模拟电子技术(清华大学)课件

电子技术前进绪论模拟部分数字部分（点击进入有关部分）电子技术退出绪论返回电子技术发展简史电子技术的应用电子技术课程安排前进退出I.电子技术发展史电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。自1906年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。返回前进I.电子技术发展史电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。1906年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。1.原始通信方式——人力、烽火台等2.横木通信机——1791年（法）C.Chappe3.有线电报——1837年（美）S.B.Morse4.有线电话——1875年（苏）A.G.Bell5.无线电收发报机——1895年（意）G.Marconi通信业务蓬勃发展——电子器件产生之后。一.通信技术的发展•电子器件是按照“电子管——晶体管——集成电路”的顺序，逐步发展起来的。二.电子器件的产生电子管晶体管集成电路1.真空电子管的发明：真空二极管——1904年（美）Fleming真空三极管——1906年（美）LeedeForest2.晶体管的产生晶体管Transistor——1947（美）Shockley、Bardeen、Brattain集成电路IC(integratecircuit)——1959（美）Kilby、Noyis二.电子器件的产生3.集成电路的出现集成电路的出现，标志着人类进入了微电子时代。•自电子器件出现至今，电子技术已经应用到了社会的各个领域。II.电子技术的应用返回前进II.电子技术的应用1875年（苏）1906年（美）1925年（美、英）1946年（美）1923年（瑞）1902年（美）1901年（美）1934年（俄）Internet互联网1990年（美）1992年（中）VCD1983年（美）1961年（美）III.课程安排一.内容划分模拟部分器件：二极管、三极管、场效应管放大器：基本放大器、反馈放大器差动放大器、功率放大器集成电路：集成运算放大器电源：交流电源（振荡器）、直流电源（稳压电源）无线电：无线电知识、收音机数字部分逻辑代数无线电：无线电知识、收音机逻辑门电路：基本门、复合门组合逻辑电路：编码器、译码器、选择器比较器、加法器脉冲：脉冲变换、脉冲产生返回前进二.时间安排学习时间——1学年上半年：模拟部分下半年：数字部分三.学习注意事项课程特点电路图多、内容分散、误差较大计算简单、实用性强学习方法掌握电路的构成原则、记住几个典型电路及时总结及练习、掌握近似原则、与实验有机结合第一编模拟部分返回第一章半导体器件第二章基本放大电路第三章放大电路的频率特性第四章集成运算放大器第五章负反馈放大器第六章信号运算电路第七章波形发生电路第八章功率放大电路第九章直流电源前进退出第一章半导体器件半导体材料、由半导体构成的PN结、二极管结构特性、三极管结构特性及场效应管结构特性。本章主要内容：返回前进1.1半导体（Semiconductor）导电特性根据导电性质把物质分为导体、绝缘体、半导体三大类。而半导体又分为本征半导体、杂质（掺杂）半导体两种。1.1.1本征半导体纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材料有两种：硅（Si）、锗（Ge）。硅Si（锗Ge）的原子结构如下：这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构。但在外界激励下，产生电子—空穴对（本征激发），呈现导体的性质。这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。但在外界激励下，产生电子—空穴对（本征激发），呈现导体的性质。这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。在外界激励下，产生电子—空穴对（本征激发）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。在外界激励下，产生电子—空穴对（本征激发）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。在外界激励下，产生电子—空穴对（本征激发）。空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。半导体内部存在两种载流子（可导电的自由电荷）：电子（负电荷）、空穴（正电荷）。在本征半导体中，本征激发产生了电子—空穴对，同时存在电子—空穴对的复合。电子浓度=空穴浓度ni=pi1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入少量的其他特定元素（称为杂质）而形成的半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体。常用的杂质材料有5价元素磷P和3价元素硼B。N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子（简称少子）。n≥pN型半导体主要靠电子导电。一.N型半导体（电子型半导体）掺如非金属杂质磷P的半导体。每掺入一个磷原子就相当于向半导体内部注入一个自由电子。P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流子（简称少子）。p≥nP型半导体主要靠空穴导电。二.P型半导体（空穴型半导体）掺如非金属杂质硼B的半导体。每掺入一个硼原子就相当于向半导体内部注入一个空穴。杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。杂质半导体的简化表示法1.2半导体二极管（Diode）二极管的主要结构是PN结。1.2.1PN结（PNJunction）将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。一.PN结的形成多子扩散（在PN结合部形成内电场EI）。内电场阻碍多子扩散、利于少子漂移。当扩散与漂移相对平衡，形成PN结。