半導體基本知識與半導體二極管半導體基本知識與半導體二極管

半導體基本知識與半導體二極管一、半導體基本知識導體是容易導電的物體，如鐵、銅等。絕緣體是幾乎不導電的物體，如橡膠等。半導體是導電性能介于導體和半導體之間的物體，在一定條件下可導電，半1)在外界能源的作用下，導電性能顯著變化。半導體的電阻率隨溫度的上升而明顯下降，呈負溫度系數(shù)的作用.半導體的電阻率也隨光照的不同而改變.光敏元件、熱敏元件屬于此類。2)在純凈半導體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導電性能顯著增加。半導體的電阻率與所含微量雜質(zhì)的濃度成正比例關系。二極管、三極管屬于此類。3、本征半導體(1)定義：純凈晶體結構的半導體我們稱之為本征半導體。常用的半導體材料(2)結構：它們都是四價元素，原子結構的最外層軌道上有四個價電子，本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。(3)載流子：共價鍵中的一些價電子由于熱運動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴，它帶正電。在外電場作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流；同時價電子也按一定的方向一次填補空穴，從而使空穴產(chǎn)生定向移動，形成空穴電流。因此，在晶體中存在兩種載流子，即帶負電自由電子和帶正電空穴，它們是成對出現(xiàn)的。本征半導體中的自由電子和空穴(1)定義：摻入雜質(zhì)的半導體被稱為雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體主要包括N型半導體和P型半導體。任何半導體都是電中性，對外部不顯電性。(2)N型半導體和P型半導體N型半導體——在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷等元素，可形成N型半導體，也稱電子型半導體。在本征半導體中，摻入5價元素，使晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，因為雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，它與周圍原子形成4個共價鍵后，還多余一個自由電子，因此使其中的空穴的濃度遠小于自由電在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。P型半導體——在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等元素形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。在本征半導體中，摻入3價元素，晶體中的某些原子被雜質(zhì)原子代替，但是雜質(zhì)原子的最外層只有3個價電子，它與周圍的原子形成共價鍵后，還多余一個空穴，因此使其中的空穴濃度遠大于自由電子的濃度。在P型半導體中，自由電子是少數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流子。P型半導體N型半導體(1)擴散運動：電子從N區(qū)向P區(qū)擴散；空穴從P去向N區(qū)擴散。(2)產(chǎn)生內(nèi)電場：擴散的同時在N區(qū)留下了帶正電的空穴，在P區(qū)留下了帶負電的雜質(zhì)離子，這樣就形成了空間電荷區(qū)，也就是形成了電場?！餙④+++十+十(3)漂移運動：在電場的作用下，載流子將作漂移運動，它的運動方向與擴散運動的方向相反，阻止擴散運動。電場的強弱與擴散的程度有關，擴散的越多，電場越強，同時對擴散運動的阻力也越大，當擴散運動與漂移運動相等結的交界區(qū)就形成一個缺少載流子的高阻區(qū)，我們又把它稱為阻擋層或耗盡層。(4)PN結：通常這個空間電荷區(qū)稱為PN結。2、PN結的單向?qū)щ娦詄eP區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極。這時外加電壓形成電場的方向與自建場的方向相反，從而使阻擋層變窄，擴散作用大于漂移作用，多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散形成UT=kT/q稱為溫度電壓當量。T——為絕對溫度，在室溫下(300K)時UT=26mv電源的正極。此時的外加電壓形成電場的方向與自建場的方向相同，從而使阻擋層變寬，漂移作用大于擴散作用，少數(shù)載流子在電場的作用下，形成漂移電流，它的方向與正向電壓的方向相反，所以又稱為反向電流。因反向電流是少數(shù)載流子形成，故反向電流很小，即使反向電壓再增加，少數(shù)載流子也不會增加，反向電壓也不會增加，因?qū)顟B(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止狀態(tài)，因此PN結具有單向?qū)щ娦浴?1)概念：PN結處于反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PN結的電流很(2)擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。對于硅材料的PN結來說，擊穿電壓大于7v時為雪崩擊穿，擊穿電壓小于4v時為齊納擊穿。(1)電容效應：由于電壓的變化將引起電荷的變化，從而出現(xiàn)電容效應，PN結內(nèi)部有電荷的變化，因此它具有電容效應。(2)電容效應有兩種：勢壘電容和擴散電容。勢壘電容是由阻擋層內(nèi)的空間電荷引起的。擴散電容是PN結在正向電壓的作用下，多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷三、半導體二極管1、半導體二極管的結構類型(1)結構：半導體二極管又導體二極管是由PN結加上引(a)外形圖(b)符號線和管殼構成的。(2)類型：按管子的結構來分有：點接觸型、面接觸型和平面型三大類。點接觸型二極管的PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極管的PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管往往用于集成電路制造工藝(3)符號和外形結構2、半導體二極管的特性及參數(shù)(1)二極管的特性：處于第一象限的稱為死區(qū)電壓(硅管死區(qū)電壓小于0.5V,鍺管死區(qū)電壓小于0.1V)。通電壓取0.7V,鍺管取0.3V。它會有很小的反向電流，而且反向電流在一定范圍內(nèi)基本不隨反向電壓變化而變(2)二極管的主要參數(shù)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最大反向工作電壓UR——二極管允許的最大反向工作電壓，工作時加在二一般取擊穿電壓的1/2-1/3作UR。二極管的直流電阻RD——加在管子兩端的直流電壓與直流電流之比，我們二極管的性能越好。二極管的交流電阻rd——二極管工作點附近電壓的微變化與相應的電流微變化值之比，就稱為該點的交流電阻。流過管子的反向電流.通常希望值愈小愈好.反向電流愈小，說明二極管的單向?qū)б?、限幅電路當輸入信號電壓在一定范圍?nèi)變化時，輸出電壓也隨著輸入電壓相應的變化；當輸入電壓高于某一個數(shù)值時，輸出電壓保持不變，這就是限幅電路。我們把開始不變的電壓稱為限幅電平。它分為上限幅和下限幅。[例1.1]試分析圖1-8a所示的限幅電路，輸入電壓的波形為圖1-8b,畫出它的限幅圖1-8限幅電路和輸入電壓的波形圖解：(1)E=0時限幅電平為0v。ui>0時二極管導波形圖為：如圖1-9所示(2)當O<E<UM時，限幅電平為+E。u圖1-9圖1-11圖1-10圖1-11二、二極管門電路二極管組成的門電路，可實現(xiàn)邏輯運算。如圖1-12所示的電路，只要有一條電路輸入為低電平時，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。實現(xiàn)邏輯"與"運算.圖1-12二極管組成的門電路三、二極管整流電路(補充內(nèi)容)整流：就是把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程。濾波：將脈動直流電變?yōu)槠?1)電路結構一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器T、整流二極管D和負載電阻Rfz,組成。變壓器把市電電壓(多為220伏)變換為所需要的交變電壓e2,D再把交流電變換為(2)工作原理變壓器砍級電和大小都隨時間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2(a)所示。在0~半周即變壓器上端為正下端為負。