电子电路基础(北邮).ppt

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1、电子电路基础,林家儒 编著,北京邮电大学出版社,目 录,第一章 半导体器件基础 第二章 放大电路分析基础 第三章 放大电路的频率特性分析 第四章 场效应管放大电路特性分析 第五章 负反馈放大电路 第六章 功率放大电路 第七章 差动放大电路第八章 运算放大器和电压比较器 第九章 正弦波振荡器 第十章 直流电源,北京邮电大学出版社,第一章 半导体器件基础,1.1 半导体及其特性1.2 PN结及其特性1.3 半导体二极管1.4 半导体三极管及其工作原理1.5 三极管的共射特性曲线及主要参数,北京邮电大学出版社,1.1 半导体及其特性,本征半导体及其特性 定义：纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体

2、，称为本征半导体。晶体中的共价键具有很强的结合力，在常温下仅有极少数的价电子受热激发得到足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。,北京邮电大学出版社,1.1 半导体及其特性,运载电流的粒子称为载流子。在本征半导体中，自由电子和空穴都是载流子，这是半导体导电的特殊性质。半导体在受热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,北京邮电大学出版社,1.1 半导体及其特性,杂质半导体及其特性定义：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质元素的不同，可形成N（Negative）

3、型半导体和P（Positive）型半导体。,北京邮电大学出版社,1.1 半导体及其特性,N型半导体：在本征半导体中掺入少量的五价元素，如磷、砷和钨，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，形成N型半导体。由于五价元素很容易贡献出一个电子，称之为施主杂质。,北京邮电大学出版社,1.1 半导体及其特性,在N型半导体中，由于掺入了五价元素，自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导体中导电以电子为主，故自由电子为多数流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为少子。由于杂质原子可以供电子，故称之为施主原子。,北京邮电大学出版社,1.1 半导体及其特性,P型半导体：在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼

4、、铝和铟，使之取代一个四价元素在晶体中的位置，形成P型半导体。由于杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主杂质。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。,北京邮电大学出版社,1.2 PN结及其特性,PN结的原理采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在一起，使这两种杂质半导体在接触处保持晶格连续，在它们的交界面就形成PN结。,北京邮电大学出版社,1.2 PN结及其特性,在PN结中，由于P区的空穴浓度远远高于N区，P区的空穴越过交界面向N区移动；同时N区的自由电子浓度也远远高于P区，N区的电子越过交界面向P区移动；在半导体物理中，将这种移动称作扩散运动,北京邮电大学出版

5、社,1.2 PN结及其特性,扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，在PN结的交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，人们称此正负电荷区域为势垒区总的电位差称为势垒高度,北京邮电大学出版社,1.2 PN结及其特性,在势垒区两侧半导体中的少数载流子，由于杂乱无章的运动而进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子作定向运动。少子在电场作用下的定向运动称作漂移运动。在无外电场和无其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡。,北京邮电大学出版社,1.2 PN结及其特性,PN结的导电特性PN结外加正向电压

6、时处于导通状态 PN结外加反向电压时处于截止状态,北京邮电大学出版社,1.3 半导体二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为正极，由N区引出的电极为负极 一般来说，有三种方法来定量地分析一个电子器件的特性，即特性曲线图示法、解析式表示法和参数表示法,北京邮电大学出版社,1.3 半导体二极管,二极管的特性曲线,在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号UER表示。,北京邮电大学出版社,1.3 半导体二极管,

7、反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子空穴对。新产生的电子空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。,北京邮电大学出版社,1.3.2 二极管特性的解析式,理论分析得到二极管的伏安特性表达式为:式中IS为反向饱和电流，q为电子的电量，其值为

8、1.60210-19库仑；k是为玻耳兹曼常数，其值为1.3810-23J/K；T为绝对温度，在常温（20C）相当于K293K 令则二极管的伏安特性表达式为：,北京邮电大学出版社,1.3.3 二极管的等效电阻,直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9所示，在二极管的两端加直流电压UQ、产生直流电流IQ，此时直流等效电阻RD定义为交流等效电阻表示，在二极管直流工作点确定后，交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点Q一定，在二极管加有交流电压u，产生交流电流i，交流等效电阻rD定义为,北京邮电大学出版社,1.3.3 二极管的等效电阻,当二极管上的直流电压UD足够大时 在常

