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電子電路基礎(chǔ) 林家儒編著 北京郵電大學(xué)出版社 目錄 第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第二章放大電路分析基礎(chǔ)第三章放大電路的頻率特性分析第四章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路特性分析第五章負(fù)反饋放大電路第六章功率放大電路第七章差動(dòng)放大電路第八章運(yùn)算放大器和電壓比較器第九章正弦波振蕩器第十章直流電源 北京郵電大學(xué)出版社 第一章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 1 1半導(dǎo)體及其特性1 2PN結(jié)及其特性1 3半導(dǎo)體二極管1 4半導(dǎo)體三極管及其工作原理1 5三極管的共射特性曲線及主要參數(shù) 北京郵電大學(xué)出版社 1 1半導(dǎo)體及其特性 1 1 1本征半導(dǎo)體及其特性定義 純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體 稱為本征半導(dǎo)體 晶體中的共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力 在常溫下僅有極少數(shù)的價(jià)電子受熱激發(fā)得到足夠的能量 掙脫共價(jià)鍵的束縛變成為自由電子 與此同時(shí) 在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴 北京郵電大學(xué)出版社 1 1半導(dǎo)體及其特性 運(yùn)載電流的粒子稱為載流子 在本征半導(dǎo)體中 自由電子和空穴都是載流子 這是半導(dǎo)體導(dǎo)電的特殊性質(zhì) 半導(dǎo)體在受熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā) 在一定溫度下 本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的 并且自由電子與空穴的濃度相等 北京郵電大學(xué)出版社 1 1半導(dǎo)體及其特性 1 1 2雜質(zhì)半導(dǎo)體及其特性定義 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體 根據(jù)摻入雜質(zhì)元素的不同 可形成N Negative 型半導(dǎo)體和P Positive 型半導(dǎo)體 北京郵電大學(xué)出版社 1 1半導(dǎo)體及其特性 N型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入少量的五價(jià)元素 如磷 砷和鎢 使每一個(gè)五價(jià)元素取代一個(gè)四價(jià)元素在晶體中的位置 形成N型半導(dǎo)體 由于五價(jià)元素很容易貢獻(xiàn)出一個(gè)電子 稱之為施主雜質(zhì) 北京郵電大學(xué)出版社 1 1半導(dǎo)體及其特性 在N型半導(dǎo)體中 由于摻入了五價(jià)元素 自由電子的濃度大于空穴的濃度 半導(dǎo)體中導(dǎo)電以電子為主 故自由電子為多數(shù)流子 簡(jiǎn)稱為多子 空穴為少數(shù)載流子 簡(jiǎn)稱為少子 由于雜質(zhì)原子可以供電子 故稱之為施主原子 北京郵電大學(xué)出版社 1 1半導(dǎo)體及其特性 P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)元素 如硼 鋁和銦 使之取代一個(gè)四價(jià)元素在晶體中的位置 形成P型半導(dǎo)體 由于雜質(zhì)原子中的空位吸收電子 故稱之為受主雜質(zhì) 在P型半導(dǎo)體中 空穴為多子 自由電子為少子 主要靠空穴導(dǎo)電 北京郵電大學(xué)出版社 1 2PN結(jié)及其特性 1 2 1PN結(jié)的原理采用不同的摻雜工藝 將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在一起 使這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體在接觸處保持晶格連續(xù) 在它們的交界面就形成PN結(jié) 北京郵電大學(xué)出版社 1 2PN結(jié)及其特性 在PN結(jié)中 由于P區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于N區(qū) P區(qū)的空穴越過交界面向N區(qū)移動(dòng) 同時(shí)N區(qū)的自由電子濃度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P區(qū) N區(qū)的電子越過交界面向P區(qū)移動(dòng) 在半導(dǎo)體物理中 將這種移動(dòng)稱作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 北京郵電大學(xué)出版社 1 2PN結(jié)及其特性 擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合 而擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與自由電子復(fù)合 在PN結(jié)的交界面附近多子的濃度下降 P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū) N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū) 它們是不能移動(dòng)的 人們稱此正負(fù)電荷區(qū)域?yàn)閯?shì)壘區(qū)總的電位差稱為勢(shì)壘高度 北京郵電大學(xué)出版社 1 2PN結(jié)及其特性 在勢(shì)壘區(qū)兩側(cè)半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子 由于雜亂無章的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)時(shí) 勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)使這些少子作定向運(yùn)動(dòng) 少子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱作漂移運(yùn)動(dòng) 在無外電場(chǎng)和無其它激發(fā)作用下 參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子數(shù)目等于參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目 從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 北京郵電大學(xué)出版社 1 2PN結(jié)及其特性 1 2 2PN結(jié)的導(dǎo)電特性PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài) 北京郵電大學(xué)出版社 1 3半導(dǎo)體二極管 將PN結(jié)用外殼封裝起來 并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管 簡(jiǎn)稱二極管 由P區(qū)引出的電極為正極 由N區(qū)引出的電極為負(fù)極一般來說 有三種方法來定量地分析一個(gè)電子器件的特性 即特性曲線圖示法 解析式表示法和參數(shù)表示法 北京郵電大學(xué)出版社 1 3半導(dǎo)體二極管 1 3 1二極管的特性曲線 在二極管加有反向電壓 當(dāng)電壓值較小時(shí) 電流極小 其電流值為反向飽和電流IS 當(dāng)反向電壓超過超過某個(gè)值時(shí) 電流開始急劇增大 稱之為反向擊穿 稱此電壓為二極管的反向擊穿電壓 用符號(hào)UER表示 北京郵電大學(xué)出版社 1 3半導(dǎo)體二極管 反向擊穿按機(jī)理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況 在高摻雜濃度的情況下 因勢(shì)壘區(qū)寬度很小 反向電壓較大時(shí) 破壞了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛 產(chǎn)生電子 空穴對(duì) 致使電流急劇增大 這種擊穿稱為齊納擊穿 另一種擊穿為雪崩擊穿 當(dāng)反向電壓增加到較大數(shù)值時(shí) 外加電場(chǎng)使少子漂移速度加快 從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞 把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵 產(chǎn)生新的電子 空穴對(duì) 新產(chǎn)生的電子 空穴被電場(chǎng)加速后又撞出其它價(jià)電子 載流子雪崩式地增加 致使電流急劇增加 這種擊穿稱為雪崩擊穿 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 