晶体管及其应用

(1-1) 第七章 晶体管及其应用 (1-2) 导体： 自然界中很容易导电的物质称为 导体 ， 金属一般都是导体。 绝缘体： 有的物质几乎不导电，称为 绝缘体 ， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体： 另有一类物质的导电特性处于导体和 绝缘体之间，称为 半导体 ，如锗、硅、 砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 7.0 半导体的导电特性 (1-3) 半导体 的导电机理不同于其它物质，所以 它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导 电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。 1.掺杂性 2.热敏性和光敏性 (1-4) 7.0.1 本征半导体 （纯净和具有晶体结构的半导体） 一、本征半导体的结构特点 Ge Si 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。 (1-5) 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成 共价键 ，共用一对价 电子。 硅和锗的晶 体结构 ： 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体 。 (1-6) 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4 +4 +4 +4 +4表示除 去价电子 后的原子 (1-7) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子 ，常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自 由电子 ，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。 +4 +4 +4 +4 (1-8) 二、本征半导体的导电机理 在绝对 0度（ T=0K）和没有外界激发时 ,价电 子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可 以运动的带电粒子（即 载流子 ），它的导电能 力为 0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为 自由电 子 ，同时共价键上留下一个空位，称为 空穴 。 1.载流子、自由电子和空穴 (1-9) +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 束缚电子 (1-10) 2.本征半导体的导电机理 +4 +4 +4 +4 在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子 和 空穴 。 (1-11) 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 （在本征半导体中 自由电子和空穴成对出现， 同时又不断的复合） (1-12) 7.0.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 P 型半导体： 空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。 N 型半导体： 自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。 (1-13) 一、 N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷， 晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原 子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻 的半导体原子形成共价键，必定多出一个电 子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发 而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移 动的带正电的离子。 (1-14) +4 +4 +5 +4 多余 电子 磷原子 N 型半导体中 的载流子是什 么？ 1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为 多数载流 子 （ 多子 ），空穴称为 少数载流子 （ 少子 ）。 (1-15) 二、 P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 产生一个空穴。这个空穴 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。 +4 +4 +3 +4 空穴 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 。 (1-16) 三、杂质半导体的符号 P 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 (1-17) PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造 P 型半导 体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了 PN 结。 7.1 PN结及其单向导电性 (1-18) P 型半导体 N 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场 E 漂移运动 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。 内电场越强，漂移运动 越强，而漂移使空间电 荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层。 (1-19) 漂移运动 P型半导体 N 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场 E 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。 (1-20) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷 区 N型区 P型区 电位 V V0 (1-21) (1) 加正向电压（正偏） 电源正极接 P区，负极接 N区 外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动漂移运动 多子扩散形成正向电流 I F + + + + + + + P型半导体 + + N型半导体 + + W E R 空间电荷区 内电场 E正向电流 PN结的单向导电性 (1-22) (2) 加反向电压 电源正极接 N区，负极接 P区 外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动扩散运动 少子漂移形成反向电流 I R + + 内电场 + + + + E + E W + 空 间 电 荷 区 + R + + + I R P N 在一定的温度下， 由本征激发产生的少子浓 度是一定的，故 IR基本上与 外加反压的大小无关，所 以称为 反向饱和电流 。但 IR 与温度有关。 (1-23) PN结加正向电压时，具有较大的正 向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反 向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论： PN结具有单向 导电性。 (1-24) 7.2 晶体二极管及其应用 7.2.1晶体二极管 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 引线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 PN结 面接触型 P N 二极管的电路符号： 阳极 + 阴极 - A 基本结构 (1-25) B 伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.5V,锗管 0.1V。 导通压降 : 硅管 0.60.7V, 锗管 0.20.3V。 反向击穿 电压 UBR (1-26) C 主要参数 （ 1） 最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。 （ 3） 反向击穿电压 UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热 而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压 UBM一 般是 UBR的一半。 （ 2） 最高反向工作电压 UBM 保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。 (1-27) （ 4） 反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。 (1-28) 当外加正向电压不 同时， PN结两侧堆积 的少子的数量及浓度 梯度也不同，这就相 当电容的充放电过程 。 + N P pL x 浓度分布 耗尽层 NP 区 区中空穴 区中电子 区 浓度分布 nL 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 扩散电容： 为了形成正向 电流（扩散电流），注入 P 区的少子（电子）在 P 区 有浓度差，越靠近 PN结浓 度越大，即在 P 区有电子 的积累。同理，在 N区有空 穴的积累。正向电流大， 积累的电荷多。这样所产 生的电容就是扩散电容 . (1-29) CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。 PN结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电 容的综合效应 rd (1-30) 7.2.2 稳压二极管 U I IZ IZmax UZ IZ 稳压 误差 曲线越陡， 电压越稳 定。 + - UZ 动态电阻： Z Z I U Zr rz越小，稳 压性能越 好。 (1-31) （ 4）稳定电流 IZ、 最大、最小稳定电流 Izmax、 Izmin。 （ 5）最大允许功耗 m a xZZZM IUP 稳压二极管的参数 : （ 1）稳定电压 UZ （ 2）电压温度系数 U（ %/ ） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （ 3）动态电阻 Z Z I U Zr (1-32) 在电路中稳压管只有与适当的 电阻连接才能起到稳压作用。 i U IZI ZU LR 0U R U I IZ IZmax UZ IZ UZ (1-33) 稳压二极管的应用举例 uo i Z DZ R iL i ui RL 5 m A 2 0 m A , V, m i n m a x z zz I I10U 稳压管的技术参数 : k2LR 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为 Izmax mAm a x 25RUIi L Z z 10R25UiRu2.1 zi 方程 1 要求当输入电压由正常值发生 20%波动时，负载电压 基本不变。 求： 电阻 R和输入电压 ui 的正常值。 (1-34) 令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为 Izmin 。 mAm i n 10RUIi L Z z 10R10UiRu8.0 zi 方程 2 uo i Z DZ R iL i ui RL 联立方程 1、 2，可解得： k50V7518 .R,.u i (1-35) 7.2.3 发光二极管 有正向电流流过 时，发出一定波长 范围的光，目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光，它的电特性与 一般二极管类似。 (1-36) 7.2.4 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照度增加 (1-37) 7.2.5 变容二极管 符号与特性曲线 (1-38) 二极管： 死区电压 =0 .5V，正向压降 0.7V(硅二极管 ) 理想二极管： 死区电压 =0 ，正向压降 =0 RL ui uo ui uo t t 二极管的应用举例 1： 二极管半波整流 二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主 要应用于整流、限幅、保护等等。 7.2.6 晶体二极管的基本应用 (1-39) 二极管的应用举例 2： t t t ui uR uo R RL ui uR uo (1-40) 7.3.1 晶体三极管 A 基本结构 B E C N N P 基极 发射极 集电极 NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 7.3 晶体三极管及其基本放大电路 (1-41) B E C N N P 基极 发射极 集电极 基区：较薄， 掺杂浓度低 集电区： 面积较大 发射区：掺 杂浓度较高 (1-42) B E C N N P 基极 发射极 集电极 发射结 集电结 (1-43) B E C IB I E IC NPN型三极管 B E C IB I E IC PNP型三极管 符号 (1-44) IC mA A V V UCE UBE RB IB EC EB 一 . 一个实验 B 三极管的电流放大作用 (1-45) 结论 : 1. IE=IC+IB 常数 B C B C B C B C I I I I 1 I I I I .2 3. IB=0, IC=ICEO 4.要使晶体管放大 ,发射结必须正偏 ,集电结必须 反偏。 (1-46) 二 . 电流放大原理 B E C N N P EB RB EC IE 基区空穴 向发射区 的扩散可 忽略。 IBE 进入 P区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流 IBE ，多数 扩散到集电结。 发射结正 偏，发射 区电子不 断向基区 扩散，形 成发射极 电流 IE。 (1-47) B E C N N P EB RB EC IE 集电结反偏，有 少子形成的反向 电流 ICBO。 ICBO IC=ICE+ICBOICE IBE ICE 从基区扩 散来的电 子作为集 电结的少 子，漂移 进入集电 结而被收 集，形成 ICE。 (1-48) IB=IBE-ICBOIBE IB B E C N N P EB RB EC IE ICBO ICE IC=ICE+ICBO ICE IBE (1-49) ICE与 IBE之比称为电流放大倍数 B C C B OB C B OC BE CE I I II II I I (1-50) 一 .输入特性 UCE 1V IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.4 0.8 工作压降： 硅管 UBE0.60.7V,锗管 UBE0.20.3V。 UCE=0V UCE =0.5V 死区电 压，硅管 0.5V，锗 管 0.1V。 C 特性曲线 (1-51) 二、 输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 3 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域满 足 IC=IB 称为线性 区（放大 区）。 当 UCE大于一 定的数值时， IC只与 IB有关， IC=IB。 (1-52) IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 3 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 UCEUBE, 集电结正偏， IBIC， UCE0.3V 称为饱和区。 (1-53) IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 3 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域中 : IB=0,IC=ICEO ,UBEIC， UCE0.3V (3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 (1-55) D、主要参数 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 ： B C I I_ _ _ 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： BI I C a. 电流放大倍数 _ (1-56) 例： UCE=6V时 ： IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。 5.3704.0 5.1 _ _ _ B C I I 4004.006.0 5.13.2 B C I I 在以后的计算中，一般作近似处理： = (1-57) b.集 -基极反向截止电流 ICBO A ICBO ICBO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。 (1-58) B E C N N P ICBO ICEO= IBE+ICBO IBE IBE ICBO进入 N 区，形成 IBE。 根据放大关系， 由于 IBE的存 在，必有电流 IBE。 集电结反 偏有 ICBO c. 集 -射极反向截止电流 ICEO ICEO受温度影响 很大，当温度上 升时， ICEO增加 很快，所以 IC也 相应增加。 三极 管的温度特性较 差 。 (1-59) d.三极管的极限参数 （ 1）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。 （ 2）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 25C、 基极开路时的击穿电压 U(BR)CEO。 (1-60) （ 3） 集电极最大允许功耗 PCM 集电极电流 IC 流过三极管， 所发出的功率 为： PC =ICUCE 必定导致结温 上升，所以 PC 有限制。 PCPCM IC UCE ICUCE=PCM ICM U(BR)CEO 安全工作区 (1-61) 7.3.2 共发射极放大电路 三种三极管 放大电路 共射极放大电路 共基极放大电路 共集电极放大电路 以共射极 放大电路 为例讲解 工作原理 (1-62) 放大电路的目的是将微弱的 变化信号不失真的 放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大 电路。 电压放大电路可以用有输入口和输出口的四 端网络表示，如图： ui uo Au (1-63) 放大元件 iC= iB， 工作在放大区， 要保证集电结反 偏，发射结正偏。 ui uo 输入 输出 参考点 RB +EC EB RC C1 C2 T A 基本放大电路的组成 (1-64) 作用： 使发射 结正偏，并提 供适当的静态 工作点。 基极电源与 基极电阻 RB +EC EB RC C1 C2 T (1-65) 集电极电源， 为电路提供能 量。并保证集 电结反偏。 RB +EC EB RC C1 C2 T (1-66) 集电极电阻， 将变化的电流 转变为变化的 电压。 RB +EC EB RC C1 C2 T (1-67) 耦合电容： 电解电容，有极性。 大小为 10F50F 作用： 隔离输 入输出与电路 直流的联系， 同时能使信号 顺利输入输出。 RB +EC EB RC C1 C2 T (1-68) 可以省去 电路改进：采用单电源供电 RB +EC EB RC C1 C2 T (1-69) 单电源供电电路 +EC RC C1 C2 T RB (1-70) 符号规定 UA 大写字母、大写下标，表示直流量。 uA 小写字母、大写下标，表示交直流量。 ua 小写字母、小写下标，表示交流分量。 uA ua 交直流量 交流分量 t UA直流分量 (1-71) B 放大电路的分析方法 放大 电路 分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 (1-72) 直流通路和交流通路 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直 流上附加了小的交流信号。 但是，电容对交、直流的作用不同。如果电 容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即 对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交 直流所走的通道是不同的。 交流通路： 只考虑交流信号的分电路。 直流通路： 只考虑直流信号的分电路。 信号的不同分量可以分别在不同的通路分析。 a 静态分析 (1-73) 例： 对直流信号（只有 +EC） 开路 开路 RB +EC RC C1 C2 T 直流通道 RB +EC RC (1-74) 对交流信号 (输入信号 ui) 短路 短路 置零 R B +EC RC C1 C2 T RB RC RL ui uo 交流通路 (1-75) ui=0时 由于电源的 存在 IB0 IC0 IBQ ICQ IEQ=IBQ+ICQ 静态工作点 RB +EC RC C1 C2 T (1-76) IBQ ICQ UBEQ UCEQ ( ICQ,UCEQ ) (IBQ,UBEQ) RB +EC RC C1 C2 T (1-77) (IBQ,UBEQ) 和 ( ICQ,UCEQ )分别对应于输入输 出特性曲线上的一个点称为静态工作点。 IB UBE Q IBQ UBEQ IC UCE Q UCEQ ICQ (1-78) （ 1） 估算法 （ 1）根据直流通道估算 IB IB UBE B BEC B R UEI B C R E 7.0 B C R E RB称为 偏置电阻 ， IB称为 偏 置电流 。 +EC 直流通道 RB RC (1-79) （ 2）根据直流通道估算 UCE、 IB IC UCE C E OBC III CCCCE RIEU BI 直流通道 RB RC (1-80) 直流负载线 IC UCE 1. 三极管的输出特性。 2. UCE=ECICRC 。 IC UCE EC C C R E Q 直流 负载线 与输出 特性的 交点就 是 Q点 IB 直流通道 RB +EC RC （ 2） 图解法 (1-81) 先估算 IB ，然后在输出特性曲线上作出直 流负载线，与 IB 对应的输出特性曲线与直流负 载线的交点就是 Q点。 IC UCE B BEC B R UE I Q C C R E EC (1-82) 例： 用估算法计算静态工作点。 已知： EC=12V， RC=4k， RB=300k， =37.5。 解： A40mA04.0 300 12 B C B R EI mA51040537 .III BBC V645.112 CCCCCE RIUU 请注意电路中 IB 和 IC 的数量级。 (1-83) b 动态分析 iB uBE 从输入回路看 当信号很小时，将 输入特性在小范围内近似线性。 uBE iB b be B BE be i u i u r 对输入的小交流信号而言， 三极管相当于电阻 rbe。 )(I )(26)1()(200r E be mA mV rbe从几百欧到几千欧。 对于小功率三极管： （ 1）三极管的微变等效 电路 (1-84) 从输出回路看 iC uCE )iI(iIi bBcCC bB iI 所以： bc ii (1) 输出端相当于一个受 ib 控制 的电流源。 近似平行 (2) 考虑 uCE对 iC的影响，输出 端还要并联一个大电阻 rce。 rce的含义 iC uCE c ce C CE ce i u i u r (1-85) ube ib uce ic ube uce ic rce很大， 一般忽略。 rbe ib ib rce rbe ib ib b c e c b e 三极管的微变等效电路 微变等效电路 (1-86) （ 2） 放大电路的微变等效电 路 将交流通道中的三极管用微变等效电路代替 : 交流通路 RB RC RL ui uo ui rbe ib ib ii ic uo RB RC RL (1-87) 电压放大倍数的计算 bebi rIU Lbo RIU be L u r R A LCL RRR / 特点： 负载电阻越小，放大倍数越小。 