电子科大课堂讲义模拟电路1序言.ppt

引言 各种电子设备由一些特定功能的电路组成，而完成一定功能的电路必含电子器件。 含有电子器件的电路称为电子电路，包括模拟电子电路和数字电子电路。,模拟电路： 处理的电信号是一种时间的连续信号(模拟信号)。,按电路中电子器件的工作状态可分为 线性电路; 非线性电路。,按其处理的信号频率可分为低频电路； 高频电路； 微波电路。,本课程为低频线性模拟电路。,数字电路处理的信号为数字信号，是只有高、低两种电平的非连续信号。 其优点为抗干扰性强，信号便于储存。 数字电路中管子（器件）工作在开关状态。,电子器件的时代划分 第一代：电真空器件（电子管、离子管） 第二代：半导体器件（晶体管、场效应管） 第三代：集成电路（由小规模、中规模、 大规模向超大规模方向发展）。,电子电路的核心是电子器件，电子器件的更新换代带动了电子电路的更新发展。,第一章 晶体二极管及应用电路 1-1 半导体材料及导电特性,物质按导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 用于制造半导体器件的半导体材料主要是硅（Si）和锗（Ge），它们具有晶体结构，故半导体器件又称为晶体管。,一、本征半导体 完全纯净、没有结构缺陷的半导体单晶。 Si和Ge原子结构模型,Si和Ge的晶体结构,原子按四角形系统组成晶体点阵。每个原子处于正方体中心，其它四个原子处于四方体顶点。每个原子与相邻四个原子形成共价键，共用一个价电子，通过共价键与相邻原子牢固相联。,在绝对零度（-273oC）并且无外界能量时，价电子被束缚在共价键中，半导体中不存在自由电子，半导体不导电。,当温度升高（热激发）或光照射（光激发），部分价电子获得能量挣脱共价键成为自由电子（带一个单位负电荷），同时共价键中留下相同数量的空位（空穴，带一个单位的正电荷）。,本征激发： 本征半导体在外界能量激发下，成对地产生电子-空穴对的物理现象。 空穴的移动：空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填补空穴来实现的，故空穴可参与导电。 无外加电场时，自由电子、空穴的运动杂乱无章。 外加电场时，自由电子逆电场、空穴顺电场方向运动，分别形成电子电流和空穴电流。 载流子：运载电荷的粒子。 半导体导电的特点： 半导体中有两种载流子（自由电子、空穴）。,电子-空穴对的复合： 电子、空穴在运动中相遇重新结合而使电子-空穴对消失的过程。,载流子的产生与复合 本征半导体中同时存在载流子产生与复合过程。在一定温度下，二者达到动态平衡，使半导体中的载流子浓度保持一定值；温度变化时，则在新温度下达到新的浓度。,本征浓度： 平衡状态下本征半导体单位体积内自由电子或空穴数。 常温下本征浓度远小于原子密度，因此本征半导体导电能力很弱。 在相同温度下， Ge材料的本征浓度Si材料的本征浓度。,1、N型半导体 (n-semiconductor),二、杂质半导体 在本征半导体中，人为掺入微量三价或五价元素构成杂质半导体，杂质半导体的导电性能不再决定于温度，而由杂质类型和数量决定。 按照杂质半导体的导电类型将其分为N型半导体和P型半导体。,由于五价元素的原子可提供自由电子，故这种杂质称为施主杂质。 N型半导体中两种载流子构成： 自由电子=掺杂（主要）+本征激发 空穴=本征激发 自由电子称为多数载流子， 空穴称为少数载流子。 导电主要靠自由电子，而电子带负电荷 （negative electric charge）故得其名。 自由电子数=空穴数+正离子数 故N型半导体本身呈电中性。,2、P型半导体（p-semiconductor） 在本征半导体中，掺入微量三价元素如硼，可使晶体中空穴浓度大大增加。,由于每一个三价元素的杂质原子都能接受一个价电子而成为负离子，故称三价元素为受主杂质。 P型半导体中两种载流子构成： 空穴=掺杂（主要）+本征激发 自由电子=本征激发 空穴称为多数载流子， 自由电子称为少数载流子。