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1、晶体三极管和放大电路晶体三极管和放大电路本章学习目标本章学习目标 晶体三极管晶体三极管放大电路放大电路晶体三极管晶体三极管晶晶体体三三极极管管：是是一一种种利利用用输输入入电电流流控控制制输输出出电电流流的的电电流流控制型器件。控制型器件。特点：特点：管内有两种载流子参与导电。管内有两种载流子参与导电。三极管的结构、分类和符号三极管的结构、分类和符号一、晶体三极管的基本结构一、晶体三极管的基本结构1三极管的外形三极管的外形特点：特点：有三个电有三个电极，故称极，故称三极管三极管。2三极管的结构三极管的结构三极管的结构图三极管的结构图特点：特点：有三个区有三个区 发射区、基区、集电区；发射区、基
2、区、集电区；两个两个 PN 结结 发射结发射结(BE 结结)、集电结、集电结(BC 结结)；三个电极三个电极 发射极发射极 e(E)、基极基极 b(B)和集电极和集电极 c(C)；两种类型两种类型 PNP 型管和型管和 NPN 型管。型管。工工艺艺要要求求：发发射射区区掺掺杂杂浓浓度度较较大大；基基区区很很薄薄且且掺掺杂杂最最少少；集集电电区区比发射区体积大且掺杂少。比发射区体积大且掺杂少。二、晶体三极管的符号二、晶体三极管的符号三极管符号三极管符号箭头：箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：文字符号：V 三、晶体三极管的分类三、晶体三极管的分类1
3、三极管有多种分类方法。三极管有多种分类方法。按内部结构分：按内部结构分：有有 NPN 型和型和 PNP 型管；型管；按工作频率分：按工作频率分：有低频和高频管；有低频和高频管；按功率分：按功率分：有小功率和大功率管；有小功率和大功率管；按用途分：按用途分：有普通管和开关管；有普通管和开关管；按半导体材料分：按半导体材料分：有锗管和硅管等等。有锗管和硅管等等。2国国产产三三极极管管命命名名法法：见见电电子子线线路路（陈陈其其纯纯主主编编）P261 附录。附录。例如：例如：3DG 表示高频小功率表示高频小功率 NPN 型硅三极管；型硅三极管；3CG 表示高频小功率表示高频小功率 PNP 型硅三极管
4、；型硅三极管；3AK 表示表示 PNP 型开关锗三极管等。型开关锗三极管等。场效晶体管场效晶体管 场场效效晶晶体体管管：是是利利用用输输入入电电压压产产生生的的电电场场效效应应控控制制输出电流的电压控制型器件。输出电流的电压控制型器件。特特点点：管管子子内内部部只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，称称为为单单极型晶体三极管。极型晶体三极管。结型场效晶体管结型场效晶体管N 沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管P 沟道结型场效晶体管沟道结型场效晶体管一、结构和符号一、结构和符号N 沟沟道道结结型型场场效效晶晶体体管管的的结结构构、符符号号如如图图所所示示；P 沟沟道道结结型场效晶体管如图
5、所示。型场效晶体管如图所示。特特点点：由由两两个个 PN 结结和和一一个个导导电电沟沟道道所所组组成成。三三个个电电极极分分别为源极别为源极 S、漏极漏极 D 和栅极和栅极 G。漏极和源极具有互换性。漏极和源极具有互换性。工作条件：工作条件：两个两个 PN 结加反向电压。结加反向电压。二、工作原理二、工作原理以以 N 沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。动画结型场效晶体管结构动画结型场效晶体管结构工作原理如下：工作原理如下：VDS 0；VGS 0；VGS 0。在在漏漏源源电电压压 VDS 不不变变条条件件下下，改改变变栅栅源源电电压压 VGS，通
6、通过过 PN 结结的的变变化化，控控制制沟沟道道宽宽窄窄，即即沟沟道道电电阻阻的的大大小小，从从而而控制漏极电流控制漏极电流 ID。结论：结论：1结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。2所以输入电阻很大。一般可达所以输入电阻很大。一般可达 107 108 。三、结型场效晶体管的特性曲线和跨三、结型场效晶体管的特性曲线和跨导导1转移特性曲线转移特性曲线结型场效晶体管的转移特性曲线结型场效晶体管的转移特性曲线 反反映映栅栅源源电电压压 VGS 对对漏漏极极电电流流 ID 的的控控制制作作用用。如如图图所所示示，若漏源电压一定：若漏源电压
