模拟电子技术(第三版)江晓安版 第一章ppt.ppt

1、模拟电子技术基础,西电出版社,教材：模拟电子技术（第三版）,作者：江晓安,专业基础课课程体系,（低频电子线路）,（计算机硬件）,专业基础课,专业课,学位课,模拟电子技术基础,概述：,四、难点：1.器件非线性、交直流共存 2.“近似”处理(突出主要矛盾,简化实际问题),三、课程特点：,物理、高数、电路.,高频、数电,学习电子元器件种类、结构、参数、原理 学习基本电路工作原理、分析方法、指标计算,二、先修课： 后续课：,性质:入门性质的专业基础课(考研课、学位课) 任务：,一、课程的性质和任务,熟悉常用电子仪器的原理、使用及电路的测试 方法,1、工程性：近似计算,2、实践性：电路测试、故障判断和排

2、除、仿真,3.概念多、电路多、分析方法多,五、分析方法 1.电路课程：严密推导、精确计算,3.掌握器件外特性和使用方法，不过分追究内部机理。,4.重视实践环节(实验)。,归纳12个字： 定性分析 定量估算 实验调整,2.非线性器件在一定条件下线性使用(注意其条件)。,电路识图、判断作用、波形失真、是否自激,23位有效位,通过调整达到指标要求,模电课程：近似处理，有时图解,(1)问题复杂，未知参数多 (2)器件分散性 (3)寄生电容、引线电感 (4)RC标称值与实际误差,掌握“近似”的方法 (不片面强调“精确”) (困难且不实用),六、本课程的能力要求,1. 会看：定性分析 2. 会算：定量估算

3、,分析问题的能力,3. 会选：电路形式、器件、参数,4. 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、仿真,解决问题的能力设计能力,解决问题的能力实践能力,解题要求： （1）抄题、抄图（描图）； （2）各电压、电流要标明位置、方向、极性； （3）按公式代数结果(含单位)三步骤完成。,八、考核方法,七、几点忠告 1.规范化的工程师的基本训练（文字标识、符号、实验）,2.不缺课，认真听，积极提问，会做笔记；,4.认真作业(不应付,不乱抄)，按时作业(跟上进度)，自查自纠；,3.互相学习，多学多问，及时反馈意见；,九、本课程不作要求的内容,电子技术的发展从电子管半导体管集成电路,电子管、晶体管、集成电路比较

4、,1958年只有4个晶体管 1997年一芯片中有40亿个晶体管,1904年 电子管问世,第一只晶体管的发明者 （by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）,第一个集成电路及其发明者 （ Jack Kilby from TI ）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年后，于2000年获诺贝尔物理学奖。,贝尔实验室三名科学家在1947年11月底发明了晶体管，1956年因此获得诺贝尔物理学奖。 巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖

5、。,值得纪念的几位科学家！,半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质。,本征半导体纯净的晶体结构的半导体。,1. 什么是半导体？什么是本征半导体？,导体最外层电子在外电场作用下容易产生定向移动， 多为低价金属元素，如铁、铝、铜等。,绝缘体原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，很 难导电。如惰性气体、橡胶、陶瓷等。,半导体最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体 之间。是四价元素，如硅（Si）、锗（Ge）。,1.1.1 本征半导体,1.1 半导体基础知识,第一章 半导体器件,2. 本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空

6、位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,3. 本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空

7、穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,多子:自由电子 少子:空穴 导电特点： nnpn N型半导体主要靠自由电子导电,1.1.2 杂质半导体,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。,讨论：在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,多子:空穴,少子:自由电子,导电特点： ppnp,P型半导体主要靠空穴导电,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子的浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.

8、 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,N 型半导体,P 型半导体,受温度的影响很小,本征激发产生,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,5. N型半导体对外显 。,（a. 正电、 b. 负电、 c.电中性）,c,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运

9、动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。,1.2 PN结,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,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

10、面上形成如下物理过程:,因浓度差 ,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,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动 ,由杂质离子形成空间电荷区 ,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,1.2.2 PN结的单向导电性,必要吗？,PN结的伏安特性,PN结u-i特性表达式：,其中,PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,UT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,ID 流

11、过PN结的电流,UD PN结两端的电压,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,PN结的电流和温升不断增加，使PN结的发热超过它的耗散功率。,电击穿可逆,PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。,1.2.3 PN结的击穿,1.2.4 PN结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CT。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD。,

12、结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,PN结正偏： CjCD,PN结反偏：CjCT,1.2.5 二极管,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,结面积小，结电容小 允许的电流小 工作频率高 用于高频检波等,结面积大，结电容大 允许的电流大 工作频率低 用于整流等,结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大,1.2.5 二极管,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,1. 二极管的特性,1.2.5 二极管,从二极管的伏安特性可以反映出： a. 单向导电性,b. 伏安特性受

13、温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,-（22.5）mV /oC,2. 二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值。二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。IF取决与PN结的面积，材料和散热情况。 最大反向工作电压UR：最大瞬时值。二极管允许的最大工作电压，当反向电压超过此值，二极管可能被击穿。一般手册上给出的最大反向工作电压约为击穿电压的一半（UR=1/2UBR)。 反向电流 IR：即IS。二极管未击穿时的反向电流值。IR越小单向导电性越好，它受温度影响较

