模拟电子技术基础

第1章晶体二极管和

晶体三极管1.3特殊二极管

………………………………551.2PN结与晶体二极管

………………………221.1半导体的基础知识

…………………………..31.4晶体三极管

……………………..……………65目录HOME21.1

半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3载流子的运动方式及形成的电流HOME31.

半导体及其材料

导体

:电阻率ρ小于10-3Ω·cm绝缘体:ρ大于108Ω·cm半导体:ρ介于导体和绝缘体之间。常用半导体材料:

硅（Si）、锗（Ge）等1.1.1

本征半导体HOME4掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其电阻率大大下降而导电能力显著增强。据此可制作各种半导体器件，如二极管和三极管等。2.

半导体的特性

1.1.1

本征半导体HOME5光敏性：当受到光照时，半导体的电阻率随着光照增强而下降，其导电能力增强。

据此可制作各种光电器件，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。

2.

半导体的特性

1.1.1

本征半导体热敏性：半导体的电阻率随着温度的上升而明显下降，其导电能力增强。

据此可制作温度敏感元件，如热敏电阻。HOME6半导体的原子结构本征半导体：化学成分纯净的半导体。在物理结构上呈单晶体形态。

硅(Si)

锗(Ge)3.

本征半导体概念

1.1.1

本征半导体HOME7半导体的共价键结构共价键共价键中的两个价电子原子核3.

本征半导体概念

1.1.1

本征半导体HOME8本征激发（热激发）4.

本征半导体的导电机理

本征激发产生的空穴价电子

价电子受热或受光照（即获得一定能量）后，可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个带正电的空穴。该现象称为本征激发(热激发)本征激发产生的自由电子1.1.1

本征半导体HOME9本征激发（热激发）4.

本征半导体的导电机理

空穴价电子自由电子在热激发下，本征半导体中存在两种能参与导电的载运电荷的粒子(载流子)：成对的电子和空穴复合：自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消失。1.1.1

本征半导体HOME104.

本征半导体的导电机理

自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差。

(2)

温度越高，载流子的数目越多,半导体的导电性能也就越好。可见，温度对半导体器件性能影响很大。1.1.1

本征半导体HOME11

1.1.1

本征半导体

小结（1）半导体及其材料

（2）半导体特性

（3）本征半导体概念

（4）本征半导体的导电机理HOME12杂质半导体可分为：

N(电子)型半导体和P(空穴)型半导体两类。杂质半导体：在本征半导体中掺入微量其他元素得到的半导体。1.1.2

杂质半导体HOME13

1.N型半导体

在本征半导体中掺入微量五价元素物质（磷、砷等）而得到的杂质半导体。

结构图1.1.2

杂质半导体HOME14

掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂质。常温下施主杂质已被全部电离。1.N型半导体1.1.2

杂质半导体HOME15这种电子为多数载流子的杂质半导体称为N型半导体。可见：在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子）；空穴是少数载流子（简称少子）。N型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。1.N型半导体1.1.2

杂质半导体HOME16

在本征半导体中掺入微量三价元素物质（硼、铝等）而得到的杂质半导体。结构图2.P型半导体1.1.2

杂质半导体HOME17

掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。常温下受主杂质已被全部电离。2.P型半导体1.1.2

杂质半导体HOME18这种空穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。可见：在P型半导体中空穴是多数载流子(简称多子),自由电子是少数载流子（简称少子）。P型半导体中还存在来自于热激发的电子-空穴对。2.P型半导体1.1.2

杂质半导体HOME19扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。

扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比1.1.3

载流子运动方式及形成电流1.扩散运动及扩散电流HOME20漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。

漂移电流大小与电场强度成正比2.漂移运动及漂移电流1.1.3

载流子运动方式及形成电流HOME211.2PN结与晶体二极管1.2.1PN结的基本原理1.2.2

晶体二极管1.2.3

晶体二极管电路HOME221.PN结的形成

1.2.1PN结的基本原理

在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。

区区

另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。内建电场方向由N区指向P区，它阻止多子扩散运动，而有利于P区和N区的少子漂移运动。HOME231.PN结的形成

扩散交界处的浓度差P区的空穴要向N区扩散N区的电子要向P区扩散P区留下带负电的受主离子N区留下带正电的施主离子内建电场漂移电流扩散电流PN

结动态平衡1.2.1PN结的基本原理HOME24U

：势垒电压

0.6V（硅材料）U

=

0.2V（锗材料）PN结平衡空间电荷区/耗尽层U

内建电场1.PN结的形成

P区P区N区N区1.2.1PN结的基本原理

空间电荷区也称耗尽层，即在空间电荷区能参与导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称势垒区，势垒高度为U

。

HOME25小结（1）载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。（2）漂移运动等于扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。

PN结没有电流通过。1.2.1PN结的基本原理HOME26U

U

–U合成电场加偏压时的耗尽层(1)PN结加正向电压

2.PN结的单向导电性

PN外加正向电压时，内建电场被削弱，势垒高度下降，空间电荷区宽度变窄，这使得P区和N区能越过势垒的多数载流子数量大大增加，而反方向的漂移电流要减小，扩散电流起主导作用。

P区N区未加偏压时的耗尽层1.2.1PN结的基本原理HOME27流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为：加正向偏压时的耗尽层U

U

–U合成电场PN结正向导通状态未加偏压时的耗尽层P区N区1.2.1PN结的基本原理(1)PN结加正向电压

2.PN结的单向导电性

HOME28加反向偏压时的耗尽层U

U

+U合成电场（2）PN结加反向电压2.PN结的单向导电性PN结加反向电压时，内建电场被增强，势垒高度升高，空间电荷区宽度变宽。这就使得多子扩散运动很难进行，扩散电流趋于零；而少子漂移运动处于优势，形成微小的反向的电流。

未加偏压时的耗尽层P区N区1.2.1PN结的基本原理HOME29加反向偏压时的耗尽层

U

U

+U合成电场流过PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所以该状态称为：PN结反向截止状态未加偏压时的耗尽层P区N区1.2.1PN结的基本原理（2）PN结加反向电压2.PN结的单向导电性HOME30小结（1）PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，

PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流IS，考虑到IS»0，则认为PN结截止。（2）PN结正向导通、反向截止的特性称为PN结的单向导电特性。1.2.1PN结的基本原理HOME31点接触型

面结合型平面型

符号1.

