正弦交流电的瞬时值、最大值、有效值
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摘要: 在了解正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值之前我们先来看看前一节课中的正弦交流电电动势波形图，如下右图所示。这个波形图还可以用数学表达式表示为：
公式中：Em表示为最大值、ω为电角度、e为瞬时值、t表示时间。
由上述公式可 ...
在了解正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值之前我们先来看看前一节课中的正弦交流电电动势波形图，如下右图所示。这个波形图还可以用数学表达式表示为：
公式中：Em表示为最大值、ω为电角度、e为瞬时值、t表示时间。
由上述公式可见，交流电的大小是随着时间变化而变化的，瞬时值（某一瞬间）的大小在零和正负峰值之间变化，最大值也仅是一瞬间数值，不能反映交流电的做工能力。
于是便引入有效值的概念，其定义为：
如果交流电和直流电分别通过同一电阻，两者在相同的时间内所消耗的电能相等（或所产生的焦耳热相同），则此直流电的数值就叫做交流电有效值的数值。
正弦交流电的电动势、电压、电流的有效值分别以E、U、I表示。通常所说的交流电的电动势、电压、电流的大小均值它的有效值。交流电设备上标的额定值以及交流电仪表所指示的数值也均为有效值。
理论和实验均已表面、正弦交流电的有效值与最大值之间的关系为：
其他正弦量（电压、电流等）也可以写出文中开头第一个表达式的形式：
电压、电流也都有瞬时值、最大值、有效值。一般瞬时值用小写字母（如u、i等）表示，最大值用大写字母附有下标m字母表示（如Um、Im）。有效值用大写字母（U、I）表示。最大值与有效值的关系为：
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什么是静态和动态、直流通路和交流通路？
般情况下，在放大电路中，直流量和交流信号总是共存的。通常放大电路在没有交流信号输入时称为静态，有交流信号输入时称为动态。在对放大电路进行分析时，一方面要了解放大电路的直流量即静态工作点是否合适，另一方面还要分析放大电路的一些动态参数。由于放大电路中会有电容、电感等电抗元件的存在，直流量所流经的通路和交流信号所流经的通路是不同的。分析放大电路时，常将直流量与交流量分开处理。
1.直流通路( direct current path)
在直流电源的作用下，直流电流流经的通路称为直流通路，直流通路用于研究放大电路的静态工作点。对于直流通路：①电容视为开路;②电感视为短路;③信号源为电压源视为短路，为电流源视为开路，但电源内阻保留。如图2 - 7(a)所示。
2.交流通路( alternating current path)
交流通路是在输入信号作用下交流信号流经的通路，交流通路用来研究放大电路的动态参数。对于交流通路：①容量大的电容视为短路;②无内阻的直流电源视为短路。由于理想直流电源的内阻为零，交流电流在直流电源上产生的压降为零(直流电源对交流通路而言视为短路)。如图2 - 7(b)所示电路就是按此原则画出的交流通路。
在放大电路中，为了分析方便，一般把公共端接&地&，设其电位为零，作为电路中其他各点电位的参考点。同时规定：电压的正方向是以共同地端为负端，其他各点为正端。图中所标出的&+&、&-&号分别表示各电压的参考方向;而电流的参考方向加图中的箭头所示，即ic、ib以流入电极为正;ie则以流出电极为正。此外，图中表示电压、电流的各符号的含义如下：(除非特别说明，本书电压和电流的符号均表示此含义)。
UBE、IB--(大写符号，大写下标)表示静态值。
ube、ib--(小写符号，小写下标)表示交流分量瞬时值。
uBE、iB&&(小写符号，大写下标)表示总电压总电流瞬时值即交直流量之和。
Ube、Ib&&(大写符号，小写下标)表示交流分量有效值。
放大电路的分析，包含两个部分：直流分析又称静态分析，在直流通路上分析，主要求出电路的直流工作状态(即确定放大电路的工作状态);交流分析又称动态分析，在交流通路上分析，主要求出放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等性能指标，这些指标是设计放大电路的依据。
基本放大电路内容讲解时，需要设置合适的直流电位，合理稳定的静态工作点，才能不失真传递交流信号等内容学生大多理解不透彻，可以联想河道船运这一具体事例进行类比，河床深度与直流电位的设置类比，船体载重量运输与交流信号的大小传递进行联系。
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1 模拟电子技术 主编 周雪 西安电子科技大学出版社 高等职业技术教育电子电工类系列教材 面向 世纪tp:// 第1章 半导体二极管及其应用电路 第2章 半导体三极管及其放大电路 第3章 场效应管及其应用 第4章 集成运算放大器 第5章 负反馈放大器 第6章 集成运算放大器的基本应用 第7章 波形发生器 第8章 功率放大器 第9章 直流稳压电源 第10章 集成模拟乘法器在频率变换电路中的应用 第11章 晶闸管及其应用电路 目录第1章 半导体二极管及其 应用电路 ?1.1 PN结?1.2 半导体二极管 ?1.3 整流滤波电路 ?1.4 特殊二极管 1.1 PN结1.1.1 半导体的基础知识 * 图1.1表示的是由二极管、 灯泡、 限流电阻、 开关 及电源等组成的简单电路. % 电路演示如下: % 按图1.1(a)所示, 闭合开关S, 灯泡发光, 说明电路导 通. % 若二极管管脚调换位置, 如图1.1(b)所示, 闭合 开关S, 灯泡不发光, 由以上演示结果可知: 二极管具有单向导电性. + - + - V 2CZ54C R H S 3 V U 2CZ54C V H R S (a) (b) 3 V 图1.1 半导体二极管导电性能的实验 1.半导体的特性% 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝 缘体、半导体.半导体导电能力介于导体和绝缘体之 间.它具有热敏性、光敏性和掺杂性.利用光敏性可 制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性 可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性 能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场 效应管等. 2 2.半导体的共价键结构% 在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都 是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电 子.每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而 且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面 围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原 子所属的轨道上.这样,相邻的原子就被共有的价电子 联系在一起,称为共价键结构.如图1.2所示.% +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 正离子核 两个电子的共价键 大块晶体中 的局部结构 图1.2 硅和锗的共价键结构 当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价 电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得 一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由 电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这 个空位称为空穴,如图1.3所示. +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 由于热激发而产 生的自由电子 自由电子移走后 留下的空穴 图1.3 本征激发产生电子空穴对示意图 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空 穴对.在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的. 我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对 的现象,称为本征激发,又称为热激发.% 由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作 用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电 子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转 移到这个新的空位上,如图1.4所示.为了区别于自由电子 的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为 空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等, 符号相反.由此可见, 本征半导体中存在两种载流子: 电子和空穴.而金属导体中只有一种载流子――电子. 本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相 反而形成的电流方向相同,如图1.5所示.% 3 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 原空穴处 现空穴处 价电子 填补轨迹 图1.4 电子与空穴的移动 自由电子 空穴 ?A U I 图1.5 两种载流子在电场中的运动 3.杂质半导体% 1) N型半导体% 在纯净的半导体硅(或锗)中掺入微量五价元素 (如磷)后,就可成为N型半导体,如图1.6(a)所示.在这 种半导体中,自由电子数远大于空穴数,导电以电子为主, 故此类半导体亦称电子型半导体. 2) P型半导体% 在硅(或锗)的晶体内掺入少量三价元素杂质,如硼(或铟)等.硼原子只有3个价电子,它与周围硅原子 组成共价键时,因缺少一个电子,在晶体中便产生一个% % 空穴.这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具 有导电性能.P型半导体共价键结构如图1.6(b)所示. +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4 杂质原子提供 的多余的电子 杂质正离子 (a) +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4 受主原子 邻近的电子落入受主的 空位留下可移动的空穴 可移动的空穴 受主获得一个电子 而形成一个负离子 (b) 图1.6掺杂质后的半导体$ (a)N型半导体; (b)P型半导体 在P型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多 数载流子(简称"多子"),自由电子为少数载流子(简称 "少子").导电以空穴为主,故此类半导体又称为空穴 型半导体. 4 1.1.2 PN结及其单向导电特性% 1. PN 结的形成% 在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成 P型半导体,另一边形成N型半导体. 在交界面两侧形成一个带异性电荷的离子层,称为空 间电荷区,并产生内电场,其方向是从N区指向P区,内电场 的建立阻碍了多数载流子的扩散运动,随着内电场的加强, 多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交界面形成一个稳 定的特殊的薄层,即PN结.因为在空间电荷区内多数载流 子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了,因此空间电 荷区又称为耗尽层.% 2. PN结的单向导电特性% 在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压.% 1) PN结正向偏置% 给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电 源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1.7所示.% 由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生 的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两 区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PN结处于 正向导通状态.