全套课件·《电子技术》

1、电子技术第1章 半导体器件学习要点了解半导体的特性和导电方式，理解PN结的单向导电特性了解半导体二极管、三极管的结构理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数了解MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较1.1 PN结1.2 半导体二极管1.3 特殊二极管1.4 双极型三极管1.5 场效应晶体管 第1章 半导体器件1.1 PN结半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。1.1.1 半导体的导电特征半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间

2、的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。1激发产生自由电子和空穴（与自由电子的运动不同）有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空

3、穴作相反方向的运动。本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。2空穴的运动3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。（1） N型半导体自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子

4、（简称少子）（2） P型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。自由电子 多数载流子（简称多子）空 穴少数载流子（简称少子）无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。

5、在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。1PN结的形成1.1.2 PN结及其单向导电性 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移促使阻止 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结外加正向电压（也叫正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。2PN结的单向导电性外加反向电压（也叫反向

6、偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。 面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。1.2 半导体二极管1.2.1 半导体二极管的结构（1）正向特性外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。正向电

7、压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。（2）反向特性1.2.2 半导体二极管的伏安特性（1）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UB 的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。理

8、想二极管：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。1.2.3 半导体二极管的主要参数稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ。反向击穿后稳定工作的电压。（2）稳定电流IZ。工作电压等于稳定电压时的电流。（3）动态电阻rZ。稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/IZ（4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM。额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电

9、压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。1.3 特殊二极管1.3.1 稳压管1.3.2 发光二极管当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。1.3.3 光电二极管光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在P

10、N结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。1.4 双极型三极管1.4.1 三极管的结构及类型半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向1.4.2 电流分配和电流放大作用（

11、1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏（2）三极管内部载流子的传输过程a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iEb）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iBc）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC（3）电流分配关系： iE = iC + iB 实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。1.4.3 三极管的特性曲线1输入特性曲线与二极管类

12、似2输出特性曲线（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 （3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置 此时 1.4.4 三极管的主要参数1、电流放大系数：iC= iB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO3、极限参数 （1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。 （2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。（3）集电极最大允许功耗PCM 。 1.5 场效应晶体管1.5.1 绝缘栅型场效应管的结构耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。

13、增强型：UGS0才能在漏、源极之间形成导电沟道。无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高1、N沟道耗尽型场效应管的特性曲线耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一

14、定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。 UGS UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。2、N沟道增强型场效应管的特性曲线按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为可变电阻区。在虚线右边的区域内，当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻ro很大，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性

15、增大，这一区域称为放大区。综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压UGS对漏极ID控制作用的大小用跨导gm表示：1.5.3 绝缘栅型场效应管的主要参数第2章 单级交流放大电路理解共发射极单管放大电路的基本结构和工作原理掌握放大电路静态工作点的估算和微变等效电路的分析方法了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念理解射极输出器的电路结构、性能特点及应用了解场效应管共源极放大电路的结构和性能特点学习要点2.1 放大电路的组成和工作原理2.2 放大电路的静态分析2.3 放大电路的动态分析2.4 静态工作点的稳定

16、2.5 射极输出器2.6 场效应晶体管放大电路第2章 单级交流放大电路2.1 放大电路的组成和工作原理2.1.1 共发射极放大电路的组成根据放大电路连接方式的不同，可分为共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路3种，其中共发射极放大电路应用最广。（1）晶体管V。放大元件，用基极电流iB控制集电极电流iC。（2）电源UCC和UBB。使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。（3）偏置电阻RB。用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。（4）集电极负载电阻RC。

17、将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧。（5）电容Cl、C2。用来传递交流信号，起到耦合的作用。同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失，Cl、C2应选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。2.1.2 共发射极放大电路的工作原理uiuBEiBiC=iBuCEuo如果电路的参数选择适当，uo的幅度将比ui大得多，从而达到放大的目的。1、工作原理2、放大电路的组成原则（1）外加直流电源的极性必须使晶体管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，以保证晶体管工作在放大区。（2）输入回路的接法，应该使输入电压的变化量能传

