放大電路的工作原理和三種基本放大組.doc

主要內(nèi)容1.1半導體基礎知識1.1.1 本征半導體所謂半導體，顧名思義，就是它的導電能力介乎導體和絕緣體之間。用得最多的半導體是鍺和硅，都是四價元素。將鍺或硅材料提純后形成的完全純凈、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體就是本征半導體。半導體的導電能力在不同條件下有很大差別。一般來說，本征半導體相鄰原子間存在穩(wěn)固的共價鍵，導電能力并不強。但有些半導體在溫度增高、受光照等條件下，導電能力會大大增強，利用這種特性可制造熱敏電阻、光敏電阻等器件。更重要的是，在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)后，其導電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍，利用這種特性就可制造二極管、三極管等半導體器件。半導體的這種與導體和絕緣體截然不同的導電特性是由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導電機理決定的。在半導體共價鍵結(jié)構(gòu)中，價電子（原子的最外層電子）不像在絕緣體（8價元素）中那樣被束縛得很緊，在獲得一定能量（溫度增高、受光照等）后，即可擺脫原子核的束縛（電子受到激發(fā)），成為自由電子，同時共價鍵中留下的空位稱為空穴。在外電場的作用下，半導體中將出現(xiàn)兩部分電流：一是自由電子作定向運動形成的電子電流，一是仍被原子核束縛的價電子（不是自由電子）遞補空穴形成的空穴電流。也就是說，在半導體中存在自由電子和空穴兩種載流子，這是半導體和金屬在導電機理上的本質(zhì)區(qū)別。本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷復合，在一定溫度下達到動態(tài)平衡，載流子便維持一定數(shù)目。溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能的影響很大。1.1.2 摻雜半導體相對而言，本征半導體中載流子數(shù)目極少，導電能力仍然很低。但如果在其中摻入微量的雜質(zhì)，所形成的雜質(zhì)半導體的導電性能將大大增強。由于摻入的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體可以分為N型和P型兩大類。N型半導體中摻入的雜質(zhì)為磷或其他五價元素，磷原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價鍵時，多余的第五個價電子很容易擺脫磷原子核的束縛而成為自由電子，于是半導體中的自由電子數(shù)目大量增加，自由電子成為多數(shù)載流子，空穴則成為少數(shù)載流子。P型半導體中摻入的雜質(zhì)為硼或其他三價元素，硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一個空穴，于是半導體中的空穴數(shù)目大量增加，空穴成為多數(shù)載流子，而自由電子則成為少數(shù)載流子。應注意，不論是N型半導體還是P型半導體，雖然都有一種載流子占多數(shù)，但整個晶體仍然是不帶電的。1.1.3 PN結(jié)的形成P型和N型半導體并不能直接用來制造半導體器件。通常是在N型（或P型）半導體的局部再摻入濃度較大的三價（或五價）雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型（或N型）半導體，在P型和N型半導體的交界面就會形成PN結(jié)，而PN結(jié)就是構(gòu)成各種半導體器件的基礎。其中，圖a所示的是一塊晶片，兩邊分別形成P型和N型半導體。為便于理解，圖中P區(qū)僅畫出空穴（多數(shù)載流子）和得到一個電子的三價雜質(zhì)負離子，N區(qū)僅畫出自由電子（多數(shù)載流子）和失去一個電子的五價雜質(zhì)正離子。根據(jù)擴散原理，空穴要從濃度高的P區(qū)向N區(qū)擴散，自由電子要從濃度高的N區(qū)向P區(qū)擴散，并在交界面發(fā)生復合(耗盡），形成載流子極少的正負空間電荷區(qū)（如圖b所示），也就是PN結(jié)，又叫耗盡層。正負空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場，它對多數(shù)載流子的擴散運動起阻擋作用，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。同時，內(nèi)電場對少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）則可推動它們越過空間電荷區(qū)，這種少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動。擴散和漂移是相互聯(lián)系，又是相互矛盾的。在一定條件下（例如溫度一定），多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而少數(shù)載流子的漂移運動則逐漸增強，最后兩者達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。1.1.4 PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，這也是由其構(gòu)成的半導體器件的主要工作機理。如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向相反，擴散與漂移運動的平衡被破壞。