常用半导体器件(二)

1、多级放大电路多级放大电路1 组成各级要求各级要求 输入级,又称前置放大级：用来接受信号源输入信号,并初步加以放大在工业控制中,信号往往来自一次仪表测量元件的感受件,通常它是具有一定内阻的电压源。这就要求前置放大级具有高输入阻抗和低噪声。 中间放大级：主要任务是电压放大。要求用较少的级数获得足够大的电压放大倍数。 功率放大输出级：向负载提供一定的输出功率。要求有较高的效率，较低的输出阻抗。在要求输出功率较大时,往往需要增加驱动输出级的未前级。 设计选择设计选择静态工作点设置:由于前置放大级信号幅度小,往往将工作点设置得很低以降低噪声。后面各级放大器信号幅度逐级增大。为了提高放大倍数,保证采用甲乙

2、类推挽放大,静态电流仍然很小。 提高输入阻抗的措施:采用射极跟随器作输入级,采取自举措施，采用其它形式的串联负反馈，采用FET或MOS高阻输入级。降低输出的措施:采用射极跟随器或互补跟随器作输出级,采用其它形式的输出电压负反馈。 提高输出功率和效率的措施:使负载和放大器的阻抗匹配。可采用耦合变压器进行阻抗变换。输出级采用乙类或甲类工作方式。采取自举措施。 2 级间耦合级间耦合耦合：耦合：是指信号源与放大器之间，放大器中各级之间，是指信号源与放大器之间，放大器中各级之间，放大器与负载之间的一种连接方式。放大器与负载之间的一种连接方式。常见的两种耦合方式：常见的两种耦合方式：直接耦合；阻容耦合。直

3、接耦合；阻容耦合。阻容耦合：其特点是各级静态工作点互不影响，电路调阻容耦合：其特点是各级静态工作点互不影响，电路调 试方便，但信号有损失。试方便，但信号有损失。直接耦合：其特点是信号无损失，但各级静态工作点相直接耦合：其特点是信号无损失，但各级静态工作点相互影响，电路调试麻烦。互影响，电路调试麻烦。 多级放大电路对耦合电路要求：多级放大电路对耦合电路要求：静态：保证各级静态：保证各级Q点设置点设置 动态动态: 传送信号。传送信号。要求：要求：波形不失真波形不失真，减少压降损失。，减少压降损失。 （一）直接耦合（一）直接耦合 放大器各级之间，放大器与信号源或负载直接连接起来，或通过电阻等通过直接

4、的元件连接起来，称为直接耦合方式直接耦合两级放大器（1）静态工作点的问题提高后级发射极电位的直接耦合电路(1)(1)boLubibeeLbeeUI RAUIrRRrR NPN-PNP直接耦合电路直接耦合电路由于 NPN工作在放大区 UcUe PNP工作在放大区 UcUe所以Uc2Ub2=Uc1 降低了直流电位另外，通过调整元件参数，使静态时Uc2=0v，实现输入信号为0，输出信号也为0的要求（2）零点漂移的问题）零点漂移的问题零点漂移：是指放大电路在输入端短路(即没有输入信号输入时)用灵敏的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压产生，称为零点漂移现象。零点漂移产生的原因：在放大电路中，任何

5、参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移 。温度漂移：由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。抑制温度漂移的方法1、采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件，可大大减小由此而产生的漂移2、在电路中引入直流负反馈，稳定静态工作点。3、采用高质量的硅晶体管4、采用温度补偿的方法，利用热敏元件（二极管，热敏电阻）来抵消放大管的变化。在分立元件组成的电路中常用二极管补偿方式来稳定静态工作点5、采用特性相同和管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分放大电路”。6、采用调制手段

6、。调制是指将直流变化量转换为其他形式的变化量(如正弦波幅度的变化)，并通过漂移很小的阻容耦合电路放大，再设法将放大了的信号还原为直流成份的变化。直接耦合放大电路的优缺点直接耦合放大电路的优缺点缺点：缺点：采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而静态工作点相互影响。有零点漂移现象 优点优点：具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；由于电路中没有大容量电容，易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成电路 （二）阻容耦合（二）阻容耦合放大电路中各级间，以及放大电路与信号源，放大电路与负载采用电阻和电容的连接来传递信号，这种称为阻容耦合方式。 优点：它们的各级直流工作点相互独立，可分级进行调整

