三極管及放大電路

第2章三極管及放大電路

內(nèi)容提要本章首先介紹半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)、特性及主要參數(shù)，然后介紹各種放大電路。重點(diǎn)討論三極管共射放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，然后討論三極管共集和共基放大電路、MOS場(chǎng)效應(yīng)管放大電路、多級(jí)放大電路、差動(dòng)放大電路和功率放大電路。2023-02-042.1三極管2.2共射放大電路2.3放大電路的圖解分析法2.4放大電路的微變等效電路分析法2.5靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路2.6共集放大電路和共基放大電路2.7MOS場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路2.8多級(jí)放大電路2.9差動(dòng)放大電路2.10功率放大電路2023-02-04

2.1三極管2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體三極管的種類很多，根據(jù)制作的基片材料分為硅管和鍺管，硅管性能優(yōu)于鍺管，故當(dāng)前生產(chǎn)和使用的三極管以硅管為多；按頻率分為高頻管、低頻管；按功率分為小、中、大功率管；按結(jié)構(gòu)分為NPN和PNP兩種類型。三極管是通過一定的工藝，將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件。圖2.1所示為三極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)（用VT表示）。2023-02-04圖2.1三極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)

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三極管是由三層半導(dǎo)體制成的兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)），其特點(diǎn)是中間一層P（或N）型半導(dǎo)體特別薄，兩邊各為一層N（或P）型半導(dǎo)體。從三層半導(dǎo)體上分別引出3個(gè)電極，稱為集電極C、基極B和發(fā)射極E，對(duì)應(yīng)的每塊半導(dǎo)體稱為集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N（或P）型半導(dǎo)體，但是發(fā)射區(qū)比集電區(qū)摻的雜質(zhì)重，因此它們并不對(duì)稱，使用時(shí)這兩個(gè)極不能混淆。2023-02-04

三極管接在電路中要有輸入端和輸出端，而其只有三個(gè)電極，因此必然有一個(gè)電極作為輸入回路和輸出回路的公共端，如圖2.2所示，晶體管有三種基本組態(tài)。圖2.2三極管的三種組態(tài)

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1.共射接法以基極為輸入端，集電極為輸出端，發(fā)射極為輸入、輸出兩回路的公共端，如圖2.2（a）所示。

2.共集接法以基極為輸入端，發(fā)射極為輸出端，集電極為輸入、輸出兩回路的公共端，如圖2.2（b）所示。

3.共基接法以發(fā)射極為輸入端，集電極為輸出端，基極為輸入、輸出兩回路的公共端，如圖2.2（c）所示。2023-02-04

以NPN型三極管為例，通過實(shí)驗(yàn)來(lái)了解半導(dǎo)體三極管的放大原理和其中的電流分配情況，實(shí)驗(yàn)電路如圖2.3所示。圖2.3電流放大實(shí)驗(yàn)電路2.1.2三極管的放大作用2023-02-04

將三極管接成兩條電路，一條是由電源電壓UCC的正極經(jīng)過電阻RB（通常為幾百千歐的可調(diào)電阻）、基極、發(fā)射極到電源電壓UCC的負(fù)極，稱為基極回路。另一條是由電源電壓UCC的正極經(jīng)過電阻RC、集電極、發(fā)射極再回到電源電壓UCC的負(fù)極，稱為集電極回路?？梢?，發(fā)射極是兩個(gè)回路所共用的，所以這種接法稱為共發(fā)射極電路。改變可變電阻RB，則基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化，電流方向如圖1.18所示，測(cè)試結(jié)果列于表2.1中。

2023-02-04表2.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

電流實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456IB（mA）00.020.040.060.080.10IC（mA）＜0.0010.701.502.303.103.95IE（mA）＜0.0010.721.542.363.184.052023-02-04

由實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果可得出如下結(jié)論。（1）三個(gè)電流符合基爾霍夫定律，即IE

=IB

+IC（2-1）

且基極電流IB很小，忽略IB不計(jì)，則有IE≈IC

（2）三極管有電流放大作用，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，IC與IB的的比值近似為一個(gè)常數(shù)，即（2-2）基極電流IB的微小變化能引起集電極電流IC較大的變化，即（2-3）以上兩式中的和分別稱為晶體管的直流和交流電流放大系數(shù)。從表1.1中可以看出，，且在一定范圍內(nèi)幾乎不變，故工程上不必嚴(yán)格區(qū)分，估算時(shí)可以通用。2023-02-04

2.1.3三極管的特性曲線及工作狀態(tài)三極管采用共發(fā)射極接法時(shí)，信號(hào)從基極-發(fā)射極回路輸入，從集電極-發(fā)射極回路輸出，所以有兩條伏安特性曲線。這些特性曲線可用晶體管特性圖示儀直觀地顯示出來(lái)，也可通過如圖2.4所示的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測(cè)繪。圖中，UCC＞UBB，以使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，保證三極管放大的外部條件。2023-02-04圖2.4三極管特性曲線實(shí)驗(yàn)電路

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1.輸入特性曲線

輸入特性是指當(dāng)集-射電壓UCE為常數(shù)時(shí)，基極電流IB與基-射電壓UBE之間的關(guān)系曲線，如圖2.5所示。可以看到，它類似二極管的正向伏安特性曲線，三極管的輸入特性曲線也有一段死區(qū)，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.1V。在正常導(dǎo)通時(shí)，硅管的UBE約為0.7V，而鍺管UBE約為0.3V。且對(duì)三極管而言，當(dāng)UCE＞1V后，即使加大UCE，這條輸入特性曲線基本上也是與UCE無(wú)關(guān)的。2023-02-04圖2.5輸入特性曲線

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2.輸出特性曲線輸出特性是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時(shí)，集電極電流IC與集-射電壓UCE之間的關(guān)系曲線。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以三極管的輸出特性曲線是一組曲線，如圖2.6（a）所示。2023-02-04

圖2.6輸出特性曲線

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通常把三極管的輸出特性曲線分為3個(gè)工作區(qū)。（1）放大區(qū)。輸出特性曲線近于水平的區(qū)域是放大區(qū)，也稱線性區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。對(duì)NPN型管，就是UBE＞0.5V（或UBE＞0.1V），且UCE＞1V時(shí)，三極管工作于放大狀態(tài)。在此區(qū)域，三極管具有恒流特性：，可見

