1、第二章 放大器的基本原理,医学信号往往很微弱，需通过不失真地放大后，才能进行测量、显示和记录。 本章介绍放大电路中的元器件，如PN结，晶体二极管、稳压管、晶体三极管的基本原理、主要参数，然后介绍用图解法和微变等效电路法分析交流小信号电压放大器原理及简单的参数计算，最后简要介绍场效应管的基本原理及其放大电路。,第一节 晶体二极管 第二节 晶体三极管 第三节 基本放大电路 第四节 放大器的主要性能指标 第五节 多级放大器 第六节 场效应管放大器,主要内容,第一节 晶体二极管,一. 半导体的导电特性 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、砷化物和硫化物等材料。分为本征半导体和杂质半导体。
2、1. 本征半导体 纯净的半导体（semiconductor)称为本征半导体。如经过提纯的硅、锗等。,每个原子的外层有四个价电子，与相邻原子的价电子组成共价键。 在绝对零度时，价电子处于稳定状态，纯净的半导体中基本上没有自由电子。 在常温(300K)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，在原处留下的空位称为空穴，形成电子-空穴对。,自由电子和空穴都可以在半导体中自由移动。 空穴的移动方式是：有空穴的原子把相邻原子中的价电子吸引过来，填补这个空穴，同时在这个相邻原子中就出现一个新的空穴。有空穴的原子缺少一个价电子，带有正电荷，所以空穴的移动像一个正电荷在移动。 在外电场的作用下，
3、自由电子和空穴均能形成定向运动，构成电流。从这个意义上讲，自由电子和空穴都称为载流子。,2.杂质半导体 在本征半导体里，由于共价键的束缚，自由电子与空穴的数目很 少，因而导电能力很差。 要提高半导体的导电能力，必须在本征半导体中掺入其它少量合适的元素。这些元素对半导体基体而言，叫做杂质。掺有杂质的半导体叫做杂质半导体。它分为N型(negative type)半导体和P型(positive type)半导体两种类型。,(1) N型半导体 在纯净半导体中掺入少量5价元素（如磷、砷等）。可使半导体内的自由电子浓度大大提高，导电能力增强。 在这类半导体中，自由电子是主要载流子，浓度远大于空穴。自由电子
4、被称为多数载流子（多子），而空穴则为少数载流子（少子）。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子空穴,自由电子,电子空穴对,(2) P型半导体 在纯净半导体中掺入少量3价元素（如硼、铝等）。可使半导体内的空穴浓度大大提高，导电能力增强。 在这类半导体中，空穴是主要载流子，浓度远大于自由电子。空穴被称为多子，而自由电子则为少子。,P型半导体,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,空穴,电子空穴对,二. PN结的形成及特性,1. PN结的形成 用一定的工艺方法把P型和N型半导体结合在一起，会在两者结合处形成一层带电的空间电荷区，称为PN结(PN
5、junction)。 PN结是构成晶体二极管、三极管、集成电路等半导体器件的基础。,多子的扩散 电子-空穴对的复合 内部电场的形成 少子的漂移运动 漂移电流,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,当多子的扩散与少子的漂移两种运动相等时，扩散电流与漂移电流相等，这种状态称为动态平衡状态。 此时，空间电荷区的厚度就确定下来，内电场Ei也达到一稳定值。PN结处于相对稳定状态，但载流子的运动过程仍在不断的进行，只是单位时间内扩散的载流子数与漂移的载流子数相等。 因空间电荷区有阻挡扩散运动的作用，故称为阻挡层。又由于空间电荷区
