《模拟电子技术基础(同济版)》教学教案98

PAGEPAGE981.半导体二极管及其电路分析【重点】半导体特性、杂质半导体、PN结及其单向导电特性。【难点】PN结形成及其单向导电特性。1.1半导体的基本知识1.1.1半导体的基本知识（1）导电能力对温度的反应非常灵敏。（2）导电能力受光照非常敏感。（3）在纯净的半导体中掺入微量的杂质（指其他元素），它的导电能力会大大增强。1.1.2本征半导体纯净的半导体称为本征半导体，常用的本征半导体是硅和锗二晶体。半导体有两种载流子，自由电子和空穴，如果从本征半导体引出两个电极并接上电源，此时带负电的自由电子指向电源正极作定向运动，形成电子电流，带正电的空穴将向电源负极作定向运动，形成空穴电流，而在外电路中的电流为电子电流和空穴电流之和。1.1.3杂质半导体1.N型半导体在硅晶体中掺入微量5价元素，如磷（或者砷、锑等），如图所示。这种半导体导电主要靠电子，所以称为电子型半导体，简称N型半导本。在N型半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴＋5＋4＋4＋5＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4硅中掺磷形成N型半导体磷原子硅原子自由电子＋3＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4硅中掺硼形成P型半导体硼原子硅原子空穴2.P型半导体如果在硅晶体中，掺入少量的3价元素硼（铟、钾等），如图1-5所示。这种半导体的导电主要靠空穴，因此称为空穴型半导体，有称P型半导体。P型半导体的空穴是多数载流子，电子是少数载流子。结论：N型半导体、P型半导体中的多子都是掺入杂质而造成的，尽管杂质含量很微，但它们对半导体的导电能力却有很大影响。而它们的少数载流子是热运动产生的，尽管数量很少，但对温度非常敏感，对半导体的性能有很大影响。1.1.4－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋耗尽层空间电荷区P区N区内电场正离子负离子空穴电子PN结载流子的运动结论：在无外电场或其它因素激发时，PN结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区是恒定的。另外，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，好像耗尽了一样，因此，空间电荷区又叫做耗尽层。2.PN结单向导电性（1）正向特性当PN结外加正向电压（简称正偏），电源正极接P，负极接N，PN结处于导通状态，导电时电阻很小。（2）反向特性当外加反向电压（简称反偏），电源正极接N，负极接P，PN结处于截止状态结论：PN结正偏时电路中有较大电流流过，呈现低电阻，PN结导通；PN结反偏时电路中电流很小，呈现高电阻，PN结截止，可见PN结具有单向导电性。URUR耗尽层PN内电场外加反向电压外电场E－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－R－－－＋＋＋耗尽层P区N区内电场外加正向电压外电场EI【重点】二极管伏安特性、二极管主要参数。【难点】二极管伏安特性。1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构PN结两端加上引线，再用外壳封装起来，就构成了半导体二极管。按制造材料不同有硅二极管和锗二极管。按用途不同有整流二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。按功率大小有小功率管、中功率管和大功率管。按结构不同有点接触型、面接触型和平面型。1.2.2二极管的二极管的性能可以用伏安特性表示，它是指二极管两端电压u和流过管子的电流i之间的关系。二极管的伏安特性如图所示。死区电压死区电压:硅管0.5V，锗管0.1V。二极管的伏安特性二极管的伏安特性10硅管I/mAU/V0UBR4230201020IS反向特性正向特性死区电压－I/μA0.51.01.5①③②10锗管I/mAU/V0UBR4230201020IS反向特性正向特性死区电压－I/μA0.51.01.5①③②反向饱和电流。反向饱和电流。导通压降:导通压降:硅管0.6-0.8V，锗管0.2-0.4V。反向击穿电压。1.2.3随着温度的升高，二极管的正向导通压降会减小，通常温度每升高1℃时，二极管的正向导通压降将减小2mV左右；二极管的反向饱和电流随着温度升高急剧增大，通常半导体的温度每升高10℃，其反向电流约增加一倍；二极管的反向击穿电压也会随温度升高有所降低。1.2.41.最大整流电流IF二极管长期使用时允许流过的最大正向平均电流。2.最大反向工作电压UR二极管使用时允许承受的最大反向电压。3.最大反向电流IR二极管加最大反向工作电压时的反向电流。4.最高工作频率M1.2.51.型号选择2.种类选择3.参数选择4.使用常识【重点】二极管模型、二极管典型电路分析。【难点】二极管导通、截止判断。1.3二极管应用电路分析1.3.1.理想模型在正向偏置时，二极管导通，其导通压降为零，相当于开关的闭合；当反向偏置时，二极管截止，电流为零，阻抗为无穷大，相当于开关的断开。2.恒压降模型二极管在正向导通时，其导通压降为恒定值，且不随电流而变化。对于硅二极管，导通压降为0.7V，锗二极管的导通压降为0.3V。只有当二极管的电流接近或大于1mA时，才可以使用恒压降模型。3.交流小信号模型用交流电阻等效表示，rd=。导通、截止分析1.3.导通、截止分析U2kΩU2kΩR5V10VVDI＋－二极管承受正向电压，导通。二极管采用理想模型分析，则二极管采用恒压降模型分析，二极管的正向导通压降取0.7V，则2.检波电路利用二极管单向导电性将叠加在高频载波上的低频信号或音频信号检出来。a.电路图a.电路图uoRLCVDI＋－＋二极管检波电路及其波形b.载波信号c.载波信号负半周削去ttd.低频信号3.限幅电路利用二极管恒定的导通压降对输入信号进行限幅。【例】如图所示，UREF=2V，画出相应的输出电压波形。解二极管采用理想模型分析。如果输入信号ui大于UREF=2V，二极管承受正向电压，导通。此时输出uo=UREF=2V。如果输入信号ui小于UREF=2V，二极管承受反向电压，截止。此时输出uo=ui。如图中实线。uoRUREFVD＋－ui＋－a.电路b.波形ui/Vt025uo/Vt025二极管采用恒压降模型分析（二极管的正向导通压降为0.7V）。如果输入信号ui大于UREF+0.7V=2.7V，二极管承受正向电压，导通。此时输出uo=UuoRUREFVD＋－ui＋－a.电路b.波形ui/Vt025uo/Vt025分析分析VD1VD2VD1VD2uA1kΩ逻辑运算电路5VuBuo如图uA、uB两个输入信号均为3V(高电平)，输出为3V(高电平)，uA、uB两个输入信号有一个为0V（低电平），输出为0V（低电平），实现了与逻辑功能。观测测试：普通二极管识别与检测观测1.观测符号标记实际测试实际测试指针万用表检测：万用表处于电阻挡时，红表笔为表内电源的负极，黑表笔为表内电源的正极。用万用表测量二极管的正、反两次电阻，两次测量中电阻小的那次，黑表笔接的是二极管阳极，红表笔接的是二极管阴极。两次电阻值相差越大，说明二极管单相导电性越好，两次电阻值均为无穷大，说明二极管内部断路，两次电阻值均为0，说明二极管内部短路。若两次阻值相差不大，说明管子性能差，为劣质管。若正向电阻为几千欧，则为硅管，若正向电阻为几百欧，则为锗管。在测试小功率二极管时一般使用欧姆挡R×100或R×1K挡，以免损坏管子。数字万用表检测：数字万用表红表笔为表内电源的正极，黑表笔为表内电源的负极。将数字万用表置电阻挡，两表笔接二极管两引脚，正、反两次读显示值，若两次数值都显示1.，说明二极管内部断路，若两次都显示0.000，则二极管内部短路。若在工作电路中，将数字万用表置二极管挡，测量二极管压降，显示0.2～0.7V是二极管正向压降，此时与红表笔相连的是二极管的阳极；若显示数值0.2V左右，为锗管，显示数值0.5～0.7V，为硅管。