模擬電子技術(shù)(第三版)江曉安版第一章ppt

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 西電出版社 教材 模擬電子技術(shù) 第三版 作者 江曉安 專業(yè)基礎(chǔ)課課程體系 低頻電子線路 計算機硬件 專業(yè)基礎(chǔ)課 專業(yè)課 學位課 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 概述 四 難點 1 器件非線性 交直流共存 2 近似 處理 突出主要矛盾 簡化實際問題 三 課程特點 物理 高數(shù) 電路 高頻 數(shù)電 學習電子元器件種類 結(jié)構(gòu) 參數(shù) 原理學習基本電路工作原理 分析方法 指標計算 二 先修課 后續(xù)課 性質(zhì) 入門性質(zhì)的專業(yè)基礎(chǔ)課 考研課 學位課 任務(wù) 一 課程的性質(zhì)和任務(wù) 熟悉常用電子儀器的原理 使用及電路的測試方法 1 工程性 近似計算 2 實踐性 電路測試 故障判斷和排除 仿真 3 概念多 電路多 分析方法多 五 分析方法1 電路課程 嚴密推導 精確計算 3 掌握器件外特性和使用方法 不過分追究內(nèi)部機理 4 重視實踐環(huán)節(jié) 實驗 歸納12個字 定性分析 定量估算 實驗調(diào)整 2 非線性器件在一定條件下線性使用 注意其條件 電路識圖 判斷作用 波形失真 是否自激 2 3位有效位 通過調(diào)整達到指標要求 模電課程 近似處理 有時圖解 1 問題復雜 未知參數(shù)多 2 器件分散性 3 寄生電容 引線電感 4 RC標稱值與實際誤差 掌握 近似 的方法 不片面強調(diào) 精確 困難且不實用 六 本課程的能力要求 1 會看 定性分析2 會算 定量估算 分析問題的能力 3 會選 電路形式 器件 參數(shù) 4 會調(diào) 儀器選用 測試方法 故障診斷 仿真 解決問題的能力 設(shè)計能力 解決問題的能力 實踐能力 解題要求 1 抄題 抄圖 描圖 2 各電壓 電流要標明位置 方向 極性 3 按公式 代數(shù) 結(jié)果 含單位 三步驟完成 八 考核方法 七 幾點忠告1 規(guī)范化的工程師的基本訓練 文字標識 符號 實驗 2 不缺課 認真聽 積極提問 會做筆記 4 認真作業(yè) 不應(yīng)付 不亂抄 按時作業(yè) 跟上進度 自查自糾 3 互相學習 多學多問 及時反饋意見 九 本課程不作要求的內(nèi)容 電子技術(shù)的發(fā)展從電子管 半導體管 集成電路 電子管 晶體管 集成電路比較 1958年只有4個晶體管1997年一芯片中有40億個晶體管 1904年電子管問世 第一只晶體管的發(fā)明者 byJohnBardeen WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab 第一個集成電路及其發(fā)明者 JackKilbyfromTI 1958年9月12日 在德州儀器公司的實驗室 實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構(gòu)想 42年后 于2000年獲諾貝爾物理學獎 貝爾實驗室三名科學家在1947年11月底發(fā)明了晶體管 1956年因此獲得諾貝爾物理學獎 巴因所做的超導研究于1972年第二次獲得諾貝爾物理學獎 值得紀念的幾位科學家 半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì) 本征半導體 純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體 1 什么是半導體 什么是本征半導體 導體 最外層電子在外電場作用下容易產(chǎn)生定向移動 多為低價金屬元素 如鐵 鋁 銅等 絕緣體 原子的最外層電子受原子核的束縛力很強 很難導電 如惰性氣體 橡膠 陶瓷等 半導體 最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間 是四價元素 如硅 Si 鍺 Ge 1 1 1本征半導體 1 1半導體基礎(chǔ)知識 第一章半導體器件 2 本征半導體的結(jié)構(gòu) 由于熱運動 具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子 自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置 稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失 稱為復合 共價鍵 一定溫度下 自由電子與空穴對的濃度一定 溫度升高 熱運動加劇 掙脫共價鍵的電子增多 自由電子與空穴對的濃度加大 外加電場時 帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電 且運動方向相反 由于載流子數(shù)目很少 故導電性很差 為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體 3 本征半導體中的兩種載流子 運載電荷的粒子稱為載流子 溫度升高 熱運動加劇 載流子濃度增大 導電性增強 熱力學溫度0K時不導電 1 N型半導體 磷 P 雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流子導電 摻入雜質(zhì)越多 多子濃度越高 導電性越強 實現(xiàn)導電性可控 多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了 少了 為什么 多子 自由電子少子 空穴導電特點 nn pnN型半導體主要靠自由電子導電 1 1 