模拟与数字电路

第1章半导体元器件1.1半导体基础知识1.2PN结1.3半导体二极管1.4半导体三极管1.5场效应晶体管本章介绍构成模拟集成电路的基础器件：二极管、三极管和场效应管。重点分析它们的结构、特性、主要参数等，还介绍二极管的应用、特殊二极管的功能等，并说明放大电路中三极管、场效应管的工作特点，指出三极管工作状态在模拟及数字电路中的不同。学习要点1.了解半导体物理知识和PN结的形成；熟悉PN结的特性，掌握二极管、三极管和场效应管的工作原理、基本方程、特性、主要参数、近似等效电路和使用注意事项。2.了解温度对半导体器件性能的影响以及锗管和硅管的性能差别。3.能解释下列名词术语：本征半导体，杂质半导体，多数载流子，空间电荷区，扩散电流和漂移电流；沟道，夹断，预夹断，耗尽型，增强型，夹断电压UP，开启电压UT，零栅饱和漏电流IDSS和跨导gm。1.1半导体基础知识1.1.1什么是半导体1.1.2本征半导体1.1.3杂质半导体1.1.1什么是半导体在日常生活中，将常见的容易导电的金、银、铜、铝等金属称为导体；而普通的塑料、陶瓷、橡胶等则几乎不导电，称为绝缘体。半导体因其导电能力介于导体和绝缘体之间而得名，如锗、硅和砷化镓（其化学元素符号分别为Ge、Si和GaAs）是3种主要的半导体材料。半导体之所以在现代科学技术中得到广泛的应用，不在于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是因为它具有下面两个物理性质。1.半导体的导电性能很容易改变（1）半导体的电导率可以随加入的杂质发生显著的变化。（2）温度的变化也会使半导体的电导率发生显著的变化。（3）光照不仅可以改变半导体的电导率，而且还可以产生电动势，称这种现象为半导体的光电效应。2.半导体导电性能的改变是可以控制的1.1.2本征半导体1.硅和锗晶体的共价键结构由原子理论知道，组成物质的原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，电子分几层围绕着原子核不停地运动。当最外层电子有8个时才处于稳定状态。目前，用得最多的半导体材料是锗和硅，它们的原子结构如图1-1-1所示。图1-1-1硅（锗）原子简化图锗和硅最外层电子都是4个，所以称它们为四价元素。外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。半导体的导电性能与价电子有关。半导体材料在固态下是晶格结构。在半导体元器件的制作工艺中，首先要将半导体材料提纯并拉成单晶体，即在整个材料内部，原子之间整齐排列。纯净的半导体单晶体称为本征半导体。当硅(锗)材料制成纯单晶体时，它的原子排列就由杂乱无章变成了非常整齐的状态。由于原子间距离很近，原来隶属于每个原子的价电子就要受到相邻原子的影响，使价电子为两个原子所共有，从而形成了单晶体中的“共价键”结构，如图1-1-2中①所示。图1-1-2硅或锗材料的共价键结构在绝对温度0K(即-273℃)，又无外部激发时，由于共价键中的价电子被束缚着，半导体中没有可以自由运动的带电粒子——载流子。因此，即使有外电场作用也不能产生电流。此时的半导体相当于绝缘体。

2.本征半导体中的两种载流子——自由电子和空穴但是当有外部激发，如温度升高或光照时，就会使一些价电子在获得能量后，挣脱共价键的束缚，而成为自由电子，也叫电子载流子，电荷量等于-q，这种现象称为本征激发。当价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，在共价键中就留下一个空位子，叫空穴，如图1-1-2中②所示。当邻近共价键内的价电子跑过来填充这个空穴，在原来的位置产生一新的空穴，这种情形相当于空穴在移动。空穴是由于失去价电子形成的，所以它是带正电（+q）的载流子。综上所述，本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。它们是成对出现的，也叫做“电子空穴对”。由于两者电荷量相等，极性相反，所以，本征半导体是电中性的。

