半导体+整套课件电子教案整本书课件全套教学教程.pptx

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半导体基础知识,价电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位子上就会形成一个空位，称为空穴。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的。原子失去价电子后带正电，可等效看成带正电的空穴。空穴很容易吸引邻近共价键中的价电子来填补这个空穴，因而使这个邻近的原子也因失去价电子而产生新的空穴。这个空穴又会被其他价电子填补，又产生一个新的空穴，如此下去，就好像是带正电的空穴在移动一样。实际上空穴是没有移动的，移动的只是价电子。于是空穴可以被看作是带正电的载流子。,自由电了和空穴在运动中相遇时会重新结合而成对消失，这种现象称为复合。温度一定时自由电子和空穴的产生与复合将达到动态平衡，这时自由电子和空穴的浓度一定。,上一页,返回,下一页,1.1 半导体基础知识,1.1.2 P型半导体和N型半导体,在四价的硅(或锗)中掺入少量的硼(或钵等其他二价元素)，则在品体某些位置上的硅原子将被硼取代，而硼原子只能提供二个价电子，它与相邻的四个硅原子构成共价键时，必有一个共价键因缺少一个电子而出现空穴，室温下这个空穴极容易被邻近共价键中的价电子所填补，使硼离子成为负离子，称为空间电荷，如,图1-3,所示。掺入二价元素将使半导体中的空穴数量大为增加。这种以空穴导电为主的半导体，称为P型半导体，其中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。,下一页,返回,上一页,1.1 半导体基础知识,在四价的硅(或锗)品体中掺入少量的磷(或其他五价元素)，则磷原了将取代某些位置上的四价硅原子。磷原子与周围的硅原子形成共价键时余出一个价电子，这个多余的价电子在室温下就能挣脱原子核的束缚成为自由电子，磷原子则因失去了一个电子变成了正离子(空间电荷)如,图1-4,所示。磷杂质的含量虽然很低，但由此而产生的自由电子数量却比本征半导体激发所产生的电子一空穴对数量大得多。这种以自由电子为卞的杂质半导体就称为N型半导体，其中的自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。,说明：不论是P型半导体还是N型半导体均呈电中性。,上一页,下一页,返回,1.1 半导体基础知识,1.1.3 PN结及特性,1.PN结的形成,单一的P型或N型半导体，还不能直接制成半导体器件。只有将这两种类型的半导体以某种方式结合在一起，才能制成各种具有不同特性的半导体器件。,利用掺杂工艺，使一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体。在P型和N型的交界处，由于载流了浓度的差别，N区的自由电了必然会向P区扩散，而P区的空穴要向N区扩散OP区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离了(空间电荷)，N区一侧因失去自由电了而留下不能移动的正离了(空间电荷)。于是在P区和N区的交界面上产生一个空间电荷区，形成一个电场，称为内电场。电场的方向是由正电荷指向负电荷，即由N区指向P区，如,图1-5,所示。,上一页,返回,下一页,1.1 半导体基础知识,2.PN结的单向导电性,在PN结的两端外加电压，称为结PN结的偏置电压。,(1)PN结正向偏置,给PN结加正向偏置电压，即P区接电位高端、N区接电位低端，此时称PN结为正向偏置(简称正偏)，如,图1-6,所示。,PN结正偏时，外电场与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处于正向导通状态。,(2)PN结反向偏置,给PN结加以反向偏置电压，即N区接电位高端，P区接电位低端，此时PN结反向偏置(简称反偏)，如,图1-7,所示。,返回,上一页,1.2 半导体二极管,1.2.1二极管的结构,1.结构和符号,半导体一极管的主要构成部分就是一个PN结。在一个PN结两端接上相应的电极引线，外面用金属(或玻璃、塑料)管壳封装起来，就构成了一个半导体一极管。由P区引出来的电极为正极(或阳极)，由N区引出来的电极为负极(或阴极)。