2二極管特性的解析式 理論分析得到二極管的伏安特性表達(dá)式為 式中IS為反向飽和電流 q為電子的電量 其值為1 602 10 19庫侖 k是為玻耳茲曼常數(shù) 其值為1 38 10 23J K T為絕對(duì)溫度 在常溫 20 C 相當(dāng)于K 293 K令則二極管的伏安特性表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 3二極管的等效電阻 直流等效電阻也稱靜態(tài)等效電阻 如圖1 9所示 在二極管的兩端加直流電壓UQ 產(chǎn)生直流電流IQ 此時(shí)直流等效電阻RD定義為交流等效電阻表示 在二極管直流工作點(diǎn)確定后 交流小信號(hào)作用于二極管所產(chǎn)生的交流電流與交流電壓的關(guān)系 在直流工作點(diǎn)Q一定 在二極管加有交流電壓 u 產(chǎn)生交流電流 i 交流等效電阻rD定義為 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 3二極管的等效電阻 當(dāng)二極管上的直流電壓UD足夠大時(shí)在常溫情況下 二極管在直流工作點(diǎn)Q的交流等效電阻rD為 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 3二極管的等效電阻 圖1 9 a 中的Q點(diǎn) 稱為二極管的直流工作點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的直流電壓UQ和直流電流IQ 當(dāng)二極管的直流工作點(diǎn)Q確定后 直流等效電阻RD等于直線OQ斜率的倒數(shù) RD值隨工作點(diǎn)改變而發(fā)生變化 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 4二極管的主要參數(shù) 器件的參數(shù)是用以說明器件特性的數(shù)據(jù) 為了描述二極管的性能 通常引用以下幾個(gè)主要參數(shù) 1 最大整流電流IM IM是二極管長期運(yùn)行時(shí)允許通過的最大正向平均電流 其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān) 在規(guī)定散熱條件下 二極管正向平均電流若超過此值 則將因?yàn)镻N結(jié)的溫度過高而燒壞 2 反向擊穿電壓UBR UBR是二極管反向電流明顯增大 超過某個(gè)規(guī)定值時(shí)的反向電壓 3 反向電流IS IS是二極管未擊穿時(shí)的反向飽和電流 IS愈小 二極管的單向?qū)щ娦杂?IS對(duì)溫度非常敏感 4 最高工作頻率fM fM是二極管工作的上限頻率 北京郵電大學(xué)出版社 例1 1圖10 a 是由理想二極管D組成的電路 理想二極管是指二極管的導(dǎo)通電壓UD為0 反向擊穿電壓UBR為 設(shè)電路的輸入電壓ui如圖10 b 所示 試畫出輸出uo的波形解 由二極管的單向?qū)щ娞匦?輸入信號(hào)正半周時(shí)二極管導(dǎo)通 負(fù)半周截止 故輸出uo的波形如右圖所示 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 5穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管 簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí) 在一定的電流范圍內(nèi) 或者說在一定的功率損耗范圍內(nèi) 端電壓幾乎不變 表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性 因而廣泛用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中 穩(wěn)壓管的伏安特性及符號(hào) 北京郵電大學(xué)出版社 1 3 5穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1 穩(wěn)定電壓UZ UZ是在規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓 2 穩(wěn)定電流IZ IZ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流 電流低于此值時(shí)穩(wěn)壓效果變壞 甚至不穩(wěn)壓 3 最大穩(wěn)定電流IZM 穩(wěn)壓管的電流超過此值時(shí) 會(huì)因結(jié)溫升過高而損壞 4 動(dòng)態(tài)電阻rD rD是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí) 端電壓變化量與其電流變化量之比 rD愈小 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性愈好 對(duì)于不同型號(hào)的管子 rD將不同 從幾歐到幾十歐 對(duì)于同一只管子來說 工作電流愈大 rD愈小 北京郵電大學(xué)出版社 例1 3圖13是由穩(wěn)壓二極管DZ組成的電路 其穩(wěn)壓值為UZ 設(shè)電路的直流輸入電壓Ui 試討論輸出Uo的值 解 由戴維南電源等效定理 圖13等效的等效定理如右圖所示 其中當(dāng)時(shí) 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓 輸出 當(dāng)時(shí) 穩(wěn)壓管截止 輸出 所以 時(shí) 輸出 否則 北京郵電大學(xué)出版社 1 4半導(dǎo)體三極管及其工作原理 1 4 1三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào) 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 1三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào) 發(fā)射區(qū)與基區(qū)間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié) 簡(jiǎn)稱E結(jié) 基區(qū)與集電區(qū)間的PN結(jié)稱為集電結(jié) 簡(jiǎn)稱C結(jié) 半導(dǎo)體三極管并不是簡(jiǎn)單地將兩個(gè)PN結(jié)背靠背地連接起來 關(guān)鍵在于兩個(gè)PN結(jié)連接處的半導(dǎo)體晶體要保持連續(xù)性 并且中間的基區(qū)面積很小且雜質(zhì)濃度非常低 此外 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度很高且面積比基區(qū)大得多 但比集電區(qū)小 集電區(qū)面積很大 摻雜濃度比基區(qū)高得多 但比發(fā)射區(qū)低得多 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 2三極管的電流放大原理 放大電路的組成圖所示的是由NPN型三極管組成的基本共射放大電路 ui為交流輸入電壓信號(hào) 它接入基極 發(fā)射極回路 稱為輸入回路 放大后的信號(hào)在集電極 發(fā)射極回路 稱為輸出回路 由于發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端 故稱該電路為共射放大電路 為了使三極管工作處在放大狀態(tài) 在輸入回路加基極直流電源VBB 在輸出回路加集電極直流電源VCC 且VCC大于VBB 使發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 北京郵電大學(xué)出版社 PNP型三極管組成的基本共射放大電路如圖1 17所示 比較圖1 17和圖1 16可以看到 為了使三極管工作處在放大狀態(tài) 要求發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 為此在圖1 17中 在輸入回路所加基極直流電源VBB及輸出回路所加集電極直流電源VCC反向了 相應(yīng)的直流電流IB IC和IE也都反向了 這也是NPN型和PNP型三極管符號(hào)中發(fā)射極指示方向不同的含義所在 對(duì)于交流信號(hào) 這兩種電路沒有任何區(qū)別 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 2三極管的電流放大原理 電流放大原理三極管的電流放大表現(xiàn)為小的基極電流變化 引起較大的集電極電流變化 北京郵電大學(xué)出版社 當(dāng)交流輸入電壓信號(hào)ui 0時(shí) 直流電源VBB和VCC分別作用于放大電路的輸入回路和輸出回路 使發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 因?yàn)榘l(fā)射結(jié)加正向電壓 并且大于發(fā)射結(jié)的開啟電壓 使發(fā)射結(jié)的勢(shì)壘變窄 又因?yàn)榘l(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度高 所以有大量自由電子因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)源源不斷地越過發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū) 