建筑電工學第10章-模擬電子技術基礎課件

1、第10章 模擬電子技術基礎上一頁下一頁返 回10.1 半導體的導電特性10.2 PN結及其單向導電性10.3 二極管10.4 整流電路10.5 晶體管10.6 共射放大電路的組成10.7放大電路的靜態(tài)分析10.8放大電路的動態(tài)分析10.9靜態(tài)工作點的穩(wěn)定10.1 半導體的導電特性半導體的導電特性：(如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電 能力明顯改變(如二極管、三極管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化 (如光敏電阻、光電二極管、光電三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強上一頁下一頁返 回10.1.1 本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本

2、征半導體。例如：提純后的硅和鍺材料(四價元素）硅單晶體中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。 Si Si Si Si價電子上一頁下一頁返 回 Si Si Si Si價電子本征半導體的導電機理空穴 溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子失去一個電子變?yōu)檎x子上一頁下一頁返 回本征半導體的導電機理 當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運動 電子電流 (2)價電子遞補空穴 空穴電流注意： (1) 本征半導體中載流子數(shù)目極少, 其導電性能很差； (2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能愈好。溫度對半導體器件性能影響很大。載流子:

3、自由電子和空穴,成對出現(xiàn)半導體本身并不帶電上一頁下一頁返 回10.1.2 N型半導體和 P 型半導體1.N型半導體摻入五價元素 Si Si Si Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子 在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。 在N 型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。上一頁下一頁返 回10.1.2 N型半導體和 P 型半導體2.P型半導體摻入三價元素 Si Si Si Si 在 P 型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。上一頁下一頁返 回

4、1. 在雜質半導體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。 2. 在雜質半導體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。 3. 當溫度升高時，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。abc 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） ba上一頁下一頁返 回10.2 PN結及其單向導電性10.2.1 PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P 型區(qū)N 型區(qū) 內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。 擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。 擴散和漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度

5、固定不變。+空間電荷區(qū)，即PN結（耗盡層）上一頁下一頁返 回10.2.2 PN結的特性 1. PN 結加正向電壓（正向偏置）PN 結變窄 P接正、N接負 外電場I 內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。 PN 結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN+上一頁下一頁返 回2.PN 結加反向電壓（反向偏置）外電場 P接負、N接正 內電場PN+上一頁下一頁返 回PN 結變寬2. PN 結加反向電壓（反向偏置）外電場 內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。I P接負、N接正 溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度

6、增加。+ PN 結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+上一頁下一頁返 回10.3 二極管按材料分硅管鍺管按結構分點接觸型面接觸型按用途分普通管整流管PN陽極陰極半導體二極管符號上一頁下一頁返 回10.3.1 伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。 外加電壓大于反向擊穿電壓，二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.60.8V鍺0.20.3VUI死區(qū)電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內保持常數(shù)。上一頁下一頁返 回10.3.2 主要參數(shù)1. 最大整流電流 IO

7、M二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。3. 反向峰值電流IRM 指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大上一頁下一頁返 回二極管的單向導電性1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時， 二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時， 二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電

8、流很小。3.外加反向電壓大于反向擊穿電壓時，二極管被擊穿，失去單向導電性。4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。上一頁下一頁返 回 二極管電路分析舉例 定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.60.8V鍺0.20.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導通若 V陽 Vb，二極管D導通；3. 工作波形 u 負半周，VaVb，二極管 D1、 D3 導通， D2、 D4 截止 。3. 工作波形uD2uD41. 電路結構uouDttRLuiouo1234ab+ + u上一頁下一頁

9、返 回13.1.2 單相橋式整流電路2. 工作原理3. 工作波形uD2uD41. 電路結構RLuiouo1234ab+ + u 正半周，VaVb，二極管 1、3 導通，2、4 截止 。 u 負半周，VaVb，二極管 2、4 導通，1、3 截止 。uouDttuD1uD3u上一頁下一頁返 回4. 參數(shù)計算(1) 整流電壓平均值 Uo(2) 整流電流平均值 Io(3) 流過每管電流平均值 ID(4) 每管承受的最高反向電壓 UDRM上一頁下一頁返 回10.5 晶體管晶體管的結構示意圖和表示符號(a)NPN型晶體管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)P

