以能力目标为核心一主两支式课程体系框架.ppt

,电子技术基础发展史,电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它进入21世纪，人们面临的是以微电子技术、电子计算机和因特网为标志的信息社会。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯及文化生活等各个领域中都将起着巨大的作用。,电子技术的应用,基本器件的两个发展阶段,分立元件阶段（19051959） 真空电子管、半导体晶体管 集成电路阶段（1959） SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI,主要阶段概述,第一代电子 产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿 命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。, 分立元件阶段,电子管时代（19051948） 为现代技术采取了决定性步骤,主要大事记,1905年 爱因斯坦阐述相对论Emc2 1906年 亚历山德森研制成高频交流发电机 德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制第一只三极管 1912年 阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管 1917年 坎贝尔研制成滤波器 1922年 弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机 1934年 劳伦斯研制成回旋加速器 1940年 帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机 1947年 肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础,真空电子管,晶体管时代（19481959） 宇宙空间的探索即将开始,主要大事记,1947年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点 接触型晶体管1948年 贝尔实验室的香农发表信息论的论文 英国采用EDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机 1949年 诺伊曼提出自动传输机的概念 1950年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器 1952年 美国爆炸第一颗氢弹 1954年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅 1957年 苏联发射第一颗人造地球卫星 1958年 美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路,集成电路阶段,自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。,1985年，1兆位ULSI的集成度达到200万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。,集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。,可编程逻辑器件（PLD）,微控制芯片（MCU）,数字信号处理器（DSP）,大规模存储芯片（RAM/ROM）,IBM 7090,电子计算机的发展,伴随着电子技术的发展而飞速发展起来的电子计算机所经历的四个阶段充分说明了电子技术发展的四个阶段的特性。 第一代（19461957）电子管计算机 第二代（19581963）晶体管计算机 第三代（19641970）集成电路计算机 第四代（1971）大规模集成电路计算机,世界上第一台电子计算机于1946年在美国研制成功，取名ENIAC。这台计算机使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格40多万美元，是一个昂贵耗电的“庞然大物“。由于它采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和存储信息，从而就大大提高了运算速度。ENIAC每秒可进行5000次加法和减法运算，把计算一条弹道的时间短为30秒。它最初被专门用于弹道运算，后来经过多次改进而成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从1946年2月交付使用，到1955年10月最后切断电源，ENIAC服役长达9年。,IBM 360 晶体管计算机,ENIAC,品牌电脑,EDA技术的发展,电子设计技术的核心就是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。,电子系统设计自动化(ESDA)阶段（ 90年代以后）：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。,EDA技术发展的三个阶段：,计算机辅助设计(CAD)阶段（ 70年代）：用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。,计算机辅助工程(CAE)阶段（ 80年代）：与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。