電工學(xué)ch4 分立元件放大電路1

分立元件放大電路南京工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子系第四章5/12/20241、半導(dǎo)體器件2、基本放大電路3、放大電路中靜態(tài)工作點的穩(wěn)定4、共集電極放大電路5、多級放大電路第四章分立元件放大電路5/12/2024重點理解半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓二極管、晶體三極管的工作原理和主要參數(shù)；理解放大電路的基本性能指標；掌握共射極的微變等效電路分析方法。5/12/2024第一節(jié)半導(dǎo)體器件

PN結(jié)半導(dǎo)體二極管晶體三極管場效應(yīng)管5/12/2024一、PN結(jié)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/12/2024半導(dǎo)體:

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體為硅和鍺。

1、本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點:熱敏性:溫度升高導(dǎo)電能力增強；光敏性:光照增強導(dǎo)電能力增強；摻雜后導(dǎo)電能力劇增。5/12/2024本征半導(dǎo)體:

完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。+4+4+4+4共價鍵中的價電子被束縛很緊5/12/2024本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。

+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征激發(fā)5/12/20242、雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體由于載流子數(shù)量極少，因此導(dǎo)電能力很低。摻入有用雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體5/12/2024N型半導(dǎo)體自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。正離子。+4+4+4+4+5多余電子磷原子摻入五價元素在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮臃祷?/12/2024P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+3硼原子空穴摻入三價元素空穴稱為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。負離子5/12/20243、PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場E少子的漂移運動濃度差－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)5/12/2024

PN結(jié)的形成:當Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合在一起的時侯，由于交界面處存在載流子濃度的差異→多子擴散→產(chǎn)生空間電荷區(qū)和內(nèi)電場→內(nèi)電場阻礙多子擴散，有利少子漂移.

當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即ＰＮ結(jié)。5/12/20244、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓（正向偏置，P接正、N接負）時，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)，PN結(jié)正向電阻較小，正向電流較大。5/12/2024PN結(jié)加反向電壓（反向偏置，P接負、N接正）時，PN結(jié)處于反向截止狀態(tài)，PN結(jié)反向電阻較大，反向電流很小。5/12/2024二、半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)和類型二極管的伏安特性二極管的主要參數(shù)二極管的應(yīng)用穩(wěn)壓二極管5/12/20241、二極管的結(jié)構(gòu)和類型按結(jié)構(gòu)分二極管有點接觸型和面接觸型兩類。5/12/2024（c）符號5/12/20242、二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系。二極管本質(zhì)上是一個PN結(jié)，它具有單向?qū)щ娦?，分正向特性和反向特性兩部分?/12/2024PN+–UI硅管0.5V鍺管0.2V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降死區(qū)電壓外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性PN+–反向特性非線性反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V5/12/20243、二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IFM二極管長期使用時所允許通過的最大正向平均電流。（2）最高反向工作電壓URM是保證二極管不被擊穿而允許施加的最高反向電壓，一般是反向擊穿電壓1/2。（3）最大反向電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。5/12/20244、二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)整流、檢波、限幅、箝位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)取?/12/2024定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通（正向偏置）若V陽

<V陰或UD為負，二極管截止（反向偏置）

若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零相當于短路，反向截止時二極管相當于斷開。5/12/20245/12/2024ui>8V

二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V

二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。u218V8V例1D8VRuoui++––5/12/2024兩個二極管的陰極接在一起求：UAB取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=

－12VUD1=6V，UD2=12V∵

UD2>UD1∴VD2

優(yōu)先導(dǎo)通，VD1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=0VVD１6V12V3k

BAVD2UAB+–例25/12/20245/12/2024符號UZIZIZM

UZ

IZUI伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓

+–穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。返回5、穩(wěn)壓二極管5/12/2024主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)

ｕ環(huán)境溫度每變化1

C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZM愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。5/12/2024三、晶體三極管三極管的結(jié)構(gòu)與類型三極管的放大原理三極管的特性曲線三極管的主要參數(shù)5/12/20241、結(jié)構(gòu)與類型BECNNP基極發(fā)射極集電極PNP集電極基極發(fā)射極BCENPN型PNP型5/12/2024符號：BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管5/12/20242、電流分配關(guān)系和放大原理BECNNPEBRBECRC三極管放大的外部條件發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏從電位的角度看：

NPN發(fā)射結(jié)正偏VB>VE

集電結(jié)反偏VC>VB5/12/2024三極管的連接方式:方式信號輸入端輸出端共同端共基極發(fā)射極集電極基極共發(fā)射極基極集電極發(fā)射極共集電極基極發(fā)射極集電極5/12/20245/12/2024IB(mA)

