数电研讨 董耀聪.docx

基于三极管输入输出特性曲线浅谈非线性电路理论与线性电路理论，模拟电路与数字电路的联系与应用Introduction to nonlinear circuit theory based on triode input/output characteristic curve and linear circuit theory, analog circuit and digital circuit connection and application学 院：电子信息工程学院班 级：通信1110学 号：11211003学 生：董耀聪指 导 教 师：侯建军2013.11目录摘要.2绪论.4第一章、三极管输入输出特性曲线的分析.41.1 三极管的简介，结构与分类.41.2 三极管工作状态及特性曲线 . .51.3 结论.7第二章、线性电路和非线性电路 .82.1 线性电路与非线性电路 .82.2 线性电路理论与非线性电路理论 .92.3 结论.10第三章、数字电路和模拟电路.12 3.1浅谈模拟电路.13 3.2浅谈数字电路.14四、致谢.16五、参考文献.17Abstract: In this paper, based on the input and output characteristic of the triode and breakthrough point, the linear circuit theory and nonlinear circuit theory, digital circuit and analog circuit was compared respectively, and lists several practical application.The first chapter analyzes the input and output characteristic curve of transistor, aimed at the different stages of the curve the different use of a triode and reasons were analyzed.The second chapter, according to the difference between the linear and nonlinear circuits based on the operational amplifiers and transistors made comparison, and the two theories involved in the field has made the explanation.The history of the third chapter by digital circuit and analog circuit as the beginning, tells the difference between the two, and according to the characteristics of the respective lists some applications.Key words: triode, characteristic curve, the linear circuit theory, nonlinear circuit theory, digital circuits, analog circuits摘要：本文以三极管的输入输出特性曲线为基础和切入点，对线性电路理论与非线性电路理论，数字电路与模拟电路分别进行了比较，并列举了几项实际的应用。第一章分析了三极管的输入输出特性曲线，针对曲线的不同区段分析了三极管的不同用处与原因。第二章根据线性电路与非线性电路的区别，以运算放大器和三极管为基础做出了比较，并对两个理论所涉及的领域做出了说明。第三章由数字电路与模拟电路的发展史为开端，讲述了两者之间的区别联系，并根据各自的特点列举了一些应用。关键字：三极管、特性曲线、线性电路理论、非线性电路理论、数字电路、模拟电路 正文：绪论：本文研究了三极管的输入输出特性曲线，目的在于以特性曲线为基础，分析线性电路理论与非线性电路理论，了解数字电路与模拟电路的联系与区别。计划采用列表比较，查阅相关书籍、资料等方法对这些概念加以区分和了解。预期找出这些概念之间的层层联系，对整个数字、模拟电路理论有一个网络架构的分析。第一章 三极管输入输出特性曲线的分析1.1晶体三极管(BJT)的简介，结构及种类晶体三极管就是我们所常说的三极管，它的全名是双极性晶体三极管，由两个背靠背的PN结构成，以下简称三极管。在工作过程中是由两种载流子共同参与导电的，因此称之为双极性晶体三极管（Bipolar Junction Transistor）。由于两个PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于单个PN结的特性（单向导电），从而具有电流放大作用。 