《常见模拟电路分析》PPT课件

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第一专题　半导体器件的基础知识 第一专题　半导体器件的基础知识 7.1半导体二极管半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质，例如金属。绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的特点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。 1.本征半导体GeSi本征半导体的导电机理纯净的半导体。如：硅和锗最外层四个价电子共价键结构+4+4+4+4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。+4+4+4+4 在热或光激发下，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。+4+4+4+4空穴束缚电子自由电子 在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，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带正电的载流子。+4+4+4+4自由电子或空穴的运动形成电流因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 本征半导体的导电机理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。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。归纳 2.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质，使杂质半导体某种载流子浓度大大增加。 +4+4+5+41）N型半导体多余电子磷原子在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。 2）P型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴硼原子 归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。◆◆◆◆杂质半导体的导电机理 杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N区P区一、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。7.1.1PN结及其单向导电性 浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区形成内电场内电场阻止多子扩散，促使少子漂移多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_I正二、PN结的单向导电性导通 PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_I反截止 7.1.2半导体二极管的基本结构一、基本结构PN结+管壳和引线PN阳极阴极符号：D分类：点接触型面接触型平面型 1.1.1什么是半导体2．载流子：半导体中，携带电荷参与导电的粒子。自由电子：带负电荷空穴：带与自由电子等量的正电荷均可运载电荷——载流子特性：在外电场作用下，载流子都可以做定向移动，形成电流。1．半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,且随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化，人们把这一类物质称为半导体。1.1　半导体二极管 3．N型半导体：主要靠电子导电的半导体。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。4．P型半导体：主要靠空穴导电的半导体。1.1.2　PN结即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。PN结：经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面就会出现一个特殊的接触面，称为PN结。PN结具有单向导电特性。1.1　半导体二极管 （1）正向导通：电源正极接P型半导体，负极接N型半导体，电流大。（2）反向截止：电源正极接N型半导体，负极接P型半导体，电流小。结论：PN结加正向电压时导通，加反向电压时截止，这种特性称为PN结的单向导电性。1.1　半导体二极管 如果反向电流未超过允许值，反向电压撤除后，PN结仍能恢复单向导电性。反向击穿：PN结两端外加的反向电压增加到一定值时，反向电流急剧增大，称为PN结的反向击穿。热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使PN结烧坏，称为热击穿。结电容：PN结存在着电容，该电容为PN结的结电容。1.1　半导体二极管 1.1.3半导体二极管1．半导体二极管的结构和符号利用PN结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器件——半导体二极管。箭头表示正向导通电流的方向。电路符号如图所示。