页数：160页文件大小：3.29 MB来源： 医学电子学ppt课件
本课件讲解放大器的基本原理，先介绍半导体、PN结与二极管、三极管的特性与参数，再展开共射放大电路的组成与工作原理、微变等效与图解法分析、静态工作点的稳定措施、放大器性能指标以及多级阻容耦合放大电路。
第二章 放大器的基本原理章标题页，标示本章内容与学习主线。
第一节 半导体器件
第二节 基本放大电路
半导体的导电机理不同于其它物质，具有以下特点：
一、本征半导体的结构特点：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中用得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。
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，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的共价键结构示意图：共价键中的共用电子对由相邻两个原子各提供一个价电子组成，+4 表示除去价电子后的原子。
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，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。
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），导电能力为0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，一些价电子获得足够能量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。
本征半导体中的两种载流子：自由电子与空穴，图示标出空穴、束缚电子与自由电子的位置关系。
2. 本征半导体的导电机理：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。
温度越高，载流子的浓度越高，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。
本征半导体中电流由两部分组成：
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。
一、N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量五价元素磷（或锑），晶体点阵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，很容易被激发成为自由电子，磷原子成为不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。
一、N型半导体结构示意图：+4 表示硅或锗原子，+5 表示掺入的磷原子，磷原子周围多出一个电子。
N型半导体中的载流子：
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）。
二、P型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。硼原子最外层有三个价电子，与相邻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，使硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
三、杂质半导体的示意表示法：P型半导体以负离子与空穴表示，N型半导体以正离子与自由电子表示。多子和少子的移动都能形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，近似认为多子与杂质浓度相等。
一、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。§2.1.2 PN结及半导体二极管。
PN结形成过程：扩散运动使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽，内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区也称耗尽层。
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。
空间电荷区与电位分布示意图：中间为空间电荷区，两侧分别为P型区与N型区，区内存在电位差 V0。
注意：
二、PN结的单向导电性：
一、PN结正向偏置：外电场使内电场被削弱、空间电荷区变薄，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。
二、PN结反向偏置：内电场被加强、空间电荷区变厚，多子的扩散受抑制，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。
三、半导体二极管
一、基本结构：PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。图示点接触型（触丝、基片）与面接触型结构，并给出二极管的电路符号。
三、主要参数：
以上均是二极管的直流参数，二极管主要利用其单向导电性，应用于整流、限幅、保护等。
