1、模擬電子技術基礎,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。,半导体二极管,1.1半导体二极管的结构,（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
2、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,1.2 半导体二极管的伏安特性,（1）最大整流电流IOM：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）最大反向电流IRM：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。,1.3 半导体
3、二极管的主要参数,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：PZ=UZIZM,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。,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压管,1.3.2
4、发光二极管,当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。 不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。 发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。,1.3.3 光电二极管,光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电
5、压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。,2双极型三极管,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,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
6、载流子的传输过程 a）发射区向基区注入电子，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。,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
7、,（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置,此时,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 。,3 二極管三極管的量測,3.1 万用表测试二极管的原理晶体二极管内部实质上是一个PN结。当外加正向电压， 也即P端电位高于N端电位时，二极管导通呈低电阻，当外加反向电压，也即N端电位高于P端电位时，二极管截止呈高
8、电阻。因此可应用万用表的电阻挡鉴别二极管的极性和判别其质量的好坏。实图1.1所示为万用表电阻挡的等效电路。由图可知， 表外电路的电流方向从万用表负端（-）流向正端（+），即万用表处于电阻挡时，其（-）端为内电源的正极，（+）端为内电源的负极。,3.2 万用表测试三极管的原理(1) 基极和管型的判断三极管内部有两个PN结，即集电结和发射结，实图1.2（a）所示为NPN型三极管。与二极管相似，三极管内的PN结同样具有单向导电性。,因此可用万用表电阻挡判别出基极b和管型。例如,NPN型三极管，当用黑表棒接基极b，用红表棒分别搭试集电极c和发射极e，测的阻值均较小；反之，表棒位置交换后，测的阻值均较大
9、。但在测试时未知电极和管型，因此对三个电极脚要调换测试，直到符合上述测量结果为止。然后，再根据在公共端电极上表棒所代表的电源极性， 可判别出基极b和管型。如实图1.2（b）所示。2） 集电极和发射极的判别这可根据三极管的电流放大作用进行判别。实图1.3所示的电路，当未接上Rb时,无IB，则IC=ICEO很小，测得c、e间电阻大；,当接上Rb，则有IB，而IC=IB+ICEO，因此，IC显然要增大，测得c、e间电阻比未接上Rb时为小。如果c、e调头， 三极管成反向运用，则小，无论Rb接与不接，c、e间电阻均较大， 因此可判断出c和e极。例如，测量的管型是NPN型， 若符合大的情况， 则与黑表棒相
10、接的是集电极c。 3）反向穿透电流ICEO的检查ICEO的大小是衡量三极管质量的一个重要指标，要求越小越好。按产品指标是在UCE某定值下测ICEO，因此用万用表电阻挡测试时，仅为一参考值测量方法仍如实图1.3所示，此时基极应开路，根据指针偏转角的百分比，由式（1.1）可估算出ICEO的大小。,4）共发射极直流电流放大系数的性能测试测试方法与2）中判别c、 e极方法相似。由三极管电流放大倍数原理可知，在接Rb时测得阻值比未接Rb时为小，即角百分比越大， 表明三极管的电流放大系数越大。 在掌握上述一些测试方法后，即可判别二极管和三极管的PN结是否损坏，是开路还是短路。这是在实用上判断管子是否良好所
11、经常采用的简便方法。应该指出，在用万用表测量晶体管时，应该使用R100()或R1k()的电阻挡。若放在R10k()挡上，则因万用表内接有较高电压的电池，有可能将PN结击穿。若用R1()挡，则因万用表的等效电阻较小，会使过大的电流流过PN结，有可能会烧坏晶体管。 ,4 基本放大电路的组成及工作原理,第2章 基本放大电路,4.1 放大电路的组成在生产实践和科学研究中需要利用放大电路放大微弱的信号，以便观察、测量和利用。一个基本放大电路必须有如图2.1.1(a)所示各组成部分：输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。其中，直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，
