模电中石大版第一章.ppt

模拟电子技术 本课程是测控技术与仪器专业的一 理论学时40 实验学时8 课程的性质和任务 学时 总学时48 参考书 康华光电子技术基础 王远模拟电子技术基础学习指导 华成英帮你学模拟电子技术基础 一门技术基础课 它具有自身的体系 是实践性很强的 课程 本课程的任务是使学生获得电子技术方面的基本 理论 基本知识和基本技能 培养学生分析问题和解决 问题的能力 为后续课程打好基础 是研究电子器件 电子电路及其应用的 电子技术 模拟电子技术 数字电子技术 研究模拟信号 研究数字信号 模拟信号 在时间上和幅值上都是连续变化的信号 数字信号 在时间上和幅值上都是离散的信号 模拟信号 数字信号 数值的变化总是发生在一系列离散的瞬间 电子技术 数值的大小及增减总是某一个最小单位的整数倍 科学技术 目录 第一章常用半导体器件 第二章基本放大电路 第三章集成运算放大电路 第四章负反馈放大电路 第五章信号的运算和处理电路 第六章波形的产生与变换转换 第七章功率放大电路 第八章直流电源 管 路 信号单方向传输 信号双向传输 小信号放大电路 大信号 微变等效法 图解分析法 提供能源的电路 信号源 第一章常用半导体器件 1 1半导体基本知识1 2PN结及其单向导电性1 3半导体二极管1 4半导体三极管1 5场效应管 本章要求 掌握 二极管 三极管的外特性及主要参数的物理意义理解 PN结 二极管的单向导电性 稳压管的稳压作用及三极管的放大作用了解 二极管 三极管的选用原则 1 1半导体基本知识 1 1 1本征半导体 导体 10 4 cm 1 半导体 常见材料硅 Si 锗 Ge Ge和Si原子的简化模型 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体 绝缘体 109 cm 10 4 cm 109 cm 2 特性 3 本征半导体晶体结构 本征半导体晶体结构示意图 共价键结合力强 本征半导体导力弱 热敏性 光敏性 掺杂性 晶体中原子的排列方式 共价健 共价键中的两个电子 称为价电子 4 本征半导体中的两种载流子 热力学零度 T 0K 本征半导体不导电 常温 T 300K 热激发 共价键中的价电子 能量 自由电子 空穴 在电场的作用下 空穴运动 价电子填补空穴的运动 晶体共价键结构平面示意图 图本征半导体中的自由电子和空穴 4 4 4 4 4 4 4 4 4 空穴 自由电子 图自由电子进入空穴产生复合运动 复合 自由电子和空穴相遇 温度T一定 ni 自由电子浓度 T pi 空穴浓度 ni pi 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对 那么 电子空穴对是否会越来越多 电子和空穴浓度是否会越来越大呢 4 4 4 4 4 4 4 4 4 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素所形成的半导体 1 N型半导体 图N型半导体 si Ge中加入5价元素 施主杂质 自身成为带正电的离子 电子型半导体 符号 提供一个自由电子 4 4 4 4 4 4 4 4 4 掺入五价原子 少数载流子 简称少子 N型半导体 杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对 自由电子的数目高 故导电能力显著提高 其中的电子称为多数载流子 简称多子 空穴称为 在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和 自由电子带负电 空穴和正离子带正电 整块半导体中正 负电荷量相等 保持电中性 2 P型半导体 图P型半导体 si Ge中加入3价元素 受主杂质 自身成为带负电的离子 空穴型半导体 符号 提供一个空穴 掺入三价原子 4 4 4 4 4 4 4 4 4 N型半导体 P型半导体 自由电子 掺杂形成 多子 空穴 掺杂形成 空穴 热激发形成 自由电子 热激发形成 少子 呈电中性 综上所述 1 2 1PN结的形成 在一块完整的本征硅 或锗 片上 用不同的掺杂工艺一边形成N型半导体 一边形成P型半导体 在这两种半导体交界面附近形成的一个特殊性质的薄层 称为PN结 漂移运动 在电场作用下 载流子的运动 