電工電子技術基礎第6章 半導體器件集成運放及應用

第6章半導體器件、集成運放及應用內(nèi)容提要1.半導體器件及其應用；2.集成運算放大器及其應用；1.本征半導體6.1半導體的根底知識一、半導體的根底知識純潔的具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。常用半導體材料是硅和鍺。第6章半導體器件、集成運放及應用〔1〕本征半導體的原子結構第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕本征半導體的導電載流子：電子移動時是負電荷的移動，空穴移動時是正電荷的移動，電子和空穴都能運載電荷，所以它們都稱為載流子。自由電子：當受到外界能量〔熱、光等〕激發(fā)時，有些價電子能夠掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，電子帶負電?？昭ǎ涸诠矁r鍵上留的空位，空穴帶正電。電子—空穴對：在本征半導體中，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。第6章半導體器件、集成運放及應用第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕本征半導體的導電特性熱敏性、光敏性、摻雜性在本征半導體中摻入微量的雜質元素，會使其導電性能發(fā)生顯著變化，成為雜質半導體。雜質半導體分為N型半導體和P型半導體。2.摻雜半導體〔1〕N型半導體N型半導體是在本征半導體硅〔或鍺〕中摻入少量的5價元素〔如磷〕而形成的。雜質原子提供的多余的電子5

價雜質正離子第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕P型半導體P型半導體是在本征半導體硅〔或鍺〕中摻入少量的3價元素〔如鋁〕而形成的。雜質原子提供的多余的空穴3價雜質原子第6章半導體器件、集成運放及應用1.PN結的形成二、PN結的形成及特性在同一塊半導體基片上，通過不同的摻雜工藝制成P型半導體和N型半導體，在它們的交界面處會形成特殊物理層，稱為PN結。2.PN結的單向導電性〔1)PN結的正向偏置--導通電源正極接P區(qū)，電源負極接N區(qū)，稱PN結為正向偏置。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕PN型的反向偏置---截止電源正極接N區(qū)，電源負極接P區(qū),稱PN結反向偏置。第6章半導體器件、集成運放及應用1.半導體二極管的結構6.2半導體二極管及其應用一、半導體二極管半導體二極管就是由一個PN結加上相應的電極引線及管殼封裝而成的第6章半導體器件、集成運放及應用2.半導體二極管的伏安特性伏安特性：半導體二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與二極管端電壓之間的關系，伏安特性可以用曲線來表示?！?〕半導體二極管的正向特性OA段：稱為“死區(qū)〞硅管死區(qū)電壓：0.5V鍺管死區(qū)電壓：0.1VAB段：稱為正向導通區(qū)硅導通電壓：0.7V鍺導通電壓：0.1V第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕半導體二極管的反向特性OC段：稱為反向截止區(qū)

CD段：稱為反向擊穿區(qū)

二極管兩端加上反向電壓時,二極管等效為非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓的變化而變化。反向擊穿：二極管反向電壓加到一定數(shù)值時,反向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。UBR反向擊穿電壓。

第6章半導體器件、集成運放及應用3.半導體二極管的主要參數(shù)〔1〕最大整流電流IF〔2〕最大反向工作電壓URM

最大整流電流IF是指二極管長期工作時,允許通過的最大正向平均電流。使用時正向平均電流不能超過此值,否那么會燒壞二極管。最大反向工作電壓URM是指二極管正常工作時,所承受的最高反向電壓〔峰值〕。通常手冊上給出的最大反向工作電壓是擊穿電壓的一半左右。第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕反向飽和電流IR〔4〕最高工作頻率fM反向飽和電流IR是指在規(guī)定的反向電壓和室溫下所測得的反向電流值。其值越小,說明管子的單向導電性能越好。

最高工作頻率

fM：是指二極管正常工作時的上限頻率值。超過此值，由于PN結的結電容的作用，二極管的單向導電性變差。第6章半導體器件、集成運放及應用4.半導體二極管的識別與簡單測試〔1〕二極管的極性判別〔2〕性能測試將指針式萬用表置為R×100或R×1k擋，紅、黑表筆分別接二極管兩個引腳，可測得一個阻值，再將紅、黑表筆對調，又測得另一個阻值，假設兩次測量的阻值相差很大，那么說明二極管是好的。在測得阻值小的那一次中，與黑表筆相連的管腳為二極管的陽極，與紅表筆相連的管腳為二極管的陰極。正向電阻越小，反向電阻越大，二極管的性能越好。第6章半導體器件、集成運放及應用5.二極管應用電路〔1〕限幅電路半導體二極管應用十分廣泛，利用其單向導電特性，可實現(xiàn)整流、限幅、鉗位、保護、開關等功能。下面介紹兩種根本應用電路。限幅電路：限制輸出信號幅度的電路叫限幅電路。在電子電路中，為了降低信號的幅度以滿足電路工作的需要，或者為了保護某些器件不受過高的信號電壓作用而損壞，常采用限幅電路。

第6章半導體器件、集成運放及應用①限幅電路②工作原理

US=＋3V交流輸入電壓ui和直流電源US同時作用于二極管V上，當ui的幅值高于3V時，V導通，uO=3V〔忽略二極管正向壓降〕當ui的幅值小于3V時，V截止，uO=ui。設輸入電壓ui=5sinωtV限流電阻R＝1k第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕鉗位電路鉗位電路是利用二極管正向導通后其兩端電壓很小且根本不變的特性，使輸出電位鉗制在某一數(shù)值上保持不變的電路。設二極管為理想元件，(1)當輸入UA＝UB＝3V時，Y點電位？(2)當輸入UA＝0V

