《船舶模拟电子技术基础》-项目一

目录Contents项目1常用半导体器件识别与检测0102项目2小信号放大与信号处理电路装接与测试03项目3功率放大电路的装接与测试04项目4直流稳压电源的制作与测试05项目5正弦波信号发生电路项目1常用半导体器件识别与检测任务1.1半导体二极管的识别与检测了解半导体基础知识，PN结的形成和PN结的特点认识二极管的结构和单向导电性了解二极管的主要应用能够从外观上识别二极管的极性能利用万用表判别二极管的极性及质量好坏能够制作、调试、测量含有二极管的简单电路知识目标能力目标任务1.1半导体二极管的识别与检测1.1.1半导体基础知识P2-4自然界中的物质，按其导电能力可分为导体、半导体和绝缘体。半导体:

导电能力介于导体和绝缘体之间。如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等等。

半导体电特性不是很稳定，半导体材料的电导率会随着温度、光强和材料自身杂志含量的变化而变化。任务1.1半导体二极管的识别与检测01本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体被称为本征半导体

本征半导体的晶体结构：任务1.1半导体二极管的识别与检测（1）两种载流子：Q：什么是载流子？

A:自由运动的带电粒子Q:半导体中有哪些载流子呢？

A:电子、空穴本征半导体中，电子与空穴成对出现，称为电子空穴对任务1.1半导体二极管的识别与检测（2）本征半导体导电性本征半导体的导电性能很弱，且与环境温度密切相关本征半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性热敏性导电能力随着温度的升高而迅速增加

光敏性导电性也会随光照强度的增加而增强掺杂性导电性随着掺杂浓度的增加而增强任务1.1半导体二极管的识别与检测02杂质半导体

通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，便可得到杂质半导体。杂质半导体有两种：N型半导体P型半导体（1）N型半导体掺入微量五价元素，如磷（P），砷（As）等。任务1.1半导体二极管的识别与检测N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子自由电子的数目大于空穴的数目:自由电子为多数载流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为少子。任务1.1半导体二极管的识别与检测（2）P型半导体掺入微量三价元素，如硼（B）、铟（In）等。P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴的数目大于自由电子的数目:空穴为多数载流子，简称为多子；自由电子为少数载流子，简称为少子。任务1.1半导体二极管的识别与检测03PN结及其单向导电性

采用不同的掺杂工艺，将N型半导体与P型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。（1）PN结的形成空间电荷区(耗尽区)内电场因浓度差

多子的扩散运动

形成空间电荷区

↓形成内电场（最后，达到动态平衡）任务1.1半导体二极管的识别与检测

当P区与N区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区的宽度也相等，称为对称结；而当两边杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称PN结。（2）PN结的单向导电性①加正向电压，PN结导通

外加电压使PN结中P区电位高于N区电位，我们说PN结加了正向电压，也叫作正向偏置，或正偏。PN结的结压降上只有零点几伏任务1.1半导体二极管的识别与检测①加反向电压，PN结截止

外加电压使PN结中P区电位低于N区电位，我们说PN结加了反向电压，也叫作反向偏置，或反偏。电路中只有较微弱的反向电流PN结正向导通，反向截止的特性，称为PN结的单向导电性。任务1.1半导体二极管的识别与检测1.1.2半导体二极管及其应用P5-10

将PN结的两端加上电极引线，并用外壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管，用VD或D表示。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。任务1.1半导体二极管的识别与检测01二极管的分类按照制造材料可分为：硅二极管、锗二极管按其结构可分为：点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管按封装形式分：塑料封装和金属封装的二极管按功率分：大功率、中功率和小功率二极管按用途分：整流、稳压、开关、发光、光电、变容等二极管任务1.1半导体二极管的识别与检测02二极管的伏安特性曲线

流过二极管的电流与其两端电压之间的关系曲线任务1.1半导体二极管的识别与检测硅二极管的死区电压为0.5V，锗二极管的死区电压为0.1V二极管的正向电压变化范围很小，硅二极管的正向导通电压为0.6~0.8V，常取0.7V；锗二极管的正向导通电压为0.2~0.4V，常取0.3V。（1）正向特性（2）反向特性反向电压小于一定数值时，其反向电流的值总是很小（微安级），且基本不变反向电压增加到某一数值时，二极管反向电流会急剧增大，二极管被反向击穿，反向击穿电压用

