《模拟电子线路》配套教学课件

教材及参考书籍1.《模拟电子线路》杨凌主编清华大学出版社,

2015年第1版2.《模拟电子线路》杨凌编著机械工业出版社，2007年第1版3.《模拟电子技术基础》华成英童诗白主编高等教育出版社，

2006年第4版4.《电子技术基础》(模拟部分)康华光主编高等教育出版社，

2006年第5版5.《模拟电子技术基础》孙肖子张企民编著西安电子科技大学出版社，2001年第1版6.《ElectronicCircuitAnalysisandDesign》(SecondEdition)DonaldA.Neamen，清华大学出版社，2000年12月第1版《模拟电子线路》第1章绪论§1.1引言-电子技术发展简史由于物理学的重大突破,电子技术在20世纪取得了惊人的进步，特别是近40多年来,微电子技术和其他高技术的飞速发展使人类生活的各个领域都发生了令人瞩目的变革。1883年爱迪生发现了热电子效应。1906年美国的LeeDeForest在弗莱明的二极管中放进了第三个电极——栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术史上最重要的里程碑。

1904年弗莱明利用热电子效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，电子二极管首先被用于无线电检波。§1.1引言-电子技术发展简史1939年,约翰·阿塔那索夫(JohnAtanasoff)和克里福德·贝里(CliffordBerry)研制制成功了世界上第一台电子计算机—ABC。它有300多个电子管，用电容充当存储器，采用二进制计数，每15秒完成1个计算操作。ABC§1.1引言-电子技术发展简史1946年,约翰·莫希莱(JohnMauchly)和普莱斯波·埃克特(PresperEckert)在宾夕法尼亚大学建成了当时最大且功能最强的数字电子计算机—ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator)。ENIAC使用了17468个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000个手动开关，500万个焊点，占地167平方米，重达30吨，耗电160千瓦，价格40多万美元。它主要用于氢弹设计和天气预报的计算、宇宙射线和热点火的研究、随机数的产生和风洞设计等。§1.1引言-电子技术发展简史

ENIAC§1.1引言-电子技术发展简史

ENIAC§1.1引言-电子技术发展简史1947年美国贝尔实验室的几位研究人员发明了晶体管

。它的出现，是电子技术之树上绽开的一朵绚丽多彩的奇葩。

WilliamShockley、

JohnBardeenandWalterBrattain§1.1引言-电子技术发展简史1958年,集成电路的第一个样品见诸于世(美国德克萨斯公司)。集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了微电子技术阶段。

JackKilby

RobertNoyce§1.1引言-电子技术发展简史几种集成运放的外形§1.1引言-电子技术发展简史

集成电路芯片的发展基本上遵循了Intel公司创始之一—GordonE.Moore在1965年预言的摩尔定律，即集成电路的集成度每3年增长4倍，特征尺寸每3年缩小2倍。微电子技术的发展和应用使全球发生了第三次工业革命，它大大推动了航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的迅速发展。微电子已成为衡量一个国家科技进步和综合国力的重要标志。

§1.1引言-电子技术发展简史

随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，同时，IC的设计与工艺水平日趋提高，目前已经可以在一个芯片上集成108～109个晶体管。正是在这种需求牵引和技术推动的双重作用下,诞生了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（Sys-temonChip，简称SOC）概念。SOC技术的出现，大大促进了软硬件协同设计及计算机系统设计自动化的发展。微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破，同时也是技术新发展的里程碑。

§1.1引言-电子技术发展趋势多核化

CPU不在靠单一的提高主频来提高性能，而是通过集成更多的核心来提高其性能。现在已经出现了4核CPU，未来将会生产出6核8核甚至更多核心的CPU。

低功耗

人们在追求性能的同时，功耗是不容忽略问题。性能提高的同时必须是以不牺牲功耗为代价的。更低的功耗永远是人类追求的目标，功耗的降低意味着节省电能，更加环保和绿色化，遵循可持续发展原则。

