[工学]模拟电路精讲

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1、第一章 半导体器件1 半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电性能取决于原子结构。导体一般为低价元素，绝缘体一般为高价元素和高分子物质，半导体一般为外层电子为4。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，所以称为半导体。一、本征半导体本征半导体：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体的物质结构：常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。在晶体中，每个原子都和周围的4个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来。自由电子与空穴：共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，同时必然在共价键中

2、留下空位，称为空穴。空穴带正电。半导体的导电性：在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；另一方面，价电子也按一定方向依次填补空穴，即空穴产生了定向移动，形成所谓空穴电流。载流子：由此可见，半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的穴。本征半导体中自由电子与空穴是同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。我们用n和p分别表示电子和空穴的浓度，即ni=pi，下标i表示为本征半导体。载流子的浓度：价电子在热运动中获得能量摆脱共价键的束缚，产生电子空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能量，与空穴相遇，使电子空穴对消失，这种现象称为复合。在一定的温度下，载流子的产生与复合过程是相对

3、平衡的，即载流的浓度是一定的。本征半导体中的载流子浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。所以半导体载流子的浓度对温度十分敏感。半导体的导电性能与载流子的浓度有关，但因本征载流子在常温下的浓度很低，所以它们的导电能力很差。二、杂质半导体本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子的浓度很低，所以它们的导电能力很差。当我们人为地、有控制地掺入少量的特定杂质时，其导电性将产生质的变化。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。1N型半导体在本征半导体中掺入微量5价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外

4、层有5个价电子，因此它与周围4个硅(锗)原子组成共价键时，还多余1个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电的杂质离子，它不能参与导电。由于杂质原子可以提供自由电子，故称为施主原子(杂质) 这种杂质半导体中电子浓度比同一温度下的本征半导体中的电子浓度大好多倍，这就大大加强了半导体的导电能力，我们把这种掺杂的半导体称为N型半导体。在N型半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，即nnpn(下标n表示是N型半导体)，主要靠电子导电，所以称自由电子为多数载流子(多子)；空穴为少数载流子(少子)。Negative 5neEtiv n.否定，

5、负数；adj.否定的，消极的，负的, 阴性的；vt.否定, 拒绝(接受)2P型半导体在本征半导体中，掺入微量3价元素，如硼、镓、铟等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质代替。杂质原子的三个价电子与周围的硅原子形成共价键时，出现一个空穴，在室温下这些空穴能吸引邻近的价电子来填充，使杂质原子变成带负电荷的离子。这种杂质因能够吸收电子被称为受主原子(杂质)，这种杂质半导体中空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。被称为P型半导体。Positive 5pCzEtiv adj.肯定的, 实际的, 积极的, 绝对的, 确实的；数正的；电阳的；语法 原级的3杂质半导体的导电性能在杂质半导体中，多子是由杂

6、质原子提供的，而本征激发产生的少子浓度则因与多子复合机会增多而大为减少。可以证明，在半导体中两种载流子的浓度的乘积是恒定值，与掺杂程度无关，即由上式可知，杂质半导体中多子越多，则少子越少。例：在T300K时硅原子的浓度为：5.11022cm-3此时本征激发产生的电子浓度为：ni=1.431010cm-3掺入十亿分之一的施主杂质（五价元素）则杂质原子的浓度为：ND=5102210-9=51013cm-3这些杂质原子提供的电子浓度为：ND可见这个数目远大于ni所以自由电子的浓度基本上等于杂质的n=ND=51013cm-3而空穴的浓度为：p=ni2/n=ni2/ND=(1.431010)2/(510

7、13)=4.1106cm-3这个例子说明，微量的掺杂可以使半导体的导电能力大加强。另外，杂质半导体中少子虽然浓度很低，但它对温度非常敏感，将影响半导体器件的性能。至于多子，因其浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以受温度影响不大。2 PN结在一块本征半导体上，用工艺的方法使其一边形成N型半导体，加一边形成P型半导体，则在两种半导体的交界处形成了PN结。PN结是构成其它半导体的器件的基础。一、异型半导体的接触现象1扩散：由于浓度不同产生的运动；由于扩散产生空间电荷区，也产生电场(自建电场)。2漂移：在自建电场的作用下，截流子也在电场力的作用下运动，称为漂移。3动态平衡：扩散运动和漂移运动的作相等4耗

