模拟电子技术

模拟电子技术模拟电子技术讲解提纲•半导体技术•晶体管放大电路•集成运放•反馈•稳压电源模拟电子技术第1章半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3二极管电路的分析方法1.4特殊二极管小结1.5双极型半导体三极管模拟电子技术1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结模拟电子技术1.1.1本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。模拟电子技术两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。模拟电子技术1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主要参数模拟电子技术1.2.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型模拟电子技术点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底模拟电子技术模拟电子技术反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。模拟电子技术1.2.3二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO模拟电子技术例1画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)Otui/V15RLV1V2V3V4uiBAuO模拟电子技术OtuO/V15模拟电子技术1.4特殊二极管1.4.1稳压二极管1.4.2光电二极管模拟电子技术1.4.1稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性模拟电子技术1.4.2发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性模拟电子技术模拟电子技术1.5双极型半导体三极管1.5.1晶体三极管1.5.2晶体三极管的特性曲线1.5.3晶体三极管的主要参数模拟电子技术(SemiconductorTransistor)1.5.1晶体三极管一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB模拟电子技术二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极模拟电子技术BCEIIIBCIIBE)1(II模拟电子技术二、输出特性常数B)(CECiufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843211.截止区：IB0IC=ICEO0条件：两个结反偏截止区ICEO模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.放大区：CEOBCIII放大区截止区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843213.饱和区：uCEuBEuCB=uCEuBE0条件：两个结正偏特点：ICIB临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(锗管)放大区截止区饱和区ICEO模拟电子技术1.5.3晶体三极管的主要参数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321—直流电流放大系数BCCBOBCBOCBNCNIIIIIIII—交流电流放大系数BiiC一般为几十几百Q82A1030A1045.26380108.0A1010A10)65.145.2(63模拟电子技术iC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O246843212.共基极电流放大系数11BCCECIIIII1一般在0.98以上。Q988.018080二、极间反向饱和电流极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了管子的温度特性(越小越好)。CB极间反向饱和电流ICBO，CE极间反向饱和电流ICEO。模拟电子技术三、极限参数1.ICM—集电极最大允许电流，超过时值明显降低。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iCuCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区模拟电子技术•半导体三极管的主要用途之一是利用其电流放大作用组成各种放大电路。•放大电路的应用十分广泛，其主要作用是将微弱的信号进行放大，以便人们测量和利用。所谓放大，表面上看是将小信号的幅度由小增大，但放大的本质是实现能量的控制。•放大电路需要配置直流电源，用能量较小的输入信号去控制这个电源，使之输出较大的能量去推动负载。这种小能量对大能量的控制作用，就是放大电路的放大作用。2共发射极放大电路模拟电子技术三极管起放大作用偏置电路VCC、Rb提供电源，并使三极管工作在线性区。耦合电容C1、输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。负载电阻RC、RL将变化的集电极电流转换为电压输出。1.组成2.1共射基本放大电路的组成及工作原理模拟电子技术2.