7、一定：当当栅栅源源电电压压 VGS=0 时时，漏漏极极电电流流 ID=IDSS，IDSS 称称为为饱饱和漏极电流；和漏极电流；当当栅栅源源电电压压 VGS 向向负负值值方方向向变变化化时时，漏漏极极电电流流 ID 逐逐渐渐减减小；小；当当栅栅源源电电压压 VGS=VP 时时，漏漏极极电电流流 ID=0，VP 称为夹断电压。称为夹断电压。2输出特性曲线输出特性曲线 结型场效晶体管的输出特性曲线结型场效晶体管的输出特性曲线表表示示在在栅栅源源电电压压一一定定条条件件下下，漏漏极极电电流流与与漏漏源源电电压压之之间间的的关系。如图所示。关系。如图所示。(1)可调电阻区可调电阻区(图中图中区区)VGS
8、 不变时，不变时，ID 随随 VDS 作线性变化，漏源间呈现电阻性。作线性变化，漏源间呈现电阻性。栅栅源源电电压压 VGS 越越负负，输输出出特特性性越越陡陡，漏漏源源间间的的电电阻阻越大。越大。结结论论：在在区区中中，场场效效晶晶体体管管可可看看作作一一个个受受栅栅源电压控制的可变电阻。源电压控制的可变电阻。二、场效晶体管的特点二、场效晶体管的特点场效晶体管与普通三极管比较表场效晶体管与普通三极管比较表项项 目目器器 件件 名名 称称晶体三极管晶体三极管场场 效效 应应 管管极型特点极型特点双双 极极 型型单单 极极 型型控制方式控制方式电电 流流 控控 制制电电 压压 控控 制制类类 型型
9、PNP 型、型、NPN 型型N 沟道、沟道、P 沟道沟道放大参数放大参数 =50 200gm=1 000 5 000 A/V输入电阻输入电阻102 104 107 1015 噪噪 声声较较 大大较较 小小热稳定性热稳定性差差好好抗辐射能力抗辐射能力差差强强制造工艺制造工艺较较 复复 杂杂简单、成本低简单、成本低工程应用工程应用场效晶体管使用常识场效晶体管使用常识1.结结形形场场效效晶晶体体管管的的栅栅源源电电压压必必须须使使 PN 结结反反偏偏，不不能能接接反反。因因结结型型场场效效晶晶体体管管的的源源极极及及漏漏极极通通常常制制成成对对称称的的，所所以以原极和漏极可以调换使用。原极和漏极可以
10、调换使用。2.绝绝缘缘栅栅场场效效晶晶体体管管中中，有有的的产产品品将将彻彻底底引引出出(有有四四个个管管脚脚)，此此时时源源极极和和漏漏极极可可以以互互换换使使用用，但但有有的的产产品品在在制制造造时时已已把把源源极极和和衬衬底底连连接接在在一一起起，这这种种管管子子源源极极和和漏漏极极就就不不能调换使用。能调换使用。3.绝绝缘缘栅栅场场效效晶晶体体管管由由于于输输入入电电阻阻很很高高，如如果果在在管管脚脚开开路路状状态态下下保保存存，会会使使管管子子还还未未使使用用时时就就已已击击穿穿或或性性能能下下降降。因因此此，无无论论管管子子使使用用与与否否，都都应应将将三三个个电电极极短短路路或或
11、用用铝铝箔包好。结型场效晶体管可以在开路状态下保存。箔包好。结型场效晶体管可以在开路状态下保存。基极电源基极电源7.1 共发射极电压放大器共发射极电压放大器双电源共发射极单管放大电路双电源共发射极单管放大电路双电源共发射极单管放大电路双电源共发射极单管放大电路ECC2+RCRB+C13DG6ICIBIEEB RL输输入入回回路路输输出出回回路路集电极电阻，约为几至几十欧集电极电阻，约为几至几十欧NPN型管型管耦合电容耦合电容耦合电容耦合电容基极电阻，约几基极电阻，约几十至几百千欧十至几百千欧集电极集电极电源，电源，约为几约为几至几十至几十伏伏负载电阻负载电阻 电路中发射极是输入、输出回路的公共
12、支电路中发射极是输入、输出回路的公共支路，而且放大的是电压信号，因此称之为共发路，而且放大的是电压信号，因此称之为共发射极射极 电压放大器。电压放大器。电路各部分作用：电路各部分作用：电路各部分作用：电路各部分作用：晶体管晶体管T：放大器的核：放大器的核心部件，在电路中起心部件，在电路中起电流放大作用；电流放大作用；电源电源EC：为放大电路：为放大电路提供能量和保证晶体提供能量和保证晶体管工作在放大状态；管工作在放大状态；电源电源EB和电阻和电阻RB：使：使管子发射结处于正向管子发射结处于正向偏置，并提供适当的偏置，并提供适当的基极电流基极电流IB；耦合电容耦合电容C1和和C2：一般：一般为几