從而形成了發(fā)射極電流IE 由于基區(qū)面積很小 且摻雜濃度很低 從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復(fù)合 形成基極電流IB 由此可見IB IE 絕大部分從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子在電源VCC的作用下 克服集電結(jié)的阻力 越過集電結(jié)到達(dá)集電區(qū) 形成集電極電流IC 因此IB IC IE 通過上面的分析得到 在輸入回路中輸入較小的電流IB 可以在輸出回路得到較大的電流IC 也就是說電流放大了 當(dāng)交流輸入ui 0為小信號(hào)時(shí) 因?yàn)榇藭r(shí)交流信號(hào)是疊加在直流上 如圖1 18 b 所示 在輸入回路產(chǎn)生直流電流IB與交流電流iB之和 由上面的分析 在輸出回路得到直流電流IC與交流電流iC之和 同時(shí)交流電流iB iC 即交流電流放大了 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 3三極管的工作狀態(tài) 1 放大狀態(tài)在上面一部分中分析了三極管的放大原理 為了使三極管有放大能力 在輸入回路加基極直流電源VBB 在輸出回路加集電極直流電源VCC 且VCC大于VBB 使發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 此時(shí)稱三極管處于放大狀態(tài) 條件是發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 2 飽和狀態(tài)如果輸出回路的集電極直流電源VCC小于輸入回路的基極直流電源VBB 則發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正向偏置 由于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正向偏置 在開始發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上的勢(shì)壘都變窄 使發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的自由電子同時(shí)涌入基區(qū) 但是由于基區(qū)面積很小 且摻雜濃度很低 涌入到基區(qū)的電子中只有極少部分與空穴復(fù)合 形成基極電流IB 絕大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子堆積在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)附近 使發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上的勢(shì)壘加寬 阻止了發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的自由電子進(jìn)一步擴(kuò)散到基區(qū) 由此可見 此時(shí)三極管沒有放大能力 此種狀態(tài)稱三極管處于飽和狀態(tài) 條件是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正向偏置 3 截止?fàn)顟B(tài)如果在輸入回路的基極直流電源VBB小于發(fā)射結(jié)的開啟電壓 則發(fā)射結(jié)處于零偏置或反偏置 由于外加電壓沒有達(dá)到發(fā)射結(jié)的開啟電壓 使發(fā)射區(qū)的自由電子不能越過發(fā)射結(jié)達(dá)到基區(qū) 不能形成電流 從而發(fā)射極 集電極和基極的電流都很小 也就談不上放大了 此時(shí)稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài) 條件是發(fā)射結(jié)零偏置或反偏置 集電結(jié)反向偏置 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 4三極管的電流放大倍數(shù) 集電極直流電流IC與基極直流電流IB之比稱為共射直流電流放大倍數(shù) 用表示由電路分析中相關(guān)定律得到 發(fā)射極直流電流集電極交流電流iC與基極交流電流iB之比稱為共射交流電流放大倍數(shù) 用 表示一般情況下 北京郵電大學(xué)出版社 當(dāng)以發(fā)射極直流電流IE作為輸入電流 以集電極直流電流IC作為輸出電流時(shí) IC與IE之比稱為共基直流電流放大倍數(shù) 用表示共基交流電流放大倍數(shù)定義為同樣 一般情況下和的關(guān)系為或 北京郵電大學(xué)出版社 1 4三極管的共射特性曲線及主要參數(shù) 1 4 1輸入特性曲線輸入特性曲線描述了在三極管C E極之間的管壓降UCE一定的情況下 基極電流IB與發(fā)射結(jié)壓降UBE之間的關(guān)系 北京郵電大學(xué)出版社 1 4三極管的共射特性曲線及主要參數(shù) 1 4 2輸出特性曲線三極管輸出特性曲線是描述以基極電流IB為參量 集電極電流IC與三極管C E極之間的管壓降UCE之間的關(guān)系曲線 對(duì)于每一個(gè)確定的IB 都有一條曲線 所以輸出特性是一族曲線 北京郵電大學(xué)出版社 從輸出特性曲線可以看出 三極管有三個(gè)工作區(qū)域 放大區(qū) 飽和區(qū) 截止區(qū) 分別對(duì)對(duì)應(yīng)于三極管所設(shè)定的三個(gè)工作狀態(tài) 即放大狀態(tài) 飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài) 在放大區(qū) 由于發(fā)射結(jié)正向偏置 且集電結(jié)反向偏置 IC幾乎僅僅由IB決定的 而與UCE無關(guān) 表現(xiàn)出IB對(duì)IC的控制作用 IC IB ic iB 在飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏置 IC不僅與IB有關(guān) 而且明顯的隨UCE增大而增大 IC小于 IB 在實(shí)際電路中 若三極管的UCE增大時(shí) IB隨之增大 但I(xiàn)C增大不多或基本不變 則說明三極管進(jìn)入飽和區(qū) 對(duì)于小功率管 可以認(rèn)為當(dāng)UCE UBE時(shí) 三極管處于臨界狀態(tài) 即處于臨界飽和或臨界放大狀態(tài) 在截止區(qū) 發(fā)射結(jié)電壓小于開啟電壓 且集電結(jié)反向偏置 所以IB 0 IC很小 在近似分析中可以認(rèn)為三極管截止時(shí)的IC 0 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 3三極管的主要參數(shù) 一 直流參數(shù)1 共射直流電流放大倍數(shù)2 共基直流電流放大倍數(shù) 二 交流參數(shù)共射交流電流放大倍數(shù) 共基交流電流放大倍數(shù)特征頻率fT 北京郵電大學(xué)出版社 1 4 3三極管的主要參數(shù) 三 極限參數(shù)為了使三極管能夠安全的工作 極限參數(shù)給出了對(duì)它的電壓 電流和功率損耗的限制值 1 最大集電極耗散功率PCMPCM是在一定條件下 三極管允許的最大功耗 2 最大集電極電流ICMIC在相當(dāng)大的范圍內(nèi) 電流放大倍數(shù) 值基本不變 但當(dāng)IC的數(shù)值大到一定程度時(shí) 值將減小 使 值明顯減小的IC即為ICM 通常 當(dāng)三極管的IC大于ICM時(shí) 三極管不一定損壞 但 值明顯下降 此外 由于半導(dǎo)體材料的熱敏性 三極管的參數(shù)幾乎都與溫度有關(guān) 對(duì)于電子電路 如果不能很好地解決溫度穩(wěn)定性問題 將不能使其實(shí)用 因此在設(shè)計(jì)和制作電子電路過程中 還應(yīng)考慮溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響 北京郵電大學(xué)出版社 第二章放大電路分析基礎(chǔ) 2 1共射放大電路分析基礎(chǔ)2 2放大電路的圖解分析2 3放大電路的等效電路分析2 4共集放大電路2 5共基放大電路 北京郵電大學(xué)出版社 2 1共射放大電路分析基礎(chǔ) 2 1 1放大的概念在電子學(xué)中 放大是利用半導(dǎo)體器件的特性來完成的 例如 在第一章中半導(dǎo)體三極管具有放大特性 即在三極管基極輸入較小的電流 或電壓 在集電極可以獲得較大電流 或電壓 在電子學(xué)中 用半導(dǎo)體器件組成的 具有電流或電壓 或者兩者兼而有之 放大功能的電路稱之為放大電路 或稱放大器 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 2基本共射放大電路的組成 由于輸入回路與輸出回路以發(fā)射極為公共端 故稱之為共射放大電路 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 3靜態(tài)特性分析 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定在放大電路中 當(dāng)有交流信號(hào)輸入時(shí) 交流量與直流量共存 當(dāng)交流信號(hào)為零時(shí) 三極管的基極電流IB 