热门搜索:

  • /?1122
  • 下载费用:20 金币 ?

模拟电子技术基础(西电彩色版).pdf

关?键?词:
模拟 电子技术 基础 彩色
资源描述:

模拟电子技术基础高等学校电子信息类系列教材编着孙肖子张企民西安电子科技大学出版社http://www.xduph.com?第1章晶体二极管及其基本电路?第2章双极型晶体管及其放大电路?第3章场效应管及其基本电路目录第章场效应管及其基本电路?第4章集成运算放大器电路?第5章频率响应?第6章反馈?第7章模拟集成电路系统?第8章现代模拟集成电路技术?第9章功率电路及系统返回第 1章 晶体二极管及其基本电路第 1章 晶体二极管及其基本电路1–1 半导体物理基础知识 1–2 PN结及晶体二极管结及晶体二极管1–3 晶体二极管及其基本电路1–4 其它二极管简介 第 1章 晶体二极管及其基本电路1–1 半导体物理基础知识 按导电性能的不同 , 物质可分为导体 、 绝缘体和半导体 。 目前用来制造电子器件的材料主要是硅 (Si)、锗 (Ge)和砷化镓 (GaAs)等 。 它们的导电能力介于导体和绝缘体之间 , 并且会随温度 、 光照或掺入某些杂质而发生显着变化 。 要理解这些特性 , 就必须从半导体的原子结构谈起 。第 1章 晶体二极管及其基本电路按导电性能的不同 , 物质可分为导体 、 绝缘体和半导体 。 目前用来制造电子器件的材料主要是硅 (Si)、锗 (Ge)和砷化镓 (GaAs)等 。 它们的导电能力介于导体和绝缘体之间 , 并且会随温度 、 光照或掺入某些杂质而发生显着变化 。 要理解这些特性 , 就必须从半导体的原子结构谈起 。 与价电子密切相关 , 所以为了突出的原子结构谈起 。 与价电子密切相关 , 所以为了突出价电子的作用 , 我们采用图 1–1所示的简化原子结构模型 。第 1章 晶体二极管及其基本电路+4图 1–1原子的简化模型第 1章 晶体二极管及其基本电路纯净的单晶半导体称为本征半导体 。 在本征硅和锗的单晶中 , 原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵 (称为晶格 )。 由于原子间相距很近 , 价电子不仅受到自身原子核的约束 , 还要受到相邻原子核的吸引 , 使得每个价电子为相邻原子所共有 , 从而形成共价键 。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键 , 依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起 。 图 1–2是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图 。 共价键中的电子 , 由于受到其原子核的吸引 , 是不能在晶体中自由移动的 , 所以是束缚电子 , 不能参与导电 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路+4共价键价电子+4+4+4+4+4+4+4+4图 1–2单晶硅和锗的共价键结构示意图第 1章 晶体二极管及其基本电路一 、 半导体中的载流子 ——自由电子和空穴 在绝对零度 (-273 )时 , 所有价电子都被束缚在共价键内 , 晶体中没有自由电子 , 所以半导体不能导电 。当温度升高时 , 键内电子因热激发而获得能量 。 其中获得能量较大的一部分价电子 , 能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子 。 与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位 , 如图 1–3所示 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路+4+4+4+4+4+4自由电子空穴+4+4+4图 1–3本征激发产生电子和空穴第 1章 晶体二极管及其基本电路二 、 本征载流子浓度 在本征半导体中 , 由于本征激发 , 不断地产生电子 、 空穴对 , 使载流子浓度增加 。 与此同时 , 又会有相反的过程发生 。 由于正负电荷相吸引 , 因而 , 会使电子和空穴在运动过程中相遇 。 这时电子填入空位成为价电子 , 同时释放出相应的能量 , 从而消失一对电子 、 空穴 , 这一过程称为复合 。 显然 , 载流子浓度越大 , 复合的机会就越多 。 这样在一定温度下 , 当没有其它能量存在时 , 电子 、 空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态 , 使本征半导体中载流子的浓度一定 。 理论分析表明 , 本征载流子的浓度为第 1章 晶体二极管及其基本电路式中 ni,pi分别表示电子和空穴的浓度 (cm–3 ); T为热力学温度 (K); EG0为 T=0K时的禁带宽度 (硅为 1.21eV,锗为 0.78eV); k为玻尔兹曼常数 (8.63× 10–6 V/K); A0是与kTEiiGeTApn 2/2/300??? (1–1)半导体材料有关的常数 (硅为 3.87× 1016cm-3·K-3/2, 锗为 1.76× 1016cm-3·K-3/2)。 