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電子技術(shù)電子技術(shù)第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第二章基本放大電路

第三章差動放大電路及集成運(yùn)算放大器第四章第五章集成穩(wěn)壓電源與可控整流電路電子技術(shù)第六章數(shù)字電路基本器件及組合邏輯電路第七章時(shí)序邏輯電路第八章脈沖產(chǎn)生與信號變換電路第九章大規(guī)模集成電路第十章EWB電子電路仿真軟件半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

1.1PN結(jié)與二極管

1.2整流與濾波電路半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1PN結(jié)與二極管1.1.1半導(dǎo)體及PN結(jié)

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，常用材料有鍺（Ge）、硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等。這些材料在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中扮演了極為重要的角色。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.1.1半導(dǎo)體的性質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有一些獨(dú)特的性能。主要表現(xiàn)為如下三個(gè)方面：第一是雜敏性，半導(dǎo)體對摻入雜質(zhì)很敏感。在半導(dǎo)體硅中只要摻入億分之一的硼（B），電阻率就會下降到原來的數(shù)萬分之一。因此用控制摻雜濃度的方法，可人為地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，制造出各種不同性能、不同用途的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第二是熱敏性，半導(dǎo)體對溫度變化很敏感。溫度每升高10℃，半導(dǎo)體的電阻率減小為原來的二分之一。這種特性對半導(dǎo)體器件的工作性能有許多不利的影響，但利用這一特性可制成自動控制系統(tǒng)中常用的熱敏電阻，熱敏電阻可以感知萬分之一攝氏度的溫度變化。第三是光敏性，半導(dǎo)體對光照很敏感。半導(dǎo)體受光照射時(shí)，它的電阻率顯著減小。例如，半導(dǎo)體材料硫化鉻（CdS），在一般燈光照射下，它的電阻率是移去燈光后的數(shù)十分之一或數(shù)百分之一。自動控制中用的光電二極管、光電三極管和光敏電阻等，就是利用這一特性制成的。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.1.2本征半導(dǎo)體完全純凈的半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體，又稱為純凈半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的原子是按照一定的規(guī)律、整齊地排列著，呈晶體結(jié)構(gòu)（如圖1-1所示），所以半導(dǎo)體管又稱為晶體管。常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。它們的簡化原子模型如圖1-2所示。圖1-1硅或鍺晶體的共價(jià)健結(jié)構(gòu)示意圖

圖1-2硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用在室溫下，價(jià)電子獲得足夠的能量可掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這時(shí)，共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，這個(gè)空位叫空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特點(diǎn)。在半導(dǎo)體中，有兩種載流子，即空穴和自由電子。在本征半導(dǎo)體中，它們總是成對出現(xiàn)的。利用雜敏的特性，可以在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的改變。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.1.3摻雜半導(dǎo)體

根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，摻雜半導(dǎo)體可分為空穴（P）型半導(dǎo)體和電子（N）型半導(dǎo)體兩大類。P型半導(dǎo)體是在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入少量的三價(jià)元素形成的，如硼（或銦）等，因硼原子只有三個(gè)價(jià)電子，它與周圍硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)電子，在晶體中便多產(chǎn)生了一個(gè)空穴?？刂茡饺腚s質(zhì)的多少，便可控制空穴數(shù)量。這樣，空穴數(shù)就遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，在這種半導(dǎo)體中，以空穴導(dǎo)電為主，因而空穴為多數(shù)載流子，簡稱多子；自由電子為少數(shù)載流子，簡稱少子。N型半導(dǎo)體是在純凈的半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素（如磷、砷和銻等）形成的。使其內(nèi)部多出了自由電子，自由電子就成為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.1.4PN結(jié)及其特性如果在一塊純凈半導(dǎo)體（如硅和鍺等）中，通過特殊的工藝，在它的一邊摻入微量的三價(jià)元素硼形成P型半導(dǎo)體，在它的另一邊摻入微量的五價(jià)元素磷，形成N型半導(dǎo)體。這樣在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面上就形成了一個(gè)具有特殊電性能的薄層——PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ姷男阅?。這是因?yàn)樵诮唤槊鎯蓚?cè)存在著電子和空穴濃度差，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴(kuò)散（同樣P區(qū)的空穴也向N區(qū)擴(kuò)散，這叫擴(kuò)散運(yùn)動），并與P區(qū)的空穴復(fù)合，如圖1-3（a）所示。在交介面兩側(cè)產(chǎn)生了數(shù)量相同的正負(fù)離子，形成了方向由N到P的內(nèi)電場。如圖1-3（b）所示。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用這個(gè)內(nèi)電場對擴(kuò)散運(yùn)動起阻止作用，同時(shí)內(nèi)電場又對兩側(cè)的少子起推進(jìn)作用，使其越過PN結(jié)，稱為漂移運(yùn)動。顯然擴(kuò)散與漂移形成的電流方向是相反的，最終擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動會達(dá)到動態(tài)平衡。這樣就形成了有一定厚度的PN結(jié)。圖1-3半導(dǎo)體的PN結(jié)的形成半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用如圖1-4所示，給PN結(jié)外加上正向電壓時(shí)，由于內(nèi)電場被削弱，則形成較大的擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)較小的正向電阻，相當(dāng)于導(dǎo)通。若加上反向電壓，則內(nèi)電場加強(qiáng)，只形成極其微弱的漂移電流（因?yàn)樯僮拥臄?shù)量是極少的），相當(dāng)于截止。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦阅?。圖1-4PN結(jié)的單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.2PN結(jié)與二極管

大自然的物質(zhì)類別是極其豐富的。單從導(dǎo)電能力上分，有導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。常見的導(dǎo)體有金、銀、銅、鐵、鋁等金屬類。常見的絕緣體有膠木、橡膠、陶瓷等。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，常用材料有鍺（Ge）、硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等。這些材料在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中扮演了極為重要的角色。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.2.1二極管

在PN結(jié)上引出兩個(gè)電極并加上管殼就形成了半導(dǎo)體二極管，其外形和符號如圖1-5所示。二極管的正極也叫陽極，用字母a表示，另一邊是負(fù)極也叫陰極，用字母k表示。正極與P區(qū)相連，負(fù)極與N區(qū)相連。二極管的極性通常標(biāo)示在它的封裝上，有些二極管用黑色或白色色環(huán)表示它的負(fù)極端。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.2.1二極管的類型

根據(jù)所用的半導(dǎo)體材料不同，可分為鍺二極管和硅二極管。按照管芯結(jié)構(gòu)不同，可分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型。點(diǎn)接觸型的半導(dǎo)體接觸面很小，只允許通過較小的電流（幾十毫安以下），但在高頻下工作性能很好，適用于收音機(jī)中對高頻信號的檢波和微弱交流電的整流，如國產(chǎn)的鍺二極管2AP系列、2AK系列等。圖1-5二極管的外形及電路符號

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用面接觸型二極管PN結(jié)面積較大，并做成平面狀，它可以通過較大了電流，適用于對電網(wǎng)的交流電進(jìn)行整流。如國產(chǎn)的2CP系列、2CZ系列的二極管都是面接觸型的。平面型的特點(diǎn)是在PN結(jié)表面被覆一層二氧化硅薄膜，避免PN結(jié)表面被水分子、氣體分子以及其他離子等沾污。這種二極管的特性比較穩(wěn)定可靠，多用于開關(guān)、脈沖及超高頻電路中。國產(chǎn)2CK系列二極管就屬于這種類型。根據(jù)二極管用途不同，可分為整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、光電二極管及發(fā)光二極管等。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.2.2二極管的伏安特性

