移动互联与接口技术-第0讲

Course

Outline移动互联与接口设计学

分：2总

：34课程参考

：《》作者：机械工业，2015.01授课教师：王赓1

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128Course

Outline课程主要内容微处理器/微控制器技术微处理器/微控制器技术特点；1▨▨

主流半导体公司MPU/MCU电路板设计技术简介。接口设计技术接口特点，BGA封装及其表贴工艺，多层2▨模拟信号接▨数字信号接术、DC-DC电源变换技术；术：以太网接口、USB接口、CAN接口、RS232/SPI接口；▨接口程序设计技术：状态转移法程序设计技术、Linux驱动程序设计技术。无线互联技术▨WiFi、蓝牙4.0、（Zigbee）及其组网技术；▨GSM、WCDMA、TD-SCDMA、TD-LTE通讯原理及其应用技术特点；▨无线通讯模块工程接入应用技术。FPGA应用设计技术▨FPGA/CPLD器件技术；▨基于Verilog

HDL的FPGA的应用逻辑设计技术。课程设计大作业基本要求：掌握以上各知识点的基本原理及应用方法。2

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128第一讲：基本接口电路硬件技术基本接口电路器件技术简要回顾基本电子器件电阻电容电感二极管三极管场效应管运算放大器基本电路举例简单电源整流电路简单滤波电路DC-DC变换器电路3

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128基本电路器件

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电阻电阻（R）电阻导电体对电流的阻碍作用称为电阻，用符号R表示，单位为欧姆、千欧、兆欧，分别用Ω、KΩ、MΩ表示。符合欧姆定律：V

=I×R在高频应用或某些场合，电阻的寄生电容和寄生电感不容忽视。电阻的种类和封装形式众多，还有功率、精度等表征参数。电路符号：4

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电阻电阻的型号命名方法国产电阻器的型号由四部分组成（不适用敏感电阻）第一部分：主称，用字母表示，表示产品的名字。如R表示电阻，W表示电位器。第二部分：材料，用字母表示，表示电阻体用什么材料组成，T-碳

-合成碳膜、S-有机实心、N-无机实心、J-金属膜、Y-氮化膜、C-沉积膜、I-玻璃釉膜、X-线绕。第三部分：分类，一般用数字表示，个别类型用字母表示，表示产品属于什么类型。1-普通、2-普通、3-频、4-高阻、5-高温、6-精密、7-精密、8-高压、9-特殊、G-高功率、T-可调。第四部分:序号，用数字表示，表示同类产品中不同品种，以区分产品的外型尺寸和性能指标等。例如：R

T

1

1

型普通碳膜电阻。5

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电阻电阻器的分类线绕电阻器：通用线绕电阻、精密线绕电阻、大功率线绕电阻、高频线绕电阻。薄膜电阻器：碳膜电阻、

碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、化学沉积膜电阻、玻璃釉膜电阻、金属氮化膜电阻。实心电阻器：无机

实心碳质电阻、有机

实心碳质电阻。敏感电阻器：压敏电阻、热敏电阻、光敏电阻、力敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻。6

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电阻7

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电阻电阻的常见封装常见的电阻有分立和表贴两种封装形式。分别还有具体尺寸分类型号。8

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电容电容（C）电容(Electric

capacity)，由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成。9

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电容电容（C）由于绝缘材料的不同，所构成的电容器的种类也有所不同。按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。按介质材料可分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。按极性分为：有极性电容和无极性电容。最常见的就是铝电解电容，但钽电解电容的使用已越来越普遍。电容在电路中具有隔断直流电，通过交流电的作用，因此常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐。10

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电容电容（C）

-一种纸介电容结构11

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电容电容（C）电容器的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等，从材料上可以分为：CBB电容（聚乙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、（铝）电解电容、钽电容等。各有电气特点。电容的电路符号：12

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电容部分电容器特性极性名称制作方法优点缺点无无感CBB电容2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后

而成。无感，高频特性好，体积较小不适合做大容量，价格比较高，耐热性能较差。无CBB电容2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后