14、大。 最高工作频率fM：因PN结有电容效应。fM的值主要取决于PN结结电容的大小。结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。如果信号频率超过fM，二极管的单向导电性会变差，甚至消失。 直流电阻RD 交流电阻rd,rd可以利用PN结的电流方程：,两边取I的微分得：,注意：、等效电路只适用于正向导通，且信号较小的场合；,(2)、Q越高，rd越小。,rd的求法,、图解法： 、计算法：,静态电流,1.2.6 稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最

15、大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,斜率？,电压温度系数 ,使用稳压管需要注意的几个问题,1. 外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,2. 稳压管应与负载电阻RL 并联；,3. 必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,限流电阻,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,1. 二极管伏安特性折线化,理想 二极管,近似分析中最常用,理想开关 导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,导通时i与u成线性关系,应根据

16、不同情况选择不同的等效电路！,1.2.7 二极管的应用 （单向导电性）,2. 二极管限幅电路,定义：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做相应变化，而当输入电压超出范围时，输出电压保持不变。,输出信号电压开始不变的电压值限幅电平 输入电压限幅电平，Uo保持不变的限幅上限幅 输入电压限幅电平，Uo保持不变的限幅下限幅,1.2.7 二极管的应用 （单向导电性）,E=0（理想二极管） Ui0V时，二极管导通，U00V; Ui0V时，二极管截止，U0=Ui。 限幅电平为0V。,以并联二极管上限幅电路为例，来具体讲解,0 +E，二极管导通，UO=E。 限幅电平为+E。,以并联二极管上限幅

17、电路为例，来具体讲解,-UmE0,UiE,二极管导通，UO=-E; UiE,二极管截止，UO=Ui。 限幅电平为-E。,总结：从上述三个波形图可以看出，输出波形图限制了UiE的部分，称为上限幅电路。,以并联二极管上限幅电路为例，来具体讲解,并联二极管上限幅电路,并联二极管下限幅电路,串联二极管上限幅电路,串联二极管下限幅电路,归纳： 不论二极管串联限幅还是并联限幅，只要P端接输出正端,就是上限幅; N端接输出正端，就是下限幅。,二极管门电路,双向限幅电路,二极管“与”门电路,二极管“或”门电路,图 1-23 “与”门,“或”门,例. 二极管门电路,电路中+5V、-5V是电源电压，UAUB接直流

18、电压+3V或接地。若考虑二极管正向压降，忽略其反向电流，在给定UAUB的情况下，写出二极管的工作状态、流过的电流和Uo的值。,通,通,0.7V,通,止,0.7V,止,通,0.7V,通,通,3.7V,通,通,-0.7V,止,通,2.3V,止,通,2.3V,通,通,2.3V,思路： 先定性分析 (电位高低) (电流方向) 后定量计算,5k,5k,I,I1,I2,已知：稳压管UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，输入UI=12V，限流R=200 。问:若RL变化范围1.5 k 4 k ,是否还能稳压？,例. 稳压二极管的应用,UO =UZ=10V,IZ在12mA和2mA之间,所以假

19、设正确，稳压管能起稳压作用。,解：设稳压管能够稳压，则 （ 注意语言逻辑性）,=（12-10）/0.2=10 mA,I=（UI -UZ）/R,RL=1.5 k , IL=UO/RL,=10/1.5=6.7mA, IZ=10-6.7=3.3mA,RL=4 k , IL=UO/RL,=10/4=2.5mA, IZ=10-2.5=7.5mA,思路:学会用假设法分析问题,公式代数结果,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,1.3 半导体三极管,1.3.1 三极管的结构及类型,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,共基极接法，基极作

20、为公共电极，用CB表示；,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,BJT的三种组态,1.3.2 三极管的三种连接方式,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,1.3.3 三极管的放大作用,(内部条件:结构特点),判断三极管能否放大？,临界,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面

21、积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,2. 载流子的传输过程,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,3. 三极管的电流分配,IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,三极管的电流分配关系,一组三极管电流关系典型数据,1. 任何一列电流关系符合 IE = IC + IB，IB IC IE, IC IE。,2. 当 IB 有微小变化时， IC 较大。说明三极管具有电流放大作用。,3. 在表的第一列数据中，IE = 0 时，IC = 0.001 mA = IC

22、BO，ICBO 称为反向饱和电流。,4. 在表的第二列数据中， I B = 0，IC = 0.01 mA = ICEO， 称为穿透电流。,4. 三极管的电流放大系数,、共射电流放大系数,小功率管 =几十几百,、共基电流放大系数,0.970.99,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,1.3.4 三极管的特性曲线,UCE 1 时的输入特性具有实用意义。,2. 输出特性,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么u

23、CE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,2. 输出特性,NPN 三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,1. 截止区IB 0 的区域。,两个结都处于反向偏置,IB= 0 时，iC = ICEO。 硅管约等于 1 A，锗管约为几十 几百微安。,截止区,截止区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,2. 放大区：,条件：发射结正偏 集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,放 大 区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放 大 区,放 大 区,对 NPN 管 UBE 0，UBC 0,NPN 三极管的输出特性曲线,3. 饱和区：,条件：两个结均正偏,对 NPN 管UBE 0 , UBC 0,特点：iC 基本上不仅与 iB 有关，在饱和区三极管失去放大作用。 I C IB。,当 uCE = uBE，即 uCB = 0 时，称临界饱和，uBE uCE时称为过饱和。,饱和管压降 UCES 0.4 V(硅管)，UCES 0.2