电子电路基础-文字版买刘

结及二极管半导体 大类。容绝缘体如塑料陶瓷橡胶等而导电能力介于导体与绝缘体之间电阻率在结构排列的半导体材料中掺入微量的其他元素时，其导电能力将会明显提高。这些特性是由半导体结构和其独特的导电机理形成的。 导体。 和（ 个电子个电子也称为价电子。物质的化学性质是由价电子决定的，半导体的导电能力也与价电子有关。为了突出价电子的作 硅和锗的原 表示原子核及内层电子所具有的电荷 结构简化模目前所用的半导体材料都要制成晶体就是说这些物质的原子在空间排列成很有规律的空间点阵简称晶格在晶体中由于原子之间的距离很近每个原子的个价电子不仅受所属原子核的约束，而且还受到相邻的原子核的吸引，使得每一个价电子为两个相邻的原子核所共有形成了共价键结构如图 所示。 （相当于、且无外界激发时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，此时晶体中 图晶体中的共价键结

图本征激发产自由电子和空由于存在这样的空位，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空是空穴所带的电荷量。所以空穴的运动就可看做是一个带正电荷的粒子的运动，空穴的出现是半导体区别于导体的重要特点。所以在半导体中存在着两种载流子：带负电荷的自由 穴对的产生和复合在不停地进行，最终达到了一种动态平衡，使半导体中载流子的浓度一定。

如果在本征半导体中掺入微量的其他元（这种其他元素通常称为杂质

型半 价元素杂质则原来晶格中的某些硅原将被杂质原子所代替。质原有 个价电用中的 个价电与相的 组成共键多个价子之图 所示。这多的电子受到杂质原子核的吸引这种束缚力较微弱只要较少的能（如在室温条件下就能挣脱杂质原子核的吸引而成为自由电子，同时杂质原子也变成带正电荷的离子。除了杂质原子给出的自由电子外（或锗晶体本身也将产生少量的电子 空穴对在这种杂质半导体中，电子的浓度将大大高于空穴的浓度，将主要依靠电子导电，因此将这种杂质半导体称为电子型半导体，简称 型半导体，其中自由电子称为多数载流子，简称多子空穴称为少数载流子，简称少子。由于掺入的杂质原子提供了大量的自由电子，所以也称这种杂质为施主杂质。型半导体、（或锗的晶体内掺入少量的价元素杂质，如硼、铝杂质原子的个价电子与相邻的个硅原子形成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便出现了一个空穴，如图、种杂质半导体称为空穴型半导体，简称型半导体其中空穴为多子自由电子为少子由 型半导体的晶体结 图型半导体的晶体结成各种各样的半导体器件。结

型半导体、 型半导体另一边形成 结。 结的形成 殊，区内的电子必然向 区扩散，且与 而。于是，在交界面两侧形成了一个由不能移动的正负离子所形成的空间电荷区，即 所示。在空间电荷区内几乎不存在可以自由运动的载流子，所以也称其为耗层。由于空间电荷区的出现，破坏了区、区带负电区带正电形成了一个由区指向区的电场，其电位差（一般在零点几伏用表示，并称之 区移动，同时 区漂移从 区失去的部分空穴，而从 图结的形，由此可见结中存在着两种载流子的运动：多子的扩散与少子的漂移。而由扩散运，形成的电流叫扩散电流，由漂移运动形成的电流叫漂移电流。扩散使空间电荷区加宽，内电场增也达到稳定。结的单向导电性在结的两端外加电压通常称之为偏置

所示。

区接电源正极 结的正向偏置。如 结中形成了正向的电流。由于该电流变化即结在正向偏置时，呈现出一个较小的电阻值反向偏置：区接电源负极，区接电源正极的偏置方式称之为 结的反向偏置。如图所示。的扩散更但有利于少子的漂移因而在 流。因为少子浓度有限，所以反向电流数值非常小。在一定的温度下，少子浓度基本不变，所以在外加反向偏置大于一定数值后（大于零点几伏其反向电流 为反向饱和电流。的值虽然很小，但它受温度的影响却十分明 正向偏置 反向偏置 结正向偏置时，将形成较大的正向电流 反向偏置时，反向饱和电流非常小，

结处于反向截止状态，这种特性就称 ，由理论分析可以得 结两端的偏置电 与结中流过的电 ，，式 为反向饱和电 为玻耳兹曼常数，，，）为开尔文，为焦 为热力学温度 为电子电量，，）库（可从两方面分析①当正向偏置时，且偏 大于几倍以上即随按指数规律变化②当反向偏置时，只需偏置电压大于几倍以上，则（负号表示反向电流（表示的特性称之为结的理想伏安特性可用图表示。结的击穿结在反向偏置时，在一定偏压范围内，形成的反向 很小，且不随偏压的增大而增大。但是当反向电压增大到一特定数值（时反向电流将急剧增加如图 结的反向击穿 结的理想伏安特①齐纳击穿

结击穿的原因可分两种当半导体材料的掺杂浓度较高时，耗尽层的宽度较窄，在不太大的反向电压（一般为几伏）②雪崩击穿从共价键中“撞形成电子 空穴对；新产生的电子 ，压 以下的多为齐纳击 以上的多为雪崩击穿 ，结出现击并不一定指结损坏要有一定的限流措施不会使 结的特性能恢复到击穿前的情 ①势垒电容

。，，，，②扩散电容

合当结外加正向电压时，两边的多子在扩散过程中越过结而成为另一方的少子合由少子浓度形成的浓度梯度。靠结边缘浓度大，离结远的地方浓度小当外加正向电压加大时，正向电流也增加，有的载流子扩散到对方区域，即在对方区域就有的载流子积累；反之当正偏电压减小时，对方区域内积累的载流子也减少。外加电压的改变引起结两侧区域内积累电荷量的变化所形成电容效应，称之为扩散电容，在结正向偏压时，电荷的积累随电压的升高而增多较大；而反向偏压时，载流积累很少所以反偏时忽略不计。，，，，， 所示的 代表结电阻表示 电容。正向偏置时， 而较大且主要由决定；反向偏置时 结反向，，，， 决定 结高频电路模 的电极叫阳（正极

区引出的电极叫阴（负极图所示为一些常用二极管的外形 电路符图半导体二极管的外形及电路符接触，中点触二管 结的面积允通过的电较但它们结电容也小，可以在较高的频率下工作，适用于高频检波、混频及小电流整流；面接触型二极管的 面积较大可通过较大的电流但其结电容也较大只能在较低的频率下工作常用于整流电；此外还有一种开关型二极管在脉冲数字电路中做开关管使用。二极管两端所加电压与管子中流过电流安特性，一个典型的二极管伏安特性曲线如图不。

所

由 想结的伏安特（见图正向特性

时，才出现明显的正向电流。通管的锗管的。当外加偏压超后，随着电压的增加，正向电流基本上按指数规律化，此时二极管处于导通状态。只要正向电流不是特别 二极管的伏安特性曲

由结特性可知，二极管在反向偏压作用下，反向电流很小，且基本上不随外加偏压增加而增加，这个反向电流称其为反向饱和电 约为以下锗管的反向击穿特性

大约为几十微安 二极管的开关特性二极管的主要特性为单向导电性，即外加正向偏压时二极管导通，此时等效电阻很小，可近于一个“开关的断开”。而二极管在正向导通与反向截止两种不同状态之间的转换过程就是二极管的开关特性。反向恢复过程在图所示电路中，输入一个如图所示的信号电压，由二极管特性知 时间内二极管处于正偏而导通电路中形成正向电流其数值即为二极管的导通压 时输入电压 突变

硅管为 而是由原来正向的突变为一个很大的反向 （有时用

状态此电流波形如图所示，，

称为时间 二极管的反向恢复过

的存在使二极管的开关工作速度受到限在分 当外加输入电压由正偏突变为反偏时原来的少子积累并不会马上而是 区的电子被拉至区。， 结仍将处于正偏结电阻很小，，与相比可忽略不计，所以形成了较大的反向电经 ， ，