7、；它只能放大交流信号不能放大直流信号缺点：低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；在集成电路中制造大容量的电容很困难，因此阻容耦合方式不便于集成化。工作原理工作原理直流分析：由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦直流分析：由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路不相通，各级的静态工作点合放大电路各级之间的直流通路不相通，各级的静态工作点相互独立相互独立交流分析：只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前交流分析：只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号可几乎没有衰减地传递到后级的输入端。因此级的输出信号可几乎没有衰减地传递到后级的输入端。因此，在分立

8、元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用，在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用 在阻容耦合多级放大器中，由于输出级的输出电压和输出在阻容耦合多级放大器中，由于输出级的输出电压和输出电电流都比较大，因而输出级的静态工作一般都设置在交流负载流都比较大，因而输出级的静态工作一般都设置在交流负载线的中点，这样能获得最大动态范围或最大不失真输出电压线的中点，这样能获得最大动态范围或最大不失真输出电压幅值。幅值。在两级阻容耦合放大器中，由于存在耦合电容、旁路电容在两级阻容耦合放大器中，由于存在耦合电容、旁路电容、晶体管极间等效电容、导线间分布电容，放大器的放大、晶体管极间等效电容、导线间分布电容

9、，放大器的放大倍数将随着信号频率的变化而变化。倍数将随着信号频率的变化而变化。 当信号频率升高或降低时，放大倍数均有较大幅度的当信号频率升高或降低时，放大倍数均有较大幅度的下降。当信号频率升高，使放大倍数下降为中频时放大倍下降。当信号频率升高，使放大倍数下降为中频时放大倍数（数（A Aumum）的）的0.70.7倍时，这个频率称为上限截止频率倍时，这个频率称为上限截止频率f fH H；同；同样，当信号频率降低，使放大倍数下降为样，当信号频率降低，使放大倍数下降为A Aumum的的0.70.7倍的频倍的频率称为下限截止频率率称为下限截止频率f fL L。 放大器的放大器的通频带通频带记作记作f

10、fbwbw, ,且且 它表明放大电路对不同频率信号的适应能力。放大器的它表明放大电路对不同频率信号的适应能力。放大器的通频带越宽，表明对信号频率的适应能力越强通频带越宽，表明对信号频率的适应能力越强LHbwfff3.多级放大电路分析多级放大电路分析(1) (1) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。作点相互独立，分别估算。(2) (2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3) (3) 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻(4) (4) 总电压放大倍数总

11、电压放大倍数= =各级放大倍数的乘积。各级放大倍数的乘积。(5)(5)总输入电阻总输入电阻riri即为第一级的输入电阻即为第一级的输入电阻ri1 ri1 。(6)(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻总输出电阻即为最后一级的输出电阻. .例1下图是一个直接耦合两级放大电路，晶体管放大倍数均为50，（1）调节Rp输,使入电压为0时，输出电压VO=0，并观察各级静态工作点（2）输入电压为10mv的正弦源，观察输出波形(3)利用交流分析，求动态参数Au、Ri、Ro。（1）调节）调节Rp(1)输入信号Vi选正弦电压源，并将其振幅VAMP设置成0。(2)将Rp设置成全局变量Rp，对电路同时进行瞬态特性分

12、析(Transient Analysis)和参数扫描分析(Parametric Analysis)。“扫描变量”选为Rp，变量的变化范围：600900，步长为10(3)运行Pspice，在Probe窗口中执行电路性能分析命令，得到如图所示的分析结果，可见当Rp=820.8时，V0=0 V。Vo与与Rp的关系曲线的关系曲线（2）静态工作点）静态工作点输入输出波形输入输出波形输入电压为10mv的正弦源（3）求动态参数）求动态参数Au=V(VO)/V(Vi),Ri=V (Vi)/I(VI),RO=V (VO)/I(VO),这时输入源为0，负载无穷大利用交流分析，设置交流源VAC=10m，参数设置为V

13、(VO)/V(VI)波形波形从波形上能直观读出中频段的数值Au= V(VO)/V(VI)=761V(VI)/I(VI)波形波形从波形上能直观读出中频段的数值Ri= V(Vi)/I(VI)=11.7K求输出电阻的电路求输出电阻的电路将输入源置零，输出端外接电压源voV(VO)/I(VO)波形波形从波形上能直观读出中频段的数值Ro= V(VO)/I(Vo)=104.4K例下面是一个阻容耦合电路,调整R13和R14的值使第一级和第二级输出电压波形都不失真设置参数设置参数分析参数设置分析参数设置分析波形分析波形确定确定rp1=80k确定确定rp2=40k场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管(简称场效应