1.1　半导体二极管 由于管芯结构不同，二极管又分为点接触型（如图a）、面接触型（如图b）和平面型（如图c）。点接触型：PN结接触面小，适宜在小电流状态下使用。面接触型、平面型：PN结接触面大，截流量大，适合于大电流场合中使用。1.1　半导体二极管 2．二极管的特性伏安特性：二极管的导电性能由加在二极管两端的电压和流过二极管的电流来决定，这两者之间的关系称为二极管的伏安特性。硅二极管的伏安特性曲线如图所示。特性曲线1.1　半导体二极管 ②正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压增大而急剧增大，二极管导通。①死区：当正向电压较小时，正向电流极小，二极管呈现很大的电阻，如OA段，通常把这个范围称为死区。死区电压：导通电压：îíì=onV0.2V~0.3V（Ge）0.6V~0.7V（Si）结论：正偏时电阻小，具有非线性。（1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）1.1　半导体二极管îíì=(Si）V0.2V5.0TV(Ge） ②反向击穿：若反向电压不断增大到一定数值时，反向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。①反向饱和电流：当加反向电压时，二极管反向电流很小，而且在很大范围内不随反向电压的变化而变化，故称为反向饱和电流。（2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）普通二极管不允许出现此种状态。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。二极管属于非线性器件1.1　半导体二极管 3．半导体二极管的主要参数（1）最大整流电流IF：二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值，否则可能损坏二极管。（2）最高反向工作电压VRM使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。1.1　半导体二极管 1.2.1　半导体三极管的基本结构与分类1．结构及符号三极：发射极E、基极B、集电极C。三区：发射区、基区、集电区。1.2　半导体三极管PNP型及NPN型三极管的内部结构及符号如图所示。实际上发射极箭头方向就是发射结正向电流方向。两结：发射结、集电结。 半导体三极管的结构和类型三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧挨着的PN结，并引出三个电极，如下图所示。三极管有三个区：发射区——发射载流子的区域；基区——载流子传输的区域；集电区——收集载流子的区域。各区引出的电极依次为发射极（ｅ极）、基极（ｂ极）和集电极（ｃ极）。发射区和基区在交界处形成发射结；基区和集电区在交界处形成集电结。根据半导体各区的类型不同，三极管可分为NPN型和PNP型两大类，如下图（a）、（b）所示。 三极管的组成与符号（a）NPN型;（b）PNP型 为使三极管具有电流放大作用，在制造过程中必须满足实现放大的内部结构条件，即：（1）发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度，以便于有足够的载流子供“发射”。（2）基区很薄，掺杂浓度很低，以减少载流子在基区的复合机会，这是三极管具有放大作用的关键所在。（3）集电区比发射区体积大且掺杂少，以利于收集载流子。由此可见，三极管并非两个PN结的简单组合，不能用两个二极管来代替；在放大电路中也不可将发射极和集电极对调使用。 三极管的工作电压和基本连接方式工作电压三极管要实现放大作用必须满足的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压，即发射结正偏，集电结反偏。如下图所示，其中V为三极管，UCC为集电极电源电压，UBB为基极电源电压，两类管子外部电路所接电源极性正好相反，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。若以发射极电压为参考电压，则三极管发射结正偏，集电结反偏这个外部条件也可用电压关系来表示：对于NPN型：UC>UB>UE；对于PNP型：UE>UB>UC。 三极管电源的接法（a）NPN型;（b）PNP型 基本连接方式三极管有三个电极，而在连成电路时必须由两个电极接输入回路，两个电极接输出回路，这样势必有一个电极作为输入和输出回路的公共端。根据公共端的不同，有三种基本连接方式。（1）共发射极接法（简称共射接法）。共射接法是以基极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，发射极为公共端，如下图（a）所示。（2）共基极接法（简称共基接法）。共基接法是以发射极为输入端的一端，集电极为输出端的一端，基极为公共端，如下图（b）所示。（3）共集电极接法（简称共集接法）。共集接法是以基极为输入端的一端，发射极为输出端的一端，集电极为公共端，如下图（c）所示。图中“⊥”表示公共端，又称接地端。无论采用哪种接法，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。 三极管电路的三种组态（a）共发射极接法;（b）共基极接法（c）共集电极接法 三极管的主要参数1）电流放大倍数2）极间反向电流3）极限参数（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM。（3）反向击穿电压U(BR)CEO,U(BR)CBO,U(BR)EBO。 场效应管场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。 结型场效应管结构和符号结型场效应管（JFET）结构示意图如图（a）所示。N沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号;（c）外形图 P沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号 工作原理(以N沟道结型场效应管为例)场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS≤0，漏源之间加正向电压，即UDS＞0。当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。 场效应管的工作原理 UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断 绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅源间的输入电阻一般为10+6~10+9Ω。由于PN结反偏时，总有一定的反向电流存，而且受温度的影响，因此，限制了结型场效应管输入电阻的进一步提高。而绝缘栅型场效应管的栅极与漏极、源极及沟道是绝缘的，输入电阻可高达10+9Ω以上。由于这种场效应管是由金属（Metal）,氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故称MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式不同可以分为增强型和耗尽型两类。 Ｎ沟道增强型绝缘栅场效应管结构和符号下图是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。绝缘栅场效应管的图形符号如下图（b）、(c)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(b))，否则为P沟道MOS管(图(c))。 MOS管的结构及其图形符号 下图是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图，图（b）是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。当UGS=0时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流ID=0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故。 N沟道增强型MOS管工作原理(a)示意图；(b)电路图 当UGS>0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。 当UGS>UGS(th)时，UGS增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。所以改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流ID的大小，随着UGS的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。必须强调，这种管子当UGSVT，在绝缘层和衬底之间感应出一个反型层，使漏极和源极之间产生导电沟道。在漏、源极间加一正向电压VDS时，将产生电流ID。总结：VGS越大，导电沟道越宽，沟道电阻越小，ID越大。则通过调节VGS可控制漏极电流ID。（3）输出特性和转移特性（与晶体管类似）。1.3　场效晶体管 3．电压放大作用MOS场效晶体管放大电路与结型场效晶体管放大电路的工作原理相似。N沟道耗尽型场效晶体管的VGS可取负值，取正值和零均能正常工作。通常将增强型MOS管简写为EMOS，耗尽型MOS管简写为DMOS。1.3　场效晶体管 1.3.3　MOSFET和三极管的比较1．MOSFET温度稳定性好。2．MOSFET输入电阻极高，因此，MOSFET放大级对前级的放大能力影响极小。3．MOSFET存放时，应使栅极与源极短接，避免栅极悬空。4．MOSFET的源极和漏极可以互换使用。1.3　场效晶体管 本章小结2．晶体二极管的核心是PN结，故具有单向导电性。二极管属于非线性器件，其伏安特性是非线性的。二极管的门坎电压，硅管约0.5V，锗管约0.2V。导通电压，硅管约0.7V，锗管约0.3V。1．本征半导体内存在两种载流子：自由电子和空穴。杂质半导体有P型和N型两种，P型半导体中空穴是多子，N型半导体中自由电子是多子。PN结是在P型半导体与N型半导体交界面附近形成的空间电荷区，也叫阻挡层或耗尽层。PN结具有单向导电性，即正偏时导通，反偏时截止。 4．MOS管是一种电压控制器件。MOS管的优点是：输入阻抗高、受幅射和温度影响小、集成工艺简单。超大规模集成电路主要应用MOS管。3．晶体三极管是一种电流控制器件，它以较小的基极电流控制较大的集电极电流，以较小的基极电流变化控制较大的集电极电流变化。所谓电流放大作用，实质上就是这种“小控制大”，“小变化控制大变化”的作用。三极管有PNP型和NPN型两大类。管外有三个电极：发射极、基极和集电极；管内有两个PN结：发射结和集电结。使用时有三种电路组态：共发射极、共基极和共集电极组态；三种工作状态：截止状态、饱和状态和放大状态。