第 1章 晶体二极管及其基本电路1–1–2杂质半导体 在本征半导体中 , 有选择地掺入少量其它元素 ,会使其导电性能发生显着变化 。 这些少量元素统称为杂质 。 掺入杂质的半导体称为杂质半导体 。 根据掺入的杂质不同 , 有 N型半导体和 P型半导体两种 。第 1章 晶体二极管及其基本电路一 、 N型半导体 在本征硅 (或锗 )中掺入少量的五价元素 , 如磷 、 砷 、锑等 , 就得到 N型半导体 。 这时 , 杂质原子替代了晶格中的某些硅原子 , 它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键 , 而多出一个价电子只能位于共价键之外 ,如图 1–4所示 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路+4+4+4+4+5+4键外电子施主原子+4+4+4原子图 1–4N型半导体原子结构示意图第 1章 晶体二极管及其基本电路二 、 P型半导体 在本征硅 (或锗 )中掺入少量的三价元素 , 如硼 、 铝 、铟等 , 就得到 P型半导体 。 这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子 , 它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时 , 只有三个共价键是完整的 , 第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位 , 如图 1--5所示 。第 1章 晶体二极管及其基本电路+4+4+4+4+3+4空位受主+4+4+4受主原子图 1–5 P型半导体原子结构示意图第 1章 晶体二极管及其基本电路三 、 杂质半导体的载流子浓度 在以上两种杂质半导体中 , 尽管掺入的杂质浓度很小 , 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数 。杂质半导体中的少子浓度 , 因掺杂不同 , 会随多子浓度的变化而变化 。 在热平衡下 , 两者之间有如下关系 : 多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值 ni的平方 。 即对 N型半导体 , 多子 nn与少子pn有第 1章 晶体二极管及其基本电路DinininnNnnnpnpn2222??????对 P型半导体 , 多子 pp与少子 np有(1–2a)(1–2b)AipipippNnpnnnnp22??(1–3a)(1–3b)第 1章 晶体二极管及其基本电路由以上分析可知 , 本征半导体通过掺杂 , 可以大大改变半导体内载流子的浓度 , 并使一种载流子多 ,而另一种载流子少 。 对于多子 , 通过控制掺杂浓度可严格控制其浓度 , 而温度变化对其影响很小 ; 对于少子 , 主要由本征激发决定 , 因掺杂使其浓度大大减小 ,但温度变化时 , 由于 ni的变化 , 会使少子浓度有明显变化 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路1–1–3半导体中的电流 了解了半导体中的载流子情况之后 , 我们来讨论它的电流 。 在半导体中有两种电流 。 一 、 漂移电流 在电场作用下 , 半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流 , 称为漂移电流 。 它类似于金属导体中动形成的电流 , 称为漂移电流 。 它类似于金属导体中的传导电流 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路半导体中有两种载流子 ——电子和空穴 , 当外加电场时 , 电子逆电场方向作定向运动 , 形成电子电流 In ,而空穴顺电场方向作定向运动 , 形成空穴电流 Ip 。 虽然它们运动的方向相反 , 但是电子带负电 , 其电流方向与运动方向相反 , 所以 In和 Ip的方向是一致的 , 均为空穴流动的方向 。 因此 , 半导体中的总电流为两者之和 , 即I=In+Ip漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度 、 迁移速度及外加电场的强度等因素决定 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路二 、 扩散电流 在半导体中 , 因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时 , 载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动 , 从而形成扩散电流 。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差 (即浓度梯度 )。 浓度差越大 , 扩散电流越大 ,而与该处的浓度值无关 。 反映在浓度分布曲线上 (见图1–6), 即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。