盛健模擬電子技術(shù)

九江學(xué)院電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室主講人：盛健TEL/p>

E-mail:a0511@126.com模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

FundamentalsofAnalogElectronics

童詩(shī)白、華成英主編1.本課程的性質(zhì)是一門技術(shù)基礎(chǔ)課2.特點(diǎn)

非純理論性課程

實(shí)踐性很強(qiáng)

以工程實(shí)踐的觀點(diǎn)來(lái)處理電路中的一些問(wèn)題3.研究?jī)?nèi)容以器件為基礎(chǔ)、以信號(hào)為主線，研究各種模擬電子電路的工作原理、特點(diǎn)及性能指標(biāo)等。4.教學(xué)目標(biāo)能夠?qū)σ话阈缘?、常用的電子電路進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)較簡(jiǎn)單的單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。緒論5.學(xué)習(xí)方法重點(diǎn)掌握基本概念、基本電路的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)方法。在實(shí)踐中完善知識(shí)體系的建立。6.成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)理論： 作業(yè)10% 中考10%考勤、提問(wèn)、課外讀書論文10%期終考試70%7.教學(xué)參考書康華光主編，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分第三版，高教出版社童詩(shī)白主編，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第二版，高教出版社陳大欽主編，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)答：例題?試題》，華工出版社前言課外閱讀教材：1.謝自美電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試華中理工大學(xué)出版社。2.畢滿清電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)機(jī)械工業(yè)出版社。3.高偉濤Pspice8.0電路設(shè)計(jì)實(shí)例精粹國(guó)防工業(yè)出版社。4.李東生Protel99SE電路設(shè)計(jì)技術(shù)入門電子工業(yè)出版社。5.劉君華虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言西安電子科技大學(xué)出版社。6.張易知虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)西安電子科技大學(xué)出版社。第四版華成英目錄1

常用半導(dǎo)體器件2基本放大電路3多級(jí)放大電路4集成運(yùn)算放大電路5放大電路的頻率響應(yīng)6放大電路中的反饋7信號(hào)的運(yùn)算和處理8波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換9功率放大電路10直流穩(wěn)壓電源第0章導(dǎo)言0.1電信號(hào)信號(hào)

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)0.2電子信息系統(tǒng)電子系統(tǒng)的組成電子信息系統(tǒng)中的模擬電路信號(hào)

信號(hào)：信號(hào)是反映消息的物理量（溫度，壓力，聲音），是消息的表現(xiàn)形式。電信號(hào)：隨時(shí)間而變化的電壓u或電流i，在數(shù)學(xué)描述上表示成時(shí)間t的函數(shù)，u=f(t)或i=f(t)。

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：時(shí)間和數(shù)值都是連續(xù)的物理量。數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和數(shù)值都是不連續(xù)的物理量。

