电子技术基础半导体及PN结交流放大电路集成功率放大电路集成运算放大电路直流稳压电源数字逻辑电路.doc

第二部分电子技术基础第1章半导体器件1.1 半导体及PN结1.1.1 半导体的分类及特点通常根据物体的导电特性将其分为三类：导体是指导导电性能很好的物体，其电阻率1010cm的物体；所谓半导体，就是它的导电能力介于导体与绝缘体之间，如硅、锗就是人们最熟悉的半导体材料，纯硅的电阻率=2.14105cm，硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。半导体材料之所以应用广泛，是因为它的导电能力在不同的条件下会有很大的差别，一般说来，半导体材料有三个特点：（1）大部分半导体的导电能力随温度升高而增强；有些半导体对温度的反应特别灵敏，通常采用这种半导体做成热敏元件。（2）半导体的导电能力随光照强度的变化而变化；有些半导体当光照强度变化时变化很大。例如硫化镉薄膜，当无光照时，它的电阻达到几十兆欧姆，是绝缘体；而受到光照时，电阴却只有几十千欧姆。利用半导体的这种特性，我们又可以做成各种光敏元件。（3）如果在纯净的半导体中掺入微量的其它元素（通常称作掺杂），半导本的导电能力会随着掺杂浓度的变化而发生显著变化。例如在纯硅中掺入百万分之一的磷以后，其电阻率从2.14105cm变化到0.2cm。各种不同用途的基本半导体器件（如二极管三极管、场效应管）就是利用半导体的这个特性制成的。1.1.2 本征半导体和杂质导体根据半导体的掺杂情况，半导体材料又可以分为三类：1、本征半导体本征半导体是指完全纯净的具有晶体结构（即原子排列按一定规律排得非常整齐）的半导体。比较典型的半导体材料有硅和堵，它们都是四价元素，即每个原子的外层有四个价电子，其原子结构如2.1.1所示，则相邻的两个原子的一对最外层电子成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。在常温下，由于分子的热运动，有少量的电子挣脱原子核的束缚成为自由电子，同时在原来的位置上留下了一个空穴。所以在本征半导体中，自由电子和空穴的数目增加。在外电场的作用下，自由电子会作定向运动，空穴也会作定向运动。因为在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，就像教室里第一排座位空着时，为了听课方便，第二排的同学向前移动，第三排的同学移到第二排。依次类推，虽然空座位实际不会移动，但看起来似乎是空位在移动一样。同时存在着自由电子导电和空穴导电，这就是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。自由电子和空穴都被称为载流子。2、杂质半导体本征半导体的导电能力很低，通常采用掺入微量杂质（通常是三价或五价的元素）的方法提高其导电能力。根据掺入的杂质不同，杂质半导体有两大类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。N型半导体是指在本征半导体中掺入五价元素（如磷、砷、锑）等，由于这类元素的最外层电子数目有五个，由原子结构理论知，它们以四个电子与周围相邻的四个硅原子形成一个稳定的共价键结构，多余的第五个电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，即掺入五价元素后，与本征半导体相比，自由电子数目大大增加，形成多数载流子。由于自由电子增多，增加了自由电子填补空穴的机会，使空穴数目反而减少，故空穴被称为少数载流子。如每立方厘米纯净硅（本征半导体）中大约有51022个硅原子，在室温下，约有自由电子、空穴1.51010个，掺入百万分之一的磷后，自由电子数目增加了几十万倍，而空穴减少到每立方厘米2.3105个以下。在外电场的作用下，自由电子导电占主导地位，故称为电子型半导体。P型半导体是指在本征半导体中掺入三价元素（如硼、铝、铟）等，由于这类元素的最外层电子数目有三个，由原子结构理论知，需要以四个电子与周围相邻的四个硅原子形成一个稳定的共价键结构，因而留下了一个空穴增多，增加了自由电子填补空穴的机会，使自由电子的数目反而减少，故在P型半导体中自由电子被称为少数载流子。在外电场的作用下，空穴导电占主导地位，故称为空穴型半导体。1.1.3 PN结1. PN结的形成图2.1.2为用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上形成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面附近，由于N区中的电子浓度远大于P区中电子浓度，因此电子将从N区向P区扩散。