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第一章半导体二极管和三极管本章主要内容半导体基础知识;半导体二极管;晶体三极管;场效应管重点掌握1.半导体器件的外特性;2.器件的主要参数1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净(99.99999的晶体结构的半导体。1、什么是半导体什么是本征半导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。四价单晶Si、Ge2、本征半导体的结构由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。共价键一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。(补充浓度公式)补充内容外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。热力学温度0K时不导电。二杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。N型半导体自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。(一)、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。问题磷(P)杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了少了为什么(二)、P型半导体空穴硼原子P型半导体中空穴是多子,电子是少子。问题硼(B)多数载流子P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗少子与多子变化的数目相同吗少子与多子浓度的变化相同吗结论对于杂质半导体,多子的浓度越高,少子的浓度就越低。多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度,故受温度变化的影响很小;少子由本征激发而成,尽管其浓度很低,但温度变化时,其浓度的变化很大。故少子对器件性能的影响却不“少”。(三)、杂质半导体的示意表示法杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。问题杂质半导体为何呈现电中性N型自由电子数目空穴数目正离子数目P型空穴数目自由电子数目负离子数目按一定的制造工艺,将P、N型半导体制作在同一块硅片上,其界面形成PN结、三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。1.PN结的形成PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了PN结。由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。P型半导体N型半导体扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。空间电荷区N型区P型区电位VV01.空间电荷区中载流子很少,可忽略,又称该区为耗尽层。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。3.P区中的电子和N区中的空穴(都是少子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。注意2.PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是P区加负、N区加正电压。PN结的单向导电性PN结加正向电压导通耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成多子扩散电流(几个mA-几A),PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成少子漂移电流Is(也称反向饱和电流温度一定,少子浓度一定,Is一定。一般情况下Si为nA级;Ge为A级)由于电流很小,故可近似认为其截止。必要吗结论PN结加正向电压时,具有较大的正向扩散电流,呈现低电阻,PN结导通;PN结加反向电压时,具有很小的反向漂移电流,呈现高电阻,PN结截止。由此可以得出结论PN结具有单向导电性。3.PN结的伏安特性曲线及伏安方程根据实际测试数据,PN结的伏安特性曲线如图正偏IR(少子漂移)反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿烧坏PN结电击穿可逆补充分析根据理论分析u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UTkTq称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数1.381023JKq为电子电荷量1.61019CT为热力学温度对于室温(相当T300K)则有UT26mV。当u0uUT时当u|UT|时四、PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。结电容结电容不是常量若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能为什么半导体器件的温度稳定性差是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素为什么半导体器件有最高工作频率2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的主要参数四、二极管的等效电路五、稳压二极管一、二极管的组成将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管一、二极管的组成点接触型结面积小,结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。面接触型结面积大,结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。平面型结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大。