苏州大学电子信息学院模拟电子技术讲解

1绪论

L1信号

电子系统：

由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。

图1.1」电子系统组成框图

信号源的等效：

1.2信号的频谱

周期信号：只要满足狄利克雷条件都可以展开成傅里叶级数。

许多周期信号的频谱都由直流分量、基波分量以及无穷多项高次谐波分量所组成。

非周期信号：运用傅里叶变换可将表达为一连续频率函数形式的频谱。

可以用FFT将非周期时间函数信号的频谱函数迅速求出。

1.3模拟信号和数字信号

按时间和幅值的连续性和离散性把信号分为4类:

时间连续、数值连续信号:模拟信号

时间离散、数值连续信号:取样信号

时间离散、数值离散信号:A/D输出,

数字信号（只存在高低两种电平，分别代表二元编码中的1和0）

时间连续、数值离散信号:D/A输出

1.4放大电路模型

1.模拟信号放大

放大：

最基本的模拟信号处理功能

构成其他功能模拟电路（滤波、振荡、稳压等）的基本单元电路。

放大含义：

放大电信号（将微弱的电信号增强到人们所需要的数值）

+信号不失真（放大后信号波形与放大前基本相同）

放大的本质：

通过输入信号的控制，使放大电路能将直流能源的能量转化为较大的输出能量，去推动负载。

2.放大电路模型

放大电路四种类型：

h.

H（）、放大电路%

图1.4.1放大电路的表示

电压放大电路匕=4必A，为电压增益

电流放大电路io=A,i,.A,为电流增益

互阻放大电路匕=A/A,.为互阻增益

互导放大电路为互导增益

电压放大电路模型：

图1.4.2电压放大电路模型

4“为输出开路（七=8）时的电压增益。

电压放大电路适用场合：信号源内阻Rs较小且负载电阻瓦较大。

许多工业控制设备及医疗设备，采用隔离放大。输入和输出之间有无公共参考点对内容讨论没有影响。

电流放大电路模型:

图143电流放大电路模型

4,为输出短路（RL=O）的电流增益。

R

A.i.———

'一R.+4

..凡

I-=l.--:--

&+R,

电流放大电路适用场合：信号源内阻Rs较大而负载电阻区较小。

互阻放大和互导放大电路模型：

四种电路模型相互之间可以实现任意转换。

1.5放大电路的主要性能指标

主要性能指标：

输入电阻、输出电阻、增益、频率响应和非线性失真。

其他指标：

最大输出功率、效率、信号噪声比、抗干扰能力。

1.输入电阻：

输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号吸取信号幅值的大小。

输入为电压信号的放大电路（电压放大和互导放大），Ri愈大，则放大电路输入端的匕值愈大。

输入为电流信号的放大电路（电流放大和互阻放大），Ri愈小，注入放大电路的输入电流匕愈大。

V

可假定在输入端外加-测试电压匕，计算或测量电流一则鸟=，

片（）放大电路11^

图151输入电阻测试

2.输出电阻Ro：

决定它带负载的能力。

输出为电压信号的放大电路（电压放大和互阻放大），R。愈小，负载电阻RL对输出电压乙影响愈小。

多用于信号的前置放大和中间级放大。

输出为电流信号的放大电路（电流放大和互导放大），R。愈大，负载电阻RL对输出电流i“的影响愈

小。通常用于电子系统的输出级。

___________it

vs=o()放大电路()”

图152输出电阻测试

在信号源短路（v,=0,保留Rs）和负载开路的条件下，

放大电路的输入电阻和输出电阻不是直流电阻，而是在线性运用情况下的交流电阻。

3.增益：

对数增益，基本单位为B（贝尔，Bel）,十分之一单位dB（分贝）。

电压增益=20lg|A/dB

电流增益=201g|41dB

功率增益=101gApdB功率与电压（或电流）的平方成比例

对数方式表达放大电路增益的优点：

当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线时，可大大扩大增益变化范围

计算多级放大电路的总增益时，可将乘法化为加法进行运算

4.频率响应及带宽

放大电路的频率响应：在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。

匕（加）

4，（加）=A=A(jtb)Z.(p(CD)