IB不變時(shí)，IC基本不變，IC受IB的控制，與UCE基本無(wú)關(guān)。

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（2）截止區(qū)。IB=0曲線與橫軸之間的區(qū)域是截止區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)反偏（或正偏電壓小于死區(qū)電壓），集電結(jié)反偏。對(duì)NPN型硅管，當(dāng)UBE小于死區(qū)電壓時(shí)，即已開始截止，但是為了截止可靠，常使UBE＜0。當(dāng)減小IB使工作點(diǎn)下移到圖2.6（a）中Q2點(diǎn)時(shí)，晶體管即進(jìn)入截止區(qū)，此時(shí)IB=0，IC=ICEO≈0（ICEO稱為穿透電流），UCE≈UCC。C，B，E3個(gè)電極間相當(dāng)于開路，其等效電路如圖2.6（b）所示。2023-02-04

（3）飽和區(qū)。IC隨UCE的增大而增大的區(qū)域是飽和區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。對(duì)NPN型管，當(dāng)UCE＜UBE時(shí)，三極管工作于飽和狀態(tài)。當(dāng)增加IB使工作點(diǎn)上移到Q1點(diǎn)時(shí)，三極管即進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)IB的變化對(duì)IC的影響較小，IC≠IB，其管壓降UCE稱為飽和壓降UCES，一般硅管約為0.3V，鍺管約為0.1V，都可近似為0V。因UCES≈0，C，E極近似于短路，UBE≈0.7V，B，E極也近似于短路，等效電路如圖2.6（c）所示。可見，三極管具有開關(guān)作用，它相當(dāng)于一個(gè)由基極電流控制的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，截止時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開，飽和時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合。在模擬電路中，三極管常用做放大元件，工作在放大區(qū)；在數(shù)字電路中，三極管常用做開關(guān)元件，工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。三極管工作區(qū)的判別分析非常重要，當(dāng)放大電路中的三極管不工作在放大區(qū)時(shí)，放大信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真。2023-02-04

例2.1

已知圖2.7中各晶體管均為硅管，測(cè)得各管腳的電壓值分別如圖中所示值，試判別各晶體管的工作狀態(tài)。圖2.7例2.1的圖

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解：（1）在圖2.7（a），發(fā)射結(jié)零偏；UCB=-2V＜0，集電結(jié)反偏，故中，因?yàn)閁BE=0.7V＞0，發(fā)射結(jié)正偏；UBC=0.5V＞0，集電結(jié)正偏，故可判斷它工作在飽和區(qū)。（2）在圖2.7（b）中，因?yàn)閁BE=0.7V＞0，發(fā)射結(jié)正偏；UBC=-5.3V＜0，集電結(jié)反偏，故可判斷它工作在放大區(qū)。（3）在圖2.7（c）中，因?yàn)閁EB=0V可判斷它工作在截止區(qū)。2023-02-04

2.1.4晶體管的主要參數(shù)及溫度影響

1.三極管的主要參數(shù)（1）電流放大系數(shù)

是指輸出電流與輸入電流的比值，用于衡量晶體管電流放大能力的參數(shù)。由于制造工藝的分散性，即使是同一型號(hào)的晶體管，

值也有很大差別。但對(duì)一個(gè)給定的管子，值是一定的。一般值為20～200之間。選用晶體管時(shí)，值太大穩(wěn)定性差，值太小則電流放大能力弱。

（2）集-基反向飽和電流ICBO

ICBO是指發(fā)射極開路時(shí)集-基極之間的電流。通常要求ICBO值越小越好。

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（3）穿透電流ICEOICEO是基極開路時(shí)集-射極之間的電流。由于這個(gè)電流似乎是從集電區(qū)穿過基區(qū)流至發(fā)射區(qū)，所以稱為穿透電流。這個(gè)電流越小，表明晶體管的質(zhì)量越好。一般硅管的ICEO遠(yuǎn)小于鍺管，所以多數(shù)情況下選用硅管。

ICEO與ICBO有下列關(guān)系：

ICEO=(1+)ICBO

（2-4）2023-02-04

（4）極限參數(shù)

①集電極最大允許電流ICM

集電極電流過大時(shí)，

值明顯下降，當(dāng)

值下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流IC，稱為集電極最大允許電流ICM。作為放大管使用時(shí)，IC不宜超過ICM，超過時(shí)會(huì)引起

值下降、輸出信號(hào)失真，過大時(shí)還會(huì)燒壞管子。

②集-射極反向擊穿電壓U（BR）CEOU（BR）CEO是基極開路時(shí)加在集-射極之間的最大允許電壓。當(dāng)三極管的集-射極電壓大于此值時(shí)，ICEO大幅度上升，說(shuō)明三極管已被擊穿。電子器件手冊(cè)上給出的一般是常溫（25℃）時(shí)的值。在高溫下，其反向擊穿電壓將會(huì)降低，使用時(shí)應(yīng)特別注意。2023-02-04

③

集電極最大允許耗散功率PCM

由于集電極電流在流經(jīng)集電結(jié)時(shí)要產(chǎn)生功率損耗，使結(jié)溫升高，從而會(huì)引起晶體管參數(shù)變化。當(dāng)晶體管因受熱而引起的變化不超過允許值時(shí)，集電極所消耗的最大功率，稱為集電極最大允許耗散功率PCM。

PCM=ICUCE（2-5）

工作時(shí)，應(yīng)使PC＜PCM，晶體管的工作點(diǎn)不可進(jìn)入圖2.6（a）所示的過耗區(qū)。應(yīng)使PC＜PCM。2023-02-04

2.溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)三極管特性和所有參數(shù)都有影響，但受影響最大的是以下三個(gè)參數(shù)。（1）溫度對(duì)

的影響。三極管的

值會(huì)隨溫度的變化而變化，溫度每升高1℃，

值增大0.5%～1%。（2）溫度對(duì)ICBO的影響。實(shí)驗(yàn)證明，ICBO隨溫度按指數(shù)規(guī)律變化。溫度每升高10℃，ICBO約增加一倍。（3）溫度對(duì)UBE的影響。UBE具有負(fù)的溫度系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高1℃，|UBE|下降約2～2.5mV。2023-02-04

