模电第一讲和第二讲讲稿.doc

112011年刘刚模电教案第一讲 课程概述1、名称：模拟电子技术2、学时：授课56学时，3.5学分，必修，考试，平时成绩占30%。 实验24学时，1学分，独立设课，必修，考查。3、教材：模拟电子技术基础，童诗白主编。4、授课教师：刘刚、信控学院电气工程系3-125实验室。5、课程属性：专业基础课。本课程在专业基础课中的位置如下所示：电路理论1）电工技术：能量传输、变换电路的分析和设计；（基础） 2）模拟电子技术：连续信号产生、放大和处理电路的分析和设计；3）数字电子技术：逻辑信号发生和逻辑处理电路的分析和设计；附加：电子设计自动化（EDA）技术（高速可编程逻辑芯片的程序设计）。4）单片机技术：单片机电路和程序的分析和设计。仅对电气自动化开设了“电子系统设计基础”公共选修课，内容：MSP430系列单片机使用方法，想参加实践活动的同学可选。以上后四门课程构成电子系统设计基础，在此基础上 专业课； 电子竞赛和电子制作。6、课程内容：“模拟电子技术”解释： 模拟：连续变化信号； 电子：固态电子元件构成的电子线路； 技术：解决问题的方法和手段。 模拟电子技术分析、设计处理连续变化信号的电子线路。7、学习要点：“件、路、调”件：掌握二极管、三极管、运算放大器等电子元件特性和使用方法；路：掌握放大、整流和滤波等基本电路的分析、设计方法；调：电子线路由非线性元件构成，分析和设计都是在理想模型下进行，与实际元件构成电路存在较大误差，必须经过实验调整、验证。8、课程特点：实践性强，对动手能力和实验能力要求高，实验内容占期末考试内容比重大。第1章 常用半导体器件1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体一、半导体材料：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，如硅（Si）、锗（Ge）等。其共价键结构图如图1-2所示。图1-2共价键结构图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，导电能力低于导体；受外因激励束缚电子可脱离共价键成为自由电子，绝缘能力低于绝缘体。二、本征半导体：四价元素硅或锗的纯净晶体。因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。本征半导体导电机理：在常温下，由于热激发，使很少的一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。因此，形成了半导体中的两种载流子： 1）自由电子：被激发出的外层共价电子，带负电，由负极到正极。 2）空穴：电子移走后留下的空位，带正电，由正极到负极。温度越高，产生载流子越多，导电性越好，半导体器件受温度影响大。1.1.2杂质半导体一、N型半导体：在本征半导体中掺入某些五价元素，就会使半导体的自由电子增加（电子是多子）。导电性能发生显著变化。掺入5价元素结构图如图1-3所示。 图1-3掺入5价元素结构图 图1-4掺入3价元素结构图二、P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素，就会使半导体的空穴增加（空穴是多子）。掺入3价元素结构图如图1-4所示。1.1.3 PN结一、 PN结的形成将P型半导体和N型半导体使用特殊工艺连在一起，形成P型半导体和N型半导体之间的特殊薄层叫做PN结。P型半导体与N型半导体交界面载流子的漂移与扩散示意图如图1-5所示。扩散和漂移这一相反的运动最后达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。图1-5载流子的漂移与扩散示意图PN结结构及符号图如图1-6所示。图1-6 PN结结构及符号图二、PN结的单向导电性PN结是各种半导体器件的核心，PN结具有单向导电特性。即：正向偏置：P区接电源正极，N区接电源负极，PN结导通，如图1-7所示； 图1-7 PN结正向导通示意图 1-8 PN结反向截止示意图反向偏置：P区接电源负极，N区接电源正极，PN结截止（不导电），如图1-8所示。三、PN结伏安特性如图1-9所示。图1-9 PN结伏安特性 1.2半导体二极管二极管=PN结+引线+外壳，是有极性元件。晶体二极管具有单向导电性，其原因是内部具有PN结。二极管的正、负极对应接于PN结的P型和N型半导体。符号：二极管符号如图2-1所示。图2-1二极管符号1.2.1 二极管的结构几种常见结构图如教材18页图1.2.2所示。结构：a. 点接触：PN结电容小，用于高频，小电流。 b. 面接触：PN结电容大，用于低频，大电流。1.2.2 二极管的伏安（V-I）特性二极管两端的电压和电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性，如图2-2所示，与PN结伏安特性相同（忽略导线电阻和外壳漏电流）。图2-2二极管的伏安特性1）正向特性（1） 正向电压小于死区电压时，二极管D截止，正向电流i =0；（2） 正向电压大于死区电压时，D导通，i急剧增大。导通后D两端电压基本恒定。2）反向特性反向电压URUBR (反向击穿电压)时，反向电流iR很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。UR UBR时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压UBR称为反向击穿电压。