大连理工大学,机械工程学院,机械电子学第二章模拟电子技术基础

1、第二章第二章 模拟电子技术基础模拟电子技术基础2.1.1 2.1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.1 2.1 基本半导体元件基本半导体元件受外界热和光的作用受外界热和光的作用往纯净的半导体中掺往纯净的半导体中掺入某些杂质入某些杂质本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。最多的半导体是硅和锗。最多的半导体是硅和锗。导电能力明导电能力明显变化显变化N N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），自在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），自由电子浓度远大于空穴浓度。因为多数载流子（多子）的自由电子浓度远大于空穴浓度。

2、因为多数载流子（多子）的自由电子带负电，所以成为由电子带负电，所以成为N（Negative）型半导体。）型半导体。杂质半导体杂质半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），该该 型半导体中空穴是多子，电子是少子。因为多子的空型半导体中空穴是多子，电子是少子。因为多子的空穴带正电，所以成为穴带正电，所以成为P P（PositivePositive）型半导体）型半导体。P P 型半导体型半导体在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形型半导体，经过

3、载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了成了PN 结。结。2.1.2 PN2.1.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管uPN 结正向偏置：结正向偏置： P 区加正、区加正、N 区加负电压区加负电压uPN 结反向偏置：结反向偏置： P区加负、区加负、N 区加正电压区加正电压将将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。P区对应的称为阳极（或正极），区对应的称为阳极（或正极），N区对应的称为阴极区对应的称为阴极（或负极）。（或负极）。阳极阴极伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.

4、60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR二极管的应用二极管的应用是主要利用它的单向是主要利用它的单向导电性，应用于整流、导电性，应用于整流、限幅、保护等场合。限幅、保护等场合。理想二极管：理想二极管：死死区电压区电压=0 ，正，正向压降向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例 (1)二极管半波整流二极管半波整流2.1.3 2.1.3 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加2.1.4 2.1.4 发光二极管发光二极管(LED)(LED)有正向电流流过时，有正向电流流过时，发出一

5、定波长范围的光，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极它的电特性与一般二极管类似。管类似。 发光二极管的开启电压比普通二极管的大，红色的发光二极管的开启电压比普通二极管的大，红色的在在1.6V1.8V，绿色的约，绿色的约2V。2.1.5 2.1.5 双极型晶体管（三极管）双极型晶体管（三极管）BJTBJTBipolar Junction TransistorBECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极

6、发射结发射结集电结集电结BECNPN型三极管型三极管BECPNP型三极管型三极管ICE与与IBE之比称为之比称为（共射）（共射）电流放大倍数电流放大倍数要使三极管能放大电流，要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，必须使发射结正偏，集电结反偏。集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点:放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 即：即： IC= IB , 且且 IC = IB(2) 饱和区：饱和区：发射结

7、正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。 即：即：UCE UBE ， IBIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区： UBE 0 0且且UGK0 时，晶闸管时，晶闸管迅速导通。迅速导通。GKAT1T2i b1ic2i c1i gi b2T1放大放大T2放大放大Ig(Ib1)Ic1(1*Ib1)Ib2Ic2(*Ib)晶闸管导通后，晶闸管导通后，ak(之间的压降很小之间的压降很小)。不管不管gk存在与否存在与否,晶闸管仍将导通。晶闸管仍将导通。3.3.晶闸管导通后，去掉电压晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管仍维持导通状态；4.4.晶闸管截止的

8、条件：晶闸管截止的条件：晶闸管的晶闸管的A、K两极间加反向电压，两极间加反向电压，或开始工作时或开始工作时就不加触发信号（即令就不加触发信号（即令UGK = 0 ），），晶闸管则不能晶闸管则不能导通导通；（1）（2）晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须减小减小UAK，或加大回路电阻，致使晶闸管中的电流，或加大回路电阻，致使晶闸管中的电流减小到维持电流（减小到维持电流（I IH H）以下，正反馈失效，晶闸管）以下，正反馈失效，晶闸管截止。截止。tu2tuGtuLtuT ：控制角：控制角 ：导通角：导通角u1u2uTuLAGKRLuG单相半波可控整流电路单相半波可控