,ARM开发板,Moore定律:,1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore预言集成电路产业的发展规律 集成电路的集成度每三年增长四倍， 特征尺寸每三年缩小 倍,微电子技术,1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番,存储器容量 60%/年 每三年，翻两番,10 G 1 G 100 M 10 M 1 M 100 K 10 K 1 K 0.1 K,1970,1980,1990,2000,2010,1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3,70 74 78 82 86 90 94 98 2002,芯片上晶体管数目 微处理器性能 每三年翻两番,Moore定律：,i8080:6,000,m68000:68,000,PowerPC601:2,800,000,PentiumPro: 5,500,000,i4004:2,300,M6800: 4,000,i8086:28,000,i80286:134,000,m68020:190,000,i80386DX:275,000,m68030:273,000,i80486DX:1,200,000,m68040:1,170,000,Pentium:3,300,000,PowerPC604:3,600,000,PowerPC620:6,900,000,“Itanium”:15,950,000,Pentium II: 7,500,000,21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向 特征尺寸继续等比例缩小 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等,微电子技术的三个发展方向,集成电路走向系统芯片,六十年代的集成电路设计,微米级工艺 基于晶体管级互连 主流CAD：图形编辑,八十年代的电子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB集成 工艺无关,系统,集成电路芯片,集成电路发展趁势：目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前发展，晶圆的面积也在不断地加大，以软硬件协同设计、具有知识产权的内核（IP核）复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片(System on ChipSOC)是超大规模集成电路发展的趋势和新世纪集成电路的主流。,IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。SoC是微电子领域IC设计的最终目标,21世纪的微电子 将是SOC的时代,纳米电子技术时代,纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线。纳米点和纳米点阵构成的基于量子特性的纳米电子器件的电子学功能、特性以及加工组装技术。其性能涉及放大、振荡、脉冲技术、运算处理和读写等基本问题。其新原理主要基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。,从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。,知识经济的特征,如何学好电子技术基础课程,一、课程性质 二、课程作用（Why） 三、学什么? （What） 四、怎么学? （How）,一、课程性质,1、电类专业三大技术基础课之一！,电路理论、模拟电子线路、脉冲与数字电路,2、78学时考试课,考研专业课之一,二、课程作用,用在各行各业：航空电子、消费电子、医疗电子例：温度测控系统（炼钢炉、空调、热水器),设计硬件电路的基础,1、本课程研究内容： 各种半导体器件的性能、电路及应用,三、学什么？,（1）按处理信号：1)模拟(A) 2)数字(D) （2）按信号频率：1)高频 2)中频 3)低频,2、具体研究对象：,系统,电路,器件,细化,细化,1、抓特点,1）规律性 2）非线性 3）工程性,基本电子电路组成具有规律性,半导体器件具有非线性，需进行线性等效,即近似或忽略次要因素，抓主要矛盾,四、怎么学？（How）,3、勤于实践 参加电子竞赛；阅读相关杂志；进行电子小制作.,2、抓“四基 ” 基本概念、基本原理、基本分析方法、基本应用,目标：精讲多练，采用案例、任务驱动、演示、研讨等方法，时刻牢记以集成电路为主。能够设计中小型实用电路。,开始,引入-直流稳压电源,案例型,课件,直流稳压电源内部 结构框图,普通二极管图片,内部结构图,电路符号,PN结及导电特性,原理及伏安特性,等效电路模型,参数与测试方法,整流的概念,二极管应用电路 及分析,特殊二极管,半导体及特性,整流电路,特殊二极管图片,小结,第一章 半导体二极管及其应用电路,课堂教学设计结构框架图,第1章 教学基本要求,1、了解半导体的导电特性,2、掌握半导体二极管的伏安特性及主要参数,3、掌握半导体二极管的应用电路的分析方法,4、会判断半导体二极管的好坏，会选择器件,5、了解特殊二极管的原理与应用,半导体二极管及其基本应用,第 1 章,1.1 PN结,1.2 半导体二极管,1.3 半导体二极管的分析方法,1.4 半导体二极管的基本应用,1.5 特殊二极管,1.1 PN 结,1.1.1 N型半导体和P型半导体,1.1.2 PN 结的形成,1.1.3 PN 结的单向导电性,1.1.4 PN 结的结电容,1.1.1 N型半导体和P型半导体,本征半导体 ,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,载流子 ,自由运动的带电粒子。