此時二極管承受正向過它加在負載電阻Rfz上，在π~2π時間內(nèi)，e2為負半周，變壓器次級下端為正，上端為負。這時D承受反向電壓，不導通，Rfz,上無電壓。在π~2π時間內(nèi)，重復0~π時間的過程，而在3π~4π時間內(nèi)，又重復π~2π時間的過程…這樣反復下去，交流電的負半周就被"削"掉了，只有正半周通過Rfz,在Rfz上獲得了一個單一右向(上正下負)的電壓，達到了整流的目的，但是，負載電壓Usc。以及負載電流的大小還隨時間而變化，因此，通常稱它為脈動直流。這種除去半周、留下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整說是以"犧牲"一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低(計算表明，整流得出的半波電壓在整個周期內(nèi)的平均值，即負載上的直流電壓Usc=0.45e2)因此常用在高電壓、小電流的場合，而在一般無線電裝置中很少采用。(1)電路結構是由兩個半波整流電路組合出大小相等但極性相反的兩個電壓e2a、e2b,構成Rfz,兩個通電回路。(2)工作原理全波整流電路的工作原理，可用波形圖說明。在0~π間內(nèi)，e2a對DI為正負兩個半周作用期間，都有同一方向的電流通過，如波形圖所示的那樣，因此稱為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負半周，從而大大地提高了整流效率(Usc=0.9e2,比半波整流壓器有一個使兩端對稱的次級中心抽頭，這給制作這種電路中，每只整流二極管承受的最大反向電壓，是變壓器次級電壓最大值的兩倍，因此需用能加上電容濾波時，Usc=1.2U2。(1)電路結構橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電(2)工作原理橋式整流電路的工作原理Rfz、D3通電回路，在Rfz,上形成上正下負的半波整洗對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成e2、在Rfz上形成上正下負的另如此重復下去，結果在Rfz,上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整洗電路小一半!4、幾種整流電路的比較(學生自行整理)包括電路結構、輸出電壓、輸出電流、二極管的電流、二極管的反向電壓等【補充作業(yè)題】單相橋式整流電路，U?=10V,試計算電路參數(shù)，并選擇合適二極管。特殊二極管一、穩(wěn)壓二極管1、穩(wěn)壓管由二極管的特性曲線可知，如果工作在反向擊穿區(qū)，則當反向電流的變化量較大時，二極管兩端相應的電壓變化量卻很小，說明其具有穩(wěn)壓特性。利用這種特性可以做成穩(wěn)壓管。所以，穩(wěn)壓管實質(zhì)上就是一個二極管，但它通常工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管的伏安特性及符號分別如圖1-13所示。穩(wěn)壓二極管是利用二極管的擊穿特性。它是因為二極管工作在反向擊穿區(qū)，反向電流變化很大的情況下，反向電壓變化則很小，從而表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。只要反向電流不超過最大穩(wěn)壓電流IZmax,反向電流小于最小穩(wěn)壓電流IZmin時，也不能穩(wěn)壓。2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)穩(wěn)定電流IZ(3)動態(tài)電阻(4)額定功率PZ(5)溫度系數(shù)3、穩(wěn)壓管應用電路(1)電路結構利用二極管反向擊穿特性，其電流變化時，管壓降基本不變(2)穩(wěn)壓原理輸入電壓為整流濾波后的電壓，穩(wěn)壓管與負載并聯(lián)，穩(wěn)壓管反向工作，使流過穩(wěn)壓管的電流不超過最大極限，同時當電網(wǎng)電壓波動時，通過R上的壓將調(diào)節(jié)，使輸出電壓基本不變。(3)指標計算其中：rz為二極管的等效電阻。由此可見rz愈小R愈大，穩(wěn)壓系數(shù)愈大。二、光電二極管1、發(fā)光二極管發(fā)光二極管的PN結是工作在正向偏置狀態(tài)的，其發(fā)光效率高，亮度高，是綠色環(huán)保的冷光源?？煞譃槠胀òl(fā)光二極管和大功率發(fā)光二極管。發(fā)光二極管體輻射綠光或黃光等。發(fā)光二極管的PN結正向特性比較特殊，當工作電流為10一般二極管的正向?qū)妷合嗷煜?。它具有體積小、響應快、光度強、壽命長等大功率發(fā)光二極管就是專為照明方向開發(fā)的，現(xiàn)在由于沒有大規(guī)模推廣使用，其價格高，多用于廣告裝飾領域。但其取代普通光源的地位不可改變。光敏二極管與普通結二極管類似，但在其結處，有玻璃窗口能接收外部的光反向電流與光照強度成正比。無光照時，反向電流很小，稱其為暗電流；有光照時，反向電流很大，稱其為光電流。半導體三極管一、三極管的簡介三極管是組成各電子電路的核心器件，它由三個電極，稱為半導體三極管或雙極型三極管簡稱為三極管。它們常常是組成各種電子電路的核心器件。三極管以利用半導體材料硅它們的工作原理是類二、三極管的結構及類型1、三極管的基本結構2、三極管的類型按PN結的組合方式有PNP型和NPN型，如果兩邊是N區(qū)中間為P區(qū)，4、三極管的圖形及符號如下圖，其中發(fā)射極箭頭方向表示發(fā)射結正向偏置時的電流方向，因此從它的方向即能判斷管子是NPN型還是PNP型。包含三個區(qū)：發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)，同時相應的引出三個電極：發(fā)射極，基極，集電極。同時又在兩兩交界區(qū)形成PN結，分別是發(fā)射結和基點結。雙極型三極管的符號在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。從區(qū)摻雜濃度低，且集電結面積大。基區(qū)要制造得很薄，其厚度一般在幾個微米至幾十個微米。三極管根據(jù)基片的材料的不同，分為鍺管和硅管兩大類，目前國內(nèi)生產(chǎn)的硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型；從功率大小可分為大功率管、中功率管和小功率管；從頻率特性分為高頻管和低頻管。實際應用中多采用NPN型三、三極管的放大作用三極管的主要特點就是具有電流放大功能。所謂電流放大，是指當基極有一個較小的電流變化時，集電極隨之會出現(xiàn)一個較大的電流變化。三極管的結構特點：發(fā)射區(qū)中摻雜，基區(qū)必須很薄，基電結的面積應很大，則基區(qū)中多子的濃度很低.NPN型三極管的基區(qū)為P型.故其中的多子空穴的濃工作時：發(fā)射結應正向偏置，集電結應反向偏置。即必須由三極管的內(nèi)部結構和外部所加電源的極性兩方面的條件來保證。實驗：為了使三極管發(fā)射區(qū)的電子發(fā)射到基區(qū)，要之間加一正向偏壓。為了把發(fā)射極發(fā)射到基區(qū)的電子吸收到集電區(qū)，要給雙極半導體三極管加上適當?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結加正向電壓，集電結加反向電壓，如圖所示。在實驗時，改變RB,則IB數(shù)據(jù)如下表所示。數(shù)流123456基極電流IB/mA0<得出以下結論。1)三極管各極電流的分配關系為發(fā)射極電流等于集電極電流與基極電流之和，2)IB增加時，IC按比例相應增加，集電極電流與基極電流的比值稱為三極管直3)當基極電流發(fā)生微小變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。集電極電流變化量與基極電流變化量的比值，稱為三極管交流放大系數(shù)，以β表示，有：4)當時IB=0時，IC=ICEO,該電流很小，是由少數(shù)載流子的漂移運動產(chǎn)生的，電路計算中可忽略不計。從表還可看出，β與β的數(shù)值很接近，因此工程上不需作嚴格區(qū)別，統(tǒng)稱為電流放大系數(shù)。理論分析：在發(fā)射結正偏，集電結反偏條件下，三極管中載流子的運動：(1)在UBB作用下，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子形成IEN,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散形成IEP。(2)電子在基區(qū)復合和擴散，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子繼續(xù)向集電結擴散，擴散過程中少部分電子與基區(qū)空穴復合形成電流IBN。由于基區(qū)薄且濃度低，所以IBN較小。