第六章 半导体器件及其应用

汽车电工电子技术《下篇》电子技术第6章半导体器件及其应用

6.1半导体基础知识6.2晶体二极管及其应用6.3稳压管及其应用6.4特殊用途的二极管简介6.6晶体三极管6.7晶体三极管放大电路6.8晶体三极管的开关作用6.11集成运算放大器自然界中的物质按照导电能力可分为导体、绝缘体与半导体。典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。导

体：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。

绝缘体：不能导电或导电能力很差的物体，如橡胶、陶瓷、玻璃、塑料等。

半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。

6.1半导体基础知识6.1.1P型与N型半导体半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强1.本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式4价硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流可见，共价键中空穴或束缚电子移动产生电流的根本原因是由于共价键中出现空穴引起的。空穴越多，半导体中的载流子数目就越多，因此形成的电流就愈大。在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的。在任何时候，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。

注意：2.杂质半导体（N型半导体）

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素SiSiSiSip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2.杂质半导体（P型半导体）

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区6.1.2PN结及其特性2.PN结的单向导电性

2.1PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.2PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN结变宽外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－6.2晶体二极管及其应用6.2.1.二极管结构与符号(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。适用于小电流高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于低频大电流电路。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极

符号D6.2.2二极管的伏安特性反向击穿电压U(BR)导通电压

外加电压大于门限电压时二极管才能导通。3.反向击穿特性

外加电压大于反向击穿电压UBR时，二极管被击穿，失去单向导电性。1.正向特性2.反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.1~0.3VUI死区PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。门限电压或阀电压硅管0.5V,锗管0.1V。Uth二极管的伏安特性1.正向特性:非线性。①U=0,I=0。U较小时，I很小几乎为零。此段曲线称为死区。②

U≧Uth(称门限电压或阈值电压)，I随U几乎作线性增长。把I随U作线性增长时对应的电压称为导通电压，用UF表示。2.反向特性:二极管加反电压向，有反向电流IR。3.反向击穿特性：反电压向增至UBR时，反向电流IR激增，二极管击穿。4.

温度对二极管伏安特性的影响：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。二极管的伏安特性具有以下特点：（1）二极管具有单向导电性；（2）二极管的伏安特性具有非线性；（3）二极管的伏安特性与温度有关。6.2.3二极管的主要参数1最大整流电流

IFM二极管允许长期流过二极管的最大正向平均电流。2反向击穿电压UBR二极管击穿时的电压，一旦超过，管子将被击穿而损坏。3最高工作频率fM二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。4反向电流IR二极管常温下反向电压一定时流过管子的反向电流。**二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UABU阳=－6VU阴=－10VU阳>U阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V10V3kBAUAB+–ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––6.2.4二极管的应用

小功率直流稳压电源的组成直流稳压电源的原理方框图功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压整流电路整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性uDO1.单相半波整流电路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3)工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1)电路图–++–aTrDuoubRLio动画utOuoO4)参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I5)整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID，URWMUDRM

+uoRLio+u2u1+uoioRLD4D3D2D1u2u1D4D1D2D3+u2RL+uoiou1D3D1D2D4+u2RL+uoiou12.单相桥式整流电路

1）几种画法2.单相桥式整流电路

2）工作原理RLioD4D3D2D1+u2+uo承受反压截止+u1u2正半周：D1和D3导通，D2和D4截止。RLD4D3D2ioD1+u2+uou2负半周：+u1承受反压截止D2和D4导通,D1和D3截止。3）波形输入负半周D3RLD4D2D1u1u2+uo+ioioRLD4D3D2D1+u2u1+uo输入正半周totototo23232233uOu2uDiD=iOD2、4D1、34）参数估算1、整流输出电压平均值2、二极管平均电流3、二极管最大反向压totototo23232233uOu2uDiD=iO

*4)参数计算*(1)整流电压平均值Uo*(2)整流电流平值Io(负载电流的平均值)*(3)流过每管电流平均值IDID=IO/2=0.45U2/

RL*(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I

I2=U2/

RL=IO/0.9=1.11

IOIO=UO/

RL=0.9U2/

RL例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50，负载电压Uo=110V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。解：

I=1.11Io=21.11=2.2A

变压器副边电流有效值变压器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA变压器副边电压U2

122V可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D3汽车整流管的安装将正极管安装在一块铝制散热板上，称为正整流板；将负极管安装另一块铝制散热板上，称为负整流板，也可用发电机后盖代替负整流板。见图。汽车整流管的安装在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。负整流板上直接搭铁。负整流板上一定和壳体相联接。整流板的形状各异，有马蹄形、长方形、半圆形等见图汽车整流管的安装6.3稳压管及其应用6.3.1稳压管的结构1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO6.3.2稳压管主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管反向击穿后稳定工作的电压值。(3)动态电阻(2)稳定电流IZrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。指稳压二极管正常工作时的参考电流值。6.3.3稳压电路