18、送到晶体管的基极回路，并使基极电流产生相应的变化量。（3）输出回路的接法，应该使集电极电流的变化量能转化为集电极电压的变化量，并传送到放大电路的输出端。（4）要合理地设置放大电路的静态工作点。2.2.1 估算法静态是指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。直流通路：耦合电容可视为开路。2.2 放大电路的静态分析图解步骤：（1）用估算法求出基极电流IBQ（如40A）。（2）根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。（3）作直流负载线。根据集电极

19、电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC，其斜率为1/ RC ，只与集电极负载电阻RC有关，称为直流负载线。（4）求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB=40A的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q，该点就是静态工作点。由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ。2.2.2 图解法IB=40A的输出特性曲线由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线两者的交点Q就是静态工作点过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为ICQ过Q点作垂

20、线，在横轴上的截距即为ICQ动态是指有交流信号输入时，电路中的电流、电压随输入信号作相应变化的状态。由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作，电路中的电压uCE、电流iB和iC均包含两个分量。交流通路：（ui单独作用下的电路）。由于电容C1、C2足够大，容抗近似为零（相当于短路），直流电源UCC去掉（短接）。2.3 放大电路的动态分析图解步骤：（1）根据静态分析方法，求出静态工作点Q。（2）根据ui在输入特性上求uBE和iB。（3）作交流负载线。（4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。2.3.1 图解法从图解分析过程，可得出如下几个重要结论：（1）放大器中的

21、各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔开，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce，且与输入电压ui反相。（3）放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载电阻RL也越小，交流负载线就越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。（4）静态工作点Q设置得不合适，会对放大电路的性能造成影响。若Q点偏高，当ib按正弦规律变化时，Q进入饱和区，造成ic和uce的波形与ib（或ui）的波形不一致，输出电压uo（即uce）的负半周出现平顶畸变，称为饱和失真；若Q点偏低，则Q进入

22、截止区，输出电压uo的正半周出现平顶畸变，称为截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路，就是放大电路的微变等效电路，然后用线性电路的分析方法来分析，这种方法称为微变等效电路分析法。等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内，用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。（1）基本思路（2）晶体管微变等效电路输入特性曲线在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的。当uBE有一微小变化UBE时，基极电流变化IB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示，即：2.3.2 微变等效电路法输出特性曲线在放大区域内

23、可认为呈水平线，集电极电流的微小变化IC仅与基极电流的微小变化IB有关，而与电压uCE无关，故集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即：（3）放大电路微变等效电路电压放大倍数式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时输入电阻Ri输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流（输入电流）的大小。为了减轻信号源的负担，总希望Ri越大越好。另外，较大的输入电阻Ri，也可以降低信号源内阻Rs的影响，使放大电路获得较高的输入电压。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不理想。输出电阻对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化

24、对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式中Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。2.4.1 温度对静态工作点的影响温度升高UBE减小ICBO增大增大IC增大2.4 静态工作点的稳定条件：I2IB，则与温度基本无关。调节过程：2.4.2 静态工作点稳定的放大电路（1）静态分析（2）动态分析例：图示电路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解：（1）用估算法计算静态工作点（2）求电压放大倍数（3）求输入电阻和输出电阻2.5

25、.1 静态分析2.5 射极输出器求电压放大倍数2.5.2 动态分析求输入电阻求输出电阻射极输出器的特点：电压放大倍数小于1，但约等于1，即电压跟随。输入电阻较高。输出电阻较低。射极输出器的用途：射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，这是射极跟随器最突出的优点。射极跟随器常用作多级放大器的第一级或最末级，也可用于中间隔离级。用作输入级时，其高的输入电阻可以减轻信号源的负担，提高放大器的输入电压。用作输出级时，其低的输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响，并易于与低阻负载相匹配，向负载传送尽可能大的功率。例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=10