8、尽层：阻挡层；空间电荷区二、PN结的单向导电特性在PN结外加不同方向的电压，就可以破坏原来的平衡，从而呈现出单向导电特性。1PN结外加正向电压若将电源的正极接P区，负极接N区，则称此为正向接法或正向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建电场方向相反，削弱了自建电场，使阻挡层变窄。扩散作用大于漂移作用，在电源的作用下，多数载流子向对方区域扩散形成电流，其方向由电源正极通过P区、N区到达电源负极。此时，PN结处于导通状态，它所呈现出的电阻为正向电阻，其阻值很小，正向电压愈大，正向电流愈大。其关系是指数关系ID 通过PN结的电流U PN结两端的电压 称为温度电压当量。K为玻耳兹曼常数；T为绝对

9、温度；q为电子电量，在室温下即T300K时，UT26mV；IS为反向饱和电流。2PN结外加反向电压若将电源的正极接N区，负极接P区，则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建电场方向相同，增强了自建电场，使阻挡层变宽。此时漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场作用下作漂移运动，由于电流方向与加正向电压时相反，故称为反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的，故反向电流很小，而且当外加超过零点几伏时，少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流，此时反向电压再增加，载流子数也不会增加，因此反向电流也不会增加，故称为反向饱和电流，即IDIS由于反向电流很小，此时，PN结处于截

10、止状态，呈现出的电阻称为反向电阻，其阻值很大，高达几百千欧以上。可见，PN结加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态，即PN结具有单向导电特性。PN结的电压与电流的关系此方程称为PN结的伏安特性方程用曲线示此方程，称为伏安特性曲线。三、PN结的击穿PN结处于反向偏置时，在一定电压范围内，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(UB)后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿，UB称为击穿电压。PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。1雪崩击穿当反向电压足够高时，阻挡层内电场很强，少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用，获得很大的能量，在运动中与其它原子发生碰撞时

11、，有可能将价电子打出共价键，形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流一道，在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对，如此链锁反应，使反向电流迅速增大，这种击穿称为雪崩击穿。2齐纳击穿所谓齐纳击穿，是指当PN结两边掺入高浓度杂质时，其阻挡层宽度很小，即使外加反向电压不太高（一般为几伏），在PN结内就可形成很强的电场（可达到2106V/cm），将共价键的价电子直接拉出来。产生电子空穴对，使反向电流急剧增加，出现击穿（齐纳击穿）现象。对硅材料的PN结，击穿电压UB大于7伏时通常是雪崩击穿，小于4伏时通常是齐纳击穿；UB在4伏和7伏之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，

12、因此一般使用时应避免出现击穿现象。需要指出的是，发生击穿并不意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值（一般通过串接电阻R实现），不使其过大，以免因过热而烧坏PN结，当反向电压降低时，PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现的，当流过PN结的电流变化时，结电压UB保持基本不变。四、PN结的电容效应复习：电容的定义 或 1势垒电容CT势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的，均具有一定的电荷量，所以在PN结储存了一定的电荷。当外加电压使阻挡层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使阻挡层变窄时，电荷量减

13、少。即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变，形成了电容效应，称为势垒电容，用CT表示。由于W随电压而变化，不是一个常数，因而势垒电容CT不是一个常数。随电压变化而变化。一般CT为几pF200pF，我们可以利用此电容效应做成变容二极管，作为压控可变电容器。2扩散电容CD多子在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子，这种少子的积累也会形成电容效应。当PN结处于平衡状态（即无外加电压）时的少子称为平衡少子。可以认为在耗尽层以外的区域内平衡少子的浓度各处是一样的，当PN结处于正向偏置时，N区的电子扩散到P区后成为非平衡少子，由于浓度差它还要继续扩散，距离交界处越远，非平衡少子的浓度越低。经过一段区域，非

14、平衡少子几乎全部消失，少子的浓度降为平衡时在P区的电子浓度。这样在扩散区内就积累了一定数量的非平衡少子，其电量为图中曲线下的面积。当正向电压增加时，扩散到P区的电子浓度增加，电子的分布曲线变陡（扩散电流与浓度成正比）扩散区内积累的电荷量增加，增加量为两条曲线间的面积。N区内的空穴也有同样的规律。外加电压改变时引起扩散区内积累的电荷量变化就形成了电容效应，其所对应的电容称为扩散电容，用CD表示。也可见扩散电容正比于正向电流。PN结的电容包括两部分CjCT+CD一般来说，PN结正偏时，扩散电容起主要作用，CjCD；当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，CjCT。五、半导体二极管半导体二极管是由PN结

