放大器的基本原理

放大器的基本原理醫(yī)學(xué)信號往往很微弱，需通過不失真地放大后，才能進(jìn)行測量、顯示和記錄。本章介紹放大電路中的元器件，如PN結(jié)，晶體二極管、穩(wěn)壓管、晶體三極管的基本原理、主要參數(shù)，然后介紹用圖解法和微變等效電路法分析交流小信號電壓放大器原理及簡單的參數(shù)計(jì)算，最后簡要介紹場效應(yīng)管的基本原理及其放大電路。第一節(jié)晶體二極管第二節(jié)晶體三極管第三節(jié)基本放大電路第四節(jié)放大器的主要性能指標(biāo)第五節(jié)多級放大器第六節(jié)場效應(yīng)管放大器主要內(nèi)容第一節(jié)晶體二極管一.半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、鍺、砷化物和硫化物等材料。分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體（semiconductor)稱為本征半導(dǎo)體。如經(jīng)過提純的硅、鍺等。每個(gè)原子的外層有四個(gè)價(jià)電子，與相鄰原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵。在絕對零度時(shí)，價(jià)電子處于穩(wěn)定狀態(tài)，純凈的半導(dǎo)體中基本上沒有自由電子。在常溫(300K)下，由于熱運(yùn)動，少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在原處留下的空位稱為空穴，形成電子-空穴對。自由電子和空穴都可以在半導(dǎo)體中自由移動。

空穴的移動方式是：有空穴的原子把相鄰原子中的價(jià)電子吸引過來，填補(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)在這個(gè)相鄰原子中就出現(xiàn)一個(gè)新的空穴。有空穴的原子缺少一個(gè)價(jià)電子，帶有正電荷，所以空穴的移動像一個(gè)正電荷在移動。在外電場的作用下，自由電子和空穴均能形成定向運(yùn)動，構(gòu)成電流。從這個(gè)意義上講，自由電子和空穴都稱為載流子。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體里，由于共價(jià)鍵的束縛，自由電子與空穴的數(shù)目很少，因而導(dǎo)電能力很差。要提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，必須在本征半導(dǎo)體中摻入其它少量合適的元素。這些元素對半導(dǎo)體基體而言，叫做雜質(zhì)。摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫做雜質(zhì)半導(dǎo)體。它分為N型(negativetype)半導(dǎo)體和P型(positivetype)半導(dǎo)體兩種類型。(1)N型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體中摻入少量5價(jià)元素（如磷、砷等）。可使半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子濃度大大提高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。在這類半導(dǎo)體中，自由電子是主要載流子，濃度遠(yuǎn)大于空穴。自由電子被稱為多數(shù)載流子（多子），而空穴則為少數(shù)載流子（少子）。N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體自由電子電子空穴對(2)P型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體中摻入少量3價(jià)元素（如硼、鋁等）?？墒拱雽?dǎo)體內(nèi)的空穴濃度大大提高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。在這類半導(dǎo)體中，空穴是主要載流子，濃度遠(yuǎn)大于自由電子。空穴被稱為多子，而自由電子則為少子。

P型半導(dǎo)體空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體空穴電子空穴對二.PN結(jié)的形成及特性1.PN結(jié)的形成用一定的工藝方法把P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，會在兩者結(jié)合處形成一層帶電的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)(PNjunction)。PN結(jié)是構(gòu)成晶體二極管、三極管、集成電路等半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。多子的擴(kuò)散電子-空穴對的復(fù)合