二、二极管的伏安特性及电流方程开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出1.单向导电性2.伏安特性受温度影响T()在电流不变情况下管压降u反向饱和电流IS,UBRT()正向特性左移,反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍10下降约2mv1三、主要参数1.最大整流电流IF二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。超过该值,可导致热损坏。2.最高反向工作电压UR二极管长期运行时,允许的最高反向工作电压。手册上3.反向电流IR指二极管加反向电压未击穿时的反向电流。反向电流越小越好。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4.最高工作频率fM二极管工作的上限频率,与Cj有关5.直流电阻RDQ点二极管在直流偏置电路中所确定的静态工作点。几何意义割线斜率之倒数。注D值与点位置有关。一般小功率管的值几百几可用万用表的欧姆档粗判管子性能好坏、极性、及以上均是二极管的直流参数,二极管的应用是主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。.微变(或交流)电阻ruD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比图解法解析法几何意义点切线斜率之倒数二极管的极间电容显然,rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。的值很小,约几几十势垒电容和扩散电容的综合效应补充二极管电路的图解分析法四、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路1.将伏安特性折线化(指导思想)100V5V1V2.微变等效电路Q越高,rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。ui0时直流电源作用小信号作用静态电流【补充】二极管电路分析举例1.静态分析例1求VDD10V时,二极管的电流ID、电压VD值。解1.理想模型正向偏置时管压降为0,电阻也为0。反向偏置时电流为0,电阻为。2.恒压降模型当iD1mA时,vD0.7V。3.实际模型2.限幅电路ViVR时,二极管导通,vovi。ViVR时,二极管截止,voVR。例2理想二极管电路中viVmsintV,求输出波形v0。解3.开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关0V0V导通导通导通截止截止导通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V例11求vI1和vI2不同值组合时的v0值(二极管为理想模型)。解例9判别二极管是导通还是截止。9V-1V-2.5V-12.5V-14V-1V-截止截止解导通4.整流电路正半周D1、D3导通D2、D4截止负半周D2、D4导通D1、D3截止例4求整流电路的输出波形。解例5实际模型求1.vI0VvI4VvI6V时,输出v0的值。2.Vi6sintV时,输出v0的波形。解1.vI4V时,D导通。vI0V时,D截止。v0vIvI6V时,D导通。2.Vi6sintV(理想模型)折线模型例6理想二极管电路中viVmsintV,求输出波形v0。ViV1时,D1导通、D2截止,VoV1。ViV2时,D2导通、D1截止,VoV2。V2ViV1时,D1、D2均截止,VoVi。例7画出理想二极管电路的传输特性(VoVI)。解VI25V,D1、D2均截止。VI25V,D1导通,D2截止。VI137.5V,D1、D2均导通。VO25VVO100V137.5例8画出理想二极管电路的传输特性(VoVI)。当VI0时D1导通D2截止当VI0时D1截止D2导通已知二极管D的正向导通管压降VD0.6V,C为隔直电容,vit为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流IDQ,以及二极管的直流导通电阻R直。求在室温300K时,D的小信号交流等效电阻r交。解例10例3二极管限幅电路已知电路的输入波形为vi二极管的VD为0.6伏,试画出其输出波形。解Vi3.6V时,二极管导通,vo3.6V。Vi3.6V时,二极管截止,voVi。五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个PN结组成,反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,为稳定电压。若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻限流电阻斜率UIZ稳压误差曲线越陡,电压越稳定。-UZ(4)稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。稳压二极管的参数(1)稳定电压UZ参数分散性,型号参数(3.8-4.2v)的含义)(3)动态电阻(5)最大允许功耗负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20波动时,负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压管的技术参数解令输入电压达到上限时,流过稳压管的电流为Izmax。求电阻R和输入电压ui的正常值。方程1令输入电压降到下限时,流过稳压管的电流为Izmin。方程2联立方程1、2,可解得1.3.2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。1.3.3发光二极管有正向电流流过时,发出一定波长范围的光,目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光,它的电特性与一般二极管类似。LEDLCD的区别LCD为LiquidCrystalDisplay的缩写,即液晶显示器,是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。与传统的阴极射线管(CRT)相比,LCD占用空间小,低功耗,低辐射,无闪烁,降低视觉疲劳。LED为LightEmittingDiode(发光二极管)的缩写,广泛见于日常生活中,如家用电器的指示灯,汽车后防雾灯等。