漂移电流 扩散运动 同类载流子由于浓度差引起的运动 扩散电流 正 负 电荷在电场作用下 顺 逆 电场方向运动 1 2PN结及其单向导电性 1 PN结 2 PN结的形成 少子的漂移运动 P型半导体 N型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区 P N 区中同类载流子浓度差 多子的扩散 产生空间电荷区 内电场 促进少子漂移 扩散与漂移运动达到态平衡时 PN结形成 阻止 1 2 2PN结的单向导电性 1 PN结外加正向电压 正向偏置 图PN结加正向电压导通 外电场与内电场相反 内电场被削弱 扩散 漂移 I 正向电流 PN结呈低阻值 PN结导通 正电荷在电场作用下 顺电场方向运动 形成电流的方形与运动方向一致 负电荷在电场作用下 逆电场方向运动 形成电流的方形与运动方向相反 相关知识 PN结变窄 I 2 PN结外加反向电压 反向偏置 图PN结加反向电压时截止 外电场与内电场相同 内电场增强 漂移 扩散 IR 反向电流 PN结呈高阻值 PN结截止 PN结正偏时导通 反偏时截止 IR PN结变宽 PN结的单向导电性 3 PN结电流方程 u为PN结两端电压 IS为反向饱和电流 UT为温度的电压当量 常温下T 300K时 UT 26mV 4 PN结的伏安特性 图PN结的伏安特性 正向特性 反向特性 u 0时 i Is 击穿特性 U BR 时 i 电击穿 齐纳击穿 雪崩击穿 低电压 高掺杂 高电压 低掺杂 热击穿 具有可逆性 具有破坏性 1 2 4PN结的电容效应 1 势垒电容 PN结的势垒电容 势垒电容 CT PN结外加电压变化时 引起耗尽层宽窄变化 空间电荷区电荷量的变化 所等效的电容 平衡少子 PN结平衡状态下的少子 非平衡少子 P N 区中扩散到对方区域中的空穴 自由电子 npo表示P区平衡电子浓度 u u1 u u1 u u1 扩散区内 电荷的积累和释放 结电容Cj Cd CT 一般在1PF左右 1 2 5PN结等效电路 2 扩散电容 过程与电容器充 放电过程相同 这种电容效应称为扩散电容 Cd 1 3半导体二极管 1 3 1二极管结构及类型 1 二极管 由PN结外加管壳和引线构成 2 二极管类型 按材料分为硅和锗二极管 按结构分为 点接触型 面接触型 平面接触型 c 1 3 2二极管的伏安特性 伏安特性 通过二极管的电流与二极管两端电压之间的关系曲线 图1 2 3二极管的伏安特性 1 正向特性 u Uon i 0 外加电压不足以克服内电场的作用 u Uon Uon开启电压 硅0 5V 锗0 1V UD导通电压 硅0 6 0 8V 锗0 2 0 3V 2 反向特性 U BR 时 I IS 反映热稳定性 3 击穿特性 U BR 时 I 4 温度对伏安特性的影响 T 少子浓度增加 为什么 PN结变窄 势垒电位差U0 在相同u的作用下 正向特性左上移 反向特性右下移 1 3 3二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流 I IF 2 最高反向工作电压URM 二极管工作时允许外加的最大反向电压 URM 1 2U BR 3 反向电流IR IS 二极管未击穿时的电流 4 最高工作频率fM 指二极管的上限频率 f fM 其值越小单向导电性 热稳定性 越好 5 直流电阻RD 加到二极管两端的直流电压与流过管子的直流电流之比 6 交流电阻rd 工作点Q附近电压变化量与电流变化量之比 i mA 1 3 4二极管的模型 二极管是一种非线性器件 因而二极管电路应采用非线性的分析方法 模型分析法 简单模型 便于近似估算 复杂模型 为利用程序借助计算机解题提供基础 注 模型是指二极管正向特性的建模 反向特性电流I 0 二极管视为开路 由伏安特性折线化得到的等效电路 理想模型u远大于UDUD 0 恒压降模型 I 1mA 1 3 5其他类型的二极管 是一种由硅材料制成的面接触型二极管 简称为稳压管 1 稳压二极管 稳压管的伏安特性和符号 稳压原理 在反向击穿区 注1 稳压管工作时 为反向偏置状态 电路中必须串接限流电阻 一般与负载并联 注2 稳压管可以串联使用 一般不能并联使用 因为并联有时会因电流分配不匀而引起管子过载损坏 稳压管的主要参数 1 稳定电压UZ 