2.1.5三極管的簡(jiǎn)易測(cè)試

1.三極管的引腳判別（1）基極的判別三極管引腳判別示意圖如圖2.8（a）、（b）所示。將萬(wàn)用表歐姆擋撥到R×100或R×1k擋，用黑表筆接三極管的某一極，再用紅表筆分別去接觸另外兩個(gè)電極，若測(cè)得一個(gè)阻值大，一個(gè)阻值小，就將黑表筆換接一個(gè)電極再測(cè)，直到出現(xiàn)測(cè)得的兩個(gè)阻值都很?。ɑ蚨己艽螅蝗缓髮⒓t、黑表筆調(diào)換，重復(fù)上述測(cè)試，若阻值恰好相反，這時(shí)紅表筆所接就是三極管的基極，而且是NPN型管（或PNP型管）。這是因?yàn)楹诒砉P與表內(nèi)電池正極相接，測(cè)得兩個(gè)PN結(jié)的正向電阻值很小。2023-02-04圖2.8用萬(wàn)用表測(cè)三極管2023-02-04

（2）集電極、發(fā)射極的判別三極管集電極、發(fā)射極判別示意圖如圖2.8（c）所示。如果被測(cè)管子為NPN型，可在基極與黑表筆之間接一個(gè)100k的電阻，用萬(wàn)用表R×100或R×1k擋測(cè)量除基極以外的另兩個(gè)電極，得到一個(gè)阻值，再將紅、黑表筆對(duì)調(diào)測(cè)一次，又得到一個(gè)阻值；在阻值較小的那一次測(cè)量中，黑表筆接的就是集電極。這是因?yàn)槿龢O管各電極電壓極性正確時(shí)才能導(dǎo)通放大，值較大，表現(xiàn)出C-E間電阻值較小。若為PNP型管，測(cè)試方法與上相同，此時(shí)紅表筆所接為集電極。2023-02-04

2.三極管電流放大系數(shù)的測(cè)量（1）精測(cè)三極管的值有些萬(wàn)用表帶有

值擋，可直接測(cè)出三極管的值。如U-101型萬(wàn)用表，首先在R×10擋調(diào)零點(diǎn)，然后換到hFE（即

值）擋，把三極管插入相應(yīng)管型的C、B、E三個(gè)引腳孔，即可直接讀出三極管的

值。2023-02-04

（2）估測(cè)三極管的

值當(dāng)萬(wàn)用表沒有上述功能時(shí)，可利用萬(wàn)用表歐姆擋R×100或R×1k擋估測(cè)三極管的值。對(duì)于NPN型管，電流放大系數(shù)

值估測(cè)方法如圖2.8（c）所示，紅表筆接發(fā)射極，黑表筆接集電極，分別測(cè)出基極與集電極之間不接和接入一個(gè)100k電阻時(shí)，兩極之間的電阻。兩次測(cè)得的電阻值相差越大，則說(shuō)明

值越大，放大能力越好。這是因?yàn)榍罢吖茏咏刂梗珻-E極間電阻大，后者管子發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，處于放大狀態(tài)，根據(jù)IC=

IB，如果

越大，IC也大，C-E間電阻就小，所以兩次讀數(shù)相差大就表示大。對(duì)于PNP型晶體管，測(cè)量時(shí)只要將紅、黑表筆對(duì)調(diào)即可，測(cè)試方法完全一樣。2023-02-04

（3）在線晶體管工作是否正常的判別電路中晶體管的工作是否正常，可用多種方法檢測(cè)。這里介紹一種既簡(jiǎn)單又方便的判別方法，電壓表與電路的連接如圖2.9所示。先記下電壓表測(cè)得的UC值，然后用一根導(dǎo)線將基極和發(fā)射極短接（如圖中虛線所示），此時(shí)電壓表指針應(yīng)立即上升到+UCC值，因?yàn)榫w管在發(fā)射結(jié)短路瞬間處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)移去短路線時(shí)，電壓表指針又回到原來(lái)的數(shù)值，這表明晶體管工作正常。若電壓表的讀數(shù)始終不變化，這表明晶體管已不再處于放大狀態(tài)了。2023-02-04圖2.9在線三極管工作是否正常的判別2023-02-04

2.2共射放大電路放大電路是電子設(shè)備中最重要、最基本的單元電路。放大電路的任務(wù)是放大電信號(hào)，即把微弱的電信號(hào)，通過電子器件的控制作用，將直流電源功率轉(zhuǎn)換成一定強(qiáng)度的，隨輸入信號(hào)變化而變化的輸出功率，以推動(dòng)元器件（如揚(yáng)聲器、繼電器等）正常工作。因此放大電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器。2023-02-042.1.1電路結(jié)構(gòu)

如圖2.10所示是基本的共發(fā)射極單管電壓放大電路，ui是放大電路的輸入電壓，uo是輸出電壓。為分析方便，通常規(guī)定：電壓的正方向是以公共端為負(fù)端，其他各點(diǎn)為正端。圖2.10基本共射放大電路

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電路中各元件的作用如下：VT是NPN型三極管，是放大電路的核心元件，起電流放大作用。UCC是放大電路的直流電源，一方面與RB，RC相配合，使三極管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，以滿足三極管放大的外部條件（圖5.1中，若三極管采用PNP型，則電源UCC的極性就要反過來(lái)）；另一方面為輸出信號(hào)提供能量。UCC的數(shù)值一般為幾～十幾伏。RB是基極偏置電阻，電源UCC通過RB為三極管發(fā)射結(jié)提供正向偏壓，改變RB的阻值，即可改變基極電流IB的大小，從而改變?nèi)龢O管的工作狀態(tài)。RB值一般為幾十～幾百千歐。RC是集電極負(fù)載電阻，電源UCC通過RC為三極管提供集電結(jié)反向偏壓，并將三極管放大后的電流IC的變化轉(zhuǎn)變?yōu)镽C上電壓的變化，反映到輸出端，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。RC值一般為幾～十幾千歐。2023-02-04

C1,C2是耦合電容，起“隔直通交”作用，一方面隔離放大電路與信號(hào)源和負(fù)載之間的直流通路，另一方面使交流信號(hào)暢通。C1,C2的數(shù)值一般為幾～幾十微法。RL是外接負(fù)載，它可以是揚(yáng)聲器、耳機(jī)或其他負(fù)載，也可以是后級(jí)放大電路的輸入電阻。信號(hào)源、基極、發(fā)射極形成輸入回路；負(fù)載RL、集電極、發(fā)射極形成輸出回路。輸入回路和輸出回路的公共端是發(fā)射極，可見這是一個(gè)共發(fā)射極放大電路，簡(jiǎn)稱共射放大電路。