【重点】发光二极管、稳压管工作原理。【难点】特殊二极管的应用。1.4特殊二极管1.4.1稳压二极管是用特殊工艺制造的面结触型硅二极管。22i/mAu/V0515302010△UZ0.40.8468122010IZ△IZIZmaxABa.伏安特性曲线阳极阴极b.符号VDZ101.稳定电压UZ稳定电压（击穿电压）是稳压管在正常工作下管子的两端电压，它是选择稳压管的主要依据。2.稳定电流IZ稳定电流是指稳压管正常工作时的最小电流值。3.动态电阻动态电阻是指稳压管在正常工作时，电压变化量与电流变化量之比。愈小，稳压作用愈好。4.最大允许耗散功率PZM它是指稳压管工作时所允许的最大耗散功率。它等于最大稳定电流与相应的稳定电压乘积，即PZM=IZMUZ。5.电压温度系数au它是说明稳定电压值随温度影响的参数。1.41.发光二极管的分类发光二极管由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。发光二极管按发光颜色分有红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、白色，另外有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散色剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分为有色透明、无色透明、有色散色和无色散色四种类型。发光二极管按出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管等。按发光二极管的结构分有全环氧封装、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装和玻璃封装等结构。按发光强度和工作电流分普通亮度、高亮度和超高亮度。2.发光二极管的工作电压发光二极管的工作电压随制造材料不同也不同。普通红、绿、黄、橙发光二极工作电压约为2V，白色发光管的工作电压通常高于2.4V，蓝色发光管的工作电压通常高于3.3V，发光二极管的工作电流一般为2～25mA。1.4光电二极管又称光敏二极管，在反向电压作用下工作。光电二极管的管壳上有一个玻璃透镜，以便接受光照。在没有光照时，光电二极管的反向电流很小，当有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，反向电流大小随光照强度的变化而变化，与光照强度成正比。1.4变容二极管利用PN结的电容效应进行工作，结电容的大小与外加电压大小有关，反向电压增大，结电容减小，反向电压减小，结电容变大。测试：特殊二极管的检测1.稳压二极管的检测从外形上看，金属封装稳压二极管的正极为平面形，负极一端为半圆面形；塑封稳压二极管上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。用指针式万用表判别稳压二极管极性与普通二极管相同，即用万用表R×1k挡，正反两次测量稳压二极管的电阻，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。2.普通发光二极管的检测（1）阳极、阴极的判别一般引脚引线较长者为阳极，较短者为阴极。如管帽上有凸起标志，靠近凸起标志的引脚为阴极。（2）阳极、阴极及性能的检测万用表检测：利用具有×10k挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的阳极、阴极及性能好坏。正常时，二极管正向电阻为几十至200kΩ，反向电阻值为∞。因此通过测量正反两次电阻就可以判断阳极和阴极。若测得正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则发光二极管损坏。这种检测方法，不能实质地看到发光二极管的发光情况，因为×10k挡不能提供较大正向电流。外接电源测量：用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。按图所示电路连接，如果测得发光二极管电压在1.4～3V之间，且发光亮度正常，说明发光二极管发光正常。如果测得发光二极管电压为0或3V，且不发光，说明发光二极管已坏。外接电源测试发光二极管＋－RU外接电源测试发光二极管＋－RUVD3V用万用表R×1k挡，正常的光电二极管正向电阻约10kΩ左右，无光照情况下，反向电阻为∞；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，若测得反向电阻为0或为∞，则光电二极管已坏。2.交流放大电路基础【重点】三极管结构、三极管的截止、放大、饱和三种工作状态及三极管参数。【难点】三极管的截止、放大、饱和状态判断。2.1半导体三极管2.1.1三极管结构晶体三极管结构示意图及图形符号晶体三极管结构示意图及图形符号发射结集电结集电区PP发射区基区N发射极集电极基极BCEa.PNPBCE发射结集电结集电区NN发射区基区P发射极集电极基极BCEb.NPNBCE结构特点：发射区掺杂浓度最高。基区很薄，基区掺杂浓度最低。集电区面积大，掺杂浓度比基区高，比发射区低。PNP和NPN三极管的工作原理相似。使用时，电源连接极性不同。2.1.2三极管的电流放大作用发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE。发射区向基区发射电子，形成发射极电流IE。放大的外部条件是发射结要正向偏置，集电结要反向偏置。NPN：VC＞VB＞VE。电子在基区扩散和复合，形成电流IB。PNP：VE＞VB＞电子在基区扩散和复合，形成电流IB。2.三极管内部多数载流子运动的过程电子被集电结收集，形成IC。电子被集电结收集，形成IC。IE=IB+IC，且IC>>IB这就是晶体管的电流放大作用。直流电流放大系数=。2.1.3三极管的特性曲线1.输入特性IB=ƒ（UBE）2.输出特性IC=ƒ（UCE）晶体管输出特性曲线I晶体管输出特性曲线IC/mAUCE/V0IB=0放大区51010520（μA）408060100120140饱和区截止区放大区：发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管工作于放大状态，集电极电流受基极电流的控制，满足放大区：发射结正向偏置，集电结反向偏置，三极管工作于放大状态，集电极电流受基极电流的控制，满足IC=βIB，三极管具有很强的电流放大作用。饱和区：集电结，发射结均处于正向偏置。靠近纵轴的附近，各条输出特性曲线的上升部分属于三极管的饱和区。此时三极管失去电流放大作用。截止区：发射截止区：发射结和集电结均为反偏。一般将IB≤0的区域称为截止区。【例】在放大电路中，三极管各管脚对地电位为VA=7V，VB=3V，VC=3.7V，试分析A、B、C各是三极管什么电极，该管是什么类型，硅管还是锗管？解因为三极管工作在放大状态，且VA＞VC＞VB，则C是三极管基极；根据三极管发射结正偏，导通的特点，导通压降为0.7V，则B是三极管发射极，A是三极管集电极；该管是NPN型硅管。2.1.4三极管的主要参数1.电流放大系数（1）共发射极电流放大系数。≈β。（2）共基极电流放大系数。=。2.极间反向电流（1）集电极和基极之间的反向饱和电流ICBO。发射极开路。（2）集电极和发射极之间的穿透电流ICEO。基极开路。ICEO=(1+β)ICBO三极管的安全工作区IC三极管的安全工作区ICUCE0ICMU（BR）CEOPCM安全区（1）集电极最大允许电流ICM。（2）集电极最大允许耗散功率PCM。（3）极间反向击穿电压。【例】某三极管的极限参数ICM=25mA，PCM=200mW，（BR）CEO=20V，试分析下列条件下，三极管能否正常工作？（1）CE=3V，IC=20mA；（2）CE=15V，IC=15mA；（3）CE=6V，IC=30mA。解（1）CE=3V＜（BR）CEO，IC=20mA＜ICM，PC=CEIC=60mW＜PCM，所以可以正常工作。