,P型半导体主要靠空穴导电，而空穴带正电荷 （positive electric charge）故得其名。,P型半导体本身也呈电中性： 空穴数=自由电子数+负离子数,杂质半导体的载流子浓度 设杂质半导体产生复合达到平衡时，自由电子浓度为no，空穴浓度为po，同一温度下本征浓度为ni， 则nopo=ni2。 常温下，多子浓度本征浓度 少子浓度本征浓度,杂质半导体利用多子导电即“杂质导电”特性，是半导体器件正常工作的内在条件。,三、漂移电流与扩散电流,半导体中载流子定向运动有两种方式: 漂移运动 扩散运动 只有在这两种情况下，半导体内部才能形成定向电流： (一）在电场作用下，载流子产生定向迁移运动形成 漂移电流： I漂电场强度、载流子浓度； （二）由于载流子浓度分布不均匀，载流子从浓度高 向浓度低的方向扩散运动形成扩散电流： I扩浓度梯度（浓度差）。,1-2 PN结原理 PN结是构成半导体二极管、三极管等半导体器件的基本组成部分。,1、PN结的形成 在一块本征半导体两侧，通过掺入不同杂质，分别形成形成N型半导体和P型半导体。在二者交界面上形成如下物理过程：,因浓度差， 故 P区 N区 N区 P区 形成I扩（PN）,扩散与复合的结果： 形成空间电荷区 产生内电场E内,（1）E内与多子扩散反向，阻止扩散； （2）E内促使少子漂移，形成I漂（NP） PN结存在两种相反运动： 多子扩散运动（浓度差）； 少子漂移运动（内电场）。 达到动态平衡时，净电流为0，PN结宽度达到稳定。,E内的作用,空间电荷区（由不能移动的正、负离子构成） 耗尽层（无载流子） 阻挡层（阻止多子扩散） 势垒区（N区比P区高一个电势VD）,PN结的几种名称,2、PN结的伏安特性 （1）PN结正向偏置（P区接正极，N区接负极） 外加U与E内反向（削弱 E内） PN结变薄； 使扩散漂移， I正=I扩； 当U进一步E内更多的多子扩散I正 I正大小取决于外加电压U，PN结正偏导通；,（2）PN结反向偏置（N区接正极，P区接负极） U与E内同向（增强 E内）PN结变宽； 使扩散漂移， I反=Is（反向饱和电流） IS由本征激发产生的少子形成，在一定范围内基本 不随外加U的而，仅对温度十分敏感。 故PN结反偏截止。,PN结的单向导电性：正偏导通，反偏截止。,PN结方程,2当U0，且 UVT 几倍时，I-IS,其中IS：反向饱和电流 VT：温度电压当量，常温下约为26mV。 当U0，且UVT几倍时，,PN结的伏安特性曲线,3、PN结的击穿,当反向电压U超过某值时，I反突然增大，称为PN 结反向击穿。此时对应的U反称为击穿电压UBR。 击穿机理分为两种： 齐纳击穿和雪崩击穿。 它们属于电击穿，又称可逆击穿。 热击穿属于不可逆击穿。,当T0U正（正向特性曲线左移） IS（反向特性曲线下移） UBR变化,4、温度对PN结特性的影响,当加在PN结上的电压发生变化时,PN结中储存的电荷量也随之变化,等效为一个电容效应。 有两种结电容：势垒电容(CT) 扩散电容(CD)，,5、PN结电容（势垒电容和扩散电容）,势垒电容(空间电荷电容)： PN结外加电压改变时，空间电荷区电荷量随之改变所产生的电容效应。,扩散电容： 外加正偏电压变化时，PN结外扩散区内积累的非平衡载流子数变化引起的电容效应。,I正,PN结总电容 Cj=CD+CT CD、CT均为pF数量级。 PN结正偏时，以CD为主； 反偏时，以CT为主。,1-3晶体二极管及应用 由PN结加上电极引线和管壳封装而构成晶体二 极管，二极管核心是PN结。,按材料分为： 锗二极管 硅二极管； 按结构分为： 点接触型 面接触型 平面型； 按承受功率分为：小功率管 大功率管； 按工作频率分为：低频管 高频管；,一、晶体二极管伏安特性 基本就是PN结的伏安特性，属于非线性电阻器件。 二极管方程即PN结方程。,PN结方程,例：二极管端电压为0.65V增大10时，流过的电流 （ ）。 （1）增大10 （2）减小10 （3）增大值大于10 （4）不变,二极管VA特性曲线的几个区域：,Si和Ge二极管伏安特性区别： 正向特性：导通电压UON（UD）不同 Si管0.7V左右，Ge管0.3V左右 反向特性：反向饱和电流IS不同 Si管纳安（10-9A）级， Ge管微安（10-6A）级,温度对二极管特性的影响即温度对PN结特性的影响见下图 U正为负温度系数（-22.5mV/1oC）； Is为正温度系数（加倍/10oC）。,极限参数：最大平均整流电流IF 最高反向工作电压UR 直流参数：反向电流IR（IS）（性能参数） 交流参数：最高工作频率fM,二、二极管主要参数,三、二极管直流电阻和交流电阻（正向偏置下）,1、直流电阻RD（与工作点位置有关）,2、交流电阻rd（微变电阻、动态电阻）,例1 二极管导通后，在工作点处的直流电阻RD和交流电阻rd的关系为（ ） （1）RDrd （2）RDrd （3）RDrd,例2 加到二极管的直流电压为0.7v，流过二极管的直流电流为1mA时，则RD=( ) , rd=( )。,2、恒压源模型： 将二极管用理想二极管串联电压源（UD）构成。,3、折线等效电路（交流大电流）,4、小信号等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,1、断开D，求出D两端正向电位差， 若UD，则导通(用电压为UD的电压源代替)； 若UD，则截止(开路)。 2、两只或以上的二极管，正向电位差大的优先导通，其端电压为导通电压，再按1方法判断其余管子。 3、两只不同材料二极管处于正向偏置并联时，导通电压小的管子优先导通，其端电压为导通电压再按方法1判断另一只管子。,五、二极管在电路的工作状态(导通、截止)判断,电路举例：判各二极管状态，求Uo值。,（c）断开D1、D2， UB1A= 0-(-9)=9V , UB2A= -12-(-9)=-3V D1优先导通，UA= - 0.7V=Uo， UB2A= -12-(-0.7)= - 11.3V , 故D2截止。,(d) 断开D1、D2， UAB1=15V， UAB2=15-（-10）=25V ， D2优先导通 UA=0.7-10= -9.3V=Uo，UAB1=-9.3V, D2截止。,六、二极管应用电路举例 （利用二极管的单向导电性） 1、整流电路,例：已知ui=Uimsint（V），二极管为理想二极管，画出uo波形。,（a）,2、限幅电路,（b）,（c）,（a）,（二极管截止）,（二 极管导通）,3、钳位电路：改变信号直流电压成分的电路,uo底部钳位于0V。,稳压二极管是一种特殊二极管，与普通二极管工作在正向、反向特性区不同，稳压管是专门工作于反向击穿区。 工作原理：利用反向击穿后电流在一定范围内变 化时，其端电压几乎不变的特点，在电路中作稳压使用。,七、稳压二极管（齐纳二极管）,稳压管特点： 1、PN结易击穿，其击穿电压比普通二极管击穿电压 低很多； 2、 PN结面积大，散热条件好，使反向击穿在较大范 围内是可逆的。,稳压管特性： 当稳压管处于正向偏置时，其特性和普通二极管特 性相同。 当稳压管处于反向偏置时， （1）如果电压较小，（UZ）则处于截止状态， 电流近似为0； （2）如果电压达到击穿电压值（UZ），电流迅速 增大，稳压管处于稳压状态。,稳压管主要参数 1、稳定电压UZ 2、最小稳定电流Izmin： 保证稳压管稳压性能的最小工作电流。 3、最大稳定电流Izmax： 防止稳压管过流发生热击穿而设定的限制电流。,4、动态电阻rZ：其值越小，稳压效果越好。 （UZ 在8V左右的 管子）,5、额定功耗PZ： PZ=Uz Izmax 稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。,反映稳压值受温度变化的影响程度。 UZ7V左右，系数为正； UZ4V左右，系数为负； UZ在47V 范围的稳压管性能比较稳定。