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2.2.2電路的工作原理為便于分析，對(duì)電路工作過程中各量的符號(hào)規(guī)定如下：直流量用大寫字母、大寫下角標(biāo)表示，如IB,IC,UCE等；交流量用小寫字母、小寫下角標(biāo)表示，如ib,ic,uce等；總變化量是交直流疊加量，用小寫字母、大寫下角標(biāo)表示，如iB,iC,uCE

等。

如iB,iC,uCE

等。如iB=IB+ib，即iB表示基極電流的總量。如果交流分量是正弦波，其表達(dá)式為：可見正弦波有效值是用大寫字母和小寫下標(biāo)表示，而正弦波的峰值是有效值下標(biāo)再添加小寫m，如Ib、Ibm分別表示基極正弦電流的有效值和峰值。2023-02-04

1.靜態(tài)工作情況放大電路輸入端未加輸入信號(hào)即ui

=0時(shí)的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時(shí)，由于直流電源UCC的存在，電路中沒有變化量，電路中的電壓、電流都是直流量。三極管的IB,IC,UCE稱為該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，簡(jiǎn)稱Q點(diǎn)。按直流信號(hào)在電路中流通的路徑可畫出直流通路。由于電容具有隔斷直流的作用，因此畫直流通路時(shí)電容相當(dāng)于開路。2023-02-04

圖2.11是圖2.10所示放大電路的直流通路。靜態(tài)工作點(diǎn)的IB,IC,UCE可以用直流電表測(cè)得；也可用估算法確定。所謂估算法是突出電路工作的主要因素，而忽略一些次要因素。按照直流通路的結(jié)構(gòu)，可得出以下估算公式：

通常，則（2-6）（2-7）

（2-8）圖2.11放大電路的直流通路

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例2.2在圖2.10中，已知UCC=20V，RB=400k，RC=6k，

=50，試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的IB,IC,UCE。

解：根據(jù)式（2-6），式（2-7），式（2-8）可得

(50×0.05)mA=2.5mA

(20-6×2.5）=5V

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2.動(dòng)態(tài)工作情況放大電路輸入端加輸入信號(hào)即ui

0時(shí)的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。這時(shí)電路中各電量將在靜態(tài)直流分量的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)交流分量。輸入信號(hào)ui經(jīng)過耦合電容C1加在晶體管基極和發(fā)射極之間，只要輸入信號(hào)頻率不是很低，C1對(duì)交流信號(hào)可視為短路。這時(shí)輸入信號(hào)ui疊加在直流的UBE上，即

uBE

=UBE+ui

注意：uBE是在一個(gè)較大的直流電壓UBE（約0.7V）上疊加一個(gè)較小的交流信號(hào)ui，以使uBE不產(chǎn)生負(fù)值，避免產(chǎn)生失真。

uBE電壓的變化引起基極電流的變化，即

iB

=IB+ib

式中，ib是ui引起的電流。2023-02-04

只要三極管處于放大狀態(tài)，即有

iC

=IC+iC

而uCE

=UCC–RCiC=

UCC–RC（IC+iC）=UCC–RCIC–RCiC

=UCE–RCiC

可見，uCE也是由直流分量UCE和交流分量-RCiC疊加而成的，經(jīng)過C2的隔直通交作用，輸出電壓只有交流分量，即uo

=uce

=-RCiC。

上式表明，只要RC取值恰當(dāng)，就可使uo的幅值遠(yuǎn)大于ui的幅值，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大，這就是通常所說(shuō)的放大電路的放大作用；另可看見，uo與RCiC在數(shù)值上相等，而在相位上卻相反，由于ui,ib,iC,相位相同，故uo和ui的相位相反，這在共射放大電路中稱之為“反相”。電路中各電流、電壓的波形如圖2.12所示。

2023-02-04圖2.12放大電路的動(dòng)態(tài)工作情況

2023-02-04

為分析放大電路的動(dòng)態(tài)工作情況，計(jì)算放大電路的放大倍數(shù)，按交流信號(hào)在電路中流通的路徑可畫出交流通路。對(duì)頻率較高的交流信號(hào)，放大電路中的耦合電容、旁路電容畫交流通路時(shí)都視為短路；直流電源由于內(nèi)阻很小，對(duì)交流信號(hào)也視為短路。圖2.13所示為圖2.12放大電路的交流通路。綜上所述，放大電路中各點(diǎn)的電位、各支路的電流，都是直流量和交流量的疊加。直流量所確定的靜態(tài)工作點(diǎn)，是放大電路的基礎(chǔ)；交流量是由輸入信號(hào)產(chǎn)生的，是放大電路工作的目的。交流量是馱載在直流量上進(jìn)行放大的。因此靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置是否合理，將直接影響到放大電路能否正常工作。2023-02-04圖2.13放大電路的交流通路

2023-02-04

2.2.3靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇與波形失真波形失真是指輸出波形相對(duì)于輸入波形產(chǎn)生了畸變。對(duì)放大電路來(lái)說(shuō)，輸出波形的失真應(yīng)盡可能小。靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇對(duì)放大電路有很大的影響，選擇不當(dāng)，容易引起失真。1.飽和失真當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置太高時(shí)，在交流信號(hào)的正半周，隨輸入信號(hào)增大，集電極電流iC因受最大值ICm的限制而不能相應(yīng)地增大，這時(shí)盡管iB

的波形完好，但iC正半周和uCE負(fù)半周的頂部被削去，這種由于動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)所引起的失真，稱為“飽和”失真，如圖2.14所示。調(diào)節(jié)RB使之增大，可消除飽和失真。2023-02-04

2.截止失真當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置太低時(shí)，在交流信號(hào)的負(fù)半周，晶體管因發(fā)射結(jié)反偏而進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，使iC負(fù)半周和uCE正半周的頂部被削去。這種由于動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū)所引起的失真，稱為“截止”失真，如圖2.15所示。調(diào)節(jié)RB使之減小，可消除截止失真。飽和失真和截止失真都是由于晶體管工作在特性曲線的非線性區(qū)域所引起的，因而稱為非線性失真。放大電路的最佳靜態(tài)工作點(diǎn)是指輸入信號(hào)變化時(shí)，輸出信號(hào)正、負(fù)半周都能達(dá)到最大值而不出現(xiàn)失真的工作點(diǎn)。任何狀態(tài)下，不失真的最大輸出稱為放大電路的動(dòng)態(tài)范圍。顯然，最佳工作點(diǎn)下，電路的動(dòng)態(tài)范圍最大。還需指出，在保證輸出信號(hào)不失真的前提下，降低電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，有利于減少放大電路的損耗。2023-02-04