在规定电流下稳压管的反向击穿电压 2 稳定电流IZ和最大稳定电流IZM IZ指稳压管工作在稳压状态时的参考电流 IZ Izmin IZM是稳压管允许通过的最大反向电流 当稳压管工作电流I IZ 3 动态电阻rZ rZ越小 IZ越大 稳压性能越好 4 额定功耗PZM PZM UZ IZM 正常工作时PZ PZM 一般为几欧 几十欧 5 温度系数 PZM是保证管子不发生热击穿的极限值 时 没有稳压效果 正常工作时 IZ I IZM 2 发光二极管 LED 3 光电二极管 将电能转换成光能的特殊二极管 工作时加正向电压 典型电流10mA 将光能转换成电能的特殊二极管 工作在反向状态 1 4半导体三极管 BJT 类型 按频率分 高 低频管 按功率分 大 小功率管 按材料分 硅 锗管 按结构分 NPN PNP管 图1 3 1晶体管的几种常见外形 1 4 1三极管结构及符号 晶体管的结构和符号 1 c e能否互换 内部条件 发射区高浓度掺杂区 基区很薄低浓度掺杂区 集电结面积大 2 由两个PN结组成的三极管是否具有单向导电性 1 4 2三极管的电流分配与放大原理 1 三极管内部载流子的传输过程 晶体管内部载流子运动与外部电流 外部条件 发射结正偏 集电结反偏 VCC VBB 1 发射区自由电子向基区扩散 射极电流 IE 2 自由电子在基区的扩散与复合 基极电流 IB 3 集电区收集基区的非平衡少子 集电极电流 IC 2 三极管内的电流分配关系 晶体管一旦制成 从e区发射的电子到达c区的比例也就定了 此比例 3 三极管的共射电流放大系数 共射直流电流放大系数 反映IB对IC的控制作用 反向饱和电流 一般 ICEO 1 ICBO穿透电流 称为电流放大系数 4 三极管的放大作用 基本共射放大电路 当 uI 0时 IC IB 当 uI 0时 IB IC 一般为几十 几百 共射交流电流放大系数 共基电流放大系数 输入回路 输出回路 1 4 3三极管的共射特性曲线 BJT各电极电压与电流之间的关系曲线 称为伏安特性曲线 1 输入特性曲线 三极管的输入特性曲线 uCE 0时 uCE 0 特性曲线右移 uBE一定 随着uCE 集电区收集载流子的能力增强 iB 它是BJT内部载流子运动的外部表现 三极管相当于两个并联的二极管 2 输出特性曲线 晶体管的输出特性曲线 1 截止区 IB 0 iC ICEO 无放大作用 发射结反偏 集电结反偏 2 放大区 曲线平坦部分 发射结正偏 集电结反偏 3 饱和区 各特性曲线拐点连线左侧部分 发射结正偏 集电结正偏 uCE较小 工程上 uBE uCE 临界饱和 uBE uCE 过饱和 UCES 0 3V iC基本不随IB变化 而随uCE 饱和 增加的现象 1 4 4三极管的主要参数 1 电流放大系数 2 共发射极交流电流放大系数 1 共发射极直流电流放大系数 这是指静态 无输入信号 时的电流放大系数 其定义为 这是指动态 有输入信号 时的电流放大系数 其定义为 UCE 常量 一般 在Q1点 有 由Q1和Q2点 得 2 极间反向电流 1 c b极间反向饱和电流ICBO 指e极开路 c b间加上一定的反向电压时的反向电流 如同PN结的反向电流 其测试电路如图 a 所示 2 c e极间反向穿透电流ICEO 指b极开路 c e间加上一定的反向电压时的c极电流 T一定时 ICBO为一常数 ICEO 1 ICBO ICBO ICEO越小 管子质量越好 其测试电路如图 b 所示 3 极限参数 2 最大集电极耗散功率PCM 1 最大集电极电流ICM ICM是指BJT的参数变化不超过允许值时 c极允许的最大电流 使用时 若iC ICM 管子不仅性能会下降 甚至可能会烧坏 这是指c结上允许耗散的最大功率 表示如下 晶体管的极限参数 3 极间反向击穿电压 指晶体管某一电极开路时 另外 UCBO UCEX UCES UCER UCEO 压 超过此值管子会发生击穿现象 两个电极间所允许加的最高反向电 4 特征频率fT 使 1所对应的信号频率 1 4 5温度对晶体管特性及参数的影响 ICBO UBE 温度对晶体管输入特性的影响 温度对晶体管输出特性的影响 1 5场效应管 FET 场效应管 利用输入回路的电场效应控制输出回路电流的一种半 特点 输入电阻高107 1012 