放大器的基本原.ppt

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1、,第二章 放大器的基本原理,第一节 晶体二极管,第二节 晶体三极管,第三节 基本放大电路,第四节 射极输出器,第五节 场效应管及其放大电路,第二章 放大器的基本原理,第二章 放大器的基本原理,第一节 晶体二极管,一、半导体的导电特性,三、晶体二极管及其特性,二、PN结及其单向导电性,四、特殊二极管,本征半导体（intrinsic semiconductor）,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）的原子结构：,一、半导体的导电特性,第二章 放大器的基本原理,Si,载流子（carrier）：热运动产生,自由电子空穴,常温下都可

2、以定向运动形成电流。,本征半导体内的自由电子和空穴总是成对出现，两种载流子的浓度相同。,第二章 放大器的基本原理,2.杂质半导体（extrinsic semiconductor）,掺入微量的5价元素,掺入微量的3价元素,N型半导体,P型半导体,第二章 放大器的基本原理,二、PN结的形成及其特性,扩散复合空间电荷区 内电场阻止扩散,少子漂移,漂移=扩散动态平衡PN结形成,第二章 放大器的基本原理,加正向电压（正向偏置）：E0与Ei 的方向相反 空间电荷区变窄 扩散电流变大PN结导通,加反向偏置：空间电荷区变宽 PN结截止,PN结的单向导电性：,第二章 放大器的基本原理,内电场被削弱，多子的扩散加

3、强能够形成较大的扩散电流。,*PN 结正向偏置,*PN 结反向偏置,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,PN结的单向导电性：,第二章 放大器的基本原理,三、晶体二极管及其特性,N区引出的电极是二极管的负极,晶体二极管,PN结两端引出电极,P区引出的电极是二极管的正极,第二章 放大器的基本原理,二极管的特性：,死区电压Uon：一般硅管为0.5V、锗管略小于0.2V。,正常工作管压降：硅管通常为0.7V、锗管0.20.3V。,二极管的伏安特性曲线,二极管具有单向导电性；二极管的伏安特性具有非线性；二极管的伏安特性与温度有关。,第二章 放大器的基本

4、原理,二极管的主要参数：,（1）最大整流电流：指二极管长时间工作时允许通过的最大正向平均电流，超过此值会损坏。（2）最大反向工作（峰值）电压：它是保证二极管能正常工作而设定的极限反向电压，一般定为反向击穿电压的一半或三分之二。（3）反向饱和电流：指二极管未被击穿前的最大反向电流，反映二极管的单向导电性能。（4）最高工作频率：指二极管正常工作的上限频率。,第二章 放大器的基本原理,四、特殊二极管,稳压二极管（zener diode）工作在反向击穿区的特殊二极管,所加的反向电压小于击穿电压时，稳压管有极大的内阻；超过反向击穿电压时，电流急剧增大，电流能在很大范围内变化，但管子两端的电压基本不变。,

5、第二章 放大器的基本原理,第二章 放大器的基本原理,第二章 放大器的基本原理,稳压管主要参数：稳定电压：正常工作时的稳定电压值。稳定电流：指稳压效果较好的工作电流。动态电阻：正常工作时的rU/I，它是衡量稳压管稳压性能好坏的指标，其值越小越好。最大允许耗散功率：管子不致发生热击穿的最大功率损耗。电压温度系数：指温度每增加1时，稳压值所变化的百分数。低于6V为负值 高于6V为正值 6V左右受温度的影响比较小,第二章 放大器的基本原理,变容二极管,（capacitance diode）,PN结电容效应：结电容随外加电压变化而显著改变的二极管，反向运用。,应用：电子调谐器,第二章 放大器的基本原理,