15、加上引线和管壳构成。1二极管的种类按材料分：硅二极管和锗二极管按结构分：点接触二极管它的特点是结面积小，因而结电容小，适用于高频下工作。主要应用于小电流的整流和检波、混频等。面接触二极管它的特点是结面积大，因而能通过较大的电流，但结电容也大，只能工作在较低频率下，可用于整流。阴极引线硅平面型二极管结面积大的，可通过较大的电流，适用于大功率整流；结面积小的，结电容小，适用于在脉冲数字电路中作开关管。二极管的符号如右图所示。2二极管的特性二极管本质是就是一个PN结，但是对于真实的二极管器件，考虑到引线电阻和半导体的体电阻及表面漏电等因素的影响。二极管的特性与PN结略有差别。实测特性曲线如书上所示。

16、正向特性正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流。该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示。在室温下，硅管的Uon约为0.60.8V，锗管的Uon约为0.10.3V。通常认为，当正向电压UUon时，二极管导通。反向特性二极管加反向电压，反向电流数值很小，且基本不变，称为反向饱和电流。硅管的反向饱和电流为纳安(nA)数量级，锗管为微安数量级。当反电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上（高反压管可达几千伏）。温度特性二极的特性对温度很敏感，温度升高，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。其

17、规律是：在室温附近，在同一电流下，温度每升高1，正向电压减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增大约1倍。3二极管的主要参数描述器件的物理量，称为器件的参数。它是器件特性的定量描述，也是选择器件的依据。各种器的的参数可由手册查得。二极管的主要参数有：最大整流电流IF。它是二极管允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于IF，如超过IF，二极管将过热而烧毁。此值取决于PN结的面积、材料和散热情况。最大反向工作电压UR这是二极管允许的最大工作电压，当反向电压超过此值时，二极管可能被击穿。为了留有余地，通常取击穿电压的一半作为UR。反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。此值越小，

18、二极管的单向导电性越好，由于反向电流是由少数载流子形成，所以IR值受温度的影响很大。最高工作频率fM。fM的值主要取决于PN结结电容的大小，结电容越大，则二极管允许的最高频率越低。二极管的直流电阻RD。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比，称为二极管的直流电阻RD，即此值可由二极管特性曲线求出，如课本图114所示。工作点电压为UF1.5V，电流IF50MA，则且由图上可看出，RD随工作电流加大而减小，故RD呈非线性。用万用表测量出的电阻值为RD，用不同档测量出的RD值显然是不同的。二极管加正、反向电压所呈现的电流也不同。加正向电压时，RD为几十至几百欧，加反向电压时RD为几百千欧至几

19、兆欧。一般正反向电阻值相差越大，二极管的性能越好。二极管的交流电阻rd在二极管工作点附近，电压的微变值与相应的微变电流值之比，称为该点的交流电阻rd，即从其几何意义上讲，当时，rd就是工作点Q处的切线斜率倒数(斜率为dI/dU即曲线在Q点的导数)。显然，rd也是非线的，即工作电流越大，rd越小，交流电阻rd也可以从特性曲线上求出，如课本上图，过Q点作切线，在切线上任取两点A、B，查出这两点间的U和I，则得交流电阻rd也可以利用PN结的电流方程求出，取I的微分可得式中，IDQ为二极管工作点的电流，单位取mA，上面的近似式在室温条件下成立。可见，对于同一工作点，直流电阻RD大于交流电阻rd，对不同

20、工作点，工作点愈高，RD和rd愈小。几种二极管的典型参数见课本表11。六、稳压二极管1稳压二极管的原理稳压二极管的工作原理是利用PN结的击穿特性。由二极管的特性曲线可知，如果二极管工作在反向击穿区，则当反向电流在较大范围内变化I时，管子两端电压相应的变化U却很小，这说明它具有很好的稳压特性。在电路中的符号为2用稳压二极管组成稳压电路稳压管组成的简单的稳压电路如下图所示电路原理强调几个问题稳压二极管正常工作是在反向击穿状态，即外加电源正极接稳压二极管的N区(负极)，电源负极接稳压二极管的P区(正极)。稳压管应与负载并联。必须限制流过稳压管的电流Iz，使其不超过规定值。还应保证流过稳压管的电流Iz

