《汽车电工电子技术》课件第6章

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*6.5霍尔元件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*6.9晶体管振荡电路*6.10场效应管6.11集成运算放大器本章小结

6.1半导体基础知识

6.1.1P型与N型半导体

在物理学中，按照材料的导电能力，可以把材料分为

导体、绝缘体和半导体。衡量导电能力的一个重要指标是电阻率。导体的电阻率小于10－6Ω·m，绝缘体的电阻率大于

106Ω·m，介于导体与绝缘体之间的物质被称为半导体。在电子技术中，常用的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)和化合物半导体如砷化镓(GaAs)等，目前最常用的半导体材料是硅。本征硅原子最外层有四个电子，其受原子核的束缚力最小，称为价电子，如图6-1所示。图6-1半导体共价键结构

在本征半导体中掺入五价元素磷。由于掺入杂质比例很小，不会破坏原来的晶体结构。掺入的磷原子取代了某些位置上的硅原子，如图6-2所示。图6-2N型半导体结构在本征半导体中掺入三价元素硼。由于每个硼原子只有三个价电子，所以就形成了一个天然的空穴。这样，在半导体中就形成了大量的空穴。这种由大量空穴参与导电的杂质半导体称为空穴型半导体或P型半导体，如图6-3所示。图6-3P型半导体结构6.1.2PN结及其特性

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成

N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图6-4所示。图6-4PN结结构通过PN结的电流为零。当电源正极接P区，负极接N区时，称为给PN结加正向电压或正向偏置，如图6-5所示。图6-5正向电压下的PN结当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多数载流子(空穴)和N区的多数载流子(自由电子)从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动，如图6-6所示。图6-6反向电压下的PN结

6.2晶体二极管及其应用

6.2.1二极管的结构与符号

晶体二极管也称半导体二极管，是由一个PN结构成的半导体器件，即将一个PN结加上两条电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。P型区的引出线称为正极或阳极，N型区的引

出线称为负极或阴极，如图6-7所示。图6-7二极管符号二极管的种类很多，按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电二极管等；按结构分，有点接触型二极管和面接触型二极管。其中，点接触型二极管如图6-8所示，它是由一根细的金属触丝热压在半导体薄片上制成的。图6-8点接触型二极管结构点接触型二极管的金属丝和半导体的金属面很小，虽难以通过较大的电流，但因其结电容较小，因而可以在较高的频率下工作。面接触型二极管如图6-9所示，它是利用扩散、多用合金及外延等掺杂质方法，实现P型半导体和N型半导体直接接触而形成PN结的。图6-9面接触型二极管结构6.2.2二极管的伏安特性

二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与加于二极管两端的电压之间的关系。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U－I曲线，称为二极管的伏安特性曲线。图6-10是二极管的伏安特性曲线示意图，这里以此为例来说明其特性。图6-10二极管伏安特性曲线

1.正向特性

2.反向特性

3.反向击穿特性

4.温度对二极管伏安特性的影响综上所述，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

2.最高反向工作电压URM

3.反向电流IR

4.最高工作频率fM6.2.4二极管的应用

1.单相半波整流电路

单相半波整流电路如图6-11所示。图6-11单相半波整流电路在u2的负半周(ωt=π~2π)，二极管VD因加反向电压而截止，RL上无电流流过，RL

上的电压uo=0。可画出整流波形如图6-12所示。图6-12半波整流电路的波形图可见，由于二极管的单向导电作用，流过负载电阻的电流为脉动电流，电压也为一单向脉动电压，其电压的平均值(输出直流分量)为

即流过负载的平均电流为流过二极管VD的平均电流(即正向电流)为

加在二极管两端的最高反向电压为

2.单相桥式整流电路

单相桥式整流电路如图6-13所示，电路由电源变压器、负载电阻RL和四只接成电桥形式的整流二极管VD1～VD4组成，故有桥式整流电路之称。图6-13桥式整流电路图(a)桥式电路一；(b)桥式电路二；(c)简化图单相桥式整流电路电流路径如图6-14所示。图6-14桥式整流电路电流路径(a)VD1、VD3导通时的电流方向；(b)VD2、VD4导通时的电流方向在u2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管VD1流向RL，再由二极管VD3流回变压器，所以VD1、VD3正向导通，VD2、VD4反偏截止，在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。

在u2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管VD2流向RL，再由二极管VD4流回变压器，所以VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电路波形图如图6-15所示。图6-15单相桥式整流电路的波形图输出电压的平均值为