集電極電流IC B E極間的電壓UBE C E極間的管壓降UCE稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q Quiescent 將這幾個(gè)物理量分別記作IBQ ICQ UBEQ和UCEQ 在近似估算中通常認(rèn)為UBEQ為已知量 取三極管發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 3靜態(tài)特性分析 令ui 0 根據(jù)回路方程 得到靜態(tài)工作點(diǎn)表達(dá)式靜態(tài)工作點(diǎn)在三極管輸出特性曲線中所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)如圖所示 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 3靜態(tài)特性分析 2 設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性在圖所示電路中 如果基極電源VBB 0 靜態(tài)時(shí)基極直流電流IBQ 0 集電極直流電流ICQ 0 C E極間的管壓降UCEQ Vcc 三極管處于截止?fàn)顟B(tài) 當(dāng)加入輸入電壓ui時(shí) UBE ui 若ui的峰值小于發(fā)射結(jié)的開啟電壓 則在交流信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)三極管始終處于截止?fàn)顟B(tài) 因而無交流輸出 若ui的峰值很大 三極管在交流信號(hào)正半周大于發(fā)射結(jié)的開啟電壓的時(shí)間間隔內(nèi)導(dǎo)通 所以輸出必然嚴(yán)重失真 因此 只有在交流信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi) 三極管始終工作在放大狀態(tài) 輸出信號(hào)才可能不會(huì)產(chǎn)生失真 對(duì)于圖所示的放大電路來說 放大才有意義 所以 在線性放大電路中 設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn) 以保證放大電路不產(chǎn)生失真是非常必要的 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 4兩種基本共射放大電路 1 直接耦合共射放大電路 該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)表達(dá)式 信號(hào)源uS和負(fù)載電阻RL均與放大電路直接相連 故稱之為直接藕合放大電路 北京郵電大學(xué)出版社 2 阻容藕合共射放大電路 該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)表達(dá)式 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 5直流通路與交流通路 1 直流通路直流通路是指在直流電源所能作用到的那部分電路 也就是與電路靜態(tài)特性有關(guān)的電路部分 用來研究電路的靜態(tài)特性 分析靜態(tài)工作點(diǎn) 對(duì)于直流通路 在電路中將電容視為開路 電感線圈視為短路 即忽略線圈電阻 交流電壓信號(hào)源視為短路 交流電流信號(hào)源視為開路 保留交流信號(hào)源的內(nèi)阻 北京郵電大學(xué)出版社 2 1 5直流通路與交流通路 2 交流通路交流通路是指放大電路中對(duì)交流特性有直接影響的那部分電路 用于研究放大電路的動(dòng)態(tài)交流特性 對(duì)于交流通路 在電路中將電容 如耦合電容等 視為短路 無內(nèi)阻的直流電壓源 如VCC 視為短路 直流恒流源視為開路 北京郵電大學(xué)出版社 2 2放大電路的圖解分析 2 2 1靜態(tài)工作特性的分析如圖所示共射放大電路 其中 a 為基本電路 b 為直流通路 c 為交流通路 北京郵電大學(xué)出版社 在上圖 b 直流通路中 放大電路的靜態(tài)工作特性滿足電路的回路方程 1 2 式 1 說明三極管B E極間的電壓UBE與電流IB及電源VBB和電阻Rb的關(guān)系 又因?yàn)閁BE與IB應(yīng)滿足三極管輸入特性曲線的要求 在輸入特性坐標(biāo)系中 畫出式 1 所確定的直線 它與橫軸的交點(diǎn)為VBB 與縱軸的交點(diǎn)VBB Rb 斜率為 1 Rb 直線與曲線的交點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q 其橫坐標(biāo)值為UBEQ 縱坐標(biāo)值為IBQ 如圖2 10 a 中所示 式 1 所確定的直線稱為輸入回路負(fù)載線 與輸入回路相似 在放大電路的輸出回路中 輸出特性受到式 2 和三極管的輸出特性曲線的共同約束 在輸出特性坐標(biāo)系中 畫出式 2 所確定的直線 它與橫軸的交點(diǎn)為VCC 與縱軸的交點(diǎn)為VCC RC 斜率為 1 RC 并且找到IB IBQ的那條輸出特性曲線 該曲線與上述直線的交點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q 其縱坐標(biāo)值為ICQ 橫坐標(biāo)值為UCEQ 如圖2 10 b 所示 由式 2 所確定的直線稱為輸出回路直流負(fù)載線 簡(jiǎn)稱直流負(fù)載線 北京郵電大學(xué)出版社 圖2 10圖解法分析靜態(tài)特性 北京郵電大學(xué)出版社 2 2 2動(dòng)態(tài)特性分析 1 交流負(fù)載線從圖2 9 c 所示的交流通路看到 由于該放大電路是阻容耦合的 當(dāng)電路帶上負(fù)載電阻RL時(shí) 輸出交流電壓uO是集電極交流電流iC在集電極電阻RC和負(fù)載電阻RL并聯(lián)總電阻上所產(chǎn)生的電壓 即當(dāng)iC確定后 輸出電壓的大小將取決于RC RL 而不僅僅是RC 在靜態(tài)特性分析中得到了直流負(fù)載線 在動(dòng)態(tài)特性分析中 交流信號(hào)遵循的負(fù)載線稱為交流負(fù)載線 與直流負(fù)載線類似 交流負(fù)載線的斜率為 1 RC RL 同時(shí) 由于輸入電壓ui 0時(shí) 三極管的集電極電流為IC ICQ C E極間的管壓降為UCE UCEQ 所以交流負(fù)載線必過Q點(diǎn) 因此 交流負(fù)載線的表達(dá)式為UCE UCEQ ICQRC RL ICRC RL 北京郵電大學(xué)出版社 2 電壓放大倍數(shù)當(dāng)交流輸入信號(hào)ui 0時(shí) 輸入回路方程為UBE VBB ui IBRB該直線相對(duì)于輸入回路負(fù)載線向右平移了ui 與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為VBB ui 與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為 VBB ui Rb 與三極管輸入特性曲線的交點(diǎn)表示了交流輸入電流iB 如圖 a 所示 在三極管的輸出特性曲線中找到IB iB的那條曲線 如圖 b 所示 此曲線與交流負(fù)載線的交點(diǎn)為 UCEQ uO ICQ iC uO為交流輸出電壓 從而得到放大電路的交流輸出電壓 uO與輸入電壓ui制比 即電壓放大倍數(shù)Au為 北京郵電大學(xué)出版社 3 輸入 輸出波形分析設(shè)輸入電壓ui為正弦波 且幅度較小 若靜態(tài)工作點(diǎn)Q選的合適 三極管的輸入特性曲線在Q附近可視為直線 則三極管B E間的交流電壓uBE和基極電流iB也是正弦波 如圖 a 所示 在放大區(qū)內(nèi) 集電極交流電流iC與基極電流iB是 倍線性關(guān)系 通過交流負(fù)載線 將集電極交流電流iC轉(zhuǎn)變成交流輸出電壓uO 如圖 b 所示 北京郵電大學(xué)出版社 通過上面的分析得到放大電路在輸入特性近似為線性時(shí)的各處的電壓 電流波形 如圖所示 北京郵電大學(xué)出版社 若工作點(diǎn)選的過低 下圖和右圖顯示了圖解法分析波形失真及放大電路各點(diǎn)對(duì)應(yīng)波形 從圖中看出 由于工作點(diǎn)選的過低 當(dāng)交流輸入電壓較大時(shí) 三極管進(jìn)入了截止?fàn)顟B(tài) 從而產(chǎn)生了波形失真 稱這種失真為截止失真 北京郵電大學(xué)出版社 若工作點(diǎn)選的過高 下圖和右圖顯示了圖解法分析波形失真及放大電路各點(diǎn)對(duì)應(yīng)波形 從圖中看出 由于工作點(diǎn)選的過高 當(dāng)交流輸入電壓較大時(shí) 三極管進(jìn)入了飽和狀態(tài) 從而產(chǎn)生了波形失真 稱這種失真為飽和失真 北京郵電大學(xué)出版社 2 3放大電路的等效電路分析 2 3 1三極管的直流模型及靜態(tài)工作點(diǎn)的估算1 直流模型 北京郵電大學(xué)出版社 2 3 1三極管的直流模型及靜態(tài)工作點(diǎn)的估算 2 靜態(tài)工作點(diǎn)的估算在下面 b 圖直流通路中 如果I1 IB 大10倍以上 三極管基極電壓UB幾乎不受基極電流IB的影響 UB可以認(rèn)為是由Rb1和Rb2決定的 如此忽略IB對(duì)基極電壓UB的影響 基極電壓UB為 北京郵電大學(xué)出版社 2 3 