LED显示器也属于液晶显示器的一种,LED液晶技术用LED代替了传统的液晶背光模组。LED的最显著特点是使用寿命长,光电转换效能高。与LCD显示器相比,LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面,都更具优势。1.3晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低,且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。中功率管大功率管晶体管的e、c两极能否对换使用二、晶体管的放大原理扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电流IB,漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低,使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大,在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散共e组态组态三极管在电路中是以“双口”网络的形式出现故必有一个电极被共用,若被共用的电极为e,则称共e组态或共射组态。同理,还有共b组态;共c组态注组态一般是指三极管在交流通路的形式而言的。电流分配IEIBICIE扩散运动形成的电流IB复合运动形成的电流IC漂移运动形成的电流穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数在忽略穿透电流的情况下可以认为例一般取20200之间2.31.5共发射极电流放大系数共基组态的电流放大系数定义直流电流放大系数交流电流放大系数a与的关系因通常1,故a1同理也有三、晶体管的共射输入特性和输出特性1.输入特性为什么UCE增大曲线右移对于小功率晶体管,UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了1.输入特性2输出特性曲线iCfuCEiBconst现以iB60uA一条加以说明。(1)当uCE0V时,因集电极无收集作用,iC0。(2)uCEIc。(3)当uCE1V后,收集电子的能力足够强。这时,发射到基区的电子都被集电极收集,形成iC。所以uCE再增加,iC基本保持不变。同理,可作出iB其他值的曲线。输出特性曲线可以分为三个区域饱和区iC受uCE显著控制的区域,该区域内uCE0.7V。此时发射结正偏,集电结也正偏。截止区iC接近零的区域,相当iB0的曲线的下方。此时,发射结反偏,集电结反偏。放大区曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏。该区中有饱和区放大区截止区晶体管的三个工作区域晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流iC几乎仅仅决定于输入回路的电流iB,即可将输出回路等效为电流iB控制的电流源iC。补充如何由管子的静态偏置电位判断管子的极性、种类先判b、e电极-------找出相差0.7v(si)或0.2v(锗)的两电极,余下电极必为c极;若c极电位高于b、e两极的电位,该管必为NPN型;若c极电位低于b、e两极电位,则该管必为PNP型类型也可由电流方向判定两入一出NPN一入两出---PNP.例题判断饱和还是放大1.电位判别法NPN管UCUBUE放大UEUCUB饱和PNP管UCUBUE放大UEUCUB饱和2.电流判别法IBIBS则饱和IBIBS则放大四.BJT的主要参数1.电流放大系数(2)共基极电流放大系数也可由转换一般取20200之间2.31.5(1)共发射极电流放大系数2.极间反向电流(表征失控的参数)(2)集电极发射极间的穿透电流ICEO基极开路时,集电极到发射极间的电流穿透电流。其大小与温度有关。(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时,在其集电结上加反向电压,得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管ICBO为微安数量级,硅管ICBO为纳安数量级。3.极限参数Ic增加时,要下降。当值下降到线性放大区值的70时,所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗,PCICUCEPCMPCM(3)反向击穿电压BJT有两个PN结,其反向击穿电压有以下几种U(BR)EBO集电极开路时,发射极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般几伏十几伏。U(BR)CBO发射极开路时,集电极与基极之间允许的最大反向电压。其值一般为几十伏几百伏。U(BR)CEO基极开路时,集电极与发射极之间允许的最大反向电压。四、温度对晶体管特性的影响温度T增加,输入特性移。一般T每增加1,uBE约下降2mvT增加,输出特性移。一般,T每增加1,增加1;T每增加10,ICEO翻一倍。管子的选择ICEO要尽可能小适中(几十上百)并注意极限参数要适应电源配置例书P381.3.2半导体三极管的型号第二位A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管第三位X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下3DG110B1.4场效应管一、场效应管(以N沟道为例)场效应管有三个极源极(s)、栅极(g)、漏极(d),对应于晶体管的e、b、c;有三个工作区域截止区、恒流区、可变电阻区,对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管符号结构示意图导电沟道单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压UGS(off)漏-源电压对漏极电流的影响uGSUGS(off)且不变,VDD增大,iD增大。预夹断uGDUGS(off)VDD的增大,几乎全部用来克服沟道的电阻,iD几乎不变,进入恒流区,iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么uGDUGS(off)uGDUGS(off)夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区,因而uGSUGS(off)且uGDUGS(off)。