% % + + + + - - - - 空穴 (多数) 电子 (多数) 变薄 P N 内电场 外电场 mA + - I R U 图1.7 PN结加正向电压 2) PN结反向偏置% 给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接 电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图1.8所示. + + + + - - - - 空穴 (少数) 电子 (少数) 变厚 P N 内电场 外电场 ?A IR R U + + + + + + + + - - - - - - - - + - 图1.8 PN结加反向电压 由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内 电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动.在外电场 的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反 向电流.% 应当指出,少数载流子是由于热激发产生的,因而PN 结的反向电流受温度影响很大.% 综上所述,PN结具有单向导电性,即加正向电压时导 通,加反向电压时截止.% 5 1.2 半导体二极管% 1.2.1 半导体二极管的结构、符号及类型% 1.结构符号 二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.9 所示,在图1.9(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通 电流方向.% % P N (阳极) 外壳 阴极引线 阳极引线 + - + - (阳极) (阴极) (阴极) (a) (b) V 2AP 2CP 2CZ54 2CZ13 2CZ30 (c) 图1.9 二极管结构、符号及外形举例$ (a)结构;(b)符号;(c)外形 2.类型% (1)按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极 管等.% (2)按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面 接触型二极管.% (3)按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、 变容、阻尼等二极管.% (4)按封装形式分:有塑封及金属封等二极管.% (5)按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极 管.% 1.2.2 半导体二极管的命名方法% 半导体器件的型号由五个部分组成,如图1.10所示. 其型号组成部分的符号及其意义见附录一.如2AP9,"2"表示电极数为2,"A"表示N型锗材料,"P"表示 普通管,"9"表示序号.% 用字母表示规格号 用数字表示序号 用字母表示类型 用字母表示材料和极性 用数字表示电极数目 图1.10 半导体器件的型号组成 6 1.2.3 半导体二极管的伏安特性% 半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的 特性――单向导电性.常利用伏安特性曲线来形象地描 述二极管的单向导电性. 若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电 压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来,就构成二极 管的伏安特性曲线,如图1.11所示(图中虚线为锗管的 伏安特性,实线为硅管的伏安特性).下面对二极管伏 安特性曲线加以说明.% 0.2 0.4 0.6 0.8 O 5 10 15 -30 -U(BR) C C' D' D IR A' A B' B 硅锗iV / mA uV / V (?A) -5 图1.11 二极管伏安特性曲线 1. 正向特性% 二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向 电压较小时,正向电流极小(几乎为零),这一部分称为 死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压 (也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图1.6中OA(OA′)段. 当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地 增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态.这时硅管 的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如图 1.11中AB(A′B′)段.% % 二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能 超过最大值,否则将烧坏PN结. 2. 反向特性% 二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二 极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电 压而变化.此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图 1.11中OC(OC′)段. % 3. 反向击穿特性% 二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增 大,这种现象称为反向击穿.此时对应的电压称为反向 击穿电压,用UBR表示,如图1.11中CD(C′D′)段. 4.温度对特性的影响% 由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温 度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向 压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大.% % 1.2.4 半导体二极管的主要参数% 1. 最大整流电流IF% 2. 最大反向工作电压 URM+ * 3. 反向饱和电流 IR+ % 4. 二极管的直流电阻R% 5. 最高工作频率fM+ % 7 1.2.5 二极管的简易测试 将万用表置于R*100或R*1k(Ω)挡(R*1挡电流 太大,用R*10k(Ω)挡电压太高,都易损坏管子).如图 1.12所示, 表头 (a) (b) + - 黑表棒 红表棒 + - 黑表棒 红表棒 ? ? + - 电池 图1.12 万用表简易测试二极管示意图$ (a)电阻小;(b)电阻大 1.2.6 二极管使用注意事项% 二极管使用时,应注意以下事项:% (1)二极管应按照用途、参数及使用环境选择.% (2)使用二极管时,正、负极不可接反.通过二极管的 电流,承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所 规定的极限值.% (3)更换二极管时,应用同类型或高一级的代替.% (4)二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm, 以免造成引线折断或外壳破裂.% 1.3 整流滤波电路% 1.3.1 整流电路% 1. 单相半波整流电路% 1)电路的组成及工作原理% 图1.14(a)所示为单相半波整流电路. 由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有 半个周期的正弦波,故称半波整流.% + - + - u1 u2 RL uO A
T (a) + - V π 2π 3π 4π ω t 2 2U u2 ω t 2 2U uO 0 0 ω t iV =iO 0 ω t 2 2U ? uV 0 (b) 图1.14 单相半波整流电路及 波形图$ (a)电路图;(b)波形图 8 2)负载上的直流电压和直流电流% 直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值.即 . 0 2 2 2 ) ( sin 2 1 ) ( 2 1 U U p t ? d t ? U 2 p t ? d U p U p O p O ≈ = = = ∫ ∫ (1.1) 流过负载RL上的直流电流为 R U R U I L L O O 2 45 . 0 ≈ = (1.2) 3)整流二极管参数% 由图1.14(a)可知,流过整流二极管的平均电流IV与流 过负载的电流相等,即RUIILOV45 . 0 2 = = (1. 3) 当二极管截止时,它承受的反向峰值电压URM是 变压器次级电压的最大值,即UURM 2 2 = (1. 4) % 2.单相桥式整流电路% 1)电路的组成及工作原理% 桥式整流电路由变压器和四个二极管组成,如图 1.15所示.由图(a)可见,四个二极管接成了桥式,在四个 顶点中,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载RL, 不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源.输出波 形如图1.17所示.% % + - + - RL u1 u2 T A B V4 V3 V2 V1 (a) + - + - V1 V2 V3 V4 + - uO u1 u2 (b) + - RL + - A B T + - + - RL u1 u2 T A B V1 ~ V4 (c) uO + - 图1.15单相桥式整流电路$ (a)电路画法一;(b)电路画法二;(c)电路画法三 + - RL u1 u2 T A B V3 V1 (a)
+ - + - 9 + - RL u1 u2 T A B V4 V2 (b)
+ - + - - + 图1.16单相桥式电路的电流通路$ (a)u2正半周时; (b)u2负半周时 2 2U L 2 2 R U L 2 2 R U L 2 2 R U 2 2U 2 2U 0 ω t ω t 0 ω t 0 ω t 0 ω t 0 2π 3π π 4π u2 i0 u0 iV1 , iV3 iV2 , iV4 ω t 0 uV1 , uV3 图1.17桥式整流电路输出 波形图 2)负载上的直流电压和直流电流% 由上述分析可知,桥式整流负载电压和电流是半波 整流的两倍. R U I U U L O O 2 2 9 . 0 9 . 0 = = (1. 5) (1. 6) 3)整流二极管的参数% 在桥式整流电路中,因为二极管V1、V3和V2、V4在 电源电压变化一周内是轮流导通的,所以流过每个二极 管的电流都等于负载电流的一半,即 桥式整流电路与半波整流电路相比,电源利用率提 高了1倍,同时输出电压波动小,因此桥式整流电路得到 了广泛应用.电路的缺点是二极管用得较多,电路连 接复杂,容易出错,为了解决这一问题,生产厂家常 将整流二极管集成在一起构成桥堆,内部结构及外形如 图1.18所示. R U I I L O V 2 45 . 0 2 1 = = (1. 7) 从图1.16可知,每个二极管在截止时承受的反向 峰值电压为 U URM 2 2 = (1. 8) + - ~ ~ ~ ~ ~ - + - + ~ 2CQ ~ 2CQ ~ +(-) (a) ~ ~ + - QL ~ ~ + - (b) 图1.18桥堆内部结构及外形图$ (a)半桥堆;(b)全桥堆 使用一个"全桥"或连接两个"半桥",就可代替四只 二极管与电源变压器相连,组成桥式整流电路,非常方 便.选用时,应注意桥堆的额定工作电流和允许的最高 反向工作电压应符合整流电路的要求.% 10 1.3.2 滤波电路% 常见的电路形式如图1.19所示.% C L 电感滤波器 C 倒L型滤波器 L C π型滤波器 C L C C R 电阻π型滤波器 图1.19 各种滤波电路 1.电容滤波电路% 1)电路组成及工作原理% 图1.20(a)为单相半波整流电容滤波电路,它由电容 C和负载RL并联组成.% + - u1 u2 RL uO V iO T (a) + C ω t a b 充电 放电 充电 放电 V截止 V 导通 π 2π 3π uO 0 (b) 图1.20 半波整流电容滤波电路及波形 其工作原理如下:% 当u2的正半周开始时,若u2>uC(电容两端电压),整 流二极管V因正向偏置而导通,电容C被充电:由于充 电回路电阻很小,因而充电很快,uC和u2变化同步. 当ωt=π/2时,u2达到峰值,C两端的电压也近似充至 u2值.% 2 在桥式整流电路中加电容进行滤波器与半波整流 滤波电路工作原理是一样的,不同点是在u2全周期内,电 路中总有二极管导通,所以u2对电容C充电两次,电容器 向负载放电的时间缩短,输出电压更加平滑,平均电压值 也自然升高.这里不再赘述.桥式整流电容滤波电路 及波形如图1.21所示.% 11 + - uO RL u1 u2 T V4 V3 V2 V1 + C iO (a) + - uO RL u1 u2 T V4 V3 V2 V1 + C iO (a) 图1.21桥式整流电容滤波电路及波形$ (a)电路;(b)波形 3) 元件选择% (1) 电容选择: 滤波电容C的大小取决于放电回路的 时间常数, RLC愈大, 输出电压脉动就愈小, 通常取RLC 为脉动电压中最低次谐波周期的3~5倍, 即2)负载上电压的计算 U U U U O O 2 2 2 . 1 1 . 1 ~ 1 ≈ ≈ (半波) (1. 9) (半波、全波) (1. 10) T C T C R R L L ) 5 ~ 3 ( 2 ) 5 ~ 3 ( ≥ ≥ (桥式、全波) (1. 11) (半波) (1. 12) 4)电容滤波的特点% 电容滤波电路结构简单、输出电压高、脉动小. 