项目6 常用半导体器件及其应用

1、项目6常用半导体器件及其应用项目项目6常用半导体器件及其应用常用半导体器件及其应用任务分析任务分析3相关知识相关知识4任务实施任务实施5归纳总结归纳总结6学习目标学习目标1任务提出任务提出2学习目标学习目标v (1) (1) 了解半导体的基本知识和了解半导体的基本知识和PNPN结的形成及特性。结的形成及特性。v (2) (2) 掌握二极管、三极管电路的分析方法。掌握二极管、三极管电路的分析方法。v (3) (3) 集成运算放大器的电路构成、特点、主要技术指标集成运算放大器的电路构成、特点、主要技术指标及应用。及应用。v (4) (4) 了解模拟电路的应用。了解模拟电路的应用。v 现代化的电子设

2、备都是以半导体器件和集成电路为基础现代化的电子设备都是以半导体器件和集成电路为基础的，尤其是二极管、三极管等，是构成集成电路的基本的，尤其是二极管、三极管等，是构成集成电路的基本单元，被广泛的应用在各种电子电路中。近年来，集成单元，被广泛的应用在各种电子电路中。近年来，集成电路特别是大规模和超大规模集成电路的出现，使各种电路特别是大规模和超大规模集成电路的出现，使各种工业自动控制设备和电子设备在微型化、可靠性等方面工业自动控制设备和电子设备在微型化、可靠性等方面大步向前推进。为了正确和有效地运用半导体器件，必大步向前推进。为了正确和有效地运用半导体器件，必须对它们的工作原理和性能有一个基本的认

3、识。须对它们的工作原理和性能有一个基本的认识。任务提出任务提出 汽车电器用的是直流电，但发电机发出的是交流汽车电器用的是直流电，但发电机发出的是交流电。那么是如何将交流电转换成直流呢？半导体器电。那么是如何将交流电转换成直流呢？半导体器件还有什么应用呢？件还有什么应用呢？任务分析任务分析 汽车用交流发电机，一般是由三相同步交流发电机汽车用交流发电机，一般是由三相同步交流发电机和硅二极管整流器两大部分组成。和硅二极管整流器两大部分组成。 交流发电机的转子是用来建立磁场，定子是用来产生交流发电机的转子是用来建立磁场，定子是用来产生交流电动势，通过硅二极管整流器整流成直流电，向用交流电动势，通过硅二

4、极管整流器整流成直流电，向用电设备提供电源，并向蓄电池充电。硅二极管就是半导电设备提供电源，并向蓄电池充电。硅二极管就是半导体器件。下面来了解一下二极管和三极管及它们的应用。体器件。下面来了解一下二极管和三极管及它们的应用。交流发电机交流发电机相关知识相关知识任务任务6.16.1半导体的基本知识半导体的基本知识任务任务6.26.2半导体二极管半导体二极管任务任务6.36.3半导体三极管半导体三极管任务任务6.46.4集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用任务任务6.1半导体的基本知识半导体的基本知识半半 导导 体体1PN节及其单向导电性节及其单向导电性26.1.1半导体半导体 半导体就是

5、导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，自然界中的硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物就是半导体。 半导体中的电子对不像绝缘体中的电子对那样被紧紧束缚，在获得一定能量(热能)后，共价键中的价电子便挣脱原子核的束缚而成为自由电子，自由电子带负电。此时，共价键中空出的位置称为空穴，空穴带正电。自由电子和空穴是成对出现的，它们都称为载流子。因为，在外电场的作用下，这些带负电的自由电子会逆着电场的方向移动而形成电流，称之为电子导电；与此同时，这些带正电的空穴会沿着电场的方向移动而形成电流，称之为空穴导电。 实验发现，半导体中载流子的数目与温度有关，温度越高时载流子的数目越多，半导体的导电性能越好。因此，

6、温度对半导体元器件的性能影响很大。1半导体及其导电方式半导体及其导电方式6.1.1半导体半导体 在硅或锗单晶体中掺入微量的五价元素磷后，由于磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，其多余的一个价电子很容易脱离原子核的束缚而成为自由电子，如图6-1(a)所示。于是，半导体中的自由电子数目大量增加，导电性能显著增强。由于这种半导体的自由电子为多数(多数载流子)，空穴为少数(少数载流子)，电子导电是主要的导电方式，因此将这种半导体称为电子半导体或N型半导体。 在硅或锗单晶体中掺入微量的三价元素硼后，由于硼原子参加共价键结构需要四个价电子，其缺少的一个价电子使硅或锗原子产生一个空穴，如图6-1(b)所示

7、。于是，半导体中的空穴数目大量增加，导电性能显著增强。由于这种半导体的空穴为多数(多数载流子)，自由电子为少数(少数载流子)，空穴导电是主要的导电方式，因此将这种半导体称为空穴半导体或P型半导体。2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体6.1.1半导体半导体图图6-1杂质半导体示意图杂质半导体示意图6.1.2PN节及其单向导电性节及其单向导电性 扩散后，单晶体结合部扩散后，单晶体结合部P区一边将留下一些负离子，区一边将留下一些负离子，N区一边区一边将留下一些正离子，它们形成的电场称为空间电荷区、即将留下一些正离子，它们形成的电场称为空间电荷区、即PN结结。PN结中的电场称为内电场，其方向由