匕（加）vv

幅频响应：Av（co）表示电压增益的模与角频率之间的关系。

相频响应：（p（co）表示放大电路输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系。

中频区：幅频响应中间平坦的一段。

半功率点：输入信号幅值保持不变，增益下降3dB的频率点（其输出功率约等于中频区输出功率的一

半）。

放大电路的带宽：幅频响应的高、低两个半功率点间的频率差，BW=fL

后为上限频率，尢下限频率。

幅度失真：放大电路对不同频率的信号增益不同

相位失真：放大电路对不同频率的信号产生的相移不同。

幅度失真和相位失真总称为频率失真，属于线性失真（线性电抗元件引起）。

5.非线性失真：

放大电器件的非线性特性引起（饱和失真、截止失真）。

向放大电路输入标准的正弦波信号，可以测定输出信号的非线线失真。

同

非线性失真系数：7=/一xlOO%

VO1是输出电压信号基波分量的有效值，v°k是高次谐波分量的有效值。

2运算放大器

2.1集成电路运算放大器

2.1.1内部组成单元

图2.L1集成电路运算放大器内部结构框图

集成电路运算放大器是种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。

输入级：由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用对称性提高整个电路的共模抑制比。

两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

电压放大级：提高电压增益，山一级或多级放大电路组成。

输出级：由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

偏置电路：为各级提供合适的工作电流。

辅助环节：电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。

2.1.2电路模型

电路符号

传输特性

2.2理想运算放大器

1.Avo—＞00,〃foo,〃，一＞0

2.非线性区：0＞乙时，+%,,=%;%〈匕，时，一匕,,，=匕

3.线性区：勺。匕,虚短，Bi,,虚断

2.3基本线性运放电路

2.3.1同相放大电路

图2.3.1同相输入电路

电压串联负反馈放大电路

vi=%,=乙，

V.R「

Uj=，v0=(q+Rf)if=(1+—)v,.

Rj-oo,R“一＞0

特点：匕=乙=乙，运放存在共模输入信号，要求运放有较高的共模抑制比。

特殊应用：电压跟随器

2.3.2反相放大电路

电压并联负反馈放大电路。

vp=vn=0虚地，

特点：Vp=v„=0,运放两个输入端没有共模输入信号，对运放的共模抑制比没有特殊要求。

2.4同相和反相放大电路的其它应用

2.4.1求差电路

图241差分式求差电路

1.差分式减法电路

V=(1-I------)------------V/2----------V]

R】2+gR

若暇茏一

一匕1)

2.反相求和式减法电路

Rfi并

%=——V/V若R“=R1，贝心。］=匕1

火1

Rf2R/2Z、

九二一-~(Vol+匕2)=(匕1一匕2)

K2a

2.4.2仪用放大器

2.4.3求和电路

RjR3

"20~O

2.4.4积分和微分电路

1.积分电路

(a)输入波形(b)输出波形

图2.4.4积分电路

i--,v--v=-\^-dt-———\vfdt

R'CJRRCJ

假设输入信号匕是阶跃信号，且电容初始电压为零，则

匕

"RC

输出电压与时间成线性关系。也达到运放输出电压最大值匕”“，运放进入饱和状态，匕保持不变。

积分误差：

,可选用输入级为的运放。

集成运放V。1,B1,0FETBiFET

积分电容器的漏电流，可选用泄漏电阻大的电容器，如薄膜电容、聚苯乙烯电容器。

积分器可用作显示器的扫描电路或将方波转换为三角波等。

2.微分电路

图2.4.5微分电路

输入电压为阶跃信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0时，输出电压仍为一个有限值。

随着电容器的充电，输出电压将逐渐地哀减，最后趋近于零。

当输入电压为匕=sin«yf时，则输出电压匕=-RC(ycos(yf。输出幅度将随频率的增加而线性地增加。

说明微分电路对高频噪声特别敏感，故它的抗干扰能力差。

改进型的微分电路：R1起限流作用，R2和C2并联起相位补偿作用。

应用：自动控制系统PID调节器。

2.5对数和指数电路

1.对数运算电路

图251对数运算电路

利用半导体PN结伏安特性，可以实现对数运算。

常将BJT的集电极与基极短路，接成二极管形式，则在很宽范围(记=10-9〜10-3人)，J与乙E有较

精确的对数关系。

V.

