电子工技术基础知识课件

二、电子工技术基础二、电子工技术基础(一一)半导体器件半导体器件1、半导体、半导体 半导体器件是电子技术的重要组成部分。半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都属于半导体材料。其中，硅和锗是用得最多的半导体材料。半导体的的导电能力受多种因素的影响。例如：温度升高导电能力提高制作热敏元件 照度增大导电能力提高制作光敏元件 杂质含量增加导电能力提高制作实用半导体器件(1)本征半导体本征半导体 本征半导体是由单一元素组成的半导体，如硅、锗。当原子最外层有8个电子时，处于相对稳定的状态。硅原子和锗原子的最外层都是只有4个电子，为了保持稳定，相邻原子共用最外层电子形成共价键结构。受到某种能量的激发时，共价键中的电子挣脱出来形成自由电子，并在原来的共价键结构中留下一个空穴。自由电子带负电，带有空穴的原子带正电。自由电子和空穴称为载流子。在半导体材料加上电压时，自由电子挤走邻近原子中的电子形成电子电流，空穴吸引邻近原子中的电子来填补空穴形成空穴电流。电流很小，属于漂移电流。(2)N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 本征半导体的导电能力很差。如在本征半导体中掺入微量其他元素，则其导电能力大大提高。掺入少量5价的磷，则在稳定的共价键外多出一个电子。这个电子很容易受到激发成为自由电子，并在原地留下一个正离子。电子为多数载流子，称之为电子半导体或N型半导体。掺入少量3价的硼，则在稳定的共价键外多出一个空穴。这个空穴很容易吸引邻近原子的电子而构成负离子，并产生一个新的空穴。空穴为多数载流子，称之为空穴半导体或P型半导体。2 2、结及其单相导电性、结及其单相导电性、结及其单相导电性、结及其单相导电性 多数载流子扩散，产生扩散电流(正向电流)，形成空间电荷区和内电场。内电场使电荷回流并阻止扩散，平衡时形成耗尽区(阻挡层)，并取得动态平衡。正向偏置：阻挡层变薄，内电场减弱，扩散电流增大(含电子电流和空穴电流，亦含少数载流子的电流)，低阻状态，导通。反向偏置：阻挡层变厚，内电场增强，阻挡扩散电流，少数载流子漂移电流增大，高阻状态，截止。(1)结形成结形成 (2)结单相导电性结单相导电性 3、半导体二极管、半导体二极管(1)结构结构 点接触型：多锗管；功率小、结电容小、高频性能好；多用作开关元件。面接触型：多硅管；功率大、结电容大、工作频率低；多用作整流元件。一个结+两条引线+密封管壳。(2)伏安特性伏安特性 反偏：在击穿范围内，反向电流极小，而且基本不变。此一反向电流称为反向饱和电流。当反向电压超过击穿电压时，结反向击穿，形成很大的反向电流。正偏：起始部分电流几乎为零；当正向电压超过死区电压(锗管约0.1V、硅管约0.5V)时，二极管开始导通，电流急剧增加，且电流与电压近似成正比，伏安特性近似为直线。导通区域称线性区，是二极管正常工作的区域。正常情况下，锗管的正向导通压降为0.20.3V、硅管的为0.60.7V。(3)(3)主要技术参数主要技术参数主要技术参数主要技术参数 最大整流电流 二极管长时间工作时，允许流过的最大正向平均电流，是受发热限制的电流。最大反向峰值电压 二极管不被反向击穿所规定的反向工作峰值电压，约为反向击穿电压的1/31/2。点接触型约数十伏、面接触形达数百伏。最大反向电流 二极管施加最大反向峰值电压时的反电流。硅管不超过数微安、锗管为数十至数百微安。电阻 直流电阻大；交流电阻I小。应用万用表倍率100或1k欧姆档黑笔接阳极、红笔接阴极，应为数十数百红笔接阳极、黑笔接阴极，应200k(4)测试测试(5)应用应用用作整流、检波、限幅、稳压、开关元件。主要参数：稳定电压，有一定分散性；最大稳定电流(发热限制)和最小稳定电流(稳定性限制)；动态电阻，越小越好；耗散功率，受发热限制。(6)稳压管稳压管 经特殊工艺制成的工作在反向击穿状态而不会损坏的面接触型硅二极管。反向特性很陡，可重复工作。