高集成度

CPU集成度会继续提高，目前intel，AMD以及开始将显卡逐步集成在CPU内部。未来会将CPU和GPU整合在一起，生产出性能更进一步的产品；同时CPU将会可能整合内存到CPU片内4.微小化从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。5.生命化现在，人们对电子材料的应用已达到物理极限，即量子理论的极限，因此向DNA芯片发展必将成为电子技术发展的一种新趋势。DNA中包含了生物的大量，是生命信息的ROM、RAM、CPU。因此，将DNA片段固化在硅片上，使之成为DNA芯片，应用在生命信息破译、疾病基因识别、基因药物研制等领域，前景十分可观6.智能化人类一直在追求更加智能化的计算机。它能理解人的语言，以及文字和图形。11

人无需编写程序，靠讲话就能对计算机下达命令，驱使它工作。新一代计算机是把信息采集存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行一般信息处理，而且能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，将能帮助人类开拓未知的领域和获得新的知识。全息投影抬头显示VROLED§1.1引言-电子技术发展趋势无人驾驶数字工业智能家居智能农业智能机器人§1.1引言-结束语

现代电子技术的发展，极大地改变了人们的生产和生活方式，在我们的日常生活中，电子技术无处不在！在科学技术领域,电子技术更是起着龙头作用!在今天，微电子技术已经成为整个信息社会发展的基石。本课程作为电子技术基础课程,将对目前常用的基本电子电路(包括分立元件电路和集成电路)的分析与设计方法进行讨论。§1.2电子系统与信号一、电子系统

所谓电子系统,通常是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。在许多情况下,电子系统必须与其他物理系统相结合,才能构成完整的实用系统。在现代有线通信网中独具特色的传输媒介─光纤,其生产过程是由各个电子系统与机械、动力、热工、激光等多种物理系统组合而成的(参阅图1.1)。§1.2电子系统与信号§1.2电子系统与信号图1.2石英预制棒加热炉温度控制系统方框图高温计加热炉放大滤波取样-保持电压/电流转换数模转换微处理机模数转换§1.2电子系统与信号二、模拟信号和数字信号

模拟信号─

时间连续,数值连续

数字信号─时间离散,数值离散(A/D转换器输出信号)

时间离散,数值连续(取样信号)

时间连续,数值离散(D/A转换器输出信号)

处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。

§1.2电子系统与信号v/Vv/Vv/Vv/V00t/s(a)时间、幅值均连续t/s(b)时间离散、幅值连续（取样信号）t/s(c)时间、幅值均离散

A/D转换器输出信号t/s(d)时间连续、幅值离散

D/A转换器输出信号图1.30§1.3课程的特点及学习方法“模电”是一门理论性、工程性、实践性都很强的课程，与数学、物理课程有着明显的区别，甚至与同为专业基础课的电路课程也有着显著的区别，它与电路课程的主要区别在于:1、采用的数学模型和分析方法不同。“电路”课程采用理想模型和严格计算的方法，而“模电”课程则普遍采用近似模型和工程估算的方法。有人说：“近似估算是电子线路的灵魂”，从工程角度来看，此话并不为过。

2、“电路”课程所涉及到的元器件大都为线性的，而“模电”课程所面对的却是非线性器件。§1.3课程的特点及学习方法3、“电路”课程偏重于为人们提供研究电路的理论和方法，而“模电”课程更偏重于构造实际应用电路的理论及技术。学习“模电”时应注意以下问题：

1、在掌握电路基本理论的同时，注意学会从工程的角度思考和处理问题，学会使用合适的器件模型对电路进行合理的近似分析。

2、勤于思考，注重课后习题训练。

3、注重实践训练。

4、培养全面、辨证地分析问题的能力。应该明白，对于实§1.3课程的特点及学习方法际需求，从实用的角度出发，没有最好的电路，只有最适合的电路。

5、培养对专业的浓厚兴趣，克服学习上的“畏难”情绪。学习的最根本动力来自内因，你既已踏入这个专业，那么去亲近它，去热爱它。如果你对它有所付出，相信它会给予你相应的回报！

第2章半导体二极管及其基本电路§2.0引言

电路器件应用

RichardJ.Valentine─摩托罗拉公司首席工程师“分立半导体器件是大多数电子电路的基本构件,即使对于微型计算机芯片这样的复杂集成电路器件,也是由二极管和晶体管构成的。工程师在开始设计电路之前,不管这个电路是一个普通的家用计算机电源,还是一个含有500万个晶体管的微处理器集成电路,了解其中的单个元器件的工作原理是非常必要的。”§2.0引言“每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计者更快地选择正确的元器件.花时间学习每种分立半导体器件如何工作,以及它们与其他元件如何相互作用,最终会得到回报的.”“任何电子类职业都会涉及到半导体器件的应用甚至设计.掌握半导体器件的基本知识,无论对于那些测试二极管、晶体管以及微电路芯片的技工,还是那些将半导体器件设计到电子设备中的工程师来说,都是非常重要的.”§2.1半导体的基本知识

半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间

(10－3～109Ω·cm).