同样，P区的空穴也将向N区扩散，其结果是在交界面附近的P区和N区的电中性被破坏，在交界面两侧分别形成正、负离子，这些不能移动的正、负离子在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。在此区域内正负电荷形成的电场，称为内电，其方方向由N区指向P区。这个内电场对电子从N区向P区扩散和P区的空穴向N区扩散起阻挡作用，所以空间电荷区又称阻挡层。随着扩散的进行，PN结逐渐变宽，内电场也逐渐增强，从而阻止了扩散，达到动态平衡。在一定的条件下（例如温度一定），空间电荷区的宽度相对稳定，PN结也就处于相对稳定的状态。这时，形成这僮电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这区域内，载流子极少，所以空间电荷区又称耗尽区，PN结中是没有电流的。2、PN结的单向导电性在PN结两端加上不同极性的外加电压时，PN结呈现不同的导电性。如果将PN结的P区接在电源的正极上，N区接在电源的负极上，称为给PN结加上正向电压（或称正向偏置），见图2.1.3（a）。此时外电场的方向与内电场的方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子的扩散运动。在外电场的作用下，多数载流子就能越过空间电荷区形成正向电流。电流的方向是从电源的正极出发，经过PN结返回到电源的负极。因为PN结的正向电流是由多数载流子形成的，比较大，PN结呈现出较小的正向电阴（由欧姆定律，电阻为加在元件两端的电压与流过其中的电流之比，）故称PN结正向导通。如果将PN结的N区接在电源的正极上，P区接在电源的负极上，称为给PN结加上反向电压（或称反向偏置）见图2.1.3（b）。此时外电场的方向与内电场的方向一致，加强了内电场，使空间电荷区变宽。在外电场的作用下，只有少数载流子才能越过空间电荷区形成反向电流。因为PN结的反向电流是由少数载流子形成的，而少数载流子的数目有限，所以反向电流非常小，为微安数量级。PN结对外呈现出极高的反向电阻，称为PN结反向截止。结论：PN结具有单向导电性。1.2半导体二极管1.2.1 二极管的基本结构半导体二极管，实际上是由一个PN结加上电极引线与外壳制成的。由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。符号如图2.1.4所示。根据PN结接触面的大小，二极管可分为点接触型与面接触型。点接触到二极管（一般是锗管）的特点是PN结的结面积小不能通过大电流但其结电容也小，常用于高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。使用时要注意，它不能承受较高的反向电压和大电流。面接触型二极管（硅管较多）的PN结面积大，可以通过的正向电流比点接触型的二极管大得多，常用作整流管，但其结电容也大，只适用低频电路中工作。1.2.2 二极管的伏安特性二极管实质上就是一个PN结，当在其两端分别加上正反向电压，并逐点测量流过其中的电流，就可以描绘出反映二极管两端电压和流过其中的电流之间关系的伏安特性曲线。图2.1.5给出了较为典型的硅管的伏安特性典线。读图时要注意图中正反向电压、电流的单位是不同的。由图2.1.5可见，对某一给定的二极管，当外加的正向电压低于一定值时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子作扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。而当正向电压超过此定值时，正向电流增长很快，这个正向电压的定值通常被称为死区电压，其大小与材料及环境温度有关。一般来说，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。当二极管正向电压超过死区电压后，正向电流变化很大，而电压的变化极小，硅管约为0.60.7V，锗管约为0.20.3V。为了讨论计算的方便，通常认为二极管正向导通后电压固定的在某个值，这个值被称为导通电压，以后我们在计算时，统一取硅管的导通电压为0.6V，锗管的导通电压为0.2V。当外加电压为负时（即加的是反向电压），由图2.1.5中可见，反向电流很小，而且在一定范围内，反向电流基本上恒定，与反向电压的高低无关，故称为反向饱和电流。当外加反向电压过高超过某一值时，反向电流将突然增大，二极管失去了单向导电性，这种现象称为反向击穿，此时的反向电压称为反向击穿电压。一般的二极管反向击穿后将因反向电流过大而损坏。有时为了讨论方便，在一定条件下，可以把二极管的伏安特性理想化，即认为二极管的死区电压和导通电压都等于零，反向电流也等于零。