《電子技術基礎（第2版）》 課件全套 第1-12章 緒論、常用半導體器件-數(shù)模和模數(shù)轉換電路

第1章緒論1.1電子技術的發(fā)展與應用領域1.2信號與電子系統(tǒng)1.3電子電路的輔助分析與設計軟件1.電子技術的發(fā)展1.1電子技術的發(fā)展與應用領域

從電子整流裝置到集成電路，電子技術的發(fā)展已經有100多年的歷史。從工程應用角度，可以用主要電子元器件的發(fā)展與應用作為電子技術發(fā)展各階段的里程碑。

（1）電子管階段。電子管是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產生電流傳導，利用電場對真空中電子流的作用獲得信號放大或振蕩的電子器件。電子管早期應用于電視機、收音機、擴音機等電子產品，現(xiàn)在已被晶體管和集成電路所取代。

（2）半導體分立元件階段。與電子管相比，半導體器件（二極管、三極管、場效應管）的體積大大縮小，從而使得電子系統(tǒng)的體積也大大縮小，電子系統(tǒng)所消耗的功率也明顯降低，系統(tǒng)的效率得到了很大提高。

（3）集成電路階段。1958年，美國TI公司工程師JackKilby發(fā)明了第一塊模擬集成電路。集成電路的發(fā)明，是電子技術發(fā)展的重要里程碑。集成電路技術不僅大大縮小了電子系統(tǒng)的體積，減小了功率損耗，進一步擴大了電子技術的應用范圍，還提供了更加簡單的應用技術。2.電子技術的應用領域

在現(xiàn)代工程技術中，只要把任何其他形式的信號轉變?yōu)殡娦盘枺ù蟛糠质请妷盒盘枺?，都可以使用電子技術對其進行處理。從信息傳輸和處理的角度，所有工程系統(tǒng)都可以看成一個信號和信息處理系統(tǒng)，而任何信息處理，都可以看成對輸入信號進行某種數(shù)學運算。實現(xiàn)信號和信息處理的最好辦法，是使用電子技術的理論與知識設計出相應的電子系統(tǒng)。

（1）通信系統(tǒng)?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)本身就是一個復雜的電子系統(tǒng)，所有通信設備無一例外都是電子產品，如電話機、電視機、尋呼機、移動電話等。

（2）控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)的基本實現(xiàn)技術之一就是電子技術。利用集成電路設計與制造技術，可以把控制系統(tǒng)集成在單片的集成電路中，實現(xiàn)信息對系統(tǒng)設備運行的智能控制。特別是在智能控制領域，如機器人、自動駕駛系統(tǒng)等，電子技術已經成為必不可少的基本實現(xiàn)技術。

（3）信息處理系統(tǒng)。信息處理系統(tǒng)的基本處理設備是由電子技術所支持的硬件來實現(xiàn)的，如各種計算機和計算設備、嵌入式系統(tǒng)、顯示設備、網(wǎng)絡設備等。

（4）測試系統(tǒng)。由于電子技術的信號處理能力十分強大，特別是電子系統(tǒng)的計算功能強，因此電子技術在測試系統(tǒng)中占有十分重要的地位。從傳感器到測試儀器，幾乎所有的測量系統(tǒng)都離不開電子技術。

（5）計算機。計算機實際上是一個軟件控制下的復雜電子系統(tǒng)。在硬件的支持下，通過運行相應的軟件，計算機可以完成十分復雜的信號和信息處理任務。

（6）生物醫(yī)學電子系統(tǒng)。在生物醫(yī)學工程中，生物醫(yī)學電子系統(tǒng)是各種生物醫(yī)學儀器的基本實現(xiàn)技術，也是現(xiàn)代信息醫(yī)學和定量醫(yī)學的重要技術基礎。除此之外，近年來基因技術和生物技術的發(fā)展，促使了生物芯片的產生。

另外，還有許多其他應用領域，如家用電器、機電一體化、農業(yè)機械等，此處不再一一列舉。1.2信號與電子系統(tǒng)1.2.1信號信息：信息是指人類社會和自然界中需要傳送、交換、存儲和提取的抽象內容。信息具有抽象性，為了實現(xiàn)交換和傳送，必須通過一定的表現(xiàn)形式將它表示出來。人們把表示信息的語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等稱為消息，而信息是消息之中賦予人們新知識與新概念的內容。信號：我們把聲、光、電等運載消息的物理量稱為信號。因此，信號就是表示消息的物理量，它是運載消息的工具，是消息的載體。在作為信號的眾多物理量中。

電信號：電信號是指隨時間變化而變化的電壓u或電流i，在數(shù)學描述上可將其表示為時間t的函數(shù)，并可畫出其隨時間變化的波形。電子電路中的信號均為電信號，以下簡稱信號。電信號是應用最廣泛的物理量，因為它容易產生、傳輸和控制，也容易實現(xiàn)與其他物理量的相互轉換。因此，我們通常所指的信號主要是電信號。非電信號（如聲音、壓力、光強、流量、速度等）可以通過各種傳感器較容易地轉換成電信號。1.2.2模擬信號和數(shù)字信號

對信號的分類方法很多，按數(shù)學關系、取值特征、能量功率、處理分析、所具有的時間函數(shù)特性、取值是否為實數(shù)等，可以分為確定性信號和非確定性信號（又稱隨機信號）、連續(xù)信號和離散信號（模擬信號和數(shù)字信號）、能量信號和功率信號、時域信號和頻域信號、時限信號和頻限信號、實信號和復信號等。電子電路中主要討論的是模擬信號和數(shù)字信號。

（1）模擬信號是指信號波形模擬了信息的實際變化過程，主要特征是其幅度是連續(xù)的，可取無限多個值；在時間上可連續(xù)，也可不連續(xù)。它的數(shù)學表達式較復雜，如正弦函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等。圖1-1（a）所示為典型的模擬信號。

傳輸、處理模擬信號的電路稱為模擬電路。模擬電路中主要關注輸入與輸出信號間的大小、相位、失真等方面的問題。

電子系統(tǒng)中一般均含有模擬和數(shù)字兩種構件。模擬電路是系統(tǒng)中必需的組成部分。但是，為了便于存儲、分析或傳輸信號，數(shù)字電路更具優(yōu)越性。圖1-1（a）模擬信號

（2）數(shù)字信號是指時間和數(shù)值上都不連續(xù)變化的信號，即數(shù)字信號具有離散性，如圖1-1（b）所示。交通信號燈控制電路、智力競賽搶答電路，以及計算機鍵盤輸入電路中的信號都是數(shù)字信號。對數(shù)字信號進行傳輸、處理的電路稱為數(shù)字電路。數(shù)字電路中主要關注輸入、輸出之間的邏輯關系。

大多數(shù)物理量經傳感器轉換后都成為模擬信號，且如今的自動化控制系統(tǒng)都是以計算機為核心的電路系統(tǒng)，計算機內部是典型的數(shù)字化電路，因此，首先需要對模擬信號進行數(shù)字化處理，將其轉換為計算機能夠識別的數(shù)字信號，經計算機處理后的信號，通常還要轉換為能夠驅動負載的模擬信號。圖1-1（b）數(shù)字信號

1.2.3電子系統(tǒng)1.電子系統(tǒng)的組成

用不同種類、不同功能的電路構成具有特定功能的儀器、設備，這樣的系統(tǒng)稱為電子系統(tǒng)。

圖1-2所示為典型的電子系統(tǒng)組成示意圖。它是模擬-數(shù)字混合系統(tǒng)，信號的提取、預處理、加工、驅動與執(zhí)行由模擬電路完成，計算機或其他數(shù)字系統(tǒng)由數(shù)字電路組成，A/D轉換、D/A轉換為模擬電路和數(shù)字電路提供了接口。圖1-2電子系統(tǒng)的組成示意圖