流过负载的平均电流为流过二极管VD的平均电流(即正向电流)为

加在二极管两端的最高反向电压为

例6-1

在如图6-11所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

(1)负载电阻RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？

(2)电网电压波动范围是±10%，二极管承受的最大反向电压和流过的最大电流平均值各为多少？

解

(1)负载电阻RL上的电压平均值为

流过负载电阻电流平均值为

(2)二极管承受的最大反向电压为

二极管流过的最大平均电流为

例6-2

在如图6-13所示电路中，已知变压器副边电压有效值U2=30V，负载电阻RL=100Ω，试问：

(1)负载电阻RL上的电压平均值和电流平均值各为多少？

(2)电网电压波动范围是±10%，二极管承受的最大整流电流IFM与最高反向工作电压URM至少应选取多少？

解

(1)负载电阻RL上的电压平均值为

流过负载电阻电流平均值为

(2)二极管承受的最大整流电流为

最高反向工作电压为

3.汽车整流器

汽车整流器的作用是将汽车交流发电机产生的交流电变成直流电输出。

在负极搭铁的整流发电机中，三个正极管的外壳装在一块与后端盖绝缘的铝合金散热器板上的三个孔中，这三只正极管的壳体和散热板一起成为发电机的正极，并由螺栓引出后端盖作为发电机的火线接线柱。而三只负极管的外壳装压在后端盖的三个孔中，它们的外壳与发电机外壳一起成为发电机的负极，如图6-16所示。图6-16汽车整流器与正、负极管

6.3稳压管及其应用

6.3.1稳压管的结构

稳压管(也称为齐纳二极管)是一种用特殊工艺制造的面

接触型硅半导体二极管，其代表符号如图6-17所示。这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度高，且很窄，容易形成强电场。当反向电压加到某一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿，只要反向电流不超过IZM，仍能正常工作，其特性如图6-18所示。图6-17稳压管符号图6-18稳压管特性曲线6.3.2稳压管的主要参数

1.稳定电压UZ

UZ就是PN结的击穿电压，它随工作电流和温度的不同而略有变化。对于同一型号的稳压管来说，稳压值有一定的离散性。

2.稳定电流IZ

IZ是稳压管工作时的参考电流值。它通常有一定的范围，如果超过最大范围值，稳压管可能过热而损坏。

3.动态电阻rZ

它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值，即

这个数值随工作电流的不同而改变。通常工作电流越大，动态电阻越小，稳压性能越好。6.3.3稳压管的应用电路

交流电经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面：

(1)由于输入电压(市电)不稳定(通常交流电网允许有

＋10%的波动)，而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定。

(2)当负载RL变化(即负载电流IL变化)时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，所以输出直流电压发生变化。

(3)当环境温度发生变化时，引起电路元件(特别是半导体器件)参数发生变化，导致输出电压发生变化。所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能满足电子设备的需要。下面以常用的并联型稳压电路为例来介绍稳压管的稳压原理，如图6-19所示。图6-19简单并联型稳压电路目前在汽车电源保护中运用最广泛的就是将稳压管反向并联于需要保护的电路上，如图6-20所示。图6-20汽车稳压电路图6.3.4集成稳压器

集成稳压器已逐步替代分立稳压电路，目前常用的三端固定集成稳压器包含CW7800和CW7900两大系列。CW7800系列是三端固定正电压输出稳压器，CW7900系列是三端固定负电压输出稳压器。它们的最大特点是稳压性能好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为集成稳压器的主流产品，如图6-21所示。图6-21集成稳压器三端集成稳压器CW7800系列内部结构方框图如图6-22

所示。图6-22CW7800系列内部结构方框图

6.4特殊用途的二极管简介

6.4.1发光二极管(LED)

发光二极管的实质是由P型半导体和N型半导体组成的一

个PN结，如图6-23所示。图6-23发光二极管与符号(a)发光二极管；(b)符号其简单工作原理：PN结的N侧和P侧的电荷载流子分别为电子和空穴，如果加一正偏压，使电流沿图6-24所示方向通过器件，复合区中的空穴就穿过结进入N型区，复合区中的电子也会越过结进入P型区，在结的附近，多余的载流子会发生复合，在复合过程中会发光，即N+P→光子，如图6-24所示。图6-24发光二极管原理图(a)发光二极管是N型和P型半导体间的结器件；(b)结上加正向偏压，两种载流子即越过结，并在结处进行复合而发出光子

