模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)第四章

1.基本要求

(1)理解本征半導(dǎo)體、P型和N型半導(dǎo)體以及漂移電流和擴(kuò)散電流等基本概念。

(2)掌握PN結(jié)的工作原理、單向?qū)щ娦?、擊穿特性和電容特性等基本知識(shí)。

(3)掌握晶體二極管的伏安特性、常用參數(shù)、溫度特性，能夠應(yīng)用簡(jiǎn)化模型對(duì)二極管基本應(yīng)用電路(包括整流、限幅、電平選擇和峰值檢波電路)進(jìn)行分析和計(jì)算。4.1基本要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)當(dāng)前1頁(yè)，總共135頁(yè)。(4)掌握穩(wěn)壓二極管特性及其應(yīng)用電路的分析、計(jì)算，掌握包含二極管、穩(wěn)壓管和運(yùn)放的電路(包括精密整流電路、輸出限幅比較器、輸出限幅且占空比可調(diào)的弛張振蕩器等電路)的分析和計(jì)算。

(5)掌握雙極型晶體三極管的工作原理、共射輸出特性和輸入特性曲線及主要參數(shù)，熟練掌握直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析、計(jì)算以及各種晶體管應(yīng)用電路(包括對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、β值測(cè)量、恒流源電路)的分析和計(jì)算。

(6)掌握J(rèn)FET和MOSFET的工作原理、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線及主要參數(shù)，熟練掌握直流偏置下FET的工作狀態(tài)分析、計(jì)算以及各種FET應(yīng)用電路(包括方波、鋸齒波發(fā)生器，取樣/保持電路，相敏檢波電路)的分析和計(jì)算。

(7)了解雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的性能及參數(shù)比較。當(dāng)前2頁(yè)，總共135頁(yè)。

2.重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：PN結(jié)工作原理，晶體二極管應(yīng)用電路及晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性曲線、主要參數(shù)及其應(yīng)用電路的分析和計(jì)算。

難點(diǎn)：本章概念較多，晶體三極管尤其是場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性曲線及其應(yīng)用電路的分析和計(jì)算較難掌握，教學(xué)中應(yīng)密切聯(lián)系應(yīng)用背景，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)前3頁(yè)，總共135頁(yè)。

1.半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)和PN結(jié)

作為原理基礎(chǔ)篇的開(kāi)始，本章涉及到許多新的概念，原理描述較多，引入了不少專有名詞。應(yīng)用時(shí)應(yīng)該注意概念準(zhǔn)確，原理描述簡(jiǎn)潔，專有名詞拼寫(xiě)正確。同時(shí)，本章相對(duì)和相似的內(nèi)容較多，如N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，NPN型晶體管和PNP型晶體管，三種N溝道場(chǎng)效應(yīng)管和三種P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，等等，學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)該注意區(qū)分，避免混淆。4.2習(xí)題類型分析及例題精解

當(dāng)前4頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-1】半導(dǎo)體中載流子通過(guò)什么物理過(guò)程產(chǎn)生？半導(dǎo)體電流與哪些因素有關(guān)？

答本征半導(dǎo)體中的載流子通過(guò)本征激發(fā)產(chǎn)生。雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的絕大部分由摻雜產(chǎn)生，極少部分由本征激發(fā)產(chǎn)生；少子則單純由本征激發(fā)產(chǎn)生。

半導(dǎo)體電流分為漂移電流和擴(kuò)散電流。漂移電流與電場(chǎng)強(qiáng)度、載流子的濃度和遷移率有關(guān)，擴(kuò)散電流與載流子沿電流方向單位距離的濃度差即濃度梯度有關(guān)。當(dāng)前5頁(yè)，總共135頁(yè)。

2.二極管和穩(wěn)壓二極管

1)二極管的直流電阻和交流電阻

二極管的直流電阻利用其兩端的直流電壓和其中的直流電流直接計(jì)算，也可以利用伏安特性曲線通過(guò)圖解法得到。圖解法求交流電阻誤差很大，一般利用熱電壓和直流電流計(jì)算，不加說(shuō)明時(shí)，熱電壓取26mV。

【例4-2】二極管的伏安特性如圖4-1所示，計(jì)算直流靜態(tài)工作點(diǎn)Q處的直流電阻RD和交流電阻rD。

當(dāng)前6頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-1例4-2特性曲線當(dāng)前7頁(yè)，總共135頁(yè)。解Q處直流電壓UDQ=0.7V,直流電流IDQ=2.5mA，則直流電阻

交流電阻

當(dāng)前8頁(yè)，總共135頁(yè)。2)二極管的管壓降和電流

二極管中的電流即其所在支路的電流，如果電流已知，則可以利用外電路的電壓分布間接計(jì)算管壓降，反之，可以利用已知的管壓降從外電路計(jì)算二極管中的電流。如果可以精確測(cè)量二極管兩端的電壓，其變化不大時(shí)，可以利用二極管的交流電阻線性外推二極管中的電流。

【例4-3】二極管電流測(cè)量電路如圖4-2所示。當(dāng)電源電壓E=10V時(shí)，電流表讀數(shù)ID1=9.7mA，則當(dāng)E=20V時(shí)，估計(jì)電流表讀數(shù)ID2。

當(dāng)前9頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-2例4-3電路圖當(dāng)前10頁(yè)，總共135頁(yè)。解二極管VD的管壓降