9、温情况下，二极管在直流工作点Q的交流等效电阻rD为,北京邮电大学出版社,1.3.3 二极管的等效电阻,图1-9(a)中的Q点，称为二极管的直流工作点，对应的直流电压UQ和直流电流IQ。当二极管的直流工作点Q确定后，直流等效电阻RD等于直线OQ斜率的倒数，RD值随工作点改变而发生变化,北京邮电大学出版社,1.3.4 二极管的主要参数,器件的参数是用以说明器件特性的数据。为了描述二极管的性能，通常引用以下几个主要参数:(1)最大整流电流IM：IM是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因为PN结的温度过

10、高而烧坏。(2)反向击穿电压UBR：UBR是二极管反向电流明显增大，超过某个规定值时的反向电压。(3)反向电流IS：IS是二极管未击穿时的反向饱和电流。IS愈小，二极管的单向导电性愈好，IS对温度非常敏感。(4)最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率。,北京邮电大学出版社,例1-1 图10(a)是由理想二极管D组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压UD为0、反向击穿电压UBR为，设电路的输入电压ui如图10(b)所示，试画出输出uo的波形解：由二极管的单向导电特性，输入信号正半周时二极管导通，负半周截止，故输出uo的波形如右图所示。,北京邮电大学出版社,1.3.5 稳压二极管,稳压二

11、极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内(或者说在一定的功率损耗范围内)，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。,稳压管的伏安特性及符号,北京邮电大学出版社,1.3.5 稳压二极管,稳压管的主要参数:(1)稳定电压UZ：UZ是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。(2)稳定电流IZ：IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至不稳压。(3)最大稳定电流IZM|：稳压管的电流超过此值时，会因结温升过高而损坏。(4)动态电阻rD：rD是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比。rD

12、愈小，稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子，rD将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子来说，工作电流愈大，rD愈小。,北京邮电大学出版社,例 1-3 图13是由稳压二极管DZ组成的电路，其稳压值为UZ。设电路的直流输入电压Ui，试讨论输出Uo的值。解：由戴维南电源等效定理，图13等效的等效定理如右图所示，其中当 时，稳压管稳压，输出；当 时，稳压管截止，输出。所以，时，输出；否则，。,北京邮电大学出版社,1.4 半导体三极管及其工作原理,三极管的结构及符号,北京邮电大学出版社,三极管的结构及符号,发射区与基区间的PN结称为发射结（简称E结），基区与集电区间的PN结称为集电结（简称C结）。半

13、导体三极管并不是简单地将两个PN结背靠背地连接起来。关键在于两个PN结连接处的半导体晶体要保持连续性，并且中间的基区面积很小且杂质浓度非常低；此外，发射区的掺杂浓度很高且面积比基区大得多，但比集电区小；集电区面积很大，掺杂浓度比基区高得多，但比发射区低得多。,北京邮电大学出版社,1.4.2 三极管的电流放大原理,放大电路的组成 图所示的是由NPN型三极管组成的基本共射放大电路。ui为交流输入电压信号，它接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极-发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。为了使三极管工作处在放大状态，在输入回路加基极直流电源

14、VBB，在输出回路加集电极直流电源VCC，且VCC大于VBB，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。,北京邮电大学出版社,PNP型三极管组成的基本共射放大电路如图1-17所示。比较图1-17和图1-16可以看到，为了使三极管工作处在放大状态，要求发射结正向偏置、集电结反向偏置，为此在图1-17中，在输入回路所加基极直流电源VBB及输出回路所加集电极直流电源VCC反向了，相应的直流电流IB、IC和IE也都反向了，这也是NPN型和PNP型三极管符号中发射极指示方向不同的含义所在。对于交流信号，这两种电路没有任何区别,北京邮电大学出版社,1.4.2 三极管的电流放大原理,电流放大原理 三极管的电流放大表

15、现为小的基极电流变化，引起较大的集电极电流变化。,北京邮电大学出版社,当交流输入电压信号ui 0时，直流电源VBB和VCC分别作用于放大电路的输入回路和输出回路，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。因为发射结加正向电压，并且大于发射结的开启电压，使发射结的势垒变窄，又因为发射区杂质浓度高，所以有大量自由电子因扩散运动源源不断地越过发射结到达基区，从而形成了发射极电流IE。由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，从发射区扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，形成基极电流IB，由此可见IBIE。绝大部分从发射区扩散到基区的电子在电源VCC的作用下，克服集电结的阻力，越过集电结到达集电区，形成集电极电流