1985年LED汽车信号灯首次出现在客车上，1986年Nissan300zx型汽车上使用LED高位制动灯，标志着LED汽车灯具时代正式开始。国际上著名汽车品牌如宝马、凯迪拉克、别克、大众、福特、奔驰、丰田、三菱、马自达和斯柯达等先后推出LED汽车灯具。中国于2000年在上海大众桑塔纳2000型车上首先使用LED高位制动灯。将LED光源运用于组合尾灯的成功范例也很多，宝马、奔驰等都采用了造型独特的LED后尾灯，如图6-25所示。图6-25汽车LED后尾灯6.4.2光电二极管(光敏二极管)

半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样，都具有一个PN结，但与普通二极管不同的是，光电二极管的PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，PN结的结极很浅，一般小于1μm，另外就是管壳上有一个能让光照射入其光敏区的窗口，如图6-26所示。图6-26光电二极管与符号(a)光电二极管；(b)符号汽车上一般采用光电二极管制成的曲轴位置传感器，称为光电式曲轴位置传感器，如图6-27所示。图6-27光电式曲轴位置传感器的结构与原理(a)光电式曲轴位置传感器；(b)光电式信号发生器作用原理6.4.3变容二极管(VCD)

变容二极管(VariableCapacitanceDiode)是利用反向偏

压来改变PN结电容量的特殊半导体器件，如图6-28所示。图6-28变容二极管图6-29所示为用变容二极管组成的调谐电路，反向电压大

小由电位器RP调节，C1为隔直电容，振荡频率

当RP改变时，变容二极管的电容量C即改变，谐振频率f也改变。图6-29调谐电路6.4.4二极管的检测

1.普通二极管的检测

(1)极性的判别。

(2)导电性能的检测及好坏的判断。

2.稳压二极管的检测

正、负电极的判别：从外形上看，金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。对标志不清楚的稳压二极管，也可以用万用表判别其极性，测量的方法与普通二极管相同，即用万用表R×1k挡，将两表笔分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表笔进行测量。在两次测量结果中，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。

3.发光二极管的检测

(1)正、负极的判别。

(2)性能好坏的判断。

4.红外发光二极管的检测

(1)正、负极性的判别。

(2)性能好坏的测量。

5.变容二极管的检测

(1)正、负极的判别。

(2)性能好坏的判断。*6.5霍尔元件

霍尔效应是霍尔于1879年发现的。随后，根据该效应生产的霍尔器件，既可以检测磁场，也可以检测电流、位移、振动以及其他只要能转换成位移量变化的非电量的物理量。霍尔元件还具有线性特性好、灵敏度高、稳定性好、控制简单等特点。

霍尔效应如图6-30所示，金属或半导体薄片两端通以电

流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH(称为霍尔电

动势或霍尔电压)。这种现象称为霍尔效应。图6-30霍尔效应原理图霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示：

式中，RH为霍尔系数；I为控制电流，单位为A；B为磁感应强度，单位为T；d为霍尔元件的厚度，单位为m。霍尔元件的主要参数有以下几种：

(1)输入电阻(Rin)和输出电阻(Rout)。

(2)额定控制电流Ic。

(3)不等位电势(也称为非平衡电压或残留电压)Uo和不等位电阻Ro。

(4)灵敏度kH。目前在汽车上，霍尔元件主要用于曲轴位置传感器与霍尔式电子点火装置。霍尔式电子点火装置是由内装霍尔发生器的分电器、放大器、点火线圈和火花塞组成的。霍尔发生器的结构如图6-31所示，它是由触发叶轮和信号触发开关组

成的。

其工作原理如图6-32所示。图6-31霍尔发生器图6-32霍尔效应式曲轴位置传感器

6.6晶体三极管

6.6.1三极管的基本结构

半导体二极管内部只有一个PN结，可在半导体二极管P型

半导体的旁边再加上一块N型半导体，如图6-33(a)所示，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成三个区，分别称为发射区、基区和集电区。图6-33NPN型三极管结构与符号因图6-33(a)所示三极管的三个区分别由N、P、N型半导体材料组成，所以，这种结构的三极管称为NPN型三极管。图6-33(b)是NPN型三极管的符号，符号中箭头的指向表示发射结处在正向偏置时电流的流向。

根据同样的原理，也可以组成PNP型三极管，图6-34(a)、(b)分别为PNP型三极管的内部结构和符号。图6-34PNP型三极管结构与符号根据三极管工作频率的不同，可将三极管分为低频管和高频管；根据三极管消耗功率的不同，可将三极管分为小功率管、中功率管和大功率管等。常见三极管的外形如图6-35

所示。图6-35三极管外形图6.6.2三极管的电流放大作用

具有电流放大作用的三极管，PN结内部结构的特殊性是：

(1)为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂浓度远高于基区半导体的掺杂浓度，且发射结的面积较小。

(2)发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂浓度要高于集电区的掺杂浓度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。