26、0 ，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解：（1）用估算法计算静态工作点设UGS=0，则：2.6 场效应晶体管放大电路2.6.1 静态分析2.6.2 动态分析第3章 多级放大电路了解多级放大电路的概念，掌握两级阻容耦合放大电路的分析方法了解差动放大电路的工作原理及差模信号和共模信号的概念理解基本互补对称功率放大电路的工作原理了解集成运算放大器的基本组成、特点以及各主要参数的意义理解集成运算放大器的电压传输特性和理想化的主要条件掌握集成运算放大器的线性应用和非线性应用的基本条件和分析依据理解反馈的概念，了解反馈的类型和负反馈对放大电路性能的影响学习要点3.1 多级放

27、大电路的耦合方式3.2 差动放大电路3.3 互补对称功率放大电路3.4 集成运算放大器3.5 放大电路中的负反馈第3章 多级放大电路3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的组成3.1.1 阻容耦合放大电路各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。1阻容耦合放大电路的特点2阻容耦合放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的

28、输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。输入电阻就是第一级的输入电阻。输出电阻就是最后一级的输出电阻。3阻容耦合放大的频率特性和频率失真中频段：电压放大倍数近似为常数。低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频

29、特性，相位移与频率的函数关系称为相频特性，二者统称为频率特性或频率响应。放大电路呈现带通特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上限频率和下限频率，其差值称为通频带。一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真。3.1.2 直接耦合放大电路优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于

30、没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。3.2 差动放大电路3.2.1 差动放大电路的工作原理抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。静态时，uil=ui20 ，此时由负电源UEE通过电阻RE和两管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对称性，两管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即：IC1= IC2UC1= UC2输出电压：uo UC1

31、 UC2=0温度变化时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即：IC1= IC2UC1= UC2输出电压：uo (UC1 + UC1)( UC2 +UC2 )=0即消除了零点漂移。1抑制零点漂移的原理2信号输入共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。共模电压放大倍数：说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。（1）共模输入因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则：差模

32、信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。差模电压放大倍数：可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。（2）差模输入（3）比较输入比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，又非差模。比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即：式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值特性。对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放

33、大倍数；而共模信号是干扰信号，因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac0。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：或用对数形式表示：在发射极电阻RE的作用：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。负电源UEE的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。恒

34、流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。3.2.2 差动放大电路的输入输出方式双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信

35、号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入。单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。双端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为：单端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为：或3.3 互补对称功率放大电路3.3.1 功率放大电路的特点及类型1功率放大电路的特点功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求功率放大电路

36、不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态，非线性失真也要比小信号的电压放大电路严重得多。此外，功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，必须尽可能提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值。2功率放大电路的类型甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50。乙类

37、功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类和乙类之间。3.3.2 互补对称功率放大电路1OCL功率放大电路静态（ui=0）时，UB=0、UE=0，偏置电压为零，V1、V2均处于截止状态，负载中没有电流，电路工作在乙类状态。动态（ui0）时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载；在ui的负半周V2导通而V1截止，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载。可见在输入信号ui

38、的整个周期内，V1、V2两管轮流交替地工作，互相补充，使负载获得完整的信号波形，故称互补对称电路。由于V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可与低阻负载RL直接匹配。从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真称为交越失真。产生交越失真的原因是由于V1、V2发射结静态偏压为零，放大电路工作在乙类状态。当输入信号ui小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压为零，使波形失真。为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管D

39、1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V2虽然都已基本导通，但因它们对称，UE仍为零，负载中仍无电流流过。2OTL功率放大电路因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载，同时对电容C充电；在ui的负半周V2导通而V1截止，电容C通过V2、RL放电，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载，电容C在这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，必须保持电容C上的电压基本维持在UCC/2不变，因此C的容量必须足够大。3.4 集成运算放大器简介3.4.1 集成运算放大器的组

