模拟电子技术教程.docx
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模拟电子技术教程
模拟电子技术教程
一、绪论
二、半导体二极管及其基本电路
三、半导体三极管及放大电路
四、场效应管放大电路
五、功率放大电路
六、集成电路运算放大器
七、反馈放大电路
八、信号的运算及处理电路
九、信号产生电路十、直流稳压电源
二、半导体二极管及其基本电路
基本要求
«正确理解:
PN结的形成及单向导电性
*熟练掌握:
普通二极管、稳压二极管的外特性及主要参数
•能够查阅电子器件相关手册
难点重点
1.PN结的形成
(1)当卩型半导体和N型半导体结合在一起时,由于交界面处存在载流子浓度的差异,这样电子和空
穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
但是,电子和空穴都是带电的,它们扩散的结果就使P区和N区中原来的电中性条件破坏了。
P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在P区和N区交界面附近,形成了一个很薄的空间电荷区,这就是我们所说的PN结。
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图
(1)浓度差使载流子发生扩散运动
(2)在这个区域内,多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗殆尽了,因此,空间电荷区又称为耗尽层。
(3)P区一侧呈现负电荷,N区一侧呈现正电荷,因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场,由于这个电场是载流子扩散运动形成的,而不是外加电压形成的,故称为内电场。
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图
(2)内电场形成
(4)内电场是由多子的扩散运动引起的,伴随着它的建立将带来两种影响:
一是内电场将阻碍多子的
扩散,二是P区和N区的少子一旦靠近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方,使空间电荷区变窄。
(5)因此,扩散运动使空间电荷区加宽,内电场增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散;而漂移运动使空间电荷区变窄,内电场减弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结处于动态平衡
2.PN结的单向导电性
(1)外加正向电压(正偏)
在外电场作用下,多子将向PN结移动,结果使空间电荷区变窄,内电场被削弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移,扩散运动起主要作用。
结果,P区的多子空穴将源源不断的流向N区,而N区的多子自由电子亦不断流向P区,这两股载流子的流动就形成了PN结的正向电流。
(2)外加反向电压(反偏)
在外电场作用下,多子将背离PN结移动,结果使空间电荷区变宽,内电场被增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散,漂移运动起主要作用。
漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反,称为反向电流。
因少子浓度很低,反向电流远小于正向电流。
当温度一定时,少子浓度一定,反向电流几乎不随外加电压而变化,故称为反向饱和电流。
3.二极管的基本应用电路
(1)限幅电路---利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。
(2)箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。
注:
黑色---输入信号,蓝色---输出信号,波形为用EWB仿真结果。
内容提要:
2.1半导体的基本知识
1•半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间,半导体具有光敏、热敏和掺杂特性。
2•本征半导体
(1)在0K时,本征半导体中没有载流子,呈绝缘体特性。
(2)温度升高-热激发-共价键中价电子进入导带-自由电子+空穴。
(3)两种载流子:
导带中的自由电子,电荷极性为负;价带中挣脱共价键束缚的价电子所剩下的空穴,电荷极性为正。
(4)热激发条件下,只有少数价电子挣脱共价键的束缚,进入导带形成电子空穴对,所以本征半导体导电率很低。
3•杂质半导体
(1)两种杂质半导体:
N型---掺入微量五价元素;P型---掺入微量三价元素。
(2)两种浓度不等的载流子:
多子---由掺杂形成,少子---由热激发产生。
(3)一般情况下,只要掺入极少量的杂质,所增加的多子浓度就会远大于室温条件下本征激发(观看本征激发动画)所产生的载流子浓度。