(3)联系发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂浓度也很低。上述的结构特点是三极管具有电流放大作用的内因。要使三极管具有电流的放大作用，除了三极管的内因外，还要有外部条件。三极管的发射结正向偏置、集电结反向偏置是三极管具有电流放大作用的外部条件。三极管内部载流子的运动可分为三个过程，下面以NPN型三极管为例来讨论(共射极接法)，如图6-36与图6-37所示。图6-36NPN型三极管的三种组态图6-37NPN型三极管中电子运动示意图

1.发射区向基区发射电子的过程

发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子(自由电子)

不断地通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。

2.电子在基区中的扩散与复合的过程

扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源UBB不断地向基区提供空穴，形成基极电流IB。由于基区掺杂的浓度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以，基极电流IB也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。

3.集电结收集电子的过程

反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速推向集电极，即相当于电子被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源UCC吸收，形成集电极电流IC。根据上面的分析和结点电流定律可得，三极管三个电极的电流IE、IB、IC之间的关系为：

(1)IE=IB+IC。

(2)IB的微小变化却会引起IC的较大变化。如：6.6.3三极管的特性曲线

1.输入特性曲线

输入特性曲线描述三极管在管压降UCE保持不变的前提下，基极电流iB和发射结压降uBE之间的函数关系，即三极管的输入特性曲线如图6-38所示，可见NPN型三极管共射极输入特性曲线的特点是：

(1)uCE=0的一条曲线与二极管的正向特性相似。

(2)uCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移，而且当uCE的数值增至较大时(如uCE＞1V)，各曲线几乎重合。

(3)和二极管一样，三极管也有一个阀值电压，通常硅管约为0.5～0.6V，锗管约为0.1～0.2V。图6-38三极管输入特性曲线

2.输出特性曲线

输出特性曲线描述三极管在输入电流iB保持不变的前提下，集电极电流iC和管压降uCE之间的函数关系，即

三极管的输出特性曲线如图6-39所示。由图6-39可见，当iB改变时，iC和uCE的关系是一组平行的曲线族，并有截止、放大、饱和三个工作区。图6-39三极管输出特性曲线

1)截止区

iB=0特性曲线以下的区域称为截止区。

2)饱和区

对应不同iB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。

3)放大区

三极管输出特性曲线饱和区和截止区之间的部分就是放大区。6.6.4三极管的主要参数

1.共射电流放大系数

电流放大系数表示晶体管的电流控制能力。

当共射极放大电路有交流信号输入时，因交流信号的作用，必然会引起iB的变化，相应地也会引起iC的变化，两电流变化量的比称为共射交流电流放大系数β，即

2.极间反向饱和电流ICB0和ICE0

(1)集电结反向饱和电流ICB0是指发射极开路，集电结

加反向电压时测得的集电极电流。常温下，硅管的ICB0在nA(10－9A)的量级，通常可忽略。

(2)集电极-发射极反向电流ICE0是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流，即穿透电流。穿透电流的大小受温度的影响较大，穿透电流小的管子热稳定性好。

两个极间反向饱和电流的关系为

3.极限参数

1)集电极最大允许电流ICM

晶体管的集电极电流iC在相当大的范围内β值基本保持不变，但当iC的数值大到一定程度时，电流放大系数β值将下降。使β明显减少的iC即为ICM。为了使三极管在放大电路中能正常工作，iC不应超过ICM。

2)集电极最大允许功耗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PCM，即

3)反向击穿电压UBR(CE0)

反向击穿电压BR(CE0)是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。使用中如果管子两端的电压uCE＞uBR(CE0)，集电极电流iC将急剧增大，这种现象称为击穿。管子击穿将造成三极管永久性的损坏。若三极管电路电源UCC的值选得过大时，有可能会出现当管子截止时，uCE＞uBR(CE0)，导致三极管击穿而损坏的现象。一般情况下，三极管电路的电源电压UCC应小于1/2uBR(CE0)。6.6.5三极管的简易测试

可以采用万用表来判别三极管三个极和极性，其步骤

如下：

1)寻找基极

测试三极管要使用万用表的欧姆挡，并选择R×100或R×1k挡位。

2)判定管型

找出三极管的基极后，就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定管子的导电类型。将万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为NPN型管；若表头指针偏转角度很小，则被测三极管即为PNP型。

3)测出极性

对于PNP型管子，把红表笔和黑表笔分别搭在基极以外的两个电极上，再用手去触摸基极和黑表笔接触的一个电极(注意不要使B、C极碰在一起)。如果手接触时表针摆动，立即记