8、结中的电场称为内电场，其方向由N区指向区指向P区，如图区，如图6-2(b)所示。所示。 在这个单晶体中，将在这个单晶体中，将P型半导体的一边称为型半导体的一边称为P区，将区，将N型半导体的一型半导体的一边称为边称为N区。区。P区的空穴浓度高，自由电子浓度低；区的空穴浓度高，自由电子浓度低；N区的自由电子浓度区的自由电子浓度高，空穴浓度低。由于单晶体两边的载流子浓度不同，载流子会由浓度高，空穴浓度低。由于单晶体两边的载流子浓度不同，载流子会由浓度高的一边向浓度低的一边扩散，即高的一边向浓度低的一边扩散，即P区的空穴向区的空穴向N区扩散、区扩散、N区的自由电区的自由电子向子向P区扩散，如图区扩散，

9、如图6-2(a)所示。所示。 采用一定的工艺，在一块单晶体的两边掺入不同的杂采用一定的工艺，在一块单晶体的两边掺入不同的杂质，使单晶体的两边分别形成质，使单晶体的两边分别形成P型半导体和型半导体和N型半导体，型半导体，其结合部就是其结合部就是PN结。结。6.1.2PN节及其单向导电性节及其单向导电性v 内电场有两方面作用：一方面对多数载流子内电场有两方面作用：一方面对多数载流子(P(P区的空穴区的空穴和和N N区的自由电子区的自由电子) )的扩散运动起阻碍作用，即内电场起的扩散运动起阻碍作用，即内电场起阻挡作用，因此空间电荷区又称为阻挡层；另一方面却阻挡作用，因此空间电荷区又称为阻挡层；另一方

10、面却推动少数载流子推动少数载流子(P(P区的自由电子和区的自由电子和N N区的空穴区的空穴) )越过空间越过空间电荷区，少数载流子在电场力作用下有规则地越过空间电荷区，少数载流子在电场力作用下有规则地越过空间电荷区的运动称为漂移运动。电荷区的运动称为漂移运动。图图6-2PN结的形成结的形成6.1.2PN节及其单向导电性节及其单向导电性如果在如果在PN结上加上反向电压结上加上反向电压(也称为反向偏置也称为反向偏置)，即外电源的负、正极，即外电源的负、正极分别与分别与P、N区连接，如图区连接，如图6-3(b)所示。那么，内电场被方向相同的外所示。那么，内电场被方向相同的外电场加强，阻挡层变宽，使多

11、数载流子的扩散运动受到极大的阻碍，电场加强，阻挡层变宽，使多数载流子的扩散运动受到极大的阻碍，同时却使少数载流子的漂移运动得到加强，形成一定的漂移电流。这同时却使少数载流子的漂移运动得到加强，形成一定的漂移电流。这个漂移电流持续地从个漂移电流持续地从N区流向区流向P区，我们称之为反向电流。由于反向电区，我们称之为反向电流。由于反向电流是由少数载流子的漂移运动产生的，其数值不大。此时，流是由少数载流子的漂移运动产生的，其数值不大。此时，PN结处于结处于反向截止状态。温度越高时，载流子的数目越多，反向电流也越大。反向截止状态。温度越高时，载流子的数目越多，反向电流也越大。如果在如果在PN结上加上正

12、向电压结上加上正向电压(也称为正向偏置也称为正向偏置)，即外电源的正、，即外电源的正、负极分别与负极分别与P、N区连接，如图区连接，如图6-3(a)所示。那么，内电场被方所示。那么，内电场被方向相反的外电场削弱，阻挡层变窄，使多数载流子的扩散运动向相反的外电场削弱，阻挡层变窄，使多数载流子的扩散运动加强，形成较大的扩散电流。这个扩散电流在外电源不断提供加强，形成较大的扩散电流。这个扩散电流在外电源不断提供电荷的情况下持续地从电荷的情况下持续地从P区流向区流向N区，我们称之为正向电流。此区，我们称之为正向电流。此时，时，PN结处于正向导通状态。结处于正向导通状态。6.1.2PN节及其单向导电性节

13、及其单向导电性v 可见，可见，PNPN结正向偏置时导通、反向偏置时截止，结正向偏置时导通、反向偏置时截止，PNPN结具结具有单向导电性。有单向导电性。图图6-3PN结的单向导电性结的单向导电性相关知识相关知识任务任务6.16.1半导体的基本知识半导体的基本知识任务任务6.26.2半导体二极管半导体二极管任务任务6.36.3半导体三极管半导体三极管任务任务6.46.4集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用任务任务6.2半导体二极管半导体二极管普通半导体二极管普通半导体二极管1稳压管及发光二极管稳压管及发光二极管2整整 流流 电电 路路36.2.1普通半导体二极管普通半导体二极管（1 1）基

14、本结构基本结构在PN结加上相应的电极引线和外壳就做成了半导体二极管。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，普通半导体二极管的图形符号如图6-4(a)所示。普通半导体二极管按结构可分为点接触型二极管和面接触型二极管两种，如图6-4(b)、(c)所示。（2 2）伏安特性）伏安特性二极管实质上就是一个PN结，它具有单向导电性，硅二极管的伏安特性如图6-5所示。1)反向击穿2)反向击穿电压，用符号UBR表示3)热击穿。（3 3）主要参数）主要参数为了合理、安全地使用二极管，除了掌握二极管的伏安特性外，还应该掌握二极管的参数。二极管的主要参数有下面几个。1) 最大整流电流IFM

