第8章基本放大電路半導體器件工作原理共射放大電路組成、工作原理、性能特點及分析方法射極輸出器基本特點，差動放大電路及功率放大電路工作原理多級放大電路概念學習要點8.1半導體二極管半導體器件是用半導體材料制成的電子器件。常用的半導體器件有二極管、三極管、場效應晶體管等。半導體器件是構成各種電子電路最基本的元件。8.1.1PN結半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，如硅(Si)、鍺(Ge)。硅和鍺是4價元素，原子的最外層軌道上有4個價電子。熱激發產生自由電子和空穴室溫下，由于熱運動少數價電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中留下一個空位這個空位稱為空穴。失去價電子的原子成為正離子，就好象空穴帶正電荷一樣。在電子技術中，將空穴看成帶正電荷的載流子。每個原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過共價鍵緊密結合在一起。兩個相鄰原子共用一對電子。1．半導體的導電特征空穴運動（與自由電子的運動不同）有了空穴，鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉移到鄰近共價鍵中。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的價電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。本征半導體中有兩種載流子：帶負電荷的自由電子和帶正電荷的空穴熱激發產生的自由電子和空穴是成對出現的，電子和空穴又可能重新結合而成對消失，稱為復合。在一定溫度下自由電子和空穴維持一定的濃度。在純凈半導體中摻入某些微量雜質，其導電能力將大大增強。在純凈半導體硅或鍺中摻入磷、砷等5價元素，由于這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于存在多余的價電子而產生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為電子半導體或N型半導體，其中自由電子為多數載流子，熱激發形成的空穴為少數載流子。N型半導體自由電子多數載流子（簡稱多子）空穴少數載流子（簡稱少子）P型半導體在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，由于這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為空穴半導體或P型半導體，其中空穴為多數載流子，熱激發形成的自由電子是少數載流子。自由電子多數載流子（簡稱多子）空穴少數載流子（簡稱少子）無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。摻入的雜質元素的濃度越高，多數載流子的數量越多。少數載流子是熱激發而產生的，其數量的多少決定于溫度。2．PN結及其單向導電性PN結的形成半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區域向濃度低的區域運動，這種運動稱為擴散運動。將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→

PN結。多子擴散形成空間電荷區產生內電場少子漂移促使阻止擴散與漂移達到動態平衡形成一定寬度的PN結①外加正向電壓（也叫正向偏置）外加電場與內電場方向相反，內電場削弱，擴散運動大大超過漂移運動，N區電子不斷擴散到P區，P區空穴不斷擴散到N區，形成較大的正向電流，這時稱PN結處于導通狀態。PN結的單向導電性②外加反向電壓（也叫反向偏置）外加電場與內電場方向相同，增強了內電場，多子擴散難以進行，少子在電場作用下形成反向電流IR，因為是少子漂移運動產生的，IR很小，這時稱PN結處于截止狀態。8.1.2半導體二極管一個PN結加上相應的電極引線并用管殼封裝起來，就構成了半導體二極管，簡稱二極管。半導體二極管按其結構不同可分為點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型二極管PN結面積很小，結電容很小，多用于高頻檢波及脈沖數字電路中的開關元件。面接觸型二極管PN結面積大，結電容也小，多用在低頻整流電路中。1．半導體二極管的結構與符號2．半導體二極管的伏安特性曲線（1）正向特性外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內電場對多子擴散的阻力，PN結仍處于截止狀態。正向電壓大于死區電壓后，正向電流

隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。外加反向電壓時，PN結處于截止狀態，反向電流

很小。

反向電壓大于擊穿電壓時，反向電流急劇增加。（2）反向特性3．半導體二極管的主要參數1）最大整流電流IF：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2）反向擊穿電壓UB：指管子反向擊穿時的電壓值。3）最大反向工作電壓UDRM：二極管運行時允許承受的最大反向電壓（約為UB的一半）。4）反向電流IR：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向導電性越好。5）最高工作頻率fm：主要取決于PN結結電容的大小。理想二極管：正向電阻為零，正向導通時為短路特性，正向壓降忽略不計；反向電阻為無窮大，反向截止時為開路特性，反向漏電流忽略不計。8.1.3穩壓管穩壓管是一種用特殊工藝制造的半導體二極管，穩壓管的穩定電壓就是反向擊穿電壓。穩壓管的穩壓作用在于：電流增量很大，只引起很小的電壓變化。穩壓管的主要參數：（1）穩定電壓UZ。反向擊穿后穩定工作的電壓。（2）穩定電流IZ。工作電壓等于穩定電壓時的電流。（3）動態電阻rZ。穩定工作范圍內，管子兩端電壓的變化量與相應電流的變化量之比。即：rZ=ΔUZ/ΔIZ（4）額定功率PZ和最大穩定電流IZM。額定功率PZ是在穩壓管允許結溫下的最大功率損耗。最大穩定電流IZM是指穩壓管允許通過的最大電流。它們之間的關系是：

PZ=UZIZM8.2半導體三極管8.2.1

三極管的結構及類型半導體三極管是由兩個背靠背的PN結構成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導電，故又稱為雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管。

兩個PN結，把半導體分成三個區域。這三個區域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：NPN型和PNP型。NPN型PNP型箭頭方向表示發射結加正向電壓時的電流方向8.2.2電流分配和電流放大作用（1）產生放大作用的條件內部：a）發射區雜質濃度>>基區>>集電區

b）基區很薄外部：發射結正偏，集電結反偏（2）三極管內部載流子的傳輸過程a）發射區向基區注入電子，形成發射極電流iEb）電子在基區中的擴散與復合，形成基極電流iBc）集電區收集擴散過來的電子，形成集電極電流iC（3）電流分配關系：

IE=IC+IB

實驗表明IC比IB大數十至數百倍，因而有。IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。8.2.3三極管的特性曲線1．輸入特性曲線與二極管類似2．輸出特性曲線（1）放大區：發射極正向偏置，集電結反向偏置（2）截止區：發射結反向偏置，集電結反向偏置

（3）飽和區：發射結正向偏置，集電結正向偏置此時

8.2.4三極管的主要參數1、電流放大系數β：iC=βiB2、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM：下降到額定值的2/3時所允許的最大集電極電流。（2）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電極、發射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗PCM。

8.3放大電路的組成放大的實質：用較小的信號去控制較大的信號。（1）晶體管V。放大元件，用基極電流iB控制集電極電流iC。（2）電源UCC和UBB。使晶體管的發射結正偏，集電結反偏，晶體管處在放大狀態，同時也是放大電路的能量來源，提供電流iB和iC。UCC一般在幾伏到十幾伏之間。（3）偏置電阻RB。用來調節基極偏置電流IB，使晶體管有一個合適的工作點，一般為幾十千歐到幾百千歐。（4）集電極負載電阻RC。將集電極電流iC的變化轉換為電壓的變化，以獲得電壓放大，一般為幾千歐。（5）電容Cl、C2。用來傳遞交流信號，起到耦合的作用。同時，又使放大電路和信號源及負載間直流相隔離，起隔直作用。為了減小傳遞信號的電壓損失，Cl、C2應選得足夠大，一般為幾微法至幾十微法，通常采用電解電容器。8.4

