電工電子學(xué)_08分立元件放大電路

1、電工電子學(xué)181 半導(dǎo)體器件自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很強(qiáng)，絕緣體不導(dǎo)電，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力則介于導(dǎo)體與絕緣體之間。半導(dǎo)體除了導(dǎo)電能力與導(dǎo)體和絕緣體有所不同以外，其導(dǎo)電性能還有以下特點(diǎn)：（1）對(duì)溫度敏感半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受溫度影響大，溫度愈高其導(dǎo)電能力愈強(qiáng)，利用這一特性可制造半導(dǎo)體熱敏器件。（2）對(duì)光照敏感半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨光照影響而變化，光照愈強(qiáng)其導(dǎo)電能力愈強(qiáng)，利用這一特性可制造半導(dǎo)體光敏器件。（3）摻雜后導(dǎo)電能力劇增在純凈的半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（指其它元素），其導(dǎo)電能力會(huì)大大增加，利用這一特性，半導(dǎo)體可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件。28.1.

2、1 PN結(jié)1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是完全純凈的，具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。以硅為例，含有硅的材料經(jīng)高純度的提煉，制成單晶硅。整個(gè)晶體內(nèi)原子都按一定規(guī)律整齊地排列，由于硅原子結(jié)構(gòu)中最外層價(jià)電子為4個(gè)，所以在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子與相鄰的另一個(gè)原子的一個(gè)價(jià)電子組成一個(gè)電子對(duì)，從而形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。如圖8.1.1所示。圖8.1.1硅原子間的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)圖8.1.2自由電子和空穴的產(chǎn)生3物體導(dǎo)電能力的大小取決于物體內(nèi)能參與導(dǎo)電的粒子載流子的多少。在絕對(duì)零度和沒(méi)有外界影響時(shí)，共價(jià)鍵中的價(jià)電子被束縛很緊，此時(shí)本征半導(dǎo)體中無(wú)載流子的存在，這時(shí)本征半導(dǎo)體具有絕緣體的性能。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體中產(chǎn)

3、生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與空穴相遇時(shí)，釋放能量并填補(bǔ)空穴，于是一對(duì)自由電子、空穴消失了。這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定的條件下，激發(fā)與復(fù)合的過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本征半導(dǎo)體中的載流子保持一定的濃度。載流子的濃度受溫度的影響很大，溫度升高，載流子濃度也隨之增加。42.N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但在常溫下，數(shù)量都很少，導(dǎo)電能力很低。當(dāng)在本征半導(dǎo)體中摻入百萬(wàn)分之一的有用雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將成百萬(wàn)倍增加。摻入有用雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫做雜質(zhì)半導(dǎo)體。摻入不同性質(zhì)的雜質(zhì)可以獲得不同類型的半導(dǎo)體。5在本征半導(dǎo)體中摻入微量的五價(jià)元素，如磷，本征硅晶格中的某些位置

4、上的硅原子被磷原子所替代。磷原子最外層有五個(gè)價(jià)電子，在與相鄰的硅原子組成共價(jià)鍵后多余一個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子，如圖8.1.3（a）所示。在這樣摻雜后的半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大大增加，這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，所以稱之為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。（a）硅晶體中摻磷出現(xiàn)自由電子（b）N型半導(dǎo)體圖8.1.3N型半導(dǎo)體的形成6在本征半導(dǎo)體中摻入微量的三價(jià)元素，如硼。本征硅晶格中的某些位置上的硅原子被硼原子所替代。硼原子最外層有3個(gè)價(jià)電子，在與相鄰的硅原子組成共價(jià)鍵后因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位，而鄰近原子的價(jià)電子很容易填補(bǔ)這個(gè)空位，就在原來(lái)位置上留下一個(gè)空穴，如

