第二章 半导体器件§ 2.1 双极型三极管§ 2.2 § 2.3 § 2.4 § 2.5 § 2.6共射极基本放大电路 射极偏置电路 共集电极放大电路 共基极放大电路 特殊三极管2.1 双极型三极管一、基本结构C NPN型 基极 B 集电极集电极C P PNP型NP N EB基极NP ECB IB EIC发射极C 发射极 B IB EICIEIE一、基本结构C集电结 集电极 集电区： 面积较 大基区：较 薄，掺杂 浓度低工作条件： 发射结加正向电压 集电结加反向电压NB基极PN E发射极 发射区：掺发射结杂浓度高二. 三极管内部载流子的传输过程I CBOI CN1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。 2)电子到达基区后 (基区空穴运动因浓度低而忽略) 多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。 少数与空穴复合，形成 IBN 。IBI BNIE基区空 基极电源提供(IB) 穴来源 集电区少子漂移(ICBO) 即： IBN ? IB + ICBO IB = IBN – ICBOI CBOICI CN3) 集电区收集扩散过 来的载流子形成集 电极电流 ICIBI C = ICN + ICBOI BNIE三、三极管的电流分配关系IB = I BN ? ICBO IC = ICN + ICBO当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集 电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：I C ? I CBO I CN ? ?? I B ? I CBO I BNIC ? ? IB ? (1 ? ? )ICBO ? ? IB ? ICEO 穿透电流IE = IC + IB IC ? ? IB ? ICEOI E ? (1 ? ? ) I B ? I CEOI E ? IC ? I BIC ? ? IB I E ? (1 ? ? ) I B四、满足放大条件的三种电路E ui C CEB uouoB 共基极B ui EuouiC共集电极共发射极五、特性曲线1、实验线路 IB mAIC?ARB V UBE V UCEECEB输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=常数 输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=常数五、特性曲线2、输入特性UCE =0.5VUCE=0VIB(?A)80UCE ?1V工作压降： 硅管 UBE?0.6~0.7V,锗 管UBE?0.2~0.3V。60 死区电 压，硅管 0.5V，锗 管0.2V。40 200.40.8UBE(V)五、特性曲线2、输入特性 输入特性曲线的特点： （1）UCE=0，相当于两个二极管 并联运用。 （2）UCE≠0时，整个曲线往右移。 当UCE＞1V后，曲线几乎重合。 80 60 40 20IB(?A)0.40.8UBE(V)（3）有一门限电压──晶体管开始导通时的基极电压 （硅管0.5V，锗管0.1V）。 （4）晶体管正常工作时，发射结的压降变化不大（硅 管0.7V，锗管0.3V）。 （5）输入特性是非线性的。二、输出特性iC ? f ( uCE ) i43B?常数iC / mA50 ? A40 ? A 30 ? A2120 ? A10 ? A 截止区2 4 61. 截止区： IB ? 0 IC = ICEO ? 0 条件：两个结反偏ICEOOIB = 08 uCE /V4 3 2 1iC / mA 50 ? A 放大区 40 ? A 30 ? A 20 ? A 10 ? A 截止区2 4 62. 放大区：IC ? ? IB ? ICEO条件： 发射结正偏 集电结反偏 特点： 水平、等间隔ICEOOIB = 08 uCE /V3. 饱和区：iC / mA 4 50 ? A 饱 40 ? A 3 和 放大区 区 30 ? A21uCE ? u BE uCB = uCE ? u BE ? 0 条件：两个结正偏 特点：IC ? ? IB 深度饱和时： 0.3 V (硅管) 0.1 V (锗管)20 ? A10 ? A 截止区2 4 6ICEOOIB = 08 uCE /V临界饱和时： uCE = uBEUCE(SAT)=六、主要参数 ___1. 电流放大倍数?和 ? ?前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共 点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。 ___ 共射直流电流放大倍数： IC? ?IB工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上 的交流信号。基极电流的变化量为?IB，相应的集电 极电流变化为?IC，则交流电流放大倍数为：?IC ? ? ?I B六、主要参数例：UCE=6V时： IB = 40 ?A, IC =1.5 mA； IB = 60 ?A, IC =2.3 mA。___IC(mA )4 3 2 1 3 6 9100?A80?A60?A40?AIC ? 1.5mA ? 37.5 ? ?I 0.04mA B?I C ?? ? 2.3 ? 1.5 ? 40 ?I B 0.06 ? 0.0420?A IB=0 12 UCE(V)在以后的计算中，一般作近似处理：? = ?2.集-基极反向截止电流ICBO3. 集-射极反向截止电流ICEOICBO是集电 结反偏由少 子的漂移形 成的反向电 流，受温度 的变化影响。六、主要参数4.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极 管的?值的下降，当?值下降到 正常值的三分之二时的集电极 电流即为ICM。IC ICM安全工作区ICUCE=PCM5.集-射极反向击穿电压当集---射极之间的电压UCE超过 一定的数值时，三极管就会被击 穿。