二极管的应用举例：二极管半波整流，图示输入 ui 与输出 uo 的波形对应关系。
四、稳压二极管：稳压误差曲线越陡，电压越稳定。动态电阻 rz 越小，稳压性能越好。
稳压二极管的参数：
§2.1.3 半导体三极管
一、基本结构：三极管有NPN型和PNP型两种，分别标出基极B、发射极E、集电极C与相应的电路符号。
三极管结构特点：
三极管内部两个PN结：发射区与基区之间的发射结，基区与集电区之间的集电结。
二、晶体管放大原理：基区空穴向发射区的扩散可忽略。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；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。
集电结反偏，有少子形成的反向电流 ICBO。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，IC = ICE + ICBO ≈ ICE。
三极管内部电流关系：IB = IBE − ICBO ≈ IBE，IC = ICE + ICBO ≈ ICE。
基极电流 IB 小，集电极电流 IC 大，根据基尔霍夫第一定律可得直流电流放大系数；若取电流的变化量，则有交流放大系数 β。
要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。
NPN型三极管与PNP型三极管的电流方向对比：两者均有 IB、IE、IC，方向相反。
三、特性曲线：三极管特性测试实验线路，输入回路测 UBE、IB，输出回路测 UCE、IC。
一、输入特性（UCE ≥ 1V）：工作压降硅管 UBE ≈ 0.6~0.7V，锗管 UBE ≈ 0.2~0.3V；死区电压硅管 0.5V，锗管 0.2V。图中给出 UCE = 0V 与 UCE = 0.5V 的曲线。
二、输出特性：此区域满足 IC = βIB，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 = βIB。
输出特性的饱和区：此区域中 UCE < UBE，集电结正偏，βIB > IC，UCE ≈ 0.3V。
输出特性的截止区：此区域中 IB = 0，IC = ICEO，UBE < 死区电压。
输出特性三个区域的特点：
三、主要参数：前面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。
1. 电流放大倍数：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，基极电流变化量为 ΔIB，相应的集电极电流变化为 ΔIC，则为交流电流放大倍数 β。
放大元件起电流放大作用，是整个放大电路的核心。
由 ICUCE = PCM、ICM 与 U(BR)CEO 围成三极管的安全工作区。
§2.2.1 放大电路的组成
基本放大电路的组成：三极管放大电路有三种形式——共射放大器、共基放大器、共集放大器，以共射放大器为例讲解工作原理。
放大元件起电流放大作用，是整个放大电路的核心。图示共射放大电路中 ui、uo 与输入输出参考点的连接。
基极电源与基极电阻 RB 的作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。
集电极电源：为电路提供能量，并保证集电结反偏。
集电极电阻：将变化的电流转变为变化的电压。
电路改进：基极电源可以省去，采用单电源供电。
单电源供电电路：由 +EC、RC、C1、C2、RB 与三极管 T 构成的基本共射放大电路。
二、基本放大电路的工作原理：ui = 0 时，由于电源的存在 IB ≠ 0、IC ≠ 0，IBQ、ICQ、IEQ = IBQ + ICQ 即为静态工作点。
静态工作点的四个量：IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ，其中 (IBQ, UBEQ) 与 (ICQ, UCEQ) 分别对应输入、输出特性曲线上的一个点。
(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。
工作原理：假设 uBE 有一微小的变化，将引起 iB、iC 相应变化，uCE 随之变化。
uCE 的变化沿一条直线变化，uce 与 ui 反相，即共射放大电路的输出电压与输入电压相位相反。
各点波形：ui、iB、iC 同相变化，uC（uCE）与它们反相，经耦合电容后输出 uo 与 ui 反相。
实现放大的条件：
如何判断一个电路是否能实现放大：
已给定电路参数则计算静态工作点来判断；未给定参数则假定参数设置正确。
§2.2.2 放大电路的分析方法
一、直流通道和交流通道：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。电容容量足够大时，对交流相当于短路，对直流相当于开路，因此交直流所走的通道不同。
例：对直流信号（只有 +EC），耦合电容 C1、C2 视为开路，得到由 RB、RC 组成的直流通道。
对交流信号（输入信号 ui），耦合电容视为短路、直流电源置零，得到由 RB、RC 与负载 RL 构成的交流通路。
二、直流负载线和交流负载线
一、直流负载线：UCE 与 IC 满足 UCE = EC − ICRC，在输出特性上作出该直线，与 IB 对应的输出特性曲线的交点就是 Q 点。
