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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子技术,电子技术,第一章 半导体二极管及其应用,第二章 基本放大电路,第三章 差动放大电路及集成运算放大器,第四章,第五章 集成稳压电源与可控整流电路,电子技术,第六章 数字电路基本器件及组合逻辑电路,第七章 时序逻辑电路,第八章 脉冲产生与信号变换电路,第九章 大规模集成电路,第十章,EWB,电子电路仿真软件,半导体二极管及其应用,第一章,半导体二极管及其应用,1.1 PN,结与二极管,1.2,整流与滤波电路,半导体二极管及其应用,1.1 PN,结与二极管,1.1.1 半导体及,PN,结,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的特殊物质，常用材料有锗（,Ge）、,硅（,Si）、,砷化镓（,GaAs）,等。这些材料在现代科学技术中扮演了极为重要的角色。,半导体二极管及其应用,1.1.1.1,半导体的性质,半导体的导电能力具有一些独特的性能。主要表现为如下三个方面：,第一是杂敏性，半导体对掺入杂质很敏感。在半导体硅中只要掺入亿分之一的硼（,B），,电阻率就会下降到原来的数万分之一。因此用控制掺杂浓度的方法，可人为地控制半导体的导电能力，制造出各种不同性能、不同用途的半导体器件。,半导体二极管及其应用,第二是热敏性，半导体对温度变化很敏感。温度每升高10，半导体的电阻率减小为原来的二分之一。这种特性对半导体器件的工作性能有许多不利的影响，但利用这一特性可制成自动控制系统中常用的热敏电阻，热敏电阻可以感知万分之一摄氏度的温度变化。,第三是光敏性，半导体对光照很敏感。半导体受光照射时，它的电阻率显著减小。例如，半导体材料硫化铬（,CdS），,在一般灯光照射下，它的电阻率是移去灯光后的数十分之一或数百分之一。自动控制中用的光电二极管、光电三极管和光敏电阻等，就是利用这一特性制成的。,半导体二极管及其应用,1.1.1.2,本征半导体,完全纯净的半导体叫本征半导体，又称为纯净半导体。,半导体中的原子是按照一定的规律、整齐地排列着，呈晶体结构（如图,1-1,所示），所以半导体管又称为晶体管。,常用的半导体材料是硅和锗。它们的简化原子模型如图,1-2,所示。,图1-1 硅或锗晶体的共价健结构示意图,图1-2 硅和锗的原子结构简化模型,半导体二极管及其应用,在室温下，价电子获得足够的能量可挣脱共价键的束缚，成为自由电子，这种现象称为本征激发。这时，共价键中就留下一个空位，这个空位叫空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,在半导体中，有两种载流子，即空穴和自由电子。在本征半导体中，它们总是成对出现的。利用杂敏的特性，可以在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。,半导体二极管及其应用,1.1.1.3,掺杂半导体,根据掺入杂质性质的不同，掺杂半导体可分为空穴（,P）,型半导体和电子（,N）,型半导体两大类。,P,型半导体是在硅（或锗）的晶体内掺入少量的三价元素形成的，如硼（或铟）等，因硼原子只有三个价电子，它与周围硅原子组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便多产生了一个空穴。控制掺入杂质的多少，便可控制空穴数量。这样，空穴数就远大于自由电子数，在这种半导体中，以空穴导电为主，因而空穴为多数载流子，简称多子；自由电子为少数载流子，简称少子。,N,型半导体是在纯净的半导体中掺入五价元素（如磷、砷和锑等）形成的。使其内部多出了自由电子，自由电子就成为多数载流子，空穴为少数载流子。,半导体二极管及其应用,1.1.1.4 PN,结及其特性,如果在一块纯净半导体（如硅和锗等）中，通过特殊的工艺，在它的一边掺入微量的三价元素硼形成,P,型半导体，在它的另一边掺入微量的五价元素磷，形成,N,型半导体。这样在,P,型半导体和,N,型半导体的交界面上就形成了一个具有特殊电性能的薄层,PN,结。,PN,结具有单向导电的性能。这是因为在交介面两侧存在着电子和空穴浓度差，,N,区的电子要向,P,区扩散（同样,P,区的空穴也向,N,区扩散，这叫扩散运动），并与,P,区的空穴复合，如图1-3（,a）,所示。在交介面两侧产生了数量相同的正负离子，形成了方向由,N,到,P,的内电场。如图1-3（,b）,所示。