(3)集電結收集電子，由于集電結反偏，所以基區(qū)中擴散到集電結邊緣的電子在電場作用下漂移過集電結，到達集電區(qū)，形成電流ICN。(4)集電極的反向電流，集電結收集到的電子包括兩部分：發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子ICN,基區(qū)的少數(shù)載流子ICBO。三極管在放大作用時，因為發(fā)射結正向偏置，且發(fā)射區(qū)進行重摻雜，所以發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子擴散注入至基區(qū)，又由于集電結的反向作用，故注入至基區(qū)的載流子在基區(qū)形成濃度差，因此這些載流子從基區(qū)擴散至集電結，被電場拉至集電區(qū)形成集電極電流。而留在基區(qū)的很少，因為基區(qū)做的很薄。我們再用圖形來說明一下，如圖所示。由于載流子的運動，從而產(chǎn)生相應電流，它們電流的分其中：ICEO——為發(fā)射結少數(shù)載流子形成的反向飽和電流；ICBO——為IB=0時，集電極和發(fā)射極之間的穿透電流；a——為共基極電流的放大系數(shù)；β——為共發(fā)射極電流的放大系數(shù)。它們可定義為：由于ICBO很小，可忽略，在忽略ICBO情況下，綜上所述，三極管的三極電流分配關系有：四、三極管的特性曲線1、三種接法雙極型三極管有三個電極，其中兩個可以作為輸入，兩個可以作為輸出，這樣必然有一個電極是公共電極，這樣三個電極具有三種接法。這三種接法也稱三共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示；共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示。析討論三極管共發(fā)射極接法時的特性曲線。三極管共發(fā)射極接法時的輸入特性方程為：,它與PN結的正向特性相似，對輸入特性有影響，且UCE>1v時這兩個PN結的輸入特性基本重合。我們用UEC=0和UCE=2v,兩3、輸出特性三極管共發(fā)射極接法時的輸出特性方程為：(1)截止區(qū)：IB<=0時，此時的集電極電流近似為一般將滿足IB<=0時的區(qū)域稱為截止區(qū)。此時IB近透電流。一般硅三極管的穿透電流較小，所以在輸出特性曲線上無法表示出來。鍺三極管的穿透電流較大，約為幾十微安到幾百微安，可以認為當發(fā)射結反向偏置時，發(fā)射區(qū)不再向基區(qū)注入電子，則三極管處于截止狀態(tài)。所以，在截止區(qū)，三極管的發(fā)射結和集電結都處于反向偏置狀態(tài)。對于NPN三極管來說，此時UBE<0,UBC<0.(2)飽和區(qū)：此時兩個結均處于正向偏置，UCE=0.3V,圖1-19b中靠近縱坐標的附近各條輸出特性曲線的上升部分屬于三極管的飽和區(qū)。見圖1-19b中縱坐標附近虛線以左的部分。在這個區(qū)域，不同值的IB各條特性曲線幾乎重疊在一起十分密集。也就是說當UCE較小時，管子的集電極電流IC基本上不隨基極電流IB而變化，這種現(xiàn)象稱為飽和。在飽和區(qū)三極管失去了放大作用，此時不(3)放大區(qū)：此時IC=βIB,IC基本不隨UCE變化而變化，此時發(fā)射結正偏，集電結反偏。在放大區(qū)內(nèi)各條輸出特性曲線比較平坦，近似為水平的直線，表示當IB一定時，IC的值基本上不隨UCE而變化，同時也說明在放大區(qū)的IC值基本上與集電極電壓UCE無關。而當基極電流有一個微小的變化量△g時，相應地1.放大系數(shù)——放大系數(shù)有兩種(直流和交流),但我們一般認為，它們二者是相等的，不必區(qū)分它們。(1)共射電流放大系數(shù)β——β體現(xiàn)共射接法時三極管的電流放大作用，定義為集電極電流與基極電流的變化量之比，即：(2)共基電流放大系數(shù)α——體現(xiàn)共基接法時三極管的電流放大作用，α的定義是集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比。即：(3)共基電流放大系數(shù)α和共射電流放大系數(shù)β,二者的關系是：2.極間的反向電流(1)基電極—基極的反向飽和電流ICBO——ICBO表示當發(fā)射極開路時，集電極和基極之間的反向電流。(2)穿透電流ICEO,它與ICBO關系為：ICEO=(1+B)ICBO,穿透電流表示當基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的電流。3.極限參數(shù)(1)集電極最大允許電流ICM——當集電極電流過大時，三極管的β值就要明顯減小，此時對應得值就是集電極最大允許電流。當IC=ICM時，管子的β值下(3)集電極最大允許耗散功率PCM——當三極管工作時，管子兩端的壓降為UCE,集電極流過的電流為IC因此損耗的功率為PC=ICUCE,集電極消耗的電能將轉化為熱能使管子的溫度升高，如果溫度過高，將使三極管的性能惡化甚至被損壞，所以集電極損耗有一定的限制。六、三極管工作狀態(tài)判定三極管發(fā)射結、集電結的偏置和管子工作狀態(tài)的關系示于表中。偏發(fā)發(fā)射置\結發(fā)射結集電結截止反偏或零偏反偏放大正偏反偏飽和正偏正偏或零偏2.三極管電流關系判定法三極管中的電流和工作狀態(tài)的關系如表所示電工流關電系截止放大飽和共射電路三極管基極電位集電極電位和三極管工作狀態(tài)的關系，如表所示。電位值(V電位)截止0放大UCES<UC<VCC飽和場效應管場效應管是通過改變輸入電壓來控制輸出電流的電壓控制器件，它不吸收信號源電流，不消耗信號源功率，因此它的輸入電阻很高，它還具有溫度特性好、抗干擾能力強、便于集成等優(yōu)點。場效應管是一種利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件，它又被稱為單極性三一、結型場效應管結型場效應管是一種利用耗盡層寬度改變導電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。如圖所示，它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著區(qū)即為柵極g(G),N型硅端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結正偏或正偏時柵極電流方向。2.結型場效應管的工作原理我們以N溝道結型場效應管為例說明結型場效應管的工作原理。在D、S間加上正相電壓UDS,則源極和漏極之間形成電流ID,我們通過改變柵極和源極的反相電壓UGS,就可以改變兩個PN結阻擋層的(耗盡層)的寬度，這樣就改變了溝道電阻，因此就改變了漏極電流ID。柵極和源極加正相電壓UGS,兩個PN結阻擋層的(耗盡層)的寬度變大，無漏極電流ID。,場效應管截止。3.結型場效應管的特性曲線下面以N溝道結型場效應管為例，說明結型場效應管特性曲線。(1)輸出特性曲線：(如圖1-21a所示)根據(jù)工作特性我們把它分為四個區(qū)域，即：可變電阻區(qū)、放大區(qū)、擊穿區(qū)、截止區(qū)。(a)輸出特性曲線圖1-21結型場效應管的特性曲線圖(b)轉移特性曲線轉移特性關系方程為'D=/(Uσg)lU=我們根據(jù)這個特性關系可得出它的轉移特性曲線如圖1-21b所示。它描述了柵、源之間電壓對漏極電流的控制作用。從圖中我們可以看出當UGS=UP時ID=0。我們稱UP為夾斷電壓。轉移特性和輸出特性反映場效應管工作時是UGS、UDS、ID之間的關系的，它們之間是可以互相轉換的。二、絕緣柵場效應管1.N溝道結型場效應管的特點絕緣柵型場效應管由金屬氧化物和半導體制成，所以稱為金屬氧化物半導體場效應管或簡稱MOS場效應管.由于這種場效應管的柵極被絕緣層隔離，因此其輸入電阻更高?？蛇_109Ω以上。從導電溝道來分，絕緣柵型場效應管也有N溝道和P溝道兩種類型。無論N溝道或P溝道。又都可以分為增強型和耗盡型兩種。下面以N溝道增強型MOS場效應管為例介紹。2.絕緣柵型場效應管的結構和原理B§N溝道箭頭向里我們首先來看N溝道增強型MOS場效應管的符號圖：如圖1-22所示用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，在其表面上覆蓋一層二氧化硅的絕緣層，再在二氧化硅層上刻出兩個窗口。通過擴散形成兩個高摻雜的N區(qū)，分別引出源極S和漏極D然后在源極和漏極之間的B§N溝道箭頭向里極在管子內(nèi)部連接在一起。由圖可見這種場效應管由金屬氧化物和半導體組成。道的狀況，然后達到控制漏極電流的目的。柵極和源極加反相電壓UGS,導電它的轉移特性曲線如圖1-23所示；它的輸出特性曲線如圖1-24所示，它也分為4個區(qū)：可變電阻區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。1-24結型場效應管的輸出特性曲線圖飽和漏極電流IDSS;夾斷電壓UP;直流輸入電阻RGS。