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电子电路基础,林家儒编著,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,第一章半导体器件基础,1.1半导体及其特性1.2PN结及其特性1.3半导体二极管1.4半导体三极管及其工作原理1.5三极管的共射特性曲线及主要参数,北京邮电大学出版社,1.1半导体及其特性,1.1.1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。,北京邮电大学出版社,1.1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。,北京邮电大学出版社,1.1半导体及其特性,1.1.2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。,北京邮电大学出版社,1.1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。,北京邮电大学出版社,1.1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。,北京邮电大学出版社,1.1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。,北京邮电大学出版社,1.2PN结及其特性,1.2.1PN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。,北京邮电大学出版社,1.2PN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,北京邮电大学出版社,1.2PN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,北京邮电大学出版社,1.2PN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。,北京邮电大学出版社,1.2PN结及其特性,1.2.2PN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,北京邮电大学出版社,1.3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,北京邮电大学出版社,1.3半导体二极管,1.3.1二极管的特性曲线,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。,北京邮电大学出版社,1.3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。,北京邮电大学出版社,1.3.2二极管特性的解析式,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1.60210-19库仑；k是为玻耳兹曼常数，其值为1.3810-23J/K；T为绝对温度，在常温（20C）相当于K293K令则二极管的伏安特性表达式为：,北京邮电大学出版社,1.3.3二极管的等效电阻,直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9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,北京邮电大学出版社,1.3.3二极管的等效电阻,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,北京邮电大学出版社,1.3.3二极管的等效电阻,图1-9(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,北京邮电大学出版社,1.3.4二极管的主要参数,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:(1)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。(2)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。(3)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。(4)最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率。,北京邮电大学出版社,例1-1图10(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0、反向击穿电压UBR为，设电路的输入电压ui如图10(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。,北京邮电大学出版社,1.3.5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,北京邮电大学出版社,1.3.5稳压二极管,稳压管的主要参数:(1)稳定电压UZ：UZ是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。(2)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。(3)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。(4)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。,北京邮电大学出版社,例1-3图13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13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，。,北京邮电大学出版社,1.4半导体三极管及其工作原理,1.4.1三极管的结构及符号,北京邮电大学出版社,1.4.1三极管的结构及符号,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。,北京邮电大学出版社,1.4.2三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。,北京邮电大学出版社,PNP型三极管组成的基本共射放大电路如图1-17所示。比较图1-17和图1-16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1-17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,北京邮电大学出版社,1.4.2三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。,北京邮电大学出版社,当交流输入电压信号ui0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ui0为小信号时，因为此时交流信号是叠加在直流上，如图1-18(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iBIB（大10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Rb1和Rb2决定的。