電工電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）課件第8章 基本放大電路

第8章基本放大電路半導(dǎo)體器件工作原理共射放大電路組成、工作原理、性能特點(diǎn)及分析方法射極輸出器基本特點(diǎn)，差動(dòng)放大電路及功率放大電路工作原理多級(jí)放大電路概念學(xué)習(xí)要點(diǎn)8.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體器件是用半導(dǎo)體材料制成的電子器件。常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。半導(dǎo)體器件是構(gòu)成各種電子電路最基本的元件。8.1.1PN結(jié)半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上有4個(gè)價(jià)電子。熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴室溫下，由于熱運(yùn)動(dòng)少數(shù)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位這個(gè)空位稱為空穴。失去價(jià)電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術(shù)中，將空穴看成帶正電荷的載流子。每個(gè)原子周圍有四個(gè)相鄰的原子，原子之間通過共價(jià)鍵緊密結(jié)合在一起。兩個(gè)相鄰原子共用一對(duì)電子。1．半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征空穴運(yùn)動(dòng)（與自由電子的運(yùn)動(dòng)不同）有了空穴，鄰近共價(jià)鍵中的價(jià)電子很容易過來填補(bǔ)這個(gè)空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價(jià)鍵中。新的空穴又會(huì)被鄰近的價(jià)電子填補(bǔ)。帶負(fù)電荷的價(jià)電子依次填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)，從效果上看，相當(dāng)于帶正電荷的空穴作相反方向的運(yùn)動(dòng)。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，電子和空穴又可能重新結(jié)合而成對(duì)消失，稱為復(fù)合。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。在純凈半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入磷、砷等5價(jià)元素，由于這類元素的原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于存在多余的價(jià)電子而產(chǎn)生大量自由電子，這種半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，其中自由電子為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體自由電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）空穴少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）P型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價(jià)元素，由于這類元素的原子最外層只有3個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，由于缺少價(jià)電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導(dǎo)體其導(dǎo)電作用主要靠空穴運(yùn)動(dòng)，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，其中空穴為多數(shù)載流子，熱激發(fā)形成的自由電子是少數(shù)載流子。自由電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子）空穴少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多。少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于溫度。2．PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)的形成半導(dǎo)體中載流子有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。在半導(dǎo)體中，如果載流子濃度分布不均勻，因?yàn)闈舛炔睿d流子將會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。將一塊半導(dǎo)體的一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面處將形成一個(gè)特殊的薄層→

PN結(jié)。多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)少子漂移促使阻止擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成一定寬度的PN結(jié)①外加正向電壓（也叫正向偏置）外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)電子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)空穴不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較大的正向電流，這時(shí)稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓谕饧臃聪螂妷海ㄒ步蟹聪蚱茫┩饧与妶?chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，多子擴(kuò)散難以進(jìn)行，少子在電場(chǎng)作用下形成反向電流IR，因?yàn)槭巧僮悠七\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，IR很小，這時(shí)稱PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。8.1.2半導(dǎo)體二極管一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線并用管殼封裝起來，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積很小，結(jié)電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)元件。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容也小，多用在低頻整流電路中。1．半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)2．半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線（1）正向特性外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于截止?fàn)顟B(tài)。正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流

隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流

很小。

反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。（2）反向特性3．半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IF：指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運(yùn)行時(shí)允許承受的最大反向電壓（約為UB的一半）。4）反向電流IR：指管子未擊穿時(shí)的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩?）最高工作頻率fm：主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。理想二極管：正向電阻為零，正向?qū)〞r(shí)為短路特性，正向壓降忽略不計(jì)；反向電阻為無窮大，反向截止時(shí)為開路特性，反向漏電流忽略不計(jì)。8.1.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓UZ。反向擊穿后穩(wěn)定工作的電壓。（2）穩(wěn)定電流IZ。工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的電流。（3）動(dòng)態(tài)電阻rZ。穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)電流的變化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）額定功率PZ和最大穩(wěn)定電流IZM。額定功率PZ是在穩(wěn)壓管允許結(jié)溫下的最大功率損耗。最大穩(wěn)定電流IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。它們之間的關(guān)系是：

PZ=UZIZM8.2半導(dǎo)體三極管8.2.1

三極管的結(jié)構(gòu)及類型半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導(dǎo)電，故又稱為雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱晶體管或三極管。

兩個(gè)PN結(jié)，把半導(dǎo)體分成三個(gè)區(qū)域。這三個(gè)區(qū)域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向8.2.2電流分配和電流放大作用（1）產(chǎn)生放大作用的條件內(nèi)部：a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度>>基區(qū)>>集電區(qū)

b）基區(qū)很薄外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏（2）三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程a）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成發(fā)射極電流iEb）電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流iBc）集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子，形成集電極電流iC（3）電流分配關(guān)系：

IE=IC+IB

實(shí)驗(yàn)表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而有。IB雖然很小，但對(duì)IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對(duì)集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。8.2.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線與二極管類似2．輸出特性曲線（1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置

（3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置此時(shí)

8.2.4三極管的主要參數(shù)1、電流放大系數(shù)β：iC=βiB2、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、極限參數(shù)

（1）集電極最大允許電流ICM：下降到額定值的2/3時(shí)所允許的最大集電極電流。（2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗PCM。

8.3放大電路的組成放大的實(shí)質(zhì)：用較小的信號(hào)去控制較大的信號(hào)。（1）晶體管V。放大元件，用基極電流iB控制集電極電流iC。（2）電源UCC和UBB。使晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管處在放大狀態(tài)，同時(shí)也是放大電路的能量來源，提供電流iB和iC。UCC一般在幾伏到十幾伏之間。（3）偏置電阻RB。用來調(diào)節(jié)基極偏置電流IB，使晶體管有一個(gè)合適的工作點(diǎn)，一般為幾十千歐到幾百千歐。（4）集電極負(fù)載電阻RC。將集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以獲得電壓放大，一般為幾千歐。（5）電容Cl、C2。用來傳遞交流信號(hào)，起到耦合的作用。同時(shí)，又使放大電路和信號(hào)源及負(fù)載間直流相隔離，起隔直作用。為了減小傳遞信號(hào)的電壓損失，Cl、C2應(yīng)選得足夠大，一般為幾微法至幾十微法，通常采用電解電容器。8.4

放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)是指無交流信號(hào)輸入時(shí)，電路中的電流、電壓都不變的狀態(tài)，靜態(tài)時(shí)三極管各極電流和電壓值稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q（主要指IB、IC和UCE）。靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)值IB、IC和UCE。8.4.1估算法直流通路：耦合電容可視為開路。圖解步驟：（1）用估算法求出基極電流IB（如40μA）。（2）根據(jù)IB在輸出特性曲線中找到對(duì)應(yīng)的曲線。（3）作直流負(fù)載線。根據(jù)集電極電流IC與集、射間電壓UCE的關(guān)系式UCE=UCC－ICRC可畫出一條直線，該直線在縱軸上的截距為UCC/RC，在橫軸上的截距為UCC，其斜率為－1/RC，只與集電極負(fù)載電阻RC有關(guān)，稱為直流負(fù)載線。（4）求靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并確定UCE、IC的值。晶體管的IC和UCE既要滿足IB=40μA的輸出特性曲線，又要滿足直流負(fù)載線，因而晶體管必然工作在它們的交點(diǎn)Q，該點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)。由靜態(tài)工作點(diǎn)Q便可在坐標(biāo)上查得靜態(tài)值IC和UCE。8.4.2圖解法IB=40μA的輸出特性曲線由UCE=UCC－ICRC所決定的直流負(fù)載線兩者的交點(diǎn)Q就是靜態(tài)工作點(diǎn)過Q點(diǎn)作水平線，在縱軸上的截距即為IC過Q點(diǎn)作垂線，在橫軸上的截距即為UCE8.5

共發(fā)射極基本放大電路的動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)是指有交流信號(hào)輸入時(shí)，電路中的電流、電壓隨輸入信號(hào)作相應(yīng)變化的狀態(tài)。由于動(dòng)態(tài)時(shí)放大電路是在直流電源UCC和交流輸入信號(hào)ui共同作用下工作，電路中的電壓uCE、電流iB和iC均包含兩個(gè)分量。交流通路：（ui單獨(dú)作用下的電路）。由于電容C1、C2足夠大，容抗近似為零（相當(dāng)于短路），直流電源UCC去掉（短接）。8.5.1圖解分析法圖解步驟：（1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點(diǎn)Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負(fù)載線。（4）由輸出特性曲線和交流負(fù)載線求iC和uCE。從圖解分析過程，可得出如下幾個(gè)重要結(jié)論：（1）放大器中的各個(gè)量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量?jī)刹糠纸M成。（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔開，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓ui反相。（3）放大器的電壓放大倍數(shù)可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負(fù)載電阻RL越小，交流負(fù)載電阻RL'也越小，交流負(fù)載線就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數(shù)下降。（4）靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置得不合適，會(huì)對(duì)放大電路的性能造成影響。若Q點(diǎn)偏高，當(dāng)ib按正弦規(guī)律變化時(shí)，Q'進(jìn)入飽和區(qū)，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓uo（即uce）的負(fù)半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點(diǎn)偏低，則Q"進(jìn)入截止區(qū)，輸出電壓uo的正半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。8.5.2微變等效電路法把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效成一個(gè)線性電路，就是放大電路的微變等效電路，然后用線性電路的分析方法來分析，這種方法稱為微變等效電路分析法。等效的條件是晶體管在小信號(hào)（微變量）情況下工作。這樣就能在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，用直線段近似地代替晶體管的特性曲線。（1）基本思路（2）晶體管微變等效電路輸入特性曲線在Q點(diǎn)附近的微小范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線性的。當(dāng)uBE有一微小變化ΔUBE時(shí)，基極電流變化ΔIB，兩者的比值稱為三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻，用rbe表示，即：輸出特性曲線在放大區(qū)域內(nèi)可認(rèn)為呈水平線，集電極電流的微小變化ΔIC僅與基極電流的微小變化ΔIB有關(guān)，而與電壓uCE無關(guān)，故集電極和發(fā)射極之間可等效為一個(gè)受ib控制的電流源，即：（3）放大電路微變等效電路①電壓放大倍數(shù)式中RL'=RC//RL。當(dāng)RL=∞（開路）時(shí)②輸入電阻Ri輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號(hào)源吸取電流（輸入電流）的大小。為了減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號(hào)源內(nèi)阻Rs的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在幾百歐到幾千歐，一般認(rèn)為是較低的，并不理想。③輸出電阻對(duì)于負(fù)載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負(fù)載電阻RL的變化對(duì)輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負(fù)載能力越強(qiáng)，因此總希望Ro越小越好。上式中Ro在幾千歐到幾十千歐，一般認(rèn)為是較大的，也不理想。8.6

工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路1．溫度對(duì)工作點(diǎn)的影響溫度升高UBE減小ICBO增大β增大IC增大2．工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路條件：I2>>IB，則與溫度基本無關(guān)。調(diào)節(jié)過程：（1）靜態(tài)分析（2）動(dòng)態(tài)分析例：圖示電路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)（2）求電壓放大倍數(shù)（3）求輸入電阻