電子技術及應用第一章晶體管放大電路與應用課件

1、1.1 應用示例 第1章 晶體管放大電路與應用 常見擴音器有線擴音器：功率8W左右，覆蓋范圍在100米以內，音色要求高無線擴音器：功率在35W100W之間，傳輸距離較遠擴音器原理圖 話筒為聲電換能設備，將聲音信號轉換為微弱的電信號；晶體管小信號放大器將此電信號放大，再通過晶體管功率放大器向揚聲器提供較大的輸出功率；揚聲器為電聲換能設備，將放大后的電信號轉換為較強的聲音信號。1.2 二極管及其應用電路第1章 晶體管放大電路與應用（1）半導體材料定義：半導體是指導電性能介于導體（conductor）和 絕緣體（insulator）之間的一種物質。 材料： 元素半導體：硅（Si）、鍺（Ge） 化合物

2、半導體：砷化鎵（GaAs）目前最常用的半導體材料是硅和鍺。 重要特性：熱敏特性 光敏特性 摻雜特性1、半導體的基本知識（2）半導體的共價鍵結構半導體結構硅的原子核的最外層有4個電子，又叫價電子；受原子核的束縛力最小。共價鍵中的價電子不同于自由電子，不能導電。共價鍵：相鄰原子之間通過共有價電子的形式而結合起來價電子公有化運動，價電子不同于自由電子，不能導電。硅和鍺原子按一定的規(guī)則整齊的排列（3）本征半導體、空穴及其導電作用本征激發(fā)價電子得到足夠的能量成為自由電子同時原來共價鍵中流下一個空位空穴。1.本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體當溫度升高或受到光照時（3）本征半導體、空穴及其導電作

3、用本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子與空穴成對出現(xiàn)；自由電子與空穴都是可以移動的載流子；自由電子帶負電空穴帶正電2.載流子：可移動的帶電粒子復合Four outer electrons around the nucleusPure Semicoductorholebondselectron本征半導體動畫（4）雜質半導體N型半導體(Negative)摻入五價元素（雜質）雜質電離 形成一個自由電子和不能移動的正離子N型半導體：施主雜質自由電子多數(shù)載流子空穴少數(shù)載流子P型半導體(Positive)摻入三價元素B（雜質）雜質電離 形成一個空穴和不能移動的負離子P型半導體：空穴多數(shù)載流子自由電子少數(shù)載流子（5）PN結

4、的形成濃度差空間電荷區(qū)內電場少子漂移運動動態(tài)平衡多子擴散運動PN結的形成的動態(tài)演示+-+-空間電荷區(qū)內電場（2）PN結的單向導電性原理1、正向偏置P加電源、 N加電源外電場削弱內電場，從而促進多子的擴散，抑制少子的漂移。PN結中以多子的擴散電流為主，方向PN，稱為正向電流。正向電流較大，PN結呈現(xiàn)較小電阻，稱PN結正向導通。PN結正向偏置的動態(tài)演示2、反向偏置P、 N外電場加強內電場，從而抑制多子的擴散，促進少子的漂移。PN結中以少子的漂移電流為主，方向NP，稱為反向電流 Isat。反向電流較小，PN結呈現(xiàn)較大電阻，稱PN結反向截止。PN結反向偏置的動態(tài)演示PN結正偏時，耗盡層變窄具有較大的正

5、向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻； PN結導通（仍有由本征激發(fā)引起的很小的反向漂移電流）。PN結反偏時，耗盡層加寬僅有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻。 PN結截止 結論 PN結具有單向導電性。PN2、半導體二極管按制作工藝:普通二極管發(fā)光二極管光電二極管變容二極管穩(wěn)壓二極管按實際用途:二極管的種類 點觸型面結型平面型普通二極管圖片貼片整流二極管1N41481N4007螺栓式大功率二極管發(fā)光二極管圖片七彩發(fā)光二極管 光電二極管圖片二極管是單個PN結構成的器件,也具有單向導電性。（1）結構與符號（2）伏安特性門限電壓 (開啟電壓) ： Uon0.5V(硅) 0.1V(鍺)導通壓降： UVD VD 0.60.