,自由电子(带负电),空穴(带正电),本征激发 ,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,电子空穴成对出现，数量少、与温度有关。,N型半导体 ,在本征半导体硅或锗中掺入微量五价元素，如磷、砷（杂质）所构成。,电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 电子数,P型半导体 ,在本征半导体硅或锗中掺入微量三价元素，如棚、铟（杂质）所构成。,空穴 多子 电子 少子 载流子数 空穴数,电中性,1.1.2 PN结的形成,1. 载流子的浓度差引起多子的扩散,2. 交界面形成空间电荷区(PN结)，建立内电场,空间电荷区特点:,无载流子，,阻止扩散进行，,利于少子的漂移。,3. 扩散和漂移达到动态平衡，形成PN结。,扩散电流 等于漂移电流，,总电流 I = 0。,内建电场,载流子在电场作用下的定向运动,4. PN结的形成,PN结又称： 耗尽层、阻挡层、势垒区,对称PN结：当P区和N区掺杂浓度相同时，交界面两 侧的空间电荷区宽度相等。,不对称PN结：当P区和N区掺杂浓度不同时，交界面 两侧的空间电荷区宽度不相等。,P+,N,+号表示掺杂浓度高的一侧，其空间电荷区宽度小于另一侧。,1.1.3 PN结的单向导电性,1. 外加正向电压(正向偏置),内电场,外电场,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,2. 外加反向电压(反向偏置) （P、N+）,外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR = I少子 0,PN 结的单向导电性： 正偏呈低阻导通 正向电流IF较大; 反偏呈高阻截止， 反向电流为IR很小。,1.1.4 PN结的结电容,势垒电容 CB：,PN中的电荷量随外加电压变化而改变所显示的效应（反偏时显著）。,扩散电容 CD：,多子在扩散过程中积累程度随外加电压变化而改变所显示的效应（正偏时显著）。,影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,1.2.3 半导体二极管的使用知识,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),符号：,阳(正)极 a,k 阴(负)极,分类：,按材料分,硅二极管 锗二极管,按用途分,普通二极管 整流二极管 稳压二极管 开关二极管,按结构工艺分,点接触型 面接触型 平面型,特点： PN结面积小 结电容小 适于高频、小电流 应用： 小功率整流 高频检波 开关电路,特点： PN结面积大 结电容小 适于低频、大电流 (几百毫安以上) 应用：整流,二极管实物,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,一、PN 结的伏安特性方程,反向饱和电流,温度的 电压当量,电子电量 1.602 1023C,玻尔兹曼常数1.381023J/K,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,U = 0时，,I = 0；,U 0时，,U 0时，,I IS；,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区 电压,ID = 0,Uth = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,ID 急剧上升,0 U Uth,Uon = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3) V,锗管 0.2 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,ID = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,三、温度对二极管特性的影响,T 升高时，,Uon以 (2 2.5) mV/ C 下降 温度每升高10 C ，IS约增大1倍,一般， 硅管允许结温 150 200C 锗管允许结温 75 100C,1.2.3 半导体二极管的使用知识,一、二极管的型号,国标GB249规定：,第一部分,阿拉伯数字表示器件电极数,第二部分,字母 (汉拼)表示器件材料和极性,第三部分,字母 (汉拼)表示器件类型,第四部分,阿拉伯数字表示器件 序号,第五部分,字母 (汉拼)表示 规格号,如硅整流二极管 2 C Z 52 A,二极管,N 型 硅,整流管,序号,规格号,二、二极管的主要参数,1. IFM 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(随温度变化,越小单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(主要取决于PN结结电容大小),表1.2.2 几种二极管的典型参数,三、二极管的直流电阻和交流电阻,1. 直流电阻 RD,Q,一般，正向RD 约为 几十 几百欧 反向RD 约为 几千 几百千欧,2. 交流（动态）电阻 rd,（T = 300K ）,四、二极管的选管原则,1. 使用时不能超过极限参数（IFM 、 URM ），并留有一定余地。,2. 性能良好（IR 小， Uon小）。,3. 根据技术要求，选用经济实用管子。 （1）要求正向压降小，工作平均电流小，信号频率高 可选用点接触型锗管。 （2）要求工作平均电流大，反向电流小，反向电压高 且热稳定性好，可选用面接触型硅管。,一、理想二极管,特性,电路符号,二、恒压降模型,UF,UD = UF,0.7 V (Si),0.2 V (Ge),三、小信号模型,I,U,1.3 半导体二极管的分析方法,例 1.3.1 分别用二极管理想和恒压降模型计算回路 中电流 ID 和输出电压 UO 。