半导体在外电场作用下，通过它的电流可以看作是由两部分组成：一部分是自由电子逆电场方向定向运动形成的电子电流；另一部分是共价键中价电子填补空穴形成的空穴电流，如图1-1-2中③所示，即半导体中的电流为电子电流和空穴电流之和。实践和理论证明，随着温度的升高，电子空穴对将迅速增多，其增加速度，比指数律还快。利用本征半导体的掺杂特性，人为地掺入少量其他元素(称为杂质)，可以制成杂质半导体，从而使半导体的导电性能发生显著的改变。利用这一特性，制成了各种性能的半导体器件。根据掺入杂质性质的不同，可分为电子型半导体和空穴型半导体两种。1.1.3杂质半导体因为电子带负电，取英文单词“Negative”(负)的第一个字母，所以电子型半导体又称为N型半导体；空穴带正电，取英文单词“Positive”(正)的第一个字母，空穴型半导体又称为P型半导体。在本征半导体中掺入少量的五价元素如磷、砷、锑等，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，便形成了N型半导体。图1-1-3所示为一个磷原子代替一个锗原子后，晶体的结构示意图。1.N型半导体图1-1-3N型半导体晶体结构示意图在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼、铝和铟等，可以形成P型半导体，硼原子在与锗原子构成共价键时，将因缺少电子而出现空穴，在温度不是很高的情况下，这些空穴比较容易吸引附近的电子来填充，形成空穴导电。图1-1-4所示为一个硼原子在晶体上取代一个锗原子的晶体结构示意图。在P型半导体中，由于三价元素硼原子起着接受电子的作用，所以称其为“受主杂质”或P型杂质。2.P型半导体图1-1-4P型半导体晶体结构示意图1.2PN结1.2.1PN结的形成1.2.2PN结的单向导电性1.2.3温度对伏安特性的影响1.2.4PN结的反向击穿1.2.5PN结的电容效应在一块半导体的一端掺入受主杂质，形成P型半导体；另一端掺入施主杂质，形成N型半导体，于是在它们的交界处，就形成了一个PN结。PN结是许多半导体器件的重要组成部分。1.2.1PN结的形成在室温下，P型半导体内每一个受主杂质将产生一个空穴，同时形成一个负离子；N型半导体内每一个施主杂质将产生一个自由电子，同时形成一个正离子。于是在两种杂质半导体的交界处，由于P型半导体(又称P区)内空穴为多子，N型半导体(又称N区)内电子为多子，存在很大的浓度差，所以，空穴将越过交界面由P区向N区运动。图1-2-1载流子分布浓度差引起扩散运动同理，电子也会由N区向P区运动，通常把这种由载流子浓度差引起的现象称为扩散，如图1-2-1所示。扩散运动的结果，一是进入对方区域后，多子身份变为少子，很快就被复合掉了；另一个是在交界面两侧留下了不能移动的正负离子，形成了一个正负离子区，亦称空间电荷区，如图1-2-2所示。这个区域的载流子因扩散和复合而消耗掉了，所以又称为耗尽区。图1-2-2平衡状态下的PN结在交界面两边的正负电荷间必然有电场存在，这个电场称为内建电场，电场方向由N区指向P区，它所产生的电位差UD(又叫接触电位差)使N区的电位高于P区的电位。由图1-2-2可见，这个电场具有阻止多数载流子扩散的作用，所以，人们又把耗尽区称为势垒区或位垒区。与此同时，内电场将使N区的少子空穴向P区运动，使P区的少子电子向N区运动，通常把这种现象称为漂移。1.2.2PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压(PN结导通)电源电压通过限流电阻加在半导体的两端，其正极接P、负极接N。电源的这种接法称为外加正向电压，也叫正向偏置，简称“正偏”，如图1-2-3(b)所示。所以，PN结加正向偏压时是导通的。图1-2-3PN结外加正向电压如果将外部电压的负端接P区，正端接N区，称为外加反向电压，或称反向偏置(反偏)，如图1-2-4(b)所示。当PN结反向偏置时，基本是不导通的。但当温度升高时，由于本征激发而产生的少数载流子增多，反向电流也就增大。温度每升高1℃时，反向电流增加约7%。因为(1.07)１０≈2，故可认为，温度每升高10℃时，反向电流增加一倍。2.PN结外加反向电压(PN结截止)图1-2-4PN结外加反向电压3.伏安特性图1-2-5伏安特性曲线当温度升高时，由于分子的热运动加剧，载流子动能加大，所以在uBE还未达到导通电压值时，就有大量载流子越过发射结扩散到基区，表现在PN结的特性上，正向特性使曲线略向上移；少数载流子浓度迅速增加而导致反向饱和电流Is显著增大，使反向特性曲线下移，如图1-2-6所示。1.2.3温度对伏安特性的影响图1-2-6PN结的温度特性1.2.4PN结的反向击穿在测量PN结的伏安特性时，如果外加的反向电压增大到一定数值时，反向电流会突然增加，如图1-2-7所示。把这种现象称为PN结的反向击穿，发生击穿所需要的电压称为击穿电压UB。PN结被击穿后，如果对其电流不加限制，PN结有可能由于过热而造成永久性损坏。PN结反向击穿的物理原因有如下两种。图1-2-7PN结的击穿在高浓度掺杂的情况下，PN结的势垒区很窄，较小的反向电压就可在结内形成很强的电场，把某些共价键内的价电子强拉出共价键，使载流子迅速增加，导致反向电流剧增，这种现象称为齐纳击穿。1.齐纳击穿在低掺杂浓度下PN结的势垒区相对较宽，较高的反向电压还不足以在结内产生过强的电场，但由于载流子穿过结的路程较长，在获得足够的能量后，高速与原子碰撞，把价电子从共价键中撞出来，产生新的电子空穴对。这些新的载流子被电场加速后，又可撞出其他的价电子，载流子会雪崩式地倍增，导致反向电流激增，这种现象称为雪崩击穿。2.雪崩击穿1.2.5PN结的电容效应1.势垒电容CB当PN结外加正向电压增大时，P区和N区的多子便进入势垒区，并与那里的一部分正、负离子相中和，使空间电荷减少，势垒区变窄。反之，当外加反向电压的数值增大时，多子远离PN结，使势垒区的空间电荷增多，势垒区变宽。外加电压的变化，引起了PN结空间电荷的改变，从而显示出PN结的电容效应。通常把由势垒区宽窄变化所呈现出的电容效应称做势垒电容CB。PN结的正向电流是由P区空穴和N区电子相互扩散形成的。为了使P区形成扩散电流，注入的少数载流子电子沿P区必然有浓度差，在结的交界处浓度大，离结远的地方浓度小，也就是在P区有电子的积累，同理，在N区也有空穴的积累。2.扩散电容CD当PN结正向电压加大时，正向电流随着加大，就要有更多的载流子积累起来以满足电流加大的要求；而当正向电压减小时，正向电流减小，积累在P区的电子或N区的空穴就要相对减小，从而显示出PN结的电容效应。通常把扩散引起的电容效应称为扩散电容CD。总之，PN结有两种电容效应，等效为与PN结并联，其总电容值为两者之和，即，C0=CB+CD。显然，正向偏置时，PN结的结电容以扩散电容为主；反向偏置时，以势垒电容为主。1.3半导体二极管1.3.1二极管的结构和符号1.3.2二极管的伏安特性1.3.3二极管的主要参数1.3.4二极管的等效电阻1.3.5二极管等效电路1.3.6特殊二极管1.3.7二极管的应用一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来(集成电路则不单独封装)，就构成了半导体二极管，简称二极管。1.3.1二极管的结构和符号二极管的结构和符号，如图1-3-1所示。图1-3-1二极管的结构和符号点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以结电容很小，一般在1pF以下，因此工作频率很高，可达100MHz以上。其缺点是不能承受较高的正向电压和通过大的电流。因此，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型的二极管PN结面积大，结电容也大，因此工作频率低。但是，它能通过较大的正向电流，且反向击穿电压高，工作温度也较高，所以多用在低频整流电路中。1.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性可以通过逐点测试描绘，也可以从晶体管图示仪直接描绘。由于二极管是由一个PN图1-3-2二极管伏安特性曲线结构成的，所以它具有PN结的导电特性。其伏安特性方程式为式(1-2-1)，即由于理想伏安特性曲线基本上反映了二极管的特性，所以在定量分析中，式(1-2-1)还是有效的。图1-3-2所示为不同材料（硅、锗）构成的二极管的伏安特性曲线。可以看出，二极管正向偏置时，外加正向电压大于某值电流才能迅速增加，定义该电压值为二极管死区电压Ud。锗和硅二极管的死区电压分别为0.1V和0.5V。图1-3-2二极管伏安特性曲线1.3.3二极管的主要参数二极管的参数一般可以从器件手册中查到，也可从特性曲线上求出，或直接测量得到。（1）最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许承受的最大正向平均电流，其大小由PN结的面积和散热条件决定。（2）最大反向工作电压UR：指二极管运行时允许承受的最大反向电压。为避免二极管反向击穿，通常将二极管反向击穿电压UB的一半定为UR。（3）反向电流IR：它是管子未击穿时反向电流的数值。反向电流越小，管子的单向导电性越好。温度对反向电流影响很大，在使用时应加以注意。（4）最高工作频率fM：它主要决定于PN结结电容的大小。使用时，如果工作频率超过fM，二极管的单向导电性将因结电容的存在变差。1.3.4二极管的等效电阻二极管端电压与流过的电流之比，称为二极管的等效电阻。二极管是一个非线性器件，不同的端电压，会有不同的等效电阻。二极管的等效电阻在不同工作状态下有不同数值。1.直流电阻(又称为静态电阻)RD图1-3-3二极管直流电阻和交流电阻2.交流电阻(又称为微变电阻或动态电阻)rd1.3.5二极管等效电路二极管是一个非线性器件。在工程上为了便于分析，通常在一定条件下，用等效电路来代替二极管。最简单的二极管电路如图1-3-4所示。当二极管导通电压UD、正向电阻与外加电源电压、负载电阻相比可以忽略时，就可用等效曲线来代替二极管实际伏安特性，如图1-3-5所示。图1-3-4简单二极管电路实质是把二极管看成一个开关。当给二极管施加正向电压时，二极管导通，其正向电阻为零；加反向电压时，二极管截止，其反向电阻为无限大。通常把具有这种特性的二极管称为理想二极管。图1-3-5理想二极管特性曲线图1-3-6考虑导通电压时的二极管特性及等效电路如果正向电阻与负载电阻相比，可以忽略，但导通电压不能忽略时，就相当于把二极管的实际伏安特性用图1-3-6(a)所示等效曲线来代替。这种情况实质是把二极管看成为一个理想二极管和电压源相串联，如图1-3-6(b)所示。图1-3-7二极管等效电路当外加电压超过导通电压时，二极管导通，正向电阻为零；当外加电压低于导通电压时，二极管截止，反向电阻为无限大。如果导通电压与正向电阻都不可忽略时，就相当于把二极管实际伏安特性用图1-3-7(a)所示的两段折线来代替。在这种情况下，实质是把二极管用一个理想二极管、电压源和正向电阻来等效，如图1-3-7(b)所示。当外加电压超过导通电压时，二极管导通，正向电阻为rd；当外加电压低于导通电压时，二极管截止，反向电阻为无限大。正常工作时，导通电压硅管UD=0.6~0.8V，锗管为0.1~0.3V。1.3.6特殊二极管除了上述普通二极管外，还有一些特殊用途的二极管，如稳压二极管、变容二极管、发光二极管等。稳压二极管简称稳压管。从原理上讲，它与普通二极管没什么两样，只是在制造工艺上采取了一些措施，以保证有足够的耗散功率容量，使其能在击穿区内安全工作。由于硅材料的温度稳定性较好，稳压管都是用硅材料做成的，所以又叫“硅稳压管”。它在击穿区的伏安特性及符号，如图1-3-8所示。1.稳压二极管图1-3-8稳压管的稳压特性及符号稳压管的主要参数如下。(1)稳定电压UZ：UZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。