半导体一极管的结构和符号如,图1-8,所示。,下一页,返回,1.2 半导体二极管,2.类型,(1)按材料分，有硅二极管、锗一极管和砷化钵二极管等。,(2)按结构分，根据PN结面积大小，有点接触型和面接触型二极管。,(3)按用途分，有整流、稳压、开关、发光、光电和变容等二极管。,(4)按功率分，有大功率、中功率和小功率等二极管。,(5)按封装形式分，有塑封和金属封等二极管。,常用的半导体二极管的外形如,图1-9,所示。,上一页,下一页,返回,1.2 半导体二极管,1.2.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性就是加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系。一般以电压为横坐标，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，就正间电流构成了二极管的伏安特性曲线。,图1-10,所示为通过实验测出的硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线(实线为硅二极管的伏安特性，虚线为锗二极管的伏安特性)。,1.正向特性,图1-10,所示曲线部分为正向特性。在二极管两端加正向电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为零。此时二极管呈现出很大的电阻。,上一页,下一页,返回,1.2 半导体二极管,2.反向特性,图1-10,所示曲线部分为反向特性。二极管两端加上反向电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和电流约在1,A至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微安，如,图1-10,的OC(OC)段所示。,3.反向击穿特性,如,图1-10,中曲线部分所示，当反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。此时对应的反向击穿电压用U,BR,表示。,上一页,下一页,返回,1.2 半导体二极管,1.2.3 二极管的主要参数,1.最大工作电流,最大工作电流指二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。使用时应注意正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。,2.最大反向工作电压U,BM,。,最大反向工作电压指允许施加在二极管两端的最大反向电压，通常规定为击穿电压的一半。,上一页,下一页,返回,1.2 半导体二极管,3.反向饱和电流I,R,。,反向饱和电流指正极管在规定的反向电压和室温下所测得的反向电流值。其值越小，说明管子的单向导电性能越好。,4.最高工作频率,最高工作频率指保证二极管正常工作时的上限频率。它的大小与PN结的结电容有关，超过此值，二极管的单向导电性变差。,上一页,返回,1.3 特殊二极管,1.3.1稳压二极管,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅一极管，其符号和伏安特性曲线如,图1-11,所示。稳压二极管的伏安特性与普通二极管的伏安特性相似，所不同的是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。稳压二极管工作在反向击穿区，从反向特性曲线上可以看出，当反向电压小于其击穿电压时，反向电流很小。当反向电压增加到击穿电压时，反向电流急剧增大，稳压二极管反向击穿。此后电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。,下一页,返回,1.3 特殊二极管,稳压二极管的主要参数有：,1.稳定电压U,Z,稳定电压U,Z,就是稳压一极管的反向击穿电压，也就是稳压一极管在正常的反向击穿工作状态下管了两端的电压。由于工艺方面和其他原因，即使同一型号的稳压二极管，其实际稳定电压值并不完全相同，而具有一定的分散性。所以在乎册中给出的是某一型号管了的稳定电压范围。使用时要进行测试，按需要挑选。,2.