第 1章 晶体二极管及其基本电路x0n(0)n(x)[p(x)]x0n0图 1–6半导体中载流子的浓度分布第 1章 晶体二极管及其基本电路1–2 PN结及晶体二极管通过掺杂工艺 , 把本征硅 (或锗 )片的一边做成 P型半导体 , 另一边做成 N型半导体 , 这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层 , 称为 PN结 。 PN结是构造半导体器件的基本单元 。 其中 , 最简单的晶体二极管就是由 PN结构成的 。 因此 , 讨论 PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性 。第 1章 晶体二极管及其基本电路1–2–1 PN结的形成 P型半导体和 N型半导体有机地结合在一起时 , 因为 P区一侧空穴多 , N区一侧电子多 , 所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差 。 于是 P区中的空穴会向N区扩散 , 并在 N区被电子复合 。 而 N区中的电子也会向 P区扩散 , 并在 P区被空穴复合 。 这样在 P区和 N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子 。 上述过程如图 1–7(a)所示 。 结果在界面的两侧形成了由等量正 、 负离子组成的空间电荷区 , 如图 1–7(b)所示 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路P(a)N P N空间电荷区内电场(b)UB图 1–7PN结的形成 第 1章 晶体二极管及其基本电路开始时 , 扩散运动占优势 , 随着扩散运动的不断进行 , 界面两侧显露出的正 、 负离子逐渐增多 , 空间电荷区展宽 , 使内电场不断增强 , 于是漂移运动随之增强 , 而扩散运动相对减弱 。 最后 , 因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消 , 使扩散和漂移运动达到动态平衡 。 这时 , 虽然扩散和漂移仍在不断进行 , 但通过界面的净载流子数为零 。 平衡时 , 空间电荷区的宽度一定 , UB也保持一定 , 如图 1–7(b)所示 。第 1章 晶体二极管及其基本电路由于空间电荷区内没有载流子 , 所以空间电荷区也称为耗尽区 (层 )。 又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用 , 好像壁垒一样 , 所以又称它为阻挡区或势垒区 。 实际中 , 如果 P区和 N区的掺杂浓度相同 , 则耗尽区相对界面对称 , 称为对称结 , 见图 1–7(b)。 如果一边掺杂浓度大 (重掺杂 ), 一边掺杂浓度小 (轻掺杂 ),则称为不对称结 , 用 P+N或 PN+表示 (+号表示重掺杂区 )。 这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边 , 如图 1--8(a),(b)所示 。第 1章 晶体二极管及其基本电路NP+耗尽区P N+耗尽区(a) (b)图 1–8不对称 PN结第 1章 晶体二极管及其基本电路1–2–2 PN结的单向导电特性 一 、 PN结加正向电压 使 P区电位高于 N区电位的接法 , 称 PN结加正向电压或正向偏置 (简称正偏 ), 如图 1--9所第 1章 晶体二极管及其基本电路耗尽区内电场内电场UUB- U+ -RE图 1–9 正向偏置的 PN结第 1章 晶体二极管及其基本电路二 、 PN结加反向电压 使 P区电位低于 N区电位的接法 , 称 PN结加反向电压或反向偏置 (简称反偏 )。 由于反向电压与 UB的极性一致 , 因而耗尽区两端的电位差变为 UB+U, 如图 1–10所示 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路耗尽区内电场 +- 内电场UUB+ URE+-图 1–10反向偏置的 PN结第 1章 晶体二极管及其基本电路三 、 PN结电流方程 理论分析证明 , 流过 PN结的电流 i与外加电压 u之间的关系为i=IS(e qu/kT-1)= IS(e u/UT-1) (1–4)式中 , IS为反向饱和电流 , 其大小与 PN结的材料 、制作工艺 、 温度等有关 ; UT=kT/q, 称为温度的电压当制作工艺 、 温度等有关 ; , 称为温度的电压当量或热电压 。 在 T=300K(室温 )时 , UT =26mV。 这是一个今后常用的参数 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路由式 (1–4)可知 , 加正向电压时 , u只要大于 UT几倍以上 , i≈Iseu/U-T, 即 i随 u呈指数规律变化 ; 加反向电压时 , |u|只要大于 UT几倍以上 , 则 i≈–IS(负号表示与正向参考电流方向相反 )。 因此 , 式 (1–4)的结果与上述的结论完全一致 。 由式 (1–4)可画出 PN结的伏安特性曲线 ,如图 1–11所示 。 