圖2.14放大電路的飽和失真圖2.15放大電路的截止失真

2023-02-04

*2.3放大電路的圖解分析法圖解分析法是利用三極管的輸入特性和輸出特性曲線，用作圖的方法，分析放大器的工作情況。其優(yōu)點(diǎn)是能直觀地反映放大電路的工作原理。2.3.1靜態(tài)工作情況分析靜態(tài)分析的目的是為了求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，現(xiàn)以圖2.10所示的共射極放大電路為例，設(shè)電路中UCC=20V，RB=500k，RC=6.8k。圖2.16（a）中畫出了靜態(tài)集電極回路，虛線左邊是非線性元件三極管，IC與UCE的關(guān)系是一條輸出特性曲線；虛線右邊是UCC和RC串聯(lián)的線性電路，IC與UCE的關(guān)系是直線方程：2023-02-04

在圖2.16（b）iC和uCE確定的輸出特性曲線上畫出這條直線MN（橫截距為UCC，縱截距為UCC/RC），其斜率為，因其斜率由集電極負(fù)載電阻所確定，所以稱為直流負(fù)載線。顯然直流負(fù)載線與靜態(tài)IB對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線的交點(diǎn)Q就是所要求的靜態(tài)工作點(diǎn)。從輸入回路估算：由圖可讀出IC=1.8mA，UCE=7.8V。2023-02-04圖2.16圖解法分析靜態(tài)工作點(diǎn)2023-02-04

2.3.2動(dòng)態(tài)工作情況分析動(dòng)態(tài)分析的目的，是為了了解放大電路各極電流、電壓的波形，并可求出輸出電壓幅值，從而確定放大電路的電壓放大倍數(shù)。當(dāng)接入輸入信號(hào)ui時(shí)，電路就處于動(dòng)態(tài)工作情況，動(dòng)態(tài)圖解分析過程如下。

1.在輸入特性曲線上由ui畫出iB波形設(shè)放大電路的輸入信號(hào)ui=0.02sint（V），三極管的輸入電壓uBE是在原來(lái)直流電壓UBE的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)交流量ui，根據(jù)uBE的變化規(guī)律可從輸入特性上畫出對(duì)應(yīng)的iB波形圖，如圖2.17（b）所示，基極電流iB將在20～60A之間變動(dòng)。2023-02-04圖2.17動(dòng)態(tài)工作情況2023-02-04

2.在輸出特性曲線上畫出交流負(fù)載線在圖2.10所示電路中，對(duì)交流信號(hào)來(lái)說(shuō)，輸出耦合電容C2可視為短路，RC與RL是并聯(lián)的，所以等效的交流負(fù)載電阻，故交流負(fù)載線的斜率為因，故交流負(fù)載線比直流負(fù)載線要陡一些。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，放大電路工作在Q點(diǎn)，即交流負(fù)載線也經(jīng)過Q點(diǎn)，所以，交流負(fù)載線是一條經(jīng)過Q點(diǎn)，斜率為的直線。畫交流負(fù)載線方法是：先畫一條斜率為的輔助線MH，與橫軸相交于M（uCE=UCC，iC=0）與縱軸相交于H（uCE=0，iC=）。然后平移輔助線使其通過Q點(diǎn)，即得交流負(fù)載線，如圖2.17（a）所示。2023-02-04

3.在輸出特性曲線上，由iB和交流負(fù)載線畫出iC和uCE波形在輸出特性曲線上，由iB和交流負(fù)載線畫出iC和uCE波形，如圖2.17（a）所示。由于C2的隔直作用，輸出電壓uo等于uCE的交流分量，輸出電壓uo與輸入信號(hào)電壓ui相位相反。根據(jù)uCE波形可讀出輸出電壓幅值ucem=3V，則電壓放大倍數(shù)等于輸出電壓幅值與輸入電壓幅值之比可見，在ui幅值一定的情況下，RL阻值愈小，交流負(fù)載線越陡，電壓放大倍數(shù)下降得也越多。2023-02-04

2.4放大電路的微變等效電路分析法

對(duì)于交流放大器，要對(duì)其定量分析并了解其性能指標(biāo)，必定要涉及到一些參數(shù)來(lái)描述這些指標(biāo)。由于三極管是非線性元件，只有將其線性化后，才能使用線性定理來(lái)分析、計(jì)算它。實(shí)際上當(dāng)輸入、輸出都是小信號(hào)時(shí)，信號(hào)只是在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)變動(dòng)，三極管的特性曲線可以近似地視做線性的，此時(shí)，可將三極管等效成一個(gè)線性電路模型。2023-02-04

2.4.1三極管微變等效電路模型三極管的輸入特性是非線性的，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，可以把靜態(tài)工作點(diǎn)附近的一段曲線視做直線。這樣三極管B，E間就相當(dāng)于一個(gè)線性電阻rbe，即三極管的輸入電阻rbe

=ube

/ib

。工程上常用下式來(lái)估算：（）（2-9）注意rbe它不是三極管輸入端直流電阻（萬(wàn)用表測(cè)量的歐姆值）。通常小功率三極管，當(dāng)IC=1～2mA時(shí)，rbe為1k左右。

2023-02-04

三極管輸出特性曲線在工作點(diǎn)附近是一組與橫軸平行的直線，當(dāng)uce

在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，ic幾乎不變，具有恒流特性。這樣三極管C，E間可等效為一個(gè)受控電流源，其輸出電流為ic

=

ib，由于三極管的輸出電阻rce極大（輸出恒流特性），所以可看做理想電流源。2023-02-04

圖2.18

三極管的微變等效電路模型

為此，可畫出三極管的微變等效電路模型如圖2.18所示。2023-02-04

2.4.2微變等效電路分析法為了定量計(jì)算放大電路的某些交流性能指標(biāo)，應(yīng)先畫出放大電路的微變等效電路，再根據(jù)定義，求得電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。將圖2.10基本共射放大電路重畫于圖2.19（a）中，其微變等效電路如圖2.19（b）所示。圖2.19共射放大電路及其微變等效電路

2023-02-04

1.電壓放大倍數(shù)AuAu反映了放大電路對(duì)電壓的放大能力，定義為放大電路的輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之比，即

（2-10）由圖2.19（b）可知，，，放大電路的交流負(fù)載，按圖中所標(biāo)注的電流和電壓正方向有，所以（2-11）Au為負(fù)值，表示輸出電壓與輸入電壓反相。2023-02-04