6、8V(硅) 取0.7v VD0.1 0.3V(鍺) 取0.2v反向飽和電流 Isat 0 nA量級 (硅) A量級(鍺) 反向擊穿特性:反向電壓高到一定程度,反向電流急劇增大,而結電壓(-UBR)幾乎保持不變。擊穿包括雪崩擊穿和齊納擊穿。1、最大整流電流 IF：最大正向平均電流2、最高反向工作電壓 UR：3、反向電流 IR：越小越好4、最高工作頻率 fM ：取決于結電容（3）主要參數(shù)（1）等效電路模型+ uD iD （b）等效電路I（mA）U（V）O（a） U-I 特性 正向反向3.二極管基本應用電路理想模型恒壓降模型（b）等效電路+ uD iD UD（a） U-I特性 U（V）OI（mA）U

7、D=0.7硅正向反向（2）二極管的應用電路整流電路uittouOoabUab = uiui為交流信號，D為理想二極管ui 0時， D導通，uo=uiui 0時， D截止，uo=0b限幅電路D為硅管ui5sintV，E2Vttui/V5uO /V2.7-5-5aUab = uiE(1) Uab = uiE0.7時，即ui2.7V，D導通，uo2.7V(2) Uab = uiE0.7時，即ui I2I1 3E，2C，1B IC/IE=I2/I1=0.98 =IC/IB=I2/I1=50 如何用數(shù)字萬用表測量三極管的值？hFE e b cS9013NPNe b c注意:晶體管的共發(fā)射極電流 放大系數(shù)

8、在幾十至幾百之間三極管輸入電路: 對于每一個給定的uCE，都有一個相應的iB與uBE之間的關系曲線與之對應。因此，可將uCE作為參變量，從而可得到有若干條（理論上為無窮條）曲線的iB與uBE之間的共射輸入特性曲線簇。（4）三極管的共射輸入特性曲線iB（A）uBE（V）00.40.820604080uCE 1v uCE=0V 特點：1. uCE =0V時特性曲線類似于一個二極管2. uCE 1V和uCE =0V的兩條輸入特性曲線可見，uCE 1V的特性曲線向右移動了一段距離，且曲線基本重合。3. 發(fā)射結電壓uBE也存在一個導通電壓（或死區(qū)電壓、門坎電壓）Uon，4. 對于小功率管， 硅管Uon0

9、.5V，鍺管Uon0.1V。此外，三極管正常工作時，小功率管的iB一般為幾十微安到幾百微安，對于每一個給定的iB，都有一個相應的iC與uCE之間的關系曲線與之對應。因此，可將iB作為參變量，從而可得到有若干條（理論上為無窮條）曲線的iC與uCE之間的共射輸出特性曲線簇。（5）三極管的共射輸出特性曲線共射輸出特性分析 :不同的iB可以得到不同的曲線曲線起始部分較陡，逐漸趨于平坦 分為四個工作區(qū)：放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)。放大區(qū) iB恒定時，uCE變化，iC亦近似不變恒流特性特點：發(fā)射結正偏, 集電結反偏（uBE 0， uBC0， uBC0 (NPN) ）飽和區(qū) 特點：2、iC 受uCE控制

10、，iC iB 3、三極管飽和時， uCEVCES 0.3V （深度飽和壓降） 壓降很低視為短路,4、 uCE=uBE（即uBC=0，集電結零偏）時的狀態(tài)稱臨界飽和臨界飽和線是飽和區(qū)和放大區(qū)的分界線 UCE, sat 深度飽和壓降：小功率硅管0.3V左右，鍺管約0.1V1、發(fā)射結反偏, 集電結反偏 （uBE 0， uBC0 （NPN） iB =0 , iC = ICEO 0 三極管截止時，C、E間電流等于0，電阻很大，視為斷路 截止區(qū) ICEO =(1 +)ICBO穿透電流2.擊穿區(qū)：集電極反偏，電壓大于反向擊穿電壓特點：三個工作區(qū)的特點(NPN)工作區(qū)電 壓電 流放大UBE = 0.7 V ；