这样的二极管称为理想二极管。1.2.3 主要参数二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用它的参数说明，二极管的主要参数有：1、最大整流电流IFM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。使用时通过二极管的平均电流要小于这个电流，否则，电流过在，将因PN结地热而烧坏二极管。点接触型二极管的最大整流电流在几十个毫安以下，而专门为整流电流在几十个毫安以下，而专门为整流电路设计的整流二极管的最大整流电流可达几个安培。2、最高反向工作电压URM为确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压，一般给出的最高反向工作电压为击穿电压的一半或三分之二。如2CP10硅二极管的最高反向工作电压为25V，而反向击穿电压约为50V。点接触型二极管的最高反向工作电压一般是数十伏，面接触型二极管的最高反向工作电压可达数百伏。3、反向饱和电流IR当二极管加最高反向工作电压时的反向电流，此值越小，则二极管的单向导电性就越好。1.2.4 二极管电路应用举例二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。例1.2.1 如图2.1.6所示电路中，已知电路中的二极管为硅管，电源电压及电阴值如图所示，问二极管D是滞能导通，Uab为多少？流过电阻的电流各为多少？ 解 分析时，可以先假设二极管不导通，来判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压，若大于导通电压，则二极导通，二极管两端电压等于导通电压；否则二极管截止，这时电路中无电流（反向饱和电流略去不计）。图（a）中，假设二极管不导通后，以b点为参考点（即令Vb=0），则二极管的正极电位为12V，负极电位为6V，所以二极管的正向电压为12（6）= 6V0.6V所以二极管载止，Uab=6V，流过电阻的电流为零。图(b)中，假设二极管不导通后，以b点为参考点（即令Vb=0），则二极管的正极电位为6V，负极电位为12V，所以二极管的正向电压为6（12）= 6V0.6V所以二极管导通，导通电压为0.6V，Uab=12+0.6=11.4V，流过电阻的电流负号表示电流方向从b流向a。例1.2.2 如图2.1.7所示，已知E=5V，输入信号为正弦波ui=10sinV，二极管的正向导通电压为0.6V，画出输出电压信号的波形图。解 分析，这个电路实际上仍为分析二极管的导通与否，因为二极管的负极接在电源E的正极，所以当信号电压的幅值小于E+0.6V（导通电压）时，二极管是截止的，此时，二极管中无电流通过，则输出的开路电压始终等于输入电压。当信号电压的幅值大于E+0.6V（导通电压）时，二极管是导通的，此时输出电压就等于E+0.6V=5.6V所以输出电压信号的波形图如图2.1.8所示，其中虚线为输入电压波形。 例1.2.3 在图2.1.9所示电路中，已知输入端A的电位VA=+3.6V，输入端B的电位VB=+0.3V，电阻R=10k，电源E= 9V，二极管的导通电压为0.2V，求输出端F的电位和流过R的电流I。解 分析先假设两个二极管均不导通，则由于DA两端的正向电压为3.6 （9）=12.6V，故DA导通，此时F点的电位等于VF=3.60.2=3.4V。再看DB，其两端的正向电压为0.33.4=3.1V，故DB截止。有人可能要问，先讨论DB如何？由于DB两端的正向电压为0.3（9）=9.3V，故DB导通，此时F点的电位等于VF=0.30.2=0.1V；再看DA，其两端的正向电压为3.60.1=3.5V，故DA仍导通，且DA导通后使得F点的电位等于VF=3.60.2=3.4V，造成DB截止。显然结论是唯一的。当数个二极管的负极并联在一点，而加在这些二极管的正极电位各不相同且都高于负极电位时，正极电位最高的二极管导通。同理，当数个二极管的正极并联在一点，而加在这些二极管的负极电位各不相同且都低于正极电位时，负极电位最低的二极管导通。所以VF=3.60.2=3.4v流过R中的电流为1.2.5 特殊二极管一、稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。专为在电路中稳定电压设计，故称为稳压管。其表示符号如图2.1.10所示。如图2.1.11所示，稳压管的伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相比较，其正向特性曲线基本相同。