21、大于某一数值(稳定电流)，以确保稳压管有良好的稳压特性。使用稳压管时限流电阻不可少，它保证项内容。选好限流电阻是保证稳压电路正常工作的前题。3稳压二极管的主要参数稳定电压Uz稳定电压是稳压管工作在反向击穿时的稳定工作电压。由于稳定电压随工作电流的不同而略有变化，因而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压Uz是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管，其稳定电压值不同。同一型号的管子，由于制造工艺的分散性，各个管子的Uz值也有小的差别。例如：2DW7C Uz=6.16.5V 指的是可能有的管的Uz是6.1V，有的可能是6.5V。稳定电流Iz稳定电流是指使稳压管正常工作时的最小电流

22、，低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是，工作电流较大时，稳压性能较好，但电流要受管子的功耗限制，即Izmax=Pz/Uz。有时有给出最大稳定电流。电压温度系数指稳压管温度变化1时，所引起的稳定电压变化的百分比。一般情况下，稳定电压大于7V的稳压管，为正值。而稳定小于4V的稳压管，为负值。稳定电压在47V间的稳压管，其较小，即稳定电压值受温度影响较小，性能比较稳定。动态电阻rzrz=U/I rz越小，则稳压性能越好。额定功耗PzPz=UI七、二极管的应用二极管的运用基础，就是二极管的单向导电特性，因此，在应用电路中，关键是判断二极管的导通或截止。二极管导通时一般

23、用电压源UD=0.7V(硅管，如是锗管用0.3V)代替，或近似用短路线代替。截止时，一般将二极管断开，即认为二极管反向电阻为无穷大。1整流电路在第十章讨论。2限幅电路什么是限幅电路(限幅电路的功能)当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。限幅电平和上下限幅限幅电平：通常将输出电压开始不变的电压值称为限幅电平。上 限 幅：当输入电压高于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为上限幅。下限幅：当输入电压低于限幅电平时，输出电压保持不变的限幅称为下限幅。限幅电路并联二极管上限幅电路E=0V，限幅电平为0V，ui0V时二极管

24、导通，uo=0V；ui0V，二极管截止，uo=ui0EE，二极管导通，uo=E；uiE，二极管截止，uo=uiUmEE，二极管导通，uo=E；uiICBO，可将ICBO忽略，由上式可以得出：5. 共发射极直流电流放大系数如将基极作为输入，集电极作为输出，我们希望知道IC与IB的关系，推导如下：三极管的三个极的电流关系满足节点定律，即IEICIBIC(IC+IB)+ICBO令：则有： 则称为穿透电流，即当时一般三极管的约为几十几百。太小，管子的放大能力就差，过大，则管子不够稳定。6. 实测晶体管的电流关系表从实测数据，我们可以看出ICIE7. 交流电流的放大系数从上面的实测数据，我们还可以看出，

25、当三极管的基极电流IB有一个微小的变化时，例如由0.02mA变为0.04mA(IB=0.02mA)，相应的集电极电流产生了较大的变化，由1.14mA变为2.33mA(IC=1.19mA)，这就说明了三极管的电流放大作用。我们定义这两个变化电流之比为共发射极交流电流放大系数。四、三极管的特性曲线三极管外部各极电压电流的相互关系，当用图形描述时称为三极管的特性曲线。它即简单又直观，全面地反映了各极电流与电压之间的关系。特性曲线与参数是选用三极管的主要依据。所以很好地理解三极管特性曲线。1. 输入特性当UCE不变时，输入回路中的电流与IB与电压UBE之间的关系曲线称为输入特性，即UCE0V时，从三极

26、管的输入回路看，相当于两个PN结的并联，当b、e间；加上正电压时，三极管的输入特性就是两个正向二极管的伏安特性。UCE1V，b、e间加正电压，此时集电极电位比基极高，集电结为反向偏置，阻挡层变宽，基区变窄，基区电子复合减少，故基极电流IB下降。与UCE0V时相比，在相同条件下，IB要小得多。结果输入特性曲线将右移。2. 输出特性当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间的关系曲线称为输出特性。固定一个IB值，得一条输出特性曲线，改变IB值，可提一簇输出特性曲线。在输出特性曲线上可以划分为三个区域。截止区IB0的区域称为截止区在截止区，集电结和发射结均处于反向偏置。即UBE0、 UBC0