00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0010.701.502.303.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05通過實驗及測量結(jié)果，得IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列數(shù)據(jù))5/12/2024晶體管的電流放大作用：IB的微小變化可以引起IC的較大變化(第三列與第四列的電流增量比)。實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是電流控制電流的放大器件。電流放大倍數(shù)5/12/2024小結(jié)：在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當IB有微小變化時還會引起IC的較大變化晶體管放大的外部條件－發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置晶體管是電流控制電流的放大器件5/12/20243、特性曲線

三極管的伏安特性反映了三極管電極之間電壓和電流的關(guān)系。要正確使用三極管必須了解其伏安特性。后一頁前一頁返回輸入特性輸出特性5/12/2024

實驗線路輸入回路輸出回路EBICmA

AVUCEUBERBIBECV共發(fā)射極電路

5/12/2024（1）輸入特性IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：硅UBE0.6~0.7V鍺UBE0.2~0.3V5/12/2024（2）輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，即IC=IB。此區(qū)域滿足IC=

IB

稱為線性區(qū)（放大區(qū)），具有恒流特性。5/12/2024IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A

UCEUBE,集電結(jié)正偏，

IBIC，稱為飽和區(qū)。

此區(qū)域中IC受UCE的影響較大返回5/12/2024IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,UBE

<

死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。為可靠截止，常取發(fā)射結(jié)零偏壓或反偏壓。5/12/2024輸出特性可劃分為三個區(qū)，分別代表晶體管的三種工作狀態(tài)。1）放大區(qū)(線性區(qū)，具有恒流特性)放大狀態(tài)

IC=IB，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。2）截止區(qū)（晶體管處于截止狀態(tài)）開關(guān)斷開

IB=0，IC0，UBE<死區(qū)電壓發(fā)射結(jié)反偏或零偏、集電結(jié)反偏。3）飽和區(qū)(管子處于飽和導(dǎo)通狀態(tài))開關(guān)閉合

IBIC，

UCEUBE,

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。5/12/20245/12/20244、主要參數(shù)

電流放大系數(shù)β，集-基極反向截止電流ICBO集-射極反向截止電流ICEO集電極最大允許電流ICM集-射極反向擊穿電壓

U(BR)EOC集電極最大允許耗散功率PCM5/12/2024直流電流放大系數(shù)：電流放大系數(shù)和工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號?；鶚O電流的變化量為

IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC。交流電流放大系數(shù)：一般小功率三極管大功率三極管5/12/20245/12/2024放大電路的功能：將微弱的電信號加以放大，在輸出端輸出一個與輸入信號波形相同而幅值增大的信號。放大電路的性能指標：電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶、非線性失真等。Auuotuituo+–ui+–第二節(jié)基本放大電路5/12/2024RBEBRCC1C2T++ECuo+–ui+–RSus+–RL++––

1.電路組成參考點ui+–uo+–一、放大電路的組成及工作原理

5/12/2024RBEBRCC1C2T++ECuo+–ui+–RSus+–RL++––

2.元件作用

放大元件,iC=

iB。要保證集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏,使T工作在放大區(qū)。使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當?shù)幕鶚O電流?；鶚O電源與基極電阻后一頁前一頁返回參考點5/12/2024RBEBRCC1C2T++ECuo+–ui+–RSus+–RL++––集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。耦合電容隔直傳交信號源負載5/12/2024RBEBRCC1C2T++ECuo+–ui+–RSus+–RL++––可以省去RB參考點+UCC輸入輸出5/12/20243.工作原理uBEtUBEiBtIBiCtIC靜態(tài):無輸入信號(ui

=0)時RCC1C2+++UCCRBiBiCuCEui+–uo+–uBE+–+–UCEuCEt5/12/2024uBEtuitiBtiCtuCEtuotUBEIBICUCE？無輸入信號時動態(tài):加有輸入信號時

uCE=VCC－iC

RC

RCC1C2+++UCCRBiBiCuCEui+–uo+–uBE+–+–5/12/2024結(jié)論：1）靜態(tài)時，三極管各電極都是恒定的電壓和電流:IB、UBE和

IC、UCE

。

(IB、UBE)