,半导体二极管及其应用,这个内电场对扩散运动起阻止作用，同时内电场又对两侧的少子起推进作用，使其越过,PN,结，称为漂移运动。显然扩散与漂移形成的电流方向是相反的，最终扩散运动与漂移运动会达到动态平衡。这样就形成了有一定厚度的,PN,结。,图1-3 半导体的,PN,结的形成,半导体二极管及其应用,如图1-4所示，给,PN,结外加上正向电压时，由于内电场被削弱，则形成较大的扩散电流，呈现较小的正向电阻，相当于导通。若加上反向电压，则内电场加强，只形成极其微弱的漂移电流（因为少子的数量是极少的），相当于截止。这就是,PN,结的单向导电性能。,图1-4,PN,结的单向导电性,半导体二极管及其应用,1.1.2 PN,结与二极管,大自然的物质类别是极其丰富的。单从导电能力上分，有导体、绝缘体和半导体。,常见的导体有金、银、铜、铁、铝等金属类。常见的绝缘体有胶木、橡胶、陶瓷等。,半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的特殊物质，常用材料有锗（,Ge）、,硅（,Si）、,砷化镓（,GaAs）,等。这些材料在现代科学技术中扮演了极为重要的角色。,半导体二极管及其应用,1.1.2.1,二极管,在,PN,结上引出两个电极并加上管壳就形成了半导体二极管，其外形和符号如图1-5所示。,二极管的正极也叫阳极，用字母,a,表示，另一边是负极也叫阴极，用字母,k,表示。正极与,P,区相连，负极与,N,区相连。二极管的极性通常标示在它的封装上，有些二极管用黑色或白色色环表示它的负极端。,半导体二极管及其应用,1.1.2.1,二极管的类型,根据所用的半导体材料不同，可分为锗二极管和硅二极管。按照管芯结构不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。,点接触型的半导体接触面很小，只允许通过较小的电流（几十毫安以下），但在高频下工作性能很好，适用于收音,机中对高频信号的检波和微弱交流电的整流，如国产的锗二极管2,AP,系列、2,AK,系列等。,图1-5 二极管的外形及电路符号,半导体二极管及其应用,面接触型二极管,PN,结面积较大，并做成平面状，它可以通过较大了电流，适用于对电网的交流电进行整流。如国产的2,CP,系列、2,CZ,系列的二极管都是面接触型的。,平面型的特点是在,PN,结表面被覆一层二氧化硅薄膜，避免,PN,结表面被水分子、气体分子以及其他离子等沾污。这种二极管的特性比较稳定可靠，多用于开关、脉冲及超高频电路中。国产2,CK,系列二极管就属于这种类型。,根据二极管用途不同，可分为整流二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管及发光二极管等。,半导体二极管及其应用,1.1.2.2,二极管的伏安特性,图1-6中的（,a）,图和（,b）,图分别是硅二极管和锗二极管的两端电压与其内部的电流的关系曲线，叫伏安特性曲线图中纵轴的右侧称为正向特性，左侧称为反向特性。,图1-6二极管的伏安特性曲线,半导体二极管及其应用,（1）正向特性,正向连接时，二极管的正极接电路的高电位端，负极接低电位端。当二极管两端的正向电压很小的时候，正向电流微弱，二极管呈现很大的电阻，这个区域成为二极管正向特性的,“,死区,”,，只有当正向电压达到一定数值（这个数值称为导通电压，硅管0.60.7,V，,锗管0.20.3,V）,以后，二极管才真正导通。此时，我们可以近似地认为它是恒定的，且不随电流的变化而变化。实际上正向电流将随着正向电压的增加而急速增大，如不采取限流措施，过大的电流会使,PN,结发热，超过最高允许温度（锗管为90100，硅管为125200）时，二极管就会被烧坏。,半导体二极管及其应用,（2）反向特性,二极管反向连接时处于截止状态，仍然会有微弱的反向电流（锗二极管不超过几微安，硅二极管不超过几十纳安），它和温度有极为密切的关系，温度每升高10，反向电流约增大一倍。反向电流是衡量二极管质量好坏的重要参数之一反向电流太大，二极管的单向导电性能和温度稳定性就差，选择和使用二极管时必须特别注意。,当加在二极管两端的反向电压增加到某一数值时，反向电流会急剧增大，这种状态称为击穿。对普通二极管而言称为雪崩击穿，意味着二极管丧失了单向导电特性而损坏了。,半导体二极管及其应用,1.1.2.3,主要参数,器件的参数是用以说明器件特性的数据，它是根据使用要求提出的。二极管的主要参数及其意义如下：,（1）最大整流电流,I,F,指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流。,（2）最大反向工作电压,U,RM,指正常工作时，二极管所能承受的反向电压的最大值。