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)正弦波信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)現(xiàn)代代電電子子系系統(tǒng)統(tǒng)的的組組成成模擬擬電電子子系系統(tǒng)統(tǒng)的的示示意意圖圖信號(hào)號(hào)的的提提取取信號(hào)號(hào)的的預(yù)預(yù)處處理理信號(hào)號(hào)的的加加工工信號(hào)號(hào)的的驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)與與執(zhí)執(zhí)行行A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換計(jì)算算機(jī)機(jī)或或其其它它數(shù)數(shù)字字系系統(tǒng)統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電子子信信息息系系統(tǒng)統(tǒng)中中的的模模擬擬電電路路在電電子子系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，常常用用的的模模擬擬電電路路及及功功能能：：1、、放放大大電電路路：：用用于于信信號(hào)號(hào)的的電電壓壓、、電電流流或或功功率率的的放放大大。。2、、濾濾波波電電路路：：用用于于信信號(hào)號(hào)的的提提取取、、變變換換等等。。3、、運(yùn)運(yùn)算算電電路路：：完完成成信信號(hào)號(hào)的的比比例例、、加加、、減減、、乘乘、、除除等等運(yùn)運(yùn)算算。。4、、信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電電路路：：如如把把電電壓壓信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成電電流流信信號(hào)號(hào)。。5、、信信號(hào)號(hào)發(fā)發(fā)生生電電路路：：用用于于產(chǎn)產(chǎn)生生正正弦弦波波、、三三角角波波等等波波形形。。6、、直直流流電電源源：：把把220V、、50HZ交交流流電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成不不同同輸輸出出電電壓壓和和電電流流的的直直流流電電。。第四四版版華華成成英英第一一章章常常用用半半導(dǎo)導(dǎo)體體器器件件1.1半導(dǎo)導(dǎo)體體基基礎(chǔ)礎(chǔ)知知識(shí)識(shí)1.2半導(dǎo)導(dǎo)體體二二極極管管1.3雙極極型型晶晶體體管管1.4場(chǎng)效效應(yīng)應(yīng)管管1.5單單結(jié)結(jié)晶晶體體管管和和晶晶閘閘管管1.6集集成成電電路路中中的的元元件件第四四版版華華成成英英本章章重重點(diǎn)點(diǎn)和和考考點(diǎn)點(diǎn)：：1.二二極極管管的的單單向向?qū)?dǎo)電電性性、、穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管的的原原理理。。2.三三極極管管的的電電流流放放大大原原理理，，如何判斷三極極管的管型、、管腳和管管材。3.場(chǎng)效應(yīng)管的分分類、工作原原理和特性曲曲線。第四版華成英英本章討論的問(wèn)問(wèn)題：2.空穴是一一種載流子嗎嗎？空穴導(dǎo)電電時(shí)電子運(yùn)動(dòng)動(dòng)嗎？3.什么是N型半導(dǎo)體？？什么是P型型半導(dǎo)體？當(dāng)二種半導(dǎo)體體制作在一起起時(shí)會(huì)產(chǎn)生什什么現(xiàn)象？4.PN結(jié)上上所加端電壓壓與電流符合合歐姆定律嗎嗎？它為什么么具有單向性性？在PN結(jié)結(jié)中加反向電電壓時(shí)真的沒(méi)沒(méi)有電流嗎？？5.晶體管是是通過(guò)什么方方式來(lái)控制集集電極電流的的？場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)管是通過(guò)什什么方式來(lái)控控制漏極電流流的？為什么么它們都可可以用于放大大？1.為什么采采用半導(dǎo)體材材料制作電子子器件？1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識(shí)1.1.1本本征半導(dǎo)導(dǎo)體純凈的具有晶晶體結(jié)構(gòu)的半半導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容容易導(dǎo)電的物物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎乎不導(dǎo)電，稱稱為絕緣體，如橡皮、陶陶瓷、塑料和和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)質(zhì)的導(dǎo)電特性性處于導(dǎo)體和和絕緣體之間間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、、砷化鎵和一一些硫化物、、氧化物等。。一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體體和絕緣體PNJunction半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不不同于其它物物質(zhì)，所以它它具有不同于于其它物質(zhì)的的特點(diǎn)。例如如：當(dāng)受外界熱和和光的作用時(shí)時(shí)，它的導(dǎo)電能力力明顯變化。。往純凈的半導(dǎo)導(dǎo)體中摻入某某些雜質(zhì)，會(huì)會(huì)使它的導(dǎo)電電能力明顯改改變。光敏器件二極管+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全純凈的、、不含其他雜雜質(zhì)且具有晶晶體結(jié)構(gòu)的半半導(dǎo)體稱為本本征半導(dǎo)體將硅或鍺材料料提純便形成成單晶體，它它的原子結(jié)構(gòu)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)結(jié)構(gòu)。