放大電路的靜態分析靜態是指無交流信號輸入時，電路中的電流、電壓都不變的狀態，靜態時三極管各極電流和電壓值稱為靜態工作點Q（主要指IB、IC和UCE）。靜態分析主要是確定放大電路中的靜態值IB、IC和UCE。8.4.1估算法直流通路：耦合電容可視為開路。圖解步驟：（1）用估算法求出基極電流IB（如40μA）。（2）根據IB在輸出特性曲線中找到對應的曲線。（3）作直流負載線。根據集電極電流IC與集、射間電壓UCE的關系式UCE=UCC－ICRC可畫出一條直線，該直線在縱軸上的截距為UCC/RC，在橫軸上的截距為UCC，其斜率為－1/RC，只與集電極負載電阻RC有關，稱為直流負載線。（4）求靜態工作點Q，并確定UCE、IC的值。晶體管的IC和UCE既要滿足IB=40μA的輸出特性曲線，又要滿足直流負載線，因而晶體管必然工作在它們的交點Q，該點就是靜態工作點。由靜態工作點Q便可在坐標上查得靜態值IC和UCE。8.4.2圖解法IB=40μA的輸出特性曲線由UCE=UCC－ICRC所決定的直流負載線兩者的交點Q就是靜態工作點過Q點作水平線，在縱軸上的截距即為IC過Q點作垂線，在橫軸上的截距即為UCE8.5

共發射極基本放大電路的動態分析動態是指有交流信號輸入時，電路中的電流、電壓隨輸入信號作相應變化的狀態。由于動態時放大電路是在直流電源UCC和交流輸入信號ui共同作用下工作，電路中的電壓uCE、電流iB和iC均包含兩個分量。交流通路：（ui單獨作用下的電路）。由于電容C1、C2足夠大，容抗近似為零（相當于短路），直流電源UCC去掉（短接）。8.5.1圖解分析法圖解步驟：（1）根據靜態分析方法，求出靜態工作點Q。（2）根據ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負載線。（4）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE。從圖解分析過程，可得出如下幾個重要結論：（1）放大器中的各個量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量兩部分組成。（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔開，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓ui反相。（3）放大器的電壓放大倍數可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負載電阻RL越小，交流負載電阻RL'也越小，交流負載線就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數下降。（4）靜態工作點Q設置得不合適，會對放大電路的性能造成影響。若Q點偏高，當ib按正弦規律變化時，Q'進入飽和區，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓uo（即uce）的負半周出現平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點偏低，則Q"進入截止區，輸出電壓uo的正半周出現平頂畸變，稱為截止失真。飽和失真和截止失真統稱為非線性失真。8.5.2微變等效電路法把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效成一個線性電路，就是放大電路的微變等效電路，然后用線性電路的分析方法來分析，這種方法稱為微變等效電路分析法。等效的條件是晶體管在小信號（微變量）情況下工作。這樣就能在靜態工作點附近的小范圍內，用直線段近似地代替晶體管的特性曲線。（1）基本思路（2）晶體管微變等效電路輸入特性曲線在Q點附近的微小范圍內可以認為是線性的。當uBE有一微小變化ΔUBE時，基極電流變化ΔIB，兩者的比值稱為三極管的動態輸入電阻，用rbe表示，即：輸出特性曲線在放大區域內可認為呈水平線，集電極電流的微小變化ΔIC僅與基極電流的微小變化ΔIB有關，而與電壓uCE無關，故集電極和發射極之間可等效為一個受ib控制的電流源，即：（3）放大電路微變等效電路①電壓放大倍數式中RL'=RC//RL。當RL=∞（開路）時②輸入電阻Ri輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號源吸取電流（輸入電流）的大小。為了減輕信號源的負擔，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號源內阻Rs的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在幾百歐到幾千歐，一般認為是較低的，并不理想。③輸出電阻對于負載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負載電阻RL的變化對輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負載能力越強，因此總希望Ro越小越好。上式中Ro在幾千歐到幾十千歐，一般認為是較大的，也不理想。8.6

工作點穩定的放大電路1．溫度對工作點的影響溫度升高UBE減小ICBO增大β增大IC增大2．工作點穩定的放大電路條件：I2>>IB，則與溫度基本無關。調節過程：（1）靜態分析（2）動態分析例：圖示電路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=50。試估算靜態工作點，并求電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。解：（1）用估算法計算靜態工作點（2）求電壓放大倍數（3）求輸入電阻