图中还画出了反向电压大到一定值时 ,反向电流突然增大的情况 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路1–2–3 PN结的击穿特性 由图 1–11看出 , 当反向电压超过 UBR后稍有增加时 ,反向电流会急剧增大 , 这种现象称为 PN结击穿 , 并定义 UBR为 PN结的击穿电压 。 PN结发生反向击穿的机理可以分为两种 。第 1章 晶体二极管及其基本电路ui0T- UBRT图 1–11 PN结的伏安特性第 1章 晶体二极管及其基本电路一 、 雪崩击穿 在轻掺杂的 PN结中 , 当外加反向电压时 , 耗尽区较宽 , 少子漂移通过耗尽区时被加速 , 动能增大 。 当反向电压大到一定值时 , 在耗尽区内被加速而获得高能的少子 , 会与中性原子的价电子相碰撞 , 将其撞出共价键 , 产生电子 、 空穴对 。 新产生的电子 、 空穴被共价键 , 产生电子 、 空穴对 。 新产生的电子 、 空穴被强电场加速后 , 又会撞出新的电子 、 空穴对 。第 1章 晶体二极管及其基本电路二 、 齐纳击穿 在重掺杂的 PN结中 , 耗尽区很窄 , 所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场 。 当反向电压大到一定值时 , 强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键 , 产生大量电子 、 空穴对 , 使反向电流急剧增大 。 这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿 。 一般来说 , 对硅材料的 PN结 , UBR>7V时为雪崩击穿 ;UBR 7V时具有正温度系数 (因雪崩击穿具有正温系数 ); 而 UZ在 5V到 7V之间时 , 温度系数可达最小 。 第 1章 晶体二极管及其基本电路三 、 稳压二极管稳压电路 稳压二极管稳压电路如图 1–22所示 。 图中 Ui为有波动的输入电压 , 并满足 Ui >UZ。 R为限流电阻 , RL为负载 。第 1章 晶体二极管及其基本电路VZUi+Uo+RRLILIZ- -图 1–22稳压二极管稳压电路第 1章 晶体二极管及其基本电路下面来说明限流电阻 R的选择方法 。 由图 1–21可知 ,当 Ui,RL变化时 , IZ应始终满足 Izmin Rmax的结果 , 则说明在给定条件下 ,已超出了 VZ管的稳压工作范围 。 这时 , 需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管 , 以满足Rmin ?UBE(on)时 , 随着 uBE的增大 , iB开始按指数规律增加 , 而后近似按直线上升 。(2)当 uCE =0时 , 晶体管相当于两个并联的二极管 ,所以 b,e间加正向电压时 , iB很大 。 对应的曲线明显左移 , 见图 2–6。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路(3)当 uCE在 0~1V之间时 , 随着 uCE的增加 , 曲线右移 。 特别在 0ICM时 , 虽然管子不致于损坏 , 但 β值已经明显减小 。 因此 , 晶体管线性运用时 , iC不应超过 ICM 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路3 集电极最大允许耗散功率 PCM晶体管工作在放大状态时 , c结承受着较高的反向电压 , 同时流过较大的电流 。 因此 , 在 c结上要消耗一定的功率 , 从而导致 c结发热 , 结温升高 。 当结温过高时 , 管子的性能下降 , 甚至会烧坏管子 , 因此需要规定一个功耗限额 。定一个功耗限额 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路PCM与管芯的材料 、 大小 、 散热条件及环境温度等因素有关 。 一个管子的 PCM如已确定 , 则由PCM =IC·UCE可知 , PCM在输出特性上为一条 IC与 UCE乘积为定值 PCM的双曲线 , 称为 PCM功耗线 , 如图 2–7所示 。  第 2章 双极型晶体管及其放大电路iC安全ICMPCMuCE工作区0安全U(BR)CEO图 2–7 晶体管的安全工作区第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–3 晶体管工作状态分析及偏置电路 由晶体管的伏安特性曲线可知 , 晶体管是一种复杂的非线性器件 。 在直流工作时 , 其非线性主要表现为三种截然不同的工作状态 , 即放大 、 截止和饱和 。在实际应用中 , 根据实现的功能不同 , 可通过外电路将晶体管偏置在某一规定状态 。 因此 , 在晶体管应用电路分析中 , 一个首要问题 , 便是晶体管工作状态分析以及直流电路计算 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–3–1晶体管的直流模型 在通常情况下 , 由外电路偏置的晶体管 , 其各极直流电流和极间直流电压将对应于伏安特性曲线上一个点的坐标 , 这个点称为直流 (或静态 )工作点 , 简称 Q点 。 