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1、模拟电路 主讲人 郭颖天津工程师范学院电子工程系E mail guoyingfirst 模拟电路 一 课程特点 入门性质的技术基础课 1 工程性 1 实际工程需要证明其可行性 定性分析就会带来分析原理多 分析方法多 2 满足基本性能指标前提下 实际工程容许存在一定误差 估算 就是近似分析 相应的近似计算多 3 估算不同的参数采用不同的模型 电路类型多 2 实践性 调试是关键 前提是了解参数影响 二 学习方法 1 重点掌握 基本概念 基本电路 基本分析方法 2 学会全面 辩证的分析模拟电子电路中的问题 3 注意电路的基本定律 定律在模拟电子电路分析中的应用 4 重点在于课堂听讲 再加预习 复习
2、注重实验环节 先理论分析 后实践 然后再对实验的结果进行分析验证 三 教材与参考书 教材 电子技术基础模拟部分 第五版 康华光高教出版社2006年 参考书 电子线路 线性部分 第四版 谢嘉奎高教出版社 模拟电子技术基础 华成英高教出版社 四 课程的几个问题 1 先修课要求 普通物理中的电学部分 电路原理 2 课时64实验10学时3 考核形式 考试 平时成绩 占20分 作业 实验各占10分 评分标准 准时交 正确性 书写整洁规范4 纪律 绪论 传感器 压力1 压力2 温度1 温度2 放大滤波叠加组合 数模转换电路 模数转换电路 计算机数据处理 驱动电路 驱动电路 驱动电路 驱动电路 传感器 传感
3、器 传感器 执行机构 执行机构 执行机构 执行机构 放大滤波叠加组合 数模转换电路 模数转换电路 计算机数据处理 一 电信号 电信号是指随时间发生变化的电压或电流 电子电路中的信号均为电信号 1 信号 信号是信息的载体 是反映消息的物理量 2 模拟信号和数字信号 电子电路中将信号分为模拟信号和数字信号 1 模拟信号在时间和幅度是上都是连续变化的 在一定动态范围内可取任意值 2 数字信号在时间和数值上均具有离散性 模拟电路是处理模拟信号的电路 由数字信号处理电路来进行处理运算 数字信号 数字信号只存在高低两种电平的相互转化 大多数物理量所转换成的信号都为模拟信号 在信号处理时 再通过电子电路实现
4、模拟信号和数字信号间的相互转化 二 电子信息系统 常用模拟电路有 放大电路 用于信号的电压 电流和功率的放大 滤波电路 用于信号的提取 变化和抗干扰 运算电路 完成信号的运算 信号转化电路 完成信号间的相互转化 信号发生电路 用于产生正弦波 矩形波 三角波 锯齿波直流电源 将市电转化成不同输出电压和电流的直流电 1 电子系统 由基本电路组成的具有特定功能的电路整体 2 电子系统中的模拟电路 本课程的主要内容 半导体基础知识二极管的工作原理 分析方法三极管的工作原理 分析方法场效应管的工作原理 分析方法 基本放大器差分放大器负反馈放大器功率放大器集成运算放大器 器件 放大器 第二章二极管及其基本
5、电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 3晶体二极管 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 1半导体的基本知识 一 半导体特征 导电能力介于导体和绝缘体之间 在物理学中 根据材料的导电能力 可以划分导体 绝缘体和半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 硅原子 锗原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 二 本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 制造半导体器件的半导体材
6、料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 这一现象称为本征激发 也称热激发 1 本征激发和复合当温度升高或受到光的照射时 束缚电子能量增高 有的电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子 空穴 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 可见本征激发同时产生电子空穴对 外加能量越高 温度越高 产生的电子空穴对越多 与本征激发相反的现象 复合 在一定温度下 本征激发和复合同时进行 达到动态平衡 电子空穴对的浓度一定 常温300K时 电子空穴对 自由电子带负电荷电子流 总电流 空穴带正电荷空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量 温度变化 导电性变
7、化 光照变化 导电性变化 导电机制 2 总结 1 T 0K时 不导电 2 T 300K时 同时产生两种载流子 且ni pi 3 浓度与温度密切相关 三 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体 根据掺入杂质不同 可分为N 电子 型和P 空穴 型两种 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 砷等 使自由电子浓度大大增加 称为N型半导体 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 多数载流子 自由电子 少数载流子 空穴 施主离子 自由电子 电子空穴对 分析 1 自由电子浓度大大增加 空穴因与自由电子相遇复合几率增大 导致其浓度更低 2 此时 N P 半导体的
8、电性如何 回答 呈电中性 原因 当施主原子失去一个价电子 成为带正电的离子 该正离子束缚在晶格中 不能象载流子那样起导电作用 故有 ND p n 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓等 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 受主离子 空穴 电子空穴对 2 P型半导体 杂质半导体的示意图 多子 电子 少子 空穴 多子 空穴 少子 电子 少子浓度 与温度有关 多子浓度 与温度无关 2 2PN结的形成及特性 晶体二极管由PN结组成 讨论PN结的特性 实际上就是讨论二极管的特性 一 导电机理 漂移和扩散导体中只有自由电子 它在电场的作用下产生定向的漂移运动 形成漂移电流 而