系統(tǒng)首先采集信號，即進行信號的提取。通常，這些信號來自用于測試各種物理量的傳感器、接收器，或者來自信號發(fā)生器。對于實際系統(tǒng)，傳感器或接收器所提供的信號的幅值往往很小，噪聲很大，且易受干擾，有時甚至分不清哪些是有用信號，哪些是干擾或噪聲。因此，在加工信號之前，需對其進行預處理。進行信號的預處理時，要根據(jù)實際情況利用隔離、濾波、阻抗變換等各種手段將信號提取出來并進行放大。當信號足夠大時，再進行信號的運算、轉換、比較等不同的加工。最后，還要經過功率放大，以驅動執(zhí)行機構（負載）。若要進行數(shù)字化處理，則首先通過A/D轉換電路將預處理后的模擬信號轉換為數(shù)字信號，輸入計算機或其他數(shù)字系統(tǒng)，處理后，再經D/A轉換電路將數(shù)字信號轉換為模擬信號，以便驅動負載。圖1-2電子系統(tǒng)的組成示意圖

2.電子系統(tǒng)中的模擬電路

從對信號的分析可知，對模擬信號最基本的處理是放大，而且放大電路是構成各種功能不同的模擬電路的基本電路。圖1-3所示為電子系統(tǒng)中常用的模擬電路及其功能。（1）放大電路：用于電壓、電流或功率信號的放大。（2）濾波電路：用于對不同頻率信號的提取、變換或抗干擾。（3）運算電路：完成信號的比例、加、減、乘、除、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等運算。（4）信號變換電路：改變信號的變化規(guī)律，將電流與電壓信號進行相互轉換，將直流與交流信號進行相互轉換，將直流電壓轉換成與之成比例的頻率等。圖1-3常用的模擬電路及其功能

（5）信號發(fā)生電路（振蕩電路）：用于產生正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波等。（6）取樣電路：將隨時間連續(xù)變化的模擬信號變成離散信號。（7）直流電源電路：將220V、50Hz交流電轉換成不同輸出電壓和電流的直流電，作為各種電子電路的供電電源。圖1-3常用的模擬電路及其功能

3.電子系統(tǒng)中的數(shù)字電路

數(shù)字電路又叫開關電路或邏輯電路，它利用半導體器件的開關特性使電路輸出高、低兩種電平，從而控制事物相反的兩種狀態(tài)，如燈的亮和滅、開關的開和關、電動機的轉動和停轉等。數(shù)字電路中的信號只有高、低兩種電平，分別用二進制數(shù)字1和0（本書中，二進制數(shù)均加粗處理）表示，即數(shù)字信號都是由0、1組成的一串二進制代碼。

數(shù)字電路按照邏輯功能的不同分為兩大類，即組合邏輯電路和時序邏輯電路。計算機的硬件系統(tǒng)就是典型的數(shù)字電路，其內部的各個部件都是這兩種功能的數(shù)字電路，例如，編碼器、譯碼器、加法器、數(shù)值比較器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)分配器等是組合邏輯電路，寄存器、計數(shù)器等是時序邏輯電路。

隨著電子計算機技術的發(fā)展，模擬電路中的電路分析、數(shù)字電路中的邏輯模擬，甚至是印制電路板、集成電路版圖等都開始采用計算機輔助工具來加快設計效率，提高設計成功率。而大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得原始的設計方法無論是從效率上還是從設計精度上已經無法適應當前電子工業(yè)的要求，所以采用計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）來完成電路的設計已經勢在必行。同時，計算機以及適合計算機系統(tǒng)的電子設計自動化（ElectronicDesignAutomation，EDA）軟件的迅速發(fā)展，使得CAD技術逐漸成為提高電路設計速度和質量的不可缺少的重要工具。EDA技術自20世紀70年代開始發(fā)展，其標志是美國加利福尼亞大學伯克利分校開發(fā)的SPICE于1972年研制成功，并于1975年推出實用化版本。當時，EDA技術僅適用于模擬電路的分析，而且只能用程序的方式輸入。此后，在擴充電路分析功能、改進和完善算法、增加元器件模型庫、改進用戶界面等方面做了很多實用性的工作，使之成為享有盛譽的電子電路輔助設計工具，1988年被定為美國國家工業(yè)標準。與此同時，各種以SPICE為核心的商用仿真軟件應運而生，常用的有PSpice和Multisim。1.3電子電路的計算機輔助分析和設計軟件PSpice是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，1985年就由Microsim公司推出。在電路仿真方面，它的功能非常強大，在國內被普遍使用，現(xiàn)在使用較多的是PSpice?9.1版本，其工作于Windows環(huán)境，整個軟件由電路原理圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個部分組成，使用時是一個整體，但各個部分有獨立的窗口。PSpice軟件具有強大的電路原理圖繪制、電路模擬仿真、圖形后處理和元器件符號制作功能。該軟件以圖形方式輸入，自動進行電路檢查，生成網(wǎng)表，模擬和計算電路；用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設計，還可用于電路、信號與電子系統(tǒng)等課程的計算機輔助教學；與印制版設計軟件配合使用，還可實現(xiàn)電子設計自動化。這些特點使得PSpice受到廣大電子設計工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。1.3.1PSpice

EWB（ElectronicsWorkbench）是基于PC平臺的電子設計軟件，它提供了一個功能全面的SPICE仿真系統(tǒng)，支持模擬和數(shù)字混合電路的分析和設計，創(chuàng)造了集成的一體化設計環(huán)境，把電路原理圖的輸入、仿真和分析緊密結合起來。系統(tǒng)將SPICE仿真器完全集成在電路原理圖輸入和測試器等工具之中。與其他Windows環(huán)境下的系統(tǒng)軟件類似，它具有圖形化界面，提供按鈕式的工具欄，各個菜單中各個選項的物理意義一目了然。在輸入電路原理圖時，自動將其編輯成網(wǎng)絡表傳送到仿真器中，加快了建立和管理的時間。在仿真過程中，若改變設計，將會立刻獲得該變化所帶來的影響，實現(xiàn)了交互式的設計和仿真。Multisim是EWB的升級版本，它是加拿大InteractiveImageTechnologies公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬-數(shù)字電路設計工作。它包含電路原理圖的圖形輸入方式和電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim被美國NI公司收購以后，其性能得到了更大的提升。1.3.2Muitisim

使用Multisim可以交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無須懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到電路原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。目前，在各高校教學中普遍使用Multisim10.0版本。

初步掌握一種電子電路計算機輔助分析和設計軟件對學習電子技術很有必要。本章小結1.從電子整流裝置到集成電路，電子技術的發(fā)展已經有100多年的歷史。在現(xiàn)代工程技術中，只要把任何其他形式的信號轉變?yōu)殡娦盘枺ù蟛糠质请妷盒盘枺伎梢允褂秒娮蛹夹g對其進行處理。2.電子電路包括模擬電路和數(shù)字電路，模擬電路處理的是模擬信號，數(shù)字電路處理的是數(shù)字信號。電子系統(tǒng)通常是模擬-數(shù)字混合系統(tǒng)，可以完成對信號的采集、預處理、加工、驅動、D/A轉換、A/D轉換等。3.隨著計算機的飛速發(fā)展，以計算機輔助設計（CAD）為基礎的電子設計自動化（EDA）技術已成為電子學領域的重要學科。常用的電子電路計算機輔助分析和設計軟件有PSpice和Multisim等。