所以,杂质半导体的导电率高。
(4)杂质半导体呈电中性。
4.半导体中载流子的运动方式
(1)漂移运动---载流子在外加电场作用下的定向移动。
(2)扩散运动---因浓度梯度引起载流子的定向运动。
2.2PN结的形成及特性
1.PN结的形成
当P型半导体和N型半导体结合在一起的时侯,由于交界面处存在载流子浓度的差异-多子扩散-产生空间电荷区和内电场-内电场阻碍多子扩散,有利少子漂移
当扩散和漂移达到动态平衡时,交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结。
2.PN结的单向导电性
外加正向电压-多子向PN结移动,空间电荷区变窄,内电场减弱-扩散运动大于漂移运动-正向电流。
外加反向电压-多子背离PN结移动,空间电荷区变宽,内电场增强-漂移运动大于扩散运动-反向电流。
当温度一定时,少子浓度一定,反向电流几乎不随外加电压而变化,故称为反向饱和电流。
2.3半导体二极管
1•半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型这样几类。
2•伏安特性
它可划分为三个部分:
(1)正向特性(外加正向电压)
当正向电压超过某一数值后,二极管才有明显的正向电流,该电压值称为导通电压,用Vth表示。
在室温下,硅管的Vth约为0.5V,锗管的Vth约为0.1V。
当流过二极管的电流I比较大时,二极管两端的电压几乎维持恒定,硅管约为0.6〜0.8V(通常取0.7V),锗管约为0.2〜0.3V(通常取0.2
V)
(2)反向特性(外加反向电压)
在反向电压小于反向击穿电压的范围内,由少数载流子形成的反向电流很小,而且与反向电压的大小基本无关。
由二极管的正向与反向特性可直观的看岀:
①二极管是非线性器件;②二极管具有单向导电性。
(3)反向击穿特性
当反向电压增加到某一数值VBR时,反向电流急剧增大,这种现象叫做二极管的反向击穿。
3.电容效应:
势垒电容与扩散电容
4•主要参数
器件的参数是其特性的定量描述,是我们正确使用和合理选择器件的依据。
(1)正向---最大整流电流IF
(2)反向---反向击穿电压VBR
2.4二极管应用电路
1•分析方法:
二极管是一种非线性器件,因而由二极管构成的电路一般要采用非线性电路的分析方法。
(1)图解分析法
其步骤为:
①把电路分为线性和非线性两部分;②在同一坐标上分别画出非线性部分的伏安特性和线性部分的特性曲线;③由两条特性曲线的交点求电路的V和I。
(2)模型分析法(非线性器件线性化处理)
1理想二极管模型---正向导通时,压降为0;反向截止时,电流为0。
2恒压降模型---当二极管工作电流较大时,其两端电压为常数(通常硅管取0.7V,锗管取0.2V)
3交流小信号模型--若电路中除有直流电源外,还有交流小信号,则对电路进行交流分析时,二极
管可等效
为交流电阻rd=26mV/lDQ(Idq为静态电流)
2.二极管应用电路
(1)限幅电路---利用二极管单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成,将信号限定在某一范围中
变化,分为单限幅和双限幅电路。
多用于信号处理电路中。
(2)箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。
(3)开关电路---利用二极管单向导电性以接通和断开电路,广泛用于数字电路中。
(4)整流电路---利用二极管单向导电性,将交流信号变为直流信号,广泛用于直流稳压电源中。
(5)低电压稳压电路---利用二极管导通后两端电压基本不变的特点,采用几只二极管串联,获得3V以下输
出电压
2.5特殊二极管
1.稳压二极管
(1)工作原理
稳压管是一种特殊的二极管,它利用PN结反向击穿后特性陡直的特点,在电路中起稳压作用。
稳压管工作在反向击穿状态。
(2)主要参数:
稳定电压Vz、稳定电流Iz、最大工作电流IzM和最大耗散功率PzM
2.发光二极管发光二极管是一种将电能转化为光能的特殊二极管。
发光二极管简写成了LED,其基本结构是一个PN结,它的特性曲线与普通二极管类似,但正向导通电压
一般为1~2V,正向工作电流一般为几~几十毫安。
3.光电二极管光电二极管又叫光敏二极管,是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。
4.变容二极管利用二极管结电容随反向电压的增加而减少的特性制成的电容效应显著的二极管。
多于高频技术中。
例题分析:
例1.求图所示电路的静态工作点电压和电流。
解:
(1)图解分析法
首先把电路分为线性和非线性两部分,然后分别列岀它们的端特性方程。
在线性部分,其端特性方程
为
V=V1-IR
将相应的负载线画在二极管的伏安特性曲线上,如图所示,其交点便是所求的(IQ,VQ)。
(2)模型分析法
1理想二极管模型
V=0,I=V1/R
2恒压降模型
设为硅管,V=0.7V,I=(V1—V)/R
例2•如何用万用表的“欧姆”档来判别一只二极管的正、负极?
