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1、常见模拟电路分析常见模拟电路分析 第一专题半导体器件的基础知识 7.1 半导体二极管半导体二极管半导体基础知识半导体基础知识导导 体：体：自然界中很容易导电的物质，例如自然界中很容易导电的物质，例如金属金属。绝缘体：绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮橡皮、陶瓷陶瓷、塑料塑料和和石英石英等。等。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如例如锗锗、硅硅、砷化镓砷化镓和和一些硫化物一些硫化物、氧化物氧化物等等半导体的特点半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电
2、能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。明显改变。1.本征半导体本征半导体GeSi本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理纯净的半导体纯净的半导体。如：硅和锗如：硅和锗最外层最外层四个四个价电子价电子共价键结构共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子表示除去价电子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成，常温下束缚电子很难脱离共价键成为为自由电子自由电子，因此本征半导体中
3、的自由电子很少，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4 在热或光激发下，使一些价电子获得足够在热或光激发下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。+4+4+4+4空穴空穴束缚束缚电子电子自由自
4、由电子电子 在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此电荷的移动，因此可以认为可以认为空穴是带正电的载流子空穴是带正电的载流子。+4+4+4+4自由电子自由电子或或空穴空穴的运动形成电流的运动形成电流 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为出现的，称为电子电子空穴空穴对。对。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流载流子子
5、，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高载流子的载流子的浓度浓度越高越高本征半导本征半导体的体的导电能力导电能力越强。越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳 2.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质，在本征半导体中掺入某些微量杂质，使杂质半导体某种载流子浓度大大增加。使杂质半导体某种载流子浓度大大增加。+4+4+5+41 1）N N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加。多
6、数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。2 2）P P型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子 归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。
7、4、N型半导体中型半导体中电子是多子电子是多子，空穴是少子空穴是少子；P型半导体中型半导体中空穴是多子空穴是多子，电子是少子电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。度，少数载流子的数量取决于温度。杂质半导体的导电机理杂质半导体的导电机理 杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P型半导体型半导体+N型半导体型半导体+空间电荷区空间电荷区N区区
8、P区区一、一、PNPN结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。结。7.1.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区形成内电场形成内电场内电场阻止多子扩散，促使少子漂移内电场阻止多子扩散，促使少子漂移多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_I
9、正正二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性导通导通 PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_I反反截止截止 7.1.2 半导体二极管的基本结构半导体二极管的基本结构一、基本结构一、基本结构PN结结+管壳和引线管壳和引线PN阳极阳极阴极阴极符号：符号：D分类：分类：点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型 1.1.1什么是半导体什么是半导体2 载流子：半导体中，携带电荷参与导电的粒子。载流子：半导体中，携带电荷参与导电的粒子。自由电子：带负电荷自由电子：带负电荷空穴：带与自由电子等量的正电荷空穴：带与自由电子等量的正电荷均可运载电荷均可运载电荷载流子载流子特特性性
10、：在在外外电电场场作作用用下下，载载流流子子都都可可以以做做定定向向移移动动，形形成电流。成电流。1半半导导体体：导导电电能能力力介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间,且且随随着着掺掺入入杂杂质质、输输入入电电压压（电电流流）、温温度度和和光光照照条条件件的的不不同同而而发发生生很大变化，人们把这一类物质称为半导体。很大变化，人们把这一类物质称为半导体。1.1半导体二极管半导体二极管 3N 型半导体：主要靠电子导电的半导体。型半导体：主要靠电子导电的半导体。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。4P 型半导体：主要靠空穴导电的半导体。型半导体：主要