,

UB＝3V時，Y點電位？解：(1)二極管V1正偏導通，V2正偏導通，輸出被鉗制在UA和UB上，即UY＝3V。

(2)二極管V1，V2反偏截止，輸出被鉗制在UA上，即UY＝0V。第6章半導體器件、集成運放及應用二、特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管〔1〕穩(wěn)壓二極管的實物圖和電路符號穩(wěn)壓管實物圖電路符號V第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕穩(wěn)壓管的伏安特性：正向特性：穩(wěn)壓管和普通二極管的正向特性相同。反向特性：反向擊穿電壓較低，且擊穿特性陡峭，在反向電流的較大變化范圍之內(nèi)，擊穿電壓根本不變。第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)②穩(wěn)定工作電流IZ

①穩(wěn)定工作電壓UZUZ是指穩(wěn)壓管正常工作時管子兩端的電壓。實際即為二極管的反向擊穿電壓。穩(wěn)定工作電流IZ是指穩(wěn)壓管工作至穩(wěn)壓狀態(tài)時流過的電流。其范圍在IZmin

～IZmax之間。

③最小穩(wěn)定電流IZmin

第6章半導體器件、集成運放及應用IZmin是指穩(wěn)壓管進入反向擊穿區(qū)時的轉折點電流，其工作電流必須大于此值，否那么將失去穩(wěn)壓作用。④最大穩(wěn)定電流IZmax

IZmax是指穩(wěn)壓管長期工作時允許通過的最大反向電流，其工作電流應小于此值，否那么管子會因過熱而損壞。⑤最大耗散功率PZM

PM是指穩(wěn)壓管工作時允許承受的最大功率，其值為PM=IZmax·UZ。第6章半導體器件、集成運放及應用⑥

動態(tài)電阻rZ

動態(tài)電阻rZ是指穩(wěn)壓范圍內(nèi)電壓變化量與相應的電流變化量之比，即rZ=ΔUZ/ΔIZ。rZ值很小，約幾歐到幾十歐。rZ越小越好，即反向擊穿特性越陡越好，穩(wěn)壓性能也越好。⑦電壓溫度系數(shù)CTV

溫度每增加1℃時穩(wěn)定電壓的相對變化量來表示。具有溫度補償?shù)墓璺€(wěn)壓管。外型和符號第6章半導體器件、集成運放及應用2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種將電能轉換成光能的半導體器件。發(fā)光二極管的伏安特性：單向導電性，但在正向導通時能發(fā)光。

3.光電二極管光電二極管是一種將光能轉換成電能的半導體器件。光電二極管廣泛用于遙控接收器、光電傳感器中，還可以當成能源器件，即光電池。第6章半導體器件、集成運放及應用三、二極管整流、濾波電路直流穩(wěn)壓電源框圖第6章半導體器件、集成運放及應用1.單相整流電路〔1〕單相半波整流電路

變壓器次級可得與初級輸入同頻的交流電壓u2，設

①電路組成

②電路工作原理

第6章半導體器件、集成運放及應用當u2為正半周時，A端電位高于B端電位，二極管V因正向偏置而導通，電流流經(jīng)方向為A端→V→RL→B端，自上而下流過RL，在RL上得到上正下負的電壓uO。假設忽略二極管正向壓降，負載上的電壓uO=u2。

負半周時，二極管截止，uO=0。第6章半導體器件、集成運放及應用③輸出電壓平均值和輸出電流平均值

輸出電壓平均值

輸出電流平均值第6章半導體器件、集成運放及應用

④整流二極管的選擇

流過二極管的平均電流IV

二極管承受的最大反向電壓URM

根據(jù)以上兩式就可以確定二極管的型號?？紤]到電網(wǎng)電壓的波動，具體選擇二極管時應至少留有10％的余地。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕單相橋式整流電路①電路組成②工作原理分析設第6章半導體器件、集成運放及應用當u2為正半周時,A端電位高于B端電位,整流二極管V1、V3導通,V2、V4截止。

電流流向為A端→V1→RL→V3→B端,自上而下流過RL,在RL上得到上正下負的電壓。第6章半導體器件、集成運放及應用當u2為負半周時,A端電位低于B端電位,整流二極管V2、V4導通,V1、V3截止。電流流向為B端→V2→RL→V4→A端,自上而下流過RL,在RL上得到上正下負的電壓。這樣在u2的整個周期內(nèi),都有單向脈動的電壓輸出。第6章半導體器件、集成運放及應用一個完整的周期，在負載上就將獲得兩個脈動直流電壓輸出。

③輸出電壓平均值④輸出電流平均值第6章半導體器件、集成運放及應用⑤整流二極管的選擇流過二極管的平均電流IV

二極管承受的最大反向電壓URM

根據(jù)以上兩式就可以確定二極管的型號。但考慮到電網(wǎng)電壓的波動，具體選擇二極管時應至少留有10％的余地。第6章半導體器件、集成運放及應用2.濾波電路整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動較大，不能滿足大多數(shù)電子設備對電源的要求。因此，一般在整流后，還需利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸３Ｓ玫臑V波電路有電容濾波、電感濾波和復式濾波。

第6章半導體器件、集成運放及應用〔1〕電容濾波電路

①電路組成半波整流加電容濾波電路橋式整流加電容濾波電路第6章半導體器件、集成運放及應用當u2處于正半周時，假設u2>uc時，那么二極管V導通，u2對電容C充電，在忽略二極管的正向壓降的情況下，uc＝u2，當u2到達峰值時，uc也到達最大值。②工作原理〔半波電路〕第6章半導體器件、集成運放及應用當u2由峰值下降時，使得u2<uc，二極管截止，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)RL放電，uc逐漸下降。當u2進入負半周時，二極管仍處于截止狀態(tài)，放電過程一直持續(xù)到u2的下一個正半周中的u2>uc時為止，二極管V又導通，電容C再次充電，重復上述過程。負載上的電壓波形即電容電壓波形。第6章半導體器件、集成運放及應用工作原理〔全波電路〕全波整流加電容濾波電路其工作原理與半波整流電路一樣。不同的是u2在一個周期內(nèi)對電容充電兩次，電容向負載放電的時間縮短，輸出電壓更加平滑，平均電壓值更高，