在纳（数量级二极管的开通时间理论上讲，二极管从反向截止转为正向导通亦需要一定的时间，这个时间称为开通时间。开通时间与反向恢复时间相比要短得多，它对二极管的开关速度几乎不产生影响，所以一般都忽略不计。由于二极管的非线性特征，使电路参数的严格计算比较烦琐。为了计算方便，在特定条件下，常用一些线性化的模型来近似代替实际的二极管。（直流模由二极管的单向导电性可知，在外加正偏时二极管导通，其两端的导通压降很小，等效电阻很小近做；而外加反向偏压时管止，流过的电流为反向饱和电流值很小可似认零由此得极的直模如图 所示。即外加正偏电压超过导通电压时，二极管导通且存在一个管压降，而当二极管反偏或低于导小信号模

，，固定电（电流也称为静态工作点， ，，

点的切线斜率来描述称为二极管的微变等 二极管的直流模 二极管小信号等效电路模由二极管伏安特性表达 可 所示。其显然该图所示的小信号电路模型只适用于二极管处于正向导通且电压变化很小时，所以也称为微变等效电路模型。二极管的参数是对其伏安特性的定量描述，也是实际工作中正确使用和合理选择器件的①最大整流电流指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。它主要 ②最高反向工作电压指二极管在使用时所允许外加的最大反向电压，超过此值二极管有可能被击穿为了留有余地通常将击穿电压 的一半定为③反向电流指在室温下二极管两端加上规定的反向电压但未击穿时的反向电，值。通常希望愈小愈好愈小，表明二极管的单向导电性愈好。由于反向电流是由少，

受温度的影响特别大的值主要决定 结结电容的大小结电容愈大则二极管 愈低。而工作频率超 极间电容 例如国产检波二极管的参数往往给出的是参数的范围。另外还要注意的是，手册上给出的参数是在一定的测试条件下测伏安特电路符伏安特电路符①稳定电压指稳压管中流过规定的电流值时，稳压管两端的电压值。是根据需求挑选稳压管 稳压管的特②稳定电 指稳压管正常工作时的参考

曲线及电路③动③动态电指稳压管两端的变化电压与通过电流的变化。显 愈小。 稳压管当，，，作电流 约为当升 降至约，，，④额定功耗稳压管在工作时两端存在稳定电压 此就有功耗这部分功耗将以热能的形式使管子发热额定功耗 就决定于稳压管允许的温升。其数值为稳定电压与稳压管允许的最大电流 ⑤温度系数用来说明稳压管稳压值受温度影响的参数。定义为当稳压管工作电流不变时，环境温度每升高℃所引起的稳定电压变化的百分比。就硅稳压管而言，一般低于时为负值高于时为正值；而在 之间的稳压管其值较小，说明，；；变容二极管，；；由前面结的讨论可知二极管有结电容（其中包括势垒电容和扩散电容结电容的数值不是一个常数，它与外加电压有关。二极管在反向偏压下，其结电容随 ）电路符号（结电容与电压的关系曲线（纵坐标为对数刻度图变容二极电路符号及变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容变化量可从几皮法至几百皮法。变容二极管在高频技术中应用较多。反向电流将随光照强度的增加而上升。利用这一特性可构成光电二极管，图二极管的电路符号、等效电路及特性曲线。

一般的光电二极管灵敏度为读做勒克斯，为照度单位），可用来做光强的测发光二极管通常都是用元素周期表中族元素的化合物如砷化磷化镓等制成这种管子在外加正向电压电子与空穴直接复合释放能量从而发光如 发光二极

段码显半导体三极跃。常见的半导体三极管外形如图所示半导体三极管的种类很多，按工作频率可分为高按功率可分

型 型图所示 型三极管的结构示意图及相应的电路符号由图可以看出半导体三极管 个相互间隔的区域构成分别称其为发射区基区和集电区 个区域对应的引出电极称做发射（极（和集电（而发射区与图三极管的结构示意图和电路符 结称做发射（集电区与基区之间形成 结称做集电（。基 型半导体的称 型三极管两种型号管子的电路符号如图中所示，其中发射极的箭头方向表示发射结在正作用，在其制造工艺上还得保 个特性：发射区掺杂浓度高；基区很薄及掺杂浓度低③集电区面积较大，掺杂浓 种基本组态。不同的组态构成的电路特性各不相同，但三极管本身的工作原理是一致的，且为了使三极管能正常放大，必须满足：发射结正向偏压，集电结反向偏压。下面以型三极管为例进行分析。图表 向偏压而就是给集电结提供反向偏压。发射区发射载流子由于发射结正向偏置由结原理可知发射区的多（电子源源不断地扩散越过发射 。由于发 载载流子的运）各极电流关图三极管内部载流子的运动和电流关电源不断进行补充，从而形成基极电流的一部分。由于基区很薄且掺杂浓度很低，

，强，所以在基区扩散到集电结边缘的少（电子在反偏电压的吸引下漂移过集电极而被集电区收集形成集电极电流的一部分显然， 表示。 大系数用表示即则 可改写（（由于很小通 值在之间如将 代入（整理后可令

（（可以写（（称为电

可以写（当忽略）通常的值为几十至几百。以上分析的是三极管中流过的直流电流之间的分配关系，但在通常情况下，为了分析对；个信号的放大作用，需要知道每个电极中电流的微小变化量之间的关系。如 个电极的电流微小变化量分别用及表示则称为共射交流电流放大系数为共基交流电流放大系数。且 满足；， （显然 与有着完全不同的物理含义。但对于大多数三极管而言， ，

图中保证了发射结处于正偏，而保证设则发射结电压就在原来的基础上叠加了一个即在的作用下发射极电流也将发生变化即。由于三极管内部载流子分配关系一定，所以集电极电流将随 简单的共射极放大电路改变而改变。如果，且 能引起极电流的变化（上的电压变化为显然在（负 上获得的变化电压比原输入信号电压大了许多倍，通常定义为电压放大倍数。该例中的电压放大倍数

，负号表示输出电压与输入电压相位相反。由于半导体三极管有个电极且又为非线件所以要全面了解三极管的特性常用 型三极管在共发射极组态（见图的特性曲线。输入特性曲输入特性曲线指当集电极与发射极之间的电 流与基极发射极之间的电 之间的关系。显然不同 即三极管的集电极与发射极相接，相当于集电结与发射结两 结

随着 ，三极管发射结正偏而集电结反偏，三极管处于放大状态，此时发射区注入的电子只有极小部分在基区复合，大部分都被集电极收集。因此对应于相同 时条特性曲线。

所示右边的 继续增特性曲线还将继续右移。但当 时，只要 从发射区注入基区的电子数一定，在集电结上的反偏电压已足以将发射区注入到基区的电子 继续增大 时在一起。因此，输入特性曲线一般只用两条来描述， 的情况如图所示输出特性曲线输出特性曲线指基极电 一定的情况下极管输出回路中的电流

与电 之间的关系图表示型三极管在共射组态时输出特性曲线，现取其中某一（如特性曲线的起始部分较陡，

加以

图三极管输出特性曲将有明显增加。这是因为在较小时（一般，集电结上的反压很小甚至是零偏正偏它对基区电子的吸收力不大 稍有增加从基区到集电区的电子也将增加所 随的增加而增加增大到某一特定值时如，此时集电结上反偏电压足以使发射区注入基区的电子绝大多数收集到集电极；而一定时，表示发射区注入的电子数一定，再增大，也不会对产生多大影响，所以此后的特性曲线比较平坦，但其也不是水平的，而是随着 又变化较小（如硅 ，，，所以的增大使增大，即集电结反偏电压增大，集电结空间电荷区宽度增致使基区有效宽度减小，电子在基区中的复合机会减少（或增大。即在不变的情况下将随的增加而略有增加。这种现象也称为基区宽度调制效应。，，，（值得注意的是在输出特性曲线中当时由式，（所以时 个区域饱和区截止区和放大区，， 中虚线的 值对应的特性曲线几乎在一起，分密集 的改变而变化因此称为饱和区在饱和区三极管失去放大作用不能用 来描述与之间的关系。三极管饱和时， 显然此时 即三极管的发射结、集电结均处于正偏状，，截止区一般将以下的区域称其为截止区。此时