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 功耗小 类型 结型场效应管 JFET 绝缘栅型场效应管 MOSFET 单极型晶体管 仅靠半导体中多数载流子导电 电压型控制元件 导体器件 1 5 1结型场效应管 1 JFET的结构和符号 结型场效应管的结构和符号 源极 漏极 栅极 N沟道结型场效应管的结构示意图 导电沟道 2 结型场效应管特性曲线 1 输出特性曲线 常数 图1 4 5场效应管的输出特性 1 可变电阻区 非饱和区 预夹断轨迹 指各条曲线上使uDS uGS uGS off 的点连接而成 因uGD uGS uDS当uGS uGS off uDS较小 uGS一定 iD rDS为一常数 uDS uGS改变 rDS随之改变 2 恒流区 饱和区 uGD UGS off uGS一定 iD几乎不随uDS变化 uDS一定 iD随uGS变化 3 夹断区 uGS uGS off iD 0 场效应管的转移特性曲线 常数 uGS 0时 产生预夹断点的电流 IDSS饱和漏极电流 2 转移特性曲线 在恒流区内 1 5 2绝缘栅型场效应管 MOS管 MOS管的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上 MOS管 uGS 0时 就存在导电沟道 iD 0 uGS 0时 不存在导电沟道 iD 0 耗尽型 增强型 1 N沟道增强型MOS管 N沟道增强型MOS管结构示意图及增强型MOS的符号 1 结构 金属 Al 氧化物 SIO2 半导体 所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时 表面载流子浓 度发生变化的现象 P型Si 三层结构 2 特性曲线与电流方程 在恒流区 2 N沟道耗尽型MOS N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号 同增强型区别 这种管子在制造时已在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子 即使在uGS 0时 NMOS管也能在uDS的作用下 产生漏极电流iD IDSS 若uGS 0 则削弱了正离子的作用 iD将减小 若uGS 0 则增强了正离子的作用 iD增加 当uGS下降到uGS UGS off 0 导电沟道消失 iD 0 正离子会把电子吸引到表面 形成原始的电子沟道 N沟道 如图示 1 5 3场效应管的主要参数 1 直流参数 1 夹断电压UGS off 3 饱和漏极电流IDSS 4 直流输入电阻RGS 2 开启电压UGS th 这是指uDS一定时 iD与uGS的微变量之比的比值 即 2 交流参数 1 低频跨导 或称互导 gm 常数 由于iG 0 故RGS很高 一般大于108 这是指uDS一定 使iD 某一规定值 0或5 A 的uGS 这是指uDS一定 使iD 某一规定值 5 A 的uGS 这是指uGS 0 产生预夹断 uDS UGS off 时的iD 这是指uDS 0时 uGS与iG之比的比值 gm反映了uGS对iD的控制能力 a 通过计算式求导求出来 即 如何求gm b 通过作图法估算出来 3 极限参数 1 漏极最大耗散功率PDM 漏极最大允许电流IDM 同BJT的PCM ICM类同 2 击穿电压 击穿电压U BR DS 指uDS增大到使iD开始急剧增加 发生雪崩击穿时的uDS值 使用时uDS不 击穿电压U BR GS 指G S间P N结的反向击穿电压 若UGS超过此值 P N结将被击穿 一般 G与S和G与D间之电容Cgs和Cgd约为1pF 3pF D与S之间 2 极间电容 具体方法为 当在转移特性曲线上求时 gm是工作点Q处的斜率 当在输出特性曲线上求时 能超过此值 电容Cds约为0 1pF 1pF 场效应管的符号及特性 iD 0 iD 0 增强型MOS 耗尽强型FET uGS th 0为N沟道 uGS th 0为P沟道 uGS 0 iD Idmax JFET iD Idmax MOS uGS off 0为P沟道uGS off 0为N沟道 uGS off 0为P沟道uGS off 0为N沟道 二极管应用举例 例1 试判断图中二极管是截止还是导通 