电子信息工程概论课件第三章

第三章电子技术基础与应用目录3.1电路基础3.2模拟电子线路技术3.3数字电路技术3.4集成电路技术3.5微电子系统设计3.1电路基础电路定义电路（Electricalcircuit）：是由电气设备和元器件，按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路。如电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等，构成的网络。电路规模的大小，可以小到硅片上的集成电路，大到高低压输电网。根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。模拟电路定义模拟电路（AnalogCircuit）：是处理连续性电信号（电压、电流）的电路。其典型电路有：放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路）。数字电路定义数字电路（Digitalcircuit）：是以二值数字逻辑为基础，其工作信号是离散的数字信号。电路中的电子晶体管工作于开关状态，时而导通，时而截止。典型电路有，振荡器、寄存器、加法器、减法器等。电路和电路模型电路是电流的流通路径。电路的基本功能是实现电能的传输和分配或者电信号的产生、传输、处理加工及利用。123电路实物模型：电路和电路模型我们已经知道一个最基本的电路必须包含三项要素：电源、负载、和导线。实际电路在运行过程中的表现却相当复杂，如图中电路的电池和灯泡要在数学上精确描述却十分困难。为了用数学的方法从理论上判断电路的主要性能，必须对实际器件在一定条件下，忽略其次要性质，按其主要性质加以理想化，从而得到一系列理想化元件。电路中最常用的三个理想元件理想电路元件电阻电感电容实物图文本块文本块文本块电路示意图ui+R–ui+R–LCR图3-1电路常用理想元件所谓电路模型，就是把实际电路的本质抽象出来所构成的理想化了的电路。将电路模型用规定的理想元件符号画在平面上形成的图形称作电路图。电路模型负载电源电阻电源是电路中极其重要的一个电路元件，它不仅仅是指大家所熟悉电池、发电机之类的电源，还包括信号源等。按其是否依靠外部能源可分为独立电源和非独立电源两类。电源独立电源又可分为独立电压源和独立电流源两种。电压源和电流源都是从实际电源抽象得到的电路模型，它们是二端有源元件。独立电源电源电流源电压源––电路示意图元件特性()()sitit()()sutut受控电源受控（电）源又称“非独立”电源。电压控制电压源（VCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电压源（CCVS）电流控制电流源（CCCS）受控源电路特性电路符号+_u1i1+_u2i2VCVS+_1ui2ºººº+_u1i1u2=ri1+_u2CCVS+_VCCSi2=gu1+_u2i2u1i1+_CCCS+_u2i2+u1i1–1i电压控制的电压源电流控制的电压源电压控制电流源电流控制的电流源10i:电压放大倍数21uuu1=0u2=ri1r:转移电阻i1=0i2=gu1g:转移电导21ii10u:电流放大倍数受控电源基尔霍夫定律1845年，德国人G.R.基尔霍夫提出集总参数电路中流入节点的各电流和回路各电压的固有关系的法则基尔霍夫定律：如果将电路中各个支路的电流和支路电压作为变量来看，这些变量受到两类约束。一类是元件的特性造成的约束;另一类约束是由于元件的相互连接给支路电流之间或支路电压之间带来的约束关系，有时称为“几何”约束或“拓扑”约束，基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律（KCL）：“在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零”。对任一结点有:0i基尔霍夫电压定律（KVL）基尔霍夫电压定律（KVL）指出：“在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有的支路电压的代数和恒等于零”。