UD(on)=E－ID1R=10V－9.7mA×1kΩ=0.3V

當(dāng)E=20V時(shí)，電流表讀數(shù)

當(dāng)前11頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-4】二極管電壓測(cè)量電路如圖4-3所示。當(dāng)電源電壓E=13.6V時(shí)，電壓表讀數(shù)UD1=0.6V；E增大后，電壓表讀數(shù)UD2=0.63V,估計(jì)此時(shí)二極管VD中的電流ID2。

圖4-3例4-4電路圖當(dāng)前12頁(yè)，總共135頁(yè)。解當(dāng)E=13.6V時(shí)，VD中的電流

VD的交流電阻

E增大后，VD兩端的電壓變化不大，即

ΔU=UD2－UD1=0.63V-0.6V=0.03V<<UD1

此時(shí)VD中的電流

當(dāng)前13頁(yè)，總共135頁(yè)。3)二極管限幅電路

二極管限幅電路通過(guò)內(nèi)部電路預(yù)設(shè)一個(gè)電壓，二極管兩端的電壓為輸入電壓與預(yù)設(shè)電壓的疊加?？梢允紫扔?jì)算預(yù)設(shè)電壓，結(jié)合二極管的導(dǎo)通電壓，確定二極管處于導(dǎo)通和截止之間的臨界狀態(tài)時(shí)輸入電壓的臨界值，之后再區(qū)分輸入電壓大于和小于臨界值的情況，根據(jù)輸入電壓加到二極管上的方向，判斷二極管的狀態(tài)，確定輸出電壓。對(duì)帶負(fù)載電阻的二極管限幅電路，需要根據(jù)電阻分壓計(jì)算預(yù)設(shè)電壓或輸入電壓的臨界值。

【例4-5】二極管限幅電路如圖4-4所示，其中二極管VD的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，輸入電壓ui=5sinωt(V)，作出輸出電壓uo的波形。當(dāng)前14頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-4例4-5電路圖及波形圖當(dāng)前15頁(yè)，總共135頁(yè)。解圖4-4(a)中，電源電壓E和電阻R的串聯(lián)支路提供的預(yù)設(shè)電壓為E=1V，ui的臨界值為E+UD(on)=1V+0.7V=

1.7V。當(dāng)ui>1.7V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=ui－UD(on)=ui－0.7V;當(dāng)ui<1.7V時(shí)，VD截止，uo=E=1V。uo的波形如圖4-4(c)所示。

圖4-4(b)中，E提供的預(yù)設(shè)電壓為－E=－1V，ui的臨界值為－E+UD(on)=－1V+0.7V=－0.3V。當(dāng)ui>－0.3V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=－E+UD(on)=－0.3V；當(dāng)ui<－0.3V時(shí)，

VD截止，uo=ui。uo的波形如圖4-4(d)所示。當(dāng)前16頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-6】帶負(fù)載電阻的二極管限幅電路如圖4-5所示，其中二極管VD的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.3V，輸入電壓ui=3cosωt(V)，作出輸出電壓uo的波形。

解圖4-5(a)中，電壓源電壓E經(jīng)過(guò)電阻R和負(fù)載電阻RL分壓后提供的預(yù)設(shè)電壓為

ui的臨界值為

當(dāng)前17頁(yè)，總共135頁(yè)。當(dāng)ui>－1.3V時(shí)，VD截止，

當(dāng)ui<－1.3V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=ui+UD(on)=ui+0.3V。uo的波形如圖4-5(c)所示。當(dāng)前18頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-5(b)中，E提供的預(yù)設(shè)電壓為E=1V，ui的臨界值為

當(dāng)ui>1.4V時(shí)，VD截止，

當(dāng)ui<1.4V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=E－UD(on)=1V－0.3V=

0.7V。uo的波形如圖4-5(d)所示。

當(dāng)前19頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-5例4-6電路圖及波形圖當(dāng)前20頁(yè)，總共135頁(yè)。4)集成運(yùn)算放大器精密二極管電路

此類電路中，輸入電壓輸入到集成運(yùn)放的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端電壓取值固定，如接地。根據(jù)該固定電壓把輸入電壓分為兩個(gè)取值階段，對(duì)兩個(gè)階段分別進(jìn)行以下分析：首先假設(shè)二極管均不導(dǎo)通，運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)(相當(dāng)于電壓比較器)，根據(jù)該階段反相輸入端和同相輸入端的電壓關(guān)系確定輸出電壓是正電壓還是負(fù)電壓，繼而確定輸出端二極管是導(dǎo)通還是截止。如果因?yàn)槎O管導(dǎo)通而存在集成運(yùn)放的負(fù)反饋，則集成運(yùn)放作為放大器使用，具有“虛短”和“虛斷”特點(diǎn)；如果不存在負(fù)反饋，則集成運(yùn)放仍用作電壓比較器。至此二極管的狀態(tài)和集成運(yùn)放的作用都已確定，可以繼續(xù)分析該階段輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。

當(dāng)前21頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-7】集成運(yùn)放精密半波整流電路如圖4-6(a)所示，分析其傳輸特性。