2雜質(zhì)半導體 2 P型半導體 硼 B 多數(shù)載流子 P型半導體主要靠空穴導電 摻入雜質(zhì)越多 空穴濃度越高 導電性越強 討論 在雜質(zhì)半導體中 溫度變化時 載流子的數(shù)目變化嗎 少子與多子變化的數(shù)目相同嗎 少子與多子濃度的變化相同嗎 多子 空穴 少子 自由電子 導電特點 pp np P型半導體主要靠空穴導電 說明 1 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子的濃度 溫度決定少數(shù)載流子的濃度 3 雜質(zhì)半導體總體上保持電中性 4 雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示 2 雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體 因而其導電能力大大改善 N型半導體 P型半導體 受溫度的影響很小 本征激發(fā)產(chǎn)生 1 在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與 a 摻雜濃度 b 溫度 有關(guān) 2 在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與 a 摻雜濃度 b 溫度 有關(guān) 3 當溫度升高時 少子的數(shù)量 a 減少 b 不變 c 增多 a b c 4 在外加電壓的作用下 P型半導體中的電流主要是 N型半導體中的電流主要是 a 電子電流 b 空穴電流 b a 5 N型半導體對外顯 a 正電 b 負電 c 電中性 c 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動 氣體 液體 固體均有之 P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū) N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū) 擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低 靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低 產(chǎn)生內(nèi)電場 不利于擴散運動的繼續(xù)進行 1 2PN結(jié) 因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動 參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同 達到動態(tài)平衡 就形成了PN結(jié) 由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子 形成內(nèi)電場 從而阻止擴散運動的進行 內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū) 自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動 1 2 1PN結(jié)的形成 在一塊本征半導體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì) 分別形成N型半導體和P型半導體 此時將在N型半導體和P型半導體的結(jié)合面上形成如下物理過程 因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 最后 多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡 多子的擴散運動 由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) PN結(jié)加正向電壓導通 耗盡層變窄 擴散運動加劇 由于外電源的作用 形成擴散電流 PN結(jié)處于導通狀態(tài) PN結(jié)加反向電壓截止 耗盡層變寬 阻止擴散運動 有利于漂移運動 形成漂移電流 由于電流很小 故可近似認為其截止 1 2 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?必要嗎 PN結(jié)的伏安特性 PN結(jié)u i特性表達式 其中 PN結(jié)的伏安特性 IS 反向飽和電流 UT 溫度的電壓當量 且在常溫下 T 300K ID 流過PN結(jié)的電流 UD PN結(jié)兩端的電壓 當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時 反向電流突然快速增加 此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿 熱擊穿 不可逆 PN結(jié)的電流和溫升不斷增加 使PN結(jié)的發(fā)熱超過它的耗散功率 電擊穿 可逆 PN結(jié)的擊穿分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種 1 2 3PN結(jié)的擊穿 1 2 4PN結(jié)的電容效應(yīng) 1 勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時 空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化 有電荷的積累和釋放的過程 與電容的充放電相同 其等效電容稱為勢壘電容CT 2 擴散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時 