数值关系不相同。就是同一型号的三极管，由于制造工艺的离散性，特性曲线所反映的数据也， 相当于 两极间断开而饱和时，相当于 表示三极管做开关作用时的电路图及工作状态图。，，当 零偏或反偏 点，极管处于截止状态，相当于，当时随 的增 也增大且满 通过放大区由 ，及的限制，即最大集电极电流，也称为集电极饱和电流，所， 增大至图 点时再增加 ， 图三极管的开关工作状图三极管开关三极管的开关过程实质为三极管内部电荷的建立和的过程。三极管饱和与截止两图三极管开关将图所示输入电压波形加到图所示电路的输入端，且保证 时，三极管饱和，则在集电极产生的输出电流波形如图示波不但生变化且往后迟了一段时间。为了定量分析三极管的开关特延迟时 从的加入至集电极电上升到

所需的时间集电极电 从升 所需的时间从输入端电压降 起，到降至所需的时间 集电极电流从下降到所需的时间以上个参数也称为三极管的开关时间 型三极管为例延迟时间由于三极管在 时处于截止状态，此时发射结、集电结都处于反向偏置，故结的空间电荷区较宽。当输入由跳变到立即有基极电流流入基区注入基区而形成集电极电流，而的注入使发射结空间电荷区宽度变窄，使发射区的电子逐渐注入基区，并扩散到集电极被集电极收集形成集电极电流。所以在时间内，的值较小。值越大，就越短。 时间后，在基区建立起相当于所需的电子浓度梯度 偏置，集电极收集电子的能力减且由 跳变 ，期间内，基本不变显基区注入电流越大，饱和程度越深 电荷越 ，，，与二极管反向恢复过程相类似，在跳变为由于基区电荷的存在，将在基极形成反向电流，它也可以从基区把的电荷“吸出”，加速转换的完成，显然越大，反向电流越大也就越短。，， 经过 的存在原因。， ， 是指基区电荷消散所需的时间，常用关闭时表示极从饱到止需的时间。开时间 与关闭时间总称为极管关时间，它限制三极管的开关运用速度。不同的管子开关时间各不相同，一般开关三极管的开关时间在几十到几百纳秒，具体参数可查阅有关手册。主要参数①共射直流电流放大系由（可知 表征了三极管与的分配关系。对于，时，个确定的管子在一定的工作范围内值变化不大。当，时，②共射交流电流放大系数体现了三极管在共射组态时，三极管的电流放大作用，即有较小的输入电流就可，③共基极直流电流放大系数由三极管工作原理分析可知，

流时

可知

此关系式反映了三极管在直④共基交流电流放大系反映了三极管在共基接法时的电流放大作用，即反向饱和电流①集电 基极反向饱和电 为三极发射开路，集极与极之加上定反偏电时所生的向电流。然，实质就集电结 结反饱电，由子成，较。般小功锗管的为几微到几微管的 更小一只有安量。；，；，，可知。显然，，

越 越 越大 ，感。当温度增加时 都将增大，所以在选择三极管时，应尽量选择，

图所示为

的测量示意图极限参数指三极管在正常工作时不允许超过的极限工作条件，超过此界限，管子的性能将明显下降甚至毁坏，因此极限参数是选择管子的重要依据，尤其在高频、高压大功①集电极最大允许电流，前面提到在一定范围内值基本不变但当过 反向饱和电流测量电，，，大时值将下降。通常将下降到规定电流时值的，，所对应的称为集电极最大允许电流②集电极最大允许功率

。因此超过时并不一定损坏管子但管 极又有电

子性能甚至烧毁管子。

环境温度下给出的。当不满足相应的条件时，会降低。如在三极管输出特性曲线上将满足 的各点连接起来，可得到一条曲称之为最大 极管 于为区在该曲线的右上侧集电极功大于属于过损耗区即不区③反向击穿电压 结构成如反偏电压超过规定值会发生击穿，其击穿原理与二极管相发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压；基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电当基 发射极接有电 当基极

如果将一起表示在 上，就可获得三极管 特征频 直流模

由三极管输入特性曲线可知，基（发射极（间的特性与一个二极管特性相类同。所以间的直流模型可用前述二极管的直流模型代替，如图所示。图中为间的导通压降，其值对小功率硅管约为对锗管约为，由三极管电流放大特性可 由 很小如果忽 不计，，是一个电流控制型的电流源。又从三极管输出特性可知，在一定的时， 会 略往上（基区宽度调制效应所以该电流源有一个内阻用 表示由此可得三管集电极（一发射（间的等效电路图所示图三极 间的等效电 的值很大，般可将其忽略将所示。

混 模三极管直流模型仅适用于对三极管的直流静态工作点的分析。对于一个放大电路，要放大的是变化的信号，针对变化的输入信号，三极管的输出将出现变化的电压及电流。若输入信 三极管的简化直流模

型模型就是在小信号的作用 结一个发射结一个集电结由二极管的交流模型可知一个 表示，图中各参数含义说明如下：，称为基区体电阻：表示从基极到基区的一个等效 的电 ， 之间。在发射区及集电区也有类似于 三极管的物理模拟电 混合型

图＝极管混 型等效电路模称为发射结电阻：因为发射结电阻中流过的应该为发射极电流，由结的结电阻为

为从基极看进去的电阻，所以要 射结电 折算 的数值随的增大而减小

（发射结电 表示 由于三极管集电结总是处于反偏工作所以 ：由于集电结处于反偏工作，所以 表示。 到发射极之间有微电压变化时，它对集电极的作用就相当于一个电流源定义为

存在。其 称为跨导或互导表 的控制，也反映了三极管的放大能力，其数值一般为几十毫西门 受控电流源 的内阻表明 的作用外还受 响，这实际上就是三极管的输出电阻，也是三极管输出特性曲线上翘（基区宽度调制效应的反。 。下面给出一个小功率三极管在室温下，工作数

时的一 模型的典型

型等效电路在忽 的作用时可得如 所示简化的混 型等效电路模型 型等效电路模型中其 等效电路模型如 所示。 因此，在低频时，三极管等效模型也可表示为 半导体场效应管

图三极管低微变等效电路模型前面介绍的半导体三极管也称为双极型三极管（这是因为在这一类三极管中两种极性的载流子电子、空穴（或多子、少子都参与导电。本节要介绍 三极管。因为这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以也称其为半导体场效应三极管，简场效应 用范围，为设计优异的新型电路，特别是大规模和超大规模集成电路提供了有利的条件。根据结构不同，场效应管可分为两大类：一类是结型场效应管，另一类是绝缘栅场效应管构结型场效应（可分 沟道 沟道两种如图所示。图所示为 沟道结型场效应管的结构示意图及电路符号在一块 型半体料的侧，散两高度的 （以表示两个电极接在一叫做栅（在型半体两端出个欧接电，分叫漏（ 和源型区与 分个 或称耗尽如在源之间加上电在两个耗尽区间的型材中多数流（电）可导电所称导电域导电道。 型材料构成，所以就称 沟道结型场效应管。图为其电路符号，栅极上的箭头表示栅源间

沟道结型场效应管。如图所示。工作原理及特性曲线。

沟道结型场效应管为例，介绍它的变化对沟道的 时耗尽层比较窄此时导电沟道最宽如 所示。图 沟道结型场效应如果则随的增大 结，所以耗尽层主要向 所示如果继续加大耗尽区继续加宽沟道进一步变窄当 增大到一定值时两侧的耗尽区几乎碰上导电沟道仿佛被夹断如 所示此时沟道电阻趋于