解集成運(yùn)放A的同相端接地，電壓u+=0，所以把輸入電壓ui分為大于零和小于零兩個(gè)取值階段。當(dāng)ui>0時(shí)，A輸出負(fù)電壓，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，A存在負(fù)反饋，用作放大器，電阻R2右端懸空，其上沒(méi)有電流，輸出電壓uo=u－=u+=0；當(dāng)ui<0時(shí)，A輸出正電壓，VD1截止，VD2導(dǎo)通，A存在負(fù)反饋，用作放大器，電路等效為反相比例放大器，uo=－(R2/R1)ui。傳輸特性如圖4-6(b)所示。當(dāng)前22頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-6例4-7電路圖及傳輸特性當(dāng)前23頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-8】集成運(yùn)放精密全波整流電路如圖4-7(a)所示，分析其傳輸特性。

解集成運(yùn)放A2和二極管VD構(gòu)成集成運(yùn)放精密二極管電路。A2的反相端接地，電壓u2－=0，所以把輸入電壓ui分為大于零和小于零兩個(gè)取值階段。當(dāng)ui>0時(shí)，A2輸出正電壓，VD截止，A2不存在負(fù)反饋，用作電壓比較器，電阻R1上沒(méi)有電流，u1－=u1+=ui,uo=2u1－－ui=ui;當(dāng)ui<0時(shí)，A2輸出負(fù)電壓，VD導(dǎo)通，A2存在負(fù)反饋，用作放大器，u1－=u1+=u2+=u2－=0,uo=2u1－－ui=－ui。傳輸特性如圖4-7(b)所示。當(dāng)前24頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-7例4-8電路圖及傳輸特性當(dāng)前25頁(yè)，總共135頁(yè)。5)穩(wěn)壓二極管電路

穩(wěn)壓二極管的工作電流與輸入電壓、限流電阻和負(fù)載電阻有關(guān)，工作電流的取值范圍確定了上述三個(gè)參數(shù)的相互限制關(guān)系，給定其中的一個(gè)參數(shù)，則可以由第二個(gè)參數(shù)的變化范圍確定第三個(gè)參數(shù)的變化范圍。穩(wěn)壓二極管工作時(shí)加反相電壓，當(dāng)反相電壓不到其穩(wěn)定電壓值時(shí)，穩(wěn)壓二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；只有穩(wěn)壓二極管開(kāi)路時(shí)，反相電壓達(dá)到或超過(guò)其穩(wěn)定電壓值，穩(wěn)壓二極管才進(jìn)入擊穿狀態(tài)，提供穩(wěn)定電壓。當(dāng)前26頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-9】穩(wěn)壓二極管電路如圖4-8所示。穩(wěn)定電壓UZ=9V，工作電流IZ的范圍為IZmax=100mA,IZmin=10mA，負(fù)載電阻RL=300Ω,輸入電壓ui的變化范圍為17~22V。確定限流電阻R的取值范圍，如果接入的R=300Ω，會(huì)出現(xiàn)什么情況？

解由

當(dāng)前27頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-8例4-9電路圖

當(dāng)前28頁(yè)，總共135頁(yè)。得

考慮到ui的變化，上式改寫(xiě)為

當(dāng)前29頁(yè)，總共135頁(yè)。其中

所以R的取值范圍為100~200Ω。

如果接入的R=300Ω，穩(wěn)壓二極管VDZ開(kāi)路時(shí)，ui經(jīng)過(guò)RL與R分壓后提供的反相電壓變化范圍為

當(dāng)前30頁(yè)，總共135頁(yè)。則當(dāng)ui在17V和18V之間時(shí)，反相電壓0.5ui在8.5V和9V之間，此階段VDZ截止，不起穩(wěn)壓作用，uo=［RL/(R+RL)］ui=0.5ui可變。當(dāng)前31頁(yè)，總共135頁(yè)。

3.晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管

1)工作狀態(tài)

晶體管的直流偏置電路中，首先根據(jù)晶體管的類型標(biāo)出極電流的實(shí)際流向。發(fā)射極直接接地時(shí)，根據(jù)基極所接直流偏置電壓源確定基極電壓的極性，繼而確定發(fā)射結(jié)正偏或反偏，需要注意NPN型晶體管和PNP型晶體管的發(fā)射結(jié)方向相反；發(fā)射極經(jīng)過(guò)電阻接地時(shí)，需要在假設(shè)的放大狀態(tài)下計(jì)算基極電流，按實(shí)際流向，如果基極電流的計(jì)算結(jié)果為正值，則發(fā)射結(jié)正偏，否則發(fā)射結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)的偏置情況確定后，接下來(lái)的分析參見(jiàn)教材中的圖4.1.1進(jìn)行。直流偏置電路中，場(chǎng)效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷參見(jiàn)教材中的圖4.1.2進(jìn)行，計(jì)算柵源極電壓時(shí)需要注意柵極電流為零。

當(dāng)前32頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-10】晶體管直流偏置電路和有關(guān)參數(shù)如圖4-9所示，判斷晶體管的工作狀態(tài)并計(jì)算極間電壓UCE。

解在圖4-9(a)中標(biāo)出NPN型晶體管極電流的實(shí)際流向。發(fā)射極直接接地，基極所接直流偏置電壓源為正電壓，確定發(fā)射結(jié)正偏，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，則

UCC－IERC－IBRB－UBE(on)=UCC－(1+β)IBRC－IBRB－UBE(on)

