計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)-模擬電子部分

計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)

模擬電子部分

第二部分模擬電子電路基礎(chǔ)

■第3章半導(dǎo)體器件

□3.1PN結(jié)

□3.2二極管

□3.3三極管

■第4章放大電路基礎(chǔ)

□4.1基本放大電路的工作原理

□4.2放大電路的分析

□4.3放大電路的基本組態(tài)

□4.4多級(jí)放大電路

□4.5差分放大電路

□4.6集成電路放大器概述

□4.7放大電路的負(fù)反饋

■第5章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

□5.1集成運(yùn)放的理想化條件

□5.2運(yùn)算電路

□5.3電壓、電流變換電路

□5.4電壓比較器

□5.5正弦波振蕩電路

2

第3章半導(dǎo)體器件

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

■了解半導(dǎo)體的基本知識(shí)，PN結(jié)形成；

■掌握PN結(jié)導(dǎo)電特性；

■掌握二極管、三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和

主要參數(shù)，以及它們的基本用途。

RETURN

3

3.1PN結(jié)

3.1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1.半導(dǎo)體

?自然界的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力可分為三種：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體

?導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)，稱為半導(dǎo)體

?半導(dǎo)體主要有硅（Si）、錯(cuò)（Ge）、硫化錢（GaAs）等

?半導(dǎo)體的原子模型可以簡(jiǎn)化為帶4個(gè)正電荷的慣性核和4個(gè)外層電子的形式

2.本征半導(dǎo)體

?純凈不含雜質(zhì)、且原子呈規(guī)則晶體狀排列

的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體

圖3-1-2本征半導(dǎo)體

的結(jié)構(gòu)示意圖

3.本征半導(dǎo)體的激發(fā)和復(fù)合

激發(fā)：一塊本征半導(dǎo)體，當(dāng)溫度升高或有光照時(shí)，某些共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中的電子就

會(huì)掙脫束縛，離開原來(lái)的原子而成為自由電子，而原來(lái)的共價(jià)鍵位置就會(huì)有一

個(gè)空位，稱為空穴，這就是本征半導(dǎo)體的激發(fā)。

電子?空穴對(duì)：失去電子的原子就顯示正電特性，看上去就象空穴帶正電荷。

本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，我們稱之為電子?空穴對(duì)。

復(fù)合：當(dāng)共價(jià)鍵中留下空穴時(shí)，相鄰的共價(jià)鍵中的價(jià)電子就很容易跳過(guò)去補(bǔ)這

個(gè)空位，這個(gè)過(guò)程就是復(fù)合。

圖3-1-2本征半導(dǎo)體5

的結(jié)構(gòu)示意圖

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體：如果在半導(dǎo)體中摻入少量的雜質(zhì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會(huì)增強(qiáng)，這種

半導(dǎo)體就叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼，就形成了P型半導(dǎo)體。

在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)目遠(yuǎn)多于自由電子，是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，自由電子

是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。

N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素，如磷、錦、碑等，可使本征半導(dǎo)體中

的自由電子濃度大大增加，形成N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是自由電子，少數(shù)載流子是空穴。

雜質(zhì)原子提供

的多余的空穴

6

3.1.2PN結(jié)的形成

P區(qū)N區(qū)

耗盡層

P區(qū)空間電荷區(qū)N區(qū)

內(nèi)建電場(chǎng)

7

3.1.3PN結(jié)的導(dǎo)電特性

空間電荷區(qū)在PN結(jié)上加正向電壓，即P區(qū)接電源正極，N

一區(qū)接電源負(fù)極，這時(shí)電源產(chǎn)生的外電場(chǎng)與PN

一

PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，使阻擋

一

層變薄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于

外電場(chǎng)士二內(nèi)電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)，形成較大的擴(kuò)散電流，即正向電

0流。此時(shí)PN結(jié)的正向電阻很小，稱為PN結(jié)正

向?qū)?，也叫正向偏置?/p>

空間電荷區(qū)變寬在PN結(jié)加反向電壓，即N區(qū)接電源正極，P區(qū)