16、IC。因此IBICIE。通过上面的分析得到，在输入回路中输入较小的电流IB，可以在输出回路得到较大的电流IC，也就是说电流放大了。当交流输入ui 0为小信号时，因为此时交流信号是叠加在直流上，如图1-18(b)所示，在输入回路产生直流电流IB与交流电流i B之和，由上面的分析，在输出回路得到直流电流IC与交流电流iC之和，同时交流电流i Bi C，即交流电流放大了。,北京邮电大学出版社,1.4.3 三极管的工作状态,1.放大状态在上面一部分中分析了三极管的放大原理。为了使三极管有放大能力，在输入回路加基极直流电源VBB，在输出回路加集电极直流电源VCC，且VCC大于VBB，使发射结正向偏置、集

17、电结反向偏置。此时称三极管处于放大状态，条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。2.饱和状态如果输出回路的集电极直流电源VCC小于输入回路的基极直流电源VBB，则发射结和集电结都是正向偏置。由于发射结和集电结都是正向偏置，在开始发射结和集电结上的势垒都变窄，使发射区和集电区的自由电子同时涌入基区，但是由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，涌入到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，形成基极电流IB，绝大部分扩散到基区的电子堆积在发射结和集电结附近，使发射结和集电结上的势垒加宽，阻止了发射区和集电区的自由电子进一步扩散到基区，由此可见，此时三极管没有放大能力。此种状态称三极管处于饱和状态，条件是发射结和

18、集电结都是正向偏置。3.截止状态如果在输入回路的基极直流电源VBB小于发射结的开启电压，则发射结处于零偏置或反偏置。由于外加电压没有达到发射结的开启电压，使发射区的自由电子不能越过发射结达到基区，不能形成电流，从而发射极、集电极和基极的电流都很小，也就谈不上放大了。此时称三极管处于截止状态，条件是发射结零偏置或反偏置、集电结反向偏置。,北京邮电大学出版社,1.4.4 三极管的电流放大倍数,集电极直流电流IC与基极直流电流IB之比称为共射直流电流放大倍数，用 表示由电路分析中相关定律得到、发射极直流电流集电极交流电流iC与基极交流电流iB之比称为共射交流电流放大倍数，用表示一般情况下,北京邮电大

19、学出版社,当以发射极直流电流IE作为输入电流，以集电极直流电流IC作为输出电流时，IC与IE之比称为共基直流电流放大倍数，用 表示共基交流电流放大倍数定义为同样，一般情况下 和 的关系为 或,北京邮电大学出版社,1.4 三极管的共射特性曲线及主要参数,输入特性曲线输入特性曲线描述了在三极管C、E极之间的管压降UCE一定的情况下，基极电流IB与发射结压降UBE之间的关系。,北京邮电大学出版社,1.4 三极管的共射特性曲线及主要参数,输出特性曲线三极管输出特性曲线是描述以基极电流IB为参量，集电极电流IC与三极管C、E极之间的管压降UCE之间的关系曲线。对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以输出

20、特性是一族曲线,北京邮电大学出版社,从输出特性曲线可以看出，三极管有三个工作区域：放大区、饱和区、截止区，分别对对应于三极管所设定的三个工作状态：即放大状态、饱和状态和截止状态。在放大区，由于发射结正向偏置，且集电结反向偏置，IC几乎仅仅由IB决定的，而与UCE无关，表现出IB对IC的控制作用，IC=IB，ic=iB。在饱和区，发射结与集电结均处于正向偏置，IC不仅与IB有关，而且明显的随UCE增大而增大，IC小于IB。在实际电路中，若三极管的UCE增大时，IB随之增大，但IC增大不多或基本不变，则说明三极管进入饱和区。对于小功率管，可以认为当UCE=UBE时，三极管处于临界状态，即处于临界饱

21、和或临界放大状态。在截止区，发射结电压小于开启电压，且集电结反向偏置，所以IB=0，IC很小，在近似分析中可以认为三极管截止时的IC0。,北京邮电大学出版社,1.4.3 三极管的主要参数,(一).直流参数1.共射直流电流放大倍数 2.共基直流电流放大倍数,(二).交流参数共射交流电流放大倍数 共基交流电流放大倍数特征频率fT,北京邮电大学出版社,1.4.3 三极管的主要参数,(三).极限参数 为了使三极管能够安全的工作，极限参数给出了对它的电压、电流和功率损耗的限制值。1.最大集电极耗散功率PCM PCM是在一定条件下，三极管允许的最大功耗。2.最大集电极电流ICM IC在相当大的范围内，电流