11、UBC UB UE ) ; UCES UCE0 ; UC UB ; UCE=UCES = 0.3 V發(fā)射結正偏, 集電結正偏IB IC截止UBE, 0 ；UCE =VCC發(fā)射結反偏, 集電結反偏 IB = IC = 0小結：例1、判斷圖示各電路中晶體管是否有可能工作在放大狀態(tài)。（a）可能 ；因為是PNP管，電路滿足：UCUBUBUE（c）不能；因為UC=UB，不滿足UCUBUE的條件(d) 不能; 基極沒有保護電阻BE結會因電流過大而損壞。 例2、分別判斷圖示各電路中晶體管工作哪個工作區(qū)。 PNP 管，發(fā)射結正偏， 集電結反偏， 工作在放大區(qū)（a）NPN管,工作在放大區(qū) 解：（b） NPN管，

12、不在放大區(qū)。工作在截止區(qū)（c）NPN管，不在放大區(qū)。工作在飽和區(qū)(d)2.共射放大電路（1）共射放大電路的組成uiib ic=ibuoC1 、C2稱為隔直電容或 耦合電容，該電路又稱為阻容耦合共射放大電路。耦合電容的容量應足夠大（一般為幾十微法，即對于交流信號近似為短路 ，其作用為“隔直流、通交流”。 共射固定偏流式放大電路(1)、三極管：放大器件 (3)、RB：基極偏置電阻 (4)、RC：集電極偏置電阻 (5)、RL：負載 (6)、C1和C2 ：耦合電容 (2)、直流電源Vcc：提供能源 通常、放大電路中直流電源的作用和交流信號的作用共存，這使得電路的分析復雜化，為簡化分析，將他們分開作用，

13、引入直流通路和交流通路的概念 。輸入信號為零（ui= 0 或 ii= 0）時，放大電路的工作狀態(tài) 靜態(tài)（直流工作狀態(tài)）輸入信號不為零時，放大電路的工作狀態(tài) 動態(tài)（交流工作狀態(tài)） 電路處于靜態(tài)時，三極管各電極有確定不變的電壓、電流，在特性曲線上表現(xiàn)為一個確定點，稱為靜態(tài)工作點，即Q點。 一般用IB、 IC和UCE （或IBQ、ICQ和UCEQ ）表示。uit0iBt0iCt0uCEt0uOt0uit0iBt0uBEt0iCt0uCEt0uot0uCE = VCC - iC RCuBE = UBE + ui uo = uCE - UCE直流通路作圖原則電容開路；電感短路； 保留直流電源VCC（2）

14、直流通路與交流通路交流通路作圖原則電容短路；電感開路；直流電源VCC置0（接地） 組成放大器時應遵循的原則1.要有直流通路：E結正偏、C結反偏（放大狀態(tài)）并保證有合適的直流工作點2.要有交流通路：信號能輸入，信號能輸出交直流相互兼容，互不影響； 合適的元器件參數(shù)選擇。符號表示規(guī)范：基本符號+下標符號（1）、大大：直流分量 IB（2）、小?。航涣鞣至?ib（3）、大小：交流有效值 Ib（4）、小大：瞬時值(總值)=直流分量+交流分量 iB=IB+ib（3）符號使用規(guī)定（4）放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)工作點計算靜態(tài)工作點對輸出波形的影響飽和失真截止失真 注意：對于PNP管，由于是負電源供電，失真的表現(xiàn)

15、形式，與NPN管正好相反。由于放大電路的工作點達到了三極管的飽和區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為底部失真。由于放大電路的工作點達到了三極管的截止區(qū)而引起的非線性失真。對于NPN管，輸出電壓表現(xiàn)為頂部失真。靜態(tài)工作點對波形的影響：靜態(tài)工作點的設置對放大電路很重要，工作點選擇不當可能引起波形失真。wtwtuce工作點太低頂部失真截止失真uceiCiCwtwt工作點太高底部失真飽和失真 對靜態(tài)工作點的要求：一是合適，二是穩(wěn)定。 靜態(tài)工作點的設置對放大電路很重要，工作點選擇不當可能引起波形失真。圖P2.37 共射基本放大電路問題： 電路中各元器件對輸出信號的影響RB IB IC UC

