二章電子技術基礎課件

第二章電子技術基礎

學會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在于應用。2.1

基本電子元件及其特性(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強2.1.1

半導體材料一、半導體及其特性半導體的導電性能介于導體與絕緣體之間。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。半導體的導電機理空穴溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。二、P型半導體和N型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在純半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。三、PN結多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)

1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.1.2

二極管一、基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于大功率整流和開關電路中。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型半導體二極管的結構和符號二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)符號D二、伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數(shù)。三、主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向導電性

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導通截止實際，正向管壓降硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例2：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––四、穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。2.1.3

三極管一、基本結構NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結集電結BECNNP基極發(fā)射極集電極結構特點：集電區(qū)：面積最大二、電流放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結正偏、集電結反偏

PNP發(fā)射結正偏

VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

2.三極管內部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。2.三極管內部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBE

ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE03.各電極電流關系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。三、特性曲線和主要參數(shù)即管子各電極電壓與電流的關系曲線，是管子內部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設計性能良好的電路重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.

輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。在放大區(qū)，發(fā)射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結處于反向偏置，集電結處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。3.主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當晶體管接成發(fā)射極電路時，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。4.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.

集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結溫約為150C，鍺管約為7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++–+–RL1.串聯(lián)電壓負反饋AuuFuu+–+–+–+–uoufuiud定義：2.2常用模擬電路2.2.1放大電路uf

削弱了凈輸入電壓(差值電壓)

——負反饋+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++–+–RL1.串聯(lián)電壓負反饋反饋電壓

ui

與

uf

串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋反饋信號取自輸出電壓u0電壓反饋——

反饋過程：uoufuduo電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用2.并聯(lián)電壓負反饋定義：uoRFuiR2R1++––++–RLiiidifAuiFiu+–+–uouiidiiif2.

并聯(lián)電壓負反饋i1if

iduoRFuiR2R1++––++–RL－設輸入電壓ui

為正，差值電流id=i1–

ifif削弱了凈輸入電流(差值電流)

——負反饋反饋電流取自輸出電壓——電壓反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較——并聯(lián)反饋

特點：輸入電阻低、輸出電阻低3.串聯(lián)電流負反饋定義：uouiR2RL+–++–ioR+–uf–+udAiuFui+–+–+–+–uoufuiudio3.串聯(lián)電流負反饋uouiR2RL+–++–ioR+–uf–+ud設輸入電壓ui

為正，差值電壓ud=ui

–

ufuf

削弱了凈輸入電壓(差值電壓)

——負反饋反饋電壓取自輸出電流——電流反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較

——串聯(lián)反饋uf=Rio特點：輸出電流io

與負載電阻RL無關

——同相輸入恒流源電路或電壓-電流變換電路4.并聯(lián)電流負反饋定義：RFR1uiR2RL+–++–ioRi1ifid－AiiFii+–uoio+–uiidiiif4.

并聯(lián)電流負反饋RFR1uiR2RL+–++–ioRi1ifid設輸入電壓ui

為正，差值電流id=i1–

ifif削弱了凈輸入電流(差值電流)——負反饋反饋電流取自輸出電流——電流反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較

——并聯(lián)反饋－運算放大器電路反饋類型的判別方法：

1.反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負載電阻RL的靠近“地”端引出的，是電流反饋；

2.輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端（同相和反相）上的，是串聯(lián)反饋；加在同一個輸入端（同相或反相）上的，是并聯(lián)反饋；

3.對串聯(lián)反饋，輸入信號和反饋信號的極性相同時，是負反饋；極性相反時，是正反饋；

4.對并聯(lián)反饋，凈輸入電流等于輸入電流和反饋電流之差時，是負反饋；否則是正反饋。。17.2.2負反饋對放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+1.

降低放大倍數(shù)負反饋使放大倍數(shù)下降。則有：(參見教材例題)同相，所以

AF是正實數(shù)負反饋時，

|1+AF|稱為反饋深度，其值愈大，負反饋作用愈強，Af也就愈小。射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負反饋。2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。放大倍數(shù)下降至1/(1+|AF|)倍，其穩(wěn)定性提高1+|AF|倍。若|AF|>>1，稱為深度負反饋，此時：在深度負反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關。例：|A|=300，|F|=0.01。3.