=12V－(1+50)IB×2kΩ－IB×20kΩ－0.7V

=0

當(dāng)前33頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-9例4-10電路圖當(dāng)前34頁(yè)，總共135頁(yè)。計(jì)算出IB=92.6μA。集電極電壓

UC=UCC－IERC=UCC－(1+β)IBRC

=12V－(1+50)×92.6μA×2kΩ=2.55V

基極電壓UB=UBE(on)=0.7V。因?yàn)閁C>UB，所以集電結(jié)反偏，假設(shè)成立，晶體管處于放大狀態(tài)，以上結(jié)果正確，UCE=UC=2.55V。

在圖4-9(b)中標(biāo)出PNP型晶體管極電流的實(shí)際流向。發(fā)射極經(jīng)過(guò)電阻RE接地，所以假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，則

－UCC+IBRB－UBE(on)+IERE

=－UCC+IBRB－UBE(on)+(1+β)IBRE

=－12V+IB×100kΩ－(－0.7V)+(1+50)IB×2kΩ=0當(dāng)前35頁(yè)，總共135頁(yè)。計(jì)算出IB=55.9μA>0，確定發(fā)射結(jié)正偏，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，則集電極電壓

UC=－UCC+ICRC=－UCC+βIBRC

=－12V+50×55.9μA×4kΩ

=－0.81V

基極電壓

UB=－UCC+IBRB

=－12V+55.9μA×100kΩ

=－6.4V

因?yàn)閁C>UB，所以集電結(jié)正偏，晶體管處于飽和狀態(tài)，UCE=UCE(sat)。當(dāng)前36頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-11】場(chǎng)效應(yīng)管直流偏置電路和有關(guān)參數(shù)如圖4-10所示，判斷場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)并計(jì)算極間電壓UDS。

圖4-10例4-11電路圖當(dāng)前37頁(yè)，總共135頁(yè)。解圖4-10(a)中，UGS=0>UGS(off)=－5V，所以場(chǎng)效應(yīng)管工作在導(dǎo)通區(qū)，ID=IDSS=3mA，UDG=UDS－UGS=UDS=UDD－IDRD=12V－3mA×1kΩ=9V>－UGS(off)=5V，所以場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，UDS=UDG=9V。

圖4-10(b)中，UGS=－UGG=－2V>UGS(th)=－3V，所以場(chǎng)效應(yīng)管工作在截止區(qū)，ID=0，UDS=－UDD+IDRD=－UDD=－12V。當(dāng)前38頁(yè)，總共135頁(yè)。2)對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

基本的對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路可以構(gòu)成較復(fù)雜的模擬運(yùn)算電路。對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中，輸出電壓和晶體管發(fā)射結(jié)電壓有關(guān)，輸入電壓則和集電極電流有關(guān)，電流方程聯(lián)系了發(fā)射結(jié)電壓和集電極電流，從而確定了輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系；反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中，輸出電壓和輸入電壓分別與集電極電流和發(fā)射結(jié)電壓有關(guān)，并且通過(guò)電流方程關(guān)聯(lián)。

【例4-12】由對(duì)數(shù)運(yùn)算電路構(gòu)成的模擬運(yùn)算電路如圖4-11所示，推導(dǎo)輸出電壓uo的表達(dá)式。

當(dāng)前39頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-11例4-12電路圖當(dāng)前40頁(yè)，總共135頁(yè)。解由

得

由

得

當(dāng)前41頁(yè)，總共135頁(yè)。所以

當(dāng)前42頁(yè)，總共135頁(yè)。3)恒流源電路

處于放大狀態(tài)的晶體管可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。如果負(fù)載電阻變化，其上的電壓會(huì)相應(yīng)改變，繼而引起晶體管輸出電壓的變化，于是工作點(diǎn)會(huì)沿輸出特性曲線運(yùn)動(dòng)。應(yīng)該保證工作點(diǎn)不超出放大區(qū)，即不進(jìn)入飽和區(qū)或擊穿區(qū)，這樣就限制了負(fù)載電阻的取值范圍。場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)位于恒流區(qū)時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)輸出電流為恒流，與場(chǎng)效應(yīng)管輸出電壓的變化無(wú)關(guān)。當(dāng)前43頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-13】晶體管恒流源電路和相關(guān)的晶體管輸出特性曲線分別如圖4-12(a)和(b)所示，在負(fù)載電阻變化時(shí)，電路為其提供恒定電流。穩(wěn)壓二極管VDZ的穩(wěn)定電壓UZ=

6V，計(jì)算負(fù)載電阻RL上的輸出電流IO，并確定允許接入的RL的取值范圍。

當(dāng)前44頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-12例4-13電路圖及輸出特性曲線

當(dāng)前45頁(yè)，總共135頁(yè)。解

由輸出特性曲線可知，為了保證處于放大狀態(tài)，晶體管的輸出電壓應(yīng)滿足

UCE(sat)<uCE=UCC-IO(RL+R2)<UBR(CEO)