稳压管通过专门设计，与一般二极管相比较有两个特别的地方，一是稳压管工作的反向击穿电压一般比较低，它的反向击穿电压就是稳压值，且它的反向特性曲线比较陡。二是稳压管的反向击穿是可逆的。当外加电压去掉后，稳压管又恢复常态，故它可长期工作在反向击穿区而不至损坏。从反向特性曲线可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。反向电压增大到击穿电压（即稳压管的稳压值）后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压却几乎稳定不变，稳压管就是利用这一特性在电路中起稳压作用的。与一般二极管不同，稳压管的主要参数有：1、稳定电压UZ稳定电压是稳压管在正常工作时，管子两端的电压。电子器件手册上给出的稳定电压值是在规定的工作电流和温度下测试出来的。由于制造工艺的分散性，同一型号的稳压管其稳压值可能有所不同，但每一个管理工作子的稳压值是一定的。如2CW14的UZ为67.5V，即有的稳压在6V，也有的稳压在7.5V。2、最大稳定电流IZ最大稳定电流是指稳压管允许通过的最大反向电流。稳压管在工作时不应走出这个值。3、动态电阻rz动态电阻是指稳压管两端的电压变化量与相应的电流变化量的比值，即显然，稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。表2.1.1列举了一些常用稳压管的参数。表2.1.1 常用稳压管的参数型号稳定电压Uz/V稳定电流Iz/mA耗散功率Pz/mW最大稳定电流Izmax/mA动态电阻rz2CW113.2-4.51025055702CW135-6.51025038302CW146-7.51025033152CW168-9.5525026202CW179-10.5525023252CW1810-12525020302CW2013.5-1752501550二、光电二极管光电二极管是这样一种器件，它的反向电流随光照强度的增加而上升，在光电二极管的管壳上有一个玻璃口以便于接受光照，其符号与等效电路如图2.1.12(a)、(b)。图2.1.12（c）则是它的特性曲线，其主要特点是，它的反向电流与光照度成正比。因此可用作光的测量，当制成大面积的光电二极管时，可当作一种能源，称为光电池。三、发光二极管发光二极管通常用元素周期中III、V族元素的化合物如砷化镓、磷化镓等制成的，当这种管子通以电流时将发出光来，发光二极管的代表符号如图2.1.13。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常作成七段式或矩阵式，工作电不充一般为几个毫安到几十毫安之间。1.3半导体三极管半导体三极管（亦称晶体管）是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于两个PN结之间的互相影响，使半导体三极管表现出不同于单个PN结的特性而个有电流放大功能，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。1.3.1 基本结构半导体三极管的种类很多，按频率分，有高频管、低频管；按功率分，有小、中、大功率管；根据结构的不同，三极管可分为NPN型和PNP型两类；在制作工艺上常见的有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。以NPN管为例，我们来进行讨论。如图2.1.14(a)、(b)、(c)所示，NPN型三极管由两个PN结的三层半导体制成，其特点是中间一层P型半导体特别薄（几微米到几十微米），两边各为一层N型半导体。从三块半导体上各自引出一根引线就是三极管的三个电极，它们分别叫作发射极E、基极B和集电极C，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多，因此它们并不对称，使用时这两个极也不能混淆。1.3.2 电流分配与放大原理我们可以通过一个实验来了解半导体三极管的放大原理和其中的电流分配情况。实验电路如图2.1.15所示，将三极管接成两条电路，一条是由电源UCC的正极经过电阻RB（通常为几百千欧的可调电阻）、基极、发射极到电源UCC的负极，称为基极回路，也称偏置电路。另一条是由电源UCC的正极经过电阻RC、集电极、发射极再回到电源UCC的负极，构成集电极回路。各支路中串有电流表，集电极与发射极可接毫安表，基极电流很小也可采用微安表。改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化。电流方向如图2.1.15所示，测量结果列于表2.1.2中。