下指针摆动的幅度。然后把两根表笔位置互换一下做同样的测试，记下指针的摆动幅度。如果第一次指针摆动幅度大，第二次的小，则第一次红表笔接的是集电极，黑表笔接的是发射极。如果用一只100kΩ左右的电阻代替手的接触，串连在B、C之间进行测量，其结论会更加可靠。

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

实际中常常需要把一些微弱信号放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，使之转换成较大的交流能量输出，驱动负载。图6-40音响放大器(a)音响放大器示意图；(b)放大器的等效模型

1.基本电压放大电路

以共发射极放大电路为例。

1)放大电路组成的原则

放大电路组成的原则是：

(1)为保证三极管工作在放大区，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。

(2)电路中应保证输入信号能加至三极管的发射结，以控制三极管的电流。同时，也要保证放大了的信号从电路中输出。

(3)元件参数的选择应保证输入信号能得到不失真的放大，否则，放大将失去意义。

2)放大电路的基本组成

放大电路的基本组成如图6-41所示。图6-41共射放大电路的基本单元电路(a)双电源供电；(b)单电源供电；(c)电子电路画法

2.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

无信号输入时，放大电路的工作状态称为静态。静态时，电路中各处的电压、电流均为直流量。由于电路中的电容、电感等电抗元件对直流没有影响，因此，对直流而言，放大电路中的电容可视为开路(电感可视为短路)，据此所得到的等效电路，称为放大电路的直流通路，如图所示6-42所示。图6-42直流通路静态时，晶体管各极的直流电流、电压分别用IB、UBE、IC、UCE表示。由于这组数值分别与晶体管输入、输出特性曲线上一点的坐标值相对应，故常称这组数值为静态工作点，用Q表示。显然，静态工作点是由直流通路决定的。静态工作点常用如下近似计算法进行估算在上述工作情况下，对应不同的IB值，UBE的变化很小，作为近似估算，可以认为UBE不变，对硅管近似地取UBE≈

0.7V，对锗管近似地取UBE≈0.3V。通常UCC>>UBE，因而由以上两式可得电子电路中电流一般比较小，在计算过程中，电流IB的单位常取μA，电流IC的单位常取mA，电阻的单位为kΩ，电压的单位仍是V。放大电路既然是放大交流信号的，为什么还要设置合适的静态工作点？主要是由于晶体管等放大器件是非线性器件，如果工作点设置不合适，将会使放大后的波形与输入信号波形不一致而引起失真，如图6-43所示。图6-43静态工作点设置不当引起的失真(a)截止失真；(b)饱和失真静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数RB、RC、UCC对静态工作点的影响，为调试电路给出理论指导。如图6-44所示，在三极管的输出特性曲线图上作出表达式UCE=UCC－ICRC的直线图形，称为直流负载线MN。图6-44静态工作点的影响因素(a)RB变化对Q点的影响；(b)RC变化对Q点的影响；(c)UCC变化对Q点的影响

例6-3

晶体三极管放大电路如图6-41(c)所示，已知RB=300kΩ，RC=3kΩ，UCC=12V，β=50。求该电路的静态工作点。

解

2)动态分析

有信号输入时，放大电路的工作状态称为动态。

对交流信号而言，耦合电容C1、C2因其容抗较小，可视为短路，电源UCC因其内阻很小，亦可视为短路。据此原则即可画出基本放大电路的交流等效电路，称为交流通路。基本放大电路(固定偏置电路)的交流通路如图6-45所示。图6-45交流通路

(1)三极管的输入特性是非线性的，如图6-46(a)所示。但当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的工作段可认为是直线，三极管输入电路可以用rBE等效代替，如图6-47(a)所示。图6-46三极管输入、输出特性(a)三极管输入特性；(b)三极管输出特性图6-47三极管的等效电路低频小功率三极管的输入电阻常用下式进行估算

(2)在放大区，三极管的输出曲线簇是一组近似与横轴平行、等距的直线，如图6-46(b)所示。小信号时β是一个常数，由它确定iC受iB控制的关系，即iC

＝βiB。因此三极管的输出电路可以用一个电流控制电流源来代替，如图6-47所示。β通常在20～200之间。画放大电路微变等效电路的步骤：

(1)画出放大电路的交流通路。

(2)画如图6-48(a)所示，放大电路的微变等效电路。用三极管的微变等效电路取代交流通路中的三极管，如图6-48(b)所示。图6-48等效电路(a)共发射极放大电路；(b)共发射极放大电路的等效电路放大电路放大信号性能的优劣是用它的性能指标来表示的。性能指标是指在规定条件下，按照规定程序和测试方法所获得的有关数据。放大电路性能指标很多，且因电路用途不同而有不同的侧重。这里仅介绍其中几项指标的含义。