图1-1 几种常见的三极管三极管按照不同的方式可分为很多种类。如：按照频率分，可分为高频管、低频管；按照功率分，可分为小功率管，中功率管和大功率管；按照半导体的材料分，可分为硅管、锗管等。而我们通常是将三极管按照结构的不同分为两种类型：NPN型和PNP型。如下图所示： 图1-2 NPN管和PNP管1.2三极管工作状态及特性曲线由于三极管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状态。（1） 发射结正偏，集电结反偏时，称之为放大工作状态。（2） 发射结正偏，集电结也正偏时，称之为饱和工作状态。（3） 发射结反偏，集电结也反偏时，称之为截止工作状态。（4） 发射结反偏，集电结正偏时，称之为反向工作状态。由此可知，在放大电路中，主要应用其放大工作状态。而在数字电路中则是主要应用其饱和状态和截止状态。三级管的输入特性和输出特性曲线描述了三极管各电极之间电压，电流的关系，它是三极管内部载流子运动的外部表现，也称为三极管的外特性。由于三极管连接时可接成三种组态（共基组态，共射组态，共集组态），图1-3 三极管三种组态但无论哪种组态，均可将三极管看成一对输入，一对输出的二端口网络。因此，要想完整地描述三极管的伏安特性，需要两组伏安特写，即输入、输出伏安特性来描述。下面主要以共射组态为例，来分析三极管的输入、输出特性曲线。输入特性曲线UCE=0V时，发射极与集电极短路，即发射结与集电结并联。发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线，成指数关系。输入特性曲线描述了在管压降一定的情况下，基极电流与发射结压降之间的函数关系，即。 当UCE增大时，图1-3中曲线将右移，由于非平衡少子的存在，要获得同样的IB，就必须加大UBE，使发射区向基区注入更多的电子。而对于确定的发射结电压，当UCE增大到一定值后，集电结的电场已足够强， 可以将发射区注入基区的绝大部分非1. 死区2. 线性区3. 非线性区 图1-4 三极管输入特性曲线平衡少子都收集到集电区，因而再增大UCE，IC也不可能明显增大，也就是说，IB已基本不变。因此，UCE增大到一定数值后，曲线已经不再明显右移而基本重合。对于小功率管，可以近似的用UCE大于1V的任何一条曲线来嗲表所有曲线。输出特性曲线输出特性曲线描述是基极电流 IB为一常量时，集电极电流 IC与管压降 UCE之间的函数关系，即IC=f（UCE）|IB=C对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以改变IB的值可得出一组曲线输出特性曲线，如图所示：从输出特性曲线可以看到三极管有三个工作区域。（1） 饱和区在这个区域内，发射结处于正向偏置，对于共射组态，由于UBEUON，UCE1V，晶体管工作在放大区。在这个区域内IC的大小决定于IB的大小，与UCE无关。此时表现出IB对IC的控制作用，IC=IB，iC=iB。在理想情况下，输出特性是一组与横轴平行的直线。（3） 截止区当发射结电压小于门限电压，集电结反向偏置，此时IB为零，ICICEO。小功率硅管的ICEO在1A以下，锗管的ICEO小于几十微安。在近似分析中，可认为三极管截止时IC为零。1.3结论三极管在电路中有着非常重要的作用。由三极管的输入输出特性曲线我们不难得出结论：（1）三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在饱和区与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。当处于开状态时,三极管为处于饱和状态,UceUbe，Uce间的电压很小,一般小于PN结正向压降(0.7V)。当处于关状态时,基极电流Ib为0。三极管在截止态时 C-E 间如同断路，在饱和态时C-E 间如同通路 (带有0.2 V 电位降)，因此可以作为开关。（2）而模拟电路中则用到的是三极管的工作状态处于放大区时对基极电流（共射组态）的放大作用。当三极管工作在放大状态，那么在通电过程中，三极管静态时的工作电压必须满足发射极正偏，集电极反偏，而且随着输入信号的变化，各种电压或电流都能随着发生相应的变化，不能出现信号的失真现象。第二章、线性电路理论与非线性电路理论 2.1 线性电路与非线性电路 若一个元件可以让电路中两个或多个变量线性关联起来，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。 当电路只包含线性元件时，称为线性电路。若电路中至少包含一个非线性元件时，电路称为非线性电路。线性电路最基本的特性是它具有齐次性和叠加性。 叠加性的含义是：若激励x1产生的响应为y1，激励x2产生的响应为y2，则当x1与x2共同作用于电路时产生的响应为y1+y2。齐次性的含义是：若激励x作用于电路产生的响应为y，则激励kx作用于电路产生的响应必为ky。