硬件电路设计基础知识

1硬件电子电路基础关于本课程第一章半导体器件§1-1半导体基础知识§1-2PN结§1-3二极管§1-4晶体三极管§1-5场效应管第二章基本放大电路§2-1晶体三极管基本放大电路§2-2反馈放大器的基本概念§2-3频率特性的分析法§2-4小信号选频放大电路§2-5场效应管放大电路第三章模拟集成电路§3－1恒流源电路§3－2差动放大电路§3－3集成运算放大电路§3－4集成运放的应用§3－5限幅器（二极管接于运放输入电路中的限幅器）§3－6模拟乘法器第四章功率放大电路§4－1功率放大电路的主要特点§4－2乙类功率放大电路§4－3丙类功率放大电路§4－4丙类谐振倍频电路第五章正弦波振荡器§5－1反馈型正弦波振荡器的工作原理§5－2LC正弦波振荡电路§5－3LC振荡器的频率稳定度§5－4石英晶体振荡器§5－5RC正弦波振荡器2第六章线性频率变换──振幅调制、检波、变频§6－1调幅波的基本特性§6－2调幅电路§6－3检波电路§6－4变频第七章非线性频率变换──角度调制与解调§7－1概述§7－2调角信号分析§7－3调频及调相信号的产生§7－4频率解调的基本原理和方法第八章反馈控制电路§8－1自动增益控制（AGC）§8－2自动频率控制（AFC）§8－3自动相位控制（APC）PLL第一章半导体器件§1-1半导体基础知识§1-2PN结§1-3二极管§1-4晶体三极管§1-5场效应管§1-1半导体基础知识一、什么是半导体半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率）（如：硅Si锗Ge等＋4价元素以及化合物）二、半导体的导电特性本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。硅和锗的共价键结构。（略）31、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化掺杂──管子温度──热敏元件光照──光敏元件等2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴自由电子──受束缚的电子（－）空穴──电子跳走以后留下的坑（＋）三、杂质半导体──N型、P型（前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。N型半导体（自由电子多）掺杂为＋5价元素。如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增加原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。载流子组成：o本征激发的空穴和自由电子──数量少。o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。o空穴──少子o自由电子──多子P型半导体（空穴多）掺杂为＋3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。B──＋3价载流子组成：o本征激发的空穴和自由电子──数量少。o掺杂后由B提供的空穴──数量多。o空穴──多子o自由电子──少子结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子；4P型半导体中的多数载流子为空穴。§1-2PN结一、PN结的基本原理1、什么是PN结将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。2、PN结的结构分界面上的情况：P区：空穴多N区：自由电子多扩散运动：多的往少的那去，并被复合掉。留下了正、负离子。（正、负离子不能移动）留下了一个正、负离子区──耗尽区。由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。方向：N--P大小：与材料和温度有关。（很小，约零点几伏）漂移运动：由于内建电场的吸引，个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。结论：在没有外加电压的情况下，扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反。总电流为零。