（2）CE=15V＜（BR）CEO，IC=15mA＜ICM，但PC=CEIC=225mW＞PCM，所以不能正常工作。（3）CE=6V＜（BR）CEO，PC=CEIC=10mW＜PCM，但IC=30mA＞ICM，所以不能正常工作。根据电路要求选择三极管类型。2.1.5三极管的选择和使用方法根据电路要求选择三极管类型。根据电路参数选择型号。1.三极管的选择根据电路参数选择型号。2.三极管的使用常识（1）加到三极管上电压的极性应正确。（2）三极管的替换。（3）三极管应避免靠近热元件，减小温度变化和保证管壳散热良好。功率放大管在耗散功率较大时，应加散热板；管脚引线不宜太短，太短不宜安装，而且在焊接时热量容易传到管内，有可能烫坏三极管。实际进行测试：三极管测试实际进行常见三极管引脚识别be常见三极管引脚识别bec标记9011ebc标记ebc3DG325eb外壳c2.三极管测试（1）判断三极管基极和管型。用万用表的电阻挡判断出基极和管型。例如测NPN型三极管，如图所示，当用黑表笔接基极时，用红表笔分别搭试集电极和发射极，测得阻值均较小；表笔位置对换后，测得电阻均较大。此时基极可判断出来。黑表笔接基极，红表笔接另两极时阻值均小为NPN管，阻值均大为PNP管。EECBPNNECB红表笔黑表笔三极管基极和管型判别三极管内部相当于两个背靠背PN结（2）判断集电极和发射极。根据三极管的电流放大作用进行判别。如图所示，当接上RB，有IC，如果黑、红表笔换接，则β小，IC小，此时C、E间电阻较大，因此可以判别出集电极和发射极极。NPN管有IC时与黑表笔相接的是集电极，PNP管有IC时与红表笔相接的是集电极。ICCIB黑表笔100kICCIB黑表笔100k红表笔ECB判别集电极和发射极ICEO要求越小越好。此时基极应开路。4.用万用表电流放大系数挡测试(hfe挡)将万用表调至hfe挡，把三极管插入对应的电极插孔，即可读出β值。【重点】共射基本放大电路的组成原则、直流通路与交流通路。【难点】分析放大电路、画交流通路。2.2共射基本放大电路组成2.2.1共射基本放大电路的组成原则基本共射放大电路C2＋基本共射放大电路C2＋C1＋RCRBVT＋－＋VCCuiuo＋－BEC保证晶体管发射结正向偏置，集电结反向偏置。2.有信号输入和输出回路元件的安排必须能够保证输入信号从放大电路的输入端加到晶体管上，信号经过放大后又能从输出端输出。3.元件参数合适元件参数的选择要保证信号不失真的放大，并满足电路性能指标的要求。2.2.2共射基本放大电路各元件作用调整RB的阻值，可改变偏流的大小，以控制三极管的工作状态。直流电源VCC、集电极负载电阻RC、基极偏置电阻RB、电容C1、C2的作用、调整RB的阻值，可改变偏流的大小，以控制三极管的工作状态。保证集电结反向偏置；另一方面把集电极电流保证集电结反向偏置；另一方面把集电极电流IC的变化转为集电极电压的变化。CC2＋C1＋RCRBVT＋－＋VCCuiuo＋－BEC输入耦合电容和输出耦合电容，隔断直流，输入交流信号可以通过输入耦合电容和输出耦合电容，隔断直流，输入交流信号可以通过C1加到三极管基极和发射极之间，输出交流信号可以通过C2从输出端输出。电流放大作用。电流放大作用。2.2.3直流通路与交流通路1.直流通路由于VCC的存在，所以在没有外加信号i时，三极管的基极和集电极都有固定或稳定的直流电流和直流电压，用IB、BE、IC、CE表示。因为它们是不变的，故称放大电路为静态。IB、BE、IC、CE称为放大电路的静态工作点。分析放大电路的静态工作点，要分析直流信号流通的路径，即直流通路。画直流通路时，电容视为开路。2.交流通路RCRBii＋－uiicRCRBii＋－uiicibie＋－＋－uceuo＋－ube共射基本放大电路交流通路共射共射基本放大电路直流通路ICRCRB＋VCC＋－＋－IBUCEUBE【重点】放大电路的静态及动态分析、静态工作点对波形失真的影响、电路参数对静态工作点的影响。【难点】放大电路的图解法。ICRCICRCRB＋VCC＋－＋－IBUCEUBE2.3.1静态分析1.用估算法确定静态值IB=IC≈βIBCE=VCC－ICRC直流通路2.用图解法确定静态值直流通路（1）直流负载线。（2）静态工作点。【例】共射基本放大电路中，电源VCC=12V，RB=100kΩ，RC=2kΩ，三极管β=100，饱和压降CES=0.3V，估算其静态工作点。解对于硅管，取UBE=0.7V，因此IB＝＝=113A假设三极管工作在放大状态，有IC≈βIB=11.3mACE=VCC－ICRC=12-2×11.3=-10.6VCE值不合理，可见假设错误。此时三极管处于饱和状态。此时集电极电流为IC＝＝=5.65mA静态工作点为：IB＝113A、IC=5.65mA、CE=0.3V三极管处于饱和状态时，不能根据IC≈βIB进行计算。三极管处于饱和状态还是放大状态可根据IB及IBS（IBS=、ICS＝）的大小进行判断。若IB＞IBS，三极管处于饱和状态；IB≤IBS，三极管处于放大状态。2.3.2动态分析1.通过输入特性曲线确定b2.通过输出特性曲线确定c、ce电压放大倍数Au交流放大电路有输入信号时的图解分析交流放大电路有输入信号时的图解分析QiC/mAIB=10μAuCE/V6050403020120123456936Q1NM8Q24ibIcmictiB/μAuBE/V1.00102030405060uiuim=20mVIbmibtUcemucet2.3.3静态工作点对波形失真的影响1.截止失真2.饱和失真输入信号幅度过大，工作点合适也能造成失真。放大电路的非线性失真QiC/mAuCE/V0Q3NMQ1ib2饱和失真ic2t截止失真ic1tuce1tQ2N＇tuce2ib1增加VCC增加VCC，则负载线将平行向右移。截止失真饱和失真减小RC，使直流负载线斜率增加，工作点在直流负载线上沿输出特性曲线右移。2.3.4RB减小RC，使直流负载线斜率增加，工作点在直流负载线上沿输出特性曲线右移。增加增加RB，偏流IB减小，工作点将沿着直流负载线下移。测试：常用电子测量仪器的使用1.仪器线路连接接线时要求各仪器的接地端子连接在一起，并与实验室的接地系统保持良好的接触。测量静态信号测量静态信号实验仪器间的相互关系直流稳压电源信号发生器示波器被测试验电路电子毫伏表供电输入实验信号观察输出波形测量动态信号万用表信号发生器、示波器、毫伏表关系信号发生器、示波器、毫伏表关系2.低频信号发生器、交流毫伏表、示波器的使用示波器、低频信号发生器、交流毫伏表三者关系如图所示。低频信号发生器、交流毫伏表、示波器根据实际型号使用。3.测试练习（1）熟悉示波器及信号发生器各旋钮的作用及名称。（2）将示波器通电预热1～2分钟，调节有关旋钮，使荧光屏上显示出一条清晰的扫描线，然后熟悉各旋钮的作用。（3）启动低频信号发生器，调节有关旋钮，使输出电压及频率发生变化，输出电压为0.5～1V，输出频率f=1kHz，然后用示波器输入这一正弦信号，观察电压波形，调节示波器使波形稳定清晰。（4）按表要求，反复调节低频信号发生器的频率，用示波器观察波形，并将低频信号发生器的输出电压调至最大并保持不变，用毫伏表测量不同频率时的输出电压值。输出频率测量信号频率(Hz)1050102103104104×30104×50毫伏表测量值(V)（5）测试低频信号发生器在不同输出衰减档时的输出电压。输出电压衰减档的测量输出衰减档dB值0dB20dB40dB电压表满偏（5V）时实际输出电压值5V0.5V0.05V毫伏表测量值(V)【重点】放大电路的微变等效电路分析法。【难点】放大电路的微变等效电路分析法。三极管输入特性曲线及微变等效电路三极管输入特性曲线及微变等效电路IBUBE0Q△UBE△IBUCE=常数IBibBubeErbe＋－b.三极管B—E间等效电路a.从输入特性曲线求rbe2.4.1三极管微变等效电路分析1.三极管输入回路等效电路分析be≈300＋（1＋）2.晶体管输出回路等效电路分析三极管输出特性曲线及微变等效电路I三极管输出特性曲线及微变等效电路ICUCE0Q△ICUCEIC△IB△IC△UCEβibicCErceuce＋－a.输出特性曲线b.