11、靠空穴导电的半导体。1.1.2PN 结结即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。PN 结结：经经过过特特殊殊的的工工艺艺加加工工，将将 P 型型半半导导体体和和 N 型型半半导导体体紧紧密密地地结结合合在在一一起起，则则在在两两种种半半导导体体的的交交界界面面就就会会出出现一个特殊的接触面，现一个特殊的接触面，称为称为 PN 结。结。PN 结具有单向导电特性。结具有单向导电特性。1.1半导体二极管半导体二极管（1）正正向向导导通通：电电源源正正极极接接 P 型型半半导导体体，负负极极接接 N 型型半半导导体，电流大。体，电流大。（2）反反向向截截止止：电
12、电源源正正极极接接 N 型型半半导导体体，负负极极接接 P 型型半半导导体，电流小。体，电流小。结结论论：PN 结结加加正正向向电电压压时时导导通通，加加反反向向电电压压时时截截止止，这这种种特性特性称为称为 PN 结的单向导电性。结的单向导电性。1.1半导体二极管半导体二极管 如如果果反反向向电电流流未未超超过过允允许许值值，反反向向电电压压撤撤除除后后，PN 结结仍能恢复单向导电性。仍能恢复单向导电性。反反向向击击穿穿：PN 结结两两端端外外加加的的反反向向电电压压增增加加到到一一定定值值时时，反向电流急剧增大，反向电流急剧增大，称为称为 PN 结的结的反向击穿。反向击穿。热热击击穿穿：若
13、若反反向向电电流流增增大大并并超超过过允允许许值值，会会使使 PN 结结烧烧坏，称为热击穿。坏，称为热击穿。结电容结电容：PN 结存结存在着电容，该电容为在着电容，该电容为 PN 结的结电容。结的结电容。1.1半导体二极管半导体二极管 1.1.3半导体二极管半导体二极管1半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号利利用用 PN 结结的的单单向向导导电电性性，可可以以用用来来制制造造一一种种半半导导体体器器件件 半导体二极管。半导体二极管。箭头表示正向导通电流的方向。箭头表示正向导通电流的方向。电路符号如图所示。电路符号如图所示。1.1半导体二极管半导体二极管 由由于于管管芯芯结结构构不不
14、同同，二二极极管管又又分分为为点点接接触触型型（如如图图 a）、面接触面接触型（如图型（如图 b）和平面型（如图）和平面型（如图 c）。）。点点接接触触型型：PN 结结接接触触面面小小，适适宜宜在在小电流状态下使用。小电流状态下使用。面面接接触触型型、平平面面型型：PN 结结接接触触面面大大，截截流流量量大大，适适合合于于大电流场合中使用。大电流场合中使用。1.1半导体二极管半导体二极管 2二极管的特性二极管的特性伏伏安安特特性性：二二极极管管的的导导电电性性能能由由加加在在二二极极管管两两端端的的电电压压和和流流过过二二极极管管的的电电流流来来决决定定，这这两两者者之之间间的的关关系系称称为
15、为二二极极管管的的伏伏安安特特性性。硅硅二二极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图所示。图所示。特性曲线特性曲线1.1半导体二极管半导体二极管 正正向向导导通通：当当外外加加电电压压大大于于死死区区电电压压后后，电电流流随随电电压压增大而急剧增大，二极管导通。增大而急剧增大，二极管导通。死死区区：当当正正向向电电压压较较小小时时，正正向向电电流流极极小小，二二极极管管呈呈现很大的电阻，如现很大的电阻，如 OA 段，通常把这个范围称为死区。段，通常把这个范围称为死区。死区电压：死区电压：导通电压：导通电压：=onV0.2 V 0.3 V（Ge）0.6 V 0.7 V（Si）结论：正偏时电阻小
16、，具有非线性。结论：正偏时电阻小，具有非线性。（1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）1.1半导体二极管半导体二极管 =(Si）V 0.2V 5.0TV(Ge）反反向向击击穿穿：若若反反向向电电压压不不断断增增大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。反反向向饱饱和和电电流流：当当加加反反向向电电压压时时，二二极极管管反反向向电电流流很很小小，而而且且在在很很大大范范围围内内不不随随反反向向电电压压的的变变化化而而变变化化，故故称称为为反向饱和电流。反向饱和电流。（2）反向特性
17、（二极管负极电压大于正极电压）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）普通二极管不允许出现此种状态。普通二极管不允许出现此种状态。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。二极管属于非线性器件二极管属于非线性器件 1.1半导体二极管半导体二极管 3半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数（1）最大整流电流最大整流电流 IF：二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。使使用用时时应应注注意意流流过过二二极极管管的的正正向向最最大大电电流流不不能能大大于
18、于这这个个数值，否则可能损坏二极管。数值，否则可能损坏二极管。（2）最高反向工作电压最高反向工作电压 VRM使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。1.1半导体二极管半导体二极管 1.2.1半导体三极管的基本结构与分类半导体三极管的基本结构与分类 1结构及符号结构及符号三三极极：发发射射极极 E、基极基极 B、集电极、集电极 C。三三区区：发发射射区区、基基区、集电区。区、集电区。1.2半导体三极管半导体三极管PNP 型及型及 NPN 型三极管的内部结构及符号如图所示。型三极管的内部结构及符号如图所示。实实际际上上发发射射极极箭箭头头方方向向就就
19、是是发发射射结结正正向向电电流方向。流方向。两两结结：发发射射结结、集集电结。电结。半导体三极管的结构和类型半导体三极管的结构和类型三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极，如下图所示。三极管有三个区：发射区发射载流子的区域；基区载流子传输的区域；集电区收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（极）、基极（极）和集电极（极）。发射区和基区在交界处形成发射结；基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如下图（a）、（b）所示。三极管的组成与符号（a）NPN型;（b）PNP型为使三极管具有电流放
20、大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。（2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。三极管的工作电压和基本连接方式三极管的工作电压和基本连接方式工作电压三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如下图所示，其中V为三极管，UCC为集电极