rbe RB RC RL iU iI bI cI oU bI (1-88) 输入电阻的计算 对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电 路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。 输入电阻的定义： i i i I Ur 是动态电阻。 rbe RB RC RL iU iI bI cI oU bI beB r/R ber i i i I U r 电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小， 因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。 (1-89) 输出电阻的计算 对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以 将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的内阻就 是输出电阻。 计算输出电阻的方法： 所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。 (1-90) C o o o R I U r 所以： 求输出电阻： oU rbe RB RC iI bI cI bI 0 0 oI (1-91) IB UBE Q IC UCE ib t ib t ic t ui t （ 3） 图解法 (1-92) uCE的变化沿一 条直线 IC UCE ic t uce t (1-93) 交流负载线 i c Lce c Ru i 1 其中： CLL RRR / uce RB RC RL ui uo 交流通路 (1-94) iC 和 uCE是交直流量，与交流量 ic和 uce有如下关系 Cc ii CEce uu 所以： LCE C Ru i 1 即：交流信号的变化沿着斜率为： LR 1 的直线。 这条直线通过 Q点，称为 交流负载线 。 (1-95) 交流负载线的作法 IC UCE EC C C R E Q I B 过 Q点作一条直线，斜率为： LR 1 交流负载线 (1-96) 各点波形 RB +EC RC C1 C2 ui t iB t iC t uC t uo t ui iC uC uo iB (1-97) 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 。 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，则造成非线性失真。 下面将分析失真的原因。为简化分析，假设负载为 空载 (RL=)。 (1-98) iC uCE uo 可输出的 最大不失 真信号 选择静态工作点 ib (1-99) iC uCE uo 1. Q点过低，信号进入截止区 放大电路产生 截止失真 输出波形 输入波形 ib ib失真 (1-100) iC uCE 2. Q点过高，信号进入饱和区 放大电路产生 饱和失真 ib 输入波 形 uo 输出波形 (1-101) 实现放大的条件 1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结 反偏。 2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。 4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电 极电压，经电容滤波只输出交流信号。 (1-102) 如何判断一个电路是否能实现放大？ 3. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结 反偏。 4. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来 判断；如果未给定电路的参数，则假定参数设 置正确 。 1. 信号能否输入到放大电路中。 2. 信号能否输出。 与实现放大的条件相对应，判断的过程如下： (1-103) 集成电路 : 将整个电路的各个元件做在同一个半导 体基片上。 集成电路的优点： 工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小。 集成电路的分类： 模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路； 7.3.3 集成运算放大器 (1-104) 集成电路内部结构的特点 1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方 向一致，温度均一性好。 2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到 20千 欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代 替或外接。 3. 几十 pF 以下的小电容用 PN结的结电容构成、 大电容要外接。 4. 二极管一般用三极管的发射结构成。 (1-105) UEE +UCC u+ uo u 反相 输入端 同相 输入端 T3 T4 T5 T1 T2 IS 原理框图 输 入 级 中 间 级 输 出 级 与 uo反相 与 uo同相 (1-106) 对输入级的要求： 尽量减小零点漂移 ,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。 对中间级的要求： 足够大的电压放大倍数。 对输出级的要求： 主要提高带负载能力，给出足 够的输出电流 io 。即输出阻抗 ro小。 集成运放的结构 （ 1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二 级一般采用差动放大器。 （ 2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减 小输入电流，增加输入电阻。 （ 3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行 功率放大，提高带负载的能力。 (1-107) ri 大 : 几十 k 几百 k 运放的特点 KCMRR 很大 ro 小：几十 几百 A uo很大 : 104 107 理想运放： ri KCMRR ro 0 Auo 运放符号： u u+ uo u u+ uo Auo A 运算放大器的图形符号 (1-108) 一、开环电压放大倍数 Auo 无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在 105 107之间。理想运放的 Auo为 。 二、共模抑制比 KCMMR 常用分贝作单位，一般 100dB以上。 B 主要参数 (1-109) ui uo +UOM -UOM Auo越大，运放的线性范围越小，必须 在 输出与输入 之间 加负反馈 才能使其扩大输入信号的线性范围。 ui uo _ + + Auo CoOM EuU m a x 例：若 UOM=12V， Auo=106， 则 |ui| UR时 , uo = +Uom 当 ui UR时 , uo = -Uom 1、 ui从同相端输入 (1-137) + + u o ui UR uo ui 0 +Uom -Uom UR 当 ui UR时 , uo = -Uom 2、 ui从反相端输入 (1-138) uo ui 0 +UOM -UOM + + u o ui 3、过零比较器 : (UR =0时 ) + + u o u i uo ui 0 +UOM -UOM (1-139) + + u o ui t ui 例： 利用电压比较器将正 弦波变为方波。 uo t +Uom -Uom (1-140) + + ui uo ui 0 +UZ -UZ 电路改进： 用稳压管稳定输出电压。 + + ui uo UZ R R uo UZ 电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在 负反馈回路上 (1-141) 分析 1. 因为有正反馈，所以 输出饱和。 2. 当 uo正饱和时 (uo =+UOM) ： U + Hom UURR RU 21 1 3. 当 uo负饱和时 (uo =UOM) ： Lom UURR RU 21 1 + + uo R R2 R1 ui 参考电压由 输出电压决定 特点： 电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。 4.迟滞比较器 (1-142) omH URR RU 21 1 omL URR RU 21 1 分别称 UH和 UL上下门限电压 。称 (UH - UL)为 回差 。 当 ui 增加到 UH时，输出 由 Uom跳变到 -Uom； + + uo R R2 R1 ui 当 ui 减小到 UL时，输出 由 -Uom跳变到 Uom 。 传输特性： uo ui 0 Uom -Uom UH UL 小于回差的干扰不会引起 跳转。 跳转时，正反馈加 速跳转。 (1-143) t ui Uom -Uom t ui UH UL 例： 迟滞比较器的输入 为正弦波时，画出 输出的波形。 + + uo R R2 R1 ui (1-144) 1.电路结构 ZURR RU f1 1 T ZURR RU f1 1 T 上下限 : b 矩形波发生器 u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C (1-145) 2.工作原理： (1) 设 uo = + UZ , 此时， uO给 C 充电 , uc ， 则： u+=UT+ 0 t uo +UZ -UZ uc UT+ 0 t 一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , uo 立即由 UZ变成 UZ 。 在 uc UT+ 时， u- 0 、 UGK0时 T1导通 ib1 = i g iC1 = ig = ib2 ic2 =ib2 = ig = ib1 T2导通 形成正反馈 晶闸管迅速导通； T1进一步导通 (1-155) 晶闸管开始工作时 ， UAK加反向电压， 或不加触发信号（即 UGK = 0 ）； 晶闸管导通后， UGK， 去掉 依靠正反馈， 晶闸管仍维持导通状态； 晶闸管截止的条件： （ 1） （ 2） 晶闸管正向导通后，令其截止，必须 减小 UAK，或加大回路电阻，使晶闸管 中电流的正反馈效应不能维持。 (1-156) 1.晶闸管具有单向导电性 （正向导通条件： A、 K间加正向电压， G、 K间加触发信号）； 2.晶闸管一旦导通，控制极失去作用 若使其关断，必须降低 UAK或加大回路电 阻，把阳极电流减小到维持电流以下。 结论 (1-157) 伏安特性 U I URS M UDS M URRM IH UDRM IF IG1=0A IG2 IG3 IG3 IG2 IG1 正向 反向 (1-158) UDRM： 断态重复峰值电压 。（晶闸管耐压值。 一 般取 UDRM = 80% UDSM 。普通晶闸管 UDRM 为 100V-3000V） URRM：反向重复峰值电压 。（控制极断路时， 可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取 URRM = 80% URSM。普通晶 闸管 URRM为 100V-3000V） ITAV： 通态平均电流 。（环境温度为 40OC时 ,在 电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电 角不小于 170o的电路中，晶闸管允许的 最大通态平均电流。普通晶闸管 ITAV 为 1A-1000A。） C 主要参数 (1-159) IH： 维持电流。 (在室温下，控制极开路、晶闸管 被触发导通后，维持导通状态所必须的最 小电流。一般为几十到一百多毫安。） UG、 IG：控制极触发电压和电流。 （在室温下， 阳极电压为直流 6V时，使晶闸管完全导通 所必须的最小控制极直流电压、电流 。一 般 UG为 1到 5V， IG为几十到几百毫安。） (1-160) 电子技术 第 7章 结束 模拟电路部分