稳定电流I,Z,和最大稳定电流I,Zmax,。,稳定电流I,Z,是指工作电压等于稳定电压时的反向电流，最大稳定电流I,Zma,x是指稳压一极管允许通过的最大反向电流。使用稳压二极管时，要限制其工作电流不能超过I,Zmax,，否则可,能使稳压二极管发生热击穿而损坏。,上一页,下一页,返回,1.3 特殊二极管,3.动态电阻r,z,动态电阻是稳压二极管在正常工作区(反向击穿区)工作时稳压一极管两端电压的变化量与相应的电流变化量之比，即,4.最大耗散功率P,ZM,它是稳压一极管工作时所允许的最大耗散功率。它等于最大稳定电流和相应稳定电压的乘积，即,5.电压温度系数,它是说明稳压一极管的稳定电压受温度变化影响的参数。当环境温度变化1时稳定电压变化的白分比称为电压温度系数，即,上一页,下一页,返回,1.3 特殊二极管,1.3.2 发光二极管与光电二极管,1.发光二极管,发光一极管简称LED，是一种通以正向电流后会发光的二极管，它用某些自由电了和空穴复合时就会产生光辐射的半导体制成，采用不同材料，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光，其电路符号如,图1-12,所示。,2.光电二极管,光电一极管的结构与普通二极管类似，使用时光电二极管PN结工作在反向偏置状态。在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升，(此时的反向电流叫光电流)，所以光电二极管是一个将光信号转换为电信号的半导体器件，其电路符号如,图1-13,所示。,上一页,返回,1.4 半导体三极管,1.4.1 晶体三极管的基本结构,二极管的种类有很多，外形也不尽相同，但它们的基本结构却相同，都是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个PN结，再引出二个电极，然后用管壳封装而成。按半导体的组合方式不同，其可分为PNP型和NPN型。,图1-14,所小为儿种常见三极管的外形。,无论是NPN型管还是PNP型管，它们内部都含有二个区：发射区、基区和集电区。从二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)；在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。二极管的结构与电路符号如,图1-15,所示。,下一页,返回,1.4 半导体三极管,1.4.2 晶体三极管的工作原理,三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间的互相影响，使三极管表现出和单个PN结不同的特性。三极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极管为例来分析。,1.电流放大作用的条件,三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成集电极电流。,上一页,返回,下一页,1.4 半导体三极管,2.电流的分配和放大作用,图1-16,所示为NPN型三极管电流测试电路。该电路包括基-射回路(又称输入回路)和集-射回路(又称输出回路)两部分，发射极为两回路的公共端，因此称为共射电路。共射电路中，U,BB,为发射结正偏电源；U,CC,为集电结反偏电源(U,CC,U,BB,)；R,P,为电位器。调节R,P,可以改变基极电流I,B,、集电极电流I,C,和发射极电流I,E,的大小。测量结果列于,表1-1,中。,下一页,返回,上一页,1.4 半导体三极管,1.4.3 晶体三极管的特性曲线,三极管的输入特性曲线如,图1-17,所示，该曲线是指当集电极与发射极之间电压一定时，输入回路中的基极电流与基-射电压之间的关系曲线。用函数式可表示为,（1.1）,当U,CE,=0时，从输入端看进去，相当于两个PN结并联，都为正向偏置，此时的特性曲线相当于一极管的伏安特性曲线。,当U,CE,1时，集电结为反向偏置，由图可以看出此时的特性曲线比U,CE,=0时的曲线稍向右移。,上一页,下一页,返回,1.4 半导体三极管,2.输出特性曲线,三极管的输出特性曲线如,图1-18,所示，该曲线是指当I,B,为常数时，输出回路中I,C,的与U,CE,之间的关系曲线，用函数式可表示为,（1.2）,根据三极管工作状态不同，输出特性曲线通常可以分为三个工作区域：放大区、饱和区、截止区。