1三極管的直流模型及靜態(tài)工作點(diǎn)的估算 利用三極管的直流模型 三極管發(fā)射極電壓UE為發(fā)射極電流IEQ為基極電流IBQ為三極管C E間電壓UCEQ為 北京郵電大學(xué)出版社 例2 1在圖2 20 a 所示的直接耦合放大電路中 三極管發(fā)射極的導(dǎo)通電壓UD 0 7V 100 輸出特性曲線如圖2 20 b VCC 12V Rb1 15 69k Rb2 1k RC 3k 試計(jì)算其工作點(diǎn) 畫出直流負(fù)載線 標(biāo)出工作點(diǎn) 北京郵電大學(xué)出版社 解 畫出該放大電路的直流通路如右圖所示UCEQ VCC 2 說明靜態(tài)工作點(diǎn)比較合適 根據(jù)電路回路方程 直流負(fù)載線滿足直線方程UCE VCC IC RC 當(dāng)IC 0時(shí) UCE VCC 12V 當(dāng)UCE 0時(shí) IC VCC RC 4mA 所以直流負(fù)載線及工作點(diǎn)Q如下圖所示 北京郵電大學(xué)出版社 2 3 2三極管共射h參數(shù)等效模型 北京郵電大學(xué)出版社 2 3 2簡(jiǎn)化h參數(shù)等效模型及rbe的表達(dá)式 1 簡(jiǎn)化h參數(shù)等效模型 北京郵電大學(xué)出版社 2 rbe的表達(dá)式當(dāng)三極管處于放大狀態(tài)時(shí) 在Q點(diǎn)附近 三極管的發(fā)射結(jié)可用一個(gè)電阻來等效 其等效結(jié)構(gòu)如圖 a 所示 三極管的輸入回路的等效電路如圖 b 所示 北京郵電大學(xué)出版社 2 3 2動(dòng)態(tài)參數(shù)分析 下面以圖 a 所示阻容耦合共射放大電路為例 介紹利用h參數(shù)等效電路來分析放大電路的動(dòng)態(tài)特性 北京郵電大學(xué)出版社 1 電壓放大倍數(shù)Auui iBrbe uo iBRC RL2 源電壓放大倍數(shù)AS 北京郵電大學(xué)出版社 3 輸入電阻RiRi是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻4 輸出電阻Ro首先令信號(hào)源電壓uS 0 在放大電路的輸出端加電壓uo 產(chǎn)生電流iC 由于輸出端電壓uo不能作用到輸入回路 所以在輸入回路中iB 0 在輸出回路中 iB 0 由此iC uo RC 輸出電阻Ro為 北京郵電大學(xué)出版社 例2 5如圖 a 所示的基本阻容耦合放大電路 設(shè)三極管發(fā)射極的導(dǎo)通電壓UD 0 7V rbb 133 100 VCC 12V RS 1 23k Rb 377k RC 2k RL 2k 各電容值足夠大 試 1 計(jì)算工作點(diǎn) 2 計(jì)算電壓放大倍數(shù)Au 源電壓放大倍數(shù)AS 輸入電阻Ri 輸出電阻Ro 北京郵電大學(xué)出版社 解 1 畫出該放大電路的直流如右圖所示 北京郵電大學(xué)出版社 2 k 北京郵電大學(xué)出版社 2 4共集放大電路 2 4 1電路組成 北京郵電大學(xué)出版社 2 4 2靜態(tài)特性分析 基極電流IBQ發(fā)射極電流IEQ為三極管C E間電壓UCEQ為 北京郵電大學(xué)出版社 2 4 3動(dòng)態(tài)特性分析 1 電壓放大倍數(shù)uo 1 iBRE ui iBrbe uo iBrbe 1 iBRE當(dāng) 1 RE rbe時(shí) Au 1 即uo ui 電路無電壓放大能力 但是輸出電流iE遠(yuǎn)大于輸入電流iB 所以電路仍有功率放大作用 北京郵電大學(xué)出版社 2 輸入電阻Ri3 輸出電阻Ro共集放大電路輸入電阻大 輸出電阻小 因而從信號(hào)源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng) 所以常用于多級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí) 北京郵電大學(xué)出版社 例2 7在圖2 27 a 所示電路中 VCC 12V RS 1k Rb 265k RE 3k 三極管的導(dǎo)通電壓UD 0 7V rbb 200 99 試計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn) Au Ri和Ro 解 由式 2 32 2 34 北京郵電大學(xué)出版社 2 4共基放大電路 2 4 1電路組成 北京郵電大學(xué)出版社 2 4 1靜態(tài)特性分析 發(fā)射極電流IEQ為集電極電流ICQ為基極電流IBQ為三極管發(fā)射極電壓UE為三極管集電極電壓UC為三極管C E間電壓UCEQ為 北京郵電大學(xué)出版社 2 4 2動(dòng)態(tài)特性分析 1 電壓放大倍數(shù)Au2 輸入電阻Ri3 輸出電阻Ro 北京郵電大學(xué)出版社 2 4 3三種基本電路比較 共射電路既有放大電流能力 又有能放大電壓能力 輸入電阻在三種電路中居中 輸出電阻較大 頻帶較窄 常作為低頻電壓放大電路的單元電路 共集電路只能放大電流不能放大電壓 在三種基本電路中 輸入電阻最大 輸出電阻最小 并具有電壓跟隨的特點(diǎn) 常用于電壓放大電路的輸人級(jí)和輸出級(jí) 在功率放大電路中也常采用射極輸出的形式 共基電路只能做電壓放大 不能放大電流 輸入電阻小 電壓放大倍數(shù)和輸出電阻與共射電路相當(dāng) 頻率特性是三種接法中最好的電路 常用于寬頻帶放大電路 北京郵電大學(xué)出版社 第三章放大電路的頻率特性分析 第一節(jié)頻率特性分析基礎(chǔ)第二節(jié)三極管的高頻等效模型第三節(jié)三極管交流放大倍數(shù) 的頻率特性第四節(jié)單管放大電路的頻率特性 北京郵電大學(xué)出版社 3 1頻率特性分析基礎(chǔ) 3 1 1低通電路傳遞函數(shù)為 北京郵電大學(xué)出版社 定義電路的時(shí)間常數(shù) RC 令 H 1 則的幅值和相角可表示為 稱fH為低通電路的上截止頻率 北京郵電大學(xué)出版社 3 1 2高通電路 傳遞函數(shù)為與低通電路相同 電路的時(shí)間常數(shù) RC 令 L 1 則 稱fL為高通電路的下截止頻率 北京郵電大學(xué)出版社 的幅值和相角可表示為 對(duì)于放大電路 其上截止頻率fH與下截止頻率fL之差即是它的通頻帶Bw 即 北京郵電大學(xué)出版社 3 1 2波特圖 在研究電路的頻率特性時(shí) 采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系畫出電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線 稱之為波特圖 1 低通電路頻率特性的波特圖對(duì)低通電路的幅頻特性表達(dá)式取以10為底的對(duì)數(shù)得到 北京郵電大學(xué)出版社 2 高通電路頻率特性的波特圖對(duì)于高通電路 對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性的表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 3 2三極管的高頻等效模型 3 2 1三極管的PN結(jié)電容效應(yīng)及其等效高頻結(jié)構(gòu)PN結(jié)的勢(shì)壘區(qū) 對(duì)PN結(jié)以外的電路來說 等效為電容 稱之為勢(shì)壘電容 當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí) PN結(jié)兩邊半導(dǎo)體內(nèi)的多子擴(kuò)散作用加強(qiáng) 即從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴和從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)量增多 此時(shí) 在P區(qū)和N區(qū)內(nèi)將形成一定數(shù)量的瞬間空穴 電子對(duì) 如圖3 5所示 空穴 電子對(duì)的數(shù)量與外加正向電壓成正比 PN結(jié)的這種特性對(duì)于外電路來說 也等效為電容 稱之為擴(kuò)散電容 PN結(jié)的等效電容特性在外加信號(hào)頻率較低時(shí) 作用甚微 因此忽略 但在分析電路的高頻特性時(shí) 不容忽視 北京郵電大學(xué)出版社 3 2 1三極管的PN結(jié)電容效應(yīng)及其等效高頻結(jié)構(gòu) PN結(jié)電容效應(yīng) 三極管高頻等效結(jié)構(gòu) 北京郵電大學(xué)出版社 3 2 2共射混合 模型 由半導(dǎo)體物理的理論 三極管的受控電流iC與發(fā)射結(jié)電壓ub e成線性關(guān)系 且與信號(hào)頻率無關(guān) 因此 在高頻混合 模型中引入了一個(gè)新參數(shù)gm 稱為跨導(dǎo) gm是一個(gè)常量 表明ub e對(duì)iC的控制關(guān)系 iC gmub e 北京郵電大學(xué)出版社 3 2 3簡(jiǎn)化單向化混合 模型 將電容Cb c等效到輸入和輸出回路因?yàn)殡娙軨b c的容值很小 忽略在輸出回路的作用 得到三極管簡(jiǎn)化的單向化混合 模型 CM被稱為密勒電容 北京郵電大學(xué)出版社 3 3三極管交流放大倍數(shù) 的頻率特性 在高頻段 當(dāng)信號(hào)頻率變化時(shí)iC與iB的關(guān)系也隨之變化 即交流電流放大倍數(shù) 