如此忽略IB对基极电压UB的影响，基极电压UB为,北京邮电大学出版社,2.3.1三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C-E间电压UCEQ为,北京邮电大学出版社,例2-1在图2-20(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=0.7V、100、输出特性曲线如图2-20(b)，VCC=12V，Rb1=15.69k，Rb2=1k，RC=3k，试计算其工作点、画出直流负载线、标出工作点。,北京邮电大学出版社,解:画出该放大电路的直流通路如右图所示UCEQ=VCC/2，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=VCCICRC，当IC0时，UCE=VCC=12V，当UCE0时，ICVCC/RC=4mA，所以直流负载线及工作点Q如下图所示。,北京邮电大学出版社,2.3.2三极管共射h参数等效模型,北京邮电大学出版社,2.3.2简化h参数等效模型及rbe的表达式,1.简化h参数等效模型,北京邮电大学出版社,2.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。,北京邮电大学出版社,2.3.2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。,北京邮电大学出版社,1.电压放大倍数AuuiiBrbe，uo-iBRC/RL2.源电压放大倍数AS,北京邮电大学出版社,3.输入电阻RiRi是从放大电路输入端看进去的等效电阻4.输出电阻Ro首先令信号源电压uS0，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iB0，在输出回路中iB0，由此iCuo/RC。输出电阻Ro为,北京邮电大学出版社,例2-5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=0.7V、rbb=133、100，VCC=12V，RS=1.23k，Rb=377k，RC=2k，RL=2k，各电容值足够大，试(1)计算工作点、(2)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。,北京邮电大学出版社,解:(1)画出该放大电路的直流如右图所示。,北京邮电大学出版社,(2)(k),北京邮电大学出版社,2.4共集放大电路,2.4.1电路组成,北京邮电大学出版社,2.4.2静态特性分析,基极电流IBQ发射极电流IEQ为三极管C-E间电压UCEQ为,北京邮电大学出版社,2.4.3动态特性分析,1.电压放大倍数uo(1+)iBRE，uiiBrbe+uoiBrbe+(1+)iBRE当(1+)RErbe时，Au1，即uoui。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。,北京邮电大学出版社,2.输入电阻Ri3.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,北京邮电大学出版社,例2-7在图2-27(a)所示电路中，VCC=12V，RS=1k，Rb=265k，RE=3k；三极管的导通电压UD=0.7V，rbb=200，=99。试计算静态工作点、Au、Ri和Ro。解:由式(2.32)(2.34),北京邮电大学出版社,2.4共基放大电路,2.4.1电路组成：,北京邮电大学出版社,2.4.1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C-E间电压UCEQ为,北京邮电大学出版社,2.4.2动态特性分析,1.电压放大倍数Au2.输入电阻Ri3.输出电阻Ro,北京邮电大学出版社,2.4.3三种基本电路比较,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。,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,3.1频率特性分析基础,3.1.1低通电路传递函数为,北京邮电大学出版社,定义电路的时间常数RC，令H1/，则的幅值和相角可表示为,称fH为低通电路的上截止频率。,北京邮电大学出版社,3.1.2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L1/，则,称fL为高通电路的下截止频率。,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,3.1.2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。1.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10为底的对数得到：,北京邮电大学出版社,2.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：,北京邮电大学出版社,3.2三极管的高频等效模型,3.2.1三极管的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3-5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。,北京邮电大学出版社,3.2.1三极管的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,北京邮电大学出版社,3.2.2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ube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ube对iC的控制关系，iCgmube。,北京邮电大学出版社,3.2.3简化单向化混合模型,将电容Cbc等效到输入和输出回路因为电容Cbc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。,北京邮电大学出版社,3.3三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。,（CCbeCbc）,定义（上）截止频率：,北京邮电大学出版社,(jf)对数幅频特性和对数相频特性分别为,北京邮电大学出版社,定义fT是|(jf)|1时所对应的频率，fT即为三极管的特征频率。令式(3.28)中|(jf)|1（0dB），则考虑到0的平方远远大于1，得到三极管特征频率fT的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4单管放大电路的频率特性,3.4.1中频源电压放大倍数在3-14(b)所示的中频混合等效电路中，输入电阻RiRb/(rbb+rbe)Rb/rbe，从而该电路的中频源电压放大倍数ASM为,北京邮电大学出版社,3.4.2低频段频率特性,该电路的低频源电压放大倍数ASL为,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4.3高频段频率特性,上截止频率fH为,所以,北京邮电大学出版社,相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4.4全频段频率特性,北京邮电大学出版社,3.4.5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A0时，对应的上下截止频率和通频带分别为fH0、fL0和BW0。如果把增益降低，通频带加宽。设在中频增益为A1时，对应的上下截止频率和通频带分别为fH1、fL1和BW1。