5二、PN结的单向导电特性1、外加正向电压时：（正偏）结论：势垒高度PN结宽度（耗尽区宽度）扩散电流2、外加反向电压时：（反偏）结论：势垒高度PN结宽度（耗尽区宽度）扩散电流（趋近于0）此时总电流＝反向饱和电流（漂移电流）：I5注：反向饱和电流I5只与温度有关，与外加电压无关。【PN结的反向击穿】：齐纳击穿：势垒区窄，较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键，导致反向电流剧增。4V雪崩击穿：势垒区宽，载流子穿过PN结时间长，速度高，将价电子从共价键中撞出来，撞出来的电子再去撞别的价电子，导致反向电流剧增。7V当反向电压在4V和7V之间的时候，两种击穿均有。【PN结的电容效应】：6势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下，电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容。（反偏减小，正偏增大）扩散电容：当PN结外加正向电压时，由于扩散作用，从另一方向本方注入少子，少子注入后，将破坏半导体的电中性。为了维持电中性，将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体，在半导体中形成空穴－电子对储存。外电压增量引起空穴－电子对存储就象电容充电一样。PN结等效为：两个扩散电容＋一个势垒电容。（对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内）反偏：扩散电流＝0，以势垒电容为主。正偏：扩散电流很大，以扩散电容为主。§1-3二极管一、构成与符号二、伏安特性曲线71.正向特性：正向电压较小时，正向电流几乎为0──死区。当正向电压超过某一门限电压时，二极管导通，电流随电压的增加成指数率的关系迅速增大。门限电压（导通电压）──UD：硅管──0.5-0.7V锗管──0.1-0.2V2．反向特性：当外加电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。当外加电压大于反向击穿电压UB时，反向电流随电压急剧增大（击穿）。3．伏安特性解析式在理想条件下，PN结的伏安（电流与结电压）关系式：──呈指数关系式中：q──电子电荷量K──波尔兹曼常数T──绝对温度0K(-273C)令：（室温下UT=26mV）伏安关系式简化为：当电压超过100mV时，公式可以简化为：加正向电压时：加反向电压时：I=-IS4．二极管的等效电阻8从二极管的伏安特性曲线上可以看出：二极管是非线性元件，等效电阻的大小与Q点有关。直流电阻（静态电阻）──交流电阻──例：用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻，结果一样吗？特殊二极管：稳压二极管；变容二极管；发光二极管；二极管应用：1．整流：略2．稳压：稳压管稳压电路。P22Fig1-3-163．限幅器：二极管限幅器。P24-26串联、并联、双向。例：P521－2§1-4晶体三极管一、结构及符号b区极薄C结面积e结e区搀杂浓度最大，b区搀杂浓度最低。（不能将两个二极管兑成一个三极管来用）二、晶体管的四种工作状态状态发射结电压集电结电压放大正反截止反反饱和正正倒置反正9三、放大状态下晶体管中的电流注：交流有效值──大写小写；交流值──小写小写；瞬时值──小写大写；静态值──大写大写；*注意：实际电流的流向是与电子流的方向相反的。用很少量的IB来控制IC。即三极管实际上是一个电流控制电流源-CCCS。三个电极电流满足：IE=IB+IC工作在放大状态下的NPN管一定为：IB、IC流入，IE流出。工作在放大区的条件：NPN──UCUBUE；PNP──UCUBUE；发射结正偏，集电结反偏。例：集成电路中没有三极管，是用三极管的一个结来代替，用哪个结？e结。（C结漏电流大）四、晶体管工作的三种组态【共射】对电压、电流都有放大倍数。10【共基】无电流放大倍数，有电压放大倍数。(ICIE)【共集】无电压放大倍数，有电流放大倍数。(UBEV）五、晶体三极管特性曲线共射组态放大电路的特性曲线：输入特性曲线(IB--UBE)UCEUBE为一个正偏的PN结，所以特性曲线和二极管的正向特性曲线相同。有：输出特性曲线(IC--UCE)IB11因为三极管有三个电极，要想在二维坐标系上表示出三个变量之间的关系。