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1、主编 李中发 制作 李中发 2005年1月,电子技术,第1章 半导体器件,学习要点,了解半导体的特性和导电方式，理解PN结的单向导电特性 了解半导体二极管、三极管的结构 理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数 理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数 了解MOS场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,本征半导体、杂质半导体。,N型半导体的多数载流子、少数载流子； P型半导体的多数载流子、少数载流子。,无论是P型半导体还是N型半导体都是中性
2、的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,理想二极管： 正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计； 反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,第1章 小 结,本章在介绍半导体基本知识的基础上，重点阐述了半导体二极管、双极型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET) 的结构、工作原理、主要特性曲线和参数等。 绝对零度时，本征半导体中没有载流子。温度高于绝对零度时，将发生本征激发，产生两种载流子，即自由电子和空穴，它们总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的浓度随温度的升高而增加，在固
3、定温度下不变。 2. 杂质半导体有N型和P型两种，N型半导体中的多子为自由电子，P型半导体中的多子为空穴。多子由掺杂产生，其浓度由掺杂浓度决定；少数载流子由本征激发产生，其浓度与温度有关，这一点导致晶体管的很多参数与温度有关，产生热不稳定性。,将P型和N型半导体紧密结合在一起，在它们的交界面处，发生两种形式载流子的运动，即多子的扩散运动和少子的漂移运动，它们达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区，即PN结。PN结的最主要特性就是单向导电性。 4. 二极管的伏安特性曲线分为正向和反向两个区域，当正向电压小于开启电压时，流过二极管的电流近似为0；随着，UD稍有增加，电流ID迅速增加。在特性的反向区，
4、反向电流等于反向饱和电流，但当反向电压达到击穿电压值时，二极管发生反向击穿。击穿后，电流在很大范围内变化时，反向击穿电压几乎不变，利用这一特性可以制成硅稳压管。,二极管是非线性元件，在分析含二极管的电路时，常用某种模型代替二极管，主要有开关模型、固定正向电压降模型、折线化模型和低频小信号模型。不同的应用场合应使用不同的模型。 二极管的主要参数有最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM 、反向电流IR 和正向压降UF 等。 7. 双极型半导体晶体管（BJT）有两种载流子参与导电，属电流控制电流源器件（CCCS），BJT有NPN和PNP两种结构类型。其工艺特点为：基区极薄且掺杂
5、浓度低，发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度低。晶体管的输出特性曲线可以分为饱和、截止、放大三个区域。,双极型晶体管在放大、饱和截止区，有不同的发射结和集电极偏置，为保证晶体管工作在放大状态，应使其发射结正偏，集电结反偏。晶体管的参数主要分为直流参数、交流参数和极限参数三类。 9. 场效应管为电压控制电流源器件(VCCS)。即用栅源电压 来控制沟道宽度，改变漏极电流。场效应管为单极型器 件，仅一种载流子(多子)导电，热稳定性优于BJT。场效 应管有结型和绝缘栅型两种结构，每种又分为N沟道和P 沟道两种。绝缘栅型场效应管（MOSFET）又分为增强 型和耗尽型两种类型。,10. 场效应管的漏极特性曲线
6、可分为可变电阻区、截止区和恒流区，在放大电路中，应使其工作在恒流区。场效应管的参数也分为直流参数(UGS(th)或 UGS(off)、IDSS)交流参数(gm)和极限参数(IDM、PDM)三类。跨导gm反映了场效应管的电压控制作用,第2章 单级交流放大电路,理解共发射极单管放大电路的基本结构和工作原理 掌握放大电路静态工作点的估算和微变等效电路的分析方法 了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念 理解射极输出器的电路结构、性能特点及应用 了解场效应管共源极放大电路的结构和性能特点,学习要点,放大电路的结构示意框图见下图。,放大电路概念示意图,例1：测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的
7、工作状态。,三极管工作状态判断,例2：用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态。,例2电路图,放大,（3）放大电路微变等效电路,电压放大倍数,式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时,输入电阻,Ri,输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流(输入电流)的大小。为了减轻信号源的负担，总希望Ri越大越好。另外，较大的输入电阻Ri，也可以降低信号源内阻Rs的影响，使放大电路获得较高的输入电压。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不理想。,输出电阻,对负载而言，放大器的输出电阻Ro
8、越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式中Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。,例：图示电路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻和输出电阻,例题:在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 2k, RE1= 200， RE2= 1.8K， RB1= 20k， RB2= 10k，RL= 3k ，晶体管=50， UBE