即

0.1V<36V－20mA×(RL+300Ω)<25V

計(jì)算出RL的取值范圍為550Ω<RL<1.79kΩ。當(dāng)前46頁(yè)，總共135頁(yè)?！纠?-14】場(chǎng)效應(yīng)管恒流源電路和相關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線分別如圖4-13(a)和(b)所示，電壓源電壓在使用中逐漸減小時(shí)，電路為發(fā)光二極管提供恒定電流。場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=－2.5V，飽和電流IDSS=4mA，發(fā)光二極管VD的導(dǎo)通電壓UD(on)=2.2V，計(jì)算VD上的輸出電流IO，并確定電路可以工作時(shí)電壓源電壓UDD的最小值UDDmin。

解場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性為

其中

uGS=－iDR=－iD×50Ω當(dāng)前47頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-13例4-14電路圖及輸出特性曲線

當(dāng)前48頁(yè)，總共135頁(yè)。以上兩式聯(lián)立求解，計(jì)算出IO=ID=3.46mA。

工作點(diǎn)位于恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的交界處時(shí)，uDS最小，

UDG=UDSmin－UGS=－UGS(off)

則

UDSmin=UGS－UGS(off)=－IDR－UGS(off)

=－3.46mA×50Ω－(－2.5V)=2.33V

UDDmin=UDSmin+IDR+UD(on)

=2.33V+3.46mA×50Ω+2.2V=4.7V當(dāng)前49頁(yè)，總共135頁(yè)。4)無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)電路

NPN型晶體管用作開(kāi)關(guān)時(shí)，如果基極電壓為高電平，則晶體管處于飽和狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間電阻很小，等效為它們之間開(kāi)關(guān)閉合；如果基極電壓為低電平，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極和發(fā)射極之間電阻很大，等效為它們之間開(kāi)關(guān)打開(kāi)。N溝道場(chǎng)效應(yīng)管用作開(kāi)關(guān)時(shí)，根據(jù)柵極電壓為高電平還是低電平，決定漏極和源極之間開(kāi)關(guān)是閉合還是打開(kāi)。

【例4-15】晶體管開(kāi)關(guān)電路和基極電壓ub的波形分別如圖4-14(a)和(b)所示，電容C的初始電壓為零，定性畫(huà)出輸出電壓uo的波形。

當(dāng)前50頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-14例4-15電路圖及波形圖當(dāng)前51頁(yè)，總共135頁(yè)。解ub為低電平時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路等效為反相積分器，uo隨時(shí)間線性上升；ub為高電平時(shí)，晶體管處于飽和狀態(tài)，C通過(guò)晶體管放電，uo瞬間減小到零。uo的波形如圖4-14(c)所示。當(dāng)前52頁(yè)，總共135頁(yè)。【例4-16】場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路、輸入電壓ui和柵極電壓uG的波形分別如圖4-15(a)和(b)所示，電容C的初始電壓為零，定量畫(huà)出輸出電壓uo1和uo2的波形。

當(dāng)前53頁(yè)，總共135頁(yè)。圖4-15例4-16電路圖及波形圖當(dāng)前54頁(yè)，總共135頁(yè)。解uG=0時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，節(jié)點(diǎn)A處電壓為零，集成運(yùn)放A1構(gòu)成反相比例放大器，

A2構(gòu)成反相積分器，uo2隨時(shí)間線性上升。t=2ms時(shí)，uo2最大為

uG=－5V時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管工作在截止區(qū)，A處電壓為ui，uo1=ui，uo2隨時(shí)間線性下降。t=4ms時(shí)，uo2最小為uo2min=0。uo1和uo2的波形如圖4-15(c)所示。當(dāng)前55頁(yè)，總共135頁(yè)。4-1本征半導(dǎo)體中，自由電子濃度

空穴濃度；雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子的濃度與

有關(guān)。

答等于；摻雜濃度。4.3習(xí)題解答

當(dāng)前56頁(yè)，總共135頁(yè)。4-2擴(kuò)散電流與

有關(guān)，而漂移電流則取決于

；PN結(jié)正偏時(shí)，耗盡區(qū)

,擴(kuò)散電流

漂移電流。

答載流子濃度差，電場(chǎng)強(qiáng)度；變窄，大于。

當(dāng)前57頁(yè)，總共135頁(yè)。4-3二極管的伏安特性如圖P4-3所示。求點(diǎn)A、B處的直流電阻RD和交流電阻rD。

解A點(diǎn)處電壓UDA=0.6V，電流IDA=3mA，則直流電阻

交流電阻

當(dāng)前58頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-3當(dāng)前59頁(yè)，總共135頁(yè)。

B點(diǎn)處電壓UDB=0.6V，電流IDB=6mA，則直流電阻

交流電阻

當(dāng)前60頁(yè)，總共135頁(yè)。4-4如圖P4-4所示，某發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓為2.5V，工作電流范圍為18~20mA。外接12V直流電壓源時(shí)，需要給二極管串聯(lián)多大的電阻？

解電阻R的壓降UR=12V－2.5V=9.5V，電流極值IRmin=18mA，IRmax=20mA，則R的最大值

其最小值

所以，發(fā)光二極管正常工作時(shí)要求串聯(lián)電阻的取值范圍為475Ω≤R≤528Ω。

當(dāng)前61頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-4

當(dāng)前62頁(yè)，總共135頁(yè)。4-5某二極管電路如圖P4-5所示。當(dāng)E=4V時(shí)，電流表讀數(shù)I=3.4mA，當(dāng)E增加到6V時(shí)，I的測(cè)量結(jié)果如何？另一二極管UD=0.65V時(shí)，測(cè)得ID0=13mA，當(dāng)UD=0.67V時(shí)，ID應(yīng)該是多少？