硅(Si)

和锗(Ge)

是常用的半导体材料,它们广泛用于半导体器件和集成电路中,其他半导体材料用在特殊的领域中,例如砷化镓(GaAs)及其相关化合物用在特高速器件和光器件中.一、本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体.

本征半导体呈电中性.

§2.1半导体的基本知识+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴图2.1图2.2本征激发§2.1半导体的基本知识

ni=pi=AT3/2e－Eg0/2kT

（2-1）

3.88×1016cm－3K－3/2（Si）

1.76×1016cm－3K－3/2（Ge）

1.21eV（Si）

0.785eV（Ge）

k(玻尔兹曼常数)=8.63×10－5eV/KT↑→ni↑，T=300K，ni(Si)

≈1.5×1010cm－3ni(Ge)

≈2.4×1013cm－3

T—(热力学温度，单位K)A(材质常数)=Eg0(禁带宽度)=§2.1半导体的基本知识

硅本征半导体中自由电子的浓度为

1.5×1010cm－3,看上去似乎很大,但和硅原子的浓度4.96×1022cm－3相比还是很小的.所以,本征半导体的导电能力很弱(本征硅的电阻率约为2.2×105Ω·cm).

二、杂质半导体掺有杂质的半导体称为杂质半导体.在掺杂过程中,通过控制自由电子和空穴的浓度,来控制半导体的导电性能.

杂质半导体依然呈电中性.§2.1半导体的基本知识

1.N型半导体

多子:自由电子

少子:

空穴

+4+5+4+4+4磷施主杂质图2.3+4+3+4+4+4硼受主杂质图2.4

2.P型半导体

多子:空穴

少子:自由电子

§2.1半导体的基本知识在热平衡条件下n0p0=ni2（2-2）

N型半导体n0=Nd+ni≈Nd（2-3）

Nd—施主原子浓度

.P型半导体p0=Na+ni≈Na（2-4）

Na—受主原子浓度

.(1)掺杂后,多子浓度都将远大于少子浓度.且少量掺杂,载流子就会有几个数量级的增加,即导电能力显著增大.§2.1半导体的基本知识(2)在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与温度无关(3)在杂质半导体中,少子浓度随温度升高而显著增大.少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因.三、两种导电机理—漂移和扩散

1.漂移和漂移电流在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运动,这种定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流.§2.1半导体的基本知识图2.5+V-EIIJt=Jpt+Jnt=q(pμp+nμn)

E

=σE（2-5）2.扩散和扩散电流因载流子的浓度差引起的载流子的定向运动称为扩散运动,相应产生的电流称为扩散电流.§2.1半导体的基本知识N型硅半导体n0≈p0n(x)p(x)图2.60xJd=Jpd+Jnd

（2-6）dp(x)Jpd=－qDpdxdn(x)dn(x)Jnd=－(－q)Dn

=qDndxdx

由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流.扩散系数§2.2PN结

当P区和N区连接在一起构成PN结时,半导体的现实作用才真正发挥出来.一、PN结的形成

1.形成过程图2.7空间电荷区P+x=0N－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－E耗尽层(阻挡层)§2.2PN结

阻碍多子扩散载流子浓度差→多子扩散→空间电荷区利于少子漂移形成一定厚度的PN结动态平衡2.内建电位差NaNdVB≈VTln(27)ni2其中:

VT≈26mVNa↑Nd↑ni↓→VB↑（势垒电压）（热电压）§2.2PN结室温下(T=300K)VB(Ge)≈0.2～0.3VVB(Si)≈0.5～0.7V－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－图2.8xxn－xpVP+NOVB3.阻挡层宽度xnNal0=xn+xp