不再是常量 而是頻率的函數(shù) C Cb e Cb c 定義 上 截止頻率 北京郵電大學(xué)出版社 jf 對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性分別為 北京郵電大學(xué)出版社 定義fT是 jf 1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率 fT即為三極管的特征頻率 令式 3 28 中 jf 1 0dB 則考慮到 0的平方遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 得到三極管特征頻率fT的表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 3 4單管放大電路的頻率特性 3 4 1中頻源電壓放大倍數(shù)在3 14 b 所示的中頻混合 等效電路中 輸入電阻Ri Rb rbb rb e Rb rbe 從而該電路的中頻源電壓放大倍數(shù)ASM為 北京郵電大學(xué)出版社 3 4 2低頻段頻率特性 該電路的低頻源電壓放大倍數(shù)ASL為 北京郵電大學(xué)出版社 對(duì)上式整理得到上式是一個(gè)高通特性表達(dá)式 所以下截止頻率fL為該放大電路的低頻源電壓放大倍數(shù)ASL為 北京郵電大學(xué)出版社 相應(yīng)的對(duì)數(shù)幅頻特性及相頻特性的表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 3 4 3高頻段頻率特性 上截止頻率fH為 所以 北京郵電大學(xué)出版社 相應(yīng)的對(duì)數(shù)幅頻特性及相頻特性的表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 3 4 4全頻段頻率特性 北京郵電大學(xué)出版社 3 4 5放大電路的增益帶寬積 具有一階低通和一階高通特性的放大電路的對(duì)數(shù)幅頻特性如圖所示 該放大電路在中頻增益為A0時(shí) 對(duì)應(yīng)的上下截止頻率和通頻帶分別為fH0 fL0和BW0 如果把增益降低 通頻帶加寬 設(shè)在中頻增益為A1時(shí) 對(duì)應(yīng)的上下截止頻率和通頻帶分別為fH1 fL1和BW1 放大電路的增益與帶寬滿足一定的關(guān)系 在圖中 由直角三角形abc的邊角關(guān)系得到整理后得到fT0為放大電路的0dB帶寬 A 1 北京郵電大學(xué)出版社 同樣在下截止頻率時(shí)一般情況下 放大電路的下截止頻率很低 只有幾赫茲到幾十赫茲 尤其是直接耦合放大電路 下截止頻率為0 為此放大電路的通頻帶近似為 所以 北京郵電大學(xué)出版社 第四章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路特性分析 第一節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管特性第二節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)設(shè)置及靜態(tài)特性分析第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性分析 北京郵電大學(xué)出版社 4 1場(chǎng)效應(yīng)管特性 4 1 1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)及特性1 符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有N溝道型和P溝道型之分 與晶體三極管的NPN型和PNP型類似 其符號(hào)分別如圖4 1 a 和 b 所示 三個(gè)極分別稱為柵極 用符號(hào)G Grid 表示 漏極 用符號(hào)D Drain 表示 源極 用符號(hào)S Source 表示 2 轉(zhuǎn)移特性為了使場(chǎng)效應(yīng)管正常工作 需要在場(chǎng)效應(yīng)管柵源極之間加電壓UGS 直流和交流 和在漏源極之間加電壓UDS 直流和交流 北京郵電大學(xué)出版社 由于場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻非常大 認(rèn)為柵極電流IG 0 漏極電流ID受柵源極間電壓UGS控制 在UGS 0時(shí) ID最大 隨著UGS的減小 負(fù)壓 ID減小 理論分析表明 當(dāng)漏源極間電壓UGS足夠大時(shí) 漏極電流ID與柵源極間電壓UGS呈平方關(guān)系ID IDSO 1 UGS UGS off 2其中IDSO為UGS 0時(shí)的漏極電流 UGS off 稱為夾斷電壓 圖 b 給出了常見結(jié)型N溝道型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線 北京郵電大學(xué)出版社 3 輸出特性圖4 2 c 給出了常見結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線 在輸出特性曲線中 分為不飽和區(qū) 飽和區(qū)和擊穿區(qū) 在不飽和區(qū) 漏源極間電壓UDS較小 此時(shí)漏極電流ID隨著UDS的增加近似線性增加 在飽和區(qū) 漏源極間電壓UDS足夠大 此時(shí)漏極電流ID隨著UDS的增加而增加甚微 ID主要受柵源極間電壓UGS控制 它們之間呈平方關(guān)系 當(dāng)UDS很大時(shí) 出現(xiàn)擊穿區(qū) ID隨著UDS的增加而迅猛增加 北京郵電大學(xué)出版社 4 1 2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù) 1 直流參數(shù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)主要有 1 柵源 交流 短路電流IDSO 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在飽和區(qū) UGS 0時(shí)的漏極電流 它實(shí)際上是漏極電流ID的最大值 2 夾斷電壓UGS off 在飽和區(qū)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流ID 0 通常規(guī)定ID 50uA 所對(duì)應(yīng)的柵源間的電壓值 3 柵源間電阻RGS 漏源極短路時(shí) 柵源極在一定條件下的等效電阻 RGS可達(dá)十幾兆歐 2 小信號(hào)交流參數(shù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)交流參數(shù)主要有 1 正向跨導(dǎo)gm 在飽和區(qū) 固定漏極電壓 漏極電流iD的變化量與柵源極間電壓uGS的變化量之比 即 gm的大小表明了柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力 北京郵電大學(xué)出版社 正向跨導(dǎo)gm可表示為 2 漏源等效電阻rDS 固定柵源極間電壓 漏源極間的等效電阻 在不飽和區(qū) rDS較小 在百歐的量級(jí) 在飽和區(qū) rDS較大 在幾十千歐左右 北京郵電大學(xué)出版社 4 1 3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)及特性 1 符號(hào) 符號(hào)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管 MOS MetalOxideSemiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體 由于工藝和材料上的區(qū)別 有四種不同的類型 N溝道增強(qiáng)型和耗盡型 P溝道增強(qiáng)型和耗盡型 其符號(hào)分別如圖4 3所示 2 轉(zhuǎn)移特性與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管類似 為了使場(chǎng)效應(yīng)管正常工作 需要在絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管柵源極之間加電壓UGS和在漏源極之間加電壓UDS 如圖 a 所示 3 輸出特性圖 c 給出了常見絕緣柵N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線 與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線沒有多大區(qū)別 北京郵電大學(xué)出版社 4 1 3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)及特性 北京郵電大學(xué)出版社 4 1 4絕緣柵效應(yīng)管主要參數(shù) 1 直流參數(shù)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)主要有 1 柵源 交流 短路電流IDSX 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在飽和區(qū) UGS UGSX時(shí)的漏極電流 IDSX與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的IDSO略有區(qū)別 