23124-第1单元-模拟电路基础知识

第1单元模拟电路基础知识第一部分任务导入•收音机电路是一种很典型的模拟电路。•图1-1所示为一种由6只三极管VT1～VT6为主构成的调幅收音机电路，每一只三极管在电路中与其外围元件就组成了完成某一种功能的单元电路，这些单元电路再按照一定的方式“拼凑”起来后，就构成了一台完整的收音机电路。图1-1典型的调幅收音机电路第二部分相关知识模拟集成电路的特点及类型1.1半导体基础知识半导体基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应晶体管1.5闸流晶体管1.6单结晶体管1.7光电器件1.81.1模拟集成电路的特点及类型1.1.1模拟电路的特点•模拟信号是指连续变化的电信号，又称连续信号，典型的模拟量为正弦函数。•用模拟电路能够处理这类连续变化的信号。•自然界中许多物理量都是模拟量，如时间的变化、运动物体的位移、温度的变化等。1．模拟电路的模拟量•模拟电路是以电压或电流为模拟量进行放大、转换、调制的一种电子电路。2．模拟电路研究的信号•在模拟电子电路中，主要研究的是微弱信号的放大以及各种类型信号的产生、变换和反馈。1.1.2模拟电路的类型1．线性电路•使输出信号和输入信号的变化呈线性关系的电路称为线性电路。•例如，运算放大器，音频、中频及宽频带放大电路等。•线性电路又分为2种类型：一种是通用类，如运算放大器；另一种是专用类，如应用于电视机和显示器的扫描电路及应用于音响的功放电路等。2．非线性电路•使输出信号和输入信号的变化不呈线性关系（但不是开关性质）的电路称为非线性电路。•例如，检波器、稳压器、调制器等。1.2半导体基础知识半导体基础知识1.2.1半导体的特性•凡导电能力介于导体和绝缘体之间的物质（如锗、硅、砷化镓等）制成的物体，称为半导体。1．晶体•晶体一般具有规则的几何形状，其内部的原子按照一定的晶体结构有规律地整齐排列。2．非晶体•非晶体内部的原子排列是无规律的，杂乱无章的。3．本征半导体•不含任何杂质的纯净的理想半导体称为本征半导体，它属于理想的晶体，在热激发的作用下，其内部将产生载流子（指自由电子和空穴）。•因此，本征半导体的导电能力与自身温度有关。•用得最多的本征半导体是硅和锗。1.2.2N型半导体和P型半导体1．N型半导体•N型半导体是在纯净的硅或锗半导体中掺入少量的5价元素（如磷、砷、锑等）得到的。•若掺入的是磷（P），如图1-3（a）所示，则磷原子将在晶体中替代硅原子的位置，其中将有4个价电子与硅的价电子（只有4个）形成共价键。•多余的1个价电子在共价键之外，只要有很小的激发能量它就可以成为自由电子，而磷原子被电离为带正电的磷离子。•由于这种半导体中的载流子主要是自由电子，因此称之为N型半导体，或叫电子型半导体。•在N型半导体中，电子（带负电荷）叫多数载流子，空穴（带正电荷）叫少数载流子。2．P型半导体•P型半导体是在纯净的硅或锗半导体中掺入少量的3价元素（如硼、铝、铟等）得到的。•若掺入的是硼（B），如图1-3（b）所示，硼原子与硅原子构成共价键时，将因缺少电子而出现空位，这些空位很容易吸引附近的共键电子来填充，形成能够参与导电的空穴，而硼原子被电离为带负电的硼离子。•由于这种半导体中的载流子主要是空穴，故称之为P型半导体，或空穴型半导体，能够提供空穴的杂质，称为受主杂质。•在P型半导体中，空穴（带正电荷）叫多数载流子，电子（带负电荷）叫少数载流子。图1-3硅晶体结构示意图1.2.3PN结•通过特殊的“扩散”制作工艺，将一块本征半导体的一半掺入微量的5价元素，变成N型半导体，而将其另一半掺入微量的3价元素，变成P型半导体，在P型半导体区和N型半导体区的交界面处就会形成一个具有特殊导电性能的薄层，这就是PN结，它对P型区和N型区中多数载流子的扩散运动产生了阻力。•PN结靠P区的一边带正电，靠N区的一边带负电，这就在交界面处产生一个接触电位差（位垒），并形成一个方向由P区指向N区的内电场。1.2.4单向导电性1．PN结加适当的正电压•当在PN结加上适当的正电压，即P区接电源正极，N区接电源负极后，PN结就会导通，从而产生出正向电流。2．