=

(2-8)xpNdT↑1。CVB↓2.5mV§2.2PN结二、PN结的伏安关系VF+－图

2.9VB－VFVl0P+NlxOVB图2.10VB+VRVl0VR－

+P+NlxOVB§2.2PN结1、正偏

l＜l0，ID＞ITIF2、反偏

l＞l0，ID＜

ITISOvD/V←TiD/mAVBRIS(Si)≈(10－9～10－16)AIS(Ge)≈(10－6～10－8)A(Na、Nd)↑→IS

↓T↑→IS

↑图

2.11PN结伏安特性曲线PN结具有单向导电性.§2.2PN结ID=IS(e

－1)VDVT→VDVTID

≈ISe(2-9)(2-10)IDID或

VD

≈VTln=2.3VTlgISIS

3、V-I关系的数学表达式I2I1I2V2－V1=2.3VTlg

－2.3VTlg

=2.3VTlg

(2-11)

ISISI1VD(on)≈0.7V(Si)VD(on)≈0.25V(Ge)当VD＞VD(on)

时,PN结正向导通.VD

每增加60mV,

ID将按10的幂次方迅速增大.§2.2PN结4、温度特性

温度每升高10oC,IS约增加一倍.

温度每升高1oC,VD(on)约减小2.5mV.当

VD＜0且

VD

>>VT时,→0eVDVTID≈－ISTmax=(150～200)oC(Si)(75～100)oC(Ge)5、击穿特性

电击穿(可逆)

热击穿(不可逆)雪崩击穿(低掺杂PN结,VBR＞6V

)齐纳击穿(高掺杂PN结,VBR＜6V

)§2.2PN结(1)、雪崩击穿PNPN结接电源负极接电源正极12231223图

2.12电子空穴碰撞电离电子-空穴对碰撞电离电子-空穴对…载流子倍增§2.2PN结三、PN结的电容特性

1、势垒电容CB(2)、齐纳击穿E↑(2×105V/cm)电子-空穴对场致激发载流子剧增P+NP+N图

2.13(a)势垒电容充电(b)势垒电容放电§2.2PN结

反偏时,CB较大.2、扩散电容CD

正偏时,CD较大.3、结电容CjCj=CB+CD

正偏时,Cj≈CD(几十pF到几千pF)

反偏时,Cj≈CB(几pF到几十pF)

f较大时，Cj影响显著xnx－xpOpn0np0△Qsn△QSPVF+－P+N图

2.14§2.3二极管一、结构、分类、符号§2.3二极管§2.3二极管1

、结构点接触型:结面积小,极间电容小,不能承受高的反向电压和大的电流,适于做高频检波和开关元件用.2AP1(IF=16mA,f=150MHz)面接触型:结面积大,极间电容也大,适于做整流用,但不宜用于高频电路中.2CP1(IF=400mA,f=3kHz)平面型:集成电路中的常用形式.2

、分类§2.3二极管

按材料分类:硅管、锗管、砷化镓管等;

按用途分类:检波二极管、开关二极管、特殊二极管等;

按工作频率分类:高频管、低频管等;

按输出功率分类:大功率管、中功率管、小功率等.3

、符号二、V-I特性OvD/VGeiD/mAiD/μASi图

2.16§2.3二极管§2.3二极管三、主要参数

1、最大整流电流IF2、反向击穿电压VBR3、反向电流IR4、极间电容Cj5、最高工作频率f

6、直流电阻RD和交流电阻rd四、电路模型

1、理想模型

2、恒压降模型vD/VOiD/mA(a)vD/VOiD/mA(b)0.7V+－§2.3二极管3、折线模型4、小信号模型vD/VOiD/mA(c)

Vth+－RD(200Ω)rdCjrd(d)图

2.19图

2.20OQiD/mAvD/VIDQ

1arctanrd§2.3二极管

VTrd

=(2—12)

IDQ

五、特殊二极管

1、稳压二极管

VZ

、IZ

、rZ

、PZM、△IZIZminIZmaxiZ/mAOvZ/V△VZ图

2.21

IDQ+ISIDQ=≈

VTVTvD=VDQ§2.3二极管3、发光二极管(LED)电信号光信号4、光电二极管光信号电信号在反向状态下运行2、变容二极管在高频技术中应用较多.如谐振回路的电调谐;压控振荡器;频率调制等.502010521C/pF0510152025V/V图