9、=0.6V, 试求: (1) 静态工作点IB、IC及UCE； (2) 画出微变等效电路； (3) 输入电阻ri,r0及,(2)微变等效电路如图,(3)交流参数,例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100 ，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,动态分析的基本步骤：,放大电路中频微变等效电路是在晶体管低频小信号模型的基础上，增加放大电路交流通路的相关元件而构成的。具体画法如下：,(1) 先将晶体管的低频小信号模型画出；,(2) 再将放大电路晶体管以外的交流通路的元件画出；,(3) 在中频段，
10、画的过程中将大容量的耦合电容、旁路电容器短路，将直流电源交流短路；,现以能够稳定工作点的分压偏置共射放大电路为例进行讨论，电路见图。,共射组态基本放大电路的动态分析,1. 先进行静态分析，保证晶体管处于放大区；,一、 静态分析,共射组态交流基本放大电路,进行直流计算的目的是检验放大电路是否是处于放大状态，如果放大状态不正确，进行交流计算就没有意义。其次，在微变等效电路中有rbe，要计算rbe就必须知道IEQ（ICQ），这也需要通过直流计算来获得。,ICQ= IBQ,UCEQ= VCC ICQRcIEQRe VCCICQ(Rc+Re),分压偏置共射放大电路,共射放大电路交流微变等效电路,因放大电
11、路的输入信号处于中频段,所以可以将大容量的耦合电容和旁路电容器短路；将直流电源交流短路。,将晶体管的低频模型画出。,再将共射放大电路交流通路的其他元件一一画出。,二、 动态分析,1. 求放大电路中频电压放大倍数,在画出了放大电路的微变等效电路后，求解电压放大倍数就是一个解电路的问题。,输出电压为,输入电压为,电压放大倍数为,共射放大电路求电压放大倍数,2. 求放大电路的输入电阻,根据输入电阻的定义和微变等效电路有,若满足Rb1 Rb2 rbe，则Ri rbe。,共射放大电路求输入电阻,根据输出电阻的定义，需要将信号源进行置零处理，也就是 ，将 短路，但保留内阻 ；将负载电阻 开路，同时在输出端
12、加一个测试用信号源 。,3. 求放大电路的输出电阻,共射放大电路求输出电阻,例2.5：有一基本放大电路如图所示，已知VCC=15V、Rc=3k、Rb1=390k、Re1 =100、Re2 =1 k、RL =10k，UBE=0.7V，=99，耦合电容的容量足够大。试计算电路的中频电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：,例2.5电路图,解：,静态计算如下,画微变等效电路，如图所示，可得电压增益,例2.5的微变等效电路,画微变等效电路，如图2.5.3所示，可得电压增益,旁路电容的断开，使电压放大倍数下降，其物理意义将在后面解释。,电压放大倍数可近似等于 是两电阻之比，因而电压放大倍数的稳定性提高。
13、,输出电阻,输入电阻,=1.2+10/390=10.89k,共集组态放大电路如图所示。它的集电极负载电阻等于0，相当集电极交流接地，输入信号接基极，输出信号从发射极引出，所以，共集组态放大电路也称为射极输出器。,共集组态放大电路,共集组态放大电路的偏置电阻往往只采用一个上偏置电阻，其原因是增大输入电阻。,共集组态基本放大电路的动态分析,一、 静态分析,静态工作点的计算原则与共射组态放大电路一样，先画出直流通路。,基极电流：,集电极极电流：,管压降：,共集组态放大电路的直流通路,下左图所示的共集组态放大电路的微变等效电路如下右图所示。,1. 中频电压放大倍数的求解,微变等效电路,二、 动态分析,
14、共集组态放大电路,式中RL=Re/ RL，式中，由于 rbe , 所以，电压增益近似等于1。,由此可解出电压放大倍数表达式,根据微变等效电路可列如下方程,2. 输入电阻,基极电流：,输入电阻：,根据电阻归算的原理,Ri是从放大电路输入端看进去 的输入电阻， 是从基极看进去的输入电阻，所以,所以，输入电阻,共集组态放大电路的输入电阻比共射组态基本放大电路要大，为了减少偏置电阻并联对总输入电阻下降的影响，所以共集组态放大电路经常只使用一个上偏置电阻，这个上偏置电阻一般可以用到几百千欧以上。,3. 输出电阻,求,求,基极电流：,求输出电阻,根据输出电阻的定义，需要将信号源进行置零处理，也就是 ，将
15、短路，但保留内阻 ；将负载电阻 开路，同时在输出端加一个测试用信号源 。,于是,所以，输出电阻相当两个电阻的并联，一个是Re，另一个是基极回路的等效电阻归算到发射极回路的电阻,求输出电阻,4. 共集组态放大电路的特点,由以上分析可知，共集组态放大电路的基本特点：,. 共集放大电路只能放大电流，电压放大倍数小于且接近等于1。,. 输出电压的相位与输入电压的相位相同，输出电压的波形和输入电压的波形一样，故又名射极跟随器。,3. 共集电极基本放大电路的输入电阻高，输出电阻低，具有阻抗变换的特点，有较强的带负载能力，常用于多级放大电路的输入级和输出极，以及功率放大电路。,第3章 集成运算放大器和 模拟
16、乘法器单元电路,内容提要：本章的重点是分析组成运算放大器和模拟乘法器的基本单元电路，包括差分放大电路和互补功率输出电路。对多级放大电路的有关问题以及运算放大器的参数等内容也做了介绍。,3.1 集成运算放大器的基本结构,1. 什么是集成电路,利用集成电路的制造工艺，将电子元器件（场效应管、双极型晶体管、二极管、电阻和小容量电容等）和连线制作在同一片半导体芯片上，构成具有特定功能的电路，称为集成电路。,2. 集成电路的分类,模拟集成电路运算放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模拟稳压电源等。 数字集成电路 模拟数字混合集成电路,3. 模拟集成电路的特点,（1）集成电路体积小,功耗小； （2）易于制造相对精度高的器件，容易保证电路中元件 的对称性；,（5）在一些场合用有源器件代替无源器件； （6）级间采用直接耦合方式； （7）集成电路的可靠性高于分立元件构成的电子电路。,（3）电路中的电阻元件由半导体的体电阻构成