而成。有感，其他同上无瓷片电容薄瓷片两面渡金属膜银而成。体积小，耐压高，价格低，频率高（有一种是高频电容）易碎！容量低无云母电容云母片上镀两层金属薄膜容易生产，技术含量低。体积大，容量小，（几乎没有用了）无独石电容电容量大、体积小、可靠性高、电容量稳定，耐高温耐湿性好等体积比CBB更小，其他同CBB，有感最大的缺点是温度系数很高有电解电容两片铝带和两层绝缘膜相互层叠，转捆后浸泡在电解液（含酸性的溶液）中。容量大。高频特性不好。有钽电容用金属钽作为正极，在电解质外喷上金属作为负极。稳定性好，容量大，高频特性好。造价高。（一般用于关键地方）13

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电容电容（C）电容的基本单位是：F（法），此外还有μF（微法）、pF（皮法），另外还有一个用的比较少的单位：nF（纳法）。由于电容F

的容量非常大，所以看到的一般都是μF、nF、pF的单位，而不是F的单位。1F＝1000000μF

；

1μF=1000nF=1000000pF

由于电容体积要比电阻大，所以一般都使用直接标称法。如果数字是0.001，那它代表的是0.001uF＝1nF，如果是10n，那么就是10nF，同样100p就是

100pF。不标单位的直接表示法：用1~4位数字表示，容量单位为pF，如350为350pF，3为3pF，0.5为0.5pF

。由于表贴电容体积较小，如没有足够面积直接标明单位，一般常以pF为单位，直接标明数字，一般采用3位有效数字，最后一位数字表示0的个数。如104表示100000pF,即0.1μF。103表示10000pF,即0.01μF。14

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电容电容的耐压值——在电路设计中不能遗漏每一个电容都有它的耐压值，这是电容的重要参数之一。普通无极性电容的标称耐压值有：63V、100V、160V、250V、400V、600V、1000V等，有极性电容的耐压值相对要比无极性电容的耐压要低，一般的标称耐压值有：4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、220V、400V等。15

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电容电容的耐压值16

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电容17

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电容18

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电容超级电容19

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电容超级电容超级电容是根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，具有超级储电能力。当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。20

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电容超级电容两电荷层的距离非常小（1nm

以下，取决于吸附离子的物理尺寸大小），加上采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍地增加，从而产生极大的电容量。21

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电容超级电容功率密度大，但能量密度小。22

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电容电容的应用特点电容上的电压不能突变（滤波作用）电容用于储能时，能量E为※应用于升压电路（如DC-DC升压电路/照相机中闪光灯电源电路）23

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电容简单的一阶滤波器容抗：低通滤波器24

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电容简单的电源滤波器25

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电感电感（L）在电路中，当电流流过导体时，会产生电磁场，电磁场的大小除以电流的大小就是电感。电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流，线圈周围就会产生磁场，线圈就有磁通量通过。通入线圈的电源越大，磁场就越强，通过线圈的磁通量就越大。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。如果通过线圈的磁通量用φ

表示，电流用i

表示，电感用L

表示，那么：国际单位制中，磁通量的单位是

（Wb）,电感的单位是亨利（H），简称亨。1H=1000mH（毫亨）。有：线性电感（如空心电感）和非线性电感（如铁心线圈）。26

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电感电感（L）27

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电感电感（L）28

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电感电感（L）29

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电感电感（L）电感线圈的感应电压（反电动势）u

：对于线性电感，感应电压的大小与电流的变化率成正比，而与该时刻的电流无关，所以，称它为“动态元件”。如果电流不随时间变化（直流电流），则感应电压（感应反电动势）为零，电感相当于一段无电阻的连接导线。所以在直流稳态下，即电流不发生变化时，电感元件等效于“短路”。而对于变化的电流，电感所感应到的反电动势u的方向总是与电流变化的方向相反，起阻碍电流i

变化的作用。30

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电感电感（L）因此：电感具有“通直流、阻交流”的外部使用特性。通直流时，对电路的影响仅为其绕线电阻。通交流时，对电路的感抗为：电感中的电流不能突变。（可用于滤波作用）31

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电感电感的滤波作用电感L1一方面起到电源滤波作用；电感L1同时也起到抑制电源瞬态浪涌电流的作用。32