10、NP型晶體管CE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結發(fā)射結NNP基極發(fā)射極集電極BCE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P發(fā)射結P集電結N集電極發(fā)射極基極B10.5.1 基本結構基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結集電結BECNNP基極發(fā)射極集電極結構特點：集電區(qū)：面積最大上一頁下一頁返 回10. 5. 2 電流分配和放大原理1. 三極管放大的外部條件BECNNP發(fā)射結正偏、集電結反偏 PNP發(fā)射結正偏 VBVE集電結反偏 VCVE集電結反偏 VCVB EBRBECRC上一頁下一頁返 回晶體管電流放大的實驗電路 設 EC = 6 V，改變可變電阻 RB, 則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE

11、都發(fā)生變化，測量結果如下表：2. 各電極電流關系及電流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100上一頁下一頁返 回晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.95 0, UBC UBE。Q2Q1大放區(qū)上一頁下一頁返 回IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0(2)截止區(qū)NPN型硅管，UBE0.5V時, 已開始截止；為可靠截止 , 常使 UBE 0。截止時, 集電結也處于反向偏置(U

12、BC 0),此時： IC 0, UCE UCC 。IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA)截止區(qū)上一頁下一頁返 回IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0(3) 飽和區(qū) 在飽和區(qū)，IB IC，發(fā)射結正向偏置，集電結正偏。 此時， 硅管UCE 0.3V， 鍺管UCE 0.1V。 IC UCC/RC 。 當 UCE 0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。飽和區(qū)上一頁下一頁返 回晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流(a)放大+ UBE 0 ICIB+UCE UB

13、C 0+(b)截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+ 飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的接通，電阻很??； 截止時，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的斷開，電阻很大。即晶體管有放大作用外，還有開關作用。上一頁下一頁返 回 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管(NPN)鍺管(PNP) 可靠截止開始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截 止 放大 飽和 工 作 狀 態(tài) 管 型晶體管結電壓的典型值10.5.4 主要參數(shù) 表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體

14、管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。上一頁下一頁返 回10.5.4 主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù)有 ，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當晶體管接成發(fā)射極電路時，注意： 和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO 較小的情況下，兩者數(shù)值接近。 常用晶體管的 值在20 200之間。上一頁下一頁返 回例：在UCE= 6 V時， 在 Q1 點IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 點IB=60 A, IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理： = 。IB=020A40A60A80A100A36IC / mA1234UCE /V9120Q1Q2在 Q1 點，有由

15、Q1 和Q2點，得上一頁下一頁返 回2.集-基極反向截止電流 ICBO ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBOICBOA+EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+ ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。上一頁下一頁返 回4.集電極最大允許電流 ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO 集電極電流 IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為 ICM。 當集射極之間的電壓UCE 超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的

16、擊穿電壓U(BR) CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCM PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。IC UCE =PC PCM 硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。上一頁下一頁返 回ICMU(BR)CEO由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEOPCM安全工作區(qū)上一頁下一頁返 回晶體管T-放大元件, iC= iB。要保證集電結反偏,發(fā)射結正偏,使晶體管工作在放大區(qū) ?；鶚O電源EB與基極電阻RB-使發(fā)射結 處于正偏，并提供大小適當?shù)幕鶚O電流。共發(fā)射極基本電路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE上一頁下一頁返

17、 回10.6 共發(fā)射極放大電路集電極電源EC -為電路提供能量。并保證集電結反偏。集電極電阻RC-將變化的電流轉變?yōu)樽兓碾妷?。耦合電容C1 、C2 -隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時使交流信號順利輸入、輸出。信號源共發(fā)射極基本電路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE負載上一頁下一頁返 回單電源供電時常用的畫法共發(fā)射極基本電路+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE上一頁下一頁返 回1. 電壓放大倍數(shù)Au2. 輸入電阻ri3. 輸出

