模拟电路基础课件

走信息路，读北邮书北京邮电大学出版社电子电路基础林家儒编著北京邮电大学出版社目录第一章半导体器件基础第二章放大电路分析基础第三章放大电路的频率特性分析第四章场效应管放大电路特性分析第五章负反馈放大电路第六章功率放大电路第七章差动放大电路第八章运算放大器和电压比较器第九章正弦波振荡器第十章直流电源北京邮电大学出版社第一章半导体器件基础1.1半导体及其特性1.2PN结及其特性1.3半导体二极管1.4半导体三极管及其工作原理1.5三极管的共射特性曲线及主要参数北京邮电大学出版社1.1半导体及其特性1.1.1本征半导体及其特性定义：纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，称为本征半导体。晶体中的共价键具有很强的结合力，在常温下仅有极少数的价电子受热激发得到足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。北京邮电大学出版社1.1半导体及其特性运载电流的粒子称为载流子。在本征半导体中，自由电子和空穴都是载流子，这是半导体导电的特殊性质。半导体在受热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。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。北京邮电大学出版社1.1半导体及其特性1.1.2杂质半导体及其特性定义：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质元素的不同，可形成N（Negative）型半导体和P（Positive）型半导体。北京邮电大学出版社1.1半导体及其特性N型半导体：在本征半导体中掺入少量的五价元素，如磷、砷和钨，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，形成N型半导体。由于五价元素很容易贡献出一个电子，称之为施主杂质。北京邮电大学出版社1.1半导体及其特性在N型半导体中，由于掺入了五价元素，自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导体中导电以电子为主，故自由电子为多数流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为少子。由于杂质原子可以供电子，故称之为施主原子。北京邮电大学出版社1.1半导体及其特性P型半导体：在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼、铝和铟，使之取代一个四价元素在晶体中的位置，形成P型半导体。由于杂质原子中的空位吸收电子，故称之为受主杂质。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。北京邮电大学出版社1.2PN结及其特性1.2.1PN结的原理采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在一起，使这两种杂质半导体在接触处保持晶格连续，在它们的交界面就形成PN结。北京邮电大学出版社1.2PN结及其特性在PN结中，由于P区的空穴浓度远远高于N区，P区的空穴越过交界面向N区移动；同时N区的自由电子浓度也远远高于P区，N区的电子越过交界面向P区移动；在半导体物理中，将这种移动称作扩散运动空穴⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕P区N区负离子正离子自由电子图1-4aPN结载流子扩散运动北京邮电大学出版社1.2PN结及其特性扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，在PN结的交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，人们称此正负电荷区域为势垒区总的电位差称为势垒高度⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕P区N区势垒区图1-4bPN结势垒形成示意图图1-4cPN结势垒分布示意图势垒高度Ψx0北京邮电大学出版社1.2PN结及其特性在势垒区两侧半导体中的少数载流子，由于杂乱无章的运动而进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子作定向运动。少子在电场作用下的定向运动称作漂移运动。在无外电场和无其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡。北京邮电大学出版社1.2PN结及其特性1.2.2PN结的导电特性PN结外加正向电压时处于导通状态PN结外加反向电压时处于截止状态图1-5PN结加正向电压处于导通状态⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕P区N区势垒区VRI⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊝⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕P区N区势垒区图1-6PN结加反向电压处于截止状态VRIS北京邮电大学出版社1.3半导体二极管将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为正极，由N区引出的电极为负极一般来说，有三种方法来定量地分析一个电子器件的特性，即特性曲线图示法、解析式表示法和参数表示法二极管符号＋－北京邮电大学出版社1.3半导体二极管1.3.1二极管的特性曲线在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号UER表示。北京邮电大学出版社1.3半导体二极管反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子—空穴对。新产生的电子空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。