模拟电子技术(第三版)江晓安版第一章ppt

模拟电子技术基础 西电出版社 教材 模拟电子技术 第三版 作者 江晓安 专业基础课课程体系 低频电子线路 计算机硬件 专业基础课 专业课 学位课 模拟电子技术基础 概述 四 难点 1 器件非线性 交直流共存 2 近似 处理 突出主要矛盾 简化实际问题 三 课程特点 物理 高数 电路 高频 数电 学习电子元器件种类 结构 参数 原理学习基本电路工作原理 分析方法 指标计算 二 先修课 后续课 性质 入门性质的专业基础课 考研课 学位课 任务 一 课程的性质和任务 熟悉常用电子仪器的原理 使用及电路的测试方法 1 工程性 近似计算 2 实践性 电路测试 故障判断和排除 仿真 3 概念多 电路多 分析方法多 五 分析方法1 电路课程 严密推导 精确计算 3 掌握器件外特性和使用方法 不过分追究内部机理 4 重视实践环节 实验 归纳12个字 定性分析 定量估算 实验调整 2 非线性器件在一定条件下线性使用 注意其条件 电路识图 判断作用 波形失真 是否自激 2 3位有效位 通过调整达到指标要求 模电课程 近似处理 有时图解 1 问题复杂 未知参数多 2 器件分散性 3 寄生电容 引线电感 4 RC标称值与实际误差 掌握 近似 的方法 不片面强调 精确 困难且不实用 六 本课程的能力要求 1 会看 定性分析2 会算 定量估算 分析问题的能力 3 会选 电路形式 器件 参数 4 会调 仪器选用 测试方法 故障诊断 仿真 解决问题的能力 设计能力 解决问题的能力 实践能力 解题要求 1 抄题 抄图 描图 2 各电压 电流要标明位置 方向 极性 3 按公式 代数 结果 含单位 三步骤完成 八 考核方法 七 几点忠告1 规范化的工程师的基本训练 文字标识 符号 实验 2 不缺课 认真听 积极提问 会做笔记 4 认真作业 不应付 不乱抄 按时作业 跟上进度 自查自纠 3 互相学习 多学多问 及时反馈意见 九 本课程不作要求的内容 电子技术的发展从电子管 半导体管 集成电路 电子管 晶体管 集成电路比较 1958年只有4个晶体管1997年一芯片中有40亿个晶体管 1904年电子管问世 第一只晶体管的发明者 byJohnBardeen WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab 第一个集成电路及其发明者 JackKilbyfromTI 1958年9月12日 在德州仪器公司的实验室 实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想 42年后 于2000年获诺贝尔物理学奖 贝尔实验室三名科学家在1947年11月底发明了晶体管 1956年因此获得诺贝尔物理学奖 巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖 值得纪念的几位科学家 半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质 本征半导体 纯净的晶体结构的半导体 1 什么是半导体 什么是本征半导体 导体 最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动 多为低价金属元素 如铁 铝 铜等 绝缘体 原子的最外层电子受原子核的束缚力很强 很难导电 如惰性气体 橡胶 陶瓷等 半导体 最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间 是四价元素 如硅 Si 锗 Ge 1 1 1本征半导体 1 1半导体基础知识 第一章半导体器件 2 本征半导体的结构 由于热运动 具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置 称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失 称为复合 共价键 一定温度下 自由电子与空穴对的浓度一定 温度升高 热运动加剧 挣脱共价键的电子增多 自由电子与空穴对的浓度加大 外加电场时 带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电 且运动方向相反 由于载流子数目很少 故导电性很差 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体 3 本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子 温度升高 热运动加剧 载流子浓度增大 导电性增强 热力学温度0K时不导电 1 N型半导体 磷 P 杂质半导体主要靠多数载流子导电 掺入杂质越多 多子浓度越高 导电性越强 实现导电性可控 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了 少了 为什么 多子 自由电子少子 空穴导电特点 nn pnN型半导体主要靠自由电子导电 1 1 2杂质半导体 2 P型半导体 硼 B 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多 空穴浓度越高 导电性越强 讨论 在杂质半导体中 温度变化时 载流子的数目变化吗 少子与多子变化的数目相同吗 少子与多子浓度的变化相同吗 多子 空穴 少子 自由电子 导电特点 pp np P型半导体主要靠空穴导电 说明 1 掺入杂质的浓度决定多数载流子的浓度 温度决定少数载流子的浓度 3 杂质半导体总体上保持电中性 4 杂质半导体的表示方法如下图所示 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 N型半导体 P型半导体 受温度的影响很小 本征激发产生 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 5 