第2章常用半導體器件2.1半導體基礎知識2.2半導體二極管2.3半導體三極管2.4場效應管2.1.1本征半導體2.1半導體基礎知識

純凈的、不含雜質的半導體稱為本征半導體，硅（Si）和鍺（Ge）是兩種最常用的本征半導體。

但在常溫下，由于熱運動價電子被激活，有些獲得足夠能量的價電子會征脫共價鍵成為自由電子，與此同時共價鍵中就流下一個空位，稱為空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

圖2-1本征半導體

能夠運動的、可以參與導電的帶電粒子稱為載流子。本征半導體有兩種載流子參與導電，即自由電子和空穴。半導體材料具有熱敏性、光敏性、壓敏性、磁敏性和摻雜性。2.1.2雜質半導體1.N型半導體在本征半導體硅（或鍺，此處以硅為例）中摻入微量的5價元素磷（P），如圖（a）所示。這時的半導體中，自由電子數(shù)遠超過空穴數(shù)，因此它是以電子導電為主的雜質型半導體。因為電子帶負電（negativeelectricity），所以稱為N型半導體。N型半導體中，自由電子是多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴是少數(shù)載流子（簡稱少子）。雜質離子帶正電。圖2-2（a）N型半導體2.P型半導體在本征硅中摻入三價元素硼（B），如圖（b）所示。這時半導體中的空穴數(shù)遠大于自由電子數(shù)，因此它是以空穴導電為主的雜質型半導體，因為空穴帶正電（positiveelectricity），所以稱為P型半導體。P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子（多子），自由電子是少數(shù)載流子（少子）。雜質離子帶負電。

今后，為簡單起見，通常只畫出其中的正離子和等量的自由電子來表示N型半導體；同樣，只畫出負離子和等量的空穴來表示P型半導體，分別如下圖（a）和（b）所示。圖2-2（b）P型半導體圖2-3雜質半導體的簡化畫法2.1.3PN結

如果將本征半導體的一側摻雜成為P型半導體，而另一側摻雜成為N型半導體，則在二者的交界處將形成一個PN結。1.PN結的形成將P型半導體和N型半導體制作在一起，在兩種半導體的交界面就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差。P區(qū)中的多子（即空穴）將向N區(qū)擴散，而N區(qū)中的多子（即自由電子）將向P區(qū)擴散。擴散運動的結果就使兩種半導體交界面附近出現(xiàn)了不能移動的帶電離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，如圖所示。這些帶電離子形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，產生了內電場。這個空間電荷區(qū)就是PN結。圖2-4PN結的形成2.PN結的單向導電性在PN結兩端外加電壓，稱為給PN加上偏置。當P區(qū)電位高于N區(qū)時稱為正向偏置；反之，當N區(qū)電位高于P區(qū)時稱為反向偏置。PN結最重要的特性就是單向導電性。

（1）PN結正向偏置。給PN結加正向偏置電壓，如圖（a）所示。這時正向電流I較大，PN結在正向偏置時呈現(xiàn)較小電阻，PN結變?yōu)閷顟B(tài)。（2）PN結反向偏置。給PN結加反向偏置電壓，如圖（b）所示。這時內電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散。由于電源的作用，少子的漂移形成了反向電流IS。但是，少子的濃度非常低，使得反向電流很小，一般為微安數(shù)量級。所以可以認為PN結反向偏置時基本不導電。圖2-5PN結的單向導電性2.2半導體二極管2.2.1二極管的結構和符號外形圖：2.2.2二極管的伏安特性

二極管電流i與其外加電壓u之間的關系為：式中IS為反向飽和電流；UT為溫度電壓當量，常溫下，UT

≈26mV。1.正向特性當外加正向電壓時，二極管內有正向電流通過。正向電壓較小，且小于Uon時，二極管的正向電流很小，此時二極管工作于死區(qū)，稱Uon為死區(qū)的開啟電壓。硅管的Uon約為0.5V，鍺管約為0.2V。當正向電壓超過Uon后，電流將隨正向電壓的增大按指數(shù)規(guī)律增大，二極管呈現(xiàn)出很小的電阻。硅管的正向導通電壓UD為0.6V～0.8V（常取0.7V），鍺管為0.1V～0.3V。正向導通電壓通常也稱為二極管的正向鉗位電壓。圖2-8二極管的伏安特性2.反向特性當外加反向電壓時，二極管中由少子形成反向電流。反向電壓增大時，反向電流稍有增加，當反向電壓增大到一定程度時，反向電流將基本不變，即達到飽和，因而稱該反向電流為反向飽和電流，用IS表示。反向飽和電流越小，管子的單向導電性越好。當反向電壓增大到圖中的UBR時，在外部強電場作用下，少子的數(shù)目會急劇增加，因而使得反向電流急劇增大。這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，電壓UBR稱為反向擊穿電壓。實驗證明，當溫度升高時，正向特性曲線向左平移，反向特性曲線向下平移，如圖（b）所示。圖2-8二極管的伏安特性2.2.3二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IF。指二極管長期運行時，允許通過管子的最大正向平均電流。使用時，管子的平均電流不得超過此值，否則可能使二極管過熱而損壞。（2）最高反向工作電壓UR。工作時加在二極管兩端的反向電壓不得超過此值，否則二極管可能被擊穿。為了留有余地，通常將擊穿電壓UBR的一半定為UR。（3）反向電流IR。IR是指在室溫條件下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流。通常希望IR值越小越好。反向電流越小，說明二極管的單向導電性越好。此時，由于反向電流是由少數(shù)載流子形成，所以IR受溫度的影響很大。（4）最高工作頻率fM。當二極管在高頻條件下工作時，將受到極間電容的影響。fM主要決定于極間電容的大小。極間電容越大，則二極管允許的最高工作頻率越低。當工作頻率超過fM時，二極管將失去單向導電性。2.2.4二極管應用電路舉例

分析二極管電路的基本原則：首先，判斷二極管處于正偏導通狀態(tài)還是反偏截止狀態(tài)。

其次，畫出二極管等效電路。即二極管導通時，一般用UD=0.7V（硅管，若是鍺管則用0.3V）代替，或近似用短路線代替（理想二極管）；二極管截止時，一般將二極管斷開，即認為二極管反向電阻無窮大。1.一般電路

【例2-1】二極管電路如圖2-9（a）和（b）所示，試判斷兩圖中的二極管導通還是截止？并求輸出電壓Uo。設二極管為理想二極管。圖2-9例2-1圖

解：圖2-9（a）中，將二極管斷開，如圖2-9（c）所示。斷開處A、B間電壓為UAB=-6V+12V=6V＞0V（因二極管斷開后電阻中無電流，故不考慮其上電壓），即A點電位高于B點，所以二極管正偏導通。又因為二極管可視為理想二極管，所以此時二極管等效為一根導線，輸出電壓Uo=-6V。

圖2-9（b）中有兩只二極管VD1和VD2，同樣先將其斷開，如圖2-9（d）所示，則VD1兩端電壓UAB=12V，VD2兩端電壓UCD=?9V+12V=3V?？梢?，VD1和VD2均正偏導通，但其承受的正偏電壓大小不同，即正偏程度不同。為此，正偏程度更大的VD1搶先導通，因此將VD1等效為一根導線；VD1用導線代替后，VD2兩端電壓變?yōu)閁CD=?9V。也就是說，VD2由先前的正偏導通變?yōu)榉雌刂?。最終等效電路為VD1相當于一根導線，VD2相當于開路，可求得輸出電壓Uo=0V?！窘Y論】：（1）在二極管的應用電路中，主要利用的是二極管的單向導電性。（2）由本題可以看出，在分析含有二極管的電路時，一般方法是先斷開二極管，并以它的兩個電極作為端口求出端口電壓（二極管陽極為端口電壓的參考正極，陰極為參考負極），根據(jù)電壓的正負判斷其正偏導通還是反偏截止。判斷過程中，如果電路中出現(xiàn)兩個或兩個以上的二極管承受大小不等的正向電壓，則應判定承受正向電壓較大者搶先導通，其兩端電壓為導通電壓，然后再用上述方法判斷其他二極管的導通狀態(tài)。2.限幅電路