晶体二极管的结构

1.2.2

晶体二极管HOME32伏安特性曲线2.

晶体二极管的伏安特性小电流范围近似呈指数规律，大电流时接近直线。

1.2.2

晶体二极管（1）正向特性存在门限电压Ur锗管Ur

0.2V

硅管Ur

0.6V

HOME33伏安特性曲线存在反向饱和电流

IS曲线近似呈水平线，略有倾斜

1.2.2

晶体二极管2.

晶体二极管的伏安特性（2）反向特性HOME34伏安特性曲线反向电流急剧增加而二极管端电压近似不变。2.

晶体二极管的伏安特性（3）击穿特性

1.2.2

晶体二极管HOME35

雪崩击穿击穿分类

齐纳击穿

1.2.2

晶体二极管2.

晶体二极管的伏安特性（3）击穿特性HOME36①雪崩击穿(碰撞击穿)反向电压足够高，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其他的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。

1.2.2

晶体二极管2.

晶体二极管的伏安特性（3）击穿特性HOME37当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到105V／cm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子-空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。

1.2.2

晶体二极管②齐纳击穿(隧道击穿)2.

晶体二极管的伏安特性（3）击穿特性HOME38(c)击穿特性

(b)反向特性(a)正向特性T­则Ur¯T­则IS

­T­则UZ­(雪崩击穿)T­则UZ¯(齐纳击穿)图示为雪崩击穿

1.2.2

晶体二极管2.

晶体二极管的伏安特性（4）伏安特性与温度的关系HOME39正向特性近似反向特性近似3.伏安特性数学表达式式中

1.2.2

晶体二极管HOME40①最大允许整流电流IOM工作电流>IOM易导致二极管过热失效。②最高反向工作电压URM允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压。③最大允许功耗PDM

实际功耗大于PDM时易导致二极管过热损坏。

1.2.2

晶体二极管4.

二极管的主要参数（1）直流参数HOME41⑤直流电阻

RD：定义

RD=U/I|Q点处

RD是

u或

i的函数

（1）直流参数4.

二极管的主要参数

1.2.2

晶体二极管④反向饱和电流IS

该参数越小越好HOME42①交流电阻

rd定义

rd=du/di|Q点处计算

rd=UT/IQ

1.2.2

晶体二极管（2）交流参数4.

二极管的主要参数HOME43PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。分类

势垒电容

CT

扩散电容

CD

1.2.2

晶体二极管（2）交流参数4.

二极管的主要参数②电容效应HOME44K为常数，为PN结的接触电位差，U为PN结的外加电压（加反向电压时U<0）,为结变系数。(a)势垒电容CT由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。

1.2.2

晶体二极管②电容效应HOME45(b)扩散电容CDCD

值与PN结的正向电流I成正比。由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合储存所产生。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近；同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合储存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。tp：空穴寿命tn：电子寿命UT：热电压I:正向电流

1.2.2

晶体二极管②电容效应HOMEη:系数1～246小结（1）PN结正向运用时CT、CD同时存在，CD起主要作用（2）PN结反向运用时，只有CT

。

1.2.2

晶体二极管②电容效应HOME47

将实际二极管的伏安特性曲线作折线化近似。理想特性曲线只考虑门限的特性曲线伏安特性符号5.晶体二极管特性的折线近似

1.2.2

晶体二极管HOME48考虑门限电压和正向导通电阻的特性曲线伏安特性符号rd：工作点处的动态电阻仅考虑正、反向导通电阻的特性曲线

1.2.2

晶体二极管5.晶体二极管特性的折线近似HOME49例1-1：半波整流电路中VD为理想二极管，画出uO(t)波形。

输出uO(t)取决于VD

的工作状态是通还是断。1.整流电路解：

1.2.3

晶体二极管电路HOME50；VD截止Û

ui

<0V；VD导通Û

ui

0V

1.2.3

晶体二极管电路1.整流电路HOME51（b）（a）结合图中给定的参数分析：VD1、VD2开路时，阳极对地电位为+5V，阴极对地电位分别为+1V、0V，采用的方法是比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。例1-2：如图所示二极管门电路（VD为理想二极管）求：uO

。解：2.门电路门电路的分析关键是判断电路中二极管的通、断。可见VD2导通。

uO=0

1.2.3

晶体二极管电路HOME52uO

(t)