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电感电感的滤波作用π型LC滤波器π型RC滤波器※

在电流较小、电压较高的应用场合，左图的电感L可用电阻代替，如右图的电阻R。33

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电感电感的储能作用当电感元件中的电流由零增加到

i

时，它所获得的能量为：电感所

的能量与电流大小有关，而与电流i的建立过程无关。这些能量以磁场能的形式当电感电流i

减小时，它所在电感元件中。的磁场能量会

出来转变为电能。34

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电感小型DC-DC变换器（MAX618）35

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电感小型DC-DC变换器（MAX618）36

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电感MAX618功能框图37

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电感另一款DC-DC变换器（MAX771）38

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电感DC-DC变换器（MAX771）39

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电感另一款DC-DC变换器（MAX761）40

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电感DC-DC变换器（MAX761）41

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电感升压/降压型DC-DC原理42

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电感MC24063的升压DC-DC原理43

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电感MC34063的降压DC-DC原理44

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电感MC34063的简单降压DC-DC应用45

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128基本电路器件–电容、电感的基本用途小结滤波（包括电容的去耦作用、电感的

作用等）储能构成振荡器（包括谐振天线等）或选频网络等……46

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二极管二极管、三极管、场效应管基础回顾本征半导体：纯净的半导体（硅/锗）。其晶体结构具有的共价键结构使本征半导体处于相对稳定的状态，常温下，它们的原子呈中性，不表现传导电流的特性。P型半导体：在本征半导体中适当地掺人一些三价元素如硼（B）后，由于硼元素最外层只有三个价电子，它与最外层有四个价电于的硅或锗原子形成共价键结构后，自然形成一个空穴，这样就会使空穴数量增多（空穴成为多数电子成为少数载流要靠空穴，又称为载流子），

电子数相对较少（子），形成P型半导体，其导电空穴型半导体。N型半导体：在本征半导体中适当地掺人一些五价元素如磷（P）后，由于磷元素最外层有五个价电子，它与最外层有四个价电子的硅或锗原子形成共价键结构后，就多出一个价电子，这个价电子不受共价键约束，很容易成为自由电子而导电，这样就会使

电子数量增多（

电子成为多数载流子），空穴量相对较少（空穴成为少数载流子），形成N型半导体，其导电

要靠

电子，又称为电子型半导体。47

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二极管PN结的形成在一块本征半导体的晶体切片的两侧分别掺入不同的杂质，形成P型半导体和N型半导体两个区域。由于两个区域交界断附近将会存在电子和空穴的浓度差，就会产生扩散运动。N区的自内电子会越过交界面向P区扩散填补P区的空穴，使N区失掉电子产生正离子，而P区得到电子产生负离子。随着载流子运动的进行，在P区和N区的交界面两侧分别留下不能移动的正负离子，呈现出一个空间电荷区，这个空间电荷区就称为PN结。PN结会形成一个内电场，其方向从N区指向P区。内电场的出现，会进一步 多数载流子的扩散运动，当然也会有利于少数载流子的漂移运动。当多子的扩散运动和少子的漂移运动两种运动达到动态平衡时，PN结的宽度就稳定下来。48

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二极管PN结的正向导通和反向截至特性49

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二极管晶体二极管50

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二极管二极管半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。一个PN结加上相应的电极引线和管壳就组成了二极管元件。可简单分为点接触型、面接触型和平面型三种，各具特点。最常见和用得最多的半导体材料是硅和锗。硅二极管和锗二极管都具有单向导电性。硅管的导通电压一般为0.7V，死区电压一般为0.5V。锗管的导通电压一般为0.3V，死区电压一般为0.1~0.2V。电路符号：51

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二极管二极管的具体种类繁多根据构造分类：点接触型、键型、合金型、扩散型、台面型、平面型、合金扩散型、外延型二极管、肖特基二极管等。根据用途分类：检波用二极管、整流用、限幅用、调制用、混频用、放大用、开关用、频率倍增用、变容二极管、稳压二极管、PIN型二极管、雪崩二极管、江崎二极管、快速关断二极管、肖特基二极管、阻尼二极管、瞬变电压抑制二极管、双基极二极管（单结晶体管）、发光二极管……特殊二极管：光敏二极管、发光二极管等52

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二极管半导体二极管的主要参数反向饱和漏电流Ir额定整流电流If最大平均整流电流Io最大浪涌电流Ifsm最大反向峰值电压Vrm最大直流反向电压Vr最高工作频率fM反向恢复时间Trr最大功率P53

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二极管常用二极管整流二极管快恢复二极管（FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、

脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。肖特基（Schottky）二极管也称肖特基势垒二极管（简称SBD），是由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的二极管，其主要特点是正向导通压降小（约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小，是一种低功耗、