北京邮电大学出版社1.3.2二极管特性的解析式理论分析得到二极管的伏安特性表达式为:式中IS为反向饱和电流，q为电子的电量，其值为1.602×10-19库仑；k是为玻耳兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K；T为绝对温度，在常温（20C）相当于K＝293K令则二极管的伏安特性表达式为：)1(kTquSeIimV26qkTUT)1(TUuSeIi北京邮电大学出版社1.3.3二极管的等效电阻直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9所示，在二极管的两端加直流电压UQ、产生直流电流IQ，此时直流等效电阻RD定义为交流等效电阻表示，在二极管直流工作点确定后，交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点Q一定，在二极管加有交流电压u，产生交流电流i，交流等效电阻rD定义为QQDIURQQDiudidur北京邮电大学出版社1.3.3二极管的等效电阻当二极管上的直流电压UD足够大时在常温情况下，二极管在直流工作点Q的交流等效电阻rD为)()mA()mV(26QQTDIIUrTQQUuSTQDUIeIUdudirT11北京邮电大学出版社1.3.3二极管的等效电阻图1-9(a)中的Q点，称为二极管的直流工作点，对应的直流电压UQ和直流电流IQ。当二极管的直流工作点Q确定后，直流等效电阻RD等于直线OQ斜率的倒数，RD值随工作点改变而发生变化北京邮电大学出版社1.3.4二极管的主要参数器件的参数是用以说明器件特性的数据。为了描述二极管的性能，通常引用以下几个主要参数:(1)最大整流电流IM：IM是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因为PN结的温度过高而烧坏。(2)反向击穿电压UBR：UBR是二极管反向电流明显增大，超过某个规定值时的反向电压。(3)反向电流IS：IS是二极管未击穿时的反向饱和电流。IS愈小，二极管的单向导电性愈好，IS对温度非常敏感。(4)最高工作频率fM：fM是二极管工作的上限频率。北京邮电大学出版社例1-1图10(a)是由理想二极管D组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压UD为0、反向击穿电压UBR为，设电路的输入电压ui如图10(b)所示，试画出输出uo的波形解：由二极管的单向导电特性，输入信号正半周时二极管导通，负半周截止，故输出uo的波形如右图所示。北京邮电大学出版社1.3.5稳压二极管稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内(或者说在一定的功率损耗范围内)，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。稳压管的伏安特性及符号北京邮电大学出版社1.3.5稳压二极管稳压管的主要参数:(1)稳定电压UZ：UZ是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。(2)稳定电流IZ：IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至不稳压。(3)最大稳定电流IZM|：稳压管的电流超过此值时，会因结温升过高而损坏。(4)动态电阻rD：rD是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比。rD愈小，稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子，rD将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子来说，工作电流愈大，rD愈小。北京邮电大学出版社例1-3图13是由稳压二极管DZ组成的电路，其稳压值为UZ。设电路的直流输入电压Ui，试讨论输出Uo的值。解：由戴维南电源等效定理，图13等效的等效定理如右图所示，其中当时，稳压管稳压，输出；当时，稳压管截止，输出。所以，时，输出；否则，。21212//RRRURRRUi＝、ZUUZUUZoUUUUoZiURRRU221ZoUUioURRRU212北京邮电大学出版社1.4半导体三极管及其工作原理1.4.1三极管的结构及符号北京邮电大学出版社1.4.1三极管的结构及符号发射区与基区间的PN结称为发射结（简称E结），基区与集电区间的PN结称为集电结（简称C结）。半导体三极管并不是简单地将两个PN结背靠背地连接起来。关键在于两个PN结连接处的半导体晶体要保持连续性，并且中间的基区面积很小且杂质浓度非常低；此外，发射区的掺杂浓度很高且面积比基区大得多，但比集电区小；集电区面积很大，掺杂浓度比基区高得多，但比发射区低得多。北京邮电大学出版社1.4.2三极管的电流放大原理放大电路的组成图所示的是由NPN型三极管组成的基本共射放大电路。ui为交流输入电压信号，它接入基极-发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极-发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。为了使三极管工作处在放大状态，在输入回路加基极直流电源VBB，在输出回路加集电极直流电源VCC，且VCC大于VBB，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。北京邮电大学出版社PNP型三极管组成的基本共射放大电路如图1-17所示。比较图1-17和图1-16可以看到，为了使三极管工作处在放大状态，要求发射结正向偏置、集电结反向偏置，为此在图1-17中，在输入回路所加基极直流电源VBB及输出回路所加集电极直流电源VCC反向了，相应的直流电流IB、IC和IE也都反向了，这也是NPN型和PNP型三极管符号中发射极指示方向不同的含义所在。对于交流信号，这两种电路没有任何区别北京邮电大学出版社1.4.2三极管的电流放大原理电流放大原理三极管的电流放大表现为小的基极电流变化，引起较大的集电极电流变化。北京邮电大学出版社当交流输入电压信号ui0时，直流电源VBB和VCC分别作用于放大电路的输入回路和输出回路，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。因为发射结加正向电压，并且大于发射结的开启电压，使发射结的势垒变窄，又因为发射区杂质浓度高，所以有大量自由电子因扩散运动源源不断地越过发射结到达基区，从而形成了发射极电流IE。由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，从发射区扩散到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，形成基极电流IB，由此可见IBIE。绝大部分从发射区扩散到基区的电子在电源VCC的作用下，克服集电结的阻力，越过集电结到达集电区，形成集电极电流IC。因此IBICIE。通过上面的分析得到，在输入回路中输入较小的电流IB，可以在输出回路得到较大的电流IC，也就是说电流放大了。当交流输入ui0为小信号时，因为此时