但在接通电源的瞬间,将产生强大的充电电流,这种电流 称为"浪涌电流";同时,因负载电流太大,电容器放电的 速度加快,会使负载电压变得不够平稳,所以电容滤波电 路只适用于负载电流较小的场合.% (2) 整流二极管的选择.% 正向平均电流为 I I I I O V O V 2 1 > > (半波) (1. 13) (桥式) (1. 14) 2.电感滤波电路% 电感线圈L和负载的串联电路,同样具有滤波作用, 电路如图1.22所示. 整流滤波输出的电压,可以看成由直流分量和交流 分量叠加而成.因电感线圈的直流电阻很小,交流电抗 很大,故直流分量顺利通过,交流分量将全部降到电感线 圈上,这样在负载RL得到比较平滑的直流电压.% 电感滤波电路的输出电压为 2 9 . 0 U UO = (1.17)' + - RL u1 u2 T uO L (a) 12 滤波前 滤波后 uO ω t O (b) 图1.22 桥式整流电感滤波电路及波形$ (a)电路;(b)波形 1.4 特殊二极管% 前面主要讨论了普通二极管,另外还有一些特殊用 途的二极管,如稳压二极管、发光二极管、光电二极管 和变容二极管等,现介绍如下. 1.稳压二极管% 1)稳压二极管的工作特性% 稳压二极管简称稳压管,它的特性曲线和符号如图 1.23所示. (a) UZ ?UZ UB UA U / V O ? IZ IZ ) IB(IZmax) A B I / mA V 图1.23稳压二极管的特性曲线和符号$ (a)伏安特性曲线;(b)符号 2)稳压二极管的主要参数% (1)稳定电压UZ. 稳定电压UZ即反向击穿电压. (2)稳定电流IZ. 稳定电流IZ是指稳压管工作至稳压状态时流过的电 流.当稳压管稳定电流小于最小稳定电流IZmax时,没有 稳定作用;大于最大稳定电流IZmax时,管子因过流而损 坏.% 2.发光二极管% 发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的, 同样具有单向导电性,但在正向导通时能发光,所以它是 一种把电能转换成光能的半导体器件.电路符号如图 1.24所示. V 图1.24 发光二极管电路符号 1)普通发光二极管% 普通发光二极管工作在正偏状态.% 检测发光二极管,一般用万用表R*10k(Ω)挡,方法和 普通二极管一样,一般正向电阻15kΩ左右,反向电阻为无 穷大.% 2)红外线发光二极管 红外线发光二极管工作在正偏状态.% 用万用表R*1k(Ω)挡检测,若正向阻值在30kΩ左右, 反向为无穷大,则表明正常,否则红外线发光二极管性能变 差或损坏.% 13 3)激光二极管 根据内部构造和原理,判断激光二极管好坏的方法是通 过测试激光二极管的正、反向电阻来确定好坏.若正向电 阻为20~30kΩ,反向电阻为无穷大,说明正常,否则,要么激 光二极管老化,要么损坏.% 3.光电二极管% 光电二极管工作在反偏状态,它的管壳上有一个玻璃窗 口,以便接受光照. 光电二极管的检测方法和普通二极管的一样,通常正向 电阻为几千欧,反向电阻为无穷大.否则光电二极管质量变 差或损坏.当受到光线照射时,反向电阻显著变化,正向 电阻不变.% V 图1.25 光电二极管电路符号 4.变容二极管% 变容二极管是利用PN结电容可变原理制成的半导体 器件,它仍工作在反向偏置状态.它的压控特性曲线和电 路符号如图1.26所示.% 0 2 4 6 8 10 12 14 20 40 60 80 -U / V C j / pF V (a) (b) 图1.26变容二极管的压控特性曲线和电路符号$ (a)电路符号;(b)压控特性曲线 第2章半导体三极管及其 放大电路 ? 2.1 半导体三极管% ? 2.2 放大电路的基本概念 ?2.3 放大电路的失真现象分析 ?2.4 放大电路的偏置方式 ?2.5 放大电路性能指标的估算 ?2.6 多级放大电路 2.1 半导体三极管% 2.1.1 三极管的结构与分类% 1.三极管的结构与电路符号% 三极管的结构示意图如图2.1(a)所示,它是由三 层不同性质的半导体组合而成的.按半导体的组合方 式不同,可将其分为NPN型管和PNP型管.% N P N 集电结 发射结 集电区 基区 发射区 b c e P N P 集电结 发射结 集电区 基区 发射区 b c e NPN型PNP型(a) 14 V c b e V c b e PNP型NPN型(b) 图2.1三极管的结构示意图与电路符号$ (a)结构示意图;(b)电路符号 无论是NPN型管还是PNP型管,它们内部均含有三 个区:发射区、基区、集电区.从三个区各引出一个金 属电极分别称为发射极(e)、基极(b)和集电极 (c);同时在三个区的两个交界处形成两个PN结,发射 区与基区之间形成的PN结称为发射结,集电区与基区之 间形成的PN结称为集电结.三极管的电路符号如图2.1 (b)所示,符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的 电流方向.% 2. 三极管的分类% 三极管的种类很多, 有下列5种分类形式:% (1) 按其结构类型分为+ NPN管和PNP+ 管; % (2) 按其制作材料分为硅管和锗管; % (3) 按工作频率分为高频管和低频管; % 3.三极管的外形结构% 常见三极管的外形结构如图2.2所示.% 小功率管 塑封管 硅铜塑封三极管 低频大功率三极管 图2.2 常见三极管的外形结构 2.1.2 三极管的电流分配与放大作用% 三极管实现放大作用的外部条件是发射结正向偏置, 集电结反向偏置.图2.3(a)为NPN管的偏置电路, + - Rb UBB IE IB IC + - UCC Rc (a) V + - Rb UBB IE IB IC + - UCC Rc (b) V 图2.3 三极管具有放大作用的外部条件 15 *1.三极管内部载流子的运动% 图2.4所示为三极管内部载流子运动的示意图.% 1)发射区向基区发射电子的过程% 2)电子在基区的扩散和复合过程% 3)电子被集电区收集的过程% + - + - UCC Rc Rb UBB b e c P N N IC IE IB ICBO ICN IBN 图2.4 三极管内部载流子的运动情况 以上式说明,在三极管中发射极电流IE等于集电极电 流IC和基极电流IB之和.% 对于PNP管,三个电极产生的 电流方向正好和NPN管相反.其内部载流子的运动情 况读者可自己分析.% I I I I I I I I I I I B
C = = + = ? = + = 由图2.4不难得出: 2. 三极管的电流放大作用 I I I I I I I I I I CBO C CBO BN
) 1 ( , β β β + + = ? = + = = 由于 固有 当ICBO可以忽略时,上式可简化为 I I B C β ≈ 把集电极电流的变化量与之比定义为三极管的 共发射极交流电流放大系数β,其表达式为 I I B C ? ? = β 3.电流分配关系的测试% 1)测试电路% 图2.5所示为三极管各电极电流分配关系的测试电 路.% + - mA + - mA b c e V (NPN) mA UBB IE IB IC UCC Rb Rc RP 图2.5 电流分配关系测试电路 2)测试数据% 3)数据分析 (1) IE、IC、IB间的关系. (2) IC、 IB间的关系. 从表中第三列、 第四列数 据可知: 100 02 . 0 98 . 1 01 . 0 09 . 1 ≈ ≈ = I I B C 16 89 01 . 0 89 . 0 89 . 0 09 . 1 98 . 1 01 . 0 01 . 0 02 . 0 = = ? ? = ? = ? = ? = ? = I I I I I I B C C B B C mA mA β 又 这表示其交流放大性能, 用β表示, 即IIBC??=β(3) 从表中可知, 当IE=0时, 即发射极开路, IC=一IB. (4) 从表中可知, 当IB=0时, 即基极开路, IC=IE≠0, 此电流称为集电极-发射极的穿透电流, 用ICEO表示.三 极管三电极电流分配关系可用图2.6表示. + - + - IE IB IC (最小) (最大) (大) UCE UBE c b e + - + - IE IB IC UCE UBE c b e (a) (b) 图2.6三极管的电流分配关系$ (a)NPN型三极管; (b)PNP型三极管 2.1.3三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是指各电极间电压和电流之间的 关系曲线. mA ?A + - + - V + - V + - UBB uBE uCE UCC iE Rb Rc iB iC 图2.7 三极管特性曲线的测试电路 1.输入特性曲线% 三极管的输入特性曲线如图2.8(a)所示. 25℃ 0 20 40 60 80 100 0.2 0.4 0.6 0.8 uBE / V iB / ?A u CE = 0 u CE =1 V (a) 0 2 4 6 8 10 截止区 放大区100 80 60 40 iB =0 ?A 20 饱和区 iC / mA uCE / V (b) 图2.8三极管的特性曲线$ (a)输入特性曲线; (b)输出特性曲线 17 1) 当uCE=0时%从输入端看进去, 相当于两个PN结并联且正向偏置, 此时的特性曲线类似于二极管的正向伏安特性曲线. % 2) 当uCE≥1V时% 从图中可见, uCE≥1V的曲线比uCE=0V时的曲线 稍向右移 2.输出特性曲线% 输出特性曲线如图2.8(b)所示, 该曲线是指当iB一定时, 输出回路中的iC与uCE之间的关系曲线, 用函数式可表示为 常数 = = B i CE C u i f ) ( 1)放大区% 2)饱和区% 3)截止区 2.1.4三极管的主要参数% 三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的,也是 评价三极管质量以及选择三极管的依据.常用的主要参 数有:% % 1)电流放大系数% 2)反向饱和电流ICBO 3)穿透电流ICEO I I CBO CEO ) 1 ( β + = 4)集电极最大允许电流ICM% 5)集电极― 发射极间的击穿电压U(BR)CEO 6)集电极最大耗散功率PCM* + % 集电极最大耗散功率是指三极管正常工作时最大允许 消耗的功率. 4. 温度对三极管的特性与参数的影响% 1) 温度对uBE的影响% 三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似, 温度升高,曲线左移,如图2.9(a)所示.在iB相同的条件下, 输入特性随温度升高而左移,使uBE减小.温度每升高 1℃,uBE就减小2~2.5mV.% IB iB uBE UBE2 UBE1 50℃ 20℃ (a) O 0 200 ?A 150 ?A 100 ?A 50 ?A IC IC ' uCE iC (b) O 图2.9温度对三极管特性的影响$ (a)温度对输入特性的影响;(b)温度对输出特性的影响 2)温度对ICBO的影响% 三极管输出特性曲线随温度升高将向上移动 . 3)温度对β的影响% 温度升高,输出特性各条曲线之间的间隔增大. 18 2.1.5 三极管的判别及手册的查阅方法% 要准确地了解一只三极管类型、 性能与参数, 可用专 门的测量仪器进行测试, 但一般粗略判别三极管的类型和 管脚, 可直接通过三极管的型号简单判断, 也可利用万用 表测量方法判断.下面具体介绍其型号的意义及利用万用 表的简单测量方法. 1.三极管型号的意义% 三极管的型号一般由五大部分组成,如3AX31A、 3DG12B、3CG14G等.下面以3DG110B为例说明各部分 的命名含义.% (1)第一部分由数字组成,表示电极数."3"代表三 极管.% (2)第二部分由字母组成,表示三极管的材料与类 型.如A表示PNP型锗管,B表示NPN型锗管,C表示 PNP型硅管,D表示NPN型硅管. (3)第三部分由字母组成,表示管子的类型,即表 明管子的功能 . (4)第四部分由数字组成,表示三极管的序号.% % ) 1 ( 3 ) 2 ( D ) 3 ( G ) 4 ( 110 ) 5 ( B (5) 第五部分由字母组成,表示三极管的规格号. 2.三极管手册的查阅方法% 1)三极管手册的基本内容% (1)三极管的型号;% (2)电参数符号说明;% (3)主要用途;% (4)主要参数.% 2)三极管手册的查阅方法% (1)已知三极管的型号查阅其性能参数和使用范围. (2)根据使用要求选择三极管. 3.判别三极管的管型和管脚% (1)根据三极管外壳上的型号,初判其类型.% (2)根据三极管的外形特点,初判其管脚 (3)用万用表判别三极管的管脚及管型.% ①基极的判别. b c e b c e c b e c e b e c b c b e c b e e b c 凸片 凸片 焊接片 接管壳 接管壳 凸片距发射极引线45 角 凸片距发射极引线45 角 以色点辨认集电极 以色点辨认集电极 ° ° e b c 以色点辨认集电极 e c b 图2.10 典型三极管的管脚排列图 c b e 红笔 红笔黑笔 V + - ? 图2.11 三极管基极的测试 19 ②集电极和发射极的判别. 具体测试方法如图2.12所示,图(a)、(b)为PNP 管的测试图,图(c)为NPN管的测试图.% ③根据硅管的发射结正向压降大于锗管的正向压 降的特点,来判断其材料.一般常温下,锗管正向压降为 0.2~0.3V,硅管的正向压降为0.6~0.7V.根据图2.13电 路进行测量,由电压表的读数大小确定是硅管还是锗 管.