電子電路分析制作與測試

全套PPT課件二極管基本特性的分析與測試01項目1

二極管電路的分析與測試特殊二極管電路的分析與測試02半導體是一種導電能力介于導體和絕緣體之間的特殊物質。組成半導體最重要的兩種元素是硅和鍺。各種電子設備中的半導體器件有晶體二極管、雙極型晶體三極管和場效應晶體管等。由于半導體器件具有體積小、質量輕、使用壽命長、輸人功率小和功率轉換效率高等優點而得到廣泛應用。晶體二極管(Diode，簡稱二極管)是用半導體材料制成的最簡單的器件，是各種半導體器件及其應用電路的基礎。本項目通過相關測試和仿真，學習二極管的基本特性及其基本應用電路。

本項目共有2個任務：任務1：二極管基本特性的分析與測試。通過普通二極管單向導電性、伏安特性曲線的測試，理解二極管的結構及其單向導電性，掌握二極管伏安特性曲線，了解其等效電路模型，掌握普通二極管電路的裝接與測試方法，掌握Multisim仿真軟件的使用。

任務⒉：特殊二極管電路的分析與測試。通過穩壓二極管及其穩壓電路的測試，了解二極管的反向擊穿特性，掌握穩壓二極管的工作狀態﹑伏安特性及其應用，掌握穩壓二極管電路的裝接與測試方法。通過發光二極管基本特性的測試，了解發光二極管的發光機理，掌握發光二極管的工作狀態、基本特性及其應用，掌握發光二極管電路的裝接與測試方法。1.了解半導體二極管及其基本特性。2.能描述半導體二極管的主要技術參數。3.能理解半導體二極管的外特性。4.能分析半導體二極管構成電路的基本原理。1.能正確測量各種二極管的外特性，能正確記錄測量結果并對結果作準確描述。2.能夠完成半導體二極管、三極管及場效應管的辨識；能查閱半導體器件手冊。3.能夠掌握示波器、萬用表及穩壓電源的使用方法。1.1半導體二極管的結構與類型

將PN結在兩端各引出一根電極引線，然后用外殼封裝起來就構成了半導體二極管。其基本結構如圖1-1(a)所示。其中，由P區引出的電極稱為正極（陽極a），由N區引出的電極稱為負極（陰極k）。二極管的電路符號如圖1-1(b)所示，其箭頭方向表示正向電流的方向，即由正極指向負極的方向。二極管的結構和符號常見的幾種二極管中有玻璃封裝的、塑料封裝的和金屬封裝的等幾種。幾種普通二極管器件的外形如圖1-2所示。普通二極管的外形圖及封裝形式二極管的種類很多，分類方法也不相同。按所用的半導體材料可分為硅管和鍺管；按功能可分為開關管、整流管、穩壓管、變容管、發光管和光電管等，其中開關管和整流管統稱為普通二極管，其他則統稱為特殊二極管；按工作電流大小可分為小電流管和大電流管；按耐壓高低可分為低壓管和高壓管；按工作頻率高低可分為低頻管和高頻管等。1.2二極管的基本特性及主要技術參數二極管最基本的特性就是單向導電性。由于二極管的組成核心是PN結，因此必須首先了解PN結及其導電特性。

1.2.1二極管單向導電性的分析與測試

1.PN結的形成如果將P型半導體和N型半導體制作在同一塊本征半導體基片上，在它們的交界面就會形成一層很薄的特殊導電層即PN結，若在PN結兩端外加電壓，即給PN結加偏置，就將破壞原來的平衡狀態，PN結中將有電流流過。

2.正向導通若PN結的P端接電源正極、N端接電源負極，這種接法稱為正向偏置，簡稱正偏，如圖所示。

3.反向截止若PN結的P端接電源負極、N端接電源正極，這種接法稱為反向偏置，簡稱反偏，如圖所示。外加正向電壓時的PN結外加反向電壓時的PN結綜上所述，PN結正向導通、反向截止，這就是PN結的單向導電性。由于PN結是構成二極管的核心，因此它也決定了二極管的單向導電性。

1.2.2二極管伏安特性的分析二極管的伏安特性曲線如圖所示。為了使曲線清晰，橫軸所代表的電壓在U＞0和U＜0兩部分采用不同的比例，縱軸所代表的電流在I＞0和I＜0兩部分則采用不同的單位。二極管的伏安特性曲線

1.正向特性正向特性曲線開始部分變化很平緩，表明當正向電壓較小時，正向電流很小，此時二極管實際上沒有導通，工作于“死區”。死區以后的正向特性曲線上升較快，表明只有在正向電壓超過某一數值后，電流才顯著增大，這個電壓稱為導通電壓或開啟電壓、死區電壓，用Uon表示。在室溫下，硅管的Uon≈0.5V，鍺管的Uon≈0.1V。當U＞Uon時，正向電流從零開始隨端電壓按指數規律增大，二極管處于導通狀態，呈現很小的電阻。當正向電流較大時，正向特性曲線幾乎與橫軸垂直，表明當二極管導通時，二極管兩端電壓（稱為管壓降，用UVD表示）變化很小。通常，硅管的管壓降約為0.6～0.8V，鍺管的管壓降約為0.1～0.3V。

2.反向特性當二極管外加反向電壓時，反向電流很小，管子處于截止狀態，呈現出很大的電阻，而且當反向電壓稍大后，反向電流基本不變，即達到飽和。因此二極管的反向電流又稱為反向飽和電流。

1.2.3二極管的溫度特性和等效電路模型

1.二極管的溫度特性由于半導體材料具有熱敏特性，因此二極管對溫度也有一定的敏感性。

2.二極管的等效電路模型二極管是一種非線性器件，因而對二極管電路的嚴格分析一般要采用非線性電路的分析方法，具有一定的困難。下面簡要介紹普通二極管的等效電路分析法。（1）理想模型在正向偏置時，其管壓降為0V，而當二極管處于反向偏置時，它的電阻為無窮大，電流為0。可用一理想開關S來等效，二極管正偏時S閉合，反偏時S斷開。這一特性稱為二極管的開關特性。在實際的電路中，當電源電壓遠大于二極管的管壓降時，可認為二極管是理想的。理想模型（2）恒壓降模型二極管導通后，其管壓降Ud是恒定的，不隨電流而變化，典型值為0.7V。不過，這只有當二極管的電流Id近似等于或大于1mA時才是可行的。該模型提供了合理的近似，因此應用也較廣。恒壓降模型

1.2.4二極管的主要技術參數

（1）最大整流電流IF

IF是指二極管正常工作時允許通過的最大正向平均電流，在實際應用中流過二極管的平均電流不能超過IF，否則管子將過熱而燒壞。

（2）最高反向工作電壓UR

UR是指二極管在使用時所允許加的最大反向電壓。為了確保二極管安全工作，通常取反向擊穿電壓UBR的一半為UR。

（3）反向電流IR

IR是指二極管未擊穿時的反向電流。IR越小，管子的單向導電性越好。

（4）最高工作頻率fM

fM是由PN結的結電容大小所決定的。當工作頻率超過fM時，結電容的容抗減小到可以與反向交流電阻相比擬，二極管將逐漸失去它的單向導電性。2.1發光二極管電路測試與分析發光二極管（LightEmittingDiode）簡稱LED，是一種通以正向電流時就會發光的二極管。它具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發光均勻穩定、響應速度快和壽命長等特點，常用作顯示器件，如指示燈、七段顯示器、矩陣顯示器等。各種發光二極管器件的外形圖及電路符號如圖1.10所示。發光二極管的外形圖及符號2.2光電二極管電路的分析光電二極管和普通二極管類似，但其PN結面積較大，且管殼上有一個透光的玻璃窗口，可接收外部的光照。光電二極管是光信號轉換成電信號的光電傳感器件，可以作為光強度的測量。光-電轉換電路光電二極管工作于反偏狀態，如圖1.12所示。在無光照時，與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為暗電流一般在幾微安，甚至更小。當有光照時，其反向電流隨光照強度的增大而增加，稱為光電流。2.3穩壓二極管電路的分析與測試穩壓二極管是一種特殊的硅材料二極管，由于在一定的條件下能起到穩定電壓的作用，故稱穩壓管，常用于基準電壓、保護、限幅和電平轉換電路中。穩壓二極管器件的外形圖及電路符號如圖所示。穩壓管外形圖與符號穩壓二極管的伏安特性與普通二極管相似，區別在于反向擊穿區的曲線很陡，幾乎平行于縱軸，電流雖然在很大范圍內變化，但端電壓幾乎不變，具有穩壓特性。穩壓管外形圖與符號

