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1、,主编 李中发 制作 李中发 2003年7月,电工电子技术基础,第7章 基本放大电路,半导体器件工作原理 共射放大电路组成、工作原理、性能特点及分析方法 射极输出器基本特点,差动放大电路及功率放大电路工作原理 多级放大电路概念 场效应管放大电路组成及分析方法,学习要点,7.1 半导体二极管 7.2 半导体三极管 7.3 三极管单管放大电路 7.4 场效应晶体管及其放大电路 7.5 多级放大电路 7.6 差动放大电路 7.7 互补对称功率放大电路,第7章 基本放大电路,7.1 半导体二极管,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成
2、各种电子电路最基本的元件。,7.1.1 PN结,半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质,如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素,原子的最外层轨道上有4个价电子。,热激发产生自由电子和空穴,室温下,由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子,同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子,就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。,每个原子周围有四个相邻的原子,原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。,1半导体的导电特征,空穴运动,(与自由电子的运动不同),有了空穴,邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴,这
3、样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动,从效果上看,相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,本征半导体中有两种载流子:带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的,电子和空穴又可能重新结合而成对消失,称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,在纯净半导体中掺入某些微量杂质,其导电能力将大大增强。,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素,由于这类元素的原子最外层有5个价电子,故在构成的共价键结构中,由于存在多余的价电子而产生大量自由电子,这种半导体主要靠自由电子导电,称为电子半导体或N型半导体,其
4、中自由电子为多数载流子,热激发形成的空穴为少数载流子。,N型半导体,自由电子,多数载流子(简称多子),空 穴,少数载流子(简称少子),P型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素,由于这类元素的原子最外层只有3个价电子,故在构成的共价键结构中,由于缺少价电子而形成大量空穴,这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动,称为空穴半导体或P型半导体,其中空穴为多数载流子,热激发形成的自由电子是少数载流子。,自由电子,多数载流子(简称多子),空 穴,少数载流子(简称少子),无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的,对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高,多数载流子的数量越多。 少数载流子是热
5、激发而产生的,其数量的多少决定于温度。,2PN结及其单向导电性,PN结的形成,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中,如果载流子浓度分布不均匀,因为浓度差,载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动,这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体,在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,外加正向电压(也叫正向偏置) 外加电场与内电场方向相反,内电场削弱,扩散运动大大超过漂移运动,N区
6、电子不断扩散到P区,P区空穴不断扩散到N区,形成较大的正向电流,这时称PN结处于导通状态。,PN结的单向导电性,外加反向电压(也叫反向偏置) 外加电场与内电场方向相同,增强了内电场,多子扩散难以进行,少子在电场作用下形成反向电流 IR,因为是少子漂移运动产生的, IR很小,这时称PN结处于截止状态。,7.1.2 半导体二极管,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来,就构成了半导体二极管,简称二极管。半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小,结电容很小,多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积大,结电容也小,多用在低频整流
7、电路中。,1半导体二极管的结构与符号,2半导体二极管的伏安特性曲线,(1)正向特性,外加正向电压较小时,外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,PN结仍处于截止状态 。 正向电压大于死区电压后,正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V,锗管约为0.2V。,外加反向电压时, PN结处于截止状态,反向电流 很小。反向电压大于击穿电压时,反向电流急剧增加。,(2)反向特性,3半导体二极管的主要参数,1)最大整流电流IF:指管子长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。 2)反向击穿电压UB:指管子反向击穿时的电压值。 3)最大反向工作电压UDRM:二极管运行时允许承受的最大反向
8、电压(约为UB 的一半)。 4)反向电流IR:指管子未击穿时的反向电流,其值越小,则管子的单向导电性越好。 5)最高工作频率fm:主要取决于PN结结电容的大小。,理想二极管:正向电阻为零,正向导通时为短路特性,正向压降忽略不计;反向电阻为无穷大,反向截止时为开路特性,反向漏电流忽略不计。,7.1.3 稳压管,稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管,稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于:电流增量很大,只引起很小的电压变化。,稳压管的主要参数: (1)稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。 (2)稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。 (3)动态电阻rZ。稳定工作范围内