输出回路微变等效电路三极管三极管微变等效电路βibibEicCubeBrceucerbe三极管微变等效电路三极管微变等效电路2.4.2微变等效电路分析法1.画出微变等效电路2.电压放大倍数的计算3.放大电路的输入电阻和输出电阻计算交流放大电路交流放大电路C2＋C1β=50＋RCRBRL＋VCCVT＋－＋－12V300kΩ3kΩ3kΩ1kΩRS＋－E＋－CBβRCrbe＋－RSRBRL＋－＋－RiRoRSRBRLRC＋－uSuouSuouic.微变等效电路a.放大电路b.交流通路USUiUoIiIcIbIb放大电路放大电路微变等效电路微变等效电路Ri==Ro≈RC【重点】分压式偏置电路静态与动态分析。【难点】分压式偏置电路静态与动态分析、放大电路测试。2.5静态工作点的稳定问题温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响Q1Q250IBUBE025ICUCE0Q1Q25025ICEOICUCE0Q1Q25025a.UBE变化的影响b.ICEO变化的影响c.β变化的影响C2＋C1＋＋CERCC2＋C1＋＋CERCRB1RERB2RL＋VCCI1I2IBVBUEVT＋－＋－1.分压式偏置电路组成2.稳定静态工作点的两个条件I1>>IBVB>>BE2.5.2分压式偏置电路静态与动态分析电路的直流通路RCR电路的直流通路RCRB2RERB1＋VCCVT分压式偏置电路VB≈分压式偏置电路IC≈IE=分压式偏置电路的直流通路IB≈分压式偏置电路的直流通路2.微变等效电路分析动态电路电路的微变等效电路βRCrbe＋－RSRB2RL＋－＋－USUiUoIiIcIbIbRB1=∥Ro=RC【例】求分压式偏置放大电路的静态工作点及放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻。已知：ＶCC=12V，β=50，RB1=25kΩ，RB2=15kΩ，RC=2kΩ，RE=2.2kΩ，RL=2kΩ，UBE=0.7V。解基极电位VB≈≈=4.5V发射极电流IE===1.73mA集电极电流IC≈IE=1.73mA基极电流IB=0.035mA集电极与发射极电压CE≈VCC－IC（RC+RE）≈12－1.73×（2+2.2）=4.73V三极管交流输入电阻be=300＋（1＋）≈1.07kΩ电压放大倍数=∥放大电路的输入电阻Ri=1kΩ输出电阻Ro=RC=2kΩC2＋C1＋RCRB2RERB1RL＋VCCVT＋－＋－uiuo【例】如图所示放大电路，已知：ＶCC=12V，β=60，RB1=20kΩ，RC2＋C1＋RCRB2RERB1RL＋VCCVT＋－＋－uiuo解基极电位VB≈≈=4V发射极电流电路的微变等效电路βRCrbe＋－R电路的微变等效电路βRCrbe＋－RSRB2RL＋－＋－USUiUoIiIcIbIbRB1RE集电极电流IC≈IE=1.65mA基极电流IB=0.028mA集电极与发射极电压CE≈VCC－IC（RC+RE）≈12－1.65×（3+1）=5.4V微变等效电路如图所示。三极管交流输入电阻be=300＋（1＋）≈1.26kΩ电压放大倍数=∥放大电路的输入电阻Ri=6kΩ输出电阻Ro=RC=2kΩ可见无CE（旁路电容），放大电路放大倍数降低，这是因为引入了交流负反馈。测试：放大电路测试1.连接放大电路RB2RB220kΩC210μFRL5.1kΩ＋VCC12VRP100kΩCE47μFRE1.5kΩRB20kΩ放大电路测试电路＋＋＋VT＋－＋－uiuoC110μFRC5.1kΩ（2）连接电路，将RL开路，检查电路无误后接通电源。（3）调函数信号发生器，产生一个10mV、103Hz的正弦信号，作为ui送到放大电路的输入端。2.静态调试（1）接入电源后，用示波器观察输出波形，调整可变电阻Rp，使波形幅度最大、且不失真。（调好后Rp不可随意调节）（2）撤下ui，用万用表直流电压挡测量三极管UB、UC、UBE、UCE值，记入表中。（3）断开RP上端及RB下端接线，测量基极偏置电阻RB1=RP+RB值。记入表中。测量值计算值UC(V)UB(V)UBE(V)UCE(V)RB1(k)IB(mA)IC(mA)UCE(V)3.测量电压放大倍数接入ui信号，用示波器观察uo波形，在uo不失真情况下，用毫伏表测量输出电压大小，计算放大倍数。然后按表改变RL、RC，用毫伏表再测量输出电压大小，计算放大倍数。并观察记录uo与ui波形。放大电路动态测试表动态测量Ui(V)Uo(V)Au输出波形RL=∞RC=5.1kΩRL=∞RC=2kΩRL=5.1kΩRC=5.1kΩ4.观察静态工作点对输出波形失真的影响接通电路，使RC=5.1kΩ，RL=5.1kΩ，输入10mV、103Hz的正弦信号。调节RP（左旋）直至输出uo出现失真为止。用万用表直流电压挡测量UCE，判断失真类型。调节RP（右旋）直至输出uo出现失真为止。用万用表直流电压挡测量UCE，判断失真类型。并用示波器观察输出波形。【重点】共集电极放大电路静态及动态分析、共集电极放大电路特点。【难点】共集电极放大电路动态分析。2.6射极输出器2.6.1共集电极放大电路图2-31a所示为共集电极放大电路（射极输出器）的电路，负载电阻RL（经过耦合电容C2）接在三极管的发射极上，输出电压uo从三极管的发射极输出，所以称为射极输出器。2.6.2静态及动态分析1.静态分析共集电极放大电路C2＋C1＋RBVT＋－＋－＋VCCusuoRERLa.电路图b.直流通路RBVT＋V共集电极放大电路C2＋C1＋RBVT＋－＋－＋VCCusuoRERLa.电路图b.直流通路RBVT＋VCCRE共集电极电路共集电极电路共集电极电路的微变等效电路rbe＋共集电极电路的微变等效电路rbe＋－RSRBRL＋－＋－RiRi＇REβUSUiUoIiIcIbIb微变等效电路RE∥RL微变等效电路因为β>>1，所以≈＜1。=RB∥=RB∥Ro≈射极输出器的电压放大倍数小于1、接近1，输出电压与输入电压相位相同。射极输出器对电压没有放大作用，但对输入的电流信号仍有放大作用。输入电阻比较大，输出电阻较小。计算共集电极输出电阻电路βrbeRSRB＋－REUIbIbIIRE外加电源法外加电源法RS1kΩRS1kΩRB215kΩC210μF＋VCC12VRP100kΩRE1.5kΩRB20kΩ射极输出器测试电路＋＋VT＋－＋－uiuoC110μFuSRL220Ω1.测量电压放大倍数、输出电阻（1）按图选择元件，并检测元件。（2）按图接线，并检查电路无误后接通12V直流电源。（3）调节低频信号发生器产生一个1kHz、500mV大小的正弦信号，接在电路输入端(ui)，用示波器观测输出端输出波形，在输出波形不失真情况下，测量输出和输入电压（接RL时的电压为Uo、不接RL时的电压为Uo＇），记入表中。计算接RL和不接RL时的电压放大倍数及输出电阻Ro（Ro=RL）。电压放大倍数及输出电阻测试表Ui(V)Uo(V)Uo＇(V)AuAu＇Ro500mV2.测量输入电阻在电路输入端（uS）接入一个大小、频率不变的信号（如f=1kHz、500mV），用示波器观测输出端输出波形，在输出波形不失真情况下，测量输出和输入电压，将测得数据记入表中。计算输入电阻（Ri=）。输入电阻测试表US(V)Ui(V)Uo(V)Ri500mV【重点】共基极放大电路静态及动态分析、电路特点。【难点】基极放大电路动态分析。2.7共基极放大电路2.7.1电路组成发射极是输入端，集电极是输出端，而基极是输入、输出回路的公共端。共基极放大电路共基极放大电路＋VCCC2＋C1RCRB1VT＋－Cb＋uo＋RSRERLRB2ui＋－＋－usRSRERL＋－RC＋－＋－b.交流通路a.电路图uiusiiieicibuo2.7.2共基极放大电路静态、动态分析电路的直流通路RCR电路的直流通路RCRB2RERB1＋VCCVT基极电位为VB≈集电极电流微变等效电路IC≈IE=微变等效电路基极电流共基极放大电路微变等效电路βRir共基极放大电路微变等效电路βRirebRSRBRL＋－RC＋－＋－rbeUSUiUoIiIcIeIbIb集电极与发射极电压CE=VCC－IC（RC+RE）2.