学府考研尹其畅 第16~20讲正式内容222

长安大学考研 813813 电子技术基础电子技术基础 命题规分析及复习要点精讲 主讲 尹其畅老师主讲 尹其畅老师 要点精讲和复习思路要点精讲和复习思路 第一章第一章 半导体二极管 半导体三极管 半导体二极管 半导体三极管 基本放大电路基本放大电路 1 本章考情分析 本章主要介绍了二极管和三极管的基本特性 以及三极管的基本放 大电路 每年都要出一至二道小题 填空 选择 问答 和一道大题 但是小题考的知识点很简单 主要是二极管和三极管的基本概念题 大 题方面是三级管的基本放大电路或者是多级放大电路 题型简单 但是 计算不容易 因此考生要注意计算能力培养 本章是模电的四个重点之 一 因此掌握本章内容显得尤为重要 2 本章框架结构 本章首先介绍了半导体的基本知识 然后 PN 结的形成和特性 半导 体三极管的基本结构 最后介绍基本放大电路 3 本章考点预测 小题是写出二极管的特性 和三极管三个极的概念和电流的关系 大题是基本放大电路或者是多级放大电路 差分放大电路在历年考研 中并未出现 但是还是要注意一下 4 本章要点精讲 要点一 电子技术的发展与应用概况 第一代电子器件是电子管 第二代电子器件是晶体管 第三代电子 器件是集成电路 第四代电子器件是大规模集成电路 第五代电子器件 是超大规模集成电路 随着电子技术的发展 新的电子器件也在不断地 出现 课程的研究对象 电子技术就是应用电子元器件来达到某种特定目的或完成某项特定 任务的技术 电子技术研究的对象是电子元器件和由电子元器件构成的 各种基本功能电路 以及由某些基本功能电路所组成的有各种用途的装 置或系统 电子技术按照其处理信号的不同分为模拟电子技术和数字电 子技术两部分 要点二 半导体的特性 1 导体 电阻率 10 9 cm 物质 如橡胶 塑料等 3 半导体 导电性能介于导体和半导体之间的物质 大多数半导体器件 所用的主要材料是硅 Si 和锗 Ge 硅原子结构 最外层电子称价电子 最外层只有四个电子 不稳定 锗原子也是 4 价元素 4 价元素的原子常常用 4 电荷的正离子和周围 4 个价电子表示 要点三 本征半导体 概念 完全纯净的 不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半 导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体 它的原子结构为共价键结构 当温度 T 0 K 时 半导体不导电 如同绝缘体 若 T 将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子 在原来的共 价键中留下一个空位 空穴 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力 但很微弱 空穴可看成带正电的载流子 1 半导体中两种载流子 带负电的自由电子和带正电的空穴 2 本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现 称为 电子 空穴对 3 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示 显然 ni pi 4 由于物质的运动 自由电子和空穴不断的产生又不断的复合 在一定 的温度下 产生与复合运动会达到平衡 载流子的浓度就一定了 5 载流子的浓度与温度密切相关 它随着温度的升高 基本按指数规律 增加 要点四 杂质半导体 杂质半导体有两种 N 型半导体 P 型半导体 一 N 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素 如磷 锑 砷等 即构成 N 型半导体 或称电子型半导体 常用的 5 价杂质元素有磷 锑 砷等 本征半导体掺入 5 价元素后 原来晶体中的某些硅原子将被杂质原 子代替 杂质原子最外层有 5 个价电子 其中 4 个与硅构成共价键 多余一个电子只受自身原子核吸引 在室温下即可成为自由电子 自由电子浓度远大于空穴的浓度 即 n p 电子称为多数载流子 简 称多子 空穴称为少数载流子 简称少子 二 P 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素 如硼 镓 铟等 即构成 P 型半导体 3 价杂质原子称为受主原子 空穴浓度多于电子浓度 即 p n 空 穴为多数载流子 电子为少数载流子 说明 1 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度 