15、。2) 最大反向电压URM。3) 最大反向电流IRM。6.2.1普通半导体二极管普通半导体二极管图图6-4半导体二极管半导体二极管图图6-5二极管伏安特性二极管伏安特性6.2.2稳压管及发光二极管稳压管及发光二极管2复合分组体系复合分组体系发光二极管简称LED，是一种固态PN结器件，利用半导体通电过程中自由电子与空穴复合时的辐射发光效应工作。发光二极管常用砷化镓、磷化镓等材料制成，其图形符号如图6-7所示。1.稳压管的伏安特性及主要参数稳压管的伏安特性及主要参数 稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管，其掺入的杂质浓度较高、PN结较薄。稳压管的图形符号和伏安特性曲线如图6-6所示， 稳压管的主要参

16、数有以下几点。(1) 稳定电压UZ。(2) 稳定电流IZ。(3) 最大稳定电流IZM。(4) 动态电阻rZ。 (5) 最大允许耗散功率PZM。即:ZZZUrIZMZZMPU I6.2.2稳压管及发光二极管稳压管及发光二极管图图6-6稳压管稳压管图图6-7发光二极管图形符号发光二极管图形符号6.2.3整流电路整流电路 生产和生活中的某些方面常常用到直流电源生产和生活中的某些方面常常用到直流电源，如电解、电镀、电池充电、电子线路、直流电，如电解、电镀、电池充电、电子线路、直流电动机控制系统等均需要直流电源供电。直流发电动机控制系统等均需要直流电源供电。直流发电机可以提供直流电源，但是直流发电机的初

17、投资机可以提供直流电源，但是直流发电机的初投资较大、能耗较大、所占的空间也较大，而且还有较大、能耗较大、所占的空间也较大，而且还有噪音，目前已经很少采用。取而代之的是，利用噪音，目前已经很少采用。取而代之的是，利用半导体元器件将交流电源变换成直流电源，这一半导体元器件将交流电源变换成直流电源，这一过程就称为整流。过程就称为整流。相关知识相关知识任务任务6.16.1半导体的基本知识半导体的基本知识任务任务6.26.2半导体二极管半导体二极管任务任务6.36.3半导体三极管半导体三极管任务任务6.46.4集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用任务任务6.3半导体三极管半导体三极管1半导体三极

18、管的基本结构半导体三极管的基本结构2电流分配和放大原理电流分配和放大原理3特性曲线特性曲线4三极管的参数三极管的参数5基本交流放大电路的组成及分析基本交流放大电路的组成及分析6.3.1半导体三极管的基本结构半导体三极管的基本结构v 半导体三极管半导体三极管( (简称三极管或晶体管简称三极管或晶体管) )是通过一定的工是通过一定的工艺，在一整块半导体基片上形成两个艺，在一整块半导体基片上形成两个PNPN结的器件，其结结的器件，其结构及图形符号如图构及图形符号如图6-86-8所示。所示。图图6-8三极管结构示意图及符号三极管结构示意图及符号6.3.2电流分配和放大原理电流分配和放大原理v 三极管具

19、有电流放大作用，如果在基极三极管具有电流放大作用，如果在基极B B输入一个较小的输入一个较小的电流电流I IB B，那么在集电极，那么在集电极C(C(或发射极或发射极E)E)输出一个较大的电输出一个较大的电流流I IC C( (或或I IE E) )。我们可以用一个实验来说明三极管的电流。我们可以用一个实验来说明三极管的电流放大作用，实验电路如图放大作用，实验电路如图6-96-9所示。所示。图图6-9三极管电流放大实验电路三极管电流放大实验电路6.3.2电流分配和放大原理电流分配和放大原理v 将三极管看成一个广义节点时，流出该节点的发射极电将三极管看成一个广义节点时，流出该节点的发射极电流流I

20、 IE E与流入该节点的基极电流与流入该节点的基极电流I IB B、集电极电流、集电极电流I IC C之间符合之间符合基尔霍夫电流定律，即基尔霍夫电流定律，即v 当发射结正向偏置，集电结反向偏置时，三极管的基极当发射结正向偏置，集电结反向偏置时，三极管的基极电流远小于发射极和集电极的电流，即三极管具有电流电流远小于发射极和集电极的电流，即三极管具有电流放大作用，有放大作用，有v 且集电极电流且集电极电流I IC C与基极电流与基极电流I IB B的比值在一定范围内近似的比值在一定范围内近似为一个常数，即为一个常数，即EBCIIIBECIIICBII常数常数6.3.2电流分配和放大原理电流分配和

21、放大原理v 电流放大作用也表现在基极电流的微小变化可以引起集电流放大作用也表现在基极电流的微小变化可以引起集电极电流的很大变化上，集电极电流的变化量电极电流的很大变化上，集电极电流的变化量I IC C与基与基极电流的变化量极电流的变化量I IB B之比值在一定范围内近似为一个常之比值在一定范围内近似为一个常数，即数，即v 基极电路开路，即基极电路开路，即I IB B=0=0时，时，I IC C 0 0，此时的集电极电流称，此时的集电极电流称为穿透电流，用符号为穿透电流，用符号I ICEOCEO表示。表示。v 三极管的电流放大作用实际上是内部条件与外部条件相三极管的电流放大作用实际上是内部条件与

22、外部条件相结合的结果。结合的结果。CBII常数常数6.3.3特性曲线特性曲线v 三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线，三极管的特性曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线，输入特性曲线反映三极管的输入电流与输入电压之间的输入特性曲线反映三极管的输入电流与输入电压之间的关系，输出特性曲线反映三极管的输出电流与输出电压关系，输出特性曲线反映三极管的输出电流与输出电压之间的关系，它们反映了三极管的性能，是分析放大电之间的关系，它们反映了三极管的性能，是分析放大电路的重要依据。路的重要依据。输入特性曲线输入特性曲线1输出特性曲线输出特性曲线26.3.3.1输入特性曲线输入特性曲线v 输入特性曲线是