22、放大倍数值基本不变，但当IC的数值大到一定程度时值将减小。使值明显减小的IC即为ICM。通常，当三极管的IC大于ICM时，三极管不一定损坏，但值明显下降。此外，由于半导体材料的热敏性，三极管的参数几乎都与温度有关。对于电子电路，如果不能很好地解决温度稳定性问题，将不能使其实用，因此在设计和制作电子电路过程中，还应考虑温度对三极管参数的影响。,北京邮电大学出版社,第二章 放大电路分析基础,2.1 共射放大电路分析基础2.2 放大电路的图解分析2.3 放大电路的等效电路分析2.4 共集放大电路2.5 共基放大电路,北京邮电大学出版社,2.1 共射放大电路分析基础,2.1.1 放大的概念 在电子学中

23、，放大是利用半导体器件的特性来完成的，例如，在第一章中半导体三极管具有放大特性，即在三极管基极输入较小的电流（或电压），在集电极可以获得较大电流（或电压）。在电子学中，用半导体器件组成的、具有电流或电压（或者两者兼而有之）放大功能的电路称之为放大电路，或称放大器。,北京邮电大学出版社,2.1.2 基本共射放大电路的组成,由于输入回路与输出回路以发射极为公共端，故称之为共射放大电路。,北京邮电大学出版社,2.1.3 静态特性分析,1.静态工作点的确定在放大电路中，当有交流信号输入时，交流量与直流量共存，当交流信号为零时，三极管的基极电流IB、集电极电流IC、B-E极间的电压UBE、C-E极间的管

24、压降UCE称为放大电路的静态工作点Q（Quiescent），将这几个物理量分别记作IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。在近似估算中通常认为UBEQ为已知量，取三极管发射结的导通电压,北京邮电大学出版社,2.1.3 静态特性分析,令ui0，根据回路方程，得到静态工作点表达式静态工作点在三极管输出特性曲线中所对应的点如图所示,北京邮电大学出版社,2.1.3 静态特性分析,2.设置静态工作点的必要性在图所示电路中，如果基极电源VBB0，静态时基极直流电流IBQ0、集电极直流电流ICQ0、C-E极间的管压降UCEQVcc，三极管处于截止状态。当加入输入电压ui时，UBEui，若ui的峰值小于发射结的开

25、启电压，则在交流信号的整个周期内三极管始终处于截止状态，因而无交流输出；若ui的峰值很大，三极管在交流信号正半周大于发射结的开启电压的时间间隔内导通，所以输出必然严重失真。因此，只有在交流信号的整个周期内，三极管始终工作在放大状态，输出信号才可能不会产生失真，对于图所示的放大电路来说，放大才有意义。所以，在线性放大电路中，设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真是非常必要的。,北京邮电大学出版社,2.1.4 两种基本共射放大电路,1.直接耦合共射放大电路,该电路的静态工作点表达式,信号源uS和负载电阻RL均与放大电路直接相连，故称之为直接藕合放大电路。,北京邮电大学出版社,2.阻容藕合共

26、射放大电路,该电路的静态工作点表达式,北京邮电大学出版社,2.1.5 直流通路与交流通路,1.直流通路直流通路是指在直流电源所能作用到的那部分电路，也就是与电路静态特性有关的电路部分。用来研究电路的静态特性、分析静态工作点。对于直流通路，在电路中将电容视为开路、电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻)、交流电压信号源视为短路、交流电流信号源视为开路、保留交流信号源的内阻。,北京邮电大学出版社,2.1.5 直流通路与交流通路,2.交流通路交流通路是指放大电路中对交流特性有直接影响的那部分电路，用于研究放大电路的动态交流特性。对于交流通路，在电路中将电容(如耦合电容等)视为短路、无内阻的直流电压源(如V

27、CC)视为短路、直流恒流源视为开路。,北京邮电大学出版社,2.2 放大电路的图解分析,静态工作特性的分析如图所示共射放大电路，其中(a)为基本电路、(b)为直流通路、(c)为交流通路。,北京邮电大学出版社,在上图(b)直流通路中，放大电路的静态工作特性满足电路的回路方程(1)(2)式(1)说明三极管B-E极间的电压UBE与电流IB及电源VBB和电阻Rb的关系，又因为UBE与IB应满足三极管输入特性曲线的要求，在输入特性坐标系中，画出式(1)所确定的直线，它与横轴的交点为VBB，与纵轴的交点VBB/Rb，斜率为-1/Rb。直线与曲线的交点就是静态工作点Q，其横坐标值为UBEQ，纵坐标值为IBQ，