低頻跨導gm:極間電容(3)極限參數(shù)(1)場效應管是電壓控制器件，它通過UGS來控制ID;(2)場效應管的輸入端電流極小，因此它的輸入電阻很高；(3)它是利用多數(shù)載流子導電，因此它的溫度穩(wěn)定性較好；(4)它組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大(5)場效應管的抗輻射能力強第一章小結2、半導體器件半導體二極管特殊二極管半導體三極管場效應管3、應用電路二極管應用電路(整流電路)1.1溫度升高時，二極管的正向壓降是增大還是減小?二極管的反向飽和電流是增大還是減小?1.2通常小功率硅二極管的正向壓降是多少伏?小功率鍺二極管的正向壓降是多1.3硅穩(wěn)壓管工作于伏安特性的哪一段?在使用中要注意什么問題?1.4穩(wěn)壓值為為7.5伏和8.5伏的兩只穩(wěn)壓管串聯(lián)或并聯(lián)使用時，可得到幾種不同的穩(wěn)壓值?和穩(wěn)壓值為各為多少伏?設穩(wěn)壓管正向?qū)▔航禐?.7伏1.5用兩個二極管連接成一個三極管，為什么?1.6三極管有哪三種基本連接方式?試用NPN型管的圖形符號畫出這三種連接1.7三極管的集電區(qū)和發(fā)射區(qū)均屬于同一類型的半導體，如果把三極管的發(fā)射極和集電極互換使用，有什么不好?1.8如下圖所示是某二極管在某溫度時的伏安特性。試判斷該管是硅管還是鍺管?1.9寫出下圖所示各電路的輸出電壓值，設二極管導通電壓Un=0.7V。UR=-6V,UO=-6.2V,試分析A、B、C中哪個是基極，哪個是發(fā)射極哪個是集電極，并說明這個三極管是NPN管?管還是PNP?1.11某三極管的電流放大實驗測試數(shù)據(jù)如表所示。0試求：(1)IB=0.02～0.07mA和0.04～0.07mA之間的β值各為多少?(2)IB=0.04mA和0.07mA時的β值各為多少?(3)穿透電流ICEO不超過多少?斷各管分別工作在何種狀態(tài)(放大、飽和、截止)。三、學生練習第2章基本放大器共射放大電路uo——是輸出電壓VT——NPN型晶體管，是放大電路的核心元Ucc——是放大電路的直流電源。RB——是基極偏置電阻。共射放大電路——輸入回路和輸出回路的公共端是發(fā)射極。直流量用大寫字母、大寫下角標表示，如Ig,Ic,UcE等；交流量用小寫字母、小寫下角標表示，如ip,ic,uce等；總變化量是交直流疊加量，用小寫字母、大寫下角標表示，如ig,ic,ucE等。(1)靜態(tài)工作情況分析靜態(tài)——放大電路輸入端未加輸入信號即ui=0時的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)工作點——晶體管的Ig,Ic,Ucr稱為該放大電路的靜態(tài)工作點，簡稱Q點。直流通路——按直流信號在電路中流通的路徑可畫出直流通路。直流通路的畫法——電容開路；電感短路。靜態(tài)計算——估算法。Ic=βI?Uce=Ucc-Rclc[例2.1]在上圖中，已知Ucc=20V,Rg=400kΩ,Rc=6kΩ,β=50,試求放大電路的靜態(tài)工作點的Ig,Ic,UcE。解：根據(jù)式(2-1),式(2-2),式(2-3)可得Ic=βI?=Uc=Ucc-Rlc=2.動態(tài)工作情況分析動態(tài)——放大電路輸入端加輸入信號即ui≠0時的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。這時電路中各電量將在靜態(tài)直流分量的基礎上疊加一個交流分量。動態(tài)參數(shù)——電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等。(1)放大分析3、靜態(tài)工作點的選擇與波形失真波形失真——是指輸出波形相對于輸入波形產(chǎn)生了畸變。(1)飽和失真產(chǎn)生原因——當靜態(tài)工作點設置太高時，在交流信號的正半周，隨輸入信號增大，集電極電流ic因受最大值Icm的限制而不能相應地增大，這時盡管ig的波形完好，但ic正半周和ucE負半周的頂部被削去，這種由于動態(tài)工作點進入飽和(2)截止失真產(chǎn)生原因——靜態(tài)工作點設置太低時，在交流信號的負半周，晶體管因發(fā)射結反偏而進入截止狀態(tài)，使ic負半周和ucE正半周的頂部被削去。這種由于動態(tài)非線性失真——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——是指輸入信號變化時，輸出信號正、負半周都能達到最大值而不出現(xiàn)失真的工作點。動態(tài)范圍——任何狀態(tài)下，不失真的最大輸出稱為放大電路的動態(tài)范圍。顯然，最佳工作點下，電路的動態(tài)范圍最大。在保證輸出信號不失真的前提下，降低電路的靜態(tài)工作點，有利于減少放大電路的損耗。放大電路的飽和失真放大電路的截止失真4、放大電路的微變等效電路分析法(1)晶體管微變等效電路模型(2)微變等效電路分析法交流通路——對頻率較高的交流信號，放大電路中的耦合電容、旁路電容畫交流通路時都視為短路；直流電源由于內(nèi)阻很小，對交流信號也視為短路。放大電路的微變等效電路電壓放大倍數(shù)Au:(bì(負號表示輸出電壓與輸入電壓反相)輸入電阻Ri:從放大電路的輸入端看進去的交流等效電阻，它等于放大電路輸入電壓與輸入電流的比值，即Ri=Ui/li。Ri=RB//rbe≈Tbe輸出電阻Ro:從放大電路的輸出端看進去的交流等效電阻，它等于放大電路輸出電壓與輸出電流的比值，即Ro=Uo/Io。是衡量放大電路帶負載能力的一個性輸入電阻和輸出電阻圖靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路一、溫度變化對靜態(tài)工作點的影響溫度升高時——靜態(tài)電流增大——(1)信號失真；(2)集電極損耗增大，管溫升高，損壞三極管。二、分壓式偏置穩(wěn)定電路(1)利用電阻Rg?和RB?分壓來穩(wěn)定基極電位；(2)由發(fā)射極電阻RE實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定通常Ug>>UpE,所以集電極電流，則：說明了Ug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)β值無關。(1)靜態(tài)計算Uce≈Uc-Ic(Rc+R?)(2)動態(tài)分析R′=RcI|RRi=RB?//Rp?//rbUce≈Ucc-lc(Rc+R)=12-2×(2+2)=6V(2)估算電壓放大倍數(shù)Au(3)估算輸入電阻Ri,輸出電阻Ro。Ri=Rg?//RB?//rbe≈rbe=0.83kΩRo=Rc=2kΩ電容CE的作用：射極旁路電容(一般取10～100μF),它對直流相當于開路，靜態(tài)時使直流信號通過RE實現(xiàn)靜態(tài)工作點的穩(wěn)定；對交流相當于短路，動態(tài)時交流信號被CE旁路掉，使輸出信號不會減少，即Au計算與式(2-7)完全相同。作業(yè)：電路如下圖所示，已知晶體管β=50,Ucc=12V,RB?=22k2,RB?=12kΩ,R?=3k2,Rc=3k2,RE=2k2,CE=100uF。試求：(1)靜態(tài)值Ico和UcEo。(2)電壓放大倍數(shù)Au。(3)輸入電阻Ri,輸出電阻Ro。共集放大電路和共基放大電路(1)靜態(tài)計算(根據(jù)直流通路來分析)Ucc=I?Rg+UBE+I?RUc≈Ucc-IcR(2)動態(tài)計算(根據(jù)微變等效電路來分析)3、射極輸出器的特點R?=Ra/IR’=RΘ//[+(1+β)R{](1)靜態(tài)工作點穩(wěn)定。射極輸出器中的電阻RE具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用，過程如下：T(C)↑→Ic↑→Ue↑→UBE↓→Ig↓→Ic!(2)電壓放大倍數(shù)略小于1(近似為1)。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u;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。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。(4)輸出電阻低。4、射極輸出器的應用(1)用做輸入級。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。利用其輸入電阻很高的特點，可減少對信號源的衰減，有利于信號的傳輸。(2)用做輸出級。由于射極輸出器的輸出電阻很低，常用做輸出級?？墒馆敵黾壴诮尤胴撦d或負載變化時，對放大電路的影響小，使輸出電壓更加穩(wěn)定。(3)用做中間隔離級。將射極輸出器接在兩級共射電路之間，利用其輸入電阻高的特點，可提高前級的電壓放大倍數(shù)；利用其輸出電阻低的特點，可減小后級信號源內(nèi)阻，提高后二、共基放大電路由發(fā)射極輸入信號，集電極輸出信號，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。