% e 100 k? b c (c) (e) (c) 图2.12 三极管集电极、发射极的判别 1.5 V 10 k? NPN 1.5 V 10 k? PNP + - V V + - 图2.13 判断硅管和锗管的电路 4. 三极管的质量粗判及代换方法% 1) 判别三极管的质量好坏% 2) 三极管的代换方法% 通过上述方法的判断, 如果发现电路中的三极管已损坏, 更换时一般应遵循下列原则: * % (1) 更换时, 尽量更换相同型号的三极管. % (2)无相同型号更换时, 新换三极管的极限参数应等于 或大于原三极管的极限参数, 如参数ICM、PCM、U(BR)CEO 等. % (3)性能好的三极管可代替性能差的三极管. 如穿透 电流ICEO小的三极管可代换ICEO大的, 电流放大系数β高的 可代替β低的. ( 4)在集电极耗散功率允许的情况下, 可用高频管 代替低频管, 如3DG型可代替3DX型. * % (5)开关三极管可代替普通三极管, 如+ 3DK型代 替3DG型, 3AK型代替3AG+ 型管. 2.1.6 特殊三极管简介% 1.光电三极管% 光电三极管也称光敏三极管,其等效电路和电路 符号如图2.14所示. % c e e e c b (-) (+) IL IC (a) (b) 图2.14 光电三极管的等效电路与电路符号 (a)等效电路;(b)电路符号 20 (a) (b) (c) (d) 图2.15 光电耦合器电路符号$ (a)LED+光敏电阻; (b)LED+光电二极管 $ (c)LED+光电三极管; (d)LED+光电池 2.光电耦合器% 光电耦合器是将发光二极管和光敏元件(光敏电 阻、光电二极管、光电三极管、光电池等)组装在一 起而形成的二端口器件,其电路符号如图2.15所示.它 的工作原理是以光信号作为媒体将输入的电信号传送 给外加负载,实现了电―光―电的传递与转换.光电耦合 器主要用作高压开关、信号隔离器、电平匹配等电路 中,起信号的传输和隔离作用.% 2.2 放大电路的基本知识 2.2.1 放大电路的基本概念% 1.放大的概念% 所谓放大,从表面上看是将信号由小变大,实质上,放 大的过程是实现能量转换的过程.三极管有三个电极, 三极管对小信号实现放大作用时在电路中可有三种不 同的连接方式(或称三种组态),即共(发)射极接法、 共集电极接法和共基极接法.这三种接法分别以发射 极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端, 而构成不同的放大电路,如图2.16(以NPN管为例)所示. % b e c + - + - ui uo b e c + - + - ui uo (a) (b) b e c + - + - ui uo (c) 图2.16 放大电路中三极管的三种连接方法$ (a)共(发)射极电路;(b)共集电极电路;(c)共基极电路 2.放大电路的组成及各元件的作用% 电路的组成如图2.17所示. + + - + Rc Rb RL UCC iB iC iE C1 C2 ui V UCC : 直流电源, ①向RL 提供能量, ②给V提供适当的 偏置 V : 三极管,根据输入信号的 变化规律,控制直流电源所 给出的电流,使在RL 上获得 较大的电压或功率 Rc : 集电极电阻,将集电极电 流转换成集电极电压,并影响 放大器的电压放大倍数 Rb : 基极偏置电 阻,为三极管基 极提供合适的正 向偏流 C1、C2 : 耦合电容(电解电容), ①有效地构成交流信号的通路;②避免 信号源与放大器之间直流电位的互相 影响 + - uo 图2.17 基本共(发)射(极)放大电路 电路中各元件的作用如下: % (1)集电极电源UCC: 其作用是为整个电路提供能 源, 保证三极管的 发射结正向偏置, 集电结反向偏置. (2)基极偏置电阻Rb: 其作用是为基极提供合适的 偏置电流. % (3)集电极电阻Rc: 其作用是将集电极电流的变化 转换成电压的变 (4)耦合电容C1、 C2: 其作用是隔直流、 通交 流. % (5)符号" ⊥" 为接地符号, 是电路中的零参考 电位. 21 3. 放大电路中电压、 电流的方向及符号规定% 1) 电压、 电流正方向的规定% 2)电压、电流符号的规定% (a) (b) O O ω t ω t IB ib Ibm (c) O ω t iB IB 图2.18三极管基极的电流波形$ (a)直流分量;(b)交流分量;(c)总变化量 (1)直流分量.如图2.18(a)所示波形,用大写字母和大 写下标表示.如IB表示基极的直流电流.% (2)交流分量.如图2.18(b)所示波形,用小写字母和小 写下标表示.如ib表示基极的交流电流.% (3)总变化量.如图2.18(c)所示波形,是直流分量和交 流分量之和,即交流叠加在直流上,用小写字母和大写下标 表示.如iB表示基极电流总的瞬时值,其数值为iB=IB+ib. % (4)交流有效值.用大写字母和小写下标表示.如Ib表 示基极的正弦交流电流的有效值.% 4.直流通路和交流通路% 1)直流通路% 所谓直流通路,是指当输入信号ui=0时,在直流电源UCC 的作用下,直流电流所流过的路径.在画直流通路时,电路 中的电容开路,电感短路.图2.17所对应的直流通路如图 2.19(a)所示.% 2)交流通路% 所谓交流通路,是指在信号源ui的作用下,只有交流电 流所流过的路径.画交流通路时,放大电路中的耦合电容 短路;由于直流电源UCC的内阻很小,对交流变化量几乎不 起作用,故可看作短路.图2.17所对应的交流通路如图 2.19(b)所示.% Rb Rc V +UCC (a) + - + - + - b c e Rb Rc RL + - ui uo ib (b) uce ube ic ie 图2.19基本共射放大电路的交、直流通路 $ (a)直流通路;(b)交流通路 2.2.2 放大电路的工作状态分析% 1.静态(ui=0)工作情况% 所谓静态,是指输入信号为零时放大电路的工作状 态.% 静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路中 三极管的工作状态. + - + - ICQ IBQ UCEQ UBEQ +UCC Rb Rc (a) iB IBQ O O UBEQ Q Q uBE ICQ UCEQ iC / mA uCE / V iB =IBQ (b) 图2.20基本放大电路的静态情况$ (a)电路; (b)静态工作点Q 22 2.动态工作情况% 所谓动态,是指放大电路输入信号不为零时的工作 状态.当放大电路加入交流信号ui时,电路中各电极的 电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成的.其波 形如图2.21所示.% + - + - + + + - Rb Rc ui ω t O O iB IBQ iB ω t iC ICQ ω t uBE ω t UBEQ b e c + - iC uCE UCEQ O uo ω t O +UCC C1 C2 O ω t O 图2.21 放大电路的动态工作情况 u U
1 + = i I i b BQ B + = (2.1) (2.2) u U R i U R i U u i I i i ce CEQ C c CEQ C C CC CE c CQ B c + = ? = ? = + = = β (2.3) (2.4) R i u u c c ce o ? = = (2.5) 2.3 放大电路的失真现象分析% 所谓失真,是指输出信号的波形与输入信号的波形 不成比例的现象.% 1.演示电路% 演示电路如图2.22所示.% 2.演示过程% (1)通过信号发生器产生一频率为1000Hz的正弦 波信号ui,输入放大电路,调整ui的幅值和电位器RP,通过 示波器在输出端可观察到最大不失真输出信号的波形, 如图2.23(a)所示.% (2)调节RP,使Rb减小,通过示波器在输出端可观察 到2.23(b)所示的底部失真信号.% (3)调节RP,使Rb增大,通过示波器在输出端可观察 到2.23(c)所示的顶部失真信号.% 3.现象分析% 1)底部失真 Rb Rc C1 C2 ui uo + - + - +UCC RP Y轴输入 示波器 信号 发生器 + + 图2.22 演示电路 23 (a) (b) (c) (d ) 图2.23 通过示波器所观察到的输出波形 2.4 放大电路的偏置分析 放大电路只有设置了合适的静态工作点Q,才能不 失真地放大交流信号.因此,设置直流偏置电路,是实现 对交流信号放大的前提.放大电路中常见的直流偏置 电路有以下几种.% 1.固定偏置式电路% 1)电路组成% 如图2.24所示,+UCC经电阻Rb为发射结提供正偏电 压,经电阻Rc为集电结提供反偏电压.% + - + - ICQ IBQ UCEQ UBEQ +UCC Rb Rc IEQ 图2.24 固定偏置式直流电路 2)静态工作点的估算% R U U I
BQ ? = I I BQ CQ β = R I U U
CEQ ? = R U R U U I C CC
CS ≈ ? = R U I I C SS CS BS β β ≈ = (2.6 ) (2.7) ' (2.8) (2.9)' (2.10 )' 3)电路的特点% 固定偏置式电路结构简单,但静态工作点不稳定. 例如当IBQ固定时,温度升高,β值增大,ICQ增大,UCEQ减小, 使Q点变化.% 2.分压式偏置电路% 1)电路组成% 2)静态工作点的估算 + - + - ICQ IBQ UCEQ UBEQ +UCC Rb1 Rc IEQ Rb2 UBQ I1 I2 Re Rb1、Rb2 : 基极偏置电阻, 构成分压电路,固定三 极管的基极电压(UBQ ) Re : 射极电阻,保 证静态工作点稳定 图2.25 分压偏置式直流电路 24 2) 静态工作点的估算% R U U I U R R R U E BE
b b b BQ ? = + ≈ 2 1 2 (2.11) (2.12) ) ( R R I U U I I I I e
CEQ CQ BQ EQ CQ + ? ≈ = ≈ β (2.13) (2.14$ (2.15) 3) Q点的稳定过程% 3.带有(发)射极电阻Re的固定偏置电路% 1)电路组成% 电路组成如图2.26所示.% + - + - ICQ IBQ UCEQ UBEQ +UCC Rb Rc Re 图2.26 带有(发)射极电阻Re的固定偏置式直流电路 2) Q点的估算% 由电路可得 ) ( ) 1 ( R R I U U I I R R U U I e
CEQ BQ CQ e
BQ + ? ≈ = + + ? = β β 该电路与不带Re的固定偏置式电路相比,静态 工作点较稳定.其稳定过程请读者自行分析. (2.16) (2.17 ) (2.18)' 2.5 放大电路性能指标的估算% 2.5.1 放大电路的动态性能指标 放大电路放大的对象是变化量,研究放大电路时除 了要保证放大电路具有合适的静态工作点外,更重要的 是还要研究其放大性能.对于放大电路的放大性能有 两个方面的要求:一是放大倍数要尽可能大;二是输出信 号要尽可能不失真.衡量放大电路性能的重要指标有 放大倍数、输入电阻ri和输出电阻ro.% 1. 放大倍数% 电压放大倍数的定义为 u u A i o u = (2. 19) i i A i o i = (2. 20) 电流放大倍数的定义为 2.输入电阻ri% 如图2.27所示,放大电路的输入端可以用一个等 效交流电阻ri来表示,它定义为 i u r i i i = (2. 21) + - + - ui ii 放大电路 rs ri + -
uo uo ' io RL + - ri ro 图2.27 放大电路的方框图 25 3. 输出电阻ro% 如图2.27所示,从放大电路输出端看,放大电路对于 负载RL相当于一个信号源,该信号源的内阻就是放大电 路的输出电阻,用ro表示,它定义为 i u r o o o = (2.22) 2.5.2 共发射极放大电路性能指标的估算% 共发射极放大电路(简称共射放大电路)如图2.28所示. 常用等效电路法来对放大电路基本性能指标Au、ri、ro 进行定量估算.% % 1.三极管的微变等效电路% 1) 三极管基-(发)射极间的等效 在图2.28(a)中,根据三极管的输入特性,当输入 信号ui在很小范围内变化时,输入回路的电压uBE、电流 iB在uCE为常数时,可认为其随ui的变化作线性变化,即三 极管输入回路基极与发射极之间可用等效电阻rbe代替.其等效电路如图2.29(b)所示. + + + + - + - +UCC Rb1 Rc Rb2 Re RL + - C1 C2 ui uo UB Ce (a) Ce : 射极旁路电容, 使发射极交流接地 ui Rb1 Rb2 Rc RL (b) + - ib ic ie 图2.28实用的共射放大电路$ (a)电路;(b)交流通路 + - ube + - uce c b e ib ic ib + - ube uce + - c b e ic β ib (a) (d ) β ib + - c e uce ic ib + - ube b rbe rbe e (b) (c) 图2.29三极管的微变等效电路 2)三极管集(电)-(发)射极间的等效% 当三极管工作于放大区时,ic的大小只受ib控制,而与 uCE无关,即实现了三极管的受控恒流特性,ic=βib.所以, 当输入回路的ib给定时,三极管输出回路的集电极与发 射极之间,可用一个大小为βib的理想受控电流源来等 效,如图2.29(c)所示. i u i u r b be