16、E 輸出信號有可能產(chǎn)生飽和失真反之可能產(chǎn)生截止失真 電路中各元器件對輸出信號的影響RC IC 不變UCE 輸出信號有可能產(chǎn)生飽和失真 電路中各元器件對輸出信號的影響基極偏置電阻RB一旦確定IB確定IC、 UCE確定稱此電路為固定偏置放大器（或者恒流式偏置放大器）一般通過調節(jié)RB來調節(jié)靜態(tài)工作點（5）放大電路的動態(tài)分析放大電路考慮的因素：1. 輸出信號的幅度和功率要較輸入信號大(放大多少?)2. 放大器對信號源的影響(對前級的影響)3. 放大器對負載的影響(對后級的影響)+共射放大電路的性能指標放大倍數(shù)（增益）衡量放大電路放大能力的指標電流放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)：功率放大倍數(shù): 電壓放大倍數(shù)（v

17、oltage gain）Au（dB）= 20lgAu工程上一般有源電壓放大倍數(shù)： 電流放大倍數(shù)（current gain）Ai（dB）= 20lgAi工程上一般有功率放大倍數(shù)（或功率增益，power gain）Ap（dB）= 10lgAp工程上一般有例：測得某共射放大電路輸入電壓Ui=3mV，輸出電壓 Uo=3V，則電壓放大倍數(shù)Au？分貝值？ 分貝值表示法：Au =1000000，用分貝表示則為Au =120 dB。 Au（dB）=60dB Au= 1000， Au（dB）=60dBAu（dB）= 20lgAuAi（dB）= 20lgAiAp（dB）= 10lgAp 在輸出信號不失真的前提下，

18、放大器對輸入信號放大的能力 放大倍數(shù)Au0時，說明輸出、輸入信號的相位相反 Au的絕對值越大，說明放大器的放大能力越強Ainout輸入電阻Ri：從輸入端向放大器看進去的等效電阻雙極型晶體管的輸入電阻較低，約幾千歐。 JFET輸入電阻可達108以上，MOSFET輸入電阻可達1010以上；放大電路的性能指標之二輸入電阻 Ri 1、放大器的輸入電阻相當于信號源的負載電阻，輸入電阻表明了放大器對信號源的影響程度，顯然，Ri越大，ui 越接近uS ,信號源衰減越小，對信號源（電壓源）的影響就越小2、輸入電阻中不包括RSuo為開路電壓Ro為戴維南等效輸出電阻放大電路的性能指標之三輸出電阻對于負載RL來說，

19、放大器的輸出端口相當于一個信號源，這個等效信號源的內阻就是放大器的輸出電阻Ro。或者說，輸出電阻Ro就是從輸出端口向放大器看進去的等效電阻。-UORO+（US） 1、在放大器和負載之間，放大器的輸出電阻相當于信號源的內阻，放大器的開路輸出電壓相當于信號源的電壓2、輸出電阻的大小反映了放大器帶負載能力的強弱，Ro越小，uo越接近uo ，輸出電壓越大，電路帶動負載能力越強3、 Ro中不包含RL例：某放大電路，空載時測得輸出端電壓為6V，接上RL=4k 的負載，輸出端電壓為3V，則輸出電阻Ro=？ Ro=4k注意: 三項技術指標都為交流量 當放大電路的輸入信號電壓很小時，就可以把三極管小范圍內的特性

20、曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當作線性電路來處理。iB/AuBE/V0Q小信號等效電路分析法其中rbe 為幾百歐幾千歐 ;小信號模型僅適用于低頻小信號交流量；只能用于動態(tài)分析，不能用于靜態(tài)分析。三極管的小信號等效電路 步驟求放大電路的Q點求rbe根據(jù)交流通路，畫出放大電路的小信號等效電路求出放大電路的性能指標放大電路的小信號等效電路分析法例 如圖所示為共射基本放大電路，設三極管的 = 40，電路中各元件參數(shù)值分別為VCC =12V，RB =300k，RC =4k，RL =4k。試求放大電路的Au，Ri和RO。 解：BJT放大器微變等效電路圖io對靜態(tài)工作點設