,（3）反向击穿电压,U,BR,指反向电流明显增大，超过某规定值时的反向电压。,（4）最高工作频率,f,M,是由,PN,结的结电容大小决定的参数。当工作频率,f,超过,f,M,时，结电容的容抗减小到可以和反向交流电阻相比拟时，二极管将逐渐失去它的单向导电性。,半导体二极管及其应用,1.1.3,其它类型的二极管,1.1.3.1稳压二极管,稳压二极管是用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管。符号如图1-7（,a）,所示，它主要工作在反向击穿区，而它的击穿具有非破坏性，称为齐纳击穿，当外加电压撤除后，,PN,结的特性可以恢复。稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用，它的伏-安特性曲线如图1-7（,b）,所示。它常应用在直流稳压电源中。,半导体二极管及其应用,图1-7稳压管的电路符号及伏安特性,半导体二极管及其应用,1.1.3.2,光电二极管,光电二极管的,PN,结可以接收外部的光照。,PN,结工作在反向偏置状态下，其反向电流随光照强度的增加而上升。图1-8（,a）,是光电二极管的代表符号，图（,b）,是它的等效电路，而图（,c）,则是它的特性曲线。其主要特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为0.1,A/lx,数量级（,lx,即勒克斯，为照度的单位）。,光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。在自动控制和检测系统中应用广泛。,半导体二极管及其应用,图1-8 光电二极管,半导体二极管及其应用,1.1.3.3,发光二极管,发光二极管在加上正向电压时会发出可见光，它的,PN,结通常用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等制成。这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。图1-9表示发光二极管的电路符号。它常做成红、黄、蓝等颜色的指示灯，作为显示器件使用，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。,发光二极管的另一重要用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。,图1-9 发光二极管符号,半导体二极管及其应用,1.1.3.4,半导体器件型号命名方法,半导体器件的型号由五部分组成（如图1-10所示）。第一部分用数字表示半导体管的电极数目,第二部分用字母表示半导体器件的材料和极性，第三部分用字母表示半导体管的类别,第四部分用数字表示半导体器件的序号,第五部分用字母表示区别代号。一些特殊器件的型号只有第三、四、五部分而没有第一二部分。,半导体二极管及其应用,如2,AP9,表示,N,型锗材料普通二极管；2,CK84,表示,N,型硅材料开关二极管。,部分二极管的型号和参数如表1-1至1-4。更详细的内容可查阅有关电子元器件手册。,图1-10 半导体器件的命名方法,半导体二极管及其应用,第二部分,第二部分,字母,意 义,字母,意 义,字母,意 义,A,N,型 锗材料,P,普通管,D,低频大功率管,（,f3MHz,Pc1W）,B,P,型 锗材料,V,微波管,C,N,型 硅材料,W,稳压管,A,高频大功率管,（,f3MHz,Pc1W）,D,P,型 硅材料,C,参量管,A,PNP,型 锗材料,Z,整流器,T,半导体闸流管(可控整流器),B,NPN,型 锗材料,L,整流堆,Y,体效应器件,C,PNP,型 硅材料,S,隧道管,B,雪崩管,D,NPN,型 硅材料,N,阻尼管,J,阶跃恢复管,E,化合物材料,U,光电器件,CS,场效应器件,K,开关管,BT,半导体特殊器件,X,低频小功率管,（,f3MHz,Pc1W）,PIN,PIN,型管,FH,复合管,G,高频小功率管,（,f3MHz,Pc1W）,JG,激光器件,表1-1 半导体器件型号命名方法,半导体二极管及其应用,参数,型号,最大整流电流,最高反向,工作电压,（峰值）,反向击穿电压（反向电流为400,A),正向电流（正向电压为1,V）,反向电流（反向电压分别为10，100,V）,最高工作频率,极间电容,mA,V,V,mA,A,MHz,pF,2,AP1,2AP7,16,12,20,100,40,150,2.5,5.0,250,250,150,150,1,1,表1-2 