放大原理输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程：o2cccbcbbe1uCuRiiiiuCuβi三极管电流放大作用变化的iC通过RC转变为变化的电压输出模拟电子技术静态：ui＝0时电路的工作状态静态工作点Q：由IBQ、ICQ、UCEQ决定画直流通路（电容器开路）bCCbBECCBRURUUIBCIβICCCCCERIUU+TRb1RCCVc2.2.2共射基本放大电路的基本分析方法1.静态分析模拟电子技术例2-1在下图中，已知VCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，β=37.5，试求放大电路的静态值。解：根据如图所示的直流通路，可以得到IBQ≈VCC/RB=12/300=0.04(mA)ICQ≈βIBQ=37.5×0.04=1.5(mA)UCEQ=VCC－ICQRC=12－1.5×4=6(V)模拟电子技术2.动态分析•放大电路有信号输入时的工作状态称为动态。•动态分析主要是确定放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro等。•放大电路有信号输入时，三极管各极的电流和电压瞬时值既有直流分量，又有交流分量。•直流分量一般就是静态值，而所谓放大，只考虑其中的交流分量。模拟电子技术（1）三极管简化微变等效电路rbeIbubebceIcβIbuce-ucec+VT+-ubeIbIcbe从图中可以看出，三极管的输入回路可以等效为输入电阻rbe。在小信号工作条件下，rbe是一个常数，低频小功率管的rbe可用下式估算：26（mV）rbe=300+(1+β)————（2-10）IE（mA）三极管发射极电流的静态值IE≈ICQ模拟电子技术(2)放大电路的简化微变等效电路交流通路的画法：将直流电源短路，电容短路交流通路简化微变等效电路三极管等效电路模拟电子技术（3）放大电路交流参数的计算①电压放大倍数Au式中的负号表示输出与输入电压相位相反。如果电路的输出端开路，即RL=∞，则有Au=－βRC/rbe（2-12）负载电阻越大，放大倍数越大。beLbbebLbbecLorRiriRiriRuuAiu模拟电子技术解：在例2-1中已求出，ICQ=1.5mA由公式可求出rbe=﹝300+（1+37.5）26/1.5﹞=967(Ω)则Au=－37.5(4∥4)/0.967=－77.6例2-2在下图中，VCC=12V，RC=4kΩ，RB=300kΩ，β=37.5，试求放大电路的电压放大倍数Au。模拟电子技术②输入电阻RibeB//rRRi电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望输入电阻越大越好。通常RB＞＞rbe，因此Ri≈rbe，可见共射基本放大电路的输入电阻Ri不大。模拟电子技术③输出电阻ROCoRiuRTT对于负载而言，放大器的输出电阻Ro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。模拟电子技术②由直流负载线UCE=VCC－ICRC（VCC，0）和（0，VCC/Rc）在与IBQ的交点可得到Q点的参数IB、IC和UCE。①在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可画出直流负载线。3.放大电路的图解分析法简介图解分析法（简称图解法）是放大电路的另一种分析方法（1）用图解法分析放大电路的静态工作情况模拟电子技术（2）用图解法分析动态工作情况ICICEVCCCCCRVQIBQ交流负载线直流负载线斜率为-1/R'L（R'L=RL∥Rc）经过Q点注意：交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹空载时，交流负载线与直流负载线重合用图解法能够直观显示出在输入信号作用下，放大电路各点电压和电流波形的幅值大小及相位关系，尤其对判断静态工作点是否合适、输出波形是否会失真等十分方便。模拟电子技术ui输入一微小的正弦信号uiuceicibiCuCEiBuBEQib模拟电子技术结论（1）放大电路中的信号是交直流共存可表示为：ceCECEcCCbBBbeBEBEuUuiIiiIiuUu（2）输出uo与输入ui相位相反，但幅度放大了，频率不变。模拟电子技术（3）静态工作点对输出波形失真的影响对一个放大电路来说，要求输出波形的失真尽可能小。但是，当静态工作点设置不当时，输出波形将出现严重的非线性失真。在图中，静态工作点设于Q点，可以得到失真很小的Ic和uce波形。但是，当静态工作点设在Q1或Q2点时，会使输出波形产生严重的失真。模拟电子技术①饱和失真当Q点设置偏高，接近饱和区时，Ic的正半周和uce的负半周都出现了畸变。这种由于动态工作点进入饱和区而引起的失真，称为“饱和失真”。②截止失真当Q点设置偏低，接近截止区时，使得Ic的负半周和uce的正半周出现畸变。这种失真称为“截止失真”。模拟电子技术1.温度对工作点的影响对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。2.2.3共射放大电路工作点的稳定总之TICTUBEIBICT、ICEOIC模拟电子技术2.静态工作点稳定电路条件：若I2IB，则CCB2B1B2BVRRRUUB稳定采用分压式偏置电路稳定工作点。电路主要采取了两个措施：一是采用分压式基极偏置电路；二是增加了发射极电阻RE，为了不造成交流信号在RE上的损失，在RE两端并联了一个容量足够大的交流旁路电容CE。直流通路模拟电子技术温度t↑→IC↑→IE↑→UE(=IERE)↑→UBE(=UB－IERE