并求UAO 设二极管为理想二极管 分析 从电路中断开二极管 求出二极管原位置处阳 阴极之间的电压 若u UD 0 则二极管导通 反之 二极管截止 解 a b D截止 UAO 12V c D1导通 D2截止 UAO 0 d D2优先导通 使 若两二极管阳 阴极之间的电压均满足u UD 0 则u大的二极管优先导通 u UAO 6V D导通 D1截止 UAO 6V 例2 电路及输入电压ui的波形如图所示 画出输出电压uo的波形 uo波形如图 c 所示 解 当ui 10V时 uo 10V 当ui 10V时 uo 10V 当 10V ui 10V时 uo ui 10 10 D1正偏导通 短路 D2反偏截止 开路 D1反偏截止 开路 D2正偏导通 短路 D1 D2均反偏开路 例3 已知稳压管的稳压值UZ 6V 稳定电流的最小值Izmin 5mA 求图示电路中的U01 U02 分析 法一 断开稳压管 求U0 若U0 UZ U0 UZ U0 UZ 解 DZ工作在稳压状态 a b DZ工作在反向偏置状态 U01 6V U02 5V 法二 设稳压管工作在稳压状态 a b 工作在反向偏置状态 无稳压作用U02 5V U01 6V 例4 用万用表分别测得某放大电路中三极管三个管脚对地电位分别为V1 7V V2 2V V3 2 7V 试判断此三极管的类型 由何种材料制成 三个管脚对应电极 NPN Vc Vb Ve PNP Vc Vb Ve 1 无论是NPN还是PNP型三极管 基极电位居中间电位 确定基极b 确定e极 同时判断是硅 锗 材料 3 第三管脚为c极 4 UCE 0 为NPN型 UCE 0 为PNP型 分析 解 遵循上述规则 3 b 2 2 e 1 c uCE 5V uBE 0 7V 管子为PNP硅管 例5 现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如表所示 各晶体管b e间开启电压Uon均为0 5V 试分别说明各管子的工作状态 解 T1 UBE 0 7V Uon UCE 5V T2 UBE 0 7V Uon T3 UBE 0 7V Uon T4 UBE 0 Uon UCE 0 4V UCE 1 7V UCE 15V UCE UBE 放大状态 UCE UBE 截止状态 UCE UBE 饱和状态 分析 NPN型三极管 UBE Uon 截止状态 UBE Uon UCE UBE 放大状态 UBE Uon UCE UBE 饱和状态 UCE UBE 放大状态 练习 已知两只晶体管的电流放大系数 分别为50和100 现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示 分别求另一电极的电流 标出其实际方向 并在圆圈中画出管子 解 答案如解图所示 分析 练习P67 1 10电路如图所示 晶体管导通时UBE 0 7V 50 试分析VBB为0V 1V 3V三种情况下T的工作状态及输出电压uO的值 解 1 当VBB 0时 T截止 2 当VBB 1V时 因为 所以T处于放大状态 3 当VBB 3V时 因为 所以T处于饱和状态 uO 0 3V uO 12V b 由特性曲线可知uGS th 4V 例6 电路如图 a 所示 其中管子的输出特性曲线如图 b 所示 试分析uI为0 8V和10V三种情况下u0分别为多少伏 a 解 uI 0时 uGS uI 0 uGS th T截止 iD 0 u0 uDS VDD iDRD 15V uI 8时 设工作在恒流区 iD 1mA 预夹断点的uDS UGS UGS th 4V u0 uDS VDD iDRD 10V 所以假设成立 u0 10V uI 10时 设工作在恒流区 iD 2 2mA u0 uDS VDD iDRD 4V 预夹断点的uDS UGS UGS th 6V 所以假设不成立 工作在可变电阻区 例7 电路如图所示 场效应管的夹断电压UGS off 4V 饱和漏极电流IDSS 4mA 试问 为保证负载电阻RL上的电流为恒流 RL的取值范围应为多少 解 uGS 0 iD IDSS 预夹断点的uDS UGS UGS off 4V 由电路当 uDS VDD iDRL 4V 管子工作在恒流区 所以 iDRL VDD uDS 8V RL 0 RL 2K