PN結是由雜質半導體，即P型半導體和N型半導體有機結合而形成的。是構成半導體器件的核心。其主要特性為單向導電性，即PN結正向偏置時導通，PN結呈現很小的電阻，形成的正向電流較大。PN結反向偏置時截止，PN結呈現很大的電阻，反向電流近似為零。二極管的基本結構就是PN結，因此，二極管也具有單向導電性。

穩壓二極管特性即利用二極管反向擊穿后其反向電壓基本不變的特性而制成的一種特殊二極管，主要用于穩壓電路。

光敏二極管和發光二極管是分別利用二極管的光敏特性和發光特性而制成的另兩種特殊二極管，主要用于光-電轉換與電-光轉換電路。

變容二極管即利用二極管的結電容而制成的一種特殊二極管，主要用于電調諧等電路。變容二極管的電容量一般較小，約幾PF至幾十PF。

二極管的溫度特性。即二極管溫度改變時其導電能力，特別是反向導電能力會發生明顯變化的一種特性。三極管基本特性的分析與測試01項目2三極管電路的分析與測試共射極放大電路的分析與測試02放大電路性能指標的分析與測試03請共集電極和共基極放大電路的分析與測試04本項目主要通過介紹常見的三極管的基本結構與類型、基本特型和主要技術參數，通過相關的典型應用電路的測試與分析，能夠初步掌握三極管放大電路的基本應用。本項目共有4個任務：任務1：三極管基本特性的測試。通過三極管各級電流分配關系的測試，掌握三極管的結構、放大偏置、管腳電流關系以及共射輸入輸出特性曲線，掌握三極管三種可能的工作狀態及其判斷。任務2：三極管基本放大器工作狀態的測試。通過三極管基本放大電路直流與交流工作狀態的測試，理解三極管放大電路的組成結構及工作原理，了解三極管電路中各點電壓電流的波形，理解分壓式偏置電路穩定靜態工作點的原理及條件，掌握三極管電路的裝接與測試，掌握靜態工作點的測量方法，掌握簡單電路故障的排查與解決。任務3：放大器性能指標的測試。通過三極管放大電路放大倍數、輸入電阻及輸出電阻的測量，理解放大電路各性能指標的意義，掌握各指標的測試方法，掌握放大電路的微變等效電路分析法。任務4：共集電極放大器基本特性的測試。通過共集與共基放大電路的分析，理解共集與共基電路的組成結構、工作原理及性能特點。1.能描述三極管的基本結構電路符號與類型。2.了解三極管的主要參數、分類及其選擇使用方法。3.能對三極管放大電路進行分析和計算。4.理解三極管放大電路的電路構成、工作原理和電路中各元器件作用。1.能正確測量三極管的外特性，能正確記錄測量結果并能對結果作準確描述。2.能正確測量三極管放大電路的性能指標，并能解釋各性能指標的概念。3.能設計和裝接三極管基本放大電路，并能通過調試得到正確結果4.能夠完成助聽器電路的分析、制作與調測。撰寫設計文檔與測試報告。1.1三極管的類型與結構半導體三極管它是通過一定的工藝，將兩個PN結結合在一起的器件，由于PN結之間的相互影響，而具有電流放大作用。各種三極管外形圖三極管的分類有多種方式。三極管按結構可分為NPN型和PNP型兩類。按工作頻率分為低頻管和高頻管，按耗散功率大小分為小功率管和大功率管，按用途分為放大管、開關管和功率管，按所用的半導體材料分為硅管和鍺管等。目前生產的硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型，其中硅管的使用率遠大于鍺管。下面以NPN型為例來了解三極管的結構。普通二極管的外形圖及封裝形式

PNP型三極管的結構與NPN型相似，如圖2.3（a）所示。圖2.3（b）為PNP型三極管的電路符號，其箭頭方向與NPN型相反，但意義相同。PNP型三極管1.2三極管的基本特性及主要技術參數（1）三極管的放大偏置為了使三極管具有電流放大作用，必須使其獲得合適的直流偏置。即三極管的偏置為發射結正偏、集電結反偏。

1.2.1三極管電流放大作用分析與測試

如圖所示，外加直流電源VBB通過RB給發射結加正向電壓UBE；外加直流電源VCC通過RC給集電極加反向電壓，該電壓并不等于集電結電壓，但只要滿足UCB>0，就可使集電結反偏。從而實現發射結正偏、集電結反偏的條件。

三極管直流偏置電路圖中的發射極是輸入、輸出回路的公共端，該電路的這種接法稱為共射接法。該三極管放大電路稱為共發射極放大電路。

（2）三極管的各極電流關系由前面的測試知三極管各極之間的電流關系滿足：IE

=IB

+IC

有IE＞IC>>IB，IC≈IE。三極管具有較強的電流放大作用。

1.2.2三極管伏安特性分析三極管的伏安特性是指三極管的極間電流與極間電壓之間的函數關系，他們反應了三極管的幾種工作狀態。下面討論共發射極放大電路的輸入和輸出特性。

1.三極管共射輸入特性曲線分析輸入特性是指當三極管的輸出電壓uCE為常數時，基極電流iB與發射結壓降uBE之間的函數，即：如圖所示為某小功率NPN型硅三極管的共射輸入特性曲線（以uCE=0和uCE≥1V兩條曲線為例）。當uCE=0時，輸入特性曲線與二極管的正向伏安特性相似。當uCE增大時，曲線將向右移動，如圖2.6中uCE≥1V的特性曲線。共射輸入特性曲線

2.三極管共射輸出特性曲線分析輸出特性是指當三極管的基極電流iB為常數時，集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數關系，即：如圖為某小功率NPN型硅三極管的共射輸出特性曲線。可見，各條曲線的形狀基本相同，曲線的起始部分很陡，uCE略有增加，iC就增加很快，當uCE超過某一數值（約1V）后，曲線變得比較平坦，幾乎平行于橫軸。共射輸入特性曲線

3.三極管主要技術參數

（1）電流放大系數

和是表征三極管電流放大能力的參數，一般在幾十到幾百之間，在0.95~0.999。（2）極間反向電流這是表征三極管工作穩定性的參數。由于極間反向電流受溫度影響較大，故其值太大將使管子不能穩定工作。