價(jià)電子共價(jià)鍵圖1.1.1本征半半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示示意圖二、本征半導(dǎo)體體的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度T=0K時(shí)，半導(dǎo)導(dǎo)體不導(dǎo)電，，如同絕緣體體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半半導(dǎo)體中的自由電子和空空穴自由電子空穴若T，將有少數(shù)價(jià)價(jià)電子克服共共價(jià)鍵的束縛縛成為自由電子，在原來(lái)的共共價(jià)鍵中留下下一個(gè)空位———空穴。T自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具具有導(dǎo)電能力力，但很微弱弱。空穴可看成帶帶正電的載流流子。三、本征半導(dǎo)體體中的兩種載流流子（動(dòng)畫1-1）（動(dòng)畫1-2）四、本征半導(dǎo)體中中載流子的濃度度在一定溫度下下本征半導(dǎo)體中中載流子的濃度度是一定的，，并且自由電電子與空穴的的濃度相等。。本征半導(dǎo)體中中載流子的濃度度公式：T=300K室溫下,本征征硅的電子和和空穴濃度:n=p=1.43××1010/cm3本征鍺的電子子和空穴濃度度:n=p=2.38××1013/cm3ni=pi=K1T3/2e-EGO/(2KT)本征激發(fā)復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡1.半導(dǎo)體體中兩種載流流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半半導(dǎo)體中，自自由電子和空空穴總是成對(duì)對(duì)出現(xiàn)，稱稱為電子-空空穴對(duì)。3.本征半半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni=pi。4.由于物物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，，自由電子和和空穴不斷的的產(chǎn)生又不不斷的復(fù)復(fù)合。在一定的溫度度下，產(chǎn)生與與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)會(huì)達(dá)到到平衡，載流流子的濃度就就一定了。5.載流子子的濃度與溫溫度密切相關(guān)關(guān)，它隨著溫溫度的升高高，基本本按指數(shù)規(guī)律律增加。小結(jié)1.1.2雜雜質(zhì)半導(dǎo)體體雜質(zhì)半導(dǎo)體有有兩種N型半導(dǎo)體體P型半導(dǎo)體體一、N型型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶晶體中摻入少少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，如如磷、銻銻、砷等，即即構(gòu)成N型半導(dǎo)體體(或稱電子型半半導(dǎo)體)。常用的5價(jià)價(jià)雜質(zhì)元素素有磷、銻、、砷等。本征半導(dǎo)體摻摻入5價(jià)價(jià)元素后，原原來(lái)晶體中的的某些硅原子子將被雜質(zhì)原原子代替。雜雜質(zhì)原子最外外層有5個(gè)個(gè)價(jià)電子，，其中4個(gè)個(gè)與硅構(gòu)成成共價(jià)鍵，多多余一個(gè)電子子只受自身原子核吸引，在室溫溫下即可成為為自由電子。自由電子濃度度遠(yuǎn)大于空穴穴的濃度，即即n>>p。電子稱為多數(shù)數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子)，空穴稱為少數(shù)數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)。5價(jià)雜質(zhì)原原子稱為施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.3N型半導(dǎo)體二、P型型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的的晶體中摻摻入少量的的3價(jià)雜質(zhì)元素，，如硼、鎵鎵、銦等，，即構(gòu)成P型半導(dǎo)導(dǎo)體。+3空穴濃度多多于電子濃濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子子。3價(jià)雜質(zhì)質(zhì)原子稱為為受主原子。。受主原子空穴圖1.1.4P型半導(dǎo)導(dǎo)體說(shuō)明：1.摻入入雜質(zhì)的濃濃度決定多多數(shù)載流子子濃度；溫溫度決定少少數(shù)載流子子的濃度。。3.雜質(zhì)質(zhì)半導(dǎo)體總總體上保持持電中性。。4.雜質(zhì)質(zhì)半導(dǎo)體的的表示方法法如下圖所所示。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體體載流子的數(shù)數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于于本征半導(dǎo)導(dǎo)體，因而而其導(dǎo)電能能力大大改改善。(a)N型半導(dǎo)導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)導(dǎo)體圖雜質(zhì)質(zhì)半導(dǎo)體的的的簡(jiǎn)化表表示法在一塊半導(dǎo)導(dǎo)體單晶上上一側(cè)摻雜雜成為P型半導(dǎo)導(dǎo)體，另一一側(cè)摻雜成成為N型型半導(dǎo)體體，兩個(gè)區(qū)區(qū)域的交界界處就形成成了一個(gè)特特殊的薄層層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)圖PN結(jié)的形形成一、PN結(jié)結(jié)的形成成1.1.3PN結(jié)結(jié)PN結(jié)中中載流子的的運(yùn)動(dòng)耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)2.擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)形成成空間電荷荷區(qū)電子和空穴穴濃度差形形成多數(shù)載流子子的擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)?！狿N結(jié)，耗耗盡層。PN（動(dòng)畫1-3）3.空間間電荷區(qū)產(chǎn)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)Uho空間電荷區(qū)區(qū)正負(fù)離子之間電位差差Uho——電位壁壘；——內(nèi)電場(chǎng)；內(nèi)電場(chǎng)阻止止多子的擴(kuò)擴(kuò)散——阻擋層。4.漂移移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)有利利于少子運(yùn)運(yùn)動(dòng)—漂移。少子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)與多子運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向相相反阻擋層5.擴(kuò)散散與漂移的的動(dòng)態(tài)平衡衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷荷區(qū)增大，，擴(kuò)散電流流逐漸減小小；隨著內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)的增強(qiáng)，，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；；當(dāng)擴(kuò)散電流流與漂移電電流相等時(shí)時(shí)，PN結(jié)結(jié)總的電電流等于零零，空間電電荷區(qū)的寬寬度達(dá)到穩(wěn)穩(wěn)定。對(duì)稱結(jié)即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與與漂移運(yùn)動(dòng)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)態(tài)平衡。PN不對(duì)稱結(jié)二、PN結(jié)的單單向?qū)щ娦孕?.PN結(jié)外加正向電電壓時(shí)處于于導(dǎo)通狀態(tài)態(tài)又稱正向偏偏置，簡(jiǎn)稱稱正偏。外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。圖1.1.6PN在PN結(jié)結(jié)加上一一個(gè)很小的的正向電壓壓，即可得得到較大的的正向電流流，為防止止電流過(guò)大大，可接入入電阻R。2.PN結(jié)外加反向電電壓時(shí)處于于截止?fàn)顟B(tài)態(tài)(反偏)反向接法時(shí)時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)內(nèi)電場(chǎng)的方方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)內(nèi)電場(chǎng)的作作用；外電場(chǎng)使空空間電荷區(qū)區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散散運(yùn)動(dòng)，有有利于漂移移運(yùn)動(dòng)，漂漂移電流大大于擴(kuò)散電電流，電路路中產(chǎn)生反反向電流I；由于少數(shù)載流流子濃度很低低，反向電流流數(shù)值非常小小。耗盡層圖1.1.7PN結(jié)結(jié)加反相電電壓時(shí)截止反向電流又稱稱反向飽和電流流。對(duì)溫度十分敏敏感，隨著溫度升高高，IS將急劇增大。PN外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向VRIS當(dāng)PN結(jié)結(jié)正向偏置時(shí)時(shí)，回路中將將產(chǎn)生一個(gè)較較大的正向電電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)結(jié)反向偏置時(shí)時(shí)，回路中反反向電流非常常小，幾乎等等于零，PN結(jié)處于于截止?fàn)顟B(tài)。（動(dòng)畫1-4）（動(dòng)畫1-5）綜上所述：可見(jiàn)，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。IS：反向飽和電電流UT：溫度的電壓壓當(dāng)量在常溫(300K)下，UT26mV三、PN結(jié)結(jié)的電流方方程PN結(jié)所加端端電壓u與流流過(guò)的電流i的關(guān)系為公式推導(dǎo)過(guò)程程略四、PN結(jié)的的伏安特性i=f(u)之間的關(guān)系曲曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性圖1.1.10PN結(jié)的伏安特特性反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿五、PN結(jié)的的電容效應(yīng)當(dāng)PN上的電電壓發(fā)生變化化時(shí)，PN結(jié)結(jié)中儲(chǔ)存的的電荷量將將隨之發(fā)生生變化，使PN結(jié)具有電電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括括兩部分勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容1.勢(shì)壘壘電容Cb是由PN結(jié)結(jié)的空間電電荷區(qū)變化形形成的。(a)PN結(jié)加正正向電壓（b)PN結(jié)加反反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV空間電荷區(qū)的的正負(fù)離子數(shù)數(shù)目發(fā)生變化化，如同電容容的放電和充充電過(guò)程。勢(shì)壘電容的大大小可用下式式表示：由于PN結(jié)寬度l隨外加電壓u而變化，因此此勢(shì)壘電容Cb不是一個(gè)常數(shù)數(shù)。其Cb=f(U)曲線如圖示。。：半導(dǎo)體材料料的介