2,AP17,检波二极管（点接触型锗管，在电子设备中作检波和小电流整流用）,半导体二极管及其应用,参数,型号,最大整,流电流,最高反向工作,电压（峰值）,最高反向工作电压下的反向电流（125）,正向压降,（平均值）（25）,最高工,作频率,A,V,A,V,kHz,2,CZ52,0.1,25,50,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1200,1400,1600,1800,2000,22002400,2600,2800,3000,1000,0.8,3,2,CZ54,0.5,1000,0.8,3,2,CZ57,5,1000,0.8,3,1,N4001,1,50,5,1.0,1,N4007,1,1000,5,1.0,1,N5401,3,100,5,0.95,表1-3 2,CZ5257,系列整流二极管，用于电子设备的整流电路中。,半导体二极管及其应用,参 数,型 号,最大耗散功率,P,ZM,/W,最大工作电流,I,ZM,/mA,稳定电压,V,Z,/V,反向漏电流,I,R,/A,正向压降,V,F,/V,（1,N4370）,2,CW50,0.25,83,12.8,10(,V,R,=0.5V),1,1,N746,(1N4371),2,CW51,0.25,71,2.53.5,5(,V,R,=0.5V),1,参 数,型 号,最大耗散功率,P,ZM,/W,最大工作电流,I,ZM,/mA,稳定电压,V,Z,/V,反向漏电流,I,R,/A,正向压降,V,F,/V,1,N747-9,2,CW52,0.25,55,3.24.5,2(,V,R,=0.5V),1,1,N750-1,2,CW53,0.25,41,45.8,1,1,1,N752-3,2,CW54,0.25,38,5.56.5,0.5,1,1,N754,2,CW55,0.25,33,6.27.5,0.5,1,表1-4 硅稳压二极管,半导体二极管及其应用,参 数,型 号,最大耗散功率,P,ZM,/W,最大工作电流,I,ZM,/mA,稳定电压,V,Z,/V,反向漏电流,I,R,/A,正向压降,V,F,/V,1,N755-6,2,CW56,0.25,27,78.8,0.5,1,1,N757,2,CW57,0.25,26,8.59.5,0.5,1,1,N758,2,CW58,0.25,23,9.210.5,0.5,1,1,N962,2,CW59,0.25,20,1011.8,0.5,1,(2,DW7A),2,DW230,0.2,30,5.86.0,1,1,(2,DW7B),2,DW231,0.2,30,5.86.0,1,1,(2,DW7C),2,DW232,0.2,30,6.06.5,1,1,2,DW8A,0.2,30,56,1,1,表1-4 硅稳压二极管(续）,半导体二极管及其应用,1.2,整流与滤波电路,各种电子电路和设备都需要有直流电源提供能量，而日常所用的电源一般都是工频交流电源，这就需要应用电子电路将其转换为直流电源。这个过程由四部分电路完成，如图1-11所示。,图,1-11,直流电源的组成框图,半导体二极管及其应用,图中电源变压器的任务是将交流电的幅度变换为直流电源所需要的幅度；整流电路的任务是将双向变化的交流电变成单向的脉动直流电；滤波电路的任务是滤除脉动直流电中的交流成份，保留直流成份；稳压电路的任务是使输出电压的幅度保持稳定。,由于变压器的结构和原理已在电工知识中讲过，所以本节从整流电路讲起。,半导体二极管及其应用,1.2.1 单相半波整流,利用二极管的单向导电性，可以把双向变化的交流电转换为单向的直流电，称为整流。图1-12是单相半波整流电路图。,图1-12 二极管单相半波整流电路,半导体二极管及其应用,图中,u,i,为交流电压，其幅度一般较大，为几伏以上。其输入输出波形分别为如图1-13所示。在交流,u,i,的正半周，二极管,VD,正向导通，其导通电压可以忽略不计，则,u,o,等于,u,i,，,在,u,i,的负半周，,VD,反向截止，则,u,o,等于0，从图1-12看出，交流输入电压只有一半通过整流电路，所以这种整流称为半波整流。,0,0,t,t,u,i,图1-13 半波整流电路的波形图,半导体二极管及其应用,整流的过程只是把双向交流电变为,输出电压平均值,U,O,的计算，正弦交流电的平均电压值为0，所以用有效值来描述，经过半波整流后的单向脉动电压则可以用平均值来描述，可利用高等数学中积分的方法来求得,U,O,的平均值。即：,可得出：,流过负载,R,L,上的直流电流为:,半导体二极管及其应用,整流二极管的选择：,在图1-12中明显看出，二极管反向时承受的最高电压是,u,i,的峰值电压 ，承受的平均电流等于,I,O,。