①集電極-基極反向飽和電流ICBO

ICBO表示三極管發射極開路，C，B間加上一定反向電壓時的反向電流，實際上它和單個PN結的反向電流是一樣的。

②集電極-發射極間穿透電流ICEO

ICEO表示基極開路，C，E間加一定電壓使集電結反偏時的集電極電流。

（3）極限參數

極限參數是指為使三極管安全工作對它的電流、電壓和功率損耗的限制，即正常使用時不宜超過的限度。

①最大集電極電流ICM

②最大集電極功耗PCM

③反向擊穿電壓

UBR，EBO

UBR，CBO

UBR，CEO

（4）頻率參數

三極管的頻率參數用來描述管子對不同頻率信號的放大能力，它表征了管子在高頻時的特性。常用的頻率參數有共射截止頻率

f

和特征頻率

fT。共射輸入特性曲線共射輸入特性曲線

放大器（Amplifier）可以將微弱的電信號進行處理而變成幅度較大的信號。

線性放大器（LinearAmplifier）是指放大器的輸出信號等于輸入信號乘以一個常數，即輸出信號是輸入信號不失真的放大。本書所討論的放大器都屬于線性放大器。2.1共射基本放大電路的組成

1.電路組成

共射放大電路是放大器的一種基本電路形式，應用非常廣泛。圖2.10所示為共射雙電源放大電路，uS為信號源（小信號交流信號），RS為信號源內阻；其中ui為電路的輸入信號；RL為負載；uo為放大電路的輸出信號。共射雙電源放大電路

2.1.1共射雙電源放大電路

電路中，三極管VT為核心放大器件。VBB、RB、VCC、RC組成直流偏置電路，確保三極管滿足發射極正偏，集電極反偏。輸入端和輸出端分別接一個容值較大的耦合電容C1和C2（幾微法至幾十微法），起到“隔直通交”的作用。

由于這種電路是利用電容實現信號源與輸入端（呈電阻性）、集電極輸出端與負載（呈電阻性）之間的耦合，因此又稱為阻容耦合共射基本放大電路。

2.符號使用規定

①用大寫變量和大寫下標符號表示直流分量，如IB表示基極的直流電流。

②用小寫變量和小寫下標符號表示交流分量，如ib表示基極的交流電流。

③用小寫變量和大寫下標符號表示總瞬時值，如iB=IB+ib表示基極電流的總量，即直流分量與交流分量之和。

④用大寫變量和小寫下標符號表示交流有效值，如Ib表示基極交流電流的有效值。

3.放大原理

VBB與ui（小信號交流信號）的共同作用，發射結兩端電壓在直流UBE的基礎上產生了一個交流變化量UBE。

由于發射結正偏，電阻較小，因此輸入電壓的微小變化UBE就能引起基極電流的較大變化IB；又IC=βIB，故相應的集電極電流的變化IC很大。電路的輸出電壓UO=ICRC，當RC阻值不很小時，輸出電壓UO的幅度要比輸入電壓UBE大得多。因此，該電路具有電壓放大作用。

圖2.11所示電路中，需要兩個電源VBB和VCC，對于一個簡單的放大電路來講，最好用一種電源VCC比較方便。又因為VCC一端總是與地相連，在畫電路圖時，可利用電位的概念，省略電源符號，只需標出另一端的電壓數值和極性，這樣就得到共射基本放大電路的習慣畫法，如圖所示，通常稱為恒流式偏置電路或固定偏流式電路。共射恒流偏置基本放大電路

2.1.2共射恒流式偏置電路2.2共射基本放大電路的分析與測試

在放大電路中，接通直流電源而未加交流信號（ui=0）時電路各處的電壓、電流都是直流量，這時稱電路的狀態為直流狀態或靜止工作狀態，簡稱靜態。

直流通路是直流電源作用所形成的電流通路。直流通路用于分析放大電路的靜態參數。

2.2.1直流工作狀態分析與測試共射恒流偏置基本放大電路交流通路是交流信號作用所形成的電流通路。交流通路用于分析放大電路的動態參數。共射放大電路的與交流通路

靜態時（ui=0），三極管的IB、IC、UBE、UCE稱為放大電路的靜態工作點，又稱Q點。由于放大電路中B-E兩端的導通壓降UBE基本不變（硅管約為0.7V，鍺管約為0.2V），因此可得

調節RB可以明顯改變放大器的工作點。當UCE較大時，可以保證三極管的發射結正偏、集電結反偏，即工作在放大區。當輸入交流信號后，電路中各處的電壓和電流是變動的，這時電路處于交流狀態或動態工作狀態，簡稱動態。一般情況下，三極管放大電路中各極的電壓和電流均為交、直流的疊加量。

2.2.2交流工作狀態分析與測試各極的波形圖

1.放大電路的組成原則通過上述測試和分析，可以得出如下結論：①放大電路的組成原則：正確的直流偏置，使三極管工作在放大區；正確的交流通路，交流信號要能順利進入放大電路，順利從放大電路輸出；交直流相互兼容，互不影響；合適的元器件參數選擇，保證放大電路有正確的靜態工作點。②共射基本放大電路的放大過程可描述為:

2.2.3放大電路異常現象的分析與測試

2.靜態工作點對輸出波形影響的分析與測試

【例2.1】試分析如圖所示阻容耦合共射基本放大電路參數RB、RC、VCC變化時對電路靜態工作點的影響。

①其他參數不變，改變RB

若RB增大，則IB減小，工作點將沿直流負載線向下移動，工作點由Q點移動至Q1點，IC減小，UCE增大，有可能產生截至失真。例2.1圖電路參數對靜態工作點的影響

②其他參數不變，改變RC

若RC減小，則直流負載線斜率絕對值變大即變陡峭，由于IB不變，工作點將向右移動，工作點由Q點移動至Q2點，IC不變，UCE增大，產生飽和失真的可能性減小，但交流輸出幅度減小，即放大倍數減小。

③其他參數不變，改變VCC

若VCC減小，則直流負載線整體向左運動，同時IB也減小，工作點將沿直流負載線向左且同時向下移動至Q3點，IC減小，UCE減小，產生飽和失真和工作點選擇不當引起的失真和截止失真的可能性增大。由于三極管在部分動態工作時間內進入截止區而引起的失真稱為截止失真。由NPN型管組成的共射放大電路產生截止失真時，輸出電壓波形出現頂部失真。

由于三極管在部分動態工作時間內進入飽和區而引起的失真稱為飽和失真。由NPN型管組成的共射放大電路產生飽和失真時，輸出電壓波形出現底部失真。除了工作點選擇不當會產生失真外，輸入信號幅度過大也是產生失真的因素之一。

由于某些原因，特別是溫度變化引起的三極管參數（，UBE，ICBO等）的改變，使得放大電路的靜態工作點不穩定，從而影響放大電路的正常工作。

分壓式偏置電路則能自動穩定工作點。分壓式偏置電路又稱射極偏置電路，如圖所示，它是目前應用最廣泛的一種偏置電路。

2.2.4分壓式偏置電路工作點穩定性的測試分壓式偏置電路（1）工作點穩定的原理

發射極電阻RE是問題的關鍵。由于RE折合到基極回路的電阻為(1+)×RE,一般很大（RE并不大），而在該電路中，一般總是滿足(1+)RE>>RB1、RB2的條件，因此有

即對基極偏置電路來說，可忽略IB而將RB1和RB2看成是串聯的。所以可得到穩定的基極電壓

可見，IE和IC均為穩定的，則該電路的工作點是穩定的。（2）靜態工作點分析在滿足穩定條件的情況下，容易求出放大電路的靜態工作點，即3.1放大電路性能指標分析與測試放大電路的組成如圖所示。放大的結果是交流能量的增加。放大電路組成示意圖放大電路的功能是將信號源微弱的信號進行放大來驅動負載，因此對放大器的基本要求一是希望放大倍數要高；二是希望輸出信號不失真；三是希望放大電路穩定性要好，對各種頻率的適應性要強，抗干擾能力要強等。為描述和鑒別放大器性能的優劣，人們給放大器規定了若干性能指標。（1）放大倍數放大倍數是衡量放大電路放大能力的指標,又稱增益。電壓放大倍數定義為輸出電壓與輸入電壓之比：電流放大倍數定義為輸出電流與輸入電流之比：