PN结别名：耗尽层、势垒区、电位壁垒、阻挡层、内电场、空间电荷区等。二.PN结性质——单向导电性1.正向导通PN结外加正向电压（正向偏置）——P接+、N接-，形成较大正向电流（正向电阻较小）。如3mA。2.反向截止PN结外加反向电压（反向偏置）——P接-、N接+，形成较小反向电流（反向电阻较大）。如10μA。二.PN结性质——单向导电性正偏电压U=0.7V（Si管）0.2V（Ge管当电压超过某个值（约零点几伏），全部少子参与导电，形成“反向饱和电流IS”。反偏电压最高可达几千伏。1.2.2二极管用外壳将PN结封闭，引出2根极线，就构成了二极管。一．二极管伏安特性正向电流较大（正向电阻较小），反向电流较小（反向电阻较大）。门限电压（死区电压）Vγ(Si管约为0.5V、Ge管约为0.1V)，反向击穿电压VBR（可高达几千伏）二极管电压电流方程：二．二极管主要参数1.最大整流电流IF2.最高反向工作电压UR3.反向电流IR4.最高工作频率fM由三块半导体构成，分为NPN型和PNP型两种。三极管含有3极、2结、3区。其中发射区高掺杂，基区较薄且低掺杂，集电区一般掺杂。1.3三极管（Transistor）1.3.1三极管结构及符号1.3三极管（Transistor）1.3.2三极管的三种接法（三种组态）三极管在放大电路中有三种接法：共发射极、共基极、共集电极。1.3三极管（Transistor）1.3.3三极管内部载流子传输下面以共发射极NPN管为例分析三极管内部载流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、集电结反偏。1.3.3三极管内部载流子传输一.发射区向基区发射载流子(电子)IENIBN1.3.3三极管内部载流子传输一.发射区向基区发射载流子(电子)二.电子在基区的疏运输运和复合IBIEICBOICICNIBN1.3.3三极管内部载流子传输一.发射区向基区发射载流子(电子)二.电子在基区的疏运输运和复合三.集电区收集电子1.3.4三极管各极电流关系一.各极电流关系IE=IEN+IBN≈IENIB=IBN－ICBOIC=ICN+ICBOIE=IC+IB二.电流控制作用β=ICN/IBN≈IC/IBIC=βIB+(1+β)ICBO=βIB+ICEO≈βICα=ICN/IEN≈IC/IEIC=αIE+ICBO≈αIE1.3.5共射NPN三极管伏安特性曲线一.输入特性曲线IB=f(UBE，UCE)实际测试时如下进行：IB=f(UBE)|UCEUCE＞5V的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。1.3.5共射NPN三极管伏安特性曲线二.输出特性曲线IC=f(IB，UCE)实际测试时如此进行：IC=f(UCE)|IB1.3.5共射NPN三极管伏安特性曲线二.输出特性曲线IC=f(IB，UCE)实际测试时如下进行：IC=f(UCE)|IB发射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在放大区(处于放大状态)，有放大作用：IC=βIB+ICEO两结均反偏时，三极管工作在截至区(处于截止状态)，无放大作用。IE=IC=ICEO≈0发射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在饱和区(处于饱和状态)，无放大作用。IE=IC（较大）1.3.6三极管主要参数一.电流放大系数1.共发射极电流放大系数直流β≈IC/IB交流β≈ΔIC/ΔIB均用β表示。2.共基极电流放大系数直流α≈IC/IE交流α≈ΔIC/ΔIE均用α表示。二.反向饱和电流1.集电极—基极间反向饱和电流ICBO2.集电极—发射极间穿透电流ICEOICEO=(1+β)ICBOβ=α/(1－α)α=β/(1+β)1.3.6三极管主要参数一.电流放大系数β≈IC/IBα≈IC/IEβ=α/(1－α)α=β/(1+β)二.反向饱和电流ICBOICEOICEO=(1+β)ICBO三.极限参数1.集电极最大允许电流ICM2.集电极最大允许功耗PCM3.反向击穿电压U(BR)CEO、U(BR)CBO三极管的安全工作区1.4场效应管（FieldEffectTransistor）场效应管是单极性管子，其输入PN结处于反偏或绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性强、便于集成等优点。场效应管是电压控制器件，既利用栅源电压控制漏极电流（iD=gmuGS）——这一点与三级管（电流控制器件,基极电流控制集电极电流,iC=βiB）不同，而栅极电流iD为0（因为输入电阻很大）。场效应管分为两大类:结型场效应管（JFET——JunctionFieldEffectTransistor）、绝缘栅型场效应管（IGFET——InsulatedGateFieldEffectTransistor）。1.4.1结型场效应管一.结构及符号N沟道管靠（单一载流子）电子导电，P沟道管靠（单一载流子）空穴导电。场效应管的栅极G、源极S和漏极D与三级管的基极b、发射极e和集电极c相对应。1.4.1结型场效应管二.工作原理（栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用）以N沟道管为例。漏源之间的PN结必须反偏。N沟道结型场效应管加上反偏的栅源电压UGS(UGS＜0)，在漏源之间加上漏源电压UDS(UDS＞0)，便形成漏极电流ID。而且UGS可控制ID。1.4.1结型场效应管二.工作原理（栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用）1.当VGS=0时，沟道最宽,沟道电阻最小，加上VDS可形成最大的ID；2.当VGS＜0时，沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐变大，ID逐渐减小；3.当VGS=VP(夹断电压)时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，ID=0。所以，栅源电压VGS对漏极电流ID有控制作用。1.4.1结型场效应管三.JFET特性曲线VGS=0时,随着VDS的增大,沟道变化情况如下:加上VGS，沟道会进一步变窄。1.4.2结型场效应管三.JFET特性曲线1.转移