,6、电压温度系数：,（1）外加电压UI应使DZ处于反向偏置； （2）稳压管Dz与负载电阻并联； （3）R为限流电阻，以保证IzminIZIzmax （4）输出电压Uo即为UZ,利用稳压管组成的稳压电路如下 包括：待稳电压UI； 限流电阻R； 稳压管DZ； 负载电阻RL。,例：有两只稳压管DZ1、DZ2， (a)将它们串联使用，能得到几种不同稳压值？ (b)将其并联使用，又能获得几种稳压值？,串联共有四种：,解：,并联共有两种：,解：,其它几种特殊二极管,1、变容二极管 2、光电二极管 3、发光二极管 4、激光二极管,小结：,1、PN结是半导体二极管和其它有源器件的重要环节，它是由P型半导体和N型半导体相结合而成。对纯净的半导体，掺入三价或五价杂质，便可制成P型和N型半导体。空穴导电是半导体不同于金属导电的重要特点。,2、PN结中的P型半导体与N型半导体的交界处形成一个空间电荷区（耗尽层）。当PN结正偏，耗尽层变窄，有电流流过；当PN结反偏，耗尽层变宽，没有电流流过或电流极小，这就是半导体二极管的单向导电性。,3、常用V-I 特性来描述二极管的PN结性能，VI特性的理论表达式为,4、二极管的主要参数为IF、VR、VZ，在高频电路中，还有fM。,5、二极管电路的分析，主要采用模型分析法。在分析电路的静态情况时，根据输入信号大小，选用不同模型；只有当信号很微小时，才采用小信号模型。,第二章 双极型晶体三极管（BJT） （Bipolar Junction Transistor） 2-1 BJT原理 一、BJT结构,PNP结构示意图,制管时，e区掺杂浓度远高于b、c区； c结面积远大于e结面积； b区很薄，掺杂浓度低。 故e、c极不能换用。,电路符号,箭头指向：发射结正向电流方向（PN）,偏置： 在半导体器件上所加的直流电压或电流。 放大偏置： 保证BJT处于放大状态下所加的直流电压或电流。,二、BJT放大偏置及电流分配关系 1、放大的外部电压条件（放大偏置）,要求：发射结正偏，集电结反偏。 各电极电位条件为,要求：,例1 ：三极管各级电位已知，管子是否工作在放大状态？,解： 放大状态时，根据管子b极处于中间电位的特点，可确定b极；再由与Ub相差0.几伏电位对应的电极为e极；最后即为c极。 根据三个电极电位关系判断管类型； 根据发射结电压值判断管材料。,例2 （例2-1）已知三极管处于放大状态，判各管脚对应的电极、管类型及管材料。,例3 判断1、2、3各脚对应的电极及管型、管材料。 已知各管在放大状态。,解（a）管：3b，1e，2c NPN型 Ge 管； （b）管：3b，2e，1c PNP型 Si 管。,2、放大偏置时管子内部载流子运动情况(NPN管) （1）e结正偏，e区多子（电子）向b区扩散； I扩=iEN+iEPiENiE （2）扩散至b区的电子在b区向c结方向边扩散边 复合，b极电源补充被复合的载流子形成 iBN； （3）c结反偏，c区收集电子，形成漂移电流。 非平衡少子漂移形成 iCN； 本征激发少子漂移形成 ICBO； iC=iCN+ICBO,见图,3、电流分配关系（放大偏置下）,由图有：,由（b）式得iBN表达式 iBN=iB-iEP+ICBO 由（c）式得iCN表达式 iCN=iC-ICBO 均带入（a）式得出： iE=(iCN+iBN)+iEP iE=iC+iB （数值、方向关系）,（1）三个电极电流iE、iC、iB之间的关系,（2）iE与iC的关系,故,（3）iC与iB的关系；iE与iB的关系,故可知三电流之间近似关系： iCiEiB,又由,称为穿透电流,例： 判断管子类型及各管脚对应的电极，求未知电流并标出方向。,4、BJT的电流控制作用及放大原理,晶体管是电流控制器件，但控制各极电流变化的真正原因是发射结电压uBE的正向控制作用，此外集电结电压uCE也有一定的反向控制作用。,由,uCBWC结Wbb区复合数iBiC b区浓度梯度iEiC uCB对iE、iC、iB的影响称为基区宽度调制效应，这是一种不需要甚至有害的控制效应，应越小越好。 为了减少此效应，制管时b区很薄且掺杂浓度低。