现代电子技术作者龚建荣殷晓莹第2章电子元器件课件教学.pptx
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第2章电子元器件,电子元件晶体管器件可编程逻辑器件传感器,1,7/22/2021,点击此处结束,2.1电子元件电阻器电容器电感器,2,7/22/2021,点击此处结束,2.1.1电阻器,3,7/22/2021,点击此处结束,电阻器的基本作用是在电路中分流(限流)或分压,但对于像压敏电阻或光敏电阻等类型的元件而言,则可作为传感器使用。
电阻器分为固定电阻器、可变(可调)电阻器和电位器三大类。
碳膜电阻金属膜电阻线绕电阻水泥电阻合成(实芯)电阻,4,7/22/2021,点击此处结束,1固定电阻器,电位器是一种连续可调的电阻器,也是可变电阻器的一种,其滑动臂(动接点)的接触刷在电阻体上滑动,可改变动接点与任一固定端之间的阻值,从而得到与电位器外加输入电压与可动臂的转角成一定关系的输出电压。
5,7/22/2021,点击此处结束,2电位器,碳膜电位器线绕电位器半可调电位器多圈电位器多圈微调电位器双连和多连电位器带开关电位器锁紧式电位器直滑式电位器,6,7/22/2021,点击此处结束,2.1.2电容器,7,7/22/2021,点击此处结束,采用两个相互靠近而中间绝缘的金属板就构成了一个最简单的电容器。
两个金属板称为电极,中间的绝缘物质称为介质。
电容器的基本功能是储存电荷(电能)。
(1)固定电容器,8,7/22/2021,点击此处结束,固定电容器按其是否有极性又可分为无极性电容器和有极性电容器。
(2)可变电容器单连可变电容器双连可变电容器微调电容器,2.1.3电感器,9,7/22/2021,点击此处结束,电感器又称为电感元件,按照电感器的工作原理通常分为两大类,一类是应用自感作用的,称为电感线圈,另一类是应用互感作用的,称为变压器。
电感器的基本功能是储存磁能。
空芯线圈磁芯线圈可调磁芯线圈铁芯线圈,10,7/22/2021,点击此处结束,1电感线圈,变压器在电路中主要用作交流电压变换和阻抗变换,即通过变压器将电路电压或阻抗升高或降低。
空芯变压器磁芯变压器可调磁芯变压器铁芯变压器电源变压器,11,7/22/2021,点击此处结束,2变压器,2.2晶体管器件晶体二极管晶体三极管场效应晶体管单结晶体管晶体闸流管,12,7/22/2021,点击此处结束,2.2.1晶体二极管,13,7/22/2021,点击此处结束,晶体二极管(以下简称二极管)是内部具有一个PN结,外部具有两个电极的一种半导体器件。
2.2.2晶体三极管,14,7/22/2021,点击此处结束,晶体三极管又叫半导体三极管,简称为晶体管或三极管。
三极管的基本特性是对电信号进行放大和开关,它在电子电路中的应用十分广泛,是电子设备中的核心器件之一。
达林顿三极管采用复合连接方式,将两只或更多只三极管的集电极连在一起,而将第一只三极管的发射极直接耦合到第二只三极管的基极,依次级连而成,最后引出E、B、C3个电极。
1达林顿三极管,图2-1达林顿管的基本电路,15,7/22/2021,点击此处结束,为了提高功率放大器的功率、效率和减小失真,通常采用推挽式功率放大电路。
即一个完整的正弦波,它的正、负半周分别由两个管子一“推”一“拉”(挽)共同来完成放大任务。
这两个管子的工作性能必须相同,事先要进行挑选“配对”,这种管子称为“对管”。
对管有同极性对管和异极性对管。
16,7/22/2021,点击此处结束,2配对三极管,带阻三极管是一种内含一个或数个电阻的三极管,其外形往往与同类普通三极管没有什么区别,但在电路中大都不能互换,而且盲目代换往往会烧坏管子或引起电路故障。
带阻三极管的主要品种是小功率管。
17,7/22/2021,点击此处结束,3带阻三极管,通常把集电极最大允许耗散功率(PCM)在1W以上的三极管叫做大功率三极管。
大功率三极管不仅体积较大,而且各电极引出线也与中、小功率三极管有所不同。
大功率三极管承受的功率大,流过的电流也大,所以电极引出线做成短而粗的硬“柱头”,而且集电极引出线与金属外壳相连。
