晶体管及其应用

晶体管及其应用1第1页，共160页，2023年，2月20日，星期五导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。7.0半导体的导电特性2第2页，共160页，2023年，2月20日，星期五半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。1.掺杂性2.热敏性和光敏性3第3页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.0.1本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。4第4页，共160页，2023年，2月20日，星期五在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。5第5页，共160页，2023年，2月20日，星期五硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子6第6页，共160页，2023年，2月20日，星期五共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+47第7页，共160页，2023年，2月20日，星期五二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴8第8页，共160页，2023年，2月20日，星期五+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子9第9页，共160页，2023年，2月20日，星期五2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。10第10页，共160页，2023年，2月20日，星期五温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。（在本征半导体中自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）11第11页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.0.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。12第12页，共160页，2023年，2月20日，星期五一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。13第13页，共160页，2023年，2月20日，星期五+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。14第14页，共160页，2023年，2月20日，星期五二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。15第15页，共160页，2023年，2月20日，星期五三、杂质半导体的符号－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体16第16页，共160页，2023年，2月20日，星期五PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。7.1PN结及其单向导电性17第17页，共160页，2023年，2月20日，星期五P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。18第18页，共160页，2023年，2月20日，星期五漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。19第19页，共160页，2023年，2月20日，星期五－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV020第20页，共160页，2023年，2月20日，星期五(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

PN结的单向导电性21第21页，共160页，2023年，2月20日，星期五(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

22第22页，共160页，2023年，2月20日，星期五

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。23第23页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.2

晶体二极管及其应用7.2.1晶体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：阳极+阴极-A基本结构24第24页，共160页，2023年，2月20日，星期五B伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR25第25页，共160页，2023年，2月20日，星期五C主要参数（1）最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（3）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UBM一般是UBR的一半。（2）最高反向工作电压UBM保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。26第26页，共160页，2023年，2月20日，星期五（4）反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。27第27页，共160页，2023年，2月20日，星期五当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容.28第28页，共160页，2023年，2月20日，星期五CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd29第29页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.2.2

稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。30第30页，共160页，2023年，2月20日，星期五（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻31第31页，共160页，2023年，2月20日，星期五在电路中稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。UIIZIZmaxUZIZUZ32第32页，共160页，2023年，2月20日，星期五稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax——方程1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压ui的正常值。33第33页，共160页，2023年，2月20日，星期五令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：34第34页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.2.3发光二极管有正向电流流过时，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。35第35页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.2.4光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加36第36页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.2.5变容二极管符号与特性曲线37第37页，共160页，2023年，2月20日，星期五二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。7.2.6晶体二极管的基本应用38第38页，共160页，2023年，2月20日，星期五二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo39第39页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.3.1

晶体三极管A基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型7.3晶体三极管及其基本放大电路40第40页，共160页，2023年，2月20日，星期五BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高41第41页，共160页，2023年，2月20日，星期五BECNNP基极发射极集电极发射结集电结42第42页，共160页，2023年，2月20日，星期五BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管符号43第43页，共160页，2023年，2月20日，星期五ICmAAVVUCEUBERBIBECEB一.一个实验B三极管的电流放大作用44第44页，共160页，2023年，2月20日，星期五结论:1.IE=IC+IB3.IB=0,IC=ICEO4.要使晶体管放大,发射结必须正偏,集电结必须反偏。45第45页，共160页，2023年，2月20日，星期五二.电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。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。46第46页，共160页，2023年，2月20日，星期五BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。47第47页，共160页，2023年，2月20日，星期五IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE48第48页，共160页，2023年，2月20日，星期五ICE与IBE之比称为电流放大倍数49第49页，共160页，2023年，2月20日，星期五一.输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。C

特性曲线50第50页，共160页，2023年，2月20日，星期五二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。51第51页，共160页，2023年，2月20日，星期五IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。52第52页，共160页，2023年，2月20日，星期五IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。53第53页，共160页，2023年，2月20日，星期五输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