称为夹断电压 表示显 为一个如

图时，对沟道的控制作>耗尽层不再有明显变化但不能太大否则将出 结

范围，的改变对沟道的，

时将有电流由漏极经导电沟道流到源极称之为漏极电流 示。当即

，所以沟道中各点与栅极之间的电位差也不相等，沟道靠近漏极的地方电位差最结也最小。在源端）所示。

，所以沟道也最宽。此时的沟道形成了一个倒楔形，如图随 ）时即此时称为预夹断，如图 ）

在漏极附近的两耗尽层在点相碰，这种情沟道一旦 的进一步加大夹断区将略有增加即由点向源

型三极管在集电结反偏时仍能把电子拉过耗尽区的原理基本相同。在从源极到夹断点之间，沟道内的电场基本上不 的改变而改变所以此时基本上不

图时 对沟道的影＜的情况由于的存变窄的存在使导电沟道变得不等宽，且有可能出现预夹断，所以不仅受的影响，而且随的改变而改变，即可以用的大小来控制的强，漏极特性曲线也称为场效应管的输出特性曲线，是指在作为参变量时与，的关图所示是一 图沟道结型场效应管的特性曲漏极特性曲线可以分 个区域可变电阻区恒流区及击穿区。， ，

之间可以看做为一个由电 恒流区：也称为饱和区。当 较大时，场效应管进入预夹断，此时 变化主要取决于 控制的电流源。场效应管做放大使用迅迅

，，

转移特性电压之间的关系。结型场效应管为电压控制型器件，输入为反 栅极电压 的控制作用即 的输出特性曲线上设 在输出特性曲线上作一条垂直线此垂直线与不同 图所示。图在漏极特性曲线上画出转移特性曲改 一定时不同

即在饱和区内， 的增（负值减小近似 ，其中表示时的饱和漏极电流，

结型场效应管利用耗尽区宽度变化引起导电沟道的宽窄来控制漏极电流，绝缘栅型场效应管则利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流。绝缘栅场效应（由金属氧化物和半导体制成所以也、 氧化 半导体场效应管，或简称场效应管管或、此其输入电阻

更高，可达

以上从导电沟道来分可分为 沟道两类，而每一类又可分为增强型和耗尽型两种。本节将以

沟道增强型场效应管为例介沟道增强型场效应管结构（ 型硅片作为衬（，在其表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅上刻出两个窗通过扩散形成两个高浓度的区，引出两个欧姆接触电极分别称之漏极（ 和源（ ，极与其他电极之间都是绝缘的。图所示 沟道增强 场效应管的电路符号而图（ 图场效应管结构及符沟道增强型管的工作原理 极电流。

如图所示此时栅（铝层和型硅片衬底相当于以为介质的平板电容，出现耗尽层 出现反型图半导体表面的电场效电场是排斥空穴而吸引电子的也就是说它能把型半导体中的电子（少子）吸引到衬底近的一侧与空穴复合在衬底表面留下带负电的受主原子形成耗尽层若增 够多的电子，便在耗尽层与绝缘层之间形成了一个型薄层称为反型层如图所 显然达到后再增大衬底表面感应电荷增多导电沟道变宽沟道电阻变

如图所示 所示。 增大到时 ， 所示。再继续增 所示由于夹断区的电阻很大增加 几都降落在夹断区上，而导电沟道两端的电压几乎没有改变，因而沟道电流基本上保持预夹断时的数值。图对导电沟道的影沟道增强型管特性曲线 场效应管也有漏极特性曲线及转移特性线如 所示漏极特性曲线 转移特性曲线图沟道增强型场效应管的特性曲

，与结型场效应管相类 与 之间的关系也可用下式近似表，，其中定义为当时的漏极电 ，漏极特性曲线也可分为可变电（饱和区和击穿区所示。

沟道耗尽型场效应由前述分析可知，沟道增强型 管只有在时，漏极与源极之间才存在 的绝缘层掺入了大量的正离子，因此，即使 型衬底中“感应出足够 为正时，沟道加宽，增大 沟道变窄，减小。当 减小到一定数值（负值反型层源之间失去沟道，这 称为夹断电压用 表示。耗尽型 管的特性 沟道管，也可分为增强型与耗尽型，其工作原理与表

所示。各种场效应管的特号和特性曲主要参数直流参数夹断电 这是耗尽型管子的一个重要参数指 为某一定值时使漏极电开启电 这是增强型场效应管的一个重要参数指 为某一定值时能产 值。为了便于测量，通常取在某一微小电（如时 饱和漏极电流这也是耗尽型场效应管的参数它是指在时 压，场效应使管发生预夹断 结一般在以上而绝缘栅场效应 更高一般大于 对漏极电流 的控制作用。定义为：当 的微小变化量引起的微小变化量之比值即的单位为西门子（，有时也用毫西（表示。 一般在零点几到几毫西门子 管子的静态工作点电流有 越大 也越大 也可由（（求导得出， 个电极之间存在极间电容，分别为栅源电 栅漏电容， 。极间电容越小，场效应管的高频特性越好，极间电容数值一般为几个皮法。 用来说 的影响定义为 一定时 的微小变化量之，（，极限参数

最大漏极电流：指管子在正常工作时允许的最大漏极电流。漏极电流超过时，场漏极最大允许耗散功率：定义为漏极电流与漏源电压的乘积即。这部分功率将转化为热能，使场效应管温度升高，当温度达到场效应管的极限温度 时的管耗称之为当确定后，可在漏极特性曲线上画出它的临界损耗线。漏源击穿电压在漏极特性曲线上 值。场应管在正常使用时，不允许超过此值， 对结型场效应管，栅源之间结处于反向偏置状态 为结的反向击穿电压；对绝缘栅效应管，由于栅极与沟道之间的绝缘层很薄，当过高可能将绝缘层击穿栅极与衬底短路，从而损坏场效应管。，

所示即为 一般都比较小所以在工作频率不 所示 场效应管电路模 图场效应管低频微变等效电路模 忽略不计而 等效电路模型如图所示 有了场效应管的电路模型，场效应管构成的电路就可按不同的工作形式进行性能分析，见后续有关章节。集成运算放大器集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器（包括三极管、电阻、电容等及连线制作在一块硅片上，从而构成特定功能的电子器件。它体积小、密度高、引线短，外集成运算放大（以下简称运放是一个具有较高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它除了具有常规的放大器放大功能外，还能对模拟量实现多种线性运（（如模拟量的比较，波形发生等，所以运放是一种较为常用的放大器件。源电压调零补偿等引出端运放常用符号如图 示。两个输入端分别称为同相输入端“ 及反相输入端同相反相的含义若信号从同相端“＋”输入（反相输入端接地输出端获得的放大信号在相位上与原输入信号一致反之若信号在反相“ 输（同相输入端接 运算放大器的符直插式或贴片式结构，其中有单运放（一个内有一个运放（一个内有两个运放和四运（一个内有四个运放它们的常规管脚图如图所示。图几种运放的管脚图（顶视式中 来表示差模信号的大小

）（式中 时可 （同时可 表示（

（所示。 图输入信号的分 的放大能力，而对它们中的共模分量的放大能力却很弱运放“差模分量的放大能力用开环差模电压放

的数值一般为数万到数十类似地，运放对共模信号的放大能力，可用开环共模电压放大倍数

为了综合评价运放的放大能力，引入共模抑制比数与开环共模电压放大倍数之比，即

）根据以上叙述，可总结出运放的特①具有极高的差模电压放大倍数和共模抑制比，可以近似地认为：运放只放大差模信号而不放大共模信即为无穷大。②具有极高的差模输入电 及共模输入电

