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电子电路基础 林家儒
录 第一章 半导体器件基础
第二章 放大电路分析基础
第三章 放大电路的频率特性分析
第四章 场效应管放大电路特性分析
第五章 负反馈放大电路
第六章 功率放大电路
第七章 差动放大电路 第八章 运算放大器和电压比较器
第九章 正弦波振荡器
第十章 直流电源
第一章 半导体器件基础
半导体及其特性
PN结及其特性
半导体二极管
半导体三极管及其工作原理
三极管的共射特性曲线及主要参数 1.1
半导体及其特性
1.1.1本征半导体及其特性
定义：纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，称为本征半导体。
晶体中的共价键具有很强的结合力，在常温下仅有极少数的价电子受热激发得到足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。
半导体及其特性 运载电流的粒子称为载流子。在本征半导体中，自由电子和空穴都是载流子，这是半导体导电的特殊性质。 半导体在受热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。
在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。 1.1
半导体及其特性 1.1.2杂质半导体及其特性 定义：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
根据掺入杂质元素的不同，可形成N（Negative）型半导体和P（Positive）型半导体。 1.1
半导体及其特性 N型半导体 ： 在本征半导体中掺入少量的五价元素，如磷、砷和钨，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，形成N型半导体。
由于五价元素很容易贡献出一个电子，称之为施主杂质。 1.1
半导体及其特性 在N型半导体中，由于掺入了五价元素，自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导体中导电以电子为主，故自由电子为多数流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为少子。 由于杂质原子可以供电子，故称之为施主原子。
半导体及其特性 P型半导体： 在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼、铝和铟，使之取代一个四价元素在晶体中的位置，形成P型半导体。
由于杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主杂质。
在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。
PN结及其特性
1.2.1 PN结的原理 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在一起，使这两种杂质半导体在接触处保持晶格连续，在它们的交界面就形成PN结。
PN结及其特性 在PN结中，由于P区的空穴浓度远远高于N区，P区的空穴越过交界面向N区移动；同时N区的自由电子浓度也远远高于P区，N区的电子越过交界面向P区移动；在半导体物理中，将这种移动称作扩散运动
PN结及其特性 扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，在PN结的交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，人们称此正负电荷区域为势垒区总的电位差称为势垒高度
PN结及其特性 在势垒区两侧半导体中的少数载流子，由于杂乱无章的运动而进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子作定向运动。少子在电场作用下的定向运动称作漂移运动。
在无外电场和无其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡。
PN结及其特性 1.2.2 PN结的导电特性 PN结外加正向电压时处于导通状态
PN结外加反向电压时处于截止状态
半导体二极管
