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1、电子电路：设计与应用，曲，2元件及其模型，2.1元件2.2半导体二极管2.3场效应晶体管2.4双极结型晶体管2.5集成电路的制造工艺和电路特性。从概念上讲，实用电路是由电阻、电容、电感、传感器、开关、真空管、晶体管、集成电路和其他按照一定原理相互连接的元件组成的。其中，各种真空管、晶体管和集成电路可以将电源能量转换成信号能量，根据传统概念，这些被称为器件。虽然晶体二极管不能将电源能量转换成信号能量，但它们通常被称为器件。其余的统称为组件。在研究电子电路时，我们必须首先建立电路中元件的物理模型，然后应用电路的定律和定理将电路问题转化为数学问题(数学模型)，从而可以求解电路的各种参数。2组件及其模

2、型，2.1.1电路分析中的组件，2.1.2实际组件和电路，2.1组件，2.1.1电路分析中的组件，抽象组件，理论组件，1。基本元件、供能元件、耗能元件、储能元件。能量供应元件，无源元件，理想电压2。电源元件，实际电源的模型，vS，iS，Rs可以是时变的，线性的或非线性的，2.1.1电路分析中的元件，2。电源元件，受控电源，电压控制的电压源，电流控制的电流源，电压控制的电流源，2.1.1电路分析中的元件，受控电源仅代表有源器件等效电路中的电源元件，但实际上代表一种转换关系，通常表示有源器件将电源能量转换为信号能量的能力。2.1.1电路分析中的元件和3。理想的无源元件。电阻r、电感l和电容c是电路

3、分析中的无源元件。理想情况下，电阻、电感和电容应该是线性、双向和时不变的集总参数元件。线性元件的参数与流经它的电流或施加到它的电压无关。双向元件的参数与电压极性或电流方向无关。时不变分量的参数不随时间变化，与激励信号的特性无关，不受温度、湿度等环境因素的影响。集总参数元件中的电场和磁场(即电场能量和磁场能量)集中在一个点上，这是一个单参数元件，参数不随空间位置变化。对于集总参数元件组成的电路，可以列出有限阶线性常微分方程，然后求解电路。1。指挥2。电阻器3。电容器4。电感线圈，2.1.2实际元件和电路，2.1.2实际元件和电路，1。导体、实际导体的等效电路以及导体中电感的存在是影响电路特性的最

4、重要因素。即使在低频时，一定长度导体的电感也可能大于电阻。这些电感连同电路元件参数可能导致不应耦合的信号的馈通甚至谐振，并导致模拟电路的自振荡或数字电路的逻辑错误。特别是模拟电路偶尔出现的不稳定和数字系统极低概率的错误会给故障排除带来很大困难。2.1.2实际元件和电路，1。导线，直径为d的直导线位于远离参考平面h的位置，其外部电感为，公式中假设为h1.5d。由于空间磁导率=410-7H/m，导线电感的近似计算，2.1.2实际元件和电路，1。当工作频率较高时，由于导线中电流产生的磁场，电流倾向于在导线表面流动。这种效应被称为皮肤效应。频率越高，皮肤效果越强。高频集肤效应减小了导线的有效导电截面积

5、，从而增加了导线的电阻。对于圆形截面的铜线，交流电阻RAC和DC电阻RDC具有以下近似关系：导线电阻R、集肤效应、其中D为导线直径，单位为毫米，F为频率。当，2.1.2实际组件和电路，2。电阻器，实际电阻器的等效电路，2.1.2实际元件和电路，2。在高频应用和大电阻的情况下，电阻必须考虑电阻本身的电容并联效应。例如，0805型贴片薄膜电阻器，两个电极之间的电容为0.25pF，在100千赫时容抗仅为约6.37米。此时，当使用电阻高于100 k的电阻时，必须考虑容抗的影响。作为放大器的负反馈电阻，它会降低放大器的带宽。2.1.2实际组件和电路，2。电阻，表2.1.2 1m和1/2W碳电阻在不同频率

6、下测量的阻抗，2 . 1 . 2实际元件和电路，3。电容器，实际电容器的等效电路，电容器通常根据绝缘介质材料分类。不同类型的电容器在模型中有不同的制造工艺、不同的结构和不同的等效参数。某种类型的电容器只能用于特定的目的，没有一种电容器是普遍适用的。2.1.2实际组件和电路，3。电容器，电路的工作频率是选择电容器类型的主要依据之一。电容器的等效电感和纯电容形成谐振电路，该电路将在某一频率谐振，该频率通常是电容器的理论最大工作频率。在这个频率以上，整个电容器呈现感抗。在应用中，由于外部电路的存在，实际工作频率要低得多。0.1F纸电容器阻抗-频率特性测试曲线，不同类型电容器的近似适用频率范围，2.1