表示。（电击穿和热击穿）任务1.1半导体二极管的识别与检测03常用二极管等效模型（1）理想模型该模型将二极管看成一个开关。加正向电压，二极管导通，即开关闭合，二极管两端的电压

；加反向电压，二极管截止，即开关断开，流过二极管的电流任务1.1半导体二极管的识别与检测（2）恒压降模型

这种模型的二极管也相当于一个开关，它将二极管看做理想二极管和一个恒压源的串联组合。恒压源的电压为二极管的导通电压（硅二极管0.7V，锗二极管0.3V）二极管加正向电压大于时导通电压，开关闭合；加正向电压小于导通电压或者加反向电压时，开关断开。任务1.1半导体二极管的识别与检测04二极管的主要参数为了能够正确、合理使用二极管，我们需要了解二极管的相关参数，二极管的主要参数有：最大整流电流最高反向工作电压反向饱和电流最大功耗Clickheretoaddyourtext.Clickheretoaddyourtext.直流电阻交流电阻任务1.1半导体二极管的识别与检测05几种不同类型的二极管（1）稳压二极管

又称齐纳二极管，简称稳压管，在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳压的作用

符号：文字符号:DZ稳压管工作于反向击穿区。

任务1.1半导体二极管的识别与检测任务1.1半导体二极管的识别与检测（2）发光二极管（LED）

是一种将电能转换为光能的半导体器件，常用于照明和显示。

符号：工作条件：正向偏置发光颜色取决于所用材料开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6V~1.8V之间，绿色的约为2V任务1.1半导体二极管的识别与检测（3）光电二极管

光电二极管是具有光电检测功能的半导体器件。有光伏和光导两个主要的工作模式

符号：光伏光导在零偏压状态，当光照射二极管时，产生导致正向偏压的电流。该模式下光电二极管串联或并联后能用于太阳能电池中。工作在反向偏置状态，无光照时，有很小的反向电流（一般小于1μA）；有光照时，反向电流随光照强度的增加而上升，常用于光电传感器。任务1.1半导体二极管的识别与检测06二极管的应用（1）整流电路整流就是将交流电变为直流电,它主要利用二极管的单向导电性RLuiuO半波整流电路uiuott任务1.1半导体二极管的识别与检测（2）限幅电路作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内参考点D8VRuouiuo18V8V单向限幅电路任务1.1半导体二极管的识别与检测（3）开关电路二极管的开关特性在数字电路中有很广泛的应用。利用二极管的单向导电性：

二极管正向导通时，其端电压很小，可近似为0，相当于开关闭合；二极管反向截止时，流过的电流很小，可近似看做开路，相当于开关断开。实现数字电路中的与逻辑任务1.1半导体二极管的识别与检测07半导体器件的命名方法和二极管的选管原则第一部分

用汉语拼音字母表示规格号第二部分

用阿拉伯数字表示序号第三部分

用汉语拼音字母表示器件的类型第四部分

用汉语拼音字母表示器件的材料和极性第五部分

用阿拉伯数字表示器件的电极数目例如：型号为2CP10的二极管表示N型，硅材料小信号二极管，序号是10。(1)命名方法任务1.1半导体二极管的识别与检测通常需要根据实际电路的技术需求，估算二极管应具有的参数，并考虑适当的余量，最后查手册确定二极管的型号，一般选管原则为：(2)二极管的一般选管原则要求导通后正向压降小时选锗管，要求反向电流小时选硅管。要求工作电流大时选面接触型，要求工作频率高时选择点接触型。要求反向击穿电压高时选硅管。要求温度特性好时选硅管。任务1.2晶体管的识别与检测认识晶体管的结构、符号掌握晶体管的工作特性掌握分析、判断晶体管工作状态的方法能够从外观上识别晶体管的管脚能利用万用表判别晶体管的管脚及质量好坏。知识目标能力目标任务1.2晶体管的识别与检测1.2.1晶体管的结构和分类P12-13