二、交流负载线：由交流通路可得 ic 与 uce 的关系，交流信号的变化沿着一条通过 Q 点的直线进行。
iC 和 uCE 是全量，与交流量 ic 和 uce 有如下关系：交流信号的变化沿着斜率为 −1/(RC ∥ RL) 的直线进行，这条直线通过 Q 点，称为交流负载线。
交流负载线的作法：过 Q 点作一条直线，斜率为 −1/(RC ∥ RL)，即为交流负载线。
三、静态分析
一、估算法：（1）根据直流通道估算 IB，RB 称为偏置电阻，IB 称为偏置电流。
（2）根据直流通道估算 UCE、IC。
二、图解法：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。
例：用估算法计算静态工作点。已知：EC = 12V，RC = 4kΩ，RB = 300kΩ，β = 37.5。请注意电路中 IB 和 IC 的数量级。
四、动态分析
一、三极管的微变等效电路
1. 输入回路：当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性，对输入的小交流信号而言三极管相当于电阻 rbe，其量级从几百欧到几千欧。
2. 输出回路：（1）输出端相当于一个受 ib 控制的电流源；（2）考虑 uCE 对 iC 的影响，输出端还要并联一个大电阻 rce。
3. 三极管的微变等效电路：输入为 rbe，输出为受 ib 控制的电流源 βib，并联电阻 rce（很大，一般忽略）。
二、放大电路的微变等效电路：将交流通路中的三极管用微变等效电路代替，得到含 rbe、βib、RB、RC、RL 的小信号等效电路。
三、电压放大倍数的计算：由微变等效电路可求得电压放大倍数，特点是负载电阻越小，放大倍数越小。
电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般希望得到较大的输入电阻。
由于受控电流源内阻为无穷大，共射放大电路的输出电阻约等于集电极电阻 RC。
五、失真分析：输出信号应成比例地放大输入信号（线性放大），否则产生非线性失真。为得到尽量大的输出信号，要把 Q 点设置在交流负载线的中间部分；Q 点设置不合适，信号进入截止区或饱和区，就会造成非线性失真。为简化分析，假设负载为空载（RL = ∞）。
输入情况：由输入特性曲线与 uBE、iB 的波形，可看出 VBE 上叠加的交流信号引起 iB 的变化。
输入特性曲线与 iB 波形：Q 点位于输入特性的线性段，iB 随 uBE 按正弦规律变化。
输出情况：在输出特性与负载线上标出 Q′、Q″ 与 M、N 的范围，对应输出电压 uo 的变化。
可输出的最大不失真信号：Q 点选在交流负载线中点时，输出信号的正负半周可达到最大而不进入非线性区。
1. Q 点过低，信号进入截止区，放大电路产生截止失真，输出波形与输入波形出现削顶。
2. Q 点过高，信号进入饱和区，放大电路产生饱和失真，输出波形出现削底。
§2.2.3 静态工作点的稳定：为保证放大电路稳定工作，必须有合适而稳定的静态工作点，但温度的变化严重影响静态工作点。主要影响因素是晶体管的特性参数 UBE、ICBO 和 β，这三个参数随温度而变化。
一、温度对 UBE 的影响：图中给出 25℃ 与 50℃ 的输入特性曲线，温度升高使 UBE 减小，IB 增大，IC 增大，UBE 的变化通过 IB 的变化影响 Q 点。
二、温度对 β 值及 ICBO 的影响：温度升高使 β、ICBO 增大，IC 增大，总的效果是温度上升时输出特性曲线上移，造成 Q 点上移。
小结：温度升高时 IC 增大，固定偏置电路的 Q 点不稳定，可能靠近饱和区或截止区而导致失真。为此需要改进偏置电路，当温度升高、IC 增加时能够自动减少 IB，保持 Q 点基本稳定，常采用分压式偏置电路。
分压式偏置电路：由 RB1、RB2 分压，RE 为射极直流负反馈电阻，CE 为交流旁路电容，并给出其直流通路。
1. 静态工作点稳定的原理：温度升高使 IB、IC 增大，UE 随之升高，由于加了 RE 形成负反馈过程，UE 的升高又使 IC 回落，从而稳定 Q 点。
2. 求静态工作点算法一：将直流通路的四个方程联立，可求出 IE，进而求出 UCE。本算法比较麻烦，通常采用算法二、三。
算法二：把方框中分压部分用戴维南定理等效为 ESB 与 Rd，进而求出 IE、UCE。
算法三：当 I2 远大于 IB 时，基极电位近似由分压比决定，可直接求出 IE 与 UCE。
可以认为基极电位与温度无关。I2 越大越稳定，但 RB1、RB2 太小将增加损耗、降低输入电阻，因此一般取几十 kΩ。
例：已知 β = 50，EC = 12V，RB1 = 7.5kΩ，RB2 = 2.5kΩ，RC = 2kΩ，RE = 1kΩ，求该电路的静态工作点。结论：三种算法的结果近似相等，但算法三的计算过程要简单得多。
二、动态分析：给出分压式偏置电路的交流通路与微变等效电路，含 rbe、RC、RL 与等效基极电阻 R′B。
CE 的作用：交流通路中 CE 将 RE 短路，RE 对交流不起作用，放大倍数不受影响。问题：如果去掉 CE，放大倍数怎样？
去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：RE 保留在输入回路中，等效电路为 rbe、RC、RL 与 RE、R′B 构成。
用加压求流法求输出电阻。可见，去掉 CE 后，放大倍数减小、输出电阻不变，但输入电阻增大了。