VBE，Vrv,VT

ic^h=hs^-1)^1ESe^

V.

vo=~VBE=一匕In1+七InG

A

输出电压幅度不能超过0.7V,且匕>0,以保证晶体管处于导通状态。

2.指数运算电路

iE=/ES(i，W“-

ilVT

v„=-iR=-iER=-RIESe'

v,>0o为了消除温度对运算电路产生的误差，也需要采用温度补偿。

2.6乘除运算电路

2.6.1变跨导式模拟乘法器

K7%或-K%”

图263乘法器符号

以Rell?)夕(ReII*RReIIV

匕，=----------vxa-----------------°_g“(RcIIU»X=--

r

%«b-e22RVT

缺点：Vy小时误差大，Vr>0,为二象限乘法器。

2.6.2模拟乘法器的应用

1.除法运算电路

二丁，

1v2=-iR2,v2=KV()VX2

V

y=----氏---2-.----X-\-

"KR]VX2

02>0时，才能保证运算放大器处于负反馈工作状态，而Vxi可正可负，属二象限除法器。

2.开平方电路

v2=—iR=—匕,v2=Kv：

当匕<0时，才能实现平方根运算。

3半导体二极管及其基本电路

3.1半导体的基本知识

3.1.1半导体材料

1.半导体：

导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

2.常用的半导体材料有：

元素半导体，如硅（Si）、错（Ge）等；

化合物半导体，如神化线（GaAs）等；

掺杂半导体，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和睇（Sb）等。

3.半导体的特点：

导电能力介于导体与绝缘体之间

受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。

在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。

3.1.2半导体的共价键结构

Si、Ge是四价元素，最外层原子轨道上有四个价电子，邻近原子之间由共价键联结，具有晶体结构。

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用

1.本征半导体：

一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

2.本征激发：

T=OK以上，价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自山电子。

3.空穴：

本征激发价电子成为自山电子后，共价键上留下的空位。

空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中

运动，和自由电子一样可以参加导电。

邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，使共价键中出现一

定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。

空穴也是一种载流子，这种载流子的运动，是人们根据共价键中出现空穴的移动而虚拟出来的。

本征半导体中的自由电子和空穴数相等。

3.1.4杂质半导体

1.p型半导体：

在硅（或错）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼、锢，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一