解根據(jù)圖示電路，有

所以

UD(on)=E－IR=4V－3.4mA×1kΩ=0.6V當(dāng)前63頁(yè)，總共135頁(yè)。

當(dāng)E=6V時(shí)，測(cè)量結(jié)果為

由ID0=13mA，得二極管的交流電阻

UD的增加量ΔUD=0.67V－0.65V=0.02V很小，所以ID可以線性近似得到

當(dāng)前64頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-5當(dāng)前65頁(yè)，總共135頁(yè)。4-6計(jì)算圖P4-6所示電路中節(jié)點(diǎn)A、B的電壓，已知二極管導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V。

解圖P4-6(a)中，二極管VD導(dǎo)通，電阻R1和R2的總壓降為

根據(jù)串聯(lián)分壓的比例關(guān)系，R1的壓降

所以節(jié)點(diǎn)A的電壓

當(dāng)前66頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-6當(dāng)前67頁(yè)，總共135頁(yè)。R2的壓降

所以節(jié)點(diǎn)B的電壓

圖P4-6(b)中，二極管VD截止，電路中沒(méi)有電流，R1和R2的壓降為零，所以UA=E=5V，UB=－E=－5V。當(dāng)前68頁(yè)，總共135頁(yè)。4-7高輸入阻抗絕對(duì)值電路如圖P4-7所示。已知匹配條件為R1=R2=Rf1=0.5Rf2，推導(dǎo)輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系表達(dá)式。

解當(dāng)ui>0時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，第一級(jí)放大器的輸出電壓uo1=u1－=u1+=ui，集成運(yùn)放A2的輸入電壓u2－=u2+=ui，所以電阻R2和Rf2中無(wú)電流，輸出電壓uo=u2－=ui。

當(dāng)前69頁(yè)，總共135頁(yè)。當(dāng)ui<0時(shí)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，此時(shí)第一級(jí)放大器構(gòu)成同相比例放大器，有

u2－=u2+=ui，R2和Rf2中的電流i=(uo1－u2－)/R2=ui/R2,故

根據(jù)以上分析，在任意時(shí)刻，uo=|ui|。當(dāng)前70頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-7當(dāng)前71頁(yè)，總共135頁(yè)。4-8二極管限幅電路如圖P4-8所示。輸入電壓ui=5sint(V)，畫(huà)出輸出電壓uo的波形。

解以下分析中，設(shè)二極管VD的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V。

圖P4-8(a)中，ui的臨界值為E－UD(on)=2V－0.7V=

1.3V。當(dāng)ui>1.3V時(shí)，VD截止，uo=E=2V；當(dāng)ui<1.3V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=ui+UD(on)=ui+0.7V。uo的波形如圖P4-8′(a)所示。

當(dāng)前72頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-8(b)中，ui的臨界值為－E－UD(on)=－2V－0.7V=－2.7V。當(dāng)ui>－2.7V時(shí)，VD截止，uo=ui；當(dāng)ui<

－2.7V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=－E－UD(on)=－2.7V。uo的波形如圖P4-8′(b)所示。

圖P4-8(c)中，ui的臨界值為E+UD(on)=3V+0.7V=3.7V。當(dāng)ui>3.7V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=ui－E－UD(on)=ui－3.7V；當(dāng)ui<3.7V時(shí)，VD截止，uo=0。uo的波形如圖P4-8′(c)所示。當(dāng)前73頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-8當(dāng)前74頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-8當(dāng)前75頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-8(d)中，ui的臨界值為UD(on)－E=0.7V－3V=

－2.3V。當(dāng)ui>－2.3V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=ui+E=ui+3V；當(dāng)ui<－2.3V時(shí)，VD截止，uo=0。uo的波形如圖P4-8′(d)所示。

圖P4-8(e)中，ui的臨界值為

當(dāng)ui>1.7V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=ui-UD(on)=ui－0.7V；當(dāng)ui<1.7V時(shí)，VD截止，

uo的波形如圖P4-8′(e)所示。

當(dāng)前76頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-8(f)中，ui的臨界值為

當(dāng)ui>3.4V時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=UD(on)+E=0.7V+1V=1.7V；當(dāng)ui<3.4V時(shí)，VD截止，

uo的波形如圖P4-8′(f)所示。當(dāng)前77頁(yè)，總共135頁(yè)。4-9電路和輸入電壓ui的波形如圖P4-9所示。設(shè)二極管是理想二極管，畫(huà)出輸出電壓uo的波形。

解圖P4-9(a)中，當(dāng)ui>0時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，集成運(yùn)放的輸入電壓u－=u+=ui，則

當(dāng)ui<0時(shí)，VD截止，u+=0，電路構(gòu)成反相比例放大器，有

根據(jù)以上分析，在任意時(shí)刻，uo=|ui|，波形如圖P4-9′(a)所示，電路實(shí)現(xiàn)全波整流。

當(dāng)前78頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-9當(dāng)前79頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-9′當(dāng)前80頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-9(b)中，當(dāng)ui>0時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，uo=u－=u+=0；當(dāng)ui<0時(shí)，VD截止，電路構(gòu)成反相比例放大器，有