6、光电二极管,photo diode,反向偏置时，光照可使PN结产生新的载流子，虽然多子不能穿过PN结，但少子在内电场作用下可以漂移过结，反向饱和电流增加，形成光电流。,第二章 放大器的基本原理,发光二极管,light emitting diode，LED,在正向导通时会发光,正向电压作用下，一部分在PN结内扩散的自由电子和空穴发生直接复合。复合过程产生原子的能级跃迁，即从高能级跃迁至低能级，能量差将以光子形式向外发射。,第二章 放大器的基本原理,第二节 晶体三极管,一、晶体三极管的结构,二、晶体三极管的放大作用,三、晶体三极管的特性曲线,四、晶体三极管的主要参数,第二章 放大器的基本原理,一、

7、晶体三极管的结构,三区 三极 两结,基区 发射区 集电区基极B（base）发射极E（emitter）集电极C（collector）发射结 集电结,第二章 放大器的基本原理,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,制造工艺要求：,第二章 放大器的基本原理,二、晶体管三极的放大作用,共发射极接法:,基极电位高于发射极集电极电位高于基极 发射结-正向偏置 集电结-反向偏置,(UCUBUE),晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共 端，所以称这种电路为共发射极放大电路。还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。,第二章 放大器的基本原理,三极管放大原理：,EB,RB,IE,进

8、入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,第二章 放大器的基本原理,集电结反偏，有少子（空穴）形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为基区的少子，漂移进入集电区而被收集，形成ICE。,EB,RB,三极管放大原理：,第二章 放大器的基本原理,IB=IBE-ICBOIBE,EB,RB,三极管放大原理：,第二章 放大器的基本原理,发射区向基区发射电子：形成发射极电流IE 电子在基区中扩散与复合：形成基极电流IB 集电区收集电子：形成集电极电流IC,满足：基尔霍夫定律：IB IC IE,ICIB,直流电流

9、放大系数,ICIB,交流电流放大系数,基极电流一个很小的变化IB，可以引起集电极电流一个大的变化IC。,三极管放大原理：,第二章 放大器的基本原理,三、晶体三极管的特性曲线,实验电路：,输出特性曲线：,一般情况下均满足UCE1V，所以输入特性曲线通常只画出最右边那一条。,第二章 放大器的基本原理,输出特性曲线：,IB为常数时，IC与UCE之间函数关系曲线ICf（UCE）,随着UCE的增大，IC迅速增大。当UCE1V以后，UCE再增加，IC也几乎不再增大了。此时，IC主要由IB决定。,三个工作区,放大区：,截止区：发射结和集电结均反偏,饱和区：发射结和集电结均正偏,发射结正偏、集电结反偏 满足I

10、CIB,第二章 放大器的基本原理,四、晶体三极管的主要参数,1.电流放大系数,IC/IB UCE常数 直流电流放大系数,IC/IBUCE常数 交流电流放大系数,2.极间反向电流ICB0和ICE0,ICB0 发射极开路、集电结加反向电压时，在基 极回路中所测得的电流（反向饱和电流）。ICE0 基极开路时，集电极和发射极间的反向电 流（穿透电流）。,ICE0ICB0ICB0（1）ICB0,ICB0 越小越好，ICE0越大越好。他们都受温度影响。,第二章 放大器的基本原理,3.极限参数,(1)集电极最大允许电流ICM：值下降到原来的 2/3时的IC。,(2)集-射极击穿电压BUCE0：集电极和发射极

11、之间 的最大允许电压。,(4)集电极最大耗散功率PCM：温度升到晶体管的 最高允许温度时，在集电极上耗散的功率值被 规定为集电极最大耗散功率。,PCMICUCE,PCM1W的管子加散热片,(3)射-基极反向击穿电压BUEB0：集电极开路时，发射结允许的最大反向电压。,第二章 放大器的基本原理,五、多级放大电路,第三节 基本放大电路,一、放大电路的基本概念,二、基本放大电路及其工作状态分析,三、放大电路性能指标的计算,四、静态工作点稳定电路,第二章 放大器的基本原理,一、放大电路的基本概念,1信号的输入、输出和放大,基本作用:在输入信号幅度过低时，将信号原样放大，以便满足检测、传输或输出的需要。