功率放大倍數Ap定義為輸出功率Po與輸入功率Pi之比：

源電壓放大倍數Aus定義為輸出電壓與信號源電壓之比：

工程上常用分貝（dB）來表示放大倍數的大小，常用的有：

Au(dB)=20lg│Au│

Ai

(dB)=20lg│Ai│

Ap(dB)=10lg│Ap│

（2）輸入電阻

放大器對信號源所呈現的等效負載電阻用輸入電阻Ri來表示。輸入電阻的電路

對于輸入電路，由于信號原內阻RS和放大電路輸入電阻Ri的分壓作用，使放大電路輸入端的實際電壓為：

（3）輸出電阻

對于負載RL來說，放大器的輸出端口相當于一個信號源，這個等效信號源的內阻就是放大器的輸出電阻Ro。輸出電阻的電路圖

在信號源短路和負載RL開路的情況下，測出開路輸出電壓為uo，必然產生電流io，可得輸出電阻Ro。測量輸出電阻的電路

由于Ro的存在，放大電路實際的輸出電壓為：（4）最大不失真輸出電壓幅值

最大不失真輸出電壓幅度是指在輸出波形沒有明顯失真的情況下，放大電路能提供給負載的最大輸出正弦交流電壓峰值Uo,max和電流峰值Io,max。

（5）非線性失真系數

由于三極管是非線性器件，所以放大電路總是存在一定程度的失真，為了衡量波形的失真程度，引入非線性失真系數THD這個指標。（6）通頻帶

fL＜f＜fH的區域稱為中頻區，f≤fL的區域稱為低頻區，f≥fH的區域稱為高頻區。通常將中頻區所覆蓋的頻率范圍稱為通頻帶或帶寬，用fbw表示，即fbw=fH－fL

通頻帶用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。顯然，通頻帶越寬，表明放大電路對信號頻率的適應能力越強。當然，在實際應用時，通頻帶也不是越寬越好，能滿足要求即可。放大電路的幅頻特性3.2小信號等效電路分析法

分析放大電路就是求解其靜態工作點及各項動態性能指標，通常遵循“先靜態，后動態”的原則。

1.三極管的微變等效電路

在共射接法時，三極管的輸入電流為ib，輸入電壓為ube，輸出電流為ic，輸出電壓為uce。

對于低頻小功率晶體管，線性電阻rbe可寫成：

晶體管的共射接法

rbb

是一個與工作狀態無關的常數，通常為幾十至幾百歐姆，可由手冊查到。在對小信號放大電路進行計算時，若rbb未知，則可取rbb=100。晶體管在Q點附近的小信號微變等效電路如圖所示，輸入回路用動態電阻rbe等效，輸出回路用受控源等效。值得注意的是：晶體管的微變等效電路只能用于分析動態，不能用于靜態參數的求解；等效電路中的電壓和電流方向均為參考方向，受控源的方向由iB的參考方向確定，不能隨意改變。晶體管的微變等效電路

2.放大電路的小信號等效電路及其分析

放大電路小信號等效電路分析法的主要步驟如下。

①求放大電路的Q點。可由直流通路直接進行計算而得到放大電路的Q點。

②畫出放大電路的小信號等效電路。先畫出放大電路的交流通路，再用簡化的晶體管小信號等效電路來代替交流通路中的晶體管，從而得到含外圍電路的整個放大電路的小信號等效電路。

③根據所得到的放大電路的小信號等效電路，用解線性電路的方法求出放大電路的性能指標，如Au、Ri、Ro

等。共射基本放大電路的微變等效電路分析法4.1共集電極放大電路的分析與測試共集電極放大電路分析

1.靜態工作點的計算共集電極電路直流流通路如圖（b）所示。在基極回路中根據KVL定律可列如下電壓方程：還可得

2.動態分析

由如圖（c）所示共集電極電路交流通路可以得到圖（d）所示共集電極電路微變等效電路。設RL=RE∥RL。

(1)電壓放大倍數Au

(2)輸入電阻Ri

(3)輸出電阻Ro

通常RE>>(rbe+Rs)/(1+)，則共集電極放大電路輸出電阻

值得注意的是：①射極輸出器有電流放大和功率放大，射極輸出器成為功率放大的基礎，具有較高應用價值而得到廣泛應用②是射極輸出器的輸入電阻大，常用在多級放大器中做前置級；③是射極輸出器的輸出電阻小，常用在多級放大器中做末級。④射極輸出器有時還用在兩個電壓放大級之間做緩沖之用。4.2共基極放大電路共基極放大電路共基極放大電路的電壓增益為

共基電路輸入電阻Ri為：

共基電路的輸入電阻相對較低，一般只有幾歐姆到幾十歐姆。共基電路的輸出電阻Ro為顯然，它與共射電路的輸出電阻相同。共基電路輸入電阻小，輸出電阻較大，所以應用場合較少，多用于高頻和寬頻帶放大電路中。

1.多級放大電路的耦合方式組成放大電路的每一個基本放大電路稱為一級，級與級之間的連接稱為耦合。多級放大電路中常用的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合、光電耦合。（1）阻容耦合多級放大電路級與級之間用電容連接起來，稱為阻容耦合。由于電容“隔直通交”的作用，阻容耦合多級放大電路的優點是，放大電路各級靜態工作點相互獨立，因而設置和調試電路靜態工作點的方法和單級放大電路完全相同。阻容耦合多級放大電路的缺點是，如果輸入信號頻率很低，那么低頻信號在耦合電容上的壓降會很大，致使電壓放大倍數大大下降，甚至根本不能放大，所以阻容耦合電路的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號。另外，由于在集成電路中不能制造大容量電容，所以阻容耦合放大電路在集成電路中無法應用，只能用于分立元件電路中。集成電路中的放大電路一般采用直接耦合的方式。（2）直接耦合多級放大電路級與級之間直接連接起來稱為直接耦合。直接耦合放大電路的優點是既能放大交流信號，也能放大變化緩慢的信號和直流信號，更重要的是便于集成化，目前的集成放大電路幾乎均采用直接耦合的方式。直接耦合放大電路的缺點是由于不用電容器，各級直流通路相互不是隔離的，故各級靜態工作點不獨立，電路調試比較復雜。另外，由于不用電容器，前級的溫漂會被逐級放大下去，有用信號也可能被淹沒在噪聲中。所以必須解決溫漂問題。這些問題的解決將在以后的章節中介紹。

