電工學第8章基本放大電路

1、中國水利水電出版社半導體器件是用半導體材料制成的電子器件。常用的半導體器件有二極管、三極管、場效應晶體管等。半導體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。8.1.1 PN結(jié)結(jié)：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室溫下，由于熱運動少數(shù)價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位這個空位稱為。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術中，將空穴看成帶正電荷的載流子。每個原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過緊密結(jié)合在一起。兩個相鄰原子共用一對電子?？昭ㄟ\動（與自由

2、電子的運動不同）有了空穴，鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。本征半導體中有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對消失，稱為。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。在純凈半導體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導電能力將大大增強。在純凈半導體硅或鍺中摻入磷、砷等5價元素，由于這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)中，由于存在多余的價電子而產(chǎn)生大量自由電子，

3、這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡稱多子）空 穴少數(shù)載流子（簡稱少子）在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，由于這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構(gòu)成的共價鍵結(jié)構(gòu)中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。自由電子 多數(shù)載流子（簡稱多子）空 穴少數(shù)載流子（簡稱少子）P 型半導體N 型半導體無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。摻入的雜質(zhì)元素的濃度越

4、高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少決定于溫度。u半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為。在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為。u將一塊半導體的一側(cè)摻雜成P型半導體，另一側(cè)摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層 P 區(qū) 空間電荷區(qū) N 區(qū)PN 結(jié)及其內(nèi)電場內(nèi)電場方向P 區(qū) N 區(qū)載流子的擴散運動 多子擴散 形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場 少子漂移 擴散與漂移達到動態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)u外加正向電壓（也叫正向偏置）u外加電場與內(nèi)電場方

5、向相反，內(nèi)電場削弱，擴散運動大大超過漂移運動，N區(qū)電子不斷擴散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時稱PN結(jié)處于狀態(tài)?？臻g電荷區(qū)變窄E R內(nèi)電場外電場PNIFE R內(nèi)電場外電場空間電荷區(qū)變寬PNIRu外加反向電壓（也叫反向偏置）u外加電場與內(nèi)電場方向相同，增強了內(nèi)電場，多子擴散難以進行，少子在電場作用下形成反向電流 IR，因為是少子漂移運動產(chǎn)生的， IR很小，這時稱PN結(jié)處于狀態(tài)。8.1.2 半導體二極管半導體二極管一個PN結(jié)加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導體二極管，簡稱二極管。 半導體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。 點接觸型二極管PN結(jié)面積

6、很小，結(jié)電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關元件。 面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容也小，多用在低頻整流電路中。陽極 陰極半導體二極管的結(jié)構(gòu)與符號半導體二極管的結(jié)構(gòu)與符號-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /mA0正向特性反向特性半導體二極管的伏安特性曲線半導體二極管的伏安特性曲線外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻力，PN結(jié)仍處于截止狀態(tài) 。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流 隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。外加反向電壓時， PN結(jié)處于截止狀態(tài)，反向電流 很小。 反向電壓大于擊穿電壓時，反向

7、電流急劇增加。半導體二極管的主要參數(shù)半導體二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IF：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時的電壓值。3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運行時允許承受的最大反向電壓（約為UB 的一半）。4）反向電流IR：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?）最高工作頻率fm：主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。：正向電阻為零，正向?qū)〞r為短路特性，正向壓降忽略不計；反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。8.1.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿

8、電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。陽極 陰極穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ。反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ。工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的電流。（3）動態(tài)電阻rZ。穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流IZM。額定功率PZ是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。最大穩(wěn)定電流IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。它們之間的關系是： PZ=UZIZM8.2.1 半導體三極管是由兩個背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導電，故又稱為，簡稱晶體管或三極管。 兩個

9、PN結(jié)，把半導體分成三個區(qū)域。這三個區(qū)域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：和。集電結(jié) B發(fā)射結(jié)NPN集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)CCEEB集電結(jié) B發(fā)射結(jié)PNPCCEEB集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)NPN型PNP型箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時的電流方向8.2.2 （1）產(chǎn)生放大作用的條件 內(nèi)部：a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度基區(qū)集電區(qū) b）基區(qū)很薄 外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏NPNICIEIBRBUBBUCCRC（2）三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程a）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流 iEb）電子在基區(qū)中的擴散與復合，形成基極電流 iBc）集電區(qū)收集擴散過來的電子，形成集電極電流 iC（3

10、）電流分配關系： IE =IC +IB 實驗表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而有。IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。8.2.3 ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V測量三極管特性的實驗電路 三極管的輸入特性曲線輸入特性曲線輸入特性曲線與二極管類似4321IB=003 6 9 12 UCE /V20A40A60A80A100A飽和區(qū)截止區(qū)放 大 區(qū)IC /mA輸出

11、特性曲線輸出特性曲線（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCii（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置 （3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置 此時此時 8.2.4 1、電流放大系數(shù)、電流放大系數(shù)：iC= iB2、極間反向電流、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO3、極限參數(shù)、極限參數(shù) （1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 ICM： 下降到額定值下降到額定值的的2/3