手册上给出的数值是25?C、 基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。6. 集电极最大允许功耗PCM PC =ICUCE? 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。? 集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳热为：U(BR)CEOUCEPC?PCM七、晶体管的选择和使用注意事项1、必须使晶体管工作在安全区。 2、若工作频率高，必须选用高频管。 3、若要求导通电压低时选用锗管， 若要求导通电压高时选用硅管。 4、ICBO、ICEO越小越好。 5、NPN管和PNP管对电源的极性要求不一样。例 2.2.3 判断如图电路UI = 1V、3V、5V 时，BJT的工作状态。UI = 1V：VBB = 0.4 V, UBE & 0.5 V，BJT 截止 UI = 3V：VBB = 1.2 V，VBBRBB[解] 利用戴维宁定理：U I ? R2 VBB ? ? 0.4U I R1 ? R2RBB ? R1 // R2 ? 12k?VBB ? U BE IB ? RBB (1.2 ? 0.7)V ? 0.04 mA ? 12k? IC = ? I B = 50 ? 0.04mA =2 mA UCE = VCC – IC Rc = 6 VBJT 处于放大状态例 2.2.3 判断如图电路UI = 1V、3V、5V 时，BJT的工作状态。UI = 1V：BJT 截止 UI = 3V： BJT 处于放大状态VBBRBBUI = 5V：VBB = 2 V，[解] 利用戴维宁定理：U I ? R2 VBB ? ? 0.4U I R1 ? R2RBB ? R1 // R2 ? 12k?VBB ? U BE IB ? RBB ( 2 ? 0.7 )V ? ? 0.1mA 12k? IC = ? I B = 5 mA VCC ? ? 4 mA RcBJT 处于饱和状态2.2 共射极基本放大电路2.1.1.放大电路的基本概念放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放 大电路。2.2.1 共射基本放大电路的组成图 03.06 共发射极组态交流基本放大电路 将变化的集电极电流 基本组成如下： 输入耦合电容C1保证信号加到 起放大作用。 提供电源，并使三极管 发射结，不影响发射结偏置。 ? 三 极 管T——转换为电压输出。 工作在线性区。 输出耦合电容C2保证信号输送 ? 负载电阻Rc到负载，不影响集电结偏置。 、RL—— ? 偏置电路VCC 、Rb—— ? 耦合电容C1 、C2——(2) 静态和动态静态—— vi ? 0 时，放大电路的工作状态， 也称直流工作状态。 动态—— vi ? 0 时，放大电路的工作状 态，也称交流工作状态。 放大电路建立正确的静态，是保证动态工作 的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和 动态，正确地区分直流通道和交流通道。2.2.2静态工作情况分析放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。 静态分析的任务是根据电路参数和三极管的特性确定静 态值（直流值）UBE、IB、 IC 和UCE。可用放大电路的直流通路来分析。+VCC Rb C1 RC T RL C2为什么要 设置静态 工作点？放大电路建立正确的静态工作点，是为了使 三极管工作在线性区以保证信号不失真。一、静态工作点的估算画出放大电路的直流通路 直流通路的画法： +VCC 将交流电压源短路Rb C1RC将电容开路。C2 开路开路RL直流通道+VCCRbRC用估算法分析放大器的静态工作点（ IB、UBE、IC、UCE）（1）估算IB（ UBE ?0.7V)+VCCRb RCVCC ? UBE IB ? Rb VCC ? 0.7 ? RbVCC ? RbIBUBERb称为偏置电阻，IB称 为偏置电流。（2）估算UCE、IC +VCC Rb RC IC= ?IBIC UCEU CE ? VCC ? I C RC例2.3.1：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=4K?， Rb=300K ?，?=37.5。+VCC RCRb解： UBE ?0.7VVCC 12 IB ? ? ? 0.04mA ? 40μA Rb 300 IC ? ? IB ? 37.5 ? 0.04 ? 1.5mA? 请注意电路中IB和IC的数量级UCE ? VCC ? ICRC ? 12 ? 1.5 ? 4 ? 6V共射组态基本放大电路共发射极交流基本放大电路如图所示。 C2是耦合电容，将 Rb1和Rb2系偏置电 集电极的信号耦合到负 阻。C 是耦合电容，将1(a) 共射基本放大电路 (b) h参数微变等效电路 处于直流通道中。Rc 、 共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路 Rc是集电极负载电载电阻RL上。 输入信号vi耦合到三极 Rb1、Rb2 管的基极。 、Rc和ReRL相并联，处于输出回 阻。Re是发射极电阻， 路的交流通道之中。 C 是R 的旁路电容。e e
(2) 直流计算图03.20电路的直流通道如图 (a)所示， 用戴维宁定理进行变换后如图 (b)所示。因此 静态计算 如下： IB=(V 'CC－VBE) / [R'b+(1+? 用戴维宁定理进行变换 (a) 直流通路 (b) )Re] V 'CC= VCC Rb2 / 03.21 基本放大电路的直流通道 R'b= Rb1∥Rb2 图 (Rb1+Rb2) IC=? IB VC= VCC －ICRc VCE= VCC －ICRc－IERe= VCC －IC(Rc+Re)