温度决定少数载流子的浓度 2 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体 因而其导电能力大 大改善 3 杂质半导体总体上保持电中性 要点五 半导体二极管 一 PN 结及其单向导电性 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体 另一侧掺杂成为 N 型半导体 两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层 称为 PN 结 PN 结的形成 二 PN 结中载流子的运动 1 扩散运动 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动 2 扩散运动形成空间电荷区 PN 结 耗尽层 3 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒 内电场 内电场阻止多子的扩散 阻挡层 4 漂移运动 内电场有利于少子运动 漂移 5 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大 扩散电流逐渐减小 随着内电场的增强 漂移运动逐渐增加 当扩散电流与漂移电流相等时 PN 结总的电流等 于零 空间电荷区的宽度达到稳定 即扩散运动与漂移运动达到动态平 衡 空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米 电压壁垒 UD 硅材料约为 0 6 0 8 V 锗材料约为 0 2 0 3 V 三 PN 结的单向导电性 又称正向偏置 简称正偏 1 PN 结外加正向电压 正偏 空间电荷区变窄 有利于扩散运动 电路中有较大的正向电流 在 PN 结加上一个很小的正向电压 即可得到较大的正向电流 为防止 电流过大 可接入电阻 R 2 PN 结外加反向电压 反偏 反向接法时 外电场与内电场的方向一致 增强了内电场的作用 外电场使空间电荷区变宽 不利于扩散运动 有利于漂移运动 漂移电 流大于扩散电流 电路中产生反向电流 I 由于少数载流子浓度很低 反向电流数值非常小 综上所述 当 PN 结正向偏置时 回路中将产生一个较大的正向电流 PN 结处 于 导通状态 当 PN 结反向偏置时 回路中反向电流非常小 几乎等 于零 PN 结处于截止状态 可见 PN 结具有单向导电性 四 半导体二极管的类型 按半导体材料分 有硅二极管 锗二极管等 按 PN 结结构分 有点接触型和面接触型二极管 点接触型管子中不允许通过较大的电流 因结电容小 可在高频下工作 面接触型二极管 PN 结的面积大 允许流过的电流大 但只能在较低频 率下工作 按用途划分 有整流二极管 检波二极管 稳压二极管 开关二极管 发光二极管 变容二极管等 五 二极管的伏安特性 在二极管的两端加上电压 测量流过管子的电流 I f U 之间的关系 曲线 1 正向特性 当正向电压比较小时 正向电流很小 几乎为零 相应的电压叫死区电压 范围称死区 死区电压与材料和温度有关 硅 管约 0 5 V 左右 锗管约 0 1 V 左右 当正向电压超过死区电压后 随着电压的升高 正向电流迅速增大 2 反向特性 二极管加反向电压 反向电流很小 当电压超过零点几伏后 反向电流不随电压增加而增大 即饱和 如果 反向电压继续升高 大到一定数值时 反向电流会突然增大 这种现象称击穿 对应电压叫反向击穿电压 击穿并不意味管子损坏 若控制击穿电流 电压降低后 还可恢复正常 3 伏安特性表达式 二极管方程 IS 反向饱和电流 1e S T U U II UT 温度的电压当量 在常温 300 K 下 UT 26 mV 结论 二极管具有单向导电性 加正向电压时导通 呈现很小的正向电 阻 如同开关闭合 加反向电压时截止 呈现很大的反向电阻 如同开 关断开 从二极管伏安特性曲线可以看出 二极管的电压与电流变化不呈线性关 系 其内阻不是常数 所以二极管属于非线性器件 六 二极管的主要参数 1 最大整流电流 IF 是指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 使用时正向平 均电流不能超过此值 否则会烧坏二极管 2 最大反向工作电压 URM 最大反向工作电压 URM 是指二极管正常工作时 所承受的最高反向 电压 峰值 通常手册上给出的最高反向工作电压是击穿电压的一半左 右 3 反向饱和电流 IR 反向饱和电流 IR是指在规定的反向电压和室温下所测得的反向电流值 其值越小 说明管子的单向导电性能越好 七 