设二极管为硅管。,解：假设二极管断开,Va = 12 V Vb = 16 V,Va Vb,二极管正偏导通,1. 用理想模型,UO = US1= 12 V,2. 用恒压降模型,UF = 0.7 V,UO = IDR US2= 12.7 V,例 1.3.2 已知US1= 6V，us2= 0.2sin3140t V， RS = 1 k，二极管为硅管。求流过二极管的电流 iD 。,解：,1. 求 ID,2. 求 id,3. 求 iD,1.4 半导体二极管的基本应用,1.4.1 单相桥式整流滤波电路,1.4.2 倍压整流电路,1.2.3 二极管及其它应用电路举例,1.4.1 单相桥式整流滤波电路,一、单相桥式整流,输入正半周,1. 工作原理,输入负半周,+ uo ,2. 负载上直流电压 UO 和直流电流 IO 的计算,利用傅立叶级数将全波脉动电压分解为：,uO的平均值,3. 二极管参数的计算,二极管平均电流,二极管最大反向压,表1.2.1 各种单相整流电路的比较,例 1.4.1 一单相桥式整流电路，要求UO= 40V， IO= 2A，220V交流电源，试选择整流二极管。,解：,变压器副边电压有效值为,二极管承受最高反压为,二极管的平均电流为,可选择 2CZ56C,URM = 100 V,IFM = 3 A,4. 硅整流组合管,外形,表1.4.2 几种硅整流组合管的典型参数,二、滤波电路,桥式整流的纹波系数 Kr,输出电压的交流有效值,输出电压的平均值,可见桥式整流的纹波系数较大，需滤波。,1. 电容滤波,V 导通时给 C 充电，V 截止时 C 向 RL 放电；,（1）工作原理,滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。,电容 充电,电容 放电,RC 越大 UO 越大,（2）波形及参数计算,当 RL = 时：,当 RL 为有限值时：,RL = ,当满足：,UO = (1.1 1.2) U2,I2 = (1.5 2) IO,变压器副边绕组电流有效值,（3）输出特性,输出电压随输出电流的增大而明显降低，带负载能力差。,一般用于负载电流较小且变化不大的场合。,电容滤波： 优点：电路简单，输出直流电压较高，纹波较小。 缺点：带负载能力差。,例 输出电压 UO = 24 V， IO= 120 mA，220V的交流电源频率 f = 50 Hz，采用单相桥式整流电容滤波，选择元件。,解,1. 电源变压器参数计算,变压器变比：,变压器副边电流：I2= 2IO= 2120 mA= 240 mA,2. 整流二极管选择,二极管平均电流：,承受最高反压：,2CZ53B: IF = 0.3 A URM = 50 V,硅堆QL3: 0.2 A, 50 V,3. 选滤波电容,电解电容: 200 F 耐压 50 V,2. 电感滤波,整流后的输出电压：,直流分量被电感 L 短路 交流分量主要降在 L 上,优点：频率越高，L 越大， RL越小，滤波效果越好。 缺点：电感铁心笨重、体积大。,适用于负载电流较大且负载变化大的场合。,2. 复式滤波,复式 滤波, 型, 型,RC,LC,LC,表1.4.3 各种滤波器的比较,1.4.2 倍压整流电路,一、工作原理,u2 负半周，D2导通, C2充电至,u2 再次正半周，D1 ,D3导通, C1充电至 ,C3充电至,u2再次负半周，D2 ,D4导通, C2充电至 ,C4充电至,u2 正半周，D1导通, C1充电至,倍压整流电路只适于负载电流很小的场合,二、硅高压整流堆(高压硅堆)简介,1. 结构,多个高压硅整流二极管串联后封装而成,2. 外形,3. 用途,要求承受高反压的场合,表1.4.4 几种高压硅堆的主要参数,1.4.3 二极管其它应用电路举例,一、限幅电路,ui 正半周:,ui UC1时:,D1、D2 均截止,uO = ui,ui UC1时:,uO = UC1,D1 导通 D2截止,ui 负半周:,| ui | UC2时:,D1、D2 均截止,uO = ui,| ui | UC2时:,D2 导通 D1 截止,uO = UC2,二、二极管钳位电路,钳位, 将输出电压钳制在一定数值上。,5V,0V,D1、D2 均正偏， 但 D1 两端电位差大先导通， 使 UO= 4.3V， D2 反偏截止。,4.3V,钳位电路的输入、输出波形一样； 限幅电路的输出波形发生畸变。,1.5 特殊二极管,1.5.1 稳压管,1.5.2 变容二极管,1.5.3 光电器件,1.5.1 稳压管,一、硅稳压管及其伏安特性,符号,工作条件：反向击穿,a k,特性,特点： * 正向特性与普通二极相同 * 反向击穿特性较陡 * 反向击穿电压 几 几十V， 在允许范围内为电击穿,二、主要参数,1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。,2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。,3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM,P ZM = UZ IZM,4. 动态电阻 rZ,rZ = UZ / IZ,越小稳压效果越好。,几 几十 ,5. 稳定电压温度系数 CT,一般，,UZ 4 V，CTV 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数；,UZ 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；,4 V UZ 7 V，CTV 很小。,表1.5.1 几种硅半导体稳压二极管的主要参数,例 1.4.2已知 UZ1 = 8 V，