當輸入電壓在一定范圍內變化時，輸出電壓隨輸入電壓做相應變化；而當輸入電壓超出該范圍時，輸出電壓保持不變，這種電路就是二極管的限幅電路。圖2-10（a）所示為一個雙向限幅電路的例子，圖2-10（b）是其輸入/輸出電壓傳輸特性曲線。

通常，將保持輸出電壓uo不變的輸入電壓值稱為限幅電壓。當輸入電壓高于限幅電壓時，保持輸出電壓不變的限幅稱為上限幅；當輸入電壓低于限幅電壓時，保持輸出電壓不變的限幅稱為下限幅。二極管的限幅電路有串聯(lián)、并聯(lián)、雙向限幅電路。圖2-10雙向限幅電路3.檢波電路

無線電技術中經常要進行信號的遠距離輸送，這就需要把低頻信號（如聲頻信號）裝載到高頻振蕩信號上并由天線發(fā)射出去。電路分析中，將低頻信號稱為調制信號，高頻振蕩信號稱為載波，受低頻信號控制的高頻振蕩稱為已調波，控制的過程稱為調制。在接收地點，接收機天線接收到的已調波信號，經放大后再設法還原成原來的低頻信號，這一過程稱為解調或檢波。圖2-11（a）所示為已調波，圖2-11（b）為由二極管組成的檢波電路，其中VD用于檢波，稱為檢波二極管，一般為點接觸型二極管；C為檢波器負載電容，用來濾除檢波后的高頻成分；RL為檢波器負載，用來獲取檢波后所需的低頻信號。

由于二極管的單向導電性，已調波經二極管檢波后，負半波被截去，如圖2-11（c）所示。負載電容將高頻成分濾除，在RL兩端得到的輸出電壓就是原來的低頻信號，如圖2-11（d）所示。圖2-11二極管

檢波電路4.二極管“續(xù)流”保護電路

二極管也可用作保護器件，如圖2-12所示。當開關S閉合時，直流電壓源Us接通大電感L，二極管VD因反偏而截止，全部電流流過電感。當開關S斷開時，電感中的電流將迅速降到零，電感兩端會產生很大的負瞬時電壓。如果沒有提供另外的電流通路，該暫態(tài)電壓將在開關兩端產生電弧，損壞開關。若在電路中接有圖2-12所示的二極管，二極管為電感的放電提供了通路，使uL的負峰值限制在二極管的正向壓降范圍內，開關兩端的電弧被消除，同時電感中的電流將平穩(wěn)地減少。圖2-12二極管“續(xù)流”電路5.邏輯運算（開關）電路

在開關電路中，一般把二極管看成理想模型，即二極管導通時兩端電壓為零，截止時兩端電阻無窮大。在圖2-13（a）所示的邏輯運算電路中只要有一路輸入為低電平，輸出即為低電平，僅當全部輸入為高電平時，輸出才為高電平，這種邏輯運算稱為與邏輯運算。圖2-13（b）中，只要有一路輸入為高電平，輸出即為高電平，僅當全部輸入為低電平時，輸出才為低電平，這種運算稱為或邏輯運算。圖2-13邏輯運算電路2.2.5特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管

二極管工作在反向擊穿區(qū)時，反向電流的變化量

i較大時，管子兩端相應的電壓變化量

u卻很小，說明其具有“穩(wěn)壓”特性。利用這種特性可以做成穩(wěn)壓二極管，簡稱穩(wěn)壓管。所以，穩(wěn)壓管實質上就是一個二極管，但它通常工作在反向擊穿區(qū)。但要注意：必須在電路中串接一個限流電阻。圖2-14穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)如下：（1）穩(wěn)定電壓UZ。當穩(wěn)壓管反向擊穿，且使流過的電流為規(guī)定的測試電流時，穩(wěn)壓管兩端的電壓值即為穩(wěn)定電壓UZ。對于同一種型號的穩(wěn)壓管，UZ有一定的分散性，因此一般都給出其范圍。如型號為2CW14的穩(wěn)壓管的UZ為6V～7.5V，但對于某一只穩(wěn)壓管，UZ為一個確定值。圖2-14穩(wěn)壓二極管（2）最小穩(wěn)定電流IZmin。最小穩(wěn)定電流IZmin是保證穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓的最小工作電流，電流低于此值時穩(wěn)壓效果不好。IZmin一般為毫安數(shù)量級，如5mA或10mA。（3）最大耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZM。當穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，管子消耗的功率等于穩(wěn)定電壓UZ與流過穩(wěn)壓管電流的乘積，該功率將轉化為PN結的溫升。最大耗散功率PZM是在結溫升允許的情況下的最大功率，一般為幾十毫瓦至幾百毫瓦。因為PZM=UZ

IZM，所以可確定最大穩(wěn)定電流IZM。在使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時，需要注意幾個問題：首先，穩(wěn)壓二極管正常工作是在反向擊穿狀態(tài)，即外加電源正極接二極管的陰極，負極接陽極；其次，穩(wěn)壓管應與負載并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓變化量很小，因此使得輸出電壓比較穩(wěn)定；最后，必須給穩(wěn)壓管加一個限流電阻，限制流過穩(wěn)壓管的電流，保證流過穩(wěn)壓管的電流在IZmin和IZM之間，以確保穩(wěn)壓管有良好的穩(wěn)壓特性。下圖所示為穩(wěn)壓管構成的穩(wěn)壓電路結構圖。

【例2-2】在下圖所示電路中，已知輸入電壓Ui=12V，穩(wěn)壓管VDZ的穩(wěn)定電壓UZ=6V，穩(wěn)定電流IZmin=5mA，額定功耗PZM=90mW，試問輸出電壓Uo能否等于6V？

解：穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓時，工作電流IDZ應滿足IZmin≤IDZ≤IZM，而即5mA≤IDZ≤15mA。

設電路中VDZ能正常穩(wěn)壓，則Uo=UZ=6V?？汕蟪?/p>

可見IDZ不在正常工作電流的范圍內，因此不能正常穩(wěn)壓，Uo將小于UZ。若要電路能夠穩(wěn)壓，則應減小R的阻值。2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管，縮寫為LED（LightEmittingDiode），它是一種將電能轉換成光能的半導體器件。其基本結構是一個PN結，采用砷化鎵、磷化鎵等半導體材料制造而成。它的伏安特性與普通二極管類似，但由于材料特殊，其正向導通電壓較大，約為1V～2V，當管子正向導通時將會發(fā)光。發(fā)光二極管具有工作電壓低、工作電流小（10mA～30mA）、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應速度快等優(yōu)點，常用作顯示器件，如指示燈、七段顯示器、矩陣顯示器等。常見的LED發(fā)光顏色有紅、黃、綠等，還有發(fā)出不可見光的紅外發(fā)光二極管。下圖所示為發(fā)光二極管的電路符號。3.光電二極管