,上一页,下一页,返回,1.4 半导体三极管,1.4.4 晶体三极管的主要参数,三极管的特性除用特性曲线表小外，还可用一些数据来说明，这些数据就是三极管的参数。三极管的参数是用来表小管子性能的优劣和适用范围。下面介绍一些主要参数。,1.电流放大系数,电流放大系数是表小三极管放大能力的重要参数。,二极管在接成共发射极放大电路时，根据工作状态不同，有直流电流放大系数 和交流电流放大系数 。,共发射极直流电流放大系数为,（1.3）,上一页,返回,下一页,1.4 半导体三极管,它表示在无输入信号的情况下三极管处于直流工作状态(静态)电流放大能力的参数。,共发射极交流电流放大系数为,（1.4）,它反映的是当二极管工作在有信号输入情况下，处于交流工作状态(动态)时，基极电流的变化引起集电极电流的变化。表示三极管交流工作状态的电流放大能力。,2.反向饱和电流I,CBO,I,CBO,是指发射极开路，集电结在反向电压作用下，形成的反向饱和电流。它受温度变化的影响很大，常温下，小功率硅管的I,CBO,U,BE,。所以,（2.3）,上一页,下一页,返回,2.2 放大电路的工作状态分析,即基极电流I,B,主要由U,CC,和R,B,决定。当U,CC,和R,B,确定后，静态I,B,就近似为一个固定值，所以常把这种电路叫作固定偏置电路。I,B,称为固定偏置电流，R,B,称为固定偏置电阻。,静态时的集电极电流为,（2.4）,静态时的集-射极电压为,（2.5）,上一页,返回,下一页,2.2 放大电路的工作状态分析,2.图解法,为了直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响，可以用图解法来确定静态值。晶体管是一种非线性元件，它的输出特性曲线如,图2-4(b),所示。由,图2-4(b),所示的直流通路可以列出下式,或,（2.6）,下一页,返回,上一页,2.2 放大电路的工作状态分析,2.2.2 动态分析,当放大电路有输入信号，即u,i,0时的工作状态称为动态。动态分析时往往可以画出交流信号在放大电路中的传输通路即交流通路。,画交流通路的原则如下：,(1)在信号频率范围内，耦合电容可视为短路；,(2)直流电源的内阻很小，也可以忽略，视为短路。,按此原则画出电路的交流通路如,图2-5,所示。,动态时，放大电路中有交流信号输入，电路中的电压、电流均要在静态的基础上随输入信号的变化而变化。因此，电路中各处的电压和电流都处于变动状态。,上一页,下一页,返回,2.2 放大电路的工作状态分析,若设输入信号为u,i,=U,im,sin t，如,图2-6(a),所示，则各处电压电流变化情况分别为:,图2-6(b),：u,i,经C,1,加到三极管的发射结，发射结总电压则为直流电压U,BE,与u,i,叠加，可表示为,图2-6(c),：基极总电流为直流电流I,B,与交流电流i,b,的叠加，可表示为,图2-6(d),：经三极管放大后，集电极总电流则为,在输出端，Rc上的总电压为,上一页,下一页,返回,2.2 放大电路的工作状态分析,2.2.3失真现象分析,对于放大电路来说，希望它能满足两个要求：一是能够得到符合要求的电压放大倍数；二是放大后的输出信号波形与输入信号的波形尽可能相似，即失真要小。为了满足这两个要求，就必须正确选择放大电路的静态工作点的位置。,当静态工作点位置选择不当时，将有可能出现失真。在,图2-7,中，设正常清况下静态工作点位于Q点，则可以得到正常的i,C,和u,CE,波形。如果静态工作点的位置定得太低或太高，这都有可能使输出波形产生严重失真。,当Q点位置选得太高，接近饱和区时，见图中的Q1点，尽管i,B,的波形完好，但i,C,的正半周和u,CE,的负半周都出现了畸变，这种由于动态工作点进入饱和区而引起的失真，称为“饱和”失真。,上一页,下一页,返回,2.2 放大电路的工作状态分析,当Q点位置选得太低，接近截止区时，见图中的Q,2,点，这时由于在输入信号的负半周，动态工作点进入管了的截止区，使i,C,的负半周和u,CE,的正半周波形产生畸变，这种因工作点进入截止区而产生的失真称为“截止”失真。,饱和失真和截止失真都是由于二极管工作在特性曲线的非线性区域所引起的，因此把这两种失真称为非线性失真。非线性失真都是由于静态工作点设置不合理引起的。