(1)电压放大倍数Au。放大电路的电压放大倍数定义为输出电压有效值与输入电压有效值之比，即不带负载时的放大倍数为

带负载时的放大倍数为

式中，交流等效电阻由于RL′<RC，所以接上负载后放大倍数下降。式中的负号表示输入电压与输出电压相位相反。

(2)输入电阻ri。放大电路由信号源提供输入信号，当放大电路与信号源相连时，就要从信号源索取电流。索取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度。所以定义输入电阻来衡量放大电路对信号源的影响。当信号频率不高时，电抗效应不考虑，则有

(3)输出电阻ro。当放大电路将信号放大后输出给负载时，对负载RL而言，放大电路可视为具有内阻的信号源，该信号源的内阻即称为放大电路的输出电阻。它也相当于从放大电路输出端看进去的等效电阻。输出电阻的大小为

例6-4

放大电路如图6-48(a)所示，已知：RB=300kΩ，

RC=3kΩ，RL=3kΩ，UCC=12V，β=50。求：电路带负载与不带负载时的放大倍数、输入电阻与输出电阻。

解

交流等效电阻

不带负载时的放大倍数带负载时的放大倍数

据图6-48(b)可得

3.放大电路中的反馈

所谓反馈，就是指把放大电路输出回路的某个电量(电压或电流)的一部分或全部，通过一定的电路形式(反馈网络)送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性能获得改善的过程。这一过程可用图6-49所示方框图来表示。引入反馈后的放大电路称为反馈放大电路。图6-49反馈放大器的方框图*6.7.2功率放大电路

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力较强。

功率放大电路与电压放大电路的比较如下。

(1)本质相同。

(2)任务不同。

(3)指标不同。对功率放大电路的基本要求如下：

(1)输出功率要大。

(2)效率η要高。

(3)合理设置功放电路的工作状态。

(4)失真要小。图6-50放大电路的工作状态(a)放大电路的乙类工作状态；(b)放大电路的甲类工作状态；(c)放大电路的甲乙类工作状态；(d)放大电路的丙类工作状态

1.互补对称功率放大电路

互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路，如图6-51所示。图6-51OTL电路图互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。注意OTL电路采用单电源供电，OCL电路采用双电源供电，如图6-52所示。图6-52OCL电路图

2.采用复合管的功率放大电路

在大功率输出级中，工作电流较大，而一般大功率管的电流放大系数都较小，因此要求有较大的基极电流，此外，大功率异型管配对较为困难。解决上述矛盾的方法通常是采用复合管。图6-53复合管的接法图6-54是一个由复合管组成的OTL功率放大器实例。互补对称电路具有结构简单，效率高，频率响应好，易于集成化、小型化等优点，因而获得了广泛的应用。但是在这种电路中，负载电阻的阻值需限制在一定的范围内，当负载电阻较大或较小时，管子定额很难满足要求。图6-54复合互补对称原理电路

3.集成功率放大器

集成功率放大器克服了晶体管分立元件功率放大器的诸多缺点，其性能优良，保真度高，稳定可靠，而且所用外围元件少，结构简单，调试方便。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386内部电路原理图如图6-55所示。图6-55LM386内部电路原理图图6-56LM386的外形和引脚的排列图6-57用LM386构成的功率放大器

6.8晶体三极管的开关作用

晶体三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。三极管除了可作为放大器件应用于各种模拟电路中外，还可以工作在开关状态，即处于截止状态或饱和状态，可作为开关器件进行应用。

1.放大状态

当晶体管工作在放大状态时，其特征是：

(1)发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置(见图

6-58(a))，即

(2)IB和IC近似成正比关系，即图6-58三极管的三种工作状态(a)放大；(b)饱和；(c)截止

2.饱和状态

如果调小基极偏置电阻RB，使基极电流IB增加，则工作点Q将向上移动。当工作点移到Q1位置时，已到达特性曲线的弯曲部分，如图6-59所示。图6-59三极管的饱和状态饱和时的集电极电流IC(sat)可由下式估算