2.22§2.3二极管图

2.235、激光二极管图

2.24§2.3二极管

激光二极管的物理结构是在发光二极管的节间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正偏时，LED发出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出来的单波长的光。同时光在光谐振腔中产生振荡并被放大，形成激光。激光二极管发射的主要是红外线，它在小功率光电设备中得到广泛应用，如计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等。几种常见二极管实物图触发二极管开关二极管稳压管的一种实物图黑头一侧为阴极，即k端几种普通发光二极管实物图长脚为正极大头为负极§2.4二极管基本应用电路

一、整流电路整流电路是二极管的一个重要应用.整流是将正、负交替的交流电转化为单一极性的直流电的过程.负载二极管整流器滤波器稳压器变压器

交流电压源图

2.25小功率直流稳压电源的组成框图§2.4二极管基本应用电路

1、半波整流图

2.26R+－－VDv2+vO(a)v2/Vt0vO/Vt0VOVm(b)v2＞0，

VD√，vO=v2；

v2＜0，

VD×，vO=0.Vm√2V2VO≈≈≈0.45V2

(2-13)

π

π§2.4二极管基本应用电路

2、全波整流图

2.27+vO－RVD1+v2－+v2－VD2iD1iD2(a)(b)v2/Vt0vO/Vt0v2＞0，VD1√，VD2×，vO=v2

；

v2＜0，VD1×，VD2√，vO=－v2.

VO≈0.9V2

(2-14)

§2.4二极管基本应用电路

3、桥式整流图

2.28VD3RVD1+vi2－VD2+vO－VD4(a)(b)v2/Vt0vO/Vt0v2＞0，VD1√，VD3√，VD2×，VD4×，vO=v2

；v2＜0，VD1×，VD3×，VD2√，VD4√，vO=－v2.

VO≈0.9V2

§2.4二极管基本应用电路

整流桥堆§2.4二极管基本应用电路

二、稳压电路图

2.29R↓IZRL↓IL→IR+VI－+VO－VSIZ=IR－IL

IZmin=IRmin－ILmax

(2—15)IZ=IR－IL

IZmax=IRmax－ILmin

(2—16)IZmin＜IZ＜IZmax

(2—17)RL↓→IL↑→IR↑→VO↓→IZ↓→IR↓VO↑§2.4二极管基本应用电路

VImin－VZVZVImax－VZVZ

－＜Iz＜－(2—18)R

RLminR

RLmaxVImax－VZVImin－VZ≤R≤(2—19)

IZmax+

ILminIZmin+

ILmax【例2-1】试设计一稳压管稳压电路,作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直流电源为9V,音量最大时需供给的功率为0.5W。汽车上的供电电源在12～13.6V之间波动。要求选用合适的稳压管(IZmin、IZmax、VZ、PZM),以及合适的限流电阻(阻值、额定功率)。§2.4二极管基本应用电路

【解】由题意可画出稳压电路如图2.30所示。

PLmax0.5W

ILmax==≈56mAVL9V

PLmax=VLILmaxR↓IZ→IR+VI－+VZ=9V－收音机→IL图

2.30汽车电源+VL－取R=47Ω

VImin－VZ12－9R≤=≈0.049kΩ=49Ω

IZmin+

ILmax5+5612～13.6V0.5W§2.4二极管基本应用电路三、低电压稳压电路由于低电压的稳压管的稳压性能不够理想,所以在3～4V以下,采用多只二极管串接,以获得较好的稳压特性.IZmax=IRmax－ILmin=－ILmin=－0

=98mA

VImax－VZ

R

13.6－9

47

PZM=VZIZmax=9V×98mA

=882mW

PRM=VRmaxIRmax=(VImax－VZ).≈0.45W

VImax－VZ

R

宜选47Ω,1W的电阻.宜选VZ=9V,IZmax=98mA,

IZmin=5mA,

PZM=0.882W的稳压管.§2.4二极管基本应用电路R+△vD－(a)(b)rd△iD+△vI

－(c)+△vI

－+vD－RVDiDVI+vD－RiDvOVDvI图

2.31VIID,VD

△vI△iD,△vD

iD=ID+△iD,vD=VD+△vD§2.4二极管基本应用电路【例2-2】在图2.31(a)所示的低电压稳压电路中,直流电源VI

的正常值为10V,R=10kΩ,若VI

变化±1V时,

问相应的硅二极管的电压(输出电压)的变动如何?