(2)动态电阻rZ：rZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化量与相应电流变化量之比，即(1-3-6)(3)最大允许的工作电流IZM：稳压管的工作电流不应超出此值，否则管子将因过热而损坏。(4)最大允许的耗散功率PZM：它等于UZ与IZM的乘积，即PZM=UZIZM。IZM和PZM均为极限参数。(5)稳定电压的温度系数α：在稳压管中流过的电流为稳定电流IZ时，环境温度每变化1℃，稳定电压UZ的相对变化量称为温度系数，即(1-3-7)它表示温度变化对稳定电压UZ的影响程度。若要求稳压管的温度稳定性较高时，可选用UZ=6V左右的稳压管，或选用具有温度补偿的稳压管，如图1-3-9所示，它是将两个稳定电压UZ相同的管子反向串接而成。图1-3-9温度补偿稳压管利用某些特殊的手段，采用砷、镓、磷等材料制成的二极管，由于它在有电流通过时，能发出光来，所以称作发光二极管，常用LED表示，符号如图1-3-10所示。2.发光二极管图1-3-10发光二极管符号1.3.7二极管的应用1.整流电路整流电路是小功率(200W以下)直流稳压电源的组成部分，其主要功能是利用二极管的单向导电性，将市电电网的单相正弦交流电转变成单向的脉动电压。然后再经滤波电路和稳压电路，得到平滑而稳定的直流电压。图1-3-11单相桥式整流电路图1-3-11所示为一种常见的整流电路，因为图中4个二极管接成电桥形式，所以称为桥式整流电路。(1)工作原理。由图1-3-11可见，电桥的一条对角线顶点接变压器次级电压U2，另一条对角线顶点接负载。在交流电压U2的正半周，变压器次级a点电位高于b点电位，所以二极管VD1和VD2导通，如图1-3-12(a)所示。图1-3-12桥式整流电路的工作原理整流电路虽然能把交流电转变为直流电，但经整流后的输出电压中含有较大的脉动成分。直接用它做放大电路的电源时，会引起严重的谐波干扰。为此通常在整流电路之后引入滤波电路，以保留整流后输出电压中的直流成分，滤除脉动成分，使输出电压接近理想直流电压。(2)滤波电路。最简单的滤波电路是在负载电阻RL两端并联一个大容量的电容，如图1-3-14(a)所示，它是靠电容两端电压不能突变来达到平滑输出电压作用的。图1-3-14(b)所示为经电容滤波后的输出波形。由图可见，输出电压值略低于正弦波的峰值，一般按式（1-3-13）估算电路的输出直流电压。Uo＝1.2U2(1-3-13)如果要提高滤波效果，可改用其他的滤波电路如π型RC滤波电路等。图1-3-14电容滤波电路及电压波形通常整流滤波后加接稳压电路。最简单的稳压电路是稳压管稳压电路。2.硅稳压管稳压电路(1)工作原理。硅稳压管稳压电路如图1-3-15所示。整流滤波后的直流电压为稳压电路的输入电压Ui，稳压图1-3-15硅稳压管稳压电路管的稳定电压UZ是稳压电路的输出电压Uo，R为限流电阻。由图中可见，负载上的电压为Uo＝UZ＝Ui-IR(1-3-14)图1-3-15硅稳压管稳压电路总之，硅稳压管稳压电路的稳压功能，是靠稳压管稳压特性和限流电阻R的电压调节作用相互配合来实现的。在工作中，当Ui和RL变化时，又必须保证稳压管电流IZ在IZmin～IZmax的范围内。因此，必须合理选择限流电阻R。(2)限流电阻的选择。当整流滤波电路输出电压最低(Ui＝Uimin)，而负载电流又最大(Io＝Iomax)时，流过稳压管的电流IZ应为最小。此时，IZ不应低于允许的最小值IZmin。由此可以决定R的最大值，即限幅电路是限制输出幅值的电路。通常是有选择地把输入信号的一部分传送到输出端，或者为保护某些电路元件，而把超出门限的幅度削除掉。按二极管在电路中的连接方式不同，可分为串联限幅和并联限幅。3.二极管限幅电路二极管串联限幅电路如图1-3-16(a)所示，由于起限幅作用的非线性器件二极管VD与负载电阻RL相串联，所以叫做串联限幅电路。其输入、输出波形如图1-3-16(b)所示。(1)串联限幅电路。图1-3-16串联限幅电路二极管并联限幅器如图1-3-17(a)所示，由于起限幅作用的非线性器件二极管VD是与负载（未画出）相并联，所以称为并联限幅器。输出不再随输入而变化(为一恒定值)，其输入、输出波形如图1-3-17(b)所示。(2)并联限幅器。图1-3-17并联限幅器二极管双向限幅电路如图1-3-18(a)所示，是由两个并联限幅电路构成，以对输入信号的正负半周幅度均进行限幅，所以称为双向限幅电路。限幅电路进入限幅状态，即把输入信号瞬时值超出UR的部分削掉，其输入、输出波形如图1-3-18(b)所示。这种限幅电路被广泛地应用在各种电子仪表及通信设备中。(3)双向限幅电路。图1-3-18双向限幅电路1.4半导体三极管1.4.1三极管的结构类型1.4.2三极管的工作原理1.4.3三极管特性曲线1.4.4三极管的极限参数半导体三极管（下称三极管）是电子电路中的主要放大器件。其种类很多，按频率分，有高频、低频管之分，按功率分，有小功率和大功率管之分，按半导体材料分，有硅管、锗管之分。三极管在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管。1.4.1三极管的结构类型根据结构的不同，三极管可以分成两种类型：NPN型和PNP型，核心部分是由两个背靠背的PN结组成。对应3个不同的半导体区域，分别引出电极，构成三极管，其结构、示意图和符号如图1-4-1所示。根据每个区域的作用不同，分别定义为发射区（EA）、基区（BA）和集电区（CA）；对应的电极分别称之为发射极（E/e）、基极（B/b）和集电极（C/c）；发射区与基区之间的PN结称为发射结（EJ），集电区与基区之间的PN结称为集电结（CJ）。1.4.2三极管的工作原理1.三极管的工作状态三极管在工作时，发射结和集电结可以加不同的偏置电压，这样便有4种工作状态，如表1-4-1所示。两结均正偏为饱和状态；两结均反偏为截止状态；发射结正偏、集电结反偏为放大状态；发射结反偏、集电结正偏为倒置状态。在模拟电路中，主要运用放大状态。数字电路则运用饱和与截止两种状态。图1-4-1三极管的结构、示意图及符号表1-4-1三极管的4种工作状态根据三极管的工作性能要求，两个反向串联的PN结并不是孤立的，在结构上必须满足3个特点：①发射区掺杂浓度最高；②基区掺杂浓度最低且很薄；③集电结的面积比发射结的面积大。这种结构上的特点是三极管具有放大作用的基础与内部条件。三极管工作时发射结加正向电压，集电结加反向电压称为具有放大用的外部条件。因此，在应用时，集电极（c）和发射极（e）是不能随意互换的。2.三极管放大工作的条件放大状态是三极管工作的基础，亦是最常用的一种状态。NPN型和PNP型三极管的工作原理是相似的，只是电压的极性相反，载流子的类型不同。一个工作在放大状态的NPN型三极管，如图1-4-2所示。3.放大状态下的三极管由图1-4-2可知，三极管3个电极的电流关系为iE＝iC+iB(1-4-1)图1-4-2三极管电流分配示意图由式（1-4-1）可知，iB和iC都是iE的一部分，它们之间的比例关系，取决于晶体管的结构和掺杂情况。管子制作好了，则它们之间的比例关系就确定下来了。如果令iC与iE的比例系数为α，则有iC＝αiE(1-4-2)式中，α称共基极电流放大系数，其意义将在后边说明。由工作过程不难理解，α是小于1的值，由于一般iB甚小，所以α接近于1。4.三极管的重要参数如果令iB和iC的比例系数为β，则有iC＝βiB(1-4-3) 式中，β称为共发射极电流放大系数，其含义待后面说明。因为(1-4-4)可以看出，由于α接近于1，所以β值很大，通常小功率管为20～200，β值可达5000，相应的α值为0.95～0.995。大功率管的β值则小得多，有时还不到10。由以上分析可以看出，三极管放大的本质是iB对iC的控制作用。由PN结构性可知，温度是影响半导体器件特性的主要原因之一。理论分析和实验结果表明，温度升高时，ICBO随温度按指数规律急剧增加，UBE将减小（即三极管的发射结的正向特性具有负温度系数，一般来说，发射结正向电压UBE的温度系数约为-2~-2.5mV/℃），β值将增大。1.4.3三极管特性曲线三极管的特性曲线是指三极管各极电压和电流的伏安特性曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现形式。由于三极管属于非线性器件，有3个电极，存在着3种连接方式，如图1-4-3所示。由于共发射极接法用得最多，因此这里仅介绍共发射极接法的特性曲线。图1-4-3三极管的3种连接形式1.输入特性图1-4-4三极管共射输入特性曲线2.输出特性图1-4-5三极管共射输出特性曲线由表1-1可知，当两个结都为正偏时，便工作在饱和状态。(1)饱和区(2)截止区在数字电路中，三极管工作于饱和区和截止区，即工作于开关状态。图中饱和区以右，截止区以上的区域称为放大区。放大区的另一个特点是随着uCE的增大，iC略有增大，即输出特性曲线族略有上扬。通常把基区有效宽度随uCE的增大而减小的现象，称为基区的调宽效应。(3)放大区1.4.4三极管的极限参数极限参数是指在选择和使用三极管时不宜超过的限度。1.集电极最大允许电流ICM三极管有两个PN结，当反向电压超过每个PN结的规定值时，就会发生击穿现象，其击穿原理和二极管类似。但因为三极管的两个结是相互影响的，故在不同条件下，将有不同的击穿值。(1)当集电极开路时，发射极—基极间的反向击穿电压BUEBO。(2)当发射极开路时，集电极—基极间的反向击穿电压BUCBO。(3)当基极开路时，集电极—发射极间的反向击穿电压BUCEO。2.反向击穿电压集电极损耗功率PC=IC×UCE。当PCM为某一常数时，iC与uCE的关系，在输出特性上为一双曲线，如图1-4-6所示。图中双曲线的左下方为iC×uCE＜PCM的区域。由iC＜ICM、uCE＜BUCEO以及这条双曲线在输出特性上围成的区域称为安全工作区，其他部分称为过损耗区或非安全区。3.集电极最大允许功耗(耗散功率)PCM图1-4-6iC与UCE输出特性曲线1.5场效应晶体管1.5.1结型场效应管1.5.2绝缘栅型场效应管场效应晶体管简称场效应管，也是用半导体材料做成的电子器件。由于场效应管是靠多数载流子导电，在管中运动的只是一种载流子，要么是电子，要么是空穴，即只有一种极性的载流子，所以又把场效应管称为单极性晶体管。场效应管种类很多，根据结构和制造工艺的不同，场效应管可分为结型和绝缘栅型两大类。1.5.1结型场效应管1.结构结型场效应管的结构示意图，如图1-5-1(a)所示。它是在一块N型半导体材料两侧扩散高浓度的P型区(用P+表示)，形成两个P+N结。把两个P+型区联在一起引出的电极，称为栅极，用字母G表示；在N型半导体两端各引出一个电极分别称为漏极(D)和源极(S)，由于源极及漏极的结构一样，故完全可以倒过来使用。夹在两个P+N结中间的电流通道，称为导电沟道。由于导电沟道为N型半导体，所以这种管子称为N沟道结型场效应管，它的符号如图1-5-1(b)所示。同样，也有P沟道结型场效应管，符号如图1-5-1(c)所示。图1-5-1结型场效应管结构与符号当栅极与源极之间的电压uGS=0时，如果在D、S之间加上电压uDS(uDS＞0)，则将有电子从源极出发经N沟道流向漏极，形成电流iD，如图1-5-2(a)所示。当uDS值很小时，沟道形状不变，iD随uDS线性增长。如果给栅极和源极之间施加负电压uGS时，由于沟道两侧的P+N结被反偏，耗尽区要展宽，如图1-5-2(b)所示。2.基本工作原理图1-5-2沟道随uGS、uDS变化的情况不难想象，欲使结型场效应管工作，必须满足的条件之一是UP＜uGS≤0(1-5-1)上式说明N沟道结型场效应管只能在反向偏压下工作，且不可进入夹断区。因为当uGS＞0时，沟道两侧的P+N结变成了正偏，将失去对沟道的控制作用，且使输入电阻变得很小。如果uGS满足式（1-5-1）的条件，且为某固定值时，如果再增大uDS，则从源极到漏极，沟道的电位将逐渐增高。结果将使两个PvN结在漏极一端的反向偏压比源极端的大，因而沟道变成楔形，这时沟道电阻将随uDS的增加而增大，iD与uDS成非线性关系。当uDS增加到uDS=uGS-UP时，沟道在漏极一端刚好被夹断，这就是预夹断，如图1-5-2(c)所示。