电子电路基础(北邮)

电子电路基础，林主编，目录，第1章半导体器件基础，第2章放大器电路分析基础，第3章放大器电路频率特性分析，第4章场效应管放大器电路特性分析，第5章负反馈放大器电路，第6章功率放大器电路，第7章差分放大器电路，第8章运算放大器和电压比较器，第9章正弦波振荡器，第10章DC电源，北京邮电大学出版社， 第一章半导体器件基础，1.1半导体及其特性，1.2PN结及其特性，1.3半导体二极管，1.4半导体三极管及其工作原理，1.5三极管的共同发射特性曲线和主要参数，北京邮电大学出版社，1.1半导体及其特性，1.1.1本征半导体及其特性定义：纯半导体通过某种工艺过程制成单晶，称为本征半导体。 晶体中的共价键有很强的结合力。在正常温度下，只有少数价电子被热激发以获得足够的能量，这些能量脱离共价键，成为自由电子。与此同时，共价键上留下了一个洞。北京邮电大学出版社，1.1半导体及其特性，粒子携带电流称为载流子。在本征半导体中，自由电子和空穴是载流子，这是半导体传导的特殊性质。半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是恒定的，自由电子和空穴的浓度是相等的。北京邮电大学出版社，1.1半导体及其特性，1.1.2杂质半导体及其特性定义：掺杂杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺杂杂质元素的不同，可以形成N(负)型半导体和P(正)型半导体。北京邮电大学出版社，1.1半导体及其特性，N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素，如磷、砷和钨，使每一种五价元素取代晶体中四价元素的位置，形成N型半导体。因为五价元素很容易贡献一个电子，所以它们被称为施主杂质。北京邮电大学出版社，1.1半导体及其特性在N型半导体中，由于引入了五价元素，自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导体中的传导主要由电子控制，所以自由电子是大部分拖缆，缩写为子。空穴是少数载流子，缩写为少数载流子。杂质原子被称为施主原子，因为它们能提供电子。北京邮电大学出版社，1.1半导体及其特性，P型半导体：在本征半导体中掺入少量三价元素，如硼、铝和铟，以取代晶体中四价元素的位置，形成P型半导体。因为杂质原子中的空位吸收电子，所以它们被称为受体杂质。在P型半导体中，空穴是许多电子，自由电子是很少的电子，它们主要由空穴传导。北京邮电大学出版社，1.2PN结及其特性，1.2.1PN结原理利用不同的掺杂工艺将P型半导体和N型半导体制作在一起，使两种杂质半导体在接触处保持晶格连续性，在界面处形成PN结。北京邮电大学出版社，1.2PN结及其特点。在PN结中，因为P区中的空穴浓度比N区中的高得多，所以P区中的空穴穿过界面向N区移动。同时，自由电子在N区的浓度远高于在P区的浓度。N区的电子越过边界向P区移动。在半导体物理学中，这种运动被称为扩散运动。北京邮电大学出版社，1.2PN结及其特性，自由电子扩散到P区co北京邮电大学出版社，1.2PN结及其特性，1.2.2PN结电导率PN结在施加直流电压时处于导通状态，在施加反向电压时处于截止状态。北京邮电大学出版社出版的1.3半导体二极管，是用外壳封装PN结，加上电极引线而成，简称二极管。一般来说，定量分析电子器件特性有三种方法，即特性曲线图法、解析表达式法和参数表达式法。北京邮电大学出版社，1.3半导体二极管，1.3.1二极管特性曲线，二极管上施加反向电压。当电压值小时，电流值极小，其电流值为反饱和电流is。当反向电压超过一定值时，电流开始急剧增加，这称为反向击穿，这个电压称为二极管反向击穿电压，用符号UER表示。北京邮电大学出版社，1.3半导体二极管，反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿根据机理。