7、.2实际元件和电路，3。电容器，电容器选择的第二个标准是容量精度和稳定性。不同的电路对此有不同的要求。旁路、功率滤波电路和DC阻断电路对电容器容量精度和稳定性的要求较低。然而，振荡器、谐振电路、具有特定时间常数的积分器、具有频率带宽的滤波器以及其他电路具有更高的要求，甚至有时要求相当高。2.1.2实际组件和电路，3。电容器，按电介质分类，电解电容器，钽电解电容器，铝电解电容器，金属化纸电介质和聚酯电介质电容器，聚苯乙烯电容器，瓷介电容器，云母电容器，2.1.2实际元件和电路，3。电容器，(1)电解电容器电解电容器是一种具有极化特性的电容器。使用时，必须根据电路中正负电压极性连接，并有一定的额定

8、电压。电路中的工作电压一般不应超过额定电压的80%，否则会影响电解电容器的使用寿命。电解电容器的反极性会导致内部电介质迅速膨胀甚至爆炸，这在安装电路时需要特别注意。非极性电容器可以通过将两个相等值的电解电容器以相反极性串联而形成。其总电容是每个电容的一半，其额定电压仅等于单个电容的标称值。在DC阻断电路和通过交流信号的电路中可能需要这种连接，在这些电路中电压的极性无法确定。电解电容器的容量一般在10-1104之间。它们常用于工频电源整流后的滤波电路，也可用于低频旁路和交流信号耦合。电解电容器的容量不容易精确制造，并且通常具有大的容差。通常的技术标准是保持正误差较大，负误差较小，如80%和-20

9、%。上述应用通常欢迎这种公差安排。铝电解电容器的两个电极之间用填充有糊状电解液的纸作为介质，因此具有较大的电容体积比。其串联电阻R1约为0.11，并随着频率的增加或环境温度的降低而增加。-40的串联电阻是25的10，100倍，温度和容量的稳定性极差。当它们正常工作时，它们的并联电阻R2约为M量级，但长期不通电的电容器通常只有几百k。如果极性颠倒，即使很小的反向电压也会迅速降低它们的并联电阻。外围设备它不采用缠绕工艺，介质干燥，所以不需要像铝电解电容器那样在密封部位留小孔。钽电解电容器在所有类型的电容器中具有最大的电容体积比，并且具有比铝电解电容器小得多的等效电感，因此它们可以应用于稍高的频率。

10、此外，在使用寿命、温度特性和抗振性方面，它比铝电解电容器具有更高的稳定性和可靠性。然而，应该特别注意的是，钽电解电容器的故障模式通常是短路，这比开路的故障模式危险得多。由于电容器短路可能会对其他电路造成更严重的损坏，所以在确定额定电压时必须留有余地。在电路设计中，应考虑钽电容短路可能造成的危害及预防措施。(2)金属化纸介质电容器和聚酯介质电容器金属化纸介质电容器和金属化聚酯薄膜介质电容器都是绕线结构，所以电感较大，但近年来金属化聚酯薄膜介质电容器也有叠层结构，大大降低了电感。这种电容器的等效串联电阻R1和等效并联电阻R2比电解电容器小得多，电容体积比也比电解电容器低。容量范围从100 pF到几

11、个f，有许多品种。它们的温度稳定性不是很高，适用于滤波、耦合、旁路、噪声抑制和时序控制，在低于MHz的频率下具有较低的精度和稳定性要求。几种金属化纸介质电容器和金属化聚酯薄膜介质电容器具有良好的击穿自愈性能。即使在多次瞬间高压击穿后，电介质仍能恢复绝缘，保持良好的电容特性，并在电路中具有更高的使用寿命和可靠性。它们可用于DC或交流电路中的接触保护和瞬时高压抑制。2.1.2实用组件和电路3。电容器3。聚苯乙烯电容器聚苯乙烯电容器实际上是薄膜电容器，具有极低的等效串联电阻、极稳定的电容频率特性和高温稳定性，是最接近理想状态的电容器。其容量范围从几pF到f，某些种类的聚苯乙烯电容器的适用频率可高达数