第6章半導體器件、集成運放及應用③輸出電壓平均值的估算輸出電壓平均值④

電容的選擇半波全波濾波電容C的大小取決于放電時間常數(shù)，RLC越大，輸出電壓越平滑，輸出電壓越高。濾波電容容量確實定RLC≥(3～5)T〔半波〕RLC≥(3～5)〔全波〕第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕電感濾波電路電感線圈L和負載的串聯(lián)電路,同樣具有濾波作用。整流濾波輸出的電壓,可以看成由直流分量和交流分量疊加而成。第6章半導體器件、集成運放及應用電感線圈的直流電阻很小,交流電抗很大,故直流分量順利通過,而交流分量將全部降到電感線圈上,這樣在負載RL得到比較平滑的直流電壓。UO=0.9U2電感濾波電路輸出的直流電壓與變壓器次級電壓的有效值U2之間的關系為

電感線圈的電感量愈大,負載電阻愈小,濾波效果愈好,因此,電感濾波器適用于負載電流較大的場合。其缺點是電感量大、體積大、本錢高。第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕復式濾波電路為進一步減小輸出電壓的脈動程度，當單獨使用電容或電感進行濾波，效果不理想時，可采用由電容和電感組成的復式濾波電路。第6章半導體器件、集成運放及應用四、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路經(jīng)過整流濾波后的電壓還會隨電網(wǎng)電壓、負載及溫度的變化而變化。因此，在整流濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。最簡單是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。1．電路組成及工作原理

〔1〕電路組成第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕工作原理當輸入電壓UI保持不變,負載電阻RL增大時

當負載電阻RL保持不變,電網(wǎng)電壓下降導致UI下降時,

第6章半導體器件、集成運放及應用2．元件選擇穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設計首先選定輸入電壓和穩(wěn)壓二極管,然后確定限流電阻R?！?〕輸入電壓UI確實定:考慮電網(wǎng)電壓的變化,UI可按下式選擇:UI=〔2～3〕UO〔2〕穩(wěn)壓二極管的選取:穩(wěn)壓管的參數(shù)可按下式選取:UZ=UOIZmax=〔2～3〕IOmax第6章半導體器件、集成運放及應用例有一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如下圖，負載電阻RL由開路變?yōu)?kΩ，交流電壓經(jīng)整流濾波后的電壓UI＝30V，假設要求輸出電壓UO為10V，試選擇穩(wěn)壓管的型號。解：電路的穩(wěn)壓電壓UO＝UZ=10V第6章半導體器件、集成運放及應用查手冊可知，選擇穩(wěn)壓管的型號為2CW58即可滿足要求當負載電阻為最小時，即RL＝2kΩ時，負載電流為最大值由IZmax=〔2～3〕IOmax得IZmax=3IOmax＝15mA第6章半導體器件、集成運放及應用6.3半導體二極管及其應用一、半導體三極管半導體三極管又稱為晶體三極管，簡稱三極管或晶體管，是組成放大電路的核心元件。第6章半導體器件、集成運放及應用1.半導體三極管的結構與分類〔1〕三極管的結構示意圖第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕三極管的電路符號第6章半導體器件、集成運放及應用按其結構類型分為NPN管和PNP管按其制作材料分為硅管和鍺管按其工作頻率分為高頻管和低頻管按其功率大小分為大功率管、中功率管和小功率管按其工作狀態(tài)分為放大管和開關管〔3〕三極管的分類第6章半導體器件、集成運放及應用以上特點是三極管實現(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件。2.三極管的放大作用與電流分配〔1〕三極管的放大作用發(fā)射區(qū)的摻雜濃度高;

基區(qū)做得很薄,且摻雜濃度低;

集電結面積大于發(fā)射結面積。

三極管的內(nèi)部結構

第6章半導體器件、集成運放及應用三極管的外部條件發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。以下圖是NPN管的偏置電路。UBB通過Rb給發(fā)射結提供正向偏置電壓UB＞UE，形成發(fā)射極電流IE和基極電流IBUCC通過Rc給集電結提供反向偏置電壓UC＞UB，形成集電極電流IC三個電極之間的電壓關系為：UC

＞UB

＞UE，實現(xiàn)了發(fā)射結的正向偏置,集電結的反向偏置。第6章半導體器件、集成運放及應用同理，PNP管的偏置電路如圖與NPN管的偏置電路相比，電源極性正好相反。為保證三極管實現(xiàn)放大作用,那么必須滿足UC＜UB＜UE。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕三極管的電流分配關系三極管電流分配關系測試電路調節(jié)測試電路中的電位器RP，由電流表可測得相應的IB、IC、IE的數(shù)據(jù)如表所示。第6章半導體器件、集成運放及應用表6.3.1IB、IC、IE的測試數(shù)據(jù)

①IE、IC、IB間的關系說明了三極管的電流分配關系，滿足基爾霍夫電流定律由表中每一列都可得到：

第6章半導體器件、集成運放及應用②IC、IB間的關系從表中第三列、

第四列數(shù)據(jù)可知：

從表中第三列和第四列數(shù)據(jù)還可得β從表中數(shù)據(jù)可知，IB雖小，但對IC有控制作用?；鶚O電流IB的微小變化，就能引起集電極電流IC較大的變化，這就是三極管的電流放大作用。和β分別為直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)。第6章半導體器件、集成運放及應用3.三極管的特性曲線三極管的特性曲線是指各電極間電壓和電流之間的關系曲線。它直觀、全面地反映三極管各極電流與電壓之間的關系。三極管的特性曲線可以用特性圖示儀直觀地顯示出來,也可用測試電路逐點描繪。第6章半導體器件、集成運放及應用三極管特性曲線測試電路+-+++---第6章半導體器件、集成運放及應用〔1〕輸入特性曲線輸入特性是指當集電極與發(fā)射極之間電壓uCE一定時,輸入回路中的基極電流iB與基-射電壓uBE之間的關系曲線,用函數(shù)式可表示為第6章半導體器件、集成運放及應用