理想运放的技术指标在不要求对由运放构成的各种应用电路做十分精确的计算时，常常将其中的集成运放看成是一个理想化的器件。所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，理想运放的主要术标为开差模益 差输入阻 输出电阻模制其他一些参数也都按理想化处理。实际的运放当然不可能达到上述理想运放的技术指标。但是，由于集成运放电路结构及工艺水平的不断提高，集成运放产品的各项性能指标愈来愈好。一般情况下，在分析估算运放应用电路时，将实际运放看做理想运放所造成的误差在工程上是允许的。理想运放性区工作时的特点在各种运放应用电路中，运放的工作范围有两种可能：即工作性区域，或工作在非线性区域。

（，式 。为运放输出端电压 分别为运放同相输入，，电压及反相输入端电 ，由于理想运放的开环差模放大倍数 即

为无穷图

集成运放的电（ 表示运放的同相输入端与反相输入端性工作区时是等电位的，即两输入类似于“短接但实际上两输入端并未短是一种虚短路现所以称其为“虚短两个输入端均没有电

所示运 必须牢牢掌握，， 将足够小 ，，输入电压之间不再满足（。此时运放将工表示了集成运放的电压传输特性。由图可以看出，时 ，

，线性 ，

值比较小时 时运放仍然工作性范围内 由于实运放模放倍数 确实比大如果不采适当的施即在其入端加上一个很小的电压，能超作围保工性般情况下小接运两的入运放工区范。反的有知识第 章。本章小结半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电，空穴导电是半导体不同于金属导电的 型半导体。 型半导体与型半导体交界处形成的一个空间电荷区（耗尽区）。 的主要特性为单向导电性即当结外加正向偏压时耗尽区变窄可以流过电流而外加反 其他特殊类型的二变容管、光电管及发光管等二极管电路的分析，主要采用模型分析法。针对工作信号的不同，分为直流模型和小信号模型。二极管的主要参数是选择、使用二极管和分析二极管电路的重要依据。半导体三极管是由两 结组成的三端有源器件，分为 两种类型

个电极分别称之为发射极、基极和半导体三极管是一种电流控制型器件，通过基极电流或发射极电流去控制集电极电流。利用这种电流控制作用可实现放大功能。实现放大功能的外部条件是；三极管的发射结正偏，三极管的基本特性分为输入特性、输出特性及开关特性，三极管可以划分 个工作区区三极管的主要参数及电路模型是正确选择、使用三极管和分析三极管电路的重要依据及 场效应管为主。场效应管有 沟道与 集成运算放大器是一种高增益的直接耦合放大电路，它有两个输入端和一个输出，理想运放是分析集成运放应用电路的常用模型。理想运放工作性区时有两个重要特点，即“虚短（ 和“虚断” 。理想运放工作在非线性区时满足，输出只有两种可能值 时

而本章习题及思考题 电路如题 两端的压。设二极管是理想的题 试判断题 中的二极管是导通还是截止，为什么题已知在题

题图中 题电路如题图

题图所示，稳压管的稳定电压限流电阻设形题试求：

中，已知电源电 ①稳压管中的电流②当电源电 时，将变为多少③ 仍 但改为时，将变为多少 分别为下 ③ 作在放大区、截止区还是饱和区题已知题图）（中各三极管的均为试分别估算各电路中三极管的和判断它们各自工作在哪个（放大区截止区或饱和区并将各管子的工作点分别画在题图的输出特性曲线上。题①它是

一个

沟道的

②它的夹断电 各是多少？题已知一个 场效应管的漏极特性曲线如题图所示，试作 时的转移特性曲线，并由特性曲线求出该场效应管的开启电压和值， 所示的转移特性曲线分别判断各相应的场效应管的类（结型或绝缘栅型，沟道或道沟，增强型或耗尽型）。若为耗尽型，在特性上标注出其夹断电压和饱和漏极电流若为增强型标注出其开启电压 示意画出其转移特性曲线。 场效应管的饱和漏极电流 电压，意画出其转移特性曲线。本章将从数字电路统中的种基本运算非着手介绍逻辑门电路的基本概念并重点讨论 逻辑门电路及 门电路，最后分析运算放大器组成的电路在理想条件下的一些基本运算功能。基本逻辑门电路 及逻。此处““并不表示数量的大而是表示两种对立的逻辑状““”作 种。与运算 表示一个用两个开关串联控制电灯的电路，只有当开关 与同时接通时， 才亮而 和中只要有一个不通或两个都不通时，灯泡 只有当一个事（灯亮的几个条（都接通全部具备时这个事件才会发生这一关系称之为与逻辑。如果以开关作为输入变量，并以开关接通为“而断开“以灯泡出果“灯灭则得到图所示的表格。该表描述了各种输入逻辑变量的取值对应的输出变量值，也称其为真值表。与逻辑用表达式描述式中的小圆点表示之间与运算。在不会引起时，常将小圆点省略。在电路中表示满 所示。图与逻辑运或运如图所示，用两个开关并联控制灯泡的亮灭，只要开关 接通或者两者都接通时，灯泡就亮；而当都不接通时灯才当一个事（灯亮的几个条（开关接通，灯亮“”表示，而 所示，或逻辑用表达式描述可写为式“＋表示进行或运算。在电路中表示满足或运算的逻辑关系称之为或门，如所示图或逻辑运图所示为另一种电灯控制电路开关 接通灯不而开关 即一个事（灯亮的发生与其相反条（开关断开为依据这一关系称之为非逻辑假如以开 接通灯亮“

断开及灯灭用表示可得非逻辑的真值表如图所其中条件上方的 ”表示了非运算，电路中表示满足非逻辑的关系称之为非门，如所示。 图

真值非逻辑运

逻辑特电路，图表示由半导体二极管构成的与门电路图为它的逻辑符号，图中为输入端为输出端。输入信号可分别加入＋或（以表示逻辑或逻辑，图二极管与，若输入端中的一个或几个加上低电平信号时，与其相连接的二极管则呈正向导通状态。如果忽略二极管的正向导通压降，则输出端为低电位 相连接的二极管因承受反向电压而截止；只有当输入端同时加上高电位，这时都截止此时输出端的电位与相等即，若输入输出均“表示高电（表示低电则可得到其逻辑真值表，如 与逻辑真值用二极管组成的或门电路如图所示。若输入端的某一个或几个加上 高电位而其他输入端接 低电位信号，与其相连的二极管承受反向电压而截止；只有当输入端都加 都截则输出 。同样以“表示高电位，”表示低电位，可得到该门电路的真值表如 电路 逻辑符图图表二极管或或逻辑真值实现非辑功的电称为门。门只一个入和一个出端因为的输输出之间是反相关故也称为反相器图 表了一用三极构成基本相在小节中详细析图为的逻符号。，当输入端加上高电位时，通过合理选择电路参数使三极管 进入饱和区，输出端电位为三极管的饱和压降，即，很低；而当端为时三极管截止，输出端，出低有低出高。逻辑表达式为其真值表如 所示表非逻辑真值电图非门电

逻辑符 三极管逻辑（，简称与非门电路图是它的逻辑符号电路图图与非

当输入端都接上高电 时二极管都截止而三极管将导通。假设二极管导通压降为三极管发射结导通压降也为则电

。只要合理选择，，

，而当个输入端 通，此时点电位为不能使和三极管导通，所以输出为高电位因此当输入有低电平时输出为高电平而输入全高时输出才是低电平，实现与非逻辑关其逻辑表达式为，由上述分析可知二极管的作用是当输入有低电平存在即时保了三极管可靠地截止输出为高电平所以也称为电平移位二极管这种电路的特点是电路结构简单，缺点是工作速度低。原因是当三极管在饱和区时，基区积累有多余的电荷，由饱和转为截止时，就得使多余的电荷全部，在电路中能通阻 泄放需经历长时间下要绍的 路种逻辑门电路 三极管逻辑门电（的简称， 与非门的基本电，，，， 所示为典型的五管 及电阻作 的三个发射极起着图电路中的作用的集 中的作用的发射极代替了图 ，，，，而和 作为输出级和作为中间放大级对的基图与非由图电路可知 个输入端都接高电 时电 通 和偏的集电结向注入基极电流选择合适的电路参数假设正 结压降均