两种基本功能：开关功能和放大功能。 第二专题　常见模拟电路分析 基本放大电路 放大的概念及放大电路的性能指标一、什么是放大1、概念：将微弱的电信号通过放大电路(也称放大器)放大到具有足够大的功率去推动负载，这就是放大。2、放大的本质：能量的控制和转换；即在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。注意：只有在不失真的情况下放大才有意义。 2.性能指标1)放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输出电压输入电流输出电流任何放大电路均可看成为二端口网络。 2)输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻 3)通频带4)最大不失真输出电压Uom：交流有效值。由于电容、电感及半导体器件PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率 (2)输入回路应使交流信号电压能加到管子上，使产生交流电流第二节放大电路的组成及工作原理一、组成原则(1)电源极性必须使放大管处于放大状态，即e结正偏，c结反偏。 (3)输出回路应使输出电流尽可能多地流到负载上，减少其他分流；(4)为了保证放大电路不失真地放大信号，必须在没有外加信号时使放大管有一个合适的静态工作点，称之为合理的设置静态工作点。 三、设置静态工作点的必要性输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？ 四、基本共射放大电路的工作原理饱和失真截止失真底部失真顶部失真动态信号驮载在静态之上输出和输入反相！要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！波形分析 五、放大电路的组成原则静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。 两种实用放大电路直接耦合放大电路问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”将两个电源合二为一共地，且要使信号驮载在静态之上静态时，动态时，b-e间电压是uI与Rb1上的电压之和。 两种实用放大电路阻容耦合放大电路耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。静态时，C1、C2上电压？动态时，C1、C2为耦合电容！＋－UBEQ－＋UCEQuBE＝uI＋UBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。 讨论1.用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。照葫芦画瓢！清华大学华成英hchya@tsinghua.edu.cn VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合适的IB。VCC：使UCE≥Uon，同时作为负载的能源。Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uo)。动态信号作用时：二、基本共射放大电路C1C2：隔直耦合电容 习惯画法单电源供电 7.5多级放大电路7.5.1阻容耦合多级放大电路各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。 1．阻容耦合多级放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析①电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。②输入电阻就是第一级的输入电阻。③输出电阻就是最后一级的输出电阻。 2．阻容耦合多级放大的频率特性和频率失真中频段：电压放大倍数近似为常数。低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。 除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特性，相位移与频率的函数关系称为相频特性，二者统称为频率特性或频率响应。放大电路呈现带通特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上限频率和下限频率，其差值称为通频带。一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真。 7.5.2直接耦合多级放大电路优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。 7.6差动放大电路7.6.1差动放大电路的工作原理抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。 温度变化时两个单管放大电路的工作点都要发生变动，分别产生输出漂移Δuol和Δuo2。由于电路是对称的，所以Δuol=Δuo2，差动放大电路的输出漂移Δuo＝Δuol－Δuo2＝0，即消除了零点漂移。1．抑制零点漂移的原理2．差模输入差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则：差模电压放大倍数：可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。 