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1、模拟电子技术基础,主讲 ：罗映祥,Email:luoyx_,绪 论,1.电子技术发展,2.电子技术及其电路,3.课程的研究对象、方法,4.课程内容及特点,5.学习方法,电子技术发展,1831年 法拉第提出电磁场理论 1846年 麦克斯韦预言了电磁波的存在 1888年 赫兹实验证明了电磁波的存在 1895年 实现了无线电通讯 1901年 横跨大西洋无线电报成功 1906年 发明了真空三极管 1919年 研究出超外差接收机 1928年 发明了光电摄像管 1941年 美国开始电视广播,绪 论,1946年 第一台计算机诞生 1948年 发明了点接触型晶体管 1950年 美国研制彩电成功 1951年 发

2、明了面接触型晶体管 1958年 出现了小规模集成电路 1963年 实现利用卫星的电话通讯 1972年 制成大规模集成电路 1981年 出现了多功能超大规模集成电路 1984年 制造出大功率集成电路,1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。它使用了18800个真空管，长50英尺，宽30英尺， 占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大，六只大象重）。每秒可从事5000次的加法运算，运作了九年之久。吃电很凶， 据传ENIAC每次一开机，整个费城西区的电灯都为之黯然失色。,1960年集成电路出现，成千上万个器件集成在一块芯片，大大促进了电子学的发展，尤其

3、促进数字电路和微型计算机的飞速发展。,1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体 积大、重量重、耗电大、寿命短。世界上第一 台计算机用了1.8万只电子管，占地170平方米， 重30吨，耗电150KW。目前在一些大功率发射 装置中使用。,绪 论,SSI（100以下）,MSI（103）,LSI（ 104）,1948年，肖克利等发明了晶体管，其 性能在体积、重量方面明显优于电子 管，但器件较多时由分立元件组成的 分立电路体积大、焊点多、电路的可 靠性差。,芯片中集成上万个 等效门，目前高的 已达上百万门。,电 子 管,电子器件的发展,1. 信号：是反映消息的物理量,信息需要借助于某些物理量（如声、

4、光、电）的变化来表示和传递。,电信号是指随时间而变化的电压u或电流i ，记作u=f(t) 或i=f(t) 。,模拟信号与模拟电路,如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是消息的表现形式。,2. 电信号,由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，因此电信号成为应用最为广泛的信号。,1、信号分类： 数字信号：指那些在时间上和数值上都是离散 的信号。 模拟信号：除数字外的所有形式的信号统称为模拟信号。（时间和数值上连续） 2、电路： 根据工作信号分为： 模拟电路： 工作信号为模拟信号的电路。 数字电路： 工作信号为数字信号的电路。, 根据信号的频率范围又将模拟电路分

5、为： 低频电子线路 高频电子线路 根据核心元件的伏安特性将整个电子线路分为： 线性电子线路 非线性电子线路 （我们现在的教材的内容仅包含电子线路的线性部分，或称“低频电子线路”）。,模拟信号与模拟电路,3. 电子电路中信号的分类 模拟信号 对应任意时间值t 均有确定的函数值u或i，并且u或 i 的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具有连续性。,数字信号 在时间和数值上均具有离散性，u或 i 的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义。,大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。,4. 模拟电路 模拟电路：对模拟量进行处理的

6、电路。 最基本的处理是对信号的放大。 放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获 得大信号，并保持线性关系。 有源元件：能够控制能量的元件。,5. “模拟电子技术基础” 课程的内容 半导体器件。 处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能：各 种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、 电源电路等等。 模拟电路的分析方法。 不同的电子电路在电子系统中的作用。,“模拟电子技术基础”课程的特点,1、工程性 实际工程需要证明其可行性。 强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。 电子电路的定量分析称为“估算”。,近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要

7、方面。,电子电路归根结底是电路。 估算不同的参数需采用不同的模型，可用电路的基本理论分析电子电路。,2. 实践性 实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法： 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法 EDA软件的应用方法,课程的研究对象、方法, 研究对象： 模拟电路的基本单元是放大电路；三极管或场效应管在电路中起放大作用，而且是一种能量放大作用。 因此，模拟电路主要研究的是： 微弱信号的放大、各种信号的产生、及其变换和反馈等。 方法： 模拟电路的分析方法是：定量地研究电路的放大能力、失真程度等，故经常需要分析放大电路的静态和动态工作情况

8、。, 应用：,模拟电路的应用十分广泛，从收音机、扩音机、音响到精密的测量仪器、复杂和自动控制系统、数字数据采集系统等。 尽管现在已是数字时代，但绝大多数的数字系统仍需做到以下过程： 模拟信号数字信号数字信号模拟信号 数据采集A/D转换 D/A转换应用 因此，模拟电路仍是电子技术中最重要，最基本的成分，同时也是我们的技术基础课程，希望大家重视！ 后续课程中凡是涉及与模拟信号的产生、交换与传输都与本课程密切相关。,如何学习这门课程,1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万变不离其宗”。 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。 基本分析方

9、法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。 要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,3. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用,课程的目的,1. 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,建立起系统的观念、工程的观念、

10、科技进步的观念和创新意识。,电子系统的组成框图,课程教学内容简介 请看教材目录 课程特点 1、工程性和实践性强； 2、在四年制本科学习中起到 “承上启下 ” 的作用； 数、物、电分 模拟电路 高频、其他专业 课程 3、电路千变万化，不同于前面课程的思维方式、 入门难； 4、内容多、涉及面广、新知识点多，学时 少；,1.1 半导体的基本知识 1.2 PN结 1.3 半导体二极管,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体的基本知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,1.1.1 本征

11、半导体及其导电性,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,(1）本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图见图01.01。,（2）电子空穴对,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产

12、生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,图01.02 本征激发和复合的过程,(3) 空穴的移动,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力不如自由电子（见

13、图01.03的动画演示）。,图01.03 空穴在晶格中的移动,1.1.2 杂质半导体,(1) N型半导体 (2) P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。,(1）N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,提供自

14、由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图01.04所示。,图01.04 N型半导体结构示意图,(2) P型半导体,本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。,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。P型半导体的结构示意图如图01.05所示。,图01.05 P型半导体的结构示意图,图01.05

15、P型半导体的结构示意图,1.1.3 杂质对半导体导电性的影响,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质半导体简化模型,1.2 PN结,1.2.1 PN结的形成,1.2.2 PN结的单向导电性,1.2.3 PN结的电容效应,1.2.1 PN结的形成,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成 N 型半导体和 P 型半导体。此时将在N型半导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区, 空间电荷区形成 内电场, 内电场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散,最后多子扩

16、散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为 P N 结 , 在空间 电荷区，由于缺 少多子，所以也 称耗尽层。,图01.06 PN结的形成过程,PN 结形成的过程可参阅图01.06。,1.2.2 PN结的单向导电性,如果外加电压使PN结中：P区的电位高于 N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区， PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,P 区的电位低于 N 区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,(1) PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在 PN 结区

17、，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响, PN 结呈现低阻性。,PN结加正向电压时的导电情况如图01.07,(2) PN结加反向电压时的导电情况,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用 下形成的漂移电流大于扩 散电流，可忽略扩散电流 ，由于漂移电流本身就很 小，PN结呈现高阻性。,在一定温度条件下， 由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与

18、所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。,PN结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 。 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 。 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,思考题：,1.2.3 PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD,(1) 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，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。势垒电容的示意图见图01.09。,图