基本放大电路课件

第二章半导体晶体管及其基本放大电路将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。2.1半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型常见二极管外形二极管=PN结+管壳+引线结构NP符号阳极+阴极-1、点接触型二极管PN结面积小，结电容小，通过信号频率高适用于高频电路和小功率电路N型锗正极引线负极引线外壳金属触丝2、面接触型二极管PN结结面积大，流过的电流较大，通过信号频率低，适用于工频大电流整流电路。负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座3、平面型二极管用于集成电路制造工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅硅：0.5V锗：0.1V1、正向特性导通压降反向饱和电流2、反向特性死区电压iu0击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅:０.６～０.８V锗:0.１～0.3V2.1.2半导体二极管的伏安特性2.1.3温度对二极管伏安特性的影响二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高１℃,正向压降减小２～２.５ｍV；温度每升高１０℃,反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。2.1.4半导体二极管的主要参数与型号为了描述二极管的性能，常引用以下几个主要参数：（1）最大整流电流IF：IF是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关，若超过此值，则将因温升过高而烧坏。（2）反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM:二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。用UBR表示。二极管工作时允许外加的最大反向电压称为URM。为安全考虑，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。（3）反向电流IR：反向电流是在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。（4）在规定的正向电流下，二极管的正向电压降称为正向压降，用UF表示。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。（5）动态电阻rd：二极管在其工作点处的电压微变量与电流微变量之比，即求动态电阻iuIUrddd(6)半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。分类1)发光二极管发光二极管和普通二极管一样是由一个PN结组成的，它具有单向导电的特性。常见发光二极管有砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）和磷砷化镓（GaAsP）发光二极管，特点及用途：耗电低，可直接用集成电路或双极型电路推动发光，可选用作为家用电器和其他电子设备的通断指示或数指显示。红外发光二极管可选用作光电控制电路的光源。2）稳压二极管稳压二极管一般用在稳压电源中作为基准电压源或用在过电压保护电路中作为保护二极管。选用的稳压二极管，应满足电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳定电压值应与电路的基准电压值相同，稳压二极管的最大稳定电流要高于应用电路的最大负载电流50%左右。用途：在电气设备和其他无线电电子设备的稳压电路中可选用硅稳压二极管，如收录机、彩色电视机的稳压电路。3)整流二极管在整流电路中，要选用整流二极管，一般为平面型硅二极管。在选用整流二极管时，主要应考虑最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率以及反向恢复时间等参数。4）开关二极管开关二极管是利用PN结的单向导电性，使其成为一个较理想的电子开关，在电路中对电流进行控制，来实现对电路开和关的控制。开关二极管常用于开关电路、限幅电路、检波电路、高频脉冲整流电路等。开关二极管多以玻璃和陶瓷封装，硅开关二极管的开关时间比锗开关管短，只有几个nS。6)变容二极管变容二极管是专门作为“压控可变电容器”的特殊二极管，它有很宽的容量变化范围，很高的Q值。变容二极管多用面接触型和平面型结构，它适用于电视机的电子调谐电路以及调频收音机的AFC电路。5）检波二极管检波二极管在电子电路中用来把调制在高频电磁波上的低频信号（如音频信号）检出来。一般高频检波电路选用锗点接触型检波二极管，它的结电容小，反向电流小，工作频率高。1.2.5半导体二极管的模型与应用二极管的伏安特性具有非线性，这给二极管应用电路的分析带来一定的困难。为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管的特性，并取代电路中的二极管。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。也称为等效模型。(a)理想模型(b)恒压降模型(c)折线模型一、半导体二极管的模型0iuiu+_正偏反偏0iUonuiu+_正偏反偏Uon0iUon正偏反偏rDUonrDiu+_(a)(b)(c)例：IR10VE1kΩ)1(eTSUuIiD—非线性器件iu0iuRLC—线性器件Riu二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型DUuDUuUD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型ui正偏反偏-+iu导通压降二极管的V—A特性-+iuiu0二、半导体二极管的应用1、二极管的静态工作情况分析例2.1:二极管的电路如图2-7所示，分别求下面两种情况下电路的ID和UD。（1）当UDD=10V，R=10kΩ；（2）当UDD=1V时，R=10kΩ。其中，恒压模型中的Uon=0.7V，折线模型中的rd=0.2kΩ。