一一一

一一一???接電源負(fù)極，這時(shí)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致,

PN

一一一①①①增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，使阻擋層變厚。這就削弱了

①①①多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了少子的漂移運(yùn)動(dòng)，

從而形成微小的漂移電流，即反向電流。這

時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很大，這就是PN結(jié)的反

向截止?fàn)顟B(tài)，也稱反向偏置。

結(jié)具有單向?qū)щ娦訰ETURN

PN8

3.2二極管

3.2.1二極管的結(jié)構(gòu)和類型

?半導(dǎo)體二極管是由一個(gè)PN結(jié)加上引出線和管殼構(gòu)成的。PN結(jié)P型半導(dǎo)體

一側(cè)的引出線稱為陽(yáng)極或正極，N型半導(dǎo)體一側(cè)的引出線稱為陰極或負(fù)極。

?二極管按材料分有硅二極管和錯(cuò)二極管；按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型和面接觸型

兩種。

-點(diǎn)接觸型二極管的特點(diǎn)是PN結(jié)的面積非常小，結(jié)電容也小，因此通過(guò)的電

流也小，適用于高頻檢波或脈沖電路，也可用作小電流整流。

-面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是PN結(jié)的結(jié)面積較大，結(jié)電容也大，因

而能通過(guò)較大的電流，適用于低頻整流或用作數(shù)字電路的開關(guān)。

9

3.2.2二極管的伏安特性

1.正向特性

給二極管加正向電壓，當(dāng)外加電壓比較小時(shí)，正向電流很小，幾乎等于0,

這個(gè)正向電壓稱為死區(qū)電壓。一般硅管的死區(qū)電壓為0.5V,錯(cuò)管約為0.2V。

當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓以后，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。在正常使用條件下，

二極管的正向電流在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，而二極管兩端電壓的變化卻不大。

小功率硅管的導(dǎo)通壓降約為0.6?0.7V,錯(cuò)管約為0.2?0.3V。

2.反向特性

當(dāng)二極管兩端加反向電壓時(shí)，反向電流很小，近乎于截止?fàn)顟B(tài)，且反向

電流基本上不隨外加電壓而變化，這個(gè)電流也稱為二極管的反向飽和電流。

對(duì)二極管來(lái)說(shuō)，反向電流越小，表明二極管的反向特性越好，反向電流

越大，表明二極管的反向特性越差。

3.反向擊穿特性

當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。

如果去掉反向電壓，二極管仍能恢復(fù)工作，這就屬于電擊穿。

如果去掉反向電壓，二極管不能恢復(fù)工作，說(shuō)明發(fā)生了熱擊穿，二極管已損壞。

熱擊穿是應(yīng)該避免的。

10

i/mA

UBR

0.7u/V

11

3.2.3二極管的主要參數(shù)

1.最大整流電流及

小是指長(zhǎng)期工作時(shí)，二極管能允許通過(guò)的最大正向平均電流值。在選用二極管

時(shí)，工作電流不能超過(guò)它的最大整流電流。

2.最高反向工作電壓URM

URM是指二極管工作時(shí)所能承受的最大反向電壓峰值,也就是通常所說(shuō)的耐壓

值。為了防止二極管因反向擊穿而損壞，通常標(biāo)定的最高反向工作電壓為反

向擊穿電壓的一半。

3.反向電流IR

IR是指二極管承受最高反向工作電壓時(shí)的反向電流值。此值越小，二極管的單

向?qū)щ娦栽胶?。由于溫度增加，反向電流?huì)急劇增加，所以在使用二極管時(shí)

要注意溫度的影響。

12

3.2.3二極管的應(yīng)用

1.理想二極管的等效電路

把二極管理想為一個(gè)開關(guān)，即假設(shè)二極管正向?qū)〞r(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合,

UD=0；反向截止口寸，相當(dāng)于開關(guān)斷開，IR=O。

2.整流電路

整流就是把大小、方向都隨時(shí)間變化的交流電變換成直流電。

能夠完成這一任務(wù)的電路稱為整流電路。

由于二極管具有單向?qū)щ娦裕虼死盟梢赃M(jìn)行交流電到直流電的轉(zhuǎn)換。

有半個(gè)周期的正弦波，故稱半波整流。13

a）橋式整流電路

由于半波整流電路電源利用率太低,一般采用全波整流電路。圖為常用的

橋式全波整流電路。

14

2.限幅電路

限幅器又稱削波器，主要是限制輸出電壓的幅度。即輸入信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)

變化時(shí),輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化；而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時(shí),輸出電壓保

持不變，這就是限幅電路。如圖a）所示即為限幅電路。

a）限幅電路

當(dāng)UjVE時(shí)，二極管截止，u0=ui；而當(dāng)Uj>E時(shí)，二極管導(dǎo)通,iio=E。波

形如圖b）所示。

15

3.鉗位電路

鉗位電路是使輸出電位鉗制在某一數(shù)值上保持不變的電路。

13-2-1］圖例3-2-1所示電路中，假設(shè)二極管是理想元件，下面幾種?^c(+i2V)

情況下，輸出端Y點(diǎn)的電位各是多少？A

R3ko

(1)UA=UB=0V,UY=?3VDiT品

(2)UA=UB=3V,UY=?_T"°"°；

(3)UA=0V,UB=3V,UY=?OVBC

(4)UA=3V,UB=OV,UY=?