在直流工作时 , 可将晶体管输入 、 输出特性曲线(见图 2–5、 图 2–6)分别用图 2--8(a)和 (b)所示的折线近见图 、 图 分别用图 和 所示的折线近似 , 这样直流工作点 (IBQ,UBEQ)和 (ICQ,UCEQ)必然位于该曲线的直线段上 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路iCiBI=0uBE 0 uCE0(a)UBE(on) UCE(sat)B=(b)图 2–8晶体管伏安特性曲线的折线近似 (a)输入特性近似 ; (b)输出特性近似第 2章 双极型晶体管及其放大电路由图 2–8可知 , 当外电路使 UBEUEE+UBE(on), 则晶体管导通 。 现假定为放大导通 , 利用图 2–9(b)的模型可得该电路的直流等效电路如图 2–11(b)所示 。 由图可得UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+β)IBQRE)(OnBEEEBB UUUI ??? (2–12a))()1(ECCQEECCCEQEQBQCQEBBQRRIUUUIIIRR??????????(2–12b)(2–12c)借助式 (2–12)的结果 , 现在可对电路中的晶体管是处于放大还是饱和作出判别 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路RB RCREUBE(on)βI BUBB UCCUEE(b)图 2–11晶体管直流分析的一般性电路 (a)电路 ; (b)放大状态下的等效电路 ; (c)饱和状态下的等效电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路RBURCUREUBE(on)UCE(sat)图 2–11晶体管直流分析的一般性电路 (a)电路 ; (b)放大状态下的等效电路 ; (c)饱和状态下的等效电路BB CCUEE(c)第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 2 晶体管电路及其输入电压 ui的波形如图2--12(a),(b)所示 。 已知 β=50, 试求 ui作用下输出电压 uo的值 , 并画出波形图 。R33kRB39k++uoUCC5Vui+- -(a)图 2–12例题 2电路及 ui,uo波形图 (a)电路 ; (b) ui波形图 ; (c) uo波形图第 2章 双极型晶体管及其放大电路03(b)tui/Vuo/V图 2–12例题 2电路及 ui,uo波形图 (a)电路 ; (b) ui波形图 ; (c) uo波形图05(c) t0.3第 2章 双极型晶体管及其放大电路解 当 ui=0时 , UBE=0, 则晶体管截止 。 此时 ,ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。 当 ui =3V时 , 晶体管导通且有?????? mRUuIBonBEiBQ 06.0397.03)(而集电极临界饱和电流为????????????mImImRUUIsatCBQConBECCsatC028.0504.106.04.13 7.05)()()(?而集电极临界饱和电流为因为第 2章 双极型晶体管及其放大电路所以晶体管处于饱和 。 此时 , ICQ=IC(sat)=1.4mA,而 uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。 根据上述分析结果画出的 uo波形如图 2–12(c)所示 。 通过本例题可以看出 , 在实际电路分析中 , 由于晶体管的直流模型很简单 , 一旦其工作状态确定 , 则直流等效电路可不必画出 , 而等效的涵义将在计算式中反映出来 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–3–3 放大状态下的偏置电路 晶体管在放大应用时 , 要求外电路将晶体管偏置在放大区 , 而且在信号的变化范围内 , 管子始终工作在放大状态 。 此时 , 对偏置电路的要求是 : ① 电路形式要简单 。 例如采用一路电源 , 尽可能少用电阻等 ;② 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力② 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定 ; ③ 对信号的传输损耗应尽可能小 。 下面将介绍几种常用的偏置电路 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路一 、 固定偏流电路 电路如图 2–13所示 。 由图可知 , UCC通过 RB使 e结正偏 , 则基极偏流为BonBECCBQ RUUI )(?? (2–14a)只要合理选择 RB,RC的阻值 , 晶体管将处于放大状态 。 此时CCQCCCEQBQCQRIUUII??? ? (2–14b)(2–14c)第 2章 双极型晶体管及其放大电路RBURCCC图 2–13固定偏流电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路这种偏置电路虽然简单 , 但主要缺点是工作点的稳定性差 。 