光電二極管又叫光敏二極管，它是一種能將光信號轉換為電信號的器件。光電二極管的基本結構也是一個PN結，但管殼上有一個窗口，使光線可以照射到PN結上。光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，當無光照時，與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為暗電流；當有光照時，其反向電流隨光照強度的增加而增加，稱為光電流。光電二極管與發(fā)光二極管可用于構成紅外線遙控電路。圖（b）所示為光電二極管的電路符號。4.變容二極管利用PN結的勢壘電容隨外加反向電壓變化的特性可制成變容二極管。變容二極管工作在反偏狀態(tài)下，此時，PN結結電容的數(shù)值隨外加電壓的大小而變化。因此，變容二極管可做可變電容使用。圖（c）所示為變容二極管的電路符號。2.2.6二極管的測試及使用1.二極管的簡易測試

指針式萬用表及其歐姆擋的內部等效電路如圖2-17所示，測試時，將萬用表的擋位選擇開關打向歐姆擋的R×100或R×1k擋，并將兩表筆分別接到二極管的兩端，如圖2-18所示，若測得阻值小，再將紅、黑表筆對調測試；若測得阻值大，則表明二極管是好的。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正極，與紅表筆相連的管腳為二極管的負極。

若上述兩次測得的阻值都很小，則表明管子內部已被短路；若兩次測得的阻值都很大，則表明管子內部已經斷路。出現(xiàn)短路和斷路時，說明管子已損壞。圖2-17指針式萬用表及其歐姆擋的內部等效電路圖2-18萬用表測試二極管示意圖2.二極管使用注意事項二極管使用時，應注意以下事項：①應按照用途、參數(shù)及使用環(huán)境選擇二極管。②使用二極管時，正、負極不可接反。通過二極管的電流、二極管承受的反向電壓及環(huán)境溫度等都不應超過手冊中所規(guī)定的極限值。③更換二極管時，應選擇同類型或高一級的。④二極管引腳彎曲處距離外殼端面應不小于2mm，以免造成引腳折斷或外殼破裂。⑤焊接時應選用35W以下的電烙鐵，焊接要迅速，并用鑷子夾住引腳根部，以助散熱，防止燒壞管子。⑥安裝時，應避免靠近發(fā)熱元件，對功率較大的二極管，應注意良好的散熱。⑦二極管在容性負載電路中工作時，二極管的整流電流應大于負載電流的20%。2.3半導體三極管

名稱：半導體三極管又稱為晶體三極管、雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor，BJT），簡稱三極管或晶體管。它具有電流放大作用，是構成各種電子電路的基本元件。2.3.1三極管的結構及外形

圖2-19三極管的結構示意圖及電路符號

對照上圖可以看出，三極管內部有三個區(qū)，中間層稱為基區(qū)，外面兩層分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；從三個區(qū)各引一個電極出來，分別稱為基極b（base）、發(fā)射極e（emitter）和集電極c（collector），因此三極管屬于三端器件；三極管內部有兩個PN結，基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結稱為集電結，基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的PN結稱為發(fā)射結。

為保證三極管具有放大電流的作用，其內部結構在制造工藝上應具有以下特點：

①發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠大于集電區(qū)的摻雜濃度；

②基區(qū)很薄，一般為1微米至幾微米；

③集電結面積大于發(fā)射結面積。圖2-20實際三極管外形圖2.3.2三極管的電流放大原理

當發(fā)射結和集電結均反偏時，三極管工作于截止狀態(tài)；當發(fā)射結正偏、集電結反偏時，工作于放大狀態(tài)；當發(fā)射結和集電結均正偏時，工作于飽和狀態(tài)。當三極管處于放大狀態(tài)時，能將輸入的小電流放大為輸出端的大電流。1.三極管內部載流子的運動上圖所示電路中，電源電壓VCC＞VBB且各電阻取值合適時，能保證發(fā)射結正偏、集電結反偏，即保證三極管處于放大狀態(tài)。（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流IE。（2）電子在基區(qū)的擴散和復合，形成基極電流IB。（3）集電區(qū)收集電子，形成集電極電流IC

。集電區(qū)的少子（空穴）將在結電場的作用下形成漂移電流，即反向飽和電流，稱為ICBO。ICBO數(shù)值很小，可以忽略不計，但由于它受溫度影響大，將影響三極管的性能。圖2-21三極管內部載流子的運動2.各電極電流之間的關系共射放大電路中，三個電極電流的大小關系為：發(fā)射極電流IE最大，其方向是流出三極管；其次是集電極電流IC，其方向是流入三極管；基極電流IB最小，其方向與集電極電流一樣，也是流入三極管，且滿足IC≈βIB。三極管共射放大電路中的三個電極電流關系可完整表示為：

在放大電路的近似估算中，有時常將IB忽略。于是可得：

對于由PNP型三極管構成的共射放大電路，如下圖所示，其工作原理與NPN型近似，區(qū)別主要有以下兩點。（1）三個電極電流的實際方向正好相反：對于PNP型三極管，電流從發(fā)射極流入，從基極和集電極流出?？梢钥闯?，無論NPN型還是PNP型三極管，其三個電極電流方向的特點是，基極和集電極電流方向始終一致，要么都流入三極管，要么都流出三極管；并且其二者方向始終與發(fā)射極電流方向相反。（2）外加電源的極性和NPN電路也相反。在PNP型三極管構成的放大電路中，發(fā)射極電位VE最高，基極電位VB次之，集電極電位VC最低。圖2-22PNP管構成的放大電路2.3.3三極管的伏安特性1.輸入特性曲線輸入特性是指當UCE一定時，iB與uBE之間的關系曲線，即iB=f(uBE)∣UCE=常數(shù)，如下圖所示。2.輸出特性曲線輸出特性是指當IB一定時，iC與uCE之間的關系曲線，即iC=f(uCE)∣IB=常數(shù)。由于三極管的基極輸入電流IB對輸出電流iC的控制作用，因此不同的IB，將有不同的iC-uCE關系，由此可得下圖所示的一簇曲線。圖2-23三極管的輸入特性曲線

圖2-24三極管的輸出特性曲線

從輸出特性曲線可以看出，三極管有三個不同的工作區(qū)域：（1）截止區(qū)截止區(qū)指曲線上IB≤0的區(qū)域，此時，集電結和發(fā)射結均反偏，三極管為截止狀態(tài)，iC很小，集電極與發(fā)射極之間相當于斷開的開關。（2）放大區(qū)放大區(qū)內，對于NPN型三極管來說，滿足UBE＞0，UBC＜0，對應的各電極電位關系為VC＞VB＞VE；對于PNP型三極管來說，滿足UBE＜0，UBC＞0，各電極電位關系為VC＜VB＜VE。在放大區(qū)時，滿足

iC=β

iB，這就是三極管的電流放大作用。（3）飽和區(qū)飽和區(qū)內，

iC＜β

iB。一般稱UCE=UBE時三極管的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，即臨界飽和或臨界放大狀態(tài)。臨界狀態(tài)時的UCE稱為臨界飽和電壓，記作UCES，一般小功率硅三極管的UCES＜0.4V，此時c-e間相近似認為短路，相當于閉合的開關。2.3.4三極管的主要參數(shù)

（1）電流放大系數(shù)。三極管的電流放大系數(shù)是表征管子放大作用大小的參數(shù)。主要有：共射直流電流放大系數(shù)：共射交流電流放大系數(shù)：共基直流電流放大系數(shù)：共基交流電流放大系數(shù)：