內(nèi)部電場的形成少子的漂移運(yùn)動

漂移電流P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。當(dāng)多子的擴(kuò)散與少子的漂移兩種運(yùn)動相等時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相等，這種狀態(tài)稱為動態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)，空間電荷區(qū)的厚度就確定下來，內(nèi)電場Ei也達(dá)到一穩(wěn)定值。PN結(jié)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但載流子的運(yùn)動過程仍在不斷的進(jìn)行，只是單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散的載流子數(shù)與漂移的載流子數(shù)相等。因空間電荷區(qū)有阻擋擴(kuò)散運(yùn)動的作用，故稱為阻擋層。又由于空間電荷區(qū)中基本上沒有載流子，因而亦稱為耗盡層。在動態(tài)平衡時(shí)的空間電荷區(qū)就是PN結(jié)。2.PN結(jié)的導(dǎo)電性能在PN結(jié)兩端加不同極性的直流電壓，其導(dǎo)電性能有很大差異。（1）加正向電壓，PN結(jié)導(dǎo)通當(dāng)外電源的正極接P區(qū)、負(fù)極接N區(qū)時(shí)，PN結(jié)加的是正向電壓，這種連接方式稱為正向偏置。－－－－++++REPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。外電場E0削弱了PN結(jié)的內(nèi)電場Ei，使空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行，而不利于漂移運(yùn)動。這樣P區(qū)和N區(qū)的多子就能順利地通過PN結(jié)，同時(shí)外部電源又不斷地向半導(dǎo)體提供空穴及電子，形成較大的擴(kuò)散電流，稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很小。(2)加反向電壓，PN結(jié)截止當(dāng)外電源正極接N區(qū)、負(fù)極接P區(qū)時(shí)，PN結(jié)加的是反向電壓，稱為反向偏置。這時(shí)外電場E0加強(qiáng)了PN結(jié)的內(nèi)電場，空間電荷區(qū)變寬，阻止了擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，幾乎沒有多子能通過PN結(jié)。此時(shí)回路中幾乎無電流流通，即I≈0，稱PN結(jié)處于反向截止?fàn)顟B(tài)，呈現(xiàn)很大的電阻?？偨Y(jié)：可見，當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通；當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)截止。這一特性，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，它是PN結(jié)的最重要的電特性。三.二極管的結(jié)構(gòu)及特性

在PN結(jié)兩端引出相應(yīng)的電極并加上外殼，即作成了二極管(diode)，如右圖所示。由P區(qū)引出的電極叫正(或陽)極(A)，由N區(qū)引出的電極叫負(fù)(或陰)極(K)，符號中的箭頭指向表示正向?qū)?即電流)方向。1.二極管的伏安特性二極管端電壓U與通過電流I之間的關(guān)系叫做二極管的伏安特性。二極管的伏安特性分為正向特性和反向特性，有著不同的特點(diǎn)。二極管的伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR反向飽和電流0ADB正向特性：死區(qū)，死區(qū)電壓正常工作區(qū)，管壓降注意硅管與鍺管的區(qū)別反向特性：反向飽和電流反向擊穿，反向擊穿電壓反向擊穿的原因及其保護(hù)2.二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流：指二極管長期工作時(shí)允許通過的最大正向電流，使用時(shí)不應(yīng)超過此值，否則會損壞管子。(2)最大反向電壓：指二極管在正常使用時(shí)不允許超過的反向電壓的極限值。為確保管子安全工作，最大反向電壓一般為擊穿電壓的一半。(3)反向飽和電流：即二極管加反向電壓時(shí)，未被擊穿前電流的最大值。這個(gè)電流值越大，表明二極管的單向?qū)щ娦栽讲?。?穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管(zenerdiode)是一種經(jīng)過特殊工藝制成的晶體二極管。它工作在反向擊穿區(qū)，而且其反向擊穿是可逆的。由擊穿轉(zhuǎn)化為穩(wěn)壓的條件除制造工藝加以保證外，外部電路中還應(yīng)有限流措施，否則，流過穩(wěn)壓管的電流如果超過其最大允許電流，穩(wěn)壓管就會因熱擊穿而損壞。1.穩(wěn)壓二極管的伏安特性反向特性與普通二極管不同。當(dāng)所加的反向電壓小于擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓管具有極大的內(nèi)阻，其反向飽和電流近似為零，即圖中的0A段；當(dāng)所加電壓超過反向擊穿電壓時(shí)，電流急劇增大，AB段所示。穩(wěn)壓管被擊穿以后，電流能在很大范圍內(nèi)變化，但管子兩端的電壓基本上保持不變，利用這一特性可以進(jìn)行穩(wěn)壓。

2．主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓：指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的穩(wěn)定電壓值。由于工藝問題，同一型號的不同穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值也不完全相同，如2CWl8穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值在10V至12V之間。(2)穩(wěn)定電流：指穩(wěn)壓效果較好的工作電流，可從有關(guān)的手冊上查到。(3)動態(tài)電阻：指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電壓變化量與電流變化量之比，即r=?U/?I，是衡量穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好壞的指標(biāo)，其值越小越好。(4)最大允許耗散功率：管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。(5)電壓溫度系數(shù)：指溫度每增加1℃時(shí)，穩(wěn)壓值所變化的百分?jǐn)?shù)，它表明了穩(wěn)壓值受溫度影響的大小。一般說來，低于6V的穩(wěn)壓管的電壓溫度系數(shù)為負(fù)值，高于6V的穩(wěn)壓管，電壓溫度系數(shù)為正值，而6V左右的管子，其穩(wěn)壓值受溫度的影響就比較小。因此在要求穩(wěn)定度較高的情況下，常選用6V左右的穩(wěn)壓管。或選用兩個(gè)溫度系數(shù)一正一負(fù)(其值相等)的穩(wěn)壓管串聯(lián)使用，以消除溫度造成的影響。