N型半导体对外显 a 正电 b 负电 c 电中性 c 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动 气体 液体 固体均有之 P区空穴浓度远高于N区 N区自由电子浓度远高于P区 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低 靠近接触面N区的自由电子浓度降低 产生内电场 不利于扩散运动的继续进行 1 2PN结 因电场作用所产生的运动称为漂移运动 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同 达到动态平衡 就形成了PN结 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子 形成内电场 从而阻止扩散运动的进行 内电场使空穴从N区向P区 自由电子从P区向N区运动 1 2 1PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 PN结加正向电压导通 耗尽层变窄 扩散运动加剧 由于外电源的作用 形成扩散电流 PN结处于导通状态 PN结加反向电压截止 耗尽层变宽 阻止扩散运动 有利于漂移运动 形成漂移电流 由于电流很小 故可近似认为其截止 1 2 2PN结的单向导电性 必要吗 PN结的伏安特性 PN结u i特性表达式 其中 PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K ID 流过PN结的电流 UD PN结两端的电压 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 PN结的电流和温升不断增加 使PN结的发热超过它的耗散功率 电击穿 可逆 PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种 1 2 3PN结的击穿 1 2 4PN结的电容效应 1 势垒电容 PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度将发生变化 有电荷的积累和释放的过程 与电容的充放电相同 其等效电容称为势垒电容CT 2 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化 也有电荷的积累和释放的过程 其等效电容称为扩散电容CD 结电容 结电容不是常量 若PN结外加电压频率高到一定程度 则失去单向导电性 PN结正偏 Cj CD PN结反偏 Cj CT 1 2 5二极管 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 小功率二极管 大功率二极管 稳压二极管 发光二极管 结面积小 结电容小允许的电流小工作频率高用于高频检波等 结面积大 结电容大允许的电流大工作频率低用于整流等 结面积可小 可大小的工作频率高大的结允许的电流大 1 2 5二极管 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 温度的电压当量 1 二极管的特性 1 2 5二极管 从二极管的伏安特性可以反映出 a 单向导电性 b 伏安特性受温度影响 T 在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 增大1倍 10 2 2 5 mV oC 2 二极管的主要参数 最大整流电流IF 最大平均值 二极管长期工作时 允许通过的最大正向平均电流 IF取决与PN结的面积 材料和散热情况 最大反向工作电压UR 最大瞬时值 二极管允许的最大工作电压 当反向电压超过此值 二极管可能被击穿 一般手册上给出的最大反向工作电压约为击穿电压的一半 UR 1 2UBR 反向电流IR 即IS 二极管未击穿时的反向电流值 IR越小单向导电性越好 它受温度影响较大 最高工作频率fM 因PN结有电容效应 fM的值主要取决于PN结结电容的大小 结电容越大 则二极管允许的最高工作频率越低 如果信号频率超过fM 二极管的单向导电性会变差 甚至消失 直流电阻RD交流电阻rd rd可以利用PN结的电流方程 两边取I的微分得 注意 等效电路只适用于正向导通 且信号较小的场合 2 Q越高 rd越小 rd的求法 图解法 计算法 静态电流 1 2 6稳压二极管 1 伏安特性 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成 反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变 为稳定电压 2 主要参数 稳定电压UZ 稳定电流IZ 最大功耗PZM IZMUZ 动态电阻rz UZ IZ 斜率 电压温度系数 使用稳压管需要注意的几个问题 1 外加电源的正极接管子的N区 电源的负极接P区 保证管子工作在反向击穿区 2 稳压管应与负载电阻RL并联 3 必须限制流过稳压管的电流IZ 不能超过规定值 以免因过热而烧毁管子 限流电阻 若稳压管的电流太小则不稳压 若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏 因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻 1 二极管伏安特性折线化 理想二极管 近似分析中最常用 理想开关导通时UD 0截止时IS 0 导通时UD Uon截止时IS 0 导通时 i与 u成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路 1 2 7二极管的应用 单向导电性 2 二极管限幅电路 定义 当输入信号电压在一定范围内变化时 输出电压随输入电压做相应变化 而当输入电压超出范围时 输出电压保持不变 输出信号电压开始不变的电压值 限幅电平输入电压 限幅电平 