①

輸入特性曲線與二極管正向特性曲線形狀一樣,也有一段死區(qū)。常溫下硅管的死區(qū)電壓約為０.5V，鍺管約為0.1V。

②當uBE大于死區(qū)電壓時，輸入回路有電流iB產(chǎn)生。常溫下,硅管的導通電壓為0.6～0.7V，鍺管的導通電壓為0.2~0.3V。

③

當發(fā)射結完全導通時，三極管具有恒壓特性。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕輸出特性曲線輸出特性曲線是指當iB一定時,輸出回路中的iC與uCE之間的關系曲線,用函數(shù)式可表示為第6章半導體器件、集成運放及應用①放大區(qū)將iB＞0以上,uCE＞1V以右曲線比較平坦的區(qū)域稱為放大區(qū)。此時，三極管的發(fā)射結正向偏置,集電結反向偏置。根據(jù)曲線特征,可總結放大區(qū)有如下重要特性:受控特性:指iC隨著iB的變化而變化,即iC=βiB恒流特性:指當輸入回路中有一個恒定的iB時,輸出回路便對應一個不受uCE影響的恒定的iC各曲線間的間隔大小可表達β值的大小第6章半導體器件、集成運放及應用

②飽和區(qū)將uCE≤uBE時的區(qū)域稱為飽和區(qū)。此時,發(fā)射結和集電結均處于正向偏置,三極管失去了基極電流對集電極電流的控制作用。

iC由外電路決定，與iB無關。此時uCE的值稱為飽和壓降,用UCES表示。在理想條件下,UCES≈0,三極管c－e之間相當于短路狀態(tài),類似于開關閉合。第6章半導體器件、集成運放及應用

③截止區(qū)一般將iB=0以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。iB=0，iC=ICEO，此時,發(fā)射結零偏或反偏,集電結反偏,即uBE≤0，uCB＞0。這時,uCB=UCC,三極管的c－e之間相當于開路狀態(tài),類似于開關斷開。實際分析中,常把以上三種不同的工作區(qū)域又稱為三種工作狀態(tài),即放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)及截止狀態(tài)。由以上分析可知,三極管在電路中既可以作為放大元件,又可以作為開關元件使用。第6章半導體器件、集成運放及應用4.三極管的主要參數(shù)

①共射直流放大系數(shù)表示集電極電壓一定時，集電極電流IC與基極電流IB之比。

β表示UCE一定時，集電極電流的變化量與基極電流的變化量之比。

②共射交流放大系數(shù)β

〔1〕電流放大系數(shù)第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕極間反向電流

兩個電流放大系數(shù)與含義雖然不同，但在輸出特性曲線的放大區(qū)域的平坦部分時，兩者數(shù)值較為接近，在估算三極管電路時常認為，＝。

ICBO是指發(fā)射極開路,集電結在反向電壓作用下,形成的反向飽和電流。它是由少數(shù)載流子漂移形成，隨溫度的升高而增大，影響三極管工作的穩(wěn)定性，因此其值越小越好。

①反向飽和電流ICBO

第6章半導體器件、集成運放及應用②穿透電流ICEO

ICEO是指基極開路，集電結－發(fā)射極間加一定的反向電壓時，流過的集電極和發(fā)射極之間的電流。它與ICBO的關系為

ICEO也受溫度的影響，且

大，三極管的溫度穩(wěn)定性差。〔3〕極限參數(shù)極限參數(shù)是指為使三極管平安工作，對它的電壓、電流和功率損耗的限制。第6章半導體器件、集成運放及應用①集電極最大允許電流ICM

當iC增大到使β值下降到正常值的2/3時所對應的集電極電流,稱為集電極最大允許電流ICM。為了保證三極管的正常工作,在實際使用中,流過集電極的電流iC必須滿足iC＜ICM。U〔BR〕CEO是指當基極開路時,集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。當溫度上升時,擊穿電壓U(BR)CEO要下降,故在實際使用中,必須滿足uCE＜U(BR)CEO。②集電極—發(fā)射極間的擊穿電壓U〔BR〕CEO第6章半導體器件、集成運放及應用③集電極最大耗散功率PCM

在使用三極管時，PC必須小于PCM才能保證管子正常工作。集電極最大耗散功率是指三極管正常工作時最大允許消耗的功率。三極管消耗的功率PC=UCEIC轉化為熱能損耗于管內(nèi),并主要表現(xiàn)為溫度升高。當三極管消耗的功率超過PCM值時,其發(fā)熱量將使管子性能變差,甚至燒壞管子。第6章半導體器件、集成運放及應用〔1〕溫度對uBE的影響

輸入特性曲線隨溫度升高,曲線左移?！?〕溫度對ICBO的影響輸出特性曲線隨溫度升高將向上移動。ICBO的增加,導致ICEO增長，從而使輸出特性曲線上移。5.溫度對三極管的特性與參數(shù)的影響

第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕溫度對β的影響溫度升高,輸出特性各條曲線之間的間隔增大。uBE的減小，ICBO和β的增加，集中表達為管子的集電極電流iC增大，從而影響三極管的工作狀態(tài)。一般電路中應采取限制因溫度變化而影響三極管性能變化的措施。第6章半導體器件、集成運放及應用6.判別三極管的簡單測試