PN结加适当的反向电压•当在PN结加上适当的反向电压，则PN结将不会导通，即进入截止状态，正向电流就会消失，仅有极微弱的反向电流。•当反向电压增大到某一数值时，就会使PN结击穿而成为导体，进而就会导致反向电流急剧增大。3．PN结的导通电压•由于半导体导电的特性，二极管P区加正电压常常要达到一定值时，才能导通，这就是导通电压。•锗二极管的导通电压约为0.2V，硅二极管的导通电压约为0.6V，一旦导通，锗二极管两端电压降就限制在0.2～0.3V，硅二极管就限制在0.5～0.8V。1.3半导体二极管•半导体二极管也称晶体二极管（以下简称二极管），它是利用P型和N型半导体的结合面（PN结）的独特导电性能制造成的电子器件。•半导体材料为元素周期表第四族的硅（Si）或锗（Ge）。•常见二极管的外形如图1-4所示。图1-4常见二极管的外形示意图1.3.1二极管的种类1．按材料分类•二极管按其所用的半导体材料分类，可分为锗（Ge）二极管和硅（Si）二极管、磷化镓（GaP）二极管以及砷化镓（GaAs）二极管等。2．按制造工艺分类•二极管按制造工艺分类，可分为面接触型二极管和点接触型二极管。3．按用途分类•二极管按用途不同分类，可分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管、开关二极管、快恢复二极管、激光二极管、双向击穿二极管、磁敏二极管、肖特基二极管、温度效应二极管、隧道二极管、双向触发二极管、恒流二极管、体效应二极管等。4．按结构类型分类•二极管按结构类型来分类，可分为结型二极管、金属半导体接触二极管等。5．按封装形式分类•二极管按封装形式分类，可分为常规封装二极管、特殊封装二极管等。6．按工作频率分类•二极管按其工作频率分类，可分为高频二极管和低频二极管。1.3.2二极管的结构特点•二极管是由一个PN结加上接触电极、引线和管壳构成。•P型半导体的引线称为阳极或正（+）极，N型半导体的引线称为阴极或负（−）极，如图1-5（a）所示。•二极管在基本电路中的图形符号如图1-5（b）所示。•在电路中用字母“VD”（旧标准为“D”）表示。图1-5二极管PN结与电路符号示意图1．点接触型二极管•点接触型二极管一般为锗管，如图1-6（a）所示。•点接触型二极管的PN结结面积很小（结电容小，PN结具有电容效应），因此不能通过较大电流。•但其高频性能好，故一般适用于高频信号的检波和小电流的整流，也可用作脉冲数字电路的开关元件。2．面接触型二极管•面接触型二极管一般为硅管，如图1-6（b）所示。•它的PN结结面积大（结电容大），故可通过较大的电流（可达上千安培），但其工作频率较低，故一般用于低频电路和大电流的整流电路中，也可以用在脉冲数字电路中作开关管。图1-6点接触和面接触型二极管结构示意图3．其他二极管的电路符号•二极管的基本电路中的图形符号如图1-5（b）中所示，其他二极管的电路图形符号如图1-7所示。图1-7各种二极管的电路图形符号1.3.3二极管的伏安特性曲线和主要参数•加在二极管两端的电压与通过它的电流之间的关系，叫做二极管的伏安特性，也称为电压-电流关系曲线，如图1-8所示。•其中图1-8（a）所示为硅二极管（以2CP10型管为例）的伏安特性曲线，图1-8（b）所示为锗二极管（以2AP15型管为例）的伏安特性曲线。•二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可以用一些数据来说明。1．最大整流电流IF•最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的正向平均电流。•当电流超过允许值时，由于PN结过热而使管子损坏。2．最高反向工作电压URM•最高反向工作电压是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般为反向击穿电压的一半或三分之二。图1-8二极管的伏安特性曲线3．最大反向工作电流IRM•最大反向工作电流是指管子未击穿时反向电流的大小。•其值愈小，则管子的单向导电性愈好。•由于温度增加，反向电流会急剧增加，故在使用二极管时要注意温度的影响。4．