21、电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型：UCUBUE；对于PNP型：UEUBUC。三极管电源的接法（a）NPN型;（b）PNP型基本连接方式三极管有三个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为输入和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方式。（1）共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如下图（a）所示。（2）
22、共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如下图（b）所示。（3）共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如下图（c）所示。图中“”表示公共端，又称接地端。无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。三极管电路的三种组态（a）共发射极接法;（b）共基极接法（c）共集电极接法三极管的主要参数三极管的主要参数1）电流放大倍数2）极间反向电流3）极限参数（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM。（3）反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(B
23、R)EBO。场效应管场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。结型场效应管结构和符号结型场效应管结构和符
24、号结型场效应管（JFET）结构示意图如图（a）所示。N沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号;（c）外形图P沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号工作原理工作原理(以N沟道结型场效应管为例)场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS0，漏源之间加正向电压，即UDS0。当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。场效应管的工作原理UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断绝缘栅型场效应管绝缘栅
25、型场效应管在结型场效应管中，栅源间的输入电阻一般为10+610+9。由于PN结反偏时，总有一定的反向电流存，而且受温度的影响，因此，限制了结型场效应管输入电阻的进一步提高。而绝缘栅型场效应管的栅极与漏极、源极及沟道是绝缘的，输入电阻可高达10+9以上。由于这种场效应管是由金属（Metal）,氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故称MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式不同可以分为增强型和耗尽型两类。沟道增强型绝缘栅场效应管结构和符号沟道增强型绝缘栅场效应管结构和符号下图是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在
26、衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。绝缘栅场效应管的图形符号如下图（b）、(c)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(b)，否则为P沟道MOS管(图(c)。MOS管的结构及其图形符号下图是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图，图（b）是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。当U
27、GS=0时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流ID=0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故。N沟道增强型MOS管工作原理(a)示意图；(b)电路图当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚
28、刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。当UGSUGS(th)时，UGS增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。所以改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流ID的大小，随着UGS的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。必须强调，这种管子当UGS VT，在在绝绝缘缘层层和和衬衬底底之之间间感感应应出出一一个个反反型型层层，使使漏漏极极和和源源极极之之间间产产生生导导电电沟沟道道。在在漏漏、源源极极间间加加一一正正向向电电压压 VDS 时，将产生电流时，将产生电流 ID。总结：总结
29、：VGS 越越大大，导导电电沟沟道道越越宽宽，沟沟道道电电阻阻越越小小，ID 越越大大。则则通通过过调节调节 VGS可控制漏极电流可控制漏极电流 ID 。（3）输输出出特特性性和和转转移移特特性性（与晶体管类似）。（与晶体管类似）。1.3场效晶体管场效晶体管 3电压放大作用电压放大作用MOS 场场效效晶晶体体管管放放大大电电路路与与结结型型场场效效晶晶体体管管放放大大电电路路的的工作原理相似。工作原理相似。N 沟沟道道耗耗尽尽型型场场效效晶晶体体管管的的 VGS 可可取取负负值值，取取正正值值和和零零均能正常工作。均能正常工作。通通常常将将增增强强型型 MOS 管管简简写写为为 EMOS，耗耗
30、尽尽型型 MOS 管管简写为简写为 DMOS。1.3场效晶体管场效晶体管 1.3.3MOSFET 和三极管的比较和三极管的比较1MOSFET 温度稳定性好。温度稳定性好。2MOSFET 输输入入电电阻阻极极高高，因因此此，MOSFET 放放大大级级对对前级的放大能力影响极小。前级的放大能力影响极小。3MOSFET 存存放放时时，应应使使栅栅极极与与源源极极短短接接，避避免免栅栅极极悬空。悬空。4MOSFET 的源极和漏极可以互换使用。的源极和漏极可以互换使用。1.3场效晶体管场效晶体管 本章小结本章小结2晶晶体体二二极极管管的的核核心心是是 PN 结结，故故具具有有单单向向导导电电性性。二二极
