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电子电路基础课件.ppt

电子电路基础课件

黑耀宝石
2019-03-31 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电子电路基础课件ppt》,可适用于工程科技领域

走信息路读北邮书北京邮电大学出版社wwwbuptpresscom电子电路基础林家儒编著目录第一章半导体器件基础第二章放大电路分析基础第三章放大电路的频率特性分析第四章场效应管放大电路特性分析第五章负反馈放大电路第六章功率放大电路第七章差动放大电路第八章运算放大器和电压比较器第九章正弦波振荡器第十章直流电源第一章半导体器件基础半导体及其特性PN结及其特性半导体二极管半导体三极管及其工作原理三极管的共射特性曲线及主要参数半导体及其特性本征半导体及其特性定义:纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体称为本征半导体。晶体中的共价键具有很强的结合力在常温下仅有极少数的价电子受热激发得到足够的能量挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时在共价键中留下一个空穴。半导体及其特性运载电流的粒子称为载流子。在本征半导体中自由电子和空穴都是载流子这是半导体导电的特殊性质。半导体在受热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的并且自由电子与空穴的浓度相等。半导体及其特性杂质半导体及其特性定义:掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质元素的不同可形成N(Negative)型半导体和P(Positive)型半导体。半导体及其特性N型半导体:在本征半导体中掺入少量的五价元素如磷、砷和钨使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置形成N型半导体。由于五价元素很容易贡献出一个电子称之为施主杂质。半导体及其特性在N型半导体中由于掺入了五价元素自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导体中导电以电子为主故自由电子为多数流子简称为多子空穴为少数载流子简称为少子。由于杂质原子可以供电子故称之为施主原子。半导体及其特性P型半导体:在本征半导体中掺入少量的三价元素如硼、铝和铟使之取代一个四价元素在晶体中的位置形成P型半导体。由于杂质原子中的空位吸收电子故称之为受主杂质。在P型半导体中空穴为多子自由电子为少子主要靠空穴导电。PN结及其特性PN结的原理采用不同的掺杂工艺将P型半导体与N型半导体制作在一起使这两种杂质半导体在接触处保持晶格连续在它们的交界面就形成PN结。PN结及其特性在PN结中由于P区的空穴浓度远远高于N区P区的空穴越过交界面向N区移动同时N区的自由电子浓度也远远高于P区N区的电子越过交界面向P区移动在半导体物理中将这种移动称作扩散运动PN结及其特性扩散到P区的自由电子与空穴复合而扩散到N区的空穴与自由电子复合在PN结的交界面附近多子的浓度下降P区出现负离子区N区出现正离子区它们是不能移动的人们称此正负电荷区域为势垒区总的电位差称为势垒高度PN结及其特性在势垒区两侧半导体中的少数载流子由于杂乱无章的运动而进入势垒区时势垒区的电场使这些少子作定向运动。少子在电场作用下的定向运动称作漂移运动。在无外电场和无其它激发作用下参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目从而达到动态平衡。PN结及其特性PN结的导电特性PN结外加正向电压时处于导通状态PN结外加反向电压时处于截止状态半导体二极管将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区引出的电极为正极由N区引出的电极为负极一般来说有三种方法来定量地分析一个电子器件的特性即特性曲线图示法、解析式表示法和参数表示法半导体二极管二极管的特性曲线在二极管加有反向电压当电压值较小时电流极小其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过超过某个值时电流开始急剧增大称之为反向击穿称此电压为二极管的反向击穿电压用符号UER表示。半导体二极管反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下因势垒区宽度很小反向电压较大时破坏了势垒区内共价键结构使价电子脱离共价键束缚产生电子空穴对致使电流急剧增大这种击穿称为齐纳击穿。另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时外加电场使少子漂移速度加快从而与共价键中的价电子相碰撞把价电子撞出共价键产生新的电子mdash空穴对。新产生的电子空穴被电场加速后又撞出其它价电子载流子雪崩式地增加致使电流急剧增加这种击穿称为雪崩击穿。二极管特性的解析式理论分析得到二极管的伏安特性表达式为:式中IS为反向饱和电流q为电子的电量其值为times库仑k是为玻耳兹曼常数其值为timesJKT为绝对温度在常温(C)相当于K=K令则二极管的伏安特性表达式为:二极管的等效电阻直流等效电阻也称静态等效电阻。