13、微法至几十微法，为几微法至几十微法，利用其通交隔直作用，利用其通交隔直作用，既隔离了放大器与信号既隔离了放大器与信号源、负载之间的直流干源、负载之间的直流干扰，又保证了交流信号扰，又保证了交流信号的畅通；的畅通；电阻电阻RC：将集电极的电：将集电极的电流变化变换成集电极的流变化变换成集电极的电压变化，以实现电压电压变化，以实现电压放大作用。放大作用。第第2页页单电源共发射极单管放大电路单电源共发射极单管放大电路单电源共发射极单管放大电路单电源共发射极单管放大电路+UCCC2+RCRB+C1RL实用中，一般都采用单电源供电，而且把实用中，一般都采用单电源供电，而且把发射极的公共端作为发射极的公共
14、端作为“地地”点，并按习惯点，并按习惯画法把集电极电源以电位形式标在图中。画法把集电极电源以电位形式标在图中。放大电路的直流通道放大电路的直流通道放大电路的直流通道放大电路的直流通道 晶体管放大电路实际上是晶体管放大电路实际上是一个一个交、直流共存交、直流共存交、直流共存交、直流共存的电路。当的电路。当交流信号交流信号ui=0时，电路所处的时，电路所处的工作状态称为工作状态称为“静态静态”，静态静态时等效电路称为它的时等效电路称为它的直流通道直流通道直流通道直流通道。+UCCRCRBUCEICIEIBUBE 直流通道中耦合电容相当于开路，电路中的各电压、电流都直流通道中耦合电容相当于开路，电路
15、中的各电压、电流都是直流量。电路中仅有直流量时的工作状态称为是直流量。电路中仅有直流量时的工作状态称为“静态静态”。放放放放大大大大电电电电路路路路的的的的直直直直流流流流通通通通道道道道第第2页页 静静态态时时三三极极管管各各极极电电流流和和电电压压值值称称为为静静态态工工作作点点Q（主主要要指指IBQ、ICQ和和UCEQ）。静静态态分分析析主主要要是是确确定定放放大大电电路路中中的的静静态态值值IBQ、ICQ和和UCEQ。放大电路的静态分析放大电路的静态分析放大电路的静态分析放大电路的静态分析+UCCRCRBUCEICIEIBUBE由直流通道可对由直流通道可对由直流通道可对由直流通道可对Q
16、Q点进行估算：点进行估算：点进行估算：点进行估算：静静态态工工作作点点Q例：例：例：例：已知图中已知图中UCC=10V，RB=250K，RC=3K，=50，求放大电路的静态，求放大电路的静态工作点工作点Q。解：解：解：解：所以，所以，所以，所以，Q=IB=37.2A，IC=1.86mA，UCE=4.42V。第第2页页 由于放大器一般都由于放大器一般都工作在小信号状态，即工作在小信号状态，即工作点在特性曲线上的工作点在特性曲线上的移动范围很小。因此晶移动范围很小。因此晶体管虽然工作在非线性体管虽然工作在非线性状态下，但采用它的等状态下，但采用它的等效效线性模型线性模型微变等效电微变等效电微变等效
17、电微变等效电路路路路所分析得出的结果，所分析得出的结果，与其真实状况相比仅有与其真实状况相比仅有微小误差，可运用线性微小误差，可运用线性电路模型分析问题则带电路模型分析问题则带给我们极大的方便。给我们极大的方便。RL uSRSuiRCRBu0uceiciiieib仅有交流信号作用仅有交流信号作用下，电容相当于短下，电容相当于短路，路，UCC=0相当于相当于“地地”电位，因此电位，因此电路为左图所示。电路为左图所示。放大电路的放大电路的动态动态分析（交流通道）分析（交流通道）uSRSuiRCRBu0iciiibibrbe上述微变等效电路中：上述微变等效电路中：第第2页页1.什么是反馈 放大电路输
18、出量的一部分或全部通过一定的方式放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。引回到输入回路，影响输入，称为反馈。一、反馈的基本概念要要研究哪些问题？研究哪些问题？怎样引回怎样引回是从输出是从输出电压还是电压还是输出电流输出电流引出反馈引出反馈多少多少怎样引出怎样引出 反馈放大电路可用反馈放大电路可用方框图表示。方框图表示。影响放大电路的输入影响放大电路的输入电压还是输入电流电压还是输入电流2.正反馈和负反馈 从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出量从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈，否则为正反馈；的变化减小的为负反馈，否则为正反馈；引