如果放大電路不帶負(fù)載，則電壓放大倍數(shù)為（2-12）由于＜，顯然放大電路接入負(fù)載后電壓放大倍數(shù)下降。此外，通常用Ai表示電流放大倍數(shù)：（2-13）用Ap表示功率放大倍數(shù)：（2-14）它們?nèi)咧g的關(guān)系是：·（2-15）2023-02-04

例2.3

某交流放大器的輸入電壓是100mV，輸入電流為0.5mA；輸出電壓為1V，輸出電流為50mA，求該放大器的電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)。

解：（1）求電壓放大倍數(shù)。（2）求電流放大倍數(shù)。

（3）求功率放大倍數(shù)?！?023-02-04

放大倍數(shù)用對(duì)數(shù)表示叫作增益G，功率放大倍數(shù)取常用對(duì)數(shù)來(lái)表示，稱為功率增益GP，單位為貝爾（Bel），實(shí)際應(yīng)用時(shí)嫌“貝爾”單位太大，人們又取它的十分之一，即分貝（dB）。在電信工程中，對(duì)放大器的三種增益作如下規(guī)定：功率增益：（2-16）電壓增益：（2-17）電流增益：（2-18）

2023-02-04例2.4

求例2.3中放大器的電壓增益、電流增益和功率增益。解：（1）求電壓增益。

（2）求電流增益。

（3）求功率增益。2023-02-04

運(yùn)用放大器增益的概念，可以簡(jiǎn)化電路的運(yùn)算數(shù)字，例如，功率放大倍數(shù)AP=1000000倍，用功率增益表示時(shí)=10lg1000000=60dB。在計(jì)算電路的增益時(shí)，若增益出現(xiàn)負(fù)值則該電路不是放大器而是衰減器。為了方便，通常編有分貝換算表供查用。表2.2為電壓放大倍數(shù)和分貝數(shù)的對(duì)應(yīng)值。例如，一個(gè)放大器的放大倍數(shù)Au=100，則由表2.2可查出它的電壓增益為40分貝。表2.2電壓放大倍數(shù)和增益分貝數(shù)的換算表Au（倍）0.0010.010.10.20.70712310100100010000Gu（dB）60402014306.09.5204060802023-02-04

2.輸入電阻Ri

Ri是從放大電路的輸入端看進(jìn)去的交流等效電阻，它等于放大電路輸入電壓與輸入電流的比值，即Ri=Ui

/Ii。

Ri反映放大電路對(duì)所接信號(hào)源（或前一級(jí)放大電路）的影響程度。如圖2.20所示，如果把一個(gè)內(nèi)阻為Rs的信號(hào)源us加到放大電路的輸入端時(shí)，放大電路的輸入電阻就是前級(jí)信號(hào)源的負(fù)載。由圖2.20可見

若Ri

>>Rs

，則Ui

≈Us。通常希望Ri盡可能大一些，以使放大電路向信號(hào)源取用的電流盡可能小，以減輕前級(jí)的負(fù)擔(dān)。2023-02-04

圖2.20

放大器的輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻可用微變等效電路法估算，由圖2.19（b）放大電路的微變等效電路可得

Ri

=RB∥rbe

≈rbe

（2-19）2023-02-04

3.輸出電阻RoRo是從放大電路的輸出端看進(jìn)去的交流等效電阻，它等于放大電路輸出電壓與輸出電流的比值，即Ro=Uo

/Io。Ro是衡量放大電路帶負(fù)載能力的一個(gè)性能指標(biāo)。如圖2.20所示，放大電路接上負(fù)載后，要向負(fù)載（后級(jí)）提供能量，所以，可將放大電路看做一個(gè)具有一定內(nèi)阻的信號(hào)源，這個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻就是放大電路的輸出電阻。由圖2.20可見若Ro<<RL，則Uo

≈

Uo′。2023-02-04

顯然，Ro愈小，則即使負(fù)載RL變化大，而輸出電壓變化也愈小。這就是說(shuō)Ro愈小，放大器帶負(fù)載能力愈強(qiáng)。一般情況下，都希望輸出電阻Ro盡量小些。輸出電阻可用微變等效電路法估算，由圖2.19（b）放大電路的微變等效電路可得Ro=RC（2-20）2023-02-04

2.5靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路2.5.1溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響基本共射放大電路的基極偏流，偏置電阻RB一經(jīng)選定，IB也隨之確定為恒定值，因此這種電路也稱為固定偏置電路。它的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元器件少，且電壓放大倍數(shù)高，但它的穩(wěn)定性差。當(dāng)三極管受熱時(shí)，其靜態(tài)電流數(shù)值上升，會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生偏移，導(dǎo)致本來(lái)不失真的放大信號(hào)出現(xiàn)失真；還會(huì)使集電極損耗增加，管溫升高，管子不能正常工作，甚至燒壞管子。同樣的道理，當(dāng)更換三極管時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似問題。因此要使uo波形不失真，就要穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，首先要穩(wěn)定靜態(tài)IC的值。2023-02-04圖2.21

分壓式偏置穩(wěn)定電路（a）放大電路；（b）直流通路

2.5.2分壓式偏置穩(wěn)定電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的典型電路是如圖2.21（a）所示的分壓式偏置穩(wěn)定電路。2023-02-04

該電路有以下兩個(gè)特點(diǎn)。1.利用電阻RB1和RB2分壓來(lái)穩(wěn)定基極電位由圖2.21（b）放大電路的直流通路可得（2-21）若使I1>>IB，則I1≈I2。這樣基極電位UB為（2-22）由于UB是由UCC經(jīng)RB1和RB2分壓決定的，故不隨溫度變化，且與晶體管參數(shù)無(wú)關(guān)。2023-02-04

2.由發(fā)射極電阻RE實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定溫度上升使IC增大時(shí)，IE隨之增大，UE也增大；因基極電位UB=UBE+UE保持恒定，故UE增大使UBE減小，引起IB減小，使IC相應(yīng)減小，從而抑制了溫升引起的IC的增量，即穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。其穩(wěn)定過程如下：T(℃)↑→IC↑→IE↑→UE↑

IC↓←IB↓←UBE↓←

通常UB>>UBE，所以集電極電流（2-23）根據(jù)I1>>IB和UB>>UBE兩個(gè)條件得到的式（2-23）說(shuō)明了UB和IC是穩(wěn)定的，基本上不隨溫度而變，而且也基本上與管子的參數(shù)值無(wú)關(guān)。2023-02-04