3．共模输入共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。共模电压放大倍数：说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。共模抑制比：共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。 在发射极电阻RE的作用：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。负电源UEE的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。 7.6.2差动放大电路的输入输出方式双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。 单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入。 单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。 7.7互补对称功率放大电路7.7.1功率放大电路的特点及类型1．功率放大电路的特点功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求①功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态，②非线性失真也要比小信号的电压放大电路严重得多。此外，功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，③必须尽可能提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值。 2．功率放大电路的类型甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50％。乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类和乙类之间。 7.7.2互补对称功率放大电路1．OCL功率放大电路静态（ui=0）时，UB=0、UE=0，偏置电压为零，V1、V2均处于截止状态，负载中没有电流，电路工作在乙类状态。动态（ui≠0）时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载；在ui的负半周V2导通而V1截止，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载。可见在输入信号ui的整个周期内，V1、V2两管轮流交替地工作，互相补充，使负载获得完整的信号波形，故称互补对称电路。由于V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可与低阻负载RL直接匹配。 从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真称为交越失真。产生交越失真的原因是由于V1、V2发射结静态偏压为零，放大电路工作在乙类状态。当输入信号ui小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压为零，使波形失真。 为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V2虽然都已基本导通，但因它们对称，UE仍为零，负载中仍无电流流过。 2．OTL功率放大电路因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载，同时对电容C充电；在ui的负半周V2导通而V1截止，电容C通过V2、RL放电，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载，电容C在这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，必须保持电容C上的电压基本维持在UCC/2不变，因此C的容量必须足够大。 7.2整流电路7.2.1单相半波整流电路u1u2TrDRLuoTr：整流变压器D：理想二极管u2>0，D导通；uD=0，I取决于外电路；u20，D截止；I=0，uD（负值）取决于外电路。RL：负载电阻u1，u2：正弦波瞬时值 u1u2RLuoioiDuDu2>0时，二极管导通：一、工作原理u2<0时，二极管截止：uoiotwu2twuDuo=u2，uD=0uo=0，uD=u2TrD 二、主要参数输出电压平均值：输出电流平均值：2二极管的平均电流：二极管上承受的最大反向电压：最大整流电流：IOMID(AV)反向工作峰值电压：URWMUDRM 整流桥一、电路7.2.2单相桥式整流电路u1u2TrD4D2D1D3RLuou1u2TrRLuo简化画法 +-u2正半周时：二、工作原理Tru1u2D4D2D1D3RLuou2>0，D1，D3通，D2，D4止；u2<0，D2，D4通，D1，D3止；uo=u2uo=-u2u2负半周时：-+uoiotwu2tw u2uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuo 三、各电量计算输出电压平均值：输出电流平均值：uoiotw流过变压器副边的电流仍为正弦电流，其有效值： 二极管上承受的最高反向电压：二极管的平均电流：三、整流元件选择最大整流电流：IOMID(AV)最大反向工作电压：URWMUDRM 整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为较平滑的直流电压u4。