uDGUGS(off)g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性预夹断轨迹,uGDUGS(off)可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区(截止区)不同型号的管子UGS(off)、IDSS将不同。低频跨导2.绝缘栅型场效应管uGS增大,反型层(导电沟道)将变厚变长。当反型层将两个N区相接时,形成导电沟道。SiO2绝缘层衬底反型层增强型管大到一定值才开启增强型MOS管uDS对iD的影响用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么iD随uDS的增大而增大,可变电阻区uGDUGS(th)预夹断iD几乎仅仅受控于uGS,恒流区刚出现夹断uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻耗尽型MOS管耗尽型MOS管在uGS0、uGS0、uGS0时均可导通,且与结型场效应管不同,由于SiO2绝缘层的存在,在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS0时就存在导电沟道MOS管的特性1增强型MOS管2耗尽型MOS管开启电压夹断电压3.场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性uGS0可工作在恒流区的场效应管有哪几种uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种本章小结1半导体材料中有两种载流子电子和空穴。电子带负电,空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质,可以得到N型半导体和P型半导体。2采用一定的工艺措施,使P型和N型半导体结合在一起,就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。3二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时,可根据不同情况,使用不同的二极管模型。4BJT是由两个PN结构成的。工作时,有两种载流子参与导电,称为双极性晶体管。BJT是一种电流控制电流型的器件,改变基极电流就可以控制集电极电流。BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。BJT有三个工作区饱和区、放大器和截止区。6FET分为JFET和MOSFET两种。工作时只有一种载流子参与导电,因此称为单极性晶体管。FET是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。FET的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。第二章基本放大电路2.1放大的概念与放大电路的性能指标2.2基本共射放大电路的工作原理2.3放大电路的分析方法2.4静态工作点的稳定2.5晶体管放大电路的三种接法2.6场效应管及其基本放大电路2.7基本放大电路的派生电路2.1放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标一、放大的概念放大的对象变化量放大的本质能量的控制放大的特征功率放大放大的基本要求不失真放大的前提判断电路能否放大的基本出发点至少一路直流电源供电二、性能指标1.放大倍数输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。2.输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源,内阻就是输出电阻。输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻3.通频带4.最大不失真输出电压Uom交流有效值。由于电容、电感及放大管PN结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。5.最大输出功率Pom和效率功率放大电路的参数2.2基本共射放大电路的工作原理一、电路的组成及各元件的作用二、设置静态工作点的必要性三、波形分析四、放大电路的组成原则一、电路的组成及各元件的作用VBB、Rb使UBEUon,且有合适的IB。VCC使UCEUBE,同时作为负载的能源。Rc将iC转换成uCEuo。动态信号作用时输入电压ui为零时,晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q,记作IBQ、ICQ(IEQ)、UBEQ、UCEQ。共射二、设置静态工作点的必要性输出电压必然失真设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但Q点几乎影响着所有的动态参数为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压三、基本共射放大电路的波形分析输出和输入反相动态信号驮载在静态之上与iC变化方向相反要想不失真,就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区四、放大电路的组成原则静态工作点合适合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。两种实用放大电路(1)直接耦合放大电路问题1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”共地,且要使信号驮载在静态之上静态时,动态时,VCC和uI同时作用于晶体管的输入回路。将两个电源合二为一有直流分量有交流损失UBEQ两种实用放大电路(2)阻容耦合放大电路耦合电容的容量应足够大,即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时,C1、C2上电压动态时,C1、C2为耦合电容uBEuIUBEQ,信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。2.3放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路二、图解法三、等效电路法一、放大电路的直流通路和交流通路1.