所以，沿任一回路有：0u电路中常用定理叠加定理戴维南定理诺顿定理叠加定理叠加定理：线性电路中，两个或两个以上独立电源同时作用产生的效应，等于每个独立电源单独作用产生的效应之和；在考虑某独立电源单独作用时，其它独立电源以其内阻代替，但所有非独立电源则仍应保留。戴维南定理戴维南定理：任何有源线性二端网络，可用一个恒压源串联一个等效阻抗来代替。该恒压源的电动势，等于二端网络的开路电压（断开负载）；而等效阻抗则等于网络中的各独立电源用其内阻替代后，在二输出端呈现的阻抗。经此等效后所得的网络，可称为原网络的戴维南等效电路或电压源的等效电路。诺顿定理诺顿定理：任何有源线性二端网络，可用一个恒流源并联一个等效阻抗来代替。该恒流源的电流等于二端网络的短路电流，而等效阻抗则等于二端网络中各独立电源用其内阻替代后在二输出端呈现的阻抗。模拟电子线路技术电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子技术应用电子技术已应用到社会的方方面面，并极大地促进了社会的发展。然而，无论是小到纳米级的电子芯片还是大到几十吨的航天器材。其功能电路的组成都离不开电子技术的基本元器件。已由分立的电子器件的组合向集成化和模块化的方向发展。基本电子元件集成电路元件大规模集成电路模拟电子线路技术半导体概述在自然界，物质按其导电性可分为导体、半导体和绝缘体。其中导电性能很强的，如铜、铝、铁等称为导体。另一些物质诸如橡皮、胶木、瓷制品等不能导电，我们称之为绝缘体。还有一些物质，如硅、硒、锗、铟、砷化镓以及很多矿石、化合物、硫化物等，它们的导电性能介于金属导体和绝缘体之间，我们称之为半导体。纯净不掺杂质的半导体称为本征半导体。本征半导体本征半导体中虽然同时存在自由电子和空穴两种载流子，但数量少，导电能力较差，导电率也难以按需要人为控制。若在本征半导体材料中掺入很微量的某种杂质元素，会使其导电性极大地增加，并且随着杂质元素掺入量的不同，导电能力也能够加以控制，这种半导体称为杂质半导体。若掺入微量元素是五价元素（如磷），这种杂质半导体叫做N型半导体；若加入的是三价微量元素（如硼）则称这种杂质半导体为P型半导体。PN结将P型半导体和N型半导体通过特殊的工艺结合在一起，则在这两种半导体的交界面会出现一个极薄的特殊层（大约只有几个微米），这个薄层就是PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。半导体二极管半导体二极管是PN结形成后的一个产物，常用实物图如下图，它是组成电子线路重要元器件之一，广泛应用于整流、稳压、限幅、钳位、检波、续流等。发光二极管稳压管普通二极管半导体二极管的类型半导体二极管的类型很多。按材料分，二极管可分为硅二极管和锗二极管；按内部结构分，二极管可分为点接触、面接触和平面型等类型；按用途分，二极管又可分为整流二极管、稳压二极管、检波二极管、发光二极管、开关二极管等。在实际生活中我们用到较多的二极管是一些特殊的二极管，下表列出了其中的一部分。稳压管特殊二极管光电二极管发光二极管稳压二极管是用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，由于它在电路中能起到稳定电压的作用，故称稳压二极管。概念或功能通常由硅材料制成，正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反向饱和电流；有光照时，PN结受光激发，形成较大的光电流。光电二极管的电流与照度成正比，用于信号检测、光电传感器、电机转速测量等。发光二极管简称LED，是一种具有一个PN结的半导体发光器件。按发光光谱可分为可见光LED和红外光LED两类。图示肖特基二极管主要特点是导通电压较低(0.4V左右)，导通时存储的非平衡载流子数量少，夹断时间很短，在高速数字电路中获得很好的应用。半导体二极管的类型双极性晶体管双极性晶体管又称半导体晶体管或双极性三极管。常用三极管实物图如图所示。三极管的一个重要特性就是放大作用，正是此特性使得它在电子线路中的用途非常之大。普通三极管贴片三极管达林顿三极管双极性晶体管的分类按材料可分为硅管和锗管；按类型可分为平面型和合金型；按工作频率可分为高频管和低频管；按内部结构可分为NPN型和PNP型；按耗散功率不同可分为小功率管和大功率管按使用用途则可分为：普通管、低噪声B管、功率放大管、高频管、开关管和达林管等。