,实际选用二极管时，还要将这两个值乘以（1.52）倍的安全系数,再查阅电子元器件手册选取合适的二极管。,半导体二极管及其应用,1.2.2 单相桥式整流电路,图1-14为单相桥式整流电路。由图可见，四个二极管,VD,1,、VD,2,、VD,3,、VD,4,构成电桥的桥臂，在四个顶点中，不同极性点接在一起与变压器次级绕组相连，同极性点接在一起与直流负载相连。,(,a),原理电路,(,b),简化画法,(,c),另一种画法,图1-14 单相桥式整流电路,半导体二极管及其应用,1.2.2.1 工作原理,设电源变压器次级电压 ，其波形如图1-15。,在,u,2,正半周，,A,端电压极性为正，,B,端为负。二极管,VD,1,、VD,3,正偏导通，,VD,2,、VD,4,反偏截止，电流通路为,A,VD,1,R,L,VD,3,B，,负载,R,L,上电流方向自上而下；在,u,2,负半周，,A,端为负，,B,端为正，二极管,VD,2,、VD,4,正偏导通，,VD,1,、VD,3,反偏截止，电流通路是,BVD,4,R,L,VD,2,A。,同样，,R,L,上电流方向自上而下。,图1-15单相桥式整流波形图,半导体二极管及其应用,由此可见，在交流电压的正负半周，都有同一个方向的电流通过,R,L,从而达到整流的目的。四个二极管中，两个一组轮流导通，在负载上得全波脉动的直流电压和电流，如图1-15(,b)、(c)。,所以桥式整流电路称为全波整流电路。,1.2.2.2负载上的电压与电流计算,由于单相桥式整流输出波形刚好是两个半波整流的波形，所以有,U,O,0.9,U,2,流过负载,R,L,的电流,半导体二极管及其应用,1.2.2.3 整流二极管的选择,桥式整流中，每只二极管只有半周是导通的，流过二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：,二极管最大反向电压，按其截止时所承受的反向峰压：,为了方便地使用整流电路，利用集成技术，将硅整流器件按某种整流方式封装制成硅整流堆，习惯上称为硅堆。,半导体二极管及其应用,1.2.3 滤波电路,经过整流得到的单向脉动直流电，包含多种频率的交流成份。为了滤除或抑制交流分量以获得平滑的直流电压，必须设置滤波电路。滤波电路直接接在整流电路后面，一般由电容、电感以及电阻等元件组成。,半导体二极管及其应用,如图1-16所示为桥式整流电容滤波电路，负载两端并联的电容为滤波电容，利用,C,的充放电作用，使负载电压、电流趋于平滑。,1.2.3.1电容滤波,图1-16单相桥式整流电容滤波电路,半导体二极管及其应用,（1）工作原理,单相桥式整流电路，在不接电容,C,时，其输出电压波形如图1-17(,a)。,图1-17单相桥式整流电容滤波波形,半导体二极管及其应用,接上电容器,C,后，在输入电压,U,2,正半周；二极管,VD,2,、VD,4,在正向电压作用下导通，,VD,1,、VD,3,反偏截止，如图1-16(,a)。,整流电流分为两路，一路向负载,R,L,供电，另一路向,C,充电，因充电回路电阻很小，充电时间常数很小，,C,被迅速充电，如图1-17(,b),中的,oa,段。到,t,1,时刻，电容器上电压,u,C,U,2,，,极性上正下负。经过,t,1,时刻后，,u,2,按正常规律迅速下降直到,t,2,时刻，此时,u,2,u,2,迫使,VD,1,、VD,3,反偏截止，直到,t,2,时刻,u,2,上升到大于,u,C,时，,VD,1,、VD,3,才导通，同时,C,再度充电至,u,C,u,2,，,如图1-17(,b),中,bc,段。而后，,u,2,又按是正弦规律下降，当,u,2,U,B,U,E,；PNP,型三极管,U,C,U,B,R,C,以满足,NPN,型三极管放大条件。,图2-4 三极管的直流供电电路,基本放大电路,当三极管按图2-4连接时，由实验及测量结果可以得出以下结论：,基极电流,I,B,/mA,0,0.010,0.020,0.040,0.060,0.080,0.100,集电极电流,I,C,/mA,0.001,0.495,0.995,1.990,2.990,3.995,4.965,发射极电流,I,E,/mA,0.001,0.505,1.015,2.030,3.050,4.075,5.065,表,2-1,三极管各电极电流的实验测量数据,（1）实验数据中的每一列数据均满足关系：,I,E,=,I,C,+,I,B,；,（2）每一列数据都有,I,C,I,B,，,而且有,I,C,与,I,B,的比值近似相,等，大约等于50。,定义 ，称为三极管的直流电流放大系数。,基本放大电路,（,3,）对表,2-1,中任两列数据求,I,C,和,I,B,变化量的比值，结果仍然近似相等，约等于,50,。