IDSX不表示絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流的最大值 2 開啟電壓UGS th 與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓UGS off 相同 3 柵源間電阻RGS 與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的RGS比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的要大 絕緣柵的RGS可達(dá)幾千兆歐 2 小信號(hào)交流參數(shù)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的正向跨導(dǎo)gm與結(jié)型的相同 漏源等效電阻rDS與結(jié)型的相同 北京郵電大學(xué)出版社 4 2場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)設(shè)置及靜態(tài)特性分析 4 2 1共源放大電路 圖4 6共源放大電路 圖4 7直流通路 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 4 2 2自生偏置電路 由于結(jié)型和絕緣柵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管可以工作在柵源極間電壓UGS為負(fù)壓狀態(tài) 放大電路可以自生偏置電壓 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 4 3場(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性分析 在小信號(hào)時(shí) 有了場(chǎng)效應(yīng)管的等效模型 分析場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)特性和頻率特性與前幾章介紹的分析方法沒有什么不同 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 第五章負(fù)反饋放大電路 第一節(jié)反饋基本概念及判斷方法第二節(jié)負(fù)反饋放大電路的特性分析第三節(jié)負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響 北京郵電大學(xué)出版社 5 1反饋基本概念及判斷方法 5 1 1基本概念1 反饋的概念反饋 也稱回授 是指在一個(gè)系統(tǒng)中 系統(tǒng)的輸出量的部分或全部回送到輸入端 用于調(diào)整輸入量 改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的過程 引入反饋的放大電路 稱為反饋放大電路 引入反饋的放大電路所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù) 或閉環(huán)增益 沒有引入反饋的放大電路所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)稱為開環(huán)放大倍數(shù) 或開環(huán)增益 圖5 1反饋放大電路組成 北京郵電大學(xué)出版社 2 反饋放大電路中的正 負(fù)反饋在反饋放大電路中 如果反饋量Xf使基本放大電路的凈輸入量Xid在輸入量Xi的基礎(chǔ)上增大 即Xid Xi Xf 稱電路中的反饋為正反饋 同時(shí)稱反饋放大電路為正反饋放大電路 反之 反饋量Xf使凈輸入量Xid在輸入量Xi的基礎(chǔ)上減小 即Xid Xi Xf 稱電路中的反饋為負(fù)反饋 同時(shí)稱反饋放大電路為負(fù)反饋放大電路 3 反饋放大電路中的直流反饋和交流反饋在直流通路中存在的反饋稱為直流反饋 在交流通路中存在的反饋稱為交流反饋 北京郵電大學(xué)出版社 5 1 2負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài) 輸入量ii 凈輸入量iB和反饋量if所對(duì)應(yīng)的三個(gè)支路是并聯(lián)關(guān)系 稱為 輸入 并聯(lián)反饋 輸入量ui 凈輸入量uBE和反饋量uf所對(duì)應(yīng)的三個(gè)支路是串聯(lián)關(guān)系 稱為 輸入 串聯(lián)反饋 反饋量是隨著輸出電壓變化而改變的 輸出量是電壓uo 稱為 輸出 電壓反饋 反饋量是隨著輸出電流變化而改變的 輸出量是電流iE 或iC 稱為 輸出 電流反饋 因此 在負(fù)反饋放大電路中 有四種組態(tài) 組合狀態(tài) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋 電流并聯(lián)負(fù)反饋 北京郵電大學(xué)出版社 5 1 3四種組態(tài)的判斷 1 輸入回路形式的判斷反饋放大電路在輸入回路的形式 并聯(lián)或串聯(lián)的判斷較為簡(jiǎn)單 主要看反饋量對(duì)應(yīng)的支路與輸入量和凈輸入量所對(duì)應(yīng)的支路的關(guān)系是并聯(lián)還是串聯(lián) 2 輸出回路形式的判斷反饋放大電路在輸出回路的形式 電壓或電流的判斷 要看何種輸出量 電壓還是電流 直接影響反饋量 在電壓反饋電路中 因?yàn)榉答伭渴请S著輸出電壓uo變化而變化的 所以 若輸出電壓uo 0 則反饋量與輸出無關(guān) 即反饋消失 因此 負(fù)反饋放大電路在輸出回路的形式 電壓或電流的判斷方法為 令反饋放大電路的輸出電壓uo為零 若反饋消失 反饋量與輸出無關(guān) 則說明電路中引入了電壓反饋 若反饋依然存在 則說明電路中引入了電流反饋 例如在圖5 2 b 中 令輸出電壓uo 0 反饋量if uBE Rf 與輸出無關(guān) 是電壓反饋 在圖5 4 c 中 令輸出電壓uo 0 輸出電流iE 或iC 亦然存在 反饋量uf iERf不變 是電流反饋 北京郵電大學(xué)出版社 5 1 4正 負(fù)反饋的判斷 在分析反饋放大電路的動(dòng)態(tài)特性過程中 比較直觀和不容易出錯(cuò)的方法是首先畫出交流通路 在交流通路的基礎(chǔ)上判斷放大電路的反饋組態(tài) 根據(jù)組態(tài)選擇輸入量 凈輸入量以及反饋量的形式是電壓還是電流 然后進(jìn)行正 負(fù)反饋的判斷 1 輸入量 凈輸入量和反饋量的選擇在決定了反饋放大電路的組態(tài)組態(tài)基礎(chǔ)上 選擇輸入量 凈輸入量和反饋量形式的原則是 并聯(lián)反饋選擇電流 串聯(lián)反饋選擇電壓 2 正 負(fù)反饋的判斷判斷正 負(fù)反饋的基本方法是 在放大電路的交流通路中 規(guī)定輸入量瞬間對(duì)地的極性 并以此為依據(jù) 逐級(jí)判斷各相關(guān)點(diǎn)電流的方向和電位的極性 得到輸出量的極性 然后根據(jù)輸出量的極性判斷出反饋量的極性 若反饋量使凈輸入量增大 則為正反饋 若反饋量使凈輸入量減小 則為負(fù)反饋 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 5 1 5集成放大電路的反饋 圖5 11電流串聯(lián)負(fù)反饋電路 圖5 10電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路 圖5 12電流并聯(lián)負(fù)反饋電路 圖5 13電壓串聯(lián)正反饋電路 北京郵電大學(xué)出版社 5 2負(fù)反饋放大電路的特性分析 5 2 1負(fù)反饋放大電路的基本表達(dá)形式 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 當(dāng)AF 1 1時(shí) 稱電路為深度負(fù)反饋放大電路 在深度負(fù)反饋放大電路中 由式 5 6 得到上式表明 在深度負(fù)反饋放大電路中 可以認(rèn)為放大倍數(shù)Af僅取決于電路的反饋系數(shù)F 由于在深度負(fù)反饋放大電路中 與式 5 4 比較發(fā)現(xiàn) 此時(shí)Xi Xf 在負(fù)反饋放大電路中 凈輸入量等于輸入量與輸出量之差 得到Xid 0 也就是說 在深度負(fù)反饋放大電路中 凈輸入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入量或反饋量 可以認(rèn)為凈輸入量等于0 這就是在之后分析深度負(fù)反饋放大電路 包括引入負(fù)反饋的集成放大電路 過程中 引入虛短路和虛開路概念的基礎(chǔ) 北京郵電大學(xué)出版社 5 2 2電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的特性 1 基本形式電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的基本形式如圖5 15所示 凈輸入量 輸入量與反饋量分別是uid ui和uf 基本放大電路的放大倍數(shù)為Au uo uid 反饋系數(shù)為Fu uf uo 在深度負(fù)反饋時(shí) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)Auf為2 輸入電阻圖如圖5 16所示 基本放大電路的輸入電阻Ri uid ii 整個(gè)電路的輸入電阻為 圖5 