圖1-6中的（a）圖和（b）圖分別是硅二極管和鍺二極管的兩端電壓與其內(nèi)部的電流的關(guān)系曲線，叫伏安特性曲線圖中縱軸的右側(cè)稱為正向特性，左側(cè)稱為反向特性。圖1-6二極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用（1）正向特性正向連接時(shí)，二極管的正極接電路的高電位端，負(fù)極接低電位端。當(dāng)二極管兩端的正向電壓很小的時(shí)候，正向電流微弱，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，這個(gè)區(qū)域成為二極管正向特性的“死區(qū)”，只有當(dāng)正向電壓達(dá)到一定數(shù)值（這個(gè)數(shù)值稱為導(dǎo)通電壓，硅管0.6～0.7V，鍺管0.2～0.3V）以后，二極管才真正導(dǎo)通。此時(shí)，我們可以近似地認(rèn)為它是恒定的，且不隨電流的變化而變化。實(shí)際上正向電流將隨著正向電壓的增加而急速增大，如不采取限流措施，過大的電流會使PN結(jié)發(fā)熱，超過最高允許溫度（鍺管為90℃～100℃，硅管為125℃～200℃）時(shí)，二極管就會被燒壞。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用（2）反向特性二極管反向連接時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，仍然會有微弱的反向電流（鍺二極管不超過幾微安，硅二極管不超過幾十納安），它和溫度有極為密切的關(guān)系，溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。反向電流是衡量二極管質(zhì)量好壞的重要參數(shù)之一反向電流太大，二極管的單向?qū)щ娦阅芎蜏囟确€(wěn)定性就差，選擇和使用二極管時(shí)必須特別注意。當(dāng)加在二極管兩端的反向電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，反向電流會急劇增大，這種狀態(tài)稱為擊穿。對普通二極管而言稱為雪崩擊穿，意味著二極管喪失了單向?qū)щ娞匦远鴵p壞了。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.2.3主要參數(shù)器件的參數(shù)是用以說明器件特性的數(shù)據(jù)，它是根據(jù)使用要求提出的。二極管的主要參數(shù)及其意義如下：（1）最大整流電流IF指長期運(yùn)行時(shí)晶體二極管允許通過的最大正向平均電流。（2）最大反向工作電壓URM指正常工作時(shí)，二極管所能承受的反向電壓的最大值。（3）反向擊穿電壓UBR指反向電流明顯增大，超過某規(guī)定值時(shí)的反向電壓。（4）最高工作頻率fM是由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定的參數(shù)。當(dāng)工作頻率f超過fM時(shí)，結(jié)電容的容抗減小到可以和反向交流電阻相比擬時(shí)，二極管將逐漸失去它的單向?qū)щ娦浴０雽?dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.3其它類型的二極管1.1.3.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是用特殊工藝制造的面結(jié)合型硅半導(dǎo)體二極管。符號如圖1-7（a）所示，它主要工作在反向擊穿區(qū)，而它的擊穿具有非破壞性，稱為齊納擊穿，當(dāng)外加電壓撤除后，PN結(jié)的特性可以恢復(fù)。穩(wěn)壓管在直流穩(wěn)壓電源中獲得廣泛的應(yīng)用，它的伏-安特性曲線如圖1-7（b）所示。它常應(yīng)用在直流穩(wěn)壓電源中。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用圖1-7穩(wěn)壓管的電路符號及伏安特性

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.3.2光電二極管光電二極管的PN結(jié)可以接收外部的光照。PN結(jié)工作在反向偏置狀態(tài)下，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。圖1-8（a）是光電二極管的代表符號，圖（b）是它的等效電路，而圖（c）則是它的特性曲線。其主要特點(diǎn)是，它的反向電流與照度成正比，靈敏度的典型值為0.1μA/lx數(shù)量級（lx即勒克斯，為照度的單位）。光電二極管可用來作為光的測量，是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的常用器件。在自動控制和檢測系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用圖1-8光電二極管

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.3.3發(fā)光二極管

發(fā)光二極管在加上正向電壓時(shí)會發(fā)出可見光，它的PN結(jié)通常用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，如砷化鎵、磷化鎵等制成。這是由于電子與空穴直接復(fù)合而放出能量的結(jié)果。圖1-9表示發(fā)光二極管的電路符號。它常做成紅、黃、藍(lán)等顏色的指示燈，作為顯示器件使用，工作電流一般為幾個(gè)毫安至十幾毫安之間。發(fā)光二極管的另一重要用途是將電信號變?yōu)楣庑盘枺ㄟ^光纜傳輸，然后再用光電二極管接收，再現(xiàn)電信號。圖1-9發(fā)光二極管符號半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.3.4半導(dǎo)體器件型號命名方法

半導(dǎo)體器件的型號由五部分組成（如圖1-10所示）。第一部分用數(shù)字表示半導(dǎo)體管的電極數(shù)目,第二部分用字母表示半導(dǎo)體器件的材料和極性，第三部分用字母表示半導(dǎo)體管的類別,第四部分用數(shù)字表示半導(dǎo)體器件的序號,第五部分用字母表示區(qū)別代號。一些特殊器件的型號只有第三、四、五部分而沒有第一二部分。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

如2AP9表示N型鍺材料普通二極管；2CK84表示N型硅材料開關(guān)二極管。部分二極管的型號和參數(shù)如表1-1至1-4。更詳細(xì)的內(nèi)容可查閱有關(guān)電子元器件手冊。

圖1-10半導(dǎo)體器件的命名方法

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第二部分第二部分字母

意義

字母

意義

字母

意義

AN型鍺材料P普通管D低頻大功率管（f<3MHz,Pc≥1W）BP型鍺材料V微波管CN型硅材料W穩(wěn)壓管A高頻大功率管（f≥3MHz,Pc≥1W）DP型硅材料C參量管APNP型鍺材料Z整流器T半導(dǎo)體閘流管(可控整流器)BNPN型鍺材料L整流堆Y體效應(yīng)器件CPNP型硅材料S隧道管B雪崩管DNPN型硅材料N阻尼管J階躍恢復(fù)管E化合物材料U光電器件CS場效應(yīng)器件K開關(guān)管BT半導(dǎo)體特殊器件X低頻小功率管（f<3MHz,Pc<1W）PINPIN型管FH復(fù)合管G高頻小功率管（f≥3MHz,Pc<1W）JG激光器件表1-1半導(dǎo)體器件型號命名方法半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

參數(shù)

型號最大整流電流最高反向工作電壓（峰值）反向擊穿電壓（反向電流為400μA)正向電流（正向電壓為1V）反向電流（反向電壓分別為10，100V）最高工作頻率極間電容mAVVmAμAMHzpF2AP12AP7161220100≥40≥150≥2.5≥5.0≤250≤250150150≤1≤1表1-22AP1～7檢波二極管（點(diǎn)接觸型鍺管，在電子設(shè)備中作檢波和小電流整流用）

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

參數(shù)型號最大整流電流

最高反向工作電壓（峰值）

最高反向工作電壓下的反向電流（125℃）正向壓降（平均值）（25℃）

最高工作頻率

AVμAVkHz2CZ520.125,50,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1200,1400,1600,1800,2000,22002400,2600,2800,3000

1000≤0.832CZ540.51000≤0.832CZ5751000≤0.831N400115051.01N40071100051.01N5401310050.95表1-32CZ52～57系列整流二極管，用于電子設(shè)備的整流電路中。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用參數(shù)型號最大耗散功率PZM/W最大工作電流IZM/mA穩(wěn)定電壓VZ/V反向漏電流IR/μA正向壓降VF/V（1N4370）2CW500.25831～2.8≤10(VR=0.5V)≤11N746(1N4371)2CW510.25712.5～3.5

≤5(VR=0.5V)≤1參數(shù)型號最大耗散功率PZM/W最大工作電流IZM/mA穩(wěn)定電壓VZ/V反向漏電流IR/μA正向壓降VF/V1N747-92CW520.25553.2～4.5≤2(VR=0.5V)≤11N750-12CW530.25414～5.8≤1≤11N752-32CW540.25385.5～6.5

≤0.5≤11N7542CW550.25336.2～7.5≤0.5≤1表1-4硅穩(wěn)壓二極管

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用參數(shù)型號最大耗散功率PZM/W最大工作電流IZM/mA穩(wěn)定電壓VZ/V反向漏電流IR/μA正向壓降VF/V1N755-62CW560.25277～8.8≤0.5≤11N7572CW570.25268.5～9.5≤0.5≤11N7582CW580.25239.2～10.5