14、管)是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，是一种电压控制器件场效应管的结构场效应管的结构结型场效应晶体管是在N型硅半导体材料左右两侧制造两个P型区形成两个PN结，把两个P区相连后引出一个电极称为栅极G。在N型硅的上下两端各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D。两个PN结中间的N型区域称为N型导电沟道。这就构成一个N沟道结型场效应晶体管 它是以一块低掺杂浓度、高电阻率的P型硅片作为衬底，再扩散两个高浓度掺杂的N型区，分别引出两个极称为源极S和漏极D，隔离两个N型区的间隙表面覆盖着一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在它上面用金属铝引出一个电极，作为栅极G。由于栅极与其他电极是绝缘的，故称它为

15、绝缘栅型场效应晶体管 MOS场效应管模型参数场效应管模型参数Mos管工作区偏压条件管工作区偏压条件例例3 查看查看nMOS增强型的输入输出特性曲线增强型的输入输出特性曲线转移特性转移特性分析参数设置：保持VDs不变，VGS由0V增至10V，步长0.02V 转移特性曲线转移特性曲线输出特性输出特性分析设置：作输出特性Vds由0V增至10V，步长0.02V。二次扫描变量Vgs，分别是0 2 4 6 8 10Vds-Id特性曲线特性曲线例例4分析分析N沟道增强型沟道增强型MOSFET反馈偏置放大器反馈偏置放大器Bias Point 分析分析图解法图解法 （输出特性）（输出特性）分析一下Rd对Q点的影

16、响？（图见上页） 增大，Q点下移 分析一下Vdd对Q点的影响？ Vdd减小，Q点向下平移 温度分析温度分析温度分析设置：“-10 25 40 80 150 场效应管与晶体管的性能比较场效应管与晶体管的性能比较 1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2场效应管是电压控制电流器件，由Vgs控制Id，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC3.场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电

17、流的条件下,应选用晶体管。4场效应管栅极几乎不取电流（ig=0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。5.场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。6.场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。 7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超

18、大规模集成电路中。CMOS反相器反相器说明说明若在一组电路中同时使用到nMOS及Pmos元件，则称之为CMOS（Coplementary MOS）CMOS模拟电路没有早期的NMOS电路中令人困扰的体效应（Body Effect）。故电路特性较佳，而在数字电路应用中，由于CMOS电路的静态电流（Static Current）很小，几乎等于零，所以非常省电。由于CMOS电路有以上所提到的优点，所以虽然其工艺较复杂，但是仍然广受欢迎，现在已经称为集成电路的设计主流。电路结构电路结构CMOS反相器电路如图所示它由两个增强型MOS场效应管组成，其中VTN为NMOS管，称驱动管，VTP为PMOS管，称负载

19、管。 NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，PMOS管的栅源开启电压是负值，其数值范围在25V之间。为了使电路能正常工作，要求电源电压UDD(UTN+|UTP|)。UDD可在310V之间工作，其适用范围较宽 工作原理工作原理当u uI I= U= UILIL=0V=0V时，VTVTN N截止，VTVTP P导通， u uO O =U=UOHOHVVDDDD 当u uI I =U =UIHIH = V = VDDDD ，VTVTN N导通，VTVTP P截止，u uO O =U =UOLOL0V0V实现反相器功能（非逻辑）VTPVTP和VTNVTN总是一管导通而另一管截止，流过VTPVTP和VT

20、NVTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOSCMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOSCMOS电路最突出的优点之一。特点特点例例5 分析分析CMOS反相器的输入输出特性反相器的输入输出特性瞬态分析设置瞬态分析设置输入输出波形输入输出波形I(C1)和和I(VDD)的电流波形的电流波形设置直流扫描分析参数设置直流扫描分析参数输入输出转换波形输入输出转换波形例例5分析分析CMOS二输入或非门电路二输入或非门电路瞬态分析参数设置瞬态分析参数设置输入输出结果输入输出结果将两个输入脚接在一起，观察其输入输出转换波形将两个输入脚接在一起，观察其输入输出转换波形交流扫描分析参数设置交流扫描分析参数设置