式。

的发射结处于反偏，集电结处于正偏，称这种方式为发射结集电结倒置工作方管饱和导通，所以此值不能使导通，只能使导通，由此可显然 管截止 当输入端有一个或几个接低电 此电位不能使中可

导通电 将通 提供基极电流则由由上述为低；输入有实现了与非运算的逻辑关系

，与非门输出电压与输入电，以分成（

四个阶段。

从上升到接近这 发，该电压不能使，

的值（即 截止的集电极电流，因此处于深度饱和 与非门工作状态饱和电压所 电压传输特由于截止电源通过向和提供电流使其导通，所通常以输出管的状态来说 门电路的状态。此阶段由于截止所 段段，，当输入电压以后，随着 的升高的集电极电位使 之间此电压只能 ，，基本不变则 近似不变则 。又

有微小变化若认段

当以后 也开始导通。随着的增加迅速增大使管很快进入饱和导通；同时快速下降使也趋于饱和。而趋于截所以只要输入电压从 再略增加一点，输出电压就将急剧降到低电平。通常将电压传 门槛电平或阈值段 后

表示。由图

上 状态 也称为饱和区此时与非门的状态也称为饱和状态或导通状态 电平；把保证输出为标准高电平的条件下所允许的最大输入低电平称为关门电而把保证输出为标准低电 时所允许的最小输入高电平值称为开门电平

与非门规 据此在电压传输特性曲线上可以定平 门平 在实际用时很重的参，它反映电路干力因从传特曲上看，输入偏正的电态并不一定发生变化界（ ，电路输出态就会发改变在保门电的常状态发生变的情况下所能许加在入信中的扰电最大称为噪容限显噪声限的小定量地说明了逻辑电路能力的强弱。高电平噪声容限用表示，低电平噪声容限 有源泄放与非门电路 用以驱动基极。但随着的增大， 要退出饱和进入截止时，基区电荷经过的泄放电流必然减小从而使截止过程变慢，显然为了加速的截止过程应选得小些为好。为了解决上 在很多产品中采用了有源泄放回路来代替所示为有源泄 与非门电路，其有源泄放电路由三极管

组成图有源泄放电当与非门由截止变导通时，都将开始导通。但由于基极上有电阻， 的射极电流几乎全部流入基极，使比 先导通迅速进入饱和，因而缩短了开通时间 。而饱和后，， 的过驱动电流，使减轻了饱和程度，缩短了时间，同时也将有利于快速截止，当与非门由导通状态变为截止状态时，首先截止。由于有源泄放回路接在的发射结之间当 的基极电荷未泄放完前 ，所以基极电荷能够通过的截止过程。

特性。当与非门由截止变导通时，其等效电阻很大，使基极获得较大的驱动电流而迅进入饱和；在导通向截止转变时，它又等效成一个很小的

抗饱和电路的出发点是：为了减小或基本上消除三极管进入深饱和区时电荷的影响，采取必要措施，使三极管不工作在深饱和区，这样就能从根本上减少由于电荷的消散所需的时间，从而提高与非门的工作速度。采用肖特基势垒二极管（钳位的方法就能达到抗饱和的效果肖特基势垒二极管是由金属和半导体相接触、在交界面形成的势垒二极管，其主要特点①它 结一样，具有单向导电性②它的导通电压较低，只有左右比一般的二极管低③势垒二极管是多数载流子导电，其本身几乎没有电荷效应，所以它不会引起附 当三极管进入饱和区时发射集电结都将处于正偏，且集电结正偏电压越大，其饱和深度越深。而改为肖特基钳位形式的三极管时，当三极管集电结正偏电压达到 达到抗饱和图所示 改为由肖特基势垒二极管钳位的三极管，就构成图 所示的抗饱和 电路也称为电路与原电路相比其工作速度得到大大提高。电路连接方 图带有肖特基二极管钳位的三三极 抗饱和的电电路的改进，除了上述两种形式外，还有其他多种方式。改进的出发点主要是针对如何提高工作速度、降低功耗、增强能力及提高集成度方面。目前已出现了各具特色的 门，如及等。与非门的主要参数为了正确选择和使用门电路，了解其主要参数的定义及测试方法具有重要意义与非门的输出高电平 是指当输入端有一（或几个为低电平时门电路的输电平。的典型值为输出低电平

产品规范 品规

与非门的输出低电平

使前级门的高电平值下降，一般， 以的大小将直接影响前级门的工作状况，产品规范，）扇出系数，表示一个逻辑门的输出端能同时驱动同类门的最大数目。它表示门电路的带负载能力。假设是前级门的输出电流是每个负载门所需要驱动电流，则扇出系数为，因为与有关，可分别求出低电平扇出系数和高电平扇出系数 与非门的低电平输入电流很小，所以应由低电平输出时决定式中

为前级门在保 时允许灌入的最大负载电流。一 开门

的扇出系数是在额定负载（如，保证输出为低电平时的最小输入电压值，即输出为标准低电平时对应的输入电压值。表示与非门开通所需的最小输入电压，关门电平 时应的输入电压值。表示与非门断开所需的最大输入电压。空载功耗 与电源电压 电路状态不同，电源所供给的电流值也不同。输出为低电平时，电源电流为导通电流 应的功耗称为空载导通功耗输出为高电平时，源电流为截止电流 为空载截止功耗。由于，所以需要的是，在动态情况下，特别是当输入由高电平转为低电平的瞬间，还未来得及退出饱和而先退出饱和，使上升，迫使的导通先于的截止。这样在短时间内就出现同时导通，有很大的瞬时电流流经使总电流出峰值，瞬时功耗随之增大，平均功耗也增加，且随着工作频率的升高，平均功耗也将随之变大。因此在选用电源时，不能单从与非门的导通功耗考虑，还应留有适当的余量。如图所示当与非门输入为一个方波信号时其图平均传输延时间

出电压波形有一定的时间延迟，从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点之间的时间延迟，称为导通延迟时间时 。平均延迟时 定义 的平均值其他形式的 门电集电极开（ 所示就可能形成一条自电图两个门输出相连产生的电 电极开路（门图表示一种门的内部结构，它与基本门电路的差别在于用外接电阻代替了原来的三极管。 ，如图所示。当其中一个门的输入全为高电平，而其余门的输入有低电平存在时，前者的输出管将导通，后者的输出管 值足够大，保证该输出管饱和，则输出端为低电平。如果有多个门输出管导通时，每个导通输出管的电流将更小，饱和深度更深， 门的输入端中都有低电平时，每个 门输出之间“线与逻辑关系。 图门的结

图个门并门外外接电 个相连后面又带 所示。设每个门输出管截止时的漏电流为 每个负载门的高电平输入电流为则此时的取值应保证输出高电平不低于标准高电平。即图最大值的计当门的输出为低电平时如图所示，其最不利的情况是只有一个门输出管导通，其余门输出管都截止。若用表示每个门所允许的最大负载电流，为每个负载门的低电平输入电流则的选取应保证在情况下，其输出低电平仍低于标准低电平即所以的取值

图最小值的计息。这就要求将各个输出与总线相连的部件在一定的控制下与总线相连接或，三态门就是实现这能的门电路。，第三种状态称为高阻态又称状态或浮空状态图 所示就是一个简单的门电路其中称为使能端为输入端。， 图三态门 为高电平时该门的输出状态完全取决于数据输入端的状态，即输出与输 为低电平时二极管导通， 基极电位只有左右， 管处于截止同时又为多发射极管的一个输入端为低电平，使饱和， 截止。由于两个输出管和都截止电路处于高阻状态或浮空状态这就是三态门的第三状态。 所示表三态与非门的真值 所示也可以是低电平有效即时为工作状态 时为高阻状态，其电路符号如 所示利 门具有高阻态的特征就可实现总线连接结构如 所示图低电平有效的 图与非门逻辑符号