动态分析计算共基极放大电路微变等效电路如图所示。=RL∥RC。输出电压和输入电压同相。Ri=RE∥eb=be∥Ro=RC共基极电路输入电阻很小，一般为几十欧。2.7.3三种基本组态比较三种放大电路比较电路共射电路共集电路共基电路电压放大倍数大(几十到几百)小(小于1)大(几十到几百)电流放大倍数大(约为β)大(约为1+β)小(约为)输入电阻RiRi=RB∥be中(几百Ω到几kΩ)Ri=RB∥[be+(1+β)RLˊ]大(数kΩ)Ri=RB∥小(几Ω到几十Ω)输出电阻RORo≈RC中（几千欧～几十千欧）Ro=RE∥[(be+)/(1+β)]小（几欧～几十欧）Ro=RC大（几百千欧）频率特性差好好主要特性电压放大倍数大，用途最广的常用电路。用于阻抗变换及隔离级，功率输出级。用于高频电路作宽频带放大电路。【重点】多级放大电路的耦合方式、多级放大电路的静态及动态分析。【难点】多级放大电路的动态分析及测试。2.8多级放大电路2.8.1多级放大电路的耦合方式信号源第一级信号源第一级第二级第n级负载输入级功放级前置级多级放大电路的组成RE1C2＋C1＋RE1C2＋C1＋CE1RC1RB12RB11VT1典型两级阻容耦合放大电路C3＋＋CE2RC2RB22RE2RB21RL＋VCCVT2＋＋－＋－uiuo两级阻容耦合放大电路两级阻容耦合放大电路两级阻容耦合放大电路两级阻容耦合放大电路的微变等效电路b.b.前级电路微变等效电路RC2rbe2RB22RLRC1rbe1RB12RB21RB11第二级第一级RC1rbe1RB12Ri2RB11RC2rbe2RB22RLRB21＋－＋－＋－＋－＋－＋－β1Ib1UiUo2β2Ib2β1Ib1β2Ib2Ib1Ib2Uo2Uo1Ui1Ui2a.微变等效电路两级交流放大电路的分析c.后级电路微变等效电路由此得第一级电路的交流总负载为第一级电压放大倍数第二级电压放大倍数由此可得两级总电压放大倍数为或上式表明两级的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。n级放大电路的电压放大倍数2.8.3频率特性a.幅频特性a.幅频特性b.相频特性频率特性f0fLfHuo通频带f45oφ0o－90o－270o－180o45ou0.707uo相移与频率之间的关系称为相频特性，统称频率特性或频率响应。低频区在放大倍数下降到0.707时的频率为下限频率。高频区放大倍数下降到0.707时的频率为上限频率。上限与下限频率之间的频率范围称为通频带。测试：多级放大电路测试1.静态工作点测量（1）按图选择元件，检测元件。（2）按图接线，检查电路无误后接通12V直流电源。（3）调信号发生器，产生一个频率1kHz、10mV正弦信号，将该信号送到放大电路输入端（ui）。用示波器监视输出波形uo，使uo不失真（调RP1和RP2）。撤下输入信号，用万用表直流电压挡测量第一级和第二级的静态工作点，记录在表中。2.动态测量调节低频信号发生器产生一个1kHz、10mV的正弦信号，接在电路输入端，输出端用示波器观测输出波形，在输出波形不失真情况下，测量Uo1、Ui2、Uo。将测得数据记入表中。然后将级间断开，测量Uo1。（此时Uo1与级间未断开时Uo1有区别）uuo1=ui2阻容耦合两级放大电路测试电路R33kRP2100kC410μC210μFC110μFR8510R615kR73kR112k+VCC=12VuiS1uoC310μFR4510R22kR5100kRP147k静态测量动态测量第一级第二级第一级第二级AuUC1UB1UBE1UC2UB2UBE2UiUo1Au1Ui2Uo2Au23.测量频率特性（1）将放大器负载断开，将输入信号频率调到1kHz，保持输入信号电压幅度不变(10mV)，用示波器观察波形，晶体毫伏表监测输出电压。（2）增大输入信号频率，使输出电压降为原来的0.707倍，若输出信号不失真，此时输入信号频率为上限频率。（3）减小输入信号频率，使输出电压降为原来的0.707倍，若输出信号不失真，此时输入信号频率为下限频率。通频带=fH-fL。3.场效应管及其放大电路【重点】导电沟道概念、场效应管的外特性及使用。【难点】场效应管的外特性。3.1绝缘栅型场效应管（MOS管）3.1.场效应管是利用电场效应控制载流子运动的电压控制器件，1.N沟道MOS管的结构aa.增强型图3-1N沟道绝缘栅场效应管结构及符号SGDP型硅衬底N＋N＋DGSDGSSGDP型硅衬底N＋N＋b.耗尽型增强型和耗尽型的区别是，在栅源偏压为零时，增强型漏、源之间只是两个反向串联的PN结，没有导电沟道；而耗尽型利用扩散或感应的方法在漏源之间预先已做出沟道。2.N沟道增强型MOS管的工作原理开始形成反型层的GS称为开启电压，用GS（th）表示。这种MOS管是一个受栅极电压GS控制的器件，当GS＜GS（th）时，漏源之间不可能导通，ID=0，只有GS＞GS（th）时，随栅极电位的变化ID亦随之变化，这就是N沟道增强型MOS管的栅极控制作用。3.N沟道增强型MOS管的特性曲线（1）输出特性。增强型场效应管的输出特性是指GS为常数时ID随DS变化的特性，输出特性曲线可以分成三个区。夹断区：GS＜GS（th），ID≈0，即曲线中GS=GS（th）以下的区域。可变电阻区：GS≥GS（th），DS较小。在图中即靠近纵坐标轴的区域。该区域ID与DS近似线性关系，这时D、S之间可以看成是一个由GS控制的可变电阻。恒流区：GS＞GS（th）且DS较大，ID只受到GS控制，与DS无关，这时，D，S之间可以看成是受GS控制的电流源。管子工作在该区可用于放大。（2）转移特性。DS为常数时，漏极电流ID和栅源电压GS之间的关系曲线称为转移特性曲线。如图所示。可变可变电阻区夹断区恒流区ID/mAUGS/V0UDS=常数UGS(th)N沟道增强型MOS管的特性曲线无沟道有沟道b.转移特性曲线a.输出特性曲线UDS/VID/mA5V4V0UGS=2V3V2466422345ID=IDO4.N沟道耗尽型MOS管的工作原理及特性曲线当GS＞0时，沟道加宽，ID增大；GS＜0时，沟道变窄，ID减小；GS=GS（off）时（夹断电压），沟道消失，ID=0。在IDSS和GS（off）已知时，ID可用近似公式计算。N沟道耗尽型绝缘栅场效应管输出特性及转移特性a.输出特性UDS/VN沟道耗尽型绝缘栅场效应管输出特性及转移特性a.输出特性UDS/V10ID/mA2V1V3V－2V12024681012826414UGS=0ID/mAUGS/Vb.转移特性0246810UDS=10VIDSS－3－2－1UGS(off)不同类型的绝缘栅场效应管所加电压极性不一样。增强型PMOS管的开启电压GS（th）为负值；而耗尽型PMOS管的夹断电压GS（off）是正值。3.1.1.主要参数（1）开启电压GS（th）。增强型MOS管参数，指DS为某一固定值时，ID所需要的最小|GS|值。（2）夹断电压GS（off）。耗尽型管子的参数，指DS为一个固定值时，使ID等于某一微小的电流时，栅源极之间所加的电压|GS|值。（3）跨导gm。当DS为一固定值时，漏极电流的变化量ID与引起这个变化量的栅源电压变化量GS的比值为跨导。gm5-3FALSE该参数表征了栅压对漏极电流的控制能力，是反映管子放大性能的重要参数。（4）极限参数。场效应管的极限参数主要有最大漏极电流IDM、栅源击穿电压、漏源击穿电压和最大耗散功率PDM。2.场效应管使用注意事项（1）保存时将三个电极短接。（2）在使用时需在栅极加保护电路。（3）在焊接时，烙铁要有良好接地，最好用电烙铁余热焊接。（4）MOS管通常漏极与源极互换使用，但有些产品源极与衬底已连在一起，这时漏极与源极不能对调。【重点】结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线。【难点】结型场效应管的工作原理。3.2结型场效应管3.a.a.结构N沟道结型场效应管结构及符号SGD耗尽层b.符号P＋P＋NDGS2.工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同。N沟道结型场效应管工作时，在栅-源极间加一负电压(UGS＜0)，使栅-源极间的PN结反偏，栅极电流IG≈0，场效应管呈现很高的输入电阻。在漏-源极间加一正电压(UDS＞0)，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流ID。ID的大小主要受栅-源电压UGS控制，同时也受漏-源电压UDS的影响。（1）UGS对沟道电阻及ID的控制作用。