此后，uDS再增加，iD将基本保持不变，即达到一饱和值。曲线三极管的性能可通过输入特性曲线和输出特性曲线来反映。由于场效应管工作时，栅极基本上没有电流，故输入特性曲线没有多大意义。因此，它的性能是由输出特性曲线和转移特性曲线来反映。3.结型场效应管特性输出特性曲线是在uGS一定的情况下，漏极电流iD与漏极电压uDS之间的关系曲线，对应不同的uGS可以得到一族曲线，如图1-5-3所示。由以上分析可知，在满足UP＜uGS≤0的情况下。当uDS较小时，iD随uDS的增加而增大。当uDS增大到uDS=uGS-UP时，将出现预夹断。把不同uGS值的预夹断点连起来，如图1-5-3中虚线所示。(1)输出特性曲线图1-5-3N沟道结型管的输出特性曲线虚线左边为uDS≤uGS-UP区域，通常称为非饱和区。在该区域内，iD随uDS变化；又由于uDS变化，将引起P+N结耗尽区宽度变化，使沟道电阻随着变化。因此，这个区域又称为可变电阻区。虚线右边为uDS≥uGS-UP区域，通常称为饱和区。在该区域内，iD随uDS略有增加，但变化甚微。这个区域是场效应管作为放大运用时，正常工作的区域。当uDS增至某一数值后，反向偏置的P+N结击穿，iD突然增大，如图1-5-3中最右边的部分，称为击穿区，使用时应避免进入这一区域。当uGS≤UP时，管子的导电沟道将处于完全夹断状态，iD=0，如图1-5-3中最下边的部分，称为截止区。为了说明uDS对iD的影响，定义了输出电阻。它是指在uGS为某一常数情况下，uDS的变化量与引起的iD变化量之比。即(1-5-2)它代表输出特性曲线上某点切线斜率的倒数。在饱和区，由于iD随uDS变化很小，因此，rd的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。转移特性曲线是在漏源电压uDS一定的情况下，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系曲线。对应不同的uDS可以得到一族曲线，当场效应管工作于放大区时，可近似为一条曲线，如图1-5-4所示。(2)转移特性曲线图1-5-4所示的转移特性曲线uGS为零时，漏极电流iD最大，用IDSS表示，称为零栅饱和漏电流。随着uGS变负，管内导电沟道不断变窄，漏极电流不断减少。当栅源电压降到uGS=UP时，耗尽层占满导电沟道，电流iD减至极小，可近似为零。理论和实践均表明，在饱和区，漏极电流iD与uGS的关系呈平方律，即(1-5-3)1.5.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管通常是由金属—氧化物—半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)制成，所以又称MOS场效应管。绝缘栅场效应管也有N沟道和P沟道两类，其中每类又可分为增强型和耗尽型两种。所谓耗尽型就是当uGS=0时，存在导电沟道，iD≠0(结型场效应管就属于耗尽型)；所谓增强型就是uGS=0时，没有导电沟道，即iD=0。例如，N沟道增强型，只有当uGS＞0时，才有可能开始有iD。(1)结构。N沟道增强型MOS管的结构如图1-5-5(a)所示。1.N沟道增强型绝缘栅场效应管图1-5-5N沟道增强型MOS管的结构和符号(2)工作原理。从结构中可以看出，当uGS=0时，漏极与源极之间相当两个背靠背连接的PN结，因此无论uDS的极性如何，其中总有一个PN结反偏，漏极与源极没有导电沟道，沟道电阻很大，iD=0。如果令uDS=0，即漏极和源极从外面短接，在栅极和源极间加上正向电压，如图1-5-6所示。此时栅极G与衬底相当一个以二氧化硅为介质的平板电容器。在uGS作用下，介质中产生一个由栅极G指向衬底的电场。在这个电场作用下，靠近栅极G端衬底上表面附近的空穴受到排斥向下运动，栅压越大，电场越强，空穴受到的排斥越厉害。栅压大到一定程度，则衬底的上表面附近将出现薄薄一层没有空穴的耗尽层。不要忘记，栅极形成的电场对空穴是排斥的，但对电子却是吸引的，当栅压再加大时，漏、源两个N+区的电子，以及衬底中的少子(电子)便会聚集到栅极下面与衬底上表面之间的区域，形成薄薄一层N区，通常称为反型层，如图1-5-6(b)所示。图1-5-6N沟道增强型MOS管的工作原理这个反型层N区将D与S连接起来，这时如果在D、S之间加上电压的话，便会有电流流通。由于导电沟道是由栅压建立的电场效应形成的，所以称为场效应管。它本来没有沟道，只有当uGS增大到一定程度才出现沟道，uGS越大，沟道越厚，故称为增强型。又由于沟道具有N型导电性质，所以称为N沟道MOS管，也称NMOS管。在uGS＞UT后，如在D、S间加上电压uDS，则电子将从源极出发，经N沟道到达漏极形成电流iD。当uDS较小时，只要uGS不变，沟道形状不变，沟道电阻也不变，则iD随uDS增大而线性增长。当uGS为大于UT的某个固定值，且uDS较大时，则从源极到漏极，沟道的电位将逐渐增高，使沟道变成楔形，这时沟道电阻将随uDS增长而增加，iD与uDS成非线性关系。当uDS增大到uDS=uGS-UT时，漏极一端的沟道厚度刚好降为零，称为发生了预夹断。如这时再增加uDS，只是夹断点向源极方向移动，沟道形状不会有明显变化，所以iD将维持预夹断时的值基本不变，即达到了饱和，如图1-5-7所示。这种情况与结型管类似。图1-5-7uDS对导电沟道的影响(3)特性曲线。NMOS管的输出特性曲线如图1-5-8(a)所示。在满足uGS≥UT的情况下，当uDS较小时，iD随uDS的增加而增大。当uDS增大到uDS＝uGS-UT时，将出现预夹断，把不同uGS值时的预夹断点连起来，如图1-5-8(a)中虚线所示。NMOS管的转移特性曲线如图1-5-8(b)所示。这是一条二次曲线，当uGS小于开启电压UT时，导电沟道没有形成,iD＝0，只有uGS≥UT时，才会有电流iD。图1-5-8N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线(4)PMOS和CMOS。P沟道增强型MOS管，也称为PMOS管。其结构与NMOS管类似，只是衬底为N型半导体，源极和漏极是两个P+区，uDS、uGS以及UT都是负值，导电载流子是空穴，而不是电子，电流iD的方向也与NMOS相反。其工作原理与NMOS相同。(1)结构。耗尽型MOS管的结构与增强型类似，不同之处仅在于它事先在SiO2绝缘层中加进一些带电离子，如图1-5-9所示。(2)工作原理。如果给N沟道耗尽型MOS加上正的uGS，则沟道会加厚，其工作过程与增强型NOS完全相同。2.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管图1-5-9耗尽型NMOS管的结构、工作原理及电路符号由此可见，耗尽型NMOS的栅压uGS可正可负。它的电路符号如图1-5-9(c)所示，与增强型符号的不同点，是代表沟道的竖线不再是虚线而是实线，表明不加uGS时沟道已然存在。耗尽型NMOS的输出特性曲线及转移特性曲线如图1-5-10所示。图1-5-10耗尽型NMOS管的特性由以上讨论可知，虽然绝缘栅场效应管与结型场效应管都是电压控制器件，但它们的导电情况不同。结型场效应管是利用改变P+N结耗尽的厚度来控制导电沟道的大小，达到控制漏极电流iD的目的；而绝缘栅场效应管是利用“感应电荷”的多少来改变导电沟道状态，以达到控制iD的目的。表1-5-1给出了结型与MOS型场效应管的电路符号、电压极性和特性曲线。表1-5-1场效应管特性比较(1)使用场效应管时，要注意不要超过管子的极限参数。除此之外，对于绝缘栅场效应还要特别注意由于感应而造成的栅穿问题。这主要是由于MOS场效应管栅极的输入电阻很高，使得栅极上的感应电荷很难泄放掉。(2)应使用外壳接地的电烙铁。(3)测试时所用仪器设备及直流电源都必须接地良好，防止由于漏电损坏管子。3.场效应管使用注意事项1.半导体基础知识半导体中有两种载流子：电子和空穴。在电场作用下，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动，虽然两者运动方向相反，但所形成的电流方向却相同，总电流是电子电流和空穴电流之和。半导体中有两种方式的定向运动，漂移运动和扩散运动，它们分别对应于漂移电流和扩散电流。小结在P型半导体和N型半导体的接触处，因为多数载流子扩散运动的结果，会产生自建电场(势垒)，势垒又引起少数载流子的漂移运动，两种运动的效果相抵消时，形成一个平衡的PN结。外加正向电压时，空间电荷区变窄，有利于多子扩散，小的正向电压就能产生大的正向电流，正向电阻小，PN结呈现导通状态，正向电流的方向是从P区流向N区。2.PN结外加反向电压时，空间电荷区变宽，阻止多子扩散，由少子形成反向电流，反向电流很小，且不随反向电压的增加而增大，反向电阻很大，PN结呈现截止状态。PN结所加反向电压超过一定限度时，会引起反向电流突然剧增，这种现象叫做PN结击穿。发生击穿时，只要限制击穿后的电流便不会损坏PN结，但是如果击穿后电流很大，结温升高，发生热击穿，就会导致PN结的损坏。势垒电容由空间电荷区随外加电压改变而引起；扩散电容由PN结两侧积累的非平衡载流子数量随外加电压改变而引起。PN结反向工作时，势垒电容起主要作用；正向工作时，扩散电容起主要作用。硅二极管和锗二极管的性能比较如表1-5-2所示。在分析二极管电路时，应根据实际应用条件选择等效电路形式。稳压管是工作在反向击穿状态，具有稳压特性的特殊二极管。发光二极管和变容二极管在通信电路中起着非常重要的作用。3.二极管表1-5-2硅二极管和锗二极管的性能比较正向压降三极管是由两个PN结组成，电流控制作用是它的主要特征。三极管具有放大作用的内部条件是：发射区的掺杂浓度应远大于基区的掺杂浓度，基区很薄。外部条件是：发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。4.三极管三极管中的电流关系为三极管的特性曲线和主要参数在实际应用中非常重要，主要用于说明三极管的特性。设计三极管电路及选用晶体管，都要以它们为依据。普通晶体管是电流控制器件，场效应管是电压控制器件。场效应管主要有6种类型：5.场效应管结型场效应管是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，即改变沟道的电阻，从而控制漏极电流iD的大小；而绝缘栅场效应管则是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感应电荷的多少，控制感生沟道的厚度，即改变沟道电阻以达到控制漏极电流iD的目的。第2章放大器基础2.1晶体管放大器2.2放大器的反馈2.3放大器的频率特性2.4场效应管放大器放大器的主要功能是放大电信号。其种类很多，如按构成放大器的部件分，有晶体管放大器、场效应管放大器和集成放大器；按用途分，有电压放大器、电流放大器和功率放大器；按工作频率分，有低频放大器、高频放大器和超高频放大器。本章主要介绍小信号放大电路基本特性的分析方法。首先，介绍放大电路的组成，基本分析方法，并对静态工作点、放大倍数、输入/输出电阻进行了分析。重点讨论共射放大器，对3种电路组态进行了比较。简单介绍多级放大器。负反馈虽然会牺牲一定的增益，但却可使放大器诸多性能得到改善。这里介绍反馈的概念、反馈的类型及其判别。对反馈放大器进行分析。讨论负反馈的效果。作为负反馈的应用，介绍射极输出器及恒流管电路的组成，并分析它们所具有的基本特性。频率特性是放大器的重要指标之一。它是用来衡量放大器对不同频率信号的适应程度。这里介绍晶体管应用在高频时的等效电路和波特图法，并利用它们分析放大器的高频特性。讨论扩展放大器通频带的方法。介绍由场效应管构成的3种类型的放大器，并采用估算法和等效电路法对共源极放大器进7行了分析。学习要点1.掌握放大器的组成、基本分析方法：图解法和等效电路法。会利用基本分析方法对静态工作点、放大倍数及输入、输出电阻进行分析；掌握3种组态的主要性能及应用场合；了解多级放大器；熟悉直接耦合方式。