所以晶体管处于饱和状态时，其饱和条件是

3.截止状态

三极管截止、放大、饱和工作状态的条件和特点见表6-2。

例6-5

如图6-60所示电路，巳知三极管的β=50，

UCC=12V，RC=3kΩ，RB=20kΩ，假设晶体管三极管饱和时，UBE=0.7V，UCES=0.3V。试求：

(1)当Ui=0.3V时，三极管的工作状态。

(2)当Ui=5V时，三极管的工作状态，并求Uo。图6-60例6-5图

解

(1)当Ui=0.3V时，由于UBE=0.3V<0.5V(死区电压)，所以三极管截止，Uo≈12V。

(2)当Ui=5V时，首先求出ICS(饱和电流)：再求IBS：

而

结果得IB>IBS，三极管工作在饱和状态，Uo=UCES≈0.3V(饱和压降)。由于传统的触点式电压调节器结构复杂、触点易烧蚀，并容易产生无线电干扰，而晶体管调节器重量轻、体积小、故障少、寿命长，且不会干扰无线电，所以目前用其全面替代触点式调节器。其电路如图6-61所示。图6-61晶体管调节器的原理电路图6-62光电式点火装置的电路*6.9晶体管振荡电路

6.9.1自激振荡的基本原理

正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器，是模拟电子电路的一种重要形式。其特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号，这种现象称为“自激振荡”。假设如图6-63所示电路中，先通过输入一个正弦波信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速度使输出信号通过反馈网络送回到输入端，且使反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：

输出→反馈→输入→放大→输出→反馈→……

这是一个循环往复的过程，以此放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器。图6-63自激振荡原理上述假设指出，只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”，才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件，亦称平衡条件。平衡条件有两个，并且必须同时满足：

(1)相位平衡条件——由输出端反馈到输入端的电压必须与输入电压同相位，即电路必须具有正反馈。

(2)振幅平衡条件——由输出端反馈到输入端的电压幅值必须等于输入电压的幅值。

图6-64电容放电有触点晶体管点火装置直流升压器的工作工程如下：

(1)接通点火开关。

(2)当V1饱和后，集电极电流达到最大值，不再增加，于是各绕组中的感应电势为零，V1的基极电位上升，基极电流减小，集电极电流又急剧减小，这样在各绕组中又产生了感应电势。N1′中的感应电势使V1迅速截止，N2′

中的感应电势使V2迅速导通，这时电流方向为：搭铁→V2→N2→点火开关→电源负极。

(3)当V2达到饱和状态时，又重复V1饱和后的变化规律。6.9.2LC振荡器

LC正弦波振荡电路按其反馈电压的取出方式，可分为变压器反馈式、电感反馈式以及电容反馈式振荡电路。

变压器反馈式振荡电路，又称互感耦合振荡电路，它是利用变压器耦合获得适量的正反馈来实现自激振荡的，如图

6-65所示。图6-65共射调集型变压器耦合振荡电路变压器绕组的极性判别：设uBE的瞬时极性为“+”，则集电极电压的瞬时极性为“-”。所以必须将反馈线圈L2的同名端接到耦合电容Cb，才能满足正反馈要求。

振荡电路的振荡频率为电路特点：

(1)电路对三极管β值要求并不太高，只要变压器同名端接线正确，则不难起振。采用变压器耦合，容易满足阻抗匹配要求。

(2)C可以采用可变电容器，便于调节频率。

(3)由于变压器分布参数的限制，振荡频率不能太高，一般小于几十兆赫兹。*6.10场效应管

6.10.1场效应管简介

由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而由三极管组成的放大器，其输入电阻不高。

1.结型场效应管

结型场效应管有两种结构形式：N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管，如图6-66所示。图6-66结型场效应管结构与符号(a)N型沟道结型场效应管结构；(b)P型沟道结型场效应管结构；(c)N型沟道结型场效应管符号；(d)P型沟道结型场效应管符号

2.绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管简称MOS管，按导电沟道形成的不同，又可分为增强型和耗尽型。

1)N沟道增强型MOS场效应管

N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如图6-67(a)所示。图6-67N沟道增强型MOS场效应管(a)N沟道增强型MOS场效应管结构示意图；(b)UGS>UT时形成导电沟道图6-68增强型MOS管的特性曲线(a)转移特性；(b)输出特性

2) N沟道耗尽型MOS管

在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，即可形成耗尽型MOS场效应管。因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道，如图6-69所示。衬底通常在内部与源极相连。图6-69N沟道耗尽型MOS管的结构示意图图6-70耗尽型MOS管的特性曲线(a)转移特性；(b)输出特性图6-71绝缘栅场效应管符号(a)N沟道增强型；(b)N沟道耗尽型；(c)N沟道MOS管简化符号(d)P沟道增强型；(e)P沟道耗尽型；(f)P沟道MOS管简化符号

3.主要参数

(1)饱和漏极电流IDSS。

(2)夹断电压UP。

(3)开启电压UT。

(4)直流输入电阻RGS。

(5)低频跨导gm。此参数描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用，是当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，即