5、圖8.1.4（a）所示，從而使摻雜后的半導(dǎo)體中空穴的濃度大大增加，這種半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，所以稱之為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子濃度，因而把空穴叫做多數(shù)載流子，自由電子叫做少數(shù)載流子。7（a）硅晶體中摻硼出現(xiàn)空穴（b）P型半導(dǎo)體圖8.1.4P型半導(dǎo)體的形成雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度，而少子濃度主要與本征激發(fā)有關(guān)，因此受溫度的影響很大，這將影響半導(dǎo)體器件的性能。83.PN結(jié)的形成N型或P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然大大增強(qiáng)，但并不能直接用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體晶片上形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界處就會(huì)形成

6、PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。圖8.1.5PN結(jié)的形成94.PN結(jié)的導(dǎo)電特性PN結(jié)在沒(méi)有外加電壓作用時(shí)呈電中性，當(dāng)在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓時(shí)，PN結(jié)便會(huì)呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。給PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，即外加電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，也稱之為正向偏置。如圖8.1.6所示。圖8.1.6PN結(jié)外加正向電壓10給PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，即外加電源的負(fù)極接P區(qū)，正極接N區(qū)，也稱之為反向偏置。如圖8.1.7所示。圖8.1.7PN結(jié)外加反向電壓111半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管是由PN結(jié)加上電極引出線和管殼而構(gòu)成。P區(qū)一側(cè)引出的電極稱為陽(yáng)極，N區(qū)一側(cè)引出的電極稱為陰極，二極管的圖形

7、符號(hào)如圖8.1.8（a）所示。（a）圖形符號(hào)（b）點(diǎn)接觸型（c）面接觸型圖8.1.8半導(dǎo)體二極管122.二極管的伏安特性二極管的特性常用伏安特性來(lái)表示，它是指二極管兩端的電壓和流過(guò)管子的電流之間的關(guān)系。如圖8.1.9所示。二極管的本質(zhì)是一個(gè)PN結(jié)，因此，它也具有單向?qū)щ娦?，其伏安特性可分為正向特性和反向特性兩部分。圖8.1.9二極管的伏安特性133.二極管的主要參數(shù)二極管的特性除了用伏安特性曲線來(lái)表示以外，還可以用一些數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明。這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的參數(shù)用來(lái)表示二極管性能優(yōu)劣及其適用范圍，它是正確使用二極管、合理設(shè)計(jì)電路的依據(jù)。這些參數(shù)可以從半導(dǎo)體手冊(cè)中查出。144.應(yīng)用舉例由于

8、二極管的伏安特性是非線性的，為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，通常在二極管正常工作范圍內(nèi)將其線性化或理想化。如果二極管正向壓降遠(yuǎn)小于電源電壓時(shí)，把二極管理想化為一個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，其管壓降和正向電阻為零，二極管相當(dāng)于短路；當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管截止，反向電流為零，反向電阻為無(wú)窮大，二極管相當(dāng)于開(kāi)路。如果二極管的正向壓降與電源電壓相差不大時(shí)，二極管正向壓降不可忽略，可以用一個(gè)直流電壓源來(lái)等效正向?qū)ǖ亩O管。當(dāng)外加正向電壓大于時(shí)，二極管導(dǎo)通，二極管兩端電壓降為；當(dāng)外加電壓小于時(shí),二極管截止。155.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是用特殊工藝制造的二極管，它具有穩(wěn)定電壓的作用，它的圖形符號(hào)與伏安特性如

9、圖8.1.12所示。（a）圖形符號(hào)（b）伏安特性圖8.1.12穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)和伏安特性168.1.3 晶體三極管1晶體三極管的結(jié)構(gòu)與類型半導(dǎo)體三極管也稱為晶體管。晶體管由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成，從結(jié)構(gòu)上來(lái)分類就有PNP型和NPN型兩種。它們的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)如圖8.1.15所示。（a）NPN型（b）PNP型圖8.1.15晶體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)172.晶體管的電流分配關(guān)系和放大原理放大器是一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)，有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，而晶體管是一個(gè)三端器件，接成放大器時(shí)有一個(gè)電極就為輸入端和輸出端所共有。按所用的公共端不同，可分為共基極，共發(fā)射極，共集電極三種組態(tài)。三種組態(tài)電路各有