uCE = ? ? = =常数 (2.23) 根据三极管输入回路结构分析,rbe的数值可以用下 列公式计算: ) ( ) ( 26 ) 1 ( mV mV I r r EQ b b be β + + = ′ (2.24) 26 2. 放大电路的微变等效电路 % 把图2.28(b)所示交流通路中的三极管,用微变等效电 路代换,则可得到 放大电路的微变等效电路,如图2.30所示.% 下面我们以图2.28(a)所示电路为例,总结画放大 电路微变等效电路的方法和步骤. (1)画出放大电路的交流通路如图2.28(b)所示.(2)用三极管的微变等效电路代替交流通路中的 三极管,画出放大电路的微变等效电路,如图2.30(a)所示.% % rbe Rb + - ui uo ri ro β ib Rc RL + - ib ic b c (a) rbe Rb + - ui uo ri ro β ib Rc RL + - + -
ib ic c b (b) 图2.30共射放大电路的微变等效电路$ (a)不考虑信号源内阻的等效电路; (b)考虑信号源内阻时的等效电路 3.共射放大电路基本动态参数的估算% 1)电压放大倍数% (1)求有载电压放大倍数Au. ′ ? = ′ ? = R i R i u L b L c o β (2.25)$ r i u R R R be b i L C L = = ′ // (2.26) r R r i R i A be L be b L b u ′ ? = ′ ? = β β (2.27) 式中" -" 表示输入信号与输出信号相位反相. % (2)求空载电压放大倍数Au′.即不接负载 RL,RL→∞, R R R R C L C L = = ′ // r R A be C L β = ′ ′ > R R L C ) // ( R R R L C L = ′ (2.28) $ 2)输入电阻ri r R I u r be b i i i // = = ) // ( 2 1 R R R b B b = r r R
b i ≈ = // 当Rb>>rbe时3)输出电阻ro% 在图2.30中,根据戴维南定理可得 R r C o = (3. 30) 4)源电压放大倍数% 图2.30(b)为考虑信号源内阻时所画出的微变等效 电路,可以得出 r r r u r r r u u be s i s i s i s i + ≈ + = (2. 31) 将式(2.31)代入式(2.19)可求得考虑信号源内 时的源电压放大倍数Aus 将式(2.27)代入式(2.32)得 s be u s i i o s o us + = ? = = (2. 32) r r R u u A be s L s o us + ′ ? = = β (2. 33) 称Aus为源电压放大倍数. 27 2.5.3 共集电极、共基极放大电路的性能指标 1.共集电极放大电路动态参数的估算% 电路如图2.32(a)所示,交流信号从基极输入,从发 射极输出,故该电路又称射极输出器.图2.32(b)为该电 路对应的交流通路.由交流通路可看出,集电极为输入、 输出的公共端,故称为共集电极放大电路(简称共集放大 电路). + - + + + - Rb Re C1 C2 ui uo + - +UCC c b
(a) + - + - uo + -
Rb Re RL e c b (b) 图2.32共集电极放大电路$ (a)电路; (b)交流通路 1)等效电路% 画出电路的微变等效电路,如图2.33所示.% 2)参数估算% (1)Au的估算.由图2.33可得 ′ + = ′ = R i R i u L b L e o ) 1 ( β ) // ( R R R L E L = ′ (2. 34) R i r i u r i u L b be b o be b i ' ) 1 ( β + + = + = (2. 35) 将式(2.34)、(2.35)代入电压放大倍数的定义 式(2.19),可得 R r R u u A L be L i o u ' ' ) 1 ( ) 1 ( β β + + + = = (2. 36) (2)ri的估算.由图2.33可得 + -
+ - ui Rb rbe uo ri ro ib ie Re RL + - b c ri ro e io ii ' ' β ib 图2.33共集电极放大电路的微变等效电路 ic =β ib Re + - ro ' ro e ie ib b rs Rb rbe c up 图2.34 求ro的微变等效电路 28 (3)ro的估算.在图2.33中,令us=0,并去掉负载 RL′,在输出端加一探察电压up,则可画成如图2.34所示 的形式.由图可得 R r i R i r i i u r r R r L be b L b be b b i i i b i ' ' ' ' ) 1 ( ) 1 ( ' // β β + + = + + = = = (2. 37) [ ] R r R r L be b i ' ' ) 1 ( // ' β + + = (2.38) [ ] R r r i u i u i u r r R r B s be b p b p e p o o e o // ( ) 1 ( // ' ' + ? = + ? = ? = = β (2. 39) (2. 40) (2. 41) 将式(2.41)代入式(2.40),得β++=1)// ( ' ' R r r r B s be o (2. 42) 将式(2.42)代入式(2.39),得β++=1)// ( // R r r R r b s be e o (2. 43) 2.共基极放大电路的动态性能% 共基极放大电路(简称共基放大电路)如图2.35(a)所示, 直流通路采用的是分压偏置式,交流信号经C1从发射极输 入,从集电极经C2输出,C1、C2为耦合电容,Cb为基极旁路 电容,使基极交流接地,故称为共基极放大器.微变等效电 路如图2.35(b)所示.% + + + - + - + + - UCC RL Rb1 Rc Rb2 Re C1 C2 ui uo Cb V e c b (a) Cb : 基极旁路电容,使基极交流接地 + - uo c β ib e ii ie ib rbe b Re + - ui Rc RL (b) 图2.35共基极放大电路$ (a)基本放大电路;(b)微变等效电路 根据微变等效电路,同样可分析得共基极放大电 路的动态参数: r R A be L u ' β = ) // ' ( ' R R R L e L = (2. 44) β + = 1 // r R r be e i (2. 45) R r c o ≈ 29 2.5.4三种基本放大电路的性能比较% 上述所讲的三种组态放大电路是用三极管组成放 大电路的基本形式,其他类型的单级放大电路归根到底 都是由这三种变化而来的.三种组态的基本放大电路 的比较见表2.3. 2.6 多级放大电路% 前面讲过的基本放大电路,其电压放大倍数一般只能 达到几十~几百.然而在实际工作中,放大电路所得到的 信号往往都非常微弱,要将其放大到能推动负载工作的程 度,仅通过单级放大电路放大,达不到实际要求,则必须通 过多个单级放大电路连续多次放大,才可满足实际要求. % 2.6.1多级放大电路的组成 1.多级放大电路的组成% 多级放大电路的组成可用图2.36所示的框图来表 示.其中,输入级与中间级的主要作用是实现电压放 大,输出级的主要作用是功率放大,以推动负载工作. 输入级中间级输出级信号源负载图2.36 多级放大电路的结构框图% 2.多级放大电路的耦合方式% 多级放大电路是由两级或两级以上的单级放大电路 连接而成的.在多级放大电路中,我们把级与级之间的连 接方式称为耦合方式.而级与级之间耦合时,必须满足: % (1) 耦合后,各级电路仍具有合适的静态工作点;% (2) 保证信号在级与级之间能够顺利地传输过去;% (3) 耦合后,多级放大电路的性能指标必须满足实际 的要求.% 为了满足上述要求,一般常用的耦合方式有:阻容耦 合、直接耦合、变压器耦合.% 1)阻容耦合% 我们把级与级之间通过电容连接的方式称为阻容 耦合方式.电路如图2.37所示.% 由图可得阻容耦合放大电路的特点:% (1)优点:因电容具有"隔直"作用,所以各级电路的 静态工作点相互独立,互不影响.这给放大电路的分 析、设计和调试带来了很大的方便.此外,还具有体积 小、重量轻等优点.% (2)缺点:因电容对交流信号具有一定的容抗,在信 号传输过程中,会受到一定的衰减.尤其对于变化缓慢 的信号容抗很大,不便于传输.此外,在集成电路中,制造 大容量的电容很困难,所以这种耦合方式下的多级放大 电路不便于集成.% 30 + + + + - +UCC Rb11 Rc1 Rb12 Re1 RL + - C1 C2 ui uo Ce1 + Ce2 C3 + Rb21 Rb22 Re2 Rc2 V1 V2 图2.37 两级阻容耦合放大电路 + - + - +UCC Rc2 Rc1 Rb Re ui uo V1 V2 图2.38 直接耦合放大电路 2)直接耦合% 为了避免电容对缓慢变化的信号在传输过程中带来 的不良影响,也可以把级与级之间直接用导线连接起来,这 种连接方式称为直接耦合.其电路如图2.38所示.% 直接耦合的特点:% (1)优点:既可以放大交流信号,也可以放大直流和变 化非常缓慢的信号;电路简单,便于集成,所以集成电路中 多采用这种耦合方式.% (2)缺点:存在着各级静态工作点相互牵制和零点漂 移这两个问题. 3)变压器耦合% 我们把级与级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦 合.其电路如图2.39所示. + T2 Rb11 Rb21 RL Rb12 Re1 Rb22 Re2 C1 T1 V1 V2 uo + - +UCC ui + - C2 Ce + + 图2.39 变压器耦合放大电路 2.6.2多级放大电路的性能指标估算% 1.电压放大倍数% 根据电压放大倍数的定义式 u u A i o u = 在图2.37中,由于 u A u i u o 2 2 = u u oi i = 2 u A u i u o 1 1 = (2. 47) 故u21==因此可推广到n级放大电路的电压放大倍数为 A A A A un u u u ... 2 1 = (2. 48) 2.输入电阻% 多级放大电路的输入电阻,就是输入级的输入电 阻.计算时要注意:当输入级为共集电极放大电路时,要 考虑第二级的输入电阻作为前级负载时对输入电阻的 影响. 3.输出电阻% 多级放大电路的输出电阻就是输出级的输出电 阻.计算时要注意:当输出级为共集电极放大电路时,要 考虑其前级对输出电阻的影响. 31 2.6.3放大电路的频率特性% 1.单级阻容耦合放大电路的频率特性% 图2.40(a)所示是单级阻容耦合共射放大电路,图(b),(c)是其频率响应特性,其中,图(b)是幅频特性,图(c)是 相频特性. f f L H BW ? = (2. 49) 2.多级放大电路的幅频特性% + + + + - +UCC Rb1 Rc Rb2 Re + - C1 C2 Ce (a) i U & o U & Au Aum 0.707Aum 中频区 通频带BW 低频区 高频区 0 fL fH f ? (b) f 0 -90° -180° -270° ? =45° ' ' ? =-45° (c) 图2.40放大电路的频率响应特性 图2.41 多级放大电路的通频带$ (a)两个单级放大电路的通频带;$ (b)耦合后,放大电路的通频带变窄 (a) 0.707Aum1 Aum1 0.707Aum2 Aum2 Aum1 Aum2 O fL fH f O fL1 fH1 f O fL2 fH2 f Aum 0.707Aum 0.49Aum 2 u A & u A & Aum =Aum1 ?Aum2 1 u A & 第3章 场效应管及其应用 ?3.1 场效应管及其应用 ?3.2 场效应及其放大电路 3.1 场效应管% 场效应管按结构分为结型场效应管和绝缘栅型场 效应管两类. 3.1.1结型场效应管% 1. 结型场效应管的结构及工作原理% 1) 基本结构及符号% 如图3.1(+ a+ )所示, 在一块N型硅半导体两侧制作 两个P型区域, 形成两个PN结, 把两个P型区相连后引出 一个电极, 称为栅极, 用字母G(或g)表示. 32 d s g d 漏极 g 栅极 P P N 耗尽层 s 源极 d s g (a) (b) (c) 图3.1结型场效应管结构与符号图$ (a) 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (c) P沟道结型场效应 2) 工作原理% 图3.2表示的是结型场效应管施加偏置电压后的接 线图. 2. 特性曲线% 场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特 性曲线. % 1) 转移特性% 在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系 称为转移特性. 即 常数 = = u f ds u i gs D ) ( (3. 1) d g S UDD iD UGG P P uDS + - + - + - uGS - + N Rd 图3.2 N沟道结型场效应管工作原理 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 uDS =12 V uGS /V iD / mA IDSS UGS(off) 图3.3 N沟道结型场效应管转移特性曲线 2) 输出特性% 输出特性是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与 漏极电压uDS之间的关系, 即在UGS(off)≤uGS≤0的范围内, 漏极电流iD与栅极电 压uGS的关系为 2 ) ( ) 1 ( U u I