取决于VD

是否导通,什么时候导通。例1-3:限幅电路中VD为理想二极管，求uO(t)并画出波形。

3.限幅电路解：

1.2.3

晶体二极管电路HOME53；VD截止Û

ui<5V；VD导通Û

ui

³5V传输特性输出波形

1.2.3

晶体二极管电路3.限幅电路HOME541.3

特殊二极管1.3.1

稳压管1.3.2

光敏二极管1.3.3

发光二极管1.3.4

变容二极管HOME55伏安特性及符号

1.3.1

稳压管1.工作原理利用PN结击穿区具有稳定电压的特性来工作的。2.伏安特性及符号HOME56（1）稳定电压UZ

即PN结击穿电压（2）稳定电流IZ

Izmin<IZ<IZmax（3）动态电阻rZ

rZ=ru/ri

rZ越小，则稳压性能越好

1.3.1

稳压管3.稳压管的主要参数HOME57（5）额定功耗PZ

实际功耗超过PZ易使稳压管损坏。

1.3.1

稳压管3.稳压管的主要参数（4）电压温度系数说明稳压管值受温度变化影响的系数HOME58

例1-1

某稳压器电路如图所示，图中稳压管选2CW14(Uz=6V，Izmin=5mA，Izmax=33mA)，R=510Ω，假定输入电压变化范围为18～24V，试确定负载电流的允许变化范围。

1.3.1

稳压管HOME59解：（1）计算IRmin和IRmax

1.3.1

稳压管HOME60（2）计算ILmin和ILmax

IL允许变化范围:

1.3.1

稳压管HOME611.3.2

光敏二极管光电二极管工作于反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。光电二极管可用作光测量或做成光电池。1.工作原理2.符号及特性HOME62

发光二极管工作于正偏状态。其发光强度随正向电流增大而增大。发光二极管主要用作显示器件。1.3.3

发光二极管HOME631.3.4

变容二极管

变容二极管利用PN结的势垒电容效应制作。变容二极管必须工作于反向偏置状态。HOME641.4

晶体三极管1.4.1晶体三极管的结构与符号1.4.2

晶体管的放大作用1.4.3

晶体三极管特性曲线1.4.4

晶体管的主要参数HOME65三极管存在：两结三极三区

1.4.1

晶体三极管的结构与符号发射区(E区)：发送载流子；基区(B区)：传输载流子；集电区(C区)：收集载流子。HOME66

1.4.2

晶体管的放大原理晶体管具有放大作用的条件发射区重掺杂基区很薄，轻掺杂集电结面积大发射结正偏，集电结反偏HOME671.

载流子传输过程（以NPN管为例）

1.4.2

晶体管的放大原理HOME68（1）发射区向基区注入电子(IEn)

IEn>>

IEp

，发射极电流IE≈IEn

（2）注入电子在基区边扩散边复合(IBn

)

基区复合电流，是基极电流IB

的一部分。

1.4.2

晶体管的放大原理1.

载流子传输过程（以NPN管为例）HOME69（3）集电区收集扩散来的电子(ICn)

ICn构成集电极电流

IC

的主要成份；（4）集电结两边少子定向漂移(ICBO

)

ICBO对放大无贡献，应设法减小。晶体三极管又称为双极型晶体管

1.4.2

晶体管的放大原理1.

载流子传输过程（以NPN管为例）HOME702.

电流分配关系

1.4.2

晶体管的放大原理HOME71定义时有：

1.4.2

晶体管的放大原理2.

电流分配关系HOME关系72

1.4.2

晶体管的放大原理2.

电流分配关系HOME73特点：

uCE

=0V时，特性曲线类似二极管伏安特性；uCE

>0V时，特性曲线右移直至uCE

3V时曲线基本重合。

1.4.3

晶体三极管特性曲线1.

共射接法输入特性曲线指uCE为参变量，iB随uBE变化的关系曲线iB=f1(uCE,uBE)HOME742.

共射接法输出特性曲线指iB为参变量，iC随uCE变化的关系曲线

1.4.3

晶体三极管特性曲线HOME75（1）截止区截止区：对应截止状态:E结、C结反偏特点：iE

=0iC

=ICBO

=–iB

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线HOME76（2）

放大区放大区：对应放大状态

E结正偏C结反偏

特点：①放大效应：β

定义

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线HOME77②输出特性有一定倾斜基调(厄立)效应：UA

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线HOME78③穿透电流：ICEO

计算:ICEO=(1+)ICBO

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线HOME79(3)

饱和区饱和状态:

E结正偏、C结正偏

特点：①uCE控制iC

：固定iB,iC随uCE剧烈变化②饱和现象：固定uCE

,iC基本不随iB变化

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线HOME80（3）

饱和区临界饱和：UBC=0（考虑到发射结导通存在门限电压的作用，则

UBC=UBEO

）临界饱和电压：UCES

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线HOME81（4）

击穿区发射结正向运用集电结反向运用

1.4.3

晶体三极管特性曲线2.

共射接法输出特性曲线击穿后集电极电流急剧增加HOME82关系

集电极-基极间反向饱和电流ICBO

集电极-发射极穿透电流ICEO

关系：ICEO=(1+)ICBO

1.4.4

晶体管的主要参数1.

放大系数2.

极间反向电流极限电流：集电极最大允许电流ICM极限电压：反向击穿电压U(BR)CBO，U(BR)CEO3.

极限参数HOME83极限功率：集电极最大允许功耗PCM3.

极限参数

1.4.4

晶体管的主要参数安全工作区ICMU(BR)CEOHOME84（1）ICBO的温度特性

T↑10ºC则ICBO↑约1倍；（2）UBEO的温度特性

T↑1ºC则UBEO(UEBO，对于PNP管)↓(2

2.5)mV；（3）

的温度特性

T↑

1ºC则

↑0.5%

1%。4.