12、,第二章 放大器的基本原理,2放大电路的主要性能指标,（1）电压放大倍数：,（2）输入电阻：,如果信号源的电动势为ES、内阻为RS,输入阻抗越大越好,rirbe,ri越大，ui就越大,第二章 放大器的基本原理,（3）输出电阻：当输入信号不变而负载电阻改变时，输出电压与输出电流之比。,负载RL实际获得的输出电压为,输出电阻越小越好：,ro越小，uo就越大，电路带负载的能力强，RL的变化对输出电压的影响也越小。,2放大电路的主要性能指标,第二章 放大器的基本原理,（4）通频带：,2放大电路的主要性能指标,下限频率,上限频率,放大电路在高频和低频端的放大倍数会明显下降。,通频带：,通频带越宽放大器适

13、应能力越强,第二章 放大器的基本原理,（5）噪声系数,信噪比应越大越好,（有用信号功率）,（噪声信号功率）,信噪比,噪声系数,衡量放大电路抑制噪声的能力,2放大电路的主要性能指标,第二章 放大器的基本原理,（1）共发射极放大电路的组成：,T：电流放大；C1、C2：隔直、耦合；EC：满足偏置、提供输出能量；RC：实现电压放大。,二 基本放大电路及其工作状态分析,1.基本放大电路,第二章 放大器的基本原理,（2）共发射极基本放大电路的工作过程：,ui（）iB（）iC（）uCE（）uo（）,第二章 放大器的基本原理,2.放大电路的静态工作点,放大电路没有输入信号时的工作状态。即确定放大电路的静态（即

14、直流）值IB、IC和UCE。,（1）直流通路法,开路,开路,ICIB,UCEECICRC,第二章 放大器的基本原理,（2）用图解法确定静态工作点：,线性元件上的电压与电流的关系：,晶体管电压与电流的关系：,输出特性曲线,交点为静态工作点,步骤：1作直流负载线：直线方程 UCEECICRC 2求IB：IBEC/RB 3交点Q为放大器的静态工作点,UCEECICRC 直流负载线,第二章 放大器的基本原理,3.放大电路的动态分析,交流通路：,交流负载线：,RLRC/RL,通过输出特性曲线上的Q点做斜率为-1/RL 一条直线，即为交流负载线。,电路的输出电压,交流负载线的斜率为,直流负载线的斜率为,交

15、流负载线比直流负载线陡。,第二章 放大器的基本原理,uiubeibicuceu0,动态分析过程：,瞬时极性：,第二章 放大器的基本原理,4放大电路的非线性失真（non-linear distortion）,因Q点设置不当或信号幅度过大，而使得放大电路超出晶体管线性工作范围所导致的输出信号失真。,分两种：饱和失真 Q点靠近饱和区 截止失真 Q点靠近截止区,第二章 放大器的基本原理,三 放大电路性能指标的计算,1.微变等效电路,输入回路将三极管等效为一只电阻rbe，其定义为,输出回路可视为一只电流源，其大小被定义为,只在低频小信号情况下适用,第二章 放大器的基本原理,2.用微变等效电路计算性能指标

16、,NPN型共发射极放大电路的微变等效电路,电压放大倍数：,输入阻抗：,输出阻抗：,第二章 放大器的基本原理,四、静态工作点的稳定电路,当温度升高时，反向饱和电流 ICBO和 ICEO都将增加，而且温度升高还会提高三极管的值，从而引起IC增大，使输出特性曲线整体上移。,原来设置好的工作点发生偏移。,导致,第二章 放大器的基本原理,改进电路,分压式偏置放大电路,不能太大,旁路电容,RB1、RB2组成了电源EC的分压电路。,IB1IB2IBIB2 三极管参数引起的IB变化基本上不会影响UB。,固定UB：,稳定过程：,tICIEIEREUEUBE（UBUE）IBIC,第二章 放大器的基本原理,五、多级