它們滿足：或（2）極間反向飽和電流。集電極-基極反向飽和電流ICBO：一般小功率鍺管的ICBO約為幾微安至幾十微安；硅三極管的ICBO要小得多，有的可以達到納安數(shù)量級。集電極-發(fā)射極間的穿透電流ICEO：ICEO=(1+)ICBO。因為ICBO和ICEO都是少數(shù)載流子運動形成的，所以對溫度非常敏感。ICBO和ICEO越小，表明三極管的質量越高。（3）極限參數(shù)。三極管的極限參數(shù)是指使用時不得超過的限度。

①集電極最大允許電流ICM。當集電極電流過大，超過一定值時，三極管的值就要減小，且三極管有損壞的危險，該電流值即為ICM。

②集電極最大允許功耗PCM。三極管的功率損耗大部分消耗在反向偏置的集電結上，并表現(xiàn)為結溫升高，PCM是在管子溫升允許的條件下集電極所消耗的最大功率。超過此值，管子將被燒毀。③反向擊穿電壓。三極管的兩個結上所加反向電壓超過一定值時都將被擊穿，因此，必須了解三極管的反向擊穿電壓。極間反向擊穿電壓主要有以下兩項。

U(BR)CEO：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。

U(BR)CBO：發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向擊穿電壓。

【例2-3】

在圖2-25（a）所示電路中，已知三極管發(fā)射結正偏導通電壓UD=0.7V，深度飽和時其管壓降UCES=0，β=60。

（1）試分析輸入電壓Ui分別為0V和5V時，三極管處于何種工作狀態(tài)，并求輸出電壓Uo。

（2）分析Ui=1V時，三極管處于何種工作狀態(tài)，并求集電極電流IC和輸出電壓Uo。

圖2-25例2-3圖

解：（1）當Ui=0V時，發(fā)射結上壓降也將為零，即UBE（=0V）＜UD，因而三極管處于截止狀態(tài)，所以IB=IC=0A，因而Uo=VCC=10V。

當Ui=5V時，發(fā)射結將正偏，即UBE=0.7V，從輸入回路可計算出：則

IC=βIB=12.9mA而IC最大值為：因而

ICmax＜IC

所以三極管處于飽和狀態(tài)。此時，輸出電壓Uo=UCES=0V。

由以上分析可知，三極管就如同一只受Ui控制的開關，如圖2-25（b）所示，當Ui=0V時,開關斷開，Uo=VCC=10V；當Ui=5V時，開關閉合，Uo=UCES=0V。（2）當Ui=1V時，發(fā)射結正偏，UBE=0.7V，則

由于IC=βIB（=0.9mA）＜ICmax（=2mA），說明三極管處于放大狀態(tài)。輸出電壓為：UCE（=Uo）＞UBE，因而集電結反偏，從另一角度說明了三極管處于放大狀態(tài)。

【例2-4】

現(xiàn)測得放大電路中兩只三極管的各電極電流及直流電位如下圖所示。（1）判斷圖（a）中，標有“？”的是三極管的哪個電極，該電極電流大小等于多少，電流方向如何，是何種類型管，并求其值；（2）確定圖（b）中三極管的類型、材料、各個電極。

解：（1）圖（a）中已知的兩個電極電流方向均為流入三極管，故可斷定這兩個電極是基極b和集電極c，所以標有“？”的是三極管的發(fā)射極e，故可求得IE=IB+IC=2.02mA，方向為流出三極管。根據(jù)電流方向可知，該管為NPN型三極管，其電流放大系數(shù)IC/IB=2000μA/20μA=100。

（2）已知三極管工作在放大狀態(tài)，所以其發(fā)射結（即b-e之間的PN結）正偏導通，導通電壓│UBE│等于0.6V左右（硅管）或0.3V左右（鍺管）。很明顯，圖（b）中①、②兩電極的直流電位之差為0.7V，于是可判斷③是集電極c，又因集電極電位VC最低，所以該管為PNP型三極管，繼而可斷定電位最高的①為發(fā)射極e，②為基極b，且發(fā)射結兩端電壓UBE=VB–VE=5.3V?6V=?0.7V，所以該管為硅管。

【例2-5】已知由三極管構成的基本放大電路中，電源電壓VCC=15V。今有三只管子，其參數(shù)列于表2-1中，請從中選用一只管子，并簡述理由。

解：VT2管ICBO很小，表明其溫度穩(wěn)定性好，但其β值太小，放大能力差，故不宜選用。VT3管雖然ICBO較小且β值較大，但其U(BR)CEO只有10V，小于電源電壓15V，工作中有被擊穿的危險，所以也不能選用。VT1管的ICBO也不大，且β值較大，U(BR)CEO等于30V，大于電源電壓，所以選用VT1管最合適。2.3.5三極管的型號及判別1.三極管型號的意義三極管的型號一般包含五部分，如3AX31A、3DG110B、3CG14G等，下面以3DG110B為例說明各部分的含義：

3

D

G

110

B①②③④

⑤①由數(shù)字組成，代表電極數(shù)。3代表三極管。②由字母組成，表示三極管的材料與類型。例如，A表示PNP型鍺管，B表示NPN型鍺管，C表示PNP型硅管，D表示NPN型硅管。③由字母組成，表示三極管的功能，例如，G表示高頻小功率管，X為低頻小功率管，A為高頻大功率管，D為低頻大功率管，K為開關管等。④由數(shù)字組成，表示三極管的序號。⑤由字母組成，表示三極管的規(guī)格號。2.判別三極管的管型和管腳

用萬用表判別三極管的管型及管腳方法如下：

①基極的判別。因為基極對集電極和發(fā)射極的PN結方向相同，所以，首先確定基極比較容易。具體方法：將萬用表的歐姆擋撥至R×1k擋，并調零，用黑（紅）表筆接三極管的某一電極，用紅（黑）表筆接另外兩個電極中的一個，輪流測試，直到測出的兩個電阻都很小時為止，則該電極為基極。這時，若黑表筆接基極，則該管為NPN型管；若紅表筆接基極，則該管為PNP型管。

②集電極和發(fā)射極的判別。將上述測出的基極開路，將萬用表歐姆擋撥至R×1k擋，調零后，用萬用表的黑、紅表筆分別接觸另外兩個電極，測得一阻值，再將黑、紅表筆對調，又測得一阻值，比較兩個阻值的大小。綜合分析可知，對于NPN型管，在測得阻值略小的那一次，黑表筆所接電極為集電極，則另一電極為發(fā)射極；對于PNP型管，可在基極與黑表筆之間接上一個100Ω的電阻，用上述同樣的方法再測量，在測得阻值略小的那一次中，紅表筆所接電極為集電極，另一電極為發(fā)射極。2.4場效應管

名稱及分類：場效應管是另一種類型的半導體器件，它的內部只有一種載流子（多子）參與導電，故稱其為單極型晶體管。又因為這種管子是利用電場效應來控制電流的，所以也稱為場效應管，可縮寫為FET（FieldEffectTransistor）。場效應管分為兩大類：一類是結型場效應管JFET（JunctionFET），另一類是絕緣柵場效應管IGFET（InsutatedGateFET）。每一類中又有N溝道和P溝道之分。2.4.1結型場效應管1.結構在N型半導體兩邊用擴散法或其他工藝形成兩個高濃度的P型區(qū)（用P+）表示，并將它們連接在一起，所引出的電極稱為柵極G；在N型半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極S和漏極D。兩個P+區(qū)與N型半導體之間形成了兩個PN結，PN結中間的N型區(qū)域稱為導電溝道。