基－集電極之間的正向電阻、基－發(fā)極之間的正向電阻，應在幾千歐到十幾千歐的范圍內(nèi)?；姌O之間的反向電阻那么應趨近于無窮大。假設測出的正向電阻和反向電阻均為零，說明此結已經(jīng)擊穿；假設測出的電阻均為無窮大，說明此結已斷。三極管內(nèi)部是由兩個PN結構成的，因此，可以用萬用表對三極管的電極和性能的好壞作大致的判斷。第6章半導體器件、集成運放及應用二、放大電路的根本知識模擬電子電路中的三極管通常都工作在放大狀態(tài)，它和電路中的其它元件構成各種用途的放大電路，而根本放大電路那么是構成各種復雜電路的根本單元。三極管根本放大電路有共發(fā)射極電路、共集電極電路和共基極電路。第6章半導體器件、集成運放及應用1.放大的概念所謂放大,從外表上看是將信號由小變大,實質上,放大的過程是實現(xiàn)能量轉換的過程。由于在電子線路中輸入信號往往很小,它所提供的能量不能直接推動負載工作,因此需要另外提供一個能源,由能量較小的輸入信號控制這個能源,經(jīng)三極管使之放大去推動負載工作。第6章半導體器件、集成運放及應用共發(fā)射極放大電路電路晶體管T--放大元件,iC=βiB。要保證集電結反偏,發(fā)射結正偏,使晶體管工作在放大區(qū)。直流電源EC與基極電阻RB--使發(fā)射結處于正偏，并提供大小適當?shù)幕鶚O電流。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2.放大電路的組成及各元件的作用

第6章半導體器件、集成運放及應用集電極電源EC--為電路提供能量。并保證集電結反偏。集電極電阻RC--將變化的電流轉變?yōu)樽兓碾妷?。耦合電容C1、C2--隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時使信號順利輸入、輸出。信號源負載+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE第6章半導體器件、集成運放及應用3.放大電路中電壓、電流的方向及符號規(guī)定①電壓、電流正方向的規(guī)定

規(guī)定:電壓的正方向都以輸入、輸出回路的公共端為負,其他各點均為正;電流方向以三極管各電極電流的實際方向為正方向。

②電壓、電流符號的規(guī)定

直流分量：大寫字母和大寫下標表示。如IB表示基極的直流電流。

第6章半導體器件、集成運放及應用

交流分量：小寫字母和小寫下標表示。如ib表示基極的交流電流。

總變化量：小寫字母和大寫下標表示。如iB表示基極電流總的瞬時值,其數(shù)值為iB=IB+ib。

交流有效值：大寫字母和小寫下標表示。如Ib表示基極的正弦交流電流的有效值。第6章半導體器件、集成運放及應用電壓、電流符號的規(guī)定

第6章半導體器件、集成運放及應用4.直流通路和交流通路

在畫直流通路時,電路中的電容開路,電感短路?！?〕直流通路直流通路,是指當輸入信號ui=0時,在直流電源UCC的作用下,直流電流所流過的路徑。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕交流通路交流通路,是指在信號源ui的作用下,只有交流電流所流過的路徑。畫交流通路時,放大電路中的耦合電容短路;直流電源UCC短路。第6章半導體器件、集成運放及應用3.放大電路的工作狀態(tài)分析〔1〕靜態(tài)〔ui=0〕工作情況所謂靜態(tài),是指輸入信號為零時放大電路中只有直流電量的工作狀態(tài)。

靜態(tài)分析是指在直流通路中對三極管的工作狀態(tài)所進行的分析。第6章半導體器件、集成運放及應用靜態(tài)工作點是指在IB、IC、UBE、UCE四個電路量值確定后,可在三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線上各確定一個固定不動的點“Q〞,“Q〞點就稱為放大電路的靜態(tài)工作點。四個參數(shù)分別表示為UBEQ、IBQ、UCEQ和ICQ。第6章半導體器件、集成運放及應用①估算法確定靜態(tài)工作點UBEQ取值硅管取值為0.7V鍺管取值為0.3V

根據(jù)三極管電流放大特性有集(電極)--(發(fā))射(極)之間的電壓為

第6章半導體器件、集成運放及應用例6.3.1在圖中UCC=20V,Rc=6.8kΩ,Rb=510kΩ,三極管為3DG100,β=45。試求放大電路的靜態(tài)工作點;解：畫直流通路如圖。第6章半導體器件、集成運放及應用硅管UBE=0.7V，那么第6章半導體器件、集成運放及應用確定靜態(tài)工作點

②圖解法確定靜態(tài)工作點給定三極管的輸出特性曲線

UCE/VIC/mAO直流負載線斜率ICQUCEQUCC直流負載線Q由IB確定的那條輸出特性與直流負載線的交點就是Q點確定直流負載線

IBQ、ICQ、UCEQ被確定第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕動態(tài)電路分析動態(tài)是指放大電路輸入信號不為零時的工作狀態(tài)。當放大電路參加交流信號ui時,電路中各電極的電壓、電流都是由直流量和交流量疊加而成的。①放大電路中信號的傳輸與放大

信號傳輸：輸入信號ui通過耦合電容傳送到三極管的基極與發(fā)射極之間,使得發(fā)射結的電壓為第6章半導體器件、集成運放及應用信號放大：當ui變化時,便引起uBE隨之變化，相應的基極電流也在原來IBQ的根底上疊加了因ui變化產(chǎn)生的變化量ib，這時，基極的總電流那么為直流和交流的疊加,經(jīng)三極管放大后,可得

即第6章半導體器件、集成運放及應用第6章半導體器件、集成運放及應用可以看出,電壓uCE由兩局部組成,一局部為靜態(tài)電壓UCEQ，另一局部為交流動態(tài)電壓uce=-icRc,經(jīng)耦合電容C2輸出,得“-〞表示uo與ui反相,即共射放大電路的uo與ui的相位相反。通過上述放大過程的分析和波形的觀察,可以得到如下幾個重要結論:

第6章半導體器件、集成運放及應用在沒有信號輸入時,放大電路工作于靜態(tài)情況,三極管各電極有著恒定的靜態(tài)電流值IBQ、ICQ和靜態(tài)電壓值UBEQ、UCEQ。