3.掌握频率特性、上限频率、下限频率及通频带的概念；了解产生幅频和相频失真的原因；掌握波特图法；掌握共射极混合π等效电路；了解等效电路中各参数的意义；熟悉晶体管的几个频率参数；熟悉负反馈可能产生自激振荡的原因；能够利用波特图判断一个负反馈电路是否会产生自激振荡。4.掌握场效应管放大器的直流偏置电路；学会用估算法进行静态分析；掌握场效应管的等效电路；会计算放大倍数。2.1晶体管放大器2.1.1放大器的组成2.1.2放大器工作原理2.1.3图解分析法2.1.4等效电路分析法2.1.5共基极放大器的特点2.1.6多级放大器放大器是电子电路中的基本部件之一，是将微弱的电压或电流信号，在满足技术指标规定的失真量下，放大到所需要数值的电路。2.1.1放大器的组成放大器的核心器件(晶体管)有3种连接方式，即共发射极、共集电极和共基极(简称共射、共集、共基)，如图1-4-3所示。图1-4-3三极管的3种连接形式共射放大器如图2-1-1（a）所示。UBB通过RB给发射结一合适的正向偏压；UCC通过RC使集电结处于反向偏置状态，从而保证晶体管工作于放大区。为了简化电路，一般取UBB=UCC。如图2-1-1(b)所示。在工程实际中，画电路图时，往往省略直流电源符号，因为UCC的一端总与公共端(参考零电位点)相连，只需标出另一端对共同参考点的电压数值和极性即可。输入、输出端也只需画出一端，图2-1-1(c)所示就是工程上电路图的习惯画法。图2-1-1共射放大器原理图2.1.2放大器工作原理放大器输出信号的能量总是比输入信号的能量大，增大的能量不是来自晶体管或其他元件，而是在输入信号的控制下，把直流电源能量部分地转化为输出信号能量，所以，放大器实际上是一个小能量信号控制的换能器。放大器无输入交流信号，即ui=0时，放大器内部只存在直流信号，这样的工作状态称为直流状态，简称静态。加入输入交流信号后，ui≠0,电路中各处的电流和电压均处于显著变动的状态，故称为交流状态，简称动态。放大器正常工作时，各处的电流和电压是交流和直流信号的叠加，放大器工作原理及各处的电压、电流示于图2-1-2。图2-1-2共射放大器工作原理示意图2.1.3图解分析法利用晶体管的特性曲线，通过作图方法来分析放大区的工作情况，叫做图解分析法。它是分析放大器的一种比较直观、形象的方法。图解分析通常分两步进行，首先分析无输入信号时的静态，然后再分析有输入信号时的动态。1.静态情况分析画出图2-1-1(c)无输入信号时的直流通路如图2-1-3所示。由图可见，根据基尔霍夫定律，有式（2-1-1）是一直线方程，如果把它绘在晶体管输入特性曲线族上，将是一条有众多交点的直线。式（2-1-2）也是一直线方程，如果把它绘在输出特性曲线族上，也会有许多交点。在进行交流特性分析时，可根据实际放大电路画出交流通路图，如图2-1-5所示。