≤0.5≤11N9622CW590.252010～11.8≤0.5≤1(2DW7A)2DW2300.2305.8～6.0≤1≤1(2DW7B)2DW2310.2305.8～6.0≤1≤1(2DW7C)2DW2320.2306.0～6.5

≤1≤12DW8A0.2305～6

≤1≤1表1-4硅穩(wěn)壓二極管(續(xù)）

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2整流與濾波電路

各種電子電路和設(shè)備都需要有直流電源提供能量，而日常所用的電源一般都是工頻交流電源，這就需要應(yīng)用電子電路將其轉(zhuǎn)換為直流電源。這個(gè)過程由四部分電路完成，如圖1-11所示。

圖1-11直流電源的組成框圖

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用圖中電源變壓器的任務(wù)是將交流電的幅度變換為直流電源所需要的幅度；整流電路的任務(wù)是將雙向變化的交流電變成單向的脈動直流電；濾波電路的任務(wù)是濾除脈動直流電中的交流成份，保留直流成份；穩(wěn)壓電路的任務(wù)是使輸出電壓的幅度保持穩(wěn)定。由于變壓器的結(jié)構(gòu)和原理已在電工知識中講過，所以本節(jié)從整流電路講起。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.1單相半波整流

利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以把雙向變化的交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電，稱為整流。圖1-12是單相半波整流電路圖。圖1-12二極管單相半波整流電路

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用圖中ui為交流電壓，其幅度一般較大，為幾伏以上。其輸入輸出波形分別為如圖1-13所示。在交流ui的正半周，二極管VD正向?qū)?，其?dǎo)通電壓可以忽略不計(jì)，則uo等于ui，在ui的負(fù)半周，VD反向截止，則uo等于0，從圖1-12看出，交流輸入電壓只有一半通過整流電路，所以這種整流稱為半波整流。00ωt

ωt

ui

圖1-13半波整流電路的波形圖

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

整流的過程只是把雙向交流電變?yōu)檩敵鲭妷浩骄礥O的計(jì)算，正弦交流電的平均電壓值為0，所以用有效值來描述，經(jīng)過半波整流后的單向脈動電壓則可以用平均值來描述，可利用高等數(shù)學(xué)中積分的方法來求得UO的平均值。即：

可得出：流過負(fù)載RL上的直流電流為:

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用整流二極管的選擇：在圖1-12中明顯看出，二極管反向時(shí)承受的最高電壓是ui的峰值電壓，承受的平均電流等于IO。實(shí)際選用二極管時(shí)，還要將這兩個(gè)值乘以（1.5～2）倍的安全系數(shù),再查閱電子元器件手冊選取合適的二極管。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.2單相橋式整流電路

圖1-14為單相橋式整流電路。由圖可見，四個(gè)二極管VD1、VD2、VD3、VD4構(gòu)成電橋的橋臂，在四個(gè)頂點(diǎn)中，不同極性點(diǎn)接在一起與變壓器次級繞組相連，同極性點(diǎn)接在一起與直流負(fù)載相連。

(a)原理電路

(b)簡化畫法

(c)另一種畫法

圖1-14單相橋式整流電路

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.2.1工作原理設(shè)電源變壓器次級電壓，其波形如圖1-15。在u2正半周，A端電壓極性為正，B端為負(fù)。二極管VD1、VD3正偏導(dǎo)通，VD2、VD4反偏截止，電流通路為A→VD1→RL→VD3→B，負(fù)載RL上電流方向自上而下；在u2負(fù)半周，A端為負(fù)，B端為正，二極管VD2、VD4正偏導(dǎo)通，VD1、VD3反偏截止，電流通路是B→VD4→RL→VD2→A。同樣，RL上電流方向自上而下。圖1-15單相橋式整流波形圖

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用由此可見，在交流電壓的正負(fù)半周，都有同一個(gè)方向的電流通過RL從而達(dá)到整流的目的。四個(gè)二極管中，兩個(gè)一組輪流導(dǎo)通，在負(fù)載上得全波脈動的直流電壓和電流，如圖1-15(b)、(c)。所以橋式整流電路稱為全波整流電路。1.2.2.2負(fù)載上的電壓與電流計(jì)算由于單相橋式整流輸出波形剛好是兩個(gè)半波整流的波形，所以有

UO≈0.9U2

流過負(fù)載RL的電流半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.2.3整流二極管的選擇

橋式整流中，每只二極管只有半周是導(dǎo)通的，流過二極管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，即：

二極管最大反向電壓，按其截止時(shí)所承受的反向峰壓：

為了方便地使用整流電路，利用集成技術(shù)，將硅整流器件按某種整流方式封裝制成硅整流堆，習(xí)慣上稱為硅堆。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.3濾波電路

經(jīng)過整流得到的單向脈動直流電，包含多種頻率的交流成份。為了濾除或抑制交流分量以獲得平滑的直流電壓，必須設(shè)置濾波電路。濾波電路直接接在整流電路后面，一般由電容、電感以及電阻等元件組成。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用如圖1-16所示為橋式整流電容濾波電路，負(fù)載兩端并聯(lián)的電容為濾波電容，利用C的充放電作用，使負(fù)載電壓、電流趨于平滑。1.2.3.1電容濾波圖1-16單相橋式整流電容濾波電路

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用（1）工作原理單相橋式整流電路，在不接電容C時(shí)，其輸出電壓波形如圖1-17(a)。圖1-17單相橋式整流電容濾波波形

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用接上電容器C后，在輸入電壓U2正半周；二極管VD2、VD4在正向電壓作用下導(dǎo)通，VD1、VD3反偏截止，如圖1-16(a)。整流電流分為兩路，一路向負(fù)載RL供電，另一路向C充電，因充電回路電阻很小，充電時(shí)間常數(shù)很小，C被迅速充電，如圖1-17(b)中的oa段。到t1時(shí)刻，電容器上電壓uC≈U2，極性上正下負(fù)。經(jīng)過t1時(shí)刻后，u2按正常規(guī)律迅速下降直到t2時(shí)刻，此時(shí)u2<uc，二極管VD2、VD4受反向電壓作用截止。電容C經(jīng)RL放電，放電回路如圖1-16(b)所示。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用因放電時(shí)間常數(shù)τ放==RLC較大故uC只能緩慢下降，如圖1-17(b)中ab段所示。與此同時(shí)，u2負(fù)半周到來，未裝電容C時(shí)，二極管VD1、VD3導(dǎo)通，但此時(shí)uC>u2,迫使VD1、VD3反偏截止，直到t2時(shí)刻u2上升到大于uC時(shí)，VD1、VD3才導(dǎo)通，同時(shí)C再度充電至uC≈u2，如圖1-17(b)中bc段。而后，u2又按是正弦規(guī)律下降，當(dāng)u2<uc時(shí)，VD1、VD3反偏截止，電容器又經(jīng)RL放電。電容器C如此反復(fù)地充放電，負(fù)載上便得到近似于鋸齒波的輸出電壓。接入濾波電容后，二極管的導(dǎo)通時(shí)間變短，如圖1-17(c)所示。負(fù)載平均電壓升高，交流成份減小。電路的放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC越大，C放電過程就越慢，負(fù)載上得到的UO就越平滑。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用(2)濾波電容的選擇根據(jù)前面分析可知，電容C越大，電容放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC越大，負(fù)載波形越平滑。一般情況下，橋式整流可按下式來選擇C的大小，式中T為交流電周期。

濾波電容一般都采用電解電容，使用時(shí)極性不能接反。電容器耐壓應(yīng)大于U2，通常取(1.5～2)U2。此時(shí)負(fù)載兩端電壓依經(jīng)驗(yàn)公式得：半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用例1-1橋式整流電容濾波電路，要求輸出直流電壓30V，電流0.5A，試選擇濾波電容的規(guī)格，并確定最大耐壓值。（交流電源220V，50Hz)。解：由于其中：

