华南理工大学《模拟电子技术》课件-第1章绪论

模拟电子技术第1章电子技术绪论华南理工大学

1.1电子技术1.1.1电子技术电子技术是研究电子器件和电子电路工作原理及其应用的一门科学技术。电子技术是19世纪末、10世纪初发展起来的具有划时代意义的新兴技术；电子技术与其他技术的交叉融合，产生了一系列新兴学科。

电子器件经历了第一代电子管，第二代半导体晶体管和第三代集成电路；目前集成电路的发展日新月异，代表了电子技术发展的主要趋势。电子器件与电阻器、电感器、电容器、变压器、开关等元件连接起来所组成的电路称为电子电路。

第一代电子管是在1904年英国人弗莱明发明的真空二极管的基础上，由美国人德福雷斯特发明的。电子管是在真空的玻璃泡中放入灯丝和电极密封制成。灯丝加热后可以发射电子，电极加上电压，就可以对电子的运动产生控制作用。电子管(真空管)1.1电子技术1.1.1电子技术的发展第二代半导体晶体管是1947年在美国的贝尔实验室由Shockley(肖克利)、Bardeen(布拉顿)、Brattain(巴丁)发明的。晶体管与电子管相比，具有体积小、寿命长、耗电少等优点，因此得到广泛应用。

1.1.1电子技术的发展1947年发明的点接触型晶体管半导体二极管半导体晶体管1.1.1电子技术的发展

第三代集成电路是1958

年由美国德克萨斯公司发明。它将许多晶体管、电阻、电容等元件制作在同一块硅晶片上。集成电路的发展经历了小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。

第一片集成电路只有4只晶体管，而1997年有40亿只晶体管。科学家预测，集成度按10倍/6年的速度增长，到1015年-1010年达到饱和。集成电路的出现，使电子技术向着微小型化、智能化、高精度、高灵敏度、高功率方向发展。

1.1.1电子技术的发展

目前电子技术已经应用到国民经济的各个领域，例如工业、农业、交通、医学、军事等领域。

1.工业领域数控机床、线切割机、高频炉、产品分装、自动仓库等自动化生产线、自动控制装置、自动测试装置。1.1.3电子技术的应用抓举机器人爬壁机器人控温控湿塑料大棚1.农业领域农业物联网1.1.3电子技术的应用高速铁路列车3.交通运输领域汽车雷达列车驾驶室汽车数字化仪表盘1.1.3电子技术的应用伽马刀1.1.3电子技术的应用4.医学领域核磁共振B超火箭发射火箭火箭军舰5.军事领域1.1.3电子技术的应用1.信号

信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。

电信号常常表示为随时间变化的电压u(t)或电流i(t)

。1.电信号由于非电物理量可以转换成电信号，而且电信号容易传送和控制，因此其成为应用最为广泛的信号。1.1模拟信号与数字信号信号是反映信息的物理量，如温度、压力、流量，声音等。3.模拟信号与数字信号模拟信号:在时间和数值上均具有连续性，即在任意时刻有确定的函数值u或i，并且u或i的幅度是连续取值。

数字信号:在时间和数值上均具有离散性，同时具有双值性。模拟信号数字信号1.1模拟信号与数字信号HULmaxUHmin传感器放大A/D转换数字电路（CPU）D/A转换器功率放大执行机构测控系统结构框图模拟信号与数字信号相互转换：

1.1模拟信号与数字信号1.模拟电路处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。放大电路主要完成信号的电压、电流或功率放大。运算电路主要完成信号的加、减、乘、除、积分、微分、对数和指数等运算；信号发生电路主要用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等；滤波电路用于保留信号中的有用频率成分，抑制其它频率成分的信号通过；直流电源是将工频交流电转换成不同输出电压和电流的直流电。1.3模拟电路与数字电路1.数字电路处理数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路主要研究数字信号的存储、变换、测量等，其包括门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、可编程逻辑器件、模数和数模转换电路等。1.3模拟电路与数字电路3.模拟电路与数字电路的区别在模拟电路中晶体管工作在放大区，在数字电路中晶体管工作在饱和区或截止区，工作在开关状态；数字电路体积小、便于集成；模拟电路抗干扰能力较弱，数字电路抗干扰能力较强。1.1引言

半导体材料基础知识

PN结及其单向导电性半导体二极管的工作原理、特性曲线、主要参数及其基本应用电路稳压二极管其它类型二极管半导体二极管及其基本应用电路

1.1半导体基础知识

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如：Si、Ge、GaAs。半导体的导电能力除了自身材质以外，还与以下因素有关：

温度，热敏电阻；

光照、磁场、电场，光敏电阻；

掺入杂质，导电能力大幅提高。

完全纯净、没有结构缺陷的半导体晶体。相邻原子的价电子形成共价键，价电子为两个原子共有，形成有序的空间晶格结构。1.1.1本征半导体4价元素的共价键结构

温度为0K时，无自由电子；当T大于0K时，有些价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子。这种现象就叫做本征激发。本征激发产生自由电子和空穴。在一定温度下，本征激发和复合达到动态平衡。

1.本征激发载流子的产生和复合自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对，数目、浓度相等；自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，称为复合；在一定温度下，本征激发和复合达到动态平衡；1.本征激发的特点本征半导体中，掺入五价元素，如磷P、砷As；自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，也称电子型半导体。1.1.1杂质半导体——N型半导体N型半导体的共价键结构