①静态工作状态的计算分析法根据直流通道可对放大电路的静态进行计算VCC ? VBE IB ? Rb IC ? β IB VCE ? VCC ? I C RcIB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的静态工作状态。②静态工作状态的图解分析法放大电路的静态工作状态的图解分析如 图03.08所示。图 03.08 放大电路静态工作状态的图解分析直流负载线的确定方法：1. 由直流负载列出方程 VCE=VCC－ICRc 2. 在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。VCC、VCC /Rc3. 在输入回路列方程式VBE =VCC－IBRb4. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。5. 得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。2、对交流信号(输入信号ui) 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 +EC RB C1 RC置零C2 T交流通路uo短路短路uiRBRC RL2.3.3 图解法二、动态分析 1、交流负载线因为 iC=IC+icuCE=UCE+uceic同时 uce=uo=-ic RL'=-(iC-IC) RL‘uceui RB RC RLuo则 或uCE=UCE-(iC-IC) RL‘iC=(-1/RL‘)uCE+(UCE+IC RL')/ RL' 结论交流通路ic 1 ?? ? uce RL其中：（1）交流负载线的斜率是1/ RL'，与横轴的锐夹角为 α=tg-11/ RL‘ （2）iC=IC 时 uCE=UCE 说 明 交流负载线通过Q点。? RL ? RL // RC2.3.3 图解法二、动态分析 1、交流负载线交流负载线的作法EC RCIC交流负载线方法1：过Q点作一 1 条直线，斜率为： ?QIB UCE? RLEC2.3.3 图解法二、动态分析 1、交流负载线交流负载线的作法EC RCIC交流负载线方法2：过原点作一 斜率为-1/ RL'的辅助 直线，再平行移动通 过Q点即为交流负载 线。QIB UCEEC2.3.3 图解法二、动态分析 1、交流负载线交流负载线的作法方法3： 选择两个特 殊的点──静态工作 点、与横轴的交点。 与横轴的交点 的作法：令iC=0、由 交流负载方程得 uCE=UCE+ICRL'EC RCICQIB UCEECu ce ? UCE ? IC R?L2.3.3 图解法二、动态分析 1、交流负载线说明（ 1 ） 当 有 交 流 信 号输 入时，电路的瞬时工作 状态将沿着交流负载线 移动。 （ 2 ） 直 流 负 载 线 只能 用来确定静态工作点。 （3）当RL=∞时，直流 负载线与交流负载线重 合。EC RCICQIB UCEEC2.3.3 图解法二、动态分析 2、用图解法描绘放大电路各处的电流和电压的波形IBICiBiCQt tQuitUBEUCEuCEuCE怎么变化t2.3.3 图解法二、动态分析 3、根据图解的结果计算放大器的放大倍数 Au=Uo/Ui Ai=Io/Ii Ap=Au· i AIBICiBiCQt tQuitUBEUCEuCEt2.3.3 图解法二、动态分析 4、失真分析 在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即 线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入 信号的情况，放大电路产生非线性失真。 失真产生的原因： ①晶体管的非线性。解决的办法；选管子：线性区要宽 ，输入曲线成直线，输出曲线簇接近于平行等距。 ②静态工作点不合适。2.3.3 图解法二、动态分析 4、失真分析iC ib（1）Q点合适时可输出的 最大不失 真信号uCE uo2.3.3 图解法二、动态分析 4、失真分析iC（2） Q点过低，信 号进入截止区输入波形 ib放大电路产生 截止失真 uo 输出波形uCE2.3.3 图解法二、动态分析 4、失真分析 （3） Q点过高，信号进 入饱和区iCib输入 波形uCE 放大电路产生 饱和失真输出波形为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中 间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非 线性失真。uo放大电路的非线性失真因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超 出了晶体管特性曲线上的线性范围，从而引起非线性失真。1. “Q”过低引起截止失真iB iB iC ic Q t O O t uBE/V O uBE/V ui t OOiC交流负载线ibOQ uCE uCEtuceNPN 管： 顶部失真为截止失真。 PNP 管： 底部失真为截止失真。 不发生截止失真的条件：IBQ & Ibm 。2. “Q”过高引起饱和失真iC ICS iC Q V ?CC uCE uCE 集电极临界 饱和电流 NPN 管：底部失真为饱和失真。PNP 管： 顶部失真为饱和失真。Ot O tO? VCC ? U CE (SAT) I BS ? ? ? ? ? RL I CSIBS — 基极临界饱和电流。 不接负载时，交、直流负载线重合，V ?CC= VCC不发生饱和失真的条件： IB + I bm ? IBS饱和失真的本质：+VCC Rb iC iBRcC2 ++ T RL uo?C1+?+ui负载开路时： 受 Rc 的限制，iB 增大，iC 不可能超过 VCC/RC 。 接负载时： 受 R?L 的限制，iB 增大，iC 不可能超过 V ?CC/R?L 。 (R?L= Rc // RL)三、最大输出幅值的估算Ucut = IC R’LUsat = UCE ?UCE(sat)估算取UCE(sat) = 1 V最大不失真输出电压幅值 Uomax ：当“Q”靠近截止区时， Uomax = Ucut 当“Q”靠近饱和区时， Uomax = Usat例 2.2.4 BJT硅管，? = 40，各电容足够大，求“Q”、 Uomax 。