在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化 也有電荷的積累和釋放的過程 其等效電容稱為擴散電容CD 結(jié)電容 結(jié)電容不是常量 若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度 則失去單向?qū)щ娦?PN結(jié)正偏 Cj CD PN結(jié)反偏 Cj CT 1 2 5二極管 將PN結(jié)封裝 引出兩個電極 就構(gòu)成了二極管 小功率二極管 大功率二極管 穩(wěn)壓二極管 發(fā)光二極管 結(jié)面積小 結(jié)電容小允許的電流小工作頻率高用于高頻檢波等 結(jié)面積大 結(jié)電容大允許的電流大工作頻率低用于整流等 結(jié)面積可小 可大小的工作頻率高大的結(jié)允許的電流大 1 2 5二極管 開啟電壓 反向飽和電流 擊穿電壓 溫度的電壓當量 1 二極管的特性 1 2 5二極管 從二極管的伏安特性可以反映出 a 單向?qū)щ娦?b 伏安特性受溫度影響 T 在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS U BR T 正向特性左移 反向特性下移 正向特性為指數(shù)曲線 反向特性為橫軸的平行線 增大1倍 10 2 2 5 mV oC 2 二極管的主要參數(shù) 最大整流電流IF 最大平均值 二極管長期工作時 允許通過的最大正向平均電流 IF取決與PN結(jié)的面積 材料和散熱情況 最大反向工作電壓UR 最大瞬時值 二極管允許的最大工作電壓 當反向電壓超過此值 二極管可能被擊穿 一般手冊上給出的最大反向工作電壓約為擊穿電壓的一半 UR 1 2UBR 反向電流IR 即IS 二極管未擊穿時的反向電流值 IR越小單向?qū)щ娦栽胶?它受溫度影響較大 最高工作頻率fM 因PN結(jié)有電容效應(yīng) fM的值主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小 結(jié)電容越大 則二極管允許的最高工作頻率越低 如果信號頻率超過fM 二極管的單向?qū)щ娦詴儾?甚至消失 直流電阻RD交流電阻rd rd可以利用PN結(jié)的電流方程 兩邊取I的微分得 注意 等效電路只適用于正向?qū)?且信號較小的場合 2 Q越高 rd越小 rd的求法 圖解法 計算法 靜態(tài)電流 1 2 6穩(wěn)壓二極管 1 伏安特性 進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流 不至于損壞的最大電流 由一個PN結(jié)組成 反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變 為穩(wěn)定電壓 2 主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)定電流IZ 最大功耗PZM IZMUZ 動態(tài)電阻rz UZ IZ 斜率 電壓溫度系數(shù) 使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個問題 1 外加電源的正極接管子的N區(qū) 電源的負極接P區(qū) 保證管子工作在反向擊穿區(qū) 2 穩(wěn)壓管應(yīng)與負載電阻RL并聯(lián) 3 必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ 不能超過規(guī)定值 以免因過熱而燒毀管子 限流電阻 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓 若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞 因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻 1 二極管伏安特性折線化 理想二極管 近似分析中最常用 理想開關(guān)導通時UD 0截止時IS 0 導通時UD Uon截止時IS 0 導通時 i與 u成線性關(guān)系 應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路 1 2 7二極管的應(yīng)用 單向?qū)щ娦?2 二極管限幅電路 定義 當輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時 輸出電壓隨輸入電壓做相應(yīng)變化 而當輸入電壓超出范圍時 輸出電壓保持不變 輸出信號電壓開始不變的電壓值 限幅電平輸入電壓 限幅電平 Uo保持不變的限幅 上限幅輸入電壓 限幅電平 Uo保持不變的限幅 下限幅 1 2 7二極管的應(yīng)用 單向?qū)щ娦?E 0 理想二極管 Ui 0V時 二極管導通 U0 0V Ui 0V時 二極管截止 U0 Ui 限幅電平為0V 以并聯(lián)二極管上限幅電路為例 來具體講解 0 E 二極管導通 UO E 限幅電平為 E 以并聯(lián)二極管上限幅電路為例 來具體講解 Um E 0 Ui E 二極管導通 UO E Ui E 二極管截止 UO Ui 限幅電平為 E 總結(jié) 從上述三個波形圖可以看出 輸出波形圖限制了Ui E的部分 稱為上限幅電路 以并聯(lián)二極管上限幅電路為例 來具體講解 并聯(lián)二極管上限幅電路 并聯(lián)二極管下限幅電路 串聯(lián)二極管上限幅電路 串聯(lián)二極管下限幅電路 歸納 不論二極管串聯(lián)限幅還是并聯(lián)限幅 只要P端接輸出正端 就是上限幅 N端接輸出正端 就是下限幅 二極管門電路 雙向限幅電路 二極管 與 門電路 二極管 或 門電路 圖1 23 與 門 或 門 例 二極管門電路 