外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導通狀態(tài)。如果在PN結(jié)上加反向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向一致，擴散與漂移運動的平衡同樣被破壞。外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強，使多數(shù)載流子的擴散運動難于進行，同時加強了少數(shù)載流子的漂移運動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，PN結(jié)的反向電阻很高，即PN結(jié)處于截止狀態(tài)。由以上分析可知，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕@是PN結(jié)構(gòu)成半導體器件的基礎。動畫演示1.2二極管1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)和分類將PN結(jié)加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。P區(qū)對應的稱為陽極（或正極），N區(qū)對應的稱為陰極（或負極）。按結(jié)構(gòu)分，二極管有點接觸型和面接觸型兩類。圖（a）所示為點接觸型（一般為鍺管），它的PN結(jié)結(jié)面積很小，因此不能通過較大電流，但其高頻性能好，一般適用于高頻和小功率的工作，也用作數(shù)字電路中的開關元件。圖（b）所示為面接觸型（一般為硅管），它的PN結(jié)結(jié)面積大，因此能通過較大電流，但其工作頻率較低，一般用作整流元件。圖c、d所示為二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和符號。1.2.2 二極管的伏安特性二極管既然是一個PN結(jié)，當然具有單向?qū)щ娦?。圖中Uon稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。當外加正向電壓低于死區(qū)電壓時，外電場還不足以克服內(nèi)電場對擴散運動的阻擋，正向電流幾乎為零。當外加正向電壓超過死區(qū)電壓后，內(nèi)電場被大大削弱，正向電流增長很快，二極管處于正向?qū)顟B(tài)。導通時二極管的正向壓降變化不大，硅管約為0.60.8V，鍺管約為0.20.3V。溫度上升，死區(qū)電壓和正向壓降均相應降低。圖中UBR稱為反向擊穿電壓，當外加反向電壓低于UBR時，二極管處于反向截止區(qū)，反向電流幾乎為零，但溫度上升，反向電流會有增長。當外加反向電壓超過UBR后，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，這種現(xiàn)象稱為擊穿。普通二極管被擊穿后，由于反向電流很大，一般會造成“熱擊穿”，不能恢復原來性能，也就是失效了。二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?，可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中用作開關元件等。1.2.3 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其伏安特性和符號如圖1.2.4穩(wěn)壓管的伏安特性和等效電路所示。由圖可見，其特性和普通二極管類似，但它的反向擊穿是可逆的，不會發(fā)生“熱擊穿”，而且其反向擊穿后的特性曲線比較陡直，即反向電壓基本不隨反向電流變化而變化，這就是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性。穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)為穩(wěn)壓值UZ和最大穩(wěn)定電流IZM，穩(wěn)壓值UZ一般取反向擊穿電壓。穩(wěn)壓二極管使用時一般需串聯(lián)限流電阻，以確保工作電流不超過最大穩(wěn)定電流IZM 。在圖1.2.5所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，R為限流電阻，RL為負載電阻，只要輸入反向電壓在超過Uz的范圍內(nèi)變化，負載電壓則一直穩(wěn)定在Uz。1.3.三極管1.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)和分類圖1.3.1所示為三極管的幾種常見外形，其共同特征就是具有三個電極，這就是“三極管”簡稱的來歷。通俗來講，三極管內(nèi)部為由P型半導體和N型半導體組成的三層結(jié)構(gòu)，根據(jù)分層次序分為NPN型和PNP型兩大類。參見圖1.3.2三極管的結(jié)構(gòu)和符號圖。其中，圖a、b所示為NPN型三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖c為NPN（一般為硅管）和PNP （一般為鍺管）三極管的符號。上述三層結(jié)構(gòu)即為三極管的三個區(qū), 中間比較薄的一層為基區(qū)，另外兩層同為N型或P型，其中尺寸相對較小、多數(shù)載流子濃度相對較高的一層為發(fā)射區(qū)，另一層則為集電區(qū)。三極管的這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，是三極管能夠起放大作用的內(nèi)部條件。三個區(qū)各自引出三個電極，分別為基極（b） 、發(fā)射極（e）和集電極（c）。