圖3-2-1鉗位電路(與門)

1)當(dāng)UA=UB=OV時(shí)，假設(shè)D2斷開，Y點(diǎn)電位就是電源Vcc的電位，所以D1、

口2陽(yáng)極電位均為12V,高于陰極電位，D2導(dǎo)通，則UY=OV。

2)UA=UB=3V時(shí)-，假設(shè)Di、D2斷開，Y點(diǎn)電位就是電源Vcc的電位，所以D1、D2

陽(yáng)極電位均為12V,高于陰極電位，Di、口2導(dǎo)通，則UY=3V。

3)當(dāng)UA=OV,UB=3V時(shí)，假設(shè)Di、D2斷開，Y點(diǎn)電位就是電源V”的電位，所以

Di、D2陽(yáng)極電位均為12V,A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，Di優(yōu)先導(dǎo)通，D1導(dǎo)通可看

成短路，此時(shí)Y點(diǎn)電位為OV,D2兩端陰極電位高，截止，則UY=OV。

4)當(dāng)UA=3V,UB=OV時(shí)，情況與(3)完全一樣，不同的是，D2優(yōu)先導(dǎo)通，截

止，則Uy=OV。16

3.2.5其它二極管簡(jiǎn)介

1.穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管，它是一種用特殊工藝制造的面接

觸型半導(dǎo)體二極管。

二極管在反向擊穿狀態(tài)下，管子兩端電壓變化很小，具有恒壓性能，利用二

極管的這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用，制成穩(wěn)壓管。

圖3-2-6穩(wěn)壓二極管圖3-2-7穩(wěn)壓二極管應(yīng)用電路

17

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)有：

(1)穩(wěn)定電壓Uz

Uz是指擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。由于制作工藝的原因,

即使同型號(hào)的穩(wěn)壓二極管，Uz的分散性也較大，使用時(shí)可通過(guò)測(cè)量確定其準(zhǔn)

確值。

(2)額定功耗Pz

Pz是由管子允許升溫限定的最大功率損耗。Pz與PN結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工

藝有關(guān)，使用時(shí)不允許超過(guò)此值。

(3)穩(wěn)壓電流Iz

。是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)的參考電流。工作電流小于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果差，

大于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果好。通常把手冊(cè)上給定的穩(wěn)定電流值看成是穩(wěn)壓管工

作時(shí)的電流下限值。

18

2.變?nèi)荻O管

對(duì)于PN結(jié)來(lái)講，當(dāng)外加反向電壓增大時(shí)，耗盡層加寬，相當(dāng)于平板電容兩極板之

間距離加大，電容減??；反之，當(dāng)外加反向電壓減小時(shí)，耗盡層變窄，等效平板

電容兩極板之間距離變小，電容增加。利用這一特性制作的二極管，稱為變?nèi)荻?/p>

極管。

主要參數(shù)有：

變?nèi)葜笖?shù)、結(jié)

豐立電容的壓控范

圍及允許的最

大反向電壓等。

1,

a）符號(hào)

圖3-2-8變?nèi)荻O管

19

3.光電二極管

半導(dǎo)體不僅具有熱敏性，而且具有光敏性。半導(dǎo)體光電器件就是利用半導(dǎo)體的光

敏特性制成了各種半導(dǎo)體光敏器件。

9前Q

級(jí)

V

后

!級(jí)

O

圖3-2-9光電二極管符號(hào)圖3-2-10發(fā)光二極管符號(hào)

4.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。它由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，其

電路符號(hào)如圖所示。當(dāng)發(fā)光二極管正偏時(shí)，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子被復(fù)合

時(shí)，會(huì)發(fā)出可見光和不可見光。,--------.