GS DSS D ? = (3. 2) 常数 = = u f GS u i DS D ) ( (3. 3) 0 1 2 3 4 5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 iD / mA uDS / V 夹断区 可变电阻区-4 V -3 V -2 V -1 V 击穿区恒流区(放大区) uDS =0 V 图3.4 N沟道结型场效应管输出特性曲线 33 3.1.2绝缘栅型场效应管% 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理% 1) 结构及符号% 2) 工作原理% 图3.5增强型MOS管结构及符号图$ (a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号 s g d N+ N+ P型硅衬底 衬底引线 g d s g d s (a) (b) (c) SiO2 g d N+ N+ P型硅衬底 s UGG UDD iD 图3.6 N沟道增强型MOS管工作原理 3) 特性曲线% (1) N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线 如图3.7(a)所示. 在uGS≥UGS(th)时, iD与uGS的关系可用 下式表示: 2 ) ( ) 1 ( ? = U u I
GS DO D (3. 4) 其中ID0是uGS=2UGS(th)时的iD值. (2) N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线 如图3.7(b)所示. 4 3 2 1 iD / mA 0 2 4 6 8 uGS / V uDS=10 V UGS(th)=3 V 0 1 2 3 4 5 iD / mA 6 V 5 V 4 V 3 V 2 4 6 8 10 12 14 16 18 uDS / V (a) (b) 图3.7N沟道增强型场效应管特性曲线$ (a) 转移特性; (b) 输出特性 2. 耗尽型绝缘栅场效应管的结构及工作原理% 图3.8为N沟道耗尽型场效应管的结构图. 其结构与增 强型场效应管的结构相似, 不同的是这种管子在制造时, 就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子. s g d N+ N+ P型硅衬底 衬底引线 g d s g d s (a) (b) (c)
+ + 图3.8耗尽型MOS管结构及符号图$ (a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号 34 图3.9N沟道耗尽型场效应管特性曲线$ (a) 转移特性; (b) 输出特性 -5 -4 -3 -2 -1 0 2 4 6 8 10 12 uDS = 常数 uGS / V iD / mA UGS(off) IDSS 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -2 V -1 V -3 V uGS = 2 V 1 V 2 4 6 8 10 12 uDS /V (a) (b) iD / mA 0 V 在uGS≥ UGS(off)时, iD与uGS的关系可用下式表示: 2 ) ( ) 1 ( U u I
GS DSS D ? = (3. 5) 3.1.3场效应管的主要参数及使用注意事项% 1. 主要参数% 1) 夹断电压UGS(off)或开启电压UGS(th)* % 2) 饱和漏极电流IDSS* % 3) 漏源击穿电压U(BR)DS 4) 栅源击穿电压* 5) 直流输入电阻RGS* 6) 最大耗散功率PDM* % 7) 跨导gm% 在uDS为定值的条件下, 漏极电流变化量与引起这个 变化的栅源电压变化量之比, 称为跨导或互导, 即 常数 = = uDS du di g GS D m (3. 6) 2. 检测及使用注意事项% 1) 检测% 结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣. (1) 管脚的判别 (2) 质量判定 2) 注意事项 % (1) MOS管栅、 源极之间的电阻很高, 使得栅极的 感应电荷不易泄放, 因极间电容很小, 故会造成电压过 高使绝缘层击穿. (2) 有些场效应晶体管将衬底引出, 故有4个管脚, 这种管子漏极与源极可互换使用. (3) 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压. % % (4) 在使用场效应管时, 要注意漏源电压、 漏源 电流及耗散功率等, 不要超过规定的最大允许值. 3.2 场效应管及其放大电路% 与三极管一样, 根据输入、 输出回路公共端选 择不同, 将场效应管放大电路分成共源、 共漏和共 栅三种组态. 本节主要介绍常用的共源和共漏两种 放大电路. % 3.2.1共源放大电路% 1. 电路组成及直流偏置% 漏极电阻:将漏 极电流转换成漏 极电压,并影响 放大倍数Au +UDD Rd + C2 + Rs Cs 旁路电容:消除Rs 对 交流信号的衰减 源极电阻:利用 IDQ 在其上的压降为 栅源极提拱偏压 Rg C1 + 栅极电阻:将Rs压降 加至栅极 + - ui + - uo 图3.10 场效应管共源放大电路 35 由于栅极电阻上无直流电流, 因而 R I U S D GS ? = (3. 7) R I U R R R U U U s D DD g g g S G GS ? + = ? = 2 1 2 (3. 8) 图3.11 Rd + C2 +UDD - uo + Rs + Cs Rg1 Rg3 Rg2 + C1 + - ui Rg1,Rg2:栅极 分压电阻使栅极获 得合适的工作电压 栅极电阻:用来 提高输入电阻 图3.11分压偏置式共源放大电路 场效应管放大电路的静态工作点可用式(3.4)或式(3.5)与式(3.7)或式(3.8)联立求出UGSQ和IDQ, 漏源电压UDSQ由下式求得: ) ( R R I U U s d DQ DD DSQ + ? = (3. 9) 2. 动态分析% 放大电路的动态参数可由微变等效电路求出.% 1) 场效应管的微变等效电路% 2) 共源放大电路的微变等效电路% d g + - uds id s d s g + - uds id
+ - ugs + ugs - 图3.12场效应管微变等效电路 (1) 电压放大倍数: R g u R u g u R R i u u A L m gs L gs m gs L d d i o u ' ' ) // ( ? = ? = ? = = (3. 10) (2) 输入电阻: ) // ( 2 1 3 R R R r g g g i + = (3. 11) (3) 输出电阻: R r d o = (3. 12) Rg1 Rg2 Rg3 ri + - ui + ugs - g gm ugs Rd RL + - uo ro d s 图3.13 共源放大电路的微变等效电路 36 3.2.2 共漏放大电路% 共漏放大电路又称源极输出器. 电路如图3.15所示.由图3.15(b)可得: g R r R R R r R g R g u u A u R g u u u R U g R R i u m s o g g g i L m L m i o u gs L m o gs i L gs m L S d o 1 // ) // ( 1 ) 1 ( ) // ( 3 2 1 ' ' ' ' = + = + = = + = + = = = (3. 13) (3. 14) (3. 15) 第4章 集成运算放大器 ?4.1 直接偶合放大器存在的问题 ?4.2 差动放大电路 ?4.3 差动放大电路的另外几种接发 ?4.4集成运算放大器 ?4.5 集成运算放大器的主要参数 4.1 直接耦合放大器存在的问题 1.偶合工作点的相互影响 在直接耦合放大器中, 由于级与级之间无隔直(流) 电容, 因此各级的静态工作点相互影响, 从而要求在设 计电路时, 合理安排, 使各级都有合适的静态工作点. 若将直接耦合放大器的输入端短路(ui=0), 理论 上讲, 输出端应保持某个固定值不变. 然而, 实际情况 并非如此, 输出电压往往偏离初始静态值, 出现了缓慢 的、 无规则的漂移, 这种现象称为零点漂移. 4.2 差动放大电路% 4.2.1电路组成与演示% 1.电路组成% 图4.1为典型差动放大电路, 它是由两个完全对称 的共发射极电路组成的. Rc + Rc Rb +UCC uo ui1 V2 V1 - Rb -UEE Re + - + - ui2 3 k 3 k RP -12 V RP:调零电位器, 保证输入电压为 零时,输出电压 也为零 2.2 k 2.2 k 2.2 k 220 辅助电源:与Re配合, 解决Re大阻值与提供 合适的Q点的矛盾 Re:射极公共电阻, 可以稳定Q点及抑 制零漂 图4.1 典型差动放大电路 2. 抑制零漂演示% 1) 演示过程 % (1) 当将两输入端与地连接即ui=0 时, 将万用表 直流电压挡接在输出端, 此时会发现, 万用表的指针 几乎不动, 即UO=0. (2) 若用一只手捏住一只管子的管壳 时, 你会发 现, 万用表的指针慢慢偏转, 说明此时的输出电压已 经不为零了, 如图4.3所示. 37 Rc + Rc Rb UO =0 V2 V1 - Rb -UEE +UCC Re RP 0 图4.2零输入时零输出 (3) 若用两只手分别捏住两只管子的管壳(相当 于给两只管子同时加热)时, 万用表的指针指向零, 说明输出电压为零, 如图4.4所示. % Rc + Rc Rb +UCC uo ui1 V2 V1 - Rb -UEE Re + - + - ui2 3 k 3 k RP -12 V RP:调零电位器, 保证输入电压为 零时,输出电压 也为零 2.2 k 2.2 k 2.2 k 220 辅助电源:与Re配合, 解决Re大阻值与提供 合适的Q点的矛盾 Re:射极公共电阻, 可以稳定Q点及抑 制零漂 图4.3一只手捏住管壳 Rc Rc Rb UO =0 V2 V1 Rb -UEE Re RP 左手捏住 管壳 右手捏住 管壳 + - 0 +UCC 图4.4 两只手捏住管壳 2) 演示现象分析% 在演示步骤(1)中, 输入信号为零, 即ui1=ui2=0, 放大 电路处于静态, 由于电路完全对称, 因此$ IBQ1=IBQ2=IBQ* IEQ1=IEQ2=IEQ* ICQ1=ICQ2=ICQ* UCQ1=UCQ2=UCC-ICQRc$ ' UO=UCQ1-UCQ2=0' $ 4.2.2差动放大电路的性能分析% 从理论上讲, 差放电路的参数是对称的, 因此, 在分 析时, 为了方便, 可采用如图4.5所示的差放电路. % 1. 静态工作点的计算% 当输入信号为零时, 放大电路的直流通路如图4.6所示, 由基极回路可得直流电压方程式为 U R I U R I EE e BEQ b BQ = + + Re (4. 1) 38 β + + ? = = 1 2 2 1 R R U U I I b e BEQ EE BQ EQ (4. 2) ) ( 2 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 R R I U U U U I I I I I I R U I I e c
CEQ CEQ CQ BQ BQ EQ CQ CQ e EE EQ EQ + ? + ≈ = = = ≈ = ≈ = β (4. 3) (4. 4) (4. 5) (4. 6) Rc + Rc Rb uo ui1 V2 V1 - Rb -UEE Re + - + - ui2 +UCC 图4.5无调零电位器的差放电路 Rb UO UCEQ1 Rb -UEE +UCC IR + - + + UCEQ2 - - e IEQ2 IEQ1 IBQ1 IBQ2 ICQ1 ICQ2 Re 图4.6 直流通路 2. 动态性能分析% 1) 输入信号的类型% 在放大器两输入端分别输入大小相等、 相位相反 的信号, 即ui1=-ui2* 时, 这种输入方式称为差模输入, 所 输入的信号称为差模输入信号. 差模输入信号用uid来 表示.差模输入电路如图4.7所示, 由图可得 u u u id i i 2 1 2 1 = ? = (4. 7) 共模输入信号常用uic来表示.共模输入电路如 图4.8所示, 由图可得 u u u i i ic 2 1 = = (4. 8) ) ( 2 1 2 1 u u u i i ic + = 共模信号为两输入信号的算术平均值, 用uic表示, 即(4. 10) u u u i i id 2 1 ? = (4. 9) 差模信号为两输入信号之差, 用uid表示, 即uuuuuuic id i ic id i + ? = + = 2 2 2 1 (4. 11) (4. 12) 图4.7 差模输入电路 Rb uod V1 Rb -UEE +UCC Re + - V2 iB1 iC1 Rc iC2 Rc + ui1 - ui2 + + - uid iE1 iB2 iE2 39 Rb uoc V1 Rb - iB1 iC1 Rc iC2 Rc + - + - uic iB2 + V2 iE1 +UCC ui1 Re iE2 -UEE + - ui2 图4.8 共模输入电路 2) 对差模信号的放大作用% 图4.9所示, 由图可以看出, 当从两管集电极取电压 时, 其差模电压放大倍数表示为 R r R u u u u u u u u A b be c i o i i o o id od ud + ? = = ? ? = = β 2 2 1 1 2 1 2 1 (4. 