27、放大区发射结正向偏置，集电结反向偏置。对于硅NPN型三极管，UBE0.7 UBC0 UBC0临界饱和： UCE=UBE 即UCB=0时过饱和：UCEUBE 在深度饱和时，小功率管的管压降为UCES通常小于0.3V五、三极管的主要参数1电流放大系数共发射极交流电流放大系数共发射极直流电流放大系数共基极交流电流放大系数共基极直流电流放大系数 2极间反向电流集电极-基极反向饱和电流ICBO集电极-发射极穿透电流ICEO这两项越小，管子质量越高。3极限参数集电极最大允许电流ICM由于三极管的电流放大系数值与工作电流有关，工作电流太大，就下降，使三极管的性能下降，也使放大的信号产生严重失真。一般定义当值

28、下降为正常值的1/32/3时的IC值为ICM。集电极最大允许功率损耗PCMPC=ICUCEPCPCM为过耗区4反向击穿电压BUCBO发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。BUCEO基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。BUCER基射极间接有电阻R时，集电极-发射极间的反向击穿电压。BUCES基射极间短路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。BUEBO集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压，此电压一般较小。仅有几伏左右。上述电压一般存在如下关系：BUCBOBUCESBUCERBUCEOBUEBO三极管应工作在安全工作区。UCEBUCEO六、温度对三极管参数的影响由于半导体的载流子浓

29、度受温度影响，因而三极管的参数也会受温度的影响。这将严重影响到三极管电路的热稳定性。通常三极管的如下参数受温度影响比较明显。1温度对UBE的影响输入特性曲线随温度升高向左移动。即IB不变时，UBE将下降，其变化规律是温度每升高1，UBE减小22.5mV2温度对ICBO的影响ICBO是由少数载流子形成的。当温度上升时，少数载流子增加，故ICBO也上升。其变化规律是，温度每上升10，ICBO约上升1倍。ICEO随温度的变化规律大致与ICBO相同。在输出特性曲线上，温度上升，曲线上移。3温度对的影响随温度的升高而增大，变化的规律是：温度每升高1，值增大0.51%。在输出特性曲线上，曲线间的距离随温度

30、升高而增大。综上所述，温度对UBE、ICBO、的影响，均使IC随温度上升而增加，这将严重影响三极管的工作状态。返回第二章 放大电路分析基础实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。1放大电路工作原理一、放大电路的组成原理以共发射极放大电路为例放大电路的组成的原则是：为保证三极管工作在放大区，发射结必须正

31、向偏置；集电结必须反向运用。电路中应保证输入信号能加至三极管的发射结，以控制三极管的电流。同时，也要保证放大了的信号从电路中输出。耦合电容(隔直电容)的作用：使交流信号顺利通过，而无直流联系。耦合电容容量较大，一般采用电解电容器，而电解电容分正负极，接反就会损坏。上图是NPN型三极管组成的放大电路，若用PNP型，则电源和电解电容极性反接就可以了。实际中，为了方便，采用单电源，如下左图。习惯画法如下右图。二、直流通路和交流通路当输入信号为零时，电路只有直流电流；当考虑信号的放大时，我们应考虑电路的交流通路。所以在分析、计算具体放大电路前，应分清放大电路的交、直流通路。由于放大电路中存在着电抗元件

32、，所以直流通路和交流通路不相同。直流通路：电容视为开路，电感视为短路交流通路：电容和电感作为电抗元件处理，一般电容按短路处理，电感按开路处理。直流电源因为其两端的电压固定不变，内阻视为零，故在画交流通路时也按短路处理。要求同学能画出一个放大电路的直流通路和交流通路。下面我们画出基本共发射极电路的交、直流通路。同样，放大电路的分析也包含两部分直流分析：又称为静态分析，用于求出电路的直流工作状态，即基极直流电流IB；集电极直流电流IC；集电极与发射极间的直流电压UCE。交流分析：又称为动态分析，用来求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。2 放大电路的直流工作状态放大电器核心器件是具有放大能力的三极

