放大器的基本原理经典.ppt
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1、第二章 放大器的基本原理,第一节 半导体器件,半导体的基本知识 PN 结及半导体二极管 半导体三极管,第二节 基本放大电路,2.2.1 放大电路的组成2.2.2 放大电路的分析方法2.2.3 静态工作点的稳定2.2.4 放大器的主要性能指标2.2.5 多级阻容耦合放大电路,导体、半导体和绝缘体,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。,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:
2、,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。,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。,本征半导体,本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,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:,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+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
3、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。,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,空穴,束缚电子,自由电子,二、本征半导
4、体的导电机理,1.载流子、自由电子和空穴,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。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。,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
5、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)。,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(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。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。,一、N 型半导体,多余电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么?,1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相
6、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)。,二、P 型半导体,空穴,硼原子,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,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,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,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电
7、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。,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,N型区,P型区,电位V,V0,空间电荷区中没有载流子。,注意:,空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子都是多子)向对方运动(扩散运动)。,P 区中的电子和N区中的空穴(都是少子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。,PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是:P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是:P区加负、N 区加正电压。,一、PN 结
8、正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱,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,N,P,+,_,内电场被被加强,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。,R,E,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。,点接触型,面接触型,二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,三、主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.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,
9、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UWRM一般是UBR的一半。,3.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。,以上均是二极管的直流参数,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。下面介绍两个交流参数。,4.微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比:,显然,rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,二极管:死区电压=
10、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=0,二极管的应用举例:二极管半波整流,稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡,电压越稳定。,-,UZ,(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,(3)动态电阻,基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,2.1.3 半导体三极管,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,发射结,集电结,晶体管放大原理,EB,RB,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
11、子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。,EB,RB,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。,IB=IBE-ICBOIBE,EB,RB,基极电流IB 小,集电极电流IC 大,,根据基尔霍夫第一定律:,直流电流放大系数,若取电流的变化量,则有,交流放大系数,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,PNP型三极管,特性曲线,一、输入特性,工作压降:硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压,硅管0.5V,锗管0.2V。,二、输出特性,IC(mA),此区域满足IC=IB称为线
12、性区(放大区)。,当UCE大于一定的数值时,IC只与IB有关,IC=IB。,0.7,此区域中UCEUBE,集电结正偏,IBIC,UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压,称为截止区。,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,IBIC,UCE0.3V,(3)截止区:UBE 死区电压,IB=0,IC=ICEO 0,三、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
13、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:,1.电流放大倍数和,放大元件,起电流放大作用,是整个放大电路的核心。,输入,输出,参考点,耦合电容C1:隔直作用:隔断放大电路与信号源之间的直流通路交流耦合:保证交流信号顺利通过,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO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。,B,E,C,N,N,P,ICBO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ICBO,3.集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大,当温度上升时,
14、ICEO增加很快,所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4.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。,5.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。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC 流过三极管,所发出的焦耳 热为:,PC=ICUCE,必定导致结温 上升,所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,2.2.1 放大电路的组成,放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大
15、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:,Ku,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。,输入,输出,?,参考点,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,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。,耦合电容:电解电容,有极性。大小为10F50F,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。,可以省去,电路改进:采用单电源供电
16、,二、基本放大电路的工作原理,由于电源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、静态工作点,IBQ,ICQ,(ICQ,UCEQ),(IBQ,UBEQ),(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。,IB,uCE怎么变化,?,假设uBE有一微小的变化,uCE的变化沿一条直线,uce相位如何,?,uce与ui反相!,各点波形,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
17、变化的集电极电压,经电容滤波只输出交流信号。,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:,2.2.2 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,计算机仿真,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。,但是,电容对交、直流的作用不同。如
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