12、以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏，集电结反偏。,输入信号源一般是将非电量变为电量的换能器， 如各种传感器，将声音变换为电信号的话筒，将图像变换为电信号的摄像管等。它所提供的电压信号或电流信号就是基本放大电路的输入信号。图2.1.1（b）是最简单的共发射极组态放大器的电路原理图。我们先介绍各部件的作用。 1. 晶体管V2. 直流电源UCC3. 基极偏流电阻Rb 4. 集电极电阻Rc 5. 耦合电容C1、 C2 ,4.2 放大电路的工作原理在图2.1.1(b)所示基本放大电路中，我们只要适当选取Rb、Rc和UCC的值，三极管就能够工作在放大区。下面我们以它为
13、例，分析放大电路的工作原理。 1. 无输入信号时放大器的工作情况在图2.1.1(b)所示的基本放大电路中， 在接通直流电源UCC后，当ui=0时, 由于基极偏流电阻Rb的作用，晶体管基极就有正向偏流IB流过，由于晶体管的电流放大作用，那么集电极电流IC=IB，集电极电流在集电极电阻Rc上形成的压降为UC=ICRc。,显然, 晶体管集电极-发射极间的管压降为UCE=UCC-ICRc。 当ui=0时，放大电路处于静态或叫处于直流工作状态， 这时的基极电流IB、集电极电流IC和集电极发射极电压UCE用IB、 ICQ、UCEQ表示。它们在三极管特性曲线上所确定的点就称为静态工作点，其习惯上用Q表示。这
14、些电压和电流值都是在无信号输入时的数值，所以叫静态电压和静态电流。 2. 输入交流信号时的工作情况当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时，信号电压ui将和静态正偏压UBE相串连作用于晶体管发射结上，加在发射结上的电压瞬时值为,uBE=UBE+ui 如果选择适当的静态电压值和静态电流值，输入信号电压的幅值又限制在一定范围之内，则在信号的整个周期内，发射结上的电压均能处于输入特性曲线的直线部分，如图2.1.2(a)，此时基极电流的瞬时值将随uBE变化，如图2.1.2(b)。基极电流iB由两部分组成, 一个是固定不变的静态基极电流IB；一个是作正弦变化的交流基极电流ib。 iB=IB+ib由于
15、晶体管的电流放大作用， 集电极电流iC将随基极电流iB变化，如图2.1.2（c）所示。,同样，iC也由两部分组成：一个是固定不变的静态集电极电流IC；一个是作正弦变化的交流集电极电流ic。其瞬时值为iC=IC+ic（2.1.2 ）现在讨论集电极电阻Rc上的电压降uRc。因为uRc=iCRc， 所以它要随iC变化，如图2.1.2（d）所示。由于UCC=iCRc+uCE，所以在图2.1.2(d)上，管压降的瞬时值uCE相当于UCC虚线下面的空白部分。把它单独画出，如图2.1.2(e)所示。显然， uCE也由两部分组成：一个是固定不变的静态管压降UCE， 另一个是作正弦变化的交流集电极-发射极电压u
16、ce。,如果负载电阻RL通过耦合电容C2接到晶体管的集电极-发射极之间，则由于电容C2的隔直作用，负载电阻RL上就不会出现直流电压。 但对交流信号uce，很容易通过隔直电容C2加到负载电阻RL上，形成输出电压uo。如果电容C2的容量足够大，则对交流信号的容抗很小，忽略其上的压降，则管压降的交流成分就是负载上的输出电压，因此有uo=uce （2.1.3）把输出电压uo和输入信号电压ui进行对比，我们可以得到如下结论： ,(1) 输出电压的波形和输入信号电压的波形相同， 只是输出电压幅度比输入电压大。 (2) 输出电压与输入信号电压相位差为180。 通过以上分析可知, 放大电路工作原理实质是用微弱
17、的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iC，iC在RL上形成压降作为输出电压。iC是直流电源UCC提供的。因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用，直流电能转化成交流电能的功率。,2.1.3放大电路的主要性能指标分析放大器的性能时, 必须了解放大器有哪些性能指标。 各种小信号放大器都可以用图2.1.3所示的组成框图表示，图中Us代表输入信号电压源的等效电动势，Rs代表内阻。也可用电流源等效电路。Ui和Ii分别为放大器输入信号电压和电流的有效值，RL为负载电阻，Uo和Io分别为放大器输出信号电压和电流的有效值。衡量放大器性能的指标很多，现介绍输入、输出电阻，增益，频率失
18、真和非线性失真等基本指标。,1. 输入、 输出电阻对于输入信号源， 可把放大器当作它的负载，用ri表示， 称为放大器的输入电阻。其定义的放大器输入端信号电压对电流的比值，即ri= （2.1.4）对于输出负载RL，可把放大器当作它的信号源，用相应的电压源或电流源等效电路表示，如图2.1.4（a）和（b）所示。 图中Ui是将RL移去， Us或者Is在放大器输出端产生的开路电压。In是将RL短接，Us或者Is在放大器输出端产生的短路电流。 ro是等效电流源或电压源的内阻，也就是放大器的输出电阻。,它是在放大器中的独立电压源短路或独立电流源开路、 保留受控源的情况下， 从RL两端向放大器看进去所呈现的