13) 当在两个管子的集电极接上负载RL时, Rb uoc V1 Rb - ib1 ic1 Rc ic2 Rc + - ib2 + V2 ie1 ie2 + - ui2=uic + + - - uo1 uo2 2Re 2Re ui1=uic 图4.9 差模输入时的交流通路 ) 2 / //( ' ' R R R R r R A L c L b be L ud = + ? = β (4. 14) 其中 由电路可得差模输入电阻为 ) ( 2 r R r be b id + = (4. 15) 电路的两集电极之间的差模输出电阻为 R r c od 2 = (4. 16) 3) 对共模信号的抑制作用% Rb uoc V1 Rb - ib1 ic1 Rc ic2 Rc + - ib2 + V2 ie1 ie2 + - ui2=uic + + - - uo1 uo2 2Re 2Re ui1=uic 图4.10 共模输入时的交流通路 4.2.3具有恒流源的差动放大电路% 恒流源差放电路如图 4.11 所示, V3、 R1、 R2、 R3 构成恒流源. 0 2 1 = ? = = u u u u u A ic oc oc ic oc uc (4. 17) I I I EQ EQ 2 1 2 1 = = (4. 18) 40 Rb uo V1 Rb - Rc Rc + V2 iE1 + - ui2 iE2 + - ui1 R3 V3 R1 R2 恒流源 -UEE +UCC ue iC3 图4.11 恒流源差动放大电路图 4.2.4衡量差动放大电路的性能指标――共模抑制比 % 实际应用中, 差动放大电路两输入信号中既有差模 信号成分, 又有无用的共模输入成分, 此时可利用叠加 原理来求总的输出电压, 即uAuAuic uc id ud o + = (4. 19) ) ( lg 20 dB A A K A A K R R = = (4. 20) (4. 21) 4.3 差动放大电路的另外几种接法% 差动放大电路有两个输入端和两个输出端, 所以在 信号源与两个输入端的连接方式及负载从输出端取出电 压的方式上可以根据需要灵活选择. 1. 双端输入、 单端输出 % 在图4.13中, 输出信号只从一管的集电极对地输出, 这种输出方式叫单端输出.此时由于只取出一管的集电 极电压变化量, 只有双端输出电压的一半, 因而差模电压 放大倍数也只有双端输出时的一半. 信号也可以从V2的集电极输出, 此时式中无负号, 表示同相输出. R R R r R R A A L c L be B L ud ud // ) ( 2 2 1 ' ' 1 = + ? = = β 其中 (4. 22) Rb uo1 V1 Rb - Rc Rc + - + V2 + - ui2 ui1 I -UEE +UCC RL 图4.13 双端输入、 单端输出差放电路 Rb uo V1 Rb - Rc Rc + - + V2 ui I -UEE +UCC 图4.14 单端输入、 双端输出$ 差动放大电路 41 2. 单端输入、 双端输出% 将差放电路的一个输入端接地, 信号只从另一个输 入端输入, 这种连接方式称为单端输入, 如图4.14所示. 它的交流通路如图4.15所示. 3. 单端输入、 单端输出% 电路如图4.16所示, 由于单端输入与双端输入情况相 同, 因而单端输入、单端输出电路计算与双端输入、 单 端输出电路计算相同. % 图4.15 单端输入差放电路的交流通路 Rb uo Rb - Rc Rc + - + ui + - ube1 - + ube2 r ? 8 Rb uo1 V1 Rb - Rc Rc + - + V2 ui I -UEE +UCC 图4.16 单端输入、 单端输出$ 差动放大器 4.4集成运算放大器% 4.4.1集成运算放大器件的识读% 常见的集成运算放大器有圆形、 扁平型、 双列直 插式等, 有8管脚、 14管脚等. 4.4.2集成运放的组成及其符号% NC 8 1 2 3 4 5 6 7 调零- -UCC +IN 调零+ -IN Uo TO -5 +UCC 管键 8 金属封 片标记 凹格标记 14 1 7 4 1 2 3 4 8 7 6 5 调零- -UCC +IN -IN NC 调零+ Uo +UCC 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 NC NC 调零- -IN +IN -UCC NC NC NC NC +UCC Uo 调零+ NC MIN- DIP 4.2集成运放外形结构示意图 % 42 4.4.2集成运放的组成及其符号 集成运放内部实际上是一个高增益的直接耦合放大 器, 其内部组成原理框图用图4.17 表示, 它由输入级、 中间级、 输出级和偏置电路等四部分组成. % 图4.17集成运算放大器内部组成原理框图 差动输 入级 电压放大 级 输出级 偏置电路 + - uid uo 1. 输入级% 输入级是提高运算放大器质量的关键部分, 要求其 输入电阻高, 为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号, 输入级都采用具有恒流源的差动放大电路, 也称差动输 入级. % 2. 中间级% 中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数, 故而也称电压放大级. 要求中间级本身具有较高的电 压增益. 3. 输出级% 输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载 的需要, 同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电 阻, 以起到将放大级和负载隔离的作用. 4. 偏置电路% 偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流, 一 般由各种恒流源电路组成. + - 8 + u- u+ uo 图4.19 集成运放的符号 图4.18μA741内部电路 V2 V1 V3 V4 V5 V6 V7 R1 R2 R3 1 3 5 V8 V9 R4 V12 V16 V11 V10 V13 R5 IK 30 pF 7(+15 V) 1 k 30 k 5 k 39 k C 输入级 偏置电路 中间级 输出级 1 k R9 50 k R8 100 ? V19 R10 40 k V23 V17 V22 R11 50 k V24 V20 27 ? R8 V15 V14 6 4(-15 V) 2 I V18 V21 R6 27 ? 4.4.3集成运算放大器的分类 集成运算放大器有四种分类方法.% 1. 按其用途分类% 集成运算放大器按其用途分为通用型及专用型两大 类. % 1) 通用型集成运算放大器% 2) 专用型集成运算放大器% 2. 按其供电电源分类% 集成运算放大器按其供电电源分类, 可分为两类.% 1) 双电源集成运算放大器% 2) 单电源集成运算放大器% 这类运放采用特殊设计, 在单电源下能实现零输 入、 零输出. 交流放大时, 失真较小. 3. 按其制作工艺分类% 集成运算放大器按其制作工艺分类, 可分为三类. 1) 双极型集成运算放大器% 43 2) 单极型集成运算放大器% 3) 双极-单极兼容型集成运算放大器% 4. 按运放级数分类% 按单片封装中的运放级数分类, 集成运放可分为 四类. % 1) 单运放% 2) 双运放% 3) 三运放% 4) 四运放% 4.4.4模拟集成电路的型号命名方法% 1. 国标命名方式% 我国半导体集成电路的型号命名按照GB3430―82, 应由五部分组成:% X X XXXX X X
其符号与定义见附录六,如CF0741CT其各符号含 义如图 4.20 所示.% 图4.20 型号命名举例 C F 0741 C T 金属圆型封装 0~70℃ 通用Ⅲ型运算放大器 线性放大器 符合国家标准 2. 国内部分厂家自命名方法% 国内部分厂家的模拟集成电路型号的字头见附录七.% 3. 国外模拟集成电路型号的识别 4.5 集成运算放大器的主要参数 及其选择% 4.5.1集成运算放大器的主要参数% 运算放大器(简称运放)的特性参数是评价运放性能 优劣的依据. 1.极限参数% 1)供电电压范围(+UCC、 ―UEE* , 或+Us, ―Us)% 定义: 加到运放上最小和最大允许的安全工作电源电 压, 称为运放的供电电压范围. 2)功耗PD% 定义: 运放在规定的温度范围工作时, 可以安全耗散 的功率称为功耗. 3)工作温度范围% 定义: 能保证运放在额定的参数范围内工作的温度 称为它的工作温度范围. 4)最大差模输入电压Uidmax* % 定义: 能安全地加在运放的两输入端之间最大的差 模电压称为最大差模输入电压. 5) 最大共模输入电压Uicmax* % 定义: 能安全地加在运放的两个输入端的短接点与 运放地线之间的最大电压称为最大共模输入电压 . 44 2.电气参数% 1) 输入特性% (1) 差模输入电阻rid. (2) 输入偏置电流IIB. ) ( 2 1 2 1 I I I B B IB + = (4. 28) (3) 输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT. (4) 输入失调电流IIO* 及其温漂dIIO/dT. 2) 输出特性% (1) 最大输出电压Uomax. (2) 最大输出电流Iomax. (3) 输出电阻ro. 3) 增益特性% (1) 差模电压增益Aud. (2) 共模电压增益Auc. (3) 共模抑制比KCMR. A A K R lg 20 = (4. 24) 4) 频率特性% (1) 开环带宽BW(fH). (2) 单位增益带宽BWG(fT). (3) 转换速率SR. max dt du S o R = (4. 25) 4.5.2集成运算放大器的选择% 1. 选择集成运算放大器的方法% 2. 选择集成运放应考虑的其它因素 (1) 信号源的性质 (2) 负载的性质 (3) 对精度的要求 (4) 环境条件 第5章 负反馈放大器 5.1 负反馈的基本概念 5.2 负反馈对放大器性能的影响 5.3 深度负反馈放大电路的分析 5.1 反馈的基本概念% 1.什么是反馈% 将放大电路输出量(电压或电流)的一部分或全 部,通过某些元件或网络(称为反馈网络),反向送回到 输入端,来影响原输入量(电压或电流)的过程称为反 馈. 有反馈的放大电路称为反馈放大电路,其组成框图 如图5.1(a)所示. 45 基本放大电路 A 反馈网络 F xi 净输入量 xid 正向传输 反向传输 xf 反馈量 输出量 xo (a) + + + - ui A + uid - + - uf Rl Rf F RL + - uo (b) - 8 图5.1反馈放大电路组成$ (a)反馈放大电路组成框图;(b)反馈放大电路 图5.1(b)是一个具体的反馈放大电路.图中除了 基本放大电路外,还有一条由Rf和R1组成的电路接在输 入端和输出端之间,由于它将输出量反送到放大器输入 端,因此称为反馈元件,或称反馈网络.ui、uf、uid和uo分 别表示电路的输入电压、反馈电压、净输入电压和输 出电压.% 2.反馈极性(正、负反馈)% 在反馈放大电路中,反馈量使放大器净输入量得到增 强的反馈称为正反馈,使净输入量减弱的反馈称为负反 馈.% 通常采用"瞬时极性法"来区别是正反馈还是负反 馈,具体方法如下:% (1)假设输入信号某一瞬时的极性.% (2)根据输入与输出信号的相位关系,确定输出信号 和反馈信号的瞬时极性.% (3)再根据反馈信号与输入信号的连接情况,分析净 输入量的变化,如果反馈信号使净输入量增强,即为正反馈, 反之为负反馈.% (b) + + uid + + ui + + - uf R2 R1 + RL R3 + + - uo (a) + + uid + + ui + - uf R2 + - uo - - - + - - + - R1 + - + - 8 8 + + + - + + - ui R1 Rf3 R2 Rf2 Rf1 + - uo + - + (c) - - A1 A2 R4 8 8 图5.2用瞬时极性法判断反馈极性的几个例子 46 3.交流反馈与直流反馈% 在放大电路中存在有直流分量和交流分量,若反馈 信号是交流量,则称为交流反馈,它影响电路的交流性 能;若反馈信号是直流量,则称为直流反馈,它影响电路 的直流性能,如静态工作点.若反馈信号中既有交流量 又有直流量,则反馈对电路的交流性能和直流性能都有 影响.% + - + + ui C1 C2 R1 R2 +uo (a) + + R1 R2 +uo (b) - - 8 8 + - + + ui R1 R2 +uo (c) - 8 图5.3具有不同反馈的电路$ (a)原电路;(b)直流通路;(c)交流通路 4.反馈电路的类型% 1)反馈在输出端的取样方式% 从输出端看,若反馈信号取自输出电压,则为电压反 馈;若取自输出电流,则为电流反馈.% (1)电压反馈. 在判断电压反馈时,根据电压反馈的定义――反馈信 号与输出电压成比例,可以假设将负载RL两端短路 (uo=0,但io≠0),判断反馈量是否为零,如果是零,就是电 压反馈.图5.4所示电压反馈电路正是如此,RL短路 uo=0 uf=0.% 电压反馈的重要特性是能稳定输出电压.无论反 馈信号是以何种方式引回到输入端,实际上都是利用输 出电压本身通过反馈网络来对放大电路起自动调整作 用的,这是电压反馈的实质.% 在图5.4电路中,若负载电阻增加引起uo的增加,则电 路的自动调节过程如下: uo↑ uf↑ uid↓―$ uo↓ + + + - ui A + uid - + - uf Rl Rf F RL + - uo - 8 图5.4电压反馈 47 + + + - ui A + uid - + - uf R F RL + -