當參加變化的輸入信號后,放大電路工作于動態(tài)情況,三極管各電極的電流、電壓瞬時值是在靜態(tài)電流、電壓的根底上,疊加了隨輸入信號ui變化的交流分量ib、ic、ie。其值的方向〔或極性〕在小信號情況下是不變的〔即保持原來直流量的方向〕,大小隨著ui的變化而變化。第6章半導體器件、集成運放及應用輸出電壓uo和輸出電流ic(io)的變化規(guī)律與輸入電壓ui和輸入電流ib一致，且uo比ui幅度大得多，這就完成了對交流信號的不失真放大。輸入和輸出信號波形可以看出:uo和ui是同頻率的正弦量，且相位差180°，即共射極放大電路對于輸入信號具有“反相〞作用。第6章半導體器件、集成運放及應用②放大電路的動態(tài)性能指標

放大電路放大的對象是變化量,研究放大電路時除了要保證放大電路具有適宜的靜態(tài)工作點外,更重要的是還要研究其放大性能。放大電路放大性能的兩個要求是:一是放大倍數(shù)要盡可能大;二是輸出信號要盡可能不失真。衡量放大電路性能的重要指標有放大倍數(shù)、輸入電阻ri和輸出電阻ro。第6章半導體器件、集成運放及應用放大倍數(shù)Au

空載時

電壓放大倍數(shù)的定義為

放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標。它是指輸出信號與輸入信號之比。常用的有電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)。帶載時

第6章半導體器件、集成運放及應用放大電路帶負載電阻RL后的電壓放大倍數(shù)比空載時減小了，RL越小，電壓放大倍數(shù)越小。在共射放大電路中，為提高電壓放大倍數(shù)，總希望RL大一些。

輸入電阻ri

放大電路的輸入端可以用一個等效交流電阻ri來表示。

ri是衡量放大電路對信號源影響程度的重要參數(shù)。其值越大,放大電路從信號源索取的電流越少,信號源對放大電路的影響越小。第6章半導體器件、集成運放及應用共射電路的輸入電阻為第6章半導體器件、集成運放及應用

輸出電阻ro

ro是由輸出端向放大電路內(nèi)部看到的動態(tài)電阻。放大電路對負載來說，它是一個信號源，其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻。根據(jù)戴維南定理等效電阻的計算方法，可得第6章半導體器件、集成運放及應用例在如下圖根本共射放大電路中，Rb＝300kΩ，Rc＝4kΩ，RL＝4kΩ，UCC＝12V，β＝40。試求：〔1〕估算靜態(tài)工作點；〔2〕估算動態(tài)指標Au、ri、ro的值。第6章半導體器件、集成運放及應用解：〔1〕估算靜態(tài)工作點。畫放大電路的直流通路第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕估算動態(tài)參數(shù)Au、ri、ro的值畫放大電路的交流通路第6章半導體器件、集成運放及應用四.放大電路的靜態(tài)工作點穩(wěn)定1.靜態(tài)工作點與失真的關系失真是指輸出信號的波形與輸入信號的波形不成比例的現(xiàn)象。如果電路的靜態(tài)工作點設置不適宜，輸出波形將產(chǎn)生輸出波形的截止失真和飽和失真。〔1〕截止失真靜態(tài)工作點Q設置過低，在輸出端出現(xiàn)的波形失真稱為截止失真。第6章半導體器件、集成運放及應用uiuOtiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE第6章半導體器件、集成運放及應用從波形分析可得，當發(fā)生截止失真時，其輸出電壓波形的頂部被限幅在某一數(shù)值上，出現(xiàn)頂部失真。消除截止失真的方法是適當減小放大電路基極偏置電阻Rb，即增大IBQ，使靜態(tài)工作點Q上移。〔2〕飽和失真靜態(tài)工作點Q設置過高，在輸出端出現(xiàn)的波形失真稱為飽和失真。第6章半導體器件、集成運放及應用Q2uOUCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ1從波形分析可知，當發(fā)生飽和失真時，其輸出電壓波形的底部將被限幅在某一數(shù)值上，出現(xiàn)底部失真。消除飽和失真的方法是適當增大放大電路基極偏置電阻Rb，即減小IBQ，使靜態(tài)工作點Q下移。第6章半導體器件、集成運放及應用2.典型的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路當溫度變化、更換三極管、電路元件老化、電源電壓波動時，都可能導致共射放大電路靜態(tài)工作點不穩(wěn)定，進而影響放大電路的正常工作。在這些因素中，又以溫度變化的影響最大。因此，必須采取措施穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點。通常的方法是，在共發(fā)射極放大電路的基極加分壓電阻〔RB1、RB2〕，并在射極加射極電阻RE的方式穩(wěn)定電路的工作點。這種電路對穩(wěn)定靜態(tài)工作點有較好的效果。第6章半導體器件、集成運放及應用〔1〕靜態(tài)工作點的估算畫放大電路的直流通路

當三極管工作在放大區(qū)時,IB很小,當滿足I1>>IB時,UBQ根本固定不變,那么有:第6章半導體器件、集成運放及應用第6章半導體器件、集成運放及應用Q點的穩(wěn)定過程設UBQ固定由此可見,這種電路是在固定基極電壓的條件下,利用發(fā)射極電流IEQ隨溫度T〔或β〕的變化所引起的UEQ變化，進而影響UBE和IB的變化,使ICQ趨于穩(wěn)定的。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕動態(tài)參數(shù)估算畫出交流通路輸入電阻ri輸入電阻ro電壓放大倍數(shù)Au

