模拟电子技术第1章-第2章gai.ppt

模拟电子技术,主讲 彭 义,电类各专业适用,第一章 绪 论,一、本课程的性质、目的和任务,三、本课程的基本要求,二、模拟电路的基本知识,五、参考书,四、基础要求,2.1 半导体的基本知识,一、本征半导体 ( Intrinsic Semiconductors ),纯净的半导体晶体称为本征半导体,第二章 半导体二极管及其基本电路,3,1. 本征半导体的共价键结构（硅）：,硅原子外层轨道4个价电子，它与相邻原子靠得很近，使价电子成为两个原子公有，形成共价键结构。,4,2. 本征半导体的特点：,在T = 0 K（绝对零度）和无外界激发，没有自由运动的带电粒子载流子； At T=0 K, Silicon is an insulator, that is, no charge flows through it., T ，受热激发，如 T = 300K（室温），少数价电子会挣脱束缚成为自由电子，留下空穴本征激发。,5,3. 本征半导体中的两种载流子：, 自由电子 ( free electron ), 空穴 ( hole 价电子挣脱束缚后留下的空位）,a. 带正电，所带电量与电子相等；,b. 可以“ 移动”；,c. 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相等。,6,4. 本征半导体中的载流子浓度 ( the intrinsic carrier concentration ),ni：自由电子的浓度 ( the concentration of free electron ),pi：空穴的浓度 ( the concentration of hole ),A：系数（与半导体材料有关） ( a constant ),7,T：绝对温度 ( the temperature ( K ) ),EG：价电子挣脱共价键所需能量, 又叫禁带宽度 ( bandgap energy ( eV ) ),K：波尔兹曼常数 ( Boltzmanns constant ),结论：半导体材料一定，载流子浓度随温度按指数规律增大。,8,二、杂质半导体 ( Extrinsic Semiconductors ),半导体的导电能力取决于载流子的数目，本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱；若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。,9,1. N型半导体 ( N-type semiconductor ), 形成 ( Negative),本征掺杂：,本征半导体,得到大量电子（无空穴）,磷,本征激发：得到少量电子空穴对,10, 特点,a. 自由电子为多数载流子（多子） 空穴为少数载流子 （少子）；,b. 磷原子被称为施主杂质( donor impurity)，本身因失去电子而成为正离子。, N型半导体可简化成,11,2. P型半导体 ( Ptype semiconductor ), 形成 ( Positive ),本征掺杂：,本征半导体,得到大量空穴（无电子）,硼,本征激发：得到少量电子空穴对,12, 特点,a. 空穴为多数载流子 （多子） 自由电子为少数载流子（少子）；,b. 硼原子被称为受主杂质 (acceptor impurity)，本身因获得电子而成为负离子。, P型半导体可简化成,13,多子扩散,空间电荷区, 当扩散和漂移达到动平衡，即形成PN结。,内电场,少子漂移,14,2.2 PN结的形成,一、PN结的形成 ( The pn junction ),用化学方法把N型半导体和P型半导体结合在一起。,图26,15,二、PN结的符号 ( symbol ),把PN结封壳，引线即成二极管。,其符号和PN结相同。,16,一、二极管（PN结）的单向导电性,1. 正偏: P + ，N , PN结变窄（由11到22）, PN结正向电阻很小。, 内电场变小（ 由V0变到V0 VF ）, 形成扩散电流即正向电流 IF ；, VF， IF ；,利于扩散,2.3 半导体二极管,内电场,外电场,+,_,17,2. 反偏 P ，N +, PN结变宽（由11到22）, PN结反向电阻很大。, 内电场变大（由V0变到V0 + VF ）, 形成漂移电流即反向（饱和）电流 IS ；, VR， IS 不变；,利于漂移,内电场,外电场,+,_,18,总结：二极管(PN结)正向电阻小，反向电阻大， 这就是它的单向导电性。 The current is an exponential function of voltage in the forward-bias condition,and is essentially zero in the reverse-bias condition.,19,二、二极管的伏安特性,I = f (V), 正向死区,死区电压：硅0.5V 锗0.1V,图210,A),(,20, 正向导通区,IS ：反向饱和电流,VT ：温度的电压当量 T =300K时， VT =26mV,b. 当 V VT,I 和V成指数关系,21, 反向截止区,I = IS, 反向击穿区,反向电流急剧增加, 管子被击穿。,反向电压反向电流 PN结允许的耗散功率称为电击穿，电击穿是可逆的，如稳压管。,反向电压反向电流 PN结允许的耗散功率称为热击穿。热击穿管子损坏，是不可逆的。,22,三、二极管的直流参数,1. 最大整流电流 IF：,管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；,2. 反向击穿电压 VBR ( Breakdown Voltage ),管子反向击穿时的电压值,一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。,23,2.4 二极管基本电路及其分析方法,一、二极管正向伏安特性的模型,1. 理想模型 ( Ideal Model ),24,正偏时 ( forward bias )，管子导通正向压降为0；,反偏时(reverse bias)，管子截止，电流为0；,虚线为实际的伏安特性。,vD,O,iD,(a),图211,25,2. 恒压降模型,vD,0,iD,(a),iD,(b),图212,+,vD,导通时，正向压降为0.7V(硅),否则，电流为0。,要求iD1mA,26,3. 折线模型,vD,O,iD,(a),iD,(b),+,vD,Vth,图213,Vth为二极管的死区电压(门坎电压)，硅约0.5V., rD的确定。,当iD =1mA，管压降为0.7V。,rD,0.7 = Vth +1rD,rD = 0.2K,rD、 Vth不是固定不变的。,27,4. 小信号模型 ( SmallSignal Model ), 二极管的微变电阻rd的定义：,二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比,即,28, 求 rd：,如 I = 2mA时， rd = 13,29, 工作在线性区，, 信号为微变量，, 且为低频信号。, 若二极管 ( Diode ),二极管可用微变电阻rd代替。,30,二、模型分析法应用举例,模型分析法可分析二极管电路的静态工作情况，限幅电路( Clippers)、开关电路(switching circuits)，等等。,例21 设电路如图，R=10K。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值。,(1) VDD =10V;,(2) VDD =1V;,(每种情况都用理想模型、恒压降模型、折线模型求解),31,VDD,vD,iD,R,解：(1) VDD =10V, 理想模型：D加正偏，导通时正向压降为0。, 恒压降模型：导通时正向压降为0.7V。(锗约为0.2V),+,_,32, 折线模型 ( Piecewise Linear Model ),VDD,rD,iD,R,Vth,+,_,vD,33,(2) VDD = 1V,理想模型：,恒压降模型：,折线模型：,当VDD较低时，折线模型得出的结果合理些。,34,例22 用恒压降模型计算下图中流过二极管中的电流 ID。,5V,3K,3K,A,ID,B,10V,35,解：把二极管以外的部分用一个电压源和一个电阻串联等效（运用戴维南定理）,二极管正向导通,其正向压降为0.7V。,若用折线模型,36,例23 一限幅电路如下图，R=1K， VREF= 3V. 设vi = 6sintV。试绘出相应的输出电压v0的波形。(用折线模型分析),解：折线模型为,.,37,当vi的幅值大于VREF + Vth = 3.5V时，管子导通。,vo = VREF + Vth + rD iD = 3.5 + 0.2 iD,当vi的幅值为6V时，, 管子导通时vo的波形如蓝线所示。,t,vi,vi,vo,6,否则，管子截止。 vo= vi。 vo波形如红线所示,38,vI1,R=4.7 k,D2,D1,vI2,Vcc+5V,输入 输出,0 0 0,0 5 0,5 0 0,5 5 5,vO,vI1,vI2,vO,3. 开关电路,例2.4.3 当 和 为0 V 或5V 时,求 和 的值不同组合情况下,输出电压 的值.,vI1,vI2,vI1,vO,vI2,39,2.5 特殊二极管,齐纳二极管(稳压二极管)( Zener Diode ),1. 特点：, 掺杂浓度高（容易形成强电场）, 作稳压用，一般工作在反向击穿区,40,2. 伏安特性曲线: ( IV Characteristics ),正向特性和普通二极管同,反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，稳压性能越好。,41,3. 符号 ( symbol ),用2CW，2DW命名,+,_,a,k,42,+,_,+,_,VI,VO,IR,IZ,IO(,IL),R,RL,DZ,RL,IO,VO,IR,IZ,IR,VO,43,RL,IO,IR,VO,VO,IZ,IR,+,_,+,_,VI,VO,IR,IZ,IO(,IL),R,RL,DZ,44,例24设硅稳压管DZ1、 DZ2的稳定电压分别为5V、10V，又已知DZ1、 DZ2正向压降为0.7V，求V0,解：(a) DZ1、 DZ2工作在反向击穿区, V0 = 5 +10 =15V,(b) DZ1、 DZ2工作在正向导通区, V0 = 0.7 + 0.7 =1.4V,(恒压降模型),45,判断电路中各二极管是否导通,并求A,O 两端的电压值. 设二极管正向电压降为0.7V.,19k,1k,6V,D,A,O,VAO,+,_,19k,1k,6V,D,A,O,VAO,+,_,3V,( a ),( b ),vI1,R=10 k,D2,D1,vI2,Vcc- 10V,vO,3. 开关电路,例2.4.4 当 和 为0 V 或5V 时,求 和 的值不同组合情况下,输出电压 的值.,vI1,vI2,vI1,vO,vI2,39,vI1,R=10 k,D2,D1,vI2,Vcc- 10V,输入 输出,0 0 -0.7,0 5 4.3,5 0 4.3,5 5 4.3,vO,vI1,vI2,vO,3. 开关电路,例2.4.4 当 和 为0 V 或5V 时,求 和 的值不同组合情况下,输出电压 的值.,vI1,vI2,vI1,vO,vI2,39,R,vi,D,+,_,VREF,vo,( a ),vi,D,+,_,VREF,vo,( b ),R,在下图所示的各限幅电路中, 设二极管是理想的,试画出当输入电压为正弦波信号时, 各自的输出电压波形.,R,vi,D,+,_,VREF,vo,( c ),R,vi,D,+,_,VREF,vo,( d ),设下图所示电路中, 二极管为理想器件, 输入电压由0V变化到140V.试画出电路的电压传输特性.,D1,vi,+,_,30V,vo,120V,D2,R=200 k,B