击穿前反向电流很小。其反向特性很陡，电流变化很大时只有微小的电压变化，即U很小。4 4、半导体三极管、半导体三极管、半导体三极管、半导体三极管(1)结构结构 两个结合在一起的结+三条电极引线+密封管壳。按结构分平面型(多为硅管)、合金型(多为锗管)。按极性分型(多为硅管)和型(多为锗管)。三极管的三个电极分别称为发射极（E极）、基极(B极)、集电极(C极)。发射极与基极之间的结称为发射结、基极与集电极之间的结称为集电结。三极管属于双极型半导体器件。共发射极电路的放大作用共发射极电路的放大作用(2)特性特性 发射结正偏，形成发射极电流。电子在基区复合，形成基极电流；大部分电子扩散至集电结。集电结反偏，拉入电子，形成集电极电流。少数载流子的漂移电流可忽略不计。关系：输入特性输入特性 输入特性是常数时的 ,即三极管也有死区电压。正常工作时，硅管发射结电压 为0.60.7V、锗管为0.20.3V。三极管的输入特性与二极管的正向特性相似。输出特性输出特性 输入特性是常数时的 ，即 00的区域（0称为穿透电流）图中0以下的区域典型条件：发射结反偏（或发射结反偏、集电结正偏）截止区 0、1V左右的区域；特性曲线接近水平线，与几乎无关（绝大部分电子被拉入集电极）；与几乎保持线性关系，即近似 ；比大得多；直流电流放大倍数为放大区（线性区）典型条件：发射结正偏、集电结反偏。的区域；不受控制，三极管不再起放大作用；典型条件：发射结正偏、集电结反偏。饱和区(3)主要技术参数主要技术参数 共发射极电流放大倍数 直流 交流集电极-基极反向饱和电流0条件：发射极开路。少数载流子的漂移电流；受温度影响大。集电极-发射极穿透电流0条件：基极开路。集电极最大允许电流值下降至2/3时的集电极电流。集电极-发射极反向击穿电压U()0 集电极最大允许耗散功率 受发热限制，放大倍数测试用作放大、振荡、开关等元件。(4)应用应用5、场效应管、场效应管金属氧化物半导体()场效应管()(1)结构结构 场效应管属于单极型半导体器件。(2)种类种类 绝缘栅型()N沟道增强型 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型结型()N沟道(耗尽型)P沟道(耗尽型)(2)特性特性 转移特性常数时的 ()称开启电压，()称夹断电压，称饱和漏极电流。输出特性常数时的(3)主要技术参数主要技术参数共夹断电压()，耗尽型参数，110V。饱和漏极电流，耗尽型参数。低频跨导，常数时的，一般为数毫西。极间电容，13、0.11。最高漏源电压()和最高栅源电压()。开启电压()S，增强型参数。最大耗散功率，受发热限制。(4)特点及应用特点及应用 输入电阻高(1081015)、功耗小、体积小、噪声低、性能稳定，用于大规模集成电路。极间易积累电荷，导致击穿。6、晶闸管、晶闸管(1)结构结构 构成：三个结结合、三条电极引线、管壳。(2)性能性能 如果门极与阴极间没有加上触发电压，即使在阳极与阴极间加上正向电压，晶闸管仍然保持截止；一旦在门极与阴极间加上适当的触发电压，晶闸管立即导通；晶闸管导通后，即使去掉触发电压，只要阳极电流大于维持电流，晶闸管将保持导通。因此，改变施加触发电压的时刻，就可以控制晶闸管的输出。三个电极：阳极（A极）、阴极(K极)、门极(G极)。7、单结晶体管、单结晶体管(1)结构结构双基极二极管：发射极、第一基极、第二基极。(2)性能性能 ，近似有。