根據(jù)以上分析，在任意時(shí)刻，uo的波形如圖P4-9′(b)所示，電路實(shí)現(xiàn)半波整流。當(dāng)前81頁(yè)，總共135頁(yè)。4-10穩(wěn)壓二極管電路如圖P4-10所示。已知穩(wěn)定電壓UZ=10V，工作電流范圍為IZmax=100mA，IZmin=2mA，限流電阻R=100Ω。

(1)如果負(fù)載電阻RL=250Ω，求輸入電壓ui的允許變化范圍；

(2)如果ui=22V，求RL的允許變化范圍。當(dāng)前82頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-10當(dāng)前83頁(yè)，總共135頁(yè)。解(1)由

得

當(dāng)IZ=IZmax=100mA時(shí)，Ui的最大值

當(dāng)前84頁(yè)，總共135頁(yè)。當(dāng)IZ=IZmin=2mA時(shí)，ui的最小值

所以u(píng)i的允許變化范圍為14.2V≤ui≤24V。

(2)由

得

當(dāng)前85頁(yè)，總共135頁(yè)。當(dāng)IZ=IZmax=100mA時(shí)，RL的最大值

當(dāng)IZ=IZmin=2mA時(shí)，RL的最小值

所以RL的允許變化范圍為84.7Ω≤RL≤500Ω。

當(dāng)前86頁(yè)，總共135頁(yè)。4-11圖P4-11所示電路中，已知穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為UZ1=6V，UZ2=4V，導(dǎo)通電壓UD(on)均為0.7V。確定每個(gè)電路的傳輸特性。

圖P4-11當(dāng)前87頁(yè)，總共135頁(yè)。解圖P4-11(a)中，當(dāng)ui>UZ1+UZ2=6V+4V=10V時(shí)，VDZ1和VDZ2都擊穿，uo=UZ1+UZ2=10V；當(dāng)ui<－2UD(on)=－2×0.7V=－1.4V時(shí)，VDZ1和VDZ2都導(dǎo)通，uo=

－2UD(on)=－1.4V；而當(dāng)－2UD(on)=－1.4V<ui<UZ1+UZ2=10V時(shí)，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。

根據(jù)以上分析，該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11′(a)所示。

當(dāng)前88頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-11′當(dāng)前89頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-11(b)中，當(dāng)ui>UZ1+UD(on)=6V+0.7V=6.7V時(shí)，VDZ1擊穿，VDZ2導(dǎo)通，uo=UZ1+UD(on)=6.7V；當(dāng)ui<－(UZ2+UD(on))=－(4V+0.7V)=－4.7V時(shí)，VDZ1導(dǎo)通，VDZ2擊穿，uo=－(UZ2+UD(on))=－4.7V；而當(dāng)－(UZ2+UD(on))=－4.7V<ui<UZ1+UD(on)=6.7V時(shí)，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。根據(jù)以上分析，該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11′(b)所示。當(dāng)前90頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-11(c)中，當(dāng)ui>2UD(on)=2×0.7V=1.4V時(shí)，VDZ1和VDZ2都導(dǎo)通，uo=2UD(on)=1.4V；當(dāng)ui<－(UZ1+UZ2)=

－(6V+4V)=＝10V時(shí)，VDZ1和VDZ2都擊穿，uo=－(UZ1

+UZ2)=－10V；而當(dāng)－(UZ1+UZ2)=－10V<ui<2UD(on)=1.4V時(shí)，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。根據(jù)以上分析，該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11′(c)所示。當(dāng)前91頁(yè)，總共135頁(yè)。4-12求圖P4-12所示電路的輸出電壓UO,已知穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為UZ1=6V,UZ2=7V,導(dǎo)通電壓UD(on)均為0.7V。

圖P4-12當(dāng)前92頁(yè)，總共135頁(yè)。解圖P4-12(a)中，因?yàn)閁Z1<UZ2，所以VDZ1首先擊穿，其兩端電壓為UZ1，該電壓使VDZ2反偏而又不致?lián)舸?，所以處于截止?fàn)顟B(tài)，UO=UZ1=6V。

圖P4-12(b)中，VDZ2導(dǎo)通，其兩端電壓為UD(on)，該電壓使VDZ1反偏而又不致?lián)舸蕴幱诮刂範(fàn)顟B(tài)，UO=UD(on)=0.7V。當(dāng)前93頁(yè)，總共135頁(yè)。4-13推導(dǎo)圖P4-13所示電路的輸出電壓uo的表達(dá)式。

解圖P4-13(a)中，當(dāng)穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2都截止時(shí)，集成運(yùn)放的輸入電壓

當(dāng)前94頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-13當(dāng)前95頁(yè)，總共135頁(yè)。經(jīng)過(guò)VDZ1和VDZ2的限幅，uo的最大值uomax=6V+2V=

8V，根據(jù)上式求得此時(shí)ui=－1V；uo的最小值uomin=－6V+2V=－4V，對(duì)應(yīng)的ui=5V。根據(jù)以上分析，uo的表達(dá)式為

圖P4-13(b)中，當(dāng)ui>0時(shí)，二極管VD截止，集成運(yùn)放A1的輸入電壓u1－=u1+=ui，輸出電壓

當(dāng)前96頁(yè)，總共135頁(yè)。當(dāng)ui<0時(shí)，VD導(dǎo)通，A1構(gòu)成反相比例放大器，有

根據(jù)以上分析，在任意時(shí)刻，uo=|ui|。當(dāng)前97頁(yè)，總共135頁(yè)。4-14電路如圖P4-14所示。設(shè)電容C的初始電壓為零。