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用取電容標(biāo)稱值1000μF，由式5-1-9，電容耐壓為(1.5～2)U2=(1.5～2)×25=37.5V～50V

最后確定選1000μF/50V的電解電容器一只。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.3.2電感濾波電路

電容濾波在大電流工作時(shí)濾波效果較差，當(dāng)一些電氣設(shè)備需要脈動小，輸出電流大的直流電時(shí)，往往采用電感濾波電路，如圖1-18。

圖1-18電感濾波電路

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電感元件具有通直流阻礙交流的作用，整流輸出的電壓中直流分量幾乎全部加在負(fù)載上，交流分量幾乎全部降落在電感元件上，負(fù)載上的交流分量很小。這樣，經(jīng)過電感元件濾波，負(fù)載兩端的輸出電壓脈動程度大大減小，如圖1-19所示。

圖1-19電感濾波的波形

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用不僅如此，當(dāng)負(fù)載變化引起輸出電流變化時(shí)，電感線圈也能抑制負(fù)載電流的變化，這是因?yàn)殡姼芯€圈的自感電動勢總是阻礙電流的變化。所以，電感濾波適用于大功率整流設(shè)備和負(fù)載電流變化大的場合。一般來說，電感越大濾波效果越好，濾波電感常取幾亨利到幾十亨利。有的整流電路的負(fù)載是電機(jī)線圈、繼電器線圈等電感性負(fù)載，就如同串入了一個(gè)電感濾波器一樣，負(fù)載本身能起到平滑脈動電流的作用，這樣可以不另加濾波器。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.3.3復(fù)式濾波

為了進(jìn)一步提高濾波效果，減少輸出電壓的脈動成份，常將電容濾波和電感濾波組合成復(fù)式濾波電路。將濾波電容與負(fù)載并聯(lián)，電感與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成常用的LC濾波器、RC濾波器等。其電路原理與前面所述基本相同。半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.2.4直流穩(wěn)壓電路

交流電壓經(jīng)過整流濾波后，所得到的直流電壓雖然脈動程度已經(jīng)很小，但當(dāng)電網(wǎng)波動或負(fù)載變化時(shí)，其直流電壓的大小也隨之發(fā)生變化。為了使輸出的直流電壓基本保持恒定需要在濾波電路和負(fù)載之間加上穩(wěn)壓電路。這里介紹用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的一種簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，如圖1-20中的虛線框所示。由限流電阻R和硅穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用圖1-20硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因主要是兩個(gè)：一是電源電壓的波動，二是負(fù)載電流的變化。穩(wěn)壓管對這兩種影響都有抑制作用。當(dāng)交流電源電壓變化引起UI升高時(shí)，起初U0隨著升高。由穩(wěn)壓管的特性曲線可知，隨著U0的上升(即UZ上升)，穩(wěn)壓管電流IZ將顯著增加，R上電流I增大導(dǎo)致R上電壓降UR也增大。根據(jù)U0=UI-UR的關(guān)系，只要參數(shù)選擇適當(dāng)，UR的增大可以基本抵消UI的升高，使輸出電壓基本保持不變，上述過程可以表示為：

UI↑→Uo(UZ)↑→Iz↑→I↑→UR↑U0↓

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用反之，當(dāng)UI下降引起U0降低時(shí)，調(diào)節(jié)過程與上相反。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)電流IO在一定范圍內(nèi)變化而引起輸出電壓變化時(shí)，同樣會由于穩(wěn)壓管電流IZ的補(bǔ)償作用，使U0基本保持不變。其過程描述如下：IO↑→I↑→UR↑→Uo↓→IZ↓

Uo↑←UR↓←I↓

綜上所述，由于穩(wěn)壓管和負(fù)載并聯(lián)，穩(wěn)壓管總要限制U0的變化，所以能穩(wěn)定輸出直流電壓U0，這種穩(wěn)壓電路也稱為并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用技能訓(xùn)練半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用基本放大電路

第二章基本放大電路

2.1晶體三極管

2.2共發(fā)射極放大電路

2.3微變等效電路分析法

2.4分壓偏置電路和射極輸出器

2.5基本功率放大電路

2.6場效應(yīng)管及其放大電路

基本放大電路2.1晶體三極管

半導(dǎo)體三極管可分為晶體管和場效應(yīng)管兩類，前者通常用BJT（BipolarJunctionTransistor）表示，即雙極型晶體管，簡稱三極管，后者通常用FET（Field-effecttran-sistors）表示，即單極型晶體管。三極管可以用來放大微弱的信號和作為無觸點(diǎn)開關(guān)。本書中凡未加說明的“三極管”，均指雙極型三極管。2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)與符號

三極管按其結(jié)構(gòu)分為兩類：NPN型和PNP型三極管。如圖2--1所示為三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號。

基本放大電路圖2-1三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號

基本放大電路從圖中可見，三極管具有三個(gè)電極：基極b、集電極c和發(fā)射極e；對應(yīng)有三個(gè)區(qū)：基區(qū)、集電區(qū)和發(fā)射區(qū)；有兩個(gè)PN結(jié)：基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)Je，基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)Jc。符號中發(fā)射極上的箭頭方向，表示發(fā)射結(jié)正偏時(shí)發(fā)射極電流的實(shí)際方向。PNP型三極管電流方向與NPN型相反，這兩個(gè)極性相反的晶體管在應(yīng)用上形成互補(bǔ)。三極管制作時(shí)，通常它們的基區(qū)做得很?。◣孜⒚椎綆资⒚祝覔诫s濃度低；發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度則比較高；集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大。這是三極管實(shí)現(xiàn)電流放大的內(nèi)部條件?；痉糯箅娐啡龢O管可以是由半導(dǎo)體硅材料制成，稱為硅三極管；也可以由鍺材料制成，稱為鍺三極管。從應(yīng)用的角度講，種類很多。根據(jù)工作頻率分為高頻管、低頻管和開關(guān)管；根據(jù)工作功率分為大功率管、中功率管和小功率管。常見的三極管外形如圖2-2所示。

圖2-2常見的三極管外形基本放大電路（a）NPN型管的直流供電電路（b）PNP型管的直流供電電路圖2-3三極管的直流供電電路之一基本放大電路1.1.2三極管的電流放大作用

三極管的主要特點(diǎn)是具有電流放大功能。所謂電流放大，就是當(dāng)基極有一個(gè)較小的電流變化（電信號）時(shí)，集電極就隨之出現(xiàn)一個(gè)較大的電流變化。在電路中要求三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。對于NPN型三極管，必須UC>UB>UE；PNP型三極管

UC<UB<UE。因此，兩種類型三極管的直流供電電路如圖2-3所示?；痉糯箅娐穼?shí)際三極管放大電路從經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度，把電路改為單電源供電，如圖2-4所示。由同一個(gè)電源Ucc既提供IC又提供IB，只要改變RB就可以方便地調(diào)整放大器的直流量。其中RB>RC以滿足NPN型三極管放大條件。圖2-4三極管的直流供電電路

基本放大電路當(dāng)三極管按圖2-4連接時(shí)，由實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果可以得出以下結(jié)論：基極電流IB/mA00.0100.0200.0400.0600.0800.100集電極電流IC/mA＜0.0010.4950.9951.9902.9903.9954.965發(fā)射極電流IE/mA＜0.0010.5051.0152.0303.0504.0755.065表2-1三極管各電極電流的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的每一列數(shù)據(jù)均滿足關(guān)系：IE=IC+IB；（2）每一列數(shù)據(jù)都有IC＞＞IB，而且有IC與IB的比值近似相等，大約等于50。定義，稱為三極管的直流電流放大系數(shù)?；痉糯箅娐罚?）對表2-1中任兩列數(shù)據(jù)求IC和IB變化量的比值，結(jié)果仍然近似相等，約等于50。也就是說三極管可以實(shí)現(xiàn)電流的放大及控制作用，因此通常稱三極管為電流控制器件。定義，稱為三極管的交流電流放大系數(shù)。一般有三極管的電流放大系數(shù)：（4）從表2-1中可知，當(dāng)IB=0（基極開路）時(shí)，集電極電流的值很小，稱此電流為三極管的穿透電流ICEO。穿透電流ICEO越小越好。