例2.5電路如圖2.22所示，已知晶體管

=40，

UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RL=4k，

RC=2k，RE=2k，CE足夠大。試求：（1）靜態(tài)值IC和UCE。（2）電壓放大倍數(shù)Au。（3）輸入電阻Ri，輸出電阻Ro。2023-02-04

圖2.22

例2.5圖

（a）放大電路；（b）微變等效電路

2023-02-04

解：（1）估算靜態(tài)值IC和UCE

2023-02-04

（2）估算電壓放大倍數(shù)Au

由圖2.22（a）可知其微變等效電路如圖2.22（b）所示。由于（3）估算輸入電阻Ri，輸出電阻Ro。

Ri

=RB1//

RB2∥rbe≈rbe=0.83kRo=RC=2k故

2023-02-04

在圖2.22（a）中，電容CE稱射極旁路電容（一般取10～100F），它對(duì)直流相當(dāng)于開路，靜態(tài)時(shí)使直流信號(hào)通過RE實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定；對(duì)交流相當(dāng)于短路，動(dòng)態(tài)時(shí)交流信號(hào)被CE旁路掉，使輸出信號(hào)不會(huì)減少，即Au計(jì)算與式（2-12）完全相同。這樣既穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)，又沒有降低電壓放大倍數(shù)。

2023-02-04

2.6共集放大電路和共基放大電路2.6.1共集放大電路1.電路構(gòu)成如圖2.23（a）所示的電路，它是由基極輸入信號(hào)、發(fā)射極輸出信號(hào)的，所以稱為射極輸出器。由圖2.23（b）所示的交流通路可見，集電極是輸入回路與輸出回路的公共端，所以又稱為共集電路。2023-02-04

圖2.23

共集放大電路2023-02-04

2.射極輸出器的特點(diǎn)（1）靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。①射極輸出器的直流通路如圖2.24所示，由圖可知，（2-24）于是有

（2-25）

（2-26）射極輸出器中的電阻RE具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，過程如下：T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓2023-02-04

圖2.24共集電路的直流通路圖2.25共集電路的微變等效電路

2023-02-04

（2）電壓放大倍數(shù)略小于1（近似為1）。射極輸出器的微變等效電路如圖2.25所示，由圖可知（2-27）式中，。通常，所以（2-28）電壓放大倍數(shù)約為1并為正值，可見輸出電壓uo隨著輸入電壓ui的變化而變化，大小近似相等，相位相同。所以，射極輸出器又稱為射極跟隨器。2023-02-04

在圖2.25中，若忽略RB的分流影響，則，，可得電流放大倍數(shù)（2-29）所以，射極輸出器雖然沒有電壓放大，但仍具有電流放大和功率放大的作用。（3）輸入電阻高。由圖2.25可知（2-30）由于RB和值都較大，因此，射極輸出器的輸入電阻Ri很高，可達(dá)幾十～幾百千歐。2023-02-04

（4）輸出電阻低。由于射極輸出器的uo≈ui，當(dāng)ui保持不變時(shí)，uo就保持不變?？梢?，輸出電阻對(duì)輸出電壓的影響很小，說(shuō)明射極輸出器具有恒壓輸出特性，因而射極輸出器帶負(fù)載能力很強(qiáng)。輸出電阻的估算式為Ro≈rbe

/

（2-31）

通常Ro很低，一般只有幾十歐。2023-02-04

3.射極輸出器的應(yīng)用（1）用做輸入級(jí)。在要求輸入電阻較高的放大電路中，常用射極輸出器做輸入級(jí)。利用其輸入電阻很高的特點(diǎn)，可減少對(duì)信號(hào)源的衰減，有利于信號(hào)的傳輸。（2）用做輸出級(jí)。由于射極輸出器的輸出電阻很低，常用做輸出級(jí)?？墒馆敵黾?jí)在接入負(fù)載或負(fù)載變化時(shí)，對(duì)放大電路的影響小，使輸出電壓更加穩(wěn)定。（3）用做中間隔離級(jí)。將射極輸出器接在兩級(jí)共射電路之間，利用其輸入電阻高的特點(diǎn)，可提高前級(jí)的電壓放大倍數(shù)；利用其輸出電阻低的特點(diǎn)，可減小后級(jí)信號(hào)源內(nèi)阻，提高后級(jí)的電壓放大倍數(shù)。由于其隔離了前后兩級(jí)之間的相互影響，因而也稱為緩沖級(jí)。2023-02-04

2.6.2共基放大電路如圖2.26所示的電路，它由發(fā)射極輸入信號(hào)，集電極輸出信號(hào)，基極交流接地，是輸入回路與輸出回路的公共端，故稱共基電路。圖2.26共基放大電路2023-02-04

共基電路的直流通路與共射分壓式偏置穩(wěn)定電路的直流通路完全相同，因而靜態(tài)工作點(diǎn)的估算方法也完全一樣。因共基電路和共射電路的輸入信號(hào)均加在基極和發(fā)射極之間，只是符號(hào)相反，輸出信號(hào)均從集電極取出，因而共基電路的電壓放大倍數(shù)，與共射電路的放大倍數(shù)Au大小相同，符號(hào)相反。其輸入電阻估算式為很小，輸出電阻和共射放大電路相同。