第6章半導體器件、集成運放及應用例6.3.3放大電路如下圖,其中硅三極管的β=50,電阻Rb1=50kΩ,Rb2=10kΩ,Rc=6kΩ,Re=1.3kΩ,RL=6kΩ,電源UCC=12V。試求該電路的:〔1〕靜態(tài)工作點;〔2〕Au、ri和ro值;第6章半導體器件、集成運放及應用解：〔1〕靜態(tài)工作點第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕動態(tài)性能參數(shù)估算第6章半導體器件、集成運放及應用6.4集成運算放大器由二極管、三極管、電阻、電容等單個元件組成的電路稱為分立元件電路，把分立元件集成在一個硅片上組成一個不可別離的整體，就是集成電路。集成電路具有可靠性高、性能優(yōu)良、價格低廉和使用方便等優(yōu)點。集成運算放大器〔簡稱集成運放〕是集成電路的一種，由于它最早用于模擬計算機，完成對信號的加、減、除、積分、微分等運算，由此而得名。第6章半導體器件、集成運放及應用一.集成運算放大器簡介1.集成運算放大器的外形與電路符號常見的集成運算放大器有圓形、扁平型、雙列直插式等,有8管腳、14管腳等,其外形如表4.1所示。其引線腳號排列順序的標記,一般有色點、凹槽、管鍵及封裝時壓出的圓形標記等。對于雙列直插式集成塊引線腳號的識別方法是:將集成塊水平放置,管腳向下,從缺口或標記開始,按逆時針方向數(shù),依次為1腳、2腳、3腳、……

第6章半導體器件、集成運放及應用對于圓形管以管鍵為參考標記,管腳向下,以鍵為起點,逆時針數(shù)1，2,，3，…表

6.4.1集成運放外形結構示意圖

第6章半導體器件、集成運放及應用u＋為同相輸入端，指信號由該輸入時，輸出信號與輸入信號同相。

集成運放的電路符號u-為反相輸入端，指信號由該端輸入時，輸出信號與輸入反相。uO

為輸出端?！薇硎炯蛇\放的放大倍數(shù)。第6章半導體器件、集成運放及應用集成運放的兩種特殊信號共模信號：滿足關系u+=

u-的輸入信號稱為共模信號。共模輸入：在集成運放中輸入共模信號的輸入方式稱為共模輸入。差模信號：滿足關系u+=－u-的輸入信號稱為差模信號。差模輸入：在集成運放中輸入共模信號的輸入方式稱為差模輸入。通常差模信號是需要放大的有用信號，而共模信號是無用的干擾信號。第6章半導體器件、集成運放及應用2.集成運放的主要參數(shù)集成運放的參數(shù)，是評價其性能優(yōu)劣的依據(jù)，為了正確選擇和使用集成運放，必須弄清這些參數(shù)的含義?！?〕開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AudAud是集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入差模信號電壓之比。Aud表達了運放的放大能力。〔2〕開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)AocAoc集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入共模信號電壓之比。Auc反映集成運放抗溫漂、抗共模干擾的能力。第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕共模抑制比KCMMRKCMMR是差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比，即KCMRR=|Aud/Aoc|。KCMMR值越大越好?！?〕差模輸入電阻ridrid是集成運放在輸入差模信號時的輸入電阻。rid愈大，從信號源索取的電流越小?！?〕輸入失調電壓UIO當輸入為零時，輸出電壓應該為零，但實際集成運放的輸出往往不為零。UIO是為了使輸出電壓為零，需要在集成運放兩輸入端額外附加的補償電壓。第6章半導體器件、集成運放及應用〔6〕輸入失調電流IIOIIO是當運放輸出電壓為零時，兩個輸入端的偏置電流之差。它是由內(nèi)部元件參數(shù)不一致等原因造成的?！?〕最大差模輸入電壓UidmaxUidmax是集成運放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。輸入差模電壓超過Uidmax時，可能會使輸入級的管子反向擊穿等?！?〕最大共模輸入電壓UicmaxUidmax是在線性工作范圍內(nèi)集成運放所能承受的最大共模輸入電壓。第6章半導體器件、集成運放及應用3.集成運放的特性〔1〕理想集成運放的特點開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud→∞；輸入電阻rid→∞；輸出電阻rod→0；失調電壓、失調電流及溫漂為零；共模抑制比趨于無窮大等。第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕集成運放的傳輸特性集成運放的實際傳輸特性線性區(qū)和非線性區(qū)集成運放有兩個工作區(qū)線性區(qū)，曲線的斜率為開環(huán)放大倍數(shù)，輸出電壓與輸入的差模輸入電壓成正比。非線性區(qū)，輸出電壓只有兩種：即正飽和電壓與負飽和電壓值。第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕集成運放的線性應用集成運放工作在線性區(qū)時，有兩個重要的特性“虛短〞、“虛斷〞。集成運放兩個輸入端之間的電壓通常接近于0，即uid=u＋－u－≈0，假設把它理想化，那么有uid=0，但不是短路，故稱為“虛短〞。由此得出

u＋≈u－

上式說明，工作在線性區(qū)的集成運放的同相端和反相端的電壓近似相等。由此得出第6章半導體器件、集成運放及應用流入集成運放的凈輸入電流近似為0，即iid≈0，假設把它理想化，那么有iid=0，但不是斷開，故稱為“虛斷〞。i＋＝i－≈0說明，集成運放同相端和反相端的電流近似為0。利用“虛短〞和“虛斷〞的概念分析工作于線性區(qū)的集成運放電路將十分簡便。由此得出第6章半導體器件、集成運放及應用〔4〕集成運放的非線性應用當集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反響時，由于集成運放的Aud很大，只要有微小的電壓信號輸入，集成運放就一定工作在非線性區(qū)。在非線性區(qū)只有兩種輸出狀態(tài)，正飽和電壓＋Uom或負飽和電壓－Uom。當u＋>u－時，輸出uo=＋Uom，為正飽和輸出。當u＋<u－時，輸出uo=－Uom，為負飽和輸出。第6章半導體器件、集成運放及應用綜上所述，在分析具體的集成運放應用電路時，首先判斷集成運放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，再運用線性區(qū)和非線性區(qū)的特點分析電路的工作原理。由于集成運放的輸入電阻rid→∞，工作在非線性區(qū)的集成運放的凈輸入電流仍然近似為0，即i＋＝i－≈0。故“虛斷〞仍然成立。第6章半導體器件、集成運放及應用二.放大電路中的反響反響的根本概念〔1〕反響的定義將放大電路輸出量〔電壓或電流〕的一局部或全部,通過某些元件或網(wǎng)絡〔稱為反響網(wǎng)絡〕,反向送回到輸入端,來影響原輸入量〔電壓或電流〕的過程稱為反響。有反響的放大電路稱為反響放大電路第6章半導體器件、集成運放及應用F——反響網(wǎng)絡反響放大電路的框圖A——沒有反響的放大電路