个电子，在晶体中便产生一个空穴。

P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生）。

当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原

子成为不能移动的负离子，而原来硅原子的共价键则因缺少一个电子，形成了空穴，半导体呈中性。

2.N型半导体：

在硅或错的晶体中掺入五价元素，如磷、碎、睇，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价

键，多余的•个价电子在室温下就可以成为自由电子。杂质原子变成带正电荷的离子。由于杂质原子可以

提供电子，故称为施主原子。

在N型半导体中多数载流子是电子，空穴为少数载流子。

3.2PN结的形成及其特性

3.2.1

3.2.2PN结的形成

在同一块半导体中，一边掺杂成N型，另•边掺杂成P型，在N型、P型半导体的交界面上形成PN

结。

fP区和N区载流子多子浓度差引起多子向对方扩散

P区留下了带负电的杂质离子,N区留下了带正电的杂质离子，集中在P和N区交界面附近。

一扩散产生空间电荷区（耗尽区）和内电场（从带正电的N区指向带负电的P区）o

一内电场阻止扩散，促使少子漂移，漂移运动使空间电荷区变窄。

一内电场削弱，扩散加强

f扩散与漂移达到动态平衡形成PN结。

接触电位差：PN结空间电荷区的N区的电位要比P区高，其差值用V。表示。

3.2.3PN结的单向导电性

1.PN结正偏：

f外加正向电压（P区接正极、N区接负极）

外加电场与PN结内电场方向相反，VF称为正向电压。

P区中的多数载流子空穴向PN结移动，和原来的一部分负离子中和，使P区的空间电荷量减少。

N区电子进入PN结时，中和了部分正离子，使N区的空间电荷量减少。

一空间电荷区变窄，内电场减弱

f扩散大于漂移

f多子扩散形成大的正向电流IFo

当外加电压VF稍有变化（如0.1V）,便能引起电流的显著变化。

由少数载流了形成的漂移电流，方向与扩散电流相反，其数值很小，可忽略不计。

2.PN结反偏

一外加反向电压（P区接负、N区接正）

电场方向与PN结内电场方向相同，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结。

-空间电荷区变宽，内电场增强

多数载流子就很难越过势垒，扩散电流趋近于零。

一漂移大于扩散

一少子漂移形成很小的反向电流IR（一般为微安数量级）

IR几乎与外加电压VR无关。

在一定温度T下，热激发产生的少数截流子数一定，电流值趋于恒定。这时的反向电流IR就是反向饱

和电流，用Is表示。Is受温度的影响较大。

PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，具有单向导电性。

VT为温度的电压当量=kT/q,其中k为波耳兹曼常数（1.38X10-23J/K）,T为热力学温度即绝对温度，q为

电子电荷（1.6X10,9C）,n=l-2,为发射系数，与PN结尺寸、材料和通过的电流有关。在T=300K时，

VT~26mV。

正向当弘＞0,且VO＞VT时，1D=/3%%；反向当VD〈0,且I心|＞匕•时，iD*-Is。）。

图3.2.4反向击穿

3.2.4反向击穿

反向击穿（电击穿）：

当反向电压的绝对值达到VBR（反向击穿电压）后，反向电流会突然增大。

在反向电流很大的变化范围内，二极管两端电压几乎不变。

电击穿过程是可逆的。

热击穿：

PN结电击穿后电流很大，电压又很高，容易使PN结发热，超过它的耗散功率会热击穿。PN结的电

流和温升之间出现恶性循环，从而很会把PN结烧毁。

电击穿包括雪崩击穿和齐纳击穿。

1.雪崩击穿：

fPN结反向电压增加，空间电荷区中的电场随着增强。

f通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，与晶体原子又发生碰撞，使共价键

中的电子激发形成自由电子-空穴对（碰撞电离）。

一新产生的电子和空穴又可通过碰撞，再产生电子-空穴对（载流子的倍增效应）。

一载流子增加得多而快，反向电流急剧增大，PN结就发生雪崩击穿。

2.齐纳击穿：

-PN结空间电荷区中强电场，直接破坏共价键将束缚电子拉出造成电子-空穴对。

杂质浓度特别大的PN结中，空间电荷区内电荷密度大，空间电荷区很窄，电场强度可能很高。

如稳压管（齐纳二极管）。

3.2.5PN结的电容效应

1.扩散电容CD：

PN结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界上积累，并有一定的浓度分布。

积累的电荷量随外加电压变化，引起电容效应而形成扩散电容。

2.势垒电容CB：

PN结的空间电荷随外加电压的变化而变化。

PN结反向偏置时，当外加电压升高时，电子和空穴离开耗尽区，好像电子和空穴从CB放电，耗

尽区增宽。当外加电压降低时，N区电子和P区空穴进入耗尽区，相当于电子和空穴分别向CB“充电”，

耗尽区变窄。

CB是非线性电容，与结电阻并联，PN结反偏时作用不能忽视，高频时对电路的影响大。

正向偏置时结电阻很小，影响小。

CB的大小与PN结面积S成正比，与耗尽区厚度成反比，与平行板电容器相似。

CD是非线性电容。PN结正偏时，CD较大。反偏时载流子数目很少，CD较小。

（3）PN结的高频电路：

G

3.3二极管

3.3.1二极管的结构

1.点接触型二极管：

:根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如错）熔接，并做出相应的电极引线，外加管

壳密封而成。

极间电容很小，不能承受高的反向电压和大的电流。可用来作小电流整流、高频检波及开关管。

2.面接触型二极管：