【解】

VT26rd

==≈28ΩIDQ

0.93

VI－VD(on)

10－0.7IDQ===0.93mAR

10krd0.028△vO=△vD=△vI

=×±1≈±2.79mV

R+rd10+0.028△vI=±1

V

△vO=±2.79mV

§2.4二极管基本应用电路四、限幅电路

限幅器用于消除信号中大于或小于某一特定值的部分.限幅器最简单的应用是在电子电路的输入端限制输入电压,以保证电路中的晶体管不被击穿.VOHVOLVIHVOVOVO

(a)上限幅VIVILVIVILVOLVIVIHVOH

(b)下限幅

(c)双向限幅图

2.32§2.4二极管基本应用电路1、单向限幅VmvI/Vt0vO/Vt0V1+VD(on)vO/Vt0V1－VD(on)+V1－R+vI－+vO－VDvI=VmsinωtV1＞0Vm＞V1vI＞V1+VD(on),VD√,vO=V1+VD(on);

vI＜V1+VD(on),VD×,vO=vI.

(a)R+V1－+vI－+vO－VD(b)§2.4二极管基本应用电路

vI＞V1－VD(on),

VD×,vO=vI;

vI＜V1－VD(on),VD√,vO=V1－VD(on).

(c)(d)图2.33ttVmvI/Vt0vO/V0－(V1－VD(on))vO/V0－(V1+VD(on))R－

V1

++vI－+vO－VD－

V1+R+vI－+vO－VD§2.4二极管基本应用电路2、双向限幅－(V2+VD(on))VmvI/Vt0vO/Vt0V1+VD(on)R+V1

－－

V2++vI－+vO－VD1VD2图2.34

设vI=10sinωt(V),V1=V2=3V,试确定上图(b)中的上限幅值及下限幅值.(a)(b)§2.4二极管基本应用电路五、开关电路

二极管和电路中的其他元件连接在一起,可完成逻辑运算功能.如“与”、“或”等.vI1vI2VD1VD2vO0V0V√√0V0V5V√×0V5V0V×√0V5V5V××5V表2.1VCC（5V）R=4.7kΩvI1vOVD1VD2vI2图2.35章末总结与习题讨论一、本章小结1、熟悉半导体的基本概念─载流子(电子、空穴)、P型半导体、N型半导体、多子、少子、施主杂质、受主杂质等;2、理解PN结的形成机理.掌握PN结的单向导电性,了解其反向击穿特性和电容特性.3、掌握PN的伏安关系及其数学表达式;4、熟悉二极管的结构、分类、符号及主要参数,了解几种常用的特殊二极管(稳压管、发光二极管等);5、掌握二极管电路的分析方法,要求采用合理的模型分析二章末总结与习题讨论

极管电路.6、熟悉常用的二极管应用电路─整流、稳压、限幅、

开关.

二、例题讨论【例2-3】简单二极管基本电路如图2.36所示.对于下列两种情况,求电路的ID和VD的值:(1)VDD=10V;(2)VDD=1V.每种情况下,应用理想模型、恒压降模型和折线模型(Vth=0.5V,RD=200Ω)求解.【解】(1)VDD=10V①VD=0V,ID=1mA.

②VD=0.7V,ID=0.93mA.③ID=0.931mA,VD=0.69V.VDD+VD－R10kΩVDID图2.36章末总结与习题讨论【例2-4】分析图2.37(a)所示的电路.设电路中各参数如下:

VDD=5V,R=5kΩ，VD(on)=0.6V,vi=0.1sinωt（V）.

(2)VDD=1V①VD=0V,ID=0.1mA.②VD=0.7V,ID=0.03mA.