12、百MHz。与其他介质相比，聚苯乙烯介质具有最小的充电“粘度”，特别适用于双积分模数转换电路中的积分电容。当积分电荷接近零时，电压对电荷增量的线性增加可以保持，如图中的实线所示，其他介质电容器没有初始积分误差，如图中的虚线所示。这一宝贵特性可以保证二重积分模数转换的准确性。2.1.2实际组件和电路，3。电容器，(4)陶瓷电容器陶瓷电容器有很多种，每一种的介电特性都有很大不同，但共同的特点是串联电感L和串联电阻R1小，价格低。其中，高k陶瓷电容器具有较大的电容-体积比，但其高频介电损耗很大，温度系数很大，电容-频率特性不稳定，因此只能在10MHz以下的电路中用作旁路、耦合和功率滤波器。它不适用于对

13、电容精度和介电常数要求较高的谐振电路或有源滤波电路。该电容的电容范围在0.05至0.05 nF之间。高频陶瓷电容器是一种几乎理想的电容器，它具有较低的高频介电损耗和对时间、温度和电压的高容量稳定性。然而，它们的容量范围很小，一般低于1 000pF。该电容的适用频率范围高达千兆赫，可用作高频LC谐振、耦合、旁路、滤波、鉴频等电路。，2.1.2实际元件和电路，3 .电容器，2.1.2实际元件和电路，3 .电容器，显示KEMET公司的几种多层陶瓷贴片电容器的特性，2.1.2实际元件和电路，3 .电容器，表2.1.4陶瓷电容器的自谐振频率，2.1.2穿芯电容器加引线的实际元件和等效电路，普通电容器加引

14、线的等效电，2.1.2实际元件和电路，3 .电容器、电解电容器和陶瓷介质电容器的并联，2 实际电感线圈的等效电路，r代表线圈中的能量损耗，包括绕组电阻损耗(铜损耗)和磁芯中的涡流。由于L和C的作用，在某一频率点可能形成并联谐振，这决定了电感可以工作的最高频率。 2.1.2实际组件和电路，4。电感线圈，电感线圈的磁场，2.1.2实际元件和电路，4。电感线圈是两个不想相互干扰的电感，必须尽可能远离并相互垂直地放置在电路中，以尽量减少磁通量轴向通过彼此的线圈。更常见的是，电感线圈被屏蔽，它们的电场和磁场被限制在有限的空间内。由低电阻率的铜或铝制成的屏蔽体(有时表面需要镀银)可以有效地抑制电场并阻止高

15、频交变磁力线通过，因为交变磁场会在屏蔽体上产生涡流并消耗辐射功率。在无线电中，接收外部射频信号的天线线圈和本振线圈总是相互垂直放置，而本振线圈和两个中频谐振线圈分别被屏蔽在铜屏蔽壳中，屏蔽壳应与参考地线良好连接。这是防止多个感应线圈相互耦合的典型示例。在低频时，需要使用高磁导率的材料作为屏蔽来抑制磁场，避免外部杂散磁场的干扰。坡膜合金是一种优良的低频高磁导率材料。2.2半导体二极管，2.2.1半导体二极管的主要特性，2.2.2二极管的建模，2.2.3特殊性能二极管，2.2.1半导体二极管的主要特性，1。伏安特性，2.2.1半导体二极管的主要特性，1。伏安特性，2。获得了两个不同电流ID1和ID

16、2的比值，并且可以通过在等号两侧取对数来获得VD1-VD22.3VTlg(ID1/ID2)。当ID1/ID2=10时，VD1-VD22.3VT，即当=1时VD1-VD260mV，当=2时VD1-VD2120mV。在工程中，vD和iD之间的关系可以用大约0.1V/(10iD)来估计。反向饱和电流对决定了二极管的实际伏安特性，无论二极管是正向工作还是反向工作，伏安特性都与反向饱和电流成正比。在实际应用中，如大功率二极管的正向电流特性和反向漏电流特性，二极管和三极管的简化建模和温度特性，以及现代大规模集成电路中纳米级场效应晶体管的工作特性，都与信息系统特性密切相关。2.2.1半导体二极管的主要特性，

17、2。特性，其中a是PN结的横截面积；q是电子电荷；Ni是本征半导体中的载流子浓度，即每cm3体积中自由电子和空穴的总量；Dp和Dn是N型半导体中空穴和P型半导体中电子的扩散系数，即PN结两侧少数载流子的扩散系数。P和N是N和P区域中不平衡少数载流子的寿命，即少数载流子与多数载流子复合的平均时间。钕和钠分别是氮区和磷区的掺杂浓度、氮区的施主原子浓度和磷区的受主原子浓度。显然，方程右侧的其他参数与半导体材料、物理结构和制造工艺直接相关，除了常数Q，而ni是一个强烈依赖于温度的函数。结论：(1)胰岛素抵抗是一种强烈依赖于温度的功能。结论：(2)电流强度与PN结的截面积成正比，因此可以通过增加截面积来增加正向电流而不