如图所示在二极管的两端加直流电压UQ、产生直流电流IQ此时直流等效电阻RD定义为交流等效电阻表示在二极管直流工作点确定后交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点Q一定在二极管加有交流电压u产生交流电流i交流等效电阻rD定义为二极管的等效电阻当二极管上的直流电压UD足够大时在常温情况下二极管在直流工作点Q的交流等效电阻rD为二极管的等效电阻图(a)中的Q点称为二极管的直流工作点对应的直流电压UQ和直流电流IQ。当二极管的直流工作点Q确定后直流等效电阻RD等于直线OQ斜率的倒数RD值随工作点改变而发生变化二极管的主要参数器件的参数是用以说明器件特性的数据。为了描述二极管的性能通常引用以下几个主要参数:()最大整流电流IM:IM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。在规定散热条件下二极管正向平均电流若超过此值则将因为PN结的温度过高而烧坏。()反向击穿电压UBR:UBR是二极管反向电流明显增大超过某个规定值时的反向电压。()反向电流IS:IS是二极管未击穿时的反向饱和电流。IS愈小二极管的单向导电性愈好IS对温度非常敏感。()最高工作频率fM:fM是二极管工作的上限频率。例图(a)是由理想二极管D组成的电路理想二极管是指二极管的导通电压UD为、反向击穿电压UBR为设电路的输入电压ui如图(b)所示试画出输出uo的波形解:由二极管的单向导电特性输入信号正半周时二极管导通负半周截止故输出uo的波形如右图所示。稳压二极管稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管简称稳压管。稳压管在反向击穿时在一定的电流范围内(或者说在一定的功率损耗范围内)端电压几乎不变表现出稳压特性因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。稳压管的伏安特性及符号稳压二极管稳压管的主要参数:()稳定电压UZ:UZ是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。()稳定电流IZ:IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流电流低于此值时稳压效果变坏甚至不稳压。()最大稳定电流IZM|:稳压管的电流超过此值时会因结温升过高而损坏。()动态电阻rD:rD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。rD愈小稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子rD将不同从几欧到几十欧。对于同一只管子来说工作电流愈大rD愈小。例图是由稳压二极管DZ组成的电路其稳压值为UZ。设电路的直流输入电压Ui试讨论输出Uo的值。解:由戴维南电源等效定理图等效的等效定理如右图所示其中当时稳压管稳压输出当时稳压管截止输出。所以时输出否则。半导体三极管及其工作原理三极管的结构及符号三极管的结构及符号发射区与基区间的PN结称为发射结(简称E结)基区与集电区间的PN结称为集电结(简称C结)。半导体三极管并不是简单地将两个PN结背靠背地连接起来。关键在于两个PN结连接处的半导体晶体要保持连续性并且中间的基区面积很小且杂质浓度非常低此外发射区的掺杂浓度很高且面积比基区大得多但比集电区小集电区面积很大掺杂浓度比基区高得多但比发射区低得多。三极管的电流放大原理放大电路的组成图所示的是由NPN型三极管组成的基本共射放大电路。ui为交流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该电路为共射放大电路。为了使三极管工作处在放大状态在输入回路加基极直流电源VBB在输出回路加集电极直流电源VCC且VCC大于VBB使发射结正向偏置、集电结反向偏置。PNP型三极管组成的基本共射放大电路如图所示。比较图和图可以看到为了使三极管工作处在放大状态要求发射结正向偏置、集电结反向偏置为此在图中在输入回路所加基极直流电源VBB及输出回路所加集电极直流电源VCC反向了相应的直流电流IB、IC和IE也都反向了这也是NPN型和PNP型三极管符号中发射极指示方向不同的含义所在。对于交流信号这两种电路没有任何区别三极管的电流放大原理电流放大原理三极管的电流放大表现为小的基极电流变化引起较大的集电极电流变化。当交流输入电压信号ui时直流电源VBB和VCC分别作用于放大电路的输入回路和输出回路使发射结正向偏置、集电结反向偏置。因为发射结加正向电压并且大于发射结的开启电压使发射结的势垒变窄又因为发射区杂质浓度高所以有大量自由电子因扩散运动源源不断地越过发射结到达基区从而形成了发射极电流IE。由于基区面积很小且掺杂浓度很低从发射区扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合形成基极电流IB由此可见IBIE。绝大部分从发射区扩散到基区的电子在电源VCC的作用下克服集电结的阻力越过集电结到达集电区形成集电极电流IC。因此IBICIE。通过上面的分析得到在输入回路中输入较小的电流IB可以在输出回路得到较大的电流IC也就是说电流放大了。当交流输入ui为小信号时因为此时交流信号是叠加在直流上如图(b)所示在输入回路产生直流电流IB与交流电流iB之和由上面的分析在输出回路得到直流电流IC与交流电流iC之和同时交流电流iBiC即交流电流放大了。