反向击穿电压UO•反向击穿电压是指管子击穿时的反向电压值，管子被击穿后，反向电流剧增，二极管单向导电性被破坏。•了解二极管参数是正确使用二极管的依据。•一般半导体器件手册都给出不同型号管子的参数。•在使用二极管时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压值，否则容易损坏管子。1.3.4稳压二极管•稳压二极管是利用PN结反向击穿时，电压基本上不随电流变化而变化的特点来达到稳压目的的。•因为它能在电路中起稳压作用，故称为稳压二极管（简称稳压管）。•常用稳压二极管的外形如图1-9所示。图1-9常用稳压二极管的外形示意图1．稳压二极管的结构•稳压二极管通常由一个特殊的面接触型二极管为主构成，内部也是有一个PN结，其正向特性与普通二极管一样。•但其半导体材料掺杂多，使其击穿电压值较低；又由于其几何尺寸大，散热条件较好，故使其在反向特性上具有特殊的性能。2．稳压二极管的伏安特性•稳压二极管是利用其反向击穿的伏安特性来实现稳压的，稳压二极管的伏安特性曲线和电路符号如图1-10所示，图1-10（a）所示为伏安特性曲线，图1-10（b）所示为电路图形符号。图1-10稳压二极管的伏安特性曲线和电路图形符号3．稳压二极管的封装方式•图1-11所示为双稳压二极管的外形和电路图形符号。4．稳压二极管的主要参数•稳压二极管的参数较多，以下介绍的是与使用有关的几个主要参数。（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ和最大稳定电流IZmax（3）最大耗散功率PM（4）动态电阻RZ图1-11双稳压二极管的外形及电路图形符号1.3.5发光二极管1．发光二极管的类型•发光二极管的种类很多，根据其发光颜色来分类，主要有发红色光的磷化镓发光二极管，镓铝化砷发光二极管，磷砷化镓发光二极管；发黄色光的和绿色光的磷化镓发光二极管，发紫色光的发光二极管，还有发蓝色光和发白色光的发光二极管。•其中白色发光二极管是新型产品，主要应用于手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。•图1-12所示为几种常见的发光二极管外形及电路图形符号。图1-12几种常见的发光二极管外形及电路图形符号2．发光二极管的结构①将管芯烧结在管座上，然后用透明环氧树脂封装。②用带玻璃透镜的金属帽进行封装。•另外，还有一些大功率的管子，采用特殊的封装，如HG52型大功率砷化镓红外发光二极管，是采用球形管芯烧结在大型金属底座上的封装形式。•发光二极管的发光颜色主要由制作管子的材料以及掺入杂质的种类决定，与其封装结构无关。•有些公司将2个不同颜色的发光二极管封装在一起，使其成为双色二极管（又称为变色发光二极管）。•这种发光二极管通常有3个引出脚，其中1个是公共端。•它可以发出3种颜色的光（其中1种是2种颜色的混合色），故通常作为不同工作状态的指示器件。3．发光二极管的单向导电特性•发光二极管与普通二极管一样，也具有单向导电的特性。•当给发光二极管加上正向电压时，能使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，相互注入的电子和空穴就会相遇而产生复合，电子和空穴在复合时释放能量。•对于发光二极管来说，复合时释放出的能量大部分以发光的形式出现。•所谓单向导电，只允许电流从正极流向负极，只有正向接入时才导通发光，反向接入时则截止，不发光，如图1-13所示。图1-13发光二极管单向导电特性示意图4．发光二极管的工作电流和电压•发光二极管的工作电流通常为2～25mA。•发光二极管的管压降要比普通二极管大，故电源电压必须大于管压降，发光管才能工作。•这也是用万用表测试发光二极管必须使用“R×10k”挡的原因。•因为发光二极管的管压降通常≥2V，而万用表“R×1k”挡及其以下各挡的表内电池仅为1.5V，低于管压降，所以无论正、反向接入发光二极管均不可能导通，亦就无法检测。•而“R×10k”挡的表内接9V或15V高压电池，高于管压降，所以可以用来检测发光二极管。5．发光二极管的发光波长•发光二极管的发光颜色与发光的波长