28、如图2-10(a)中所示。式(1)所确定的直线称为输入回路负载线。与输入回路相似，在放大电路的输出回路中，输出特性受到式(2)和三极管的输出特性曲线的共同约束。在输出特性坐标系中，画出式(2)所确定的直线，它与横轴的交点为VCC，与纵轴的交点为VCC/RC，斜率为-1/RC；并且找到IBIBQ的那条输出特性曲线，该曲线与上述直线的交点就是静态工作点Q，其纵坐标值为ICQ，横坐标值为UCEQ，如图2-10(b)所示。由式(2)所确定的直线称为输出回路直流负载线，简称直流负载线。,北京邮电大学出版社,图2-10 图解法分析静态特性,北京邮电大学出版社,2.2.2 动态特性分析,1.交流负载线从图2

29、-9(c)所示的交流通路看到，由于该放大电路是阻容耦合的，当电路带上负载电阻RL时，输出交流电压uO是集电极交流电流iC在集电极电阻RC和负载电阻RL并联总电阻上所产生的电压，即当iC确定后，输出电压的大小将取决于RC/RL，而不仅仅是RC。在静态特性分析中得到了直流负载线。在动态特性分析中，交流信号遵循的负载线称为交流负载线。与直流负载线类似，交流负载线的斜率为1/RC/RL，同时，由于输入电压ui0时，三极管的集电极电流为IC=ICQ，C-E极间的管压降为UCE=UCEQ，所以交流负载线必过Q点。因此，交流负载线的表达式为UCE=UCEQ+ICQ RC/RL-IC RC/RL,北京邮电大学

30、出版社,2.电压放大倍数当交流输入信号ui0时，输入回路方程为UBE=VBB+ui-IB RB该直线相对于输入回路负载线向右平移了ui，与横坐标的交点为VBB+ui，与纵坐标的交点为(VBB+ui)/Rb，与三极管输入特性曲线的交点表示了交流输入电流iB，如图(a)所示。在三极管的输出特性曲线中找到IB+iB的那条曲线，如图(b)所示，此曲线与交流负载线的交点为（UCEQ-uO，ICQ+iC），-uO为交流输出电压，从而得到放大电路的交流输出电压-uO与输入电压ui制比，即电压放大倍数Au为:,北京邮电大学出版社,3.输入、输出波形分析设输入电压ui为正弦波、且幅度较小，若静态工作点Q选的合适

31、，三极管的输入特性曲线在Q附近可视为直线，则三极管B、E间的交流电压uBE和基极电流iB也是正弦波，如图(a)所示。在放大区内，集电极交流电流iC与基极电流iB是倍线性关系，通过交流负载线，将集电极交流电流iC转变成交流输出电压uO，如图(b)所示。,北京邮电大学出版社,通过上面的分析得到放大电路在输入特性近似为线性时的各处的电压、电流波形，如图所示。,北京邮电大学出版社,若工作点选的过低，下图和右图显示了图解法分析波形失真及放大电路各点对应波形。从图中看出，由于工作点选的过低，当交流输入电压较大时，三极管进入了截止状态，从而产生了波形失真，称这种失真为截止失真。,北京邮电大学出版社,若工作点

32、选的过高，下图和右图显示了图解法分析波形失真及放大电路各点对应波形。从图中看出，由于工作点选的过高，当交流输入电压较大时，三极管进入了饱和状态，从而产生了波形失真，称这种失真为饱和失真。,北京邮电大学出版社,2.3 放大电路的等效电路分析,三极管的直流模型及静态工作点的估算 1.直流模型：,北京邮电大学出版社,三极管的直流模型及静态工作点的估算,2.静态工作点的估算在下面(b)图直流通路中，如果I1IB（大10倍以上），三极管基极电压UB几乎不受基极电流IB的影响，UB可以认为是由Rb1和Rb2决定的。如此忽略IB对基极电压UB的影响，基极电压UB为,北京邮电大学出版社,三极管的直流模型及静态

33、工作点的估算,利用三极管的直流模型，三极管发射极电压UE为发射极电流IEQ为基极电流IBQ为三极管C-E间电压UCEQ为,北京邮电大学出版社,例2-1 在图2-20(a)所示的直接耦合放大电路中，三极管发射极的导通电压UD=0.7V、100、输出特性曲线如图2-20(b)，VCC=12V，Rb1=15.69k，Rb2=1k，RC=3k，试计算其工作点、画出直流负载线、标出工作点。,北京邮电大学出版社,解:画出该放大电路的直流通路如右图所示UCEQ=VCC/2，说明静态工作点比较合适。根据电路回路方程，直流负载线满足直线方程UCE=VCCICRC，当IC0时，UCE=VCC=12V，当UCE0时