[解] (1) 求 “Q”VCC ? U BE (12 ? 0.7 )V IB ? ? ? 0.04 mA Rb 300k ?直流负载线方程：uCE = VCC – iC (Rc + Rd ) = 12 – 4 iC IC = 1.6 mA UCE = 5.6 V(2) 求 UomaxR’L = R c//RL = 3 // 6 = 2 (k?)交流负载线在水平轴的截距为：UCE +ICR’L = 5.6 + 3.2 = 8.8 V Uomax = 3.2 V2.2.5 用小信号模型法(微变等效)分析动态微变等效的依据： 1.非线性电路经适当近似后可按线性电路对待。 2. 利用叠加定理，分别分析电路中交、直流成分。 3. 动态是输入信号电压在直流静态工作点的基础上， 各极电流、电压的变化。输出回路的模型注意！小信号模型： （1）未考虑BJT结电容的影响，故只适用于低频信号。 （2）当信号较大，但非线性失真不严重时或计算精度 要求不高时，仍可使用。 （3）只能用于放大电路的动态分析，不能用于计算静 态工作点。 （4）适于NPN和PNP管，不必改电压、电流参考方向。r beBJT 小信号模型B26mV ? 300 ? ? (1 ? ? ) I EmAic C + uceE–ibBib+ ube–+ ube rbe E ?ic C + ? ic uce ?二、用小信号模型分析共射放大电路Rb A C1+Rc+VCC C2B+ ui ?A’+ uo?RLB’1. 画简化小信号模型电路Ii+ R Ui b–IbbIcc+RCrbee? IcUo RL ?+ –二、用小信号模型分析共射放大电路Rb A C1+Rc+VCC C2B1. 画简化小信号模型电路Ii IbbIcc+ ui ?A’+ uo?RL+ Rb Ui–+RCrbee? IcUo RL ?+–B’2. 求电压放大倍数3. 求输入电阻? ? ? ? U i ? R // r Uo ? ? I b RL ? Ri ? b be Au ? ? ? ? ? Ii Ui I b rbe 4. 求输出电阻 ? RL ? ?? rbe 输入输出 Ro = RC R’L= Rc // RL 相位相反5. 源电压放大倍数IiRsIbb RbIccUs+ Ui–+RCrbee? IcUo RL ?? ? ? ? Ri Uo Uo Ui Ui ? ? ? ? ? Au Aus ? Au ? ? ? ? ? Ri ? Rs Us Us Ui Us ? ? RL Ri RL rbe ? ?? ? ?? rbe Ri ? Rs rbe Rs ? rbe例 2.2.2 BJT硅管，VCC = 12 V ，? = 40，求：Au、Ri、Ro。Rb300 k? C1 +C 3.9 k? + 2Rc+VCC + uo? RL 3.9//3.9 Au ? ? ? ? ?40 rbe 1= – 78RS + us ?0.6 k?RL3.9 k??Ri ? Rb // rbe ? 300// 1 k?? 1 k?[解]Ro = RC = 3.9 k?(12 ? 0.7)V IB ? ? 38 ?Α 300k?rbe = 300 ? +26 mV / IB= 1 k?? ? Aus ? AuRi Ri ? Rs 1 ? ?78 ? ?48.8 1 ? 0.62.3 稳定静态工作点的放大电路 — 射极偏置电路2.3.1 温度对静态工作点的影响 2.3.2 射极偏置电路2.3.1 温度对静态工作点的影响iBT2 & T11. 温度对ICEO 的影响温度每升高 10?C， ICBO 约增大 1 倍。uBEO2. 温度对 ? 的影响温度每升高 1?C， UBE ? (2 ? 2.5) mV。温度?，输入特性曲线 ?iC T2 & T13. 温度对UBE的影响iB = 0 iB = 0 iB = 0 u温度每升高 1?C， ? ?(0.5 ? 1)%。OCE温度? ，输出特性曲线?输出特性曲线间距增大。2.3.2 射极偏置电路Rb1C1一、 稳定静态工作点的原理1. Rb1 、Rb2的分压作用固定UB： 选用Rb1 、Rb2 时使：I1 Rc UBIC++VCC C2+ RS + IB ui Rb2 I2 ?ReIE + R uo L?I1(或 I2) && IBRb2 UB ? VCC Rb1 ? Rb2不受BJT 和温度变 化的影响2. Re产生反映 IC变化的UE，引起UBE变化，使 IC基本不变。稳定“Q”的原理：T ?? IC?? UE? ? ? UBE ? ? IB? IC ?UB固定二、 静态工作点的估算I1 Rc C1 UB + IB RS Rb2 I2 RRb1e+VCCICC+2Rb2 UB ? VCC Rb1 ? Rb2U B ? U BE U B IE ? ? Re ReIERLIC ? I EIB ? IE / ?UCE ? VCC ? IC Rc ? I E Re ? VCC ? IC ( Rc ? Re )三、 动态分析+VCCRb1C1Rc +C2+ RS ui Rb2 ? Ii Ibrbe+Re+ uo RL1. 电压放大倍数 Rc // RL ? ? ? Uo ? ? I b RL ? Au ? ? ? ? U I [r ? (1 ? ? ) R ]ibbee?? ? ? RL ? ? RL ? ? rbe ? (1 ? ? ) Re Re+ Uo?Ic+ Ui Rb1 Rb2?? IbIc RcRe RLAu受 ? 和温度变化的影响小 Rb1 2. 输入电阻 // Rb2Ri ? Rb //[rbe ? (1 ? ? ) Re ]3. 