和(IC、UCE

)分別對應(yīng)于輸入、輸出特性曲線上的一個點稱為靜態(tài)工作點。IBUBEQIBUBEICUCEQUCEIC5/12/20242）動態(tài)時，各電極電流和電壓的大小均發(fā)生了變化，都在直流量的基礎(chǔ)上疊加了一個交流量。iCtiCtIC+iCtic集電極電流直流分量交流分量靜態(tài)分析動態(tài)分析5/12/20243）若參數(shù)選取得當，輸出電壓可比輸入電壓大，即電路具有電壓放大作用。4）輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180°,即共發(fā)射極電路具有反相作用。uituot5/12/2024二、放大電路的分析靜態(tài)分析（確定靜態(tài)工作點）：

估算法、圖解法

動態(tài)分析（計算放大電路的性能指標）：

微變等效電路法、圖解法5/12/20241、靜態(tài)分析（1）估算法求IB、IC、UCE

步驟：

1）畫出直流通路

2）根據(jù)直流通路估算IB3）估算IC4）根據(jù)直流通路估算UCE5/12/2024開路直流通路開路VT+RB+UCCRC后一頁前一頁+UCCRCC1C2+RBuoRLesRS+-+-1）畫出直流通路直流通路：無信號時直流電流的通路5/12/20242）根據(jù)直流通路估算IBRBRCIB

RB稱為偏置電阻，IB稱為偏置電流。+UCCUBE+–5/12/2024RBRC+UCC4）根據(jù)直流通道估算UCEIC根據(jù)電流放大作用UCE+–3）估算IC5/12/2024RBRCIB+UCCIC例1：用估算法計算靜態(tài)工作點。已知：UCC=12V，RC=4K

，RB=300K，=37.5。解：UCE+–UBE+–5/12/2024（2）圖解法：

UBE=UCC–IBRB直流偏置線RBRCIBICUCE+–UBE+–+UCC返回IBUBEQIBUBEUCCUCC/RB5/12/2024ICUCEUCE=UCC–ICRC

RBRCIBICUCE+–UBE+–+UCCUCCQ返回5/12/20245/12/20242、動態(tài)分析動態(tài)：

放大電路有交流信號輸入（ui

0）時的工作狀態(tài)。動態(tài)分析:

計算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等。5/12/2024（1）微變等效電路法1）輸入回路iBuBE當信號很小時，將輸入特性在小范圍內(nèi)近似線性。三極管的微變等效電路

UBE

IB對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻。rbe稱為晶體管輸入電阻。對于小功率三極管：5/12/20242）輸出回路iCuCE所以：輸出端相當于一個受ib控制的電流源。后一頁前一頁

IC

UCE特性曲線近似平行rce愈大，恒流特性愈好rce稱為晶體管輸出電阻返回5/12/2024ibicicBCEib

ib

rceCrbeBE晶體三極管微變等效電路后一頁前一頁ube+-uce+-ube+-uce+-rce很大，一般忽略。返回5/12/2024用微變等效電路法分析電路：畫出交流通路畫出微變等效電路求電壓放大倍數(shù)求輸入電阻求輸出電阻5/12/20241)畫交流通路:交流信號傳輸?shù)穆窂?信號源單獨作用的電路.短路短路對地短路+UCCRBRCC1C2RLuo+-esRS+-返回5/12/2024交流通路RBRCuiuoRLRSes++-+--返回RBRCC1C2RLuo+-esRS+-5/12/20242)畫出微變等效電路將交流通路中的三極管用微變等效電路代替后一頁前一頁分析時假設(shè)輸入為正弦交流，所以等效電路中的電壓與電流可用相量表示。RBRCuiuoRL++-rbe

ibibicRBRCRLEBCui+-uo+-rbeRBRCRL+--+返回5/12/20243)求電壓放大倍數(shù)：負載電阻越小，放大倍數(shù)越小。rbeRBRCRL+--+5/12/20244)求輸入電阻：放大電路對信號源來說，是一個負載，其大小可以用一個輸入電阻(等效電阻)來表示。定義：放大電路+-信號源+-5/12/2024輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，放大電路得到的信號電壓Ui也越大，因此一般希望輸入電阻大些。rbeRBRCRL+--+后一頁前一頁返回5/12/2024

5)求輸出電阻：對于負載而言，放大電路相當于一個信號源，而信號源的內(nèi)阻就是放大電路的輸出電阻。+_RLr0+_后一頁前一頁返回5/12/2024RL000rbeRBRC外加1）斷開負載RL2）ES=0,內(nèi)阻保留3）外加電壓4）求共發(fā)射極放大電路輸出電阻共射極放大電路特點：

1.放大倍數(shù)高;2.輸入電阻低;3.輸出電阻高.++--返回加壓求流法步驟:RS5/12/20245/12/2024(2)圖解法步驟:1）根據(jù)ui在輸入特性曲線上求iB