21、Op-Amp（运算放大器）（运算放大器） 在模拟集成电路中，集成运算放大器（Op-Amp简称运放）应用极为广泛。本小节介绍实用运放电路，CAD分析方法Op-amp的内部结构原理框图的内部结构原理框图 1 用用uA741运放组成的倒向比例器运放组成的倒向比例器 用pspice分析时，可以设置DC Sweep，V1从0V-2V变化，增量为0.1V 非倒向比例器非倒向比例器 电压跟随器电压跟随器 加法器加法器 积分器积分器 输出波形输出波形图中这个负电压降斜率是-20000V/s，由于电压是由+20V降至-20V，因此，下降时间为40V/20000=2ms多级多级Op-Amp电路电路 U1是电压跟随

22、器与前级起“隔离”作用；U2为倒向器放大倍数Av=-10，输出电压应为2V，静态工作点分析为-1.984V；U3为非倒向运放Av=（1+200k/10k）=21，输出电压应为Vo3=21*（200mV）=4.2V，静态工作点分析为4.216V，所差无几 低通有源滤波器低通有源滤波器 分析结果分析结果 分析设置：AC Sweep，1Hz10Khz，使用Dec对数坐标，间隔之间扫描点数为 10。其分析结果如图所示，图中，Foh=160Hz 高通有源滤波器高通有源滤波器分析结果分析结果分析设置：AC Sweep，10Hz100Khz，使用Dec对数坐标，间隔之间扫描点数为 10。其分析结果如图所示，

23、图中，Foh=2.94kHz 带通滤波器带通滤波器 分析结果分析结果分析设置：AC Sweep，10Hz1megHz，使用Dec对数坐标，扫描间隔之间的点数为 10。其分析结果如图所示 。从图看出低频截止频率fol=159Hz，高频截止频率foh=7.9kHz，接近计算值 OP-AMP推挽式功率放大器推挽式功率放大器 观察分析其电压、功率和效率 输入输出电压波形输入输出电压波形电压增益电压增益说明Vo、Vi是反向放大关系，电压闭环增益可用有效值求出 ，Av= Vo/ Vi=2.48 输出功率输出功率AVG（）为求平均值，输出功率为Po=4.5811W 输入功率输入功率输入功率由于是双电源供电应

24、将二者都记入如图所示输出功率为Pi=8.4775W 效率效率n%=53.76%光控报警器光控报警器实现功能：当外界亮度足够时，报警器不做任何反应，当外界亮度低于一定值时，报警器会发出报警。报警器灵敏度可通过调节可调电阻实现光敏电阻随外界光线强度变弱而变大，一般在几百欧到几M欧之间，我们假定光线变弱使光敏电阻到50k的时候，开始报警分析设置分析设置用Q2SC1815代替9014，把扬声器用8欧的电阻代替进行参数分析设置。选择DC SWEEP分析类型主扫描为V1，从3到6v变化，步长为0.1次扫描为可调电阻，从20k到100k直接变化，步长为10kIC（Q2）与电压和可调电阻的关系）与电压和可调电

25、阻的关系振荡器振荡器振荡的原理：把已经放大的信号按照与输入同相的方式送到输入端，称为正反馈。在正反馈电路里，输入信号经过放大器后又进入输入端，这样信号不断被放大，但是信号不可能无限增大，到达某个定值就不再增大了，这个定值就是振荡的稳定状态。放大器正反馈组件VOVOVfVf单稳态多谐振荡器单稳态多谐振荡器工作过程工作过程1 当加上电源vcc后,由RB2供给偏压使Q2ONCB经VCCRC1CBQ2的B级 TR2的E级充电，Q2ON,VCE20.3,使Q1无法导通,因此TR1OFF2 当外加正触发方波输入时, 输入到Q1的基极.在正脉冲的瞬间,Q1由OFFON,Q2因CB加上逆向偏压而ONOFF,

26、VCE2上升为VCC,由RB1供应正向偏压,使Q1保持ON.3 CB由Q1VCCRB2放电,经过T=0.7RB2C以后,CB放电完毕，而使Q2的B-E逆向电压消失,Q2由RB2得正向偏压而恢复ON之状态.Q2恢复ON后,VCE20.3,使TR1OFF,CB充电,此状态一直维持趣味测谎仪电路趣味测谎仪电路 三极管Q1和Q2构成互补音频振荡器，振荡频率由电阻R1、电容C1以及两个测试点之间的电阻共同决定。当两点之间电阻大时，振荡频率低；两点之间电阻小时，振荡频率高；两点断开，电路停止振荡。当人说谎时，汗腺分泌增加，使得节点手指间电阻降低，振荡频率升高，扬声器发出的声音音调变高Rp=100k时输出波

