大连理工大学,机械工程学院,机械电子学第二章模拟电子

第二章模拟电子技术基础2.1.1半导体的基本知识2.1基本半导体元件受外界热和光的作用往纯净的半导体中掺入某些杂质本征半导体：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。导电能力明显变化N型半导体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）的自由电子带负电，所以成为N（Negative）型半导体。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），该

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P（Positive）型半导体。P型半导体在同一片半导体基片上，分别制造P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成了PN结。2.1.2PN结及半导体二极管PN结正向偏置：P区加正、N区加负电压PN结反向偏置：P区加负、N区加正电压将PN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），N区对应的称为阴极（或负极）。阳极阴极伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR二极管的应用是主要利用它的单向导电性，应用于整流、限幅、保护等场合。理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例

(1)二极管半波整流2.1.3光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加2.1.4发光二极管(LED)有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。

发光二极管的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6V~1.8V，绿色的约2V。2.1.5双极型晶体管（三极管）——BJTBipolarJunctionTransistorBECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极发射结集电结BECNPN型三极管BECPNP型三极管ICE与IBE之比称为（共射）电流放大倍倍数要使三极管管能放大电电流，必须使发射射结正偏，，集电结反反偏。输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A输出特性三三个区域的的特点:放大区：发射结正偏偏，集电结结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正偏偏，集电结结正偏。即：UCEUBE，IB>IC，UCE0.3V(3)截止区：UBE<死区电压，，IB=0，IC=ICEO0在模拟电路路中，总是是希望三极极管工作在在放大区，，而在数字字电路中，，总是希望望三极管工工作在饱和和导通区或或截止区。。2.1.5

单极型晶体管（场效应管）——FETFieldEffectTransistor场效应管按按其结构的的不同可分分为:结型场效应应管(JFET)——JunctionFET绝缘栅型场场效应管(IGFET或MOS)——InsulatedGateFETMetal-Oxide-Semiconductor场效应管管是利用用输入回回路的电电场效应应来控制制输出回回路电流流的一种种半导体体器件，，它仅靠靠半导体体中的多多数载流流子导电电，所以以又称为为单极型型晶体管管。温度度稳定性性好，阻阻抗高。。NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型型场效应应管DGSDGS2.1.5.1结型场效效应管:PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型型场效应应管DGSDGS工作原理理（以P沟道为例例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，，UGS越大则耗耗尽区越越宽，导导电沟道道越窄。。PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定定值时（（夹断电压压VP）,耗尽区碰碰到一起起，DS间被夹断断，这时，即即使UDS0V，漏极电流流ID=0A。ID特性曲曲线（（以P沟道为为例））UGS0IDIDSSVP饱和漏漏极电电流夹断电电压转移特特性曲曲线一定UDS下的ID-UGS曲线预夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区区输出特特性曲曲线0N沟道结结型场场效应应管的的特性性曲线线转移特特性曲曲线UGS0IDIDSSVP输出特特性曲曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结结型场场效应应管的的特性性曲线线2.1.5.2绝缘缘栅栅场场效效应应管管:PNNGSDP型基基底底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型型N沟道耗尽型型PNNGSD预埋了导电电沟道GSDNPPGSDGSDP沟道增强型型P沟道耗尽型型NPPGSDGSD预埋了导电电沟道别名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一种大功率半导导体器件，，出现于70年代。它的的出现使半半导体器件件由弱电领领域扩展到到强电领域域。特点：体积小、重重量轻、无无噪声、寿寿命长、容容量大（（正向平均均电流达千千安、正向向耐压达数数千伏）。。应用领域：：整流（交流流直流）逆变（直流流交流）变频（交流流交流）斩波（直流流直流）此外还可作作无触点开开关等。2.2晶闸管（Thyristor）A（阳极）P1P2N1三个

PN结N2四层半导体K（阴极）G（控制极））2.2.1工作原理符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK示意图APPNNNPGKigß1igß2ß1igKAGT1T2由二个三三极管组组成的电电路等效效1.若只加UAK正向电压压，控制制极不加加触发电电压，两两三极管管均不能能导通，，即晶闸闸管不通通。导通过程程2.当UAK>0且UGK>0时，晶闸闸管迅速速导通。。GKAT1T2i

b1ic2i

c1i

gi

b2

T1放大T2放大

Ig(Ib1)━→Ic1(β1*Ib1)━→Ib2━→Ic2(β１*β２*Ib１)