如圖b所示，三層結(jié)構(gòu)可以形成兩個PN結(jié)，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。三極管符號中的箭頭方向就是表示發(fā)射結(jié)的方向。三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有兩個具有單向?qū)щ娦缘腜N結(jié)，因此當然可以用作開關元件，但同時三極管還是一個放大元件，正是它的出現(xiàn)促使了電子技術的飛躍發(fā)展。1.3.2 三極管的電流放大作用圖1.3.3所示為驗證三極管電流放大作用的實驗電路，這種電路接法稱為共射電路。其中，直流電壓源Vcc應大于Vbb，從而使電路滿足放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電極反向偏置。改變可調(diào)電阻Rb，基極電流IB，集電極電流Ic 和發(fā)射極電流IE都會發(fā)生變化，由測量結(jié)果可以得出以下結(jié)論：（1） IE IB IC ( 符合克希荷夫電流定理）（2） IC IB ? （ ?稱為電流放大系數(shù)，可表征三極管的電流放大能力）（3） IC IB ?由上可見，三極管是一種具有電流放大作用的模擬器件。1.3.3 三極管的放大原理以下用NPN三極管為例說明其內(nèi)部載流子運動規(guī)律和電流放大原理，參見圖1.3.4三極管內(nèi)部載流子運動與外部電流。1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子：由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）不斷擴散到基區(qū)，并不斷從電源補充進電子，形成發(fā)射極電流IE。2、電子在基區(qū)擴散和復合：由于基區(qū)很薄，其多數(shù)載流子（空穴）濃度很低，所以從發(fā)射極擴散過來的電子只有很少部分可以和基區(qū)空穴復合，形成比較小的基極電流IB，而剩下的絕大部分電子都能擴散到集電結(jié)邊緣。3、集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的電子：由于集電結(jié)反向偏置，可將從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)并到達集電區(qū)邊緣的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流IC。1.3.4 三極管的輸入輸出特性三極管的輸入特性是指當集-射極電壓UCE為常數(shù)時，基極電流IB與基-射極電壓UBE之間的關系曲線。參見圖1.3.5三極管的輸入特性曲線。對硅管而言，當UCE超過1V時，集電結(jié)已經(jīng)達到足夠反偏，可以把從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的電子中的絕大部分拉入集電區(qū)。如果此時再增大UCE ，只要UBE保持不變（從發(fā)射區(qū)發(fā)射到基區(qū)的電子數(shù)就一定）， IB也就基本不變。就是說，當UCE超過1V后的輸入特性曲線基本上是重合的。由圖可見，和二極管的伏安特性一樣，三極管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有當UBE大于死區(qū)電壓時，三極管才會出現(xiàn)基極電流IB。通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。在正常工作情況下，NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE為0.60.7V，PNP型鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE為-0.2 -0.3V。三極管的輸出特性是指當基極電流IB一定時，集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關系曲線。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以三極管的輸出特性是一組曲線。參見圖1.3.6三極管的輸出特性曲線。動畫演示通常把輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：1、放大區(qū)：輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū), IC IB ?,由于在不同IB下電流放大系數(shù)近似相等，所以放大區(qū)也稱為線性區(qū)。三級管要工作在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)必須處于正向偏置，集電結(jié)則應處于反向偏置，對硅管而言應使UBE0，UBC0，或UI40V，D2導通的條件是80V - UI0，或UI80V。當0UI40V時，D1截止，D2導通，此時當40VUI80V時，D1導通，D2截止，Uo=80V電路的電壓傳輸特性如圖(b)。例3 又兩個雙極型三極管：A管的200，ICEO=200A；B管的50，ICEO=50A，其它參數(shù)相同，應選用哪一個？解：本題的目的是加深對三極管主要參數(shù)的理解。如果只從放大考慮，應選A管(大)。如果從管子工作的溫度穩(wěn)定性考慮，應選B管(ICEO小)。