大功率三极管工作时的热量主要由集电结产生,而且随着功率的增加,PN结的温度也随之升高。
把PN结的温度称作结温(Tj)。
点击此处结束,4大功率三极管,7/22/2021,18,2.2.3场效应晶体管,19,7/22/2021,点击此处结束,场效应晶体管(简称场效应管)是一种电压控制器件,输入端基本上不需要注入电流,而是用输入电压信号来控制输出电流的变化;场效应管都有3个电极,即源极(S)、栅极(G)和漏极(D),因此,场效应管实际上也是一种晶体三极管。
电场控制型。
单极型导电方式。
输入阻抗很高。
抗辐射能力强。
噪声低、热稳定性好。
便于集成。
容易产生静电击穿损坏。
20,7/22/2021,点击此处结束,场效应管具有如下特点。
2.2.4单结晶体管,单结晶体管是一种具有一个PN结和3个电极的半导体器件,其中一个是发射极,两个是基极,所以又称为双基极二极管。
单结晶体管具有一种重要的电气性能负阻特性。
图2-3单结晶体管结构和等效电路,21,7/22/2021,点击此处结束,2.2.5晶体闸流管,22,7/22/2021,点击此处结束,晶体闸流管简称晶闸管,旧称可控硅。
晶闸管是一种“以小控大”的功率(电流)型器件,它像闸门一样,能够控制大电流的流通,闸流管由此得名。
晶闸管具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、寿命长及使用方便等优点。
图2-4晶闸管分类图示,23,7/22/2021,点击此处结束,图2-5常见晶闸管外形图,24,7/22/2021,点击此处结束,2.3可编程逻辑器件可编程逻辑器件概述PAL和GAL器件复杂可编程逻辑器件FPGA器件在系统可编程逻辑器件,25,7/22/2021,点击此处结束,近年来,出现了一系列生命力强、应用广泛、发展迅猛的新型集成电路,即可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevices,PLD)。
它们是一种由用户根据自己要求来构造逻辑功能的数字集成电路。
一般可以利用计算机辅助设计,即用原理图、状态机、布尔方程、硬件描述语言(HDL)等方法来表示设计思想,经一系列编译或转换程序,生成相应的目标文件,再由编程器或下载电缆将设计文件配置到目标器件中,这时的可编程逻辑器件(PLD)就可作为满足用户要求的专用集成电路使用了。
26,7/22/2021,点击此处结束,2.3.1可编程逻辑器件概述,27,7/22/2021,点击此处结束,1PLD的历史进程和发展现状最早的可编程逻辑器件出现在20世纪70年代初,主要是可编程只读存储器(PROM)和可编程逻辑阵列(PLA);20世纪70年代末出现了可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic,PAL)器件。
20世纪80年代初期,美国Lattice半导体公司推出一种新型的PLD,称为通用阵列逻辑(GenericArrayLogic,GAL),一般认为它是第二代PLD。
在20世纪80年代中期,美国Xilinx公司首先推出了现场可编程门阵列(FPGA)器件。
在20世纪90年代初,Lattice半导体公司又推出了在系统可编程大规模集成电路。
复杂可编程逻辑器件(CPLD)更是品种繁多、结构多样、生产厂家众多。
美国Xilinx公司在1985年推出了世界上第一块现场可编程门阵列(FPGA)器件。
28,7/22/2021,点击此处结束,Lattice半导体公司成立于1983年,是E2CMOS技术的开拓者,发明了GAL器件,是低密度PLD的最大供应商。
目前,可编程逻辑器件最高参数为800MHz系统速度、1ns时延(从时钟输入到数据输出的时间),它们具有较宽的密度范围(从10008000000门),基于阵列的新结构,具有极大的灵活性和可预知性能。
29,7/22/2021,点击此处结束,2PLD的种类及分类方法,30,7/22/2021,点击此处结束,