2.多級放大電路的性能分析多級放大電路框圖多級放大電路的放大倍數為

根據放大電路輸入電阻的定義，多級放大電路的輸入電阻就是其第一級的輸入電阻，即Ri=Ri1。

根據放大電路輸出電阻的定義，多級放大電路的輸出電阻就是其最后一級的輸出電阻，即Ro=Ron。場效應管的基本特性分析與測試01項目3場效應管電路的分析與測試場效應管放大電路的分析和測試02由于場效應管是場效應管放大器的組成核心，因此本項目通過相關測試和仿真學習場效應管的基本特性及其應用電路。本項目共有2個任務：任務1場效應管基本特性的分析和測試。通過場效應管各電壓電流關系的測試，理解場效應管的結構、符號及偏置，了解場效應管的工作原理，掌握場效應管的輸出特性與轉移特性曲線，任務2場效應管放大電路基本特性的分析和測試。通過共源與共漏放大電路的特性測試，理解FET放大電路的結構與偏置，理解共源與共漏放大電路的特點，掌握場效應管放大電路的性能分析，掌握共源與共漏放大電路的裝接與測試。1.能描述場效應管的基本結構電路符號與類型。2.了解場效應管的主要參數、分類及其選擇使用方法。3.能對場效應管放大電路進行分析和計算。4.理解場效應管放大電路的電路構成、工作原理和電路中各元器件作用。1.能正確測量場效應管的外特性，能正確記錄測量結果并能對結果作準確描述。2.能正確測量場效應管放大電路的性能指標，并能解釋各性能指標的概念。3.能設計和裝接場效應管基本放大電路，并能通過調試得到正確結果4.能夠完成小功率場效應放大器的設計與調試。撰寫設計文檔與測試報告。1.1場效應管的結構與類型根據結構的不同，場效應管可分為兩大類，即結型場效應管（JFET）和金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）。

1.1.1結型場效應管結型場效應管器件的外形與封裝基本類同于三極管。結型場效應管按導電類型（電子型或空穴型）的不同可分為兩大類，即N溝道場效應管和P溝道場效應管。JFET的結構和符號它是在一塊N型半導體材料兩側分別擴散出高濃度的P型區（用P+表示）并形成兩個PN結而構成的。兩個P+型區外側各引出一個電極并連接在一起，作為一個電極，稱為柵極G。在N型半導體材料的兩端各引出一個電極，分別稱為源極S和漏極D。

1.1.2金屬-氧化物-半導體場效應管金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET），簡稱MOS管。

MOS管可分成增強型和耗盡型兩種兩種類型，每種類型都有N溝道和P溝道兩類。下面以N溝道為例介紹其結構和符號。

1.增強型MOSFET的結構和符號它在一塊P型硅襯底（低摻雜，電阻率較高）的基礎上擴散兩個高摻雜的N+區，在N+區表面上覆蓋一層鋁并引出電極，分別作為源極S和漏極D；在P型硅表面生成一層很薄的二氧化硅絕緣層，并在絕緣層上面覆蓋一層鋁并引出電極，作為柵極G；管子的襯底也引出一個電極B。由于柵極與源極和漏極均無電接觸，因此稱為絕緣柵極。JFET的結構和符號

N溝道增強型MOS管的電路符號如圖（b）所示，其中的箭頭方向表示由P（襯底）指向N（溝道）。P溝道增強型MOS管的電路符號如圖（c）所示，其箭頭方向與N溝道MOS管相反。JFET的結構和符號

2.耗盡型MOSFET結構和符號

可以看出，它與N溝道增強型MOS管的結構基本相同，不過制造時，在兩個N+區之間的P型襯底表面摻入少量5價元素，預先形成局部的低摻雜的N區。耗盡型MOS管的結構與符號1.2場效應管的基本特性及主要技術參數

1.JFET的偏置

N溝道JFET正常工作時，柵極與源極之間應加負電壓，即uGS＜0，確保柵極與溝道間的兩個PN結任何一處都處于反偏狀態。漏極與源極之間應加正電壓，即uDS＞0，使N溝道中的多數載流子（電子）在電場的作用下由源極向漏極運動，形成漏極電流iD。三個極之間的電壓滿足：uDS=uDG+uGS。

1.2.1結型場效應管的分析與測試N溝道JFET的直流偏置電路

2.JFET的工作原理

為了討論JFET的工作原理，以N溝道JFET為例。主要是討論uGS對iD的控制作用以及uDS對iD的影響。

(1)uGS對iD的控制作用

先假設uDS=0（即漏極和源極之間短路）。當uGS由0向負值增大時，耗盡層因反向偏置加大而變寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大，如圖（a）所示。uDS=0時uGS對溝道的影響

兩側耗盡層剛好相遇時的柵源電壓稱為夾斷電壓，用UGS(off)表示。

通過改變uGS可以有效地控制溝道電阻的大小，從而控制漏源極間的導電性能和漏極電流iD的大小（在外加一定的正向電壓uDS的情況下）。

(2)uDS對iD的影響

為討論方便，假設uGS=0，此時柵極和源極短路，漏極和源極之間的電壓為uDS加在溝道的兩端，漏極為正，源極為負，即uDS>0。

同時uGS=0時，導電溝道最寬，溝道電阻最小，在一定的uDS作用下，iD也最大。uDS從零開始逐漸增大時，溝道電流iD的變化曲線如圖（d）所示。分四個部分：AB段、BC段、CD段、DE段。uGS=0時，uDS對溝道的影響

(3)uGS和uDS共同作用

uGS和uDS共同作用時，比兩個電壓單獨作用時溝道更窄，夾斷更快。

綜上所述，可得JFET的基本特點如下。

①JFET的PN結應為反向偏置，即uGS＜0，因此其iG≈0，輸入電阻很高。

②預夾斷前，iD與uDS呈線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和（不受uDS控制）。

③JFET是電壓控制電流的器件，iD受uGS控制（當uDS較大時）。

3.JFET的特性曲線

(1)輸出特性曲線

場效應管的輸出特性是指當柵源電壓uGS為某一定值時，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關系，即

因此，iD與uDS之間的關系曲線（輸出特性曲線）為一個曲線簇。如圖（a）為某N溝道JFET的輸出特性曲線。可將場效應管的工作狀態分為4個區域：變電阻區、恒流區、夾斷區和擊穿區。N溝道結型場效應管的特性曲線

(2)轉移特性曲線

場效應管的轉移特性是指當漏源電壓uDS為某一定值時，漏極電流iD與柵源電壓uGS的關系，即

可見，轉移特性與輸出特性都是反映iD與uGS，uDS的關系，只不過自變量與參變量對換而已。因此，可以直接由輸出特性轉換而得到轉移特性。iD與uGS之間的關系曲線（轉移特性曲線）為一個曲線簇。

(3)FET的微變等效電路

為了能定量描述場效應管的放大能力，即uGS對iD的控制能力，引入了參數gm，其定義為uDS一定時漏極電流的微變量ΔiD和引起這個變化的柵源電壓的微變量ΔuGS之比，即FET的微變等效電路

gm稱為低頻跨導，簡稱跨導（或互導），其值一般在0.1～20mS范圍內。場效應管的gm值除了取決于管子自身的參數外，還與其靜態工作點有關。顯然，gm越大，場效應管的放大能力越強，但一般遠小于三極管。

工作點電流（iD=ID）越大，gm越大。

1.2.2

MOS場效應管的分析

1.增強型MOSFET

（1）增強型MOSFET的工作原理

N溝道增強型MOS管的偏置電壓的極性如圖（a）所示（MOS管的襯底和源極通常直接相連），柵源極之間加正電壓（為了形成導電溝道），即uGS＞0；為了使P型硅襯底和漏極N+區之間的PN結處于反偏狀態，漏源極之間也應加正電壓，即uDS＞0。uDS=0時，N溝道增強型MOS管導電溝道的形成

為了討論方便，首先假設uDS=0，即漏極與源極短接。

隨著uGS的增大，形成一個N型薄層，它和P型襯底的導電類型相反，故稱為反型層。

使導電溝道（反型層）開始形成的柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。

假設uGS＞UGS(th)，uDS＞0。

當uDS較小時，iD隨uDS的增大而迅速增加。若uDS增大到uGD=UGS(th)，即uDS=uGSUGS(th)時，溝道在漏端出現預夾斷。若uDS再繼續增大，則uGD＜UGS(th)，漏端出現向源端延伸的夾斷區，此時iD趨于飽和。uGS≥UGS(th)時，uDS對N溝道的影響