27、形时输出波形Rp=1000k时输出波形时输出波形简易扩音器电路简易扩音器电路扩音器电路扩音器电路输入级-前置放大级-推动级-OCL功率级-扬声器触摸式报警器触摸式报警器三极管BG1和BG2等组成模拟开关电路，平时两管处于截止状态，当有人触及金属板A时，两管就迅速导通。三极管BG3和BG4等组成互补音频振荡器，在BG1和BG2管截止时，振荡器停振。BG1及BG2管一旦导通，振荡器立即起振，扬声器中马上发出持续不断的报警声。按钮开关SW为报警解除开关，当SW按下后，三极管BG1和BG2截止，振荡器也停止振荡。 单管调频发射机单管调频发射机1）话筒MIC采集外界的声音信号，电阻R3为MIC提供一定的

28、直流偏压，R3的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱，电阻越小话筒的灵敏度越高。 2）话筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极3）电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有0.7V，如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真甚至无法正常工作4）C1是一个耦合电容。5）R4是V1的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使V1工作在放大区， R5是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用6）高频三极管V1和电容C3、C5、C6组成一

29、个电容三点式的振荡器 7）C4、L组成一个谐振器：谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88108MHZ之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过C7耦合到天线上再发射出去。8）电路中发光二极管D3用来指示工作状态，当调频话筒得电工作时就会点亮，R6是发光二极管的限流电阻。C8、C9是电源滤波电容，因为大电容一般采用卷绕工艺制作的，所以等效电感比较大，并联一个小电容C8可以使电源的高频内阻。 9）CK是外部信号输出插座，可以将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号源通过专用的连接

30、线引入调频发射机，外部声音信号通过R1衰减和D1、D2限幅后送到三极管基极进行频率调制。 通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制OTL功率放大器电路原理功率放大器电路原理 A.电压放大器：将音乐输出的微小信号加以放大，通常采用共射级放大。 B.功率放大：功率放大级电路是用来提高电路的工作效率，通常共射级放大的输出电流很小，所以透过功放来推动输出的喇叭。C.偏压装置：偏压装置为提供功率三极管正向偏压，使功率放大级电路工作于AB类放大，防止交

31、叉失真的产生。 D.负反馈：利用负反馈的特性，控制整个放大电路的增益，并且提高电路稳定性。各元件在电路中起到的作用各元件在电路中起到的作用A.音量控制：由VR1可变电阻调整，依串联分压原理可控制输入电压大小。 B.第一级共射极放大：R1、R2、R3、R4、R5、R6提供Q1共射极放大之基本直流偏压。 C.第二级共射极放大：SVR1、R10、R11及R9共同提供Q2直流电压。D.增阻电路：R9、C4组成增阻电路来增加交流阻抗。（C4称为增阻电容）。E.偏压及温度补偿：VR3、D1、D2、D3组成，VR3可调整静态电流大小。F.达林顿推挽放大：Q3、Q5组成正半周推挽放大，Q4、Q6组成负半周推挽

32、放大， 此级只放大电流而无电压放大，其电流放大倍数大约为12。 G.高频寄生振荡防止：C5电容可消除高频振荡，通常为数十pF100Pf。 H.反交连电路：R7、C9组成，主要目的为防止第一级共射极放大受电源交流信号干扰。I.旁路电容：C2、C6增加共射极放大级的电压增益。J.高频相移补偿：C8、R17高频放大时，各放大级交流信号相位受到交流电容及三极管之输出、入电容的影响，而产生相位移，在高频时有补偿的作用。 K.输出电容：C7隔离中点直流电压，电容会影响放大器的低频响应，通常都在1000uF 以上。 L.负反馈电路：R5、R6组成。（VoR6/R5+R6=VE1，所以Av=Vo/ViVo/VE1=R5+R6/R6）。作业作业140k20kTRc1k1.4k301k50vi-+306V根据下图：1 求电路的静态工作点2 如vi为一个正弦源，观察输出波形3 给出幅频特性和相频特性作业作业2 分析共射极分压偏置电路的时域和频域特性分析共射极分压偏置电路的时域和频域特性R1和R2形成电阻分压，提供基极合适的直流电