由式 (2–14)可知 , 当温度变化或更换管子引起 β,ICBO改变时 , 由于外电路将 IBQ固定 , 所以管子参数的改变都将集中反映到 ICQ,UCEQ的变化上 。 结果会造成工作点较大的漂移 , 甚至使管子进入饱和或截止状态 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路二 、 电流负反馈型偏置电路 使工作点稳定的基本原理 , 是在电路中引入自动调节机制 , 用 IB的相反变化去自动抑制 IC的变化 , 从而使 ICQ稳定 。 这种机制通常称为负反馈 。 实现方法是在管子的发射极串接电阻 RE, 见图 2–14。 由图可知 , 不管何种原因 , 如果使 ICQ有增大趋向时 , 电路会产生如下自我调节过程 :ICQ↑→ IEQ↑→ UEQ(=IEQRE)↑↓ICQ↓← IEQ ↓← UBEQ(= UEQ -UEQ)↓第 2章 双极型晶体管及其放大电路RBURCCCRE图 2–14 电流负反馈型偏置电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路结果 , 因 IBQ的减小而阻止了 ICQ的增大 ; 反之亦然 。可见 , 通过 RE对 ICQ的取样和调节 , 实现了工作点的稳定 。 显然 , RE的阻值越大 , 调节作用越强 , 则工作点越稳定 。 但 RE过大时 , 因 UCEQ过小会使 Q点靠近饱和区 。 因此 , 要二者兼顾 , 合理选择 RE的阻值 。 该电路与图 2–11(a)电路相比 , 差别仅在于此时该电路与图 电路相比 , 差别仅在于此时UEE=0,UBB=UCC。 参照式 (2–12), 可得工作点的计算式为第 2章 双极型晶体管及其放大电路)()1()(ECCQCCCEQBQCQEBonBECCBQRRIUUIIRRUUI??????????(2–15a)(2–15b)(2–15c)第 2章 双极型晶体管及其放大电路三 、 分压式偏置电路 分压式偏置电路如图 2–15(a)所示 , 它是电流负反馈型偏置电路的改进电路 。 由图可知 , 通过增加一个电阻 RB2, 可将基极电位 UB固定 。 这样由 ICQ引起的 UE变化就是 UBE的变化 , 因而增强了 UBE对 ICQ的调节作用 ,有利于 Q点的近一步稳定 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路RB1UCCRCR RE(a)B2图 2–15分压式偏置电路 (a)电路 ; (b)用戴文宁定理等效后的电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路UCCRCRBICQIBQRE(b)UBB图 2–15分压式偏置电路 (a)电路 ; (b)用戴文宁定理等效后的电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路为确保 UB固定 , 应满足流过 RB1、 RB2的电流 I1IBQ,这就要求 RB1、 RB2的取值愈小愈好 。 但是 RB1 、 RB2过小 , 将增大电源 UCC的无谓损耗 , 因此要二者兼顾 。 通常选取?1I 锗管 )硅管 )()20~10( ()10~5(BQBQII (2–16a)并兼顾 RE和 UCEQ而取CCB UU )31~51(? (2–16a)第 2章 双极型晶体管及其放大电路从分析的角度看 , 在该电路的基极端用戴文宁定理 等 效 , 可 得 如 图 2–15(b) 的 等 效 电 路 。 图 中 ,RB=RB1 RB2,UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)。 此时 , 工作点可按式 (2–15)计算 。 如果 RB1 、 RB2取值不大 , 在估算工作点时 , 则 ICQ可按下式直接求出 :onBEBB UUII )(??? (2–17a)CCBBBBBBEEQCQURR RUUR212???(2–17b)第 2章 双极型晶体管及其放大电路例 3 电路如图 2–15(a)所示 。 已知β=100,UCC=12V,RB1=39kΩ,RB2=25kΩ,RC=RE=2kΩ, 试计算工作点 ICQ和 UCEQ。解VURUkRRRBBBB4.11225152539221????????VRRIUUmAIImARR UUIRRECCQCCCEQBQCQEBonBEBBBQCCBBBB4.4)22(9.112)(9.1019.0100019.0210115 7.07.4)1(2539)(21??????????????? ??????????第 2章 双极型晶体管及其放大电路若按估算法直接求 ICQ, 由式 (2–17a)可得mARUUIEonBEBBCQ 227.07.4)( ?????显然两者误差很小 。 因此 , 在今后分析中可按估算法来求工作点 。 与上述稳定 Q点的原理相类似 , 实际中还可采用电压负反馈型偏置电路 (见习题  2–11电路 )。 其调节原理请读者自行分析 。 