10、特點(diǎn)，但工作原理是相同的。183.特性曲線晶體管是一個(gè)非線性元件，其各極之間電壓和電流的關(guān)系，通常用伏安特性曲線表示。利用這些特性曲線可以較全面地，確切地了解晶體管的工作性能。特性曲線是晶體管內(nèi)部微觀現(xiàn)象的外部表現(xiàn)，從使用角度來(lái)看，了解晶體管特性曲線比了解其內(nèi)部物理過(guò)程更為重要。特性曲線可以從半導(dǎo)體器件手冊(cè)中查到，也可在晶體管特性圖示儀上直觀地顯示出來(lái)，還可以用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定。19（1）輸入特性曲線輸入特性曲線是指集射極之間的電壓為常數(shù)時(shí)，輸入回路中基極電流與基射極電壓之間的關(guān)系曲線，即（a）輸入特性（b）輸出特性圖8.1.18晶體三極管特性曲線20常數(shù)CEBEB)(UUfI（2）輸出特性曲

11、線輸出特性曲線是指基極電流為常數(shù)時(shí)，輸出回路中集電極電流與集射極電壓之間的關(guān)系曲線，即21CIBICEU常數(shù)BCEC)(IUfI當(dāng)外部供電條件不同時(shí)，晶體管將工作在三種不同狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于晶體管的三種工作狀態(tài)，輸出特性也分為三個(gè)區(qū)。（a）飽和區(qū)（b）放大區(qū)（c）截止區(qū)4.主要參數(shù)228.1.4 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管也是一種半導(dǎo)體三極管，其功能與晶體管相似，也可以用作放大元件和開(kāi)關(guān)元件，但工作原理不同于晶體管，它利用外加電壓產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)或表面電場(chǎng)控制導(dǎo)電溝道的寬窄，即改變溝道的電阻，從而改變電流的大小。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管兩大類。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩大類，每一類

12、中又分為N溝道和P溝道兩種?，F(xiàn)以N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管為例。231.基本結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號(hào)圖8.1.19N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管2.工作原理3.特性曲線4.主要參數(shù)248.2 基本放大電路放大電路的功能是將微弱的電信號(hào)（電壓、電流）加以放大，在輸出端輸出一個(gè)與輸入信號(hào)波形相同而幅度增大了的信號(hào)。放大電路的性能指標(biāo)是衡量放大電路品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，也是分析和設(shè)計(jì)放大電路的依據(jù)。放大電路的主要性能指標(biāo)有電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶、非線性失真等。8.2.1 放大電路的組成及工作原理25圖8.2.1基本交流放大電路8.2.2 放大電路的分析1.靜態(tài)分析靜態(tài)分析就是分析當(dāng)

13、信號(hào)時(shí)放大電路的直流工作情況，以確定晶體管各電極電壓和電流的靜態(tài)值，即確定靜態(tài)值。靜態(tài)時(shí)，在晶體管的輸入特性和輸出特性上所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，用來(lái)表示。靜態(tài)值是與靜態(tài)工作點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的，換句話說(shuō)，靜態(tài)分析的目的就是要確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)分析的主要方法有估算法和圖解法。260iuCECBBEUIIU、2動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析就是在靜態(tài)值確定后分析信號(hào)的傳輸情況，考慮的是電壓與電流的交流分量。動(dòng)態(tài)分析的主要任務(wù)是分析計(jì)算放大電路的電壓放大倍數(shù)，輸入電阻和輸出電阻，分析非線性失真，頻率特性等性能指標(biāo)。動(dòng)態(tài)分析的基本方法是微變等效電路法和圖解法。278.3 放大電路中靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)