二极管的电容效应 当二极管上的电压发生变化时 PN 结中储存的电荷量将随之发生变化 使二极管具有电容效应 电容效应包括两部分 势垒电容和扩散电容 1 势垒电容 是由 PN 结的空间电荷区变化形成的 2 扩散电容 Cd 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的 稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管 稳压管工作于反向击穿区 要点六 三极管 半导体三极管是具有电流放大功能的元件 三极管的结构如下 1 三极管的结构与电路符号 三极管的构成是在一块半导体上用掺入不同杂质的方法制成两个紧 挨着的 PN 结 并引出三个电极 三极管有三个区 发射区 它是发 射载流子的区域 基区 载流子传输的区域 集电区 收集载流子 的区域 各区引出的电极依次为发射极 极 基极 极 和集电极 极 为使三极管具有电流放大作用 在制造过程中必须满足实现放大 的内部结构条件 即 1 发射区掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 以便于有足够载流子供 发射 2 基区很薄 掺杂浓度很低 以减少载流子在基区的复合机会 这是 三极管具有放大作用的关键所在 3 集电区比发射区体积大且掺杂少 以利于收集载流子 2 三极管的分类 三极管的种类很多 主要有下列 5 种分类形式 1 按其结构类型分为 NPN 型管和 PNP 型管 2 按其制作材料分为锗管和硅管 3 按工作频率分为高频管和低频管 4 按其工作频率分为大功率管 中功率管和小功率管 5 按其工作状态分为放大管和开关管 3 三极管的电流分配关系 BCE III BC II BE 1 II 要点七 三极管的放大作用 1 具有放大作用的基本条件 三极管实现放大作用的外部条件是 发射结正偏 集电结反偏 通常给 PN 结加正向电压称作正向偏置 简称正偏 加反向电压称做 反向偏置 简称反偏 三极管放大电路不论采取哪种管型和哪种电路形 式都要满足这个基本条件 2 电流放大作用及电流分配关系 三极管在一定的外界电压条件下所具有的IC受IB控制且二者呈线性 关系的特性称为三极管的直流电流放大作用 而 IC受 IB控制且二者呈 线性关系的特性称为三极管的交流电流放大作用 三极管三个电流在数 值上的关系称为三极管的电流分配关系 3 三极管放大的概念和三种连接方式 放放大大器器 信信 号号 负负 载载 输输入入端端输输出出端端 b e c ui uo b e c ui uo b ec ui uo a b c a 是共射极放大电路 b 是共集电极放大电路 c 是共基极放大电路 4 三极管的特性曲线 1 输入特性曲线 当集电极与发射极之间的电压UCE一定时 输入回路中的基极电流 iB 与基 射电压 uBE之间的关系曲线被称为输入特性 用函数式可表示为 常数 CE uBEB ufi 三极管的输入特性曲线是非线性的 输入电压小于某一开启值时 三 极管不导通 基极电流为零 这个开启电压叫死区电压或叫阈值电压 对于硅管约为 0 5V 对于锗管约为 0 1 0 2V 当管子正常工作时 发 射结压降变化不大 对于硅管约为 0 6 0 7V 对于锗管约为 0 2 0 3V 5 三极管的主要参数及温度的影响 1 主要参数 三极管的参数描述了三极管的性能 是评价三极管质量以及选择三极管 的依据 常用的主要参数有 1 电流放大系数 电流放大系数的大小反映了三极管放大能力的强弱 2 反向饱和电流 ICBO ICBO是指发射极开路时 集电极的反向饱和电流 3 穿透电流ICEO ICEO是指基极开路时 流过集电极的反向电流 4 集电极最大允许电流ICM 当集电极电流iC过大时 将明显下降 ICM为 下降到规定允许值时的 集电极电流 5 集电极最大耗散功率PCM PCM是指三极管正常工作时最大允许消耗的功率 要点八 基本放大电路注意的问题 一 放大电路遵循以下原则 1 必须有直流电源 而且电源的设置应使三极管的发射结正向偏置 集电结反向偏置 以保证三极管工作在放大状态 2 元件的安排要保证信号的传输 即信号能够从放大电路的输入端加 到三极管的发射结上 经过放大后又能从输出端输出 简单的说就是应 使交流信号进得去出得来 二 放大电路的主要技术指标 一 放大倍数 u A 电压放大倍数 i o U U A u i A 电流放大倍数 i o I I A i 放大电路技术指标测试示意图放大电路技术指标测试示意图 原理电路的缺点 1 双电源供电 2 uI uO 不共地 要点九 三极管的低频小信号模型分析法 