输出电阻RiR?i小信号等效电路Ro = Rc2.4 共集电极放大电路 和共基极放大电路2.4.1 共集电极放大电路 2.4.2 共基极放大电路+VCC2.4.1 共集电极放大电路(射极输出器、射极跟随器) 一、静态分析IB +VCC RbRbRe 直流通道C1++ + RS ui IE us – Re–+C2RL+ uo–VCC = IB Rb + UBE + IE Re= IB Rb + UBE + (1+ ? ) IB ReIB = (VCC – UBE) / [Rb + (1+ ? ) Re]IC = ? I BUCE = VCC – IC Re二、动态分析C1 Rb+VCCC2Ii Us + Rs–IbRb ReIc + RL Uo ? +?IiRsIbrbe Rb ReIc+ RL Uo ?? Ib+ +–RS+Re RLUsus交流通路小信号等效电路电压放大倍数： ? ? ? Uo （1 ? ?）I b Re // RL (1 ? ? ) RL ? ? ?1 Au ? ? ? ? r ? (1 ? ? ) I R // R ? ? U i I b be rbe ? (1 ? ? ) RL b e L 输入电阻： ? ? Ui Ui ? Ri ? ? ? ? Rb // [rbe ? (1 ? ? ) RL ] ? ? Ui Ui Ii ? ? Rb rbe ? (1 ? ? ) RLIiUs + Rs–IbRbIc + RL Uo ?IbRS rbe Rb ReIc? IbIR eReUs = 0I + U ?输出电阻：? ? U US ? 0 Ro ? ? I RL ? ?R?S = RS // RB? ? 特点：Au ? 1 输入输出同相，Ri 高，Ro 低 U U ? (1 ? ? ) I = IRe+ Ib + ? Ib ? 用途：输入级， 输出级， 中间缓冲级 S Re rbe ? R?? ? ? ( rbe ? RS ) U U Ro ? ? ? ? Re // ? ? U U I 1? ? ? ? Re ( rbe ? RS ) /(1 ? ? )2.4.2 共基极放大器一、电路形式 ： Rb1 Rs ui Re us RC VCCRb1I1 RC IB T I2+VCCRb2 Rb2 Ce uo RLRe二、分析计算 ： 1、Q点Rb 2 UB ? VCC Rb 2 ? Rb 2RCVCCUE ?UB UB IE ? ? IC Re IB ? IC h feRb1ReRb2U CE ? VCC ? I C RC ? U E2.4.2 共基极放大电路C1 + Rb1 +VCC Rc +C2RS + + + ui Re + uo RL Rb2 us ? Cb ? ? 电路图 Rb1 + Cb Rb2 Rc + +VCC C2+ Us ?RSIi Ie + Ui RIb e?Icrbe Rc? IbIo + RL Uo?小信号模型+ + ui us ? ?RS+C+ RS 1ReRL u o?+ us ?+ ui ?ReRc+ uo RL ?习惯画法交流通路二、动态分析RS+ Us ?Ii Ie + Ui RIb e?Icrbe Rc? IbIo + RL Uo?RiR?iRo? ? ? ? U o ? ? I b RL ? RL ? ? Au ? ? ? ? r Ui ? I b be rbe ? ? ? I b rbe r be Ui Ri? ? ? ? ? ? ? I e ? (1 ? ? ) I b 1 ? ? rbe Ri ? Re // Ro = RC (1 ? ? )特点： 1. Au 大小与共射电路相同。 2. 输入电阻小，Aus 小。 用途：高频特性好，常用于高频电路中。三、BJT共基极电流放大系数 ?? ? ? ? Ic Ic Ic / Ib ? ?? ? ? ? ? ? ? ? / I 1? ? ? Ie Ic ? Ib 1 ? Ic b? ?? 1 ??三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 电压放大倍数 CE / CB / CC? β RL ? CE ： A v = ? rbe ? (1 ? β ) R L ? CC ： A v = ? rbe ? (1 ? β ) R L ? β RL ? CB ： A v = + rbe三种基本放大电路的比较如下组态对应关系输入电阻RiCE / CB / CCCE: Rb / / rbeCC: Rb //[rbe ? (1 ? ? )R'L ]CB: Re//[rbe/(1+?)]三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 输出电阻 Ro CE ：R CE / CB / CCcrbe + Rb // Rs CC ： e // R 1?β CB ：Rc2.5 场效应管及其基本放大电路2.5.1 绝缘栅场效应管 2.5.2 结型场效应管2.5.3 场效应管的参数、特点及使用注意 2.5.4 其它类型场效应管2.5.5 FET的偏置电路及静态分析2.5.6 FET放大电路的小信号模型分析法引 言场效应管 FET (Field Effect Transistor) 类型： 结型 JFET (Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)特点： 1. 单极性器件(一种载流子导电)2. 输入电阻高(107 ? 1015 ?，IGFET 可高达 1015 ?) 3. 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.5.1 绝缘栅场效应管一、N沟道增强型 MOSFET (Mental Oxide Semi— FET) 1. 结构与符号sN+gdN+s — 源极 source 在绝缘层上喷金 用金属铝引出 在硅片表面生一 用扩散的方法 g源极SiO gate区 — s 和漏极 d 属铝引出栅极 g 层薄栅极2 绝缘层 制作两个 N d — 漏极 draingdB耗尽层(掺杂浓度低)P 型衬底Bs2. 工作原理反型层 (沟道)1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0) a. 当 UGS = 0 ，ds 间为两个背对背的 PN 结； b. 当 0 & UGS & UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂直电 场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)； c. 