倍数小于但近于1，输入电阻高输出电阻低等特点。C1+UDDRG1RGRG2TRSC2+ui

+uo

源极输出器第11章运算放大器第11章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用11.4运算放大器在信号处理方面的应用11.5运算放大器在波形产生方面的应用11.6使用运算放大器应注意的几个问题第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类

集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟第11章运算放大器集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。11.1运算放大器的简单介绍11.1.1集成运放的组成输入级中间级输出级输入端输出端偏置电路输入级—差分放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成运算放大器的符号反相输入端uO+–+u–u+同相输入端信号传输方向输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数11.1.2主要参数1．最大输出电压UOPP2．开环电压Auo3．输入失调电压UIO4．输入失调电流IIO5．输入偏置电流IIB6．共模输入电压范围UICM11.1.3理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：1．开环电压放大倍数Auo

2．开环输入电阻rid

3．开环输出电阻ro

0

4．共模抑制比KCMR

由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。11.1.3理想运算放大器及其分析依据实际运放电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性。uOOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

若Auo=106

Uo(sat)=

15V则

UIM=

0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uOu++–+u–uO=Auo(u+

u

)理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分析依据uOOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

因为理想运放Auo

开环电压放大倍数

所以，当u+

>u

时，uO=+Uo(sat)u+<

u

uO=

Uo(sat)uou++–+u–uO=Auo(u+

u

)u+

=u

uO

发生跃变11.1.3理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性区的依据

相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短路”

。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。2．id

01．u+

u–运放开环输入电阻rid

id由于运放Auo

而uO

是有限值，故从式uO=Auo(u+

u

)，可知uOu++–+u–rid11.1.3理想运算放大器及其分析依据uO+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2．id

01．u+

u–由于运放工作在非线性区uO

Auo(u+

u

)rididuOOUo(sat)–Uo(sat)不再成立非线性区

非线性区

所以当u+

>u–

时，uO=+Uo(sat)u+

<u–

uO=

Uo(sat)依然成立u+

=u–

uO

发生跃变11.2放大电路中的负反馈凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。11.2.1反馈的基本概念如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。无负反馈放大电路方框图AxIxO11.2.1反馈的基本概念带有负反馈放大电路的方框图AxIxOFxF+–xD基本放大电路反馈电路比较环节xI—输入信号xO—输出信号xF

—反馈信号xD

—净输入信号净输入信号xD=xI

xF反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈。反馈信号使净输入信号增大，则为正反馈。11.2.2负反馈与正反馈的判别瞬时极性法是判别正、负反馈的基本方法：设接地参考点的电位为零。某点在某瞬时的电位高于零电位者，则其瞬时极性为正(用“＋”表示)；反之为负(用“－”表示)。○○11.2.3负反馈的类型AF+–xIxOxFxD根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。在输出端反馈量取自输出电压为电压反馈，取自输出电流为电流反馈；在输入端反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。负反馈的类型有：电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。11.2.3负反馈的类型ui+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–

设某一瞬时uI

为正，则此时uO也为正，同时反馈电压uF

也为正。净输入信号ud=ui

uf小于输入信号，即uF

的存在使净输入信号减小，所以为负反馈。反馈电压取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。

uF

与uI

在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。判别图示电路的反馈类型1．串联电压负反馈首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。1．串联电压负反馈AF+–uFuDuIuO

串联电压负反馈方框图uI+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–

反馈电压uOR1R2RF+–uI+–+–+RL

iIiDiF-设某一瞬时uO

为正，则此时uO

为负，各电流实际方向如图所示。净输入电流iD=iI

iF小于输入电流，即iF

的存在使净输入电流减小，所以为负反馈。反馈电流取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。

iF

与iI

在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联反馈。判别图示电路的反馈类型

2．并联电压负反馈首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。2．并联电压负反馈AF+–uIuOiFiDiI

并联电压负反馈方框图uOR1R2RF+–uI+–+–+RLiDiF

iI-反馈电流

iD=iI

iF

为负反馈；反馈电压uF=RiO

与输出电流成比，故为电流反馈；判别图示电路的反馈类型

3．串联电流负反馈AF+–uFuDuIiO串联电流负反馈方框图

uF

与uI

在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。R2uOR+–+–+RLuD+–

uF+–iOuI+–图中iD=iI

iF判别图示电路的反馈类型

4．并联电流负反馈并联电流负反馈方框图AF+–uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+–+–+RL

iOR1iIiDR2-如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻靠近“地”端引出的，是电流反馈；(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；(3)反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。(也可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。)

[例1]

判别图示电路从A2

输出端引入A1

输入端的反馈类型。uOuI+–+–+

uO1uD+–+–+RL

RuF+–A1A2[解]

反馈电路从A2

的输出端引出，故为电压反馈；反馈电压uF

和uI

输入电压分别加在的同相和反相两个输入端，故为串联反馈；设为uI

正，则uO1

为负，uO

为正。反馈电压uF

使净输入电压uD=uI–uF

减小，故为负反馈；串联电压负反馈。uOuI+–+

RuO1iI+–+RL

-A1A2iDiF

a[例2]

判别图示电路从A2

输出端引入A1

输入端的反馈类型。[解]

反馈电路从RL

靠近“地”端引出，为电流反馈；反馈电流iF

和iI

输入电流加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；设为uI

正，则uO1

为正，uO

为负。反馈电流实际方向如图所示，净输入电流iD=iI–iF

减小，故为负反馈；并联电流负反馈。11.2.4负反馈对放大电路工作的影响1．提高放大电路的稳定性AF+–xIxDxOxF开环放大倍数反馈系数引入负反馈后净输入信号xD=xI

xF引入负反馈后闭环放大倍数对上式求导可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。uF负反馈改善了波形失真2．改善非线性失真加入负反馈无负反馈FufAuuIuO+–uDuO大小略大略小略小略大uIAu接近正弦波3．对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri

和ro

的影响串联电压串联电流并联电压并联电流riro减低增高增