19、入反馈后其变化是引入反馈后其变化是增大？还是减小？增大？还是减小？引入反馈后其变化是增大？引入反馈后其变化是增大？还是减小？还是减小？或者，凡反馈的结果使净输入量减小的为负反或者，凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，否则为正反馈。馈，否则为正反馈。3.直流反馈和交流反馈 直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通路中存在的反馈称为交流反馈。路中存在的反馈称为交流反馈。引入交流负反馈引入交流负反馈引入直流负反馈引入直流负反馈4.局部反馈和级间反馈 只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部反馈，将多级放大电路的
20、输出量引回到其输入级的输反馈，将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输入回路的称为级间反馈。入回路的称为级间反馈。通过通过R3引入的是局部反馈引入的是局部反馈通过通过R4引入的是级间反馈引入的是级间反馈通常，重点研究级间反馈或称总体反馈。通常，重点研究级间反馈或称总体反馈。二、交流负反馈的四种组态 将输出电压的一部分或全将输出电压的一部分或全部引回到输入回路来影响净部引回到输入回路来影响净输入量的为电压反馈，即输入量的为电压反馈，即 将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电流反馈，即输入量的为电流反馈，即 描述放大电路和反馈网络在
21、输出端的连接方式，即描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式，即反馈网络的取样对象。反馈网络的取样对象。1.电压反馈和电流反馈2.串联反馈和并联反馈 描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。-串联负反馈-并联负反馈+_负反馈负反馈3.四种反馈组态：注意量纲：注意量纲电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈 为什么在并为什么在并联负反馈电路联负反馈电路中不加恒压源中不加恒压源信号？信号？为什么在串为什么在串联负反馈电路联负反馈电路中不加恒流源中不加恒流源信号？信
22、号？左图所示为左图所示为A741A741集成运算放大器的芯片实物外形图集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出，从实物外形图上可看出，A741A741集成运放有集成运放有8 8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：1 A741A7412876543空脚空脚正电源端正电源端输出端输出端调零端调零端调零端调零端 反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端负电源端负电源端集成运放的电路图符号集成运放的电路图符号 U0U+U-同相输入同相输入反相输入反相输入+12V输出输出6513724-12V调零电位器调零电位器外部接线图外部接线图第第2页页 2 2
23、2 2集成运算的主要技术指标集成运算的主要技术指标集成运算的主要技术指标集成运算的主要技术指标（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为一般很高，约为104107；集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧
24、之间；低，约在几十欧至几百欧之间；（2）差模输入电阻）差模输入电阻ri和输出电阻和输出电阻r0（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。器件损坏。（3）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicmax 第第2页页 3 3 3 3理想集成运算及其传输特性理想集成运算及其传输特性理想集成运算及其传输特性理想集成运算及其传输特性Auo=、ri=、r0=0、KCMR=。理