23、指保持集电极与发射极之间的电压输入特性曲线是指保持集电极与发射极之间的电压U UCECE不不变时，基极电流变时，基极电流I IB B与发射结正向电压与发射结正向电压U UBEBE的关系曲线的关系曲线I IB B= =f f( (U UBEBE) )，如图，如图6-106-10所示。所示。图图6-10三极管输入特性曲线三极管输入特性曲线6.3.3.2输出特性曲线输出特性曲线v 输出特性曲线是指保持基极电流输出特性曲线是指保持基极电流I IB B不变时，集电极电流不变时，集电极电流I IC C与集电极一发射极之间电压与集电极一发射极之间电压U UCECE的关系曲线的关系曲线I IC C= =f f

24、( (U UCECE) )，如图如图6-116-11所示为基极电流取不同的值时所对应的一组输所示为基极电流取不同的值时所对应的一组输出特性曲线。出特性曲线。图图6-11三极管输出特性曲线三极管输出特性曲线6.3.3.2输出特性曲线输出特性曲线v 从图中看出以下几点。从图中看出以下几点。1 UCE1V后，集电极一发射电压后，集电极一发射电压UCE的改变不会引起集电极的改变不会引起集电极电流电流IC的明显改变，说明三极管具有恒流特性。因为的明显改变，说明三极管具有恒流特性。因为UCE1V后，集电结已反向偏置，内电场的电场力已经足以将发射区后，集电结已反向偏置，内电场的电场力已经足以将发射区扩散到基

25、区的自由电子收集到集电区，再改变扩散到基区的自由电子收集到集电区，再改变UCE的值对集电的值对集电极电流极电流IC影响不大。影响不大。2 改变基极电流改变基极电流IB可以使集电极电流可以使集电极电流IC发生较大变化，说明三发生较大变化，说明三极管具有电流控制及电流放大作用。极管具有电流控制及电流放大作用。 三极管具有电流放大作用，电流放大系数为三极管具有电流放大作用，电流放大系数为CB1.741.14600.030.02II6.3.3.2输出特性曲线输出特性曲线v 从三极管的输出特性还可以看出，它分为以下从三极管的输出特性还可以看出，它分为以下3 3个工作区。个工作区。v 由于三极管可以处于饱

26、和及截止状态，因此三极管还具由于三极管可以处于饱和及截止状态，因此三极管还具有开关作用，常作为电子开关使用。有开关作用，常作为电子开关使用。 放放 大大 区区01截截 止止 区区02饱饱 和和 区区036.3.4三极管的参数三极管的参数1 1、电流放大系数、电流放大系数 、2 2、集、集基极反向饱和电流基极反向饱和电流I ICBOCBO3 3、集、集射极穿透电流射极穿透电流I ICEOCEO4 4、集电极最大允许电流、集电极最大允许电流I ICMCM5 5、集、集射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO6 6、集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许耗散功率P PCMC

27、M6.3.5基本交流放大电路的组成及分析基本交流放大电路的组成及分析基本交流放大电路的组成基本交流放大电路的组成1静态分析静态分析2动态分析动态分析3放大电路的主要动态性能指标放大电路的主要动态性能指标46.3.5.1基本交流放大电路的组成基本交流放大电路的组成v 如图如图6-126-12所示是一个共射极接法的单管交流放大电路。所示是一个共射极接法的单管交流放大电路。输入端输入端( (基极与发射极之间基极与发射极之间) )连接待放大的交流信号电压连接待放大的交流信号电压u ui i( (可以是微弱的无线电信号或传感器输出的微弱电信可以是微弱的无线电信号或传感器输出的微弱电信号号) )，输出端，

28、输出端( (集电极与发射极之间集电极与发射极之间) )开路，输出电压为开路，输出电压为u uo o。图图6-12基本放大电路基本放大电路6.3.5.1基本交流放大电路的组成基本交流放大电路的组成v 电路中各元件的作用如下所述。电路中各元件的作用如下所述。电容电容C1、C24.电阻电阻RB、RC3.电源电源UCC2.三极管三极管V1.6.3.5.2静态分析静态分析v 交流放大电路没有交流电信号输入交流放大电路没有交流电信号输入( (u ui i=0=0，i ii i=0)=0)时的工时的工作状态称为静态。交流放大电路处于静态时，电路中的作状态称为静态。交流放大电路处于静态时，电路中的电压、电流都

29、是直流电，可以用其直流通路来分析，如电压、电流都是直流电，可以用其直流通路来分析，如图图6 61313所示。对交流放大电路进行静态分析的目的就是所示。对交流放大电路进行静态分析的目的就是计算放大电路的静态工作点。放大电路静态时的计算放大电路的静态工作点。放大电路静态时的I IB B、I Ic c、U UCECE对应于三极管输出特性曲线上的一个点，称之为对应于三极管输出特性曲线上的一个点，称之为静态工作点，用符号静态工作点，用符号Q Q表示。静态工作点表示。静态工作点Q Q是放大器工作是放大器工作的基础，如果的基础，如果Q Q点的设置不合理或点的设置不合理或Q Q点不稳定，那么放大点不稳定，那么