,也就是说三极管可以实现电流的放大及控制作用，因此通常称三极管为电流控制器件。,定义 ，称为三极管的交流电流放大系数。一般有三极管的电流放大系数：,（4）从表2-1中可知，当,I,B,=0（,基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流,I,CEO,。,穿透电流,I,CEO,越小越好。,基本放大电路,上述实验结论可以用载流子在三极管内部的运动规律来解释。如图2-5所示为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。,图,2-5,三极管内部载流子的运动规律,基本放大电路,由于发射结正向偏置，发射区的多数载流子自由电子不断扩散到基区，并不断从电源补充电子，形成发射极电流,I,E,。,同时基区的多数载流子空穴也要扩散到发射区，但基区空穴的浓度远远低于发射区自由电子的浓度，空穴电流很小，可以忽略不计。一般基区很薄，且杂质浓度低，自由电子在基区与空穴复合的比较少，大部分自由电子到达集电结附近。一小部分自由电子与基区的空穴相遇而复合，基区电源不断补充被复合掉的空穴，形成基极电流,I,B,。,由于集电结反向偏置，阻止集电区和基区的多数载流子向对方区域扩散，但可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成集电极电流,I,C,。,基本放大电路,从发射区扩散到基区的自由电子，只有一小部分在基区与空穴复合掉，绝大部分被集电区收集。,另外，由于集电结反偏，有利于少数载流子的漂移运动。集电区的少数载流子空穴漂移到基区，基区的少数载流子自由电子漂移到集电区，形成反向电流,I,CBO,。,I,CBO,很小，受温度影响很大，常忽略不计。,若不计反向电流,I,CBO,，,则有：,I,E,=,I,C,+,I,B,。,即集电极电流与基极电流之和等于发射极电流。,基本放大电路,2.1.3 三极管的伏安特性曲线,三极管的伏安特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线。工程上最常用的是输入特性和输出特性曲线。,下面以共发射极放大电路为例进行描述。,（,a）,输入特性曲线,（,b）,输出特性曲线,图2-6,NPN,型硅管的共发射极接法特性曲线,基本放大电路,(1),输入特性曲线族（,Input Characteristics）,它是指一定集电极和发射极电压,U,CE,下，三极管的基极电流,I,B,与发射结电压,U,BE,之间的关系曲线。实验测得三极管的输入特性如图2-6(,a),所示。从图中可见：,这是,U,CE,1V,时的输入特性，这时三极管处于放大状态。当,U,CE,1V,后，三极管的输入特性基本上是重合的。,三极管输入特性的形状与二极管的伏安特性相似，也具有一段死区。只有发射结电压,U,BE,大于死区电压时，三极管才会出现基极电流,I,B,，,这时三极管才完全进入放大状态。此时,U,BE,略有变化，,I,B,变化很大，特性曲线很陡。,基本放大电路,(2),输出特性曲线族（,Output Characteristics）,输出特性是在基极电流,i,B,一定的情况下，三极管的输出回路中（此处指集电极回路），集电极与发射极之间的电压,u,CE,与集电极电流,i,C,之间的关系曲线。,如图2-6（,b）,是,NPN,型硅管的输出特性曲线。由图可见，各条特性曲线的形状基本相同，现取一条（例如40,A）,加以说明。,当,I,B,一定（如,I,B,=40A）,时，在其所对应曲线的起始部分，随,U,CE,的增大,I,C,上升；当,U,CE,达到一定数值后，,I,C,几乎不再随,U,CE,的增大而增大，,I,C,基本恒定（约1.8,mA）。,这时，曲线几乎与横坐标平行。这表示三极管具有恒流特性。,基本放大电路,一般把三极管的输出特性分为三个工作区域：,截止区,此时发射结和集电结均反向偏置。这时，,I,C,=,I,CEO,（,穿透电流）。若忽略不计穿透电流,I,CEO,，,I,B,、,I,C,近似为0；三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。,放大区,此时三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。基极电流,I,B,微小的变化会引起集电极电流,I,C,较大的变化，有电流关系式：；表现为恒流特性。对,NPN,型硅三极管有发射结电压 ，锗三极管有 。,基本放大电路,饱和区,此时三极管的发射结和集电结均正向偏置；三极管的电流放大能力下降，通常有。