数字射频收发模块原理与设计-有源电子元器件

数字射频收发通信模块原理与设计----有源电子元器件2有源电子元器件的名称、分类、形状、用途一、有源（active）电子元器件的定义•如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。•从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：（1）自身消耗电能。（2）除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。3有源电子元器件的名称、分类、形状、用途二、有源（active）电子元器件的分类•有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。•分立器件：电子管、晶体管•集成电路：模拟集成电路、数字集成电路4分立器件：•电子管：电子管又名真空管，所以又称为电真空器件。•晶体管：属于半导体器件，导电能力介于导体与绝缘体之间。可分为二极管、三极管和场效应管等等。5晶体二极管一、半导体的导电特性1.概念⑴半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。⑵影响半导体导电能力的因素光照↑→导电能力↑如：光敏元件温度↑→导电能力↑如：热敏元件掺杂——纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，会使半导体的导电能力明显改变。掺杂↑→导电能力如：P型、N型半导体。6⑶常用的半导体材料锗Ge硅Si硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子32142-8-18-42-8-42.本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体sisisisi最外层八个电子的稳定结构共价键内的价电子对⑴共价键共价键结构稳定导电能力很弱SiGe价电子7⑵本征激发（热激发）sisisisi空穴自由电子自由电子本征激发成对产生空穴⑶两种载流子半导体中有自由电子和空穴两种载流子本征半导体两端外加电压时，将出现两部分电流，电子流和空穴流。⑷复合复合使自由电子和空穴成对减少在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。半导体中的载流子数目一定。温度升高、光照增强使价电子摆脱原子核的束缚自由电子与空穴相遇8多余电子3.杂质半导体⑴N型半导体（电子半导体）本征半导体中掺入微量的五价元素磷特点：多数载流子——自由电子少数载流子——空穴N型半导体++++++++示意图P+sisisi硅晶体中掺磷出现自由电子磷P152-8-5p9P型半导体－－－－－－－－示意图空穴⑵P型半导体（空穴半导体）特点：多数载流子——空穴少数载流子——自由电子本征半导体中掺入微量的三价元素硼B-sisisi硅晶体中掺硼出现空穴多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关.温度↑→少子↑结论：52-3硼BB10二、PN结同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处形成的特殊区域。1.PN结2.PN结的形成PNPN结P区和N区的载流子浓度不同由载流子的浓度差→多子扩散－－－－－－－－P++++++++NN区P区P区N区电子空穴正负离子显电性→建立空间电荷区→形成内电场i－－－－－－－－P++++++++N+-i自建电场11内电场i反对多子扩散有利少子漂移扩散=漂移动平衡→空间电荷区宽度确定→PN结形成PN结——空间电荷区PN结也称为高阻区、耗尽层－－P++NPN结+-i自建电场123.PN结的单向导电性⑴PN结正向导通现象：灯亮、电流大（mA级）原因：，使PN结变窄，由多数载流子形成较大的正向电流。oi结论：PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。PN结变窄-PNEmA+-+-oi+I13⑵PN结反向截止现象：灯不亮、电流很小（μA级）原因：、方向一致，使PN结变宽，由少数载流子形成很小的反向电流。oi结论：PN结反向截止，反向电流小、反向电阻大。PN结变宽-+PNEμ-++-oiA0反I0反I反R14三、半导体二极管1.基本结构及符号点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路如：整流电路D阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极点接触型面接触型外形符号15半导体二极管图片16半导体二极管图片172.伏安特性UBR——反向击穿电压⑴正向特性死区电压=0.1V（锗管）0.5V（硅管）UD=0.2~0.3V（锗管）0.6~0.7V（硅管）导通后管压降：⑵反向特性，二极管反向截止时，反反0BRIUU击穿急剧增加，二极管反向时，反反IUUBRUIo死区+--+UBRUD18UIoUBRUDC20ID⑶温度对二极管的影响①温度升高二极管正向压降减小温度↑→载流子↑→→导电能力↑→等效电阻↓→→正向压降UD↓②温度升高二极管反向电流增大温度↑→少数载流子↑→反向电流↑温度每升高10°C。反向电流增大一倍。C75DU193.主要参数（1）最大整流电流IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（点接触型几十mA，面接触型较大）（2）反向工作峰值电压URM二极管不被反向击穿时允许承受的最大反向电压。一般URM是UBR的一半（或三分之二）。（3）反向峰值电流IRM在URM下对应的反向电流。IRM愈小愈好。DDMDRMIIUU使用二极管，、。20四、二极管的应用理想二极管的开关特性正向导通反向截止+-0DU0DU开关闭合+-0DI0DI开关断开21四、二极管的应用1.限幅电路限幅器的功能就是限制输出电压的幅度例电路如图。已知ui=10sinωt（V），且E=5V，试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。5V10Voωtui（b）o5Vωtuo解：图(a)⑴ui＜E，D截止，uR=0，∴输出uo~uiEuiRD（a）uo电路为正限幅电路⑵ui＞E，D导通，uD=0，∴输出uo=E22例2.