9、整流电路 当系统处在深度调速状态，即在较低速运当系统处在深度调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生很大的谐波电流，引起电网因数很低，并产生很大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管调速的设备在电网中所占的容量比重用晶闸管调速的设备在电网中所占的容量比重比较大，就会造成所谓的比较大，就会造成所谓的“电力公害电力公害”，在这，在这种情况下，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。种情况下，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。uu+ uo u u+ uoAo国际符

10、号国际符号国内符号国内符号2.3 2.3 集成运放集成运放集成运算放大器的基本构成集成运算放大器的基本构成开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod 无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Aod为为 。2.3.2 2.3.2 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标差模输入信号：差模输入信号： ui1 =- ui2 =ud （大小相等，极性相反）（大小相等，极性相反）任意输入的信号任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量，都可分解成差模分量和共模分量。和共模分量。差模分量差模分量:221i

11、iduuu共模分量共模分量:221iicuuu共模抑制比共模抑制比(CMRR)例例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)cdAAcdAAlog202.3.4 电压传输特性电压传输特性 运放工作在线性区时，运放工作在线性区时，UoAod ( UPUN)，由于开环，由于开环电压放大倍数电压放大倍数Aod很高，输入很小的信号也足以使输出电压很高，输入很小的信号也足以使输出电压饱和，另外干扰信号也会使输出难于稳定。所以，要使运算饱和，

12、另外干扰信号也会使输出难于稳定。所以，要使运算放大器稳定工作在线性区，必须引入深度负反馈。放大器稳定工作在线性区，必须引入深度负反馈。2.4 2.4 电路中的负反馈电路中的负反馈若引回的信号削弱了输入信号，就称为若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈负反馈。若引。若引回的信号增强了输入信号，就称为回的信号增强了输入信号，就称为正反馈正反馈。基本放大基本放大电路电路AodXoX反馈回路反馈回路FfXiX+111ooFfifddoooXXAXXXXXFAXX1ooAA F负反馈放大器的闭环放大倍数负反馈放大器的闭环放大倍数当当 AoF 1时，时，当当 AoF 1 很大时（深度负反馈），负反馈放大

13、器很大时（深度负反馈），负反馈放大器的闭环放大倍数与运放本身的开环差模放大倍数无关，只的闭环放大倍数与运放本身的开环差模放大倍数无关，只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。FAAAooF1FAF1oAir虚短路虚短路PNuu 0iI虚开路虚开路2.5 2.5 基本运算电路基本运算电路 ri 大大: 几十几十k 几百几百 k KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMMRR ro 0 0Ao 0uui1= i221RuRuoi21oiRuuR uo_+ + R2R1R

14、Puii1i2虚短路虚短路虚开路虚开路2.5.2 2.5.2 反相比例运算电路反相比例运算电路虚开路虚开路R RP P为为平衡电阻平衡电阻RP =R1 / R22.5.3 同相比例运算电路同相比例运算电路_+ + R2R1RPuiuou-= u+= ui12RuRuuiio21(1)oiRuuR虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路_+ + uiuoiouuuu此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。随性能好。2.5.4 电压跟随器

15、电压跟随器0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其它支路输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。它支路输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。2.5.5 反相求和运算反相求和运算FPR/R/RR1211此电路如果以此电路如果以 u+ 为输入为输入 ，则输出为：则输出为：uRRuFo)1 (1-R1RF+ui1uoR21R22ui2222112121222122(1)()FoiiRRRuuuRRRRR 注意：注意：同相求和

16、电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。22221211222122iiuRRRuRRRu2.5.6 同相求和运算同相求和运算22211R/RR/RFR2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6)(4433643RuRuR/R/Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路)()111(44332211511122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio643521R/R/RR/R/R2.5.7 单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路643521R/R/RR

17、/R/R_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器单运放的加减运算电路的特例：差动放大器2.5.8 双运放的加减运算电路双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R625461213FFR/R/RR,R/R/RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo例：例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现，现有信号变化

18、范围为有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo = 0.5ui+2.5 Vuo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) V_+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k ) 5( 5 . 0) 5(20101iiouuu) 5( 5 . 020201ioouuu2.5.9 三运放电路三运放电路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+1 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚短路：虚开路：虚开路：)(21212iiWWouuRRRRRu三运放电路是差动放三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。此电路的输入电阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1+AR2R2uo+例：例：由三运放放大器组成的温度测量电路。由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt