模电中石大版第一章.ppt

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1、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）,

2、（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,11 半导体基本知识 12 PN结及其单向导电性 13 半导体二极管 14 半导体三极管 15 场效应管,本章要求,掌握：二极管、三

3、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,11 半导体基本知识,1.1.1 本征半导体,(导体 10-4cm ,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 109cm),10-4cm 109cm,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

4、 （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

5、.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

6、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：,1.2.1 PN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

7、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。,12 PN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,1.2.2 PN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

8、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，UT26mV,4. PN结的伏安特性,图 PN结的伏安特性,正向特性：,反向特性：,u0时，i -Is,击穿特性：,

9、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,1.2.4 PN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,uu1,扩散区内，电荷的积累和释放,结电容 Cj= Cd+CT,一般在1PF左右,1.2.5 PN结等效电路,2.扩散电容,过程与电容器充、放电过程相同，,这

10、种电容效应称为扩散电容(Cd)。,13 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:,uUon，i=0,外加电压不足以克服内电场的作用,uUon，,Uon开启电压（硅0.5V，锗0.1V）,UD导通电压（硅0.60.8V，锗0.20.3V）,2.反向特性, U(BR)时，IIS,（反映热稳定性）；,3.击穿特性, U(BR)

11、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。IIF,（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。,URM1/2U(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f M：,指二极管的上限频率。f f M,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

12、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I0,二极管视为开路）,由伏安特性折线化得到的等效电路,理想模型 u远大于UD UD=0,恒压降模型,I1mA,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

13、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IIZ,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，IZIIZM。,2.

14、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,14 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

15、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,VCCVBB,(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 uI0时,+IB,+IC,

16、（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

17、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

18、)。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iCICM，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 UCE

19、R 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f T,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,15 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

20、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）：,uGDUGS(off),uGS 一定，,iD几乎不随uDS变化,uDS 一定，,iD随uGS变化,（3）夹断区：,uG

21、S uGS(off)， iD0,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(iD0),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

22、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uGS0，则削弱了正离子的作用， iD将减小；,若uGS0，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)

23、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iG0，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（5A)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

24、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1pF3pF，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0.1pF1pF。,场效应管的符号及特性,iD=0,iD0,增强型 MOS,耗尽强型 FET,uGS(th)0为N沟道,uGS(th)

25、0为P沟道,uGS=0,iD= IdmaxJFET,iD IdmaxMOS,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uUD(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uUD(0)，则u大的二极管优先导通, + u -

26、,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-10Vui+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 U0UZ U0=UZ,U0 UZ,解：,DZ工作

27、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） U CE0,为NPN型， U CE0,为PNP型。,分析：

28、,解：遵循上述规则， 3b，,（2）,2 e,1c,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 be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=0.7VUon，,UCE=5V，,（T2）UBE=0.7VUon，,（T3）UBE=0.7VUon，,（T4）UBE=0Uon，,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,UBEUon 截止状态；,UBEUon， UCE UBE放

29、大状态；,UBEUon， 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UBE0.7V，=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VBB0时，T截止，,（2）当VBB1V时，因为,所以T处于放大状态。,（3）当VBB3V时，因为,所以T处于饱和状态,uO0.3V。,uO12V。,（b）,由

30、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- iD RD=15V,uI=8时，设工作在恒流区，,iD1mA,预夹断点的uDS=UGS- UGS(th) =4V，,u0= uDS=VDD- iD RD=10V,所以假设成立，,u0=10V,uI=10时，设工作在恒流区，,iD2.2mA,u0= uDS=VDD- iD RD=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,