34、，ICVCC/RC=4mA，所以直流负载线及工作点Q如下图所示。,北京邮电大学出版社,2.3.2 三极管共射h参数等效模型,北京邮电大学出版社,简化h参数等效模型及rbe的表达式,1.简化h参数等效模型,北京邮电大学出版社,2.rbe的表达式当三极管处于放大状态时，在Q点附近，三极管的发射结可用一个电阻来等效，其等效结构如图(a)所示。三极管的输入回路的等效电路如图(b)所示。,北京邮电大学出版社,动态参数分析,下面以图(a)所示阻容耦合共射放大电路为例，介绍利用h参数等效电路来分析放大电路的动态特性。,北京邮电大学出版社,1.电压放大倍数Au uiiBrbe，uo-iB RC/RL 2.源电

35、压放大倍数AS,北京邮电大学出版社,3.输入电阻RiRi是从放大电路输入端看进去的等效电阻 4.输出电阻Ro首先令信号源电压uS0，在放大电路的输出端加电压uo，产生电流iC，由于输出端电压uo不能作用到输入回路，所以在输入回路中iB0，在输出回路中iB0，由此iCuo/RC。输出电阻Ro为,北京邮电大学出版社,例2-5 如图(a)所示的基本阻容耦合放大电路，设三极管发射极的导通电压UD=0.7V、rbb=133、100，VCC=12V，RS=1.23k，Rb=377k，RC=2k，RL=2k，各电容值足够大，试(1)计算工作点、(2)计算电压放大倍数Au、源电压放大倍数AS、输入电阻Ri、输

36、出电阻Ro。,北京邮电大学出版社,解:(1)画出该放大电路的直流如右图所示。,北京邮电大学出版社,(2)(k),北京邮电大学出版社,2.4 共集放大电路,电路组成,北京邮电大学出版社,2.4.2 静态特性分析,基极电流IBQ 发射极电流IEQ为三极管C-E间电压UCEQ为,北京邮电大学出版社,动态特性分析,1.电压放大倍数 uo(1+)iB RE，uiiBrbe+uoiBrbe+(1+)iB RE 当(1+)RE rbe时，Au1，即uoui。电路无电压放大能力，但是输出电流iE远大于输入电流iB，所以电路仍有功率放大作用。,北京邮电大学出版社,2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro共集放大电路输入

37、电阻大、输出电阻小，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级,北京邮电大学出版社,例2-7 在图2-27(a)所示电路中，VCC=12V，RS=1k，Rb=265k，RE=3k；三极管的导通电压UD=0.7V，rbb=200，=99。试计算静态工作点、Au、Ri和Ro。解:由式(2.32)(2.34),北京邮电大学出版社,2.4 共基放大电路,电路组成：,北京邮电大学出版社,静态特性分析,发射极电流IEQ为集电极电流ICQ为基极电流IBQ为三极管发射极电压UE为三极管集电极电压UC为三极管C-E间电压UCEQ为,北京邮电大学出版社,动态特性分析,1.电压

38、放大倍数Au2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro,北京邮电大学出版社,2.4.3 三种基本电路比较,共射电路既有放大电流能力，又有能放大电压能力；输入电阻在三种电路中居中，输出电阻较大，频带较窄。常作为低频电压放大电路的单元电路。共集电路只能放大电流不能放大电压；在三种基本电路中，输入电阻最大、输出电阻最小，并具有电压跟随的特点。常用于电压放大电路的输人级和输出级，在功率放大电路中也常采用射极输出的形式。共基电路只能做电压放大，不能放大电流；输入电阻小，电压放大倍数和输出电阻与共射电路相当；频率特性是三种接法中最好的电路。常用于宽频带放大电路。,北京邮电大学出版社,第三章 放大电路的频率特性分析,

39、第一节 频率特性分析基础第二节 三极管的高频等效模型第三节 三极管交流放大倍数的频率特性第四节 单管放大电路的频率特性,北京邮电大学出版社,3.1 频率特性分析基础,3.1.1 低通电路传递函数为,北京邮电大学出版社,定义电路的时间常数RC，令H1/，则 的幅值和相角可表示为,称fH为低通电路的上截止频率。,北京邮电大学出版社,3.1.2 高通电路,传递函数为 与低通电路相同，电路的时间常数RC，令L1/，则,称fL为高通电路的下截止频率。,北京邮电大学出版社,的幅值和相角可表示为,对于放大电路，其上截止频率fH与下截止频率fL之差即是它的通频带Bw，即,北京邮电大学出版社,3.1.2 波特图