三极管的工作状态放大状态在上面一部分中分析了三极管的放大原理。为了使三极管有放大能力在输入回路加基极直流电源VBB在输出回路加集电极直流电源VCC且VCC大于VBB使发射结正向偏置、集电结反向偏置。此时称三极管处于放大状态条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。饱和状态如果输出回路的集电极直流电源VCC小于输入回路的基极直流电源VBB则发射结和集电结都是正向偏置。由于发射结和集电结都是正向偏置在开始发射结和集电结上的势垒都变窄使发射区和集电区的自由电子同时涌入基区但是由于基区面积很小且掺杂浓度很低涌入到基区的电子中只有极少部分与空穴复合形成基极电流IB绝大部分扩散到基区的电子堆积在发射结和集电结附近使发射结和集电结上的势垒加宽阻止了发射区和集电区的自由电子进一步扩散到基区由此可见此时三极管没有放大能力。此种状态称三极管处于饱和状态条件是发射结和集电结都是正向偏置。截止状态如果在输入回路的基极直流电源VBB小于发射结的开启电压则发射结处于零偏置或反偏置。由于外加电压没有达到发射结的开启电压使发射区的自由电子不能越过发射结达到基区不能形成电流从而发射极、集电极和基极的电流都很小也就谈不上放大了。此时称三极管处于截止状态条件是发射结零偏置或反偏置、集电结反向偏置。三极管的电流放大倍数集电极直流电流IC与基极直流电流IB之比称为共射直流电流放大倍数用表示由电路分析中相关定律得到、发射极直流电流集电极交流电流iC与基极交流电流iB之比称为共射交流电流放大倍数用表示一般情况下当以发射极直流电流IE作为输入电流以集电极直流电流IC作为输出电流时IC与IE之比称为共基直流电流放大倍数用表示共基交流电流放大倍数定义为同样一般情况下和的关系为或三极管的共射特性曲线及主要参数输入特性曲线输入特性曲线描述了在三极管C、E极之间的管压降UCE一定的情况下基极电流IB与发射结压降UBE之间的关系。三极管的共射特性曲线及主要参数输出特性曲线三极管输出特性曲线是描述以基极电流IB为参量集电极电流IC与三极管C、E极之间的管压降UCE之间的关系曲线。对于每一个确定的IB都有一条曲线所以输出特性是一族曲线从输出特性曲线可以看出三极管有三个工作区域:放大区、饱和区、截止区分别对对应于三极管所设定的三个工作状态:即放大状态、饱和状态和截止状态。在放大区由于发射结正向偏置且集电结反向偏置IC几乎仅仅由IB决定的而与UCE无关表现出IB对IC的控制作用IC=IBic=betaiB。在饱和区发射结与集电结均处于正向偏置IC不仅与IB有关而且明显的随UCE增大而增大IC小于betaIB。在实际电路中若三极管的UCE增大时IB随之增大但IC增大不多或基本不变则说明三极管进入饱和区。对于小功率管可以认为当UCE=UBE时三极管处于临界状态即处于临界饱和或临界放大状态。在截止区发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置所以IB=IC很小在近似分析中可以认为三极管截止时的IC。三极管的主要参数(一)直流参数共射直流电流放大倍数共基直流电流放大倍数(二)交流参数共射交流电流放大倍数共基交流电流放大倍数特征频率fT三极管的主要参数(三)极限参数为了使三极管能够安全的工作极限参数给出了对它的电压、电流和功率损耗的限制值。最大集电极耗散功率PCMPCM是在一定条件下三极管允许的最大功耗。最大集电极电流ICMIC在相当大的范围内电流放大倍数值基本不变但当IC的数值大到一定程度时值将减小。使值明显减小的IC即为ICM。通常当三极管的IC大于ICM时三极管不一定损坏但值明显下降。此外由于半导体材料的热敏性三极管的参数几乎都与温度有关。对于电子电路如果不能很好地解决温度稳定性问题将不能使其实用因此在设计和制作电子电路过程中还应考虑温度对三极管参数的影响。第二章放大电路分析基础共射放大电路分析基础放大电路的图解分析放大电路的等效电路分析共集放大电路共基放大电路共射放大电路分析基础放大的概念在电子学中放大是利用半导体器件的特性来完成的例如在第一章中半导体三极管具有放大特性即在三极管基极输入较小的电流(或电压)在集电极可以获得较大电流(或电压)。在电子学中用半导体器件组成的、具有电流或电压(或者两者兼而有之)放大功能的电路称之为放大电路或称放大器。基本共射放大电路的组成由于输入回路与输出回路以发射极为公共端故称之为共射放大电路。静态特性分析静态工作点的确定在放大电路中当有交流信号输入时交流量与直流量共存当交流信号为零时三极管的基极电流IB、集电极电流IC、BE极间的电压UBE、CE极间的管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q(Quiescent)将这几个物理量分别记作IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。在近似估算中通常认为UBEQ为已知量取三极管发射结的导通电压静态特性分析令ui根据回路方程得到静态工作点表达式静态工作点在三极管输出特性曲线中所对应的点如图所示静态特性分析设置静态工作点的必要性在图所示电路中如果基极电源VBB=静态时基极直流电流IBQ=、集电极直流电流ICQ=、CE极间的管压降UCEQ=Vcc三极管处于截止状态。