(1)靜態(tài)分析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)工作點的估算方法也完全一樣。(2)動態(tài)分析R?=Rgl/(?/(1+β))Ro=Rc3、特點通頻帶寬、穩(wěn)定性好，輸出電流恒定。多用于高頻和寬頻帶電路中，在聲像及通信技術中應用較廣。信號源中間級輸入級負載輸出級放大器放大信號源中間級輸入級負載輸出級放大器放大器21放大器放大器放大人器放大器多級放大電路二、級間耦合方式耦合：多級放大電路中級與級之間的連接稱為耦合。要求：一是靜態(tài)工作點互不影響；二是前級輸入信號應盡可能多地傳送到后級。常用的耦合方式有：直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合。直接耦合：級間直接連接或用電阻連接的方式稱為直接耦合。直接耦合放大電路既能放大直流與緩慢變化的信號，也能放RR放大直流與緩慢變化的信號，不適于集成電路。變壓器耦合：級間通過變壓器連接的方式稱為變壓器耦合。變壓器能隔斷直流、傳輸交流，可使各級靜態(tài)工作點獨立。積大、成本高，因而變壓器耦合放大電路不適于集成電路，Au=Aui·Au?·Au?.·Aun注意：把后一級的輸入電阻作為前一級的負載電阻。四、例題：計算兩級阻容耦合放大電路的電壓放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻。一、直接耦合放大電路的特殊問題解決辦法：(1)加后級發(fā)射極電阻；(2)加發(fā)射極穩(wěn)壓管；(3)采用PNP和NPN三極管互相配合。(1)零點漂移：輸入信號為零，輸出信號隨外界條件變化而偏離靜態(tài)值的現(xiàn)象，(2)零點漂移產(chǎn)生的主要原因由溫度引起的零漂最嚴重，因此又稱為溫漂。(3)解決零點漂移的辦法精選元器件，對元器件進行老化處理；采用差動放大電路。由兩個完全對稱的單管共射放大電路組成，采用雙端輸入-雙端輸出連接方式，一般由正、負兩組電源供電，且Ucc=-UEE。2.電路工作原理(1)靜態(tài)分析靜態(tài)時輸入信號ui=0,由于電路左右兩邊完全對稱，靜態(tài)值完全相同，故Uo=Uo1-Uo2=0,實現(xiàn)了零輸入、零輸出的要求。(2)對共模信號的抑制作用共模信號：兩個輸入端加上了一對大小相等，相位相同的信號電壓，我們把(3)對差模信號的放大作用差模信號：在兩個輸入端加上了一對大小相等，相位相反的信號電壓，我們把這樣的信號稱為差模信號。uan=1/2uauap=-1/2uaA?=A?U=AU=A×1/2uu??=A??Uia?=-A??×1/2u?a=-u??Uou=U??-U??=2u。(4)共模抑制比【作業(yè)】(1)估算各管的靜態(tài)電壓、電流值；(2)計算電壓放大倍數(shù)Aa。(3)如果輸出端接入RL=5K的負載，再求Ad。場效應管放大電路一、分壓式偏置電路1、電路結構(N溝道耗盡型絕緣柵場效應管共源放大電路)3、場效應管放大電路的微變等效電路分析法(1)場效應管的等效電路(2)基本性能指標(Au,Ri,Ro)電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻二、自給偏壓式(適用于結型場效應管和耗盡型場效應管)1、電路結構(耗盡型場效應管共源放大電路)Ugso=Ugo-Uso=-IpoRsIpo=Ipss(1-Ugso/Ugs(om)2Upso=Vpp-Ipo(Rp+Rs)(1)電壓放大倍數(shù)Au=-gm(Rp//RL)(2)輸入電阻(3)輸出電阻功率放大電路輸出足夠大功率的放大電路稱為功率放大器，簡稱功放。一、功率放大器的概念1.功率放大器的任務功率放大器是大信號放大器，要求輸出功率大、效率高、失真小。η=Po/Ppc2.功率放大器的分類(1)按晶體管的工作狀態(tài)分類。可分為：甲類、乙類和甲乙類。(2)按電路形式分類。有單管功率放大器、互補推挽功率放大器和變壓器耦合功率放大器。二、互補對稱功率放大器1.雙電源互補對稱功率放大器——OCL電路(1)電路組成(2)工作原理。靜態(tài)時，由于兩管均無直流偏置而截止，故Ig=0,Ic=0。因此放大器工作在乙類狀態(tài)，功耗為0。動態(tài)時，在u;的正半周期內(nèi)，VT?管因發(fā)射結正偏而導通，VT?管因發(fā)射結反偏而截止。這時icl≈iel流過負載RL,產(chǎn)生輸出電壓的正半周波形。在u;產(chǎn)生輸出電壓的負半周波形。兩管在輸入信號作用下均工作在乙類狀態(tài)，交替輪流導通，從而在負載RL上合成一個完整的波形。由于兩管相互補足對方缺少的半個周期，工作性能對稱，故這種電路稱為互補對稱功率放大器或無輸出電容功(3)交越失真。乙類功放為零偏置時，當輸入信號小于晶“體管的死區(qū)電壓時兩管都截止，從而使輸出波形在正、負半周交接處出現(xiàn)失真，稱為交越失為了消除交越失真，可給兩個互補管的發(fā)射結設置一個略大于死區(qū)電壓的正向偏壓，使兩管在靜態(tài)時處于微導通。來克服交越失真，這種工2.單電源互補對稱功率放大器——OTL電路OCL電路采用雙電源供電，給使用和維修帶來不便，因此可在放大器輸出端接入一個大電容C,利用這個大電容C的充放電來代替負電源，稱為單電源互補對稱功率放大器或無輸出變壓器功率放大器，簡稱OTL電路。3.復合管互補對稱功率放大器&BBVT?VT?E2晉&YTとJE?VT?BleYT?bBE oB?YT?E o&8S導yr&同相輸入反相輸入增益調(diào)節(jié)同相輸入反相輸入增益調(diào)節(jié)復合管是由兩個或兩個以上的晶體管(有時還有場效應管)構成的一個三端子器件，又稱達林頓管。連接時，在串接點應保證電流的連續(xù)；在并接點應保證總電流為兩管電流的算術和。復合管的類型取決于VT?的類型，復合管的電流放大系數(shù)β=β?β2。(1)參數(shù)散熱片與3腳相連負載阻抗：42。散熱片與3腳相連輸出功率：14W。源供電，接成OTL電路。(2)應用電路2.集成功放LM386及應用電路(1)參數(shù)LM386:音頻小功率集成放大器，它頻響寬、功耗低、電源電壓適應范圍寬。額定工作電壓Ucc:=4～16V。靜態(tài)電流：電源電壓為6V時，靜態(tài)工作電流為4mA。電壓增益：1和8腳間外接電阻、電容元件以調(diào)整電路的電壓增益。頻響范圍：可達到數(shù)百千赫茲。最大允許功耗：660mW。輸出功率：工作電壓為6V,負載阻抗為82時，輸出功率約為325mW;工作電壓為9V,負載阻抗為8Ω時，輸出功率可達1.3W。輸入阻抗：兩個輸入端的輸入阻抗都為50kΩ。(2)應用電路地本章小結1、三極管工作在放大區(qū)的條件發(fā)射結正偏，集電結反偏。2、三極管放大電路的三種連接方式共發(fā)射極、共集電極、共基極放大電路。4、多級放大器的耦合方式直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合。5、場效應管放大電路的連接方式6、場效應管放大電路的偏置電路1、三極管放大電路(1)靜態(tài)分析(2)動態(tài)分析微變等效電路法。2、場效應管放大電路(1)靜態(tài)計算(2)動態(tài)分析(1)靜態(tài)分析(2)動態(tài)分析(1)靜態(tài)分析(2)動態(tài)分析5、功放電路的原理分析習題講解2.2什么是靜態(tài)工作點?放大電路為什么要設置靜態(tài)工作點?靜態(tài)工作點、靜態(tài)值的確定方法有哪兩種?2.3改變Rc和Ucc對放大電路的直流負載線有什么影響?通路；(3)直流負載線與交流負載線；(2.5在什么條件下三極管可用微變等效電路來代替?2.6電壓放大倍數(shù)Au是不是與β成正比?2.7能否靠增大Rc來提高放大電路的電壓放大倍數(shù)?當Rc過大時對放大電路的工作有何影響?(設Ig不變。)2.8輸入電阻和輸出電阻反映了放大器哪方面的性能?通常希望放大電路的輸入電阻高一些好，還是低一些好?而輸出電阻呢?放大電路的帶負載能力是指什2.9試判斷題2.9圖中各個電路能不能放大交流信號?為什么?Ω,三極管的β=40。(1)試估算放大電路的靜態(tài)值IBq,Ico,Uce;(2)如果三極靜態(tài)時，C1和C2上的電壓各為多少?并標2.11在習題2.10中，如改變Rg,使Uce=3V,試用直流通路求Rg的大??；如改變Rg,使Ic=1.5mA,Rg又等于多少?并分別用圖解法求出靜態(tài)工作點。2.12在題2.10圖(a)中，若Ucc=10V,今要求Uce=5V,Ic=2mA,試求Rc和2.14在習題2.10圖(a)所示的固定偏置放大電路中，Ucc=12V,三極管的β=20,Ic=1mA?，F(xiàn)在要求Au≥100,試計算Rc,Rg及UcE。