模拟电子技术基础

模拟电子技术基础第一讲绪论第一讲绪论一、电子技术的发展二、模拟信号与模拟电路三、“模拟电子技术基础”课程的特点四、如何学习这门课程五、课程的目的六、考查方法一、电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上:•1947年贝尔实验室制成第一只晶体管•1958年集成电路•1969年大规模集成电路•1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！二、模拟信号与模拟电路1.信号：是反映消息的物理量信息需要借助于某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。电信号是指随时间而变化的电压u或电流i，记作u=f(t)或i=f(t)。如温度、压力、流量，自然界的声音信号等等，因而信号是消息的表现形式。2.电信号由于非电的物理量很容易转换成电信号，而且电信号又容易传送和控制，因此电信号成为应用最为广泛的信号。二、模拟信号与模拟电路3.电子电路中信号的分类模拟信号对应任意时间值t均有确定的函数值u或i，并且u或i的幅值是连续取值的，即在时间和数值上均具有连续性。数字信号在时间和数值上均具有离散性，u或i的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间；且它们的数值是一个最小量值的整数倍，当其值小于最小量值时信号将毫无意义。大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。4.模拟电路模拟电路：对模拟量进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大。放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。有源元件：能够控制能量的元件。二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路5.“模拟电子技术基础”课程的内容半导体器件。处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能：各种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、电源电路等等。模拟电路的分析方法。不同的电子电路在电子系统中的作用。三、“模拟电子技术基础”课程的特点1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。电子电路的定量分析称为“估算”。近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。电子电路归根结底是电路。估算不同的参数需采用不同的模型，可用电路的基本理论分析电子电路。三、“模拟电子技术基础”课程的特点2.实践性实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的目标，因而要掌握以下方法：常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法四、如何学习这门课程1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。2.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。3.注意电路中常用定理在电子电路中的应用五、课程的目的1.掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识。六、考查方法1.会看：定性分析2.会算：定量计算清华大学华成英[e-mail]考查分析问题的能力3.会选：电路形式、器件、参数4.会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA考查解决问题的能力－－设计能力考查解决问题的能力－－实践能力综合应用所学知识的能力第二讲半导体基础知识第二讲半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。1、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？2、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。二、杂质半导体1.N型半导体5磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？2.P型半导体3硼（B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性四、PN结的电容效应清华大学华成英[e-mail]1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！第三讲半导体二极管第三讲半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大二、二极管的伏安特性及电流方程二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA)(ufi开启电压反向饱和电流击穿电压mV)26()1e(TSTUIiUu常温下温度的电压当量从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性。，则若反向电压；，则若正向电压STSTTeIiUuIiUuUu)1e(TSUuIi2.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线三、二极管的等效电路1.将伏安特性折线化理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！三、二极管的等效电路DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流2.微变等效电路四、二极管的主要参数•最大整流电流IF：最大平均值•最大反向工作电压UR：最大瞬时值•反向电流IR：即IS•最高工作频率fM：因PN结有电容效应结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。扩散路程中电荷的积累与释放空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放五、稳压二极管1.伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。2.主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ/ΔIZ讨论一判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断二极管工作状态的方法？讨论二1.V＝2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？2.若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？V较小时应实测伏安特性，用图解法求ID。QIDV＝5V时，mA5.21A)2000.75(DDRUVIV=10V时，mA50A)20010(DRVIDQTDDdIUiuruD=V-iR讨论二清华大学华成英[e-mail]＝2V，ID≈2.6mAdidDQTDDdrUIIUiur，0.5mAmA)105(10)6.226(ddIr，V＝5V，ID≈21.5mA4.1mAmA)21.15(21.1)5.2126(ddIr，V＝10V，ID≈50mA9.6mAmA)52.05(52.0)5026(ddIr，在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！第四讲晶体三极管第四讲晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数一、晶体管的结构和符号多子浓度高多子浓度很低，且很薄面积大晶体管有三个极、三个区、两个PN结。小功率管中功率管大功率管为什么有孔？二、晶体管的放大原理（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•电流分配：IE＝IB＋ICIE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(1IIiiII穿透电流集电结反向电流直流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？三、晶体管的共射输入特性和输出特性CE)(BEBUufi为什么UCE增大曲线右移？对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。为什么像PN结的伏安特性？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？1.输入特性2.输出特性B)(CECIufiβ是常数吗？什么是理想晶体管？