19、电阻。因此假如在放大器输出端外加信号电压U， 计算出由U产生的电流I，则ro=U/I, 如图2.1.4（c）。 ro，ri只是等效意义上的电阻。如在放大器内部有电抗元件， ro，ri应为复数值。2. 增益增益，又称为放大倍数，用来衡量放大器放大信号的能力。有电压增益、电流增益、功率增益等。 1） 电流、 电压增益电压增益用Au表示，定义为放大器输出信号电压与输入信号电压的比值。 ,2） 功率增益功率增益表示放大器放大信号功率的能力， 定义为,一个信号源能够提供的最大功率，就是信号源加到匹配负载上的功率，我们定义为信号源额定功率, 它是度量信号源功率容量大小的参数。负载能否得到这么大的功率，取决
20、于负载是否与信号源内阻匹配。额定功率与负载大小无关，而实际得到的功率则与负载大小有关。,3. 频率失真因放大电路一般含有电抗元件，所以对于不同频率的输入信号, 放大器具有不同的放大能力。相应的增益是频率的复函数。在工程上，一个实际输入信号包含许多频率分量， 放大器不能对所有频率分量进行等增益放大，那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。这种波形失真称为放大器的频率失真。要把这种失真限制在允许值范围内，则放大器频率响应曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度。 ,4. 非线性失真非线性失真主要由晶体三极管伏安特性曲线的非线性产生。 假如输入信号为正弦信号电压Ug=Ugmsint时，由于非线性
21、失真， 输出集电极电流波形就将是非正弦的，该波形可分解为众多频率分量。基波分量为不失真分量，假设它的振幅为Ic1m；二次及其以上各次谐波分量为失真分量，假设他们的振幅分别为Ickm（k=2， 3， 4， ），则衡量放大器非线性失真大小的非线性失真系数定义为THD.,5 放大电路分析方法,前面我们对放大电路进行了定性分析，本节将介绍对放大电路进行定量分析计算的方法。对一个放大电路进行定量分析， 不外乎做两方面工作：第一，确定静态工作点； 第二，计算放大电路在有信号输入时的放大倍数、输入阻抗、输出阻抗等。 常用的分析方法有两种：图解法和微变等效电路法。 在分析放大电路时，为了简便起见，往往把直流分
22、量和交流分量分开处理， 这就需要分别画出它们的直流通路和交流通路。分析静态时用直流通路，分析动态时用交流通路。,在画直流通路和交流通路时， 应遵循下列原则：（1）对直流通路， 电感可视为短路， 电容可视为开路；(2) 对交流通路， 若直流电源内阻很小， 则其上交流压降 很小，可把它看成短路；若电容在交流通过时，交流压降很 小，可把它看成短路。,5.1图解法在三极管特性曲线上，用作图的方法来分析放大电路的工作情况，称为图解法。其优点是直观，物理意义清楚。1. 作直流负载线确定静态工作点1) 直流负载线作法我们把图 2.2.1 的基本放大电路输出回路的直流通路，画成如图 2.2.2(a)所示, 用
23、AB把它分为两部分。右边是线性电路， 端电压uCE和电流iC必然遵从电源的输出特性，满足：uCE=UCC-iCRc,若在uCE和iC的平面中，显然上式代表的是一条直线方程， 在UCC选定后，这条直线就完全由直流负载电阻Rc确定，所以把这条线叫做直流负载线。它代表了外电路的电流和电压之间的关系。直流负载线的作法，一般是先找两个特殊点：当iC=0时， uCE=UCC(M点)；当uCE=0时，iC=UCC/Rc(N点)，我们将MN连起来，就得到如图 2.2.2(c)中直线MN，也就是放大电路直流负载线。直流负载线的斜率 ,2) 确定静态工作点图 2.2.2(a)左边是三极管的非线性电路， 电压uCE
24、和电流iC遵从三极管的输出特性曲线。在静态时，iB为不变的值，所以它们只能在图 2.2.2(b)中的曲线族的某一条曲线上变化。iC是两边同一支路的电流，uCE是两边共同两点的电压， 它们既遵从直流负载线又遵从一条输出特性曲线，所以我们可以把直流负载线MN移到三极管输出特性曲线上去，这样得到了图 2.2.2(d)， 剩下的工作就是确定一条输出特性曲线，该曲线与直流负载线的交点，就是静态工作点。,我们知道当已知静态电压UBE时，可以从输入特性曲线图 2.2.2(e)中找到静态电流iB, 依iB便确定了输出特性曲线为图 2.2.2(d)中的某一条，该曲线与MN的交点Q就是静态工作点， Q所对应的静态
25、值ICQ、IBQ和UCEQ也就求出来了。但uBE一般不容易得到确定的值， 因此求IBQ一般不用图解法，而用近似公式,进行计算,例如， 求图 2.2.1 电路的静态工作点， 在输出特性曲线图中作直流负载线MN。,M点：N点：,静态偏流,如图 2.2.2(d)所示，iB=40A的输出特性曲线与直流负载线MN交于Q(9, 1.8)，Q即为静态工作点，静态值为,IBQ=40AICQ=1.8mAUCEQ=9V,3) 直流负载线与空载放大倍数放大电路的输入端接有交流小信号电压，而输出端开路情况称为空载放大电路，虽然电压和电流增加了交流成分，但输出回路仍与静态的直流通路完全一样，仍满足：,所以可用直流负载线
26、来分析空载的电压放大倍数。设图 2.2.1 中输入信号电压,忽略电容C1对交流的压降，则有 uBE=UBEQ+ui 由图 2.2.3 的输入特性曲线得如图 2.2.3(a)所示基极电流iB， iB=IBQ+ib=40+20sintA 根据iB的变化情况, 在图 2.2.3(b)中进行分析， 可知工作点是在以Q为中心的Q1、Q2两点之间变化，ui的正半周在QQ1段， 负半周在QQ2段。,因此我们画出iC和uCE的变化曲线如图 2.2.3(b)所示， 它们的表达式为 iC=1.8+0.7sintmAuCE=9-4.3sintV 输出电压 uo=-4.3sint=4.3sin(t+)V 电压放大倍数,从图中可以看出， 输出电压与输入电压是反相的。,