二极管整流作用uiRD（a）uouiRD（b）uo图示两个电路。已知ui=10sinωt（V），试画出输出电压uo的波形。解：⑴图(a)ui＞0，D导通，uo=0，ui＜0，D截止，uo~ui⑵图(b)ui＞0，D导通，uo=ui，ui＜0，D截止，uo=010Voωtui-10Voωtui10Voωtui23UAUB，DA先导通，DA起钳位作用，使UF=3V。FAB-12V0V+3VDARDBUB＜UF，DB截止，将UB与UF隔离DA、DB，为理想二极管3.二极管的钳位和隔离应用例电路中，输入端UA=+3V，UB=0V，试求输出端F的电位UF。解：244.二极管门电路UAUBUF0V0V0V0V3V0V3V0V0V3V3V3VF=A•B⑴二极管与门①分析规定高电平3V→逻辑“1”低电平0V→逻辑“0”②真值表ABF000010100111③逻辑表达式④逻辑符号FAB＆FD1D2AB+12VR25FD1D2AB-12VRUAUBUF0V0V0V0V3V3V3V0V3V3V3V3VF=A+B⑵二极管或门①分析规定高电平3V→逻辑“1”低电平0V→逻辑“0”②真值表ABF000011101111③逻辑表达式④逻辑符号FAB≥126五、特殊二极管（1）结构和符号1、稳压二极管UIUZminIZminIZmaxUZIZoaUZmaxb-+DZ符号面接触型硅二极管（2）伏安特性正向特性与普通硅二极管相同①未击穿区（oa段）I≈0，反向截止②击穿区（稳压区ab段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：ZZZIUr动态电阻愈小稳压效果愈好③热击穿区（b点以下线段）maxZZII过热烧坏PN结27③电压温度系数U①稳定电压UZ稳压管的稳压值②动态电阻越小，稳压越好；ZZZIUrZr温度变化1°C，稳压值变化的百分数。6V04V04V~6V0ZUZUZUUUU，；，；，④稳定电流IZ、最大稳定电流Izmax使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流Izmax⑤最大允许功耗PZM稳压管不发生热击穿的最大功率损耗maxZZZMIUP（3）稳压二极管的参数硅稳压管：28（1）符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置（2）主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高反向工作电压光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片2、光电二极管293、发光二极管当管子接正向电压,有电流通过时,会发出光线。不同半导体材料的二极管发出的光线的颜色不同。发光二极管用于信号指示、数码管显示器。发光二极管是一种将电能转换成光能的显示器件。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.9~1.1V，其正向工作电压为1.5~2.5V,工作电流为5~15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。符号+-磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。3031半导体（晶体）三极管（双极型晶体管）一、三极管结构及其放大作用B基极E发射极C集电极NPN型PNP型1.结构及类型NNP发射结集电结BECIBIEICTBECIBIEICTB基极E发射极C集电极PPN32半导体三极管图片33BECNNP基极发射极集电极基区：掺杂浓度最低并且很薄集电区：掺杂浓度较低发射区：掺杂浓度最高2.晶体管的放大原理（1）晶体管的电流放大条件①内部条件三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。34②外部条件发射结加上正向电压，集电结加上反向电压NNPBEC++－－BECT++－－UBEUBC即：NPN型0,0BCBEUUEBCUUU或PPNBEC－－++BECT－－++UBEUBCPNP型为：0,0BCBEUUCBEUUU或35（2）放大原理（NPN型）（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu扩散运动形成发射极电流IE，复合运动（主要部分）形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散36mAAmAIETRBIBECEBICRC+－－+共发射极放大实验电路IB(mA)00.020.040.060.080.1IC(mA)0.0050.992.083.174.265.40IE(mA)0.0051.012.123.234.345.50晶体管电流测试数据3.晶体管的电流分配关系37②IC、IEIB，IC与IB之比称为直流(静态)电流放大系数①IE=IC+IB（KCL定律）结论：，5204.008.2BCII8.5206.017.3BCII③ΔIC、ΔIEΔIB，ΔIC与ΔIB之比称为交流(动态)电流放大倍数5.5402.009.104.006.008.217.33B4B3C4CBCIIIIII；BCIIBE1II）（；；CE1II38二、晶体三极管特性曲线及主要参数ICmAAV1V2UCEUBERBIBECEB实验线路输入回路→输入特性IB=f（UBE）|UCE输出回路→输出特性IC=f（UCE）|IB39死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。令UCE=常数IB=f（UBE）1.输入特性工作压降：UBE0.6~0.7V,硅管UBE0.2~0.3V锗管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V0402.输出特性1234IC(mA)UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑴放大区BCII特征：电结反偏条件：发射结正偏、集EBCUUU当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。41此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑵截止区CCECEOCB00EUIII、、特征：电结反偏条件：发射结反偏、集BECUUUICEO4