33、管，而三极管要保证在放大区，其e结应正向偏置，c结应反向偏置，即要求对三极管设置正常的直流工作状态，如何计算出一个放大电路的直流工作状态，是本节讨论的主要问题。直流工作点，又称静态工作点，简称Q点（Quiescent kwaI5esEnt adj.静止的）。它可通过公式求出，也可以通过作图的方法求出。一、解析法确定静态工作点根据放大电路的直流通路，可以估算出该放大电路的静态工作点。求静态工作点就是求IB IC UCE1. 求IB由于三极管导通时，UBE变化很小，可视为常数。一般地硅管 UBE0.60.8V 取0.7V锗管 UBE0.10.3V 取0.2V当UCC、Rb已知，可求出IBQ2. 求

34、IC3. 求UCE二、图解法确定静态工作点三极管电流、电压关系可用其输入特性曲线和输出特性曲线表示。我们可以在特性曲线上，直接用作图的方法来确定静态工作点。图解法求Q点的步骤：1. 在输出特性曲线所在坐标中，按直流负载线方程,作出直流负载线。2. 由基极回路求出IBQ3. 找出这一条输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点的电流、电压即为所求。【例】如下图电路，已知Rb=280k，Rc=3k，Ucc=12V，三极管的输出特性曲线也如下图所示，试用图解法确定静态工作点。解：首先写出直流负载方程，并做出直流负载线uCE=UCCiCRciC=0，uCE=UCC=12V，得M点；uCE=0，i

35、C=UCC/Rc=12/3=4mA，得N点；连接MN，即得直流负载线。直流负载线与iB=IBQ=40A这一条特性曲线的交点，即为Q点，从图上可得ICQ=2mA，UCEQ=6V。三、电路参数对静态工作点的影响在后面我们将看到静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数Rb、Rc、UCC对静态工作点的影响，为调试电路给出理论指导。1. Rb对Q点的影响RbIBQ工作点沿直流负载线下移RbIBQ工作点沿直流负载线上移2. RC对Q点的影响RC的变化，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。RCN点上升直流负载线变陡工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线右移RCN点下

36、降直流负载线变平坦工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线左移3. UCC对Q点的影响UCC的变化不仅影响IBQ，还影响直流负载线，因此，UCC对Q点的影响较复杂。UCCIBQMN直流负载线平行上移工作点向右上方移动UCCIBQMN直流负载线平行下移工作点向左下方移动实际调试中，主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点，而很少通过改变UCC来改变工作点。3 放大电路的动态分析我们讨论当输入端加入信号ui时，电路的工作情况。由于加进了输入信号，输入电流iB不会静止不动，而是变化的。这样三极管的工作状态将来回移动，故又将加进输入交流信号时的状态称为动态。一、图解法分析动态特性通过图解法，我们将画出对应输入波

37、形时的输出电流和输出电压的波形。由于交流信号的加入，此时应按交流通路来考虑。交流负载。在信号的作用下。三极管的工作状态的移动不再沿直流负载线，而是按交流负载线移动。因此，分析交流信号前。应先画出交流负载线。1. 画交流负载线交流负载线具有如下两个特点交流负载线必通过Q点，因为当输入信号ui的瞬时值为零时，如忽略电容C1和C2的影响，则电路状态和静态相同。交流负载线的斜率由决定。因此，按上述特点，可做出交流负载线，即通过Q点，作一条的直线，就是交流负载线。具体作法如下：首先作一条的辅助线(此线有无数条)，然后过Q点作一条平行于辅助线的直线即为交流负载线。由于，所以，故一般情况下交流负载线比直流负

38、载线陡。交流负载线的另外一种作法：交流负载线也可以通过求出交流负载线在uCE坐标的截距，再与Q点相连即可得到。设截距点为，则有：推导过程如下：例：如下图所示电路，做出交流负载线。已知Rb=280k，Re=3k，UCC=12V，RL=3k。解：首先做出直流负载线，求出Q点。做出交流负载线的辅助线取U=6V可得I=4mA，连接这两点即为交流负载线的辅助线。过Q点做辅助线的平行线，即为交流负载线。也可以用：做出交流负载线。2. 画输入输出的交流波形图设电路使则：从图28可读出相应的数据，画出波形，数据如下表所示t0/23/22iB/uA4060402040IC/mA23212UCE/V64.567.