17、放大器,总放大倍数：Au Au1 Au2 Aun,输入电阻就是输入级的输入电阻，输出电阻就是输出级的输出电阻。,阻容耦合：,第二章 放大器的基本原理,第四节 射极输出器,一、射极输出器的工作状态,二、射极输出器的应用,第二章 放大器的基本原理,射极输出器（emitter follower）=射极跟随器=共集电极放大器,输出信号是从发射极和集电极两端取出的。,一、射极输出器的工作状态,第二章 放大器的基本原理,1.静态分析,射极输出器直流通路,第二章 放大器的基本原理,2.动态分析,电压放大倍数接近1，且略小1。输出电压和输入电压同相位，具有跟随作用。,（1）电压放大倍数：,微变等效电路,第二章

18、 放大器的基本原理,（2）输入电阻,和共发射极电路不同的是：射极输出器大大提高了自身的输入电阻。,2.动态分析,第二章 放大器的基本原理,（3）输出电阻,射极输出器的输出电阻很低，有很强的带负载能力。,-恒压源。,2.动态分析,第二章 放大器的基本原理,二、射极输出器的应用,作输入级,输入电阻高,特性,应用,作输出级,输出电阻低,输入电阻高,输出电阻低,作中间级,效果,提高了放大倍数；减小了对信号源的影响,提高了驱动能力,电阻转换,第二章 放大器的基本原理,二、绝缘栅场效应管的主要参数,第五节 场效应管及其放大电路,一、绝缘栅型场效应管,三、场效应管基本放大电路,第二章 放大器的基本原理,一、

19、绝缘栅场效应管,N沟道增强型绝缘栅场效应管,（金属-氧化物-半导体场效应管）,Metal-Oxide-Semiconducter，MOS,MOS场效应管：,三个电极：栅极G、源极S和漏极D,NMOS,PMOS,增强型耗尽型,增强型耗尽型,第二章 放大器的基本原理,1.增强型绝缘栅场效应管,在UGS=0时没有导电沟道，只在UGS增加至电场达到一定强度后才能形成导电沟道。,第二章 放大器的基本原理,增强型NMOS的特性转移特性,开启电压UT：刚好能够形成导电沟道的栅源电压。,在MOS管的栅极和源极之间加输入信号，则通过输入电压UGS的电场效应可改变沟道电阻，从而实现对输出电流ID的控制。,第二章

20、放大器的基本原理,增强型NMOS的特性输出特性,可变电阻区：UDS较小，ID随UDS的增加而线性上升。,恒流区：UDS增至预夹断以后，ID基本不随UDS变化，而主要由UGS控制。,夹断区：当UGSUT时，导电沟道尚未形成，ID极小。,MOS管的电压控制性质,第二章 放大器的基本原理,2.耗尽型绝缘栅场效应管,在UGS=0 时也有导电沟道，但加反向栅源电压后，沟道中感应电子将减少。反向电压达到一定数值时，导电沟道消失。,第二章 放大器的基本原理,耗尽型NMOS的转移特性曲线,当UGS降至一定负值时，反型层消失，漏极电流ID则降为零，这时的UGS称为夹断电压（UP）。,第二章 放大器的基本原理,二、绝缘栅场效应管的主要参数,1.开启电压UT或夹断电压UP：,2.直流输入电阻RGS：即在栅、源极之间加的电压与栅极电流之比。非常大,3.低频跨导gm：表示场效应管放大能力。,gmID/UGSUDS常数,4.击穿电压,在保存时，必须将三个电极短接。,将MOS管漏源极联接起来的最小UGS为开启电压UT；使耗尽型管的漏极电流ID为零时的UGS为夹断电压UP。,第二章 放大器的基本原理,三、场效应管基本放大电路,耗尽型NMOS自给偏压电路,增强型NMOS分压偏置电路,第二章 放大器的基本原理,NMOS共源级分压式偏置电路分析,直流负载线：,交流通路,电压放大倍数：,输入电阻：,输出电阻：,