由实验及测量结果可得出如下结论：（1）基极电流IB与集电极电流IC之和等于发射极电流IE，即IE=IB+IC表2.1.2 半导体三级管电流测量数据IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mAIB（3）半导体三极管有电流放大作用，从第三列和第四列的数据中可以看到，IB与IC的比值分别为从表2.1.2中，我们看到对一个半导体三极管来说，这个电流放大系数在一定范围内几乎不变。实验电路的这种接法，发射极支路是两个电路回路所共有的，所以这种接法称为共发射极电路。1.3.3 半导体三极管的特性曲线三极管在共发射极接法时，信号从基极-发射极回路输入，从集电极-发射极回路输出。所以有两条伏安特性曲线。这些特性曲线可用晶体管特性仪直观地显示出来，也可通过图2.1.16的实验电路进行测绘，仍以NPN型硅管3DG6为例，实验测出：1、输入特性曲线输入特性曲线是指当集电极-发射极之间的电压UCE为常数时，输入电路（基极电路）中基极电流IB与基极-发射极的电压UBE之间的关系曲线，如图2.1.17所示。可以看到，它类似二极管的正向伏安特性曲线，三极管的输入的特性曲线也有一段死区，硅管的死区电压约为0.5V，锗管的死区电压约为0.2V。在正常导通时，硅管的UBE约为0.6V，而锗管约为0.2V。且对三极管而言，当UCE1V后即使再加大UCE，这条输入特性曲线基本上是与UCE无关的。2、输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路（集电极电路）中集电极电流IC与集电极-发射极电压UCE之间的关系曲线。由前面的讨论知，在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性曲线是一组曲线，如图2.1.18所示。当IB一定时，从发射区扩散到基区的电子数大致是一定的。当UCE超过一定数值（约1V）以后这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成IC，以致当UCE继续增高时，IC也不再有明显的增加，具有恒流特性。当IB增大时，相应的IC也增大，曲线上移，而且IC比IB增加得多得多，这就是前面所述的三极管的电流放大作用。通常把三极管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区输出特性曲线的近于水平部分是放大区。当发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置时对NPN型管子来说，就是UBE0.6V（硅管）或UBE0.2V（锗管），且UCE1V时，三极管工作于放大状态。放大区也称线性区，在此区，IC与IB成简单的线性关系，当三极管构成放大电路时，应让它工作在此区域。（2）截止区IB=0的特性曲线与横轴之间的区域。IB=0时，IC=ICEO（ICEO称作穿透电流）。对NPN型硅管而言，当UBE=0时，三极管已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE0时，三极管已开始截止，但是为了截止可靠，常使UBE0。截止时集电结也处于反向偏置。（3）饱和区当UCEUBE时，集电结处于正向偏置，三极管工作于饱和状态。在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成正比。放大区的电流放大倍数不能适用于饱和区，饱和时，发射结也处于正向偏置。在数字电路中，三极管常用作开关元件，这时，三极管就工作在截止区和饱和区。三极管工作区的判断分析非常重要，当放大电路中的三极管不工作在放大区时，放大信号就会出现严重失真。例1.3.1 已知图2.1.19中各三极管均为硅管，测得各管脚的电压值分别为图2.1.19中所示值，则问各三极管工作在什么区？解 分析这类问题主要是根据基极-发射极电压和集电极-发射极电压来确定其工作区域。(a)图中因为集电极-发射极电压小于0.7V，UCEUGS(th)时，随栅源电压UGS的变化ID亦随之变化，这就是增强型MOS管的栅极控制作用。3、特性曲线（1）转移特性曲线转移特性是指在一定的UDS条件下，输入电压对输出电流的控制特性。虽然UDS不同时会对转移特性有影响，但在场效应管的工作区内，ID几乎与UDS无关，对应不同UDS不同时会对转移特性有影响，但在场效应管的工作区内。ID几乎与UDS值的转移特性曲线几乎重合，所以通常只用一条曲线来表示饱和区内的转移特性，见图2.1.23。由转移特性曲线可以更清楚地看出栅源电压对漏极电流的控制作用，所以说场效应管是电压控制器件。（2）输出特性曲线输出特性曲线是指在栅源电压UGS一定的情况下，漏极电流ID与漏源极间电压UDS之间的关系曲线。