晶体管参数的温度特性

1.4.4

晶体管的主要参数HOME85放大器基础第2章目录2.1放大器的基本组成和主要性能指标…………882.2放大电路的分析方法………….1112.3晶体管偏置电路……………1482.4放大器的三种基本组态……1622.5多级放大器…………………2032.6放大器的表示法……………2202.7放大器的频率响应…………222HOME872.1

放大器的基本组成和主要性能指标2.1.1

放大器的含义2.1.2

放大器组成原则2.1.3

放大器主要性能指标2.1.4

放大器的传输特性HOME882.1.1放大器的含义放大器：放大电信号的装置，是电子设备中应用最为广泛的一种电路。表面上看，放大器只是放大了信号的幅度，但其实质是一能量转换器。用小的信号功率（电压、电流）去控制电源供给的直流功率，把它转换成负载所需要的大的信号功率(电压、电流)。HOME89

由于本章采用的放大器件是晶体三极管和场效应管，它们均为非线性器件，为了满足不失真地放大信号的目的，必须给它们加上正确的偏置电路,即要有直流通路，保证在输入信号的范围内，它们均工作在线性区。

2.1.2

放大器组成原则

HOME90组成放大电路时应遵循的原则：

一、要有直流通路，并保证合适的直流工作状态，确保晶体三极管和场效应管工作在放大区。

二、要有交流通路，对于电压放大器，输入信号电压要能加入，输出信号电压要能取出。2.1.2

放大器组成原则

HOME91典型的电容耦合共射放大器电路us：信号源电压Rs：信号源内阻C1：输入耦合电容Rb：偏置电阻Rc：集电极电阻C2：输出耦合电容RL：负载电阻UCC：直流电源电压2.1.2

放大器组成原则

HOME92直流通路2.1.2

放大器组成原则

HOME93交流通路2.1.2

放大器组成原则

HOME942.1.2

放大器组成原则

例2-1

判断下图所示电路是否具有电压放大作用。

(a)

(b)(a)由于C1

隔直流，无输入直流通路，因此无电压放大作用。

(b)由于C1

的旁路作用，输入信号无法加入，因此无电压放大作用。

HOME95

由于放大器电路中既有直流成分又有交流成分，因此晶体管的各极电流、电压瞬时值中包含直流分量和交流分量。2.1.3

放大器主要性能指标HOME96本书采用如下表示法（以基极和发射极之间电压为例）：(小写字母、大写下标):电压的瞬时值；(大写字母、大写下标):电压的直流成分；(小写字母、小写下标):交流电压的瞬时值；(大写字母、小写下标):交流电压的有效值；:的峰值或振幅。因此信号的瞬时表达式可表示为：2.1.3

放大器主要性能指标HOME97

放大器的输入信号可以是电压源也可以是电流源，放大了的输出信号可以是电流也可以是电压，因此从输出、输入信号角度看存在四种类型放大器。2.1.3

放大器主要性能指标2.1.3

放大器主要性能指标输入量输出量放大器名称电压电压电压放大器电流电流电流放大器电压电流互导放大器电流电压互阻放大器电压放大器最常用HOME98电压电压电流电流2.1.3

放大器主要性能指标放大器的等效方框图HOME991．输入电阻Ri

从信号源右边向放大器视入的电阻

输入电阻的大小表明了放大器对信号源的影响程度。输入电阻越大，放大器对信号源的影响越小，放大器取用信号源的电流越小；反之，则越大。2.1.3

放大器主要性能指标HOME1002.

放大倍数（1）电压放大倍数

2.1.3

放大器主要性能指标源电压放大倍数HOME101(2)电流放大倍数考虑信号源内阻的电流放大倍数2.

放大倍数2.1.3

放大器主要性能指标HOME102(3)功率放大倍数2.

放大倍数2.1.3

放大器主要性能指标HOME103放大倍数常用dB(分贝)来表示，称为增益2.1.3

放大器主要性能指标HOME1043．输出电阻

从负载电阻左边向放大器视入的等效电阻

输出电阻大小反映了放大器带负载能力的强弱。输出电阻越大，放大器带负载能力越弱；反之，则越强。2.1.3

放大器主要性能指标HOME1054.通频带下限频率上限频率不失真（或基本不失真）放大信号时，放大器的通频带必须大于或等于信号的带宽。2.1.3

放大器主要性能指标通频带HOME1065．最大输出功率Pomax和效率η（1）最大输出功率2.1.3

放大器主要性能指标放大器能够向负载提供的最大交流功率（2）放大器的效率

：直流电源供给功率HOME1076．非线性失真和噪声系数

非线性失真：由于晶体管的输入特性和输出特性的非线性，从而使输出信号与输入信号相比产生了畸变。

非线性失真也称为谐波失真。若放大器输入信号为单一频率f的正弦波，则根据傅氏级数理论，输出应包含频率分量为f、2f、3f······输入信号倍频的分量。频率为f的分量称为基波分量，频率为2f、3f······分量统称为谐波分量。基波分量幅度最大。2.1.3

放大器主要性能指标(1)非线性失真HOME108非线性失真系数U1基波分量电压有效值，U2、U3等为2次、3次等谐波分量电压有效值噪声系数

定义为

2.1.3

放大器主要性能指标(2)噪声系数HOME109

2.1.4放大器的传输特性传输特性传输特性产生弯曲表示放大器将产生非线性失真。HOME1102.2放大电路的分析方法2.2.1静态分析2.2.2动态分析HOME111注意：静态分析和动态分析对应放大器通路不同，分析方法也不同，两类分析不能混淆，不能混用。