2）畫出交流負載線

3）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE

5/12/2024iBibtuiuBEQ60201）根據(jù)ui在輸入特性曲線上求iB5/12/2024RBRCRLuiuo交流通路交流信號的變化沿著斜率為：的直線。這條直線通過Q點，稱為交流負載線。2）畫出交流負載線

5/12/2024交流負載線的作法iCvCEECQIB過Q點作一條直線，斜率為：交流負載線5/12/2024uce與ui反相！iCuCEictucet3）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE5/12/2024iCuCE可輸出的最大不失真信號討論:靜態(tài)工作點的選擇與非線性失真5/12/2024iCuCEQ點過低，信號進入截止區(qū)放大電路產(chǎn)生截止失真5/12/2024iCuCEQ點過高，信號進入飽和區(qū)放大電路產(chǎn)生飽和失真ib輸入波形uo輸出波形5/12/2024第三節(jié)放大電路中靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

合理設(shè)置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的先決條件。但是放大電路的靜態(tài)工作點常因外界條件的變化而發(fā)生變動。前述的固定偏置放大電路，簡單、容易調(diào)整，但在溫度變化、三極管老化、電源電壓波動等外部因素的影響下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。5/12/20241.溫度變化對靜態(tài)工作點的影響在固定偏置放大電路中當UCC和

RB一定時，IC與UBE、

以及

ICEO

有關(guān)，這三個參數(shù)隨溫度而變化。

當溫度升高時，

UBE

、、ICBO

。溫度升高時，

IC將增加，使Q點沿負載線上移。后一頁前一頁返回5/12/2024iCuCEQ溫度升高時，輸出特性曲線上移結(jié)論：當溫度升高時，

IC將增加，使Q點沿負載線上移，容易使T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞三極管。Q′返回5/12/20242.分壓式偏置電路穩(wěn)定Q點的原理RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IBVB++++UCCuiuo++––5/12/2024RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IBVB++++UCCuiuo++––返回5/12/2024Q點穩(wěn)定的過程TUBEIBICUEICVB固定

RE:溫度補償電阻對直流：RE越大穩(wěn)Q效果越好；對交流：RE越大交流損失越大,為避免交流損失加旁路電容CE。I1I2IBVB+++RB1RCC1C2RB2CERERL+UCCuo+–ui+–5/12/20243.分壓式偏置電路的分析靜態(tài)分析RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IBVB++++UCCuiuo++––5/12/2024動態(tài)分析對交流:CE將RE短路，Au，ri，ro與固定偏置電路相同。I1I2IBVB+++RB1RCC1C2RB2CERERL+UCCuo+–ui+–旁路電容5/12/2024去掉CE后的微變等效電路+UCC短路對地短路C1RB1RCC2RB2RERLuo+–ui+–rbeRCRLRE++--5/12/2024Au減小(1)電壓放大倍數(shù)rbeRCRLRE++--5/12/2024(2)輸入電阻ri

和輸出電阻r0rbeRCRLRE+_+_5/12/2024無旁路電容CE有旁路電容CEAu減小ri

提高ro不變分壓式偏置電路5/12/2024例1:.在圖示放大電路中，已知UCC=12V,RC=6kΩ,RE1=300Ω，RE2=2.7KΩ，RB1=60kΩ，RB2=20kΩ

RL=6kΩ，晶體管β=50，UBE=0.6V,試求:(1)靜態(tài)工作點IB、IC及UCE；(2)畫出微變等效電路；(3)輸入電阻ri、r0及Ａu。RB1+UCCRCC1C2RB2CERE2RLuiuoRE1++

5/12/2024【解】RB1+UCCRCRB2RE2RE1直流通路如圖所示。5/12/2024微變等效電路如圖rbeRCRLRE1++

5/12/2024第四節(jié)共集電極放大電路RB+UCCRCC1C2RERLuiuo++––++5/12/2024RB+UCCRCRE直流通路一、

靜態(tài)分析RB+UCCRCC1C2RERLuiuo++––++5/12/2024二、動態(tài)分析1.電壓放大倍數(shù)

電壓放大倍數(shù)

且輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。rbeRERL++––5/12/20242.輸入電阻rbeRERL++––5/12/20243.輸出電阻斷開負載電阻，用加壓求流法求輸出電阻。置0后一頁前一頁

+RsrbeRERL+

ro返回5/12/2024一般所以后一頁前一頁RsrbeRE+_射極輸出器的輸出電阻很小，帶負載能力強。返回5/12/2024共集電極放大電路的特點：1.電壓放大倍數(shù)小于1，約等于12.輸