如图2.1.24所示，输出特性曲线也是一组曲线，观察ID随UGS及UDS的变化情况，可以分成可变电阻区、放大区和击穿区。场效应管应用于放大电路时就工作在放大区。在这个区域，ID几乎与UDS无关，而由电压UGS控制。用一个小电压去控制一个大电流，是场效应管的最大特点。1.4.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管N沟道耗尽型绝缘栅场效应管（简称耗尽型NMOS管）通过改进工艺使得这种场效应管即使未加栅源电压，即UGS=0时已经有了导电沟道，这时如果在漏源极之间加上正向电压，就会有漏极电流。我们把UGS=0时在一定的UDS作用下产生的潜心极电流称为饱和漏极电流，用IDSS表示。如果给耗尽型NMOS管加上负的栅源电压UGS，则ID减小，当负的栅源电压UGS达到一定值时ID=0，此时的机源电压称为夹断电压，用UGS(off)表示。耗尽型NMOS管的符号、转移特性曲线和输出特性曲线如图2.1.25所示。由图2.1.25可见，耗尽型NMOS管无论栅源电压为正还是为负都可以控制漏极电流，这就使它的应用具有更大的灵活性。1.4.3 P 沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与NMOS管互为对偶关系，也分为增强型和耗尽型两种，PMOS管的衬底是N型半导体材料，工作时为了在两个P型区之间形成由空穴构成的P型导电沟道，栅源电压必须为负值，漏源电压和漏极电流的实际方向也与NMOS管相反，两种PMOS管的符号如图2.1.26所示。 图2.1.26 PMOS管符号场效应管与一般半导体三极管的比较，见表2.1.3。器件名称表2.1.3 场效应晶体管与一般半导体三极管的比较项目双极型晶体管场效应晶体管载流子两种不同极性的载流子(电子、空穴)同时参与导电，故称为双极型晶体管。只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故又称为单极型晶体管控制方式电流控制电压控制类型NPN型和PNP型两种N沟道和P沟道两种放大参数=20100Gm=15mA/V输入电阻102104107104器件名称项目双极型晶体管场效应晶体管输出电阻rce很高rds很高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应极基极一栅极，发射极一源极，集电极一漏极由于场效应晶体管的各种性能比较好，所以它在集成电路中应用很广，有专门的NMOS、PMOS集成电路，更有结合这两种类型的混合集成电路，称为CMOS电路。与一般的晶体三极管组成的集成电路相比，它有耗电少、输入电阻高等许多优点。习题1.01 在图2.1.27所示的各电路图中，已知E=6V，ui=12sintV，二极管的正向压降忽略不计，试分别画出输出电压uo的波形。1.02 在图2.1.28中，试求出下列几种情况下输出端F的电位和各元件(R、DA、DB)中通过的电流；（1）VA=VB=0V（2）VA=3V，VB=0V（3）VA=VB=3V，二极管的正向压降为0.6V。1.03 求出图2.1.29中各种情况下输出端F的电位和各元件（R、DA、DB）中通过的电流：（1）VA=10V，VB=0V（2）VA=VB=+6V，二极管的正向压降忽略不计。1.04 设图2.1.30中的二极管均为硅管，正向压降为0.6V。试判断各图中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两端的电压UAB。1.05 在图2.1.31所示电路中，E=15V，us=20sintV，试画出二极管D及电阻R上的电压波形图。1.06 用万用表的R10和R10挡来测试同一个二极管的正向电阻值时，测出的电阻值是否相同，为什么（注意万用表测量电阻时用电池作为电源，不同电阻挡的内阻不同，用二极管的正向特性曲线来讨论）？1.07 在图2.1.32(a)所示的电路中，已知输入电压u1的波形如图（b）所示，稳压管的稳压值为6V，试画出UR和uo的波形。1.08 在图2.1.33所示的各电路中，包含有两只硅稳压管DZ1和DZ2，其稳定电压值分别为UZI=7V，UZ2=9V ，稳压管的正向导通电压均为0.6V，动态电阻忽略不计，求下列各电路A、B两点间的电压值。1.09 有一个三极管接在电路中，工作在放大状态，今测得它的三个管脚的电位分别是V1=4V，V2=3.4V和V3=9.4V，试判别管子的三个电极，并说明这个三极管是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型？