N溝道JFET的電路符號如圖（b）所示。其中箭頭表示柵結（PN結）的方向，從P指向N，P溝道JFET的柵結方向與N溝道的相反。

圖2-27N溝道結型場效應管

N溝道JFET的電路符號如圖（b）所示。其中箭頭表示柵結（PN結）的方向，從P指向N，P溝道JFET的柵結方向與N溝道的相反。因此可根據(jù)箭頭方向識別管子屬于N溝道管還是P溝道管。2.工作原理改變JFET柵極和源極之間的電壓uGS，即可改變導電溝道的寬度，從而改變通過漏極和源極的電流iD的大小。JFET工作時，常接成如圖所示的共源接法，以源極為公共端。

圖中VDD為正電源，保證D、S間電壓足夠大，而VGG應為負電源。當VGG=0時，uGS=0，漏極與源極之間存在導電溝道，因此存在漏極電流iD。當VGG逐漸增大時，uGS逐漸減小，使導電溝道變窄，溝道電阻增大，因此電流iD減小。當VGG的數(shù)值繼續(xù)增大到某一個值時，兩個PN結的耗盡層將彼此相遇，使導電溝道被夾斷，iD=0，此時的柵-源電壓稱為夾斷電壓UGS(off)。

可見，輸出端漏極電流iD是受輸入電壓uGS的控制，因此，場效應管是一種電壓控制型元件。由于柵極為兩個反向偏置的PN結，柵極幾乎沒有電流，因此JFET的輸入電阻很高，可達106Ω～109Ω。在使用中，結型管的漏極D和源極S可以互換。圖2-28N溝道結型場效應管的工作原理圖

3.伏安特性曲線場效應管的伏安特性曲線也有兩種，一種是與三極管的輸入特性曲線相對應的，叫轉移特性曲線；另一種是與三極管的輸出特性曲線相對應的叫漏極特性曲線，有時也稱輸出特性曲線。（1）轉移特性轉移特性是指當uDS一定時，iD與uGS之間的關系曲線。它反映柵-源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用，表示了JFET是一種電壓控制電流的器件。圖2-29N溝道結型場效應管的特性曲線（2）漏極特性漏極特性是指當uGS一定時，iD與uDS之間的關系曲線。如圖（b）所示為N溝道JFET的漏極特性曲線，與三極管的輸出特性類似，也可分為三個工作區(qū)。

可變電阻區(qū)：圖中虛線uDS?uGS=?UGS(off)（稱為預夾斷軌跡）左邊部分即為可變電阻區(qū)。

恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)）：圖（b）中虛線右邊曲線近似水平的部分為恒流區(qū)。

夾斷區(qū)：圖中靠近橫軸的部分稱為夾斷區(qū)，此時uGS＜UGS(off)，導電溝道被夾斷，iD=0，此時JFET的三個電極均相當于開路。圖2-29N溝道結型場效應管的特性曲線2.4.2絕緣柵場效應管1.N溝道增強型MOS管（1）結構圖（a）所示為N溝道增強型MOS管的結構圖。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，在其上擴散出兩個高摻雜的N型區(qū)，然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅絕緣層。從兩個N區(qū)表面及它們之間的二氧化硅表面分別引出三個鋁電極：源極S、漏極D和柵極G。因為柵極是和襯底完全絕緣的，所以稱其為絕緣柵型場效應管。襯底B也有引極，通常在管子內部和源極相連。圖（b）所示為N溝道增強型MOS管的電路符號。圖2-30N溝道增強型MOS管（2）工作原理

MOS管工作時常接成下圖所示的共源接法。與JFET工作原理有所不同，JFET是利用uGS來控制PN結耗盡層的寬窄，從而改變導電溝道的寬度，以控制漏極電流iD。而MOS管則是利用uGS來控制“感應電荷”的多少，來改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流iD的目的。若uGS=0時漏源之間已存在導電溝道，稱為耗盡型MOS管；若uGS=?0時漏源之間不存在導電溝道，稱為增強型MOS管。圖2-31N溝道增強型MOS管的工作原理圖（3）特性曲線：圖2-32N溝道增強型MOS管特性曲線

衡量柵?源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用的參數(shù)稱為低頻跨導，用gm表示。定義為：當UDS一定時，iD與iGS的變化量之比為常數(shù)，即

【例2-6】

判斷圖2-33中各結型場效應管分別工作于什么區(qū)。

圖2-33例2-6圖

解：圖2-33（a）為N-JFET。因為UGS＜UGS(th)，所以溝道全夾斷，F(xiàn)ET處于截止區(qū)。

圖2-33（b）為N-JFET。因為UGS(th)＜UGS＜0V，UDS（=6V）＞UGS-UP（=1V），所以溝道部分夾斷，F(xiàn)ET處于放大區(qū)。

圖2-33（c）為P-JFET。因為UGS=0V，UGS(th)＜UGS＜0，UDS（=-8V）＜UGS-UGS(th)（=-4V），所以FET偏置于放大區(qū)。表2-2各種場效應管的符號和特性曲線

2.4.5場效應管和三極管比較（1）三極管是兩種載流子（多子和少子）參與導電，故稱雙極型晶體管。而場效應管是由一種載流子（多子）參與導電，N溝道管是電子，P溝道管是空穴，故稱單極型晶體管。所以場效應管的溫度穩(wěn)定性好，因此，若使用條件惡劣，宜選用場效應管。（2）三極管的集電極電流IC受基極電流IB的控制，若工作在放大區(qū)可視為電流控制的電流源。場效應管的漏極電流ID受柵源電壓UGS的控制，是電壓控制元件。若工作在放大區(qū)可視為電壓控制的電流源。（3）三極管的輸入電阻低（102Ω～104Ω），而場效應管的輸入電阻可高達106Ω～1015Ω。（4）三極管的制造工藝較復雜，場效應管的制造工藝較簡單，因此成本低，適用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。場效應管產生的電噪聲比三極管小，所以低噪聲放大器的前級常選用場效應管。（5）三極管分NPN型和PNP型兩種，有硅管和鍺管之分。場效應管分結型和絕緣柵型兩大類，每類場效應管又可分為N溝道和P溝道兩種，都是由硅片制成。本章小結1．半導體材料是制造半導體器件的物理基礎，利用半導體的摻雜性，控制其導電能力，從而把無用的本征半導體變成有用的P型和N型兩種雜質半導體。2．PN結是制造半導體器件的基礎。它最主要的特性是單向導電性。因此，正確地理解它的特性對于了解和使用各種半導體器件有著十分重要的意義。3．半導體二極管由一個PN結構成。它的伏安特性形象地反映了二極管的單向導電性和反向擊穿特性。普通二極管工作在正向導通區(qū)，而穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。4．三極管由兩個PN結構成，當發(fā)射結正偏、集電結反偏時，三極管的基極電流對集電極電流具有控制作用，即電流放大作用。三個電極電流具有以下關系：IC≈?βIB，IE=IB+IC≈?(1+β)IB。三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)。注意其不同的外部偏置條件。5．場效應管是一種新型晶體管，它的工作原理與三極管不同，具有很高的輸入電阻和較低的噪聲系數(shù)，適合做放大器的前置級。第3章放大電路基礎3.1放大的概念及放大電路的主要性能指標

3.2基本放大電路的組成及工作原理

3.3基本放大電路的分析方法

3.4放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

3.5三極管放大電路的三種組態(tài)及其比較

3.6多級放大電路放大電路

3.1.1放大的概念3.1放大的概念及放大電路的主要性能指標

所謂放大，實質上是實現(xiàn)能量的控制和轉換。并且放大的對象是變化量。能夠控制能量的元件稱為有源元件，晶體三極管和場效應管就是這種有源元件，它們是構成放大電路的核心元件。3.1.2放大電路的性能指標圖3-1放大電路性能指標測試電路1.放大倍數(shù)物理意義：放大倍數(shù)是衡量一個放大電路放大能力的指標。放大倍數(shù)越大，則放大電路的放大能力越強。（1）電壓放大倍數(shù)（2）電流放大倍數(shù)2．輸入電阻