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo单相半波整流（半波整流）单相桥式整流（全波整流）7.3电源滤波电路 uDRLuo+C单相半波整流滤波电路uouT/40T/2T初始时刻uC=00uC：C充电，uo按正弦变化t1T/4uC：uo按正弦规律变化uo=uCt1uo，D1、D3通，C充电C放电，指数规律，快！u2>uo，D1、D3仍导通uo正弦规律uo仍为正弦规律~t2t1C放电，uo指数规律有电容时的输出波形~t1T/4u2正弦规律，慢！u1u2u1abD4D2D1D3RLuoC uotu2tuotu2t全波整流与半波整流的比较二极管上承受的最高反向电压： 输出电压的平滑程度和平均值与电容的放电时间常数RLC有关。RLC越小，输出平均电压越低，输出电压中含纹波成分越大。RLC大RLC小UOUO 二、滤波电容的选择与输出电压的估算C容量选择：T：交流电压的周期C耐压选择：RLC愈大电容器放电愈慢UO(平均值)愈大。 输出电压的估算桥式整流电容滤波TRLCtw 若取：则：同理，可得半波整流电容滤波： 三、整流二极管的导通角整流电路二极管的导通时间vC时，VD1、VD3管导通，v2向C充电。②直到v2vC时，VD2、VD4管导通，v2向C充电。④直到-v2VO+5V1．输出电压固定的稳压电路第二节 连续调整型直流稳压电路 2．输出正、负压的稳压电路图示电路可提供5V电压的稳压电源。两个24V的电源变压器二次电压分别提供给两个格式整流器，两个1000F电容器分别为两个桥式整流电路的滤波电容。第二节 连续调整型直流稳压电路 CW317的基准电压是1.25V。3．输出电压可调的稳压电路第二节 连续调整型直流稳压电路 第三节 开关调整型直流稳压电源一、开关电源的基本组成开关调整型直流稳压电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高；滤波电感、电容的参数和尺寸大大减小，已成为小型化、轻量化、高效率的新型电源。 1．工作原理二、开关电源的工作原理（2）调整管截止时，尽管管压降大，但通过电流很小，管耗很小，所以它的调整效率高。（3）控制电路的输出电压和来控制调整管的工作状态，使调整管在饱和与截止两种状态之间反复转换，并根据电网电压及负载电流的变动改变导通和截止的时间比，以达到即能稳压，又减小调整管功耗的目的。（1）开关调整管饱和导通时，有大电流通过，其饱和管压降很小，因而管耗不大。第三节 开关调整型直流稳压电源 2．波形图脉宽调制：开关工作频率f固定不变，改变开关的导通时间ton，从而控制输出电压的方式，称为脉宽调制。若脉冲电压幅度为Vm，则平均分量即输出直流电压为若因某种原因引起VO升高，则通过取样、比较放大和控制电路产生的控制电压使调整管导通ton减小，结果是阻止了VO升高，反之亦然。3．调整过程第三节 开关调整型直流稳压电源 本章重点内容l产生正弦振荡的条件lLC正弦波振荡电路的工作原理lLC正弦波振荡电路的工作判别l石英晶体振荡电路及其工作原理6.1正弦波振荡电路6.1.1自激式正弦波振荡电路与反馈放大器的异同1.相同点：均引入反馈。2.不同点：（1）自激式正弦波振荡电路用来产生稳定的输出信号；反馈放大电路用来放大信号，工作任务不同。（2）自激式正弦波振荡电路没有外部信号输入；反馈放大电路有待放大的信号输入。（3）正弦波振荡电路中引入的是正反馈；反馈放大电路中一般引入负反馈，以改善性能。（4）正弦波振荡电路的振荡也不同于负反馈放大电路的自激振荡。前者是依靠外部接入的正反馈网络产生振荡；后者是放大电路的附加相移使负反馈变成正反馈而产生振荡第6章信号产生电路 第17章电子电路中的负反馈本章要求：1.能判别反馈类型2.了解负反馈对放大电路工作性能的影响3.了解正弦波振荡电路自激振荡的条件4.了解RC振荡电路和LC振荡电路的工作原理 17.1.1负反馈与正反馈17.1反馈的基本概念RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通过RE将输出电压反馈到输入通过RE将输出电流反馈到输入 反馈放大电路的三个环节：基本放大电路比较环节反馈放大电路的方框图反馈电路输出信号输入信号反馈信号反馈系数净输入信号放大倍数反馈电路F–基本放大电路A+ 反馈放大电路的方框图净输入信号若三者同相，则Xd=Xi–Xf可见Xd>1，称为深度负反馈，此时：在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。2.提高放大倍数的稳定性 3.改善波形失真Auiufud加反馈前加反馈后大略小略大略小略大负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。uoAF小接近正弦波正弦波uiuo 4.展宽通频带引入负反馈使电路的通频带宽度增加无负反馈有负反馈BWfBWf|Au|O uiubeib++––5.对输入电阻的影响在同样的ib下，ui=ube+uf>ube，所以rif提高。1)串联负反馈无负反馈时：有负反馈时：uf+–使电路的输入电阻提高 if无负反馈时：有负反馈时：在同样的ube下，ii=ib+if>ib，所以rif降低。2)并联负反馈使电路的输入电阻降低iiibube+– 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。