1.10 有一个三极管接在电路中，工作在放大状态，今测得它的三个管脚的电位分别是V1=3.4V，V2=8V和V3=3.6V，试判别管子的三个电极，并说明这个三极管是硅管还是锗管，是NPN型还是PNP型？第2章交流放大电路 放大电路的作用是把微弱的信号加以放大，在输出端输出一个与输入信号一致而幅度增大了信号。放大电路在广播、通信、测量和自动控制中都有广泛的应用。例如，收音机、电视机从天线接收到的电信号是很微弱的，必须经过放大电路加以放大才能推动扬声器和显像管工作。在自动控制机床上，要将反映加工要求的控制信号加以放大。在自动化测量上，通常将温度、压力等待测量的变化通过传感器变换为微弱的电信号，经过放大以后进行处理。信号放大实质是用一个小的变化量去控制一个较大的量的变化，使变化量得到放大，常用的简单放大电路是利用三极管的电流控制作用或场效应晶体管的电压控制作用实现对微弱信号的放大。如前一章所讨论，三极管和场效应晶体管都是非线性元件，分析时要根据它的输入输出特性曲线，这种分析方法和线性电路不同，本章主要学习三极管组成的简单放大电路的构成，工作原理和分析方法，场效应晶体管的分析讨论方法与此类同，不再专门加以讨论。 2.1 基本交流电压放大电路2.1.1基本交流电压放大电路的组成图2.2.1虚线框内的部分是由三极管构成的共发射极接法的基本交流放大电路。放大电路的输入与信号源相连，输出端接负载RL。在电子电路中常把公共端接地（用符号表示），说明电路中各点电位都以它为参考。电源UCC就是对这点而言，如UCC为+12V即该点与参考点之间的电位差为12V。电路中元件的作用如下：三极管T，起电源放大作用，当微弱的信号ui引起三极管基极电流微小变化时，通过其电流放大作用，可以使集电极电流较大变化。集电极电源UCC为三极管的发射结提供正向偏压，为集电结提供反向偏压，保证三极管工作在放大状态。UCC还是整个放大电路的能源，放大电路各负载提供的输出功率比信号给放大电路的功率要大得多，能量不能放大，负载所得到的较大的能量是由直流电源UCC提供的。偏置电阻RB的作用是UCC配合使三极管有合适的静态基极电流。集电极电阻RC的作用是将集电极电流的变化转换成电压的变化。耦合电容C1、C2的作用是隔断放大电路与信号、负载之间的直流联系，而对要放大的交流信号应该是畅通无阻，因此容抗应尽可能小，使交流信号在电容上的压降小可到可以忽略不计。在低频（几十赫至几十千赫）放大电路中，C1、C2通常为几微法至几十微法，多半采用电解电容，连接时应注意极性。2.1.2 静态分析在图2.2.1中，输入信号ui=0时的工作状态称为静态。这时在直流电源UCC的作用下，三极管的各极间电压和各极电流都是直流量。静态分析在任务就是求出UBE、UCE和IC的值，这些值也称为静态值。由于电容C1、C2的隔直作用，直流电源UCC提供的直流电是不能流到信号电路（RS、uS构成的支路）和负载电阻RL上去的，因此可得到交流电压放大电路的直流通路，如图2.2.2所示。一、静态电路分析可用两种方法1、图解法条件：已知电路中各元件的参数值，已通过查阅手册或用晶体管特性仪测出了所用三极管的输入特性曲线和输出特性曲线。目的：求出UBE、IB、UCE和IC的值，即静态值。方法：在输入电路中，UBE和IB之间的关系既要符合输入特性曲线（即为特性曲线上的一点），又要满足电路的基本电压方程UBE=UCCIBRB这是一条以IB为自变量的直线方程。令IB=0，得UBE=UCC和令UBE=0得在输入特性曲线上作出这条直线，则这条直线与输入特性曲线交于Q点见图2.2.3(a)，由Q点对应的坐标值可得到电路的UBE和IB。同理，在输出回路中，IC与UCE间的关系应符合对应上面求出的IB的这条输出特性曲线。又应满足电路的基本电压方程UCE=UCCICRC分别令IC=0，得UCE=UCC为M点和UCE=0，得为N点，连接MN直线与对应于IB的这条输出特性曲线交于Q点，把Q点称为静态工作点，见图2.2.3(c)，其坐标值IC与UCE以IB统称为静态值。直线MN的斜率为，仅与集电极电阻RC有关，而且此时电路中的电压、电流均为直流，所以直线MN称为放大电路的直流负载线。2、估算法条件：已知电路中各元件的参数值，以及三极管的值。目的：求出UBE、IB、UCE和IC的值，即静态值。方法：由于三极管的输入特性曲线很陡，三极管的发射结正向偏置导通后，其正向压降UBE的变化范围不大，一般可认为总等于它的导通电压，即硅管为UBE=0.6V和锗管为UBE=0.2V。然后在输入回路中求出IB。三极管工作在放在区时近似认为它的电流放大系数是不变的，故有IC=IB。再由输出回路可求出UCE=UCCICRC例2.1.1 已知UCC=12V，RC=4k，RB=280k。