华中科技大学--模电PPT

《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学张林2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林32运算放大器2.1集成电路运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用4华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器1.集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.1集成运算放大器的内部结构框图本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。5华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器符号图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号－＋－＋(a)(b)1.集成电路运算放大器的内部组成单元6华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器通常：开环电压增益Avo的105（很高）输入电阻ri106Ω（很大）输出电阻ro100Ω（很小）vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）注意输入输出的相位关系放大：在输入信号控制下，放大电路将供电电源能量转换成为输出信号能量。7华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器当Avo(vP－vN)V＋时vO＝V＋当Avo(vP－vN)V-时vO＝V-电压传输特性vO＝f(vP－vN)8华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器线性范围内vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率当Avo(vP－vN)V＋时vO＝V＋当Avo(vP－vN)V-时vO＝V-电压传输特性vO＝f(vP－vN)9华中科技大学张林2.2理想运算放大器1.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－2.运放的开环电压增益很高若（vp－vn）＞0则vo=+Vom=V＋若（vp－vn）＜0则vo=–Vom=V－3.若V－voV＋则（vp－vn）04.输入电阻ri的阻值很高使ip≈0、in≈05.输出电阻很小，ro≈0理想：ri≈∞ro≈0Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)abvo/V＋Vom＝V＋－Vom＝V－(vp－vn)/mV0华中科技大学张林102.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路11华中科技大学张林2.3.1同相放大电路＋－voAvo(vp－vn)vp＋－vivid=0R1vn=viR2→＋－＋－iniR1i1nRRRivvip→vovpviR1vnR2＋＋－－＋－vid（a）电路图1.基本电路（b）小信号电路模型12华中科技大学张林2.3.1同相放大电路＋－voAvo(vp－vn)vp＋－vivid=0R1vn=viR2→＋－＋－iniR1i1nRRRivvip→2.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av根据虚短和虚断的概念有vp≈vn，ip＝-in＝0o2npivRRRvvv11所以12121io1RRRRRAvvv（可作为公式直接使用）13华中科技大学张林2.3.1同相放大电路＋－voAvo(vp－vn)vp＋－vivid=0R1R2→＋－＋－iniR1i1nRRRivvip→Ri→iivn（2）输入电阻Ri输入电阻定义iiiivR根据虚短和虚断有vi＝vp，ii＝ip≈0所以iiiivR（3）输出电阻RoRo→02.几项技术指标的近似计算14华中科技大学张林2.3.1同相放大电路vi=vpvnvo＝vn＋－＋－＋－3.电压跟随器根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vi1iovvvA（可作为公式直接使用）15华中科技大学张林－＋＋－vs＋－voRL信号负载100k1kvpvnipRsi＋－vo＋－RLvs信号负载100k1kRsi电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压sssLsLo01.011001vvvvRRR有电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断vo＝vn≈vp＝vs16华中科技大学张林2.3.2反相放大电路－＋R1vii2=i1R2voi1R1i2R2＋－vi＋－voii＝0vn≈vp＝0(a)(b)ii=0iiP虚短vnvpN＋O（a）电路图1.基本电路（b）由虚短引出虚地vn≈017华中科技大学张林2.3.2反相放大电路－＋R1vii2R2voiiiivnvp＋i12.几项技术指标的近似计算根据虚短和虚断的概念有vn≈vp＝0，ii＝0所以i1＝i212ioRRAvvv2on1niRRvvvv即（可作为公式直接使用）（1）电压增益Av18华中科技大学张林2.3.2反相放大电路（2）输入电阻Ri11ii1ii/RRiRvvv（3）输出电阻RoRo→0若信号源是非理想的电压信号源，采用哪种放大电路更好？同相放大电路反相放大电路2.