对于饱和失真常用的解决办法是：调节偏置电阻R,B,，降低偏置电流I,B,，使静态工作点下移；另一种办法是减小集电极电阻R,C,，改变直流负载线的斜率(使直流负载线更陡些)。,上一页,下一页,返回,2.2 放大电路的工作状态分析,对于截止失真常用的办法是通过调节偏置电阻R,B,，增大偏置电流I,B,，使静态工作点上移。另外，调节直流电源U,CC,也可以改变工作点的位置，但会使品体管所承受的电压增大，因此用得较少。,综上所述，改变R,B,、R,C,、U,CC,均能改变放大电路的静态工作点，但在调节静态工作点时，通常总是先调节R,B,。,上一页,返回,2.3 静态工作点的稳定,2.3.1 温度对静态工作点的影响,从前面的分析可知，固定偏置电路的静态工作点是由基极偏流I,B,和直流负载线共同确定的。偏流和直流负载线的斜率受温度的影响很小，可以略去不计，但是集电极电流I,C,是随温度变化的，当温度上升时I,C,增大。这是由于集一基极的反向饱和电流I,CBO,对温度变化十分敏感，而品体管的穿透电流I,CEO,ICBO，即比I,CBO,随温度变化得更快，如果I,CBO,受温度的影响增量为I,CBO,那么集电极电流就要增加(1+)I,CBO,，同时二极管的电流放大系数刀也会随温度升高而略有增大。这两个方面都集中表现在集电极电流随温度升高而增大、温度升高使整个输出特性曲线向上平移。如果直流负载线和偏流I,B,均不变化，则静态工作点Q将会沿着负载线向上移动，若此时输入信号略有增大，就会出现饱和失真，严重时放大电路将无法正常工作。,下一页,返回,2.3 静态工作点的稳定,2.3.2分压式偏置放大电路,为了稳定静态工作点，通常采用分压式偏置单管放大电路，如,图2-8,所示，它能够提供合适的偏流，又能自动稳定静态工作点。,该电路的工作特点：一是利用R,B1,和R,B2,的串联分压原理来固定基极电位；一是利用发射极电阻R,E,上的电压调节U,BE,的大小来抑制左的变化。,1.工作原理,由电路可知：,上一页,下一页,返回,2.3 静态工作点的稳定,若使 （2.7）,则,（2.8）,由此U,B,可认为与品体管参数无关，即与温度无关，而仅由分压电路决定。,因,若使 （2.9）,则,（2.10）,上一页,下一页,返回,2.3 静态工作点的稳定,由上面分析可知，只要满足式(2.7)、式(2.9)两个条件，则U,B,、I,C,、I,E,均与品体管的参数无关，不受温度变化的影响，静态工作点保持不变。,分压式偏置电路稳定静态工作点的过程可描述如下：,上一页,下一页,返回,2.3 静态工作点的稳定,2.静态工作点的估算,分压式偏置电路的直流通路如,图2-9,所示。,因 ，一般先从计算U,B,开始。,而,可得 （2.11）,上一页,返回,2.4 放大电路的微变等效电路分析法,图解法和微变等效电路分析法是分析放大电路动态的两种基本方法。但图解法不仅比较麻烦，而且存在误差大及无法计算输入电阻、输出电阻等动态参数的弱点，所以动态分析时多采用微变等效电路分析法。,所谓放大电路的微变等效电路分析法，就是把由非线性元件品体管组成的放大电路等效成一个线性电路。微变等效电路是在交流通路的基础上建立的，所以只能对交流等效，只能用来分析交流动态、计算交流分量，而不能用来分析直流分量。,下一页,返回,2.4放大电路的微变等效电路分析法,2.4.1 晶体管的微变等效电路,当放大电路的输入信号较小，以及静态工作点选得合适时，三极管处于线性放大状态。这时，可以把二极管当作线性元件处理，作出它的小信号模型。方法如下；,从三极管的输入端看，它是一个导通的PN结，可用一个电阻r,be,来模拟，称之为三极管的输入电阻。在常温下，小功率三极管可表示为,（2.12）,显然，r,be,是一个变量，与 和静态值IE有关。对于小功率管，当IE=1 2 mA时，r,be,约为1 。,上一页,返回,下一页,2.4放大电路的微变等效电路分析法,从输出特性曲线来看，放大区中的i,c,与u,cc,基本无关，仅取决于i,b,的变化，因此相当于一个受i,b,控制的恒流源，即,将上述两模型的公共点相连，即可得到三极管的电路模型，如,图2-10,所示。用以上模型代替交流通路中的三极管，可得,图2-11,所示的放大电路的小信号电路模型。据此电路模型，可按照线性电路的分析方法进行计算。,2.4.2 电压放大倍数的计算,利用微变等效电路可以很方便地计算出电路的电压放大倍数。