（二）二极管电路（二）二极管电路1、单相半波整流电路、单相半波整流电路 2、单相桥式整流电路 3、三相桥式整流电路、三相桥式整流电路U1=10t V4、限幅电路、限幅电路5、倍压整流电路、倍压整流电路6、开关电路、开关电路7、滤波电路、滤波电路 电容滤波器电容滤波器要求：半波整流、全波整流要求：半波整流、全波整流1.2U1.2U；数十；数十 数千数千F F特点：输出电压高、外特性软、二极管承受冲击电流特点：输出电压高、外特性软、二极管承受冲击电流 滤波器和滤波器和 形滤波器形滤波器电流大电流大高频好高频好电流小电流小脉动小脉动小8、简单并联稳压电路、简单并联稳压电路 I1 I1R1 （三）三极管电路（三）三极管电路 和信号源电压和内阻负载电阻使集电结反偏、发射结正偏，提供静态基极电流，提供放大的能源基极电阻，确定静态工作点集电极电阻，将电流的变化转变为电压的变化C1、C2耦合、隔直电容1、固定偏置共发射极交流放大电路、固定偏置共发射极交流放大电路(1)各元件的作用各元件的作用(3)静态工作点静态工作点(2)直流通路直流通路 静态0(4)直流负载线直流负载线截距：(0，)和(，0)斜率：=1动态0(5)交流通路交流通路(6)动态解析法动态解析法 电压放大倍数电压放大倍数 输出电流输出电流 输出电压输出电压 输入电压输入电压是三极管输入电阻(7)交流负载线交流负载线交流负载线仍经过Q点(0)电阻RL=1(8)动态图解法动态图解法 输入信号图解利用输入特性由求输出信号图解利用输入特性由求和可用于定量分析、波形观察。(9)非线性失真非线性失真 截止失真Q点太低，即太小以及信号太强饱和失真Q点太高，即太大以及信号太强双向失真信号太强(10)微变等效电路法微变等效电路法 三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路 条件：工作在线性区，交流电流与电压成正比；必须是小信号。等效电阻即三极管输入电阻等效电阻即三极管输出电阻为数十至数百千欧，一般忽略不计放大电路的微变等效电路放大电路的微变等效电路 电压放大倍数输入电阻和输出电阻越大，对信号源要求越低，输入电压越高。越小，带负载能力越强，输出电压越高。2、分压偏置电流负反馈交流放大电路、分压偏置电流负反馈交流放大电路(1)温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响 温度温度0 0 输出特性和输出特性和Q点上移点上移 温度温度 Q点上移点上移 温度温度发射结电压发射结电压 Q点上移点上移(2)电路电路 12，常数常数 为交流旁路电容为交流旁路电容 作直流负反馈电阻作直流负反馈电阻(3)Q点稳定过程点稳定过程 温度温度 (4)静态工作点静态工作点(5)微变等效电路法微变等效电路法(6)电压放大倍数、输入电阻、输出电阻电压放大倍数、输入电阻、输出电阻(7)特点：电流放大倍数大、电压放大倍数大、功率放大特点：电流放大倍数大、电压放大倍数大、功率放大倍数大、倍数大、输入电阻较小（数百欧至数千欧）、输出电阻输入电阻较小（数百欧至数千欧）、输出电阻较大（数百千欧数十千欧）、适用于低频放大。较大（数百千欧数十千欧）、适用于低频放大。如无交流旁路电容，变化是 3、射极输出器、射极输出器(共发射极放大电路共发射极放大电路)(1)电路和静态工作点电路和静态工作点(3)电压放大倍数、输入电阻、输出电阻电压放大倍数、输入电阻、输出电阻(4)特点特点(2)微变等效电路微变等效电路 电流放大倍数大；电压放大倍数略小于1；功率放大倍数一般；输入电阻大于数十千欧；输出电阻小于数十欧，有恒压源特征；用作输入级、输出级、阻抗变换器。4、共基极交流放大电路、共基极交流放大电路 高频放大、振荡器、恒流源电路E、B为输入端；C、B为输出端。特点电流放大倍数略小于1电压放大倍数大功率放大倍数一般输入电阻较小，数欧至数十欧输出电阻较大，数十千欧欧至数百千欧应用阻容耦合阻容耦合(电容耦合电容耦合)5、多级放大器、多级放大器(1)耦合方式耦合方式 前级通过耦合电容与后级的输入电阻实现耦合。其特点是前、后级的直流互不影响，静态工作点调整方便。主要用于交流电压放大。直接耦合直接耦合 前、后级直接耦合。其特点是前、后级静态工作点互相影响。可用于交流放大和直流放大。变压器耦合变压器耦合 前、后级经变压器耦合。其特点是能进行阻抗匹配及电流、电压变换。只能用于交流放大，主要用于功率放大。(2)技术参数技术参数0.707 0.707 12 1 2(3)通频带通频带注意：负反馈可扩宽通频带6、负反馈电路、负反馈电路(1)反馈的基本问题反馈的基本问题 反馈是取出输出量的一部分或全部，通过反馈电路，与输入信号进行比较、叠加的工作方式。