大连理工大学,机械工程学院,机械电子学第二章模拟电子

第二章模拟电子技术基础2.1.1半导体的基本知识2.1基本半导体元件受外界热和光的作用往纯净的半导体中掺入某些杂质本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。最多的半导体是硅和锗。导电能力明显变化N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），自由电子浓度远大于空穴浓度。因为多数载流子（多子）的自由电子带负电，所以成为N（Negative）型半导体。杂质半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），该型半导体中空穴是多子，电子是少子。因为多子的空穴带正电，所以成为P（Positive）型半导体。P型半导体在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。2.1.2PN结及半导体二极管PN结正向偏置：P区加正、N区加负电压PN结反向偏置：P区加负、N区加正电压将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。P区对应的称为阳极（或正极），N区对应的称为阴极（或负极）。阳极阴极伏安特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR二极管的应用是主要利用它的单向导电性，应用于整流、限幅、保护等场合。理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例(1)二极管半波整流2.1.3光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加2.1.4发光二极管(LED)有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。发光二极管的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6V~1.8V，绿色的约2V。2.1.5双极型晶体管（三极管）——BJTBipolarJunctionTransistorBECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极发射结集电结BECNPN型三极管BECPNP型三极管ICE与IBE之比称为（共射）电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区：UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0在模拟电路中，总是希望三极管工作在放大区，而在数字电路中，总是希望三极管工作在饱和导通区或截止区。2.1.5单极型晶体管（场效应管）——FETFieldEffectTransistor场效应管按其结构的不同可分为:结型场效应管(JFET)——JunctionFET绝缘栅型场效应管(IGFET或MOS)——InsulatedGateFETMetal-Oxide-Semiconductor场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，它仅靠半导体中的多数载流子导电，所以又称为单极型晶体管。温度稳定性好，阻抗高。NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS2.1.5.1结型场效应管:PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。ID特性曲线（以P沟道为例）UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线预夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVP输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线2.1.5.2绝缘栅场效应管:PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型N沟道耗尽型PNNGSD预埋了导电沟道GSDNPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导电沟道别名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。应用领域：•整流（交流直流）•逆变（直流交流）•变频（交流交流）•斩波（直流直流）此外还可作无触点开关等。2.2晶闸管（Thyristor）A（阳极）P1P2N1三个PN结N2四层半导体K（阴极）G（控制极）2.2.1工作原理符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK示意图APPNNNPGKigß1igß2ß1igKAGT1T2由二个三极管组成的电路等效1.若只加UAK正向电压，控制极不加触发电压，两三极管均不能导通，即晶闸管不通。导通过程2.当UAK0且UGK0时，晶闸管迅速导通。GKAT1T2ib1ic2ic1igib2T1放大T2放大Ig(Ib1)━→Ic1(β1*Ib1)━→Ib2━→Ic2(β１*β２*Ib１)晶闸管导通后，Ｕak(ＡＫ之间的压降很小)。不管Ｕgk存在与否,晶闸管仍将导通。3.晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；4.晶闸管截止的条件：晶闸管的A、K两极间加反向电压，或开始工作时就不加触发信号（即令UGK=0），晶闸管则不能导通；（1）（2）晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，致使晶闸管中的电流减小到维持电流（IH）以下，正反馈失效，晶闸管截止。tu2tuGtuLtuT：控制角：导通角u1u2uTuLAGKRLuG单相半波可控整流电路当系统处在深度调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生很大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管调速的设备在电网中所占的容量比重比较大，就会造成所谓的“电力公害”，在这种情况下，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAo国际符号国内符号2.3集成运放集成运算放大器的基本构成开环差模电压放大倍数Aod无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Aod为。2.3.2集成运放的主要性能指标差模输入信号：ui1=-ui2=ud（大小相等，极性相反）任意输入的信号:ui1,ui2，都可分解成差模分量和共模分量。差模分量:221iiduuu共模分量:221iicuuu共模抑制比(CMRR)例:Ad=-200Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR(dB)=(分贝)cdAAcdAAlog202.3.4电压传输特性运放工作在线性区时，Uo＝Aod(UP－UN)，由于开环电压放大倍数Aod很高，输入很小的信号也足以使输出电压饱和，另外干扰信号也会使输出难于稳定。所以，要使运算放大器稳定工作在线性区，必须引入深度负反馈。2.4电路中的负反馈若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。基本放大电路AodXoX反馈回路FfXiX+–111ooFfifddoooXXAXXXXXFAXX1ooAAF负反馈放大器的闭环放大倍数当AoF1时，当AoF1很大时（深度负反馈），负反馈放大器的闭环放大倍数与运放本身的开环差模放大倍数无关，只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。FAAAooF1FAF1oAir虚短路PNuu0iI虚开路2.5基本运算电路ri大:几十k几百kKCMRR很大ro小：几十几百Ao很大:104107理想运放：riKCMMRRro0Ao0uui1=i221RuRuoi21oiRuuRuo_++R2R1RPuii1i2虚短路虚开路2.5.2反相比例运算电路虚开路RP为平衡电阻RP=R1//R22.5.3同相比例运算电路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui12RuRuuiio21(1)oiRuuR虚短路虚开路虚开路_++uiuoiouuuu此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。2.5.4电压跟随器0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其它支路输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。2.5.5反相求和运算FPR//R//RR1211此电路如果以u+为输入，则输出为：uRRuFo)1(1-R1RF++ui1uoR21R22ui2222112121222122(1)()FoiiRRRuuuRRRRR注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。22221211222122iiuRRRuRRRu2.5.6同相求和运算22211R//RR//RFR2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6))((4433643RuRuR//R//Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii虚短路虚开路虚开路)(])111([44332211511122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio643521R//R//RR//R//R2.5.7单运放的加减运算电路643521R//R//RR//R//R_++R2R1R1ui2uoR2ui1uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器2.5.8双运放的加减运算电路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R625461213FFR//R//RR,R//R//RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5Vuo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k)5(5.0)5(20101iiouuu)5(5.020201ioouuu2.5.9三运放电路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+1iauu2ibuuWbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：)(21212iiWWouuRRRRRu•三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。•由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1–+AR2R2uo+例：由三运放放大器组成的温度测量电路。u