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为正极，由N区引出的电极为负极
一般来说，有三种方法来定量地分析一个电子器件的特性，即特性曲线图示法、解析式表示法和参数表示法
半导体二极管 1.3.1二极管的特性曲线
半导体二极管 反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。
在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子?空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。
另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子—空穴对。新产生的电子?空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。
二极管特性的解析式
理论分析得到二极管的伏安特性表达式为:
式中IS为反向饱和电流，q为电子的电量，其值为1.602×10-19库仑；k是为玻耳兹曼常数，其值为1.38×10-2
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三极管放大电路静态工作点设置
在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。将输入信号为零、即直流电源单独作用的时候晶体管的基极电流Ib、集电极电流Ic（或 Ie ）、管压降 Ube和 c-e 间电压 Uce称之为静态工作点Q，常将Q点记作IBQ、ICQ（或IEQ）、UBEQ、UCEQ。（参见《模拟电子技术基础》（第四版）华成英 童诗白主编 P80）
放大电路,就是将输入信号放大后输出,(一般有电压放大,电流放大和功率放大几种,这个不在这讨论内)。先说我们要放大的信号,以正弦交流信号为例说。在分析过程中,可以只考虑到信号大小变化是有正有负,其它不说。上面在图1放大电路电路中,静态工作点的设置为Uce接近于电源电压的一半,为什么? 这是为了使信号正负能有对称的变化空间,在没有信号输入的时候,即信号输入为0,假设Uce为电源电压的一半,我们当它为一水平线,作为一个参考点。当输入信号增大时,则Ib增大,Ic电流增大,则电阻R2的电压U2=Ic×R2会随之增大,Uce=VCC-U2,会变小。U2最大理论上能达到等于VCC,则Uce最小会达到0V,这是说,在输入信增加时,Uce最大变化是从1/2的VCC变化到0V. 同理,当输入信号减小时,则Ib减小,Ic电流减小,则电阻R2的电压U2=Ic×R2会随之减小,Uce=VCC-U2,会变大。在输入信减小时,Uce最大变化是从1/2的VCC变化到VCC。这样,在输入信号一定范围内发生正负变化时,Uce以1/2VCC为准的话就有一个对称的正负变化范围,所以一般图1静态工作点的设置为Uce接近于电源电压的一半。设置三极管静态工作点首先这要先知道几个东西,第一个是我们常说的Ic、Ib,它们是三极管的集电极电流和基极电流,它们有一个关系是Ic=β×Ib,但我们初学的时候,老师很明显的没有告诉我们,Ic、Ib是多大才合适?这个问题比较难答,因为牵涉的东西比较的多,但一般来说,对于小功率管,一般设Ic在零点几毫安到几毫安,中功率管则在几毫安到几十毫安,大功率管则在几十毫安到几安。 在图1中,设Ic为2mA,则电阻R2的阻值就可以由R=U/I来计算,VCC为12V,则1/2VCC为6V,R2的阻值为6V/2mA,为3KΩ。Ic设定为2毫安,则Ib可由Ib=Ic/β推出,关健是β的取值了,β一般理论取值100,则Ib=2mA/100=0.00002A,则R1=(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/0.KΩ（编者注：实际电路中β的取值要根据使用的三极管来选取） 在图2的分压式偏置电路中,同样的我们假设Ic为2mA,Uce设计成1/2VCC为6V。则RB1、RB2、RC、RE该如何取值呢。计算公式如下:因为Uce设计成1/2VCC为6V,则Ic×(RC+RE)=6V;Ic≈Ie。可以算出RC+RE=3KΩ,这样,R3、R4各是多少? 一般RE取100Ω,RC为2.9KΩ,实际上RC我们一般直取2.7KΩ,因为E24系列电阻中没有2.9KΩ,取值2.7KΩ与2.9KΩ没什么大的区别。因为RB2两端的电压等于Ube+URE,即0.7V+100Ω×2mA=0.9V,我们设Ic为2mA,β一般理论取值100,则Ib=2mA/100=0.00002A,这里有一个电流要估算的,就是流过RB1的电流了,一般取值为Ib的10倍左右,取IRB1=0.0002A。则RB1=11.1V/0.0002A≈56KΩRB2=0.9V/(0.02)A=5KΩ;