2.15已知某放大電路的輸出電阻為3.3kΩ,輸出端的開路電壓的有效值為2V,試問該放大電路接有負載電阻RL=5.1kΩ時，輸出電壓將下降到多少?2.16有一放大電路如題2.16圖(a)所示，其三極管的輸出特性以及放大電路的交、直流負載線如題2.16圖(b)所示。試問：(1)Rg,Rc,RL各為多少?(2)不產(chǎn)生失真的最大輸入電壓為多少?(3)若不斷加大輸入電壓幅值，該電路首先出現(xiàn)何種性質(zhì)的失真?調(diào)節(jié)電路中哪個電阻能消除失真?將阻值調(diào)大還是調(diào)小?(4)將RL電阻調(diào)大，對交、直流負載線會產(chǎn)生什么影響?(5)若電路中其他參數(shù)不變，只將三2.17在題2.17圖所示的射極輸出器RE=1kΩ,三極管的β=50,roe=1kΩ。試求Ar;和ro。FET的Up=-1V,Ipss=0.5mA,請確定靜態(tài)工作點。2.19功率放大電路與電壓放大電路有何異同?功率放大電路有何特殊要求?2.20何為交越失真?怎樣消除交越失真?2.21功率放大電路如題2.21圖所示。(1)說明電路的工作原理。(2)說明電路中R4和C3的作用。(3)若考慮UcEs=0.5V,在輸出基本不失真的情況下，估算電路的最大輸出功率。一、三極管放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析(1)直流通路：(2)靜態(tài)估算：其它：根據(jù)KVL定理列基極回路方程，求解得到Igo(1)畫出微變等效電路：交流通路一微變等效電路(2)動態(tài)計算例題：電路如圖所示，三極管UBE=0.7V,β=80。(1)求靜態(tài)工作點；(2)畫出微變等效電路；(3)求電路的Au、Ri和Ro。二、阻容耦合多級放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析Au=Aul×Au2×……×Aun注意：后級的輸入電阻是前級的負載。(1)畫出微變等效電路；(2)求電壓放大倍數(shù)；(3)求輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。2、動態(tài)分析(1)畫出微變等效電路(2)動態(tài)分析(1)列出器件的特性方程；(2)列出回路方程；(1)畫出微變等效電路(2)求解動態(tài)參數(shù)(1)畫出等效電路；(2)求電壓放大倍數(shù)；(3)求放大器的輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。【作業(yè)】(1)畫出微變等效電路；(2)求電壓放大倍數(shù)；(3)求輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。負反饋與集成放大電路一、反饋的定義反饋：將放大電路的輸出量(電壓或電流)的一部分或全部，通過一定的方式送閉環(huán)放大器：引入反饋的放大電路稱為閉環(huán)放大器。開環(huán)放大器：沒有引入反饋的放大電路稱為開環(huán)放大器。輸入量Xj輸入量XjA&fFX=X;-XX。=A(X;-Xf)=A(X?-FX。)=AX;-AFX。反饋深度：(1+AF)是描述反饋強弱的物理量，它又被稱為反饋深度，它是反饋二、反饋的分類和判斷1、有無反饋的判斷反饋信號能使原來的凈輸入信號減小即為負反饋，反之則為正反饋。如果反饋信號增強了凈輸入信號的作用，這樣的反饋為正反饋；如果反饋信號削弱了外加輸入信號的作用，這樣的反饋為負反饋。判斷的方法是：瞬時極性法。先將反饋網(wǎng)絡與放大電路的輸入段斷開，然后設定輸入信號有一個正極性的變化，再看反饋回來的量是正極性的還是負極性的，若是負極性，則表示反饋量是削弱輸入信號，因此是負反饋。反之則為正反圖3-3直流反饋和交流反饋3、直流反饋和交流反饋如果反饋量是直流信號(只含有直流量)則稱為直流反饋；如果反饋量是交流信號(只含有交流量),則稱為交流反饋；如果反饋量既有交流信號又有直流信號，則稱為交直流反饋。反饋信號是取自輸出電壓，并與之成比例，則為電壓反饋；反饋信號取自輸出電流,并與之成比例，則為電流反饋。判斷方法：只要令負反饋放大電路的輸出電壓為零，若反饋信號隨之消失，則說明在電路中引入了電壓反饋；若反饋信號依然存在，則說明在電路中引入了電流反饋。另一種方法，將負載RL開路，從而使(if=0或uf=0)即由輸出信號引起的反饋信號消失，從而確定為電流反饋；否則，反饋信號仍存在則為電壓反饋。若反饋信號為電壓量uf,它與輸入電壓ui以串聯(lián)的形式進行比較求差而獲得的凈輸入電壓ube=ui-uf,為串連負反饋。若反饋信號為電流量is,它與輸入電流io(i?=ii-if)以并聯(lián)的形式進行比較求差而獲得的凈輸入電流，為并聯(lián)負反饋。三、負反饋放大電路組態(tài)的判斷1、串聯(lián)電壓負反饋反饋類型：串聯(lián)電壓負反饋ü?=U?-U,3、并聯(lián)電壓負反饋反饋類型：并聯(lián)電壓負反饋。,mU,=A,1是輸入電流控制的電壓源，它穩(wěn)定輸出電壓。4、并聯(lián)電流負反饋反饋類型：并聯(lián)電流負反饋。電流源。它能穩(wěn)定輸出電流。【補充作業(yè)】反饋有哪些類型?如何判斷?(1)負反饋使放大倍數(shù)下降(2)負反饋提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性例：某負反饋放大電路，其A=104,反饋系數(shù)F=0.01。如由于某些原因，使A變化了±10%,求Af的相對變化量為多少?解：由上式得輸入電阻的影響，只取決于反饋電路在輸入端的連接方式，即：取決于是串(1)串聯(lián)反饋使輸入電阻提高即：rif=(1+FA)ri(2)并聯(lián)反饋使輸入電阻下降即：rif=ri/(1+FA)3.負反饋對輸出電阻的影響輸出電阻的影響，只取決于反饋電路在輸出端的連接方式，即：取決于是電(1)電壓反饋使輸出電阻降低即：rof=ro/(1+FA)(2)電流反饋使輸出電阻提高即：rof=(1+FA)ro4.負反饋對放大電路非線性失真的影響負反饋可以使放大電路的非線性失真減小，它還可以抑制放大電路自身產(chǎn)生注：負反饋只能減小本級放大器自身產(chǎn)生的非線性失真和自身的噪聲，對輸入信號存在的非線性失真和噪聲，負反饋是不能改變的。頻帶的變化表達式為：fow=fkr-frr≈(1+FAm)fp即：引入負反饋后，上限頻率提高(1+FAm)倍，下限頻率下降(1+FAm)倍；頻帶展寬(1+FAm)倍。深度負反饋放大電路的計算時，于是例：計算圖3-8中各放大電路的電壓放大倍數(shù)。解：圖3-8(a)電路是電壓串連負反饋。反饋電壓為圖3-8(b)電路是電壓并聯(lián)負反饋。反饋電流為：圖3-8圖3-8(c)電路是電流并聯(lián)負反饋。反饋電流為：圖3-8(d)電路是電流串聯(lián)負反饋，反饋電壓為：集成運算放大器集成運算放大器(簡稱運放)是一種高電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。一、集成運放的組成(1)所有各元件是在同一塊硅片上用相同的工藝過程制造的，因而具有相同的同向偏差、溫度特性等參數(shù)，特別適用于制造對稱性較高的差分放大電路。(2)由于電阻元件是由硅半導體的體電阻構成的，阻值范圍有一定的局限性，一般在幾十歐到幾十千歐之間，過高或過低的電阻制造很困難。(3)由于集成工藝不適于制作大容量的電容，更難于制造電感器件，所以電路(4)為了提高集成度和集成電路性能，一般集成電路的功耗要小，這樣集成運(5)在集成電路中，制造有源器件比制造大電阻占用的面積小，工藝上也不麻煩。所以在集成放大電路中，常用三極管代替電阻，尤其是大電阻。恒流源偏置電路輸出級輸入級路，輸入級的好壞對提高集成運放的整體質(zhì)量至關重要，如輸入電阻、共模抑制比、輸入電壓范圍以及電壓放大倍數(shù)等許多性能指標的優(yōu)劣，輸入級都起決定性要求其輸入電阻高，差模放大倍數(shù)大，抑制共模信號的能力強，靜態(tài)電流小。輸入級大都采用差分放大電路的形式。最常見的有三種：基本形式、長尾式和恒流(3)中間級：為了提高放大倍數(shù)，一般采用有源負載的共射放大電路。中間級的主要任務是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，不僅要求電壓放大倍數(shù)足夠大，而且還要求輸入電阻較高。中間級是整個放大電路的主要放大電路。其作用是使集成運放具有較強的放大能力，多采用共射(或共源)放大電路。而且為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復合管做放大管，以恒流源作集電極負載。其電壓放大倍數(shù)可(4)輸出級：為了提高電路驅(qū)動負載的能力，一般采用互補對稱輸出級電路集成顯然，在放大器的三種組態(tài)中，具有低輸出電阻的共集(或共漏)放大器最適合圍不夠大，還不能直接作為輸出級電路，因而必須加以改進。過流保護電路集成運放輸出級的輸出電流很大，當輸出端意外短路或負載電流太大時，容易損壞運放的內(nèi)部管子，所以必須有過流保護電路。