问题2：电路中含有 RE1 与 RE2 两个射极电阻时如何分析？
静态分析：直流通路中 RE1 与 RE2 串联，共同构成射极直流负反馈电阻。
动态分析：交流通路中 RE2 被 CE 旁路，只有 RE1 参与，得到由 RB1、RC、RL、RE1 构成的交流通路。
微变等效电路：由 rbe、RC、RL 与 RE1、R′B 构成的等效电路，用于求放大倍数与输入输出电阻。
问题：Au 和 Aus 的关系如何？定义：考虑信号源内阻 RS 与负载 RL 后的源电压放大倍数。
二、放大器的主要性能指标
一、放大倍数与增益：电压放大倍数 Ku、电流放大倍数 Ki、功率放大倍数 Kp，单位 dB；对应功率增益 Gp、电流增益 Gi、电压增益 Gu。
输入电阻越大，从前级取得的电流越小，对前级的影响越小，ui 就越接近 uS。
放大电路对其负载而言相当于信号源，可等效为戴维南等效电路，其内阻就是输出电阻 ro。ro 越小，放大电路的负载能力越强。
如何确定电路的输出电阻 ro？方法一（计算）：
方法二（测量）：
四、通频带：放大倍数随频率变化的曲线即幅频特性曲线。下限截止频率 fL、上限截止频率 fH，通频带 fbw = fH − fL。通频带越宽，放大器对信号频率变化的适应能力越强。
§2.2.5 多级阻容耦合放大电路
耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合。耦合即信号的传送。多级放大电路对耦合电路的要求：
典型电路：设 β1 = β2 = 50，rbe1 = 2.9kΩ，rbe2 = 1.7kΩ，前级为射极输出器 T1，后级为共射放大电路 T2，UCC = +24V。
性能分析关键：考虑级间影响。
输入电阻 ri 与输出电阻 ro 的概念同单级，需结合 ri2 与末级输出电阻计算。
微变等效电路：含 RE1、R2、R3、RC2、RL 与 R1 的完整小信号等效电路。
3. 中频电压放大倍数：由微变等效电路计算两级放大电路的中频电压放大倍数。
计入信号源内阻 RS 后的等效电路与放大倍数计算。
多级阻容耦合放大器的特点：
射极输出器接在首级可提高输入电阻，接在末级可减小输出电阻，接在中间级可起匹配作用。
例1：放大电路由下面两个放大电路组成。已知 EC = 15V，R1 = 100kΩ，R2 = 33kΩ，RE1 = 2.5kΩ，RC = 5kΩ，β1 = 60；RB = 570kΩ，RE2 = 5.6kΩ，β2 = 100，RS = 20kΩ，RL = 5kΩ。
求解：
2. 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数 Au、ri 和 ro。已知 rbe1 = 1.62kΩ，rbe2 = 2.36kΩ，ro1 = RC = 5kΩ。
讨论：带负载能力。
可见输出级接射极输出器后可稳定放大倍数 Au。
3. 若信号经射极输出器后，再经放大电路一输出，求放大倍数 Aus。已知 Au2 = −93，ri2 = 1.52kΩ，Au1 = 0.98，ri = 101kΩ。
输入不接射极输出器时放大倍数较低；输入级接射极输出器后，由于从信号源取的信号增加，从而可提高整个放大电路的放大倍数 Aus。
思考题：若首级接射极输出器、中间级接共射放大电路、末级接射极输出器，求该三级放大电路的放大倍数 Au、Aus、ri 和 ro。已知 β1 = 100，β2 = 60，β3 = 100。
三级放大电路参数：β1 = 100，β2 = 60，β3 = 100；rbe1 = 2.36kΩ，rbe2 = 1.62kΩ，rbe3 = 2.36kΩ。
三级放大电路结构：T1 为射极输出器，T2 为共射放大电路，T3 为射极输出器，级间通过耦合电容连接。
三级放大电路分析：逐级计算输入电阻、放大倍数，并把后级输入电阻作为前级负载。
RS = 20kΩ，RL = 5kΩ 与 RL = 1kΩ 时的总放大倍数 Au 与 Aus 的计算结果。
例2：设 gm = 3mA/V，β = 50，rbe = 1.7kΩ。前级为场效应管共源极放大器，后级为晶体管共射极放大器，求总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。
（1）估算各级静态工作点（略）。（2）动态分析：微变等效电路。首先计算第二级的输入电阻 ri2 = R3 ∥ R4 ∥ rbe = 82 ∥ 43 ∥ 1.7 = 1.7kΩ。
第二步：计算各级电压放大倍数，由微变等效电路求 Au1 与 Au2。
第三步：计算输入电阻、输出电阻。ri = R1 ∥ R2 = 3 ∥ 1 = 0.75MΩ，ro = RC = 10kΩ。
第四步：计算总电压放大倍数 Au = Au1 × Au2 = (−4.4) × (−147) = 647。
阻容耦合电路的频率特性：低频段受耦合电容影响，高频段受三极管结电容影响。阻容耦合电路的缺点是不能放大直流信号；采用直接耦合方式可放大缓慢变化的信号，扩大通频带，差动放大器即采用直接耦合方式。
四、戴维南定理：任何一个含源线性二端网络可以等效成为一个电压源，这个电压源的电动势 E′ 等于该含源二端网络的开路电压，而内阻 R′ 则等于此二端网络内部所有电源都为零时（全部电压源短路、电流源开路）的两个输出端点之间的等效电阻。
第二章结束页（END），标示本份课件内容结束。
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}