物理意義：輸入電阻用于衡量一個放大電路向信號源索取信號大小的能力。輸入電阻越大，表明放大電路從信號源索取的電流越小，放大電路所得到的輸入電壓Ui就越接近信號源電壓US。所以說，為使放大電路從信號源索取到更大的電壓信號，就要增大輸入電阻?！咀⒁狻浚寒斝盘栐唇拥椒糯箅娐份斎攵藭r，信號源相當于接了一個大小為Ri的負載電阻，如圖3-1所示。此時，放大電路的輸入電壓Ui與信號源電壓US之比為：?？梢?，Ri越大，Ui與US就越接近。由此可得電路對于信號源電壓的放大倍數(shù)為：3.輸出電阻

物理意義：輸出電阻是衡量一個放大電路帶負載能力的指標，用Ro表示。輸出電阻越小，則放大電路的帶負載能力越強。US=0RL=∞實際測試放大電路的輸出電阻時，常用以下公式4.通頻帶

物理意義：通頻帶是衡量一個放大電路對不同頻率的輸入信號適應能力的指標。通常把放大倍數(shù)下降到中頻放大倍數(shù)Aum的0.707倍的兩個點所限定的頻率范圍定義為放大電路的通頻帶，用fBW表示。fL稱為下限頻率，fH稱為上限頻率，fL與fH之間的頻率范圍即為通頻帶。圖3-2放大電路的通頻帶3.2.1基本放大電路的組成及各元件作用3.2基本放大電路的組成及工作原理放大電路的組成必須遵循以下原則：（1）直流電源的極性必須使三極管處于放大狀態(tài)，即發(fā)射結正偏，集電結反偏，否則管子無電流放大作用。（2）輸入回路的接法應使輸入電壓的變化量

ui能夠傳送到三極管的基極回路，并使基極電流產生相應的變化量

iB。（3）輸出回路的接法應保證集電極電流的變化量

iC能夠轉化為集電極電壓的變化量

uCE，并傳送到放大電路的輸出端。

下圖所示就是按以上原則組成的放大電路。該電路有兩個缺點：一是需要兩路直流電源VCC和VBB，不方便也不經濟；二是輸入電壓ui與輸出電壓uo不共地。為此，需對此電路進行改進。圖3-3單管共射放大電路原理圖

改進后的電路如圖（a）所示，圖（b）是簡化畫法。下圖所示電路通常稱為阻容耦合單管共射放大電路。

圖3-4阻容耦合單管共射放大電路

【例3-1】試判斷下圖所示各電路能否對輸入信號不失真地進行放大，并簡述理由。

圖3-5例3-1圖

解：

(a)無放大作用。發(fā)射結沒有獲得正偏導通電壓。(b)無放大作用。直流電源VBB對輸入的交流信號短路，輸入信號送不進去。(c)有放大作用。符合組成原則。(d)無放大作用。三極管發(fā)射結反向偏置。(e)有放大作用。三極管為PNP型，偏置符合要求，其它組成也符合原則。(f)無放大作用。Cb將輸入交流信號短路，輸入信號送不進去。3.2.2基本放大電路的工作原理

工作特點：交直流共存

分析思路：為了便于分析，通常將直流和交流分開來討論（僅是一種分析方法），也即所謂的放大電路的靜態(tài)分析和動態(tài)分析。1.放大電路的靜態(tài)當放大電路的輸入信號ui=0時，電路中只有直流電源VCC作用，此時電路中的電壓和電流只有直流成分，放大電路的這種狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)工作點：當直流電源VCC、基極電阻Rb和集電極電阻Rc等主要元件參數(shù)確定后，電路中的直流電壓和直流電流的數(shù)值便唯一地被確定下來。這個確定的靜態(tài)電流和靜態(tài)電壓的數(shù)值將在三極管的特性曲線上唯一確定一個點，這個點稱為放大電路的靜態(tài)工作點，用Q（Quiescent）表示。今后把靜態(tài)工作點處的靜態(tài)電流和靜態(tài)電壓表示為IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ。飽和失真和截止失真：為了不失真（或基本不失真）地放大信號，必須首先給放大電路設置合適的靜態(tài)工作點，否則就會出現(xiàn)非線性失真。若Q點太高，ui正半周幅值較大的部分將進入飽和區(qū)，此時，當iB增大時，iC不再隨之增大，致使iC、uCE的波形發(fā)生失真，這種失真叫飽和失真。若Q點太低，ui負半周幅值較小的部分將進入截止區(qū)，使iB、iC等于零，致使iB、iC、uCE的波形發(fā)生失真，這種失真叫截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。由此可知，只有放大電路設置合適的靜態(tài)工作點，才能保證交流信號疊加在大小合適的直流量上，處于三極管的近似線性區(qū)（即放大區(qū)）。

為了更直觀說明靜態(tài)工作設置的重要性，我們看一下放大電路正常工作時各信號波形。由波形可以看出：（1）當輸入一個正弦電壓ui時，放大電路中三極管的各極電壓和電流都是圍繞各自的靜態(tài)值，即uBE、iB、iC和uCE的波形均為在原來靜態(tài)直流量的基礎上，再疊加一個正弦交流成分，成為交直流并存的狀態(tài)；（2）當輸入電壓有一個微小的變化量時，通過放大電路，在輸出端可得到一個比較大的電壓變化量；（3）輸出電壓uo的相位與輸入電壓ui相反，通常稱之為單管共射放大電路的倒相作用。圖3-6單管共射放大電路信號波形2.放大電路的動態(tài)當放大電路加上交流信號ui后，信號電量疊加在原靜態(tài)值上，此時電路中的電流、電壓既有直流成分，也有交流成分。為了分析方便，通常將直流和交流分開考慮，現(xiàn)只考慮交流的情況，此時電路中的電流、電壓是純交流信號，沒有直流成分，電路的這種工作狀態(tài)稱為動態(tài)。為了清楚地表示放大電路中的各電量，對其表示的符號進行如下說明：（1）直流量：字母大寫，下標大寫。如IB、IC、UBE、UCE

。（2）交流量：字母小寫，下標小寫。如ib、ic、ube、uce。（3）交、直流疊加量：字母小寫，下標大寫。如iB、iC、uBE、uCE。（4）交流量的有效值：字母大寫，下標小寫。如Ib、Ic、Ube、Uce

。3.3基本放大電路的分析方法

分析任務：求解其靜態(tài)工作點及各項動態(tài)性能指標。分析順序：通常遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則。只有靜態(tài)工作點合適，電路沒有產生失真，動態(tài)分析才有意義。3.3.1直流通路與交流通路圖3-7單管共射放大電路的直流通路和交流通路3.3.2靜態(tài)分析

靜態(tài)分析通?？梢圆捎霉椒ǎㄒ卜Q近似估算法）和圖解法兩種。

1.近似估算法（公式法）求Q點

【注意】：三極管導通時，UBEQ的變化很小，可視其為常數(shù)。一般認為：硅管UBEQ0.7V，鍺管UBEQ0.2V。2.用圖解法計算Q點用圖解法確定靜態(tài)工作點的方法如下：（1）根據(jù)公式求出IBQ，并在三極管的輸出特性曲線上找出對應IBQ的那條曲線。（2）根據(jù)，畫出與之對應的線段，該線段稱為直流