Ui=UR+UO=UR+UZ=IRR+UZ

若Ui增加，则UO有增加的趋势，即UZ会增加,则IZ会大大增加，使IRR大大增加，则限制了UO的增加，维持不变，反之亦然。若负载增加，其稳压原理一样。

UOUiIZRDZUZIR例：右图所示电路，UZ=8V，IZM=18mA，US=20V，问R=500Ω是否合适？否则应为少？

解：I==24mA＞18mA不适合。R≥=667Ω

RUS-UZ=20-850020-818US=20VRUZ=8V6.3.3稳压管应用电路2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR设UI一定，负载RL变化UO

基本不变IR

(IRR)基本不变UO

(UZ

)IZ1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路3.参数的选择(1)UZ

=UO(2)IZM=(1.5~3)ICM(3)UI

=(2~3)UO(4)为保证稳压管安全工作为保证稳压管正常工作适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。19.3.4

集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.分类XX两位数字为输出电压值三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压78XX输出负电压79XX（1.25~37V连续可调）2.外形及引脚功能W7800系列稳压器外形1—输入端3—公共端2—输出端78xxW7900系列稳压器外形1—公共端3—输入端2—输出端79xx塑料封装3.性能特点（7800、7900系列）输出电流超过1.5A（加散热器）不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为4%输出电压额定值有:

5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。输出为固定正电压时的接法如图所示。(1)

输出为固定电压的电路输入与输出之间的电压不得低于3V！4.三端固定输出集成稳压器的应用COW7805CiUi+_+_UO123

0.1~1F1F为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以改善波形。(2)同时输出正、负电压的电路23220V

24V+C

24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO–15V1F1F0.33F0.33F1000F1000F6

.

4.特殊用途二极管符号6.4.1发光二极管(LED)当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。其寿命可达5－10万小时。它可直接把电能转为光能，启动时间仅为几十ns，普通灯启动时间为100－300ms,在高速行使中，该时间差意味着4－7m的刹车距离，这可大大降低事故的发生。发光二极管的工作电压为1.5~3V，工作电流为几~十几mA。6.4.2光电二极管（光敏二极管）

光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小,称为暗电流。当有光照时,产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。常用的光电二极管有2AU,2CU等系列。光电流很小,一般只有几十微安,应用时必须放大。汽车用它制成光电式曲轴位置传感器。I/AU/VE=0E1E2(a)伏安特性(b)符号E2>E16.4.3

变容二极管

用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如图所示。通过施加反向电压，

使其PN结的静电容量发生变化，因此，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。变容二极管符号6.6晶体三极管与放大电路6.6.1三极管及其特性NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管1.基本结构⑶基区：最薄，掺杂浓度最低⑴发射区：掺杂浓度最高、面积较小发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：⑵集电区：面积最大2．三极管的分类三极管的种类很多,有下列几种分类形式：(1)按其结构类型分为NPN管和PNP管;(2)按工作频率分为低频管和高频管;(3)按消耗功率的不同，可分为小功率管、中功率管和大功率管。3．三极管的外形结构常见三极管的外形结构如图2.2所示。图2.2常见三极管的外形结构BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO1.发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

2.进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。3.从基区扩散到集电结的电子，被迅速推向集电极，形成IC。4.集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。6.6.2.三极管的工作原理与电流放大作用上述过程可以得到以下结论：IE=IC+IBICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBO1.输入特性特点:非线性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO⑴

UCE=0的特性与二极管的正向特性相似。⑵UCE↑特性右移。⑶三极管的门值电压：硅管约0.5-0.6V,锗管约0.1-0.2V。2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区晶体管工作于饱和态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。6.6.4.三极管的主要参数1、电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近，常不加区分。2、集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3、集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4、极限参数1）集电极最大允许电流ICM2）集-射极反向击穿电压U(BR)CEO集电极电流IC上升到一定程度时，会导致三极管的值的下降，使值明显减少的IC即为ICM。基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)

