电路基础与模拟电子技术(李树雄)第五章

充分的复习,掌握课本中的所有主要概念复习课本中的所有例题了解自己易出错的地方（作业）,模拟电子技术基础,引言 电子技术的基本任务可称之为 信号的产生、信号的传输、信号的处理 对电子器件、电子电路、电子系统的性能的研究 按照功能和构成原理的不同，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。本书着重讨论模拟电路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用。,模拟信号模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定动态范围内可能取任意值。从宏观上看，我们周围的世界大多数物理量都是时间连续、数值连续的变量。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。,传感器,压力1,压力2,温度1,温度2,. . .,. . .,放大 滤波 叠加 组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,驱动电路,. . .,. . .,驱动电路,驱动电路,驱动电路,传感器,传感器,传感器,执行机构,执行机构,执行机构,执行机构,放大 滤波 叠加 组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,第五章 半导体二极管及应用电路,介绍半导体的有关基础知识阐述PN结的原理及主要特性讨论以PN结为基本结构的双极型晶体二极管、工作原理整流电路简介，稳压二极管的工作原理及应用电路。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,锗原子示意图,硅原子示意图,5.1.1 本征半导体,概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,本征半导体结构示意图,硅和锗的共价键结构：,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。本征激发过程产生电子空穴对两种载流子： 自由电子 空穴 在外加电场的作用下，使自由电子逆着电场的方向运动，从而形成电流； 在外加电场的作用下，使空穴顺着电场的方向运动，从而也形成电流（实际为价电子的填补运动所致）,复 合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失 的过程。(本征激发的逆过程),5.1.2.1 N型半导体,概念：在本征半导体中掺入高价元素（施主杂质）使 自由电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。,图5-4 N型半导体,掺入磷元素,5.1.2.2 P型半导体,概念：在本征半导体中掺入低价元素（受主杂质）使 空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体。,图5-5 P型半导体,掺入硼元素,5.2 PN结与晶体二极管,在同一片半导体基片上，用不同的掺杂工艺分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,5.2.1 PN结的形成及其动态平衡过程和接触电位差,P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大，在浓度差下形成扩散运动，P区的空穴（多子）向N区扩散，N区的自由电子（多子）向P区扩散;在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个空间电荷区（耗尽区），扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电场，称为内建电场，内建电场由N区指向P区阻碍多子的扩散运动，却促进过渡带中少子的漂移运动，漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随着扩散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态。,PN结的形成,P型半导体区,N型半导体区,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区， 也称耗尽层。,P型半导体区,N型半导体区,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,5.2.2 PN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型,5.2.2.1 单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N 区加负电压。PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。,二极管基本结构：,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳,触丝线,基片,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,结电容小、耐小电流；高频小信号,结电容大、耐大电流；低频大信号,PN 结正向偏置：,外电场,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,PN 结反向偏置：,N,P,+,_,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,PN结的伏安特性,5.2.2.2 伏安特性,伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间 的关系式或曲线。,二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示：,式中：iD 表示流过二极管的电流；vD 表示二极管两端的电压，正向偏置为正； Is 表示反向饱和电流（硅：10-910-15 A）VT 温度的电压当量。,常温下（T=300K）,二极管的伏安特性曲线：,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压VBR,电击穿（可逆） 热击穿（不可逆）,举例1,写出如图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。,解： UO11.3V， UO20， UO31.3V， UO42V， UO51.3V， UO62V。,DA,DB,R=9K,R1=1K,R2=1K,UF,A,B,举例 2,求下列几种情况下的UF及各元件中的电流。 （1）UA=10V；UB=0V （2）UA=6V；UB=5.8V （3）UA=UB=5V 二极管视为理想二极管,设DA导通，则UF = 则，DB截止所以：UF = 9VIDA=10 / 10K=1mAIR=1mA,解答：,(2)UA=6V UB=5.8V设DA与DB均导通（需要验证）则电路为（二极管为理想二极管）,+,+,1K,1K,9K,6V,5.8V,F,用等效电源原理：,+,0.5K,9K,5.9V,F,(3)UA=5V UB=5V设DA与DB均导通（需要验证）则电路为（二极管为理想二极管）,+,+,1K,1K,9K,5V,5V,F,用等效电源原理：,+,0.5K,9K,5V,F,应用举例：,P 143 例5-1 “与门电路” P 144 例5-2 “限幅电路”（要求会画波形）,5.3 单相整流滤波电路介绍,直流电源的组成及各部分的作用,为适应整流的需要,变为单向脉动电流,减小纹波,稳定直流电压输出,直流电源的组成及各部分的作用,220 V,单向 脉动电压,合适的 交流电压,滤 波,稳 压,单相桥式整流电路,单相桥式整流电路,简化的画法,单相桥式整流电路的波形图,单相脉动信号,滤波电路-滤除交流分量,(1)滤波的基本概念利用电抗性元件储能作用,（2）电容滤波电路,单相桥式整流电容滤波电路 及稳态时的波形,未接入负载是电容已经充为U2的最大值.,D1D3导电,D2D4导电,RLC较大,输出电压不仅变得平滑了，而且平均值也变大了。,5.4 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,动态电阻：,rz 越小，稳压性能越好。,5.4.1 伏安特性,利用反向击穿特性，在一定的电流的范围内实现端电压不变。,符号,因此：,稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化，这就是稳压二极管的稳压特性。稳压二极管的主要参数为稳压值UZ和最大稳定电流IZM，稳压值UZ一般取反向击穿电压。稳压二极管使用时一般需串联限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流IZM 。,在下图稳压管稳压电路 中，R为限流电阻，RL为负载电阻，只要输入反向电压在超过 Uz的一定范围内变化，负载电压则一直稳定在 Uz。（R和IZ的调节作用）,稳压管稳压电路（P150） （解决电源与负载的波动）,稳压二极管组成的稳压电路（利用负反馈）,并联型稳压电路,限流电阻,二极管的应用举例1：二极管半波整流,二极管的应用举例2：,负载电阻：,要求：当输入电压由正常值发生20% 波