,U,CE,的值很小，称此时的电压,U,CE,为三极管的饱和压降，用,U,CES,表示。一般硅三极管的,U,CES,约为0.3,V，,锗三极管的,U,CES,约为0.1,V。,三极管的集电极和发射极近似短接，三极管相当于一个开关导通。,三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。,基本放大电路,2.1.4 三极管的主要参数,三极管的参数是选择三极管、设计和调试电子电路的主要依据。,主要参数有下面几个：,（1）电流放大系数,（,或,h,fe,）,电流放大系数可分为直流电流放大系数 和交流电流放大系数,，,由于两者十分接近，在实际工作中往往不作区分，手册中也只给出直流电流放大系数值。它们的定义是：,基本放大电路,对于小功率三极管，,值一般在20200之间。严格地说，,值并不是一个不变的常数，测试时所取的工作电流,I,C,不同，测出的,值也会略有差异。,值还与工作温度有密切关系，温度每升高1，,值约增加0.51%。,（2）穿透电流,I,ceo,当三极管接成图,2-7,所示电路时，即断开基极电路，则,I,b,=0，,但,I,C,往往不等于零，这种不受基极电流控制的寄生电流称为穿透电流,I,ceo,（,即集电极,发射极反向饱和电流）。,图2-7 三极管的穿透电流,基本放大电路,小功率的锗三极管，一般小于500微安（0.5毫安），,小功率的硅三极管则只有几微安。,I,ceo,虽然不算很大，但它与温度却有密切的关系，大约温度每升高10，,I,ceo,会增大一倍。,I,ceo,还与,值有关，,值越大的三极管，穿透电流也越大。为此，选用高,值的三极管，温度稳定性将会很差。所以在选择三极管时，,I,ceo,越小越好。,（3）集电极最大允许电流,I,CM,I,CM,是指三极管集电极允许的最大电流。当电流超过,I,CM,时，管子性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。,基本放大电路,工作状态,放 大 区,饱 和 区,截 止 区,工作条件,发射结正偏，集电结反偏,发射结正偏，集电结正偏（,I,B,I,BS,）,发射结反偏，集电结反偏（,I,B,0）,工,作,特,点,集电极电流,I,C,I,B,I,C,0,管压降,等效电路,c,、,e,间等效内阻,可变,很小，约为数百欧，相当于开关闭合,很大，约为数百千欧，相当于开关断开,表,10-1,三极管三种工作状态的特点（,NPN,型）,基本放大电路,2.2 共发射极放大电路,2.2.1 放大电路的性质,放大电路也称为放大器，其作用是将微弱的电信号放大成幅度足够大且与原来信号变化规律一致的信号。例如扩音系统，当人对着话筒讲话时，话筒会把声音的声波变化转换成以同样规律变化的电信号（弱小的），经扩音机电路放大后输出给扬声器（主要是放大振幅），则扬声器放出更大的声音，这就是放大器的放大作用。这种放大还要求放大后的声音必须真实地反映讲话人的声音和语调，是一种不失真地放大。若把扩音机的电源切断，扬声器不发声，可见扬声器得到的能量是从电源能量转换而来的，故放大器还必须加直流电源。,基本放大电路,放大电路虽然应用的场合及其作用不同，但信号的放大过程是相同的，可以用下面的框图来表示：,电压放,大电路,功率放,大电路,负载,工作,微弱,信号,直流电压源,由此可见，信号放大是指只放大微弱信号的幅度，而其频率不变，即不失真放大。,电压放大电路的基本形式有三种：共发射极放大电路、共集电极电路、共基极电路。,基本放大电路,2.2.2 共发射极放大电路,2.2.2.1 电路的组成原则,（1）用晶体管组成放大电路的基本原则,a.,必须满足三极管的放大条件，即发射结正向偏置，集电结反向偏置。,b.,输入信号在传递过程中，要求损耗小，在理想情况下，损耗为零,c.,放大电路的工作点稳定，失真（即放大后的输出信号波形与输入信号波形不一致的程度）不超过允许范围。,基本放大电路,图2-8为根据上述要求由,NPN,型晶体管组成的电压放大电路。因输入信号,u,i,是通过,C,1,与三极管的,B,E,端构成输入回路，输出信号,u,o,是通过,C,2,经三极管的,C,E,端构成输出回路，而输入回路与输出回路是以发射极为公共端的，故称为共发射极放大电路。,图,2-8,共发射极放大电路,基本放大电路,（2）元器件的作用,a.,三极管:起电流放大作用，是放大电路的核心元件。,b.,直流电源:通过,R,B,给发射结提供正向偏置电压，通过,R,c,给集电结提供反向偏置电压，以满足三极管放大条件。,c.,基极偏置电阻,R,B,：,R,B,为三极管提供基极偏置电流。