CEO。3）集电极最大允许耗散功耗PCM

晶体管工作时，集电极电流在集电结上将产生热量，产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗。

PC

PCM=ICUCE6.6.5三极管的简易测试1、集-基极反向截止电流ICBO2.4半导体三极管的测试与应用2.4.1半导体三极管使用基本知识一、外型及引脚排列EBCEBCEBCBEC第2章半导体三极管二、万用表检测晶体三极管的方法1.根据外观判断极性3.用万用表电阻挡测量三极管的好坏PN结正偏时电阻值较小(几千欧以下)反偏时电阻值较大(几百千欧以上)指针式万用表在R1k挡进行测量红表笔是(表内)负极,黑表笔是(表内)正极注意事项:测量时手不要接触引脚1kBEC1kBEC2.插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚第二章半导体三极管三、晶体三极管的选用1.根据电路工作要求选择高、低频管2.根据电路工作要求选择PCM、ICM、U(BR)CEO应保证：3.一般三极管的值在40~100之间为好,9013、9014等低噪声、高的管子不受此限制…..4.穿透电流ICEO越小越好，硅管比锗管的小数字万用表1.可直接用电阻挡的PN结挡分别测量判断两个结的好坏注意事项:红表笔是(表内)正极,黑表笔是(表内)负极NPN和PNP管分别按EBC排列插入不同的孔需要准确测量值时，应先进行校正2.插入三极管挡(hFE)，测量值或判断管型及管脚PC>PCｍ

ICM>ＩCｍ

U（BR）CEO>ＶCＣ第二章半导体三极管7、三极管的检测方法1）、用指针式万用表判断晶体三极管好坏及判别三极管的e、b、c电极

三极管的管脚必须正确辨认，否则，接入电路不但不能正常工作，还可能烧坏晶体管。己知三极管类型及电极，指针式万用表判别晶体管好坏的方法如下:①测NPN三极管:将万用表欧姆挡置"R×100"或"R×lk"处,把黑表笔接在基极上，将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都较小，再将红表笔接在基极上，将黑表笔先后接在其余两个极上，如果两次测得的电阻值都很大，则说明三极管是好的。贵州电子信息职业技术学院②测PNP三极管:将万用表欧姆挡置"R×100"或"R×lk"处,把红表笔接在基极上，将黑表笔先后接在其余两个极上，如果两次测得的电阻值都较小，再将黑表笔接在基极上，将红表笔先后接在其余两个极上，如果两次测得的电阻值都很大，则说明三极管是好的。当三极管上标记不清楚时,可以用万用表来初步确定三极管的好坏及类型(NPN型还是PNP型),并辨别出e、b、c三个电极。测试方法如下:

贵州电子信息职业技术学院

①用指针式万用表判断基极b和三极管的类型:将万用表欧姆挡置"R×100"或"R×lk"处,先假设三极管的某极为"基极",并把黑表笔接在假设的基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧),则假设的基极是正确的,且被测三极管为NPN型管；同上,如果两次测得的电阻值都很大(约为几千欧至几十千欧),则假设的基极是正确的,且被测三极管为PNP型管。如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为"基极"，再重复上述测试。

贵州电子信息职业技术学院②判断集电极c和发射极e:仍将指针式万用表欧姆挡置"R×100"或"R×1k"处,以NPN管为例,把黑表笔接在假设的集电极c上,红表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极(不能使b、c直接接触),通过人体,相当b、C之间接入偏置电阻,如图1-12(a)所示。读出表头所示的阻值,然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小,说明原假设成立,因为c、e问电阻值小说明通过万用表的电流大,偏置正常。其等效电路如图1-12(b)所示,图中VCC是表内电阻挡提供的电池,R为表内阻,Rm为人体电阻。贵州电子信息职业技术学院图1-12用指针万用表判别三极管c、e电极贵州电子信息职业技术学院6.7晶体三极管放大电路6.7.1晶体三极管电压放大电路放大的概念:放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。放大的实质:用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。

1.基本电压放大电路1)

对放大电路的基本要求：(1)要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。(2)尽可能小的波形失真。(3)发射结正偏，集电结反偏。(4)输入信号加至三极管的B-E之间。满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE第二章半导体三极管三极管的三种基本连接方式共发射极共基极共集电极2）放大电路的基本组成晶体管T--放大元件,iC=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放区。基极电源EB与基极电阻RB--使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2)放大电路的基本组成(续）集电极电源EC--为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻RC--将变化的电流转变为变化的电压。耦合电容C1、C2--隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。信号源负载共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE1.电路组成及元件作用输入回路（基极回路）输出回路（集电极回路）3.2共射极放大电路2)放大电路的基本组成(续）单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE3)共射电路的电压放大作用(静态)UBEIBICUCE无输入信号(ui

=0)时:

ui=0时uo=0uBE=UBEuCE=UCE+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOICUCEOIBUBEO结论：(1)无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE。

(IB、UBE)