一般情況下，寧選不太大而ICEO很小的管子，因為放大倍數(shù)不夠可以通過其它途徑解決(改變放大電路參速或增加放大級數(shù))，但工作不穩(wěn)定會使整個電子設備無法正常運行。另外，ICEO的大小也能衡量管子的壽命。ICEO小，壽命可能要長些。例4 圖一(a)所示電路中的場效應管輸出特性如圖(b)(a) (b)(1) 管子是什么類型？(2) 流過電阻R的電流和管壓降UDS為多大？(3) 如果R=5K，(4) 則流過電阻R的電流和管壓降又為多大？解：本例的目的在于進一步練習由圖形符號和輸出特性決定管子的類型，并利用外特性和管子在電路中的具體接法進行一些計算，進一步熟悉管子的工作原理。(1)由圖(a)的圖形符號，根據(jù)柵極G和導電溝道不接觸以及溝道是連續(xù)線，可知管子是耗盡型MOS管。圖形符號上雖未畫出箭頭，但由VDD極性為正，可知是N溝道。另外，由輸出特性上UGS可正可零可負，可知管子是耗盡型MOS管。又從UDS和Ib的極性，可知是N溝道管。(2)包含場效應管的電路是非線性電路。求管中流過的電流和管壓降，應該用圖解法。此時，非線性部分(管子)的特性是UGS=0V的輸出特性，而線性部分的特性是正弦UDS=VDD-IDR=10V-0.5ID。兩特性的交點肯定在放大區(qū)，所以ID=2mA，UDS=10-0.52=9V。(3)如果R=5K，則非線性部分的特性雖未變，而線性部分的特性變?yōu)閁DS=10V-5ID。由兩特性的交點(圖1(b)上的點P)求得：ID=1.5mA，UDS=2.5V。此時，場效應管的工作點已推出放大區(qū)而落入可變電阻區(qū)。例5 結(jié)型場效應管在發(fā)達區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)移特性可由下式表示：ID=(A)。畫出它的轉(zhuǎn)移特性和漏極特性(不必畫到擊穿區(qū))。解：本例的目的在于熟悉結(jié)型場效應管轉(zhuǎn)移特性的近似表達式和曲線，并掌握轉(zhuǎn)移特性與漏極特性之間的聯(lián)系。根據(jù)表達式和UGS(off)= -4V，可知管子的溝道是N型，UGS應小于0，選取幾組數(shù)據(jù)如下UGS/V 0 -1 -2 -3 -4ID/mA 10 5.6 2.5 0.6 0由上述數(shù)據(jù)可逐點畫出管子的轉(zhuǎn)移特性，并畫出放大區(qū)內(nèi)的輸出特性。如圖1-(a)和(b)。(a) (b)難點釋疑一. 為什么說在空間電荷區(qū)內(nèi)幾乎沒有載流子？答：因為PN結(jié)各區(qū)所帶的電荷，應由該處雜質(zhì)離子與載流子電荷的總和來決定。在空間電荷區(qū)以外的P區(qū)或N區(qū)中，雜質(zhì)離子的電荷被載流子電荷所補償，總電荷等于零。所以是電中性的。在進入空間電荷區(qū)后，多數(shù)載流子(對P區(qū)是空穴，對N區(qū)是自由電子)的濃度將迅速地降低到對方區(qū)域少數(shù)載流子的濃度，見圖1一，就不足以完全補償雜質(zhì)離子的電荷了。必須注意到除便箋以外，子阿大部分空間電荷區(qū)中，多數(shù)載流子的濃度很快減少以致耗盡。所以如果忽略空間電荷區(qū)中載流子的電荷，就可以認為，空間電荷區(qū)中的總電荷密度主要由雜質(zhì)離子決定。一般認為空間電荷區(qū)的電荷密度等于雜質(zhì)離子的電荷密度，而載流子濃度近似未零。這種近似模型叫做耗盡層近似。空間電荷區(qū)也叫耗盡層。二. 把二極管鍛煉，是否應該有電流流通？把一個有玻璃殼的二極管刮去外面的黑漆，兩端接一微安表，不接任何電源，在光照之下電表是否有指示？把它加溫到50C，過一段時間后，電表是否有指示？答：二極管短路時沒有電流。原因是PN結(jié)兩端雖有電位差，但是在半導體和金屬電極接觸處，也有“接觸電位差”，后者抵消了PN結(jié)兩端的電位差。金屬半導體結(jié)和PN結(jié)不同：(1)沒有單向?qū)щ娦裕?2)接觸電位差和外加電壓的極性及幅值無關。這種接觸叫做“歐姆接觸”。從另一種角度分析，如果有電流，金屬導線就會發(fā)熱，二極管就要冷卻。作為一個熱平衡的整體，要產(chǎn)生這種現(xiàn)象是不可能的。所以，二極管短路時I=0。二極管受光照后，光能激發(fā)半導體內(nèi)的載流子，產(chǎn)生電子空穴對。對P區(qū)和N區(qū)的多子來說，原來濃度很大，受光激發(fā)后濃度變化不大。但是對少子來說，原來濃度很小，受光激發(fā)后濃度可能增大很多倍。因此，光照對對多子的擴散運動影響不大，單卻大大加強了少子的漂移運動。在PN結(jié)電位差的作用下，這些增加的少子漂移過PN結(jié)，形成反向電流。光照愈強，反相飽和電流愈大。如果把二極管加熱今后，使之穩(wěn)定在50C而不再加熱，則在新的熱平衡條件下，電表指示又將為零?？傊?，二極管要有電流，除了必須有PN結(jié)這一內(nèi)因之外，還必須有外因，即必須外加能量。一般用電能，也可以用光能、熱能、輻射能等。三. 在穩(wěn)壓管的擊穿機理中，為什么UZ7V是雪崩擊穿？三極管的發(fā)射結(jié)，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)摻雜濃度低，如果擊穿，又屬于什么機理？答：奇納擊穿是由于空間電荷區(qū)內(nèi)的強電場把半導體原子共價鍵的束縛電子強行拉出，新的電子空穴對大量涌現(xiàn)而發(fā)生的額。摻雜濃度高的二極管，結(jié)區(qū)很窄，不太高的反向電壓就能引起奇納擊穿。所以，穩(wěn)定電壓低(UZ7V的屬于雪崩擊穿。四. 雙極型三極管又兩個PN結(jié)。如果仿照這種結(jié)構(gòu)，用兩個二極管反向串聯(lián)(見下圖)，并提供必要的外部偏置條件，能過得與三極管相似的電流控制和放大作用嗎？為什么？