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fT0为放大电路的0dB带宽（|A|1）,北京邮电大学出版社,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0，为此放大电路的通频带近似为,所以：,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,4.1场效应管特性,4.1.1结型场效应管符号及特性1.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4-1(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。,2.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),北京邮电大学出版社,由于场效应管的输入电阻非常大，认为栅极电流IG0。漏极电流ID受栅源极间电压UGS控制，在UGS0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(1-UGS/UGS(off)2其中IDSO为UGS0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。,北京邮电大学出版社,3.输出特性图4-2(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。,北京邮电大学出版社,4.1.2结型场效应管主要参数,1.直流参数结型场效应管的直流参数主要有：(1)栅源（交流）短路电流IDSO：结型场效应管在饱和区、UGS0时的漏极电流，它实际上是漏极电流ID的最大值。(2)夹断电压UGS(off)：在饱和区结型场效应管的漏极电流ID0（通常规定ID50uA）所对应的栅源间的电压值。(3)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。2.小信号交流参数结型场效应管的小信号交流参数主要有：(1)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。,北京邮电大学出版社,正向跨导gm可表示为,(2)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。,北京邮电大学出版社,4.1.3绝缘栅场效应管符号及特性,1.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4-3所示。,2.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。,3.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。,2019/12/15,113,可编辑,北京邮电大学出版社,4.1.3绝缘栅场效应管符号及特性,2019/12/15,115,可编辑,北京邮电大学出版社,4.1.4绝缘栅效应管主要参数,1.直流参数绝缘栅场效应管的直流参数主要有：(1)栅源（交流）短路电流IDSX：结型场效应管在饱和区、UGSUGSX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。(2)开启电压UGS(th)：与结型场效应管的夹断电压UGS(off)相同。(3)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。2.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。,北京邮电大学出版社,4.2场效应管的工作点设置及静态特性分析,4.2.1共源放大电路,图4-6共源放大电路,图4-7直流通路,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,4.2.2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。,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,4.3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。,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,5.1反馈基本概念及判断方法,5.1.1基本概念1.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5-1反馈放大电路组成,北京邮电大学出版社,2.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XidXiXf，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XidXiXf，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。3.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。,北京邮电大学出版社,5.1.2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。,北京邮电大学出版社,5.1.3四种组态的判断,1.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。2.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uo0，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5-2(b)中，令输出电压uo0，反馈量ifuBE/Rf，与输出无关，是电压反馈；在图5-4(c)）中，令输出电压uo0，输出电流iE（或iC）亦然存在，反馈量ufiERf不变，是电流反馈。,北京邮电大学出版社,5.1.4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。1.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。2.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。,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,5.1.5集成放大电路的反馈,图5-11电流串联负反馈电路,图5-10电压串联负反馈电路,图5-12电流并联负反馈电路,图5-13电压串联正反馈电路,北京邮电大学出版社,5.2负反馈放大电路的特性分析,5.2.1负反馈放大电路的基本表达形式,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,当AF+11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(5.6)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(5.4)比较发现，此时XiXf，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Xid0。