速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。稳压二极管是一种反向击穿特性更为陡峭的半导体二极管，正常工作时，工作在反向击穿特性上，反向电流在较大范围内变化时，其两端电压变化很小，呈现出电压稳定的特性。发光二极管一般的普通红色发光二极管，导通电压在1.4V左右；绿色1.8-1.9V左右。高亮度、其它颜色（双色）。总体一般在1.4-3.5V(蓝色、白色)之间。54

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二极管二极管的应用举例-续流※同时也起到消除干扰的作用。55

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三极管晶体三极管56

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三极管晶体三极管是两个PN结，由这两个PN结背向串联而构成。半导体三极管的按PN结的组合方式有PNP型和NPN型，其结构示意图和符号图分别如下所示。三个区域，各区的掺杂浓度和工艺尺寸不同。三个电极：基极b、集电极c、发射极e。按材料分，有硅管和锗管两类；按工作频率分，有高频管、低频管。57

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三极管晶体三极管晶体三极管的三个区，分别称为发射区、基区和集电区，其中基区十分薄，一般为1μm至几十μm，掺杂浓度较低，载流子数量较少；发射区、集电区掺杂浓度较高，载流子数量较多，从三个区分别引出的电极称为发射极(E)、基极

(B)和集电极(C)，基区与发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的

PN结称为集电结，工艺上保证发射结面积小于集电结的面积。58

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三极管晶体三极管的电流分配和放大作用59

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三极管三极管晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术、汽车和

等发明相提并论。三极管可用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。由三极管可构成共射、共基、共集三种放大电路。共射放大电路：60

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三极管晶体三极管的特性曲线61

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三极管三极管三种基本放大电路比较62

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三极管三极管3种放大电路特性比较三种不同放大方式的不同点主要体现在交流通路和动态指标上：共射放大电路的电压放大倍数较大，输出电压与输入电压反相；其电流放大倍数也较大；输入电阻和输出电阻大小适中。该放大电路多用于多极放大器的中间级。共集放大电路的电压放大倍数总小于和接近1，输出电压与输入电压同相；电流放大倍数较大，可以放大电流和功率；输入电阻较大，输出电阻较小。该放大电路常用于多级放大电路的输入级、 级或输出级。共基放大电路的电压放大倍数也较大，输出电压与输入电压同相；电流放大倍数总小于1，不能放大电流；输入电阻较小，输出电阻大小适中。该放大电路频率响应特性较好，常用于宽带和高频放大电路。63

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三极管三极管的开关应用基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关。和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在 中的切换速度可达100GHz以上。三极管作为电流开关使用，其工作状态处于“截止区”或“饱和区”。举例：电源控制开关：64

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三极管三极管的主要参数电流放大系数β/H极间反向饱和电流等频率参数极限参数：集电极最大允许电流ICM反向击穿电压U（BR）CEO一般取：集电极最大允许耗散功率PCM简要举例：8050（NPN）、8550（PNP）9012（PNP）、9013（NPN）65

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三极管三极管举例66

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三极管三极管举例67

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三极管68

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三极管三极管举例69

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三极管三极管举例70

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三极管三极管举例71

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三极管72

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场效应管场效应管73

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场效应管场效应管场效应管（Field—Effect

Transistor，FET）是用电场效应来控制固体材料导电能力的有源器件。场效应管有两大类：结型（junction）场效应管（JFET）和绝缘栅（isolatedgate）场效应管（IGFET）。74

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场效应管场效应管它和普通半导体三极管的主要区别是：场效应管中是多数裁流子导电，或是电子，或是空穴，即只有一种极性的载流子，所以称为单极型晶体管。而半导体三极管则称为双极型晶体管。它的最大优点是输人端的电流几乎为零，具有极高的输入电阻（可达

1015Ω），能满足高内阻的微弱信号源对放大器输入阻抗的要求，所以它是理想的前置输入级器件。同时，它还具有体积小、重量轻、噪声低、耗电省、热稳定性好和制造工艺简单等特点，所以容易实现集成化。MOS型大规模集成电路，应用极其广泛。75

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场效应管JFET电路符号g-柵极（gate），s-源极（source），d-漏极（drain）76

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场效应管场效应管77

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场效应管JFET工作原理78

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场效应管JFET工作原理79

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场效应管JFET工作原理80

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场效应管MOS管下左图是一种N沟道绝缘栅型场效应管（IGFET