30、放大电路的性能低或不能正常工作。电路的性能低或不能正常工作。图图6-13基本放大电路的直流通路基本放大电路的直流通路6.3.5.2静态分析静态分析v (1) (1) 静态工作点的计算。静态工作点的计算。v 静态工作点的计算常常采用图解法和估算法，这里介绍静态工作点的计算常常采用图解法和估算法，这里介绍估算法。在图估算法。在图6-136-13电路中，如果已知各元件的参数值及电路中，如果已知各元件的参数值及三极管的放大倍数三极管的放大倍数 ，则可以按以下方法估算出静态工作，则可以按以下方法估算出静态工作点点Q Q( (I IB B、I IC C、U UCECE) )。v 根据基尔霍夫电压定律，得根

31、据基尔霍夫电压定律，得v 静态基极电流为静态基极电流为v 由式由式(6-3)(6-3)得，静态时集电极电流为得，静态时集电极电流为v 静态时集电极发射极间电压为静态时集电极发射极间电压为BBBECCR IUUCCBEBBUUIRCBCEOBIIIICECCCCUUI R6.3.5.2静态分析静态分析v (2) (2) 静态工作点设置。静态工作点设置。 静态工作点Q的设置不合适时，会引起输出波形失真。输出信号的波形与输入信号的波形不相像或不成线性关系时称为失真，也称非线性失真。 当静态工作点太低时，三极管在输入的交流电压信号ui负半周的一段时间里处于截止状态，放大电路不输出交流电压信号而引起输出

32、电压UCE失真时称之为截止失真。 当静态工作点太高时，三极管在输入交流电压信号ui正半周的一段时间里处于饱和状态，放大电路输出的交流电压信号得不到线性的放大而引起输出电压uCE失真。 为避免波形失真，负载一定时静态工作点应设置在三极管输出特性上既不靠近饱和区又不靠近截止区的位置。静态工作点可以通过改变电阻RB、RC及电源UCC的值加以调整。6.3.5.2静态分析静态分析v (3) (3) 静态工作点的稳定。静态工作点的稳定。v 由于三极管的一些参数会随着温度的变化而变化，因此由于三极管的一些参数会随着温度的变化而变化，因此静态工作点的位置会随着温度的变化而变动。例如，当静态工作点的位置会随着温

33、度的变化而变动。例如，当温度升高时，温度升高时，值增大，值增大，I IC C增大，静态工作点位置上移。增大，静态工作点位置上移。v 为了降低温度变化对静态工作点的影响程度，常采用分为了降低温度变化对静态工作点的影响程度，常采用分压式偏置电路，如图压式偏置电路，如图6-146-14所示。从图中看出，当所示。从图中看出，当 、即、即I IB B可以忽略时，三极管的基极电位可以忽略时，三极管的基极电位U UB B为为图图6-14分压式偏置电路分压式偏置电路B2B2B2CCB1B2RUI RURR6.3.5.3动态分析动态分析v 交流放大电路有交流电信号输入交流放大电路有交流电信号输入( (u ui

34、i 0 0，i ii i 0) 0)时的工作时的工作状态称为动态。交流放大电路处于动态时，电路中的电状态称为动态。交流放大电路处于动态时，电路中的电压、电流是一个直流量与一个交流量的叠加，因此不能压、电流是一个直流量与一个交流量的叠加，因此不能利用其直流通路来进行分析。但是，当输入信号是变化利用其直流通路来进行分析。但是，当输入信号是变化范围比较小的交流电信号时，我们可以把输入、输出特范围比较小的交流电信号时，我们可以把输入、输出特性均为非线性的三极管用一个线性的等效电路来代替，性均为非线性的三极管用一个线性的等效电路来代替，这个电路称为三极管的微变等效电路。对交流放大电路这个电路称为三极管的

35、微变等效电路。对交流放大电路进行动态分析的目的，就是确定放大电路的输入电阻、进行动态分析的目的，就是确定放大电路的输入电阻、输出电阻和电压放大倍数等主要动态性能指标。输出电阻和电压放大倍数等主要动态性能指标。v 三极管的微变等效电路如图三极管的微变等效电路如图6-156-15所示。所示。图图6-15三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路6.3.5.3动态分析动态分析v 三极管的输入电阻就是从基极、发射极之间看进去的交三极管的输入电阻就是从基极、发射极之间看进去的交流等效电阻流等效电阻r rbebe，有，有v 因此，三极管的输入电路可以等效为如图因此，三极管的输入电路可以等效为如图6-156-

36、15所示电路所示电路中的左半部分。中的左半部分。r rbebe的数值在几百欧到几千欧之间，可以的数值在几百欧到几千欧之间，可以从手册上查到，也可以用估算公式计算。对低频小功率从手册上查到，也可以用估算公式计算。对低频小功率管组成的共射极电路，有管组成的共射极电路，有v 由于三极管具有恒流特性，因此可以将三极管的输出电由于三极管具有恒流特性，因此可以将三极管的输出电路等效为电流路等效为电流 的一个恒流源，如图的一个恒流源，如图6-156-15所示电路中的右所示电路中的右半部分。半部分。bebeburibeE26(mV)200(1)rI6.3.5.4放大电路的主要动态性能指标放大电路的主要动态性能

37、指标v 以固定偏置电路为例，其微变等效电路如图以固定偏置电路为例，其微变等效电路如图6-166-16所示。所示。图图6-16固定偏置电路的微变等效电路固定偏置电路的微变等效电路(1) (1) 输入电阻输入电阻r ri i(2) (2) 输出电阻输出电阻r ro o(3) (3) 电压放大倍数电压放大倍数A Au u(3) (3) 电压放大倍数电压放大倍数A Au uv 输出正弦电压与输入正弦电压两者的相量输出正弦电压与输入正弦电压两者的相量( (或有效值或有效值) )之之比称为放大电路的电压放大倍数，即比称为放大电路的电压放大倍数，即v 由图由图6-166-16的固定偏置电路之微变等效电路得的