18、電阻ro上一頁下一頁返 回10.7 放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)：放大電路無信號輸入（ui = 0）時的工作狀態(tài)。分析方法：估算法、圖解法。分析對象：各極電壓電流的直流分量。所用電路：放大電路的直流通路。設置Q點的目的： (1) 使放大電路的放大信號不失真； (2) 使放大電路工作在較佳的工作狀態(tài)，靜態(tài)是動態(tài)的基礎。靜態(tài)工作點Q：IB、IC、UCE 。靜態(tài)分析：確定放大電路的靜態(tài)值。上一頁下一頁返 回名稱靜態(tài)值交流分量總電壓或總電流直流電源瞬時值有效值瞬時值平均值電動勢電壓基極電流IBibIbiBIB(AV)集電極電流ICicIciCIC(AV) 發(fā)射極電流IEieIeiEIE(AV)集射極電壓UC

19、EuceUceuCEUCE(AV)基射極電壓UBEubeUbeuBEUBE(AV)集電極電源ECUCC基極電源EBUBB發(fā)射極電源EEUEE放大電路中電壓和電流的符號上一頁下一頁返 回10.7.1 用放大電路的直流通路確定靜態(tài)值1. 直流通路估算 IB根據(jù)電流放大作用2. 由直流通路估算UCE、IC當UBE UCC時，由KVL: UCC = IB RB+ UBE由KVL: UCC = IC RC+ UCE所以 UCE = UCC IC RC +UCCRBRCT+UBEUCEICIB上一頁下一頁返 回例1：用估算法計算靜態(tài)工作點。已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k， =37.5。解

20、：注意：電路中IB 和 IC 的數(shù)量級不同+UCCRBRCT+UBEUCEICIB上一頁下一頁返 回10.7.2 用圖解法確定靜態(tài)值用作圖的方法確定靜態(tài)值步驟： 1. 用估算法確定IB 優(yōu)點： 能直觀地分析和了解靜 態(tài)值的變化對放大電路 的影響。2. 由輸出特性確定IC 和UCEUCE = UCC ICRC 直流負載線方程+UCCRBRCT+UBEUCEICIB上一頁下一頁返 回UCE /VIC/mAO11.2.2 用圖解法確定靜態(tài)值直流負載線斜率ICUCEUCCUCE =UCCICRC直流負載線Q由IB確定的那條輸出特性與直流負載線的交點就是Q點上一頁下一頁返 回10.8 放大電路的動態(tài)分析

21、動態(tài)：放大電路有信號輸入（ui 0）時的工作狀態(tài)。分析方法： 圖解法，微變等效電路法。所用電路： 放大電路的交流通路。動態(tài)分析: 計算電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。分析對象： 各極電壓和電流的交流分量。上一頁下一頁返 回10.8.1 圖解法DC1. 交流負載線交流負載線 直流負載線 交流負載線反映動態(tài)時電流 iC和電壓uCE的變化關系。交流負載線斜率iC/mA4321O3691215B80mAA60mA40mA20mAuCE/VQUcc上一頁下一頁返 回2. 圖解分析QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOO

22、OOOOQiCQ1Q2ibuiuo 由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大電路的電壓放大倍數(shù)。上一頁下一頁返 回 3. 非線性失真 如果Q設置不合適，晶體管進入截止區(qū)或飽和區(qū)工作，將造成非線性失真。若Q設置過高： 晶體管進入飽和區(qū)工作，造成飽和失真。Q2uO 適當減小基極電流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ1上一頁下一頁返 回若Q設置過低： 晶體管進入截止區(qū)工作，造成截止失真。 適當增加基極電流可消除失真。uiuOtiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE 如果Q設置合適，信號幅值過大也可產

23、生失真，減小信號幅值可消除失真。3. 非線性失真上一頁下一頁返 回10.8.2 微變等效電路法 微變等效電路：把非線性的晶體管線性化，等效為一個線性元件。線性化的條件： 晶體管在小信號（微變量）情況下工作。因此，在靜態(tài)工作點附近小范圍內的特性曲線可用直線近似代替。微變等效電路法： 利用放大電路的微變等效電路分析計算放大電路電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。上一頁下一頁返 回 當信號很小時，在靜態(tài)工作點附近的輸入特性在小范圍內可近似線性化。1. 晶體管的微變等效電路UBEIB對于小功率三極管：rbe一般為幾百歐到幾千歐。11.3.2 微變等效電路法(1) 輸入回路Q輸入特性晶體管的