除此之外 , 在集成电路中 , 还广泛采用恒流源作偏置电路 , 即用恒流源直接设定 ICQ。 有关恒定源问题将在第四章详细讨论 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–4放大器的组成及其性能指标 晶体管的一个基本应用就是构成放大器 。 所谓放大 , 是在保持信号不失真的前提下 , 使其由小变大 、由弱变强 。 因此 , 放大器在电子技术中有着广泛的应用 , 是现代通信 、 自动控制 、 电子测量 、 生物电子等用 , 是现代通信 、 自动控制 、 电子测量 、 生物电子等设备中不可缺少的组成部分 。 放大器涉及的问题很多 ,这些问题将在后续章节中逐一讨论 。 本节主要说明小信号放大器的组成原理 , 简要介绍放大器的性能指标 ,然后给出其二端口网络的一般模型 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–4–1基本放大器的组成原则 基本放大器通常是指由一个晶体管构成的单级放大器 。 根据输入 、 输出回路公共端所接的电极不同 ,实际有共射极 、 共集电极和共基极三种基本 (组态 )放大器 。 下面以最常用的共射电路为例来说明放大器的一般组成原理 。  第 2章 双极型晶体管及其放大电路共射极放大电路如图 2–16所示 。 图中 , 采用固定偏流电路将晶体管偏置在放大状态 , 其中虚线支路的UCC为直流电源 , RB为基极偏置电阻 , RC为集电极负载电阻 。 输入信号通过电容 C1加到基极输入端 , 放大后的信号经电容 C2由集电极输出给负载 RL。 因为放大器的分析通常采用稳态法 , 所以一般情况下是以正弦波作为放大器的基本输入信号 。 图中用内阻为 R 的正弦作为放大器的基本输入信号 。 图中用内阻为 s的正弦电压源 Us为放大器提供输入电压 Ui。 电容 C1, C2称为隔直电容或耦合电容 , 其作用是隔直流通交流 , 即在保证信号正常流通的情况下 , 使直流相互隔离互不影响 。按这种方式连接的放大器 , 通常称为阻容耦合放大器 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路RC+V++C1RB(UCC)C2+UCCUoUs+-Rs-UiRL-图 2–16共射极放大电路第 2章 双极型晶体管及其放大电路通过上述实例可以看出 , 用晶体管组成放大器时应该遵循如下原则 : (1)必须将晶体管偏置在放大状态 , 并且要设置合适的工作点 。 当输入为双极性信号 (如正弦波 )时 , 工作点应选在放大区的中间区域 ; 在放大单极性信号 (如脉冲波 )时 , 工作点可适当靠向截止区或饱和区 。 冲波 时 , 工作点可适当靠向截止区或饱和区 。(2)输入信号必须加在基极 —发射极回路 。 由于正偏的发射结其 iE与 uBE的关系仍满足式 (1–4), 即TBETBEUuSUuSE eIeIi ??? )1( (2–18)第 2章 双极型晶体管及其放大电路而 iC≈iE。 所以 , uBE对 iC有极为灵敏的控制作用 。 因此 , 只有将输入信号加到基极 —发射极回路 , 使其成为控制电压 uBE的一部分 , 才能得到有效地放大 。 具体连接时 , 若射极作为公共支路 (端 ), 则信号加到基极 ; 反之 , 信号则加到射极 。 由于反偏的 c结对 iC几乎没有控制作用 , 所以输入信号不能加到集电极 。 制作用 , 所以输入信号不能加到集电极 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路(3)必须设置合理的信号通路 。 当信号源和负载与放大器相接时 , 一方面不能破坏已设定好的直流工作点 , 另一方面应尽可能减小信号通路中的损耗 。 实际中 , 若输入信号的频率较高 (几百赫兹以上 ), 采用阻容耦合则是最佳的连接方式 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–4–2直流通路和交流通路 对一个放大器进行定量分析时 , 其分析的内容无外乎两个方面 。 一是直流 (静态 )工作点分析 , 即在没有信号输入时 , 估算晶体管的各极直流电流和极间直流电压 。 二是交流 (动态 )性能分析 , 即在输入信号作用下 ,确定晶体管在工作点处各极电流和极间电压的变化量 ,进而计算放大器的各项交流指标 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路以图 2–16所示的共射放大器为例 , 按照上述方法 ,将电路中的耦合电容 C1,C2开路 , 得直流通路 , 如图 2–17(a)所示 ; 将 C1, C2短路 , 直流电源 UCC对地也短路 ,便得交流通路 , 如图 2–17(b)所示 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路RBUCCRCRC Uo+RsRBRL+图 2–17共射放大器的交 、 直流通路 (a)直流通路 ; (b)交流通路Us+--(a) (b)第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–4–3放大器的主要性能指标 放大器有一个输入端口 , 一个输出端口 , 所以从整体上看 , 可以把它当作一个有源二端口网络 , 如图2–18所示 。 