12、時所允許的最大集電極電流。時所允許的最大集電極電流。 （2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電基極開路時，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。極、發(fā)射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM 。 放大的實質(zhì)：用較小的信號去控制較大的信號。iCRsus+-+ui-RL+uo-+UCCRCC1C2VRB+uCE-uBEiB-+（1）晶體管V。放大元件，用基極電流iB控制集電極電流iC。（2）電源UCC和UBB。使晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管處在放大狀態(tài)，同時也是放大電路的能量來源，提供電流iB和iC。UCC一般在幾伏到十幾伏之間。（3）

13、偏置電阻RB。用來調(diào)節(jié)基極偏置電流IB，使晶體管有一個合適的工作點，一般為幾十千歐到幾百千歐。（4）集電極負載電阻RC。將集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以獲得電壓放大，一般為幾千歐。（5）電容Cl、C2。用來傳遞交流信號，起到耦合的作用。同時，又使放大電路和信號源及負載間直流相隔離，起隔直作用。為了減小傳遞信號的電壓損失，Cl、C2應選得足夠大，一般為幾微法至幾十微法，通常采用電解電容器。8.4 是指無交流信號輸入時，電路中的電流、電壓都不變的狀態(tài)，靜態(tài)時三極管各極電流和電壓值稱為靜態(tài)工作點Q（主要指IB、IC和UCE）。靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)值IB、IC和UCE。BBEC

14、CBRUUIBCIICCCCCERIUU估算法估算法：耦合電容可視為開路。+UCCRCVRB+UCE-+ UBE -ICIB圖解步驟：（1）用估算法求出基極電流IB（如40A）。（2）根據(jù)IB在輸出特性曲線中找到對應的曲線。（3）作直流負載線。根據(jù)集電極電流IC與集、射間電壓UCE的關系式UCE=UCCICRC可畫出一條直線，該直線在縱軸上的截距為UCC/RC，在橫軸上的截距為UCC，其斜率為1/ RC ，只與集電極負載電阻RC有關，稱為直流負載線。（4）求靜態(tài)工作點Q，并確定UCE、IC的值。晶體管的IC和UCE既要滿足IB=40A的輸出特性曲線，又要滿足直流負載線，因而晶體管必然工作在它們

15、的交點Q，該點就是靜態(tài)工作點。由靜態(tài)工作點Q便可在坐標上查得靜態(tài)值IC和UCE。圖解法圖解法IB=00UCE/V20A40A60A80AIC/mAQICQUCEQUCCRCUCCIB=40A的輸出特性曲線由UCE=UCCICRC所決定的直流負載線兩者的交點Q就是靜態(tài)工作點過Q點作水平線，在縱軸上的截距即為IC過Q點作垂線，在橫軸上的截距即為UCE8.5 是指有交流信號輸入時，電路中的電流、電壓隨輸入信號作相應變化的狀態(tài)。由于動態(tài)時放大電路是在直流電源UCC和交流輸入信號ui共同作用下工作，電路中的電壓uCE、電流iB和iC均包含兩個分量。RsRBus+uiRL+uoVRCibic：（ui單獨作

16、用下的電路）。由于電容C1、C2足夠大，容抗近似為零（相當于短路），直流電源UCC去掉（短接）。圖解分析法圖解分析法圖解步驟：（1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負載線。（4）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE。0 (a) 輸入回路 (b) 輸出回路uCEiCQICQUCCuBEiB0uBEtiBt0iCt0tQQQQQIBQUBEQuCEUCEQ直流負載線交流負載線00從圖解分析過程，可得出如下幾個重要結(jié)論：（1）放大器中的各個量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量兩部分組成。（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直

17、流分量UCEQ被隔開，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓ui反相。（3）放大器的電壓放大倍數(shù)可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負載電阻RL越小，交流負載電阻RL也越小，交流負載線就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數(shù)下降。（4）靜態(tài)工作點Q設置得不合適，會對放大電路的性能造成影響。若Q點偏高，當ib按正弦規(guī)律變化時，Q進入飽和區(qū)，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓uo（即uce）的負半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點偏低，則Q進入截止區(qū)，輸出電壓uo的正半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。(a) 飽和

18、失真0uCEiCQICQiCt0tQQuCEUCEQ0(b) 截止失真0uCEiCQICQiCt0tQQUCEQ0uCE微變等效電路法微變等效電路法把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效成一個線性電路，就是放大電路的微變等效電路，然后用線性電路的分析方法來分析，這種方法稱為微變等效電路分析法。是晶體管在小信號（微變量）情況下工作。這樣就能在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)，用直線段近似地代替晶體管的特性曲線。（1）基本思路（2）晶體管微變等效電路UBEIB0IBUBEQ輸入特性曲線在Q點附近的微小范圍內(nèi)可以認為是線性的。當uBE有一微小變化UBE時，基極電流變化IB，兩者的比值稱為三極管的動態(tài)輸入電阻