在高掺杂浓度的情况下，因为势垒区的宽度非常小并且反向电压很大，势垒区中的共价键结构被破坏，价电子从共价键中释放出来并且产生电子-空穴对，导致电流急剧增加。这种击穿称为齐纳击穿。另一个故障是雪崩故障。当反向电压增大到一个较大的值时，外加电场加速了少数载流子的漂移速度，从而与共价键中的价电子碰撞，将价电子从共价键中敲出来，产生新的电子-空穴对。新产生的电子空穴被电场加速，然后与其他价电子碰撞，载流子雪崩增加，导致电流急剧增加。这种击穿称为雪崩击穿。北京邮电大学出版社，1.3.2二极管特性的解析表达式。理论分析表明，二极管的伏安特性表达式为：其中is为反饱和电流，Q为电子电量，其值为1.60210-19库仑。K为玻尔兹曼常数，其值为1.3810-23J/K；T是绝对温度，在常温下(20C)相当于k=令，二极管的伏安特性表达式为：北京邮电大学出版社，1.3.3二极管的等效电阻，DC等效电阻也叫静态等效电阻。如图1-9所示，DC电压UQ被施加到二极管的两端以产生DC电流IQ。此时，DC等效电阻RD被定义为交流等效电阻，其指示当二极管的DC工作点被确定时由二极管产生的交流电流和交流电压之间的关系。在DC操作点q，交流电压u被施加到二极管以产生交流电流I。交流等效电阻rD被定义为：北京邮电大学出版社，1.3.3二极管的等效电阻。当二极管上的DC电压UD足够大时，二极管在DC工作点q的交流等效电阻rD为，1.3.3二极管的等效电阻，图1-9(a)中的q点，称为二极管的DC工作点，对应DC电压UQ和DC电流IQ。当二极管的DC工作点Q被确定时，DC等效电阻RD等于直线OQ斜率的倒数，并且RD的值随着工作点的变化而变化。北京邮电大学出版社，1.3.4二极管的主要参数和器件的参数是用来解释器件特性的数据。为了描述二极管的性能，通常引用以下主要参数：(1)最大整流电流Im: IM:IM长期运行期间允许通过二极管的最大正向平均电流，其值与PN结面积和外部散热条件有关。在规定的散热条件下，如果二极管的平均正向电流超过该值，由于PN结温度过高，二极管会烧坏。(2)反向击穿电压UBR:UBR是二极管反向电流明显增大并超过时的反向电压北京邮电大学出版社，例1-1图10(a)是一个由理想二极管D组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压UD为0，反向击穿电压UBR为，电路的输入电压ui如图10(b)所示。由于二极管的单向导通特性，输出uo的波形如图所示，二极管在输入信号的正半周期导通，在负半周期截止。北京邮电大学出版社，1.3.5齐纳二极管。齐纳二极管是由硅材料制成的表面接触晶体二极管，称为齐纳二极管。当稳压器反向击穿时，端电压在一定的电流范围内(或在一定的功率损耗范围内)几乎是恒定的，并表现出稳压特性。因此，它被广泛应用于稳压电源和限幅电路。电压调节器的伏安特性和符号，北京邮电大学出版社，1.3.5电压调节器二极管，电压调节器的主要参数：(1)稳定电压Uz: Uz是电压调节器在规定电流下的反向击穿电压。(2)稳定电流IZ: IZ:IZ稳压器工作在稳定电压状态时的参考电流。当电流低于该值时，稳定电压效应变坏甚至不稳定。(3)最大稳定电流IZM|:当调压器的电流超过该值时，会因结温上升过高而损坏。(4)动态电阻RD: RD是当电压调节器在稳压区工作时，端电压的电压变化与电流变化之比。rD越小，调节器的稳定性越好。对于不同类型的管道，rD会有所不同，从几欧元到几十欧元不等。对于同一管，工作电流越大，rD越小。北京邮电大学出版社，示例1-3图13是由齐纳二极管DZ和齐纳值UZ组成的电路。设置电路的DC输入电压Ui，并尝试讨论输出Uo的值。解决方案：根据戴维南电源的等效定理，图13的等效定理如图所示。这时，稳压管稳定电压并输出。当时，调节器被切断并输出。所以，什么时候，输出；否则。北京邮电大学出版社，1.4半导体晶体管及其工作原理，1.4.1晶体管的结构和符号，北京邮电大学出版社，1.4.1晶体管的结构和符号，发射区和基极区之间的PN结称为发射结(简称E结)，基极区和集电极区之间的PN结称为集电极结(简称C结)。