③ID=0.049mA,VD=0.51V.+VDD

－+vi

－+vO－RVD

图2.37(a)【解】分两步进行分析:

直流分析和交流分析.(1)直流分析VDD－VD(on)5－0.6IDQ===0.88mAR5章末总结与习题讨论

VO=IDQR=0.88×5=4.4V(2)交流分析+vi

－+vo－Rrd

图2.37(b)

VT26rd

==≈29.5ΩIDQ

0.88vi0.1sinωtid=

=

≈19.9sinωt(μA)rd+R0.0295k+5kvd=idrd=19.9×10－6×29.5=0.59sinωtmVvo=idR=99.5sinωt(mV)二极管中的电压及电流波形如图2.37(c)所示.章末总结与习题讨论00vDidtiDIDQtVDQvd图2.37(c)【例2-5】求图2.38(a)所示电路中的输出.为简单起见,设两个二极管的Vth=0V,

RD=0.【解】(1)

当

0＜vI≤2V时，VD1×,

VD2×,vO=vI;(2)

当vI

＞2V时，VD1

√章末总结与习题讨论vI－V1

vI

－2

i

1==

R1+

R210+10+V1=2V－+vI=6sinωtV

－

－

V2=4V+R2=10kΩR1=10kΩ图

2.38+vO－VD1VD2(a)vIv/Vt6420－2－4－6vO(b)↓i111vO=i1R2+2=(vI－2)

+2=vI+12

2

若

vI=6V，则

vO=4V.章末总结与习题讨论(3)

当－4V＜vI＜0，

VD1×,

VD2×,vO=vI;

(4)

当vI≤－4V，VD2√,

vO=－4V

输入输出波形如图2.38(b)所示.思考:

(1)如果假设Vth≠0,

RD=0.输出波形如何?(2)如果假设Vth≠0,

RD≠0.输出波形如何?欢

迎

提

出

批

评

指

正

!《模拟电子线路》

第3章1947年12月23号，贝尔实验室的WilliamB.Shockley、JohnBardeen、

WalterH.Brattain制造出了世界上第一只半导体放大器件，他们将这种器件命名为“晶体管”

第3章

半导体三极管及其基本放大电路

§3.0引言

20世纪40年代,由Bardeen,Brattain和Schockley在贝尔实验室开发的硅晶体管,在20世纪50年代和60年代掀起了第一次电子革命.这项成果导致了1958年集成电路的开发及在电子电路中应用广泛的晶体管运算放大器的产生.

本章介绍的三极管属于双极型器件,是两类晶体管中的第一种类型.下面将详细讨论其物理结构、工作原理及其在放大电路中的应用.§3.1双极型晶体管

(BipolarJunctionTransistor)一、结构、分类、符号PNPebc发射区基区集电区(发射结)JeJc

(集电结)

bec图

3.1becJc

(集电结)

NPNebc(发射结)Je发射区基区集电区§3.1双极型晶体管

(BipolarJunctionTransistor)图

3.1常用集成电路中NPN型三极管的结构剖面图§3.1BJT图

3.2几种BJT的外形结构特点:1、基区很薄(10－6m),且轻掺杂(1015cm－3);2、发射区重掺杂(1019cm－3);3、集电区面积大,且掺杂较轻(1017cm－3).

BJT的结构特点是决定其能进行信号放大的内部物质基础.§3.1BJT二、BJT的电流分配与电流放大作用

1、BJT内部载流子的传输过程─见图3.3所示.BJT放大所必须具备的外部条件是:Je正偏,Jc反偏.①发射区发射电子,形成射极电流IE;②电子在基区复合,形成基极电流IB;③集电区收集电子,形成集电极电流IC.IE=IC+IB≈(1+β)IB(3—1)IC=βIB+ICEO≈βIB(3—2)IC=αIE+ICBO≈αIE(3—3)§3.1BJTIB=IEp+(IEn－ICn1)－ICBOIC=ICn1+ICn2+ICp=ICn1+ICBOICBO+VBB－RBRC+VCC

－NPNECBJeIEnIcn1Icn2IcpICBOJcIEpIBIEIC图

3.3IE=IC+IB

IE=IEp+IEnIC

=αIEn+ICBO≈αIE

+ICBO

IC=ICn1+ICBOICn1ICα

=

≈

(3—4)IEnIEIC=α(IB+IC)+ICBOα1IC=IB+ICBO1－α

1－α

§3.1BJTα1IC=IB+ICBO1－α

1－α

αβ

=

(3—5)

1－α

1ICEO=ICBO

1－α=(1+β)ICBO(3—6)IC=βIB+ICEO≈βIBIE=IC+IB≈(1+β)IB2.α、β、ICBO、ICEO的物理含义共基极直流电流放大倍数.α＜

1,α→1.ICn1ICα

=

≈

IEnIE§3.1BJTαβ

=

1－αICn1α

=

IEnIB=IEp+(IEn－ICn1)－ICBO=IE－ICn1－ICBOIC－ICBOICβ

=

≈IB+ICBOIBβ共射极直流电流放大倍数.β＞

1.