21、置要求：一是合理，二是穩(wěn)定。電源電壓變化電路參數(shù)變化管子、元件老化或更換溫度變化3、工作點穩(wěn)定的放大電路VCC和RB確定，IB即為固定“固定偏流電路”或“恒流式偏置電路 當更換管子、環(huán)境溫度變化時，變化工作點不穩(wěn)定 溫度對靜態(tài)工作點的影響固定偏流電路不能滿足要求溫度變化：TICBO；T；TuBEIcQ點上移分壓式偏置電路 一種能自動穩(wěn)定工作點的偏置電路如圖所示，該電路稱為分壓式偏置電路或射極偏置電路。分壓式偏置電路是目前應用最廣泛的一種偏置電路 圖 分壓式偏置電路 穩(wěn)定工作點原理目標：溫度變化時，使IC維持恒定。 如果溫度變化時，b點電位能基本不變，則可實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。T 穩(wěn)定原理： I

22、C IEIC UE、UB不變 UBE IB（反饋控制）b點電位基本不變的條件：I1 IB ，此時，不隨溫度變化而變化。UB UBE 且Re可取大些，反饋控制作用更強。 一般取 I1 =(510)IB ， UB =3V5V 實際常用電路問題: 在實際應用中，由于RE的接入，雖然帶來了穩(wěn)定工作點的好處，但卻使Au大大下降（RE對交流信號也產(chǎn)生負反饋）。實際常用電路問題解決：通常在RE兩端并聯(lián)一個大電容CE（幾十至幾百F），由于CE對于交流信號而言相當于短路（稱為旁路電容），因此該電路的交流通路與共射基本放大電路完全相同。靜態(tài)工作點的計算+VCC只取決于外電路，和晶體管參數(shù)無關1、以分壓方式求基極電

23、壓UB2、由基極電壓求發(fā)射極電壓UE3、由發(fā)射極電壓求發(fā)射極電流IE4、由發(fā)射極電流求集電極電流IC5、最后求CE結壓降UCE6、由發(fā)射極電流求基極電流IB靜態(tài)參數(shù)求解方法-例1：放大電路如圖，已知=50，UBE=0.7V，（1）求靜態(tài)工作點IC 、UCE； 解:(1)靜態(tài)參數(shù): Re=Re1+Re2動態(tài)分析一、BJT放大器三種組態(tài) 1. 共發(fā)射極接法：發(fā)射極作為輸入、輸出回路的公共電極，用CE表示；+-+-輸入回路輸出回路ibic4、共集電極放大電路一、BJT放大器三種組態(tài) 2. 共基極接法：基極作為輸入、輸出回路的公共電極，用CB表示；+-+-輸入回路輸出回路ieic 3. 共集電極接法：

24、集電極作為輸入、輸出回路的公共電極，用CC表示。一、BJT放大器三種組態(tài)+-+-輸入回路輸出回路ieib共集電極放大器分析求靜態(tài)工作點由得共集電極放大器分析小信號等效電路圖求電壓增益小信號等效電路圖輸出回路：輸入回路：電壓增益：其中一般，則電壓增益接近于1，即共集電極放大器分析求輸入電阻小信號等效電路圖根據(jù)定義由電路列出方程則輸入電阻當 ，時，輸入電阻大共集電極放大器分析求輸出電阻求RO的等效電路由電路列出方程其中則輸出電阻當，時，輸出電阻小共集電極電路特點： 電壓增益小于1但接近于1， 輸入電阻大，對電壓信號源衰減小 輸出電阻小，帶負載能力強共集電極放大器分析1.4 絕緣柵型場效應管 第1章 晶體管放大電路與應用 場效應管是繼三極管之后發(fā)展起來的另一類具有放大作用的半導體器件,其特點是輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單、低電源下工作，在集成電路中占有重要地位。本章講述場效應管的類型、工作原理、特性及其三組態(tài)電路等基本知識。場效應管概述結型場效應管3DJ6系列MOS3DJ6MOSMOS按溝道分為：N溝道P溝道結 型（JFET）SDG按工藝結構分為