当 uGS ? UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形 成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。2) uDS 对 iD的影响(uGS & UGS(th))MOS工作原理ds 间的电位差使 沟 道 呈 楔 形 ， uDS?， 靠近漏极端的沟道厚 度变薄。 预夹断(UGD = UGS(th))：漏极附近反型层消失。 预夹断发生之前： uDS? iD?。预夹断发生之后：uDS? iD 不变。3. 转移特性曲线 i D ? f ( uGS ) UDS4. 输出特性曲线 i D ? f ( uDS ) UGS4 UDS = 10 V 3 2 1 UGS (th) 开启电压iD /mAO2 4 6uGS /V当 uGS & UGS(th) 时：iD /mA 8V 可 变 6V 电 放大区 恒流区 饱和区 4V 阻 区 uGS = 2 V O 截止区 uDS /V 可变电阻区 uDS & uGS ? UGS(th) uDS?? iD ?，直到预夹断饱和(放大区) uDS?，iD 不变 ?uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变 截止区 uGS ? UGS(th) 全夹断 iD = 0uGS iD ? I DO ( ? 1)2 U GS (th)uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值二、 N 沟道耗尽型 MOSFETSio2 绝缘层中掺入正离子 d 在 uGS = 0 时已形成沟道； B 在 ds 间加正电压时形成 iD， uGS ? UGS(off) 时，全夹断。 siD /mA 夹断 电压 UGS(off)O uGS /V 转移特性 IDSSg iD /mAO2V 0V ?2V uGS = ? 4 V uDS /V 输出特性饱和漏 极电流当 uGS ? UGS(off) 时，uGS 2 i D ? I DSS (1 ? ) U GS(of f )三、P 沟道 MOSFET简介 增强型 耗尽型d g s B gd B s2.5.2 结型场效应管 1. 结构与符号N 沟道 JFETP 沟道 JFETJFET工作原理2. 工作原理预夹断3. 转移特性和输出特性iD0V–1V –2VU uGS = – 3 ViDIDSS uGSOGS(off)uDSuGS ? 0，uDS & 0 沟道楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断。 此时 uGD = UGS(off)；当 uDS ?，预夹断点下移。O–3V当 UGS(off) ? uGS ? 0 时,iD ? I DS S(1 ?uGS U GS (off))2各种FET 符号、特性的比较d iD B g d i D B iD /mA UGS(th)iD /mA uGS = 8 V 6V 4V 2Vs s – 2 O 2 uGS /V O uDS /V N 沟道增强型 P 沟道增强型 iD /mA iD /mA d i d uGS = 2 V –2 V D iD 0V 0V UGS(off) I DSS –2V 2V B B g g uGS /V –5V 5V s s 5 O uDS /V N 沟道耗尽型 P 沟道耗尽型 – 5 O iD /mA iD /mA d d uGS = 0 V 0 V iD iD UGS(off) IDSS –2V 2V g g uGS /V –5V 5V s s O uDS /V 5 N 沟道结型 P 沟道结型 – 5 Og–8V –6V –4V –2V2.5.3 场效应管的主要参数、特点及注意事项一、场效应管的主要参数1. 开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型)指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。 2. 饱和漏极电流 IDSS 3. 直流输入电阻 RGSiD /mAIDSSuGS /VUGS(off) UGS(th)O耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS & 107 ? MOSFET：RGS = 109 ? 1015??4. 低频跨导 gmiD /mA Q uGS /VOgm ?diD duGSuDS ?常数反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。常用毫西 (mS，mA/V)。 5. 最大漏极电流 IDM 为管子工作时允许的最大漏极电流。 6. 最大漏极功耗 PDM PDM = uDS iD，受管子最高工作温度限制。 7. 漏源击穿电压 U（BR）DS ：漏源间能承受的最大电压。 8. 栅源击穿电压 U（BR）GS ：栅源间能承受的最大电压。二、场效应管的主要特点及使用注意事项特点：1. FET为电压控制型器件，栅极基本无电流，输入 电阻高，常用做高输入阻抗输入级。2. 多 子导电，受温度、辐射等外界因素影响小。3. 噪声比BJT小（尤其是JFET） 。 4. MOS管制造工艺简单，体积小，功耗小，易集成。使用注意事项： 1. MOS管衬底与源极通常接在一起。若需分开，衬源 间电压须反偏（NMOS uGS & 0， PMOS uGS & 0 ）。 2. MOS管输入电阻极高，使栅极感应电荷产生高压造 成管子击穿。为避免栅极悬空及减少感应，储存时 应将三个极短路；焊接时，用镊子短路三个极，并 将电烙铁断电后焊接；不能用万用表检测，只能接 入测试仪后再去掉短路线测试，取下前也应先短路。 3. JFET可在栅源极开路情况下储存 和用万用表检测。MOS管栅极过压保护电路 ?2.5.5 FET的偏置电路及静态分析一、 自偏压电路1. 工作原理+VDDC1Rd C 2 d + g Rg R ss+ ui?+ CS+ uo?2. 