RETURN

20

3.3三極管

3.3.1三極管的結(jié)構(gòu)和類型

三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)靠得很近且背對(duì)背排列的PN結(jié)。根據(jù)排列方式

不同，晶體三極管可分為NPN型和PNP型兩種類型。

a)NPN型結(jié)構(gòu)及符號(hào)b)PNP型結(jié)構(gòu)及符號(hào)

三極管包含三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)

三個(gè)區(qū)相應(yīng)地引出三個(gè)電極：發(fā)射極(e)、基極(b)和集電極(c)

發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)

集電區(qū)與基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)21

作為一個(gè)具有放大能力的元件，三極管在結(jié)構(gòu)上必須具有下面的特點(diǎn):

(1)基區(qū)很薄，一般只有幾微米到幾十微米厚，且摻雜濃度低。

(2)發(fā)射區(qū)摻雜濃度比基區(qū)和集電區(qū)高得多。

(3)集電結(jié)的面積比發(fā)射結(jié)大。三極管在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了三極管電流放

大作用的內(nèi)部條件。

3.3.2三極管的基本工作原理

為了實(shí)現(xiàn)三極管的電流放大作用，除了制造時(shí)應(yīng)具備的內(nèi)部條件外，還必須具

備一定的外部條件，這就是要給三極管的發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓、集電結(jié)加反

向偏置電壓。

22

對(duì)NPN管來(lái)說(shuō)，可接成如圖所示的電路。F面分析載流子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及各

極電流的形成。

1.發(fā)射區(qū)發(fā)射自由電子，形成發(fā)

射極電流IE

當(dāng)發(fā)射結(jié)加正向電壓，在外電場(chǎng)作

用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電

子越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到基區(qū)（發(fā)射區(qū)

的自由電子由直流電源補(bǔ)充），基

區(qū)的多子空穴越過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散到發(fā)

射區(qū)，從而形成發(fā)射極電流IE，IE

的方向與電子流的方向相反。

a）載流子傳輸情況

23

2.基區(qū)復(fù)合電子形成IB

發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的大量自由電子只有很少

一部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流及，

復(fù)合掉的空穴由基極直流電源補(bǔ)充。

3.集電區(qū)收集自由電子，形成集電極電流及

由于集電結(jié)加反向電壓，在基區(qū)沒有被復(fù)合

掉的大量帶負(fù)電荷的自由電子，在外電場(chǎng)的

作用下被吸引到集電區(qū)，形成集電極電流及。

另外，基區(qū)的少數(shù)載流子自由電子和集電區(qū)

）載流子傳輸情況

的少數(shù)載流子空穴在集電結(jié)反向電壓作用下a

會(huì)進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，成為集電極電流的一部分,

這部分電流稱為反向飽和電流【CBO，它們受

溫度影響很大。由于％BO較小，一般分析都

可忽略。

24

根據(jù)KCL定律，三個(gè)電流之間的關(guān)系為IE=IC+IB

實(shí)驗(yàn)證明：改變UBE時(shí)，及與3幾乎是按一定的比例進(jìn)行變化，其比值用6表示，

稱為三極管電流放大系數(shù)。0是一個(gè)遠(yuǎn)大于1的數(shù)。

當(dāng)IB有很小的變化時(shí)，變會(huì)

導(dǎo)致Ic有較大的變化，這就

是所謂三極管的電流放大作

〃=BIB

用。這種放大作用的實(shí)質(zhì)是

IE=IC+IB=（1+0）1B一種電流的控制作用，即用

基極電流的微小變化來(lái)控制

使集電極電流作較大變化。P

越大，%對(duì)％的控制作用越強(qiáng)。

25

3.3.3三極管的伏安特性

三極管的伏安特性是指三極管各極間電流與電壓的關(guān)系。

將三極管的發(fā)射極作為公共端，基極與發(fā)射極作為輸入端、集電極和發(fā)射極作

為輸出端形成共射電路，三極管的共射伏安特性可以由圖中的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)

1.輸入特性

當(dāng)UCE不變時(shí)，輸入回路中的電流】B與

電壓UBE之間的關(guān)系曲線稱為輸入特

性，即晨二常數(shù)

a）輸入特性26

2.輸出特性

當(dāng)IB不變時(shí),輸出回路中的電流IC與電壓UCE之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性,

即1C=(°CE)3常數(shù)

調(diào)節(jié)Rw使1B=40NA,維持這一值不變，逐漸

調(diào)大Ucc，可測(cè)得圖334b)中1=40氏\所示

的曲線。當(dāng)取不同的IB值時(shí)，可得到圖中所

示的曲線族。

(1)截止區(qū)

一般將IBWO的區(qū)域稱為截止區(qū)。b)輸出特性截止區(qū)

⑵放大區(qū)

在曲線上是比較平坦的部分，此時(shí)發(fā)射結(jié)(3)飽和區(qū)