2.动态情况分析图2-1-5共射放大器的交流通路图现假定输入信号ui是幅度为Uim、周期为T的正弦波，此时的uBE就相当在直流电压UBEQ的基础上，再叠加上一个输入信号ui，如图2-1-6中曲线①所示。由于信号小，所以IB的变化波形也是正弦波，如图2-1-6中曲线②所示。

(1)由输入特性确定uBE和iB图2-1-6输入特性交流图解上面已经确定，当有信号ui输入时，iB将在IBQ附近变化，其最大值为IB2，最小值为IB1。在输出特性曲线族中找到对应iB2及iB1的两条曲线，如图2-1-7所示。可以看出，这两条曲线与负载线相交于两点(Q′及Q″)。当iB增长时，iC增长。RC上的压降增大。所以uCE减小。uo就是ui经放大器放大后的输出电压，可见两者的波形一致，但相位相反。这种现象称为放大器的倒相作用。这是共射放大器的一个重要特点。(2)由输出特性确定iC和uCE图2-1-7输出特性交流图解当输入信号幅度过大，或静态工作点位置不当时，均会由于晶体管的非线性，使输出波形与输入波形有较大差异。通常称为非线性失真。输出信号波形的峰值与谷值之差称为放大器的动态范围。3.静态工作点位置、输入信号幅度与输出波形的关系放大器的最大动态范围与静态工作点设置有关，如果静态工作点设置偏低，靠近截止区，如图2-1-8中Q1点，通过图解可以看出，将因进入截止区，使输出波形产生截止失真。