答：沒有電流控制和放大作用。因為在三極管中兩個PN結(jié)通過基區(qū)互又聯(lián)系，是靠載流子在基區(qū)中的傳輸和復合實現(xiàn)電流的控制和放大的。但是，在兩個二極管的結(jié)構(gòu)時，不存在聯(lián)系兩個PN結(jié)的基區(qū)及其作用。所以，在介紹雙極型三極管的結(jié)構(gòu)時，強調(diào)的是在同一塊半導體材料上，用集成工藝制作出三個摻雜類型和濃度不通的區(qū)，形成兩個在載流子運動方面互有聯(lián)系的PN結(jié)，而且基區(qū)最薄，摻雜濃度最低?？傊?，要實現(xiàn)電流的控制和放大作用，不僅要有正確偏量這一外部條件，而且必須有涉及管子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部條件。五. 場效應管在漏端預夾斷后，誒什么還有漏極電流ID?答：以N溝道增強型MOS管為例來說明。當漏源之間接上+UDS時，從源溝道漏組成的N型半導體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了一個橫向的電位梯度：源區(qū)為零電位，漏區(qū)為+UDS，而溝道的電位則從源端逐漸升高。在高到的不通位置上，溝道厚度不通，源端最厚，漏端最薄。當UDS增大道柵漏電位插UGS-UDS=UGS(th)時，漏端預夾斷。這個夾斷區(qū)成了漏源間電流通路傷電阻最大的區(qū)。UDS的仍和進一步增加就必然會幾張降在這里，使預夾斷區(qū)具有很強的電場。由于現(xiàn)在被夾斷的只是漏端的一個小區(qū)域，在預夾斷區(qū)左邊還有含大量自由電子的N溝道，這些自由電子仍可在溝道中漂移，在到達預夾斷區(qū)時，就受預夾斷區(qū)強電場的吸引，滑入漏區(qū)。所以，在漏端預夾斷厚，漏源之間仍有漏極電流ID。放大電路的工作原理和三種基本放大組態(tài) 放大電路里通常是晶體三極管、場效應管、集成運算放大器等，這些器件也稱為有源器件。共射放大電路如圖所示。Vcc是集電極回路的直流電源，也是給放大電路提供能量的，一般在幾伏到幾十伏范圍，以保證晶體三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，使晶體三極管工作在放大區(qū)。Rc是集電極電阻，一般在幾 K 至幾十K 范圍，它的作用是把集電極電流iC的變化變成集電極電壓uCE的變化。VBB是基極回路的直流電源，使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，同時通過基極電阻Rb提供給基極一個合適的基極電流IBQ， 使三極管工作在放大區(qū)中適當?shù)膮^(qū)域，這個電流IBQ常稱為基極偏置電流，它決定著三極管的工作點，基極偏置電流IBQ是由VBB和基極電阻Rb共同作用決定的，基極電阻Rb一般在幾十K至幾百K范圍。 如在輸入端加上一個較小的正弦信號ui , 通過電容C1加到三極管的基極，從而引起基極電流iB在原來直流IBQ的基礎上作相應的變化，由于ui是正弦信號，使iB隨ui也相應地按正弦規(guī)律變化，這時的iB 實際上是直流分流IBQ和交流分量ib迭加后的量。同時iB的變化使集電極電流 iC 隨之變化，因此iC也是直流分量IC和交流分量ic的迭加，但iC要比iB大得多（即倍）。電流iC在電阻RC上產(chǎn)生一個壓降，集電極電壓uCE =VCCiCRL，這個集電極電壓uCE 也是由直流分量IC和交流分量 iC兩部分迭加的。這里的 uCE和 iC相位相反，即當 iC增大時, uCE減少。由于C2的隔直作用，使只有 uCE的交流分量通過電容C2作為放大電路的輸出電壓uO。如電路參數(shù)選擇適當，uO要比 uI的幅值要大得多，同時 uI與 uO的相位正好相反。電路中各點的電流、電壓波形如圖所示。共射基本放大電路 一個晶體三極管可以看作為一個雙口有源網(wǎng)絡，由于晶體三極管只有三個極端，因此其中必須有一個極端作輸入和輸出的公共端。如果以其中發(fā)射極e作為輸入和輸出的公共端，基極b作為輸入，集電極c 作為輸出，則該放大電路稱為共射放大電路。相應地以基極b作為輸入和輸出公共端，發(fā)射極e作為輸入，集電極c 作為輸出的稱為共基放大電路。以集電極c 作為輸入和輸出公共端，基極b作為輸入，發(fā)射極e作為輸出的稱為共集放大電路。這稱為晶體三極管放大電路的三種基本放大組態(tài)。放大電路三種基本組態(tài)（a）共射放大電路 (b)共基放大電路 (c)共集放大電路放大電路的圖解法 放大電路有三種主要分析方法：一是圖解法，二是微變等效電路法，三是計算機輔助分析法。 圖解法是根據(jù)晶體管的輸入和輸出特性曲線，以及電路參數(shù)，在特性曲線上確定靜態(tài)工作點Q的位置，并根據(jù)輸入信號的波形，畫出晶體管各點的電流電壓波形，以及輸出信號的波形。因此圖解法分析放大電路可以分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析兩步來做。 用圖解法對放大電路的靜態(tài)分析可分為兩步，先根據(jù)輸入回路的IB與 UBE的關系式在輸入特性曲線上確定輸入回路的靜態(tài)工作點Q，隨后根據(jù)輸出回路的IC與UCE關系式式確定輸出回路的靜態(tài)工作點，求出ICQ和UCEQ。其中需要分別在輸入特性圖和輸出圖上作出直流負載線。(a) (b)圖解法求靜態(tài)工作點(a) 輸入回路的圖解法 (b) 輸出回路的圖解法 動態(tài)工作情況分析：首先根據(jù)uI在輸入特性上求iB的波形，然后根據(jù)iB在輸出特性上求iC和uCE的波形。 要注意，放大電路中電壓電流包含兩個分量，一個是無輸入信號時由靜態(tài)工作情況決定的直流分量IBQ、ICQ、UCEQ；另一個是由輸入電壓引起的交流分量ib、ic和uce。