PN结面积大，可承受较大的电流，极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。

硅工艺平面型二极管是集成电路中常见的•种形式。

K9i厮

鄂醯引线

N星触

BvTlK

引线引线

ok阴阴

图3.3.1半导体二极管结构

3.3.2二极管的V-I特性

二极管的V-I特性和PN结的V-I特性基本相同。

1.正向特性

第1段为正向特性，正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流迅速增长，正向电阻很小。

硅管的门坎电压Vth（又称死区电压）约为0.5V,错管的Vth约为0.1。

2.反向特性

反向饱和电流很小，如图第2段所示，一般硅管的反向电流比错管小得多。

温度升高时，由于少数教流子增加，反向电流将随之急剧增加。

3.反向击穿特性

当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增，这叫做二极管的反向击穿，对应于第3段，原因和

PN击穿相同。

3.3.3二极管的主要参数

1.最大整流电流〃

二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，由PN结的结面积和外界散热条件决定。

超过此值，会烧坏二极管。

2.最大反向工作电压/

二极管使用时所允许加的最大反向电压，超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。

通常取反向击穿电压的一半作为％。

3.反向电流。

二极管击穿时的反向电流值。此值越小，二极管的单向导电性越好。

4.极间电容C”

C/=CD+

5.反向恢复时间

正偏翻转到反偏，反向电流先大后小。扩散电容的影响。

3.4二极管基本电路及分析方法

3.4.1图解分析法

外电路特性+V—1特性

3.4.2二极管电路的简化模型分析法

1.二极管V—I特性的建模

(I)理想模型

理而二极管在正向偏置时，其管压降为0V,反向偏置时，它的电阻为无穷大，电流为零。

；+5)一

°—H—°

/——

__J厂6

O(b)

(a)

图341理想模型

(2)恒压降模型

当二极管导通后，其管压降认为恒定，不随电流而变(硅管典型值为0.7V)。此模型提供了合理的

近似，因此应用较广。当二极管的电流iD等于或大于1mA时才是正确的。

（3）折线模型

对恒压降模型的修正，二极管的管压降随着通过二极管电流增加而增加。

模型中用一个电池和一个电阻坨近似。电池电压为二极管的门坎电压Vth（约为0.5V）o

（4）小信号模型

二极管在静态工作点Q（VD=VD,ZD=ID）附近工作，

V-1特性看成为•条直线，其斜率的倒数是微变电阻

_dv。

rd--\—

dlD

rd的数值可从二极管的V-I特性表达式导出。

n=誓=白氏©。“『-切

dvDdvD

=仇/$=,（曲社）

KJKT

（当T=300K时）

图3.4.4二极管小信号模型

2.模型分析法应用举例

1）整流电路

2）二极管电路静态工作情况分析

例1.设二极管电路如a所示，R=10k,图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的片和VD的值:

（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。

解：（1）VDD=10V

使用理想模型得

VD=OV,ID=VDD/R=10V/1Ok=1mA

使用恒压降模型得

.I0V-07V.

——--------------------0.93mA

RIOkQ

VD=0.7V,

使用折线模型得

VD=0.5V+IDrD=0.5V+0.931mAX0.2k=0.69V

⑵VDD=1V

使用理想模型得

.&IV.

.陪n1（mA

使用恒压降模型得

K»-07VlV-tt7V

■OJO3mA

RlOkfi

使用折线模型得ID=0.049mA,VD=0.51V

3）限幅电路

匕使二极管正向偏置。

当吃小于二极管导通电压时，二极管不导通；

匕超过二极管的导通电压，二极管导通，巳的值被限制在一定范围内。

R

■：＞----r~i---------------■o

5DL

C---------:

4）开关电路

当其两端电压低于导通电压时，二极管不导通，相当于开关断开;

当其两端电压超过导通电压时，二极管导通，相当于开关接通。

开关特性在数字电路是得到广泛的应用。

在分析这种电路时，判断二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察

（或经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。

3.5特殊二极管

3.5.1稳压二极管

稳压管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。

Vz表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压，低的为3V,高的可达300V,它的正向压降约为0.6V。

稳压管的稳压作用在于，电流增量A/：很大，只引起很小的电压变化AV%。

AV

曲线愈陡，动态电阻—^愈小，稳压管的稳压性能愈好。

A/z

•般Vz为8V左右的稳压管的动态电阻较小，rz随齐纳电压的下降迅速增加，低压稳压管稳压性能较

差。

图3.5.1稳压管

稳压管在直流稳压电源中获得广泛的应用。负载氏与稳压管两端并接，因而称为并联式稳压电路。

V为待稳定的直流电源电压，一般是由整流滤波电路提供。

Dz为稳压管，R为限流电阻，它的作用是使电路有一个合适的工作状态，并限定电路的工作电流。

当V］或RL变化时，电路能自动地调整Iz的大小，以改变R上的压降IR，达到维持输出电压VO(VZ)