正向偏置，集電結(jié)反向偏置。對(duì)于NPN在輸出特性曲線上，飽和區(qū)確切范

圍不易明顯地劃出，較小的區(qū)

三極管，工作在放大區(qū)時(shí),UBEK).7V,而UCE

域,UCE<UBEo

UBC<°。

27

3.3.4三極管主要參數(shù)

1.電流放大倍數(shù)

電流放大倍數(shù)是表示三極管的電流放大能力的參數(shù)。常用三極管的0值一般在

20?200之間。

2.穿透電流ICEO

基極開路時(shí),集電極與發(fā)射極之間加反向電壓時(shí)的集電極電流稱作穿透電流。性

能良好的管子ICEO比較小。NEO受周圍溫度影響較大。

3.集電極最大允許電流1CM

把0值下降到規(guī)定允許值（額定值的2/3）時(shí)的集電極電流值叫集電極最大允許電

流。

4.集電極最大允許功耗PCM

集電結(jié)最大允許承受的功率叫集電極最大允許功耗。使用時(shí)應(yīng)保證：UCEIC<

PCM。

最大允許耗散功率與環(huán)境溫度和散熱條件有關(guān)，手冊(cè)上一般給出環(huán)境溫度為20℃

時(shí)的PCM值。

5.集射極反向擊穿電壓U（BR）CEO

基極開路時(shí),允許加在集電極與發(fā)射極之間的最高反向電壓。三極管使用時(shí)，若

UCE>UCEO（BR）,將導(dǎo)致三極管擊穿損壞。HMM

RETURN

28

第四章放大電路基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

■了解小信號(hào)放大器的組成及工作原理；

■熟練掌握基本放大電路靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的分析與計(jì)算方法;

■掌握放大電路的三種基本組態(tài)及特點(diǎn)；

■了解多級(jí)放大器組成的方式；

■了解集成運(yùn)算放大器的組成原理；

■了解差動(dòng)放大電路的組成、工作原理；

■掌握負(fù)反饋放大電路的組態(tài)判別方法；

■了解負(fù)反饋對(duì)電路性能的影響。

RETURN

29

4.1基本放大電路的工作原理

4.1.1放大電路的基本概念

放大電路的功能是將微弱的電信號(hào)（電壓、電流或功率信號(hào)）進(jìn)行放大，達(dá)到驅(qū)

動(dòng)電子設(shè)備的終端執(zhí)行元件（如繼電器、儀表、喇叭等）的目的。

直流電源

vccA信號(hào)源可以將不同特性的信號(hào)源轉(zhuǎn)換成等效

電壓源或電流源，向放大器提供輸入信號(hào)；

放大器A放大器由晶體管、集成電路或場(chǎng)效應(yīng)管等器

件組成，提供足夠的放大能力，盡可能減少信

I__777I______!

-號(hào)失真；

信號(hào)源-7T負(fù)載

A直流電源向放大器提供能量；

A信號(hào)經(jīng)放大后，較強(qiáng)的信號(hào)輸出到終端執(zhí)行

元件，也就是負(fù)載。

30

以擴(kuò)音機(jī)為例,話筒把聲音轉(zhuǎn)換成頻率和幅度都隨聲音而變化的弱小的電

壓或電流信號(hào),通過(guò)擴(kuò)音機(jī)（相當(dāng)于放大器），把弱小的電信號(hào)放大來(lái)驅(qū)

動(dòng)喇叭發(fā)聲。

CH擴(kuò)音機(jī)

信號(hào)源

負(fù)載

放大電路的實(shí)質(zhì)就是用較小的信號(hào)去控制較大的信號(hào)，即在輸入信號(hào)控

制下把直流電源的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)能量。

31

4.1.2基本放大電路的組成和工作原理

1.電路的組成

第一，要有直流通路，即保證晶體管的發(fā)射結(jié)