39、56ic、ib、ube三者同相，uce与它们的相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的，这是共发射极放大电路的特征之一。二、放大电路的非线性失真作为对放大电路的要求，应使输出电压尽可能的大，但它受到三极管非线性的限制，当信号过大或工作点选择不合适，输出电压波形将产生失真。这些失真是由于三极管的非线性(特性曲线的非线性)引起的失真，所以称为非线性失真。1. 由三极管特性曲线非线性引起的失真非线性失真。输入特性曲线弯曲引起的失真。输出曲线簇上疏下密引起的失真。输出曲线簇上密下疏引起的失真。输出曲线弯曲也引起失真。2. 工作点不合适引起的失真截止失真和饱和失真。截止失真当工作点设置过低(IB过小)

40、，在输入信号的负半周，三极管的工作状态进入截止区。因而引起iB、iC、uCE的波形失真，称为截止失真。对于NPN型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。对于PNP型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。饱和失真当工作点设置过高(IB过大)，在输入信号的正半周，三极管的工作状态进入饱和区。因而引起iC、uCE的波形失真，称为饱和失真。对于NPN型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。对于PNP型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。3最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰峰Up-p)由于存在截止失真

41、和饱和失真，放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰峰Up-p)最大不失真输出电压是指：当直流工作状态已定的前提下，逐渐增大输入信号，三极管尚未进入截止或饱和时，输出所能获得的最大不失真电压。如ui增大首先进入饱和区，则最大不失真输出电压受饱和区限制，则如ui增大首先进入截止区，则最大不失真输出电压受截止区限制，则最大不失真输出电压值，选取其中小的一个。三、微变等效电路微变等电路法的基本思想是：当输入信号变化的范围很小时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的。即在一个很小的范围内，输入特性输出特性均可近似地看作是一段直线。因此，就可以给三极管建立一个小信号的线性模

42、型。这就是微变等效电路。利用微变等效电路，可以将含有非线性元件(三极管)的放大电路，转化为我们熟悉的线性电路，然后，就可利用电路分析的有关方法求解。1. 三极管的h参数微变等效电路三极管处于共发射极状态时，输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示。输入特性： 输出特性： 式中代表各电量的总瞬时值，为直流分量和交流瞬时值之和，即：，用全微分形式表示，则有 令 则：前已指出，而代表其变化量，故，同理有当输入为正弦量并用有效值表示时，则有根据上两式可以画出共e极时的三极管的微变等效电路。2. h参数的意义和求法(hybrid)hybrid 5haibridn.杂种, 混血儿, 混合物adj.

43、混合的, 杂种的三极管输出交流短路时输入电阻。三极管输入交流开路时电压反馈系数三极管输出交流短路时的电流放大系数三极管输入开路时的输出导纳由于的影响，一般这个影响很小，可忽略不计。、式可简化为令，并用有效值代替各变化量，可得三极管的简化等效电路。求四、三种基本组态放大电路的分析微变等效电路，主要用于放大电路动态特性分析，三极管有三种接法，故放大电路也有三种基本组态，各种实际放大电路都是这三种基本放大电路的变型及组合。1. 放大电路的性能指标放大电路的性能指标有许多种，我们只介绍几个反映放大器性能的基本性能指标。电压放大倍数Au电压放大倍数，是衡量放大电路的电压放大能力的指标。它定义为输出电压的

44、幅值或有效值与输入电压幅值或有效值之比，有时也称为增益。有时亦定义源电压放大倍数Aus，它表示输出电压与信号源电压幅值或有效值之比。显然，当信号源内阻Rs=0时，Aus=Au，Aus就是考虑了信号源内阻Rs影响时的电压放大倍数。电流放大倍数Ai电流放大倍数定义为输出电流与输出电流幅值或有效值之比。功率放大倍数Ap功率放大倍数定义为输出功率与输入功率之比输入电阻ri放大电路由信号源提供输入信号，当放大电路与信号源相连，就要从信号源索取电流。索电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度。所以定义输入电阻来衡量放大电路对信号源的影响。当信号频率不高时，电抗效应不考虑。则有对多级放大电路，本级的输入电

45、阻又构成前级的负载，表明了本级对前级的影响。对输入电阻的要求视具体情况而不同。进行电压放大时，希望输入电阻要高，进行电流放大时，又希望输入电阻要低；有的时候又要求阻抗匹配，希望输入电阻为某一特殊的数值。输出电阻ro输出电阻是从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为输出电阻ro。由微变等效电路求输出电阻的方法，一般是将输入信号源Us短路（电流源开路），注意应保留信号源内阻。然后在输出端外接电源U2，并计算出该电压源供给的电流I2，则输出电阻由下式算出。输出电阻高低表明了放大器所能带动负载的能力。Ro越小，表明带负载能力越强。实验测ro方法：2. 共e极放大电路根据共发射极放大电路画出微变等效电路

