第一章 模拟电子技术基础.ppt

1、模拟电子技术基础 太原理工大学 韩晓明（讲师）,第0章 导言,0.1 电信号 模拟信号：时间和数值上连续的信号 数字信号：时间和数值上离散的信号,0.2 电子信息系统,预处理：隔离、滤波、阻抗变换、放大 加工：运算、转换、比较 预处理和加工统称信号的处理,0.3 课程的特点,一、1、工程性 2、实践性 二、如何学习,第一章、常用半导体器件,1.1半导体基础知识 半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间 如：硅、锗 特性：1、导电能力 2、热敏性 3、光敏性 4、掺杂性,1.1.1本征半导体,定义：纯净的结构完整的半导体。 如高纯度的单晶 硅（14）和锗（32） 均为四价元素。 立体图 平面图,特性

2、：,1、绝对零度且无外界激发，不导电。 2、温度升高，少数价电子因热激发获得足够的 能量，成为自由电子，可以导电。 概念：自由电子、空穴、载流子、本征激发 本征激发：半导体中共价键分裂产生电子、空 穴对的过程。（加热、光、射线照射） 载流子复合：自由电子运动过程中能量减少， 填补空穴恢复共价键。,本征半导体载流子浓度公式,为热力学温度， 为玻耳兹曼常数 ， 为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度， 是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。 不同半导体载流子浓度不同，主要由物质的原子结构、有关束缚能力大小有关。,1.1.2杂质半导体,1、N型半导体（掺入五价元素如砷或磷）

3、 电子、空穴、正离子 载流子：电子、空穴 正离子只带电不移动 自由电子数目空穴数目 多子少子 注意:自由电子移去留下的 空位不是空穴,2、P型半导体,掺入三价元素（硼或铟） 空穴(多子)电子(少子) 硼负离子、电子、空穴,P型半导体：以空穴为主要导电方式的杂质半导体 N型半导体：以自由电子为主要导电方式的杂质半导体 注意：1、杂质半导体均为电中性 2、多子浓度决定于掺入杂质的浓度，少子浓度 与温度、光照有关。 判断题：1、在N型半导体中多子是电子，电子带负电 荷，所以N型半导体带负电荷。 2、 P型半导体中载流子包括自由电子、空穴 、负离子。,3、载流子的运动,1）扩散运动 浓度差-均匀分布

4、2）漂移运动 电场作用下，载流子有规则的定向运动,1.1.3PN结,杂质半导体导电能力大大增强， 但并不能直接用来制作元件 1、PN结的形成 漂移、扩散动态平衡 空间电荷区又名耗尽层， 电阻无穷大，电流为零,2、PN结的单向导电性,1）正向偏置 内电场0.xV 串联R,2）反向偏置,耗尽层变宽，内电 场增强，利于漂移 此时，通过PN结的 电流主要是少子的 飘移，称为PN结的 反向电流，但很小， 随温度升高而增大,3）PN结的伏安特性,PN结正向电压时处于低电阻导通状态，反向电压时呈现高电阻截止状态 正向时 反向时,4）PN结的反向击穿,齐纳击穿：在高掺杂的情况下，耗尽层宽度很小，不大的反向压降

5、可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，产生电子-空穴对，使电流急剧增大。 雪崩击穿：在低掺杂的情况下，耗尽层宽度很宽，低压降不会产生齐纳击穿。反向电压增大时，内电场使少子加快漂移，撞击共价键中的电子，产生电子-空穴对，新产生的电子-空穴对又去撞击别的价电子，载流子倍增使电流急剧增大。,电击穿,包括：齐纳击穿和雪崩击穿 均为可逆的，可逆条件为： 反向电压与电流之积允许的耗散功率 则热击穿，不可逆,5)PN结的电容效应,1、势垒电容 PN结外加电压时，耗尽层宽度变化，电荷量增加或减少，类似电容充放电 2、扩散电容 PN结外加电压变化时，少子的数量会发生改变，类似电容充放电 上述电容值很小，低

6、频时可忽略，高频时考虑。,1.2半导体二极管,1、结构 a)点接触型 b)面接触型 c)平面型 d)符号,2、伏安特性,类似于PN结的伏安特性，正向电流减小，反向电流增大 Uon：开启电压 硅：0.5V 锗：0.1V 导通电压： 硅：0.7V 锗：0.2V 此时电压电流近似线性,3、主要参数,1)最大整流电流:最大正向平均电流 2)最大反向工作电压:通常取击穿电压的一半 3)反向电流:未击穿时的反向电流 越小，单向导电性越好 4)最高工作频率,二极管的图片,二极管的图片,二极管的图片,功率二极管,4、等效电路,5、微变等效电路,6、应用,1)限幅 2)整流 3)计算,4)门电路 习题1.5 电