如果静态工作点设置偏高，接近饱和区，如图2-1-8中Q2点，通过图解可以看出，将因进入饱和区，使输出波形产生饱和失真。

同理，即使静态工作点选择合适，但如果输入信号幅度Uim过大，也会由于进入截止区或饱和区，使输出波形产生非线性失真。

图2-1-8工作点选择不当引起失真4.负载电阻值大小对输出波形的影响图2-1-9负载电阻值大小对输出波形的影响2.1.4等效电路分析法图解分析法用来确定静态工作点的位置，考虑晶体管的动态范围，研究非线性失真是一种有效的方法。因此，在分析小信号放大电路时多采用等效电路法。用h参数等效电路来替代晶体管，实际上就是把晶体管看作一个二端对电路，而不管晶体管的内部结构如何。晶体管共射连接时，用四端网络表示如图2-1-10(a)所示。输入量是uBE和iB，输出量为uCE及iC。这4个量彼此是相互关联的，现以iB和uCE为自变量，uBE和iC为函数，可由晶体管输入、输出特性得到输入回路和输出回路电流电压的关系为1.h参数等效电路图2-1-10晶体管h参数等效电路图中，hreuce为受控电压源，hfeib是受控电流源。晶体管的hre是由管子内部反馈引起的，通常很小(约为10-4)，故一般情况下可忽略；而hoe是表示晶体管输出电压对输出电流的控制能力，通常也很小(约为10-5S)，亦可忽略。因此便可得到共射连接时晶体管简化的h参数等效电路，如图2-1-11所示。

图2-1-11晶体管简化的h参数等效电路2.用h参数等效电路分析共射放大器(1)画出放大器交流等效电路对于图2-1-12（a）的共射电路，考虑了负载电阻和信号源内阻的影响，交流通路图画于图（b）。

把晶体管用h参数等效电路代替，就可得到放大器完整的交流等效电路了，如图2-1-12(c)所示。

这样，就可以采用线性电路一般的分析方法，对图2-1-12(c)进行各种性能指标的分析。图中，为信号电压源，RS是信号源内阻，RL为等效负载。图2-1-12单级共射放大器、交流简化电路及交流等效电路(2)电压放大倍数图2-1-13图2-1-12(c)的等效电路(3)放大器的输入电阻及输出电阻图2-1-14放大器的输入电阻和输出电阻由图可见，由于信号源具有内阻RS，当Ri为不同值时，就会使放大器获得的实际电压Ui不同。

Ri愈大，Ｕi愈大，Ui愈接近US，它表明了对信号源或前级输出电压的影响。

图2-1-15共射放大器的输入、输出电阻输出电阻从放大器输出端22′向左看，可把放大器看成是一个内阻为Ro，电动势为Uo′的电压源，如图2-1-14所示。这个等效电源的内阻，就是放大器的输出电阻。由图可见，当放大器的输出端接有负载RL时，放大器的输出电压Uo，就会由于Ro的存在而减小，这种现象随着RL的减小而增强。但是输出电阻Ro愈小，这种现象就会减弱，即放大器受负载影响就会越小。因此，Ro表明了放大器带负载的能力。Ro越小，带负载能力越强。现把图2-1-12(c)共射放大器的等效电路，重画如图2-1-15所示。根据定义，其输入电阻应为

输出电阻应为由22′端看进去，电压源短路，Ib=0，受控电流源开路时的电阻值，因此Ro=RC(2-1-23)应该指出，这里讨论的输入、输出电阻，是对工作点附近交流电压、电流而言的，不是直流电阻，也不是晶体管自身的输入、输出电阻，而是指放大器的输入、输出电阻。

2.1.5共基极放大器的特点共基极放大器如图2-1-16所示，共基极放大器的电压增益A可大于1，并输出电压与输入电压信号同相；电流增益小于1；输出电阻接近RC，输入电阻相对共射电路要小得多。图2-1-16共基放大器2.1.6多级放大器为了获得足够的放大倍数，以及满足对输入、输出电阻的要求，就要将许多单级放大器级联起来，组成多级放大器。

多级放大器中，各单级相互连接的方式，称为级间耦合。通常有3种方式：直接耦合、阻容耦合及变压器耦合。

1.级间耦合方式各级电路直接连接的方式，称为直接耦合。它的优点是电路便于集成，可放大缓变乃至直流信号，所以获得了极为广泛的应用，特别是在集成电路中，无不采用直接耦合方式。某共射单级放大器如图2-1-17(a)所示。不难算出，IBQ=(UCC-UBEQ)/RB≈40μA，ICQ=βIBQ=2mA，UCEQ=UCC-ICQ·RC=6V，显然静态工作点是合适的。(1)直接耦合图2-1-17电位配置不当但如果不采取任何措施，将这样两个完全相同的放大电路直接相连，如图2-1-17(b)所示，第1级的IBQ与ICQ仍为前值，但由于第2级的UBEQ2=0.7V，将迫使UCQ1=UBEQ2=0.7V，使第1级处于接近饱和的状态。与此同时，由于UCQ1=0.7V，使流过RC1中的电流为(UCC-UCQ1)/RC1≈3.76mA，多余出的1.76mA和RB2中的40μA，一起流入第2级的基极，即IBQ2=1.8mA，从而导致第2级处于深度饱和状态，无法进行放大。这就是由于电位配置不当引起的“电平移位”问题。在第3章3.3节中将介绍直接耦合方式存在的“零点漂移”问题。