分析:
指针型万用表的黑笔内接直流电源的正端,而红笔接负端。
利用二极管的单向导电性,其正向导通电阻一般在几百欧〜几千欧,而反向偏置电阻一般在几百千欧以上。
测量时,利用万用表的“RX100”和“RX1K'档,若两个数值比值在100以上,认为二极管正常,否
则认为二极管的单向导电性已损坏。
例3•图所示电路中,设D为理想二极管,试画出其传输特性曲线(V0〜Vi)
解:
(1)vi<0,二极管D1、D2均截止,Vo=2.5V
(2)vi>0
当0 当vi>2.5V时,D1导通,假设此时D2尚未导通,则v0=(2/3)•(vi-2.5)+2.5V; 令vo=10V,则vi=13.75V,可见当vi>13.25V时,D1、D2均导通,此时vo=10V°传输特性曲线略。 例4•试判断图中二极管是导通还是截止? 并求出AO两端电压VA0。 设二极管为理想的分析方法: (1)将D1、D2从电路中断开,分别出D1、D2两端的电压; 解: (2)根据二极管的单向导电性,二极管承受正向电压则导通,反之则截止。 若两管都承受正向电压,则正 向电压大的管子优先导通,然后再按以上方法分析其它管子的工作情况。 本题中: V12=12V,V34=12+4=16V,所以D2优先导通,此时,V12=-4V,所以D1管子截止。 VA0=-4V。 例5.两个稳压管的稳压值VZ1=5VVZ2=7V,它们的正向导通压降均为0.6V,电路在以下二种接法时, 输出电压Vo为多少? 若电路输入为正弦信号Vl=20sin31(V),画出图(a)输出电压的波形。 o ZSD1Vto —I-—o 解: 图(a)中D1、D2都承受反向偏压,所以输出电压Vo=VZ1+VZ2=5V+7V=12V 若输入正弦信号VI=20sin31(V): 在输入信号正半周,若VI<12V稳压管处于反向截止状态,Vo=VI;若VI>12V稳压管处于反 向击穿状态,Vo=12Vo 在输入信号负半周,若VI>-1.2V稳压管处于截止状态,Vo=VI;若VI<-1.2V稳压管处于正向 导通状态,Vo=-1.2Vo 图(b)中D1承受正向电压、D2承受反向偏压,所以输出电压Vo=0.6V+7V=12.6V。 单元检测: 1、PN结外加正向电压时,扩散电流漂移电流,耗尽层o 2、 (1)在图所示的电路中,当电源V=5V时,测得I=1mAo若把电源电压调整到V=10V,则电流的大小将是o + DSZUE A.I=2mAB.I<2mAC.I>2mA (2)设电路中保持V=5V不变。 当温度为20摄氏度时,测得二极管正向电压VP=0.7Vo当温度上升到40 摄氏度时,则VP的大小是o A.仍等于0.7VB.大于0.7C.小于0.7V 3、图中D1-D3为理想二极管,A,B,C灯都相同,试问哪个灯最亮? 4、设硅稳压管Dz1和Dz2的稳定电压分别为5V和10V,求图中电路的输出电压Uo。 已知稳压管的正向压 降为0.7Vo 5、图所示的电路中,Dz1和Dz2为稳压二极管,其稳定工作电压分别为6V和7V,且具有理想的特性。 由 此可知输出电压Uo为o Ui=20V 6、图所示电路,设Ui=sin3t(V),V=2V,二极管具有理想特性,则输出电压Uo的波形应为图示 图。 一: '°l CU 7、判断图所示电路中各二极管是否导通,并求A,B两端的电压值。 设二极管正向压降为0.7V Dl 8、二极管最主要的特性是,它的两个主要参数是反映正向特性的和反映反向特 性的。 9、用一只万用表不同的欧姆档测得某个二极管的电阻分别为250Q和1.8KQ (1)产生这种现象的原因是。 (2)两个电阻值对应的二极管偏置条件是: 250Q为偏,1.8KQ为偏。 10、图所示电路中,D为理想二极管,设Vi=15sin31(V),试画出输出电压Vo的波形。 二1CV2.5V 半导体三极管及放大电路 基本要求 熟练掌握: 放大电路的组成原则;共射、共集和共基组态放大电路工作原理;静态工作点;用小信号模型分析法分析增益、输入电阻和输岀电阻;多级放大电路的工作原理,增益的计算正确理解: 图解分析法;放大电路的频率响应 一般了解: 频率失真 难点重点 1•半导体三极管内部载流子的传输过程 (止偏》P(反偏) (1)发射区向基区注入电子 由于发射结外加正向电压,发射结的内电场被削弱,有利于该结两边半导体中多子的扩散。 流过发射极的电流由两部分组成: 一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区,成为集区中的非平衡少子而形成的电子电流IEN,二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区,成为发射区的非平衡少子而形成的空穴电流IEP。 