54第54页，共160页，2023年，2月20日，星期五D、主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：a.电流放大倍数和

55第55页，共160页，2023年，2月20日，星期五例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。在以后的计算中，一般作近似处理：=56第56页，共160页，2023年，2月20日，星期五b.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。57第57页，共160页，2023年，2月20日，星期五BECNNPICBOICEO=

IBE+ICBO

IBEIBEICBO进入N区，形成IBE。根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。集电结反偏有ICBOc.集-射极反向截止电流ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。58第58页，共160页，2023年，2月20日，星期五d.三极管的极限参数（1）集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。（2）集-射极反向击穿电压当集---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。59第59页，共160页，2023年，2月20日，星期五（3）集电极最大允许功耗PCM集电极电流IC

流过三极管，所发出的功率为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区60第60页，共160页，2023年，2月20日，星期五7.3.2共发射极放大电路三种三极管放大电路共射极放大电路共基极放大电路共集电极放大电路以共射极放大电路为例讲解工作原理61第61页，共160页，2023年，2月20日，星期五放大电路的目的是将微弱的变化信号不失真的放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：uiuoAu62第62页，共160页，2023年，2月20日，星期五放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点RB+ECEBRCC1C2TA基本放大电路的组成63第63页，共160页，2023年，2月20日，星期五作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电源与基极电阻RB+ECEBRCC1C2T64第64页，共160页，2023年，2月20日，星期五集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T65第65页，共160页，2023年，2月20日，星期五集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2T66第66页，共160页，2023年，2月20日，星期五耦合电容：电解电容，有极性。大小为10F~50F作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。RB+ECEBRCC1C2T67第67页，共160页，2023年，2月20日，星期五可以省去电路改进：采用单电源供电RB+ECEBRCC1C2T68第68页，共160页，2023年，2月20日，星期五单电源供电电路+ECRCC1C2TRB69第69页，共160页，2023年，2月20日，星期五符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示交直流量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua交直流量交流分量tUA直流分量70第70页，共160页，2023年，2月20日，星期五

B放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法71第71页，共160页，2023年，2月20日，星期五直流通路和交流通路放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。交流通路：只考虑交流信号的分电路。直流通路：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通路分析。a静态分析72第72页，共160页，2023年，2月20日，星期五例：对直流信号（只有+EC）开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC73第73页，共160页，2023年，2月20日，星期五对交流信号(输入信号ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路74第74页，共160页，2023年，2月20日，星期五ui=0时由于电源的存在IB0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ静态工作点RB+ECRCC1C2T75第75页，共160页，2023年，2月20日，星期五IBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)RB+ECRCC1C2T76第76页，共160页，2023年，2月20日，星期五(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ

)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。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ77第77页，共160页，2023年，2月20日，星期五（1）估算法（1）根据直流通道估算IBIBUBERB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。+EC直流通道RBRC78第78页，共160页，2023年，2月20日，星期五（2）根据直流通道估算UCE、IBICUCE直流通道RBRC79第79页，共160页，2023年，2月20日，星期五直流负载线ICUCE1.三极管的输出特性。2.UCE=EC–ICRC。ICUCEECQ直流负载线与输出特性的交点就是Q点IB直流通道RB+ECRC（2）图解法80第80页，共160页，2023年，2月20日，星期五先估算IB，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。ICUCEQEC81第81页，共160页，2023年，2月20日，星期五例：用估算法计算静态工作点。已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：请注意电路中IB和IC的数量级。82第82页，共160页，2023年，2月20日，星期五b动态分析iBuBE从输入回路看当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBEiB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。rbe从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：（1）三极管的微变等效电路83第83页，共160页，2023年，2月20日，星期五从输出回路看iCuCE所以：(1)输出端相当于一个受ib控制的电流源。近似平行(2)考虑uCE对iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。rce的含义iCuCE84第84页，共160页，2023年，2月20日，星期五ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。rbeibib