使净输入信号增强的反馈称为正反馈，使净输入信号减弱的反馈称为负反馈。直流负反馈和交流负反馈直流负反馈和交流负反馈负反馈基本类型与特点负反馈基本类型与特点 直流负反馈的主要作用是稳定静态工作点和减小零点漂移，并防止产生非线性失真。在反馈电路上串联电容可除去直流反馈。交流负反馈的主要作用：提高放大倍数、输出量的稳定性。负反馈电路放大倍数的变化率仅为无负反馈电路放大倍数的变化率的1/(1)。通过输入信号与反馈信号的叠加，减小非线性失真。延缓在低频区和高频区放大倍数下降的速度，扩展通频带。在反馈电路上并联电容可除去交流反馈。电流串联负反馈：稳定输出电流、增大、增大。电压串联负反馈：稳定输出电压、减小、增大。电压并联负反馈：稳定输出电压、减小、减小。电流并联负反馈：稳定输出电流、增大、减小。(2)电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路 反馈电压来自输出电流，即(12)和1，为电流反馈。、与串联，为串联反馈。，为负反馈。注意：反馈电阻并联电容除去交流反馈。(3)电压并联负反馈电路电压并联负反馈电路 注意：反馈电阻串联电容可除去直流反馈。(4)电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路 反馈电压，为电压反馈。与串联，为串联反馈。，为负反馈。(5)电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路 反馈电流，为电流反馈。与并联，为并联反馈。1122221，为负反馈。7、功率放大、功率放大 输出电流大、输出电压高，输出功率大，多有散热环节；效率高；大信号条件下失真小，有的对失真的要求不高；输入信号大，不能用微变等效电路分析，可用图解法分析。(1)特点特点(2)电路工作状态电路工作状态 Q点选择适中失真小效率低，50%甲类工作状态 甲乙类工作状态 乙类工作状态 Q点选择偏低明显失真Q点选择在0处仅半个周波效率高，可达78.6%(3)(3)单管功率放大器单管功率放大器 的作用是直流电流负反馈工作在甲类状态T1、T2的作用：隔直、耦合、阻抗变换分压偏置不受T1二次线圈的影响、为交流旁路电容常应用复合管(4)(4)变压器耦合推挽放大电路变压器耦合推挽放大电路 由两只管组成的对称电路，两管交替导通，均工作在乙类状态。(5)互补放大电路互补放大电路 即无输出电容双电源互补（推挽）对称电路，射极输出由于发射结有死区，存在交越失真由管、管组成，1、2均为零，均工作在乙类状态，两管交替导通克服办法：使 1、2不为零，均工作在乙类状态，R、T3、T4的交流电阻很小(6)互补放大电路互补放大电路 即无输出变压器的互补电路。正半周C充电、负半周C放电。可设计成单电源互补电路（加推动级可克服交越失真）。8、场效应管放大电路、场效应管放大电路(1)典型电路（分压偏置大电路）典型电路（分压偏置大电路）(2)静态工作点静态工作点为饱和漏极电流 0为2()时的漏极电流(3)微变等效电路微变等效电路(4)电压放大倍数、输入电阻、输出电阻电压放大倍数、输入电阻、输出电阻(5)特点特点 电压放大倍数不大；反相输出；输入电阻很大。各级直流通路不独立，静态工作点互相影响；零点漂移大，即输入为零时输出不为零。（零点漂移由于温度变化、电源波动、元件老化等原因引起，表现为缓慢变化）9、直流放大 直接耦合用于直流信号和缓变信号放大 克服温度影响的方法直接耦合的问题利用非线性元件补偿；采用差动放大电路等。12为共模输入，0，抑制零点漂移。12为差模输入，2单管。12为任意(比较)输入，分解为(12)/2和(12)/2处理。1010、差动放大、差动放大 双端输出：单管、双端输出：单管、2()、2、电路特征抑制共模信号很大。、电路特征抑制共模信号很大。