二、集成運放的性能指標6.輸入失調(diào)電壓Uio及其溫漂dUio/dT7、輸入失調(diào)電流Io及其溫漂dljo/dT三、集成運放的應用基礎有兩個輸入端和一個輸出端。其中：標有+的為同相輸入端(輸出電壓的相位與該輸入電壓的相位相同)標有-的為反相輸入端(輸出電壓的相位與該輸入電壓的相位相反)2.理想集成運放輸入偏置電流：IB?=IB?=0無干擾無噪聲失調(diào)電壓Ulo、失調(diào)電流Io及它們的溫漂均為零。3.集成運放工作在線性區(qū)的特性當集成運放工作在線性放大區(qū)時的條件是：即：同相輸入端與反相輸入端的電位相等，但不是短路。我們把滿足這個條件稱為"虛短";理想運放的輸入電阻為～,因此集成運放輸入端不取電流。4.集成運放工作在非線性工作區(qū)當集成運放工作在非線性區(qū)時的條件是：集成運放在非線性工作區(qū)內(nèi)一般是開環(huán)運用或加正反饋。它的輸入輸出關系是：運算電路定義：將輸入信號按比例放大的電路，稱為比例運算電路。分類：反向比例電路、同相比例電路、差動比例電路。U_=U?=0,L_=I+=0U_=U?=0,L_=I+=0從上式我們可以看出：Uo與Ui是比例關系，改變比例系數(shù),即可改變Uc的數(shù)值。負號表示輸出電壓與輸入電壓極性相反。放的共模抑制比要求低輸出特性：因為：U_=U+=U;(虛短但不是虛地);I_=I?=0;改變Rf/R1即可改變Uo的值，輸入、輸出電壓的極性相同。高輸入信號分別加之反相輸入端和同相輸入端。實際完成的是：對輸入兩信號的差運算。2.和、差電路它的輸出電壓與輸入電壓的關系為：Y=-(a?X?+a?X?+a?X?)此電路的功能是對Ui1、Ui2進行反相求和，對Ui3、Ui4進行同相求和，然后進行的疊加即得和差結果。由于該電路用一只集成運放，它的電阻計算和電路調(diào)整均不方便，因此我們常用解：給定的運算關系中既有加法，又有減法，可以利用兩個集成運放達到以上要然后將A的輸出再與u通過反相求和，使·可選R;?=20kΩ,則可算得圖3-18若選Rr?=100kΩ,則還可算得Rp?=R?//R?//R=40kΩ//13.333kΩ//20kΩ≈6.667k2Rg=R://R?//Rr:=20kΩ//100kΩ//100kΩ≈14.286kΩ微分是積分的逆運算，它的輸出電壓與輸入電壓呈微分關4.對數(shù)和指數(shù)運算電路對數(shù)運算電路就是是輸出電壓與輸入電壓呈對數(shù)函數(shù)。我們把反相比例電路中Rf用二極管或三級管代替級組成了對數(shù)運算電路。指數(shù)運算電路是對數(shù)運算的逆運算，將指數(shù)運算電路的二輸入、輸出電壓的關系為：集成運放應用的一些實際問題失調(diào)電壓、失調(diào)電流的存在，使得實際運放當輸入信號為零時，輸出不為零。為此，有些運放在引腳中設有調(diào)零端子，接上調(diào)零電位器Rp可調(diào)零。電位器應選用精密的線繞電位器。調(diào)零同時用最低檔直流電壓表測輸出電壓，使輸出電壓為零即可。有些集成運放沒設調(diào)零端，例如有些雙運放、四運放就不設調(diào)零端。為此，使用時可采取輔助調(diào)零的辦法。(a)引到反相端(b)引到同相端(a)在電源端子上接電容(b)在反饋電阻兩端并聯(lián)電容(C)在輸入端并聯(lián)RC支路為了消除自激，有些集成運放在內(nèi)部已做了消振電路，有些集成運放則引出消振端子，外接消振RC網(wǎng)絡。在實際應用中，為了使電路穩(wěn)定，有些電路分別在運放的正、負電源端與地之間并接上幾十微法與0.01～0.1μF電容，有些在反饋電阻兩端并聯(lián)電容。有些在輸入端并聯(lián)一個RC支路。(1)輸入保護運放的差模或共模輸入信號電壓過高會引起其輸入級損壞，為此，可在集成運放輸入端并聯(lián)接入極性相反的兩只二極管，用來將輸入電壓限制在(2)輸出保護輸出端保護是為了防止輸出碰到過電壓時使輸出級擊穿。正常工作時，輸出電壓小于雙向穩(wěn)定管的穩(wěn)壓值，雙向穩(wěn)壓管相當于開路。當輸出端電壓大于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管將擊穿，使運放負反饋加深，將輸出電壓限制在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。(3)電源極性錯接保護電源極性錯接保護電路，它是利用二極管的單向?qū)щ娦詠矸乐闺娫礃O性接錯造成運放損壞的。由圖可知，當電源極性接反時，二極管截止，等于電源斷路，從而保護了集成運放。4.專用型集成運放集成運放按特性可分為通用型和專用型(或特殊型)兩大類。通用型運放的放大倍數(shù)一般較高，其他參數(shù)沒有特殊的要求，專用型運放則是指在某一方面的性能指標特別優(yōu)異的運放，它按特性參數(shù)又可分為高速型、高阻型、低漂移型、低功耗型、高壓型、大功率型、高精度型、跨導型及低噪聲型等。通用型運放應用范圍廣，產(chǎn)量大，價格便宜，是首選的對象，但在某些特殊要求場合，則必須選擇專用型運放。有源濾波電路和電壓比較器一、濾波電路的基礎知識1、濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號通過；而使規(guī)定范圍之外的信號不2、濾波電路的分類：(按工作頻率的不同)低通濾波器：允許低頻率的信號通過，將高頻信號衰減。高通濾波器：允許高頻信號通過，將低頻信號衰減。帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號通過，將此頻帶外的信號衰減。帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而允許此頻帶以外的信號衰3、無源濾波電路的缺陷電路增益??；驅(qū)動負載能力差等。二、有源濾波電路通帶截止角頻率對于低有源濾波電路，我們可以通過改變電阻Rf和R1的阻值來調(diào)節(jié)通帶電壓(通帶截止角頻率)電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個電壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生電路的構成是利用集成運放工作在非線性狀態(tài)所具有的特性，即集成運放在開環(huán)工作狀態(tài)或處于正反饋工作狀態(tài)。電壓比較器可分為單限比較器、滯回比較器、窗口比較器三大類。1、單限比較器我們把參考電壓和輸入信號分別接至集成運放的同相和反相輸入端，就組成了簡單的電壓比較器即單限比較器。單限比較器僅具有一個閾值電壓，我們將比較器的輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時對應的輸入電壓的值。它還被稱為門輸入電壓從低逐漸升高經(jīng)過UR時，uo將從高電平變?yōu)榈碗娖?。相反，當輸入例：電路?-33(a)所示，輸入電壓為正弦波如圖3-34所示，試畫出輸出波形解：輸出波形與UR有關，輸出波形如圖3-35所示電路特點：單限比較器結構簡單，靈敏多高，但是抗干能力差，因此我們就要對它進行改進。改進后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。滯回比較器具有滯回特性，有抗干擾能力強的特點，但靈敏度比單限比較器低。滯回比較器電路的特點是集成運放引入了正反饋，滯回比較器又稱施密特觸發(fā)當u,=-Ug時，閾值電壓可直接驅(qū)動TTL等數(shù)字集成電路器件；它的響應速度比同等價格集成運放構成比較器快；為提高速度，集成電壓比較器內(nèi)部電路的輸入級工作電流較大。本章小結1.反饋的基本概念，引入負反饋后對放大電路的性能改善，深負反饋放大電路分析及計算方法。2.所謂放大電路中的反饋，通常是指將放大電路的輸出量，輸出電壓或輸出電流全部或輸出量的一部分，通過一定方式，反送到放大電路的輸入回路中去。3.根據(jù)反饋極性的不同，可以分為正反饋和負反饋。根據(jù)反饋信號本身的交，直流性質(zhì)不同，可分為直流反饋和交流反饋。根據(jù)反饋信號在放大電路輸出端采樣方式的不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。根據(jù)反饋信號與輸入信號在輸入回路中求和形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。4.對于負反饋而言，根據(jù)反饋信號在輸出端采樣方式以及在輸入回路中求和形式的不同共有四種組態(tài)"它們分別是，電壓串聯(lián)負反饋，電壓并聯(lián)負反饋，電流串聯(lián)負反饋和電流并聯(lián)負反饋。直流負反饋的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，不影響放大電路的動態(tài)性能。交流負反饋的作用是改善放大電路的各項動態(tài)技術指標。