7、路如图P1.5(a)所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值,1.2.5稳压二极管,与普通二极管的区别 主要参数: 1、稳定电压 2、稳定电流 3、额定功耗 4、动态电阻,例1.2.2,求R的范围. 114227欧姆,1.2.6其他二极管,1、发光二极管 例1.2.3自己看 2、光电二极管,1.3双极型晶体管,1.3.1三极管的结构和类型 1、结构 2、作用： 放大、开关 3、结构上满足：a、发射区掺杂浓度集电区掺杂浓度、集电区掺杂浓度基区掺杂浓度 b、基区必须很薄，一般只有几微米,1.3.2电流放大作用,1、条件：

8、内部 外部：发射结正偏， 集电结反偏 NPN：VcVbVe PNP：VcVbVe 共射放大电路,2、放大原理（以NPN为例）,A、发射区向基区注入电子 B、电子在基区的扩散 电子在基区复合形成 C、电子被集电极收集 反向饱和电流 双极型晶体管 电流控制电流器件,3、分配关系,共射直流电流放大系数 共射交流电流放大系数,因为 所以,1.3.3三极管的特性曲线(NPN),1、输入特性曲线,2、输出特性 （1）截止区 （2）放大区 （3）饱和区:集电结正偏 规定：Vce=Vbe时临界饱和，此时,三极管工作状态判断方法,1、 Vce与Vbe比较 2、Ic与Ics比较,1.3.4主要参数,1.3.5温度

9、对晶体管参数的影响 作业 1.4 1.6 1.8 三（3、4）,第二章 基本放大电路,2.1放大的概念及主要指标 1、放大电路的功能： 将微弱的信号(U、I、P)不失真地放大到所需的数值，从而使电子设备的终端执行元件(继电器、仪表或扬声器)有所动作或显示。,2、主要指标：,a、放大倍数（4个）（有效值） b、输入电阻 c、输出电阻 d、通频带 e、 f、,2.2基本共射放大电路的工作原理,一、电路组成 1、三极管 2、Vcc作用 3、VBB作用 4、Ui 5、C1与C2 为何称为共射放大电路？从交流角度讲,二、工作原理,1、无输入信号(Ui=0) 直流状态或静态 直流通路 IB、IC、VCE

10、恒定 静态工作点Q 2、有输入信号(Ui!=0) 动态 各处信号=直流+交流 iB=ib+IB,三、电路分析,(一)、静态分析（求Q） 步骤：1、画直流通路 方法:a、ui=0 b、C开路 c、L短路 2、分析 方法一、近似估算法 方法二、图解法,方法二、图解法,a、输入特性曲线确定IBQ和UBEQ b、输出特性曲线确定ICQ和UCEQ,图解分析法说明,1、输入回路负载线 2、输出回路负载线（直流负载线） 3、 IBQ的大小影响Q的位置， IBQ必须合适 4、为什么要设置Q？ 5、习惯上用近似分析法。,(二)动态分析(求AV、Ri、Ro),步骤：1、画交流通路 2、分析 方法一、图解法 方法二

11、、计算分析法,方法一、图解法(输出开路),a、根据ui在输入特性曲线上求iB b、根据iB在输出特性曲线上求iC和uCE c、计算放大倍数,总结,1、电路中电压电流虽然不断变化，但方向不变，是脉动直流。 2、输出电压比输入电压大的多，且频率相同。 3、输出电压与输入电压相位相差180度，称为倒相作用。,截止失真,iB、iC 负半周被削去 uCE正半周被削去,饱和失真,iB、iC 正半周被削去 uCE负半周被削去 据此可判断是饱和失真还是截止失真。 此方法永远成立吗？,交流负载线(带负载),交流负载电阻 交流负载线方程,交流负载线画法,1、找到Q 2、 时 注：1、交流负载线比直流 负载线陡，输

12、出幅值较小，放大倍数减小。 2、交流负载线陡有利于改善饱和失真。,求最大不失真输出电压,例自测题 四 例习题2.10 例2.3.1 见93页,方法二、计算分析法(h参数等效模型),求全微分得到 三版书中有误,动态分析,1、AV 2、Ri 3、Ro 注：1、 Ri与信号源内阻 无关，Ro与负载无关 2、 Ri 越大越好Ro越小 越好,例2.3.3,三种基本接法,共集电极放大电路 1、组成 直接耦合 为何是共集电极？ 2、静态分析,动态分析,特点：1、同相放大 2、AV1，近似1，但电流放大很大 3、射极跟随输出器 4、输入电阻很大，输出电阻很小，多用于多级放大电路的输入级和输出级。,例,电路如图