38、固定偏置电路之微变等效电路得v 电压放大倍数为电压放大倍数为v 其中，负号表示输出正弦电压与输入正弦电压反相。其中，负号表示输出正弦电压与输入正弦电压反相。v 当固定偏置电路接有负载当固定偏置电路接有负载R RL L时，其电压放大倍数为时，其电压放大倍数为oouiiUUAUUibe BUr Ioo CC BUr IR IoCBCuibeBbeUR IRAUr Ir CCube/RRAr 相关知识相关知识任务任务6.16.1半导体的基本知识半导体的基本知识任务任务6.26.2半导体二极管半导体二极管任务任务6.36.3半导体三极管半导体三极管任务任务6.46.4集成运算放大器及其应用集成运算放大

39、器及其应用任务任务6.4集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 集成电路与三极管等分立元件联成的电路相集成电路与三极管等分立元件联成的电路相比较，其有体积小、重量轻、造价低、工作可靠比较，其有体积小、重量轻、造价低、工作可靠等优点。集成电路的种类很多，其中集成运算放等优点。集成电路的种类很多，其中集成运算放大器通用性较强，在检测、控制、信号处理等方大器通用性较强，在检测、控制、信号处理等方面获得广泛应用。本任务首先简单介绍集成运算面获得广泛应用。本任务首先简单介绍集成运算放大器的基本组成和主要参数，然后对集成运算放大器的基本组成和主要参数，然后对集成运算放大器的反馈及基本运算电路进行讨论

40、，最后介放大器的反馈及基本运算电路进行讨论，最后介绍集成运算放大器在信号处理方面的一些应用。绍集成运算放大器在信号处理方面的一些应用。任务任务6.4集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用6.4.1集成运放的基本组成集成运放的基本组成6.4.2集成运算放大器的工作特点集成运算放大器的工作特点6.4.3集成运算放大器的反馈集成运算放大器的反馈6.4.4集成运算放大器的基本运算电路集成运算放大器的基本运算电路6.4.5集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例6.4.1集成运放的基本组成集成运放的基本组成集成运算放大器由输入级、中间级、输出级和偏置电路等基本部分组成，如图6-17所示。（

41、一）集成运算放大器的组成（一）集成运算放大器的组成图图6-17集成运算放大器的方框图集成运算放大器的方框图6.4.1集成运放的基本组成集成运放的基本组成v 集成运算放大器有金属圆形封装和塑料双列直插式封装集成运算放大器有金属圆形封装和塑料双列直插式封装两种封装形式。塑料双列直插式封装的两种封装形式。塑料双列直插式封装的LM741LM741通用型单运通用型单运放集成块的外型、管脚图及标准符号如图放集成块的外型、管脚图及标准符号如图6-186-18所示，各所示，各管脚的作用如下所述。管脚的作用如下所述。图图6-18LM741塑料封装集成块外形塑料封装集成块外形(俯视图俯视图)、管脚连接图、标准符号

42、、管脚连接图、标准符号6.4.1集成运放的基本组成集成运放的基本组成v (1) (1) 管脚管脚2 2、3 3分别是反相、同相输入端，信号从管脚分别是反相、同相输入端，信号从管脚2 2输输入时其输出信号与之反相，信号从管脚入时其输出信号与之反相，信号从管脚3 3输入时，其输出输入时，其输出信号与之同相。信号与之同相。v (2) (2) 管脚管脚4 4、7 7分别是外接负、正电源端，它们分别接标分别是外接负、正电源端，它们分别接标称电压为称电压为-15V-15V、+15V+15V的稳压电源。的稳压电源。v (3) (3) 管脚管脚1 1、5 5是外接调零电位器的两个端子。调节外接是外接调零电位器

43、的两个端子。调节外接电位器电位器R RP P，可以使输入信号为零时输出信号也为零。，可以使输入信号为零时输出信号也为零。v (4) (4) 管脚管脚6 6为输出端。为输出端。6.4.1集成运放的基本组成集成运放的基本组成（二）集成运算放大器的主要参数（二）集成运算放大器的主要参数 集成运算放大器的参数反映其性能的优劣，同时也是合理选择、使用的依据。下面介绍集成运算放大器的主要参数。(1) 开环差模电压放大倍数Aud。(2) 输入失调电压UIO。(3) 输入失调电流IIO。(4) 输入偏置电流IIB。(5) 差模输入电阻rid和输出电阻ro。(6) 共模抑制比KCMR。(7) 最大输出电压UOP

44、P。(8) 最大差模输入电压UIDM。(9) 最大共模输入电压UICM。6.4.2集成运算放大器的工作特点集成运算放大器的工作特点v 集成运算放大器处于线性工作状态时，其输入电阻和开集成运算放大器处于线性工作状态时，其输入电阻和开环电压放大倍数均很大。为了分析问题方便起见，认为环电压放大倍数均很大。为了分析问题方便起见，认为输入电阻和开环电压放大倍数均为无穷大，此时集成运输入电阻和开环电压放大倍数均为无穷大，此时集成运算放大器有两个基本特点。算放大器有两个基本特点。v (1) (1) 由于输入电阻为无穷大，集成运算放大器的两个输由于输入电阻为无穷大，集成运算放大器的两个输入端输入的电流为零称为