先作静态分析，知道放大器的直流工作状态后再作动态分析。2.2.1

静态分析HOME112静态分析的目的：

确定静态工作点—

—Q点两种方法：解析法和图解法2.2.1

静态分析HOME113工作在放大状态下的晶体三极管，发射结处于正偏，集电结处于反偏。晶体管导通时，有硅管锗管常取

1．解析法

2.2.1

静态分析HOME114输入回路2.2.1

静态分析

1．解析法

输出回路HOME115例2-2

某放大器的直流通路如图（a）所示，试用解析法求、的表达式。解:将图（a）用戴维宁定理化简得（b），图中2.2.1

静态分析HOME116所以2.2.1

静态分析发射极支路的电阻Re折合到基极支路要乘以基极支路的电阻Rb折合到发射极支路要除以HOME1172.2.1

静态分析HOME118通过作图对各极电流、电压进行分析的一种方法。这是一种普遍使用的方法，即无论管子工作在何种状态，均可用图解法分析。

2．图解法

2.2.1

静态分析HOME119图解法步骤（1）画出直流通路;（2）分别写出输入、输出回路的外部条件方程;（3）在输入、输出特性曲线上作出外部条件方程,找出交点即为静态工作点。2.2.1

静态分析HOME120(1)输入回路输入回路外部条件方程输入特性曲线外部特性2.2.1

静态分析HOME121(2)输出回路输出回路外部条件方程输出特性曲线直流负载线2.2.1

静态分析HOME122根据已知的输入信号，求出各极电流、电压的波形，进而观察波形失真情况或求出电压放大倍数、电流放大倍数。分析方法：图解法和微变等效电路法2.2.2

动态分析HOME123设输入信号则1．图解法如图，根据输入电压信号波形就可以对应画出电流波形。Q点处，当输入信号幅度较小时，可以用切线代替输入特性曲线。(l)作出输入回路的交流负载线-求波形输入回路直流外条件方程，求Q点时用2.2.2

动态分析HOME124由得于是式中(2)输出回路的交流负载线——

求，波形2.2.2

动态分析(l)作出输入回路的交流负载线——求波形HOME125于是过Q点作一斜率为

的直线，即为交流负载线。2.2.2

动态分析(2)输出回路的交流负载线—

求，波形HOME126如图，根据输入电流信号波形就可以对应画出输出电流及电压波形。2.2.2

动态分析直流负载线交流负载线HOME127放大器各点波形注意输出电压与输入电压的相位关系。2.2.2

动态分析HOME128（3）最大不失真输出电压

截止失真点位置偏低输入信号较大2.2.2

动态分析HOME129点位置偏高输入信号较大饱和失真2.2.2

动态分析（3）最大不失真输出电压

HOME130最大不失真输出电压幅度为（3）最大不失真输出电压

2.2.2

动态分析HOME1312.2.2

动态分析例2-3

图（a）所示电路，已知，C1、C2

对交流可视为短路。求（1）最大不失真输出电压为多大？

（2）设晶体管的饱和压降，

应调节到什么数值，才能使不失真输出电压为最大？HOME1322.2.2

动态分析解：（1）根据已知条件可求得Q点坐标：交流负载线方程为HOME1332.2.2

动态分析作出交流负载线

最大不失真输出电压首先受到进入截止区的限制。

（2）由图可知，为了扩大动态运用，应减小，抬高工作点，使工作点位于交流负载线中点附近

HOME1342.2.2

动态分析

又

解得

HOME135基本思想：用线性等效电路取代工作在线性放大状态的晶体三极管。2．H参数微变等效电路法2.2.2

动态分析（1）H参数等效电路微分HOME136

定义

(单位为Ω)(无量纲)(单位为S)(无量纲)共射接法输入开路时的电压反馈系数

共射接法输出短路时的电流放大系数

共射接法输出短路时的输入阻抗共射接法输入开路时的输出导纳

低频情况下约为0.3～

3kΩ低频情况下约为10-4～

10-3低频情况下约为20～

200低频情况下约为5～100μS2.2.2

动态分析HOME137对于交流信号输入或2.2.2动态分析HOME138H参数等效电路形式2.2.2动态分析HOME139忽略基调效应，即忽略对的影响，有因此简化的H参数等效电路2.2.2动态分析HOME140画H参数等效电路应注意的问题:2.2.2动态分析

●

只对交流低频小信号等效,电路中与交流有关的保留，直流电压源短路,直流电流源开路。●使用时注意受控电流源的方向与控制变量的方向存在对应关系。的方向可以任意假设,若假设流入基极,则受控电流源由集电极流向发射极;反之若假设由基极流出,则受控电流源由发射极流向集电极。●等效电路与管子类型和电路组态无关。●等效电路的参数与工作点Q的位置有关。HOME141电路如图所示，已知hie=1kΩ

，hre=0，hfe=50，hoe=20μS，设

、和对交流可以认为短路，试计算放大器主要性能指标、和

。例2-4。2.2.2动态分析HOME142解：交流等效电路如图所示，有2.2.2动态分析HOME143由输出电阻的定义，其等效电路如图所示。2.2.2动态分析HOME144对于本例，若采用简化的H参数等效电路，即忽略的影响，则

由此可见，用简化H参数等效电路计算，误差很小，在工程上是允许的。2.2.2动态分析HOME145

（）、（）用H参数测试仪或利用晶体管特性曲线图示仪测量

或发射结电阻

令基区体电阻则（2）H参数的确定通常不超过200Ω2.2.2动态分析HOME1462.2.2

动态分析HOME1472.3晶体管偏置电路2.3.1固定偏流偏置电路2.3.2分压式偏置电路2.3.3电流源偏置电路HOME1482.3.1固定偏流偏置电路缺点：工作点不稳定，容易受到温度的影响。HOME1492.3.2分压式偏置电路若满足

＞＞＞＞

可见，电流只取决于外电路，与晶体管参数无关HOME150

2.3.3电流源偏置电路1.基本电流源图中两只三极管制造工艺和结构完全相同，即任何时候均有UBE1=UBE2，所以HOME151

所以由于输出电流IC2与输入电流I相等，即构成一镜像关系，所以也称基本电流源为镜像电流源。2.3.3电流源偏置电路HOME152

因此由基本电流源特性可知：当两管工作在放大区时，曲线并非水平，IC2随着UCE2的增大而稍有增大，并不是固定的，这说明镜像电流源不是恒流源。2.3.3电流源偏置电路HOME153

应用电路2.3.3电流源偏置电路VT2是放大管，VT1和VT2又组成基本电流源电路取HOME154

2.