几项技术指标的近似计算－＋R1vii2R2voiiiivnvp＋i119华中科技大学张林当R2R3时，（1）试证明Vs＝(R3R1/R2)Im解（1）根据虚短和虚断有Ii=0Vp=Vn=0例2.3.3直流毫伏表电路（2）R1＝R2＝150k，R3＝1k，输入信号电压Vs＝100mV时，通过毫伏表的电流Im(max)＝？所以I2=Is=Vs/R1R2和R3相当于并联，所以–I2R2=R3(I2-Im)得1s332mRVRRRI)(当R2R3时，Vs＝(R3R1/R2)Im（2）代入数据计算即可（指针偏转角度与Im是线性关系）华中科技大学张林202.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1求差电路2.4.2仪用放大器2.4.3求和电路2.4.4积分电路和微分电路21华中科技大学张林2.4.1求差电路＋－ipi2i3PNR2R3＋－R1R4voi1i4vpvnvi2vi1vi2－vi1in从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。4on1ni1RvvRvv3p2pi20RvRvvi114i2323141ovRRvRRRRRRv))((当,2314RRRR则)(i1i214ovvRRv若继续有,14RR则i1i2ovvv根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：pnvv22华中科技大学张林2.4.1求差电路从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv时2314RRRR)(i1i214ovvRRv增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）当＋－ipi2i3PNR2R3＋－R1R4voi1i4vpvnvi2vi1vi2－vi1in23华中科技大学张林2.4.1求差电路差模输入电阻时2314RRRR当i1i2idvvv＋－ipi2i3PNR2R3＋－R1R4voi1i4vpvnvidiniidiid＋－ipi2i3PNR2R3＋－R1R4voi1i4vpvnvi2vi1vi2－vi1in)]([-)(41ido32ididRRiRRivv2idpRiv4idonRivvnpvv21idididRRiRv此时有4132idiiiii输入电阻较小24华中科技大学张林2.4.1求差电路一种高输入电阻的差分电路如何提高输入电阻？+-i2i3PNR2R3R1R4voi1i4vpvnvi2vi1vi1＋－A1vi2＋－A2A325华中科技大学张林2.4.2仪用放大器－＋A1－＋A2－＋A3＋v1R1vR1＝v1－v2－v2R2R22Riv3－v4v3＋R3v4－R3R4R4voiR1vn3vp3in=0in=02Ri)21(123421ORRRRAvvvv26华中科技大学张林2.4.3求和电路－＋R2R3R1vi2vi1i2i1iii3vnvo1－＋RRvo－＋R2R3R1vi2vi1i2i1iii3vnvo1ni1-Rvv3on-Rvv根据虚短、虚断和N点的KCL得：2i231i13o-vRRvRRv321RRR若0pnvv2ni2-Rvv则有2i1io-vvv输出再接一级反相电路2i1iovvv可得（该电路也称为加法电路）27华中科技大学张林2.4.4积分电路和微分电路－＋i2C－＋iii1vIRvNvOvcR11.积分电路式中，负号表示vo与vi在相位上是相反的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得0pnvv0ii因此Rviii12电容器被充电，其充电电流为2i设电容器C的初始电压为零，则tRCtiCd1d1i2onvvvtvRCvd1io（积分运算）28华中科技大学张林2.4.4积分电路和微分电路vIOtVI(a)VItO－vOVom(b)当vi为阶跃电压时，有vo与t成线性关系tvRCvd1iotRCVitVi与一般RC电路相比该积分电路有何特点？CiviRvo1.积分电路－＋i2C－＋iii1vIRvNvOvcR129华中科技大学张林2.4.4积分电路和微分电路2.微分电路tvRCvddioend2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林33二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管华中科技大学张林43.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体3.1.4杂质半导体5华中科技大学张林3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。6华中科技大学张林3.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构7华中科技大学张林3.1.3本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对8华中科技大学张林3.1.4杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。9华中科技大学张林3.1.4杂质半导体1.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。10华中科技大学张林3.1.4杂质半导体2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。11华中科技大学张林3.1.4杂质半导体3.杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3华中科技大学张林123.2PN结的形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应13华中科技大学张林3.2