半导体三极管不是简单地将两个PN结背对背连接起来。关键在于两个PN结的结处的半导体晶体的连续性，中间的小基极区域和非常低的杂质浓度。此外，发射极区的掺杂浓度非常高，其面积比基极区大得多，但比集电极区小。集电极区具有大面积，掺杂浓度比基极区高得多，但比发射极区低得多。北京邮电大学出版社，1.4.2晶体管电流放大原理放大电路的组成图显示了一个由NPN晶体管组成的基本共源共栅放大电路。Ui是交流输入电压信号，它连接到基极-发射极环路，称为输入环路。放大的信号在集电极-发射极环路中，称为输出环路。因为发射极是两个电路的公共端，所以这个电路被称为共发射极放大器电路。为了使三极管工作在放大状态，在输入回路中加入基极DC电源VBB，在输出回路中加入集电极DC电源VCC，VCC大于VBB，因此发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。由PNP三极管组成的基本共源共栅放大器电路如图1-17所示。比较图1-17和图1-16，可以看出，为了使三极管工作在放大状态，需要发射极结的正向偏置和集电极结的反向偏置。因此，在图1-17中，添加到输入环路的基极DC功率VBB和添加到输出环路的集电极DC功率VCC被反转，并且相应的北京邮电大学出版社，当交流输入电压信号ui0时，直流电源VBB和VCC分别作用于放大器电路的输入回路和输出回路，正向偏置发射极结，反向偏置集电极结。因为发射极结被加上直流电压并且大于发射极结的开启电压，所以发射极结的势垒变窄，并且因为发射极区中的杂质浓度高，大量自由电子由于扩散运动而连续穿过发射极结到达基极区，从而形成发射极电流IE。由于小的基极面积和低掺杂浓度，只有一小部分从发射极区扩散到基极区的电子与空穴复合，形成基极电流IB。因此可以看到IBIB(比它大10多倍)。三极管基极电压UB几乎不受基极电流IB的影响，UB可以认为是由Rb1和Rb2决定的。因此，IB对基极电压UB的影响被忽略。基极电压UB为，北京邮电大学出版社，三极管DC模型2.3.1，静态工作点估算。利用三极管的DC模型，三极管的发射极电压UE为发射极电流IEQ，基极电流IBQ为三极管之间的电压UCEQ，北京邮电大学出版社，例2-1在图2-20(a)所示的直接耦合放大电路中，导通电压UD=0.7V，=100，输出特性曲线如图2-20(b)所示，VCC=12V，Rb1=15.69k，Rb2=1k，RC=3k。尝试计算其工作点，绘制DC载重线，并标记工作点。北京邮电大学出版社第：号决议显示了放大器电路的DC路径，如右图所示，UCEQ=VCC/2，这表明静态工作点更合适。根据电路回路方程，DC负载线满足线性方程UCE=VCC-ICRC，当IC=0时UCE=VCC=12V，当UCE=0时IC=VCC/RC=4mA，因此DC负载线和工作点Q如下图所示。北京邮电大学出版社，2.3.2三极管共发射h参数等效模型，北京邮电大学出版社，2.3.2简化h参数等效模型和rbe表达式，1简化h参数等效模型，北京邮电大学出版社，2.rbe表达式当三极管处于放大状态时，三极管的发射极结可以与q点附近的电阻等效，其等效结构如图(a)所示。三极管输入环路的等效电路如图(B)所示。北京邮电大学出版社，2.3.2动态参数分析，以图(a)所示的RC耦合共源共栅放大器电路为例，介绍了利用h参数等效电路来分析放大器电路的动态特性。北京邮电大学出版社，1。电压放大系数Auui=iBrbe，uo=-IBRC/RL2。源电压放大系数AS，3。输入电阻RiRi是从放大器电路4的输入端看到的等效电阻。输出电阻Ro首先使源电压为uS0，并向放大器电路的输出端施加电压uo以产生电流iC。由于输出端电压UO不能作用在输入电路上，输入电路中的IB=0，输出电路中的IB=0，因此IC=UO/RC。输出电阻Ro是，北京邮电大学出版社，例2-5是如图(a)所示的基本RC耦合放大器电路。晶体管发射极导通电压UD=0.7V，rbb=133，=100，VCC=12V，RS=1.23k，Rb=377k，RC=2k，RL=2k。电容值足够大。尝试(