和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。QIBUBEQUCEICUBEIB无输入信号(ui

=0)时:uo=0uBE=UBEuCE=UCE？有输入信号(ui

≠0)时uCE=UCC－iC

RC

ui

0

uo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uoIC3)共射电路的电压放大作用（动态）+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO结论：(2)加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但方向始终不变。+集电极电流直流分量交流分量动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析结论：(3)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。(4)输出电压与输入电压在相位上相差180°，即共发射极电路具有反相作用。uitOuotO1.实现放大的条件(1)晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电结反偏。(2)正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。(3)输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。(4)输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。2.直、流通路和交流通路因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路，用来计算静态工作点。交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路，用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。例：画出下图放大电路的直流通路直流通路直流通路用来计算静态工作点Q(IB、IC、UCE)对直流信号电容C可看作开路（即将电容断开）断开断开+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiERBRCuiuORLRSes++–+––对交流信号(有输入信号ui时的交流分量)XC0，C可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。短路短路对地短路交流通路用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2.电压放大器的基本分析方法

1）静态分析与静态工作点的意义静态：放大电路无信号输入（ui

=0）时的工作状态。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。设置Q点的目的：

(1)

使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。——静态工作点Q：IB、IC、UCE

。静态分析：确定放大电路的静态值。1.1）用估算法确定静态值1.直流通路估算IB根据电流放大作用2.由直流通路估算UCE、IC当UBE<<UCC时，+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB由KVL:UCC=IBRB+

UBE由KVL:UCC=ICRC+

UCE所以UCE=UCC–

ICRC例1：用估算法计算静态工作点。已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：注意：电路中IB

和IC

的数量级不同+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。由KVL可得：由KVL可得：IE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB1.2)饱和失真如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。Q2uo适当减小基极电流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ11.3)截止失真若Q设置过低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真。适当增加基极电流可消除失真。uiuotiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。③Ucc对Q点的影响

iC(mA)

4321

0uCE(V)iB4=80μAiB3=60μAiB2=40μAiB2=20μANMQ②Rc对Q点的影响

iC(mA)

4321

0uCE(V)iB4=80μAiB3=60μAiB2=40μAiB2=20μANMQ3.电路参数对静态工作点的影响①Rb对Q点的影响

iC(mA)

4321

0uCE(V)iB4=80μAiB3=60μAiB2=40μAiB2=20μANMQQ2Q1Q1Q2Q1Q2RB↑→IBQ↓→工作点沿直流负载线下移RB↓→IBQ↑→工作点沿直流负载线上移RC↓→N↑→直流负载线变陡→工作点沿iB=IBQ这条曲线右移RC↑

→N↓→直流负载线变平坦→工作点沿iB=IBQ这条曲线右移UCC↑→IBQ↑→M↑→N↑→直流负载线平行上移→工作点向右上方移动UCC↓→IBQ↓→M↓→N↓直流负载线平行下移→工作点向左下方移动2）放大电路的动态分析动态：放大电路有信号输入（ui

0）时的工作状态。分析方法：

微变等效电路法，图解法。所用电路：

放大电路的交流通路。动态分析:计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。分析对象：

各极电压和电流的交流分量。目的：

找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计打基础。ⅰ.微变等效电路法

微变等效电路：把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。线性化的条件：晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。①晶体管的微变等效电路UBEIB对于小功率三极管：rbe一般为几百欧到几千欧。ⅰ.微变等效电路法(a)

输入回路Q输入特性晶体管的输入电阻晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。IBUBEO(b)

输出回路rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不计。晶体管的输出电阻输出特性ICUCEQ输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。晶体管的电流放大系数晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic=ib等效代替，即由来确定ic和ib之间的关系。一般在20～200之间，在手册中常用hfe表示。OibicicBCEibib晶体三极管微变等效电路ube+-uce+-ube+-uce+-①晶体管的微变等效电路rbeBEC晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。②放大电路的微变等效电路将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSii交流通路微变等效电路RBRCuiuORL++--RSeS+-ibicBCEii分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。微变等效电路②放大电路的微变等效电路(续）*将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSiirbeRBRCRLEBC+-+-+-RSⅰ.电压放大倍数的计算当放大电路输出端开路(未接RL)时，因rbe与IE有关，故放大倍数与静态IE有关。负载电阻愈小，放大倍数愈小。式中的负号表示输出电压的相位与输入相反，=RL//RC。例1：rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSⅱ.放大电路输入电阻的计算放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。定义：输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。+-信号源Au放大电路+-输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。放大电路信号源+-+-rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSRE例2：rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS例1：riri

ⅲ.放大电路输出电阻的计算放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。+_RLro+_定义：输出电阻是动态电阻，与负载无关。输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。RSRL+_Au放大电路+_rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共射极放大电路特点：

1.放大倍数高;2.输入电阻低;3.输出电阻高.例3：求ro的步骤：1)断开负载RL3)外加电压4)求外加2)令或③.动态分析图解法QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQicQ1Q2ibuiuoRL=由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。④.