基本放大電路上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以用載流子在三極管內(nèi)部的運(yùn)動規(guī)律來解釋。如圖2-5所示為三極管內(nèi)部載流子的傳輸與電流分配示意圖。

圖2-5三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律

基本放大電路由于發(fā)射結(jié)正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補(bǔ)充電子，形成發(fā)射極電流IE。同時(shí)基區(qū)的多數(shù)載流子空穴也要擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，但基區(qū)空穴的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)自由電子的濃度，空穴電流很小，可以忽略不計(jì)。一般基區(qū)很薄，且雜質(zhì)濃度低，自由電子在基區(qū)與空穴復(fù)合的比較少，大部分自由電子到達(dá)集電結(jié)附近。一小部分自由電子與基區(qū)的空穴相遇而復(fù)合，基區(qū)電源不斷補(bǔ)充被復(fù)合掉的空穴，形成基極電流IB。由于集電結(jié)反向偏置，阻止集電區(qū)和基區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散，但可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的自由電子拉入集電區(qū)，從而形成集電極電流IC。

基本放大電路從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子，只有一小部分在基區(qū)與空穴復(fù)合掉，絕大部分被集電區(qū)收集。另外，由于集電結(jié)反偏，有利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動。集電區(qū)的少數(shù)載流子空穴漂移到基區(qū)，基區(qū)的少數(shù)載流子自由電子漂移到集電區(qū)，形成反向電流ICBO。ICBO很小，受溫度影響很大，常忽略不計(jì)。若不計(jì)反向電流ICBO，則有：IE=IC+IB。即集電極電流與基極電流之和等于發(fā)射極電流?；痉糯箅娐?.1.3三極管的伏安特性曲線

三極管的伏安特性曲線是指三極管各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線。工程上最常用的是輸入特性和輸出特性曲線。下面以共發(fā)射極放大電路為例進(jìn)行描述。（a）輸入特性曲線（b）輸出特性曲線圖2-6NPN型硅管的共發(fā)射極接法特性曲線

基本放大電路(1)輸入特性曲線族（InputCharacteristics）它是指一定集電極和發(fā)射極電壓UCE下，三極管的基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)測得三極管的輸入特性如圖2-6(a)所示。從圖中可見：①這是UCE≥1V時(shí)的輸入特性，這時(shí)三極管處于放大狀態(tài)。當(dāng)UCE＞1V后，三極管的輸入特性基本上是重合的。②三極管輸入特性的形狀與二極管的伏安特性相似，也具有一段死區(qū)。只有發(fā)射結(jié)電壓UBE大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管才會出現(xiàn)基極電流IB，這時(shí)三極管才完全進(jìn)入放大狀態(tài)。此時(shí)UBE略有變化，IB變化很大，特性曲線很陡。基本放大電路(2)輸出特性曲線族（OutputCharacteristics）輸出特性是在基極電流iB一定的情況下，三極管的輸出回路中（此處指集電極回路），集電極與發(fā)射極之間的電壓uCE與集電極電流iC之間的關(guān)系曲線。如圖2-6（b）是NPN型硅管的輸出特性曲線。由圖可見，各條特性曲線的形狀基本相同，現(xiàn)取一條（例如40μA）加以說明。當(dāng)IB一定（如IB=40μA）時(shí)，在其所對應(yīng)曲線的起始部分，隨UCE的增大IC上升；當(dāng)UCE達(dá)到一定數(shù)值后，IC幾乎不再隨UCE的增大而增大，IC基本恒定（約1.8mA）。這時(shí)，曲線幾乎與橫坐標(biāo)平行。這表示三極管具有恒流特性?；痉糯箅娐芬话惆讶龢O管的輸出特性分為三個(gè)工作區(qū)域：①截止區(qū)此時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置。這時(shí)，

IC=ICEO（穿透電流）。若忽略不計(jì)穿透電流ICEO，IB、IC近似為0；三極管的集電極和發(fā)射極之間電阻很大，三極管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)斷開。②放大區(qū)此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。基極電流IB微小的變化會引起集電極電流IC較大的變化，有電流關(guān)系式：；表現(xiàn)為恒流特性。對NPN型硅三極管有發(fā)射結(jié)電壓，鍺三極管有?；痉糯箅娐发埏柡蛥^(qū)此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正向偏置；三極管的電流放大能力下降，通常有。UCE的值很小，稱此時(shí)的電壓UCE為三極管的飽和壓降，用UCES表示。一般硅三極管的UCES約為0.3V，鍺三極管的UCES約為0.1V。三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。三極管作為開關(guān)使用時(shí)，通常工作在截止和飽和導(dǎo)通狀態(tài)；作為放大元件使用時(shí)，一般要工作在放大狀態(tài)?；痉糯箅娐?.1.4三極管的主要參數(shù)

三極管的參數(shù)是選擇三極管、設(shè)計(jì)和調(diào)試電子電路的主要依據(jù)。主要參數(shù)有下面幾個(gè)：（1）電流放大系數(shù)β（或hfe）電流放大系數(shù)可分為直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)β，由于兩者十分接近，在實(shí)際工作中往往不作區(qū)分，手冊中也只給出直流電流放大系數(shù)值。它們的定義是：基本放大電路對于小功率三極管，β值一般在20～200之間。嚴(yán)格地說，β值并不是一個(gè)不變的常數(shù)，測試時(shí)所取的工作電流IC不同，測出的β值也會略有差異。β值還與工作溫度有密切關(guān)系，溫度每升高1℃，β值約增加0.5～1%。（2）穿透電流Iceo當(dāng)三極管接成圖2-7所示電路時(shí)，即斷開基極電路，則Ib=0，但I(xiàn)C往往不等于零，這種不受基極電流控制的寄生電流稱為穿透電流Iceo（即集電極—發(fā)射極反向飽和電流）。圖2-7三極管的穿透電流基本放大電路小功率的鍺三極管，一般小于500微安（0.5毫安），小功率的硅三極管則只有幾微安。Iceo雖然不算很大，但它與溫度卻有密切的關(guān)系，大約溫度每升高10℃，Iceo會增大一倍。Iceo還與β值有關(guān)，β值越大的三極管，穿透電流也越大。為此，選用高β值的三極管，溫度穩(wěn)定性將會很差。所以在選擇三極管時(shí)，Iceo越小越好。（3）集電極最大允許電流ICMICM是指三極管集電極允許的最大電流。當(dāng)電流超過ICM時(shí)，管子性能將顯著下降，甚至有燒壞管子的可能?；痉糯箅娐饭ぷ鳡顟B(tài)放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)工作條件發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏（IB＞IBS）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏（IB≈0）工作特點(diǎn)集電極電流IC＝βIB

IC≈0

管壓降等效電路c、e間等效內(nèi)阻可變很小，約為數(shù)百歐，相當(dāng)于開關(guān)閉合很大，約為數(shù)百千歐，相當(dāng)于開關(guān)斷開表10-1三極管三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)（NPN型）

基本放大電路2.2共發(fā)射極放大電路

2.2.1放大電路的性質(zhì)

放大電路也稱為放大器，其作用是將微弱的電信號放大成幅度足夠大且與原來信號變化規(guī)律一致的信號。例如擴(kuò)音系統(tǒng)，當(dāng)人對著話筒講話時(shí)，話筒會把聲音的聲波變化轉(zhuǎn)換成以同樣規(guī)律變化的電信號（弱小的），經(jīng)擴(kuò)音機(jī)電路放大后輸出給揚(yáng)聲器（主要是放大振幅），則揚(yáng)聲器放出更大的聲音，這就是放大器的放大作用。這種放大還要求放大后的聲音必須真實(shí)地反映講話人的聲音和語調(diào)，是一種不失真地放大。若把擴(kuò)音機(jī)的電源切斷，揚(yáng)聲器不發(fā)聲，可見揚(yáng)聲器得到的能量是從電源能量轉(zhuǎn)換而來的，故放大器還必須加直流電源?；痉糯箅娐贩糯箅娐冯m然應(yīng)用的場合及其作用不同，但信號的放大過程是相同的，可以用下面的框圖來表示：

電壓放大電路功率放大電路負(fù)載工作微弱信號直流電壓源由此可見，信號放大是指只放大微弱信號的幅度，而其頻率不變，即不失真放大。電壓放大電路的基本形式有三種：共發(fā)射極放大電路、共集電極電路、共基極電路?；痉糯箅娐?.2.2共發(fā)射極放大電路2.2.2.1電路的組成原則

（1）用晶體管組成放大電路的基本原則

a.必須滿足三極管的放大條件，即發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。

b.輸入信號在傳遞過程中，要求損耗小，在理想情況下，損耗為零

c.放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定，失真（即放大后的輸出信號波形與輸入信號波形不一致的程度）不超過允許范圍?；痉糯箅娐穲D2-8為根據(jù)上述要求由NPN型晶體管組成的電壓放大電路。因輸入信號ui是通過C1與三極管的B—E端構(gòu)成輸入回路，輸出信號uo是通過C2經(jīng)三極管的C—E端構(gòu)成輸出回路，而輸入回路與輸出回路是以發(fā)射極為公共端的，故稱為共發(fā)射極放大電路。圖2-8共發(fā)射極放大電路

基本放大電路（2）元器件的作用

a.三極管:起電流放大作用，是放大電路的核心元件。b.直流電源:通過RB給發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓，通過Rc給集電結(jié)提供反向偏置電壓，以滿足三極管放大條件。c.基極偏置電阻RB：RB為三極管提供基極偏置電流。改變RB將使基極電流變化，這對放大器影響很大，因此它是調(diào)整放大器工作狀態(tài)的主要元件。

d.集電極負(fù)載電阻RC:一方面通過RC為集電結(jié)提供反向偏壓；另一方面將放大的電流轉(zhuǎn)換成電壓。因?yàn)槿龢O管的集電極是輸出端，圖2-8中UCE=Ucc－IcRc，若Rc=0，則UCE=Ucc，即輸出電壓恒定不變，失去電壓放大作用?；痉糯箅娐?/p>

e.耦合電容C1、C2:電容的容抗，與頻率f有關(guān)，對于直流，f=0，則X=∞，對于交流，頻率f較高，且C較大時(shí)，Xc→0，故耦合電容具有隔直流通交流作用，它阻隔了直流電流向信號源和負(fù)載的流動，使信號源和負(fù)載不受直流電流的影響。一般耦合電容選得較大，約幾十微法。故用電解電容，使用中電解電容的正極必須接高電位端，負(fù)極接低電位端，正、負(fù)極性不可接反。

f.接地“⊥”:表示電路的參考零電位，它是輸入信號電壓，輸出信號電壓及直流電源的公共零電位點(diǎn)，而不是真正與大地相接，這與電工技術(shù)接地含義不同，電子設(shè)備通常選機(jī)殼為參考零電位點(diǎn)?；痉糯箅娐?.2.2.2電壓、電流等符號的規(guī)定放大電路中（如圖2-8所示）即有直流電源UCC，又有交流電壓ui，電路中三極管各電極的電壓和電流包含直流量和交流量兩部分。為了分析的方便，各量的符號規(guī)定如下：（1）直流分量：用大寫字母和大寫下標(biāo)表示。如IB表示三極管基極的直流電流。圖2-8共發(fā)射極放大電路

基本放大電路（2）交流分量：用小寫字母和小寫下標(biāo)表示。如ib表示三極管基極的交流電流。（3）瞬時(shí)值：用小寫字母和大寫下標(biāo)表示，它為直流分量和交流分量之和。如iB表示三極管基極的瞬時(shí)電流值，iB=IB+ib。（4）交流有效值：用大寫字母和小寫下標(biāo)表示。如Ib表示三極管基極正弦交流電流有效值?；痉糯箅娐?.2.2.3靜態(tài)工作點(diǎn)的分析計(jì)算放大電路只有直流信號作用，未加輸入信號（ui=0）時(shí)的電路狀態(tài)叫靜態(tài)。靜態(tài)下三極管各極的電流值和各極之間的電壓值，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。表示為IBQ、ICQ、、UCEQ，因它們在輸入特性和輸出特性曲線上對應(yīng)于一點(diǎn)Q，故得此名，如圖2-9所示。圖2-9輸入、輸出特性曲線上對應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)基本放大電路設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的目的是為了保證三極管處于線性放大區(qū)，為放大微小的交流信號做準(zhǔn)備。否則，若三極管處在截止區(qū)，微小的交流信號或交流信號負(fù)半周輸入時(shí)三極管不能導(dǎo)通,電路的輸出電壓為零，無法完成不失真放大。（1）放大電路的直流通路計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)先畫出放大電路的直流通路。只考慮直流信號作用，而不考慮交流信號作用的電路稱直流通路。畫直流通路有兩個(gè)要點(diǎn)：a.電容視為開路。電容具有隔離直流的作用，直流電流無法通過它們。因此對直流信號而言，電容相當(dāng)于開路?；痉糯箅娐穊.電感視為短路。電感對直流電流的阻抗為零，可視為短路。如圖2-10中，（a）圖是基本放大電路，（b）圖是其直流通路。(a)(b)圖2-10基本放大電路及其直流通路基本放大電路（2）計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)例題2-1在圖2-10（b）中的直流通路中，設(shè)RB=300KΩ,Rc=4KΩ,Ucc=12V,β=40。三極管為硅管,試求靜態(tài)工作點(diǎn)。根據(jù)基爾霍夫電壓定律列出輸入回路和輸出回路方程為：

Ucc=IBQRB+UBEQ

Ucc=ICQRC+UCEQ

則基本放大電路ICQ=βIBQ=40×40×10-3=1.6mA

UCEQ

=Ucc-ICQRC

=Ucc-βIBQRC

=12-40×0.04×4=5.6V因?yàn)閁CC＞＞UBE，所以可用估算法近似地計(jì)算出靜態(tài)值，即忽略UBE。實(shí)際電路中一般將基極偏置電阻串接一個(gè)可調(diào)電阻，以方便調(diào)試靜態(tài)工作點(diǎn)?；痉糯箅娐?.2.2.3基本電壓放大原理如圖2-11所示，當(dāng)輸入正弦交流信號ui時(shí)，放大電路在靜態(tài)時(shí)各點(diǎn)的電壓及電流的數(shù)值都不變化，圖中陰影部分是輸入電壓ui的變化引起的三極管各電極電流和電壓的變化量，即交流分量。相當(dāng)于在原直流量上疊加的增量?；痉糯箅娐穲D2-11放大電路實(shí)現(xiàn)信號放大的工作過程基本放大電路設(shè)ui＝Uimsinωt(v)，信號經(jīng)耦合電容無損耗，即容抗。則電路各處電壓、電流的瞬時(shí)值均為直流量與交流量瞬時(shí)值之和。因?yàn)閡i電壓變化范圍小，由圖2-12看出，uBE變動范圍a～b相當(dāng)一段直線，所以電流與電壓成線性關(guān)系，電壓ui為正弦波，由電壓產(chǎn)生的電流ib也是正弦波。各極的電壓與電流關(guān)系為：

uBE＝UBEQ＋ube＝UBEQ＋uI

iB=IB+ib

ic＝IC＋ic＝βIC＋βib

uCE＝UCE＋uce＝Ucc－iCRC＝Ucc－(IC+ic)Rc

＝Ucc－ICRC－icRc＝UCE＋(-icRc)iB、ic、uCE的波形如圖2-11所示?；痉糯箅娐穲D2-12輸入特性線性情況基本放大電路iB、ic、uCE的波形如圖2-11所示。由于uCE的直流分量UCE被耦合電容C2隔斷，其交流量uce經(jīng)C2允許通過,且無損耗，所以

uo＝uce＝－icRc

式中負(fù)號表明uo與ui的相位相反。整個(gè)放大過程為：弱小的輸入信號ui

引起三極管基極電流產(chǎn)生增量ib，則三極管集電極產(chǎn)生更大的電流增量ic=βib，而ic經(jīng)過Rc轉(zhuǎn)換為電壓增量，即為輸出電壓uo，顯然uo是ui被放大的結(jié)果。這就是電壓放大原理?；痉糯箅娐肪C上分析得出共射單管放大電路的特點(diǎn)為：

a.既有電流放大，也有電壓放大；

b.輸出電壓uO與輸入電壓ui相位相反。c.除了ui和uo是純交流量外，其余各量均為脈動直流電，故只有大小的變化，無方向或極性的變化?？傊?，交流信號的放大是利用三極管的電流放大作用將直流電源的能量轉(zhuǎn)換來的。三極管的放大作用實(shí)質(zhì)上是種能量控制作用。從這個(gè)意義上說，放大電路是一種以較小能量控制較大能量的能量控制與轉(zhuǎn)換裝置?；痉糯箅娐?.2.3靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置對波形的影響

(a)輸入信號與ic波形圖(b)輸入信號與輸出信號波形圖

圖2－13靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇基本放大電路圖2-13（a）表示出工作點(diǎn)偏高或偏低對輸出波形的影響。為簡單起見，只畫出ic

的波形，其它波形可以對應(yīng)推想出來。工作點(diǎn)ICQ

過低，因iC不可能為負(fù)值,集電極電流ic可以增加，但沒有減小的空間。信號較小時(shí)不失真，信號稍大，下半部就產(chǎn)生失真。該現(xiàn)象是由于輸入信號的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)而造成的失真，故稱為截止失真。相反，工作點(diǎn)ICQ過高,因uCE＝Ucc－iCRC，使iC有一個(gè)最大值：集電極電流ic可以減小,但沒有增大的空間。

基本放大電路信號較小時(shí)不失真。信號稍大，上半部就產(chǎn)生失真。該現(xiàn)象是由于輸入信號的正半周進(jìn)入飽和區(qū)而造成的失真，故稱為飽和失真。只有ICQ選在一個(gè)最佳點(diǎn)上，使上下半周同時(shí)達(dá)到最大值，若再增大輸入信號會同時(shí)產(chǎn)生失真，這個(gè)點(diǎn)就是放大器的最佳工作點(diǎn)。任何狀態(tài)下，不失真的最大輸出稱為放大器的動態(tài)范圍。實(shí)際工作中常用示波器觀察輸出波形,如圖2－13(b)所示，再稍稍調(diào)整偏流電阻RB，輸出波形會出現(xiàn)上下峰均略有相同程度的失真，此時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，就是最佳工作點(diǎn)?；痉糯箅娐?.3微變等效電路分析法

放大電路的分析包含靜態(tài)和動態(tài)工作情況分析。靜態(tài)分析主要是確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q的值，判定Q點(diǎn)是否處于合適的位置，這是三極管進(jìn)行不失真放大的前提條件；動態(tài)分析主要是確定微弱信號經(jīng)過放大電路放大了多少倍（如Au）、放大器對交流信號所呈現(xiàn)的輸入電阻Ri、輸出電阻Ro等。定量分析放大電路的動態(tài)性能時(shí)，常采用微變等效電路法，“微變”指微小變化的信號。當(dāng)小信號輸入時(shí)，放大器運(yùn)行于靜態(tài)工作點(diǎn)的附近，在這一范圍內(nèi)，三極管的特性曲線可以近似為一直線。這種情況下，可以把非線性元件晶體管組成的放大電路等效為一個(gè)線性電路。

基本放大電路2.3.1三極管的微變等效電路

2.3.1.1輸入回路的等效由圖2-12可看出，當(dāng)輸入信號ui較小時(shí)，動態(tài)變化范圍小，則Q1～Q2間的一小段曲線可看成是直線，即△iB與△uBE

近似成線性關(guān)系，即：該常數(shù)若用rbe表示三極管輸入端口的動態(tài)電阻，即為三極管輸入端的等效線性電阻。基本放大電路這個(gè)公式只能用來計(jì)算動態(tài)的三極管基極與發(fā)射極的輸入電阻，即它是交流電阻。絕對不可以用來計(jì)算靜態(tài)的基極和發(fā)射極之間的電阻。

由上分析可得出結(jié)論：三極管的B、E兩端可等效為一個(gè)線性電阻rbe，如圖2-14(b)所示。實(shí)用中rbe可用下面公式進(jìn)行估算：

rbe的值一般為數(shù)百歐到數(shù)千歐，在半導(dǎo)體手冊中常用hie表示?；痉糯箅娐?.3.1.2輸出回路的等效由圖2-6（b）輸出特性曲線可看出，三極管工作在線性放大區(qū)時(shí)，輸出特性是一組等距離的平行線，且β為一常數(shù)。從特性曲線上可以看出iB一定時(shí)，因iC=βiB與uCE無關(guān)，是個(gè)常數(shù)。則三極管C、E兩端可等效為一個(gè)受控電流源，電流值用βib表示。綜上所述，一個(gè)非線性元件三極管可以用圖2-14(b)所示簡化的線性等效電路來代替，適用條件是小信號交流信號，三極管必須工作在線性放大區(qū)?；痉糯箅娐肺⒆兊刃щ娐肥菍涣鞯刃?，只能用來分析交流動態(tài)，計(jì)算交流分量，而不能用來分析直流分量。圖2-14三極管及其微變等效電路基本放大電路2.3.2放大電路的交流通路

在交流信號電壓或電流作用下，只考慮交流信號通過的電路稱為交流通路。如圖2-15(a)所示。信號在傳遞的過程中，交流電壓、電流之間的關(guān)系是從交流通路得到的。(a)交流通路(b)微變等效電路圖2-15用微變等效電路法對放大電路的動態(tài)分析基本放大電路2.3.4放大電路主要動態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算

放大電路的性能指標(biāo)有放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等，它們反映放大電路對交流信號所呈現(xiàn)的特性。仍以圖2-10(a)電路為例，先作出其微變等效電路如圖2-15(b)所示。再利用電工學(xué)中的線性電路分析方法進(jìn)行計(jì)算。2.3.4.1計(jì)算電壓放大倍數(shù)Au放大倍數(shù)是衡量放大電路對信號放大能力的主要技術(shù)參數(shù)。電壓放大倍數(shù)是最常用的一項(xiàng)指標(biāo)。定義為：輸出電壓相量與輸入電壓相量的比值（為書寫方便，本節(jié)內(nèi)容有關(guān)交流電壓、電流相量略去表示相量的）。基本放大電路由圖2-15(b)的輸入回路得：Ui＝Ube＝Ibrbe

由輸出回路得：Uo＝-βIb(Rc∥RL)則：

式中負(fù)號表示uo與ui相位相反。由上式可知，空載時(shí)RL＝∞，空載電壓放大倍數(shù)為：基本放大電路顯然，ㄧAuㄧ＜ㄧAouㄧ，即帶載后，電壓放大倍數(shù)要下降。Au與Aou比較下降越小，說明放大電路帶載能力越強(qiáng)，反之，帶載能力差。實(shí)際的放大電路必須要解決提高帶載能力的問題。若考慮信號源內(nèi)阻時(shí)的電壓放大倍數(shù)Aus：當(dāng)信號源內(nèi)阻RS可忽略時(shí)，Aus=Au；考慮內(nèi)阻Rs時(shí)，Aus＜Au，說明信號源內(nèi)阻使電壓放大倍數(shù)下降。工程上為了表示的方便，常用分貝（dB）來表示電壓放大倍數(shù)，這時(shí)稱為增益。電壓增益=20log|Au|（dB）基本放大電路2.3.4.2輸入電阻Ri