三态门用于总线传输由图可知只要在某一时刻使其中某一个使能端处于高电平则该门的输出与总线相而其他的使能端全部为低电平，即全部处于高阻态，这些 制，如图所示。当时，数据由经传向 而当时数据由 经门传 数据双向传输控逻辑门电路 沟道两类相应地可构成 门电路或门电路都有一个共同的弱点它们对工作管及负载 器件门电的缺构能优越的门电路。这种互补对

反相器是由一 沟道增强 反相器电路原理图图为其常见的简化电路形式从图中可以看

图，，

反相管的栅极与管的，极相连作 反相器的输入端 的漏极连在一起作为反相器的，

的源极接地。假 开启电压 表 的启电压用表示电源电 ， 为低电平 时管的则管截止而管的即＞，所以管导通，输出 为高电平且近似为当 为高电平时此时 管截止，输出 ，为了进一步分析反相器的工作特性，可利用实验的方法得出其电压传输特性曲 所示其中图从图中可以看出

反相器电压时 管截止 所 管工作在非饱和输出近似为 ，如图中所示。当 管导通而 所以管截止输出为低电平近似为图 段 段。 段，由 较 工作于饱和区而 ，，饱和状态在 段，对应的工作于非饱和状态 工作在饱和区；而 ，，， 的特性比较理想，其转折点电平近似在处，所以其高低电平噪声容限近似相等，均为由于其一管导一管截止的特可以将管子的导通电阻做得较小，以提高其开关速度及带负载能力。反相器的平均传输延迟时间，，其他形式的

与非门电路，包括两个漏源相串联的管和两个漏源相并联的 管每对管和管的栅极相连作为输入端。当两个输入端中只要有一个为低电平时，与之对应的管截止，管导通输出为高电平只有当输入端都为高电平时 才都处于导通，而都截止，输出为低电平。因此该电路的输出与输入之间符合与非的逻辑关系，，有 个输入的与门必由个管相串、个管相联在与电路由于 管相串出低平值各串管的通压之此随着入端增多，势造成出低平值抬高同时电平出的输出阻也输入数的加增大在输出为高电平时与非门的输出电阻将与输入信号的组合有关如图 所示当均为低电平时，均截止， 都导所以输出电阻为 通电阻的并联值；而如果只有一个为低电平则只有一个截止，对应的

所示为两个输入端的或非门电路，包括两个漏源并联的 管和两个漏源串联 管 管的栅极相连作为输入端当输入

管导通而

图 图或非 个管相并联和 个管相串联。在或非门电路中由于管相并联所以低电平输出时的输出电阻只会减小且始也是逻辑门电路中常用或非门做基本门电路设计的原因三态 所示为三态门的一种电路形式。由图可看出，当使能控制端为低电平 均处于导通状态，点相当于接电源而点则相当于接地，所以此时输出与输入之间满足反相逻辑关系；当使能端为高电平时，及均截止且不论为何值输出均为高阻态。图三态传输（传输门是一种可以传输信号的模拟开关，在电子电路中有着非常广泛的应用。如图所示为 传输门的电路结是由一个管和一个管并联而成端分别由一对互补变 进行控制

所示为其电路符号电 符

图

传输

及取值为高电平或低电平当控制端为低电平（为高电（时输入信 在到，围内均不导通传输门是断开的而当接高电 为低电平时，在通。因此只要在通。因此只要保范围内

范围内， 范围内传输门始终导通。（值可以忽略不计集成运放运算电路

左右后面接运放等高输入阻抗集成运放最早应用于模拟信号的运算，故此得名。集成运放运算电路目前仍是运放应用的一个重要领域，同时也是其他各种应用的基础。本节介绍由理想运放组成的比例运算电路、加减运算电路、积分与微分电路以及对数与数电路等。由于要求运放的输入输出之间满足一定的数算关系，因此运放必定工作于线性区，且只考虑理想运放，在运算电路中进行定量分比例运算电路是指利用运放使输出电压与输入电压之间满足某种比例关系的电路。比例运算电路是集成运放运算电路中最基本的电路形式，是其他各种电路的基础。比例运算电路包括反相比例运算电路及同相比例运算电路两种基本形式。反相比例运算电图所示为反相比例运算电路，输入电 过电阻加到集成运 接回 工

图中运放同相端与地之间接有电阻 运放的反相输入端和地两点向外看的等效电阻应等于运放同相输入端和地两点向外看的等效电阻图反相比例运算电，差电压。在上述电路 的取值为，若将集成运放看做是理想器件其输入电流为零则接入与否都不会对电路性能产生， 上没有压降，即 又由“虚短， 端为零电位，如同接地一但实际上并不接所以也称其“虚地。虚地”是反相比例运，由于所 而 之间满足比例关系，通过改变与 的不同比值。式中负号表示输出电压与输入电压的相位相反，实现了反相比例的运算功能。特例当时同相比例运算电路图所示为同相比例运算电路，输入信号 经电阻引回到反相输入端与构成了负反馈网络（见本书 章 作用相似且利用理想运放性工作区时“虚短、虚断”的点可做如下分因 同相比例运算电

总是：特例或：输出电 与输入信 完全相（幅值相同相位相同也称该电路为电压跟随器同相比例运算电路不满足“虚地”条件，即运放的输入端存在较大的共模信号。在实际使用时要考虑这一因素，正确选择运放。输出电压与多个输入电压之和或差成比例关系的电路，称为加减运算电路。在测量与控制系统中经常用到加减运算电路。加法运算电路也叫求和电路，可以通过该电路求出多个模拟输入信号之和，基本电路形式可分为反相输入方式和同相输入方式。图所示为具 个输入端的反相输入和电以看出该电路是反相比例运算电路的扩展。利用“虚短、虚断”的特点，且满足“虚地”特征，可以因 所 虚地

图反相输入求和电输出电压（表示输出电压 电路应用比较广泛。从式还可看出当满足时，

中的输出端再接上一级反相比例运算电路，且其比例值（则，实现了常规意义上的加法运算。 所示为一个输入同相求和电路输入 加到运放的同相输入端，而反相端的接入是为了保证运放工作性区而引入实际上是在同相比例运算电路的基础上扩展出来的图同相输入求和电

由（可 ”得又由“虚断所 应满足下列电流方”得将（代入 由（可知 但（中的与各输入电阻都有关，当调节某一电阻以达到给定权值关系式时，减法运算电路一般也有两种实现方法，一种是利用反相信号求和的方法，另一种是利用运放本身具有的差分特性构成的减法电路。利用反相信号求和构成的减法运算电路电路如 电路 设的输出信号由式可（将式代入可（

图

反相求和构成减法运算可 若再

则（可写

（实现了常规意义上的减法运算

有较大的共模电压。

所示为利用差分关系来实现两个信号相减运算的电路。从电路结构上来看，它是反相输入比例运算电路和同相输入比例运算电路相结合而构成的电路。由于是线性应用，可以将运放输出分为输入信 与分别单独作用时输出结果与的代数和当单独作用时，反相输入比例运算电路，由（

图差分形式的减法运算电 单独作用时 由成的分压器分压后再进行同相放大，由（将 和（代入（可如果所选电阻满如果所选电阻满足可式表示了该电路的输出电 时满足（可进一步写（从式中可以看由于运不存“虚地现象即放输入端存在模电压所（表放大器。

例电路如 所示假设运放均为理想的试证图三运放仪表放大器原理证明设而

证毕该通用型放大器由于两个信号分别从两个运放的同相端直接加入，所以它的输入阻抗很高若选用特性相同运放，它的模输电和移压也都相等，再通过 组成差电路可互相消。以有很的模制能和小的出移电，时该电路有较高的差模电压增益，且从（中可以看出改变增益只要改变电阻的值即可实现，调节尤为简单。当然，要保证电路性能的实现，所用电阻等也应严格挑

等等积分电路积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，用以实现对微分方程的模拟。同时积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时，以及各种波形的产生。