,图2-12,所示为单管放大电路微变等效电路的简化过程。一般是先画出放大电路的交流通路，再将交流通路中的品体管用它的微变等效电路来代替。,下一页,返回,上一页,2.4放大电路的微变等效电路分析法,如果不考虑电源内阻，由上图所示的输入回路可得,（2.13）,由输出回路得,（2.14）,所以电压放大倍数,（2.15）,式中 称为等效负载电阻。,上一页,下一页,返回,2.4放大电路的微变等效电路分析法,2.4.3 放大电路输入电阻和输出电阻的计算,一般情况下，放大电路总是和其他电路连接在一起的，它的输入端接信号源或前级放大电路，它的输出端常与后一级放大电路或负载相连。因此，放大电路与信号源、负载之间，以及放大电路之间是相互联系、相互影响的。在计算放大电路的输入电阻和输出电阻时，也应该考虑前、后级之间的相互影响。,1.放大电路的输入电阻,对于,图2-13,所示的放大电路，其输入电阻为,上一页,下一页,返回,2.4放大电路的微变等效电路分析法,上一页,返回,所以 （2.19）,由于 所以,通常希望放大电路的输入电阻高一些，一是可以减轻信号源负担，一是可以提高电压放大倍数。,下一页,2.4放大电路的微变等效电路分析法,2.放大电路的输出电阻,从放大电路的输出端看进去所呈现的交流等效电阻，称为放大电路的输出电阻r,o,。求放大电路的输出电阻时，应将信号源短接，将负载电阻断开，外加电压源 ，求 。如,图2-14,所示。,当 =0，=0，=0，此时受控电流源开路，故有放大电路的输出电阻为,（2.20）,R,C,一般为几千欧，因此，共射极放大电路的输出电阻较高。,返回,上一页,2.5 射极输出器,2.5.1 电路的组成和静态工作点,除共射放大电路外，单管放大电路还有共集电极和共基极等两种组态，本节只讨论共集电极电路。,图2-15,所示为共集放大电路的原理，基极为输入端，发射极为输出端。在,图2-15(c),所示的交流通路中，由于U,CC,相当于短路，集电极便成为输入、输出回路的公共端，故名共集电极放大电路，又称射极输出器。,与分压式偏置电路相似，共集电极电路的射极电阻R,E,也具有稳定静态工作点的作用。例如，当温度升高I,C,随之增大时，R,E,上的压降也随之增大，因此导致UBE下降，从而抑制了I,C,的变化。直流电源U,CC,经偏置电阻为二极管发射结提供正偏压，由,图2-15(b),可列出输入回路的直流方程为,下一页,返回,2.5 射极输出器,（2.21）,由集电极回路可得,（2.22）,上一页,下一页,返回,2.5 射极输出器,2.5.2 动态性能分析,1.电压放大倍数,根据,图2-15(c),所示的交流通路可画出放大电路小信号微变等效电路如,图2-16,所示。由图可求得共集电极放大电路的各性能指标。,输入电压,输出电压,电压放大倍数为,（2.23）,上一页,下一页,返回,2.5 射极输出器,2.输入电阻,放大电路的输入电阻为,（2.24）,射极输出器的输入电阻很高，可达几千欧至几百千欧，比共射极放大器的输入电阻高很多。输入电阻高的原因是采用了深度的串联电压负反馈。,3.输出电阻,由于射极输出器的 ，当输入电压一定时，输出电压受负载变化影响较小，这说明射极输出器具有稳定输出电压的作用。只有当放大电路输出电阻很小时，其带负载能力强，才具有稳定的输出电压。由此可见，射极输出器的输出电阻很低。,上一页,下一页,返回,2.5 射极输出器,放大电路的输出电阻一般利用含受控源电路求等效电阻的方法可得，外加电压源 ，有,故,通常 ，所以,（2.25）,由式(2.25,),可知，射极输出器的输出电阻很小，般约为几十至几百欧。,上一页,返回,下一页,2.5 射极输出器,2.5.3 射极输出器的用途,通过以上分析，射极输出器的主要特点是：电压放大倍数约为1，但略小于1；输入电阻高，输出电阻低；输出电压与输入电压同相位。因此射极输出器在电子设备中有很广泛的应用。,1.作为输入级,在电了测量仪器中，常采用射极输出器作为输入级。利用它输入电阻高的特点，使信号源内阻上的压降相对来说比较小，即在部分信号电压能传送到放大电路的输入端上。从而减小对被测电路的影响，提高了测量精度。,返回,下一页,上一页,2.5 射极输出器,2.作为输出级,由于射极输出器输出电阻低，当负载电流变化较大时，其输出电压变化很小，从而提高了放大电路带负载的能力。,3.