6、中基本上没有载流子，因而亦称为耗尽层。在动态平衡时的空间电荷区就是PN结。,2. PN结的导电性能 在PN结两端加不同极性的直流电压，其导电性能有很大差异。 （1）加正向电压，PN结导通 当外电源的正极接P区、负极接N区时，PN结加的是正向电压，这种连接方式称为正向偏置。,PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,外电场E0削弱了PN结的内电场Ei，使空间电荷区变窄，有利于扩散运动继续进行，而不利于漂移运动。 这样P区和N区的多子就能顺利地通过PN结，同时外部电源又不断地向半导体提供空穴及电子，形成较大的扩散电流，称PN结处于导通状态。此时PN结呈
7、现的电阻很小。,(2)加反向电压，PN结截止 当外电源正极接N区、负极接P区时，PN结加的是反向电压，称为反向偏置。 这时外电场E0加强了PN结的内电场，空间电荷区变宽，阻止了扩散运动的进行，几乎没有多子能通过PN结。此时回路中几乎无电流流通，即I0，称PN结处于反向截止状态，呈现很大的电阻。,总结： 可见，当PN结加正向电压时，PN结导通；当PN结加反向电压时，PN结截止。 这一特性，称为PN结的单向导电性，它是PN结的最重要的电特性。,三. 二极管的结构及特性,在PN结两端引出相应的电极并加上外壳，即作成了二极管(diode)，如右图所示。 由P区引出的电极叫正(或阳)极(A)，由N区引出
8、的电极叫负(或阴)极(K)，符号中的箭头指向表示正向导通(即电流)方向。,1. 二极管的伏安特性 二极管端电压U与通过电流I之间的关系叫做二极管的伏安特性。 二极管的伏安特性分为正向特性和反向特性，有着不同的特点。,正向特性： 死区，死区电压 正常工作区，管压降 注意硅管与锗管的区别 反向特性： 反向饱和电流 反向击穿，反向击穿电压 反向击穿的原因及其保护,2. 二极管的主要参数 (1)最大整流电流：指二极管长期工作时允许通过的最大正向电流，使用时不应超过此值，否则会损坏管子。 (2)最大反向电压：指二极管在正常使用时不允许超过的反向电压的极限值。为确保管子安全工作，最大反向电压一般为击穿电压
9、的一半。 (3)反向饱和电流：即二极管加反向电压时，未被击穿前电流的最大值。这个电流值越大，表明二极管的单向导电性越差。,四. 稳压管,稳压管(zenerdiode)是一种经过特殊工艺制成的晶体二极管。它工作在反向击穿区，而且其反向击穿是可逆的。 由击穿转化为稳压的条件除制造工艺加以保证外，外部电路中还应有限流措施，否则，流过稳压管的电流如果超过其最大允许电流，稳压管就会因热击穿而损坏。,1. 稳压二极管的伏安特性 反向特性与普通二极管不同。当所加的反向电压小于击穿电压时，稳压管具有极大的内阻，其反向饱和电流近似为零，即图中的0A段；当所加电压超过反向击穿电压时，电流急剧增大，AB段所示。 稳
10、压管被击穿以后，电流能在很大范围内变化，但管子两端的电压基本上保持不变，利用这一特性可以进行稳压。,2主要参数 (1)稳定电压：指稳压管正常工作时的稳定电压值。由于工艺问题，同一型号的不同稳压管，其稳压值也不完全相同，如 2CWl8稳压管的稳压值在10V至12V之间。 (2)稳定电流：指稳压效果较好的工作电流，可从有关的手册上查到。 (3)动态电阻：指稳压管正常工作时的电压变化量与电流变化量之比，即r=U/I，是衡量稳压管稳压性能好坏的指标，其值越小越好。,(4)最大允许耗散功率： 管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 (5)电压温度系数： 指温度每增加1时，稳压值所变化的百分数，它表明了稳压值
11、受温度影响的大小。 一般说来，低于6V的稳压管的电压温度系数为负值，高于6V的稳压管，电压温度系数为正值，而6V左右的管子，其稳压值受温度的影响就比较小。因此在要求稳定度较高的情况下，常选用6V左右的稳压管。或选用两个温度系数一正一负(其值相等)的稳压管串联使用，以消除温度造成的影响。,第二节 晶体三极管,晶体三极管是电子线路中的核心器件，它的突出特点是在一定的外加电压条件下具有电流放大作用。,一. 晶体三极管的结构,晶体三极管(transistor)简称为晶体管或三极管，其基本结构是由两个PN结构成。根据PN结的组合方式不同，分为NPN和PNP两种；根据使用材料不同，分为硅管和锗管。,PNP