改变,R,B,将使基极电流变化，这对放大器影响很大，因此它是调整放大器工作状态的主要元件。,d.,集电极负载电阻,R,C,:,一方面通过,R,C,为集电结提供反向偏压；另一方面将放大的电流转换成电压。因为三极管的集电极是输出端，图2-8中,U,CE,=,U,cc,I,c,R,c,，,若,R,c,=0，,则,U,CE,=U,c,c,，,即输出电压恒定不变，失去电压放大作用。,基本放大电路,e.,耦合电容,C,1,、,C,2,:,电容的容抗 ，与频率,f,有,关，对于直流，,f=0，,则,X=,，,对于交流，频率,f,较高，且,C,较大时，,X,c,0，,故耦合电容具有隔直流通交流作用，它阻隔了直流电流向信号源和负载的流动，使信号源和负载不受直流电流的影响。一般耦合电容选得较大，约几十微法。故用电解电容，使用中电解电容的正极必须接高电位端，负极接低电位端，正、负极性不可接反。,f.,接地,“,”,:表示电路的参考零电位，它是输入信号电压，输出信号电压及直流电源的公共零电位点，而不是真正与大地相接，这与电工技术接地含义不同，电子设备通常选机壳为参考零电位点。,基本放大电路,2.2.2.2 电压、电流等符号的规定,放大电路中（如图2-8所示）即有直流电源,U,CC,，,又有交流电压,u,i,，,电路中三极管各电极的电压和电流包含直流量和交流量两部分。为了分析的方便，各量的符号规定如下：,（1）直流分量：用大写字母和大写下标表示。如,I,B,表示三极管基极的直流电流。,图2-8 共发射极放大电路,基本放大电路,（2）交流分量：用小写字母和小写下标表示。如,i,b,表示三极管基极的交流电流。,（3）瞬时值：用小写字母和大写下标表示，它为直流分量和交流分量之和。如,i,B,表示三极管基极的瞬时电流值，,i,B,=,I,B,+,i,b,。,（4）,交流有效值：用大写字母和小写下标表示。如,I,b,表示三极管基极正弦交流电流有效值。,基本放大电路,2.2.2.3 静态工作点的分析计算,放大电路只有直流信号作用，未加输入信号（,u,i,=0,）,时的电路状态叫静态。静态下三极管各极的电流值和各极之间的电压值，称为静态工作点。表示为,I,BQ,、I,CQ,、U,CEQ,，,因它们在输入特性和输出特性曲线上对应于一点,Q，,故得此名，如图2-9所示。,图2-9输入、输出特性曲线上对应的静态工作点,基本放大电路,设置静态工作点的目的是为了保证三极管处于线性放大区，为放大微小的交流信号做准备。否则，若三极管处在截止区，微小的交流信号或交流信号负半周输入时三极管不能导通,电路的输出电压为零，无法完成不失真放大。,（1）,放大电路的直流通路,计算静态工作点应先画出放大电路的直流通路。只考虑直流信号作用，而不考虑交流信号作用的电路称直流通路。画直流通路有两个要点：,a.,电容视为开路。电容具有隔离直流的作用，直流电流无法通过它们。因此对直流信号而言，电容相当于开路。,基本放大电路,b.,电感视为短路。电感对直流电流的阻抗为零，可视为短路。,如图2-10中，（,a）,图是基本放大电路，（,b）,图是其直流通路。,(,a),(,b),图2,-10,基本放大电路及其直流通路,基本放大电路,（2）计算静态工作点,例题2-1 在图2-10（,b）,中的直流通路中，设,R,B,=300K,R,c,=4K,U,cc,=12V,=40。,三极管为硅管,试求静态工作点。,根据基尔霍夫电压定律列出输入回路和输出回路方程为：,U,cc=,I,BQ,R,B,+,U,BEQ,U,cc=,I,CQ,R,C,+,U,CEQ,则,基本放大电路,I,CQ,=,I,BQ,=40,40,10,-3,=1.6mA,U,CEQ,=,U,cc,-,I,CQ,R,C,=,U,cc,-,I,BQ,R,C,=12-40,0.04,4=5.6V,因为,U,CC,U,BE,，,所以可用估算法近似地计算出静态值，即忽略,U,BE,。,实际电路中一般将基极偏置电阻串接一个可调电阻，以方便调试静态工作点。,基本放大电路,2.2.2.3 基本电压放大原理,如图2-11所示，当输入正弦交流信号,u,i,时，放大电路在静态时各点的电压及电流的数值都不变化，图中阴影部分是输入电压,u,i,的变化引起的三极管各电极电流和电压的变化量，即交流分量。相当于在原直流量上叠加的增量。,基本放大电路,图2-11 放大电路实现信号放大的工作过程,基本放大电路,设,u,i,U,im,sin,t,(v)，,信号经耦合电容无损耗，即容抗,。则电路各处电压、电流的瞬时值均为直流量与交流量瞬时值之和。因为,u,i,电压变化范围小，由图2-12看出，,u,BE,变动范围,ab,相当一段直线，所以电流与电压成线性关系，