当加入输入电压ui时UBE=ui若ui的峰值小于发射结的开启电压则在交流信号的整个周期内三极管始终处于截止状态因而无交流输出若ui的峰值很大三极管在交流信号正半周大于发射结的开启电压的时间间隔内导通所以输出必然严重失真。因此只有在交流信号的整个周期内三极管始终工作在放大状态输出信号才可能不会产生失真对于图所示的放大电路来说放大才有意义。所以在线性放大电路中设置合适的静态工作点以保证放大电路不产生失真是非常必要的。两种基本共射放大电路直接耦合共射放大电路该电路的静态工作点表达式信号源uS和负载电阻RL均与放大电路直接相连故称之为直接藕合放大电路。阻容藕合共射放大电路该电路的静态工作点表达式直流通路与交流通路直流通路直流通路是指在直流电源所能作用到的那部分电路也就是与电路静态特性有关的电路部分。用来研究电路的静态特性、分析静态工作点。对于直流通路在电路中将电容视为开路、电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻)、交流电压信号源视为短路、交流电流信号源视为开路、保留交流信号源的内阻。直流通路与交流通路交流通路交流通路是指放大电路中对交流特性有直接影响的那部分电路用于研究放大电路的动态交流特性。对于交流通路在电路中将电容(如耦合电容等)视为短路、无内阻的直流电压源(如VCC)视为短路、直流恒流源视为开路。放大电路的图解分析静态工作特性的分析如图所示共射放大电路其中(a)为基本电路、(b)为直流通路、(c)为交流通路。在上图(b)直流通路中放大电路的静态工作特性满足电路的回路方程()()式()说明三极管BE极间的电压UBE与电流IB及电源VBB和电阻Rb的关系又因为UBE与IB应满足三极管输入特性曲线的要求在输入特性坐标系中画出式()所确定的直线它与横轴的交点为VBB与纵轴的交点VBBRb斜率为Rb。直线与曲线的交点就是静态工作点Q其横坐标值为UBEQ纵坐标值为IBQ如图(a)中所示。式()所确定的直线称为输入回路负载线。与输入回路相似在放大电路的输出回路中输出特性受到式()和三极管的输出特性曲线的共同约束。在输出特性坐标系中画出式()所确定的直线它与横轴的交点为VCC与纵轴的交点为VCCRC斜率为RC并且找到IB=IBQ的那条输出特性曲线该曲线与上述直线的交点就是静态工作点Q其纵坐标值为ICQ横坐标值为UCEQ如图(b)所示。由式()所确定的直线称为输出回路直流负载线简称直流负载线。图图解法分析静态特性动态特性分析交流负载线从图(c)所示的交流通路看到由于该放大电路是阻容耦合的当电路带上负载电阻RL时输出交流电压uO是集电极交流电流iC在集电极电阻RC和负载电阻RL并联总电阻上所产生的电压即当iC确定后输出电压的大小将取决于RCRL而不仅仅是RC。在静态特性分析中得到了直流负载线。在动态特性分析中交流信号遵循的负载线称为交流负载线。与直流负载线类似交流负载线的斜率为-RCRL同时由于输入电压ui=时三极管的集电极电流为IC=ICQCE极间的管压降为UCE=UCEQ所以交流负载线必过Q点。因此交流负载线的表达式为UCE=UCEQICQRCRLICRCRL电压放大倍数当交流输入信号ui时输入回路方程为UBE=VBBuiIBRB该直线相对于输入回路负载线向右平移了ui与横坐标的交点为VBBui与纵坐标的交点为(VBBui)Rb与三极管输入特性曲线的交点表示了交流输入电流iB如图(a)所示。在三极管的输出特性曲线中找到IBiB的那条曲线如图(b)所示此曲线与交流负载线的交点为(UCEQuOICQiC)uO为交流输出电压从而得到放大电路的交流输出电压uO与输入电压ui制比即电压放大倍数Au为:输入、输出波形分析设输入电压ui为正弦波、且幅度较小若静态工作点Q选的合适三极管的输入特性曲线在Q附近可视为直线则三极管B、E间的交流电压uBE和基极电流iB也是正弦波如图(a)所示。在放大区内集电极交流电流iC与基极电流iB是倍线性关系通过交流负载线将集电极交流电流iC转变成交流输出电压uO如图(b)所示。通过上面的分析得到放大电路在输入特性近似为线性时的各处的电压、电流波形如图所示。若工作点选的过低下图和右图显示了图解法分析波形失真及放大电路各点对应波形。从图中看出由于工作点选的过低当交流输入电压较大时三极管进入了截止状态从而产生了波形失真称这种失真为截止失真。若工作点选的过高下图和右图显示了图解法分析波形失真及放大电路各点对应波形。从图中看出由于工作点选的过高当交流输入电压较大时三极管进入了饱和状态从而产生了波形失真称这种失真为饱和失真。放大电路的等效电路分析三极管的直流模型及静态工作点的估算直流模型:三极管的直流模型及静态工作点的估算静态工作点的估算在下面(b)图直流通路中如果IIB(大倍以上)三极管基极电压UB几乎不受基极电流IB的影响UB可以认为是由Rb和Rb决定的。如此忽略IB对基极电压UB的影响基极电压UB为三极管的直流模型及静态工作点的估算利用三极管的直流模型三极管发射极电压UE为发射极电流IEQ为基极电流IBQ为三极管CE间电压UCEQ为例在图(a)所示的直接耦合放大电路中三极管发射极的导通电压UD=V、beta=、输出特性曲线如图(b)VCC=VRb=kRb=kRC=k试计算其工作点、画出直流负载线、标出工作点。解:画出该放大电路的直流通路如右图所示UCEQ=VCC说明静态工作点比较合适。根据电路回路方程直流负载线满足直线方程UCE=VCC-ICtimesRC当IC=时UCE=VCC=V当UCE=时IC=VCCRC=mA所以直流负载线及工作点Q如下图所示。