）的结构示意图。它是以一块P型半导体作衬底(Substrate)，在衬底上面的左右两侧制成两个高掺杂的N+区，作为源极s和漏极d，再在两个N+区中间的硅片表面上制作一薄二氧化硅（SiO2）绝缘层，上面再喷一层金属铝，作为栅极g。管子的衬底b也可引出一个电极，通常将它在管内即与源极相连，如下左图所示。这种管子是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成，故称为MOSFET或MOS管。它的s、d、g三个极的作用与JFET相同。二氧化硅（SiO2）绝缘层中没有预先掺入正离子的，称为增强型MOS管；预先掺入有一定正离子的，称为耗尽型MOS管。81

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场效应管MOS管工作原理及电路符号82

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场效应管N沟通增强型绝缘栅型场效应管的伏安特性83

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场效应管MOS管对于N沟道增强型MOS管，在放大区（恒流区）内，其漏极电流

id

可近似表示为：其中：IDO是uGS=2UGS（th）时的iD值，UGS（th）为开启电压。（即在P衬底中开始形成导电沟道时的栅极电压）84

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场效应管场效应管的主要参数简要举例：□AO3401（P-Channel）、AO3402（N-Channel）85

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场效应管86

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场效应管87

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场效应管场效应管三种基本放大电路比较88

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场效应管89

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场效应管场效应管与晶体三极管的性能比较场效应管为电压控制电流的器件，其输入阻抗高（﹥107Ω）；晶体三极管为电流控制电流的器件，其输入阻抗小（约1KΩ左右），但都可获得较大的电压放大倍数。场效应管工作电压范围宽，热稳定性好；晶体三极管工作电压范围小，热稳定性较差。场效应 造工艺简单，价钱便宜，广泛应用于制造大规模集成电路。场效应管不用时，各电极应短接在一起，以防止外界静电感应产生高压使其损坏。90

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场效应管场效应管的开关特性应用由于场效应管中是多数裁流子导电，作为电子开关应用，可以具有极低的导通电阻。模拟开关CD4051、CD4066/4067/4097等早期常规MOS标准产品，其导通电阻在几十到上百欧姆。新型器件/产品可以做到几十毫欧姆、甚至更低。DC-DC变换、电机驱动等大功率驱动应用场合，几乎均采用MOS管。91

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场效应管场效应管应用举例-电机线圈的H桥驱动电路92

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场效应管H桥集成电路如：L293D、L298N、TA7257P、SN754410、IR2110、IR2130等等。93

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运算放大器集成运算放大器94

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128基本电路器件

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集成运算放大器集成运算放大器集成运放是一个高增益的多级直流放大器，它一般采端输入、单端输出的结构形式，由输入级、中间级、输出级和偏置电路四大部分组成，中间级又包括了双端—单端转换电路、中间增益级和电位位移电路。其方框图如下图所示：95

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集成运算放大器96

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集成运算放大器1968年：FairchildSemiconductor推出μA741，该产品来源众多，迄今仍然在生产使用，它是有史以来最成功的运算放大器，也是极少数最长寿的IC型号之一。97

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集成运算放大器98

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集成运算放大器99

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集成运算放大器100

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集成运算放大器1972年：第一个可使用单电源供应的运算放大器LM324

推出。LM324

内含四个运算放大器，它的接脚排列方式也被随后的同类型运算放大器延用，成为业界标准。101

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集成运算放大器运算放大器电路符号：Vout

=(V+

−V−)

⋅

A电路特征：(

A

≥100000,→

∞)102

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集成运算放大器跟随器/缓冲器(Vin

−Vout)⋅

A

=Vout⇒

Vout

=

A⋅Vin

=

Vin1+

A

1

+1A因为

A

→

∞:Vout

=Vin特点：输入电阻高。对于场效应管输入，输入电阻极大。从而对电路前级几乎没有影响。103

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集成运算放大器集成运算放大器性放大状态，且负反馈深度很大，具有以下两个特点：当运放工作运放两个输入端的电压非常接近于零，即V+≈V-。但两者之间并非短路。故，称为“虚短”。流入运放两个输入端的电流通常可视为零，即I+≈0，I-≈0。但并非断开（只因输入阻抗极大）。故，称为“虚断”。104

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集成运算放大器反相放大器Vout

=−

R2

⋅VinR1105

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集成运算放大器同相放大器Vout

=(