（1）输入输出特性曲线如图2.2.3（b）、(c)所示，用图解法求其静态值。（2）电流放大系数值为37，用估算法求其静态值。解 （1）由IB=0，得UBE=UCC=12V，在图(b)横轴上得点（12，0） UBE=0，得在图（b）纵轴上得（0，40）。连接点（12，0）和点（0，40）的直线与对应的输入特性曲线交于Q点，得IB40A，UBE=0.6V见图2.2.3（b）由IC=0，UCE=UCC=12V得M点（12，0）； 为N点（0，3）。连接MN的直线与对应于IB=40A的这条输出特性曲线交于Q点，得静态值：IC=1.5mA，UCE=6V。见图2.2.3(c)。（2）估算法显然用估算法计算比较简单，且误差也不大，采用图解法时也往往先估算出IB的值，再在输出特性曲线上作图得到IC和UCE的值。二、静态工作点的设置在交流放大电路中设置静态工作点，其目的是为了提高三极管基极管基极和集电极的电压和电流，因为在三极管的输入输出特性曲线的讨论中已经知道只有输入电压信号ui死区电压，三极管才进入放大区，才能不失真地放大交流信号。如果将图2.2.1中的RB去掉即不设置静态工作点，则静态基极电流IB=0，集电极电流IC0，这时，假定输入信号ui为正弦波（图2.2.4中曲线2），由三极管输入特性（图2.2.4中曲线1）知，当ui0时，发射结正偏，只有正向电压大于死区电压，在导通电压附近，三极管才开始导通，出现iB。当ui0时，由于发射结被反偏而截止，从图2.2.4中可看出，iB的波形（曲线3）与ui的波形相差很大，产生严重的失真，因此输出电压也产生了失真。当设置了适当的静态工作点，使ui在静态电压UBE的基础上变化，又因工作在输入特性曲线的直线部分，避开了死区的影响。因此，iB的波形与ui的波形变化一致，才能不失真地把输入信号加以放大。在静态工作点Q点，既符合非线性元件上的电压与电流关系，同时也符合电路中电压与电流关系。由图2.2.5可见，基极电流的大小不同，静态工作点在负载线上的位置也就不同。根据对三极管工作状态的要求不同，要有一个相应的合适工作点，这可通过改变IB的大小来获得。因此，IB很重要，它确定三极管的工作状态，通常称它为偏置电流，RB称为偏置电阻，通常是改变RB的阻值来调整偏置电流IB的大小，使放大电路正常工作。2.1.3 动态分析在放大电路的输入端加上输入信号后，就需要知道经过放大电路后信号被放大了多少，以及这个放大电路对前面的信号源产生什么影响，对后面的负载又有什么要求？这些量的分析称为放大电路的动态分析。在放大电路的输入端加入正弦输入信号后，电路中的各电压和电流都会在原来静态值的基础上叠加一个交流量（变化量）。为了区分电压、电流的直流分量、交流分量和交直流总量，需要用不同的符号表示，表2.2.1给出了放大电路中电压和电流的符号约定。表2.2.1 放大电路中电压和电流的符号名称静态值交流分量交直流总量瞬时值有效值最大值基极电流IBibIbIbmiB集电极电流ICicIcIcmiC发射极电流IEieIeIemiE集-射极电压UCEuceUceUcemuCE基-射极电压UBEubeUbeUbemuBE动态分析归根到底是要求出放大电路的电压放大倍数，放大电路的输入电阻和输出电阻，一般也有两种方法。一、图解法1、输出端开路在图2.2.1所示的放大电路中，输出端若不接负载电阻RL，称为输出端开路。我们先分析这种放大电路的工作情况。各电压电流的方向如图2.2.6所示，设输入信号ui=UimsintV，通过前面的表态分析，已经得出该电路的静态值：UBE=0.6V,IB=40A,IC=1.5mA,UCE=6V。在定的信号频率范围内，电容C1、C2的容抗很小，对交流信号可视为短路（这一点在分析中很重要），输入信号全部加到基极和发射极之间。这样基极和发射极之间的电压就在原来静态值的基础上叠加了一个交流分量，其交直流总量为UBE=UBE+ube=UBE+ui=UBE+Uimsint=(0.6+0.02sint)VUBE的波形如图2.2.7所示。由三极管的输入特性可知，uBE的变化必然会引起基极电流iB的变化，当输入信号ui等于正半周最大值，uBE达到最大，iB也随之达到最大；反之，当输入信号ui为负半周最大值时，uBE最小（但注意由于静态工作点的设定，仍为正值）此时iB也最小。在输入特性逐点作图，可以得到iB的波形。如图2.2.8所示，iB中也包含两个分量：直流分量IB和交流分量ib。通常在Q点附近的小范围内输入特性曲线近似为一段直线，所以ib也是按正弦规律变化的。当输入波形ui的幅值为Uim=0.02V时，可求得ib的幅值为20A，所以ib=IB+ib=IB+Ibmsint =（40+20sint）A三极管工作在放大区域，iB的变化必然引起集电极电流iC的变