40、成通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。3.4.2 集成运算放大器的主要参数及种类1、集成运放的主要参数2、集成运放的种类3.4.3

41、集成运算放大器的理想模型集成运放的理想化参数： Ado=、 rid=、 ro=0 、KCMR=、等非线性区（饱和区）非线性区分析依据：当i0，即时，oOM当i0，即 xi ，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用，引入的是负反馈。例：判断图示电路的反馈极性。解：设基极输入信号ui的瞬时极性为正，则发射极反馈信号uf的瞬时极性亦为正，发射结上实际得到的信号ube（净输入信号）与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。例：判断图示电路的反馈极性。解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，经RF返送回同相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负，净输入信号u

42、d与没有反馈时相比增大了，即反馈信号增强了输入信号的作用，故可确定为正反馈。例：判断图示电路的反馈极性。解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为正，净输入信号ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。根据反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式，可分为串联反馈和并联反馈。串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，ud=uiuf，以得到基本放大电路的输入电压ud。并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，id=iiif，以得到基本放大电路的输入电流ii。串联反馈和并联反馈可以根据

43、电路结构判别。当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点（另一点往往是接地点）时，一般可判定为并联反馈；而接在放大电路的不同点时，一般可判定为串联反馈。综合以上两种情况，可构成电压串联、电压并联、电流串联和电流并联4种不同类型的负反馈放大电路。3.5.2 负反馈的类型及其判别1、电压串联负反馈设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电压uf=0，即反馈信号消失，故为电压反馈。ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的

44、反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联反馈。uiuf2、电压并联负反馈设ui（ii）瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为负，if的方向与图示参考方向相同，即if瞬时极性为正，id与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电流if=0，即反馈信号消失，故为电压反馈。ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈。iiif3、电流串联负反馈设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入

45、信号的作用，故为负反馈。将输出端交流短路，尽管uo=0 ，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈。ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联反馈。uiuf设ui（ii）瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为负，if的方向与图示参考方向相同，即if瞬时极性为正，id与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。4、电流并联负反馈将输出端交流短路，尽管uo=0 ，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈。ii加在集成运

46、算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈。iiif3.5.3 负反馈对放大电路性能的影响1、稳定放大倍数引入负反馈后，闭环放大倍数的相对变化率为开环放大倍数相对变化率的1+AF分之一，因1+AF1，所以即闭环放大倍数的稳定性优于开环放大倍数。负反馈越深，放大倍数越稳定。在深度负反馈条件下，即1+AF1时，有：表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反馈系数F，而与开环放大倍数A无关。通常反馈网络仅由电阻构成，反馈系数F十分稳定。所以，闭环放大倍数必然是相当稳定的，诸如温度变化、参数改变、电源电压波动等明显影响开环放大倍数的因素，都不会对

47、闭环放大倍数产生多大影响。2、减小非线性失真无负反馈时产生正半周大负半周小的失真。引入负反馈后，失真了的信号经反馈网络又送回到输入端，与输入信号反相叠加，得到的净输入信号为正半周小而负半周大。这样正好弥补了放大器的缺陷，使输出信号比较接近于正弦波。3、展宽通频带因为放大电路在中频段的开环放大倍数A较高，反馈信号也较大，因而净输入信号降低得较多，闭环放大倍数Af也随之降低较多；而在低频段和高频段，A较低，反馈信号较小，因而净输入信号降低得较小，闭环放大倍数Af也降低较小。这样使放大倍数在比较宽的频段上趋于稳定，即展宽了通频带。4、改变输入电阻对于串联负反馈，由于反馈网络和输入回路串联，总输入电阻

48、为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分串联相加，故可使放大电路的输入电阻增大。对于并联负反馈，由于反馈网络和输入回路并联，总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分并联，故可使放大电路的输入电阻减小。5、改变输出电阻对于电压负反馈，由于反馈信号正比于输出电压，反馈的作用是使输出电压趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电压源特性，故而使输出电阻减小。对于电流负反馈，由于反馈信号正比于输出电流，反馈的作用是使输出电流趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电流源特性，故而使输出电阻增大。第4章 集成运算放