rcerbeibibbce等效cbe三极管的微变等效电路微变等效电路85第85页，共160页，2023年，2月20日，星期五（2）放大电路的微变等效电路将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:交流通路RBRCRLuiuouirbeibibiiicuoRBRCRL86第86页，共160页，2023年，2月20日，星期五电压放大倍数的计算特点：负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL87第87页，共160页，2023年，2月20日，星期五输入电阻的计算对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。输入电阻的定义：是动态电阻。rbeRBRCRL电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。88第88页，共160页，2023年，2月20日，星期五输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。89第89页，共160页，2023年，2月20日，星期五所以：求输出电阻：rbeRBRC0090第90页，共160页，2023年，2月20日，星期五IBUBEQICUCEibtibtictuit（3）图解法91第91页，共160页，2023年，2月20日，星期五uCE的变化沿一条直线ICUCEictucet92第92页，共160页，2023年，2月20日，星期五交流负载线ic其中：uceRBRCRLuiuo交流通路93第93页，共160页，2023年，2月20日，星期五iC和uCE是交直流量，与交流量ic和uce有如下关系所以：即：交流信号的变化沿着斜率为：的直线。这条直线通过Q点，称为交流负载线。94第94页，共160页，2023年，2月20日，星期五交流负载线的作法ICUCEECQIB过Q点作一条直线，斜率为：交流负载线95第95页，共160页，2023年，2月20日，星期五各点波形RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB96第96页，共160页，2023年，2月20日，星期五失真分析在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。下面将分析失真的原因。为简化分析，假设负载为空载(RL=)。97第97页，共160页，2023年，2月20日，星期五iCuCEuo可输出的最大不失真信号选择静态工作点ib98第98页，共160页，2023年，2月20日，星期五iCuCEuo1.Q点过低，信号进入截止区放大电路产生截止失真输出波形输入波形ibib失真99第99页，共160页，2023年，2月20日，星期五iCuCE2.Q点过高，信号进入饱和区放大电路产生饱和失真ib输入波形uo输出波形100第100页，共160页，2023年，2月20日，星期五实现放大的条件1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。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，经电容滤波只输出交流信号。101第101页，共160页，2023年，2月20日，星期五如何判断一个电路是否能实现放大？3.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。4.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。

如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来判断；如果未给定电路的参数，则假定参数设置正确。1.信号能否输入到放大电路中。2.信号能否输出。与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：102第102页，共160页，2023年，2月20日，星期五集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；7.3.3集成运算放大器103第103页，共160页，2023年，2月20日，星期五集成电路内部结构的特点1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。104第104页，共160页，2023年，2月20日，星期五UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图输入级中间级输出级与uo反相与uo同相105第105页，共160页，2023年，2月20日，星期五对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。106第106页，共160页，2023年，2月20日，星期五