46、，画微变等效电路时，把C1、C2和直流电源Ucc视为短路。三极管用微变等效电路代替。电压放大倍数式中从输入回路得电流放大倍数输入电阻当时，输出电阻由于当Uo=0时，Ib=0，从而受控源Ib=0，因此可直接得出ro=Rc注意：因ro常用来考虑带负载RL的能力，所以求ro时不应含RL，应将其断开。源电压放大倍数3. 共c极放大电路电路如下图所示，信号从基极输入，射极输出，故又称为射极输出器，等效电路如下图所示。注意共集电极的理解，不能当共发射极。电压放大倍数式中通常，所以AuIB说明UB与晶体管无关，不随温度而改变。由于IE=UE/Re，所以要稳定工作点，应使UE恒定，不受UBE的影响，因此要求满

47、足条件UBUBE具备上述条件，就可以认为工作点与三极管参数无关，达到稳定工作点的目的。同时，当选用不同值的三极管时，工作点也近似不变，有利于调试和生产。稳定工作点的过程可表示如下：IEIEReUBEIE实际公式中应满足如下关系IR(510)IB (硅管可以更小)UB(510)UBE对于硅管，UB=35V；锗管，UB=13V。三、静态工作点的计算1近似算法2应用戴维宁定理可以更精确地计算基极回路等效为直流工作点的计算四、动态分析首先画出微变等效电路图，和原来的电路相比只是多了一个电阻，只对输入电阻有影响。其它不变。电压放大倍数输入电阻输出电阻五、举例例1：如图 UCC=24V，Rb1=20k，R

48、b2=60k，Re=1.8k，Rc=3.3k，=50， UBE=0.7V，求其静态工作点解： 例2：如图(a)、(b)为两个放大电路。已知三极管的参数均为=50，=200，UBEQ=0.7V，电路的其它参数如图所示。分别求出两个放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。如果三极管的值均增大一倍，分析两个电路的Q点各将发生什么变化。三极管的值均增加一倍，两个放大电路的电压放大倍数如何变化。解：求Au，ri和ro图(a)是共发射极基本放大电路，图(b)是具有电流负反馈的工作点稳定电路。它们的微变等效电路分别如下图所示。为求出动态特性参数，首先得求出它们的静态工作点。放大电路(a)的静态工作点：放大电

49、路(b)的静态工作点：放大电路(a)的动态特性参数：放大电路(b)的动态特性参数：变为100时，两个电路的工作点将发生什么变化。(a) IBQ不变(b)其它都没有变变为100时，两个放大电路的电压放大倍数如何变化(a) (b) 5 多级放大电路一、多级放大电路的组成多级放大电路方框图如下所示。对输入级的要求，与信号源的性质有关，例如，当输入信号源为高阻电压源时，则要求输入级也必须有高的输入电阻(例如用共集电极放大电路)，以减少信号在内阻上的损失。如果输入信号为电流源，为了充分利用信号电流，则要求输入级有较低的输入电阻(例如用共基极放大电路)。中间级的主要任务是电压放大，多级放大电路的放大倍数，

50、主要取决于中间级，它本身就可能由几级放大电路组成。输出级主要是推动负载。当负载仅需较大的电压时，则要求输出具有大的电压动态范围。更多场合下，输出级推动扬声器、电机等执行部件，需要输出足够大的功率，常称为功率放大电路。二、多级放大电路的耦合方式1阻容耦合通过电阻、电容将前级输出接至下级输入。从图上看实际上只接入了一个电容，但考虑到输入电阻，则每个电容都与电阻相连，故称这种连接为阻容耦合。阻容耦合的优点：由于前后级是通过电容相连的，所以各级的静态工作点是相互独立的，不互相影响，这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。而且只要电容选的足够大，就可以使得前级输出的信号在一定的频率范围内，几乎不衰减地传到下一级。所以阻容耦合方式在分立元件组成的放大电路中得到广泛的应用。阻容耦合的缺点：不适用传送缓慢变化的信号。更不能传送直流信号；另外，大容量的电容在