三极管共射h参数等效模型简化h参数等效模型及rbe的表达式简化h参数等效模型rbe的表达式当三极管处于放大状态时在Q点附近三极管的发射结可用一个电阻来等效其等效结构如图(a)所示。三极管的输入回路的等效电路如图(b)所示。动态参数分析下面以图(a)所示阻容耦合共射放大电路为例介绍利用h参数等效电路来分析放大电路的动态特性。电压放大倍数Auui=iBrbeuo=iBRCRL源电压放大倍数AS输入电阻RiRi是从放大电路输入端看进去的等效电阻输出电阻Ro首先令信号源电压uS在放大电路的输出端加电压uo产生电流iC由于输出端电压uo不能作用到输入回路所以在输入回路中iB=在输出回路中iB=由此iC=uoRC。输出电阻Ro为例如图(a)所示的基本阻容耦合放大电路设三极管发射极的导通电压UD=V、rbb=、beta=VCC=VRS=kRb=kRC=kRL=k各电容值足够大试()计算工作点、()计算电压放大倍数Au、源电压放大倍数AS、输入电阻Ri、输出电阻Ro。解:()画出该放大电路的直流如右图所示。()(k)共集放大电路电路组成静态特性分析基极电流IBQ发射极电流IEQ为三极管CE间电压UCEQ为动态特性分析电压放大倍数uo=()iBREui=iBrbeuo=iBrbe()iBRE当()RErbe时Au即uoui。电路无电压放大能力但是输出电流iE远大于输入电流iB所以电路仍有功率放大作用。输入电阻Ri输出电阻Ro共集放大电路输入电阻大、输出电阻小因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强所以常用于多级放大电路的输入级和输出级例在图(a)所示电路中VCC=VRS=kRb=kRE=k三极管的导通电压UD=Vrbb==。试计算静态工作点、Au、Ri和Ro。解:由式()~()共基放大电路电路组成:静态特性分析发射极电流IEQ为集电极电流ICQ为基极电流IBQ为三极管发射极电压UE为三极管集电极电压UC为三极管CE间电压UCEQ为动态特性分析电压放大倍数Au输入电阻Ri输出电阻Ro三种基本电路比较共射电路既有放大电流能力又有能放大电压能力输入电阻在三种电路中居中输出电阻较大频带较窄。常作为低频电压放大电路的单元电路。共集电路只能放大电流不能放大电压在三种基本电路中输入电阻最大、输出电阻最小并具有电压跟随的特点。常用于电压放大电路的输人级和输出级在功率放大电路中也常采用射极输出的形式。共基电路只能做电压放大不能放大电流输入电阻小电压放大倍数和输出电阻与共射电路相当频率特性是三种接法中最好的电路。常用于宽频带放大电路。第三章放大电路的频率特性分析第一节频率特性分析基础第二节三极管的高频等效模型第三节三极管交流放大倍数的频率特性第四节单管放大电路的频率特性频率特性分析基础低通电路传递函数为定义电路的时间常数=RC令omegaH=则的幅值和相角可表示为称fH为低通电路的上截止频率。高通电路传递函数为与低通电路相同电路的时间常数=RC令omegaL=则称fL为高通电路的下截止频率。的幅值和相角可表示为对于放大电路其上截止频率fH与下截止频率fL之差即是它的通频带Bw即波特图在研究电路的频率特性时采用对数坐标系画出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线称之为波特图。低通电路频率特性的波特图对低通电路的幅频特性表达式取以为底的对数得到:高通电路频率特性的波特图对于高通电路对数幅频特性和对数相频特性的表达式为:三极管的高频等效模型三极管的PN结电容效应及其等效高频结构PN结的势垒区对PN结以外的电路来说等效为电容称之为势垒电容。当PN结处于正向偏置时PN结两边半导体内的多子扩散作用加强即从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的电子数量增多。此时在P区和N区内将形成一定数量的瞬间空穴-电子对(如图所示)空穴-电子对的数量与外加正向电压成正比。PN结的这种特性对于外电路来说也等效为电容称之为扩散电容。PN结的等效电容特性在外加信号频率较低时作用甚微因此忽略。但在分析电路的高频特性时不容忽视。三极管的PN结电容效应及其等效高频结构PN结电容效应三极管高频等效结构共射混合模型由半导体物理的理论三极管的受控电流iC与发射结电压ube成线性关系且与信号频率无关。因此在高频混合模型中引入了一个新参数gm称为跨导。gm是一个常量表明ube对iC的控制关系iC=gmube。简化单向化混合模型将电容Cbc等效到输入和输出回路因为电容Cbc的容值很小忽略在输出回路的作用得到三极管简化的单向化混合模型CM被称为密勒电容。三极管交流放大倍数的频率特性在高频段当信号频率变化时iC与iB的关系也随之变化即交流电流放大倍数不再是常量而是频率的函数。(C=Cbe+Cbc)定义(上)截止频率:(jf)对数幅频特性和对数相频特性分别为定义fT是|(jf)|=时所对应的频率fT即为三极管的特征频率。令式()中|(jf)|=(dB)则考虑到的平方远远大于得到三极管特征频率fT的表达式为单管放大电路的频率特性中频源电压放大倍数在(b)所示的中频混合等效电路中输入电阻Ri=Rb(rbbrbe)=Rbrbe从而该电路的中频源电压放大倍数ASM为低频段频率特性该电路的低频源电压放大倍数ASL为对上式整理得到上式是一个高通特性表达式所以下截止频率fL为该放大电路的低频源电压放大倍数ASL为相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为高频段频率特性上截止频率fH为所以相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为全频段频率特性放大电路的增益带宽积具有一阶低通和一阶高通特性的放大电路的对数幅频特性如图所示。