αβ

=

1－αβα=

(3—8)

1+β图

3.4ICBO受温度影响较大ceb+

VCC－ICBO(3—7)§3.1BJT+VBE

－+

VCB－+

VCC－ICEO图

3.5ICEO=ICBO+βICBO=(1

+β)ICBO3.电流分配关系IE=IEBS(e

－1)≈IEBS

e(3—9)

VBEVTVBEVTIC≈βIB三、BJT的特性曲线IC≈αIE≈

ISeVBEVT§3.1BJT1、输入特性─共射接法iB=f(vBE

)vCE=CE+vCE

－iC+vBE

－iBBC(a)vCE≥1V(b)vCE=0VvBE/

V0iB/μA图

3.62、输出特性─共射接法iC=f(vCE

)iB=C图

3.7OiB1iB2iB3iB4vCEVAiCA图

3.8VCEIC≈ISe1－

(3—10)

VAVBEVT20μA60μAiB=100μA80μA40μA放大区iC/

mA0vCE/

V饱和区ICEOV(BR)CEO截止区击穿区054321EBCWBNPN基区宽度调制效应§3.1BJT(1)放大区

Je正偏,Jc反偏.IC=βIB+ICEO≈βIBVCEIC(b)IC(a)βIC↑IC↓β↓图

3.9§3.1BJT(2)截止区

Je、Jc均反偏.工程上规定IB=0(IC=ICEO≈0)以下的区域称为截止区;严格说来,截止区应是IE=0以下的区域.(IC=ICBO,IB=－ICBO)(3)饱和区

Je、Jc均正偏.

VBE(sat)≈0.7V;VCE(sat)≈0.3V(4)击穿区

VCE↑→VCB↑→Jc─雪崩击穿

V(BR)CEO

IB↑→V(BR)↓

IC≠βIBIC＜βIB判断三极管的工作状态

测量得到三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。

放大截止饱和§3.1BJT四、BJT的主要参数

1、表征放大能力的参数ICβ=

IB共射极直流电流放大系数(hFE).

△iCβ=(3—11)

△iB共射极交流电流放大系数(hfe).在小信号条件下,β≈β.

ICα

=

IE共基极直流电流放大系数.§3.1BJT共基极交流电流放大系数.

△iCα=(3—12)

△iEαβ

=

1－αβα=

(3—14)

1+βαβ

=

(3—13)

1－αβα=

1+β2、表征稳定性的参数─极间反向电流(越小越好)ICBO:集电极─基极反向饱和电流.ICEO:集电极─发射极反向穿透电流。3、表征安全工作区域的参数§3.1BJT(1)集电极最大允许电流ICM（β）(2)集电极最大允许耗散功率PCM

PCM=ICVCB≈ICVCE(3)反向击穿电压

V(BR)EBO:集电极开路时,发射极─基极间的反向击穿电压.V(BR)CBO:发射极开路时,集电极─基极间的反向击穿电压.V(BR)CEO:基极开路时,集电极─发射极间的反向击穿电压.V(BR)CBO

＞V(BR)CEO＞V(BR)EBOV(BR)CEOPCMVCE/

V安全工作区图

3.10OIC/

mAICM§3.1BJTV(BR)CER表示BE间接有电阻，V(BR)CES表示BE间短路V(BR)CBO≈V(BR)CES＞V(BR)CER＞V(BR)CEO＞V(BR)EBO§3.1BJT4、温度特性

△VBE/△T=－(2～2.5)mV/oC;△β/(β△T)=(0.5～1)%/oC;ICBO(T2)=ICBO(T1)×2T2－T1

105、结电容

发射结电容Cb′e,集电结电容Cb′c.五、BJT的电路模型

1、直流等效电路模型(放大区)§3.1BJT(a)b+

VCC－+VBB

－eIERcICRBIBcIB+

VCC－+VBB

－c(b)RCICRBbeβIB+VBE

－图

3.12VBB－VBEIB=

RBIC=βIBVCE=VCC－ICRC2、交流小信号等效电路模型(放大区)§3.1BJT名称总