模电第一讲和第二讲讲稿（四）

1、模电第一讲和第二讲讲稿 2021年刘刚模电教案1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、139044209 28、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

2、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

3、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。 2021年刘刚模电教案2 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

4、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

5、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 2021年刘刚模电教案3 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。 1.1.3pn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

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1-7pn结正向导通示意图 1-8pn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 2021年刘刚模电教案4所示。 三、pn结伏安特性如图1-9所示。 图1-9pn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。

7、 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）。 2021年刘刚模电教案5 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

8、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

9、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。 2021年刘刚模电教案6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

10、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。 2021年刘刚模电教案7 图2-8微变等效电阻求解图 rd=dvddid，微变信号引起的等效电阻，不能用直流电阻测量仪微变等效电阻器测量。 其中dvd是加到二极管上的变化电压，为输入正弦信号幅值的二倍： dvd=vmax-（-vmax）=2vmax did为变化电压引起的电流变化量，难于测量。rd的估算方法，根据经验公式计算： rd=26（mv）（w）（ma）id 其中id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

11、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vi=3sinwt=3sin2pft=3sin6280t（v）。由于信号幅值为3v，二极管管 2021年刘刚

12、模电教案8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vi=15sinwt=15sin2pft=15sin6280t（v）。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

13、时输入输 2021年刘刚模电教案9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。 2021年刘刚模电教案10 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。 rz=（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