第一章第一二节新教材.ppt

1、信号: 信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包括光信号、声信号和电信号等。 其中，电信号是指随时间而变化的电压u或电流i，u=f(t)或i=f(t)。电信号容易传送和控制，应用广泛。也是本门课程研究是重点。,第0章 预备知识,信号可分为: 模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。,模拟信号无处不在，在自然界中能够提取到的未经处理的信号，几乎都是模拟信号,如：说话的声音、一天中室内的温度、交流电传输线路中的电压、等等这些都是模拟信号。 模拟电子技术就是一门对产生、处理模拟信号的电路即模拟电路进行研究的课程。其中所涉及到的模拟信号，在本门课程

2、中只涉及到模拟电信号。 在本门课程中，我们首先将会学习到一些典型的，重要的模拟电子器件，他们是：二极管、三极管、场效应管、运算放大器等。之后，我们将介绍一些基本的模拟电路,并对其做进一步的分析研究，这些电路包括：基本放大电路、运算放大器电路、负反馈放大电路、低频功放电路、电源电路等。,对象,温度、湿度等物理信号,模拟电信号,信号提取,信号预处理,信号驱动,信号加工,传感器、红外接收器等,隔离、滤波、放大,调制解调转换,放大、隔离等,信号执行,运算 比较,信号运算,执行，控制器件,在我们学习过典型的模拟电路之后，结合其他所学课程，就可以完成一个完整的模拟信号处理系统。 一个完整模拟信号处理系统框

3、图如下所示：,1 半导体器件 2 基本放大电路 3 集成运算放大电路 4 放大电路的频率响应 5 负反馈放大电路 6 信号处理与波形产生电路 7 低频功率放大器 8 直流电源,课程内容,56学时 3.5学分,6学时 12学时 8学时 4学时 8学时 8学时 4学时 6学时,考核形式 期末闭卷笔试 成绩占80% 选择填空等客观题40% 分析计算等占60% 平时成绩占20%,第1章 半导体器件 1.1 半导体器件的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管,物质按导电性能可划分为：,导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属元素。导电率为105S.cm-1量级。导电能力强

4、。,绝缘体：一般为高价元素，如：橡胶、云母、塑料等。导电率为10-2210-14 S.cm-1量级。导电能力弱。,半导体：一般为四价元素，如：硅（Si）锗（Ge）等。导电性能介于导体和绝缘体之间。且导电能力随条件变化。,1.1.1半导体材料,1.1 半导体器件的基础知识,半导体物质特性：,掺入杂质则导电率显著增加,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅大为增加导电率还可产生电动势,光照特性,光敏器件、光电器件,完全纯净、结构完整的半导体晶体被称为本征半导体。 本征半导体晶体内所含的原子为硅（Si）或锗（Ge）原子、其简化的原子结构如右下图所示： 本征半导体

5、在物理结构上呈单晶体形态。（见左下图）,1.1.2本征半导体,本征半导体：,1.在T=0K，且无外部激发能量时：,本征半导体的导电特性:,常见本征半导体晶体结构平面示意图,本征半导体内部没有能够运载电荷、自由移动的带电粒子，即载流子，此时本征半导体呈绝缘特性。,+4,2.在有外部激发能量（如温度升高，光照）时，本征半导体内部产生本征（热）激发现象：,挣脱原子核束缚的电子称为 自由电子，在本征（热）激 发下形成带负电荷的载流子。,留下的空位称为空穴，成为 带正电荷的载流子。,本征半导体的载流子在外加电场的作用下可定向移动形成漂移电流。,共价键内的电子 称为束缚电子,2. 载流子在外电场的作用下，

6、定向移动形成的漂移电流由以下两种电流组成：,空穴电流：,电子电流：,由带负电的，运动方向与外电场方向相反的电子流形成。,由带正电的，价电子递补空穴运动形成的，与外电场方向相同的空穴流形成。,电子流和空穴流方向相反，所形成的电子电流和空穴电流方向相同，两者之和即为漂移电流。,1.在本征半导体中，一方面由于热激发，自由电子-空穴对不断产生；另一方面，自由电子在运动过程中又会不断地填补空穴从而使自由电子-空穴对消失，这一过程称为复合。,3.本征半导体漂移电流的大小，取决于可用于导电的载流子的浓度。一定温度下，激发和复合作用相对平衡，载流子浓度一定。载流子浓度受温度影响很大（可以证明成指数变化规律），

7、与电场强度无关。,4.本征半导体只能由本征（热）激发获得载流子，其浓度很小，得到的漂移电流也很小。导电性能不强。,为了改善并控制本征半导体的导电性能，人们在本征半导体内参入了杂质，得到杂质半导体。,杂质半导体,N（电子）型半导体 (掺入的五价元素如P、Se等),1.1.3杂质半导体,P（空穴）型半导体 (掺入的三价元素如B、Al、In等),杂质半导体：掺入了杂质的半导体被叫做杂质半导体。被掺入杂质越多，导电性能越强。,1.N型半导体:,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素，如P,自由电子是多数载流子（多子）,空穴是少数载流子（少子）,杂质原子提供,由本征（热）激发形成,由于五价元素很容易贡献

8、电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,2.P型半导体:,+3,+3,在本征半导体中掺入的三价元素如B,自由电子是少数载流子,空穴是多数载流子,杂质原子提供,由本征（热）激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,多子受温度的影响很小,在杂质半导体，掺入杂质的浓度决定了多子的浓度，也就控制了杂质半导体的导电性能； 少子是本征激发形成的，尽管其浓度很低，却对温度非常敏感，这一特性既可以让我们用其制作光敏器件和热敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。,1.1.4 PN结 1.PN结的形成 P型半导体和N型半导体紧

9、密接触在一起，在接触面形成PN结。,1、载流子因浓度不同而有“扩散运动”，形成“扩散电流”。,P型 N型,空间电荷区,4、内电场促进少子（少数载流子）的“漂移运动”，形成“漂移电流”。,内电场E,PN结,势垒区,3、正负离子电荷在空间电荷区中形成由N区指向P区的“内电场”。内电场阻挡多子（多数载流子)扩散(阻挡层、势垒区)。,2、电子空穴在扩散中在交界面附近复合，在P区留下不能移动的负离子；在N区留下不能移动的正离子。形成“空间电荷区”。因多数载流子已耗尽，又叫“耗尽层”。,5、开始时，扩散运动较强，漂移运动较弱，随着扩散的进行，空间电荷区加宽、内电场加强，阻碍扩散运动、增强漂移运动，当扩散运

10、动和漂移运动达到动态平衡，漂移电流等于扩散电流时，稳定的空间电荷区，即PN结形成。,形成空间电荷区，产生内电场,浓度差使多子做扩散运动,扩散，漂移动态平衡，形成PN结,内电场阻碍多子继续扩散，加强少子漂移运动,PN结形成过程流程图：,2.PN结的单向导电性,刚刚所讨论的PN结处于平衡状态，称为平衡PN结。如在PN结两端外加不同方向电压，就会破坏原平衡，呈现出单向导电性。,P型 N型,空间电荷区,内电场E,PN结,+,-,1、外加正向电压形成外电场，内外电场方向相反。内电场被削弱。 2、外电场使多子趋向分界面的空间电荷区与离子中和。结果使空间电荷区离子层变薄，势垒降低。 3、势垒降低后，便会有大

11、量的多子越过空间电荷区作扩散运动形成较大的正向扩散电流。,外电场,正向电压,有较大正向电流，且随着正向电压的增大而增大，此时PN节电阻很小。,（1）外加正向电压,(1) 在PN结外加上正向电压时：,PN结正偏（P(+), N(-)）时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通。正向电流随着正向电压的增大而增大,2.PN结的单向导电性,P型 N型,空间电荷区,内电场E,PN结,+,-,1、外加反向电压形成外电场，内外电场方向相同，内电场被增强。 2、外电场使多子远离空间电荷区，结果使空间电荷区离子层变厚，势垒增加。 3、势垒增加使扩散电流很快减到零。只剩下漂移电流。漂移电流由少子形成，其值

12、很小，温度一定时，大小一定。不随外加电压改变。固又叫反向饱和电流。,外电场,反向电压,（2）外加反向电压,有很小的漂移电流，即反向饱和电流，其值不随反向电压而改变，此时PN结电阻很高。,(2) 在PN结外加上反向电压时：,PN结反偏（P(-), N (+)）时，仅有很小的反向漂移(饱和)电流，呈现高电阻，PN结截止。,结论： PN结加正向电压，即正偏时，有较大的正向扩散电流，此时PN结电阻小，处于导通状态，此时的正向电流随着PN结两端的电压增大而增大； PN结加反向电压，即反偏时，只有很小的，不随PN结两端电压变化的反向饱和电流，此时PN结电阻大，处于截止状态。 即PN结具有单向导电性能。,

13、当加反向电压时(U UT) ：, 当加正向电压时(U UT) ：,反偏,正偏,U,I,0,3.PN结的伏安特性,4.PN结的击穿特性,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值(反向击穿电压UB)，反向电流激增。, 雪崩击穿：, 齐纳击穿：,易发生于掺杂浓度相对小的PN结，反向击穿电压相对较高。,易发生于掺杂浓度高的PN结，反向击穿电压相对较低。,可逆 击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。, 热击穿：,不可逆 击穿,串联限流电阻避免,5.PN结的电容效应,PN结两端加上电压，PN结内就有电荷的变化，说明PN结具有电容效应,C,C1,C2,Q2

14、,Q1,U,U,Q1,Q2,电容器定义和公式：,5.PN结的电容效应, 势垒电容CB：空间电荷区不能移动的正、负离子构成势垒电容。其结构类似平板电容，其电荷随结电压变化而变化的过程类似平板电容充放电。 PN结加反向电压时，结电容基本以势垒电容为主。, 扩散电容CD：多子扩散后，在PN结的另一侧累积形成的电容为扩散电容。PN结加正向电压时的结电容基本等于扩散电容。, PN结的结电容C：CjCBCD。,结电容Cj很小，工作频率低时可忽略，高频时要考虑电容影响。,PN结结电容Cj由势垒电容和扩散电容组成。,第1章 半导体器件 1.1 半导体器件的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管

15、1.4 场效应管,1.2 半导体二极管,二极管以PN结为核心，P端引出的电极为正（称正极或阳极）， N端引出的电极为负（称负极或阴极）。 按使用材料，二极管分为硅管和鍺管。,1.2.1半导体二极管的结构和类型,PN结面积小，结电容小 用于检波和变频等高频电路，为小功率管。,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型 三大类。,(1)点接触型,(2)面接触型,用于低频大电流整流电路PN结面积大,(3)平面型,用于高频整流和开关电路 PN 结面积可大可小 往往用于集成电路制造中,各类半导体二极管,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,反向特性,正向特性,U,0,I,Uth,导通压降: 硅管 0.60

16、.8V 锗管 0.10.3V,击穿 特性,UB,二极管具有单向导电性,阈值电压 : 硅管约0.5V 锗管约0.1V,1.2.3 半导体二极管的主要电参数,反向特性,正向特性,U,0,I,Uth,导通压降: 硅管0.60.8V 锗管0.10.3V,击穿 特性,UB,IF 最大整流电流(最大正向平均电流) URM 最高反向工作电压 IR 反向电流 fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差),IF,URM,IR,URMUB/2,U,I,UD,在实际分析计算时，为方便起见，可将二极管的伏安特性曲线折线化处理。 图中，蓝线为截止区，红线为导通区。 注意图中阈值导通电压UD的取值：当二极管为非理想二级管时

17、，UD=0.7V（硅管）、0.2V（锗管）；当二极管为理想二极管时，UD=0V。,二极管应用等效模型及分析方法（重要）,在分析二极管状态，可先将其视为断开，观察或计算二极管两端电压后再行判断。 当二极管两端加的正向电压大于阈值导通电压UD时导通，小于该值时二极管截止。导通时二极管视作其值为UD的电压源，截止时视作断路。,二极管应用等效模型,2.分析方法,1.应用等效模型,理想二级管导通时视为？,补充：半导体二极管的应用,1. 整流电路 所谓整流，就是利用二极管的单向导电性，将交流电压变成单向的直流电压。,例：在下图所示的半波整流电路中，二极管被视为理想元件，试根据输入电压波形画出输出电压的相应

18、波形。,ui,uo,t,t,2 .开关电路（逻辑开关）,利用二极管的单向导电性，使得电路中输入电压大于一定值时电路导通，小于一定值时截止断开，达到开关目的。,例1：由理想二极管组成的电路如图，其中输入波形ui1、ui2如下，试画出输出波形uo。,3V,VD1 VD2,导通 导通,截止 导通,导通 截止,截止 截止,导通 导通,截止 截止,例2：由理想二极管组成的电路如图，试确定各电路的输出电压（例1-1）,VD2导通，UO= 0V,VD2导通，UO= -6V,判断二极管导通与否，先断开二极管，再分析。 若有两只以上二极管，则承受正向电压最大的优先导通,然后再行判断其他二极管是否导通,3.限幅电

19、路 当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这种电路就是限幅电路。,二极管导通电压不为零。,例：在下图所示的限幅电路中，二极管的导通电压为U D，输入波形如图所示，输入电压的最大值大于UD，试根据输入电压波形画出输出电压的相应波形。,UD,例3（教材例1-2）:二极管的双向限幅电路如图1-20（a）所示。设ui为幅值大于直流电源值的正弦波，二极管为理想器件。试画出的波形。,分析图中二极管导通情况： VD1导通条件uiU1，导通后uo=U1 VD2导通条件ui-U2，导通后uo=-U2 当-U2uiU1时两二极管都不导通，此时uo

20、=ui,ui,uo,4.检波电路,将调幅波上的语音信号取出。,二极管的补充应用例题,例1：二极管导通电压UD约为0.7V。试估算开关断开和闭合时输出电压值。,开关断开时，二极管正向导通，UO=V1-UD=5.3V 开关闭合时，二极管反向截止，UO=V2=12V,判断二极管的导通否，先断开二极管，再看正负极的电位高低，判断是否导通,例3 电路如下图所示：估算流过二极管的电流IVD和A点电位UA，设二极管的正向压降为0.7V,（1）先判断VD是否导通:假定VD断开，则A点电位为10V*（2000/2500）=8V，VD正向压降超过0.7V，导通。 （2）VD导通，有恒压降0.7V，所以A点电位UA

21、=6V+0.7V=6.7V。 （3）由UA=6.7V计算流过电阻的电流：IR1=(10V-6.7V)/0.5k=6.6mAIR2=6.7V/2k=3.35mA （4）流过VD的电流为IVD=IR1-IR2=3.25mA,UA=6.7V,IR1,IR2,IVD,例3 电路如下图所示:估算流过二极管的电流IVD和A点电位UA，设二极管的正向压降为0.7V,（1）先判断VD是否导通:假定VD断开，则A点电位为10V*（10/13）=7.69V，VD正向压降超过0.7V，导通。 （2）VD导通，有恒压降0.7V。 （3）考虑A点流入流出的电流：IR1= IR2+ IR3 (10-UA)/3=UA/10

22、+(UA-0.7)/2解得UA=3.95V （4）流过VD的电流为IVD=(UA-0.7V)/2k=1.63mA,UA,IR1,IR2,UA-0.7V,IR3,1.2.5 特殊二极管,1. 硅稳压二极管,伏安特性,稳压二极管利用二极管的反向击穿特性实现稳压，稳压时工作在反向击穿区。,思考：二极管的正向导通区也有一定的稳压特性，可以利用该特性实现稳压吗？,稳压二极管使用时与负载并联，且流过的电流大小IDZ有范围限制： IDZ,minIDZIDZ,max,(1) 稳定电压UDZ,(5) 动态电阻rZ,(2)最小稳定工作电流 IDZ，min,(6) 稳定电压温度系数,稳压二极管主要参数,(3)最大允

23、许工作电流 IDZ，max,(4)最大允许功耗 PZmax,UDZ,IDZmin,IDZmax,在判断稳压二极管状态时，同普通二极管一样，应先将其两端断开，再对两端电压进行判断。与普通二极管有两种状态相对，稳压二极管有三种状态，应在判断时加以区分： 当UUth（根据具体题目，Uth可为0）时，稳压二极管处于正向导通状态，两端电压等于Uth。 当UdzUUth时，稳压二极管处于反向截止状态，此时，稳压二极管看做断开状态。 当UUdz时,稳压二极管处于反向击穿状态，两端电压等于Udz。,稳压二极管应用等效模型：,稳压二极管应用等效模型：,2. 发光二极管,简称LED（Light Emitting

24、Diode），在发光二极管两端加正向电压时，多子在扩散中复合时，部分能量以光子放出，使二极管发光。,3. 光电二极管,光电二极管工作在反向电压下，通过光照增加少子浓度，利用漂移电流导电。电路电流随光照变化。,4. 光电耦合器件,5. 变容二极管,利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。变容二极管工作在反向电压下。变容二极管用于高频电子线路。,将光电二极管和发光二极管组合可以得到二极管型的光电耦合器。光电耦合器隔离输入输出回路，回路间互不影响，但只能实现信号单向传输。,例4（教材例1-3）图示是利用稳压管组成的稳压电路。其中UI为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，RL为负

25、载电阻，UO为稳压电路的输出电压。试分析此电路的稳压原理。,稳压二极管特点：很小的电压变化引起很大的电流变化，动态电阻很小。,稳压二极管的应用例题,例4（教材例1-3）图示是利用稳压管组成的稳压电路。其中UI为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，RL为负载电阻，UO为稳压电路的输出电压。试分析此电路的稳压原理。,UO=VDZ=UI-(IL+IZ)*R 稳压管特点：很小的VDZ变化将引起IZ的很大变化。,不管什么原因引起VDZ的微小变化，都能使得IZ发生很大变化，从而使电阻R上的压降发生很大变化，而保持UO=VDZ基本不变。,例5（教材例1-4）图示电路稳压管VDZ1=5V，VDZ2=7V，稳压特性是理想的，正向压降为