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在保证三极管发射结正偏，集电结反偏这一条件下，三极管基极电流发生微小的变化ΔIB，会引起集电极电流发生较大变化，即ΔIC＝βΔIB。而且在放大过程中，集电极电源的直流电能转变为交流电能输出。　　那么在交流放大电路中，能否利用输入的交流信号电压作为发射结正向电压而直接加到三极管的基极，使三极管集电极电流也发生较大变化，从而实现放大作用?下面我们结合图1（a）来进行讨论。　　根据三极管内部的结构，图1
在保证三极管发射结正偏，集电结反偏这一条件下，三极管基极电流发生微小的变化ΔIB，会引起集电极电流发生较大变化，即ΔIC＝βΔIB。而且在放大过程中，集电极电源的直流电能转变为交流电能输出。　　那么在交流放大电路中，能否利用输入的交流信号电压作为发射结正向电压而直接加到三极管的基极，使三极管集电极电流也发生较大变化，从而实现放大作用?下面我们结合图1（a）来进行讨论。　　根据三极管内部的结构，图1（a）的基极回路可以等效成图1（b）。我们知道，三极管的发射结具有单向导电性，而且存在死区。如果加在三极管基极上的交流信号电压ui很小，不能超过发射结死区电压［图1（c）中虚线］，则基极没有电流产生，谈不上放大作用。如果增大交流信号电压ui，那么ui按正弦规律变化时，由于发射结的单向导电作用，ui的负半周使发射结反向偏置，三极管截止，也不能产生相应的基极电流和集电极电流。当ui正半周时，由于三极管输入特性的非线性，因此只有ui的顶部能　　图1 不设静态工作点的放大电路　　a) 不设静态工作点的输入回路 b) 发射结等效电路　　c) 不设静态工作点时的输入信号波形　　大于发射结死区电压，使三极管产生基极电流，如图1（c）所示。显然，这时基极电流的波形和输入信号的波形大大不同，产生了严重失真。当然，由此产生的集电极电流也会出现严重失真。造成这种失真的原因主要是三极管输入特性的非线性和发射结的单向导电性所致。　　1、 静态工作点的设置　　为了消除上述失真，必须在未加入交流信号之前，先给三极管加上一个直流基极电流（简称偏流），这个电流可由GB1和电阻RB来提供，RB又叫基极偏置电阻，如图2（a）所示。　　无交流信号输入时，放大电路的状态称为静态。由图2（a）可见， GB1通过RB给三极管加了直流偏置电流，相应的基极电压UBE、集电极电流IC、集电极电压UCE在静态时也都是不变的直流电量。这些直流电量对应着三极管输入特性曲线和输出特性曲线上某一个点，这个点称为放大电路的静态工作点Q。与静态工作点相应的这些直流电量分别记作基极电流IBQ、基极电压UBEQ、集电极电流ICQ和集电极电压UCEQ。图2 共发射极基本放大电路　　a) 静态时的共发射极基本放大电路 b) 动态时的共发射极基本放大电路　　c) 设置静态工作点时的输入信号波形　　有交流信号输入时，放大电路的状态称为动态。动态时，交流信号ui和基极电压UBEQ一起叠加到三极管发射结上，由ui引起的基极变化电流ib也桑加在基极电流IBQ上，如图2-41（b）和（c）所示。只要IBQ选择适当，在交流信号ui的正半周引起基极总电流iB增大，负半周引起基极总电流iB减小，加到发射结上的总电压UBEQ始终为正，并大于死区电压，这样在ui整个周期内，三极管的集电极总电流iC＝βiB，处于正常放大状态。　　由此可见，设置适当的静态工作后，目的就是使放大电路工作在线性放大状态，避免信号在放大过程中产生失真。同时也说明，放大电路必须有直流偏置电路。　　2、共发射极放大电路的组成图2（a）是由NPN型三极管组成的最基本的放大电路。整个电路分成输入回路和输出回路两部分。1、1′端为放大电路的输入端，用来接收输入信号。2、2′端为输出端，用来输出放大后的信号。图中“⊥”表示公共端，也称为接“地”。实际上公共端不一定真的与大地相连接，只是表明该点为电位的参考点，电路中其他各点电位都是相对“⊥”而言。由于图中三极管的发射极是输入和输出回路的公共端，故称为共发射极放大电路。