该放大电路在中频增益为A时对应的上下截止频率和通频带分别为fH、fL和BW。如果把增益降低通频带加宽。设在中频增益为A时对应的上下截止频率和通频带分别为fH、fL和BW。放大电路的增益与带宽满足一定的关系。在图中由直角三角形abc的边角关系得到整理后得到fT为放大电路的dB带宽(|A|=)同样在下截止频率时一般情况下放大电路的下截止频率很低(只有几赫兹到几十赫兹)尤其是直接耦合放大电路下截止频率为为此放大电路的通频带近似为所以:第四章场效应管放大电路特性分析第一节场效应管特性第二节场效应管的工作点设置及静态特性分析第三节场效应管的动态特性分析场效应管特性结型场效应管符号及特性符号结型场效应管有N沟道型和P沟道型之分与晶体三极管的NPN型和PNP型类似其符号分别如图(a)和(b)所示。三个极分别称为栅极用符号G(Grid)表示漏极用符号D(Drain)表示源极用符号S(Source)表示。转移特性为了使场效应管正常工作需要在场效应管栅源极之间加电压UGS(直流和交流)和在漏源极之间加电压UDS(直流和交流)由于场效应管的输入电阻非常大认为栅极电流IG=。漏极电流ID受栅源极间电压UGS控制在UGS=时ID最大随着UGS的减小(负压)ID减小。理论分析表明当漏源极间电压UGS足够大时漏极电流ID与栅源极间电压UGS呈平方关系ID=IDSO(UGSUGS(off))其中IDSO为UGS=时的漏极电流UGS(off)称为夹断电压。图(b)给出了常见结型N沟道型场效应管的转移特性曲线。输出特性图(c)给出了常见结型场效应管的输出特性曲线。在输出特性曲线中分为不饱和区、饱和区和击穿区。在不饱和区漏源极间电压UDS较小此时漏极电流ID随着UDS的增加近似线性增加。在饱和区漏源极间电压UDS足够大此时漏极电流ID随着UDS的增加而增加甚微ID主要受栅源极间电压UGS控制它们之间呈平方关系。当UDS很大时出现击穿区ID随着UDS的增加而迅猛增加。结型场效应管主要参数直流参数结型场效应管的直流参数主要有:()栅源(交流)短路电流IDSO:结型场效应管在饱和区、UGS=时的漏极电流它实际上是漏极电流ID的最大值。()夹断电压UGS(off):在饱和区结型场效应管的漏极电流ID(通常规定ID=uA)所对应的栅源间的电压值。()栅源间电阻RGS:漏源极短路时栅源极在一定条件下的等效电阻RGS可达十几兆欧。小信号交流参数结型场效应管的小信号交流参数主要有:()正向跨导gm:在饱和区固定漏极电压漏极电流iD的变化量与栅源极间电压uGS的变化量之比即。gm的大小表明了栅极电压对漏极电流的控制能力。正向跨导gm可表示为()漏源等效电阻rDS:固定栅源极间电压漏源极间的等效电阻。在不饱和区rDS较小在百欧的量级。在饱和区rDS较大在几十千欧左右。绝缘栅场效应管符号及特性符号符号绝缘栅场效应管简称MOS场效应管(MOS:MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体)由于工艺和材料上的区别有四种不同的类型:N沟道增强型和耗尽型、P沟道增强型和耗尽型其符号分别如图所示。转移特性与结型场效应管类似为了使场效应管正常工作需要在绝缘栅场效应管栅源极之间加电压UGS和在漏源极之间加电压UDS如图(a)所示。输出特性图(c)给出了常见绝缘栅N沟道增强型场效应管的输出特性曲线。与结型场效应管的输出特性曲线没有多大区别。绝缘栅场效应管符号及特性绝缘栅效应管主要参数直流参数绝缘栅场效应管的直流参数主要有:()栅源(交流)短路电流IDSX:结型场效应管在饱和区、UGS=UGSX时的漏极电流。IDSX与结型场效应管的IDSO略有区别IDSX不表示绝缘栅场效应管的漏极电流的最大值。()开启电压UGS(th):与结型场效应管的夹断电压UGS(off)相同。()栅源间电阻RGS:与结型场效应管相同。绝缘栅场效应管的RGS比结型场效应管的要大绝缘栅的RGS可达几千兆欧。小信号交流参数绝缘栅场效应管的正向跨导gm与结型的相同。漏源等效电阻rDS与结型的相同。场效应管的工作点设置及静态特性分析共源放大电路图共源放大电路图直流通路自生偏置电路由于结型和绝缘栅增强型场效应管可以工作在栅源极间电压UGS为负压状态放大电路可以自生偏置电压。场效应管的动态特性分析在小信号时有了场效应管的等效模型分析场效应管放大电路的动态特性和频率特性与前几章介绍的分析方法没有什么不同。第五章负反馈放大电路第一节反馈基本概念及判断方法第二节负反馈放大电路的特性分析第三节负反馈对放大电路性能的影响反馈基本概念及判断方法基本概念反馈的概念反馈也称回授是指在一个系统中系统的输出量的部分或全部回送到输入端用于调整输入量改变系统的运行状态的过程。引入反馈的放大电路称为反馈放大电路。引入反馈的放大电路所对应的放大倍数称为闭环放大倍数或闭环增益。没有引入反馈的放大电路所对应的放大倍数称为开环放大倍数或开环增益。图反馈放大电路组成反馈放大电路中的正、负反馈在反馈放大电路中如果反馈量Xf使基本放大电路的净输入量Xid在输入量Xi的基础上增大即Xid=Xi+Xf称电路中的反馈为正反馈同时称反馈放大电路为正反馈放大电路反之反馈量Xf使净输入量Xid在输入量Xi的基础上减小即Xid=Xi-Xf称电路中的反馈为负反馈同时称反馈放大电路为负反馈放大电路。