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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:,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
2、预习、复习。 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。,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
3、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
4、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 二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识
5、,2.2 PN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料的纯
6、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
7、能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,2.总结：（1）T= 0 K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
8、几率增大，导致其浓度更低； 2.此时,NP,半导体的电性如何? 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,2.2 PN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,
9、它在电场的作用下产生定向的漂移运动,形成漂移电流。 而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I F,PN结导通,2. 加反向
10、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I R,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
11、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 1.381023 q 为电子电荷量1.61019 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |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（640V） 电击穿 齐纳击穿：高掺杂
12、的PN结，击穿电压低（16V） 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
13、 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VI特性曲线,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反
14、向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 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Uth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
15、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
16、管压降）,U D 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，R1k，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。,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