14、是直流負(fù)載線與對(duì)應(yīng)于靜態(tài)基極電流的那一條晶體管輸出特性的交點(diǎn)，對(duì)于圖8.2.1所示的基本放大電路，當(dāng)電源電壓和集電極負(fù)載電阻確定后，放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)就由基極偏置電流來(lái)確定，可見(jiàn)，在電路參數(shù)一定時(shí)，是固定的，故稱為固定偏置放大電路。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但是當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(shí)，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)難以穩(wěn)定，甚至?xí)狗糯箅娐窡o(wú)法正常工作。28CCUCRBIBCCBBECCBRURUUIBI8.4 共集電極放大電路圖8.4.1（a）是一個(gè)共集電極放大電路，圖8.4.1（b）是該電路的交流通路。由此可見(jiàn)，輸入信號(hào)加在基極與集電極之間，輸出信號(hào)由發(fā)射極與集電極之間輸出，集電極成為輸入回路和輸出回路

15、的公共端，故稱為共集電極電路。由于信號(hào)從發(fā)射極輸出，所以又稱為射極輸出器。（a）電路原理圖（b）交流通路圖8.4.1共集電極放大電路298.4.1 靜態(tài)分析共集電極放大電路的直流通路如圖8.4.2所示，圖8.4.2圖8.4.1電路的直流通路308.4.2 動(dòng)態(tài)分析由交流通路畫出微變等效電路如圖8.4.3所示。圖8.4.3圖8.4.1電路的微變等效電路318.5 多級(jí)放大電路在放大電路輸入信號(hào)比較微弱時(shí)，為將信號(hào)電壓放大到具有足夠的幅值和能夠提供負(fù)載工作所需的功率，常把若干個(gè)單級(jí)放大電路串接起來(lái)，組成多級(jí)放大電路。多級(jí)放大電路中級(jí)與級(jí)之間的連接稱為耦合。常見(jiàn)的耦合方式有阻容耦合和直接耦合。328

16、.5.1 阻容耦合放大電路圖8.5.1兩級(jí)阻容耦合放大電路圖8.5.1為兩級(jí)阻容耦合放大電路，第一級(jí)的輸出信號(hào)通過(guò)耦合電容送到第二級(jí)輸入電阻上，故稱為阻容耦合。阻容耦合電路只能放大交流信號(hào)。332阻容耦合放大電路的幅頻特性：以上的討論中沒(méi)有涉及到信號(hào)的頻率問(wèn)題，是把信號(hào)當(dāng)作是單一頻率的正弦波。實(shí)際上輸入信號(hào)常常是一個(gè)包含許多諧波的非正弦波，由于放大電路中存在著級(jí)間耦合電容，旁路電容和晶體管的結(jié)電容等，它們的容抗隨頻率不同而變化，這就使得放大電路的電壓放大倍數(shù)也隨頻率的變化而變化。把放大電路的電壓放大倍數(shù)的模與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性。圖8.5.3所示為單級(jí)阻容耦合放大電路的幅頻特性。34圖8.5

17、.3單級(jí)阻容耦合放大電路的幅頻特性358.5.2 直接耦合放大電路信號(hào)源與放大電路、各級(jí)放大電路之間，放大電路與負(fù)載之間直接連接起來(lái)的方式稱為直接耦合方式。由于沒(méi)有耦合電容，直接耦合放大電路具有良好的低頻特性，即在低頻段電壓放大倍數(shù)并不降低，是下限頻率為零的放大電路，展寬了通頻帶。直接耦合放大電路解決了阻容耦合放大電路不能放大直流信號(hào)和低頻信號(hào)的問(wèn)題。但直接耦合放大電路也帶來(lái)了兩個(gè)主要問(wèn)題，一個(gè)是前、后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響的問(wèn)題，一個(gè)是零點(diǎn)漂移問(wèn)題。36圖8.5.4兩級(jí)直接耦合放大電路378.6 功率放大電路多級(jí)放大電路的輸出級(jí)帶有負(fù)載，既要輸出較大的電壓信號(hào)，又要輸出較大的電流信號(hào)，以保證所需的