作为中间隔离级,在多级放大电路中，可以把射极输出器接在两级共射极放大电路之间，利用其输入电阻高的特点，以提高前一级的电压放大倍数；利用其输出电阻低的特点，以减小后一级信号源内阻，从而提高了前、后两级的电压放大倍数，隔离了级间的相互影响。,返回,上一页,2.6 阻容耦合多级放大电路,2.6.1 放大电路耦合方式,前面介绍的单管放大电路的放大倍数一般都较低，或其他性能指标(如输入、输出电阻等)达不到要求。为了提高放大倍数，或改善电路性能，需要将多个放大电路连接起来，构成多级放大电路。多级放大电路由输入级、中间级和输出级组成，如,图2-18,所示。,在多级放大电路中，每一个基本放大电路称为一级，各级之间的相互连接方式称为耦合。常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。以下介绍它们的电路形式和主要性能。,下一页,返回,2.6 阻容耦合多级放大电路,1.阻容耦合,图2-19,所示为两级阻容祸合放大器，前、后级之间通过电容C,2,和后级的输入电阻r,i2,连接，因此称为阻容藕合。因电容的隔直作用，各级静态工作点相互独立，在分析、设计、调试中可按各级单独处理。另外，由于电容对交流信号的容抗很小，只要C,2,的容量选得合适，前级输出信号可以儿乎不衰减地传递到后级。但阻容祸合放大器的低频特性较差，不能放大变化缓慢的信号和直流信号。又由于难以制造容量较大的电容，因而不利于集成，多用于由分立元件组成的放大电路中。,上一页,返回,下一页,2.6 阻容耦合多级放大电路,2.直接耦合,图2-20,所示为直接祸合放大电路。该电路结构简单，能直接传输前、后级信号，因此低频特性较好。又因为无祸合电容，便于集成。但由于前、后级之间存在直流通路，例如前级的集电极电位恒等于后级的基极电位，前级的集电极电阻又是后级的偏流电阻，因此前、后级静态工作点相互影响。实际工作中必须采取一定的措施，以保证各级都有合适的静态工作点。,3.变压器耦合,图2-21,所示为变压器祸合放大电路。由于变压器的隔直作用，两级放大电路的静态工作点相互独立，其分析计算与单级电路相同。而对于交流信号，变压器则起传输作用。此外，变压器祸合电路可实现阻抗匹配，在功率放大电路中应用方便。但电路不能放大直流和低频信号，目因变压器自身体积和重量大，不利于电路的集成化。,上一页,下一页,返回,2.6 阻容耦合多级放大电路,2.6.2 阻容耦合放大电路的分析,图2-22,所示为一个典型的两级阻容祸合放大电路，每一级都是前面讨论过的分压偏置放大电路。下面就以这个电路为例讨论多级放大电路的计算。,1.输入电阻和输出电阻,图2-23,所示为两级阻容藕合放大电路的微变等效电路。,（2.26）,同理，多级放大电路的输出电阻即为从最后一级看进去的输出电阻为,（2.27）,上一页,下一页,返回,2.6 阻容耦合多级放大电路,2.电压放大倍数,第一级的电压放大倍数为,第二级的电压放大倍数为,当 时，有总的电压放大倍数为,（2.28）,推广到n级放大电路，总的电压放大倍数为,（2.29）,上一页,下一页,返回,2.6 阻容耦合多级放大电路,由此可见，多级放大电路的电压放大倍数等于各级放大电路电压放大倍数的连乘积。需要强调的是，在计算每一级的电压放大倍数时，要把后一级的输入电阻视为它的负载电阻。例如，对第一级来说，有,（2.30）,其中,对第二级来说，有,（2.31）,上一页,下一页,返回,2.6 阻容耦合多级放大电路,所以,（2.32）,设共发射极放大电路每级相移为 ，则n级放大电路的总相移为n 。因此，对于奇数级总相移为 ，即输出电压与输入电压反相；对于偶数级总相移为零，即输出电压与输入电压同相。这样总的电压放大倍数表示式可写成,上一页,返回,2.7 功率放大电路,2.7.1 功率放大器的特点和分类,1.电路特点,功率放大器作为放大电路的输出级，具有以下几个特点：,(1)由于功率放大器的卞要任务是向负载提供一定的功率，因而输出电压和电流的幅度足够大。,(2)由于输出信号幅度较大，使二极管工作在饱和区与截止区的边沿，因此输出信号存在一定程度的失真。,(3)功率放大器在输出功率的同时，二极管消耗的能量也较大，因此，不可忽视管耗问题。,下一页,返回,2.7 功率放大电路,2.电路要求,根据功率放大器在电路中的作用及特点，首先要求它的输出功率大、非线性失真小、效率高。其次，由于二极管工作在大信号状态，要求它的极限参数I,CM,、P,CM,、U,(BR)CEO,。