19、，用rbe表示，即：bbeBBEbeiuIUr+ube+uceicibCBErbe+uceicibCBE+ubeib (a) 三極管 (b) 三極管的微變等效電路)mA(mV)(26)1 (300EQbeIr0UCEICIBICQ輸出特性曲線在放大區(qū)域內(nèi)可認為呈水平線，集電極電流的微小變化IC僅與基極電流的微小變化IB有關，而與電壓uCE無關，故集電極和發(fā)射極之間可等效為一個受ib控制的電流源，即：bciirbe+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU （3）放大電路微變等效電路RsRBus+uiRL+uoVRCibicrbe+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU

20、 電壓放大倍數(shù)beLbbebLbbecLorRIrIRIrIRUUAiu式中RL=RC/RL。當RL=（開路）時beCrRAu輸入電阻beB/rRIURiiirbe+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU iIRi輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號源吸取電流（輸入電流）的大小。為了減輕信號源的負擔，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號源內(nèi)阻Rs的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在幾百歐到幾千歐，一般認為是較低的，并不理想。輸出電阻rbe+UcIbICBEbIRCRBRsICoRIURRo的計算方法

21、是：信號源sU短路，斷開負載 RL，在輸出端加電壓U，求出由U產(chǎn)生的電流I，則輸出電阻 Ro為：對于負載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負載電阻RL的變化對輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負載能力越強，因此總希望Ro越小越好。上式中Ro在幾千歐到幾十千歐，一般認為是較大的，也不理想。例例：圖示電路，已知V12CCU，300BRk，3CRk，3LRk，3sRk，50，試求：（1）RL接入和斷開兩種情況下電路的電壓放大倍數(shù)uA；（2）輸入電阻 Ri和輸出電阻 Ro；（3）輸出端開路時的源電壓放大倍數(shù)susUUAo。Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB+解：先求靜態(tài)工作點解：先求靜態(tài)

22、工作點40A30012BCCBBECCBRURUUIAmA204. 050BCIIV63212CCCCCERIUU再求三極管的動態(tài)輸入電阻963)mA(2mV)(26)501 (300)mA(mV)(26)1 (300EbeIr963. 0k+UCCRCVRB+UCE-+ UBE -ICIB（1）RL接入時的電壓放大倍數(shù)uA為：78963. 0333350beLrRAuRL斷開時的電壓放大倍數(shù)uA為：156963. 0350beCrRAu（2）輸入電阻 Ri為：96. 0963. 0/300/beBrRRik輸出電阻 Ro為：3Co RR k（3）39)156(131oouisiisisusA

23、RRRUUUUUUA8.6 溫度對工作點的影響溫度對工作點的影響溫度升高UBE減小ICBO增大增大IC增大工作點穩(wěn)定的放大電路工作點穩(wěn)定的放大電路Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RECE+UCCRCVRB1RB2REUBI1I2ICQIBQUE+UCEQ+ UBEQ ：I2IB，則CCB2B1B2BURRRU與溫度基本無關。溫度 tICIEUE(=IE RE)UBE(=UBIE RE)IB IC調(diào)節(jié)過程：（1）靜態(tài)分析)(CBEBEBECCB2B1B2BECCCCCECRRIUUIIRUUIIURRRU（2）動態(tài)分析CbeBBiuRRrRRRrRAo21beL/例：例

24、：圖示電路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。試估算靜態(tài)工作點，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RECE+解：解：（1）用估算法計算靜態(tài)工作點V75. 3)23(65. 112)(A33mA5065. 1mA65. 127 . 04V412102010ECCCCCECBEBEBECCB2B1B2BRRIUUIIRUUIIURRRUC（2）求電壓放大倍數(shù)681 . 1333350k1 . 1110065. 126)501 (30026)1 (300beLEber

25、RAIru（3）求輸入電阻和輸出電阻k3k994. 01 . 1/10/20/obeB2B1CiRRrRRRECCCEECCCEBCEBBECCBEBBEBBEEBEBBCC)1 ()1 (RIURIUUIIRRUUIRIURIRIURIU8.7 Rsus+uiRL+uo+UCCC1C2VRBRE+UCCVRB1REICQIBQ+UCEQ+ UBEQ （1）靜態(tài)分析（2）動態(tài)分析rbe+oUcIbICBE+iUbIRERLRBRs +sU 射極輸出器的微變等效電路1IeIiILbeLoLbbebobebLbLo)1 ()1 ()1 ()1 (RrRUUARIrIUrIURIRIUiuie求電壓

26、放大倍數(shù)求輸入電阻)1 (/)1 (LbeBLbeBb1RrRIURRrURUIIIiiiiiirbe+oUcIbICBE+iUbIRERLRBRs +sU 射極輸出器的微變等效電路1IeIiI計算輸出電阻的等效電路Irbe+ UcIbICBEbIRERBRseI求輸出電阻1/beEoEbebebbssseRrRIURRURrURrUIIII射極輸出器的特點：電壓放大倍數(shù)小于1，但約等于1，即電壓跟隨。輸入電阻較高。輸出電阻較低。射極輸出器的用途：射極跟隨器具有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，這是射極跟隨器最突出的優(yōu)點。射極跟隨器常用作多級放大器的第一級或最末級，也可用于中間隔離級。用作輸入級時，其高的輸入電阻可以