(1)說(shuō)明集成運(yùn)放A1、A2和A3的功能；

(2)當(dāng)輸入電壓ui=8sinωt(V)時(shí)，畫(huà)出各級(jí)輸出電壓uo1、uo2和uo的波形。當(dāng)前98頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-14當(dāng)前99頁(yè)，總共135頁(yè)。解(1)A1構(gòu)成反相比例放大器，A2構(gòu)成反相過(guò)零簡(jiǎn)單比較器，A3構(gòu)成反相積分器。

(2)

當(dāng)uo1<0時(shí)，uo2=6V；當(dāng)uo1>0時(shí)，uo2=－6V。uo2=6V時(shí)，電容C充電，uo隨時(shí)間線

性下降；uo2=－6V時(shí)，C放電，uo隨時(shí)間線性上升。根據(jù)以上分析，uo1、uo2和uo的波形如圖P4-14′所示。當(dāng)前100頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-14′當(dāng)前101頁(yè)，總共135頁(yè)。4-15定性畫(huà)出圖P4-15中弛張振蕩器的輸出電壓uo和電容電壓uC的波形。

解圖P4-15(a)中，當(dāng)uo=UoH=6V時(shí)，二極管VD截止，uo通過(guò)電阻R5對(duì)電容C充電；當(dāng)uo=UoL=-6V時(shí)，VD導(dǎo)通，C通過(guò)R4∥R5放電。根據(jù)以上分析，該電路的充電速度慢，放電速度快，uo和uC的波形如圖P4-15′(a)所示，其中設(shè)t=0時(shí)，C上的電量為零。

圖P4-15(b)中，當(dāng)uo=UoH=6V時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，uo通過(guò)電阻R4對(duì)電容C充電；當(dāng)uo=UoL=-6V時(shí)，VD截止，C通過(guò)R4+R5放電。根據(jù)以上分析，該電路的充電速度大于放電速度，uo和uC的波形如圖P4-15′(b)所示，其中設(shè)t=0時(shí)，C上的電量為零。

當(dāng)前102頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-15當(dāng)前103頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-15′當(dāng)前104頁(yè)，總共135頁(yè)。4-16電路如圖P4-16所示，畫(huà)出輸出電壓uo和電容電壓uC的波形。

圖P4-16當(dāng)前105頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-16′當(dāng)前106頁(yè)，總共135頁(yè)。解集成運(yùn)放A1構(gòu)成反相積分器，A2構(gòu)成同相遲滯比較器。當(dāng)uo=UoH=6V時(shí)，電容C恒流充電，uC隨時(shí)間線性下降，當(dāng)

時(shí)，uo=UoL=－6V，C恒流放電，uC隨時(shí)間線性上升。根據(jù)以上分析，uo和uC的波形如圖P4-16′所示，其中設(shè)t=0時(shí)，C上的電量為零。當(dāng)前107頁(yè)，總共135頁(yè)。4-17判斷圖P4-17中晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)。

解圖P4-17(a)中，可以確定發(fā)射結(jié)正偏，所以晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。假設(shè)其處于放大狀態(tài)，則IBRB+UBE(on)+(1+b)IBRE=UCC，即IB

370k+0.6V+(1+100)IB

2k=12V，計(jì)算出IB=20A，則IC

=bIB=10020A=2mA。

所以集電結(jié)反偏，假設(shè)成立，晶體管處于放大狀態(tài)。

當(dāng)前108頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-17(b)中，UGS=0<UGS(off)，所以場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且ID=IDSS=－4mA。

所以場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。

當(dāng)前109頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-17當(dāng)前110頁(yè)，總共135頁(yè)。4-18實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖P4-18中兩個(gè)放大狀態(tài)下的晶體管三極的電位分別為

(1)U1=3V，U2=6V，U3=3.7V；

(2)U4=－2.7V，U5=－2V，U6=－5V。

判斷每個(gè)晶體管的類型，標(biāo)出其基極、發(fā)射極和集電極。

解(1)NPN型晶體管，U1為發(fā)射極，U2為集電極，U3為基極；

(2)PNP型晶體管，U4為基極，U5為發(fā)射極，U6為集電極。當(dāng)前111頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-18當(dāng)前112頁(yè)，總共135頁(yè)。4-19實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖P4-19中兩個(gè)放大狀態(tài)下的晶體管的極電流分別為

(1)I1=－5mA，I2=－0.04mA，I3=5.04mA；

(2)I4=－1.93mA，I5=1.9mA，I6=0.03mA。

判斷每個(gè)晶體管的類型，標(biāo)出其基極、發(fā)射極和集電極，并計(jì)算直流電流放大倍數(shù)和。

解(1)NPN型晶體管，I1為集電極，I2為基極，I3為發(fā)射極，=125，=0.992;

(2)PNP型晶體管，I4為發(fā)射極，I5為集電極，I6為基極，=63.3，=0.984。當(dāng)前113頁(yè)，總共135頁(yè)。圖P4-19當(dāng)前114頁(yè)，總共135頁(yè)。4-20推導(dǎo)圖P4-20中對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的輸出電