微變等效電路分析法在放大電路輸入信號電壓很小時，就可以把晶體管小范圍內(nèi)特性曲線近似用直線來代替，從而把晶體管這個非線形元件用一個等效的線形電路來近似代替，然后利用分析線性電路的一些方法來分析晶體管的放大電路，這就是微變等效電路法的指導思想。因此微變電路法只適用于小信號時電路分析，另外微變等效電路法只能用來求交流特性，即動態(tài)分析，不能求靜態(tài)工作點，即微變的概念。（1）晶體管的h參數(shù)及等效電路晶體管h參數(shù)等效電路（2）用h參數(shù)等效電路分析共射放大電路對放大電路進行靜態(tài)分析，主要是確定其靜態(tài)工作點Q，即求出IBQ，ICQ，UCEQ。對放大電路進行動態(tài)分析，主要是計算放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。用h參數(shù)微變等效電路分析共射放大電路（a）共射放大電路 (b) h參數(shù)微變等效電路靜態(tài)工作點的計算ICQ=IBQUCEQ=VCCICQRC交流性能參數(shù)的計算電壓放大倍數(shù) 輸入電阻 輸出電阻 Ro=Rc其他基本放大電路的分析(1)射極偏置電路射極偏置電路能穩(wěn)定靜靜態(tài)工作點，當溫度變化或其他原因使晶體管參數(shù)變化時，其工作點能穩(wěn)定在合適的位置。這個電路是交流放大電路中最常用的一個基本電路。能穩(wěn)定工作點的射極偏置電路(a) 射極偏置電路 (b) 微變等效電路靜態(tài)工作點計算交流性能計算從上式可知，接Re以后，雖然工作點穩(wěn)定提高了，但放大倍數(shù)Au下降了，而且Re越大則Au越小，如果在Re上并聯(lián)一個大電容Ce，它對交流近似可看作短，使晶體管的發(fā)射極交流接地，這時與基本共射電路相同，使放大倍數(shù)不致下降，而工作仍能得到穩(wěn)定。Ri=Rb1/Rb2/Ri 其中Ro=Rc（2）共集電極電路共集放大電路信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，集電極作為輸入輸出的公共端。該電路又稱為射極輸出器，或稱射極跟隨器，也是最常用的一種基本電路。共集電極電路的特點是：輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)小于1接近于1，主要用作輸入極、輸出極和極間緩沖極。用微變等效電路分析共集放大電路（a）共集放大電路 (b) h參數(shù)微變等效電路靜態(tài)工作點計算再由ICQ=IBQ , UCEQ=VCC-ICQRe可求出靜態(tài)工作點。交流性能的計算共集電路的輸入電阻很大而輸出電阻很??；另外它的電壓放大倍數(shù)雖然小于1，但它的電流放大倍數(shù)仍較大，約為(1+)倍。（3）共基極電路共基極電路的輸入信號加在晶體管的發(fā)射極，輸出是集電極，基極是輸入輸出的公共端。 用微變等效電路分析共基極放大電路(a)共基極放大電路 （b）微變等效電路靜態(tài)工作點分析交流性能分析其中 與共射放大電路比較，共基放大電路的特點是：(1)電壓放大倍數(shù)數(shù)值上同相，而共基電路是正值，表明輸入與輸出同相；電流放大倍數(shù)共基電路是略小于1。(2)輸入電阻比共射電路小，輸出電阻相同。(3)共基電路的頻率響應好，在要求頻率特性高的場合多采用共基電路。場效應管放大電路場效應管與雙極型晶體管一樣能實現(xiàn)信號的控制，所以也能組成放大電路。場效應管的三個極G、D、S分別與晶體管的三個極b、c、e相對應，因此從放大電路的組成上看也可以有三種基本放大組態(tài)，即共源放大電路共漏放大電路共柵放大電路，其中共柵放大電路因不常用。（1）共源放大電路與晶體管的共射放大電路相對應，由N溝道結(jié)型場效應管和MOS場效應管組成的共源放大電路分別如圖(a)和(b)所示。共源放大電路(a) N溝道結(jié)型場效應管共源放大電路 (b) MOS場效應管共源放大電路靜態(tài)分析場效應管組成放大電路和晶體管一樣，要建立合適的靜態(tài)工作點，所不同是，場效應管是電壓控制器件，因此它需要有合適的柵極電壓。通常場效應管的偏置電路形式有兩種：自偏壓電路和分壓式自偏壓電路，分別如圖(a)(b)所示。自偏壓電路只適用于結(jié)型場效應管或耗盡型MOS管：分壓式自偏壓電路既適用于增強型場效應管，也能用于耗盡型場效應管。柵極電壓：對場效應管放大電路靜態(tài)工作點的確定，可以采用圖解法或公式計算，圖解法的原理和晶體管相似。用公式進行計算可通過特性方程：或交流分析共源放大電路的微變等效電Ri=（Rg1/Rg2）+Rg3Ro=Rd共源放大電路與共射電路形式相類似。只是共源放大電路的輸入電阻要比共射電路的大得多（Rgs通常很大），故需要高輸入電阻時多宜采用場效應管放大電路。（2）共漏放大電路共漏放大電路是與共集放大電路類似的一種電路形式。電路如圖所示。共漏放大電路也常稱為源極跟隨器或源極輸出器。共漏放大電路（a）共漏放大電路 (b) 微變等效電路確定靜態(tài)工作點時，可列出回路方程與特性方程聯(lián)立求解：交流性能分析共漏電路的特點與共集電極電路相似，電壓極放大倍數(shù)小于1，但場效應管的導跨比雙極型晶體管的低，所以共漏電路的電壓放大倍數(shù)一般比共射電路低,另外它的輸出電阻也較低。 難點釋疑1放大電路的工作原理2靜態(tài)工作點與失真例題分析例2.1 畫出圖P2.1 (a) 所示放大電路交流通路和直流通路。圖 P2.1（a）共基放大電路 （b）直流通路 （c）交流通路解：對于直流通路，可以把電路中電容C1 、C2 、Cb看作為開路，這時電路如圖P2.1 (b) 所示，即為它的直流通路。