,（2）BJT的反向控制作用,2-2 BJT的伏安特性曲线 用曲线描述三极管各电极之间电压电流的关系有 输入特性曲线和输出特性曲线。 输入特性曲线：描述三极管输入电流与输入电压之间关系的曲线； 输出特性曲线：描述三极管输出电流与输出电压之间关系的曲线。 三极管有三个电极，作为双口器件在电路中应用时， 一个电极-做输入极； 一个电极-做输出极； 一个电极-做公共端（接地端）。 分别以三个极为公共端构成了BJT的三种组态的放大电路。,三极管有三个电极，作为双口器件在电路中应用时， 一个电极-做输入极； 一个电极-做输出极； 一个电极-做公共端（接地端）。 分别以三个极为公共端构成了BJT的三种组态的放大电路。,如图所示,共射直流电流放大系数,共基直流电流放大系数,在此，BJT的伏安特性曲线是指共射特性曲线。 1、共射输入特性曲线 一只NPN管处于放大偏置时，uCE=1V，10V时的输入特性曲线如下： （1）曲线类似PN结正偏伏安特性曲线； （2）当uCE时，曲线右移。 （3）uCE1V以后，输入特性曲线密集。,2、共射输出特性曲线,输出特性曲线分为四个区,（1）截止区（e结零偏或反偏，c结正偏） 一般在IB=0以下的区域称为截止区， 此时 而真正截止应 IE=0,此时,（2）饱和区（e结正偏，c结正偏） 饱和区位于uCEuCES的区域即曲线靠近纵轴区域。 在饱和区 , 管子失去了电流控制作用，不能实现放大作用。,（3）放大区（e结正偏，c结反偏） 放大区位于特性曲线中间平坦部分。 （a）iC与uCE关系不大；随着uCE，iC略有是基区宽度调制效应的影响； （b）对不同的参变量iB，对应不同的iC值，(放大作用)。,（4）击穿区 当uCE超过一定值时，C结会反向击穿，iC急剧。 BUCEO：iB=0时的C结反向击穿电压。 使用时，必须满足uCEBUCEO,归纳：四个区电压特征 放大区：e结正偏，c结反偏 UCUBUE (NPN) UEUBUC (PNP) 饱和区：e结正偏，c结正偏 UB最高 (NPN)； UB最低 (PNP) 临界饱和：UCE=UBE （UCB=0） 截止区：e结反偏，c结反偏 UBUE (NPN) UEUB (PNP) 击穿区(避免)：UCEBUCEO,作业 2-9，2-14,To变化引起uBE的变化（类似于二极管u正向变化）； ICBO的变化（类似于二极管IS的变化）； 电流放大系数的变化。 例 当温度TouBE（输入特性曲线左移） ICBO、ICEO iC （输出特性曲线上移）,3、温度对BJT特性曲线的影响,（2）极间反向饱和电流ICBO、穿透电流ICEO ICBO：e极开路，cb间反向饱和电流 ICEO：b极开路，ce间的穿透电流,2-3 BJT的主要参数 1、性能参数 （1）电流放大系数 共基极 共射极 直流电流放大系数 交流电流放大系数,例题,ICBO及ICEO的测量电路,ICEO=（1+）ICBO,2、极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 当ICICM，到额定值的2/3以下，放大性能严重变坏,（2）集电结反向击穿电压BUCEO 使用时，c、e间电压不能超过此电压。 BVCEO ：b极开路，ce间使C结击穿的电压值 BVCBO： e极开路，cb间使C结击穿的电压值 BVCER: e、b间接电阻R，ce间使C结击穿的电压值 BVCES：e、b间短路，ce间使C结击穿的电压值 BVCBOBVCESBVCERBVCEO,（3）集电极最大允许功率损耗PCM 使用时PC不能超过此值，否则集电结会因过热而损坏。,PBJT=pC+pE=iCuCE+iBuBEiCuCE=pC,BJT的安全工作区： 由ICM、BVCEO、PCM共同确定的区域。,按PCM大小，BJT可分为小功率管、大功率管。,2、极限参数 （1）集电极最大允许电流ICM 当ICICM，到额定值的2/3以下，放大性能严重变坏,（2）集电结反向击穿电压BUCEO 使用时，c、e间电压不能超过此电压。 （3）集电极最大允许功率损耗PCM 使