若漏-源极间所加的电压UDS=0。当栅-源电压UGS=0时，两个PN结上无偏置电压，沟道最宽，其电阻最小。②当UGS<0，且其大小增加时，在反偏电压作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P区，因此，随着|UGS|的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。③当|UGS|进一步增大到UGS（off）时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压UDS，漏极电流ID也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压(UGS（th）)。改变栅源电压UGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。（2）UDS对沟道电阻及ID的影响UGS值固定，且UGS（th）＜UGS<0，施加漏-源电压UDS。当漏-源电压UDS从零开始增大时，沟道中有电流ID流过。但由于沟道存在一定的电阻，因此，ID沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低，这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端UGD，即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈倾斜分布。当UDS增加到UDS=UGS，即UGD=UGS-UDS=UGS（th）时，漏极附近的耗尽层将合拢，这种状态称为预夹断。预夹断后，漏极电流ID≠0。因为这时沟道仍然存在，夹断点的电场强度大，仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，形成漏极电流IDSS。若UDS继续增加，使UDS＞UGS－UGS（th），即UGD＜UGS（th）时，耗尽层合拢部分会增加，并自夹断点向源极方向延伸。此时夹断区的电阻越来越大，但漏极电流ID却基本趋于饱和，不随UDS的增加而增加。IDSS称为饱和漏极电流。3.2N沟道结型场效应管的输出特性曲线及转移特性曲线如图所示。输出特性曲线可分为三个区：夹断区、可变电阻区、恒流区。输出特性输出特性UDS/VID/mA－1V－2V－4V1201234566UGS=0ID/mAUGS/V转移特性023456IDSS－4－2－1UGS(th)－3V1N沟道结型场效应管的输出特性曲线及转移特性曲线可变电阻区夹断区恒流区－3【例】如图所示，分析曲线判断是什么类型的管子？若为增强型管，求开启电压，若为耗尽型管，求夹断电压。解a图为输出特性曲线。图a中UGS正、负、零均可，UDS为正，故为耗尽型NMOS管。UGS=－2V时，ID≈0，故UGS（off）=－2V。b图为输出特性曲线。图b中UGS负，UDS为负，故为增强型PMOS管。UGS=－2V时，ID≈0，故UGS（th）=－2V。c图为转移特性曲线。图c中UGS负、零均可，故为N沟道结型场效应管；UGS=－3V时，ID≈0，故UGS（off）=－3V。UGS=0V时，ID=4mA，故IDSS=4mA。d图为转移特性曲线。图d中UGS正、负、零均可，UGS（off）=－2V，故为耗尽型为NMOS管。UGS=0V时，ID=2mA，故IDSS=2mA。IID/mAUGS/Vc.0234－3－2－1a.UDS/VID/mA0V－2V0123UGS=＋1V－1V1b.－UDS/VID/mA－4V－2V0123UGS=－5V－3VID/mAUGS/Vd.023－2－11【重点】场效应管放大电路的静态和动态分析。【难点】共源极放大电路动态分析。3.3场效应管放大电路3.3.1场效应管是电压控制器件，要使场放管能正常工作，必须使栅源电压之间取得一个适当的偏压。DGS＋DGS＋－自给偏压电路C1＋RDRGIDUGS＋VDDC2VTCSRS＋－ui＋－uo自给偏压电路由于栅极电阻上没有直流电流，所以=0。源极电位S=IDRS，栅源之间的直流偏压自给偏压电路=－=－IDRS自给偏压电路只适用耗尽型MOS管和结型管。2.分压式自偏压电路电路栅源的支流偏压为（栅极电流为零，上没有电压降）DGS分压式自偏压电路＋DGS分压式自偏压电路＋VTRG1＋VDDC2RDIDRG3RG2C1CSRS＋－ui＋－uo分压式自偏压电路3.静态工作点计算自给偏压电路：分压式自偏压电路：对于耗尽型MOS管构成的放大电路，有对于增强型MOS管构成的放大电路，有GDS＋GDS＋－场效应管微变等效电路场效应管的输出端D-S之间是一个控制的电流源gm，用它来表示输入对输出的控制作用。3.3.＋－共源极放大电路的微变等效电路＋＋－共源极放大电路的微变等效电路＋－RLRG3RD＋－RG1RG2gmUgsIdUiUoUgsRoRi微变等效电路微变等效电路=RD//RL。负号表示输出电压与输入电压相反。=RG3+(RG1//RG2)≈RG3Ro=RD【例】放大电路中，RG1=50kΩ，RG2=150kΩ，RG3=1MΩ，RD=10kΩ，RS=10kΩ，RL=1MΩ，VDD=20V，场效应管的UGS（th）=－5V，IDSS=1mA，gm=0.31mA/V。求放大电路的电压放大倍数及输入、输出电阻。解=－gm（RD//RL）=－3.12=RG3+(RG1//RG2)=1000+(50//150)=1040kΩRo=RD=10kΩ2.共漏极放大电路输入、输出公共端是漏极，电路也称为源极输出器。＋－＋－共漏极放大电路的微变等效电路＋－RG3RS＋－RG1RG2RLUgsUiUogmUgsId＋－USRDGS共漏极放大电路VTRG1＋VDDC2IDRG3RG2C1RSuoRL＋－＋－ui=RS//RL从上式可见，源极输出器的电压放大倍数小于1。一般情况，>>1，所以接近1，即它的输出电压o的大小接近输入电压的大小，输出电压与输入电压同相位。因此源极输出器又称源极跟随器。R＋－共漏极放大电路求输出电阻等效电路＋－RG3RSRR＋－共漏极放大电路求输出电阻等效电路＋－RG3RSRG1RG2UgsUgmUgsIdIRo==RS∥输出电阻很小。4.集成运算放大电路【重点】差动放大电路抑制零点漂移的原理。差模放大倍数、输入和输出电阻的计算。【难点】差动放大电路抑制零点漂移的原理。差动放大电路的输入输出方式。4.1概述体积小、重量轻、价格低、可靠性高、通用性好。模拟集成电路和数字集成电路。体积小、重量轻、价格低、可靠性高、通用性好。模拟集成电路和数字集成电路。2.集成运算放大电路的组成为运放提供足够的电压放大倍数，一般由共射放大电路组成。集成运算放大电路是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路，集成运算放大电路通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。为运放提供足够的电压放大倍数，一般由共射放大电路组成。由互补对称式电路构成，其输出阻抗很低。能输出较大功率推动负载。由互补对称式电路构成，其输出阻抗很低。能输出较大功率推动负载。集成运算放大电路的组成uiuo差动输入级电压放大级输出级偏置电路电路对称，输入电阻很高，能有效地放大有用信号，抑制干扰信号。电路对称，输入电阻很高，能有效地放大有用信号，抑制干扰信号。为了给各级放大电路提供合理的静态工作点电流，使各级具有合理的静态工作点。为了给各级放大电路提供合理的静态工作点电流，使各级具有合理的静态工作点。4.2差动放大电路4.2直接耦合放大电路即使将输入端短路，输出电压并不为零。