等应满足电路正常工作并留有一定的余量，同时还要考虑二极管有良好的散热功能，以降低结温，确保二极管安全工作。,3.功率放大器的分类,从总体上来讲，功率放大器可分为有输出变压器和无输出变压器两种类型。,根据功放管的静态工作点位置不同，功率放大器又可分为三种工作状态，如,图2-24,所示。,上一页,下一页,返回,2.7 功率放大电路,2.7.2 互补对称功率放大电路,1.乙类互补对称功率放大电路,(1)电路组成及工作原理,图2-25,所示为由两个射极输出器组成的h.补对称功率放大电路。VT,1,和VT,2,分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出，尺为负载。静态时，两管均处于零偏置，两管的I,B,、I,C,均为零，因此输出电压为零，此时电路不消耗功率。,如,图2-26,所示，电路称为乙类互补对称功率放大电路。又因为静态时公共发射极电位为零，不必采用电容耦合，所以又简称为OCL电路。,上一页,下一页,返回,2.7 功率放大电路,(2)“交越”失真问题,必须要指出的是，如果将静态工作点Q选择在二极管特性曲线的截止处，即I,C,0，尽管两管可以选择得完全对称，但是由于品体管的输入特性曲线是非线性的，在u,BE,小于死区电压时，i,b,基本为零，这样就使得基极电流波形与输入信号电压波形不相似而产生失真。由于失真是发生在两个半波的交接处，故称为交越失真。显然在输入信号电压正半周，只有当输入信号电压上升超过死区电压时，VT,1,才导通；当输入信号电压下降尚未到零时，VT1己截止。在截止时间内VT,2,也不导通。同理，在输入信号电压的负半周也存在类似情况。这样使得输出电压波形产生了如,图2-27,所示的失真。,为了消除交越失真，在实际应用中，静态工作点Q不设置在I,C,0处，而是选在稍稍向上一点的地方，让功放管工作于甲乙类放大状态。摆脱“死区”电压的影响，而使两管在静态时己有较小的基极电流，只要有输入信号，则总有一个管了导通，以致它们轮流导通时，在交接点附近输出波形比较平滑、失真减小。,上一页,下一页,返回,2.7 功率放大电路,图2-28,所示为甲乙类互补对称功率放大电路。利用一极管VD,1,、VD,2,上的正向压降给VT,1,、VT,2,的发射结提供一个正向偏置电压，使电路工作在甲乙类状态，从而消除了交越失真。由于VD,1,、VD,2,的动态电阻很小，其上的信号压降也很小，故VT,1,、VT,2,的基极交流信号大小仍近似相等、极性相同，可保证两管交替对称导通。,2.在采用一个电源的互补对称电路,OCL电路中采用双电源供电，使用时感到不便。例如，采用单电源供电，只击在两管发射极与负载间接上一个大容量电容即可。这种电路通常又称无输出变压器电路，简称OTL，电路如,图2-29,所示。,上一页,下一页,返回,2.7 功率放大电路,2.7.3 集成功率放大电路,随着电子技术的发展，集成电路应用日趋广泛。由于互补对称功率放大电路具有结构简单、体积小、频率响应好、易于集中等优点，因而在集成电路中获得了广泛的应用。例如，TDA2040大器，其输出为互补对称电路。集成功率放大器只需要外接少量的元件，就可组成适用的功率放大电路。这种电路失真小，噪声低，静态工作点无需调整，电源电压可在8 18 V范围内选择，使用灵活。,图2-30,是TDA2040集成电路的外形。它有五个引脚，使用时就固定在散热片上。,图2-31,由TDA2040组成的低频功率放大电路。,上一页,返回,2.8 放大电路的调整与测试方法(小技能),2.8.1 通电前的检查,电路安装完成后，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。检查中应特别注意以下几点：,元器件引脚之间有无短路。,电源的正负极性有没有接反，正负极之间有没有短路现象，电源线、地线是否接触可靠。,二极管与电解电容极性有没有接反，三极管、集成电路引脚线有没有接错，集成电路的型号及安插方向对不对，引脚连接处有没有接触不良等。,下一页,返回,2.8 放大电路的调整与测试方法(小技能),2.8.2 通电调试,通电调试包括测试和调整两个方面，测试是对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的依据，经过多次的测量和调