直流通路Us0,保留Rs;电容开路;电感相当于短路(线圈电阻近似为0)。2.交流通路大容量电容相当于短路;直流电源相当于短路(内阻为0)。通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化分析,将它们分开作用,引入直流通路和交流通路的概念。基本共射放大电路的直流通路和交流通路列晶体管输入、输出回路方程,将UBEQ作为已知条件,令ICQIBQ,可估算出静态工作点。VBB越大,UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。当VCCUBEQ时,已知VCC12V,Rb600k,Rc3k,100。Q阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路二、图解法应实测特性曲线输入回路负载线IBQ负载线1.静态分析图解二元方程2.电压放大倍数的分析斜率不变3.失真分析截止失真消除方法增大VBB,即向上平移输入回路负载线。截止失真是在输入回路首先产生失真减小Rb能消除截止失真吗饱和失真饱和失真Rb或或VBBRc或VCC饱和失真是输出回路产生失真。最大不失真输出电压Uom比较UCEQ与(VCCUCEQ),取其小者,除以。讨论一1.用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。2.用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。画出图示电路的直流通路和交流通路。三、等效电路法半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型,来描述非线性器件的特性。1.直流模型适于Q点的分析利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模型。输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源2.晶体管的h参数等效模型(交流等效模型)在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络,输入回路、输出回路各为一个端口。低频小信号模型在低频、小信号作用下的关系式交流等效模型(按式子画模型)电阻无量纲无量纲电导h参数的物理意义b-e间的动态电阻内反馈系数电流放大系数c-e间的电导分清主次,合理近似什么情况下h12和h22的作用可忽略不计简化的h参数等效电路交流等效模型查阅手册利用PN结的电流方程可求得在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小3.放大电路的动态分析放大电路的交流等效电路阻容耦合共射放大电路的动态分析输入电阻中不应含有Rs输出电阻中不应含有RL讨论一1.在什么参数、如何变化时Q1Q2Q3Q42.从输出电压上看,哪个Q点下最易产生截止失真哪个Q点下最易产生饱和失真哪个Q点下Uom最大3.设计放大电路时,应根据什么选择VCC2.空载和带载两种情况下Uom分别为多少在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而带上负载后这种失真消除增强电压放大能力的方法讨论二已知ICQ2mA,UCES0.7V。1.在空载情况下,当输入信号增大时,电路首先出现饱和失真还是截止失真若带负载的情况下呢讨论三基本共射放大电路的静态分析和动态分析为什么用图解法求解IBQ和UBEQ讨论四阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析讨论五波形分析失真了吗如何判断原因饱和失真2.4静态工作点的稳定一、温度对静态工作点的影响二、静态工作点稳定的典型电路三、稳定静态工作点的方法一、温度对静态工作点的影响所谓Q点稳定,是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变,这是靠IBQ的变化得来的。若温度升高时要Q回到Q,则只有减小IBQ二、静态工作点稳定的典型电路Ce为旁路电容,在交流通路中可视为短路1.电路组成2.稳定原理为了稳定Q点,通常I1IB,即I1I2;因此基本不随温度变化。设UBEQUBEUBE,若UBQUBEUBE,则IEQ稳定。Re的作用TICUEUBE(UB基本不变)IBICRe起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。关于反馈的一些概念将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈,反之称为正反馈。Re有上限值吗3.Q点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是否可忽略不计判断方法4.动态分析利弊无旁路电容Ce时如何提高电压放大能力三、稳定静态工作点的方法引入直流负反馈温度补偿利用对温度敏感的元件,在温度变化时直接影响输入回路。例如,Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数讨论一图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点若采用了措施,则是什么措施2.5晶体管放大电路的三种接法一、基本共集放大电路二、基本共基放大电路三、三种接法放大电路的比较一、基本共集放大电路1.静态分析2.动态分析电压放大倍数故称之为射极跟随器2.动态分析输入电阻的分析Ri与负载有关带负载电阻后2.动态分析输出电阻的分析Ro与信号源内阻有关3.特点输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电压;在一定条件下有电压跟随作用令Us为零,保留Rs,在输出端加Uo,产生Io。二、基本共基放大电路1.静态分析2.动态分析3.特点输入电阻小,频带宽只放大电压,不放大电流三、三种接法的比较空载情况下接法共射共集共基Au大小于1大Ai1Ri中大小Ro大小大频带窄中宽讨论一图示电路为哪种基本接法的放大电路它们的静态工作点有可能稳定吗求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。电路如图,所有电容对交流信号均可视为短路。1.Q为多少2.Re有稳定Q点的作用吗3.