第4讲 模拟电子电路

第四讲模拟电子电路翻页第四讲模拟电子电路4.1常用电子器件4.2晶体管放大电路4.3集成运算放大器电路4.4集成功率放大电路4.5波形发生电路4.1常用电子器件4.1.1晶体二极管4.1.2双极型晶体管4.1.3场效应晶体管4.1.4光电器件返回4.1.1晶体二极管本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。它具有共价键结构。单晶硅中的共价键结构硅原子价电子返回翻页N型半导体和P型半导体N型半导体在硅或锗中掺入少量的五价元素，如磷或砷、锑，则形成N型半导体。P自由电子磷原子正离子P+电子少子多子正离子在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子返回翻页N型半导体和P型半导体P型半导体在硅或锗中掺入三价元素，如硼或铝、镓，则形成P型半导体。BB-硼原子负离子空穴填补空位空穴电子电子电子电子电子多子少子负离子在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。返回翻页PN结用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结。P区N区P区的空穴向N区扩散并与电子复合N区的电子向P区扩散并与空穴复合空间电荷区内电场方向返回翻页即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态）——正向导通加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态）——反向截止返回PN结具有单向导电性翻页面接触型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球阴极D表示符号二极管的结构与符号返回翻页几种二极管外观图大功率二极管小功率二极管返回翻页二极管的伏安特性硅管的伏安特性U/V-500.8反向击穿电压U(BR)-40-20OI/mA604020-250.4正向死区电压I/μA锗管的伏安特性-20-40-250.40.2-5010O155I/mAU/VI/μA死区电压死区电压：硅管约为：0.5V,锗管约为：0.1V。导通时的正向压降：硅管约为:0.6V～0.8V,锗管约为:0.2V～0.3V。常温下，反向饱和电流很小.当PN结温度升高时，反向电流明显增加。注意:返回翻页二极管的主要参数最大整流电流IOM最大反向工作电压UDR一般取反向电流IDRU/V-500.8反向击穿电压UDBR-40-20OI/mA604020-250.4正向死区电压I/μA1132DRDBRUU返回翻页稳压二极管稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。符号DZ阴极阳极特点:(1)反向特性曲线比较陡(2)工作在反向击穿区I/mAU/V0UZIZ稳压二极管伏安特性返回翻页稳压二极管主要参数稳定电压UZ稳定电流IZ动态电阻rZrz=△UZ/△IZ电压温度系数αUZ一般情况:高于6V的αUZ为负,低于6V的αUZ为正。最大允许耗散功率PZMI/mAU/V0UZIZminIZmax∆i∆u返回翻页4.1.2双极型晶体管1.基本结构、符号2.电流分配与放大作用3.特性曲线4.主要参数5.小信号模型返回翻页1.基本结构、符号BETCNPNBETCPNPPNP型NPPEB基区发射结集电结集电区发射区集电极C发射极基极NPN型CPNNEB发射区集电区基区基极发射极集电结发射结集电极返回翻页2.电流分配与放大作用IBRBUBBICUCC输入电路输出电路公共端晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置NPN管：UBE0UBC0即VCVBVERCBCE共发射极放大电路PNP管：UBE0UBC0即VCVBVECEBIE返回翻页3.特性曲线IBRBUBBICUCCRCIE＋UBE--＋UCE输入特性曲线()CEBBEUIfU常数UCE≥1VUBE/VIB/µAO返回翻页IBRBUBBICUCCRCIE＋UBE--＋UCE晶体管输出特性曲线()BCCEIIfU常数IB减小IB增加UCEICIB=60µAIB=40µAIB=20µA0返回翻页晶体管输出特性曲线分三个工作区UCE/VIC/mA8060400IB=20µAO24681234截止区放大区饱和区发射结正偏,集电结反偏IC=βIB发射结、集电结处于反偏IC≈0发射结、集电结处于正偏UCE≈0返回翻页4.主要参数电流放大系数β极间反向电流集电极、基极反向饱和电流ICBO穿透电流ICEOµAICBOCEBICEOCBEµACCEOCBBIIIII＝CECBUII常数(1)CEOCBOII返回翻页极限参数集电极最大允许电流ICM反向击穿电压U(BR)CEO集电极最大允许功耗PCMUCE/VIC/mAOICMU(BR)CEOPCM曲线过损耗区安全工作区返回翻页5.小信号模型在小信号情况下，工作点附近的输入特性以直线取代输出特性只受ib控制，而与uce大小无关ibCBEicT+ube-+uce-C+uce-βibibicrbe+ube-EB返回翻页4.1.3场效应晶体管场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，这种场效应管又称为金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOS）。按其导电类型可将场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种，按其导电沟道的形成过程可分为耗尽型和增强型两种。返回翻页1.绝缘栅型场效应管的结构和符号BG栅极D漏极SiO2S源极N沟道增强型结构示意图图形符号P型硅衬底N+N+BDGSBDGS耗尽型增强型返回翻页BG栅极D漏极SiO2S源极P沟道增强型结构示意图N型硅衬底P+P+图形符号BDGSBDGS耗尽型增强型返回翻页0UDS/v10201234ID/mAUGS=0VUGS=-1VUGS=-2VUGS=1V可变电阻区线性放大区2.MOS管的特性曲线N沟道耗尽型ID/mA0UGS/V-212UDS=10VIDSS输出特性转移特性UGS(off)()GSDDSUIfU常数()DSDGSUIfU常数返回翻页增强型MOS管的转移特性NMOS管PMOS管UGS0IDUGS（th）UGS0UGS(th)返回翻页3.