ri

大:几十k

几百k运放的特点KCMRR很大ro

小：几十几百Auo很大:104107理想运放：

ri

KCMRR

ro

0Auo

运放符号：＋－u－u+uo－＋＋

u－

u+

uoAuoA运算放大器的图形符号107第107页，共160页，2023年，2月20日，星期五一、开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Auo为。二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般100dB以上。B主要参数108第108页，共160页，2023年，2月20日，星期五uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_++Auo例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。线性放大区109第109页，共160页，2023年，2月20日，星期五由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点110第110页，共160页，2023年，2月20日，星期五理想运放的符号_++u+u-u0111第111页，共160页，2023年，2月20日，星期五i1idifC放大电路中的负反馈a并联电压负反馈uoRF_++R1R2ui+-RL+-削弱净输入为负反馈反馈取自输出电压,为电压反馈反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式做比较,为并联反馈电压并联负反馈112第112页，共160页，2023年，2月20日，星期五b串联电压负反馈削弱净输入为负反馈反馈取自输出电压,为电压反馈反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式做比较,为串联反馈电压串联负反馈uoRF_++R1R2ui+-RL+-i1ifud-+uf-+113第113页，共160页，2023年，2月20日，星期五c串联电流负反馈为负反馈反馈取自输出电流为电流反馈反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式做比较为串联反馈电流串联负反馈uo_++R2ui+-RL+-ioud-+uf-+RF114第114页，共160页，2023年，2月20日，星期五d并联电流负反馈为负反馈反馈取自输出电流,为电流反馈反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式做比较,为并联反馈RFuo+-RLR_++R1R2ui+-ioi1idifiR电流并联负反馈115第115页，共160页，2023年，2月20日，星期五D集成运放的线性应用虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。u+uo_++u–Ii信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用116第116页，共160页，2023年，2月20日，星期五a比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。117第117页，共160页，2023年，2月20日，星期五i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虚短路虚开路1、反相输入结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。118第118页，共160页，2023年，2月20日，星期五平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2119第119页，共160页，2023年，2月20日，星期五电位为0，虚地_++R2R1RPuii1i2反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！120第120页，共160页，2023年，2月20日，星期五2、同相输入_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。121第121页，共160页，2023年，2月20日，星期五_++uiuo此电路是电压并联负反馈，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。3、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。122第122页，共160页，2023年，2月20日，星期五b加法运算作用：将若干个输入信号之和按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。123第123页，共160页，2023年，2月20日，星期五1、反相求和运算R12_++R2R11ui2uoRPui1124第124页，共160页，2023年，2月20日，星期五i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。125第125页，共160页，2023年，2月20日，星期五2、同相求和运算-R1RF++ui1uoR21R22ui2126第126页，共160页，2023年，2月20日，星期五此电路如果以u+为输入，则输出为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与

ui1

和ui2的关系如何？注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）127第127页，共160页，2023年，2月20日，星期五-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？128第128页，共160页，2023年，2月20日，星期五_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：c减法运算129第129页，共160页，2023年，2月20日，星期五用叠加原理求解：_++R2R1R1ui2uoR2ui1130第130页，共160页，2023年，2月20日，星期五i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。ui-++RR2Cuod积分运算应用举例1：131第131页，共160页，2023年，2月20日，星期五tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。132第132页，共160页，2023年，2月20日，星期五积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。133第133页，共160页，2023年，2月20日，星期五u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若输入：则：e微分运算134第134页，共160页，2023年，2月20日，星期五电路中的运放处于非线性状态。++Auouo运放电路中没有负反馈，运放处于非线性状态。E集成运算放大电路的非线性应用a电压比较器135第135页，共160页，2023年，2月20日，星期五uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

1、ui从同相端输入136第136页，共160页，2023年，2月20日，星期五++uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

2、ui从反相端输入137第137页，共160页，2023年，2月20日，星期五uoui0+UOM-UOM++uoui3、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM138第138页，共160页，2023年，2月20日，星期五++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom139第139页，共160页，2023年，2月20日，星期五++uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。++uiuoUZRR´uoUZ电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上140第140页，共160页，2023年，2月20日，星期五分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.当uo正饱和时(uo=+UOM)：U+3.当uo负饱和时(uo=–UOM)：－++uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定特点：电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。4.迟滞比较器141第141页，共160页，2023年，2月20日，星期五分别称UH和UL上下门限电压。称(UH-UL)为回差。当ui增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；－++uoRR2R1ui当ui

减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom

。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。142第142页，共160页，2023年，2月20日，星期五tuiUom-UomtuiUHUL例：迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoRR2R1ui143第143页，共160页，2023年，2月20日，星期五1.电路结构上下限:b矩形波发生器144第144页，共160页，2023年，2月20日，星期五2.工作原理：(1)设uo

=

+UZ,

此时，uO给C充电,uc，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦uc>UT+

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ变成－UZ。在uc<UT+

时，u-

<u+,

设uC初始值uC(0+)=0uo保持+UZ不变+UZ145第145页，共160页，2023年，2月20日，星期五此时，C向uO放电,再反向充电(2)当uo

=

-UZ