1)电压负反馈使电路的输出电阻降低2)电流负反馈使电路的输出电阻提高6.对输出电阻的影响 17.3振荡电路中的正反馈17.3.1自激振荡1Su放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。开关合在“1”为无反馈放大电路。221Su开关合在“2”为有反馈放大电路，自激振荡状态 自激振荡的条件(1)幅度条件：(2)相位条件：n是整数相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A或反馈系数F达到)。自激振荡的条件 17.3.2正弦波振荡电路1正弦波振荡电路的组成(1)放大电路:放大信号(2)反馈网络:必须是正反馈，反馈信号即是放大电路的输入信号(3)选频网络:保证输出为单一频率的正弦波即使电路只在某一特定频率下满足自激振荡条件(4)稳幅环节:使电路能从AuF>1，过渡到AuF=1，从而达到稳幅振荡。 RC选频网络正反馈网络用正反馈信号uf作为输入信号选出单一频率的信号2.电路结构uf–+R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1 正反馈uf+–LC+UCCRLC1RB1RB2RECE－－放大电路反馈网络LC选频网络正反馈网络 在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下列现象：（1）对调反馈线圈的两个接头后就能起振；（2）调RB1、RB2或RE的阻值后即可起振；（3）改用β较大的晶体管后就能起振；（4）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；（5）适当增加L值或减小C值后就能起振；（6）反馈太强，波形变坏；（7）调整RB1、RB2或RE的阻值后可使波形变好；（8）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。例1： 解:(2)调RB1、RB2或RE的阻值后即可起振；原反馈线圈接反，对调两个接头后满足相位条件；(1)对调反馈线圈的两个接头后就能起振；调阻值后使静态工作点合适，以满足幅度条件；(3)改用β较大的晶体管后就能起振；改用β较大的晶体管，以满足幅度条件；LC+UCCRLC1RB1RB2RECE 解:(5)适当增加L值或减小C值后就能起振；增加反馈线圈的圈数，即增大反馈量，以满足幅度条件；(4)适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；当适当增加L值或减小C值后,等效阻抗|Zo|增大，因而就增大了反馈量，容易起振；LC并联电路在谐振时的等效阻抗LC+UCCRLC1RB1RB2RECE 解:(7)调整RB1、RB2或RE的阻值可使波形变好；反馈线圈的圈数过多或管子的β太大使反馈太强而进入非线性区，使波形变坏。(6)反馈太强，波形变坏；调阻值,使静态工作点在线性区，使波形变好；(8)负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。负载大，就是增大了LC并联电路的等效电阻R。R的增大,一方面使|Zo|减小,因而反馈幅度减小,不易起振;也使品质因数Q减小,选频特性变坏,使波形变坏。LC+UCCRLC1RB1RB2RECE L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4LC振荡器开关电路射极输出器继电器例2：半导体接近开关变压器反馈式振荡器是接近开关的核心部分，L1、L2及L3绕在右图所示的的磁芯上（又称感应头）L2L3L1移动的金属体感应头 L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4例2：半导体接近开关当某金属被测物体移近感应头时，金属体内感应出涡流，由于涡流的消磁作用，破坏了线圈之间的磁耦合，使L1上的反馈电压显著降低，破坏了自激振荡的幅值条件，振荡器停振，使L3上输出交流电压为零。L2L3L1移动的金属体感应头 L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4例2：半导体接近开关当L3上输出交流电压为零时，二极管的整流输出电压也为零，因此T2截止，T3饱和导通，继电器KA通电。继电器KA的常闭触点接在电动机的控制回路内，可在被测金属体接近危险位置时，立即断电使电动机停转；也可将KA的常开触点接在报警电路上，同时发出声光报警。 L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4例2：半导体接近开关当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起振，在L3上输出正弦电压，经二极管的整流后，使T2饱和导通，T3截止，继电器KA断电，常闭触点重新闭合，电动机运转。RP1用来调节振荡输出幅度，RP2可使振荡电路迅速而可靠的停振，也能促使振荡电路在被测金属物体离开感应头时迅速恢复振荡。 6.1.2自激式振荡电路的组成及产生和稳定振幅的条件1.放大环节：放大电路2.正反馈网络：供给维持振荡的能量，必需满足下列条件：（1）振幅平衡条件：AF≥1（2）相位平衡条件：A＋B＝2nπ（n=1、2、3……..）3.稳幅环节：产生稳定的信号输出，条件；4.选频网络：选出振荡器产生维持振荡所需要的信号频率。6.2LC振荡电路1．