3.三極管主要技術參數

（1）電流放大系數

和是表征三極管電流放大能力的參數，一般在幾十到幾百之間，在0.95~0.999。（2）極間反向電流這是表征三極管工作穩定性的參數。由于極間反向電流受溫度影響較大，故其值太大將使管子不能穩定工作。

①集電極-基極反向飽和電流ICBO

ICBO表示三極管發射極開路，C，B間加上一定反向電壓時的反向電流，實際上它和單個PN結的反向電流是一樣的。

②集電極-發射極間穿透電流ICEO

ICEO表示基極開路，C，E間加一定電壓使集電結反偏時的集電極電流。

（2）增強型MOSFET的特性曲線與JFET類似，該輸出特性曲線也分為可變電阻區、恒流區、擊穿區和夾斷區。共射輸入特性曲線

2.耗盡型MOSFET（1）耗盡型MOSFET的工作原理

對于耗盡型MOSFET，當uGS＞0時，由于絕緣層的存在，它不是像N溝道JFET那樣，因PN結正偏而產生較大的柵極電流，失去了對iD的控制作用，而是在溝道中產生更多的電子，使iD增加，并且不會產生柵極電流。N溝道耗盡型MOS管的特性曲線因此，在一定范圍內無論柵源電壓為正或為負，都能控制iD的大小，而且基本上無柵極電流，這是耗盡型MOSFET的一個重要特點。

（2）耗盡型MOSFET的特性曲線

N溝道耗盡型MOS管的特性曲線如圖（a）和圖（b）所示，它與N溝道JFET的特性曲線相似。其輸出特性曲線也可分為可變電阻區、恒流區、擊穿區和夾斷區。由恒流區的轉移特性曲線可知，在uGS=0時，iD=IDSS較大；隨著uGS的減小，iD也減小，當uGS=UGS(off)時，iD≈0；當uGS＞0時，iD＞IDSS

。

1.2.3場效應管主要技術參數和注意事項1.場效應管主要技術參數（1）夾斷電壓UGS(off)（2）飽和漏電流IDSS（3）漏源擊穿電壓UBR(DS)（4）柵源擊穿電壓UBR(GS)（5）直流輸入電阻RGS（6）低頻跨導（互導）gm

（7）最大耗散功率PDM2.各種場效應管的比較

FET和BJT一樣，也具有放大作用，因此在有些場合可以取代BJT組成放大電路。與BJT放大電路類似，FET放大電路也存在3種組態，即共源、共漏和共柵組態，分別對應于BJT放大電路的共射、共集和共基組態。

1.FET放大器的偏置電路及靜態分析與BJT放大電路一樣，FET放大電路也需要有合適的靜態工作點，以保證管子工作在恒流區。不過由于FET是電壓控制型器件，柵極電流為零，因此只需要合適的柵極電壓。下面以N溝道JFET（也為耗盡型）為例，介紹兩種常用的偏置電路。

柵源極之間的直流偏壓UGS是由場效應管的自身電流ID流過RS產生的，故稱該電路為自偏壓電路。場效應管放大電路靜態時ID表達式為

雖然自偏壓電路比較簡單，但當工作點UGS和ID值確定后，源極電阻RS就基本被確定了，選擇的范圍很小。為了克服這一缺點，可采用如圖所示的分壓式自偏壓電路，該電路是在自偏壓電路的基礎上加接柵極分壓電阻RG1，RG2而組成的。FET的分壓式自偏壓電路

2.共源放大電路的性能分析

與BJT一樣，若FET工作在線性放大區（恒流區），且輸入信號為小信號，可用微變等效電路模型來進行動態分析。漏極輸出電阻rds被忽略。

設RL=RD∥RL共源放大電路微變等效電路則電壓放大倍數輸入電阻輸出電阻

場效應管具有輸入阻抗高、噪聲低、制造工藝簡單等一系列優點。

三極管是電流控制電流器件，有兩種載流子參與導電，屬于雙極型器件；而場效應管是電壓控制電流器件，只依靠一種載流子導電，因而屬于單極型器件。雖然這兩種器件的控制原理有所不同，但通過類比可以發現，它們組成電路的形式極為相似，分析的方法相同。

在場效應管放大電路中，UDS的極性取決于場效應管的溝道性質，N溝道時為正，P溝道時為負；為了建立合適的偏置電壓UGS，不同類型的場效應管，對偏置電壓的極性有不同要求：JFET的UGS與UDS極性相反，增強型MOSFET的UGS與UDS極性相同，耗盡型MOSFET的UGS可正、可負或為零。

場效應管的柵極沒有電流（JFET的PN結反向電流忽略不計），則在場效應管的小信號等效電路中，柵極和源極可以視為開路，漏極到源極是一個受控源gmuGS。

場效應管放大電路有共源、共柵、共漏三種接法，分別和三極管放大電路中的共射、共基、共集電路相似。場效應管組成的放大電路的放大倍數相對于BJT組成的放大電路的放大倍數要低。集成運算放大器基本特性的分析01項目4立體聲調音控制器的制作與調試反相與同相輸入集成運算放大器的分析與測試02集成運算放大器的應用03立體聲調音控制器的設計、制作與調試04調音（改變高低音之間的強度對比）和混音電路是各類立體聲音響放大器中不可缺少的部分，目的是為了增強立體聲音響效果。調音控制器主要控制和調節音響放大器的幅頻特性，以適合各類聽眾的需要。調音和混音電路可用集成運放的模擬運算電路來實現。這種電路調節方便，元器件較少，一般在收音機、音響放大器中應用較多。本項目通過集成運放的線性和非線性電路的功能測試，了解集成運算放大器的各種應用電路的基本特性，通過查閱相關芯片資料，了解集成運放電路的設計方法。本項目共有3個任務：任務1集成運放基本特性的分析。通過對集成運放基本特性和參數的分析，了解集成運放的基本特性和組成。任務2反相與同相輸入集成運算放大器的分析與測試。通過對反相與同相輸入集成運算放大器的分析，理解負反饋的應用和負反饋的各種類型以及加入負反饋的方法。任務3集成運算放大器的應用。通過對集成運放線性應用電路和非線性應用電路特性的測試。任務4立體聲調音控制器的測試與設計。1.集成運算放大器的基本特性；2.集成運放應用電路的分析；3.理解集成運算放大器的線性應用和非線性應用；4.負反饋在運算放大電路中的應用5.能正確查閱各種集成運放資料。1.集成運算放大器基本應用電路的特性測試與結果描述；2.能對電路中的故障現象進行分析判斷并加以解決；3.能獨立完成立體聲調音控制器原理圖的繪制。4.能裝接和測試立體聲調音控制器，并能通過調試得到正確結果；5.能撰寫項目測試報告。1.1集成運算放大器的外形與電路符號

集成運算放大器的封裝有雙列直插式（DIP）、貼片式(SO)和薄小外形封裝(TSSOP)等多種封裝形式。集成運算放大器MC4558的封裝

DIP8表示雙列直插式，SO8表示貼片式，TSSOP8表示薄小外形封裝8表示該集成塊有8個腳，分別代表不同的輸入和輸出。一塊集成運算放大器中也可以包含2個（如：TL082）或4個（如：TL084）運算放大電路。集成運算放大器MC4558的引腳圖

集成運算放大器有兩個輸入端分別稱為同相輸入端uP和反相輸入端uN；一個輸出端uo。圖中的“”表示反相輸入端uN，“+”表示同相輸入端uP。當輸入信號從反相輸入端uN輸入時，輸出信號和輸入信號的相位相反；當輸入信號從同相輸入端uP輸入時，輸出信號和輸入信號的相位相同。集成運算放大器的電路符號