31、极管管属属于于非非线线性性器器件件，其其伏伏安安特特性性是是非非线线性性的的。二二极极管管的的门门坎坎电电压压，硅硅管管约约 0.5 V，锗锗管管约约 0.2 V。导导通通电电压压，硅硅管管约约 0.7 V，锗锗管管约约 0.3 V。1本本征征半半导导体体内内存存在在两两种种载载流流子子：自自由由电电子子和和空空穴穴。杂杂质质半半导导体体有有 P 型型和和 N 型型两两种种，P 型型半半导导体体中中空空穴穴是是多多子子，N 型型半半导导体体中中自自由由电电子子是是多多子子。PN 结结是是在在 P 型型半半导导体体与与 N 型型半半导导体体交交界界面面附附近近形形成成的的空空间间电电荷荷区区，也
32、也叫叫阻阻挡挡层层或或耗耗尽尽层层。PN 结结具具有有单单向向导电性，即正偏时导通，反偏时截止。导电性，即正偏时导通，反偏时截止。4MOS 管管是是一一种种电电压压控控制制器器件件。MOS 管管的的优优点点是是：输输入入阻阻抗抗高高、受受幅幅射射和和温温度度影影响响小小、集集成成工工艺艺简简单单。超超大大规规模模集集成成电电路路主要应用主要应用 MOS 管。管。3晶晶体体三三极极管管是是一一种种电电流流控控制制器器件件，它它以以较较小小的的基基极极电电流流控控制制较较大大的的集集电电极极电电流流，以以较较小小的的基基极极电电流流变变化化控控制制较较大大的的集集电电极极电电流流变变化化。所所谓谓
33、电电流流放放大大作作用用，实实质质上上就就是是这这种种“小小控控制制大大”，“小小变变化化控控制制大大变变化化”的的作作用用。三三极极管管有有 PNP 型型和和 NPN 型型两两大大类类。管管外外有有三三个个电电极极：发发射射极极、基基极极和和集集电电极极；管管内内有有两两个个 PN 结结：发发射射结结和和集集电电结结。使使用用时时有有三三种种电电路路组组态态：共共发发射射极极、共共基基极极和和共共集集电电极极组组态态；三三种种工工作作状状态态：截截止止状状态态、饱饱和和状状态态和和放放大大状态。两种基本功能：开关功能和放大功能。状态。两种基本功能：开关功能和放大功能。第二专题常见模拟电路分析
34、 基本放大电路模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学放大的概念及放大电路的性能指标放大的概念及放大电路的性能指标一、一、什么是放大什么是放大1 1、概念：、概念：将微弱的电信号通过放大电路将微弱的电信号通过放大电路(也称放大器也称放大器)放大到具有足够大的功率放大到具有足够大的功率去推动负载，这就是放大。去推动负载，这就是放大。2 2、放大的本质：、放大的本质：能量的控制和转换；即在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源能量的控制和转换；即在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所的能量转换成负载所获得的能量，使负载从
35、电源获得的能量大于信号源所提供的能量。提供的能量。注意：只有在不失真的情况下放大才有意义。注意：只有在不失真的情况下放大才有意义。2.性能指标性能指标1)1)放大倍数：输出量与输入量之比放大倍数：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电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源信号源信号源内阻内阻输入电压输入电压输出电压输出电压输入电流输入电流输出电流输出电流任何放大电路均可看成为二端口网络。任何放大电路均可看成为二端口网络。2)2)输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻将输出等效成有将输出等效成有内阻的电压源，内内阻的电压源，内阻就是输出电阻。阻就是输出电阻。空载时输出电压
36、空载时输出电压有效值有效值带带RL时的输出电压有时的输出电压有效值效值输入电压与输入输入电压与输入电流有效值之比。电流有效值之比。从输入端看进去的从输入端看进去的等效电阻等效电阻3)3)通频带通频带4)最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uom：交流有效值。交流有效值。由于电容、电感及半导体器件由于电容、电感及半导体器件PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较结的电容效应，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。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。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率下限频率上限频率上限频率模拟电
37、子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(2)(2)输入回路应使交流信号电压能输入回路应使交流信号电压能加到管子上，加到管子上，使产生交流电流使产生交流电流第二节第二节 放大电路的组成及工作原理放大电路的组成及工作原理一、组成原则一、组成原则(1)(1)电源极性必须使放大管处于放大状态，电源极性必须使放大管处于放大状态，即即e e结正偏，结正偏，c c结反偏结反偏。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(3)(3)输出回路应使输出电流输出回路应使输出电流 尽可能多地流到尽可能多地流到负载上负载上，减少其他分流；，减少其他分流；(4)(4)为了保证放大电路不失真地为了保证放大
38、电路不失真地放大信号，必须在没有外加信放大信号，必须在没有外加信号时使放大管有一个合适的静号时使放大管有一个合适的静态工作点，称之为态工作点，称之为合理的设置合理的设置静态工作点静态工作点。三、设置静态工作点的必要性三、设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真！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点几乎影响着所有的动态参数！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？和极间电压？四、基本共射放大电
39、路的工作原理四、基本共射放大电路的工作原理饱和失真饱和失真截止失真截止失真底部失真底部失真顶部失真顶部失真动态信号驮动态信号驮载在静态之载在静态之上上输出和输入反相！输出和输入反相！要想不失真，就要在信号要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！终工作在放大区！波形分析波形分析五、放大电路的组成原则五、放大电路的组成原则静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载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。上能够获得放大了的动态信号
