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，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：（1）對溫度敏感半導(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，利用這一特性可制造半導(dǎo)體熱敏器件。（2）對光照敏感半導(dǎo)體導(dǎo)電能力隨光照影響而變化，光照愈強其導(dǎo)電能力愈強，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)中最外層價電子為4個，所以在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每個原子的一個價電子與相鄰的另一個原子的一個價電子組成一個電子對，從而形成共價鍵結(jié)構(gòu)。如圖8.1.1所示。圖8.1.1硅原子間的共價鍵結(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。在絕對零度和沒有外界影響時，共價鍵中的價電子被束縛很緊，此時本征半導(dǎo)體中無載流子的存在，這時本征半導(dǎo)體具有絕緣體的性能。當(dāng)溫度升高時，半導(dǎo)體中產(chǎn)

3、生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。自由電子在運動過程中與空穴相遇時，釋放能量并填補空穴，于是一對自由電子、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)合的過程達到動態(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)體中摻入百萬分之一的有用雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將成百萬倍增加。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價電子，在與相鄰的硅原子組成共價鍵后多余一個價電子，這個價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個價電子，在與相鄰的硅原子組成共價鍵后因缺少一個電子而形成一個空位，而鄰近原子的價電子很容易填補這個空位，就在原來位置上留下一個空穴，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，空穴濃度遠遠大于自由電子濃度，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，但并不能直接用來制造半導(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)在沒有外加電壓作用時呈電中性，當(dāng)在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓時，PN結(jié)便會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。給PN結(jié)外加正向電壓時，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，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、符號如圖8.1.8（a）所示。（a）圖形符號（b）點接觸型（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表示，它是指二極管兩端的電壓和流過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表示以外，還可以用一些數(shù)據(jù)來說明。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)計電路的依據(jù)。這些參數(shù)可以從半導(dǎo)體手冊中查出。144.應(yīng)用舉例由于

8、二極管的伏安特性是非線性的，為了簡化分析計算，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小于電源電壓時，把二極管理想化為一個開關(guān)。當(dāng)外加正向電壓時，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，二極管截止，反向電流為零，反向電阻為無窮大，二極管相當(dāng)于開路。如果二極管的正向壓降與電源電壓相差不大時，二極管正向壓降不可忽略，可以用一個直流電壓源來等效正向?qū)ǖ亩O管。當(dāng)外加正向電壓大于時，二極管導(dǎo)通，二極管兩端電壓降為；當(dāng)外加電壓小于時,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，它的圖形符號與伏安特性如

9、圖8.1.12所示。（a）圖形符號（b）伏安特性圖8.1.12穩(wěn)壓管的圖形符號和伏安特性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。晶體管由兩個背靠背的PN結(jié)組成，從結(jié)構(gòu)上來分類就有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172.晶體管的電流分配關(guān)系和放大原理放大器是一個四端網(wǎng)絡(luò)，有一個輸入端口和一個輸出端口，而晶體管是一個三端器件，接成放大器時有一個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，但工作原理是相同的。183.特性曲線晶體管是一個非線性元件，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)，從使用角度來看，了解晶體管特性曲線比了解其內(nèi)部物理過程更為重要。特性曲線可以從半導(dǎo)體器件手冊中查到，也可在晶體管特性圖示儀上直觀地顯示出來，還可以用實驗的方法來測定。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，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，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，晶體管將工作在三種不同狀態(tài)，對應(yīng)于晶體管的三種工作狀態(tài)，輸出特性也分為三個區(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 絕緣柵場效應(yīng)管場效應(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)電場或表面電場控制導(dǎo)電溝道的寬窄，即改變溝道的電阻，從而改變電流的大小。場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵場效應(yīng)管兩大類。絕緣柵場效應(yīng)管又分為增強型和耗盡型兩大類，每一類

12、中又分為N溝道和P溝道兩種?，F(xiàn)以N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管為例。231.基本結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）圖形符號圖8.1.19N溝道增強型絕緣柵場效應(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（電壓、電流）加以放大，在輸出端輸出一個與輸入信號波形相同而幅度增大了的信號。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、信號時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，在晶體管的輸入特性和輸出特性上所對應(yīng)的工作點稱為靜態(tài)工作點，用來表示。靜態(tài)值是與靜態(tài)工作點相對應(yīng)的，換句話說，靜態(tài)分析的目的就是要確定放大電路的靜態(tài)工作點。靜態(tài)分析的主要方法有估算法和圖解法。260iuCECBBEUIIU、2動態(tài)分析動態(tài)分析就是在靜態(tài)值確定后分析信號的傳輸情況，考慮的是電壓與電流的交流分量。動態(tài)分析的主要任務(wù)是分析計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)工作點的穩(wěn)定靜態(tài)工作點

14、是直流負(fù)載線與對應(yīng)于靜態(tài)基極電流的那一條晶體管輸出特性的交點，對于圖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)工作點就由基極偏置電流來確定，可見，在電路參數(shù)一定時，是固定的，故稱為固定偏置放大電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。但是當(dāng)外部條件發(fā)生變化時，電路的靜態(tài)工作點難以穩(wěn)定，甚至?xí)狗糯箅娐窡o法正常工作。28CCUCRBIBCCBBECCBRURUUIBI8.4 共集電極放大電路圖8.4.1（a）是一個共集電極放大電路，圖8.4.1（b）是該電路的交流通路。由此可見，輸入信號加在基極與集電極之間，輸出信號由發(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 多級放大電路在放大電路輸入信號比較微弱時，為將信號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，常把若干個單級放大電路串接起來，組成多級放大電路。多級放大電路中級與級之間的連接稱為耦合。常見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8.5.1兩級阻容耦合放大電路圖8.5.1為兩級阻容耦合放大電路，第一級的輸出信號通過耦合電容送到第二級輸入電阻上，故稱為阻容耦合。阻容耦合電路只能放大交流信號。332阻容耦合放大電路的幅頻特性：以上的討論中沒有涉及到信號的頻率問題，是把信號當(dāng)作是單一頻率的正弦波。實際上輸入信號常常是一個包含許多諧波的非正弦波，由于放大電路中存在著級間耦合電容，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所示為單級阻容耦合放大電路的幅頻特性。34圖8.5

17、.3單級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源與放大電路、各級放大電路之間，放大電路與負(fù)載之間直接連接起來的方式稱為直接耦合方式。由于沒有耦合電容，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和低頻信號的問題。但直接耦合放大電路也帶來了兩個主要問題，一個是前、后級靜態(tài)工作點互相影響的問題，一個是零點漂移問題。36圖8.5.4兩級直接耦合放大電路378.6 功率放大電路多級放大電路的輸出級帶有負(fù)載，既要輸出較大的電壓信號，又要輸出較大的電流信號，以保證所需的