半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管<500mW

中功率管0.5

1W

大功率管>1W任务1.2晶体管的识别与检测1.2.2晶体管的电流放大作用P13-1401晶体管的放大条件晶体管最重要的功能之一就是放大电流信号，是构成放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出。（1）内部条件晶体管的结构特点任务1.2晶体管的识别与检测任务1.2晶体管的识别与检测（2）外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏从电位的角度看：NPN型

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

即：VC>VB>VEPNP型即：VC<VB<VE任务1.2晶体管的识别与检测02晶体管的电流放大原理（1）晶体管内部载流子的传输过程BECNNPEBRBECIEIBNICNICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。

发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子漂移进入集电区而被收集，形成ICN。

集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。任务1.2晶体管的识别与检测结论:①IE=IB+IC，IC

IB，IC

IE

②IC/IB近似等于一个常数，称为共发射极直流电流放大系数

，一般NPN型晶体管的

通常为几十到几百之间。

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。（2）晶体管中的电流分配关系实际电路中晶体管主要用于放大动态信号。当在晶体管的基极加动态电流△ib，集电极电流也将随之变化产生动态电流△ic，其电流比例关系也确定，即：任务1.2晶体管的识别与检测1.2.3晶体管的三种连接方式P14-15为了发挥晶体管的电流控制作用，把晶体管接入电路时会涉及两个回路，一个是控制电流所在的输入回路，一个是受控电流所在的输出回路。晶体管在组成放大电路时，根据所选择公共端的不同，晶体管在电路中有共发射极、共集电极和共基极三种连接方式任务1.2晶体管的识别与检测1.2.4晶体管的特性曲线P15-18晶体管的特性曲线描述了晶体管各极电压和电流之间的关系，也叫作晶体管的伏安特性曲线，分为输入特性曲线和输出特性曲线。以NPN型晶体管为例，介绍共发射极接法时的特性曲线测试电路任务1.2晶体管的识别与检测01输入特性曲线输入特性曲线是非线性的，存在一段死区当外加发射结电压大于死区电压时，随着的增大，开始按指数规律增加，然后近似按直线上升。当不同时，对应的特性曲线也是不同的。死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。任务1.2晶体管的识别与检测02输出特性曲线IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区通常分三个工作区：a.放大区

在放大区有IC=

IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置任务1.2晶体管的识别与检测IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912Ob.截止区IB<0以下区域为截止区，有IC=ICEO

0发射结处于反向偏置集电结处于反向偏置饱和区截止区c.饱和区当UCE

UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，

IB

IC，发射结处于正向偏置集电结处于正向偏置

深度饱和时:硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。任务1.2晶体管的识别与检测【例1-2】判断图1-32中晶体管的工作状态（放大、截止、饱和）（a）(b)(c)(d)任务1.2晶体管的识别与检测任务1.2晶体管的识别与检测1.2.5晶体管的主要参数P18-19晶体管参数可用来表示其特性和适用范围，是电路中选择晶体管的重要依据，参数可在半导体器件手册中查到01电流放大系数表征晶体管电流放大能力的参数02极间反向电流表征晶体管工作稳定性的参数，受温度影响较为明显。任务1.2晶体管的识别与检测（1）集电极-基极反向饱和电流当发射极开路时，在其集电结上加上反向电压，测得的反向电流基极开路时，集电极流到发射极的反向电流（2）集电极-发射极反向穿透电流03极限参数保证晶体管在电路中正常安全工作所不能逾越的参数任务1.2晶体管的识别与检测1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC

=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。这些击穿电压存在的关系如下：任务1.2晶体管的识别与检测1.2.6晶体管的温度特性P191)温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高1