處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，使晶體

管工作在放大區(qū)，以實(shí)現(xiàn)電流放大作用。

第二，要有交流通路，保證輸入信號(hào)能夠加到

發(fā)射結(jié)上，以控制三極管的電流，且放大了的

信號(hào)能從電路中取出，即傳送給負(fù)載。

圖4T-3共發(fā)射極基本放大電路

2.元件的作用

品體管T：由于它具有電流放大能力,起著控制能量轉(zhuǎn)換的作用。

直流電源Ucc：保證為晶體管提供合適的偏置電壓，使晶體管工作在放大區(qū)，同時(shí)也為

信號(hào)的放大提供所需的能量。

偏置電阻Rb：它的作用是使晶體管有一個(gè)合適的基極直流電流。

集電極電阻飛：保證晶體管有合適的直流工作狀態(tài)，并能使晶體管的電流放大轉(zhuǎn)換成

負(fù)載上的電壓放大。

電容CpCz：稱為隔直電容或耦合電容，其作用是隔直流通交流，即在保證信號(hào)正常流

通的情況下，使直流電源與交流電源相互隔離互不影響。

按這種方式連接的放大器，通常稱為阻容耦合放大器。32

3.工作原理

信號(hào)源提供的輸入電壓叫加在放大電路的輸入端，由于電容Ci的隔直流通交流

作用，可以認(rèn)為必直接加在三極管的基極和發(fā)射極之間，引起基極電流iB做相應(yīng)的

變化，如圖所示。通過(guò)三極管T的放大作用，石也發(fā)生相應(yīng)變化，即ic=f3iB

ic的變化使集電極電阻Rc上的電壓也發(fā)生

變化，從而使得三極管的C、E極之間電壓

變化uCE=Vcc-icRc

此時(shí)UCE中的交流分量經(jīng)過(guò)電容C2后傳送

給負(fù)載RL，成為輸出電壓U。。只要電路參

數(shù)選擇合適，就可以在負(fù)載上得到經(jīng)過(guò)放

大了的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電壓放大作用。

圖4-1-4輸入特性曲線和,E、iB波形圖

33

圖4T-5放大電路電壓電流波形圖

34

4.1.3基本放大電路的主要性能指標(biāo)

1.電壓放大倍數(shù)

放大器的輸出電壓與輸入電壓的比值定義為放大器的電壓放大倍數(shù)。

放大倍數(shù)又常用增益橐表示，單位是分貝（dB）。

4（用）=201g4

2.輸入電阻.

輸入電阻是從放大器輸入端看進(jìn)去的電阻，它定義為r

I

3.輸出電阻

輸出電阻是從放大器輸出端看進(jìn)去的電阻。輸出電阻定義為

R2

。4=0

lT

oRL=0

RETURN

35

4.2放大電路的分析

放大電路是在輸入信號(hào)ui和直流電源VCC共同作用下的非線性電路，放大電

路的工作狀態(tài)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，因此分析的內(nèi)容分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。

靜態(tài)（直流）工作分析，即在沒有信號(hào)輸入時(shí)，估算晶體管的各極直流電流和

極間直流電壓。

動(dòng)態(tài)（交流）性能分析，即在輸入信號(hào)作用下，確定晶體管在工作點(diǎn)處各極電

流和極間電壓的變化量，進(jìn)而計(jì)算放大器的各項(xiàng)交流指標(biāo)。

4.2.1靜態(tài)分析

無(wú)輸入信號(hào)（叫=0）時(shí)的電路狀態(tài)稱為靜態(tài)。

此時(shí)電路只有直流電源Vcc加在電路上，三極管各極電流和極間電壓均為

直流量，它們對(duì)應(yīng)著三極管輸入輸入特性曲線上的一個(gè)固定點(diǎn)，該點(diǎn)就

稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示，

Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分別用IBQ、ICQ、UBEQ>UCEQ表示。

求靜態(tài)工作點(diǎn)的方法有兩種：估算法和圖解法。

36

直流通路的原則是：交流信號(hào)源置零；電容

作斷開處理。

a）共射放大電路

b）直流通路

1.估算法

UCC=IBQ%+UBEQ

通過(guò)解方程即可估算靜態(tài)工作點(diǎn)

ICQ=BQ

【BQ、【CQ、UBEQ和UCEQ值。

UCC=1CQRC+UCEQ

通常硅管取UBEQ=0.7V（鑄管UBEQ=0.2V）。

37

例4-1：在圖示電路中，已知Ucc=12V,Rc=3KO,Rb=280KU,0=50,

UBEQ=0?7V。試估算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

【解】電路的直流通路如圖所示

Ucc

凡

。+

公U。

UCC=IBQ%+UBEQUcc-UBEQ12—0.7

BQ---------------=-----------=0.04mA

R280

ICQ=BQbh

>ICQ=0】BQ=50x0.04=2mA

UCCCQRC+CEQ

=1UUCEQ=ucc-JCQRC=12-2X3=6K

38

2.圖解法

利用晶體管的特性曲線，用作圖的方法確定出直流工作點(diǎn)，即求出IQ、UBEQ和

ICQ、UCEQ，這就是圖解分析法。

。11

廠UCC

對(duì)于集電極輸出回路，可列出一組方程：凡

%=八2三極管輸出特性曲線方程c.4。+

UCE=UCC-lCRC直流負(fù)載線小j卡

R%

該直線與某根輸出特性曲線的交點(diǎn)，就是靜4

態(tài)工作點(diǎn)Q。Q點(diǎn)的坐標(biāo)值就是靜態(tài)集射極電—

壓UCEQ和集電極電流及。

39

4.2.2動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析主要是分析計(jì)算電路在交流信號(hào)作用下，電路的工作情況和放大性能,