威尔逊（Wilson)电流源VT1和VT2构成了基本电流源，VT3是为了改进其性能而引入的。2.3.3电流源偏置电路HOME155

2.3.3电流源偏置电路HOME156

当3只晶体管都工作在放大区时，输出电流IC3与U3无关。2.3.3电流源偏置电路HOME157

3.

小电流电流源要求的输出电流较小时，应采用小电流电流源。2.3.3电流源偏置电路HOME158

由图又有则只要给定和，就可求出。2.3.3电流源偏置电路HOME159

解：

例2-5

图所示电路中，已知

，，求(基极电流可忽略不计)。

2.3.3电流源偏置电路HOME160

比例电流源两管特性相同时有由图又有所以2.3.3电流源偏置电路HOME1612.4放大器3种基本组态2.4.1共射放大电路2.4.2共基放大电路2.4.3共集放大电路2.4.4三种放大电路的性能比较2.4.5射极带有电阻的共射放大器2.4.6有源负载放大器HOME162哪个极为输入电路和输出电路的公共端即称为共什么极电路共射(CommonEmitter简写为CE)共基(CommonBase简写为CB)共集(CommonCollector简写为CC)2.4放大器3种基本组态HOME1632.4.1共射放大电路HOME1641.电流放大倍数2.4.1共射放大电路HOME1652.输入电阻2.4.1共射放大电路HOME1663.电压放大倍数和2.4.1共射放大电路HOME1674.输出电阻如果晶体管hoe不可忽略，则2.4.1共射放大电路HOME1682.4.2共基放大电路HOME1691.电流放大倍数2.4.2共基放大电路HOME1702.输入电阻2.4.2共基放大电路HOME1713.中频电压放大倍数、其中2.4.2共基放大电路HOME1724.输出电阻2.4.2

共基放大电路HOME173考虑时2.4.2共基放大电路4.输出电阻HOME1742.4.3共集放大电路HOME1751.电流放大倍数2.4.3共集放大电路HOME1762.输入电阻2.4.3共集放大电路HOME1773.电压放大倍数、2.4.3共集放大电路HOME178则所以4.输出电阻2.4.3共集放大电路HOME179CE电路CB电路CC电路大大大小小中小大小大2.4.4三种放大电路的性能比较HOME180例2-7

2.4.5射极带有电阻的共射放大器发射极带有电阻的放大器如图所示。设

试用简化的H参数等效电路计算放大器主要性能指标、和

、。HOME181解:

先求静态工作点，然后再进行交流分析。2.4.5射极带有电阻的共射放大器（1）求

设

HOME1822.4.5射极带有电阻的共射放大器（2）计算

、和电路的简化H参数等效电路

HOME183当,则电压放大倍数与晶体管参数基本无关，提高了中频电压放大倍数的稳定性。HOME184例2-8

电路如图所示，要求：（1）分析图(a),(b),(c)各为何种放大组态？（2）分别求;

（3）设，电容对交流视为短路，计算。2.4.5射极带有电阻的共射放大器HOME185解：（1）（a）CE组态；（b）CE组态（c）CB组态（2）放大器（a）的直流通路如图所示，2.4.5射极带有电阻的共射放大器HOME186（2）放大器（b）的直流通路如图所示。2.4.5射极带有电阻的共射放大器HOME187（2）放大器（c）的直流通路如图所示，HOME188（3）放大器（a）的交流通路如图所示，HOME189（2）放大器（b）的性能指标，HOME190（2）放大器（c）的交流通路如图所示，HOME1912.4.6

有源负载放大器

电流源电路不仅用来确定静态工作电流，而且经常作为负载使用。1.什么是有源负载用有源器件构成的对直流呈现小电阻，对交流呈现大电阻的电路。HOME1922.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路a、b两端等效直流电阻

HOME1932.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路直流电阻的几何意义是Q点与原点之间连线斜率的倒数

a、b两端呈现的交流电阻为VT的输出电阻几何意义是过Q点作切线，其斜率的倒数显然交流电阻远大于直流电阻

HOME1942.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路为了增大a、b两端呈现的交流电阻HOME1952.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路a、b两端呈现的直流电阻

a、b两端交流呈现的电阻

HOME1962.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路

HOME1972.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路

双极晶体管有源负载电路------基本电流源VT2

的a、b两端呈现的交流电阻为

HOME1982.4.6

有源负载放大器2.构成有源负载的电路

双极晶体管有源负载电路-------微电流源HOME199、组成偏置电流源组成共射放大器对直流呈现小电阻对交流呈现大电阻大大提高了电压放大倍数，而又不需要选用很高的电源电压。2.4.6

有源负载放大器3.有源负载双极型晶体管放大器小信号分析HOME200在放大区小信号工作时2.4.6

有源负载放大器3.有源负载双极型晶体管放大器小信号分析HOME2012.4.6

有源负载放大器3.有源负载双极型晶体管放大器小信号分析改进型有源负载放大器HOME2022.5多级放大器2.5.1耦合方式2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME203电容耦合直接耦合变压器耦合常见的三种耦合方式：HOME2.5.1耦合方式204①各级静态工作点是互不影响、各自独立的；②只要信号频率不是太低，耦合电容的容量足够大，就可使信号顺利通过。在分立元件电路中获得了广泛的应用。1.