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0，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。,北京邮电大学出版社,5.2.2电压串联负反馈放大电路的特性,1.基本形式电压串联负反馈放大电路的基本形式如图5-15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Auuo/uid、反馈系数为Fuuf/uo。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2.输入电阻图如图5-16所示，基本放大电路的输入电阻Riuid/ii，整个电路的输入电阻为,图5-16电压串联负反馈放大电路输入电阻,图5-15电压串联负反馈放大电路基本形式,(5.8),(5.9),北京邮电大学出版社,3.输出电阻一般情况，由于反馈网络所引起的电流i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(1+AuFu)分之一，1+AuFu，Rof0，因此深度电压负反馈电路的输出可近似认为恒压源。,(5.10),北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,5.2.3电流并联负反馈放大电路的特性5.2.4电压并联负反馈放大电路的特性5.2.5电流串联负反馈放大电路的特性,北京邮电大学出版社,5.3负反馈对放大电路性能的影响,5.3.1对输入回路的影响1.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。2.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,北京邮电大学出版社,5.3.2对输出回路的影响,1.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。2.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,北京邮电大学出版社,5.3.3不同组态的特性要点概括,北京邮电大学出版社,5.3.3不同组态的特性要点概括,北京邮电大学出版社,5.3.4稳定放大倍数,对于深度负反馈放大电路，反馈放大倍数Af1/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dAf/Af为基本放大电路放大倍数A的相对变化量dA/A的（1+AF）分之一；或者说，Af的稳定性是A的（1+AF）倍。,北京邮电大学出版社,5.3.5展宽通频带放大电路中引入负反馈后，增益降低到（1AF）分之一，通频带增加到约（1AF）倍。5.3.6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Af1/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（1+AF）倍。,北京邮电大学出版社,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,北京邮电大学出版社,6.1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。6.1.1功率放大电路的特点1.输出大功率2.大信号3.高效率4.高热量5.负载能力强,北京邮电大学出版社,6.1功率放大电路的特点与要求,6.1.2功率放大电路的要求1.输出功率大2.效率高3.失真小4.器件安全5.电路保护6.1.3主要技术指标1.最大输出功率POM2.转换效率,北京邮电大学出版社,6.2甲类功率放大电路,6.2.1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UCEQVCC，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,(6.1),北京邮电大学出版社,6.2.2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uomVCC，输出电流的最大值iCmICQ。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,(6.3),(6.4),北京邮电大学出版社,6.3互补推挽功率放大电路,6.3.1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6-3所示。,图6-3互补推挽功放电路,北京邮电大学出版社,6.3.2动态特性,图6-4大信号特性,图6-5互补推挽功放波形图,北京邮电大学出版社,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6-5所示。因为功放管的导通角360，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50。,北京邮电大学出版社,6.4乙类功率放大电路,6.4.1基本电路及静态特性,北京邮电大学出版社,6.4.2工作原理,为了说明其工作原理，先假设功放管B-E间的开启电压为0。当功放输入交流电压ui为正弦波时，在正半周ui0时，功放管T1导通，T2截止，正电源供电，负载电阻RL上有交流电流iL=iE1流过（如图6-6(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，uoui；在负半周ui0），ui幅度较小时，使功放管T1的基极在直流电压UBEQ1的基础上，加上交流电压ui，T1开始导通，集电极电流iC1(iE1)开始增大，负载电阻RL上有交流电流iE1流过（如图6-9(a)中实线所示），与此同时，输入电压ui使功放管T2的基极在直流电压UBEQ2的基础上，减去交流电压ui，T2的集电极电流iC2(iE2)幅度开始减小，使负载电阻RL上又有交流电流iE2流过，此时电流iE2的方向与电流iE1的方向相同，负载电阻RL上的电流iL是电流iE1和iE2的叠加，iLiE1|iE2|。在正半周，ui幅度较大时，功放管T1的集电极电流iE1继续增大，与此同时，输入电压ui使功放管T2截止，功放管T2集电极电流iE2为0，负载电阻RL上只有交流电流iE1流过，此时iLiE1。电流iL在负载电阻RL时产生输出电压uo的正半周。,北京邮电大学出版社,6.5.2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180。由此，甲乙类功放的定义为：功放管的导通角180360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50甲乙乙180，是依次减小的。由此看到功放电路的效率与导通角成反比。这是因为，功放管导通角的减小，使功放管在一个信号周期内的截止时间增大，从而减小了功放管所消耗的平均功率，提高了效率。因此，为了减小功放管的功耗、提高效率，有效的方法是减小功放管的导通角。当导通角0丙2R1,图9-2文氏桥振荡器,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,9.2反馈式正弦波振荡器,9.2.1LC并联电路的频率特性电路的阻抗为,图9-4LC并联电路及频率特性,北京邮电大学出版社,谐振频率为Q为品质因数，定义为电路阻抗的幅频特性和相频特性表达式为,北京邮电大学出版社,9.2.2反馈式正弦波振荡器,图9-5反馈式正弦波振荡器,电路振荡的条件为,电路谐振中心频率f0为,北京邮电大学出版社,9.3三点式正弦波振荡器,9.3.1电感三点式正弦波振荡器,图9-7电感三点式正弦波振荡器,电路