iDUDDRUD+_iDUDDR+_UoniDUDDR+_UonrdUDUDmA1mA1010V0DDDDRUIUmA93.0mA107.010V7.0DDDDDRUUIUV88.0V)91.02.07.0(mA91.0mA2.0107.010DdonDdonDDDIrUUrRUUImA1.0mA101DDDRUImA03.0mA107.01DDDDRUUImA029.0mA2.0107.01donDDDrRUUI解：(1)UDD=10V①使用理想模型得②使用恒压降模型得③使用折线模型得(2)UDD=1V①使用理想模型得UD=0V②使用恒压降模型得UD=0.7V③使用折线模型得UD=Uon+rdID=(0.7+0.2×0.029)V=0.71V2、限幅电路例2.2:二极管组成的限幅电路如图所示，R=1kΩ，E=2V，二极管的导通电压Uon=0.7V。(1)利用二极管的恒压模型分别求ui=0V、6V时，输出电压uo的值；(2)当ui=5sinωtV时，画出对应的输出电压uo的波形。解：(1)当ui=0V时，二极管截止，所以uo=ui=0V。当ui=6V时，二极管导通，所以uo=(2+0.7)V=2.7V。(2)当ui＞(E+Uon)=2.7时，二极管导通，所以uo=2.7V。当ui＜(E+Uon)=2.7时，二极管截止，二极管支路开路，所以uo=ui=5sinωtV3、开关电路例2.3:二极管组成的开关电路如图所示。如果二极管是理想的二极管，R=4kΩ，E=3V，求当u1和u2为0V或3V时，输出电压uo的值。解：(1)当u1=0V、u2=3V时，D1为正向偏置，uo=0V，此时D2的阴极电位为3V，阳极电位为0V，处于反向偏置，因此D2截止。(2)以此类推，可以得出其它三种不同组合以及输出电压的值，将其列于表中。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作为逻辑0，则输入电压与输出电压的关系如图所示。1.2.6特殊二极管稳压二极管有着与普通二极管相似的伏安特性，如图所示，其正向特性为指数曲线。反向特性与普通二极管的反向特性基本相同，区别在于击穿后，特性曲线要更加陡。一、稳压二极管1、伏安特性曲线2.稳压二极管的主要参数(1)稳定电压Uz:是指击穿后在规定电流下稳压管的反向击穿电压值。(2)稳定电流Iz：是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。若工作电流低于此值时稳压效果差，甚至根本不稳压，故也常将Iz记做Izmin。(3)额定功耗Pzm：等于稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流Izmax的乘积。它决定稳压管允许的升温。(4)动态电阻rz：是稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比。(5)温度系数α：α表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即α=△UZ/△T。具有单向导电性，当有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，它的电特性与一般二极管类似。但是开启电压比普通二极管的大。二、发光二极管三.光电二极管在无光照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。有光照时，特性曲线下移，它们分布在第三，四象限内。随着光照强度增大，反向饱和电流也增加。四.变容二极管PN结加反向电压时，PN结上呈现势垒电容，它将随着反向电压的增加而减小，利用这一特性作成的二极管，称为变容二极管。2.2晶体三极管及其基本放大电路晶体三极管，也叫半导体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管。2.2.2晶体管的结构、类型与三种连接方式根据不同的参杂方式在同一硅片上制造出三个参杂区域，并形成两个PN结,就构成了晶体管,采用平面工艺制成的NPN型硅材料晶体管的结构如图所示。ebc几百微米几微米NPNNPN型PNP型符号:三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极晶体管在电路中的三种基本联接方式bec输入端T输出端bec输入端T输出端bec输入端T输出端2.2.2晶体管的工作状态及电流放大作用、伏安特性曲线放大是对模拟信号最基本的处理。△uI为输入电压信号,它接入基极-发射极回路,称为输入回路;放大后的信号在集电极-发射极回路,称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端,故称电路为共射放大电路。因为晶体管工作在放大的状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。一、晶体管的工作状态及电流放大作用1、晶体管的工作状态1）、发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流IE由于发射结加正向电压，有因为发射区杂质浓度高，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区，形成的电流为IEN。同时，空穴从基区向发射区扩散，形成电流IEP。扩散运动形成了发射极电流IE=IEN+IEP。2）、扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB由于基区很薄，杂质浓度很低，集电结又加了反向电压，所以扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，其余部分均作为基区的非平衡少子达到集电结。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBI2、晶体管的电流放大作用由于集电极加反向电压且结面积较大，基区的非平衡少子在外电场作用下越过集电结到达集电区，形成漂移电流ICN。同时，集电区与基区的平衡少子也参与漂移运动，形成电流为ICBO。在集电极电源VCC的作用下，漂移运动形成集电极电流IC。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI3）、集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流ICCBOCNCIII4）、晶体管的电流分配关系从外部看BCEIII5）、晶体管的共射电流放大系数共射直流电流放大系数整理可得而电流的外部分配关系所以对于共射极电路，研究其放大过程主要是分析集电极电流（输出电流）与基极电流（输入电流）之间的关系。BCII__基区复合的电流扩散到集电区的电流_BCII_BCEIIIBBBBCEIIIIII)1(__二、晶体管的伏安特性曲线晶体管的伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与电压之间关系的曲线，包括输入特性和输出特性曲线。输入特性曲线：常数CEUBEB