16電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路輸入電阻 圖5 15電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路基本形式 5 8 5 9 北京郵電大學(xué)出版社 3 輸出電阻一般情況 由于反饋網(wǎng)絡(luò)所引起的電流i 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流io 可以忽略 電流io為整個(gè)電路的輸出電阻Rof為上式表明引人電壓負(fù)反饋后輸出電阻僅為其基本放大電路輸出電阻的 1 AuFu 分之一 1 AuFu Rof 0 因此深度電壓負(fù)反饋電路的輸出可近似認(rèn)為恒壓源 5 10 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 北京郵電大學(xué)出版社 5 2 3電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的特性5 2 4電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的特性5 2 5電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的特性 北京郵電大學(xué)出版社 5 3負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響 5 3 1對(duì)輸入回路的影響1 對(duì)信號(hào)源的要求并聯(lián)負(fù)反饋適合信號(hào)源為恒流源或近似恒流源 串聯(lián)負(fù)反饋適合信號(hào)源為恒壓源或近似恒壓源 2 對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)負(fù)反饋電路輸入電阻的表達(dá)式為并聯(lián)負(fù)反饋放大電路 輸入電阻Rif的表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 5 3 2對(duì)輸出回路的影響 1 對(duì)輸出量的影響在電壓負(fù)反饋放大電路中 電壓負(fù)反饋使電路的輸出電壓更加穩(wěn)定 在電流負(fù)反饋放大電路中 電流負(fù)反饋使電路的輸出電流更加穩(wěn)定 2 對(duì)輸出電阻的影響電壓負(fù)反饋電路輸出電阻的近似表達(dá)式為在電流負(fù)反饋放大電路中 電路輸出電阻的近似表達(dá)式為 北京郵電大學(xué)出版社 5 3 3不同組態(tài)的特性要點(diǎn)概括 北京郵電大學(xué)出版社 5 3 3不同組態(tài)的特性要點(diǎn)概括 北京郵電大學(xué)出版社 5 3 4穩(wěn)定放大倍數(shù) 對(duì)于深度負(fù)反饋放大電路 反饋放大倍數(shù)Af 1 F 幾乎僅取決于反饋網(wǎng)絡(luò) 而反饋網(wǎng)絡(luò)通常通常是無源網(wǎng)絡(luò) 因此可獲得很好的穩(wěn)定性 上式表明負(fù)反饋放大電路的放大倍數(shù)Af的相對(duì)變化量dAf Af為基本放大電路放大倍數(shù)A的相對(duì)變化量dA A的 1 AF 分之一 或者說 Af的穩(wěn)定性是A的 1 AF 倍 北京郵電大學(xué)出版社 5 3 5展寬通頻帶放大電路中引入負(fù)反饋后 增益降低到 1 AF 分之一 通頻帶增加到約 1 AF 倍 5 3 6改善非線性失真由于三極管的輸入輸出特性的非線性 使電路的輸出產(chǎn)生非線性失真 在負(fù)反饋放大電路中 當(dāng)深度反饋時(shí) 放大倍數(shù)Af 1 F 幾乎僅取決于反饋網(wǎng)絡(luò) 而反饋網(wǎng)絡(luò)通常通常是線性無源網(wǎng)絡(luò) 與三極管特性無關(guān) 因此電路輸出幾乎無非線性失真 在負(fù)反饋放大電路中 同樣以犧牲增益為代價(jià) 非線性改善程度是基本放大電路的 1 AF 倍 北京郵電大學(xué)出版社 第六章功率放大電路 第一節(jié)功率放大電路的特點(diǎn)與要求第二節(jié)甲類功率放大電路第三節(jié)互補(bǔ)推挽功率放大電路第四節(jié)乙類功率放大電路第五節(jié)甲乙類功率放大電路 北京郵電大學(xué)出版社 6 1功率放大電路的特點(diǎn)與要求 功率放大電路是指能夠向負(fù)載提供較大功率的放大電路 簡(jiǎn)稱功放 6 1 1功率放大電路的特點(diǎn)1 輸出大功率2 大信號(hào)3 高效率4 高熱量5 負(fù)載能力強(qiáng) 北京郵電大學(xué)出版社 6 1功率放大電路的特點(diǎn)與要求 6 1 2功率放大電路的要求1 輸出功率大2 效率高3 失真小4 器件安全5 電路保護(hù)6 1 3主要技術(shù)指標(biāo)1 最大輸出功率POM2 轉(zhuǎn)換效率 北京郵電大學(xué)出版社 6 2甲類功率放大電路 6 2 1基本電路及靜態(tài)特性功放管通過Rb得到直流電流IBQ 以及集電結(jié)電流ICQ 因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈的直流電阻很小 可以忽略不計(jì) 所以UCEQ VCC 直流負(fù)載線是垂直于橫軸的直線 與ICQ相交于靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn) 如下圖 b 中所示 因?yàn)槿龢O管的基極電流相對(duì)較小 可以忽略 電源提供的直流功率為 6 1 北京郵電大學(xué)出版社 6 2 2動(dòng)態(tài)圖解分析 在功放管的飽和壓降UCEQ較小的情況下 電源電壓VCC遠(yuǎn)大于功放管的飽和電壓 因此輸出電壓的最大值uom VCC 輸出電流的最大值iCm ICQ 因此 在理想變壓器的情況下 最大輸出功率為最佳負(fù)載時(shí)甲類功放的效率為 6 3 6 4 北京郵電大學(xué)出版社 6 3互補(bǔ)推挽功率放大電路 6 3 1基本電路及靜態(tài)特性互補(bǔ)推挽功率放大電路的典型電路如圖6 3所示 圖6 3互補(bǔ)推挽功放電路 北京郵電大學(xué)出版社 6 3 2動(dòng)態(tài)特性 圖6 4大信號(hào)特性 圖6 5互補(bǔ)推挽功放波形圖 北京郵電大學(xué)出版社 當(dāng)功放輸入交流電壓ui為正弦波時(shí) 兩個(gè)功放管產(chǎn)生的電流一個(gè)變化較快 另一個(gè)變化較慢 因?yàn)閮蓚€(gè)功放管所特性是對(duì)稱的 變化快慢的程度是相同的 在負(fù)載電阻起到互補(bǔ)疊加的效果 因此稱之為互補(bǔ)推挽功率放大電路 由于兩個(gè)功放管輸出電流的互補(bǔ)疊加 從而互補(bǔ)推挽功放極大地改善了功放電路的非線性失真 從而電壓和電流波形如圖6 5所示 因?yàn)楣Ψ殴艿膶?dǎo)通角 360 所以互補(bǔ)推挽功放也屬于甲類功放 當(dāng)最佳負(fù)載時(shí)其效率為50 北京郵電大學(xué)出版社 6 4乙類功率放大電路 6 4 1基本電路及靜態(tài)特性 北京郵電大學(xué)出版社 6 4 2工作原理 為了說明其工作原理 先假設(shè)功放管B E間的開啟電壓為0 當(dāng)功放輸入交流電壓ui為正弦波時(shí) 在正半周ui 0時(shí) 功放管T1導(dǎo)通 T2截止 正電源供電 負(fù)載電阻RL上有交流電流iL iE1流過 如圖6 6 a 中實(shí)線所示 并RL上產(chǎn)生輸出電壓uo的正半周 由于電路為射極輸出形式 uo ui 在負(fù)半周ui 0時(shí) 功放管T2導(dǎo)通 T1截止 負(fù)電源供電 負(fù)載電阻RL上有交流電流iL iE2流過 如圖6 6 a 中虛線所示 并RL上產(chǎn)生輸出電壓uo的負(fù)半周 由于電路也為射極輸出形式 uo ui 由此可見電路中功放管T1和T2交替工作 正 負(fù)電源輪流供電 兩只功放管均為射極輸出形式 從上面的原理分析中看到 該電路的功放管只在輸入正弦波的 正或負(fù) 半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通 即功放管的導(dǎo)通角 180 由此 乙類功放的定義為 功放管的導(dǎo)通角 180 的功率放大電路 稱為乙類功率放大電路 簡(jiǎn)稱乙類功放 北京郵電大學(xué)出版社 6 4 3動(dòng)態(tài)特性分析 圖6 7乙類功放圖解分析 最大輸出功率為 乙類功放的效率為 北京郵電大學(xué)出版社 6 4 4交越失真 在以上對(duì)乙類功放的分析過程中 假設(shè)了功放管B E間的開啟電壓為0 由于三極管的開啟電壓不為0 在輸入電壓ui較小時(shí) 功放管不導(dǎo)通或?qū)ú怀浞?從而在負(fù)載電阻RL上得到的輸出電流或電壓有失真 如圖6 8所示 圖6 8乙類功放波形圖 北京郵電大學(xué)出版社 6 5甲乙類功率放大電路 靜態(tài)時(shí)甲乙類每個(gè)電源提供的直流功率為 6 5 1基本電路及靜態(tài)特性 北京郵電大學(xué)出版社 6 5 2工作原理 當(dāng)功放輸入交流電壓ui為正弦波時(shí) 在正半周 ui 0 ui幅度較小時(shí) 使功放管T1的基極在直流電壓UBEQ1的基礎(chǔ)上 加上交流電壓ui T1開始導(dǎo)通 集電極電流iC1 iE1 開始增大 負(fù)載電阻RL上有交流電流iE1流過 如圖6 9 a 中實(shí)