電路中 5V 5V是電源電壓 UAUB接直流電壓 3V或接地 若考慮二極管正向壓降 忽略其反向電流 在給定UAUB的情況下 寫出二極管的工作狀態(tài) 流過的電流和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 電位高低 電流方向 后定量計算 5k 5k I I1 I2 已知 穩(wěn)壓管UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 輸入UI 12V 限流R 200 問 若RL變化范圍1 5k 4k 是否還能穩(wěn)壓 例 穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用 UO UZ 10V IZ在12mA和2mA之間 所以假設(shè)正確 穩(wěn)壓管能起穩(wěn)壓作用 解 設(shè)穩(wěn)壓管能夠穩(wěn)壓 則 注意語言邏輯性 12 10 0 2 10mA I UI UZ R RL 1 5k IL UO RL 10 1 5 6 7mA IZ 10 6 7 3 3mA RL 4k IL UO RL 10 4 2 5mA IZ 10 2 5 7 5mA 思路 學會用假設(shè)法分析問題 公式代數(shù)結(jié)果 多子濃度高 多子濃度很低 且很薄 面積大 晶體管有三個極 三個區(qū) 兩個PN結(jié) 中功率管 大功率管 1 3半導體三極管 1 3 1三極管的結(jié)構(gòu)及類型 共集電極接法 集電極作為公共電極 用CC表示 共基極接法 基極作為公共電極 用CB表示 共發(fā)射極接法 發(fā)射極作為公共電極 用CE表示 BJT的三種組態(tài) 1 3 2三極管的三種連接方式 1 三極管放大的外部條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 從電位的角度看 NPN發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 1 3 3三極管的放大作用 內(nèi)部條件 結(jié)構(gòu)特點 判斷三極管能否放大 臨界 擴散運動形成發(fā)射極電流IE 復合運動形成基極電流IB 漂移運動形成集電極電流IC 少數(shù)載流子的運動 因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū) 因基區(qū)薄且多子濃度低 使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合 因集電區(qū)面積大 在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū) 基區(qū)空穴的擴散 2 載流子的傳輸過程 穿透電流 集電結(jié)反向電流 直流電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù) 為什么基極開路集電極回路會有穿透電流 3 三極管的電流分配 IE IB ICIE 擴散運動形成的電流IB 復合運動形成的電流IC 漂移運動形成的電流 三極管的電流分配關(guān)系 一組三極管電流關(guān)系典型數(shù)據(jù) 1 任何一列電流關(guān)系符合IE IC IB IB IC IE IC IE 2 當IB有微小變化時 IC較大 說明三極管具有電流放大作用 3 在表的第一列數(shù)據(jù)中 IE 0時 IC 0 001mA ICBO ICBO稱為反向飽和電流 4 在表的第二列數(shù)據(jù)中 IB 0 IC 0 01mA ICEO 稱為穿透電流 4 三極管的電流放大系數(shù) 共射電流放大系數(shù) 小功率管 幾十 幾百 共基電流放大系數(shù) 0 97 0 99 為什么UCE增大曲線右移 對于小功率晶體管 UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線 為什么像PN結(jié)的伏安特性 為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了 1 輸入特性 1 3 4三極管的特性曲線 UCE 1時的輸入特性具有實用意義 2 輸出特性 對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線 為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大 為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線 飽和區(qū) 放大區(qū) 截止區(qū) 2 輸出特性 NPN三極管的輸出特性曲線 劃分三個區(qū) 截止區(qū) 放大區(qū)和飽和區(qū) 1 截止區(qū)IB 0的區(qū)域 兩個結(jié)都處于反向偏置 IB 0時 iC ICEO 硅管約等于1 A 鍺管約為幾十 幾百微安 截止區(qū) 截止區(qū) 對NPN管UBE 0 UBC 0 2 放大區(qū) 條件 發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏 特點 各條輸出特性曲線比較平坦 近似為水平線 且等間隔 放大區(qū) 集電極電流和基極電流體現(xiàn)放大作用 即 放大區(qū) 放大區(qū) 對NPN管UBE 0 UBC 0 NPN三極管的輸出特性曲線 3 飽和區(qū) 條件 兩個結(jié)均正偏 對NPN管UBE 0 UBC 0 特點 iC基本上不僅與iB有關(guān) 在飽和區(qū)三極管失去放大作用 IC IB 當uCE uBE 即uCB 0時 稱臨界飽和 uBE uCE時稱為過飽和 飽和