而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则的、持续的变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。1.级间影响直接耦合放大电路即使将输入端短路，输出电压并不为零。而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则的、持续的变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。各级工作点不再独立。2.零点漂移当电源电压波动或温度变化时，总输出电压为零，零漂得到抑制。采用差动放大电路抑制零漂。当电源电压波动或温度变化时，总输出电压为零，零漂得到抑制。4.2基本差动放大电路R基本差动放大电路RC1Ui1VT1RC2＋VCCVT2－＋Uo＋－RB2RB2Ui2（1）静态分析静态时Ui1＝Ui2＝0。输出电压Uo＝UC1－UC2＝0。（2）动态分析①差模输入：放大电路的两个输入端分别输入大小相等极性相反的信号。差模输入电压，差模输出电压差模电压放大倍数即差动放大电路的差模电压放大倍数等于单管共射极电路的电压放大倍数。接上RL输入电阻输出电阻ro＝2RC②共模输入：放大电路的两个输入端，分别加入大小相等极性相同的信号。Uic＝Ui1＝Ui2共模输入时，输出端电压Uoc＝Uo1－Uo2＝0，故Auc＝Uoc/Uic＝0，共模电压放大倍数为零。③任意信号分解ui1和ui2是两个任意信号，则任意信号输入时，先分解为差模输入信号和共模输入信号后，分别放大后再叠加。越大，差动放大电路放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）能力越强。（3）越大，差动放大电路放大差模信号（有用信号）的能力越强，抑制共模信号（无用信号）能力越强。带RE的差动放大电路RC1带RE的差动放大电路RC1Ui1VT1RC2＋VCCVT2－＋Uo＋－Ui2RE－VEE2.带RE的差动放大电路（1）静态分析流过RE的电流为IE1和IE2之和，又由于电路对称，则IE1=IE2，流过RE的电流为2IE2。IC≈IE＝UCE＝VCC+VEE－ICRC－2IERE（2）稳定静态工作点的过程稳定过程实质上是一个负反馈过程。（3）动态分析①RE对对差模电压放大倍数没有影响。②RE对对于共模信号可以等效成每管发射极接入2RE的电阻。共模电压放大倍数为Auc＝－加上RE使共模电压放大倍数减小。而且RE越大，Auc越小，KCMRR越大。3.具有恒流源的差动放大电路（略）4.2.31.双端输入双端输出（）Ri＝2rbeRo＝2RC2.单端输入双端输出Ad、Ri、Ro的估算与双端输入双端输出的情况相同。3.单端输入单端输出（）Ri=2rbeRo=RC4.双端输入单端输出Aud、Ri，、Ro的计算和单端输入单端输出相同。【重点】集成运放的特点及工作在线性区的“虚断”“虚短”。【难点】“虚断”“虚短”。4.3集成运放的主要参数、类型及符号4.3.11.电源电压2.最大差模输入电压Uidmax3.最大共模输入电压Uicmax4.开环差模电压放大倍数Aud5.输入失调电压Uos6.输入失调电流Ios7.输入偏置电流IB8.共模抑制比KCMRR9.差模输入电阻rid通用型和专用型10.输出电阻ro通用型和专用型4.3.2单电源和双电源1.按用途分单电源和双电源2.按供电电源分双极型、单极型和双极—单极兼容型双极型、单极型和双极—单极兼容型4.按每个芯片中含运放的数目分单运放、双运放、三运放和四运放单运放、双运放、三运放和四运放4.3.3a.a.圆形金属集成运放外形图123456714管健凹格标记1214色标12b.双列直插式c.双列扁平式d.单列直插式10标记121271234567LM741集成运放LM741集成运放引脚图632LM741＋15V同相输入端输出端7415反相输入端－15V集成运放的图形符号习惯画法标准符号＋＋－A∞u＋u－uo＋－Au＋u－uo测试：集成运放简易测试集成运放简易测试电路＋＋－A∞集成运放简易测试电路＋＋－A∞50kΩRpV＋VCC也可将集成运放接成如图所示电路，接通电源，用万用表直流电压挡测量输出电压，调节可调电阻，输出电压应能在0～VCC之间变化，如果调节可调电阻，输出电压不变或变化很小，说明集成运放已损坏。4.4理想集成运放的模型当ui为小信号，在－uim当ui为小信号，在－uim和＋uim之间时，输出与输入为线性关系。当ui超过上述区域时，运放输出信号不再跟随输入信号线性变化，进入饱和区（非线性区），输出电压分别为正向和负向的最大值，＋uom和－uom。4.4.2（1）开环差模电压放大倍数Aud→∞。（2）差模输入电阻Rid→∞。（3）输出电阻RO→0。（4）共模抑制比KCMRR→∞。（5）输入偏置电流IBI＝IB2＝0。（6）失调电压，失调电流及温漂为零。4.4.3理想集成运放工作在线性集成运放工作在线性区，采用负反馈是必要条件。由于集成运放的差模输入电阻Rid→∞，输入偏置电流IB≈0，不向外部索取电流，因此两输入端电流近似为零。即Ii-＝Ii＋≈0，这称为“虚断”。由于理想运放开环电压放大倍数为无穷大，最大输出电压Uo＝Aud（U＋－U-）为一有限值，所以两输入端电位近似相同，即U-≈U＋，称为“虚短”。4.4.4理想集成运放工作在非线性集成运放工作在非线性区时，一般为开环或引入正反馈。其特点是不再具有“虚短”特性。仍具有“虚断”特性。【重点】集成运放构成的反相比例、同相比例、加法、减法电路分析。【难点】能自己根据要求进行设计。4.5基本运算电路虚地反相比例运算电路R虚地反相比例运算电路Rfui＋＋－A∞uoR1R2iiifi-1.反相比例运算电路if==－R2=R1∥RfR2=R1∥RfR2为平衡电阻。由于i＋≈i-≈0，则if=ii，即则或AufRfui＋＋－A∞Rfui＋＋－A∞uoR1R2iR1ifi-同相比例运算电路Ro≈02.同相比例运算电路if=－iR1iR1=if=则uo=（1+）ui或Auf==1+Rif→∞，Ro→0。这是同相比例运算电路的重要特点。4.5.21.反相加法运算电路因u－≈u＋=0。则各支路电流分别为i1=，i2=，i3=，if=－加法电路Rfui1＋加法电路Rfui1＋＋－A∞uoR4i1ifR1R3R2R2i2i3ui2ui3if=i1+i2+i3即－=++uo=－（ui1+ui2+ui3）当R1=R2=R3=R时，上式变为uo=－（ui1+ui2+ui3）若Rf=R，有uo=－（ui1+ui2+ui3），实现了加法运算。Rf1ui1＋＋－A1∞uo1R5i1R1R3R2Rf1ui1＋＋－A1∞uo1R5i1R1R3R2R2i2i3ui2ui3Rf2＋＋－A2∞uoR4R6解输出电压和输入电压的关系为uo1=－ui1ui2ui3uo=－uo1=（ui1+ui2+ui3）其中=2，=1，=4，=1Rfui1＋＋－A∞uoRRfui1＋＋－A∞uoR1R2iiifi-R3ui2同相加法运算电路则R1=5kΩ，R2=10kΩ，R3=2.5kΩ。而R5=R1//R2//R3//Rf1=1.25kΩ，R6=R4//Rf2=Rf2/2=5kΩ。2.同相加法运算电路ui1、ui2作用应用叠加定理，可得根据uo=（1+）u＋，可得uo=（1+）因R1//Rf=R2//R3，有uo=减法电路Rf减法电路Rfui1＋＋－A∞UoR3ui2R1R2由于虚断i-=0，有由于虚短，有，则uo=（1+）u+－ui1即uo=（1+）－ui1当R1=R2=R3=Rf时，上式变为uo=ui1－ui2，实现了减法运算。【例】如图所示电路，分析输出与输入电压关系。解uo1=（1+）ui1uo=（1+）ui2－uo1=（1+）ui2－（1+）ui1Rf1ui1＋＋－A1∞uo1R1R2Rf2＋＋－A2∞uoui2RRf1ui1＋＋－A1∞uo1R1R2Rf2＋＋－A2∞uoui2R3R44.5.41.积分运算电路中uo=－uC，ii=iC=而iC=C，则uC=积分运算－Cui＋＋积分运算－Cui＋＋－A∞＋uoR1R2iiiC＋－uCa.