2023-02-04共基電路的輸入電流為ie，輸出電流為ic，由于ic略小于ie，所以共基電路無(wú)電流放大作用，但仍有電壓及功率放大作用。共基電路的特點(diǎn)是通頻帶寬、穩(wěn)定性好，輸出電流恒定，多用于高頻和寬頻帶電路中，在聲像及通信技術(shù)中應(yīng)用較廣。2023-02-04*2.7MOS場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路場(chǎng)效應(yīng)管是一種較新型的半導(dǎo)體器件，是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制晶體管的電流而得名的。它的輸入電阻極高，可達(dá)109～1014，同時(shí)它有噪聲小、熱穩(wěn)定性好、功耗極低和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)，因此在大規(guī)模集成電路中應(yīng)用極為廣泛。場(chǎng)效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)分為兩種類型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，按制造工藝可以分成增強(qiáng)型和耗盡型兩大類，每一類中又有N溝道和P溝道之分。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管已不多用，下面我們簡(jiǎn)單介紹絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。2023-02-042.7.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖2.27（a）所示，它是用一塊P型薄硅片做襯底，其上擴(kuò)散兩個(gè)N+區(qū)作為源極S和漏極D，在硅片表面生成一層SiO2絕緣體，絕緣體上的金屬電極為柵極G。因柵極和其他電極及導(dǎo)電溝道是絕緣的，所以稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，或稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管。2023-02-04（b）N溝道耗盡型（c）N溝道增強(qiáng)型（a）N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及工作原理圖2.27N溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管2023-02-04工作時(shí)在漏極D和源極S之間形成導(dǎo)電溝道，稱為N溝道。由于摻入離子數(shù)量不同，工作中有差別，又分為耗盡型NMOS管和增強(qiáng)型NMOS管，其符號(hào)分別如圖2.27（b）、（c）所示。若圖中符號(hào)的箭頭方向相反，則分別表示P溝道耗盡型PMOS管和增強(qiáng)型PMOS管。2023-02-042.MOS場(chǎng)效應(yīng)管的原理和特性（1）工作原理。當(dāng)柵源電壓UGS=0時(shí)，漏極D,源極S間為由半導(dǎo)體N-P-N組成的兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，因此，可認(rèn)為漏極電流ID=0。當(dāng)UGS＞0時(shí)，P型襯底中的電子受到吸引而到達(dá)表層形成N型薄層，即N型導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道形成后，若在D，S兩極間加上正向電壓UDS就會(huì)有漏極電流ID，如圖2.27（a）所示。這種MOS管在UGS=0時(shí)沒有導(dǎo)電溝道，只有在UGS增大到開啟電壓UGS(th)

時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道，因而稱為增強(qiáng)型NMOS管。當(dāng)UGS＞UGS(th)

時(shí)，柵源電壓UGS愈大，導(dǎo)電溝道就會(huì)愈寬，漏極電流ID也就愈大，這就是增強(qiáng)型MOS管的柵極控制作用。2023-02-04（2）特性曲線。①轉(zhuǎn)移特性曲線。轉(zhuǎn)移特性是指在漏源電壓UDS一定時(shí)，輸入電壓UGS對(duì)輸出電流ID的控制特性。雖然UDS不同時(shí)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)移特性有影響，但在場(chǎng)效應(yīng)管的工作區(qū)內(nèi)，ID幾乎與UDS無(wú)關(guān)；對(duì)應(yīng)不同UDS值的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合，所以通常只用一條曲線來(lái)表示，如圖2.28所示。由轉(zhuǎn)移特性曲線可以更清楚地看出柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用，所以說(shuō)場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件。2023-02-04②輸出特性曲線。輸出特性曲線是指在柵源電壓UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間的關(guān)系曲線。如圖2.29所示，輸出特性曲線也是一曲線族。觀察ID隨UGS的變化情況，可以分成可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)。場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用于放大電路時(shí)就工作在恒流區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，ID幾乎與UDS無(wú)關(guān)，而由柵源電壓UGS控制。用一個(gè)小電壓去控制一個(gè)大電流，是場(chǎng)效應(yīng)管的最大特點(diǎn)。2023-02-04

圖2.28增強(qiáng)型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖2.29增強(qiáng)型NMOS管的輸出特性曲線2023-02-04

3.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（1）夾斷電壓UGS(off)。當(dāng)耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的UDS為常數(shù)時(shí)，使ID等于一個(gè)微弱電流（如50A）時(shí)，柵源之間所加電壓，稱為夾斷電壓UGS(off)。（2）開啟電壓UGS(th)。當(dāng)增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的UDS為常數(shù)時(shí)，有溝道將漏、源極連接起來(lái)的最小UGS值，稱為開啟電壓UGS(th)。2023-02-04（3）飽和漏電流IDSS。當(dāng)UGS=0，且UDS＞時(shí)的漏極電流，稱為飽和漏電流IDSS。（4）直流輸入電阻RGS。柵-源電壓UGS與對(duì)應(yīng)的柵極電流IG之比，稱為直流輸入電阻RGS。（5）低頻跨導(dǎo)gm。當(dāng)UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流ID與柵-源電壓UGS變化量的比值稱為低頻跨導(dǎo)gm

，表征場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力，表示為：2023-02-04

4.場(chǎng)效應(yīng)管的使用注意事項(xiàng)（1）由于MOS管的輸入電阻很高，柵極的感應(yīng)電荷不宜釋放，可形成很高電壓，將絕緣層擊穿而損壞，因此，使用時(shí)柵極不能開路，保存時(shí)各極需短路。（2）對(duì)MOS管，若管子內(nèi)部已將襯底與源極短路，則不能互換，否則可互換。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管漏極與源極可互換使用。（3）低頻跨導(dǎo)與工作電流有關(guān)，ID越大，gm也越大。2023-02-042.7.2MOS場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路與晶體管放大電路相似，MOS場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路也必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證放大電路正常工作。但場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，沒有偏置電流，關(guān)鍵是要有合適的柵偏壓UGS。常用的偏置電路有兩種：自偏壓電路、分壓式偏置電路。前者采用結(jié)型管，后者結(jié)型管、MOS管均可采用。本節(jié)只介紹分壓式偏置電路。

2023-02-041.電路結(jié)構(gòu)及靜態(tài)工作點(diǎn)（1）電路結(jié)構(gòu)。如圖2.30所示為N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路。它與晶體管分壓式共射放大電路結(jié)構(gòu)相似。除場(chǎng)效應(yīng)管外，其他元件作用也與共射放大電路中的基本一致。2023-02-04圖2.30分壓式共源放大器2023-02-04（2）估算靜態(tài)工作點(diǎn)。共源電路靜態(tài)工作點(diǎn)與晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)不完全一樣，主要區(qū)別是晶體管有基極電流，而場(chǎng)效應(yīng)管的柵源間電阻極高，根本沒有柵極電流流過RG。所以，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極對(duì)地直流電壓UG是由電源電壓UDD經(jīng)電阻RG1，RG2分壓得到的，而場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓為：適當(dāng)選擇RG1或RG2的值，就可使柵極與源極之間獲得正、負(fù)及零3種偏置電壓。接入RG是為了提高放大器的輸入電阻，并隔離RG1，RG2對(duì)交流信號(hào)的分流。2023-02-04靜態(tài)工作點(diǎn)可用下面方程組聯(lián)立求解。

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2.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路分析法（1）場(chǎng)效應(yīng)管的等效電路。由于場(chǎng)效應(yīng)管基本沒有柵流，輸入電阻極高，因此場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間可視為開路。又根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管輸出回路的恒流特性，場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電阻rds可視為無(wú)窮大，因此，輸出回路可等效為一個(gè)受Ug