反馈放大电路中的直流反馈和交流反馈在直流通路中存在的反馈称为直流反馈。在交流通路中存在的反馈称为交流反馈。负反馈放大电路的四种组态输入量ii、净输入量iB和反馈量if所对应的三个支路是并联关系称为(输入)并联反馈。输入量ui、净输入量uBE和反馈量uf所对应的三个支路是串联关系称为(输入)串联反馈。反馈量是随着输出电压变化而改变的输出量是电压uo称为(输出)电压反馈。反馈量是随着输出电流变化而改变的输出量是电流iE(或iC)称为(输出)电流反馈。因此在负反馈放大电路中有四种组态(组合状态):电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。四种组态的判断输入回路形式的判断反馈放大电路在输入回路的形式并联或串联的判断较为简单主要看反馈量对应的支路与输入量和净输入量所对应的支路的关系是并联还是串联。输出回路形式的判断反馈放大电路在输出回路的形式电压或电流的判断要看何种输出量(电压还是电流)直接影响反馈量。在电压反馈电路中因为反馈量是随着输出电压uo变化而变化的所以若输出电压uo则反馈量与输出无关即反馈消失。因此负反馈放大电路在输出回路的形式电压或电流的判断方法为:令反馈放大电路的输出电压uo为零若反馈消失(反馈量与输出无关)则说明电路中引入了电压反馈若反馈依然存在则说明电路中引入了电流反馈。例如在图(b)中令输出电压uo反馈量if=-uBERf与输出无关是电压反馈在图(c))中令输出电压uo输出电流iE(或iC)亦然存在反馈量uf=iERf不变是电流反馈。正、负反馈的判断在分析反馈放大电路的动态特性过程中比较直观和不容易出错的方法是首先画出交流通路在交流通路的基础上判断放大电路的反馈组态根据组态选择输入量、净输入量以及反馈量的形式是电压还是电流然后进行正、负反馈的判断。输入量、净输入量和反馈量的选择在决定了反馈放大电路的组态组态基础上选择输入量、净输入量和反馈量形式的原则是:并联反馈选择电流、串联反馈选择电压。正、负反馈的判断判断正、负反馈的基本方法是:在放大电路的交流通路中规定输入量瞬间对地的极性并以此为依据逐级判断各相关点电流的方向和电位的极性得到输出量的极性然后根据输出量的极性判断出反馈量的极性若反馈量使净输入量增大则为正反馈若反馈量使净输入量减小则为负反馈。集成放大电路的反馈图电流串联负反馈电路图电压串联负反馈电路图电流并联负反馈电路图电压串联正反馈电路负反馈放大电路的特性分析负反馈放大电路的基本表达形式当AF时称电路为深度负反馈放大电路。在深度负反馈放大电路中由式()得到上式表明在深度负反馈放大电路中可以认为放大倍数Af仅取决于电路的反馈系数F。由于在深度负反馈放大电路中与式()比较发现此时Xi=Xf在负反馈放大电路中净输入量等于输入量与输出量之差,得到Xid=。也就是说在深度负反馈放大电路中净输入量远远小于输入量或反馈量可以认为净输入量等于这就是在之后分析深度负反馈放大电路(包括引入负反馈的集成放大电路)过程中引入虚短路和虚开路概念的基础。电压串联负反馈放大电路的特性基本形式电压串联负反馈放大电路的基本形式如图所示净输入量、输入量与反馈量分别是uid、ui和uf基本放大电路的放大倍数为Au=uouid、反馈系数为Fu=ufuo。在深度负反馈时电压串联负反馈放大电路的电压放大倍数Auf为输入电阻图如图所示基本放大电路的输入电阻Ri=uidii整个电路的输入电阻为图电压串联负反馈放大电路输入电阻图电压串联负反馈放大电路基本形式()()输出电阻一般情况由于反馈网络所引起的电流ilsquo远远小于电流io可以忽略。电流io为整个电路的输出电阻Rof为上式表明引人电压负反馈后输出电阻仅为其基本放大电路输出电阻的(AuFu)分之一AuFuRof因此深度电压负反馈电路的输出可近似认为恒压源。()电流并联负反馈放大电路的特性电压并联负反馈放大电路的特性电流串联负反馈放大电路的特性负反馈对放大电路性能的影响对输入回路的影响对信号源的要求并联负反馈适合信号源为恒流源或近似恒流源。串联负反馈适合信号源为恒压源或近似恒压源。对输入电阻的影响串联负反馈电路输入电阻的表达式为并联负反馈放大电路输入电阻Rif的表达式为对输出回路的影响对输出量的影响在电压负反馈放大电路中电压负反馈使电路的输出电压更加稳定。在电流负反馈放大电路中电流负反馈使电路的输出电流更加稳定。对输出电阻的影响电压负反馈电路输出电阻的近似表达式为在电流负反馈放大电路中电路输出电阻的近似表达式为不同组态的特性要点概括不同组态的特性要点概括稳定放大倍数对于深度负反馈放大电路反馈放大倍数AfF几乎仅取决于反馈网络而反馈网络通常通常是无源网络因此可获得很好的稳定性。上式表明负反馈放大电路的放大倍数Af的相对变化量dAfAf为基本放大电路放大倍数A的相对变化量dAA的(AF)分之一或者说Af的稳定性是A的(AF)倍。展宽通频带放大电路中引入负反馈后增益降低到(+AF)分之一通频带增加到约(+AF)倍。改善非线性失真由于三极管的输入输出特性的非线性使电路的输出产生非线性失真。在负反馈放大电路中当深度反馈时放大倍数AfF几乎仅取决于反馈网络而反馈网络通常通常是线性无源网络与三极管特性无关因此电路输出几乎无非线性失真。在负反馈放大电路中同样以牺牲增益为代价非线性改善程度是基本放大电路的(AF)倍。