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1、电工电子技术基础 （第二版）,主 编 李中发 中国水利水电出版社,第8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,学习要点,8.1 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。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。,8.1.1 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
2、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
3、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
4、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
5、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 I
6、R，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。,8.1.2 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
7、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
8、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。,8.1.3 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，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：
9、PZ=UZIZM,8.2 半导体三极管,8.2.1 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加正向电压时的电流方向,8.2.2 电流分配和电流放大作用,（1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 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
10、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大作用。,8.2.3 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,（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置,（3）饱和区：发射结正向偏置，集
11、电结正向偏置,此时,8.2.4 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 。,8.3 放大电路的组成,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，
12、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。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。,8.4 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
13、指IB、IC和UCE）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IB、IC和UCE。,8.4.1 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IB（如40A）。 （2）根据IB在输出特性曲线中找到对应的曲线。 （3）作直流负载线。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UCE、IC的值。晶体管的IC和UCE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
14、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IC和UCE。,8.4.2 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IC,过Q点作垂线，在横轴上的截距即为UCE,8.5 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
15、近似为零（相当于短路），直流电源UCC去掉（短接）。,8.5.1 图解分析法,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
16、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。,8.5.2 微变等效电路法,把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路，就是放大电路的微变等效电路，然后用线性电路的分析方法来分析，这种方法称为微变等效电路分析法。等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内，用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,（1）基本思路,（2）晶体管微变等效电路,输入特性曲线在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的。当uBE有一微小变化UBE时，基极电流变化IB，