即計(jì)算放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等。

放大電路的動(dòng)態(tài)分析也有兩種方法：圖解法和分析計(jì)算法。

1.圖解法

交流圖解分析是在輸入信號(hào)作用下，通過(guò)作圖來(lái)確定放大管各級(jí)電流和

極間電壓的變化量。

首先畫出電路的交流通路，交流通路的畫法是：耦合電容看作短路，直流電

圖4-2-5圖解法求ZE、ic

結(jié)論：

1）放大器輸入交流電壓時(shí)，晶體管各極電流的方向和極間電壓的極性始終

不變，只是圍繞各自的靜態(tài)值，按輸入信號(hào)規(guī)律近似呈線性變化。

2）晶體管各極電流、電壓的瞬時(shí)波形中，只有交流分量才能反映輸入信號(hào)

的變化，因此，需要放大器輸出的是交流量。

3）將輸出與輸入的波形對(duì)照，可知兩者的變化規(guī)律正好相反，通常稱這種

波形關(guān)系為反相。

41

2.非線性失真和最大輸出電壓幅值

如果放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)位置設(shè)置不當(dāng)，會(huì)使放大器輸出波形產(chǎn)生明顯

的非線性失真。

a）截止失真b）飽和失真

Q點(diǎn)設(shè)置過(guò)低，在輸入電壓負(fù)半周部分若Q點(diǎn)設(shè)置過(guò)高，則在輸入電壓正半周

的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū)，使部分的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)。

iB，ic不能跟隨輸入變化而近似為零，從此時(shí)，當(dāng)iB增大時(shí)，ic則不能隨之增大，

而引起iB，ic和UCE的波形發(fā)生失真，這因而也將引起ic和UCE波形的失真，這種

種失真稱為截止失真。失真稱為飽和失真。

42

由于受三極管非線性失真的限制，放大器的不失真輸出電壓有一個(gè)范圍，其最

大值稱為放大器的最大不失真輸出電壓幅值。

圖4-2-7最大輸出電壓幅值

UCES表示三極管的臨界飽和壓降，一般取為0.5V?IV?？梢钥闯?，放大器最

大不失真輸出電壓的幅值為(UCEQ-UCES)和UF中較小的一個(gè)。

43

3.分析計(jì)算法

(1)三極管的微變等效電路

當(dāng)輸入信號(hào)較小，我們可以認(rèn)為三極管基射極電壓和基極電流是在沿著輸入

特性曲線在Q點(diǎn)附近變化，所以它們的變化量AUBE與AiB之比可近似看作常數(shù)，

我們稱之為三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻，用％表示。乙=包五

ue

beA.。=常數(shù)

26(r)

%常用下式近似估算：rhe=300+(1+0,S-(Q)

MB，EQ(mA)

O--------------根據(jù)三極管的電流放大關(guān)系，有=B'tB

+41電流的變化量可用交流分量來(lái)代替，即ic=/3-ih

%聯(lián)三極管的輸出回路可以用一個(gè)受控電流源電路來(lái)等效

44

O

交流通路中的三極管可以用如圖的等效電路來(lái)代替，這就是三極管簡(jiǎn)化的微變等

效電路。

bM

+o->-

a）三極管

45

a)交流通路b)微變等效電路

①電壓放大倍數(shù)的計(jì)算如果考慮到信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)，輸出電壓對(duì)信號(hào)源電

壓的電壓放大倍數(shù)，稱為源電壓放大倍數(shù)。則

Ui=Ib*rbeU.

---一

US=1IRS+UI.=//RS+U.I

/=-/,(q〃&)=3/㈤勺〃%

u。一8/廠冗叩R；

Z

"Uikhehe—%〃々

當(dāng)電路不接負(fù)載時(shí)，即輸出端開路,

UUU.R,IIr.