改善波形失真Auiufud加反饋前加反饋后uo大略小略大略小略大負反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，而不能完全消除失真。uoAF小接近正弦波正弦波ui4.展寬通頻帶引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加無負反饋有負反饋BWfBWf|Au|OBWfBWf|Au|O|A0||A0|5.

對輸入電阻的影響1)串聯(lián)負反饋無負反饋時：有負反饋時：使電路的輸入電阻提高uf+–~+–+–uduiri無負反饋時：有負反饋時：2)并聯(lián)負反饋使電路的輸入電阻降低if+–+–uiriiiid例：中頻放大倍數(shù)

|A0|=103，反饋系數(shù)

|F|=0.01在原上限、下限頻率處說明加入負反饋后，原上限、下限頻率仍在通頻帶內，即通頻帶加寬了。電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1)電壓負反饋使電路的輸出電阻降低2)電流負反饋使電路的輸出電阻提高6.對輸出電阻的影響1Su放大電路在無輸入信號的情況下，就能輸出一定頻率和幅值的交流信號的現(xiàn)象。開關合在“1”為無反饋放大電路。21Su開關合在“2”為有反饋放大電路，開關合在“2”時,，去掉ui

仍有穩(wěn)定的輸出。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。自激振蕩狀態(tài)22.2.2

振蕩電路1.自激振蕩2.自激振蕩的條件(1)幅度條件：(2)相位條件：n是整數(shù)

相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；

幅度條件表明反饋放大器要產生自激振蕩，還必須有足夠的反饋量(可以通過調整放大倍數(shù)A

或反饋系數(shù)F達到)。自激振蕩的條件3.起振及穩(wěn)幅振蕩的過程設：Uo

是振蕩電路輸出電壓的幅度，

B是要求達到的輸出電壓幅度。起振時Uo

0，達到穩(wěn)定振蕩時Uo

=B。起振過程中Uo

<B，要求AuF

>

1，穩(wěn)定振蕩時Uo

=B，要求AuF

=

1，從AuF

>

1到AuF

=

1，就是自激振蕩建立的過程?？墒馆敵鲭妷旱姆炔粩嘣龃?。使輸出電壓的幅度得以穩(wěn)定。起始信號的產生：在電源接通時，會在電路中激起一個微小的擾動信號，它是個非正弦信號，含有一系列頻率不同的正弦分量。4.正弦波振蕩電路的組成(1)放大電路:放大信號(2)反饋網絡:必須是正反饋，反饋信號即是

放大電路的輸入信號(3)選頻網絡:

保證輸出為單一頻率的正弦波

即使電路只在某一特定頻率下滿

足自激振蕩條件(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié):

使電路能從AuF

>1，過渡到

AuF

=1，從而達到穩(wěn)幅振蕩。正弦波振蕩電路用來產生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉換而來的。常用的正弦波振蕩器LC振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC振蕩電路:輸出功率小、頻率低。石英晶體振蕩電路：頻率穩(wěn)定度高。

應用：無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導體接近開關等。一、

RC振蕩電路RC選頻網絡正反饋網絡同相比例電路放大信號用正反饋信號uf作為輸入信號選出單一頻率的信號1.電路結構uf–+R++∞RFR1CRC–uO

–+2.RC串并聯(lián)選頻網絡的選頻特性傳輸系數(shù)：。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：僅當=o時，達最大值，且u2與u1同相，即網絡具有選頻特性，fo決定于RC。u1u2u2與u1波形相頻特性（f）fo幅頻特性ffo133.工作原理輸出電壓

uo

經正反饋（兼選頻）網絡分壓后，取uf

作為同相比例電路的輸入信號ui

。

(1)起振過程(2)穩(wěn)定振蕩

A

=

0，僅在f

0處F=

0滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率f

0=12RC。改變R、C可改變振蕩頻率RC振蕩電路的振蕩頻率一般在200KHz以下。(3)振蕩頻率

振蕩頻率由相位平衡條件決定。振蕩頻率的調整++∞RFRCC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R1改變開關K的位置可改變選頻網絡的電阻，實現(xiàn)頻率粗調；改變電容C的大小可實現(xiàn)頻率的細調。振蕩頻率（4）起振及穩(wěn)定振蕩的條件穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因為|F|=1/3，則考慮到起振條件AuF

>1,一般應選取RF

略大2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴重失真。

由運放構成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運放內部的晶體管進入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負反饋來達到穩(wěn)幅的目的。帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)