模拟电子技术基础课件.ppt
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1、多媒体教学课件,模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronics 童诗白、华成英 主编,第四版童诗白,1,1. 本课程的性质,电子技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,3. 研究内容,以器件为基础、以电信号为主线,研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的模拟电子电路进行分析,同时对较简单的单元电路进行设计。,导 言,第四版童诗白,2,5. 学习方法,重点掌握基本概念;基本电路的结构、性能特点;基本分析估算方法。,6. 课时及成绩评定标准,课时:80学时=
2、64(理论)+16(实验) 平时10%+实验30%+卷面60%,7. 教学参考书,康华光主编,电子技术基础 模拟部分 第三版,高教出版社 陈大钦主编,模拟电子技术基础问答:例题 试题, 华科大出版社 陈 洁主编, EDA软件仿真技术快速入门- Protel99SE+Multisim10+Proteus 7 中国电力出版社,导 言,第四版童诗白,3,目录,第四版童诗白,(6学时),4,第四版童诗白,电子技术:,通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成电路等电子元器件组成并具有一定功能的电路称为电子电路,简称为电路。 一个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组成,功能电路主要有:放大器、滤波
3、器、信号源、波形发生电路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟/数字转换器等。,电子技术就是研究电子器件及电路系统设计、分析及制造的工程实用技术。目前电子技术主要由模拟电子技术和数字电子技术两部分组成。,在电子技术迅猛发展的今天,电子电路的应用在日常生活中无处不在,小到门铃、收音机、DVD播放机、电话机等,大到全球定位系统GPS(Global Positioning Systems)、雷达、导航系统等。,5,第四版童诗白,模拟电子技术:,模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。 模拟信号就是幅度连续的信号,如温度、压力、流量等。,数字电子技术主要研究处理数字信号的电子电路。 数字信号通常是
4、指时间和幅度均离散的信号,如电报信号、计算机数据信号等等。,时间,时间,幅度,幅度,T 2T 3T 4T 5T 6T,数字电子技术:,6,第四版童诗白,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件,7,本章讨论的问题:,2.空穴是一种载流子吗?空穴导电时电子运动吗?,3.什么是N型半导体?什么是P型半导体? 当二种半导体制作在一起时会产生什么现象?,4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗?它为什么具有单向性?在PN结中另反向电压时真的没有电流吗?,5.晶体管是通过什么方式来控
5、制集电极电流的?场效 应管是通过什么方式来控制漏极电流的?为什么它 们都可以用于放大?,1.为什么采用半导体材料制作电子器件?,第四版童诗白,8,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体,导体:自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。,绝缘体:有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,一、导体、半导体和绝缘体,第四版童诗白,9,半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:,当受外界热和光的作用时,
6、它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。,第四版童诗白,10,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体 称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体,它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.1 本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T = 0 K 时,半导体不导电,如同绝缘体。,第四版童诗白,第四版童诗白,11,图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ,将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子,在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力,但很
7、微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,(动画1-1),(动画1-2),第四版童诗白,12,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征半导体中载流子的浓度公式:,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/cm3,ni= pi= K1T3/2 e -EGO/(2KT),本征激发,复合,动态平衡,第四版童诗白,13,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现, 称为 电子
8、 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示,显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动 会达到平衡,载流子的浓度就一定了。,5. 载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升 高,基本按指数规律增加。,小结:,第四版童诗白,14,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素,如 磷、锑、砷等,即构成 N 型半导体(或称电子型 半导体)。,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,第
9、四版童诗白,15,本征半导体掺入 5 价元素后,原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度,即 n p 。 电子称为多数载流子(简称多子), 空穴称为少数载流子(简称少子)。,5 价杂质原子称为施主原子。,第四版童诗白,16,第四版童诗白,17,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度,即 p n。空穴为多数载流子,电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,第
10、四版童诗白,18,图 1.1.4 P 型半导体,受主原子,空穴,第四版童诗白,19,说明:,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度;温度决 定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体,因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,第四版童诗白,20,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层,称为 PN 结。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,1.1.3 PN结,
11、第四版童诗白,21,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结,耗尽层。,(动画1-3),第四版童诗白,22,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒; 内电场;内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,第四版童诗白,23,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加; 当扩散电流与漂移电流相等时,PN 结总的电流等于零,空间电荷区的宽度达到稳定
12、。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,第四版童诗白,24,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置,简称正偏。,图 1.1.6,第四版童诗白,25,在 PN 结加上一个很小的正向电压,即可得到较大的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时,外电场与内电场的方向一致,增强了内电场的作用;,外电场使空间电荷区变宽;,不利于扩散运动,有利于漂移运动,漂移电流大于扩散电流,电路中产生反向电流 I ;,由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。,第四版童诗白,26,图 1.1.