静态工作点的稳定合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动。前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下，将引起静态工作点的变动，严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。温度变化对静态工作点的影响在固定偏置放大电路中，当温度升高时，UBE、、ICBO

。

上式表明，当UCC和RB一定时，IC与UBE、以及ICEO有关，而这三个参数随温度而变化。温度升高时，

IC将增加，使Q点沿负载线上移。iCuCEQ温度升高时，输出特性曲线上移Q´固定偏置电路的工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使IC

增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化，保持Q点基本稳定。结论：

当温度升高时，

IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。ORB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––1)什么是放大电路中的负反馈反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。3.放大电路中的负反馈esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通过RE将输出电压反馈到输入通过RE将输出电流反馈到输入反馈放大电路的三个环节：基本放大电路比较环节反馈放大电路的方框图反馈电路输出信号输入信号反馈信号反馈系数净输入信号放大倍数反馈电路F–基本放大电路A+反馈放大电路的方框图净输入信号若三者同相，则

Xd=Xi–Xf可见Xd<Xi，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用（负反馈）。反馈电路F–基本放大电路A+直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。正反馈：反馈增强净输入信号，使放大倍数提高。引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点2)负反馈的类型a.反馈的分类b.负反馈的类型ⅰ根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。

电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。

电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。

ⅱ根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。串联反馈使电路的输入电阻增大，并联反馈使电路的输入电阻减小。负反馈交流反馈直流反馈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负反馈的类型稳定静态工作点

6.8晶体三极管的开关作用

三极管有三种工作状态：放大状态、饱和状态、截止状态。故除了做放大器外，还可开关器件用，即处于饱和、截止状态。

输出特性：IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区(1)放大状态：ⅰ.特征：发射结正偏，集电结反偏。即：

UCE=UCC–ICRC

;︱UCE︳>︱UBE︳;

ⅱ.IB和

IC

近于正比关系：

IC=IB,IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区截止区（2）饱和状态：

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。其特征是：发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。在饱和区，IC

IB

，集电极饱和电流为：IC(sat)＝(UCC-UCE(sat))/RC

UCC/RC故饱和条件是：①IB﹥IC/②发射结、集电结处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大+UBE>0

ICIB+UCE

UBC<0+(b)截止IC0IB=0+UCEUCC

UBC<0++UBE

0

(c)饱和+UBE>

0

IB+UCE0

UBC>0+当晶体管饱和时，UCE

0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC

0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（3）截止状态IB<0以下区域为截止区，此时：IC

=ICEO0

。UCEUCC在截止状态的特征是：发射结处于反向偏置，集电结也处于反向偏置。对于硅管，UCE﹤0.5V已开始截止。为保证可靠截止，常使UBE＝0或加反向偏置。饱和区截止区

输出特性三个区域的特点:放大区：ⅰ.发射结正偏，集电结反偏。即：

UCE=UCC–ICRC;︱UCE︳>︱UBE︳;

ⅱ.IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：IC

UCC／RC,UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V0;

(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0,UCE

UCC例6－5如图电路,

＝50，Vcc=12V,RC=3k,RB=20k。饱和时，

UBE＝0.7V,UCES=0.3V。求：

⑴当Ui＝0.3V时，三极管的工作状态。

⑵当Ui＝5V时，三极管的工作状态，并求U0。解：

⑴∵Ui＝0.3V＜0.5V(死区电压），∴三极管处于截止状态，U0=12V。⑵求得ICS=(Vcc-UCES)/RC

＝12－0.3/3=3.9mA再求得IBS=ICS/

=3.9/500.8mA而IB=(Ui-UBE)/RB=(5-0.7)/200.22mA结果IB＞IBS，三极管工作在饱和状态，U0＝UCES

0.3V(饱和压降）。晶体三极管开关特性在汽车上的应用：外搭铁型电子调节器的基本电路晶体管调节器又称为电子调节器，图2－29所示为外搭铁型电子调节器的基本电路：基本电路是由三只电阻R1、R2、R3，两只三极管VT1、VT2，一只稳压二极管VS和一只二极管VD组成。1.3.2滤波器

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。4)电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U无电容滤波0.45UUooIO结论

采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(3)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。iDtuotOO例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器2.电感电容滤波器1)电路结构L

uR