9、半导体中有自由电子和空穴两种载流子 它们除了在电场的作用下形成漂移电流外 还会在浓度差作用下产生定向扩散运动 形成相应的扩散电流 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 空间电荷区 阻止多子扩散 促使少子漂移 PN结合 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 二 PN结的形成 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 三 PN结的单向导电性 1 加正向电压 PN结正偏 电源正极接P区 负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正向电流IF PN结导通 2 加反向电压 反偏 电源正极接N区 负极接P区 外电场的方向与内电场方向相
10、同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反向电流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但IR与温度有关 PN结截止 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 3 PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导 PN结的伏安特性曲线如图 正偏 IF 多子扩散 IR 少子漂移 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 热击穿 烧坏PN结 电击穿 可逆 根据理论分析 u为
11、PN结两端的电压降 i为流过PN结的电流 IS为反向饱和电流 UT kT q称为温度的电压当量 其中k为玻耳兹曼常数1 38 10 23q为电子电荷量1 6 10 19T为热力学温度对于室温 相当T 300K 则有UT 26mV 当u 0u UT时 当u UT 时 四 PN结的反向击穿 当外加反向电压时 PN结的反向电流很小 但当反向电压增大到一定值时 反向电流将随反向电压的增大而急剧增大 此现象为反向击穿 雪崩击穿 低掺杂的PN结 击穿电压高 6 40V 电击穿齐纳击穿 高掺杂的PN结 击穿电压低 1 6V 电击穿可逆 可为人们利用热击穿 反向电流与反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功率 热
12、量散不出去而使结温上升 直至过热而烧 热击穿应尽量避免 五 PN结的电容效应 当外加电压发生变化时 耗尽层的宽度要相应地随之改变 即PN结中存储的电荷量要随之变化 就像电容充放电一样 1 势垒电容CB 2 扩散电容CD 当外加正向电压不同时 PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同 这就相当电容的充放电过程 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容 结电容 二者综合 表现为PN结的结电容正偏 CD占主导 结电容较大反偏 CB占主导 结电容较小理解概念 高频电路涉及 2 3晶体二极管一 结构与类型 二极管 PN结 管壳 引线 结构 符号 D 1 二极管按结构分三大类 1 点接触型二极
13、管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 及小电流和脉冲数字电路 3 平面型二极管 用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于低频大电流整流电路 2 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 2AP9 二 半导体二极管的V I特性曲线 硅 0 5V锗 0 1V 1 正向特性 导通压降 2 反向特性 死区电压 实验曲线 硅 0 7V锗 0 3V 3 反向击穿特性 二极管中PN结反向击穿反向电压增大到一定值时 UBR 反向电流剧增 二极管的正向伏安特性还与PN结温度有关 当温度上升时 二极管的阈值电压U
14、th和导通电压UD on 都将降低 实验表明 温度每升高1 二极管的UD on 约减小2 5mv另外 温度升高 PN结两边少子浓度增加 从而导致反向饱和电流IS增大 温度每升高10 IS约增加一倍 三 温度特性 四 主要参数 1 最大整流电流IF 为平均电流 电流过大会发热烧毁管子 2 反向击穿电压UBR 手册上规定的为实际的一半 确保安全运行 3 反向电流IR 随温度增加 值越小 管子的单向导电性越好 4 极间电容Cd Cd CD CB 在高频或开关状态运用时 必须考虑 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 2 4二极管的基本电路及其分析方法 二极管为非线性器件 应
15、采用非线性电路的分析方法 一 图解分析法 前提 已知二极管的V I特性曲线 例 电路如图 二极管的V I特性曲线已知 且已知U和电阻R 求二极管两端电压VD和流过二极管的电流ID 解 根据KVL方程 求出iD 做出二极管的负载线 解 根据KVL方程 求出 做出二极管的负载线 二 简化模型分析法 2 恒压降模型 理想二极管串上导通管压降 UD二极管的导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 1 理想模型 正偏 反偏 例 由硅二极管构成的限幅电路如图所示 R 1k UREF 2V 输入信号为ui 1 若ui为4V的直流信号 分别采用理想模型 恒压降模型计算电流I和输出电压uo 解 1 采用理想模型分析
16、 采用恒压降模型分析 2 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图 b 所示 分别采用理想模型和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形 解 采用理想模型分析 波形如图所示 采用恒压降模型分析 波形如图所示 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时 其两端电压近似为常数 稳定电压 2 5特殊二极管 稳压二极管是正常工作于反向击穿区的平面硅二极管 正向同二极管 反偏电压 UZ反向击穿 UZ 稳压二极管的主要参数 1 稳定电压UZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ U IrZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 3 最小稳定工作电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流 若IZ IZmin则不能稳压 4 最大稳定工作电流IZmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 作业 P973 4 13 4 53 4 63 5 1