對于交流通路，把電路中的電容C1 、C2 、Cb看作為短路，把直流電壓源VCC也看作為短路，因這時VCC兩端的交流壓降（即變化量）為零。由于Cb和VCC看作為短路，電路中的電阻Rb1、Rb2也被短路，得到如圖P2.1（c）的電路，這也就是它的交流通路。從交流通路來看，該放大電路實際上是一個共基放大電路。例2.2 共射放大電路如圖P2.2 (a) 所示，晶體管的輸出特性曲線如圖P2.2 (b) 所示，設晶體的UBEQ=0.6V。(1)S斷開時，分別作出Rb 為285K和570K時的靜態(tài)工作點Q及Q，并分別求出這兩種情況下的最大木失真輸出幅值。(2)當S閉合，Rb=285K時，作出此時的靜態(tài)工作點Q及求最大不失真輸出幅值。圖 P2.2（a）共射放大電路 （b）圖解法求最大不失真輸出幅值解:(1) 因為當Rb=285K時 IBQ=40A ICQ=1.5 IBQ mAUCEQ=6V Uom5V當Rb=570K時 IBQ=0A ICQ=.mAUCEQ=8.8V Uom3.2V（2）經(jīng)Q點作斜率為1/ RL（RLK）的交流負載線如圖P.2（b）所示，這時 UC=ICQ RL+UCEQ=9VUom3V例2.3 放大電路如圖P2.3 所示，設晶體管的=20, rbb=300,UBEQ=0.7V ,DZ為理想穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值UZ=6V，各電容對交流均可視為短路。(1)求靜態(tài)工作點Q.(2)求電壓放大倍數(shù)Au和輸入電阻Ri.(3)若Dz極性接反，電路能否正常放大？試計算此時的靜態(tài)工作點，并定性分析Dz反接對Au，Ri的影響。圖 P2.3解:(1)電阻R的作用是使Dz有一個合適的工作電流，Dz為理想硅穩(wěn)壓管，Dz兩端的直流電壓為6V，而交流壓降為,(動態(tài)電阻為)。(2)(3)Dz反接時，Uz為硅二極管的正向壓降，Uz0.7V，此時UBQ=1.4V，IBQ0.715mA,ICQ=14.3mA，UCEQ=5V.例2.4 圖P2.4所示為放大電路的交流通路，試在下列三種情況下，寫出電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro的表達式。(1)U2=0，信號U1從基極輸入，放大后從集電極輸出。(2)U2=0，信號U1從基極輸入，放大后從發(fā)射極輸出。(3)U1=0，信號U2從發(fā)射極輸入，放大后從集電極輸出。圖P2.4解:(1)信號從晶體管的基極輸入，集電極輸出，發(fā)射極作為公共端，這時是共射放大電路，按共射放大電路的Au、Ri、Ro公式可得：(2)信號從晶體管的基極輸入，發(fā)射極輸出，集電極作為公共端，這時是共集放大電路，按共集放大電路的Au、Ri、Ro公式可得： (3)信號從晶體管的發(fā)射極輸入，集電極輸出，基極作為公共端，這時是共基放大電路，共基放大電路的Au、Ri、Ro按公式可得： 例2.5 N溝道耗盡型場效應管共源放大電路如圖P2.5（a）所示，試畫出其微變等效電路。寫出電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro的表達式。設各電容對交流可視為短路。圖P2.5（a）場效應管共源放大電路 (b) 微變等效電路解：放大電路的微變等效電路如圖P2.5（b）所示。則 基本要求1.了解多級放大電路的耦合方式和組態(tài)；2.掌握多級放大電路的動態(tài)分析；3.熟練掌握差動放大電路的特點和分析方式。主要內(nèi)容在實際應用中，一級放大電路的放大倍數(shù)不夠大，或性能指標達不到要求等原因。所以實際放大電路一般多是由幾級基本電路及它們的改進型組合而成，組成多級放大電路。多級放大電路級與級之間的連接（或級間耦合）一般有四種方式，分為直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合和光電耦合等。變壓器耦合由于變壓器體積大、費用高、低頻特性差，故現(xiàn)較少采用。光電耦合是用發(fā)光器件將電信號轉(zhuǎn)變光信號，再通過光敏器件把光信號變?yōu)殡娦盘杹韺崿F(xiàn)級間耦合。這里介紹直接耦合和阻容耦合放大電路。1多級放大器電路的分析方法多級放大電路的框圖如圖2-4-1所示。設其中單級放大電路的電壓放大倍數(shù)為Au1、Au2、Au3Aun，則它們串接后，整個多級放大電路的電壓放大倍數(shù)為圖2-4-1 多級放大電路的框圖整個多級放大電路的輸入電阻即是第一級放大電路的輸入電阻，而輸出電阻是最后一級放大電路的輸出電阻。在計算多級放大電路交流參數(shù)時常采用兩種方法，一是畫出多級放大電路的微變等效電路，然后用電路方面知識直接求出Uo和Ui 之比，即整個多級放大電路的總電壓放大倍，以及輸入電阻和輸出電阻。另一方法是先求出每級電壓放大倍數(shù)（利用基本放大電路的一些公式），然后相乘得到總電壓放大倍數(shù)。但在求單級放大電路的放大倍數(shù)時，要考慮到它后面一級的輸入電阻應看作為它的負載電阻，而它前面一級的輸出電阻對它而言應看作為是信號源的內(nèi)阻。在求多級放大電路輸入電阻和輸出電阻時也應考慮前后級的影響。2阻容耦合放大電路阻容耦合電路級與級之間由電容、電阻來連接的，就象前面介紹的基本放大電路在輸入和輸出端都接在一個隔直電容。由于這種耦合方式每級之間有電容將直流隔開，因此每級的直流通路是獨立的，即每級靜態(tài)工作點不會相互影響和牽制，計算靜態(tài)工作點也可以每級分別計算。但這種耦合方式的放大電路只能對交流信號進行放大，而不能直流信號進行放大。3直接耦合放大電路直接耦合是級與級連接方式中最簡單的，就是將后級的輸入與前級輸出直接連接在一起，一個放大電路的輸出端與另一個放大電路的輸入端直接連接的耦合方式稱為直接耦合。