电容耦合2.5.1耦合方式HOME205放大器信号能顺利传递。各级间直流工作状态互相影响。采用稳压管避免电压钳制(UCE1受UBE2钳制)问题。集成电路中广泛应用。2.直接耦合2.5.1耦合方式HOME206功率放大器中有时采用。

可根据需要恰当地选择初级与次级的匝数比，实现阻抗变换。但变压器体积、重量都比较大，频率特性差，应用较少。3.

变压器耦合2.5.1耦合方式HOME2071．输入电阻2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME208

2．电压放大倍数

和

多级放大器的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME2093．输出电阻电流放大倍数2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME210例2-9

电路如图所示，已知计算：2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME211解:

图中所示的两级放大器第一级是射极跟随器，第二级是共射放大器。(1)计算

2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME2122.5.2多级放大器性能指标的计算HOME213(实际上

组成射随器可以认为

,而不必计算。)(2)计算和：2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME214(2)计算和：2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME215(3)计算

：2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME216例2-10

一两级放大器的原理电路图如图所示,求、和的表达式。2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME217解:

该电路的交流通路如图所示，放大器为CE-CB组态由图可知2.5.2多级放大器性能指标的计算HOME2182.5.2多级放大器性能指标的计算HOME2192.6放大器表示法HOME2202.6放大器表示法HOME2212.7放大器的频率响应2.7.1

线性失真2.7.2

单级放大器的频率响应2.7.3

多级放大器的频率响应HOME222

由于放大电路中存在电抗元件(电容、电感等），所以在放大含有丰富频率成分的信号（如语音信号、脉冲信号等）时，导致输出信号不能重现输入信号的波形，这种在线性系统中产生的失真称为线性失真。2.7.1

线性失真丰富频率成分的信号电路中有电抗元件输出畸变线性失真HOME223

RC电路如图所示，当输入信号为周期为1ms的方波时，画出输出电压波形。1.

线性失真含义2.7.1

线性失真HOME224

对输入信号做傅立叶分解，可见输入信号中包含丰富的频率成分。

由于电容C对于不同频率呈现不同容抗，从而，使输出波形产生了失真。

由于RC电路是线性电路，可以用叠加原理，将输入信号的各个频率分量分别作用于RC电路，最后在输出端求和。2.7.1

线性失真1.

线性失真含义HOME225幅度失真：(与振幅频率特性有关)

放大器对输入信号的不同频率分量的放大倍数大小不同，使输出信号各个频率分量的振幅相对比例关系发生了变化，从而导致输出波形失真。2.7.1

线性失真1.

线性失真含义HOME226输入信号由基波、二次谐波和三次谐波组成输入信号谐波振幅比为10:6:2输出信号谐波振幅比为10:3:0.5因此出现失真。2.7.1

线性失真HOME227

放大器对输入信号的不同频率分量滞后时间不相等而造成的输出波形失真。相位失真：(与相位频率特性有关)2.7.1

线性失真1.

线性失真含义HOME228即从幅频特性上看放大倍数的幅值与频率无关。不产生幅度失真的条件2.7.1

线性失真1.

线性失真含义HOME229从相频特性上看放大器对各频率分量滞后时间相同滞后时间不产生相位失真的条件2.7.1

线性失真1.

线性失真含义HOME230实际上要完全满足这两个不失真条件是困难的，也是没有必要的。因为对于要放大的输入信号，其主要频率成份总是集中在一定的频率范围内，通常称为信号带宽。对于幅度失真：只要放大器的通频带略大于信号带宽，就可以忽略幅度失真。对于相位失真：在话音通信中的中的放大器，可以不考虑相位失真，但在图像通信中的放大器，则必须考虑。2.7.1

线性失真1.

线性失真含义HOME231

⑴产生原因不同：线性失真是含有电抗元件的线性电路产生的失真。

非线性失真是含有非线性元件（如晶体管、场效应管等）的非线性电路产生的失真。2.7.1线性失真1.

线性失真含义

和非线性失真的区别HOME232

线性失真的大小与输入信号幅度的大小无关，而非线性失真的大小与输入信号幅度大小密切相关（对于放大电路还与Q点位置有关）。

⑵

产生结果不同：

线性失真不会产生新的频率成分;

非线性失真产生了输入信号所没有的新的频率成分。1.

线性失真含义

和非线性失真的区别2.7.1

线性失真HOME233例2-11：某放大器中频电压增益，下限频率，上限频率，最大不失真输出电压为10V，当输入信号为下列情况时，判断输出信号是否失真？如是，为何种失真？2.7.1线性失真HOME234

该信号包含两个频率信号:1.5KHz和50KHz，均处于中频区，故不会产生线性失真；但1.5KHz分量的信号幅度远大于线性区允许的输入电压幅度最大值，即信号的最大值为10V，故会产生严重的非线性失真。解：

该信号为单频信号，虽然该信号，放大倍数会降低，但输出仍为单频正弦波，不存在线性失真；线性区允许的输入电压的最大幅值为10/10=1V,故不会产生非线性失真。2.7.1

线性失真HOME235

该信号的两个频率分量：1.5KHz处于中频区,150KHz处于高频区，故会产生线性失真。两个信号分量的幅度均小于允许的输入电压最大值，叠加之后的信号在t为处有最大值0.1V，故不产生非线性失真。