(1)从结构的复杂程度分类一般可分为简单PLD和复杂PLD(CPLD),或分为低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)。
(2)从互连结构上分类从互连结构上可将PLD分为确定型和统计型两类。
(3)从可编程特性上分类,31,7/22/2021,点击此处结束,从可编程特性上可将PLD分为一次可编程和重复可编程两类。
(4)从可编程器件的编程元件上分类目前,一般有下列5种编程元件、熔丝型开关(一次可编程,要求大电流)、可编程低阻电路元件(多次可编程,要求中电压)、EPROM的编程元件(需要有石英窗口,紫外线擦除)、EEPROM的编程元件、基于SRAM的编程元件。
PAL和GAL器件PAL器件的基本结构,图2-6PAL器件的基本结构,32,7/22/2021,点击此处结束,通用阵列逻辑(GAL)器件是在PAL器件基础上发展起来的可编程逻辑芯片。
目前最常用的GAL器件有GAL16V8和GAL20V8、GAL22V10等系列。
下面以GAL20V8为例介绍GAL器件的基本结构。
GAL20V8的逻辑结构如图2-7所示。
它们的输出逻辑宏单元(OutputLogicMacrocell,OLMC)的内部结构如图2-8所示。
33,7/22/2021,点击此处结束,2GAL器件的基本结构,图2-7GAL20V8逻辑图,34,7/22/2021,点击此处结束,图2-8OLMC结构图,35,7/22/2021,点击此处结束,OLMC的配置完全由用户编程确定,其结构主要由下述4部分组成。
乘积选择多路器(ProductTermMultiplexer,PTMUX)输出选择多路器(OutputMultiplexer,OMUX)输出允许控制多路选择器(TSMUX)反馈源选择多路器(FMUX),36,7/22/2021,点击此处结束,2.3.3复杂可编程逻辑器件,37,7/22/2021,点击此处结束,复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevices,CPLD)是随着半导体工艺不断完善、用户对器件集成度要求不断提高的形势下所发展起来的产物。
1CPLD的基本结构可以把CPLD的基本结构看成由逻辑阵列宏单元和I/O控制模块两部分组成。
在较早的CPLD中,由结构相同的逻辑阵列组成宏单元模块。
(1)逻辑阵列宏单元,图2-9逻辑阵列单元结构图,38,7/22/2021,点击此处结束,CPLD中的I/O控制模块,根据器件的类型和功能不同,可有各种不同的结构形式,但基本上每个模块都由输出极性转换电路、触发器和输出三态缓冲器3部分及与它们相关的选择电路所组成。
(2)I/O控制模块,图2-10触发器可编程的I/O控制模块结构,39,7/22/2021,点击此处结束,目前Altera器件系列相当丰富,其中可分为FPGA和CPLD两种类型。
FPGAsStratixIIStratixCycloneIICycloneStratixGXAPEXIIAPEX20KMercuryFLEX10KFLEX8000ACEX1KFLEX6000CPLDsMAXIIMAX3000AMAX9000MAX7000Classic,40,7/22/2021,点击此处结束,2Altera公司的器件产品,FLEX10K和FLEX8000系列器件是高密度阵列嵌入式可编程逻辑器件系列。
(1)FLEX10K和FLEX8000系列,41,7/22/2021,点击此处结束,图2-11FLEX8000器件框图,42,7/22/2021,点击此处结束,
(2)MAX9000系列,43,7/22/2021,点击此处结束,图2-12MAX9000器件框图,44,7/22/2021,点击此处结束,2.3.4FPGA器件,45,7/22/2021,点击此处结束,现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)器件及其开
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