单端输出：单管单端输出：单管/2、2()、深度交流负反馈抑制共模信号、深度交流负反馈抑制共模信号(T3的交流电阻很大的交流电阻很大)也很大。也很大。(1)典型电路典型电路(2)输入方式输入方式双端输入双端输入 单端输入单端输入看作 2的输入方式。(3)输出方式输出方式U2222111111、三极管串联稳压电路(1)自激振荡 12、振荡器 从1位到2位，如维持，则称自激振荡。基本振荡条件 振荡电路由提供振荡器能量的放大电路、满足平衡条件的正反馈电路、形成单一振荡频率的选频电路和保持稳定的限幅电路组成。或 应用振荡条件由和得即和振荡器组成变压器耦合振荡电路 输出功率大、波形不理想、耦合不紧密。谐振频率为 电感耦合(哈脱来)振荡电路耦合紧密、频率范围宽、波形不好。谐振频率为 电容耦合(考毕兹)振荡电路耦合紧密、频率较高、波形好。谐振频率为(2)正弦波振荡器正弦波振荡器 选频电路：串、并联网络。(3)正弦波振荡器正弦波振荡器 特点：经济、简单。(4)石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英的化学成份是2，将其切成晶片，引出两个电极，封装后即构成石英晶体。石英晶体有压电效应。由于存在充电过程和石英晶体本身有惯性，在一定条件下石英晶体发生压电谐振。石英晶体振荡器的频率稳定性高。13、放大电路质量的提高、放大电路质量的提高(1)阻抗匹配阻抗匹配 阻抗匹配是选择适当的输入阻抗和输出阻抗，以获取最大的增益。对于电压放大的输入级和中间放大级，为获取最大的信号电压，输入阻抗应尽量高一些；为获取最大的带负载能力，输出阻抗应尽量低一些。对于功率放大，为获取最大的输入功率，输入阻抗应尽量与前级输出阻抗接近；为获取最大的输出功率，输出阻抗应尽量与负载阻抗接近。(2)提高输入阻抗和降低输出阻抗提高输入阻抗和降低输出阻抗 提高输入阻抗的理由：减小信号源或前级内阻上的电压损失，以获得较高的输入电压；减小输入电流，降低对减小信号源或前级的要求；作为前级的负载电阻，不太多降低前级的电压放大倍数。降低输出阻抗的理由：保证足够的输出电压；允许输出电流大一些，保证足够的带负载能力。提高输入阻抗的办法是：采用高输入阻抗的场效应管作输入级、采用深度串联负反馈、采用差动放大电路作输入级、采用射极输出器做输入级。(3)放大电路的稳定放大电路的稳定 采用交流负反馈电路，包括电流串联负反馈电路、电压串联负反馈电路、电压并联负反馈电路和电流并联负反馈电路。其作用有三：一是提高放大倍数的稳定性。负反馈电路放大倍数的变化率仅为无负反馈电路放大倍数的变化率的1/(1)。二是通过输入信号与反馈信号的叠加，减小非线性失真。三是延缓在低频区和高频区放大倍数下降的速度，扩展通频带。合理静态工作点，并采用直流负反馈，如采用共基极分压偏置放大电路，稳定静态工作点。采用差动电路作为输入级，克服零点漂移。减小晶体管极间分布电容，扩展通频带，以减小频率失真。提高输入阻抗和减小输出阻抗，以减小信号源波动和负载波动的影响。采用高质量稳压电源，以减小电源波动的影响。例题例题 下图所示放大电路中，已知下图所示放大电路中，已知1=2=50，试求：，试求：(1)设设0.6V，求解前级和后级放大电路的静态工作点；，求解前级和后级放大电路的静态工作点；(2)画出微变等效电路；画出微变等效电路；(3)计算放大电路的输入电阻和输出电阻；计算放大电路的输入电阻和输出电阻；(4)计算各级电压放大倍数及总电压放大倍数；计算各级电压放大倍数及总电压放大倍数；(5)说明前级采用射极输出器有什么好处。说明前级采用射极输出器有什么好处。解：解：(1)静态工作点静态工作点T1的静态工作点为：T2基极电位 T2的静态工作点为：(2)微变等效电路微变等效电路(3)输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 T1和T2的等效输入电阻为：输入电阻和输出电阻为：(4)电压放大倍数电压放大倍数(5)射极输出器有什么好处射极输出器有什么好处 在总放大倍数变化很小的情况下，大幅度提高ri。