49、大器的应用掌握集成运算放大器在线性和非线性应用时的分析方法掌握集成运算放大器的反相、同相、差动3种基本输入方式及其电路的特点熟悉比例、加减、积分、微分等基本运算电路的结构、工作原理、特点和功能能分析由基本运算电路组合而成的其他运算电路熟悉电压比较器的电路结构、工作原理和分析方法熟悉一阶滤波器的电路结构、工作原理和分析方法了解采样保持电路、波形发生电路、信号测量电路的结构和工作原理了解集成运放在实际应用中的一些注意事项学习要点4.1 模拟运算电路4.2 信号处理电路4.3 波形发生电路4.4 使用运算放大器应注意的几个问题第4章 集成运算放大器的应用4.1 模拟运算电路4.1.1 比例运算电路1

50、、反相输入比例运算电路图示电路既能提高输入电阻，也能满足一定放大倍数的要求。根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，可以推出图4-2所示电路的闭环电压放大倍数为：例 在图4-2所示电路中，已知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求：（1）闭环电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2；（2）如果改用图4-1的电路，要想保持闭环电压放大倍数和输入电阻不变，反馈电阻Rf应该多大？解（1）闭环电压放大倍数为：2、同相输入比例运算电路电压跟随器例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作用。例 在图示电

51、路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求输出电压uo。4.1.2 加法和减法运算电路1、加法运算电路2、减法运算电路例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。例 试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系：解 由题中给出的运算关系可知ui3与uo反相，而ui1和ui2与uo同相，故可用反相加法运算电路将ui1和ui2相加后，其和再与ui3反相相加，从而可使

52、ui3反相一次，而ui1和ui2反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如图所示。由图可得：例：求图示电路中uo与ui的关系。4.1.3 积分和微分运算电路1、积分运算电路积分电路波形积分电路用于方波三角波转换例 在图示的电路中。（1）写出输出电压uo与输入电压ui的运算关系。（2）若输入电压ui=1V，电容器两端的初始电压uC=0V，求输出电压uo变为0V所需要的时间。2、微分运算电路4.2 信号处理电路4.2.1 有源滤波器滤波器：选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；而对于频率超出此范围的信号，使其不易通过。不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、带通和带

53、阻四种。无源滤波器：仅由无源元件R、C构成的滤波器。无源滤波器的带负载能力较差，这是因为无源滤波器与负载间没有隔离，当在输出端接上负载时，负载也将成为滤波器的一部分，这必然导致滤波器频率特性的改变。此外，由于无源滤波器仅由无源元件构成，无放大能力，所以对输入信号总是衰减的。有源滤波器：由无源元件R、C和放大电路构成的滤波器。放大电路广泛采用带有深度负反馈的集成运算放大器。由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。1、低通滤波器截止角频率：2、高通滤波器截止角频率：4.2.2 采样保持电路采样阶段

54、：控制信号uG出现时，电子开关接通，输入模拟信号ui经电子开关使保持电容C迅速充电，电容电压即输出电压uo跟随输入模拟信号电压ui的变化而变化。保持阶段：uG=0，电子开关断开，保持电容C上的电压因为没有放电回路而得以保持。一直到下一次控制信号的到来，开始新的采样保持周期。4.2.3 电压比较器运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值UOM。1、简单比较器基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导

55、通， uo=0；uiUR时，稳压管正向导通， uo=UZ；uiuH1时，比较器的输出电压uo由UOM跳变至UOM，此时同相输入端的电压为：当ui由高向低变化直至ui1。正弦波振荡器的基本组成部分：基本放大电路正反馈网络选频网络正弦波振荡器的分类：RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器文氏电桥振荡器2、 RC正弦波振荡器放大器的电压放大倍数为：反馈网络具有选频作用。RC反馈网络的反馈系数为：4.3.2 非正弦波发生电路1、方波发生电路电路组成：由滞回比较器和RC充放电回路两部分组成，图中VDZ是双向稳压管，起限制输出电压幅值的作用，R3是VDZ的限流电阻。电路工作原理：设t=0时电容上电压uC=0，滞