12、型或NPN型三极管，均可分为三个区，即发射区、基区和集电区。从这三个区分别引出三个电极，即发射极(emitter)e、基极 (base)b和集电极(collector)c。 图中箭头方向表示发射结加正向电压时电流的方向。,发射区和集电区都是同类型的半导体(N或P型)。发射区杂质的浓度要比集电区大，以便发射更多的载流子。集电区的面积比发射区大，以便收集载流子。基区总是做得很薄，约几微米至几十微米，而且杂质浓度低，这样形成两个靠得很近的PN结。基区和发射区之间的PN结叫做发射结，基区和集电区之间的PN结叫做集电结。,二. 晶体管的放大作用,将NPN型三极管按右图的电路连接。其中发射极是公共接地端，
13、故这种连接叫共发射极接法，是三极管最常使用的形式。 要使三极管具有放大作用，必须在各电极之间加上极性正确、大小适当的电压：其基极电位应高于发射极，集电极电位应高于基极，即Uc UBUE，从而使发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。这就是晶体三极管实现放大作用的外部条件。,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,晶体三极管内部载流子的运动规律,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO，可忽略。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成IC。,
14、IB+IC=IE,发射 区向基区发射电子：形成IE 。 电子在基区中扩散与复合：形成IB。 集电区收集电子：形成IC。 根据基尔霍夫第一定律，有：IB+IC=IE。 基极电流和集电极电流之间存在着比例关系，即 ，其比例系数叫直流电流放大系数。 若取电流的变化量，则有 ，为交流放大系数。 这表明基极电流一个很小的变化，可以引起集电极电流一个很大的变化。这就是晶体三极管的电流放大作用。,从电压关系上看，当发射结加的正向电压UBE有少量变化时，IB随之发生变化，通过晶体管的电流放大作用，引起IC的一个大的变化；电流IC的变化使集电极电阻RC上的电压降发生变化，由此产生UCE的变化比UBE的变化要大很
15、多倍。这就将晶体管的电流放大作用转换为电压放大作用。,三. 晶体管的特性曲线,三极管的特性曲线全面反映了三极管各极电压与电流之间的关系，是分析三极管各种电路的重要依据。最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线。 特性曲线可用专门的仪器显示，也可通过实验电路进行测定。,1. 输入特性曲线 指在集电极电压UCE一定时，基-射极电压UBE与基极电流IB之间的函数关系曲线。 对硅管而言，UCEIV后的输入特性(input characteristic)曲线基本上是重合的。所以通常只画出其中 的一条曲线就可以了。 与二极管一样，晶体管的输入特性亦为一指数曲线、也有一死区电压(又叫开启电压，硅管
16、约05V、锗管02V)。正常工作时UBE很小，硅管0.7V，锗管0.3V。,2. 输出特性曲线 指当三极管基极电流IB为常数时，集电极电流IC与集-射极间电压UCE间的关系。 不同的IB，得到的输出特性曲线也不同。所以，三极管的输出特性曲线(output characteristic)是一个曲线簇。,放大区：即曲线族平坦的部分。特点是发射结正向偏置、集电结反向偏置，Ic随着IB的改变而改变，是放大电路的工作区。 截止区：即IB=0条曲线下的阴影区。特点是发射结和集电结均处于反向偏置，晶体管失去了放大能力。此时管子处于截止状态，c和e极之间的等效阻抗很大，相当于一个断开的开关。,饱和区：曲线左面的阴影部分，特点是发射结和集电结均处于正向偏置，晶体管也失去了放大能力，在饱和区内，IB变化时，Ic基本上不变，即IC不受IB的控制，此时UCE很小，c极和e极之间相当于一个开关的接通状态。,