40、。对实用放大电路的要求：对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。可能少、负载上无直流分量。两种实用放大电路两种实用放大电路直接耦合放大电路直接耦合放大电路问题：问题：1.两种电源两种电源2.信号源与放大电路不信号源与放大电路不“共地共地”将两个电源将两个电源合二为一合二为一共地，且要使信号共地，且要使信号驮载在静态之上驮载在静态之上静态时，静态时，动态时，动态时，b-e间电压是间电压是uI与与Rb1上的上的电压之和。电压之和。两种实用放大电路两种实用放大电路阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路 耦合电容的容量应足够大，即对耦合电容的容量应足够大，即对
41、于交流信号近似为短路。其作用是于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流隔离直流、通过交流”。静态时，静态时，C1、C2上电压？上电压？动态时，动态时，C1、C2为耦合电容！为耦合电容！UBEQUCEQuBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。负载上只有交流信号。讨论1.用用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。的共射放大电路。2.用用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。型晶体管组成一个共射放大电路。照葫芦画瓢！照葫芦画瓢！清华大学华成英模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学V VBB
42、BB、R Rb b：使：使U UBEBE U Uonon，且有合适的，且有合适的I IB B。V VCCCC：使：使U UCECEU Uonon，同时作为负载的能源。，同时作为负载的能源。R Rc c：将：将i iC C转换成转换成u uCECE(u uo o)。动态信号作用时：动态信号作用时：二、基本共射放大电路二、基本共射放大电路C C1 1 C C2 2：隔直耦合电容：隔直耦合电容模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学习惯画法习惯画法单电源供电单电源供电7.5 多级放大电路多级放大电路7.5.1 阻容耦合多级放大电路阻容耦合多级放大电路阻容耦合多级放大电路阻容耦合多级放大电
43、路各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。1 1 1 1阻容耦合多级放大电路分析阻容耦合多级放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。输入电阻就是第一级的输入电阻。输出电阻就是最后一级的输出电阻。2 2 2 2阻容耦合多级放大的
44、频率特性和频率失真阻容耦合多级放大的频率特性和频率失真中频段中频段中频段中频段：电压放大倍数近似为常数。低低低低频频频频段段段段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高高高高频频频频段段段段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅幅幅幅频频频频特特特特性性性性，相位移与频率的函数关系称为相相相相频频频频特特特特性性
45、性性，二者统称为频频频频率率率率特特特特性性性性或或或或频频频频率率率率响响响响应应应应。放大电路呈现带通特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上上上上限限限限频频频频率率率率和下下下下限限限限频频频频率率率率，其差值称为通频带通频带通频带通频带。一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真频
46、率失真频率失真频率失真。7.5.2 直接耦合多级放大电路直接耦合多级放大电路直接耦合多级放大电路直接耦合多级放大电路优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。7.6 差动放大电路差动放大电路7.6.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及
47、精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。温度变化时两个单管放大电路的工作点都要发生变动，分别产生输出漂移uol和uo2。由于电路是对称的，所以uol=uo2，差动放大电路的输出漂移uouoluo20，即消除了零点漂移。1 1 1 1抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理2 2 2 2差模输入差模输入差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则：差模电压放大倍数：可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。3 3 3 3共模输入共模输入共模信号：两
48、输入端加的信号大小相等、极性相同。共模电压放大倍数：说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。共模抑制比：共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。在发射极电阻在发射极电阻在发射极电阻在发射极电阻R RE E的作用的作用的作用的作用：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。负电源负电源负电源负电源U UEEEE的作用的作用的作用的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。恒流源比发射极电
49、阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。7.6.2 差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等
50、效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入。单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。7.7 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路7.7.1 功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型1 1 1 1