(6)漏极最大允许耗散功率PDM。其计算公式为

(7)漏、源间击穿电压BUDS。

(8)栅、源间击穿电压BUGS。6.10.2场效应管放大电路简介

这里只介绍一种简单的场效应管放大电路。

图6-72所示电路是一个自偏压电路，其中场效应管的栅

极通过电阻RG接地，源极通过电阻RS接地。图6-72自偏压电路图6-73所示电路是自偏压电路的特例，其中UGS=0。显然，这种偏置电路只适用于耗尽型MOS管，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内，耗尽型MOS管均能

正常工作。图6-73特殊自偏压电路

6.11集成运算放大器

集成电路一般是在一块厚0.2～0.5mm、面积约为0.5mm2的P型硅片上通过平面工艺制做成的。这种硅片(称为集成电路的基片)上可以做出包含10个(或更多)二极管、电阻、电容和连接导线的电路。与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：

(1)单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致。

(2)集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧姆至几十万欧姆范围内，电容一般为几十皮法。电感目前不能集成。

(3)元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确。6.11.1集成运算放大器的组成及图形符号

集成运算放大器的内部电路可以分为输入级、电压放大极(包括偏置电路)和输出级三个基本部分，如图6-74所示。图6-74集成电路放大器内部组成原理图图6-75集成运算放大器符号图6-76F007实物图与管脚图(a)F007实物；(b)F007的管脚分布图6.11.2集成运算放大器的主要参数及理想化概念

(1)开环电压放大倍数Auo：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比，即

(2)最大输出电压Uomax：能使输出电压保持不失真的最大输出电压。

(3)输入失调电压Uio

：输入电压为零时，输出电压除以电压增益的值。Uio是表征运放内部电路对称性的指标，典型值为2mV。

(4)输入失调电流Iio：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度，其值一般为0.5～5μA。

(5)最大差模输入电压Uidmax：当电压相等、极性相反的两个差模信号输入时，运放两输入端能承受的最大差模输入电压。超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。

(6)最大共模输入电压Uicmax：在保证运放正常工作条件下，当两个输入端输入两个信号电压相等、极性相同的共模信号时，输入电压的最大允许值。共模输入电压超过此值时，输入级晶体管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

(7)差模输入电阻rid：输入差模信号时，运放的输入

电阻。

(8)共模抑制比KCMR：差模电压增益与共模电压增益

之比。为了突出主要特性，简化分析过程，在分析实际电路时，一般将实际运放当作理想运放看待。所谓理想运放，是指具有如下理想参数的运放(图形符号如图6-77所示)：

开环电压放大倍数：Auo=∞；

输入电阻：rid=∞；

输出电阻：ro＝0；

共模抑制比：KCMR＝∞。图6-77理想化的集成运放符号工作在线性区域的理想运放具有两个重要特性：

(1)理想运放的两个输入端的电位相等。因为

当Auo＝∞，Uo为定值时，有

(2)理想运放的输入电流为零，这是由于rid=∞，所

以有

i－=i+=06.11.3运算放大器的输入方式

1.反相输入放大电路

反相输入放大电路如图6-78所示。图6-78反相输入根据i－=i+=0，可以得到

又因为u－=u+，而u+＝0，所以u－=0，反相端虽然没

有接地，但电压为零，故称为“虚地”。“虚地”与真正的“地”的区别在于：“虚地”点的电位近似为零，而不是真正为零；电流不流进“虚地”，而是从”虚地”点绕行。于是得

故闭环放大倍数为如图6-79所示是加法运算电路，它是在反相比例运算电路基础上改造而成的。图6-79反相加法电路由图可列出：

又因得

若

则设

RF=R

则

平衡电阻

2.同相输入放大电路

如图6-80所示。图中RF为负反馈电阻；R2为输入端电阻，起限流保护作用(为使电路对称，取R2=RF)；ui为加在同相输入端上的电压(反相输入端接地)；uo为输出电压。输入信号加到同相输入端，反馈信号通过RF

加到反相输入端。图6-80同相输入放大电路因为u－=u+，得

又因为i－=i+=0，得故闭环放大倍数为

由于没有“－”，电路中输入电压与输出电压是同相的，并且Auf不会小于1。如果将R1开路，或取RF=0，则Auf=1。这两种电路均称为电压跟随器(同号器)。

3.差动输入组态电路

如图6-81所示。图6-81差动输入放大电路由于运放电路工作在线性区，所以可以利用叠加原理求得。当ui2=0时，可以得到ui1单独作用时的电压为

当ui1=0时，可以得到ui2单独作用时的电压为当ui2和ui1同时作用时得