(a)分压式电平移位电路为使这两级都具有合适的静态工作点，工作于放大区，可在这两级之间引入一电阻分压器，如图2-1-18所示。由于分压器起到了把前级集电极电位与后级基极电位分离的作用，所以通常称为电平移位电路。图2-1-19(a)所示电路中，用稳压管来替代R1，而用晶体管取代R2。图2-1-18分压式电平移位电路图2-1-19具体电平移位电路图2-1-20直流电阻与交流电阻(b)NPN管与PNP管混合连接的电平移位电路利用NPN管集电极电位比基极和发射极电位高，而PNP管集电极电位比基极和发射极电位低这一相反特性，将两类管子混合连接便可构成电平移位电路，如图2-1-21所示。由图可见，接成共射电路的NPN管VT1的集电极，直接与接成共基电路的PNP管VT2的发射极相连。这种耦合电路，对交流信号的传输没有衰减。图2-1-21NPN管与PNP管混合连接的电平移位电路为此，在图2-1-21(a)中使用了正、负两组电源供电，VT2基极接地，而VT1的发射极处于负电源电位。也可采用一组电源供电，如图2-1-2（b）所示。图2-1-2（b）用电容将前后级连接起来的方式，称为阻容耦合。由于电容具有切断直流的性能，所以各级在彼此连接时，直流状态(即静态工作点)是相互独立的，互不影响。阻容耦合电路如图2-1-22所示，输入回路是由电阻RS、RB及电容C1组成。这种电路也可用于放大器级间耦合，或输出级与负载的耦合。(2)阻容耦合图2-1-22阻容耦合电路利用变压器实现级与级之间的连接方式，称为变压器耦合。变压器耦合电路如图2-1-23所示，这个电路是在图2-1-21(a)的基础上，把VT2的输出信号通过变压器耦合传送给负载。(3)变压器耦合图2-1-23变压耦合电路两级放大器方框图，如图2-1-24所示。

2.多级放大器的放大倍数图2-1-24两级放大器框图由图可知，两级放大器的放大倍数为

它们分别是两个单级的放大倍数。可见，两级放大器的总放大倍数是两个单级放大倍数的乘积。这一结论可推广到两个以上单级放大器级联组成的多级放大器。多级放大器的输入电阻只与第一级输入端有关，输出电阻仅与最后的输出级有关，因此，图2-1-24所示的两级放大器的输入电阻和输出电阻分别为Ri=Ri1，Ro=Ro2

3.多级放大器的输入、输出电阻2.2放大器的反馈2.2.1反馈的基本概念2.2.2反馈放大器的一般表示式2.2.3负反馈对放大器性能的影响2.2.4两种常用的负反馈放大电路*2.2.5深度负反馈放大器的计算举例2.2.6负反馈放大器稳定工作的条件2.2.1反馈的基本概念1.什么是反馈凡是通过适当的方式，将放大器输出(电压或电流)的一部分或全部，通过一定途径回送到放大器的输入端，并对输入电流或电压产生影响的过程，称为反馈(或回授)。因此，要识别一个放大器是否存在反馈，就要看放大器的输出端和输入端之间，是否存在相互联系的元器件(即反馈网络)。

反馈根据性质有正负之分，凡是回授到放大器输入端的反馈信号，加强了原外加输入信号的作用，从而使有效的输入信号增加时，称正反馈；反之，称为负反馈。

2.反馈放大器的分类图2-2-1反馈放大器的4种类型图2-2-2电流串联负反馈图2-2-3电压并联负反馈例2-2-3电路如图2-2-4(a)所示，试判定其反馈类型。

图2-2-4(a)所示电路的交流简化电路如图(b)所示，图中略去了偏置电阻RB1。

可见这是一个两级放大器，第一级已经分析过了，在射极电阻Rel上，引入了电流串联负反馈；第二级未引入局部反馈。

但是，第二级的输出通过RF与第一级的输入回路联系起来，构成了越级反馈，下面主要分析由RF引入的反馈。图2-2-4电压串联负反馈例2-2-4电路如图2-2-5(a)所示，试判定其反馈类型。

图2-2-5电流并联负反馈图2-2-5(a)所示电路的交流简化电路如图(b)所示。

这也是一个两级放大器，第一级未引入局部反馈，第二级在射极电阻Re2上，引入了电流串联负反馈。

然而在两级放大器中，通过元件RF把输入、输出回路联系起来了，形成了两级反馈电路。下面就来分析由RF引入的反馈。

由图(b)可见，信号从集电极输出，反馈信号是取自VT2的射极，因此反馈信号与输出电流成正比，如若将输出电压短路，则反馈信号照样存在，所以它是电流反馈。

关键要从实际电路中找出反馈元器件。对于初学者来说，判断交流反馈类型，可先画出交流简化电路，并省略与反馈无关的偏置电路。这时就可清楚地看出是哪些元器件把放大器的输入、输出回路连接起来了，然后再进行判别。

3.反馈类型的判别①根据在输出端，反馈取样方式不同，可判断电压反馈和电流反馈。还可以使用简易判别法，即假定输出端交流短路(令=0)，看其有无反馈。如无反馈，则为电压反馈；如仍有反馈，则为电流反馈。②根据在输入端，反馈信号与信号源输出信号比较方式不同，可判断串联反馈和并联反馈。

(1)反馈类型的判别方法(2)反馈性质(正反馈和负反馈)的判别方法负载电阻及信号源内阻的大小，会直接影响反馈的效果。为了使反馈有效，不同的反馈类型，对它们的要求是不同的。在输出端，凡是电压取样的反馈，要求负载电阻大，凡是电流反馈的，则希望负载电阻小。在输入端，凡是串联反馈希望信号源内阻RS小，凡是并联反馈则希望RS大。(3)反馈效果与信号源内阻及负载电阻的关系2.2.2反馈放大器的一般表示式为了找到反馈放大器的一般规律，可将图2-2-1中4种类型，用图2-2-6所示的一般方框图来表示。

图2-2-6反馈放大器的一般方框图信号经基本放大器，反馈网络，再回到输入端比较点，形成一个闭合环路，称为反馈环。

如果信号的传输只按图中箭头指示的方向进行，即从输入端到输出端的正向传输只通过基本放大器，不通过反馈网络；而从输出端到输入端的反向传输，只通过反馈网络，不通过基本放大器。

并且反馈网络对基本放大器没有信号分流作用。

这样的反馈环路称为理想反馈环路。

理想反馈环路实际是没有的。

1.闭环增益(闭环放大倍数)2.开环增益(开环放大倍数)3.反馈系数4.环路传输5.反馈深度2.2.3负反馈对放大器性能的影响放大器引入负反馈之后，虽然降低了增益，却换来了性能的改善。

放大器的性能好坏与静态工作点的位置是密切相关的，而静态工作点是由晶体管的特性曲线和偏置电路共同决定的。

1.放大器静态工作点的稳定为了稳定静态工作点，放大器中通常采用具有负反馈的偏置电路，如图2-2-7所示，又称为分压式偏置电路。实际情况下，在图2-2-7中，为使工作点稳定，I1愈大于IB，以及UB愈大于UBE愈好，但为了兼顾其他指标，一般选取图2-2-7具有负反需要指出，对于直接耦合的多级放大器，前级静态工作点的微小变化，将被后级放大。

故在这种情况下，前级虽然工作在小信号情况下，本级的放大特性不会因工作点的较小变化而受影响，可是对后级将会产生十分严重的后果。

因此，对那些采用直接耦合的多级放大器来说，第一级应采用具有深度负反馈的偏置电路来稳定静态工作点。

无反馈放大器，在当器件参数、电源电压以及负载等发生变化时，其增益将受到影响而发生变动。

引入负反馈后，可使这些因素的影响明显降低，即Af将比A稳定。

假定反馈网络元件十分稳定，即B是不随上述因素变化的常量。

对式(2-2-6)取全微分，可得

2.提高增益的稳定性由于晶体管是非线性器件，一个无反