第二節(jié)晶體三極管

晶體三極管是電子線路中的核心器件，它的突出特點(diǎn)是在一定的外加電壓條件下具有電流放大作用。一.晶體三極管的結(jié)構(gòu)

晶體三極管(transistor)簡稱為晶體管或三極管，其基本結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)PN結(jié)的組合方式不同，分為NPN和PNP兩種；根據(jù)使用材料不同，分為硅管和鍺管。PNP型或NPN型三極管，均可分為三個(gè)區(qū)，即發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。從這三個(gè)區(qū)分別引出三個(gè)電極，即發(fā)射極(emitter)e、基極(base)b和集電極(collector)c。圖中箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)電流的方向。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是同類型的半導(dǎo)體(N或P型)。發(fā)射區(qū)雜質(zhì)的濃度要比集電區(qū)大，以便發(fā)射更多的載流子。集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)大，以便收集載流子?；鶇^(qū)總是做得很薄，約幾微米至幾十微米，而且雜質(zhì)濃度低，這樣形成兩個(gè)靠得很近的PN結(jié)?；鶇^(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)叫做發(fā)射結(jié)，基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)叫做集電結(jié)。二.晶體管的放大作用將NPN型三極管按右圖的電路連接。其中發(fā)射極是公共接地端，故這種連接叫共發(fā)射極接法，是三極管最常使用的形式。要使三極管具有放大作用，必須在各電極之間加上極性正確、大小適當(dāng)?shù)碾妷海浩浠鶚O電位應(yīng)高于發(fā)射極，集電極電位應(yīng)高于基極，即Uc>UB>UE，從而使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置。這就是晶體三極管實(shí)現(xiàn)放大作用的外部條件。

BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IB進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IB

，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。晶體三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律BECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO，可忽略。ICBOIBIC從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成IC。IB+IC=IE發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子：形成IE。電子在基區(qū)中擴(kuò)散與復(fù)合：形成IB。集電區(qū)收集電子：形成IC。根據(jù)基爾霍夫第一定律，有：IB+IC=IE?；鶚O電流和集電極電流之間存在著比例關(guān)系，即，其比例系數(shù)叫直流電流放大系數(shù)。若取電流的變化量，則有，β為交流放大系數(shù)。

這表明基極電流一個(gè)很小的變化，可以引起集電極電流一個(gè)很大的變化。這就是晶體三極管的電流放大作用。從電壓關(guān)系上看，當(dāng)發(fā)射結(jié)加的正向電壓UBE有少量變化時(shí)，IB隨之發(fā)生變化，通過晶體管的電流放大作用，引起IC的一個(gè)大的變化；電流IC的變化使集電極電阻RC上的電壓降發(fā)生變化，由此產(chǎn)生UCE的變化比UBE的變化要大很多倍。這就將晶體管的電流放大作用轉(zhuǎn)換為電壓放大作用。三.晶體管的特性曲線

三極管的特性曲線全面反映了三極管各極電壓與電流之間的關(guān)系，是分析三極管各種電路的重要依據(jù)。最常用的是共發(fā)射極接法的輸入特性曲線和輸出特性曲線。特性曲線可用專門的儀器顯示，也可通過實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測定。

1.輸入特性曲線指在集電極電壓UCE一定時(shí)，基-射極電壓UBE與基極電流IB之間的函數(shù)關(guān)系曲線。對硅管而言，UCE>IV后的輸入特性(inputcharacteristic)曲線基本上是重合的。所以通常只畫出其中

的一條曲線就可以了。與二極管一樣，晶體管的輸入特性亦為一指數(shù)曲線、也有一死區(qū)電壓(又叫開啟電壓，硅管約0．5V、鍺管0．2V)。正常工作時(shí)UBE很小，硅管0.7V，鍺管0.3V。2.輸出特性曲線指當(dāng)三極管基極電流IB為常數(shù)時(shí)，集電極電流IC與集-射極間電壓UCE間的關(guān)系。不同的IB，得到的輸出特性曲線也不同。所以，三極管的輸出特性曲線(outputcharacteri