40、,在研究电路的频率特性时，采用对数坐标系画出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，称之为波特图。1.低通电路频率特性的波特图对低通电路的幅频特性表达式取以10为底的对数得到：,北京邮电大学出版社,2.高通电路频率特性的波特图对于高通电路，对数幅频特性和对数相频特性的表达式为：,北京邮电大学出版社,3.2三极管的高频等效模型,三极管的PN结电容效应及其等效高频结构 PN结的势垒区，对PN结以外的电路来说，等效为电容，称之为势垒电容。当PN结处于正向偏置时，PN结两边半导体内的多子扩散作用加强，即从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的电子数量增多。此时，在P区和N区内将形成一定数量的瞬间空穴电子对

41、（如图3-5所示），空穴电子对的数量与外加正向电压成正比。PN结的这种特性对于外电路来说，也等效为电容，称之为扩散电容。PN结的等效电容特性在外加信号频率较低时，作用甚微，因此忽略。但在分析电路的高频特性时，不容忽视。,北京邮电大学出版社,三极管的PN结电容效应及其等效高频结构,PN结电容效应,三极管高频等效结构,北京邮电大学出版社,3.2.2 共射混合模型,由半导体物理的理论，三极管的受控电流iC与发射结电压ube成线性关系，且与信号频率无关。因此，在高频混合模型中引入了一个新参数gm，称为跨导。gm是一个常量，表明ube对iC的控制关系，iCgmube。,北京邮电大学出版社,3.2.3 简

42、化单向化混合模型,将电容Cbc等效到输入和输出回路 因为电容Cbc的容值很小，忽略在输出回路的作用，得到三极管简化的单向化混合模型,CM被称为密勒电容。,北京邮电大学出版社,3.3 三极管交流放大倍数的频率特性,在高频段，当信号频率变化时iC与iB的关系也随之变化，即交流电流放大倍数不再是常量，而是频率的函数。,（CCbeCbc）,定义（上）截止频率：,北京邮电大学出版社,(jf)对数幅频特性和对数相频特性分别为,北京邮电大学出版社,定义fT是|(jf)|1时所对应的频率，fT即为三极管的特征频率。令式(3.28)中|(jf)|1（0dB），则考虑到0的平方远远大于1，得到三极管特征频率fT的

43、表达式为,北京邮电大学出版社,3.4 单管放大电路的频率特性,中频源电压放大倍数在3-14(b)所示的中频混合等效电路中，输入电阻RiRb/(rbb+rbe)Rb/rbe，从而该电路的中频源电压放大倍数ASM为,北京邮电大学出版社,3.4.2 低频段频率特性,该电路的低频源电压放大倍数ASL为,北京邮电大学出版社,对上式整理得到上式是一个高通特性表达式，所以下截止频率fL为该放大电路的低频源电压放大倍数ASL为,北京邮电大学出版社,相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4.3 高频段频率特性,上截止频率fH为,所以,北京邮电大学出版社,相应的对数幅频特性及相频特性的表

44、达式为,北京邮电大学出版社,3.4.4 全频段频率特性,北京邮电大学出版社,3.4.5 放大电路的增益带宽积,具有一阶低通和一阶高通特性的放大电路的对数幅频特性如图所示。该放大电路在中频增益为A0时，对应的上下截止频率和通频带分别为fH0、fL0和BW0。如果把增益降低，通频带加宽。设在中频增益为A1时，对应的上下截止频率和通频带分别为fH1、fL1和BW1。放大电路的增益与带宽满足一定的关系。在图中，由直角三角形abc的边角关系得到 整理后得到fT0为放大电路的0dB带宽（|A|1）,北京邮电大学出版社,同样在下截止频率时 一般情况下，放大电路的下截止频率很低（只有几赫兹到几十赫兹），尤其是