静态工作点的估算 UGS = – IDRs栅极电阻 Rg 的作用： (1)为栅偏压提供通路 (2)泻放栅极积累电荷 源极电阻 Rs 的作用： 提供负栅偏压 漏极电阻 Rd 的作用： 把 iD 的变化变为 uDS 的变化 uGS = uG – uS = – iDRs UDS = VDD– ID（ Rs+Rd）U GS 2 I D ? I DSS (1 ? ) U GS(off)二、分压式自偏压电路+VDD Rd C 2 d + s Rg3 Rg2 Rs RLRg1 C1 gUG ?+ uo?VDD ? Rg2+ ui?+CU GSsRg1 ? Rg2 VDD ? Rg2 ? ? I D Rs Rg1 ? Rg2； S ? I D Rs U调整电阻的大小，可获得： UGS & 0 UGS = 0 UGS & 02.5.6 FET放大电路的小信号模型分析法一、FET 的简化小信号模型从输入回路看，iG ? 0，故认为 g 、s 极间开路； 从输出回路看，漏极电流受栅、源电压控制，有：gm ?diD duGSuDS ?常数g? ? 即 Id ? gmUgsId d + Uds gmUgs ? s对于正弦量：? Id gm ? ? U gs+ Ugs ?小信号模型二、用小信号模型分析 FET 共源极放大电路+VDD Rg1 C1 g Rd C 2 d + Rg3 Rg2IigdId+ ui?sRsRL +Cs+ + Rg3 gmUgs Ugs + U i ? s R RD uo ?Rg2 Rg1 S ?RL+ Uo ?? ? U o ? gmU gs ( Rd // RL ) ? ? ? ? gm RL 有 CS 时： Au ? ? ? ? Ui U gs Ro ? Rd Ri ? Rg3 ? Rg1 // Rg2 ? Rg3 ? ? g mU gs ( RD // RL ) ? ? gm RL 无 CS 时： A ? ? ? u ? ?g U R ? 1 ? g m Rs Ugs m gs sRi、 Ro 不变例 已知 gm = 0.7 mS，求电压放大倍数、输入和输出电阻。+18V 30 k? Rd C + 2 2 M? Rg1 d C1 g + 10 M? Rg3 s 10 k?解： ? ? Au ? ? gm RL+ uo?uiRs 47 k? Rg2 ? 2 k?+ RL Cs30 ? 10 ? ?0.7 ? ? ?5.25 30 ? 10Ri ? 10M? ? 2 // 0.47M? ? ? ? ?? 10 M? ?Ro ? Rd ? 30 k?2.7 特殊三极管2.7.1 光电三极管2.7.2光电耦合器2.7.1 光电(敏) 三极管一、工作原理像光电二极管一样实现光 -电转换外，还能放大光电流。 有NPN和PNP型之分。 c (+) c IC =（ 1+?）IB ? = 100 ~ 1000 如3DU5C： 最高工作电压 30 V 暗电流 & 0.2 ?A 光电流 ? 3 mA (1000 lx 下) 峰值波长 900 nme3DU5Ce (–)符号外型有3AU、3DU系列二、应用举例 泄流二极管，在继电器脱电1. 开关电路时，使线圈自感电动势形成 放电回路且限幅为0.7V，从 而使三极管免受过大的uCE。直接驱动式，能提 供 3 mA的光电流。三极管 T 用于放大 驱动电流。2. 测速电路2.7.2 光电耦合器一、基本原理 发光器件 LED + – c 受光器件 光电二极管 光电三极管e实现 电 - 光 - 电 传输和转换二、主要参数+c e1. 输入参数。即LED的参数 – 2. 输出参数。与光电管同，其中： （1）光电流指输入一定电流（10 mA），输出接一定负载（约 500 ?） 和一定电压（10 V）时输出端产生的电流。 （2）饱和压降 指输入一定电流（20 mA），输出接一定电压（10 V）,调节 负载使输出达一定值( 2 mA )时时输出端的电压( 通常为 0.3 V )。3. 传输参数 （1）电流比CTR指直流状态下，输出电流与输入电流之比。一般 & 1。 （2）隔离电阻 RISO。指输入输出间绝缘电阻。 （3）极间耐压 UISO。 指发光管光电管间的绝缘耐压，一般在500 V以上。三、类型、特点和用途分类： 普通光电耦合器 ，用作光电开关。 线性光电耦合器 ，输出随输入成线性比例变化。特点： 抗干扰性能好、隔噪声、响应快、寿命长。 用作线性传输时失真小、工作频率高； 用作光电开关时无机械触点疲劳，可靠性高。用途：实现电平转换、电信号电气隔离。四、应用举例1. 计算机接口电路示意图输入 工业 系统 传感 电路 执行 机构 输出 R1传输线R2计算机 系统线性光电耦合器功能： （1）双向数据实时传输； （2）隔离，防止现场干扰窜入计算机； （3）电平转换，适应计算机和工业系统执行机构要求。2. 光耦合器组成的开关电路高电平 低电平VCC1 低电平低电平 高电平功能： （1）实现脉冲传输； （2）实现电平转换。2.8 放大电路的频率特性2.8.1 频率特性的基本概念 2.8.2 频率特性的定性分析及其指标 2.8.3 对数频率特性曲线— 波特图 2.8.4 BJT的频率参数 2.8.5 多级放大电路的频率特性2.8.6 共射-共基直接耦合放大电路及 其频率特性2.8.1 频率特性的基本概念一.幅频特性和相频特性? Au ? Au ( f )?? ( f )Au( f ) — 幅频特性RS + us ?Rb C1 +CbcRc C2 ++VCC + uo ?RLCbeAum 0.707AumOAu?( f ) — 相频特性f L — 下限截止频率 f H — 上限截止频率? f LOfHff二、 频带宽度(带宽)BW(Band Width)BW = f H ? f L ? f H4.1.1 简单 RC 低通和高通电路的频率特性一、RC 低通电路的频率特性1. 频率特性的描述Ui? ??R CUo?Uo 1 / j? C 1 1 Au ? ? ? ? ? U i R ? 1 / j? C 1 ? j? RC 1 ? j f令 1/RC = ?H则 fH = 1/2?RCfH|Au |1 0.70 7 O?幅频特性 f f 相频特性? Au ?1 1 ? ( f / f H )2?fH? ? ?arctan f / f H?