56、回比较器的输出电压uo=+UOM，则集成运放同相输入端的电位为：此时输出电压uo通过电阻R向电容C充电，使电容两端的电压uC按指数规律上升。由于电容C接在集成运放的反向输入端，所以，只要uCuH1 ，uo即由UZ跳变至UZ，于是集成运放同相输入端的电位立即变为：输出电压uo变为UZ后，电容C通过电阻R放电，使电容两端的电压uC按指数规律下降。uC下降到零后，电容C反方向充电。直至时uC uH2，比较器的输出电压uo又立即由UZ跳变至UZ。如此周而复始，便在输出端得到方波电压，而电容两端则得到三角波电压。2、三角波发生电路电路组成：在滞回比较器的输出端再接了一个积分电路组成，滞回比较器中的R1没

57、有直接接地，而是接到了积分电路的输出端。电路工作原理：由于虚断，运放A1反相输入端的电位为零，而同相输入端的电位uH同时与滞回比较器的输出电压uo1和积分电路的输出电压uo有关，根据叠加定理，可得：设t=0时滞回比较器的输出电压uo1=UZ，积分电路的输出电压uo=0，根据上式可知此时uHuA时，比较器输出高电平，uB=+UOM当ut0，IG=0时，晶闸管正向阻断，对应特性曲线的0A段。此时晶闸管阳极和阴极之间呈现很大的正向电阻，只有很小的正向漏电流。当UAK增加到正向转折电压UBO时，PN结J2被击穿，漏电流突然增大，从A点迅速经B点跳到C点，晶闸管转入导通状态。晶闸管正向导通以后工作在BC

58、段，电流很大而管压降只有1V左右，此时的伏安特性和普通二极管的正向特性相似。晶闸管导通以后，如果减小阳极电流IA，则当IA小于维持电流IH时，突然由导通状态变为阻断，特性曲线由B点跳到A点。应该指出，晶闸管的这种导通是正向击穿现象，很容易造成晶闸管永久性损坏，实际工作中应避免这种现象发生。另外，外加电压超过正向转折电压时，不论控制极是否加正向电压，晶闸管均会导通，控制极失去控制作用，这种现象也是不希望出现的，这是因为在可控整流电路中，应该由控制极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关，所以，晶闸管的正常导通应在控制极施加正向触发电压。从图中可以发现，晶闸管的触发电流IG越大，就越容易导

59、通，正向转折电压就越低。不同规格的晶闸管所需的触发电流是不同的，一般情况下，晶闸管的正向平均电流越大，所需的触发电流也越大。（2）反向特性。晶闸管承受反向电压，即时，晶闸管只有很小的反向漏电流，此段特性与二极管反向特性很相似，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流剧增，晶闸管反向击穿。6.1.4 晶闸管的主要参数（1）额定正向平均电流IF。IF是指在环境温度不大于40和标准散热及全导通的条件下，在电阻性负载的电路中，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值。它也叫通态平均电流，简称正向电流。在选择晶闸管时，其通态平均电流IF应为安装处实际通过的最大

60、平均电流的1.52倍。（2）维持电流IH。在规定环境温度下，控制极断开后，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH，当正向电流小于IH时，晶闸管自行关断。（3）正向重复峰值电压UFRM。在晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，用UFRM表示。通常规定UFRM为正向转折电压UBO的80。（4）反向重复峰值电压URRM。在控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，用URRM表示。通常规定URRM为反向击穿电压UBR的80。通常把UFRM和URRM中较小者作为晶闸管的额定电压。选用晶闸管时，额定电压应为正常工作时峰值电压的23倍，作为允许的过电压余量。6.