25、想特性理想特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性u0(V)ui(mV)0U0MU0M实际特性实际特性根据集成运放的实际特性和理想特根据集成运放的实际特性和理想特性，可画出相应的电压传输特性。性，可画出相应的电压传输特性。为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：理想化，集成运放的理想化参数为：电压传输特性给出了集成运放开环电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系。时输出电压与输入电压之间的关系。可以看出，当集成运放工作在线性可以看出，当集成运放工作在线性区区（+U
26、0M U0M)时，时，其实际特性与理其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，放大倍数相当高，即使输入电压很小，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态也足以让运放工作在饱和状态使输出使输出电压保持稳定。电压保持稳定。线性区线性区饱和区饱和区输出、输入电压的关系：输出、输入电压的关系：输出、输入电压的关系：输出、输入电压的关系：第第2页页 根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结论，作为集成运放在线性区工作的重要分析
27、依据：论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：（1）虚虚虚虚断断断断：由由ri=，得得ii0，即即理理想想运运放放内内部部不不需需要要向向信信号号源源索索取取任任何何电电流流，两两两两个个个个输输输输入入入入端端端端的的的的电电电电流流流流恒恒恒恒为为为为零零零零。电电流流为为零零相相当当于于断断路路，但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为虚断虚断虚断虚断；（2）虚虚虚虚短短短短：由由Ado=，得得uu，即即理理想想运运放放两两两两个个个个输输输输入入入入端端端
28、端的的的的电电电电位位位位相相相相等等等等。两两点点等等电电位位相相当当于于短短路路，实实际际上上两两个个输输入入端端并并未未真真正正短短接接，因此称为因此称为虚短虚短虚短虚短。1.集成运放由哪几部分组成，各部分的主要集成运放由哪几部分组成，各部分的主要作用是什么？作用是什么？2.理想运放的特点是什么？理想运放的特点是什么？3.工作在线性区的理想运放有哪两条重要结工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？何谓论？何谓“虚断虚断”？“虚短虚短”？第第2页页 1 1 1 1反相比例运算电路反相比例运算电路反相比例运算电路反相比例运算电路 集成运放的应用分为集成运放的应用分为线性线性应用和应用和非线性
29、非线性应用两大类。当集成运放应用两大类。当集成运放通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环并工作在线性区，可构通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环并工作在线性区，可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；若工成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；若工作在非线性区，集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。作在非线性区，集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。先介绍集成运放的线性应用。先介绍集成运放的线性应用。集成运放的应用集成运放的应用集成运放的应用集成运放的应用式中负号表示输出电压与式中负号表示输出电压与输入电压的相位相反输入电压的相位相反+12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRFR R2 2是是是是平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：第第2页页