從輸入端來看，集成運算放大器的凈輸入信號為uI=（uP-uN）。從輸出端來看，集成運算放大器線性工作時的輸出信號為

Aod為集成運算放大器的差模電壓放大倍數，一般大于105。1.2集成運算放大器的組成集成運算放大器是模擬集成電路中應用最為廣泛的一種，它實際上是一種高增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大器。主要由輸入級、中間級和輸出級和偏置電路四個主要環節組成。集成運算放大器的組成框圖

輸入級主要由差動放大電路構成，以減小運算放大器的零漂和其他方面的性能。

中間級的主要作用是獲得高的電壓增益，一般由一級或多級放大器構成。

輸出級降低輸出電阻，提高運算放大器的帶負載能力和輸出功率。

偏置電路則是為各級提供合適的直流工作點。1.3集成運算放大器的主要參數

⑴工作電壓VCC(SupplyVoltage)

是指運算放大器正常供電電壓，有的運放是單電源供電，有的運放為雙電源供電。

⑵開環帶寬和單位增益帶寬GBW(Gain-BandwidthProduct)

開環帶寬BW和單位增益帶寬GBW反映運算放大器的頻率特性。

開環帶寬即開環電壓增益從開環直流增益A0下降3dB時所對應的頻寬。單位增益帶寬，電壓增益為0dB時的帶寬

⑶輸入信號電壓范圍Vi(SignalInputTerminalsVoltage）

進入運放輸入端信號的電壓和電流都是有一定范圍限制的，超出此范圍，有可能產生自激振蕩或造成運放的損壞。

⑷開環增益Aod(Open-LoopGain)

是指運算放大器在開環（不加反饋）、線性放大區并在規定的測試負載和輸出電壓幅度的條件下的直流差模電壓增益（絕對值）。

⑸轉換速率SR(SlewRate)

轉換速率SR反映運算放大器對高速變化的輸入信號的響應情況。如果運放轉換速率不夠，輸出信號就會產生失真。

⑹最大輸出電壓Uo(max)

最大輸出電壓Uo(max)是指在一定的電源電壓下，集成運算放大器的最大不失真輸出電壓的峰－峰值。

⑺共模抑制比CMRR(Common-ModeRejectionRatio)

為定量反映放大器放大有用的差模信號和抑制有害的共模信號的能力。2.1反饋的基本概念與集成運算放大器中的負反饋

1.負反饋

把放大電路的輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部，通過一定的電路（網絡）送回到它的輸入端，削弱原來的輸入信號（電壓或電流）并共同控制該放大電路，這種連接方式稱為負反饋。負反饋放大電路的組成如圖所示。

按照放大電路各部分電路的主要功能可將負反饋放大電路分為基本放大電路和反饋網絡兩部分。基本放大電路的主要功能是放大信號，其開環放大倍數為A；反饋網絡的主要功能是傳輸反饋信號，其反饋系數為F。由圖可見，負反饋放大電路和基本放大電路的主要區別是：①負反饋放大電路的輸出信號在送到負載的同時還要取出一部分送回到原放大電路的輸入端。②負反饋放大電路的凈輸入信號不只有信號源單方面提供的，還有反饋過來的信號。③凈輸入信號=輸入信號-反饋信號，它小于輸入信號，因此，負反饋放大電路的電壓放大倍數小于基本放大電路的放大倍數。④負反饋放大電路放大倍數雖然下降了，但它們許多方面的性能也得到了改善。負反饋對放大電路性能的主要影響有：負反饋可增加增益的穩定性、減少非線性失真、擴展頻帶以及控制輸入和輸出阻抗等。

2.反饋的基本類型

(1)正反饋和負反饋根據反饋影響（即反饋性質）的不同，它可分為正反饋和負反饋兩類。如果反饋信號加強輸入信號，即在輸入信號不變時輸出信號比沒有反饋時大，導致放大倍數增大，這種反饋稱為正反饋；反之，如果反饋信號削弱輸入信號，即在輸入信號不變時輸出信號比沒有反饋時小，導致放大倍數減小，這種反饋稱為負反饋。

(2)直流反饋和交流反饋反饋電路中，如果反饋到輸入端的信號是直流量，則為直流反饋；如果反饋到輸入端的信號是交流量，則為交流反饋。直流負反饋可以改善放大器的靜態工作點的穩定性，交流負反饋則可以改善放大器的交流特性。

(3)電壓反饋和電流反饋一般情況下，基本放大器與反饋網絡在輸出端連接方式有并聯和串聯兩種，對應的輸出端的反饋方式分別稱為電壓反饋和電流反饋。

(4)串聯反饋和并聯反饋一般情況下，基本放大器與反饋網絡在輸入端的連接方式有串聯和并聯兩種，對應的輸入端的反饋方式分別稱為串聯反饋和并聯反饋。

3.負反饋放大器的組態由于反饋放大器在輸出和輸入端均有兩種不同的反饋方式，因此負反饋放大器的組態可以有4種可能，即電壓并聯負反饋、電壓串聯負反饋、電流串聯負反饋和電流并聯負反饋。2.2反相輸入集成運算放大器的分析與測試

1.反相輸入放大器電路的結構與特點

由于輸入信號加在反相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相反，因此將它稱為反相放大器。反相輸入放大器

電路由基本放大器A和反饋網絡Rf組成。RL為負載電阻。uo為輸出信號。電路輸入信號ui經電阻R1加在反相輸入端上。電阻R1的作用是將輸入電壓轉換成電流信號。同相輸入端經電阻RP接地，RP的作用是減小溫漂提高運算精度，其阻值應為RP=R1Rf。

2.反相輸入放大器輸入電壓與輸出電壓的關系的計算

需要說明的是，在實際的電路設計或分析過程中常常把集成運放理想化。理想運放具有以下理想參數。

①開環差模電壓增益Aod→∞。

②差模輸入電阻rid→∞。

③輸出電阻rod=0。

④共模抑制比CMRR→∞，即沒有溫度漂移。

⑤開環帶寬fH→∞。

⑥轉換速率SR→∞。

⑦輸入端的偏置電流IBN=IBP=0。

⑧干擾和噪聲均不存在。在工程計算中我們可以認為開環差模電壓增益Aod→∞。又由于，而輸出電壓是個不能大于運算放大器電源電壓的有限值，因此，兩個輸入端之間的實際輸入（凈輸入）電壓可以近似看成為0（但不絕對等于0），相當于短路，即：這種情況稱為“虛短”（并非真正短路）。在工程計算中我們可以認為rid→∞。。因此可以認為運算放大器的同相輸入端和反相輸入端均無電流輸入，即：相當于電路斷開一樣，這種情況稱為“虛斷”（并非真正斷路）。

如圖所示反相輸入放大器中，在同相輸入端P經過電阻RP接地時，由于“虛斷”，iP=iN=0，因此uP=0。由“虛短”的概念可知，uN=uP=0，稱N端為“虛地”。

由“虛斷”的概念可知ii=if，有該電路的電壓增益即

可見，反相輸入放大器中輸出電壓uo與輸入電壓ui的大小成比例關系，負號表示相位相反。2.3同相輸入集成運算放大器電路的分析與測試

1）同相輸入放大器電路的結構與特點圖所示為同相輸入放大器電路原理圖。由于輸入信號加在同相輸入端，輸出電壓和輸入電壓的相位相同，因此將它稱為同相放大器。同相輸入放大器

