电子电路2008下半年.ppt

半导体特点：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1. N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2. P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与掺杂有关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1 . PN结的形成,2. PN结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3. PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,2.2 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,二极管的模型,串联电压源模型,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.2V。,理想二极管模型,正偏,反偏,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。,采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,请画出下面电路在正弦信号作用下的输出波形。,vo,请画出下面电路在正弦信号作用下的输出波形。,vo,请画出下面电路在正弦信号作用下的输出波形。,vo,一.BJT的结构,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。,2019/6/26,二 BJT的内部工作原理（NPN管）,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,若在放大工作状态： 发射结正偏：,+ UCE , UBE , UCB ,集电结反偏：,由VBB保证,由VCC、 VBB保证,UCB=UCE - UBE, 0,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。,1BJT内部的载流子传输过程,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,三. BJT的特性曲线（共发射极接法）,(1) 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。,(2)输出特性曲线 iC=f(uCE) iB=const,现以iB=60uA一条加以说明。,（1）当uCE=0 V时，因集电极无收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 当uCE 1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。,同理，可作出iB=其他值的曲线。,2. 输出特性曲线,表示IB一定时，iC与vCE之间的变化关系。,(1) 放大区 JE正偏，JC反偏，对应一个IB，iC基本不随vCE增大，IC= IB 。 处于放大区的三极管相当于一个电流控制电流源。,截止区：对应IB0的区域， JC和JE都反偏， IB= IC =0,输出特性曲线,(3) 饱和区 对应于vCEvBE的区域，集电结处于正偏，吸引电子的能力较弱。随着vCE增加，集电结吸引电子能力增强，iC增大。 JC和JE都正偏， VCES约等于0.3V，IC IB,饱和时c、e间电压记为VCES，深度饱和时VCES约等于0.3V。饱和时的三极管c、e间相当于一个压控电阻。,输出特性曲线总结,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。 此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V左右(硅管) 。,动画2-2,四. BJT的主要参数,一般取20200之间,2.3,1.5,（1）共发射极电流放大系数：,（2）集电极基极间反向饱和电流ICBO ，其大小与温度有关。,（3）集电极发射极间的穿透电流ICEO，其大小与温度有关。,测得某放大电路中三极管三个管脚对地电位分别是2V、2.7V、5V，则可判断该管的材料是 硅 和管型 NPN ，5V电位对应的管脚是 集电 极， 2V电位对应的管脚是 发射极 极，2.7V电位对应的管脚是 基 极。 测得某放大电路正常工作的晶体管三电极直流电位分别为12.2V,12V,0V, 则可判断该管的材料是 锗 和管型为 PNP ，0V电位对应的管脚是集电 极。12.2V电位对应的管脚是发射 极。12V电位对应的管脚是基 极。,例3.1.1：判断三极管的工作状态,测量得到三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。,晶体管放大器实现放大的条件。,放大元件iC= iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,输入,输出,？,参考点,实现放大的条件,1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,分析下图所示各电路是否能够放大正弦交流信号。,各点波形,讨论：电路参数变化对Q点的影响,Rb改变：, Q点沿MN向下移动,电路参数变化对Q点的影响,RC改变：,电路参数变化对Q点的影响,VCC改变：,2. 静态分析,(1) 静态工作点的近似估算法 已知硅管导通时VBE0.7V， 锗管VBE 0.2V以及 =40， 根据直流通路则有：,Q:（40uA，1.6mA，5.6V）,例3.2.1：电路及参数如图，求Q点值,例3.2.1,例3.2.2：电路及参数如图，求Q点值,固定偏压电路，射极偏置电路,(2) 静态工作点的图解分析,(a) 画直流通路,(b) 把基极回路和集电极回路电路分为线性和非线性两部分,如图IB=40uA、 RC=4K、 VCC=12V,图解分析,(d) 作线性部分的伏安特性曲线直流负载线 VCE=12 - 4 IC (VCC=12V , RC=4K) 用两点法做直线M(12V,0)，N(0,3mA),(e)直线MN与IB=40uA曲线的交点(5.6V,1.6mA) 就是静态工作点Q,IB=40uA、 RC=4K、 VCC=12V,交流负载线,交流负载线,交流负载线确定方法： 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率 为-1/RL 。,RL= RLRc 是交流负载电阻。,c. 交流负载线和直 流负载线相交与 Q点。,b. 交流负载线是有 交流输入信号时 Q点的运动轨迹。,最大不失真输出,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2.要有合适的交流负载线。,Q位于交流负 载线中间时， VomICQRL,uo,1. Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生 截止失真,2. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生 饱和失真,三极管共射简化h参数等效电路,3.2.3 基本共射电路分析计算,放大电路分析步骤： 画直流通路，计算静态工作点Q 计算 rbe 画交流通路 画微变等效电路 计算电压放大倍数Av 计算输入电阻Ri 计算输出电阻Ro,1. 计算电压放大倍数Av,2. 计算输入电阻 Ri,3. 计算输出电阻 Ro,方法一：,计算输出电阻 Ro,例3.2.3：求Av ，R i，Ro,解： 静态工作点 （40uA，2mA，6V),=100+5126/2=0.763K,例3.2.3,= -7.62,例3.2.3,=330K/26.263K=24.3K,例3.2.4：,电路及参数如图，=40， rbb=100， (1)计算静态工作点 (2)求Av，Ri，Ro,解： (1) 画直流通路 求静态工作点,(2) 画微变等效电路，求Av，Ri，Ro,通频带,放大电路的增益A( f ) 是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A( f )下降到中频电压放大倍数A0的 1/ 时，即:,相应的频率: fL称为下限频率 fH称为上限频率,耦合电容造成,三极管结电容造成,采用直接耦合的方式可放大缓慢变化的信号，扩大通频带。下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。,阻容耦合电路缺点：不能放大直流信号。,阻容耦合电路的频率特性,3.4.2 基本共射电路的频率响应,对于图示的共发射极接法的基本放大电路，分析其频率响应，需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型。,然后分低、中、高三个频段加以研究。,1. 中频段,中频时:C1、C2 、Ce容抗较小，可视为短路； C容抗较大，可视为开路。等效电路如图。,Rb= Rb1/ Rb2 Ri=Rb / rbe Ro=Rc,2. 高频段等效电路,显然这是一个RC低通环节,将全频段小信号模型中的C1、C2和Ce短路，即可获得高频段小信号模型微变等效电路，如图所示。,3. 低频段等效电路,低频段的微变等效电路如图所示，C1、C2和Ce被保留，C被忽略。显然，该电路有 三个RC电路环节。,当Re1/Ce时，在射极电路中，可忽略Re，只剩下Ce,4. 全频段总电压放大倍数,全频段总电压放大倍数的复数形式为:,如果两个下限频率fL1 、 fL2相差4倍以上，可取大者作为电路的下限截止频率fL1，否则只能按定义求fL,放大电路的增益带宽积,所以，三极管一旦选定，带宽增益积就确定下来，放大倍数增大多少倍，带宽就减少多少倍,例题：,（2）求电压放大倍数：,问题：如果去掉CE，放大倍数怎样？,去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：,用加压求流法求输出电阻。,可见，去掉CE后，放大倍数减小、输出电阻不变，但输入电阻增大了。,如果电路如下图所示，如何分析？,动态分析：,交流通路,交流通路：,微变等效电路：,静