特性曲线就得是一族。有：特点：截止区：iB=0；iC=0;UCE=UCC；放大区：iC受iB控制。各条曲线近似水平，iC和UCE的变化基本无关，呈近似恒流特性。饱和区：iC不受iB控制。UCE＝0.3V六、晶体三极管的主要参数1.电流放大系数直流电流放大系数交流短路电流放大系数共基极接法电流放大系数；；2.极限参数12集电极最大允许电流ICOM：下降至正常值时候的0.707倍所对应的IC值。反向击穿电压BUCEO：当基极开路时集电极和发射极之间的反向击穿电压。集电极最大允许功耗PCM。3.三极管的输入电阻共射电路的输入电阻：BE结电阻：共基极输入电阻：§1-5场效应管场效应管的特点：场效应管只靠多子来导电。它是单极型晶体管。它只依靠一种载流子导电。三极管是靠多子、少子一起来导电的,又叫双极型晶体管。它靠两种载流子导电。场效应管的导电途径：沟道──利用外加电场改变半导体体电阻来进行工作。（电场效应来工作。）输入阻抗十分高。场效应管分类：结型场效应管、绝缘栅型场效应管。一、结型场效应管1．结构：N区为载流子的主要通道──N沟道。132.符号：N沟道P沟道3.工作原理：靠UDG和USG使两个PN结全部反偏，使耗尽层加宽。依靠反偏电压的强弱来控制耗尽层的宽窄，（即改变半导体的体电阻）达到控制电流的作用。VCCS并且应有UDUS，才能收集电子。漏极D和源极S，可以互换着使用。要求栅极G一定要反偏。工作在放大状态时要求有：4.输入特性：栅极电流就是PN结的反向饱和电流。它几乎不随电压变化。5.输出特性曲线：──以UGS为参变量，描述ID和UDS之间的关系。二、绝缘栅型场效应管1.结构：（以N沟道为例）142.符号：增强型耗尽型N沟道P沟道场效应管特性比较P47Tab1-23.原理：增强型：原始没有导电沟道，靠外加电压后形成反型层导电沟道。要求必须给栅极G加正向偏压。有：UDUGUS耗尽型：原来已经有导电沟道存在（掺杂造成的），靠外加电压使沟道中的载流子耗尽。所加栅极电压可正、可负。正：同增强型；负：同结型；第二章基本放大电路§2-1晶体三极管基本放大电路§2-2反馈放大器的基本概念§2-3频率特性的分析法§2-4小信号选频放大电路§2-5场效应管放大电路§2－1晶体三极管基本放大电路一、放大器的组成151、放大电路的功能和主要研究问题什么是放大器：输出信号能量输入信号能量的器件。（增大的能量是由电源提供的。）放大器的要求：1、能放大；2、不失真；主要问题：产生失真的条件和如何减小失真；主要指标是放大倍数：2、三种基本放大电路（三种组态）三种组态：共射；共基；共集；要实现放大作用：必须满足发射结正偏，集电结反偏。（NPN，PNP都是这样）,即：NPN──UCUBUE；PNP──UCUBUE；3、基本共射放大电路一般RBRC；RB几百K，RC几K二、放大级的图解分析放大级的图解分析法是利用晶体管的特性曲线通过作图的方法来分析放大电路的基本性能。图解分析法的特点是──直观。图解分析法的步骤是：1、先分析无输入信号时的静态特性。2、再分析有信号输入时的动态特性。（一）、静态特性161、任务：求解静态工作点Q。（管子各极电流和各电极之间的电压）2、静态工作点Q的定义：未加交流信号的情况下，在固定直流偏压作用下，IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ也为一个固定的值。它们在曲线上对应着一个固定的点──Q点。3、在给定电路中求解静态工作点Q（以共射电路为例）。*解释：由于晶体管为非线性元件，它的输出伏安关系符合它的输出特性曲线。而晶体管所带的负载是电阻，它是线性元件。伏安关系符合基尔霍夫定律，为一条直线。（我们将在放大器直流输出回路中满足电压和电流关系的这一条直线称为直流负载线。）那么放大电路既要满足晶体管的非线性特性曲线，又要满足负载电阻的直线，结论是只能将这两种线画在同一个坐标系中，从中取它们的交点。这个交点──Q点。图解法可以直观地反映出Q点改变对放大作用的影响。求解静态工作点的步骤：列输入方程，求出IBQ：其中UBE＝0.6V列输出方程，在IC──UCE图中画出直流负载线。UCE=UCC-ICRC根据公式：分别取当IC＝0时：UCE＝UCC；oUCE＝0时：IC＝UCC/RC；将这两点连上即得到直流负载线。从图上找出交点──静态工作点Q在图上对应标出IBQ、UCEQ17（二）、动态