B Rc Rb RL UCC C1 C2 V uo RS us A A B C1 C2 为隔直电容或耦合电容 RL 为负载电阻 该电路也称阻容耦合单管共射放大电路 模型的建立 1 三极管可以用一个模型来代替 2 对于低频模型可以不考虑结电容的影响 3 小信号意味着三极管在线性条件下工作 微变也具有线性同样的含 义 1 1 小信号等效电路小信号等效电路 2 2 电压增益电压增益 LcL RRR L co RIV beib rVI bc II be L be b L b r R rI RI be b Lc i o V rI RI V V A 3 3 输入电阻输入电阻 4 输出电阻输出电阻 T T i I V R beb rRR i Co RR 0 S V T T o I V R 要点十 放大电路的非线性失真 所谓失真 是指输出信号的波形与输入信号的波形不一致 这种由于 三极管特性的非线性造成的失真称为非线性失真 1 饱和失真 由于三极管进入饱和区所引起的 故称为饱和失真 将输入回路中的基极偏置电阻Rb增大 以降低IBQ ICQ 从而使静 态工作点 Q 下降 进入三极管放大区的中间位置 便可解决饱和失真问 题 另外 还可以通过调节Rc的大小来改善饱和失真 2 截止失真 由于三极管进入截止区所引起的 故称为截止失真 将输入回路中的基极偏置电阻Rb减小 以增大IBQ ICQ 从而使静 态工作点 Q 上移 保证在输入信号的整个周期内 三极管工作在输入特 性的线性部分 便可解决截止失真问题 要点十一 放大电路的基本分析方法 一 放大电路的工作情况 1 静态 ui 0 工作情况 静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路中三极管的工作状态 为了使放大电路能够正常工作 三极管必须处于放大状态 因此要求三 极管各极的直流电压 直流电流必须具有合适的静态工作参数 IB IC UBE UCE 2 动态工作情况 当放大电路加入交流信号ui时 电路中各极的电压 电流都是由直 流量和交流量叠加而成的 二 基本分析方法两种 1 图解法 2 微变等效电路法 三 放大电路的两条通路 直流通路 交流通路 例子 图图 1 图图 2 图图 3 四 两种偏置电路 1 固定偏置式电路 ICQ IBQ UCEQ UBEQ UCC Rb Rc IEQ 静态工作点的近似计算 IBQ UCC UBEQ Rb 硅管 UBEQ 0 6 0 8 V 锗管 UBEQ 0 1 0 2 V ICQ IBQ UCEQ UCC ICQRC 2 分压式偏置电路 UCC ICQ IBQ UCEQ UBEQ Rb1 Rc IEQ Rb2 UBQ I1 I2 Re 静态工作点的近似计算 UBQ RR RU bb bCC BQU 21 2 IEQ ICQ UCEQ UCC ICQ Rc Re 例如 图示单管共射放大电路中 VCC 12 V Rc 3 k Rb 280 k NPN 硅管的 50 试估算静态工作点 R UU e BEQBQ 解 设 UBEQ 0 7 V ICQ IBQ 50 0 04 mA 2mA A 40 mA 280 7 012 b BEQCC BQ R UV I UCEQ VCC ICQRc 12 2 3 V 6V 五 图解法的应用 一 用图解法分析非线性失真 1 静态工作点过低 引起 iB iC uCE 的波形失真 截止失真 结论 iB 波形失真 2 Q 点过高 引起 iC uCE的波形失真 饱和失真 要点十二 单管共射放大电路的等效电路 一 电路图 三极管的简化 h 参数等效电路 注意 这里忽略了 uCE 对 iC与输出特性的影响 在大多数情况下 简 化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小 电压放大倍数 Au 输入电阻 Ri 输出电阻 RO 二 单管共射放大电路的等效电路 单管共射放大电路的等效电路 i o U U Au bebi 而rIU LcL RRR bLco IRIU be L i o 所以 r R U U Au Ri rbe Rb Ro Rc 三 等效电路法的步骤 归纳 1 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q 2 求出静态工作点处的微变等效电路参数 和 rbe 3 画出放大电路的微变等效电路 可先画出三极管的等效电路 然后画 出放大电路其余部分的交流通路 4 列出电路方程并求解 要点十三 微变等效电路法的应用 例 接有发射极电阻的单管放大电路 计算电压放大倍数和输入 输出 电阻 u A 