45、直接耦合放大电路，下截止频率为0，为此放大电路的通频带近似为,所以：,北京邮电大学出版社,第四章 场效应管放大电路特性分析,第一节 场效应管特性 第二节 场效应管的工作点设置及静态特性分析 第三节 场效应管的动态特性分析,北京邮电大学出版社,4.1 场效应管特性,4.1.1 结型场效应管符号及特性 1.符号 结型场效应管有N沟道型和P沟道型之分，与晶体三极管的NPN型和PNP型类似，其符号分别如图4-1(a)和(b)所示。三个极分别称为栅极，用符号G（Grid）表示；漏极，用符号D（Drain）表示；源极，用符号S（Source）表示。,2.转移特性 为了使场效应管正常工 作，需要在场效应管栅

46、源极之间加电压UGS(直流和交流)和在漏源极之间加电压UDS(直流和交流),北京邮电大学出版社,由于场效应管的输入电阻非常大，认为栅极电流IG0。漏极电流ID受栅源极间电压UGS控制，在UGS0时，ID最大，随着UGS的减小（负压），ID减小。理论分析表明，当漏源极间电压UGS足够大时，漏极电流ID与栅源极间电压UGS呈平方关系ID=IDSO(1-UGS/UGS(off)2 其中IDSO为UGS0时的漏极电流，UGS(off)称为夹断电压。图(b)给出了常见结型N沟道型场效应管的转移特性曲线。,北京邮电大学出版社,3.输出特性图4-2(c)给出了常见结型场效应管的输出特性曲线。在输出特性曲线中

47、，分为不饱和区、饱和区和击穿区。在不饱和区，漏源极间电压UDS较小，此时漏极电流ID随着UDS的增加近似线性增加。在饱和区，漏源极间电压UDS足够大，此时漏极电流ID随着UDS的增加而增加甚微，ID主要受栅源极间电压UGS控制，它们之间呈平方关系。当UDS很大时，出现击穿区，ID随着UDS的增加而迅猛增加。,北京邮电大学出版社,4.1.2 结型场效应管主要参数,1.直流参数结型场效应管的直流参数主要有：(1)栅源（交流）短路电流IDSO：结型场效应管在饱和区、UGS0时的漏极电流，它实际上是漏极电流ID的最大值。(2)夹断电压UGS(off)：在饱和区结型场效应管的漏极电流ID0（通常规定ID

48、50uA）所对应的栅源间的电压值。(3)栅源间电阻RGS：漏源极短路时，栅源极在一定条件下的等效电阻，RGS可达十几兆欧。2.小信号交流参数结型场效应管的小信号交流参数主要有：(1)正向跨导gm：在饱和区，固定漏极电压，漏极电流iD的变化量与栅源极间电压uGS的变化量之比，即。gm的大小表明了栅极电压对漏极电流的控制能力。,北京邮电大学出版社,正向跨导gm可表示为,(2)漏源等效电阻rDS：固定栅源极间电压，漏源极间的等效电阻。在不饱和区，rDS较小，在百欧的量级。在饱和区，rDS较大，在几十千欧左右。,北京邮电大学出版社,4.1.3 绝缘栅场效应管符号及特性,1.符号,符号 绝缘栅场效应管，

49、简称MOS场效应管（MOS：Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体），由于工艺和材料上的区别，有四种不同的类型：N沟道增强型和耗尽型、P沟道增强型和耗尽型，其符号分别如图4-3所示。,2.转移特性与结型场效应管类似，为了使场效应管正常工作，需要在绝缘栅场效应管栅源极之间加电压UGS和在漏源极之间加电压UDS，如图(a)所示。,3.输出特性图(c)给出了常见绝缘栅N沟道增强型场效应管的输出特性曲线。与结型场效应管的输出特性曲线没有多大区别。,北京邮电大学出版社,4.1.3 绝缘栅场效应管符号及特性,北京邮电大学出版社,4.1.4 绝缘栅效应管主要参数,1.直流参数绝

50、缘栅场效应管的直流参数主要有：(1)栅源（交流）短路电流IDSX：结型场效应管在饱和区、UGSUGSX时的漏极电流。IDSX与结型场效应管的IDSO略有区别，IDSX不表示绝缘栅场效应管的漏极电流的最大值。(2)开启电压UGS(th)：与结型场效应管的夹断电压UGS(off)相同。(3)栅源间电阻RGS：与结型场效应管相同。绝缘栅场效应管的RGS比结型场效应管的要大，绝缘栅的RGS可达几千兆欧。2.小信号交流参数绝缘栅场效应管的正向跨导gm与结型的相同。漏源等效电阻rDS与结型的相同。,北京邮电大学出版社,4.2 场效应管的工作点设置及静态特性分析,共源放大电路,图4-6 共源放大电路,图4-