由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度,因此,与电子电流相比,空穴的电流是很小的,即 IE=IEN+IEP(而IEN»IEP) (2)非平衡载流子在基区内的扩散与复合 由发射区注入基区的电子,使基区内少子的浓度发生了变化,即靠近发射结的区域内少子浓度最高,以后逐渐降低,因而形成了一定的浓度梯度。 于是,由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。 另一方面,由于基区很薄,且掺杂浓度很低,因而在扩散过程中,只有很少的一部分会与基区中的多子(空穴)相复合,大部分将到达集电结。 (3)集电区收集载流子 由于集电结外加反向电压,集电结的内电场被加强,有利于该结两边少子的漂移。 流过集电极的电流 IC,除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ICN2和集电区中的热平衡少子空穴 通过集电结形成的空穴电流ICP所组成的反向饱和电流ICBO以外,还包括由发射区注入到基区的非平衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界,而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ICN1因此 IC=ICN1+ICN2+ICP=ICN1+ICBO 式中ICBO=ICN2+ICP 基极电流由以下几部分组成: 通过发射结的空穴电流IEP,通过集电结的反向饱和电流ICBO以及I EN转化为ICN1过程中在基区的复合电流(IEN-ICN1),即 IB=IEP+(IEN-ICN1-ICBO 2•放大电路的动态分析(图解法) 放大电路输入端接入输入信号vi后的工作状态,称为动态。 在动态时,放大电路在输入信号vi和直流电源Vcc共同作用下工作,这时候,电路中既有直流分量,又有交流分量,形成了交、直流共存于同一电路之中的情况,各极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号vi作相应变化的交流分量。 一般用放大电路的交流通路来分析放大电路中各个交流量的变化规律及动态性能。 所谓交流通路是指交流电流流经的路径。 由放大电路画交流通路的原则是: (1)由于交流通路中只考虑交流信号的作用,直流电源Vcc内阻很小,将它作短路处理; (2)由于耦合电容和旁路电容足够大,对交流量可视为短路。 注意,在交流通路中的电流、电压都是交流量。 对放大电路的动态分析,主要采用图解法和微变等效电路法。 在这里,我们讨论图解法。 图解法的思路是先根据输入信号vi的的变化规律,在输入特性曲线上画出iB的波形,然后根据iB的变化规律在输出特性曲线上画出iC和vCE的波形。 1)根据vi在输入特性曲线上求iB 2)画出交流负载线 在动态时,放大电路输出回路的iC和vCE,既要满足三极管的伏安特性曲线,又要满足外部电路的伏安关系。 交流负载线是有信号时放大电路工作点的轨迹,是交、直流共存的情况。 3)由输出特性曲线和交流负载线求iC和vCE 由图解分析,可得出如下几个重要结论: 1)三极管各极间电压和各电极的电流都是由两个分量线性叠加而成的脉动量,其中一个是由直流电源Vcc引起的直流分量,另一个是随输入信号vi而变化的交流分量。 虽然这些电流电压的瞬时值是变化的,但它们的方向是始终不变的。 2)当输入信号vi是正弦波时,电路中各交流分量都是与输入信号vi同频率的正弦波,其中vbe、ib、ic与vi同相,而vce、vo与vi反相。 输出电压与输入电压相位相反,这种现象称为“倒相”,是共射放大电路的一个重要特征。 3)输出电压vo和输入电压vi不但是同频率的正弦波,而且vo的幅度比 vi的幅度大得多,这说明,vi经过电路被线性放大了。 还可以看出,只有输出信号的交流分量才是反映输入信号变化的,所以我们说的放大作用,只能是输出的交流分量和输入信号的关系,而绝对不能把直流分量也包含在内。 图解分析法的特点: 直观、形象,有助于建立一些重要概念,如交、直流共存,静态和动态。 内容提要: 3.1半导体三极管 1•半导体三极管的结构 (1)半导体三极管从结构上可分为NPN型和PNP型两大类,它们均由三个掺杂区和两个背靠背的PN结构 成,但两类三极管的电压极性和电流方向相反。 (2)三个电极: 基极b、集电极c、和发射极e。 从后面工作原理的介绍中可以看到,发射极和集电极的命名是因为它们要分别发射与接收载流子。 (3)内部结构特点: 发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度;基区很薄,且掺杂浓度最低。 (4)三个区作用: 发射区发射载流子、基区传输和控制载流子、集电区收集载流子。 2•电流的分配和控制作用 (1)条件 内部条件: 三极管的结构。 外部条件: 发射结正偏、集电结反偏。 对NPN型: Vc>VB>VESi管: Vbe=0.7VGe管: Vbe=0.2V 对PNP型: Vc Vbe=-0.7VGe管: Vbe=-0.2V (2)内部载流子的传输过程(参阅难点重点) (3)电流分配关系 在众多的载流子流中间,仅有发射区的多子通过发射结注入、基区扩散和复合以及集电区收集三个环节,转化为正向受控作用的载流子流lc,其它载流子流只能分别产生两个结的电流,属于寄生电流。 为了表示发射极电流转化为受控集电极电流lc的能力,引入参数a,称为共基极电流传输系数。 其 定义为 a=1C/IE 令B=a/(1—a),称为共射极电流传输系数 Ic=BIB+ICEO IE=(1+a)IB+ICEO ICEO=(1+p)ICBO 4•共射极电路的特性曲线(以NPN型管为例) (1)输入特性曲线IB=f(VBE,VCE) 输入特性曲线是指当VCE为某一常数时,IB和BE之间的关系。 特点: VCE=0的输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线类似;随着VCE增大,输入特性曲线右移;继续增大vCE输入特性曲线右移很少。 在工程上,常用VCE=1时的输入特性曲线近似代替VCE>1V时的输入特性曲线簇。 (2)输岀特性曲线 输出特性曲线是指当IB为某一常数时,1C和VCE之间的关系,可分为三个区: 截止区: 发射结反偏,集电结反偏,发射区不能发射载流子,1B-O,ISO。 放大区: 发射结正偏,集电结反偏。 其特点是: VBE-0.7V(或0.2V),IB>O,IC与IB成线性关系,几 乎与 VCE无关。 饱和区: 发射结正偏,集电结正偏,随着集电结反偏电压的逐渐减小(并转化为正向偏压),集电结的空间电荷 区变窄,内电场减弱,集电结收集载流子的能量降低,IC不再随着IB作线性变化,岀 现发射极发射有 余,而集电极收集不足现象。 其特点是: VCE很小,在估算小功率管时,对硅管可取0.3V (锗O.1V)。 对PNP型管,由于电压和电流极性相反,所以特性在第三象限。 4•主要参数 电流放大倍数,集电极最大允许电流ICM集电极耗散功率PCM反向击穿电压V(BRCEO等 3.2共射极放电电路 1.放大的原理和本质(以共发射极放大电路为例) 交流电压vi通过电容C1加到三极管的基极,从而使基极和发射极两端的电压发生了变化: 由VBE^VBE+vi, 由于PN结的正向特性很陡,因此vBE的微小变化就能引起1E发生很大的变化: 由IE^IE+△IE, 由于三级管内电流分配是一定的,因此1B和1C作相同的变化,其中IC^IC+△ICo 1C流过电阻Rc,则Rc上的电压也就发生变化: 由VRc^VRc+△▼RCo 由于vCE=VCC-vRc,因此当电阻Rc上的电压随输入信号变化时,vCE也就随之变化,由VCLVCE+XVCEvCE中的变化部分经电容C2传送到输出端成为输出电压v0。 如果电路参数选择合适,我们就能得到比Avi大得多的Xv0o 所以,放大作用实质上是放大器件的控制作用,是一种小变化控制大变化o 2.放大电路的特点 交直流共存和非线性失真 3.放大电路的组成原则 正确的外加电压极性、合适的直流基础、通畅的交流信号传输路径 4.放大电路的两种工作状态 (1)静态: 输入为0,1B、IC、VCE都是直流量。 (2)动态: 输入不为0,电路中电流和电压都是直流分量和交流分量的叠加。 保证在直流基础上实现不失真放 大。 5.放大电路的分析步骤 (1)先进行静态分析: 用放大电路的直流通路。 直流通路: 直流信号的通路。 放大电路中各电容开路即可得到。 (2)在静态分析的基础上进行动态分析: 用放大电路的交流通路。 交流通路: 交流信号的通路。 放大电路中各电容短接,直流电源交流短接即可得
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