该信号的两个频率分量：3Hz处于低频区，1.5KHz处于中频区，故产生线性失真；叠加后的信号在t为s有最大值为0.2V，故不产生非线性失真。2.7.1

线性失真HOME2362.7.1

线性失真

幅频特性波特图：横坐标用频率对数刻度，纵坐标用dB表示，描述幅频特性曲线。2.分析方法根据系统的转移函数，画出其幅频特性和相频特性

相频特性波特图：横坐标用频率对数刻度，纵坐标用度(或弧度)表示，描述相频特性曲线。

采用渐近线波特图方法。HOME2372.7.1

线性失真2.分析方法例2-12

画出图所示的RC低通电路的渐近线波特图，并进行误差分析。解：

对于正弦输入信号

s＝jω＝j2πƒ

令

HOME238幅值为

2.7.1线性失真相角为

HOME239

当时，幅频特性是斜率为－20dB/十倍频的斜线。当时，幅频特性为0dB；2.7.1线性失真1）幅频特性渐近线波特图HOME2402)相频特性渐近线波特图2.7.1线性失真HOME2412.7.1

线性失真3)误差分析f00-0.04-0.3.01-20.040-5.70-45-84.30-90当为放大器的上限频率

-HOME2422.7.1

线性失真2.分析方法例2-13

画出图所示的RC高通电路的渐近线波特图。解：

对于正弦输入信号

s＝jω＝j2πƒ

令

HOME243幅值为

2.7.1

线性失真相角为

HOME2442.7.1

线性失真1）幅频特性渐近线波特图HOME2452)相频特性渐近线波特图2.7.1

线性失真HOME2461.

混合π型等效电路

考虑到PN结的电容效应及晶体三极管的性质，可得到晶体三极管的物理模拟电路。体电阻：基区体电阻通常为10～100Ω集电区体电阻发射区体电阻一般都小于10Ω2.7.2

单级放大器的频率响应HOME247：折合到基极支路的发射结正向电阻:表示输出电压对输入电压的反馈作用，约为几MΩ:表示输出电压对输出电流的影响，约为10-1000kΩ:集电结电容，约为

2～10pF:发射结电容，约为100～500pF2.7.2

单级放大器的频率响应HOME2482.7.2单级放大器的频率响应HOME249

忽略发射区和集电区体电阻，将三极管接成共射接法，可得到晶体管的高频混π等效电路。

由等效电路中可看出，输入和输出被连到一起，使得分析复杂化，因此需要简化等效电路。

由于约为几MΩ，通常满足所以可以将断开。2.7.2单级放大器的频率响应HOME250（1）密勒定理节点0为参考节点节点1为输入节点节点2为输出节点

Z为跨接在输入和输出之间的阻抗目的：将阻抗Z等效到输入回路和输出回路中。2.7.2单级放大器的频率响应1.

混合π型等效电路HOME251令：则：即：同理2.7.2单级放大器的频率响应（1）密勒定理HOME252

根据上述分析，可以将跨接阻抗等效为一折合到输入端的并联阻抗Z1和输出端的并联阻抗Z2。2.7.2单级放大器的频率响应HOME253例2-14

如图电路，用密勒定理将图(a)电路等效为图(b)，求图(b)中的C1、C2为何值。解：2.7.2

单级放大器的频率响应HOME254根据密勒定理的结论，可得其中：

输入端为b'e端，输出端为ce端；的容抗即为跨接在输入输出间的阻抗。2.7.2

单级放大器的频率响应（2）简化混π等效电路HOME255并且其容抗和rce一般均远大于交流负载电阻，因此可忽略不计。简化混合π型等效电路也称为单向化模型。2.7.2单级放大器的频率响应（2）简化混π等效电路HOME256

2.频率响应分析输入、输出耦合电容:旁路电容：三极管极间电容：在分析频率响应时，采用分频区分析法，即划分成低频、中频和高频三个不同的区域进行分析。通常，C1、C2和Ce的容量较大(以μF为单位)，而的容量较小(以pF为单位)2.7.2单级放大器的频率响应HOME257特点：所有电容的影响均可忽略不计。中频区等效电路如下:

在中频区，由于的容量大，即容抗小，因此可以视为短路；而极间电容容量小，即容抗大，因此可以视为开路。(1)中频区频率响应分析2.7.2

单级放大器的频率响应

2.频率响应分析HOME2582.7.2

单级放大器的频率响应(1)中频区频率响应分析

2.频率响应分析中频区源电压放大倍数：可见，中频区电压放大倍数是一个与频率无关的常数。HOME259(1)低频区频率响应分析2.7.2

单级放大器的频率响应

2.频率响应分析特点：考虑C1,C2,Ce的作用

根据容抗的计算公式，，由于频率ω降低，极间电容更可被视为开路，而耦合电容和旁路电容的容抗增大，不能再视为短路。多数情况下，射极旁路电容Ce的容量很大，因此其容抗很小，所以即使在低频区仍将其视为短路。HOME2602.7.2

单级放大器的频率响应(1)低频区频率响应分析

2.频率响应分析低频区源电压放大倍数：输入回路时间常数输出回路时间常数HOME261

可见，只要算出有电容的回路的时间常数，即可可计算由该电容所确定的下限角频率。当输入为正弦信号时：2.7.2

单级放大器的频率响应(1)低频区频率响应分析

2.频率响应分析HOME262幅频特性相频特性2.7.2

单级放大器的频率响应(1)低频区频率响应分析

2.频率响应分析HOME263(1)高频区频率响应分析2.7.2

单级放大器的