24、輸入電阻 晶體管的輸入回路(B、E之間)可用rbe等效代替，即由rbe來確定ube和 ib之間的關系。IBUBEO上一頁下一頁返 回(2) 輸出回路rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不計。晶體管的輸出電阻輸出特性 輸出特性在線性工作區(qū)是一組近似等距的平行直線。晶體管的電流放大系數(shù) 晶體管的輸出回路(C、E之間)可用一受控電流源 ic= ib等效代替，即由來確定ic和 ib之間的關系。一般在20200之間，在手冊中常用hfe表示。ICUCEQO上一頁下一頁返 回ibicicBCEibib晶體三極管微變等效電路ube+-uce+-ube+-uce+-1. 晶體管的微變等效電路rbe

25、BEC 晶體管的B、E之間可用rbe等效代替。 晶體管的C、E之間可用一受控電流源ic=ib等效代替。上一頁下一頁返 回2. 放大電路的微變等效電路 將交流通路中的晶體管用晶體管微變等效電路代替即可得放大電路的微變等效電路。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSii交流通路微變等效電路RBRCuiuORL+-RSeS+-ibicBCEii上一頁下一頁返 回 分析時假設輸入為正弦交流，所以等效電路中的電壓與電流可用相量表示。微變等效電路2. 放大電路的微變等效電路 將交流通路中的晶體管用晶體管微變等效電路代替即可得放大電路的微變等效電路。ibiceSrbeibRBRCR

26、LEBCui+-uo+-+-RSiirbeRBRCRLEBC+-+-+-RS上一頁下一頁返 回3.電壓放大倍數(shù)的計算當放大電路輸出端開路(未接RL)時因rbe與IE有關，故放大倍數(shù)與靜態(tài) IE有關。負載電阻愈小，放大倍數(shù)愈小。 式中的負號表示輸出電壓的相位與輸入相反。例1：rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS上一頁下一頁返 回4.放大電路輸入電阻的計算定義： 輸入電阻是對交流信號而言的，是動態(tài)電阻。+-信號源Au放大電路+-輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)。電路的輸入電阻愈大，從信號源取得的電流愈小，因此一般總是希望得到較大的輸入電阻。放大電路信號源+-+-上一頁下一頁返

27、回 5. 放大電路輸出電阻的計算放大電路對負載(或對后級放大電路)來說，是一個信號源，可以將它進行戴維寧等效，等效電源的內阻即為放大電路的輸出電阻。+_RLro+_定義： 輸出電阻是動態(tài)電阻，與負載無關。 輸出電阻是表明放大電路帶負載能力的參數(shù)。電路的輸出電阻愈小，負載變化時輸出電壓的變化愈小，因此一般總是希望得到較小的輸出電阻。RSRL+_Au放大電路+_上一頁下一頁返 回rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共射極放大電路特點： 1. 放大倍數(shù)高；2. 輸入電阻低；3. 輸出電阻高。例3：求ro的步驟：(1) 斷開負載RL (3) 外加電壓 (4) 求外加 (2) 令 或上一頁下一頁返

28、回10.9 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定 合理設置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的先決條件。但是放大電路的靜態(tài)工作點常因外界條件的變化而發(fā)生變動。 前述的固定偏置放大電路，簡單、容易調整，但在溫度變化、三極管老化、電源電壓波動等外部因素的影響下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。上一頁下一頁返 回iCuCEQ溫度升高時，輸出特性曲線上移Q 固定偏置電路的工作點Q點是不穩(wěn)定的，為此需要改進偏置電路。當溫度升高使 IC 增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點的變化，保持Q點基本穩(wěn)定。結論： 當溫度升高時， IC將增加，使Q點沿負載線上移，容易使晶體管 T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞三極管。O上一頁下一頁返 回 分壓式偏置電路1. 穩(wěn)定Q點的原理 基極電位基本恒定，不隨溫度變化。VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB+UCCuiuo+ICRSeS+上一頁下一頁返 回1. 穩(wěn)定Q點的原理VB 集電極電流基本恒定，不隨溫度變化。RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB+UCCuiuo+ICRSeS+上一頁下一頁返 回從Q點穩(wěn)定的角度來看似乎I2、VB越大越好。但 I2 越大，RB1、RB2必須取得較小，將增加損耗，降低輸入電阻。而VB過高必使VE也增高，在UCC一定時，勢必使UCE減小，從而減小放大電路輸出電壓的動