C，UBE要减小2~2.5mV，温度每升高10

C，ICBO

约增大1倍。2)温度升高，输出特性曲线向上移。OT1T2>温度每升高1

C，

(0.51)%。输出特性曲线间距增大。OiCuCET1iB=0T2>iB=0任务1.2晶体管的识别与检测1.2.7光电三极管P19

光电三极管也称光敏三极管，依据光照的强度来控制集电极电流的大小，引脚分为两脚和三脚型。.一般两个管脚的光电三极管仅引出集电极和发射极，基极未引出，作为光接收窗口，它具有电流放大作用，光电三极管比光电二极管灵敏得多。任务1.3场效应晶体管的识别与检测认识场效应晶体管的结构、符号和分类了解场效应晶体管的工作特性能够从外观上识别场效应晶体管的管脚能利用万用表判别场效应晶体管的管脚知识目标能力目标1.3.1场效应晶体管的特点与分类P23-1401场效应晶体管的特点任务1.3场效应晶体管的识别与检测3）输入电阻高、温度稳定性好、功耗小、噪声低、制造工艺简单、便于集成。1）场效应晶体管是一种电压控制型器件。2）单极性器件(一种载流子导电)。02场效应晶体管的分类任务1.3场效应晶体管的识别与检测按照结构分：按制造工艺和材料分：按导电方式分：结型场效应晶体管（JFET）绝缘栅型场效应晶体管（MOS）N型沟道场效应晶体管P型沟道场效应晶体管耗尽型增强型1.3.2结型场效应晶体管P23-2401结构和符号任务1.3场效应晶体管的识别与检测N沟道JFETP沟道JFET02工作原理任务1.3场效应晶体管的识别与检测以N沟道结型场效应晶体管为例

N沟道JFET管外部工作条件：

VDS>0VGS<0(保证栅源PN结反偏)P+P+NGSD

+

VGSVDS+-02工作原理任务1.3场效应晶体管的识别与检测P+P+NGSD

+

VGSVDS+-

用改变UGS来控制漏极电流ID的大小。

*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。任务1.3场效应晶体管的识别与检测设UDS=0，在栅源之间加负电源VGS，改变VGS大小，观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0耗尽层窄，导电沟道宽UGS增大，耗尽层加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UP（夹断电压），耗尽层合拢，导电沟被夹断ID=0GDSP+P+N型沟道

(b)

UGS<0VGSID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGS（1）VGS对沟道宽度的影响任务1.3场效应晶体管的识别与检测（2）VDS对沟道的控制（假设VGS一定）ISVDDGDSNIDP+P+(a)由图：UGD=UGS-UDS

VDS很小时

→

VGD

VGS因此VDS

→ID线性

此时沟道宽度近似不变即Ron不变任务1.3场效应晶体管的识别与检测（2）VDS对沟道的控制（假设VGS一定）GDSP+NISIDP+P+VDDVGS注意：当UDS>0时，耗尽层呈现楔形。(b)由图：UGD=UGS-UDS

若VDS

→则VGD

→近漏端沟道

→

Ron增大此时Ron

→ID

变慢任务1.3场效应晶体管的识别与检测（2）VDS对沟道的控制（假设VGS一定）GDSP+NISIDP+P+VDDVGG(c)当VDS增加到使VGD=VP时→A点出现预夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(d)若VDS继续

→A点下移→出现夹断区，VDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，直至沟道全部夹断1.3.3绝缘栅型场效应晶体管P24-27任务1.3场效应晶体管的识别与检测

由金属、氧化物和半导体组成的，故又称为MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor），广泛用于大规模和超大规模集成电路之中P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

MOSFET增强型（EMOS）

耗尽型（DMOS）

N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。01结构和符号任务1.3场效应晶体管的识别与检测P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDB以N沟道MOS管为例介绍其结构：（1）N沟道增强型MOS管结构任务1.3场效应晶体管的识别与检测（2）N沟道耗尽型MOS管结构SGDB

预先在SiO2绝缘层中掺入了大量正离子，在正离子产生的正向电场作用下，P型衬底中的电子被吸引到衬底与SiO2绝缘层的交届面上来，形成N型薄层（反型层），在源极S和漏极D之间形成导电通道。任务1.3场效应晶体管的识别与检测四种MOS场效应管的电路符号和电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS任务1.3场效应晶体管的识别与检测02N沟道增强型MOS管工作原理（1)uGS对导电沟道的影响(uDS=0)a.当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；b.当0<UGS<UT(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引

P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.当uGS

UT时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚，导电能力越强。反型层(沟道)任务1.3场效应晶体管的识别与检测（2)

uDS

对

iD的影响(uGS>UT)

DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS

，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=

UT)：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDS

iD

。预夹断发生之后：uDS

iD几乎不变。任务1.3场效应晶体管的识别与检测03N沟道增强型MOS管的特性曲线（1）输出特性曲线iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V夹断区

饱和区可变电阻区放大区O夹断区（截止区）饱和