- 8 图5.5 电流反馈 在判断电流反馈时,根据电流反馈的定义――反馈信 号与输出电流成比例,可以假设将负载RL两端开路 (io=0,但uo≠0),判断反馈量是零,就是电流反馈.图5.5所示电路正是如此,RL开路 io=0 if =0 uf=0. 电流反馈的重要特点是能稳定输出电流.无论反馈信 号是以何种方式引回到输入端,实际都是利用输出电流 io本身通过反馈网络来对放大器起自动调整作用的,这 就是电流反馈的实质. 图5.5电路稳流的自动调节过程如下:% io↑ uf↑ uid↓―$ $ io↓ 由上述分析可知,判断电压反馈、电流反馈的简便方 法是用负载短路法和负载开路法.由于输出信号只有电 压和电流两种,输出端的取样不是取自输出电压便是输出 电流,因此可利用其中一种方法就能判定.常用的方法是 负载短路法,具体表述为:假设将负载RL短路,即uo=0,此时 若反馈量为零,就是电压反馈,否则为电流反馈.% 2)反馈在输入端的连接方式% 电路如图5.6(a)所示,反馈网络的出口与信号源串 联,因此称为串联反馈.在图5.6(b)中,反馈网络的出口 与信号源并联,因此称为并联反馈.% % + + + - ui A + uid - + - uf F +uo
+ - ~ rs (a) - 8 + + A F +uo
+ - ~ rs is iid if (b) - 8 图5.6串联接法和并联接法$ (a)串联负反馈;(b)并联负反馈 由上述分析可以看出,若反馈信号与信号源接在不 同的端子上,即为串联反馈.若接在同一个端子上,则为 并联反馈.% 根据输出端的取样方式和输入端的连接方式,可以 组成四种不同类型的负反馈电路:% (1) 电压串联负反馈;% (2) 电压并联负反馈;% (3) 电流串联负反馈;% (4)电流并联负反馈. 48 5.负反馈放大器的基本关系式% 由图5.7所示负反馈放大器的方框图可得各信号量 之间的基本关系式: AF A x x x x x A x x F x x A x x x f id o i o f o f id o f i id + = + = = = = ? = 1 (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) A F + - xi xf xid xo 式(5.4)表明闭环增益Af是开环增益A的 ,小 于A.其中,(1+AF)称为反馈深度,它的大小反映了反 馈的强弱;乘积AF常称为环路增益. AF + 1 1 图5.7负反馈放大器的方框图 5.2 负反馈对放大器性能的影响% 1.减小非线性失真% 我们可以通过一个具体的电路演示来说明此问 题.% 1)演示电路% 演示电路如图5.8所示.% 输出波形(a) 输出波形(b) + + + - ui + - Rl 10 k S Rf 10 k uo - ?A 741 8 图5.8 演示电路 2)演示内容% (1)由信号发生器输入一频率为1kHz,峰-峰值为1V 的正弦波.% (2)将开关S断开,用示波器观察输出波形,可看到输 出波形明显地失真,如图中输出波形(a).% (3)将开关S闭合,观察输出波形,可看到失真波形明 显地改善,如图中的波形(b).% 3)演示现象分析% 在开环放大器中,由于开环增益很大,使放大器工作在 非线性区,输出波形为双向失真波形.开关闭合后,电路 加上了负反馈,电路增益减小,放大器工作在线性区,输 出波形为标准的正弦波.即负反馈能减小非线性失 真.% 2.提高增益的稳定性 2 2 ) 1 ( ) 1 ( 1 AF dA dA AF A dA dA AF A A f f f + = + = + = 根据闭环增益方程 求Af对A的导数,得 即微分 49 A dA AF A dA f f + = 1 1 闭环增益的相对变化量为 (5.5 ) A Af 0.707Aum 0.707Aumf Aum Aumf 无反馈 有反馈 f fHf fH fL fLf O 3.扩展通频带 图5.9开环与闭环的幅频特性 应当指出,由于负反馈的引入,在减小非线性失真的 同时,降低了输出幅度.此外输入信号本身固有的失真, 是不能用引入负反馈来改善的. 4.负反馈对输入电阻的影响% 负反馈对输入电阻的影响,取决于反馈网络在输入 端的连接方式.% 1)串联负反馈% 图5.10(a)是串联负反馈电路的方框图.由图可 知,开环放大器的输入电阻为 i id i i u r = 引入负反馈后,闭环输入电阻rif为)1(AF r i AFu u i u u i u r i i id id i f id i i if + = + = + = = (5.7 ) 上式表明,引入串联负反馈后,输入电阻是无反馈时输 入电阻的(1+AF)倍. A ri F + - uid + - uf + - ui ii xo (a) A ri F + - ui ii xo iid if (b) rif rif 图5.10负反馈对输入电阻的影响$ (a)串联负反馈框图;(b)并联负反馈框图 2)并联负反馈% 图5.10(b)是并联负反馈电路的方框图.由图可知, 开环放大器的输入电阻为ri=ui/iid.引入负反馈后,闭环 输入电阻rif为AF r AFi i u i i u i u r i id id i f id i i i if + = + = + = = 1 1 (5.8) 5.负反馈对输出电阻的影响% 负反馈对输出电阻的影响,取决于反馈网络在输出 端的取样量.% 1)电压负反馈% 图5.11(a)是电压负反馈的方框图.对于负载RL 来说,从输出端看进去,等效的输出电阻相当于原开环放 大电路输出电阻与反馈网络的电阻并联,其结果必然使输 出电阻减小.经分析,两者的关系为 AF r r o of + = 1 (5.9) ' 即引入电压负反馈后的输出电阻是开环输出电阻的 1/(1+AF). 2)电流负反馈% 图5.11(b)是电流负反馈的方框图.对于负载 50 RL来说,从输出端看进去,等效的输出电阻相当于原开环 放大电路输出电阻与反馈网络的电阻串联,其结果必然使 输出电阻增大.经分析,两者的关系为 o of r AF r ) 1 ( + = (5.10) 即引入电流负反馈后的输出电阻是开环输出电阻的 (1+AF)倍. A ro F xid (a) RL xi xf + - rof (b) A ro F xid RL xi xf + - rof 图5.11负反馈对输出电阻的影响$ (a)电压负反馈方框图;(b)电流负反馈方框图 5.3 深度负反馈放大电路的分析% 1.深度负反馈的特点% 在负反馈放大电路中,当反馈深度1+AF?1时的反馈, 称为深度负反馈.一般在1+AF≥10时,就可以认为是深 度负反馈.此时,由于1+AF≈AF,因此有 F AF A AF A Af 1 1 = ≈ + = (5.11) 由上式得出 (1)深度负反馈的闭环增益Af只由反馈系数F来决 定,而与开环增益几乎无关. % (2)外加输入信号近似等于反馈信号,由式(5.11) 可知 f i f o i o x x x x x x ≈ ≈ (5.12) 即 上式表明,在深度负反馈条件下,由于xi≈xf,则有xid≈0 ,即净输入量近似为零.% 2.深度负反馈放大电路的参数估算 1)电压串联负反馈电路 o f f u R R R u + ≈ 1 1 图5.12 电压串联负反馈电路 + + - ui + - + - uid + - uf Rl Rf RL + uo - 8 51 即fofRRRuuF+≈=11在深度负反馈条件下,已知F值则可估算出Auf值uf f f uf + = + = ≈ = + = + = ≈ 也可利用在深度负反馈条件下xf≈xi的结论,在这里 uf≈ui,同样可得 (5.13 ) 2) 电压并联负反馈电路 i i i i f o f i R i u R i u i i = ? = ≈ 再根据uid≈0,可知u-≈0,则有 因此 1 R R R i R i u u A f i i f f i o uf ? ≈ ? ≈ = (5.14) 图5.13 电压并联负反馈电路 + + Rf ui + - ii iid if RL + uo - - 8 3)电流串联负反馈电路% 图5.14是电流串联负反馈电路,从图中可得 f L o f o f R R u R i u = = 因此,电压放大倍数为 f L f o i o uf R R u u u u A = ≈ = (5.15) + + + -
Rf + uo - RL uf - + - 8 图5.14 电流串联负反馈电路 4) 电流并联负反馈电路% 图5.15是电流并联负反馈电路,由于iid≈0,因而有 1 2 2 2 1 ) 1 ( R R R R u u A R R R R i R i u R i u i i L f i o uf L f f L L o i i f i + ? = = + ? = ? = ≈ ≈ 根据uid≈0,可知u-≈0,则有 因此 (5.16 ) 52 + + + - ui R2 uo RL - + Rl ii R Rf if iid iL i2 - 8 图5.15 电流并联负反馈电路 第6章 集成运算放大器的 基本应用 6.1 概述 6.2 基本运算电路 6.3 有源滤波和有源整流电路 6.4 电压比较器 6.5 集成运算放大器的使用常识 6.1 概述% 1. 理想集成运放的性能指标% 理想集成运放的主要性能指标有:% (1)开环电压放大倍数Aud→∞;% (2)输入电阻rid→∞;% (3)输出电阻rod→0.% 此外还有:没有失调,没有失调温漂,共模抑制比趋于 无穷大等.尽管理想运放并不存在,但由于集成运放的 技术指标都比较接近理想值,在具体分析时将其理想化 是允许的,这种分析所带来的误差一般比较小,可以忽略 不计. 2.集成运放的传输特性% 实际电路中集成运放的传输特性如图6.1所示. uo +Uom -Uom O 非线性 区 线性区 非线性区 ui 图6.1集成运放的传输特性 3.集成运放的线性应用% 集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负 反馈. 当集成运放工作在线性区时,输出电压在有限值之 间变化,而集成运放的 Aud→∞,则uid=uod/Aud≈0,由uid=u+-u-, 得$ ? + ≈ u u (6.1) 上式说明,同相端和反相端电压几乎相等,所以称为 虚假短路,简称"虚短".% 由集成运放的输入电阻 rid→∞,得53 上式说明,流入集成运放同相端和反相端的电流几 乎为零,所以称为虚假断路,简称" 虚断" . 4.集成运放的非线性应用% 当集成运放工作在开环状态或外接正反馈时,由于 集成运放的Aud很大,只要有微小的电压信号输入,集成 运放就一定工作在非线性区.其特点是:输出电压只有 两种状态,不是正饱和电压+Uom,就是负饱和电压- Uom. (1)当同相端电压大于反相端电压,即u+>u-时, uo=+Uom 0 ≈ = ? + i i (6.2) (2)当反相端电压大于同相端电压,即u+<u-时, uo=-Uom.% 综上所述,在分析具体的集成运放应用电路时,首先 判断集成运放工作在线性区还是非线性区,再运用线性 区和非线性区的特点分析电路的工作原理.% 6.2 基本运算电路% 常见的基本运算电路有比例运算、加法、减法、 微积分和乘法运算等.% 6.2.1 比例运算% 1. 反相输入比例运算电路 如图6.2(a)所示为反相输入比例运算电路. (a) uo ui Rl Rf il if + - R2 (b) A + - + ui R1 i1 A u+ u- i- i+ R2 Rf if uo 8 图6.2 反相输入比例运算电路 i f o f uf f o i f o f o f i f u R R u R R A R u R u R u R u i R u i i i 1 1 1 1 1 1 0 , = ? = ? = ? = ? = = = 又因为 所以 即或输出电压与输入电压成比例关系,且相位相反.此外,由于反相端和同相端的对地电压都接近于零,所以集 成运放输入端的共模输入电压极小,这就是反相输入电 路的特点. 当R1=Rf=R时, ,输入电压与输出电压 大小相等,相位相反,称为反相器.% 由于反相输入比例运算电路引入的是深度电压并 联负反馈,所以,输入电阻为 i i f o u u R R u ? = ? = 1 1 1 1 R AF r R r id if ≈ + + = 54 2.同相输入比例运算电路% 在图6.3(a)中,输入信号ui经过外接电阻R2接到集 成运放的同相端,反馈电阻接到其反相端,构成电压串联 负反馈. 0 1 ≈ + = AF r r od of 输出电阻为 1 1 1 , 1 R R u u A R R R u u u u u f i o uf f o i i + = = + = ≈ = ? + 所以 i f o u R R u ) 1 ( 1 + = 或+-+R2 R1 ui ii if Rf uo i+ R2 ui R1 ii Rf uo if + - (a) (b) 8 图6.3 同相输入比例运算电路 当Rf=0或R1→∞时,如图6.4所示, , 即输出电压与输入电压大小相等,相位相同,该电路称为 电压跟随器.% 由于同相输入比例运算电路引入的是深度电压串联 负反馈,所以,输入电阻为 rif=(1+AF)rid→∞' 输出电阻为 i i f o u u R R u = + = ) 1 ( 1 0 1 ≈ + = AF r r od of + - + uo ui 8 图6.4电压跟随器 6.2.2 加法运算% 如图6.5所示.根据"虚断"的概念可得: + - + R4 uo Rf if ii Rn R2 R1
ui1 ui2 u