——信號的比較環(huán)節(jié)xi、xf、xid和xo分別表示電路的輸入量、反響量、凈輸入量和輸出量,它們可以是電壓,也可以是電流。uid第6章半導體器件、集成運放及應用〔2〕反響極性〔正、負反響〕正反響：在反響放大電路中,反響量使放大器凈輸入量得到增強的反響稱為正反響通常采用“瞬時極性法〞來判斷電路是正反響還是負反響,具體方法如下:負反響：在反響放大電路中,反響量使放大器凈輸入量減弱的反響稱為負反響。

①假設輸入信號某一瞬時的極性。②根據(jù)輸入與輸出信號的相位關系,確定輸出信號和反響信號的瞬時極性。第6章半導體器件、集成運放及應用③再根據(jù)反響信號與輸入信號的連接情況,判斷凈輸入量的變化,如果反響信號使凈輸入量增強,即為正反響,反之為負反響。例6.4.1判斷電路的反響極性uid解：假定輸入信號瞬時極性為正⊕即同相輸入端電壓瞬時極性為正⊕⊕反響電壓uf瞬時極性為正。由電路可得uid=ui-uf,uf為正，凈輸入量uid減小因此電路是負反響第6章半導體器件、集成運放及應用例用瞬時極性法判斷電路的反響極性電路中的反響為負反響電路中的反響為正反響⊕⊕⊕⊕⊕⊕圖〔a〕第6章半導體器件、集成運放及應用〔3〕交流反響與直流反響交流反響:在放大電路中存在有直流分量和交流分量,假設反響信號是交流量，那么稱為交流反響,它影響電路的交流性能。直流反響：假設反響信號是直流量,那么稱為直流反響,它影響電路的直流性能,如靜態(tài)工作點。交、直流反響：假設反響信號中既有交流量又有直流量,那么反響對電路的交流性能和直流性能都有影響。第6章半導體器件、集成運放及應用〔4〕反響電路的類型①反響在輸出端的取樣方式電流反響：從輸出端看,假設反響信號取自輸出電流,那么為電流反響。電壓反響：從輸出端看,假設反響信號取自輸出電壓,那么為電壓反響；假設取自輸出電流,那么為電流反響。電壓反響與電流反響的常用判斷方法是負載電阻短路法〔或開路法〕，具體方法為：假設將負載RL短路，即uo=0，此時假設反響量為零，就是電壓反響。否那么，為電流反響。第6章半導體器件、集成運放及應用很明顯,一旦放大器的輸出電壓消失〔將RL短路〕,反響信號也就不存在了。例6.4.3判斷以下電路的反響是電壓反響還是電流反響解：從電路(a)的輸出端看,反響電壓uf是經(jīng)Rf和R1組成的分壓器由輸出電壓取樣得來的。反響電壓uf是uo的一局部,即反響電壓與輸出電壓成比例,故是電壓反響。(a)第6章半導體器件、集成運放及應用(b)很明顯,一旦放大器的輸出電流消失〔將RL開路〕,反響信號也就不存在了。解：從電路(b)的輸出端看,反響電壓uf是io流經(jīng)R1時，在R1上產(chǎn)生的電壓。反響電壓uf是io的一局部,即反響電壓與輸出電流成比例,故是電流反響。第6章半導體器件、集成運放及應用②反響在輸入端的連接方式串聯(lián)反響：電路中反響網(wǎng)絡的出口與信號源串聯(lián),因此稱為串聯(lián)反響。并聯(lián)反響：電路中反響網(wǎng)絡的出口與信號源并聯(lián),因此稱為并聯(lián)反響。由上述分析可以看出,假設反響信號與信號源接在不同的端子上,即為串聯(lián)反響。假設接在同一個端子上,那么為并聯(lián)反響。第6章半導體器件、集成運放及應用例6.4.4判斷以下電路的反響是電壓反響還是電流反響電路中反響網(wǎng)絡的出口與信號源串聯(lián),即反響信號與信號源接在不同的端子上,為串聯(lián)反響。電路中反響網(wǎng)絡的出口與信號源并聯(lián),即接在同一個端子上,為并聯(lián)反響。第6章半導體器件、集成運放及應用根據(jù)輸出端的取樣方式和輸入端的連接方式,可以組成四種不同類型的負反響電路:電壓串聯(lián)負反響電壓并聯(lián)負反響電流串聯(lián)負反響電流并聯(lián)負反響第6章半導體器件、集成運放及應用例6.4.5判斷以下電路的反響類型電壓反響反響信號與輸入信號接在不同端，串聯(lián)反響，即為電壓串聯(lián)負反響。反響信號與輸入信號接在同端。電路為電壓串聯(lián)負反響。第6章半導體器件、集成運放及應用電流并聯(lián)負反響電壓并聯(lián)負反響反響信號與輸入信號同端接入反響信號與輸入信號不同端接入第6章半導體器件、集成運放及應用〔5〕負反響放大器的根本關系式負反響放大器的各信號量之間的根本關系式:式說明閉環(huán)增