13、所示，晶体管的 80，rbe=1k。 (1)求出Q点； (2)分别求出RL和RL3k时电路的AV和Ri； (3)求出Ri和Ro 注：1、Ri中含有RL 2、,基本共基极放大电路,1、为何是共基极电路？ 2、分析 3、特点：a 、无电流放大能力。 b、放大倍数较大，且同相。 c、Ri较小，Ro与共射电路相当。 d、最大优点是频带宽。,例,三种接法的比较,2.4静态工作点的稳定,1、Q的意义 2、Q点波动原因：温度、电源波动、器件更换,静态工作点稳定电路,a、直接耦合（分压式工作点稳定电路） b、阻容耦合 c、直流通路,1、稳定原理 a、利用RB1和RB2使VB 不受温度影响 b、射极电阻Re I

14、c稳定过程 2、静、动态分析 3、Ce的作用？,温度补偿法稳定Q,1、IR为二极管反向电流,2、稳定作用 a、Re b、D 二极管的稳定过程,2.6放大电路的派生电路,1、复合管,复合管组成原则：,1、前级的输出接后级的基极 2、前级的CE必须接在后级的BC间,复合管共射放大电路,电压放大倍数与没用复合管相当，但输入电阻增大许多。,复合管共集放大电路,2.6.2共射-共基放大电路,放大倍数与单管共射放大电路大致相等。,第三章 多级放大电路,3.1耦合方式 1、直接耦合 缺点：设计难、零点漂移 优点：低频特性好，易于集成 2、阻容耦合 缺点：低频特性差，不易集成 优点：设计简单 3、变压器耦合

15、缺点：低频差,不易集成,笨重 优点：实现阻抗变换 4、光电耦合 缺点：CTR值比电流放大系数小 优点：避免电干扰,直接耦合Q点的确定,3.2多级放大电路的动态分析,例3.2.1,1.4场效应管（FET）,一、引言 1、特点 三极管 FET 双极型 单极型 电流控制电流 电压控制电流 Ri很大1071015欧绝缘栅型1015 温度稳定性好（为何？） 容易集成，设计简单,2、分类,结构：结型场效应管（JFET） 绝缘栅型场效应管（IGFET） 又名：金属氧化物半导体（MOS） 导电沟道：N沟道 P沟道 工作方式：增强型 耗尽型,二、N沟道结型场效应管 (简单),1、g s d-b e c 2、PN

16、结中间的N型区为导电沟道 3、d、s可互换，c、e不可以 4、箭头方向表示PN结正偏时栅极电流方向，由此判断N沟道还是P沟道,三、工作原理（N沟道）,1、UDS=0 UGS0 UGS(off) 0,2、UGS为UGS(off)0中一固定值,UDS=0时，ID=0 UDS0 如图a， ID随着UDS的增大而线性增大 UDS的增大使UGD=UGS(off) 预夹断，如图b UDSUGS(off)后继续增大， ID基本恒定,3、 UGDUGS(off) 时UGS对ID控制,UDS固定，通过改变UGS的值，改变ID UGS绝对值增大，沟道变窄，电阻增大， ID减小 上述为场效应管的工作原理。 低频跨导

17、,四、结型FET的特性曲线,1、输出特性曲线 可变电阻区（非饱和区）- 压控电阻 恒流区（饱和区、线性放大区） 夹断区 击穿区,2、转移特性曲线,由输出特性曲线得到(恒流区),1.4.2绝缘栅型FET1、N沟道增强型,g与d，s绝缘 d，s可互换,2、工作原理,UGS=0，无导电沟道Id=0 UGS0，如图a，b 开启电压UGS(th) UGS越大，沟道越宽，电阻越小 注:B、S相连后，d、s不可换,uGS为大于UGS(th)的某一值时uDS对iD的影响,起初，ID随UDS线性变化 UDS增大到UGD=UGS(th)时预夹断ID基本不变,特性曲线,电流方程 注意: N沟道 UGS0 P沟道 UGS0,N沟道耗尽型MOS管,本身存在导电沟道 UGS可正可负，为正，沟道变宽 UGS减小到UGS(off)(夹断电压)，沟道消失，ID为0,1.4.3主要参数,参见书50页 例1.4.1 例1.4.2 例1.4.3,1.4.4场效应管与晶体管的比较,参见书52页 自测题六,2.7场效应管放大电路,一、基本共源放大电路 1、静态分析 Q的确定（VGS、VDS、ID） 图解法a、找到VGS=VGG的曲线 b、做直线VDD=iDRD+vDS C、交点即为Q 计算法a、 得ID b、VDS=VDD-IDRd,二、自给偏压电路,为何是自给偏压？,三、分压式偏置电路,场效应管的