滞后O –45? –90?f ? 0 时, Au ? 1 ； ? 0 ??1 f ? fH 时 ， u ? A ? 0.707； ? ?45? ? 2f ?? f H 时， u ? 0 ； ? ? ?90? A?三、简单 RC 低通和高通电路的频率特性1. RC 高通电路的频率特性 ? C Uo R 1 ? ? Au ? ? ? ? U i R ? 1 / j? C 1 ? 1/j? RC ? Uo ? Ui Ii R 1 ? 令 1/RC = ?L fL 1? j 则 fL = 1/2?RC f 1 ? ? Au 1 ? ( f L / f )2 ? ? arctan f L / f f ? 10 fL f = fL? ? 0? ? ? 45?f ? 0.1 fL? ? 90?2.8.2 频率特性的定性分析及其性能指标Rb C1 + CbcRc C2 ++VCC+ uo ? 高 频 区 f f1. 中频区可视Cbe、Cbc 开路，C1、C2 短路。 中频区Ausm和 ? 不受影响。RS + us ?RL Cbe2. 低频区可视Cbe、Cbc 开路；C1、C2 与输入 电阻、负载串联并对信号分压，形 成高通电路，使Au减小、 ?? 超前。Au 低 中频区 Ausm 频 0.707Ausm 区 O?3. 高频区C1、C2 短路，Cbe、Cbc 分流作用随 频率升高显著，形成低通电路，使 Au减小、 ?? 滞后。O–135° –180° –225°频率失真 — 放大器通频带不够宽，对信号中不同频率的 正弦波成分的放大倍数和附加相移不同，引起的失真。输入波形幅频失真相频失真输出的二次谐波 放大倍数小于基 波放大倍数输出的二次谐波 产生了附加相移频率失真没有产生新的频率成分，属于线性失真。2.8.3 对数频率特性曲线 — 波特图波特图 — 将频率坐标用对数分度，电压放大倍数用 电压增益（dB）表示的频率特性。 一、放大倍数的分贝表示法 功率放大倍数 功率增益 Ap = po/ pi Ap (dB) = 10 lg |Ap| dB 电压增益 电压放大倍数 Au (dB) = 20 lg |Au| dB Au = Uo/Ui 当输出量小于输入量时，分贝数为负值时，称为衰减。表2.8.1 电压放大倍数Au与分贝数的关系Au 10–3 10–2 10–1 0.2 0.707 102 103 1041026.030.4779.510lg Au20lg Au/dB–3–60–2–40–1–20–0.699–14–0.147 0 0.301120240360480二、阻容耦合基本共射电路的波特图2.8.4 BJT的频率参数一、共发射极截止频率 — f??o?为 ? 下降为 0.707 ?0 时对应的频率。 ?0 ? ? O ? 1 ? ( f )2 f?二、特征频率 — fTlg ff?fT为 ? = 1 时对应的频率 ，此时三极管失去放大能力。当 f && f?时， ? f ? ?0 f?； 当 ? = 1时， f = fT = ?0 ?f?三、共基级截止频率 — f? 为 ?下降为 0.707 ? 0 时对应的频率。f ? ? f T ? f?2.8.5 多级放大电路的频率特性一、多级放大电路的组成和分析方法 1. 极间耦合形式 直接 电路简单，能放大交、直流信号， A1 A2 耦合 “Q” 互相影响，零点漂移严重。 阻容 耦合 光电 耦合 变压 器 耦合A1 A2各级 “Q” 独立，只放大交流信号， 信号频率低时耦合电容容抗大。 主要用于耦合开关信号， 抗干扰能力强。 用于选频放大器、 功率放大器等。A1A2A1A22. 多级放大电路的组成及参数计算RS . UsUi.Au1第一级.Uo1 Ui2..Au2第二级.Uo2Uin.Au1末 级.RLUo.? ? ? U o ? U o1 U o 2 ? Au ? ? ? ? Ui Ui2 Ui? ? U o3 U o ? ? ? ? Au1 ? Au2 ? Aun ... ? ? U i3 U in考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大 倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!!!Ri = Ri1Ro = Ron二、多级放大电路的频率特性? ? ? ? 20 lg Au ? 20 lg Au1 ? 20 lg Au 2 ? ? ? 20 lg Aun? = ?1 + ?2 + · · ?n ·+两级放大电路2. 多级放大电路的频率响应（以两级为例）当两级增益和频带均相同时， 则单级的上下限频率处的增益为? ? ? 0.707 AVM1 。两级的增益为 (0.707 AVM1 )2 ? 0.5 A2VM1 。即两级的带宽小于单级带宽? 多级放大电路的通频带比 它的任何一级都窄两级放大电 路的波特图两级放大电路的带宽比级窄，总相移是两级相移之和。2.8.6 共射-共基直接耦合放大电路及其频率特性RL1= Ri2= reb2一、电压放大倍数RL1= Ri2= reb2rbe2 Ri2 ? reb2 ? 1 ? ?2 ? U o1 ? ? 1 RLI ? Au1 ? ? ? Ui rbe1 rbe2 ? ?1 1 ? ?? ? ? –1 rbe1 若IC1 ? IC2, ?1 = ? 2= ?则 rbe1 ? rbe2 ? U o ? 2 ? Rc2 ? Au 2 ? ? ? U i2 rbe2 放大倍数与单管相似? ? A ? A ? ? ? ? Rc2 Au ? u1 ? u 2 rbe2二、频率特性1. 由于采用了直接耦合，下限截止频率 fL = 0；2. 由于共射电路的负载是共基电路，后者输入电阻小, 削弱了前者极间电容的作用，上限截止频率 fH 提高。 共射(共集) - 共基电路为宽频带放大器。 其频率特性为:20lgAu/dBOfHf
iB ibOiBiC ic QiCQ t OOt O OuBE/V OuiuCE uCE uceuBE/Vtt
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