由于是直接連在一起，因此每級的靜態(tài)工作點受其他放大級的影響與牽制，若前級靜態(tài)工作點Q發(fā)生變化則會影響到后面各級的Q點，因此對電路的靜態(tài)分析也比較復雜。另外直接耦合放大電路既能對交流信號進行放大，也能對緩慢變化的信號甚至于直流信號也能放大。所以應用很廣泛，并且電路中只有晶體管和電阻，沒有大容量耦合電容，所以易于將全部元器件及連線制作在一片硅片上，成為集成化器件。4. 差動放大電路差動放大電路是用兩組相同的元器件，組成兩個對稱的電路，將這兩個電路輸出的差送至負載，從而使兩個電路的零點漂移互相抵消?；静顒臃糯箅娐啡鐖D所示。它是由兩個參數(shù)完全相同的共射放大電路組成，輸出信號是取自T1、T2管的集電極。先看在靜態(tài)時（即Ui1=Ui2=0V），由于兩管的參數(shù)完全相同，使UCQ1=UCQ2，U0=UC1-UC2=0V。如這時由于溫度的變化，使UCQ1上升，則這時UCQ2也上升，而且UCQ2上升的量與UCQ1上升量相等，使UO為0V。在電路的輸入端Ui1和Ui2都加上一個對地相位相同、大小相等的信號，如圖2-5-6所示。這時UC1和UC2同時上升或下降，而且變量相等，所以輸出量U0仍為0V。這種相位相同、大小相等的信號我們稱它為共模信號，用UIC表示。溫度變化或電源電壓變化都相當于在這個電路的輸入端加了一個共模信號，在電路和器件參數(shù)完全一致的理想情況下，這個差動放大電路的輸出為零。這樣就有效地克服了零點漂移。(1)電路靜態(tài)工作點，當U1=Ui2=0時這時由于UCQ1=UCQ2=0，流過負載電阻RL的電流為零。(2)差動放大電路的動態(tài)特性差模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻 差模輸出電阻 共模抑制比 (理想情況下KCMR為無窮大)(3)差動放大電路的四種型式雙端輸入單端輸出電路Ri =2 ( Rb + rbe ) Ro=Rc單端輸入雙端輸出電路Ri = 2 ( Rb + rbe) Ro =2 Rc單端輸入單端輸出電路Ri = ( Rb + rbe ) Ro = Rc(4)差動放大電路的改進電路*增加調(diào)零電路*另一種帶調(diào)零差動放大電路Rid = 2 Rb + rbe + 2(1+) *用恒流源的差動放大電路長尾電路Re阻值越大，則電路的共模抑制比就越大，即抑制溫漂的能力越強。但增大Re的阻值后，要使晶體管的工作點保持不變，則要增大電源電壓VEE的值。這使Re的阻值增大受到限制，如以電流源來代替電阻Re，因電流源的動態(tài)電阻很大，就可進一步提高KCMR而差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻和差模輸出電阻的計算與原來電路相同。難點釋疑1. 差模、共模信號差模信號：兩信號大小相等，相位相反。共模信號：兩信號大小相等，相位相同。計算：疊加原理 2. 差動放大電路的四種形式雙入雙出電路雙入單出電路單入雙出電路單入單出電路例題分析例3.1 分析圖P3.1所示是一個二級阻容耦合放大電路。解:它第一級是共集放大電路，第二級是共射放大電路，因此它是共集共射組態(tài)的二級放大電路。圖3.1 二級阻容耦合放大電路下面我們來分析這個放大電路，設電容C1,C2,C3,Ce均為足夠大。1.靜態(tài)工作點計算2.交流性能計算先求出每級電壓放大倍數(shù)，再求出總的電壓放大倍數(shù)。晶體管的h參數(shù)為第二級的輸入電阻ri2相當于是第一級的負載電阻，它為輸入電阻和輸出電阻為例3.2 分析圖P3.2所示是一個兩級直接耦合放大電路。解：T1 、T2 分別為共集、共射放大組態(tài)。共集電路具有阻抗變換作用，取其輸入電阻高，輸出電阻低，共射電路電壓放大倍數(shù)較大，兩者結(jié)合后放大電路的性能較好。圖P3.2靜態(tài)工作點的確定不能每級分別計算，可以通過下面的聯(lián)立電路方程來求得：第一級的電壓放大倍其中ri2為第二級的輸入電阻，它為在11 、21 時輸入電阻和輸出電阻分別為例3.3分析圖P3.3（a）所示二級放大電路。解：第一級T1是共射放大電路，第二級T2是共基放大電路，因此是共射共基組態(tài)，由于T 1T2是串接起來，故此電路又稱為串接放大電路。圖P3.3（a）共射共基電路 (b) 微變等效電路靜態(tài)工作點的分析。這里UBQ1確定了T1 、T2 的靜態(tài)電流ICQ1、ICQ2 ，而UBQ2確定了UCQ2，即UCEQ1與UCEQ2，因此通過調(diào)整UBQ1與UBQ2來改變兩個晶體管工作點，使T1, T2都工作在放大區(qū)內(nèi)。動態(tài)性能的分析計算。先畫出它的微變等效電路如圖2-4-4（b）所示，第一級電壓放大倍數(shù)Au1為第二級放大倍數(shù)AU2為則例3.4分析圖P3.4（a）所示二級放大電路。解：圖P3.4（a）所示二級放大電路是場效應管與晶體管混合放大電路由于場效應管的輸入電阻很大，因此常常作為放大電路的輸入級，特別是在信號源電流很小的情況下。圖2-4-5（a）所示是由場效應管與晶體管組成的兩級放大電路，場效應管是共漏放大電路，晶體管是共射放大電路，因此這個電路是共漏共射組態(tài)，使它的輸入電阻得到進一步提高。圖 P3.4(a) 共漏共射放大電路 (b) 微變等效電路下面我們計算這個放大電路的性能參數(shù)，它的微變等效電路如圖P3.4（b）所示。由微變電路可得：則Ri=Rg靜態(tài)工作點的計算可通過下面聯(lián)立方程求得讀者可自行分析計算。例3.5在圖P3.5 所示的兩級放大電路中，設晶體管的參數(shù)為1、2、rbe1、rbe2。并設各電容都足夠大，試寫出放大電路的電壓放大倍數(shù)u、輸