第4章基本放大电路

第4章基本放大电路学习要点n半导体器件工作原理n共射放大电路组成、工作原理、性能特点、分析方法n射极输出器工作原理、基本特点n多级放大电路概念n差动放大电路工作原理n功率放大电路工作原理n 场效应管放大电路组成、分析方法4.1半导体二极管半导体器件是用半导体材料制成的。

常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。

4.1.1 PN结半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。

如硅(Si)、锗(Ge)。

硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。

在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。

每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。

两个相邻原子共用一对电子。

1.半导体的导电特征（1）热激发产生自由电子和空穴室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。

失去价电子的原子成为正离子，就好像空穴带正电荷一样。

（2）空穴运动（与自由电子的运动不同）有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。

新的空穴又会被邻近的价电子填补。

带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。

本征半导体：纯净的具有单晶体结构的半导体。

热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。

N型半导体自由电子多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）（3）在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强。

在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体。

其中P型半导体自由电子多数载流子空穴少数载流子在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体。

其中P型半导体N型半导体＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。

少数载流子是热激发而产生的，其数量决定于温度。

无论是P型半导体，还是N型半导体，都是中性的，对外不显电性。

2.PN结及其单向导电性（1）PN结的形成半导体中载流子在电场作用下的定向运动，称为漂移运动。

半导体中如果载流子浓度分布不均匀，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，称为扩散运动。

将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。

P区空间电荷区N区PN结及其内电场内电场方向＋＋＋＋＋＋＋＋＋P区N区载流子的扩散运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋促使阻止多子扩散少子漂移形成空间电荷区产生内电场扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结（2）PN 结的单向导电性空间电荷区变窄E R内电场外电场PN I F ＋＋＋①外加正向电压（又称正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N 区电子不断扩散到P 区，P 区空穴不断扩散到N 区，形成较大的正向电流，这时PN 结处于导通状态。

E R内电场外电场空间电荷区变宽P NI R＋＋＋＋＋＋＋＋＋②外加反向电压（又称反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下漂移运动产生反向电流IR，因而IR很小，这时PN结处于截止状态。

一个PN结加上相应的电极引线，并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管(简称二极管)。

阳极 D 阴极1.半导体二极管结构与符号2.半导体二极管的伏安特性曲线4.1.2 半导体二极管外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。

正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。

通常死区电压——硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。

外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小。

（2）反向特性反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。

（1）正向特性3.半导体二极管的主要参数：长期运行时允许通过的最大正向平均电流。

（1）最大整流电流IF（2）反向击穿电压U：反向击穿时的电压值。

B：二极管运行时允许承受的最大反向（3）最大反向工作电压UDRM电压（约为U的一半）。

B：二极管未击穿时的反向电流。

其值越小，二极管（4）反向电流IR单向导电性越好。

4.1.3 稳压管5.稳压二极管：稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。

稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只会引起很小的电压变化。

阳极Dz 阴极4.理想二极管：正向电阻为零，正向压降忽略不计，呈现短路特性；反向电阻为无穷大，反向漏电流忽略不计，呈现开路特性。

（1）稳定电压UZ：反向击穿后稳定工作的电压。

（2）稳定电流IZ：工作于稳定电压时的电流。

（3）动态电阻rZ：稳定工作范围内，稳压管两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。

即：r Z=ΔU Z/ΔI Z（4）最大稳定电流IZM：是指稳压管允许通过的最大电流。

（5）额定功率PZ：在稳压管允许结温下的最大功率损耗。

P Z=U Z I ZM稳压管的主要参数：4.2 半导体三极管4.2.1 三极管的结构及类型半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。

在工作过程中两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称双极型晶体管，简称晶体管或三极管。

两个PN结，把半导体分成三个区域，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。

因此三极管有两种类型：NPN型和PNP型。

集电结B发射结NPN集电区基区发射区CC EEB集电结B发射结PNPCC EEB集电区基区发射区NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向4.2.2 电流分配和电流放大作用（1）产生放大作用的条件内部：a）杂质浓度:发射区>> 基区>>集电区b）基区很薄外部：发射结正偏;集电结反偏。