换句话说，线性电路对于各个激励共同作用的响应时各个激励的加权之和。 严格来说，真正的线性电路在实际中是不存在的。但是大量的实际电路在一定条件下都可以近似视为线性电路。在电路理论中，对线性电路的研究已经有了相当长的历史，有了成熟的理论和方法。 非线性电路是指由非线性元件构成的电路。非线性电路可采用图解法和解析法来进行分析，但在实际电路中，常采用工程近似解析法。工程近似解析法的精度虽比较差，但它有助于了解电路工作的物理过程，并能对电路性能作出粗略的估算。所谓工程近似解析法，就是根据工程实际情况，对器件的数学模型和电路工作条件进行合理的近似，列出电路方程，从而解得电路中的电流和电压，获得具有实用意义的结果。2.2线性电路理论与非线性电路理论 这里所说的理论，是指用来分析电路的理论。因为线性电路具有线性与齐次性，所以相对于非线性电路的分析，比较简单。首先，在电路中输入输出之间有线性关系，且电路中参数为恒常量；其次，在线性电路中有多种定理定理（如欧姆定理，基尔霍夫电压电流定律，戴维南定理，叠加定理特勒根和互易定理等）。 与线性电路相比，非线性电路较为复杂，有其独特的地方。首先，非线性电路不满足叠加定理，所以在线性电路中一系列行之有效的分析方法在非线性电路中就不再适用。其次，非线性系统的解不一定存在。非线性电路的特性一般是由一组非线性代数方程来描述。对实际系统来说，它在一定初始条件下的解应该存在且唯一。但当我们去求解这组方程时，方程可能有多个解，也有可能没有解。因此，在求解之前，应对系统的解得性质进行判断。若解肯本不存在，求解它就没有任何意义。再者，对线性系统来说，一般存在一个平衡状态，我们很容易判断系统的平衡状态是否为稳定的。但非线性系统一般存在多个平衡态，其中有些平衡态是稳定的，有些平衡态可能不是稳定的。 当我们在考察非线性电路的性质时，定性分析法是非常重要的方法。定性分析法设计的数学工具有微分方程定性理论、稳定性理论、泛函分析中的不动点定理等。其侧重于电路解的特性、解的全局性和渐进性。除了定性分析法，近似解析法也是比较常见的方法。分析仅含有二端非线性电阻的非线性动态电路时，可以采用分段线性化方法，用较简单的分段线性函数来逼近非线性电阻的电压电流非线性关系，从而可以用解析的方法求出较简单的非线性电路的解，并能定量的考察一些参数变化对电路响应的影响。分析电路时，无论是线性还是非线性电路，实验方法是很重要的研究方法。电路理论分析正确与否，应该以事实为准则。除了理论分析和物理实验外，我们还可以采用电路的数字仿真方法。2.3 结论 首先，为什么选择三极管作为切入点呢？答案其实也很简单，对于线性电路来说，可以使用的元件基本上都是纯线性元件，如线性电阻，电容，电感等，而运算放大器作为一个线性元件，在线性电路的使用也要注意其使用时的电压范围。运算放大 器内部是由三极管、二极管等非线性元件构成的，如图所示： 图2-1 运算放大器符号及其内部结构 由于所用到的作用是运算放大器，所以主要用到三极管工作状态中的放大工作状态，也就是输出特性曲线中的线性放大区，而对于输入特性曲线，输入电压也必须大于三极管的门限电压0.7V（硅管），让曲线进入正向工作区，不能让输入特性曲线落在死区。而对于非线性电路，三极管更多的是作为一个开关来进行工作，比如应用非线性电路的功率放大器，数字门电路等，在这些电路中，三极管更多的是用其特性曲线的饱和区和截止区，在饱和区时输出高电平而在截止区时输出低电平，而非线性电路也正是靠三极管的这些特性才能完成既定的任务。而从输入信号的大小，也能看出线性电路与非线性电路的联系。小信号条件下，由于输入信号足够小，电路可以用线性等效电路表示，如线性电子线路部分讨论过的各种小信号放大器。器件的特性，归属线性电子线路。而在大信号条件下，由于输入信号较大，必然涉及到器件的非线性部分，例如功率放大器，这样就不能用线性等效电路表示电子器件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以功放归在非线性电子线路的范畴。线性电路与非线性电路的比较：表2-1非线性电路线性电路构成由非线性元件构成的电路由线性元件构成的电路电路特点l 输入、输出伏安特性为曲线l 参数不是一个常数，且其值与外加电压或通过的电流大小有关l 能够产生新的频率分量，具有频率变换作用；l 非线性电路分析上不适用叠加定理，当作用信号很小，工作点取得适当时，非线性电路可近似按线性电路进行分析；l 非线性电路具有能量变换的作用，能将小信号放大；l 稳态不唯一，易产生自激振荡；l 伏安特性曲线为直线l 满足欧姆定理，戴维南定理，叠加定理特勒根和互易定理；l 电路中参数为恒定值，它不随外界电压或电流的变化而变化应用调制电路频率转换电路放大器数字门电路，存储器避雷器的非线性特性表现为高电压下电阻值变小，这可用于保护雷电下的电工设备实验分析；信号放大（要求无失真）；工程上采用分段线性的方法分析非线性电路；甲类功率放大器；优点可以实现能量的变换，使小信号的能力增大，便于传输；频率变换，实现了通信系统中对信号的调制，以使信号更有效、可靠的传输；由于叠加定理，使得某些量在经过线性系统之后，可以无失真的传输（如数据，图像等信号）元件非线性电阻，有源器件，半导体器件（二极管、三级管、MOS管等）；线性电阻、电容、电感、运算放大器 非线性电路由于其具有稳态不唯一 ，有自激振荡，跳跃现象，谐波，混沌等特点，所以通信领域，医学领域，电子领域以及一些前沿领域都有很大的用处。