45、入端输入的电流为零称为“虚断虚断”。v 即即 i i1 1i i2 200v (2) (2) 由于开环电压放大倍数由于开环电压放大倍数A Audud为无穷大，由式为无穷大，由式(6-10)(6-10)得得v 即即 u ui1i1u ui2i2v 可见，如果两个输入端的其中之一接地，那么另一个输可见，如果两个输入端的其中之一接地，那么另一个输入端对地的电位近似为零，由于这个输入端并没有真正入端对地的电位近似为零，由于这个输入端并没有真正地接地，称之为地接地，称之为“虚短虚短”。oi2i1UD0uuuA6.4.3集成运算放大器的反馈集成运算放大器的反馈v 电路的输出信号电路的输出信号( (一部分或

46、全部一部分或全部) )引回到电路的输入端称引回到电路的输入端称为反馈，如图为反馈，如图6-196-19所示。当引回输入端的信号使输入放所示。当引回输入端的信号使输入放大器的信号得到加强时，即大器的信号得到加强时，即x xd d= =x xi i+ +x xf f增加时，称为正反增加时，称为正反馈。当引回输入端的信号使输入放大器的信号减弱时，馈。当引回输入端的信号使输入放大器的信号减弱时，即即x xd d= =x xi i+ +x xf f减小时，称为负反馈。减小时，称为负反馈。图图6-19反馈反馈6.4.4集成运算放大器的基本运算电路集成运算放大器的基本运算电路v 对集成运算放大器的基本运算电

47、路进行分析时，运用其对集成运算放大器的基本运算电路进行分析时，运用其两个基本特点可以使问题简化。两个基本特点可以使问题简化。(1)反相比例运算电路反相比例运算电路(2)同相比例运算电路同相比例运算电路(3)加法运算电路加法运算电路(4)减法运算电路减法运算电路(5)积分运算电路积分运算电路6.4.4.1反相比例运算电路反相比例运算电路v 如图如图6-206-20所示是反相比例运算电路，它含有深度电压并所示是反相比例运算电路，它含有深度电压并联负反馈。根据集成运算放大器的两个基本特点，联负反馈。根据集成运算放大器的两个基本特点，知知 ， ，有，有v 且且v 则闭环电压放大倍数为则闭环电压放大倍数

48、为d0i ab0uuifiiaii11fuuuiRRaoofffuuuiRR 图图6-20反相比例运算电路反相比例运算电路ofufi1uRAuR 6.4.4.2同相比例运算电路同相比例运算电路v 如图如图6-216-21所示是同相比例运算电路。由于所示是同相比例运算电路。由于u ua au ub b ，其中，其中v 有闭环电压放大倍数有闭环电压放大倍数v 可见，实现了比例运算。如果使可见，实现了比例运算。如果使R Rf f=0(=0(R Rf f短接短接) )，则，则u uo o= =u ui i，实现了电压跟随，称之为电压跟随器。，实现了电压跟随，称之为电压跟随器。1ao1fRuuRRbiu

49、uofufi11uRAuR图图6-21同相比例运算电路、电压跟随器同相比例运算电路、电压跟随器6.4.4.3加法运算电路加法运算电路v 加法运算电路如图加法运算电路如图6-226-22所示，取所示，取R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R Rf f。由于。由于i id d =0=0， u ua au ub b =0=0，根据基尔霍夫电流定律得，根据基尔霍夫电流定律得v 则则v 可见，实现了加法运算。可见，实现了加法运算。i3i1i2fi1i2i3i1i2i312311()uuuiiiiuuuRRRRf0f fi1i2i3i1i2i31()()RuR iuuuuuuR 图图6-

50、22加法运算电路加法运算电路6.4.4.4减法运算电路减法运算电路v 减法运算电路如图减法运算电路如图6-236-23所示。由于两个输入端都有信号所示。由于两个输入端都有信号输入，因此也称为差动运算电路。取输入，因此也称为差动运算电路。取R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R Rf f，由于，由于i id d =0=0，有，有v 又又v 根据根据u ua au ub b得得v 可见，实现了减法运算。可见，实现了减法运算。i1fiii1oai1i11i1f1i111fuuuui Rui RuRRR3bi223RuuRR3ffoi2i1i2i112311RRRuuuuuRRRR图

51、图6-23减法运算电路减法运算电路6.4.4.5积分运算电路积分运算电路v 积分运算电路如图积分运算电路如图6-246-24所示，它以电容所示，它以电容C Cf f作为反馈元作为反馈元件。由于件。由于i id d =0 =0 ， u ua au ub b =0=0有有v 可见，实现了积分运算。可见，实现了积分运算。iif1uiiRocfif1f11dduuitutCR C 图图6-24积分运算电路积分运算电路6.4.5集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例v 集成运算放大器的应用很广泛，如可以用于实现信号的集成运算放大器的应用很广泛，如可以用于实现信号的处理。处理。信号的滤波信号的滤

52、波12信号幅度的采样保持信号幅度的采样保持3信号的比较信号的比较6.4.5.1信号的滤波信号的滤波v 如图如图6-256-25所示是集成运算放大器组成的有源高通滤波所示是集成运算放大器组成的有源高通滤波器，它是由器，它是由RCRC滤波器与集成运算放大器的同相输入端串滤波器与集成运算放大器的同相输入端串联组成的。由于采用了集成运算放大器，其输入电阻非联组成的。由于采用了集成运算放大器，其输入电阻非常大而对常大而对RCRC滤波器的影响很小，其输出电阻很小而增强滤波器的影响很小，其输出电阻很小而增强了带负载能力，并且还可以将有用的输入信号加以放了带负载能力，并且还可以将有用的输入信号加以放大。大。图