NPNI CI EI BR BU BBU CCR C实验表明：I C比I B大几十倍，且I C随I B的改变而改变。

表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，即三极管的电流放大作用。

i E= i C+ i B（2）三极管内部载流子的传输过程a）发射区向基区注入电子——发射极电流i Eb）电子在基区中的扩散与复合——基极电流i Bc）集电区收集扩散过来的电子——集电极电流i C（3）电流分配关系（KCL）：4.2.3 三极管的特性曲线1.输入特性曲线(与二极管类似)4321I B =03 6 9 12 U CE /V20μA 40μA 60μA 80μA 100μA饱和区截止区放 大 区I C /mA2.输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置BECE BE B u u u i ≤>>,0,0BC i i β≠0,0≈≤C B i i BC i i β=（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置此时4.2.4 三极管的主要参数1.电流放大系数β：i C=βi B2.极间反向电流i CBO、i CEO：i CEO=（1+β）i CBO3.极限参数： 下降到额定值的2/3时所允许的最（1）集电极最大允许电流ICM大集电极电流。

：基极开路时，集电极、发射极间的最（2）反向击穿电压U（B R）CEO大允许电压。

（3）集电极最大允许功耗PCM4.3 三极管单管放大电路4.3.1 共发射极放大电路组成及工作原理R s R B u s +－ + u i －+ － U BBR L+ u o －+ U CC －R CC 1C 2T++ (1)晶体管T ：放大元件。

(2)偏置电阻R B ：调节基极I B ，使晶体管有一个合适的工作点。

(3)集电极电阻R C ：将集电极电流i C 的变化转换为电压的变化。

(4)电源U CC 、U BB :使晶体管发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时还是放大电路的能量来源(一般取U CC =+12V)。

R su s+－+u i－R L+u o－+U CCR CC1C2TR B++共发射极放大电路的实用电路之一(5)电容C l、C2：传递交流信号时起到放大的级间耦合的作用。

同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起“隔直通交”作用（一般Cl、C2应选得足够大）。

4.3.2 共发射极放大电路的静态分析静态:是指无交流信号输入时，由直流电源供电的状态。

静态工作点Q （I BQ 、I CQ 、U CEQ ）。

R C+U CCT R B+ U CEQ－ + U BEQ －I CQI BQBBEQCC BQ R U U I -=BQCQ I I β=CCQ CC CEQ R I U U -=1.估算法直流通路：耦合电容可视为开路。

2.图解法(1)用估算法求出基极电流I BQ （eg.I BQ =40μA ）。

(2)根据I BQ 在输出特性曲线中找到对应的曲线。

(3)作直流负载线。

根据关系式U CE =U CC -I C R C 可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为U CC /R C ，在横轴上的截距为U CC 。

(4)求静态工作点Q 。

晶体管的I CQ 和U CEQ 既要满足I BQ 的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q ，可在坐标上得静态值I CQ 和U CEQ 。

I B =0U CE/V20μA 40μA 60μA80μA I C /mAQI CQU CEQU CC R C U CC I BQ =40μA 的输出特性曲线直流负载线U CE =U CC －I C R C交点Q 就是静态工作点I CQ 为Q 点在纵轴上的截距U CEQ 为Q 点在横轴上的截距4.3.3 共发射极放大电路的动态分析动态：指在直流电源UCC 和交流输入信号ui共同作用下，电路中的电压uCE 、电流iB和iC均包含各自的直流分量和交流分量两个分量。

R sR Bu s+－+u i－R L+u o－TR Ci bi c交流通路（ui 单独作用）:由于电容C1、C2足够大（容抗近似为零）相当于短路，且直流电源UCC为0。

1.图解法（1）求出静态工作点Q 。

根据u i ，在输入特性上求u BE 和i B 。

（2）作交流负载线。

由输出特性和交流负载线，求i C 和u CE 。

0 (a) 输入回路 (b) 输出回路u CE i CQI CQU CCu BE i B0 u BE ti Bti Ctt①②③④Q 'Q ' Q Q "Q " I BQU BEQu CEU CEQ直流负载线 交流负载线 0从图解分析过程，可得出如下几个重要结论：（1）放大器中的各个量uBE 、iB、iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。