而线性电路拥有无失真传输的特点，所以在短途通信领域作用比较大。第三章、数字电路与模拟电路表3-1模拟电路数字电路处理信号模拟信号时间和幅度都连续的信号（连续的含义是在某以取值范围那可以取无穷多个数值）数字信号时间离散变化的信号电路结构多种元器件构成的电路各种门电路特点l 电压.电流.频率，周期的变化是互相制约的；l 可以在大电流高电压下工作l 模拟电路在电路中对信号的放大和削减是通过元器件的放大特性（如三极管）来实现操作的；l 电压.电流.频率.周期的变化是离散的；l 只是在小电压，小电流底功耗下工作，完成或产生稳定的控制信号；l 数字电路是对信号的传输是通过开关特性（如三极管）来实现操作的l 实现简单，系统可靠l 集成度高、功能实现l 同时具有算术运算和逻辑运算功能应用运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等数字电路与数字电子技术广泛的应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术各个领域联系摸拟电路是为数字电路供给电源而又完成执行机构的执行。而数字电路是通过它特有的逻辑运算来完成整个电路的操作过程；通过A/D、D/A将模拟信号与数字信号相联系，使得信号处理、传输等系统设备更加完善，促进了电子技术的发展 3.1 浅谈模拟电路：电子管1904年 ，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。晶体管1947年12月，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。 20世纪最初的10年，通信系统已开始应用半导体材料。20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机，就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。在经历了半导体行业历史上最不景气的2001年后，2002年曾被认为将迎来复苏。如今很多分析家提交的报告都表明：2002年半导体业的销售额仅增长了1%，预计市场最终将在2003年起动。不过，模拟和混合信号领域并未像半导体业的其他领域一样历经艰辛。根据iSuppli公司的预测，2002年模拟IC的销售额可望达到277.52亿美元，2003年将增长至307.76亿美元。虽然模拟和混合信号器件在本质上与数字器件有着很大的不同，但两者的发展趋势是保持一致的，即朝着更高的速度和性能方向发展。推动模拟和混合信号器件发展的主要动力是人们对更高的精度、线性以及更小失真的向往。同时，市场也在寻求操作功率更低且封装更小的产品。在数字化高速发展的今天，模拟电子技术依然有它的优势，依然稳定的向前发展，继续为人类创造着奇迹。3.2 浅谈数字电路：数字电路是以二值数字逻辑为基础的，其工作信号是离散的数字信号。电路中的电子晶体管工作于开关状态，时而导通，时而截止。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。 数字集成器件所用的材料以硅材料为主，在高速电路中，也使用化合物半导体材料，例如砷化镓等。 逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路 。TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。随着CMOS工艺的发展,TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势。 近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。随着数字技术的迅猛发展，在半导体工艺、平版印刷、金属化和封装等技术进步的支持下，比以往更快、更复杂的数字电路正在成为现实。运算速度高达3GHz、集成了近1亿个晶体管的64位微处理器即为一例。有些DSP可提供数千兆浮点运算的吞吐量。动态随机存取存储器（DRAM）已达到512MB的容量和每个I/O引脚上666Mbps的数据传输速率。快闪存储器的容量达到了12GB。某些ASIC所具有的门电路的数量超过了一千万，而FPGA目前则宣称具有三百万个门电路和数GHz的I/O端口。图 3-1 数模实验箱图3-2细胞模拟电路15图3-3 数字电路中的芯片四、致谢 这次研究性学习我