6.電壓負反饋使輸出電壓保持穩(wěn)定，因而降低了放大電路的輸出電阻。電流負反饋使輸出電流保持穩(wěn)定，因而提高了輸出電阻。串聯(lián)負反饋提高了電路的輸入電阻。并聯(lián)負反饋則降低了輸入電阻。7.無論何種極性和組態(tài)的反饋放大電路，其閉環(huán)放大倍數(shù)均可以寫成一般表達式8.對深負反饋放大電路的分析計算方法可利用近似公式估計反饋環(huán)路的放大倍數(shù)。9.負反饋放大電路在一定條件下可能轉化成正反饋，甚至產(chǎn)生自激振蕩。自激振12.反相、同相和差動放大電路及其性能特點；和、差電路的類型和運算；反相積分電路及其輸出電壓的計算；13.一階RC低通、高通有源濾波電路的組成特點以及傳輸函數(shù)、幅頻特性和截止頻率的計算，帶通、帶阻濾波器的實現(xiàn)方法。14.簡單電壓比較器及其傳輸特性的畫法。在已知輸入波形下，如何畫出比較器是否有存在。3.5理想集成運放的AOd=(),rid=(),rod=(),CMRR=3.6電壓比較器與放大電路、線性運算電路的主要區(qū)別是():電路中的集成運放工作在(),此時電路處于()或()。因此電壓比較3.7當電壓比較器中運放反相輸入端的電位高于同相輸入端的電位，則輸出為()。當運放同相輸入端的電位高于反相輸入端的電位，則輸出為3.8無論是單門限電壓比較器還是滯回電壓比較器，均可采用同相輸入和反相輸入兩種接法。若希望vi足夠高時輸出為低電平，則應采用()輸入。若希3.9單門限電壓比較器與滯回電壓比較器的性能有所不同，()靈敏度高， ()抗干擾能力強；有兩個閾值，()有一個閾值。(A.單門限電3.10什么是反饋?什么是正反饋，什么是負反饋?用什么方法來判斷正反饋和負反饋?3.11什么是電壓反饋?電流反饋?這兩種反饋如何判斷?3.12什么是串聯(lián)反饋?并聯(lián)反饋?這兩種反饋如何判斷?3.13負反饋電路有哪些組合?請一一列舉。3.14負反饋為什么能夠改變放大器的性能指標?減小放大信號非線性失真的措施有什么?3.15構成反饋通路的元件有哪些?若要使得放大器帶負載能力強，并要求向信號3.16某負反饋放大電路，輸出端接地時，電路中的反饋量仍存在，則表明該反饋是什么反饋?3.17放大電路產(chǎn)生零漂的主要原因是什么?3.18零點漂移產(chǎn)生的原因是?3.19工作在線性區(qū)的理想運放器，兩個輸入端的輸入電流均為零，稱為什么?3.20兩個輸入端的電位相等稱為什么?(若反相輸入情況下同相端接地，反相端又稱為什么?3.21畫出由集成運算放大器組成的加法和減法電路，并且分析它的運算關系。采用同相輸入形式?3.23電壓比較器簡稱比較器，它的功能是什么?都有哪些功能?集成電壓比較器有哪些應用?3.24在圖3-1中各電路中判斷是否存在反饋?并說明理由。3.25在圖3-2中各電路中判斷電路存在何種負反饋?并簡要說明各電路的特點。圖3-23.26如圖3-3所示電壓串聯(lián)負反饋電路中，假設集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)的相對變化量。圖3-33.27試用集成運放實現(xiàn)求和運算：U。=-(U?+10U?+Ug),要求對應的各輸入信號來說，電路的輸入電阻不小于5KΩ。請選擇電路的結構形式并確定電路參,并要求各路輸入電阻至少為100KΩ。請選擇電路結構形式并確定電路參數(shù)。3.29解析如圖3-4所示的集成運放電路輸入、輸出信號的關系；輸入電壓為正弦波時，畫出輸出電壓的波形圖。圖3-4圖3-5特性曲線和輸出電壓波形。圖3-6圖3-73.33在圖3-8中，已知Rf=2R1,ui=-2V。試求輸出電壓uo。圖3-83.34如圖3-9是利用兩個運算放大器組成的較高輸入電阻的差動放大電路。試求輸出uo與輸入uil,ui2的運算關系式。圖3-9第4章正弦波振蕩器振蕩電路是一種能量轉換裝置，它無需外加信號，就能自動地將直流電能轉換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號。振蕩器按輸出信號波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩4.1自激振蕩如果在輸入端不外接信號，只是將輸出信號的一部分正反饋到輸入端以代替輸入信號，輸出端仍有一定頻率和幅度的信號輸出，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩。二、振蕩條件1.自激振蕩的條件AF=AF∠(Q^+9r)由此可得到自激振蕩的兩個條件：幅值平衡條件AF=12.起振過程在振蕩電路接通電源的瞬間，電路中的電流突變，以及電路內(nèi)不可避免的噪聲和干擾，都成為了振蕩電路的原始信號。這些原始信號都很微弱，但只要起振時AF>1,這些微弱的信號通過放大→正反饋→放大→再反饋……如此反復循環(huán)，就可以由小到大，迅速的振蕩起來。由于三極管是非線性元件，當信號幅度增加到一定程度，必將使三極管工作到非線性區(qū)，放大電路的放大倍數(shù)降低，輸出信號幅度的增加越來越少，最后達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，振蕩器的輸出就維持在某一幅值穩(wěn)定的振蕩，這時AF=1。由此可見，起振過程是從AF>1到AF=1的過程。3.正弦波振蕩電路的組成振蕩電路一般應該包括以下幾個部分：(1)電壓放大電路：由三極管或集成運算放大器組成，具有足夠大的電壓放大倍數(shù)，以能夠獲得較大的輸出電壓。(2)反饋回路：必須引入正反饋，把輸出信號反饋到輸入端，作為放大器的輸入信號。(3)選頻回路：用于確定振蕩頻率，使電路中只有這種頻率的信號才能滿足自激振蕩的條件而產(chǎn)生振蕩。判斷振蕩的一般方法：(1)是否滿足相位平衡條件。(2)放大電路的結構是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作點是否合適。(3)是否滿足幅度平衡條件，檢驗|A戶丨：,能起振，但輸出波形明顯失真。RC正弦波振蕩器左圖為RC橋式振蕩電路的原理圖，這個電路由兩個部分組成，即放大網(wǎng)絡Au和選頻反饋放大電路，具有輸入阻抗高和輸出阻抗低和R1、R2正好形成一個四臂電橋，電橋的對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端，橋式振蕩電路的名稱即由此得來。2.RC選頻網(wǎng)絡的選頻特性可得到近似的低頻等效電路，如圖4-3(b)所示。它是一個超前網(wǎng)絡，輸出電壓Uo的相位超前輸入電壓Ui。圖4-3(c)所示。它是一個滯后網(wǎng)絡，輸出電壓Uo的相位落后輸入電壓Ui。由此可得，在低頻和高頻之間存在一個頻率fo,其相位關系既不是超前也不是滯后，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui相位一致。這就是RC下面再根據(jù)電路推倒出它的頻率特性。串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性。由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的幅頻響應及相頻響應當時，幅頻響應的值最大，即而相頻響應的相位角為零，即9r=0。這就是說，當或時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的1/3,同時輸出電壓與輸入電壓同相位。如下圖所示。高高3.振蕩的建立、穩(wěn)定與穩(wěn)幅措施360°)。所以，放大電路可選用同相輸入方式的集成運算放大器或兩級共射分立元件放大電路等。為了使電路能振蕩，還應滿足起振條件，即要求|AF|>1而以圖4-2為例所示電路的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的傳輸系數(shù)，即放大器的放大倍數(shù)當0=0%時，,因而按起振條件，要求即R>2R如圖4-2所示電路起振后，振蕩器的振幅會不斷增加，由于受運放最大輸出電壓|AF|適當減小(反之則應增大),就可以維持U。值基本不變。通常利用二極管和穩(wěn)壓管的非線性特征以及熱敏電阻等元件的非線性特征，來自動地穩(wěn)定振蕩器輸出的幅度。RC振蕩電路的振蕩頻率取決RC乘積，當要求振蕩頻率較高時，RC值必然很小。由于RC網(wǎng)絡是放大電路的負載之一，所以RC值的減小加重也限制了振蕩頻率的提高，因此，RC振蕩器通常只作為低頻振蕩器用，工作頻率一般在1MHZ以下。共同特點是用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡，而且通常采用LC并聯(lián)回路。常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式。一、LC選頻放大電路簡單的LC并聯(lián)回路只包含一個電感和一個電容，如圖所示。R表示回路的等效損耗電阻，其數(shù)值一般很小，