电路的组成V(－)CeReRb2(＋)(＋)C1Rb1(＋)CRL(＋)L2L1图6.1变压器反馈式正弦波振荡电路 2．振荡条件（1）相位平衡条件：为满足相位平衡条件，变压器的初、次级之间同名端必须正确连接。如图6.1所示，设某一瞬间基极对地信号电压为正极性“＋”，由于共射电路的倒相作用，集电极的瞬时极性“－”，即A＝180°。电当频率0时：LC回路的谐振阻抗是纯电阻性，由图中L1及L2的同名端可知，反馈信号与输出电压极性相反，即。于是A＋B＝360°，保证了电路的正反馈，满足振荡的相位条件。当频率0时：LC回路的阻抗不是纯电阻性，而是感性或容性阻抗，此时LC回路对信号会产生附加相移，造成，那么A＋B≠360°，不能满足相位平衡条件，电路也不可能产生振荡。由此可见，LC振荡电路只有在0这个频率上，才有可能产生振荡。（2）振幅条件：为了满足振幅平衡条件AF≥1，对晶体管的β值有一定要求，一般只要β值较大，就能满足振幅平衡条件，反馈线圈匝数越多，耦合越强，电路越容易起振。3．电路振荡频率4．电路优缺点（1）易起振，输出电压较大。由于采用变压器耦合，易满足阻抗匹配的要求。（2）调频方便，一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现，调频范围较宽，工作频率通常在几兆赫左右。（3）输出波形不理想。由于反馈电压取自电感两端，它对高次谐波的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形中含有较多高次谐波成份。6.2.2电感三点式LC振荡器1．电路的组成2．振荡条件分析（1）相位条件：设基极瞬间极性为正，由于放大器的倒相作用，集电极电位为负，则电感的③端为负，②端为公共端，①端为正，各瞬时极性如图6.2所示。反馈电压由①端引至三极管的基极，故为正反馈，满足相位条件。（2）幅度条件：从图6.2可以看出，反馈电压取自电压L2的两端，并通过C1的耦合后加到晶体管的b、e间的，所以改变线圈抽头的位置，即改变L2的大小，就可以调节反馈电压的大小，当满足｜AF｜>1时，电路便可起振。 Rc②①L2(＋)(－)V(－)＋VCCCeReRb2(＋)(＋)Rb1③L2L1CC1C2(－)(＋)图6.2电感三点式LC振荡电路3．振荡频率4．电路的优缺点（1）由于L1和L2之间的耦合很紧，故电路易起振，输出幅度大。（2）调频方便，电容C若采用可变电容器，就能获得较大的频率调节范围。（3）由于反馈电压取自电压L2的两端，它对高次谐波的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形中含有较多的高次谐波成份，输出波形不理想。6.2.3电容三点式振荡电路 +RcL2②①C2(＋)(－)V(－)＋VCCCeReRb2(＋)(＋)Rb1③C1CbC2(－)(＋)图6.3电容三点式振荡器1．相位条件2．幅度条件3．振荡频率4．电路的优、缺点（1）容易起振，振荡频率高，可达100MHZ以上。（2）输出波形较好。这是由于C2对高次谐波的阻抗小，反馈电路中的谐波成份少，故振荡波形较好。（3）调节频率不方便。因为C1、C2的大小既与振荡频率有关，也与反馈量有关，改变C1（或C2）时会影响反馈系数，从而影响反馈电压的大小，造成工作性能不稳定。 6.2.4串联改进型电容三点式LC振荡电路+TC3321LC2V＋VCCCeReRb2Rb1C1CbRc图6.4克拉泼振荡电路6.3石英晶体振荡电路6.3.1石英晶体的谐振特性与等效电路 RCLCo(a)符号(b)等效电路图6.5石英晶体的符号和等效电路FPfSf0X感性容性容性图6.6石英晶体的电抗—频率特性 6.3.2石英晶体振荡电路1.并联型石英晶体振荡电路（a）实际电路（b）石英晶体等效后的电路图6.7并联型石英晶体正弦波振荡电路CbVVC2＋VCCReRb2Rb1C1RcRcC2ReC1RCLCo RPVCCV2V1(-)(-)(-)(+)Re2uiRcRb1Rb2＋VCCReRb1C1RcRe1ufuo(-)图6.8串联石英晶体振荡电路2.串联型石英晶体振荡电路*6.4RC正弦波振荡电路6.4.1RC串并联网络的选频特性 (a)R–C串并联电路（b）低频等效电路（c）高频等效电路图6.9RC串并联网络及其高低频等效电路R2C2C1R1____++U1U2__R2C1__++__C2R1__++U1U2U1U26.4.2RC串并联网络的频率特性f/f01U2/U11/310°-90°90°f/f0φ21图6.10RC串并联网络的频率特性 6.4.3桥式振荡电路uoVD2VD1R2RfR1CRCR∞＋－＋A图6.11RC枨式正弦波振荡电路6.4.4RC移相式振荡电路RR＋uo－CCCRRf∞＋－＋图6.12RC超前型移相式振荡电路 *6.5非正弦波产生电路6.5.1矩形波产生电路1．工作原理uC－R2UZR1＋R2R2UZR1＋R2uoVDiCiCRfCR5R4R3R2R1∞A－＋＋oo-UZUZffuo（a）电路（b）波形图6.13矩形波发生电路及其波形2．振荡频率及其调节6.5.2三角波发生器 tCuouoR2－UZR1R2UZR1-UZoUZtuo1uCoR5uo1R3R2R1R4VZ∞－＋＋A1∞－＋＋A2(a)电路图(b)波形图图6.14三角波发生器uoRPR5R3R2R1R4VZ∞－＋＋A1∞－＋＋A2图6.15频率可调的三角波发生器 6.5.3锯齿波发生器-UZUZu01u000ttCR5VD∞－＋＋A2uoRPR6R3R2R1R4VZ∞－＋＋A1（a）电路（b）波形图6.16锯齿波发生器