NPN型和PNP型晶体管的结构和符号图结构图双极性晶体管符号图NPN型三极管PNP型三极管采用平面管制造工艺，在N＋型底层上形成两个PN结在P＋型底层上形成两个PN结箭头表示发射结正偏时的实际电流方向发射结正偏（VBE＜0）时，电流从b极流出。场效应管场效应管（FieldEffectTransistor）作为半导体器件中的重要一员，也就是一种通过输入信号控制输出电流的器件。场效应管也是一个具有两个ＰＮ结的半导体三端器件。但场效应管的工作原理与三极管截然不同，场效应管是利用改变电场来控制半导体载流子运动，而不是象三极管那样用输入电流控制ＰＮ结的电场。场效应管除了具有双极性场效应管的体积小、质量轻、寿命长等优点外，还具有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。场效应管有结型和绝缘型两大类，即结型场效应管和绝缘型场效应管。每种类型的场效应管都具有栅极Ｇ、源极Ｓ和漏极Ｄ３个工作电极。同时，每种类型的场效应管都由Ｎ沟道和Ｐ沟道两种导电结构。场效应管结型场效应管结型场效应管是一种利用半导体内的电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构的不同，结型场效应管有N沟道JFET和P沟道JFET两种类型。绝缘栅型场效应管与结型场效应管相同:绝缘栅型场效应管也是利用电场控制载流子的工作原理设计而成的。与结型场效应管不同:绝缘栅型场效应管有绝缘栅，并因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。它的栅-源间电阻比结型效应管大得多，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛用于大规模和超大规模集成电路之中。MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。几种场效应管的基本结构图和符号结构图场效应管符号图结型场效应管绝缘栅型场效应管N沟道P沟道N沟道耗尽型型衬底N沟道增强型P沟道增强型P沟道耗尽型模拟电子电路的基础应用放大电路：麦克风将人的声音信号转换成电信号，而电信号经过扩音设备中的放大电路放大后，就会输出足够大的信号功率，推动扬声器发出宏亮的声音。共射极放大电路模拟电子电路的基础应用当天气变化频繁，气温忽高忽低时，人就容易感冒，容易生病。机器设备与人也相似，当它的输入电压不稳定，仪器设备的使用寿命就会降低，特别是对于一些精密的仪器部件，它对输入源的要求更高，输入源的波动必须很小。当波动稍微过大时，它就可能损坏。为了避免机器设备的这种损耗，我们就必须保证机器设备具有稳定的输入源，而这很难靠外力实现，必须在输电路中设置稳压电路。模拟电子电路的基础应用左边是两种常见稳压器，右边是无反馈稳压电路的结构图稳压元件负载+-电源无反馈稳压电路家用稳压器电脑稳压器模拟电子电路的基础应用集成运放应用：我们在平常的学习中常常会碰到一些运算比较繁杂的算术运算，而仅仅通过笔和纸是很难算出来的，这就需要我们借助于计算器，运用计算器帮我们解决那些繁琐的运算。但这样一个小小的电子器件是如何完成算术运算的呢？集成运放电路将为我们给出答案。模拟电子电路的基础应用集成运放应用-加法电路模拟电子电路的基础应用上图中电路中的三个阻值相等，并在电路的输出端添加反相器，那么输出的电压就等于输入电压之和。如果将输入电压与运算值匹配，则该电路也就实现了最基本的加法运算。集成运算放大电路除了加法运算电路外，还有减法运算电路、乘法运算电路、除法运算电路和微积分运算电路。加法电路减法电路乘法电路除法电路+-*/下图较形象地描述了这些电路与计算器的关系.模拟电子电路的基础应用数字电路技术数字电路技术数字电路的产生和发展是电子技术发展的重要标志，数字电路在现代电子技术中占有十分重要的地位。由于数字电路比模拟电路具有更多独特的优点，因此它在通信、电视、雷达、自动控制、电子测量、电子计算机等科学领域都得到了非常广泛的应用，数字电路应用的广度和深度标志着现代电子技术的发展水平。数字电路技术模拟电子电路与数字电路的差别。100111001011模拟信号数字信号模拟电子元件数字