顺便指出，根据不同要求，也可分别把三极管的基极和集电极作为输入和输出回路的公共端，分别叫作共基极放大电路和共集电极放大电路，它们各自具有不同的特性。因此，放大电路有三种连接组态。在实际电路中，基极回路不必使用单独的电源，而是通过基极偏置电阻RB直接取自集电极电源来获得直流基极电压，使电路较为简化，如图3（a）所示。此外，在画电路图时，往往省略电源的图形符号，而用其电位的极性及数值来表示，如图3（b）所示。图中＋UGB表示该点接电源GB的正极，而电源的负极就接在电位为零的“⊥”上。图3 共发射极基本放大电路的习惯画法　　a) 单电源供电 b) 习惯画法　　下面我们以图图3（b）为例来说明放大电路中各元器件的作用：　　1. 三极管V： 具有电流放大作用，是放大电路中的核心器件。　　2. 基极偏置电阻RB：RB的作用是向三极管的基极提供合适的偏置电流，并向发射结提供必须的正向偏置电压。选择适当的RB的数值，就可使三极管有适当的静态工作点。RB阻值一般取几十千欧到几百千欧之间。　　3. 集电极直流电源GB： 它的正极通过RC接三极管的集电极，负极接三极管的发射极。电源GB有两个作用，一方面通过RB给三极管提供发射结正偏电压，同时又给三极管的集电结提供反偏所需的电压，使三极管处于放大工作状态。另一方面给放大电路提供能源，由于三极管的放大作用实质上是，用输入端能量较小的信号去控制输出端能量较大的信号，三极管本身并不能凭空创造出新的能量，输出信号的能量来源于集电极电源GB，因此，它是整个放大电路的能源。电源GB的电压一般取值为几伏到几十伏。　　4. 集电极负载电阻RC： RC的作用是把三极管的电流放大作用以电压放大的形式表现出来，若RC＝0则三极管的集电极电压将等于电源电压，即使在由输入信号引起集电极电流的变化情况下，集电极电压也仍保持不变，因此不可能有交流信号电压传送给负载电阻。RC阻值一般取几百欧到几千欧。　　5. 耦合电容器C1和C2： 它们分别接在放大电路输入端和输出端。利用它对直流电呈现的阻抗较大，对交流电呈现的阻抗较小，即“隔直流通交流”的特点，一方面可避免放大电路的输入端与图4由PNP型三极管组成信号源之间、输出端与负载之间直 成的共发射极基本放大电路流电的互相影响，使三极管的静态工作点不致因接入信号源和负载而发生变化。另一方面又要保证输入和输出的交流信号畅通地进行传输。通常C1和C2选用电解电容器，取值为几微法到几十微法。　　三极管有NPN型和PNP型两大类。用PNP型三极 图4 由PNP型三极管　　管也可以组成放大电路，如图4所示。由于NPN型和 组成的共发射极基本放大电路　　PNP型这两类三极管的极性不同，因此在放大电路中必 须注意电源的极性和电容器的极性，不能搞错。
在保证三极管发射结正偏，集电结反偏这一条件下，三极管基极电流发生微小的变化ΔIB，会引起集电极电流发生较大变化，即ΔIC＝βΔIB。而且在放大过程中，集电极电源的直流电能转变为交流电能输出。　　那么在交流放大电路中，能否利用输入的交流信号电压作为发射结正向电压而直接加到三极管的基极，使三极管集电极电流也发生较大变化，从而实现放大作用?下面我们结合图1（a）来进行讨论。　　根据三极管内部的结构，图1（a）的基极回路可以等效成图1（b）。我们知道，三极管的发射结具有单向导电性，而且存在死区。如果加在三极管基极上的交流信号电压ui很小，不能超过发射结死区电压［图1（c）中虚线］，则基极没有电流产生，谈不上放大作用。如果增大交流信号电压ui，那么ui按正弦规律变化时，由于发射结的单向导电作用，ui的负半周使发射结反向偏置，三极管截止，也不能产生相应的基极电流和集电极电流。当ui正半周时，由于三极管输入特性的非线性，因此只有ui的顶部能　　图1 不设静态工作点的放大电路　　a) 不设静态工作点的输入回路 b) 发射结等效电路　　c) 不设静态工作点时的输入信号波形　　大于发射结死区电压，使三极管产生基极电流，如图1（c）所示。显然，这时基极电流的波形和输入信号的波形大大不同，产生了严重失真。当然，由此产生的集电极电流也会出现严重失真。造成这种失真的原因主要是三极管输入特性的非线性和发射结的单向导电性所致。　　1、 静态工作点的设置　　为了消除上述失真，必须在未加入交流信号之前，先给三极管加上一个直流基极电流（简称偏流），这个电流可由GB1和电阻RB来提供，RB又叫基极偏置电阻，如图2（a）所示。　　无交流信号输入时，放大电路的状态称为静态。由图2（a）可见， GB1通过RB给三极管加了直流偏置电流，相应的基极电压UBE、集电极电流IC、集电极电压UCE在静态时也都是不变的直流电量。这些直流电量对应着三极管输入特性曲线和输出特性曲线上某一个点，这个点称为放大电路的静态工作点Q。与静态工作点相应的这些直流电量分别记作基极电流IBQ、基极电压UBEQ、集电极电流ICQ和集电极电压UCEQ。图2 共发射极基本放大电路　　a) 静态时的共发射极基本放大电路 b) 动态时的共发射极基本放大电路　　c) 设置静态工作点时的输入信号波形　　有交流信号输入时，放大电路的状态称为动态。动态时，交流信号ui和基极电压UBEQ一起叠加到三极管发射结上，由ui引起的基极变化电流ib也桑加在基极电流IBQ上，如图2-41（b）和（c）所示。只要IBQ选择适当，在交流信号ui的正半周引起基极总电流iB增大，负半周引起基极总电流iB减小，加到发射结上的总电压UBEQ始终为正，并大于死区电压，这样在ui整个周期内，三极管的集电极总电流iC＝βiB，处于正常放大状态。　　由此可见，设置适当的静态工作后，目的就是使放大电路工作在线性放大状态，避免信号在放大过程中产生失真。同时也说明，放大电路必须有直流偏置电路。　　2、共发射极放大电路的组成图2（a）是由NPN型三极管组成的最基本的放大电路。整个电路分成输入回路和输出回路两部分。1、1′端为放大电路的输入端，用来接收输入信号。2、2′端为输出端，用来输出放大后的信号。图中“⊥”表示公共端，也称为接“地”。实际上公共端不一定真的与大地相连接，只是表明该点为电位的参考点，电路中其他各点电位都是相对“⊥”而言。由于图中三极管的发射极是输入和输出回路的公共端，故称为共发射极放大电路。顺便指出，根据不同要求，也可分别把三极管的基极和集电极作为输入和输出回路的公共端，分别叫作共基极放大电路和共集电极放大电路，它们各自具有不同的特性。因此，放大电路有三种连接组态。在实际电路中，基极回路不必使用单独的电源，而是通过基极偏置电阻RB直接取自集电极电源来获得直流基极电压，使电路较为简化，如图3（a）所示。此外，在画电路图时，往往省略电源的图形符号，而用其电位的极性及数值来表示，如图3（b）所示。图中＋UGB表示该点接电源GB的正极，而电源的负极就接在电位为零的“⊥”上。图3 共发射极基本放大电路的习惯画法　　a) 单电源供电 b) 习惯画法　　下面我们以图图3（b）为例来说明放大电路中各元器件的作用：　　1. 三极管V： 具有电流放大作用，是放大电路中的核心器件。　　2. 基极偏置电阻RB：RB的作用是向三极管的基极提供合适的偏置电流，并向发射结提供必须的正向偏置电压。选择适当的RB的数值，就可使三极管有适当的静态工作点。RB阻值一般取几十千欧到几百千欧之间。　　3. 集电极直流电源GB： 它的正极通过RC接三极管的集电极，负极接三极管的发射极。电源GB有两个作用，一方面通过RB给三极管提供发射结正偏电压，同时又给三极管的集电结提供反偏所需的电压，使三极管处于放大工作状态。另一方面给放大电路提供能源，由于三极管的放大作用实质上是，用输入端能量较小的信号去控制输出端能量较大的信号，三极管本身并不能凭空创造出新的能量，输出信号的能量来源于集电极电源GB，因此，它是整个放大电路的能源。电源GB的电压一般取值为几伏到几十伏。　　4. 集电极负载电阻RC： RC的作用是把三极管的电流放大作用以电压放大的形式表现出来，若RC＝0则三极管的集电极电压将等于电源电压，即使在由输入信号引起集电极电流的变化情况下，集电极电压也仍保持不变，因此不可能有交流信号电压传送给负载电阻。RC阻值一般取几百欧到几千欧。　　5. 耦合电容器C1和C2： 它们分别接在放大电路输入端和输出端。利用它对直流电呈现的阻抗较大，对交流电呈现的阻抗较小，即“隔直流通交流”的特点，一方面可避免放大电路的输入端与图4由PNP型三极管组成信号源之间、输出端与负载之间直 成的共发射极基本放大电路流电的互相影响，使三极管的静态工作点不致因接入信号源和负载而发生变化。另一方面又要保证输入和输出的交流信号畅通地进行传输。通常C1和C2选用电解电容器，取值为几微法到几十微法。　　三极管有NPN型和PNP型两大类。用PNP型三极 图4 由PNP型三极管　　管也可以组成放大电路，如图4所示。由于NPN型和 组成的共发射极基本放大电路　　PNP型这两类三极管的极性不同，因此在放大电路中必 须注意电源的极性和电容器的极性，不能搞错。
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