13、7 PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感, 随着温度升高, IS 将急剧增大。,第四版童诗白,27,当 PN 结正向偏置时,回路中将产生一个较大的正向电流, PN 结处于 导通状态; 当 PN 结反向偏置时,回路中反向电流非常小,几乎等于零, PN 结处于截止状态。,(动画1-4),(动画1-5),综上所述:,可见, PN 结具有单向导电性。,第四版童诗白,28,IS :反向饱和电流 UT :温度的电压当量 在常温(300 K)下, UT 26 mV,三、 PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,公式推导过程略,第四版童诗白,29,四、PN结
14、的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.1.10 PN结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,第四版童诗白,30,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时,PN 结中储存的电荷量将随之发生变化,使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,(b) PN 结加反向电压,第四版童诗白,31,空间电荷区的正负离子数目发生变化,如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示:,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化,因此势垒电容 C
15、b不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。, :半导体材料的介电比系数; S :结面积; l :耗尽层宽度。,第四版童诗白,32,2. 扩散电容 Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下,P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x = 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大,np (或 pn)会升高,如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时,扩散运动被削弱,扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时,变化载流子积累电荷量发生变化,相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。,图 1.1.12,第四版
16、童诗白,33,综上所述:,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小,通常为几个皮法 几十皮法, 有些结面积大的二极管可达几百皮法。,当反向偏置时,势垒电容起主要作用,可以认为 Cj Cb。,一般来说,当二极管正向偏置时,扩散电容起主要作用,即可以认为 Cj Cd;,在信号频率较高时,须考虑结电容的作用。,第四版童诗白,34,1.2 半导体二极管,在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型,图1.2.1二极管的几种外形,第四版童诗白,35,1 点接触型二极管,1.2.1半导体二极管的几种常见结
17、构,PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路。,第四版童诗白,36,3 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,2 面接触型二极管,PN结面积大,用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,4 二极管的代表符号,D,第四版童诗白,37,1.2.2二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压:0.5V 导通电压:0.7,一、伏安特性,开启电压:0.1V 导通电压:0.2V,第四版童诗白,38,二、温度对二极管伏安特性的影响,在环境温度升高时,二极管的正向特性将左移,反向特性将下移。,二极管
18、的特性对温度很敏感,具有负温度系数。,第四版童诗白,39,1.2.3 二极管的参数,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压U(BR)和最高反向工作电压URM,(3) 反向电流IR,(4) 最高工作频率fM,(5) 极间电容Cj,在实际应用中,应根据管子所用的场合,按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件,选择满足要求的二极管。,第四版童诗白,40,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,第四版童诗白,41,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,第四版童诗白,42,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线
19、化得到的等效电路,第四版童诗白,43,二、二极管的微变等效电路,二极管工作在正向特性的某一小范围内时,其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下(T=300K),图1.2.7二极管的微变等效电路,第四版童诗白,44,应用举例,二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,(硅二极管典型值),折线模型,(硅二极管典型值),设,第四版童诗白,45,1.2.5 稳压二极管,一、稳压管的伏安特性,(a)符号,(b)2CW17 伏安特性,DZ,第四版童诗白,46,(1) 稳定电压UZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。,rZ
20、=VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)温度系数VZ,二、稳压管的主要参数,第四版童诗白,47,稳压电路,正常稳压时 UO =UZ,# 不加R可以吗?,# 上述电路UI为正弦波,且幅值大于UZ , UO的波形是怎样的?,(1).设电源电压波动(负载不变),UI UOUZ IZ,UOUR IR ,(2).设负载变化(电源不变) IO P25例1.2.2,第四版童诗白,RL ,如电路参数变化?,48,例1:稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为:稳压值UZ=10V,Izmax=12mA,Izmin=2mA,负载电阻RL=
21、2k,输入电压ui=12V,限流电阻R=200 ,求iZ。 若负载电阻变化范围为1.5 k - 4 k ,是否还能稳压?,第四版童诗白,49,UZ=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5(mA) i= (ui - UZ)/R=(12-10)/0.2=10 (mA) iZ = i - iL=10-5=5 (mA) RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7(mA), iZ =10-6.7=3.3(mA) RL=4 k , iL=10/4=2.5(mA), iZ =10-2.5
22、=7.5(mA),负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间, 所以稳压管仍能起稳压作用,第四版童诗白,50,例2:稳压二极管的应用,解: ui和uo的波形如图所示,(UZ3V),第四版童诗白,51,一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode),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,特性,1.2.6其它类型的二极管,第四版童诗白,52,发光类型:,可见光:红、黄、绿,显示类型: 普通 LED ,,不可见光:红外光,点阵 LED,七段 LED ,第四版童诗白,53,二、光电二极管,符号和特性,符号,特性,工作原理:,
23、三、变容二极管 四、隧道二极管 五、肖特基二极管,无光照时,与普通二极管一样。 有光照时,分布在第三、四象限。,第四版童诗白,54,1.3 双极型晶体管(BJT),又称半导体三极管、晶体三极管,或简称晶体管。,(Bipolar Junction Transistor),三极管的外形如下图所示。,三极管有两种类型:NPN 型和 PNP 型。 主要以 NPN 型为例进行讨论。,图 1.3.1 三极管的外形,X:低频小功率管 D:低频大功率管,G:高频小功率管 A:高频大功率管,第四版童诗白,55,1.3.1 晶体管的结构及类型,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。,图1.3.2a 三极
24、管的结构,(a)平面型(NPN),(b)合金型(PNP),e 发射极,b基极,c 集电极。,发射区,集电区,基区,基区,发射区,集电区,第四版童诗白,56,图 1.3.2(b) 三极管结构示意图和符号 NPN 型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,基极 b,发射极 e,第四版童诗白,57,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 c,发射极 e,基极 b,第四版童诗白,58,1.3.2 晶体管的电流放大作用,以 NPN 型三极管为例讨论,三极管若实现放大,必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,第四版童诗白,59,三极管内部结构要求:,1. 发射区
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