因为输入信号是正弦量 , 所以图中有小写下标的大写字母均表示正弦量的有效值 , 并按二端口网络的约定标出了电流的方向和电压的极性 。 这样 ,放大器的性能指标可以用该网络的端口特性来描述 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路线性放大器IoRL+Uo+-UiIi放大器--图 2–18放大器等效为有源二端口网络的框图第 2章 双极型晶体管及其放大电路一 、 放大倍数 A放大倍数又称为增益 , 定义为放大器的输出量与输入量的 比值 。 根据处理的输入量和所需的输出量不同 , 有如下四种不同定义的放大倍数 :  iou UUA ?电压放大倍数(2–19a)ioriogioiUUAUIAIIA???电流放大倍数互导放大倍数互导放大倍数互阻放大倍数(2–19b)(2–19c)(2–19d)第 2章 双极型晶体管及其放大电路其中 , Au和 Ai为无量纲的数值 , 而 Ag的单位为西门子 (S), Ar的单位为欧姆 (Ω)。 有时为了方便 , Au和 Ai可取分贝 (dB)为单位 , 即),(lg20),(lg20 dBIIAdBUUAioiiou ?? (2–20)第 2章 双极型晶体管及其放大电路二 、 输入电阻 Ri 输入电阻是从放大器输入端看进去的电阻 , 它定义为在图 2–18的框图中 , 对信号源来说 , 放大器相当于它的负载 , R 则表征该负载能从信号源获取多大信iii IUR ? (2–21)于它的负载 , i则表征该负载能从信号源获取多大信号 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路三 、 输出电阻 Ro输出电阻是从放大器输出端看进去的电阻 。 在图2–18的框图中 , 对负载来说 , 放大器相当于它的信号源 , 而 Ro正是该信号源的内阻 。 根据戴文宁定理 , 放大器的输出电阻定义为? oUR 0I0s?? 或sUoo I (2–22)Ro是一个表征放大器带负载能力的参数 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路根据放大器输入和输出信号的不同 , 利用上述三个指标 , 则图 2–18所示的框图可具体描述为四种二端口网络模型 , 如图 2–19所示 。 图中 , Auo,Aro分别表示负载开路时的电压 、 互阻放大倍数 , 而 Ais,Ags则分别表示负载短路时的电流 、 互导放大倍数 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路IsAisIiRLRs Ri Ro(b)IoIi+-Us AuoUiRL+-RsUi Ri+-Ro+-Uo(a)IoR++Ro+IiAgsUiRLRi Ro(c)Us+-s+-UiAroIi RLRi+-+-Uo(d)Is Ro图 2–19放大器二端口网络模型 (a)电压放大器 ; (b)电流放大器 ; (c)互导放大器 ; (d)互阻放大器第 2章 双极型晶体管及其放大电路四 、 非线性失真系数 THD由于放大管输入 、 输出特性的非线性 , 因而放大器输出波形不可避免地会产生或大或小的非线性失真 。具体表现为 , 当输入某一频率的正弦信号时 , 其输出电流波形中除基波成分之外 , 还包含有一定数量的谐波 。 为此 , 定义放大器非线性失真系数为mnmIITHD122???? (2–23)第 2章 双极型晶体管及其放大电路式中 I1m为输出电流的基波幅值 , Inm为二次谐波以上的各谐波分量幅值 。 由于小信号放大时非线性失真很小 , 所以只有在大信号工作时才考虑 THD指标 。 第 2章 双极型晶体管及其放大电路五 、 线性失真 放大器的实际输入信号通常是由众多频率分量组成的复杂信号 。 由于放大电路中含有电抗元件 (主要是电容 ), 因而放大器对信号中的不同频率分量具有不同的放大倍数和附加相移 , 造成输出信号中各频率分量间大小比例和相位关系发生变化 , 从而导致输出波形相对于输入波形产生畸变 。 通常将这种输出波形的畸变称为放大器的线性失真或频率失真 。 有关描述线性失真的一些具体指标 , 如截止频率 、 通频带等将在第五章中详细说明 。第 2章 双极型晶体管及其放大电路2–5 放大器图解分析法 2–5–1直流图解分析 直流图解分析是在晶体管特性曲线上 , 用作图的方法确定出直流工作点 , 求出 IBQ、 UBEQ

? 汽车智库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:模拟电子技术基础(西电彩色版).pdf
链接地址:http://www.autoekb.com/p-1613.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们

copyright@ 2008-2018 mywenku网站版权所有
经营许可证编号:京ICP备12026657号-3?

收起
展开