Uo保持不变的限幅 上限幅输入电压 限幅电平 Uo保持不变的限幅 下限幅 1 2 7二极管的应用 单向导电性 E 0 理想二极管 Ui 0V时 二极管导通 U0 0V Ui 0V时 二极管截止 U0 Ui 限幅电平为0V 以并联二极管上限幅电路为例 来具体讲解 0 E 二极管导通 UO E 限幅电平为 E 以并联二极管上限幅电路为例 来具体讲解 Um E 0 Ui E 二极管导通 UO E Ui E 二极管截止 UO Ui 限幅电平为 E 总结 从上述三个波形图可以看出 输出波形图限制了Ui E的部分 称为上限幅电路 以并联二极管上限幅电路为例 来具体讲解 并联二极管上限幅电路 并联二极管下限幅电路 串联二极管上限幅电路 串联二极管下限幅电路 归纳 不论二极管串联限幅还是并联限幅 只要P端接输出正端 就是上限幅 N端接输出正端 就是下限幅 二极管门电路 双向限幅电路 二极管 与 门电路 二极管 或 门电路 图1 23 与 门 或 门 例 二极管门电路 电路中 5V 5V是电源电压 UAUB接直流电压 3V或接地 若考虑二极管正向压降 忽略其反向电流 在给定UAUB的情况下 写出二极管的工作状态 流过的电流和Uo的值 通 通 0 7V 通 止 0 7V 止 通 0 7V 通 通 3 7V 通 通 0 7V 止 通 2 3V 止 通 2 3V 通 通 2 3V 思路 先定性分析 电位高低 电流方向 后定量计算 5k 5k I I1 I2 已知 稳压管UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 输入UI 12V 限流R 200 问 若RL变化范围1 5k 4k 是否还能稳压 例 稳压二极管的应用 UO UZ 10V IZ在12mA和2mA之间 所以假设正确 稳压管能起稳压作用 解 设稳压管能够稳压 则 注意语言逻辑性 12 10 0 2 10mA I UI UZ R RL 1 5k IL UO RL 10 1 5 6 7mA IZ 10 6 7 3 3mA RL 4k IL UO RL 10 4 2 5mA IZ 10 2 5 7 5mA 思路 学会用假设法分析问题 公式代数结果 多子浓度高 多子浓度很低 且很薄 面积大 晶体管有三个极 三个区 两个PN结 中功率管 大功率管 1 3半导体三极管 1 3 1三极管的结构及类型 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 BJT的三种组态 1 3 2三极管的三种连接方式 1 三极管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 PNP发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 从电位的角度看 NPN发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 1 3 3三极管的放大作用 内部条件 结构特点 判断三极管能否放大 临界 扩散运动形成发射极电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC 少数载流子的运动 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 因基区薄且多子浓度低 使极少数扩散到基区的电子与空穴复合 因集电区面积大 在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区 基区空穴的扩散 2 载流子的传输过程 穿透电流 集电结反向电流 直流电流放大系数 交流电流放大系数 为什么基极开路集电极回路会有穿透电流 3 三极管的电流分配 IE IB ICIE 扩散运动形成的电流IB 复合运动形成的电流IC 漂移运动形成的电流 三极管的电流分配关系 一组三极管电流关系典型数据 1 任何一列电流关系符合IE IC IB IB IC IE IC IE 2 当IB有微小变化时 IC较大 说明三极管具有电流放大作用 3 在表的第一列数据中 IE 0时 IC 0 001mA ICBO ICBO称为反向饱和电流 4 在表的第二列数据中 IB 0 IC 0 01mA ICEO 称为穿透电流 4 三极管的电流放大系数 共射电流放大系数 小功率管 几十 几百 共基电流放大系数 0 97 0 99 为什么UCE增大曲线右移 对于小功率晶体管 UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线 为什么像PN结的伏安特性 为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了 1 输入特性 1 3 4三极管的特性曲线 UCE 1时的输入特性具有实用意义 2 输出特性 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大 为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线 饱和区 放大区 截止区 2 输出特性 NPN三极管的输出特性曲线 划分三个区 截止区 放大区和饱和区 1 截止区IB 0的区域 两个结都处于反向偏置 IB 0时 iC ICEO 硅管约等于1 A 锗管约为几十 几百微安 截止区 截止区 对NPN管UBE 0 UBC 0 2 放大区 条件 发射结正偏集电结反偏 特点 各条输出特性曲线比较平坦 近似为水平线 且等间隔 放大区 集电极电流和基极电流体现放大作用 即 放大区 放大区 对NPN管UBE 0 UBC 0 NPN三极管的输出特性曲线 3 饱和区 条件 两个结均正偏 对NPN管UBE 0 UBC 0 特点 iC基本上不仅与iB有关 在饱和区三极管失去放大作用 IC IB 当uCE uBE 即uCB 0时 称临界饱和 uBE uCE时称为过饱和 饱和