RL—?00,電壓放大倍數(shù)變?yōu)?__2___2_L_____bbe/

us~U~UU~R,//r,+R11

UB.Rsishhes

A=—=—匕

"4%46

②輸入電阻的計(jì)算0=4=&〃兀

【i

③輸出電阻的計(jì)算”與「0=（

UJ-U—UC

I。

用分析計(jì)算法分析放大電路，可按以下步驟進(jìn)行：

第一步，畫直流通路（交流輸入為零，電容斷開），根據(jù)直流通路估算靜

態(tài)工作點(diǎn)；

第二步，確定放大器交流通路（電容短路，直流電源置零），用三極管交

流微變等效電路替換三極管，得出放大器的交流微變等效電路；

第三步，根據(jù)交流微變等效電路計(jì)算放大器的各項(xiàng)交流指標(biāo)。

47

【例4-2］在圖示的電路中，已知Ucc=12V,Rb=260KdRc=3KO,RL=3K。,

0=50,UBEQ=0.7V,試求：

1）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；TO+Ucc

2）電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。凡

【解】（1）根據(jù)放大電路直流通路的畫法，

c.邛

畫出電路的直流通路+G

U-U

_CCuBEQ12-0.7Uq

------------=0.043mA1

BQ=一元—260O

50x0.043=2.2根

a）共射放大電路

T°Ucc

“EQ=UcL/ce^c=12-2.2x3=5.4%

三極管的交流電阻為

"【CQ+

30。+("尸)［2篇6(%)

/EQ))UCEQ

2626

=300+(1+^)--------------=300+--------=9040=0.9KO

(1+6)/刃0.043

b）直流通路

48

(2)畫出放大電路的交流通路和交流微變等效電路圖

C)交流通路d)微變等效電路

電壓放大倍數(shù)

Rj=Rc//RL=3〃3=1.5KQ

UB^R,50x1.5

A=j=一匕一----------------=—83.3

"U.ir.be0.9

u

輸入電阻r.=—^=RB//rhe=260//0.9=0.9KO

Ii

輸出電阻u

Y=R=3KQ

oTU=0c

1。

49

【例4?3】在圖例所示的電路中，已知U”=12V,Rbl=125K￡l,Rb2=10K￡2,

Rc=3KdRL=3KO,0=50,UBEQ=0.7V,試求:

(1)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；

(2)電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。

【解】(1)根據(jù)放大電路直流通路的畫法，畫出

電路的直流通路

TrrUccUBEQUBEQ

12-0.70.7

=0.0204mA

12510a)放大電路

=50x0.0204=1.02加/

UCEQ=Ucc-（ICQ+【L）RC

二"cc—（/領(lǐng)+詈）火c=4.47/

RL

b)直流通路

50

26(7)2626

=300+(1+￡)——^-^=300+(1+/?)--------------=300+----------=1574Q=1.6KO

%(燧)1+廣/陽(yáng)0.0204

2）畫出放大電路的交流通路如圖所示。

再將三極管用三極管微變等效電路代替，畫出電路的交流微變等效電路圖

d）微變等效電路

R；u.

r.—=%+%〃九=1L6KO

Jbhe

Uj=+//beF+1b)匕2+brbe

U.P-R'L旦=R=3K豆

Au==—6.404=oc

U0

I(3+D&2+&

51

4.2.3穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的放大電路

1.分壓式電流負(fù)反饋偏置電路

在三極管的發(fā)射極和公共地之間接入一

Rc

個(gè)射極電阻Re，起到電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，II0

Cl

來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。電阻Rbi和Rb2為分

壓電阻，為三極管的發(fā)射結(jié)提供較穩(wěn)定u

u.

的基極電位。

引入的旁路電容Ce起到交流短路作用，

圖4-2-14分壓式偏置電路

使射極電阻Re在交流狀態(tài)下短路，不影

響電路的動(dòng)態(tài)性能。

52

2.電路的工作原理

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選擇Rbi和Rb2的值，使之滿

O+U

足以下條件：

Rc

[Rb>>【BQUBQ?UBEQ

0

+

R,

bZ7+

三極管基極電位uBQUcc

Rbl+u

u0

UBQ可近似看作是恒定不變的。

分析分壓式電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過(guò)程:

圖4-2T4分壓式偏置電路

U不變

TTf%QT一【EQTT/ReT-->UBEQ'-【BQ'-ZCQ)

返回

53

3.電路的分析計(jì)算-o

T0cc

o+U

CC

VI

&+

廬<O8”%Q

C1+T

U

U

a）直流通路

Rb2

UBQUcc

Rbl+火62

UEQ