基本恒定的目的。例如，当V1恒定而RL减小时，将产生如下的自动调整过程：

RLi-Iot—IRt—VoI—IzI—IRI—Vot

在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在/zmax和/zmin的范围。

匕-％y0D.（匕-％）&max

----------<Izmax,「・Rmin=—-------------

RRLmaxRLmaxIzmax+Vo

------------>Izmin,/.Rmax=—-------------

RRLminRLminIzmin+Vo

3.5.2变容二极管

利用结电容随反向电压的增加而减小。

不同型号的管子，其电容最大值可能是5~300pF。最大与最小电容比约为5:1。

0101520255

图3.5.3变容二极管

353肖特基二极管

金属（铝、金等）与N型半导体接触形成，耗尽区仅在N型半导体侧，正向压降低，反向击穿电压低。

多数载流子器件，电容效应小，用于高频或开关。

-0a

空---+

图3.5.3肖特基二极管

3.5.4光电子器件

1,光电二极管（光敏二极管）

PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。

灵敏度的典型值为O.lmA/lx数量级。

（a）（b）（c）

代表符号等效电路等效曲线

图3.5.4光电二极管

2.发光二极管

用硅化钱、磷化钱等所制成的。

通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。

光谱范围比较窄，波长由所使用的基本材料而定。

发光二极管常用来作为显示器件，也常作为七段式或矩阵式器件，工作电流几至十几毫安。

发光二极管的主要特性表发光强度的单位：cd（坎德拉）

波

色

长

颜

基本材料正向电压光强（10mA时.张角光功率

(nnl而(10mA时)V±45。）(pW)

红舟900

碑化像1.3-1.5I00-500

处655

红磷睥化傀1.6-1.80.4-11~2

春635

璘研■化保2.0-2.22y5-10

黄583

嶙脚化保2022卜33~8

绿565

磷化像2.2-2.40.5-31.5-8

a

图3.5.5发光二极管图3.5.6激光二极管

3.激光二极管

PN结间安置一层具有光活性的半导体，端面经过抛光后具有部分反射功能，形成一光谐振腔。

正向偏置时，LED结发射出光，与光谐振腔相互作用，进一步激励发射出单波长的光。

激光二极管发射的主要是红外线，与所用的半导体材料（如碎化钱）的物理性质有关。

4双极结型三极管及放大电路基础

4.1BJT

4.1.1BJT结构简介

种类：

按照频率分，有高频管、低频管；

按照功率分，有小（＜0.3W）、中O0.3W）、大功率O1W）管:

按照半导体材料分，有硅管、错管等等。

根据结构不同，NPN型和PNP型。

结构：

基区很薄且杂质浓度低，

发射区掺杂浓度很高；

集电区面积很大。

c集电极

ebcc

bo-k

bo

基极

;发射极

图4.1.1NPN型BJT结构

c集电极

Q

c

集电结

bo

发射结

e

图4.1.2PNP型BJT结构

NPN和PNP型BJT具有几乎等同的特性，但各电极端的电压极性和电流流向不同。

4.1.2放大状态下BJT工作原理

1.BJT内部载流子传输过程

f发射区向基区注入电子

由于发射结外加正向电压，发射区的多数载流子电子通过发射结扩散到基区，形成发射极电流IE。

一电子在基区中的扩散与复合

发射区来的电子向集电结扩散，扩散过程中与基区空穴复合，形成了基区电流片。

电源VBB从基区拉走电子，供给基区空穴，

基区很薄（几微米），基区掺杂浓度低，发射区电子大部分都能到达集电结。

f集电区收集扩散过来的电子

集电极加反向电压，对基区扩散到集电结边缘的电子有很强吸引力，

集电区收集电子，形成集电极电流k。

集电结加反向电压，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移

电流，称为反向饱和电流ICBO,数值是很小，受温度影响很大，容易使管子工作不稳定。

BJT内有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管。

2.电流分配关系

在满足放大条件的情况下，各极电流之间的关系为：

Ic=BIB+ICEO

IE=IC+IB

如果忽略【CEO，则有

Ic、BIB

/E=（1+0/B

【CEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。

4.1.3BJT特性曲线

BJT的特性曲线：

各电极电压与电流之间的关系曲线，常用输入特性、输出特性曲线。

可利用专用图示仪对输入、输出特性进行显示，或通过实验进行测量。

1.共射极电路的特性曲线

BJT组成的放大电路，一个电极作为信号输入端，-个电极作为输出端，

另一个电极作为输入、输出回路的公共端。

根据公共端的不同，BJT有三种组态：共基极、共发射极、共集电极接法。

共发射极电路基极为输入端，集电极为输出端玩，发射极为公共端。

基极电流为输入控制电流，

（1）输入特性曲线

80

60

40

20

,77

00.20.40.60.8UBE/V

图4.1.3输入特性曲线图4.1.4输出特性曲线

h=f（VBE）lv„.