电路的交流等效电路4.V变化时,电压放大倍数如何变化讨论二讨论二改变电压放大倍数2.6场效应管及其基本放大电路一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析一、场效应管(以N沟道为例)场效应管有三个极源极(s)、栅极(g)、漏极(d),对应于晶体管的e、b、c;有三个工作区域截止区、恒流区、可变电阻区,对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管符号结构示意图导电沟道单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压UGS(off)漏-源电压对漏极电流的影响uGSUGS(off)且不变,VDD增大,iD增大。预夹断uGDUGS(off)VDD的增大,几乎全部用来克服沟道的电阻,iD几乎不变,进入恒流区,iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么uGDUGS(off)uGDUGS(off)夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区,因而uGSUGS(off)且uGDUGS(off)。uDGUGS(off)g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性预夹断轨迹,uGDUGS(off)可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区(截止区)不同型号的管子UGS(off)、IDSS将不同。低频跨导2.绝缘栅型场效应管uGS增大,反型层(导电沟道)将变厚变长。当反型层将两个N区相接时,形成导电沟道。SiO2绝缘层衬底反型层增强型管大到一定值才开启增强型MOS管uDS对iD的影响用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么iD随uDS的增大而增大,可变电阻区uGDUGS(th)预夹断iD几乎仅仅受控于uGS,恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻耗尽型MOS管耗尽型MOS管在uGS0、uGS0、uGS0时均可导通,且与结型场效应管不同,由于SiO2绝缘层的存在,在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS0时就存在导电沟道MOS管的特性1增强型MOS管2耗尽型MOS管开启电压夹断电压利用Multisim测试场效应管的输出特性从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点3.场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性uGS0可工作在恒流区的场效应管有哪几种uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种二、场效应管静态工作点的设置方法根据场效应管工作在恒流区的条件,在g-s、d-s间加极性合适的电源1.基本共源放大电路2.自给偏压电路由正电源获得负偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点3.分压式偏置电路为什么加Rg3其数值应大些小些哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点即典型的Q点稳定电路三、场效应管放大电路的动态分析近似分析时可认为其为无穷大根据iD的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的h参数等效模型类比1.场效应管的交流等效模型2.基本共源放大电路的动态分析若Rd3k,Rg5k,gm2mS,则与共射电路比较。3.基本共漏放大电路的动态分析若Rs3k,gm2mS,则基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs3k,gm2mS,则Ro2.7派生电路一、复合管二、派生电路举例一、复合管复合管的组成多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后,其类型决定于T1管。目的增大,减小前级驱动电流,改变管子的类型。讨论一判断下列各图是否能组成复合管在合适的外加电压下,每只管子的电流都有合适的通路,才能组成复合管。RiRo讨论二二、派生电路举例组合的结果带来什么好处第二章基本放大电路2.1放大的概念与放大电路的性能指标2.2基本共射放大电路的工作原理2.3放大电路的分析方法2.4静态工作点的稳定2.5晶体管放大电路的三种接法2.6场效应管及其基本放大电路2.7基本放大电路的派生电路2.1放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标一、放大的概念放大的对象变化量放大的本质能量的控制放大的特征功率放大放大的基本要求不失真放大的前提判断电路能否放大的基本出发点至少一路直流电源供电二、性能指标1.放大倍数输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。补充2.输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻一般来说,Ri越大越好。(1)Ri越大,ii就越小,从信号源索取的电流越小。(2)当信号源有内阻时,Ri越大,ui就越接近uS。输入电压与输入电流有效值之比。3.输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻输出电阻是表明放大电路带负载能力的,Ro越小,放大电路带负载的能力越强,反之则差。输出电阻的定义加压求流法2-182如何确定电路的输出电阻Ro步骤1.所有的电源置零将独立源置零,保留受控源。2.加压求流法。方法一计算。2-183方法二测量。1.测量开路电压。2.测量接入负载后的输出电压。步骤3.计算。4.通频带通频带fbwfHfL放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线6.非线性失真系数D5.最大不失真输出电压Uom交流有效值。7.最大输出功率Pom和效率功率放大电路的参数当信号变
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