1.2.3二极管主要参数1）最大整流电流 IF：二极管允许通过的最大正向平均电流值。2）最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过该值有可能反向击穿，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是反向击穿电压U(BR)的一半。3）反向电流 IR：指二极管未反向击穿时的反向电流，IR反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（uA级），锗管的反向电流要大几十到几百倍。4）最高工作频率fM：二极管工作的上限极截止频率，受极间电容影响。极间电容：反向截止时，PN结内存储电荷，等效电容效应。第二讲 1.2.4 二极管的等效电路1）理想模型：忽略二极管正向导通压降和反相漏电流，伏安曲线为过零点折线，可等效为理想开关，如图2-5所示。图2-5理想模型等效曲线和电路图2）恒压降模型：将二极管正向导通压降近似为恒压值（0.7V，也称为工作电压）和忽略反相漏电流，伏安曲线为过恒压值（0.7V）折线，可等效为理想开关恒压电源（0.7V）串联，如图2-6所示。图2-6恒压降模型等效曲线和电路图3）小信号模型：条件是直流电源与交流小信号同时加到二极管上，直流电压提供静态工作点，交流信号引起电流变化。电路图及等效模型如图2-7所示。图2-7小信号电路及等效模型微变等效电阻求解图如图2-8所示。图2-8微变等效电阻求解图微变等效电阻，微变信号引起的等效电阻，不能用直流电阻测量仪器测量。其中是加到二极管上的变化电压，为输入正弦信号幅值的二倍：为变化电压引起的电流变化量，难于测量。的估算方法，根据经验公式计算：其中是静态工作点处通过二极管的直流电流。二极管应用在交流信号电路中时还应考虑到结电容的影响，高频选用检波管（结电容小），低频选用整流管（结电容大）。4）二极管电路的应用及模型分析方法（1）判断二极管的工作状态：假设断开二极管支路，求出断点电压判断二极管导通或截止。（2）选用相应状态的模型：二级管工作电压对电路影响小于10%，用理想模型，大于10%用恒压降模型。（3）二极管在交流电路中的应用：按正、负半周判断二极管工作状态，即正半周分析一次，负半周再分析一次。例1、半波整流电路，电路图和输入输出波形图如图3-1所示，输入端加电压信号。由于信号幅值为3V，二极管管压降不能忽略，选用恒压降模型（工作电压等于0.7V），输出端电压vo波形如图6-7中粗线所示。二极管正半周导通，负半周截止。 图3-1电路图和输入输出波形图当输入端加电压信号。由于信号幅值为15V，二极管管压降可以忽略，选用理想模型（管压降等于0V），输出端电压vo波形如图3-2中粗线所示。二极管正半周导通，负半周截止。图3-2电路图和输入输出波形图例2、桥式整流电路，电路图和正、负半周电流流向图如图3-3所示。图3-3电路图和正、负半周电流流向图根据输入电压的幅止大小选用理想模型或恒压降模型。幅值为5V时输入输出波形图如图3-4所示。幅值为15V时输入输出波形图如图3-5所示。因为桥式整流电路要经过两个二极管，输出与输入电压差为2倍管压降。 图3-4幅值为5V时输入输出波形图 图3-5幅值为15V时输入输出波形图例3、限幅电路及输入输出波形图如图3-6所示。 图3-6限幅电路及输入输出波形图 图3-7开关电路例4、开关电路如图7-11所示，已知：VA=3V，VB=0V，二极管理想模型管压降0V。求：VY=？说明二极管DA，DB的作用。解：VAVB，DA先导通。VY=3V。DB加反向电压，截止，不影响VY。 DA：钳位。 DB：隔离。1.2.5稳压二极管（齐纳管）工作原理：利用反向击穿特性稳定电压，属可恢复性击穿。击穿电流变化范围大，电压变化小，达到稳压的目的。稳压值为Uz，随型号而不同。稳压二极管的符号及伏安特性如图3-8所示。图3-8稳压二极管的符号及伏安特性工作特点：（1）在反向击穿区处于稳压状态，工作在其它区域与一般二极管相同。（2）稳定电压 UZ：稳压管在规定电流下的反向击穿电压。（3）电压温度系数aU（%/）：稳压值受温度变化影响的的系数。UZ在6V以下，温度系数为负；在6V以上，温度系数为正。（4）动态电阻：稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值，即。此值越小，管子稳压性能越好。（5）稳定电流I：稳压管在稳定电压下的工作电流。（6）最大稳定电流Izmax: 稳压管允许长期通过的最大反向电流。（7）最大允许耗散功率：PZM=UZ*Izmax。使用方法：稳压管典型应用电路如图3-9所示。注意事项：1）选用稳压二极管时，必须满足ILmaxIzmax。否则，在负载开路IL=0时，烧毁稳压二极管。Izmax=PZM/Uz。2）限流电阻R值得计算：（1）IL=ILmax时，VI-VRUz VI-UzR（Izmin+ILmax） R（VI-Uz）/（Izmin+ILmax）；（2）IL=0时，IR Izmax （VI-Uz）/ R（VI-Uz）/Izmax图3-9稳压管典型应用电路1.2.6其它类型二极管一、发光二极管加正向工作电压时发光，反向截止。符号如图3-12所示。 图3-12发光二极管符号 图3-13光电二极管符号及V-I曲线图发光二极管工作电压与普通二极管不同，不同颜色发光管，工作电压也不同。估算时，选1.61.8V。二、光电二极管反向漏电流随照射光强增加而增加。符号及V-I曲线如图3-13所示。三、应用举例电动车寻迹光电头电路设计：寻迹光电头电路如图3-14所示，R