晶闸管导导通后，，Ｕak(ＡＫ之间间的压降降很小)。不管ＵＵgk存在与否否,晶闸管仍仍将导通通。3.晶闸管导导通后，，去掉电电压UGK，依靠正反反馈，晶闸管仍仍维持导导通状态态；4.晶闸管截截止的条条件：晶闸管的A、K两极间加反向电压，或开始工作时就不加触发信号（即令UGK

=0），晶闸管则不能导通；（1）（2）晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，致使晶闸管中的电流减小到维持电流（IH）以下，正反馈失效，晶闸管截止。tu2tuGtuLtuT：控制角：导通角u1u2uTuLAGKRLuG单相半波波可控整整流电路路当系统处处在深度度调速状状态，即即在较低低速运行行时，晶晶闸管的的导通角角很小，，使得系系统的功功率因数数很低，，并产生生很大的的谐波电电流，引引起电网网电压波波形畸变变，殃及及附近的的用电设设备。如如果采用用晶闸管管调速的的设备在在电网中中所占的的容量比比重比较较大，就就会造成成所谓的的“电力力公害””，在这这种情况况下，必必须增设设无功补补偿和谐谐波滤波波装置。。＋－u－u+uo－＋＋

u－

u+

uoAo国际符号号国内符号号2.3集成运放放集成运算算放大器器的基本本构成开环差模模电压放放大倍数数Aod无外加反反馈回路路的差模模放大倍倍数。一一般在105107之间。理想运运放的Aod为。2.3.2集成运放的主主要性能指标标差模输输入信信号：：ui1=-ui2=ud（大小小相等等，极极性相相反））任意输输入的的信号号:ui1,ui2，都可可分解解成差差模分分量和和共模模分量量。差模分量:共模分量:共模抑抑制比比(CMRR)例:Ad=-200Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR——CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR(dB)=(分贝)2.3.4电压传传输特特性运放工工作在在线性性区时时，Uo＝Aod(UP－UN)，由于于开环环电压压放大大倍数数Aod很高，，输入入很小小的信信号也也足以以使输输出电电压饱饱和，，另外外干扰扰信号号也会会使输输出难难于稳稳定。。所以以，要要使运运算放放大器器稳定定工作作在线线性区区，必必须引引入深深度负负反馈馈。2.4电路中中的负负反馈馈若引回回的信信号削削弱了了输入入信号号，就就称为为负反馈馈。若引引回的的信号号增强强了输输入信信号，，就称称为正反馈馈。基本放大电路Ao反馈回路F+–负反馈馈放大大器的的闭环环放大大倍数数当AoF>>1时，当AoF>>1很大时时（深深度负负反馈馈），，负反反馈放放大器器的闭闭环放放大倍倍数与与运放放本身身的开开环差差模放放大倍倍数无无关，，只与与反馈馈网络络有关关。即即负反反馈可可以稳稳定放放大倍倍数。。虚短路路虚开路路2.5基本运运算电电路ri大:几十k几百kKCMRR很大ro小：几几十几百Ao很大:104107理想运放：ri

KCMMRR

ro

0Ao

i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虚短路路虚开路路2.5.2反相比比例运运算电电路虚开路RP为平衡电阻RP=R1//R22.5.3同相比例运运算电路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui虚短路虚开路虚开路_++uiuo此电路是电电压串联负负反馈，输输入电阻大大，输出电电阻小，在在电路中作作用与分离离元件的射射极输出器器相同，但但是电压跟跟随性能好好。2.5.4电压跟随器器i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1调节反相求求和电路的的某一路信信号的输入入电阻，不不影响其它它支路输入入电压和输输出电压的的比例关系系，调节方方便。2.5.5反相求和运运算此电路如果果以u+为输入，，则输出为为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2注意：同相求和电电路的各输输入信号的的放大倍数数互相影响响，不能单单独调整。。2.5.6同相求和运运算R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虚短路虚开路虚开路2.5.7单运放的加加减运算电电路_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：单运放的加加减运算电电路的特例例：差动放放大器2.5.8双运放的加加减运算电电路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R6例：A/D变换器要求求其输入电电压的幅度度为0~+5V，现有信号号变化范围围为-5V~+5V。试设计一一电平抬高高电路，将将其变化范范围变为0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5Vuo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k2.5.9三运放电路路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：三运放电路路是差动放放大器，放放大倍数可可变。由于输入均均在同相端端，此电路路的输入电电阻高。uo2uo1R1R1–+AR2