放大電路對于信號源而言，相當(dāng)于信號源的一個(gè)負(fù)載電阻。此電阻即為放大電路的輸入電阻。換句話說，輸入電阻相當(dāng)于從放大電路的輸入端看進(jìn)去的等效電阻。關(guān)系式：ui為實(shí)際加到放大電路兩輸入端的輸入信號電壓，ii為輸入電壓產(chǎn)生的輸入電流，二者的比值即為放大電路的輸入電阻Ri?；痉糯箅娐穼τ谝欢ǖ男盘栐措娐罚斎腚娮鑂i越大，放大電路從信號源得到的輸入電壓ui就越大，放大電路向信號源索取電流的能力也就越小。圖2-16放大電路的輸入電阻基本放大電路由圖2-15（b）得共射放大電路的輸入電阻：一般情況下rbe<<RB，則Ri≈rbe圖2-17放大電路的輸出電阻基本放大電路2.3.4.3輸出電阻Ro當(dāng)負(fù)載電阻RL變化時(shí)，輸出電壓uo也相應(yīng)變化。即從放大電路的輸出端向左看，放大電路內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)含有內(nèi)阻為Ro，端電壓為

的電壓源，此內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻Ro。圖2-17所示為放大電路輸出電阻的示意圖。Ro的兩種計(jì)算方法：方法一：在放大電路的輸入端加正弦波信號，測出負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓uo/，接上負(fù)載RL，再測輸出端的電壓Uo，可計(jì)算出：基本放大電路此方法一般用于實(shí)驗(yàn)中定量測量Ro。方法二：令負(fù)載開路（RL→∞），信號源短路（uS=0），在放大電路的輸出端加測試電壓UT，則產(chǎn)生相應(yīng)的電流IT，二者的比值即為放大電路的輸出電阻。即：圖2-18所示為求解放大電路輸出電阻的等效電路。圖2-18輸出電阻的求解電路基本放大電路如圖2-15(b)所示的微變等效電路，斷開負(fù)載RL，將信號源電壓短路,即us=0，則ib=0，βib=0，受控電流源相當(dāng)于開路，此時(shí)從輸出端看進(jìn)的電阻就是輸出電阻Ro，即：Ro=Rc當(dāng)放大電路作為一個(gè)電壓放大器使用時(shí)，其輸出電阻Ro的大小決定了放大電路的帶負(fù)載能力。Ro越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。即放大電路的輸出電壓uo受負(fù)載的影響越小。共射放大電路的輸入電阻較小，輸出電阻較大。基本放大電路例題2-2如圖2-10(a)電路，已知RS=1KΩ，RB=500KΩ，RC=6KΩ，RL=6KΩ，Ucc=20V，β=50，三極管為硅管。（1）計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。（2）計(jì)算Au、Aus、Ri、Ro。解：（1）畫直流通路，參看圖2-10(b)。基本放大電路（2）畫微變等效電路，參看圖2-15（b）。

因?yàn)?/p>

IEQ≈ICQ，所以：基本放大電路2.4分壓偏置電路和射極輸出器2.4.1分壓式偏置電路2.4.1.1靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的必要性：

合理選定靜態(tài)工作點(diǎn)并保持其穩(wěn)定，是放大電路能夠正常工作和避免失真的先決條件。Q點(diǎn)的影響因素有很多。如電源波動、偏置電阻的變化、管子的更換、元件的老化等等，不過最主要的影響則是環(huán)境溫度的變化。三極管是一個(gè)對溫度非常敏感的器件，隨溫度的變化，三極管參數(shù)會受到影響,從而引起靜態(tài)工作點(diǎn)的移動，導(dǎo)致放大電路性能不穩(wěn)定和出現(xiàn)失真等不正?，F(xiàn)象。

基本放大電路

例如：環(huán)境溫度t↑→β↑→ICQ↑→Q上移ICEO↑UBEQ↓穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)有兩種辦法：一是采用恒溫設(shè)備，造價(jià)高，一般不采用。二是分壓式偏置電路來實(shí)現(xiàn)，它是目前應(yīng)用較廣的一種電路。

基本放大電路2.4.1.2分壓偏置電路結(jié)構(gòu)圖2-19分壓式偏置電路圖2-20直流通路基本放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的分壓式放大電路如圖2－19所示，為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，一般取I1＞＞IBQ，靜態(tài)時(shí)有：

當(dāng)UCC、Rb1、Rb2確定后，UB也就基本確定，不受溫度的影響。假設(shè)溫度上升，使三極管的集電極電流IC增大，則發(fā)射極電流IE也增大，IE在發(fā)射極電阻Re上產(chǎn)生的壓降UE也增大，使三極管發(fā)射結(jié)上的電壓UBE=UB－UE減小，從而使基極電流IB減小，又導(dǎo)致IC減小。這就是負(fù)反饋的作用，即將輸出量變化反饋到輸入回路，削弱了輸入信號。反饋元件是發(fā)射極電阻RE，其作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。其工作過程可描述為：基本放大電路溫度T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓IC↓分壓偏置式放大電路具有穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用，在實(shí)際電路中應(yīng)用廣泛。實(shí)際應(yīng)用中，為保證Q點(diǎn)的穩(wěn)定，要求電路：I1＞＞IBQ，常用(1+β)RE與RB1∥RB2的大小關(guān)系來判斷I1>>IB是否成立。一般對于硅材料的三極管：I1=（5～10）IBQ。

由此可見，工作點(diǎn)穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)是：（1）RE的直流負(fù)反饋?zhàn)饔茫?）要求I1>>IBQ，一般對于硅材料的三極管I1=（5～10）IBQ?；痉糯箅娐?.4.1.3分析與計(jì)算通過下面例題來進(jìn)行分壓偏置電路的靜態(tài)分析與動態(tài)指標(biāo)計(jì)算。例題2-3如圖2-19所示電路β=100，Rs=1kΩ，RB1=62KΩ，RB2=20kΩ，Rc=3kΩ，RE=1.5KΩ，RL=5.6KΩ，Ucc=15V，三極管為硅管。（1）估算靜態(tài)工作點(diǎn)。（2）分別求出有、無CE兩種情況下Au、Ri、Ro、Aus。

(3)若管子壞了，手頭沒有完全相同的管子，現(xiàn)用β=50的三極管來替換，其他參數(shù)不變，靜態(tài)工作點(diǎn)是否變化？基本放大電路解：（1）直流通路參看圖2-20得：基本放大電路（２）有、無CE微變等效電路，如圖2-21。(a)有CE微變等效電路(b)無CE微變等效電路圖2－21分壓偏置電路微變等效電路基本放大電路①有CE的動態(tài)指標(biāo)計(jì)算：基本放大電路②無CE的動態(tài)指標(biāo)計(jì)算輸入電阻的求法：為了方便，先求，基本放大電路輸出電阻Ro的求法：將RL斷開，令us＝0，則ib＝0，βib＝0，受控電流源相當(dāng)于開路，輸出端口的電阻為Ro＝Rc＝3KΩ基本放大電路比較兩種情況下的電壓放大倍數(shù)Au的值，可以看出差異很大。第二種情況下，由于微變等效電路中存在RE，使Au下降。其原因是ui有很大一部分壓降降到RE上，只有一小部分電壓加到三極管的發(fā)射結(jié)上，故產(chǎn)生的ib小，產(chǎn)生的ic小，使uo降低而造成的。而第一種情況下，僅直流通路中存在RE，起直流負(fù)反饋?zhàn)饔?，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。交流通路中RE被旁路電容短路，即RE不存在，輸入信號ui直接加到發(fā)射結(jié)上，故轉(zhuǎn)換成的ic、uo較大，使得電壓放大倍數(shù)Au提高，滿足電路具有較大放大能力的要求。通過分析，分壓式偏置電路常在RE的兩端并接一個(gè)旁路電容CE，目的是提高電壓放大倍數(shù)?；痉糯箅娐罚?）當(dāng)β=50，UB、ICQ、UCE與⑴相同，即與β值無關(guān)，故UB＝3.7V，ICQ≈IEQ＝2mA，UCEQ＝6V，靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ，UCEQ不變。但是，

而⑴中IBQ=20μA，即基極電流隨β而變。此例說明，更換管子所引起的β變化，分壓式偏置電路能夠自動改變IBQ，以抵消