计算电压放大倍数 1 接有发射极电阻的放大电路 根据微变等效电路列方程 LbLCO 而RIRIU eebebi RIrIU be 1 其中II ebe L i O 1 Rr R U U Au 引入发射极电阻后 Au 降低了 若满足 1 Re rbe Au 与三极管的参数 rbe 无关 e L R R Au 2 放大电路的输入电阻 引入 Re 后 输入电阻增大了 3 放大电路的输出电阻 将放大电路的输入端短路 负载电阻 RL 开路 忽略 c e 之间的内 电阻 rce bebe i i i 1 RRr I U R co RR 要点十四 放大电路性能指标的估算 放大电路的性能指标 放大电路的性能指标是为了衡量它的性能优劣而引入的 放大电路 放大的对象是变化量 研究放大电路除了要保证放大电路具有合适的静 态工作点外 更重要的是还要研究其放大性能 对于放大电路放大性能 有以下几个方面的要求 1 应有较强的放大能力 即放大倍数要高 2 输出信号与输入信号变化规律应一致 即失真要小 3 在一定的频率范围内要有尽可能相同的放大能力 即有一定的频带宽度 4 工作稳定可靠 噪声小 1 放大倍数是指输出信号与相应的输入信号之比 有时也称为增益 常 用的有电压放大倍数和电流放大倍数 Au uo ui Ai io ii 2 输入电阻 ri ri ui ii ri是衡量放大电路对信号源影响程度的重要参数 其值越大 放大电路从 信号源索取的电流越少 信号源对放大电路的影响越小 3 输出电阻ro ro 0 SL UR o o i u 可以看出 输出电阻越大 表明接入负载后输出电压的幅值下降越多 因此希望ro小一些 ro的大小反映了放大器带负载能力的强弱 2 放大电路的交流通路及微变等效电路 1 放大电路的交流通路 有输入信号作用时 放大电路中的电流 电压的大小随输入信号发生相 应变化 称放大器处于交流工作状态或动态 放大器交流信号的流经途 径叫放大器的交流通路 它的画法是将容量较大的电容视为短路 将直 流电源 内阻较小可忽略不计 视作短路 其余元件按原连接关系画出 2 放大电路的微变等效电路 三极管的输入回路可用一个等效电阻rbe来等效 rbe称做三极管的等效 输入电阻 26 1 mAI mV rr EQ bbbe 三极管的输出回路可用一个大小为 ib的理想受控的电流源来等效 1 当 IEQ 一定时 愈大则 rbe 也愈大 选用 值较大的三极 管其 Au 并不能按比例地提高 2 当 值一定时 IEQ 愈大则 rbe 愈小 可以得到较大的 Au 这种 方法比较有效 要点十五 放大电路性能指标的估算 再次讲解 1 共发射极放大电路性能指标的估算 1 电压放大倍数 不考虑信号源内阻 a 有载电压放大倍数Au Au uo ui ibRL ibrbe RL rbe b 空载电压放大倍数 Au 即 RL RL RC RL RC Au RC rbe 2 输入电阻ri ri ui ii Rb rbe Rb Rb1 Rb2 当 Rb rbe时 ri Rb rbe rbe 3 输出电阻ro ro Rc 2 共集电极放大电路性能指标的估算 一 静态分析 则 eb BEQCC BQ 1 RR UV I BQCQ II eCQCC eEQCCCEQ RIV RIVU 二 动态分析 1 电压放大倍数 ebbebeebebi 1 RIrIRIrIU ebeeo 1 RIRIU Lee RRR ebe e i o 1 1 Rr R U U A u 结论 电压放大倍数恒小于 1 而接近 1 且输出电压与输入电压同相 又称射极跟随器 2 输入电阻 输入电阻较大 eebebi RIrIU ebe i i i 1 Rr I U R 3 输出电阻 求射极输出器 Ro 的等效电路 bss sbebo RRR RrIU 式式中中 1 所以 1 而 sbe o o o beo Rr I U R III 输出电阻低 故带载能力比较强 具体公式 1 电压放大倍数Au 1 1 Lbe L i o u Rr R u u A 2 输入电阻ri ri Rb ri 则 ri Rb rbe 1 RL Lbe b Lbbeb b i i Rr i Riri i u r 1 1 3 输出电阻ro 3 共基极放大电路的动态性能 根据微变等效电路 可分析的共基极放大电路的动态参数 Au uo ui RL rbe 1 be eo r Rr ro Rc 要点十六 三种基本组态的比较 1 be ei r Rr 要点十七 多级放大电路 点击 1 阻容耦合 级与级之间通过电容连接的方式称为阻容耦合方式 1 优点 因电容具有 隔直 的作用 所以各级电路的静态工