9、,管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即:rZ=UZ/IZ (4)额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是:PZ=UZIZM,第五章 半导体三极管,5.1 三极管的结构及类型,半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中,两种载流子(电子和空穴)都参与导电,故又称为双极型晶体管,简称晶体管或三极管。 两个PN结,把半导体分成三个区域。这三个区域的排列,可以是N-P-N,也可以是P-N-P。因此,三极管有两种类型:NPN型和PNP型。,NPN型,PNP型,箭头方向表示发射结
10、加正向电压时的电流方向,5.2 电流分配和电流放大作用,(1)产生放大作用的条件内部:a)发射区杂质浓度集电区基区b)基区很薄外部:发射结正偏,集电结反偏,(2)三极管内部载流子的传输过程 a)发射区向基区注入电子,形成发射极电流 iE b)电子在基区中的扩散与复合,形成基极电流 iB c)集电区收集扩散过来的电子,形成集电极电流 iC (3)电流分配关系:iE = iC + iB,实验表明IC比IB大数十至数百倍,因而有。IB虽然很小,但对IC有控制作用,IC随IB的改变而改变,即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化,表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用,这就是三极管的电流放
11、大作用。,5.3 三极管的特性曲线,1输入特性曲线,与二极管类似,2输出特性曲线,(1)放大区:发射极正向偏置,集电结反向偏置VcVbVe,(2)截止区:发射结反向偏置,集电结反向偏置 VcVe=Vb,(3)饱和区:发射结正向偏置,集电结正向偏置VbVcVe,此时,5.4 三极管的主要参数,1、电流放大系数:iC= iB 2、极间反向电流iCBO、iCEO:iCEO=(1+ )iCBO 3、极限参数(1)集电极最大允许电流 ICM:下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。(2)反向击穿电压U(BR)CEO:基极开路时,集电极、发射极间的最大允许电压。 (3)集电极最大允许功耗PCM 。,
12、5.2 三极管单管放大电路,5.2.1 共发射极基本放大电路的组成及工作原理,放大的实质:用较小的信号去控制较大的信号。,(1)晶体管V。放大元件,用基极电流iB控制集电极电流iC。 (2)电源UCC和UBB。使晶体管的发射结正偏,集电结反偏,晶体管处在放大状态,同时也是放大电路的能量来源,提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。 (3)偏置电阻RB。用来调节基极偏置电流IB,使晶体管有一个合适的工作点,一般为几十千欧到几百千欧。 (4)集电极负载电阻RC。将集电极电流iC的变化转换为电压的变化,以获得电压放大,一般为几千欧。 (5)电容Cl、C2。用来传递交流信号,起到耦合的作用。
13、同时,又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离,起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失,Cl、C2应选得足够大,一般为几微法至几十微法,通常采用电解电容器。,共发射极放大电路的实用电路,5.2.2 共发射极基本放大电路的静态分析,静态是指无交流信号输入时,电路中的电流、电压都不变的状态,静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q(主要指IBQ、ICQ和UCEQ)。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。,1估算法,直流通路:耦合电容可视为开路。,图解步骤: (1)用估算法求出基极电流IBQ(如40A)。 (2)根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。 (3)作直流负载线
14、。根据集电极电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线,该直线在纵轴上的截距为UCC/RC,在横轴上的截距为UCC,其斜率为1/ RC ,只与集电极负载电阻RC有关,称为直流负载线。 (4)求静态工作点Q,并确定UCEQ、ICQ的值。晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB=40A的输出特性曲线,又要满足直流负载线,因而晶体管必然工作在它们的交点Q,该点就是静态工作点。由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ。,2图解法,IB=40A的输出特性曲线,由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线,两者的交点Q就是静态工作点,过Q点作水平线,在纵轴上的截距即为I
15、CQ,过Q点作垂线,在横轴上的截距即为UCEQ,5.2.3 共发射极基本放大电路的动态分析,动态是指有交流信号输入时,电路中的电流、电压随输入信号作相应变化的状态。由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作,电路中的电压uCE、电流iB和iC均包含两个分量。,交流通路:(ui单独作用下的电路)。由于电容C1、C2足够大,容抗近似为零(相当于短路),直流电源UCC去掉(短接)。,1图解法,图解步骤: (1)根据静态分析方法,求出静态工作点Q。 (2)根据ui在输入特性上求uBE和iB。 (3)作交流负载线。 (4)由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。,从图解分析过
16、程,可得出如下几个重要结论: (1)放大器中的各个量uBE,iB,iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。 (2)由于C2的隔直作用,uCE中的直流分量UCEQ被隔开,放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce,且与输入电压ui反相。 (3)放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小,交流负载电阻RL也越小,交流负载线就越陡,使Uom减小,电压放大倍数下降。 (4)静态工作点Q设置得不合适,会对放大电路的性能造成影响。若Q点偏高,当ib按正弦规律变化时,Q进入饱和区,造成ic和uce的波形与ib(或ui)的波形不一致,输出电压uo(即uce)的负半周出现平顶畸变,称为饱和失真;若Q点偏低,则Q“进入截止区,输出电压uo的正半周出现平顶畸变,称为截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,