1，CE=1V时，集电结加反向电压，集电结吸引电子的能力加强，使从发射区进入基区的电子更多地流向

集电区，因此对应于相同的VBE，流向基极的电流iB比原来VCE=。时减小了，特性曲线相应地向右移动。

VCE>1V以后的输入特性与VCE=1V的特性曲线非常接近。集电结所加的反向电压大到IV以后已能把

大部分电子拉到集电结来，以至VCE再增加，iB也不再明显减小，通常只要画出VCE>1V以后的任何一条输

入特性就可代表VCE>1V以后的各种情况了。

（2）输出特性曲线=/（%），

①截止区：

工作条件：UBE〈Von,VCE>VBE

特点：iB=。，ic^0,VCEVce

②放大区

工作条件：UBE>Von,VCE>VBE

0<"<纭

p

特点：Aic=pAiB,

（1CS为集电极饱和电流）

当VCE超过某一数值（约IV）后，输出特性是一组间隔基本均匀，比较平坦的平行直线。。

这是由于VCE大于IV以后，集电结电场足够强，能使发射区扩散到基区的电子绝大部分都到达集电区，

故VCE再增加，ic增加不多。

特性比较平坦的部分随着VCE的增加略向上倾斜（基区宽度调制效应）。

—vCE=vCB+vBE,当VCE增加时，由于VBF变化较少，故》CB（集电结反向偏压）随之增加。

-VCB的增加使集电结的空间电荷区的宽度增加，致使基区有效宽度减小，基区内载流子的复合机会减

少，

-iB不变的情况下，ic将随VCE增大。

③饱和区：

工作条件：iB>^~

特点：VBE>Von,VCE<VBE，Aic¥BA片，

VCE=VCESic=lcs=Vcc/Rc

VCE略有增加时，ic增加很快。这是VCE很小时（约IV以下），集电结反向电压小，对到达基区的

电子吸引力不够，受VCE的影响很大。VCE稍有增加，从基区到集电区的电子增加。

对于错BJT,其输入特性与硅管相比，在较小的IvBE值下，就可达到较大的iB值。|VBE|值一般为0.2V

左右；其输出特性，初始上升部分较陡，集电极-发射极间反向饱和电流ICE。值较大。

4.1.4BJT主要参数

1.直流参数

共射直流电流放大系数7

共基直流电流放大系数Z

而乜*1《（电产0）

极间反向电流IcBO和IcEO

kBO是发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

【CEO是基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。

要选择】CBO、1CEO尽可能小，a不要过大的管子。

2.交流参数

共射交流电流放大系数B

自BI心一早数

共基交流电流放大系数a

Xc

/为*_辛续

特征频率fp：

当R下降为1时所对应的信号频率为特征频率fTo

ax。

3.极限参数

集电极最大允许电流1CM

BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。

集电极最大允许功率损耗PcM

超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。PCM=icVcE

反向击穿电压

VBR）EBO:V<BR）EBO是指集电极开路时发射极-基极间的反I可击穿电压。

V<BR）CBO：V（BR）CBO是指发射极开路时集电极■基极间的反向击穿电压。

v<BR>CEO：V（BR）CEO是指基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压。

v<BR>CBO>V（BR>CES>V（BR）CER>V<BR>CEO

4.2基本共射极放大电路

4.2.1基本共射极放大电路的组成

组成原则：

提供直流电源，以作为电路输出能源。

电阻取值、电源的极性和大小应保证BJT发射结处于正向偏置，集电结反向偏置：使BJT工作在放大区。

当负载接入时，保证放大管输出回路的动态电流ic作用于负载，使负载获得放大的信号电流或信号电压。

三极管起放大作用。

直流电源VBB通过基极电阻Rb为三极管发射结提供正向偏置电压，并为基极提供所需的偏置电流片。

耦合电容Cbl将叫送入输入回路。

电源电压Vcc，通过Rc为三极管发射结提供反向偏置电压。

孰2对交流信号而言，呈现的容抗很小，它将放大后的信号传送给负载R"

共射极放大电路的简化：合并Vcc、VBB

共射极放大电路的习惯画法：

4.2.2基本共射极放大电路的工作原理

1.静态和动态

放大电路有两种工作状态，分别是静态和动态。

静态：％=0,电路中各处的电压、电流都是直流量。IB、Ic和VCE的数值称为静态工作点(用Q表示)。

动态：当有正弦电压叫加入时，电路处于动态。此时电路中既有直流量，也有交流量。

2.直流通路和交流通路

直流通路：在直流电源作用下直流电流流经的通路，它用于研究静态工作点。

画直流通路时，电容视为开路；电感线圈视为短路；信号源视为短路，但应保留其内阻。

交流通路：输入信号作用下交流信号流经的通路，它用于研究动态参数及性能指标。

画交流通路时，容量大的电容视为短路，直流电源视为短路。

(a)(b)(c)

(¥14.2.2直流通路和交流通路

4.3放大电路分析方法

4.3.1图解分析法

1.静态工作点的图解分析

依据电路中BJT的输入特性、输出特性曲线，在已知电路各参数的情况下，通过作图分析放大电路

工作情况。

分析步骤：

一把放大电路划分为非线性和线性两个部分。

-写出线性部分的V-I特性方程。

一求非线性和线性V-I特性曲线的交点即为静态工作点Qo

(1)输入回路

BJT输入特性曲线：iB=f(VBE)

外电路V-I特性：VBE=Vcc—RbiB

(2)输出回路

BJT输入特性曲线：ic=f(vcE)h

外电路V-I特性：VCE=VCC—RJc(直流负载线，斜率为-1/Rc,斜率由负载电阻决定括号)

(a)(b)

图4.3.1图解法求Q点

图4.3.2动态工作情况图解分析图433共射极基本放大电路波形

2.动态工作情况图解分析

(1)根据必的波形在三极管输入特性曲线上求iB

在输入特性曲线上找到Q点，VBE=VBEQ+VPi[3=1BQ+ib，根据Vi的波形对应画出l，BE和ill的波形图。

(2)在输出特性曲线上作交流负载线，求ic及VCE的波形

交流负载电阻

R+&

交流负载线：斜率为-1/RL.过Q点。

=i!VCE-VCEQ_Vcc-%Ee

C2=一瓦

Rc一°RL

fk-JCQ=~~~(VCE-VCEQ)

“z.

根据iB的波形可画出对应的ic和UCE的波形。

交流量心的波形就是输出电压力的波形。

结论：共射极基本放大电路的电压放大作用是利用rBJT的电流控制作用,

依靠Rc将电流的变化转为电压变化来实现的。

(3)求电压增益

负号表示输出信号电压与输入信号电压的相位相反。

3.用图解法分析非线性失真

(1)Q点过高

一基极动态电流认为不失真的正弦波。

f输入信号正半周靠近峰值的某段时间内晶体管进入饱和区，导致集电极动态电流、产生顶部失真,

一集电极电阻Rc上的电压波形随之产生同样的失真。

f输出电压人与Rc上电压的变化相位相反，从而导致%波形产生底部失真。

因晶体管饱和而产生的失真称为饱和失真。为了消除饱和失真，就要适当降低Q点。

(2)当Q点过低

f在输入信号负半周靠近峰值的某段时间内，VBE小于其开启电压，BJT截止。

一因此基极电流ib将产生底部失真。

一集电极电流ic和集电极电阻Rc上电压的波形必然随之产生同样的失真，所