所示。与流过电容的电 之所

基本积分电 （表示输出电 为输入电 相的，通常也将式中电阻与电容的乘积称为时间常数，用符号如果在开始积分前，电容两端已经存在一个初始电压出电压应

表示 则 ，，

所示

解由于 到之间 可

且

图 波形

时同样可利用（ 输出波形如图所示。微分电路微分是积分的逆运算，将 位置互换即构成基本微分电路如图 所示。同样可利用“虚短、虚断”特点，及电容两端电压与过其电流的关系可

正比于输入电 对时间的微分电路的应用也很广泛，除了可做微分运算外，在 图基本微分电路也可做移相电路输入电压为正弦波 表 的波形将 滞 于 的输出幅度将随信号频率的增加而线性增加因此该基本微分电路对高频噪声特别，噪淹，时。对数电路对数电路的输出电压与输入电压之间满足对数函数关系。我们知道，二极管的电流其两端电 之间存在着指数关系，见（。当时上式可近似或写 即二极管的电流与电压之间存在对数关系。因此可利用二极管来组成对数电路，如图所示。在 中利“虚短、虚断的特点可或写 之间满足对数关系由于二极管在流过电流较大时，其伏安特性与理 小时又难满 的条件所以 大的工作范围，常用半导体三极管接成二极管的形式来代替图所示，该电路的性能可自行分析。

三极管组成的对数电另外从（ ）中还可以看出，由于都是温度的函数，因此该对数电路的运算图基本指数电

指数运算也即数运算，是对数运算的逆运算。只要将对数电路中的电阻与二极管（或接成二极管形式的三极管）的位置互换，即可构成指数（数）电路，如所示。其中为发射极的反向饱和电流。利用“虚特点可得可见输出电 与输入电 之间满足指（数关系与对数电路一样输出电压

本章小结数字电路中有与或非种基本的逻辑运算对应这种逻辑运算的逻辑电路称之

由与非门电路的基本结构中引出的集电极开路门（门三态（。逻辑门电路是综合利用和器件的特性而构成的互补型逻辑门电路。门电路的传输特性较为理想而且其功耗极低电源应用范围很宽 三态。集成运放运算电路是集成运算放大器的典型应用。由于运放的输入、输出信号之间要满足数算规律，所以运放须作性区在分析运算电路输入输出关系时理想运放工作性区时的两个特点。比例运算电路是最基本的运算电路形式，可分为反相比例运算电路和同相比例运算电路等。微分积分电路的主要原理是利用电容两端的电压与流过电容的电流之间存在着积分本章习题及思考题题题

①此电路实现了怎样的逻辑②由组成的推拉式输出级如何提高电路的开关速度②二极管起什么作用？ 题 题一个三态与非门如题图所示，试列出该逻辑电路的真值表。图中为为数据输入端。题图 一个门电路的传输特性曲线如题 试分析题 所示逻辑电路的逻辑功能，写出其逻辑表达式 器件的电路如题 所示试写出其逻辑表达式说明它是什么逻题 题图题图 在题 所示的放大电路中已 ①列 的表达式②设则输出电 为多少题图题题图 电路如题 所示试求输出电 的值题图题加减运算电路如题图所示求输出电 的值题题图

题图 题 图所示试证

题电路如题

题图所示，设为理想运放，电容的初始电压①写 ②写出当电路中电 的表达式题题图

题图所示为一波形转换电路，输入信 的波形题图， ＝ ＝，，时 ＝ ＝，， ＝ ＝， ②分别列 与输入电 电路如题

题图所示，若电路中三极 的表达式，说明该电路完成何种运算功能题放大（又称放大器是电子技术中最基本的电子线路，它的功能是把较小的电信（电压、电流不失真地放大到所需要的数值大电路在通信、控制、广播、测量等领域应用广泛。放大电路的组成与技术指标和地构成如图所示 放大电路的基本组管或场效应管提供静（直流工作（通常用来表示）。直流电源及偏置电路的作用就是信号源负载是接受放大电路输出的元阻、电容、电感也可以是下一级放大电路的等效输入阻抗。耦合电信号源通过输入耦合电路把信号加到放大电，通过输出耦合电路把放大后的信号加地把放大器中信号直流电源及偏置电路共点，称为用符”表示。它通常是输入电压、输出电压和电源电压的公共参考点 作为有源器件，代表信号源电压和内阻代表负载电（）和偏置（给三极管提供直流工作点是耦合电容作用是隔断直流耦合交流。图三极管构成的共发射极放大电放大电路的分析通常分成两步：直流分析和交流分析。直流分析确定放大电路的静态工作点，交流分析确定放大电路的放大倍数等动态指标。将图分析如下：

中的电容开路，可得到放大电路的直流通路如图）

所示静态工作点出特性曲线上确定的一个

直流通流信号时工作在近似线性的区域。同 电压放大倍数其中其中

分别为输出端和输入端的正弦电压相量。源电压放大倍数定义为输入源电压相量。电流放大倍数定义 源电流放大倍数定义为输入源电流相 或为方便起见上述增益的表：达式可直接用输出信号变化（交流与输入信号变化（交流表示 ：输入阻抗定义为 这是从放大器输入端看进去的等效交流阻抗，不包括信号源内 在中频段它是一个纯阻，输入电阻 越大，表明放大电路从信号源所索取的电流越放大电路输入端所 输出阻抗。是负载开路时，从输出端向放大器看进去的等效交流阻抗。确定 。的方法常用以下两种。从而产生电 — 电阻可表示为图所示。计算法将输入端信号源短路保留信从而产生电 — 电阻可表示为图所示。实验法输入端加正弦实验信号，测量 测量输出电压根据图 等效电 实验法 在中频段

输出电的大小反映了放大，图放大器的频率特性带负载能力的强弱越小，图放大器的频率特性 所示。 当信号频率降低放大倍数降为中频放大倍数倍所对应的信号频率称为下限截止频率 之间的频率范围称为通频带 ）数 和基波分量式 最大输出幅度指放大电路输出信号非线性失真系数不超过额定值时的输出信号最大值 （或表示下面来分析图所示放大电路的动态指标，在图 为大电可视为交流短直流电源 所示当图中三极管 所示。因为 ， 所以在图中没有画图由图电压放大倍数 输出电

例在 ①直流工作点②电压放大倍数

源电压放大倍数

输人电阻

和输出电阻 静态分析由图 可三极管的输入电阻电压放大倍数输人电阻源电压放大倍数输出电阻放大倍数位相反。

与输人电 的放大电路的稳定偏置当温度变化时极管的参数（包括 等）都要随温度变化，从而引起放大电路的工作点）不稳定。下面首先研究三极管的温度特性，进而采用合理的偏置方法来提高放大电路的温度稳定性。温度对发射结电压的影 也就是对应同样的基极电 将减少实验表明，三管的温度系数约为

约减 （（，， 表示任意温 为室 ，，温度对反向饱和电流 的影

当温度升高时，基区和集电区中少数载流子的数目急剧增加， 增大理论分析与验结果都表明温度每升高约就增大一倍

）表示室温下三极管的反向饱和电流； 硅管虽然硅管温度系数比锗管大但由于硅管的反向饱和电流比锗管小得多因此硅管还是比锗管稳定。温度对电流放大系数的影响。以增大实验证明温度每升高要增 左右随温度的变化可用下。估式中表示室温下的电流放大系 ，，的温度系数其值（，，结果使得随温度上升而增大，由所以随温度上升而减小造成工作点随温度变化而变化。例如常温下三极管的输出特性如图 温度对工作点和输出波形的影 温度升高后工作点可能变为工作点移近饱和输出信号波形将产生严重的饱和失（底部失真当温度下降工作点可能变为失真（顶部失真。

在放大电路中，三极管由外部电路提供合适的偏置。对偏置电路的要求：一是要给三极管提 所 构成的分压器给三极管基极 提供电 的条件基极电 ，当环境温度升高 增加电 ，

图分压式偏置电，于基极电位固定，