本征半导体中，掺入三价元素，如硼B、镓Ga、铟In等；空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，也称空穴型半导体。1.1.1杂质半导体——P型半导体P型半导体的共价键结构

1.3PN结P型半导体和N型半导体在原子尺度上紧密连接；

多子扩散：由浓度差引起多子的扩散运动，自由电子和空穴复合，形成空间电荷区，也叫耗尽层；

少子漂移：少子在空间电荷区内电场作用下的运动；

动态平衡：多子扩散和少子漂移达到动态平衡。

1.3.1PN结的形成PN结的形成

1.PN结正偏时的导电性1.3.1PN结的单向导电性PN结外加正向电压

外电场加强了扩散运动、阻碍漂移运动，打破了平衡，空间电荷区变窄。扩散的多子增加，漂移过来的少子减少，产生载流子的差，从而在电路中形成电流。这个电流也叫扩散电流，由多数载流子产生，电流较大，故PN结呈现低阻状态。因此，正偏时PN结正向导通。1.PN结反偏时的导电性PN结外加反向电压

外电场削弱了扩散运动、加强了漂移运动，打破了平衡，空间电荷区变宽。扩散的多子减少，漂移过来的少子增多，产生载流子的差，从而在电路中形成电流。这个电流也叫漂移电流，由少数载流子产生，电流较小，故PN结呈现高阻。因此，反偏时PN结反向截止。

1.3.3PN结的电容效应

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。一般外加反向电压来控制PN结的厚度，相当离子薄层的厚度随外加电压而相应地改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。1.势垒电容PN结的势垒电容

外加反向电压使PN结上的压降增加时，离子薄层的厚度也相应随之变宽，这相当PN结中存储的电荷量随之增加，犹如电容的充电。1.扩散电容PN结的扩散电容

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。

势垒电容和扩散电容均是非线性电容。1.4半导体二极管1.4.1二极管的结构类型二极管的结构示意图(a)点接触型(b)面接触型(c)平面型1.4.1二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线

(a)测试电路(b)特性曲线伏安特性方程正向特性

在正向区，加入正向电压后，二极管并没有出现电流，有一个死区。当正向电压加到一个被称为开启电压Uth后，正向电流开始出现，正向特性曲线非线性较大，当正向电流较大时，特性曲线也具有一定线性度。

硅二极管和锗二极管的正向特性有所不同，主要表现在开启电压不同，硅二极管的Uth大约在0.5V；锗二极管的Uth大约在0.1V。反向特性

在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

从击穿机理上看，当硅二极管|UBR|≥7V时，主要是雪崩击穿；当|UBR|≤4V时，则主要是齐纳击穿。当|UBR|在4V～7V之间时，两种击穿都有。1.4.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。(1)最大反向工作电压URM——二极管安全工作时，所能承受的最大反向电压。一般URM约为反向击穿电压UBR的一半。(3)反向电流IR——一般是指二极管未击穿时的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(

A)级。IR值越小，二极管单向导电性越好。(4)最高工作频率fM——二极管工作的上限频率，由PN结的结电容大小决定。二极管的工作频率超过fM时，单向导电性变差。1.4.4二极管的等效模型理想模型

二极管正向导通时，其正向压降为零；二极管反向截止时，认为反向电阻为无穷大，反向电流为零，称为理想二极管。此时理想二极管相当于理想开关。该模型主要用于信号幅值远远大于二极管的正向压降，可以忽略二极管正向压降和反向电流的电路中。1.理想模型恒压降模型

认为二极管的正向压降为常数、反向电阻为无穷大、反向电流为零。此时二极管可以用一个理想二极管串联一个恒压源UD表示。硅管的正向压降UD为0.7V。1.恒压降模型折线化模型

在正向曲线上选取一点Q(UD,ID)，连接Q点和(Uth,0)点。注意rD不是动态电阻rd，因为斜线不是切线。折线模型不固定，与Q点的选取有关。

3.折线化模型QQ

二极管的动态电阻属于交流参数，是二极管对它两端交流电压呈现出的电阻值。rd可以用二极管伏安特性曲线斜率的倒数来表示，rd的大小和工作点Q有关。二极管的动态电阻的物理意义

4.小信号模型小信号模型

用于计算UD,ID在Q点附近的微小变化。注意，一定要先提供一个工作点Q！！！4.小信号模型1.4.5二极管基本应用电路半波整流电路和输入输出波形

1.整流电路(a)电路图(b)输入输出波形1.限幅电路(a)(b)3.开关电路二极管与门与门输入输出电压关系1.5稳压二极管1.5.1稳压二极管的伏安特性稳压二极管的符号与伏安特性

稳压二极管的伏安特性与普通二极管相似，其正向特性为指数曲线。当稳压二极管外加反向电压时，当反向电压增大到反向击穿电压时，稳压二极管反向击穿。此时如果反向电流在一定范围内，其反向击穿特性陡直，几乎平行于纵轴，呈现很好的稳压特性。1.5.1稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(1)动态电阻rZ

其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性曲线上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

rZ=

UZ/

IZ

(3)最大耗散功率PZM

——

稳压管的最大功率损耗取决于PN