场效应管主要参数夹断电压UGS(off)：是耗尽型场效应管当ID为一微小电流时的栅源电压。开启电压UGS(th)：是增强型场效应管当漏源之间出现导电沟道时的栅源电压。栅源直流输入电阻RGS：栅源电压和栅极电流的比值。绝缘栅型一般109Ω低频跨导gm：在UDS为某一固定值时，漏极电流的微小变化和相应的栅源输入电压变化量之比。返回翻页极限参数最大漏极电流IDM：管子工作时允许的最大漏极电流最大漏源击穿电压U(BR)DS:漏极和源极之间的击穿电压。最大耗散功率PDM：管子最高温升决定的参数返回翻页4.1.5光电器件1.发光二极管2.光敏二极管3.光敏晶体管4.光电耦合器返回翻页1.发光二极管发光二极管是一种能将电能转换成光能的器件，简称LED发光二极管的PN结多采用磷（Ｐ）砷（As）化镓（Ga）制成，根据所用材料不同，能发出不同颜色的光发光二极管也具有单向导电性，但其正向工作电压要高于普通二极管，通常在1.4V以上返回翻页发光二极管发光二极管的外形及符号发光二极管具有寿命长、抗冲击和抗振动性能好、可靠性高等优点，应用十分广泛，其外形众多发光二极管电路符号返回翻页2.光敏二极管光敏二极管是一种将光能转换成电流的器件，其PN结封装在具有透明聚光窗的管壳内。下图为光敏二极管实物返回翻页光敏二极管结构与符号结构图入射光玻璃透镜管芯管壳陶瓷管座引线上电极下电极P＋N＋N管芯示意图AK电路符号返回翻页光敏二极管伏安特性光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。I/μAU/V无光照射电流很小（暗电流）受到光照，反向电流增大（光电流）正向特性类同于普通二极管返回翻页3.光敏晶体管光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。其结构及符号如下图所示。返回翻页光敏三极管等效电路及符号ceec等效电路符号光敏三极管外形返回翻页放大原理与特性曲线入射光子形成光生电压，产生光生电流，由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的电流。因此，光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管。其特性曲线如图所示uCE/ViC/mAOICEOPCM曲线入射光照度增加E=0E1E2E3E4返回翻页*4.光电耦合器光电耦合器是把发光二极管和光敏二极管或光敏晶体管合二为一的器件，输入端接收电信号，中间以光耦合的形式控制输出端的电信号。由于输入输出没有电气的直接联系，故又称为光电隔离器。光电耦合器及符号返回翻页光电耦合器的优点及应用光电耦合器因输入和输出相互绝缘，可以承受很高的电压；同时还具有抗干扰能力极强、响应速度快等有点。因此广泛用于信号隔离转换、脉冲系统的电平匹配、数模转换和计算机接口等方面。返回翻页4.2晶体管放大电路4.2.1阻容耦合的共发射极电路4.2.2工作点稳定的放大电路4.2.3共集电极放大电路返回翻页晶体管放大电路是利用晶体管将微弱的电信号进行放大的电子电路的总称放大电路的一个基本要求就是在对电信号进行放大的同时，输出信号的变化规律与输入信号变化规律一致，即不失真放大电路按照晶体管公共接地端的不同分为共发射极、共集电极和共基极三种类型按照信号传递方式不同，分阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种类型翻页4.2.1阻容耦合的共发射极电路直流电源基极电阻输入电容集电极电阻三极管：电流放大输出电容电路组成RBRCUCEUBE+－－++UCC++C1C2+－ui+－u0RL负载电阻返回翻页耦合电容的作用负载信号源+UCCRBRCUCEUBE+－－+++C1C2+－ui+－u0RLC1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路。C2用来隔断放大电路与负载之间的直流通路。C1、C2同时又起到耦合交流的作用，其电容值应足够大，以保证在一定的频率范围内，耦合电容上的交流压降达到可以忽略不计，即对交流信号可视为短路。翻页+UCCRBRCUCEUBE+－－+++C1C2+－ui+－u0RL各种符号关系：IB，IC，UBE，UCE直流分量ib，ic，ube，uce交流分量iB，iC，uBE，uCE总量Ib，Ic，Ube，Uce交流分量有效值符号含义：iBIBIbmib0t翻页静态分析+UCCRBRCUBE+－－+++C1C2+－ui+－u0RLIBQICQUCEUCEQ静态分析就是在无输入信号情况下求电路的静态值IBQ、ICQ和UCEQ通常，为了使放大器有较大的输出范围，以及较小的噪声，UCEQ值在1/2~1/3UCC左右。翻页动态分析动态分析主要了解放大器的放大能力（电压放大倍数Au）、信号接收能力（输入电阻ri）以及信号输出能力（输出电阻ro）共发射极电路的电压放大倍数为返回(//)CLubeRRAr放大电路较小信号较大信号uiuo翻页输入电阻与输出电阻放大电路riRSuS+-+-ui+-u’oRLro+-uo信号源负载共射极电路的输入电阻为ri＝RB//rbe输出电阻ro≈RCri反映放大器接收信号的能力，ro反映的是带负载能力返回对于信号源来说，放大器相当于负载，可以用一个输入电阻ri来表示对于负载来说，放大器相当于一个有内阻的信号源，其内阻值ro，即为放大器的输出电阻翻页4.2.3共集电极放大电路典型的共集电极放大电路如右图所示。又因为该电路的输出信号取自晶体管的发射极，故该电路又称为射极输出器uS+－RLTC2C1++RBRE+UCCRS+－uO返回翻页(1)(1)LubeLRArR射极输出器的电压放大倍数为放大倍数为正数，说明输出信号与输入信号同相；显然Au小于1，但是接近于1翻页//(1)iBbeLrRrR//1beSoErRrR放大器输入电