同相放大器電路由基本放大器A和反饋網絡組成。RL為負載電阻。uo為輸出信號。電路輸入信號ui經電阻RP加在同相輸入端上，RP為平衡電阻，其阻值應為RP=R1Rf。反饋網絡由電阻R1和Rf組成，R1和Rf的作用是將輸出電壓反饋到反相端。

2.同相輸入放大器輸入電壓與輸出電壓的關系的計算

由“虛斷”的概念可知iP=iN=0，由“虛短”的概念可知ui=up=uN

其電壓增益即

若Rf短路、R1不接，此時的同相輸入放大器稱為電壓跟隨器。電路的輸出完全跟隨輸入變化。ui=uP=uN=uo，Au=1，具有輸入阻抗極高，輸出阻抗低。常用于多級放大器的輸入級和輸出級，用作阻抗變換或緩沖。電壓跟隨器電壓跟隨器的另外一個應用是將精密小信號放大電路和重負載隔離開來，前端精密放大器進行精密測量，電壓跟隨器用來驅動重負載。如果不加電壓跟隨器，那么負載驅動電流的增加必然會導致芯片發熱，進而產生失調變化。電壓跟隨器應用電路集成運放應用十分廣泛，電路的接法不同，集成運放電路所處的工作狀態也不同，電路也就呈現出不同的特點。可以把集成運放的應用分為兩類：線性應用和非線性應用。3.1集成運算放大器的線性應用集成運放的線性應用主要有模擬信號的產生、運算、放大、濾波等。下面首先從基本運算電路開始討論。若多個輸入電壓同時作用于運放的反相輸入端或同相輸入端，則實現加法運算。

3.1.1加法電路的分析與測試加法電路

若R1=R2=Rf，則加法電路的輸出表達式為

1.雙運放減法運算電路

3.1.2減法電路的分析與測試

若R2=Rf2，則變為

即實現了兩信號ui1與ui2的相減。雙運放減法電路

2.差分放大電路

若多個輸入電壓有的作用于反相輸入端，有的作用于同相輸入端，則實現減法運算。單運放減法運算電路如圖所示。根據“虛短”和“虛斷”的概念可知uP=uN。差分放大電路

當Rf=R時，有：

實現了兩信號ui2與ui1的相減。反相比例運算電路中的反饋電阻由電容阻所取代，便構成了積分電路。

3.1.3積分電路的分析與測試輸出電壓與輸入電壓的關系滿足積分運算要求，負號表示它們在相位上是相反的。RC稱為積分時間常數，記為。積分電路利用積分運算電路能夠將輸入的正弦電壓，變換為輸出的余弦電壓，實現了波形的移相；將輸入的方波電壓變換為輸出的三角波電壓，實現了波形的變換；對低頻信號增益大，對高頻信號增益小，當信號頻率趨于無窮大時增益為零，實現了濾波功能。積分電路的電阻和電容元件互換位置，即構成微分電路。微分電路選取相對較小的時間常數RC。

3.1.4微分電路的分析與測試微分電路輸出電壓與輸入電壓的關系滿足微分運算的要求。因此微分電路對高頻噪聲和突然出現的干擾（如雷電）等非常敏感，故它的抗干擾能力較差，限制了其應用。實際的微分電路需要改進。允許某一部分頻率的信號順利通過，而使另一部分頻率的信號被急劇衰減（即被濾掉）的電子電路稱為濾波器。濾波器可分為按照其功能，又可以分為低通、帶通、高通、帶阻濾波器。

3.1.5有源低通濾波器的分析四種濾波器的幅頻特性

fH為上限截止頻；fL為下限截止頻率；f0為中心頻率，即通帶和阻帶的中點。

濾波器具有“選頻”的功能。來進行模擬信號的處理（用于數據傳送、抑制干擾等）。此外，濾波器在無線電通信、信號檢測和自動控制中對信號處理、數據傳輸和干擾抑制等方面也獲得了廣泛應用。

濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器兩種。一般主要采用無源元件R、L和C組成的模擬濾波器稱為無源濾波器；由集成運算放大器和R、C組成的濾波器稱為有源濾波器。一階RC有源低通濾波電路二階RC有源低通濾波電路3.2集成運算放大器的非線性應用

在集成運放的非線性應用電路中，運放一般工作在開環或正反饋狀態，而運放的增益很高，在非負反饋狀態下，其線性區的工作狀態是極不穩定的，因此主要工作在非線性區，實際上這正是非線性應用電路所需要的工作區。

當運放工作在非線性區時，若uP＞uN，輸出為高電平UOH；若uP＜uN，輸出為低電平UOL。

3.2.1簡單電壓比較器的分析與測試

通常把比較器的輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時對應的臨界輸入電壓稱為閥值電壓或門限電壓，簡稱為閥值，用符號UTH表示。對這里所討論的簡單比較器，有UTH=UREF。簡單電壓比較器的基本電路

若參考電壓UREF為0，則輸入電壓每次過0時，輸出電壓就要產生一次跳變，從一個電平跳變到另一個電平，這種比較器稱為過零比較器。利用過零比較器可以把正弦波變為方波（正、負半周對稱的矩形波）。

利用比較器還可以將任意波形的信號轉換為矩形波，例如，可以將正弦波轉換為周期性矩形波。

3.2.2遲滯電壓比較器分析與測試簡單電壓比較器電路簡單，靈敏度高，但抗干擾能力很差，當輸入電壓在門限電壓附近有微小干擾時，輸出電平必然會跟著干擾翻轉。在實際運用中，如果用這個輸出電壓去控制電機，將出現頻繁啟停的現象，很容易損壞電機，是不容許的。為了克服這一點，將簡單電壓比較器電路加入一個正反饋回路，組成遲滯電壓比較器。遲滯比較器電路如圖（a）所示，圖中電阻R3接在輸入和輸出之間，為正反饋回路由于輸入信號由反相端加入，因此為反相遲滯比較器。遲滯比較器令兩個閥值之差為稱為回差電壓。回差電壓是表明滯回比較器抗干擾能力的一個參數。由于遲滯比較器輸出高、低電平相互翻轉的過程是在瞬間完成的，即具有觸發器的特點，因此又稱為施密特觸發器。電壓比較器將輸入的模擬信號轉換成輸出的高低點平，輸入模擬電壓可能是溫度、壓力、流量、液面等通過傳感器采集的信號，因而它首先廣泛用于各種報警電路；其次，在自動控制、電子測試、模數轉換、各種非正弦波的產生和變換電路中也得到廣泛的應用。3.3集成運算放大器使用注意事項

1.集成運算放大器的分類集成運算放大器按電路特性分為：通用型、高精度型、高速型、高輸入阻抗型、低功耗型、寬頻帶型、高壓型、功率型集成運算放大器等。

2.集成運算放大器的選擇原則①供電電源電壓：選擇雙電源供電還是單電源供電的芯片，合適的電源電壓范圍。如：OPA365為單電源軌至軌運算放大器。②帶寬：小信號放大時考慮運放的增益帶寬積(GB)，必須留有足夠的開環增益100倍以上。③對于精度要求高的電路，要選用高精度、低漂移、低失調電壓和高共模抑制比運算放大器，如：OPA227為高精度、低噪聲和單位增益穩定的運算放大器。④對于信號源內阻較大的電路，應選用MOS場效應管為輸入級的運算放大器，如：LF353、OPA727等運算放大器。

3.集成運算放大器的正確使用

(1)集成運算放大器的保護集成運算放大器差模輸入保護差模輸入保護集成運算放大器共模輸入保護共模輸入保護集成運算放大器電源端保護電源端的保護