电路图b.波形uit0uot0Uo＋UoM－U此时uo与t成正比，uC（0＋）为电容C两端电压初始值。若uC（0＋）=0，uo与ui波形如图b所示。2.微分运算根据虚断、虚短，有iC=if=C=C则uo=－ifRf=－iCRf=－RfCb.波形uit0uot0＋b.波形uit0uot0＋UoMU－UoM微分运算－Cui＋＋－A∞＋uoRfR2iCifa.电路图测试：比例、加法、减法电路测试1.反相比例运算电路（1）如图所示，根据电路选择元件（集成运放为μА741），按照反向比例运算电路连接电路，检查电路无误后接通电源±12V，输入端对地短路，进行调零和消振。（2）调信号源，使输入ui=0.3V，测量相应uo，并注意观察uo和ui相位关系，记入表中。反相比例运算表ui(V)uo(V)Au实测值计算值2.同相比例运算电路（1）如图所示，根据电路选择元件（集成运放为μА741），按照同向比例运算电路连接电路，检查电路无误后接通电源±12V，输入端对地短路，进行调零和消振。RRF100kΩuoRW100kΩR110kΩR29.1kΩui反相比例运算测试电路＋A∞＋－RF100kΩuoRW100kΩR110kΩR29.1kΩui同相比例运算测试电路＋A∞＋－＋12V＋12V－12V－12V（2）调信号源，使输入ui=0.2V，测量相应uo，并注意观察uo和ui相位关系，记入表中。同相比例运算表ui(V)uo(V)Au实测值计算值3.反相加法电路（1）如图所示，根据电路选择元件（集成运放为μА741），按反相加法运算电路连接电路，检查电路无误后接通电源±12V，输入端对地短路，进行调零和消振。（2）按表调信号源，使输入ui1、ui2为表中数值，测量相应uo，并注意观察uo和ui相位关系，记入表中。反相加法运算表ui1(V)0.1V0.2V0.3Vui2(V)0.2V0.3V0.4Vu.o(V)4.减法运算电路（1）如图所示，根据电路选择元件（集成运放为μА741），按反相加法运算电路连接电路，检查电路无误后接通电源±12V，输入端对地短路，进行调零和消振。（2）按表调信号源，使输入ui1、ui2为表中数值，测量相应uo，并注意观察uo和ui相位关系，记入表中。减法运算表ui1(V)0.1V0.2V0.3Vui2(V)0.2V0.3V0.4Vu.o(V)－12V－12V－12V＋12V＋12VRF100kΩuoRW100kΩR210kΩR36.2kΩui1反相加法运算测试电路＋A∞＋－R110kΩui2RF100kΩuoRW100kΩR110kΩR36.2kΩui1减法运算测试电路＋A∞＋－R210kΩui2【重点】集成运放的线性、非线性应用及保护。【难点】应用电路分析。4.6集成运放的应用4.6.1R2uiR2ui1＋＋－A1∞uo1测量放大器R6＋＋－A3∞uoR4R5＋＋－A2∞R3ui2uiR1R7uo2＋－－－＋＋＋当加上差模信号ui时，若运放A1、A2参数对称，且R2=R3，R1的中点将为地电位，此时uo1=（1+）ui1=（1+）ui1同理uo2=（1+）ui2uo1－uo2=（1+）（ui1－ui2）=（1+）ui该测量放大器的电压放大倍数为Auf==·=－（1+）放大器的差模输入电阻等于两个同相比例电路的输入电阻之和。R4、R5、R6、R7四个电阻必须采用高精度电阻，并要精确匹配，否则不仅给放大倍数带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。2.滤波器滤波器的作用是允许信号中的某一部分频率的信号通过，而将其他频率的信号衰减。滤波器按工作频率的不同，分低通滤波器、高通滤波器，带通滤波器、带阻滤波器。按滤波器元件性质不同，分无源滤波器、有源滤波器。无源滤波器－无源滤波器－Cui＋uoRa.低通滤波电路＋－－Cui＋uoRb.高通滤波电路＋－无源滤波器幅频特性无源滤波器幅频特性b.高通幅频特性Auω10.707ω0Auω10.707ω0a.低通幅频特性Ca.Ca.RC接同相输入端Rfui＋＋－A∞uoR1R有源低通滤波器CRfui＋＋－A∞uoR1Rb.RfC接反相输入端有源低通滤波器幅频特性有源低通滤波器幅频特性b.幅频特性ω1ω010.707a.理想特性Uo20lgUi11ωω0Uo20lgUi-20dB/10倍频程（3）有源高通滤波器改变Rf、R1可调整电压放大倍数，调整RC、R1C参数可改变截止频率。（4）有源带通滤波电路和有源带阻滤波电路将低通滤波器、高通滤波器进行不同的组合，可以构成带通滤波器和带阻滤波器。CCa.同相输入Rfui＋＋－A∞uoR1R有源高通滤波器CRfui＋＋－A∞uoR1Rb.反相输入a.带通滤波电路a.带通滤波电路ui低通uo高通ui低通uo高通带通滤波电路和带阻滤波电路组成原理图ω1ω0UoUi低通ω1ω1UoUi高通ω1ω1通UoUiω0阻阻b.带阻滤波电路ω1ω0UoUi低通ω1ω1UoUi高通ω1ω1通UoUiω0阻通CCa.带通滤波电路Rfui＋＋－A∞uoR1R3带通滤波和带阻滤波典型电路b.带阻滤波电路RR2C2Rfui＋＋－A∞uoR1RRRCC24.6单限电压比较器ui＋单限电压比较器ui＋＋－A∞uoua.电压比较器b.传输特性uoui＋uom－uomu过零比较器过零比较器a.输入正弦波uR＝0uuotuoHuoLuitb.输入正弦波uR≠0uotuoHuoLuit2.迟滞电压比较器uui＋＋－A∞uoR1Rfu迟滞电压比较器a.电路uTHc.输入输出波形uot＋uom－uomuituo＋uom－uomuTLuTHuib.传输特性uTL当输出电压为uoH=+uom时，u＋的上门限值为输出电压为uoL－uom时，u＋的下门限值为这种比较器在两种状态下，有各自的门限电压。对应于uom有高门限电平uTH，对应于－uom有低门限电平uTL。回差电压4.7集成运放应用时应注意的问题a.引到反相端ua.引到反相端ui＋＋－A∞＋VCCuoR3R2R1RfRRRP－VEE运放的调零电路b.引到同相端ui＋＋－A∞＋VCCuoR2R4RfRRRP－VEER1R32.消除自激在电源端、反馈支路及输入端连接电容或阻容支路来消除自激。运放的消振电路运放的消振电路ui＋＋－A∞uoR1R2＋＋＋VCCRf－VEE0.1μF0.1μF10μF10μFa.在电源端子接上电容b.在反馈电阻两端并联电容Cui＋＋－A∞uoR1R2Rf3.保护措施为防止输入差模或共模电压过高损坏集成运放的输入级，可在集成运放的输入端并接极性相反的二极管，从而使输入电压的幅度限制在二极管的正向导通电压之内。当输出电压大于双向稳压管的稳压值时，稳压管被击穿。减小了反馈电阻，负反馈加深，将输出电压限制在双向稳压管的稳压范围内。ui1ui1＋＋－A∞uoR1R1ui2VD2VD1ui＋＋－A∞uoR1R2RfVD运放的保护电路a.输入保护电路b.输出保护电路c.电源保护电路ui1＋＋－A∞uoui2VD2VD1＋VCC－VEE5.负反馈放大电路【重点】反馈的基本概念与分类，负反馈的一般表达式。【难点】负反馈的一般表达式。5.1反馈的基本概念与分类5.反馈是把放大电路输出信号的部分或者全部，通过一定的方式回送到输入端来影响输入量的过程。输入量x输入量xi净输入量xi＇反馈量xf基本放大电路A反馈网络F输出量xo正向传输反向传输反馈放大电路框图正反馈5.正反馈1.正反馈与负反馈负反馈负反馈2.电压反馈与电流反馈电压反馈是指反馈信号取自输出电压。电流反馈是指反馈信号取自输出电流。3.并联反馈与串联反馈并联反馈是指输入信号与反馈信号以电流方式叠加（并联）。串联反馈是指输入信号与反馈信号以电压方式叠加（串联）。并联反馈与并联反馈与串联反馈类型框图RSAF＋－＋－＋－＋－b.串联反馈a.并联反馈USRSAFISIiIiIiUiUiUf反馈类型分为电压串联反馈、电压并联反馈、电流串联反馈和电流并联反馈四种。4.交流反馈与直流反馈当反馈信号仅在交流通路中存在，就是交流反馈，它只影响放大电路的交流性能；当反馈信号仅在直流通路中存在，就是直流反馈，它只影响放大电路的直流性能；若反馈信号在交、直流通路中都存在，则称为交直流反馈，它将影