第六章功率放大电路第一节功率放大电路的特点与要求第二节甲类功率放大电路第三节互补推挽功率放大电路第四节乙类功率放大电路第五节甲乙类功率放大电路功率放大电路的特点与要求功率放大电路是指能够向负载提供较大功率的放大电路简称功放。功率放大电路的特点输出大功率大信号高效率高热量负载能力强功率放大电路的特点与要求功率放大电路的要求输出功率大效率高失真小器件安全电路保护主要技术指标最大输出功率POM转换效率甲类功率放大电路基本电路及静态特性功放管通过Rb得到直流电流IBQ以及集电结电流ICQ因为变压器初级线圈的直流电阻很小可以忽略不计所以UCEQ=VCC直流负载线是垂直于横轴的直线与ICQ相交于静态工作点Q点如下图(b)中所示。因为三极管的基极电流相对较小可以忽略。电源提供的直流功率为()动态图解分析在功放管的饱和压降UCEQ较小的情况下电源电压VCC远大于功放管的饱和电压因此输出电压的最大值uomVCC输出电流的最大值iCmICQ。因此在理想变压器的情况下最大输出功率为最佳负载时甲类功放的效率为()()互补推挽功率放大电路基本电路及静态特性互补推挽功率放大电路的典型电路如图所示。图互补推挽功放电路动态特性图大信号特性图互补推挽功放波形图当功放输入交流电压ui为正弦波时两个功放管产生的电流一个变化较快另一个变化较慢因为两个功放管所特性是对称的变化快慢的程度是相同的在负载电阻起到互补叠加的效果因此称之为互补推挽功率放大电路。由于两个功放管输出电流的互补叠加从而互补推挽功放极大地改善了功放电路的非线性失真。从而电压和电流波形如图所示。因为功放管的导通角=所以互补推挽功放也属于甲类功放。当最佳负载时其效率为%。乙类功率放大电路基本电路及静态特性工作原理为了说明其工作原理先假设功放管BE间的开启电压为。当功放输入交流电压ui为正弦波时在正半周ui时功放管T导通T截止正电源供电负载电阻RL上有交流电流iL=iE流过(如图(a)中实线所示)并RL上产生输出电压uo的正半周由于电路为射极输出形式uoui在负半周ui时功放管T导通T截止负电源供电负载电阻RL上有交流电流iL=-iE流过(如图(a)中虚线所示)并RL上产生输出电压uo的负半周由于电路也为射极输出形式uoui。由此可见电路中功放管T和T交替工作正、负电源轮流供电两只功放管均为射极输出形式。从上面的原理分析中看到该电路的功放管只在输入正弦波的(正或负)半个周期内导通即功放管的导通角=。由此乙类功放的定义为:功放管的导通角=的功率放大电路称为乙类功率放大电路简称乙类功放。动态特性分析图乙类功放图解分析最大输出功率为乙类功放的效率为交越失真在以上对乙类功放的分析过程中假设了功放管BE间的开启电压为。由于三极管的开启电压不为在输入电压ui较小时功放管不导通或导通不充分从而在负载电阻RL上得到的输出电流或电压有失真如图所示。图乙类功放波形图甲乙类功率放大电路静态时甲乙类每个电源提供的直流功率为基本电路及静态特性工作原理当功放输入交流电压ui为正弦波时在正半周(ui)ui幅度较小时使功放管T的基极在直流电压UBEQ的基础上加上交流电压uiT开始导通集电极电流iC(iE)开始增大负载电阻RL上有交流电流iE流过(如图(a)中实线所示)与此同时输入电压ui使功放管T的基极在直流电压UBEQ的基础上减去交流电压uiT的集电极电流iC(iE)幅度开始减小使负载电阻RL上又有交流电流iE流过此时电流iE的方向与电流iE的方向相同负载电阻RL上的电流iL是电流iE和iE的叠加iL=iE+|iE|。在正半周ui幅度较大时功放管T的集电极电流iE继续增大与此同时输入电压ui使功放管T截止功放管T集电极电流iE为负载电阻RL上只有交流电流iE流过此时iL=iE。电流iL在负载电阻RL时产生输出电压uo的正半周。工作原理当输入电压为负半周时与正半周相反。从上面的原理分析中看到该电路的功放管在输入正弦波的(正或负)大半个周期内导通即功放管的导通角。由此甲乙类功放的定义为:功放管的导通角的功率放大电路称为甲乙类功率放大电路简称甲乙类功放。由于甲乙类功放电流中设置了功放管有一定的静态电流在交流输入时也有一定的消耗功率其大小与ICQ的设置有关。为此甲乙类功放的效率在甲类和乙类之间即甲=%甲乙乙=%。在功放管微导通情况下静态消耗的功率较小其效率接近乙类功放。图甲乙类功放波形图OCL电路特性分析复合管在该电路中三极管T和T是大功率功放管称为输出管它们分别与三极管T和T(称为驱动管)复合等效为NPN型和PNP型。图给出了采用NPN型作为输出管的等效复合三极管。图OCL类功率放大电路图复合三极管OCL电路特性分析直流恒压源电路在图所示电路中三极管T和电阻R和R组成直流恒压源电路给功放管T~T的基极回路提供直流电压使它们处于微导通状态同时对于交流信号近似为短路。输出电压Uo为:图直流恒压源电路OCL电路的静态工作特性在图所示电路中三极管T在静态时等效为直流恒流源为后面的电路提供直流偏置。通过调整电阻R和R的值得到适当的直流电压提供给功放管T~T的基极回路使它们处于微导通状态。调整电阻R使功放管T、T的发射极电压为。因此OCL电路属于甲乙类功率放大电路但是由于功放管处于微导通状态其静态工作点很低。静态时所消耗的功率也很小。OCL电路的动态工作特性由于OCL电路属于甲乙类功率放大电路但静态工作点很低其工作原理与本节上述部分一致其效率基本乙类功放一致约为但是无交越失真。除了OCL功放电路外在应用中还有OTL(无输出变压器)

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