53、图6-25有源高通滤波器有源高通滤波器6.4.5.2信号幅度的采样保持信号幅度的采样保持v 如图如图6-266-26所示是由集成运算放大器组成的采样保持电路所示是由集成运算放大器组成的采样保持电路原理图及输入输出波形，它实质是一个电压跟随器。原理图及输入输出波形，它实质是一个电压跟随器。图图6-26信号的采样与保持电路信号的采样与保持电路6.4.5.3信号的比较信号的比较v 如图如图6-276-27所示是由集成运算放大器组成的信号电压比较所示是由集成运算放大器组成的信号电压比较电路及其传输特性曲线。由于集成运算放大器处于开环电路及其传输特性曲线。由于集成运算放大器处于开环状态，其电压放大倍数很

54、大，只要有微小的差模信号输状态，其电压放大倍数很大，只要有微小的差模信号输入，集成运算放大器将会饱和，输出电压入，集成运算放大器将会饱和，输出电压u uo o超过双向稳超过双向稳定管的击穿电压而被限幅。定管的击穿电压而被限幅。图图6-27信号电压比较信号电压比较6.4.5.3信号的比较信号的比较v 当当u ui i u uR R时，时，u uo o为正，被限幅为为正，被限幅为+ +U UDZDZ。v 当参考电压当参考电压u uR R=0=0时，称之为过零比较器，它可以将正弦时，称之为过零比较器，它可以将正弦波输入电压波输入电压u ui i转换为矩形波输出电压转换为矩形波输出电压u uo o，如

55、图，如图6-286-28所所示。示。图图6-28过零比较过零比较任务实施任务实施晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波1运算放大器的作用运算放大器的作用2(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波v 汽车交流发电机发出的电流整流成直流电后才能应用。汽车交流发电机发出的电流整流成直流电后才能应用。整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少流电。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电压采用负

56、反馈技术进一步稳定直流电压。压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。v 直流电源的方框图如图直流电源的方框图如图6-296-29所示。所示。图图6-29直流电源的方框图直流电源的方框图(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波v 1) 1) 实验目的。实验目的。 比较半波整流与桥式整流的特点比较半波整流与桥式整流的特点 比较比较C型滤波与型滤波与RC型滤波的特点型滤波的特点 验证半波整流及桥式整流的输入电压有验证半波整流及桥式整流的输入电压有效值与其输出值效值与其输出值Uo的关系的关系(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波v 2) 2) 实验原理。实验原理。v 半波整流与桥式整流的

57、特点。半波整流与桥式整流的特点。v 对如图对如图6-306-30所示的半波整流电路，由付氏级数展开式得所示的半波整流电路，由付氏级数展开式得半波整流时输出电压表达式为半波整流时输出电压表达式为oom1122coscos2cos42315UUttt图图6-30半波整流电路及波形半波整流电路及波形(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波v 忽略二极管内阻压降，则输出直流电压为忽略二极管内阻压降，则输出直流电压为 ，式中式中U U2 2为变压器负方电压有效值。为变压器负方电压有效值。v 对如图对如图6-316-31所示的桥式整流电路，由付式级数展开式得所示的桥式整流电路，由付式级数展开式得桥

58、式整流时输出电压表达式为桥式整流时输出电压表达式为v 可见桥式整流比半波整流输出直流电压高一倍。可见桥式整流比半波整流输出直流电压高一倍。om2o220.45UUUUoom241cos2cos4315UUttom2o2220.9UUUU图图6-31桥式整电路及其波形桥式整电路及其波形(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波v C C 型滤波与型滤波与RC RC 型滤波的特点。型滤波的特点。v 整流后得到的单向脉冲的直流电压因脉动大必须进行滤整流后得到的单向脉冲的直流电压因脉动大必须进行滤波才能得到较平滑的整流电压。波才能得到较平滑的整流电压。v 在如图在如图6-326-32所示的所示的

59、C C 滤波电路中，忽略二极管正向压滤波电路中，忽略二极管正向压降。在降。在t=tt=t1 1时，时，u u2 2、u uo o均达到最大值，而后均达到最大值，而后u u2 2、u uo o下降，下降，u u2 2按正弦规律下降很快；在按正弦规律下降很快；在t t= =t t2 2时，时，u u2 2 u uo o二极管又导通，电容器又被二极管又导通，电容器又被充电，重复上述过程，不难看出充电，重复上述过程，不难看出R RL L越大，其输出电压越越大，其输出电压越平滑，输出直流电压越接近于变压器付方交流电压峰平滑，输出直流电压越接近于变压器付方交流电压峰值，通常值，通常U Uo o=(0.9=

60、(0.91.4)1.4)U U2 2。(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波图图6-32滤波电路及其波形滤波电路及其波形图图6-33RC滤波电路滤波电路(1) 晶体二极管整流与滤波晶体二极管整流与滤波v 对于如图对于如图6-336-33所示的所示的RCRC滤波电路，由于在滤波电路，由于在C C1 1和和R RL L之间串之间串联一个电阻联一个电阻R R，使，使C C1 1放电速度减慢，有利于减少放电速度减慢，有利于减少C C1 1两端电两端电压波动，其次引入压波动，其次引入C C2 2后，使脉动电压的交流分量较多的后，使脉动电压的交流分量较多的降落在电阻降落在电阻R R两端，所以输出