模擬電子線路一單元課件

課程概述電子線路：指包含電子器件，并能對電信號實(shí)現(xiàn)某種處理的功能電路。電路組成：電子器件+外圍電路電子器件：二極管、場效應(yīng)管、集成電路。外圍電路：直流電源、電阻、電容、電流源電路等。第1章晶體二極管1.0概述1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識1.2PN結(jié)1.3晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應(yīng)用概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：單方向?qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。

晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核晶體二極管硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價鍵1.1.1本征半導(dǎo)體晶體二極管在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。當(dāng)原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。當(dāng)鄰近原子中的價電子不斷填補(bǔ)這些空位時形成一種運(yùn)動，該運(yùn)動可等效地看作是空穴的運(yùn)動。注意：空穴運(yùn)動方向與價電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子空穴的運(yùn)動空穴—帶正電溫度一定時：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動態(tài)平衡。熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性

在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。

P型半導(dǎo)體(動畫)+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價元素構(gòu)成。在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。1.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運(yùn)動稱漂移運(yùn)動，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓：V=E

l電流：I=SJt+-V長度l截面積S電場EI電阻：電導(dǎo)率：載流子在濃度差作用下的運(yùn)動稱擴(kuò)散運(yùn)動，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：擴(kuò)散與擴(kuò)散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p01.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:1.2.1動態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過程(動畫)內(nèi)建電位差：室溫時鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V阻擋層寬度：注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內(nèi)建電位差VB越大，阻擋層寬度l0越小。－－－－++++RE一、PN結(jié)正向偏置(動畫)內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場

El0-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無關(guān)。溫度T電流IR結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。二、PN結(jié)反向偏置(動畫)－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE

PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：熱電壓26mV(室溫)其中：IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時：反偏時：

PN結(jié)——伏安特性曲線IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時IR很小(IR-IS)反向R很大PN結(jié)截止。溫度每升高10℃，IS約增加一倍。溫度每升高1℃，VD(on)約減小2.5mV。O1.2.3PN結(jié)的擊穿特性|V反|

=V(BR)時，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(l0較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因：碰撞電離。V(BR)IDV形成原因：場致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(l0較窄)外加反向電壓較小(<6V)O因?yàn)門

載流子運(yùn)動的平均自由路程V(BR)。擊穿電壓的溫度特性雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。因?yàn)門

價電子獲得的能量V(BR)。穩(wěn)壓二極管利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO穩(wěn)壓仿真1.2.4PN結(jié)的電容特性勢壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。勢壘電容CT

擴(kuò)散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N

PN結(jié)電容

PN結(jié)反偏時，CT>>CD，則Cj

CTPN結(jié)總電容：Cj=CT+CD

PN結(jié)正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時，以CD為主。故：PN結(jié)反偏時，以CT為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。1.3晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個PN結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：便于計算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡化電路模型交流小信號電路模型電路分析時采用的1.3.1晶體二極管的模型數(shù)學(xué)模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常時：n1I過小或過大時：n

2rS—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對及表面漏電流的影響，實(shí)際IS

理想IS。

晶體二極管曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS當(dāng)V>VD(on)時二極管導(dǎo)通當(dāng)V<VD(on)時二極管截止當(dāng)反向電壓V

V(BR)時二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實(shí)測得到。簡化電路模型折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分?，?shí)際二極管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略時，二極管的伏安特性和電路符號。開關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時的伏安特性。簡化電路模型：折線等效時，二極管的簡化電路模型。小信號電路模型rsrjCjIVQrs：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。rj：為二極管增量結(jié)電阻。Cj：PN結(jié)結(jié)電容，由CD和CT兩部分構(gòu)成。注意：高頻電路中，需考慮Cj影響。因高頻工作時，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴駽j的交流旁路作用而變差。圖解法分析二極管電路主要采用：圖解法、簡化分析法、小信號等效電路法。(重點(diǎn)掌握簡化分析法)寫出管外電路直流負(fù)載線方程。1.3.2晶體二極管電路分析方法利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：作直流負(fù)載線。分析直流工作點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：直觀。既可分析直流，也可分析交流。例1已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫出直流負(fù)載線方程：V=VDD

-

IR在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：VDDVDD/R連接兩點(diǎn)，畫出直流負(fù)載線。VQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交點(diǎn)(VQ

,

IQ)，即為Q

點(diǎn)。簡化分析法即將電路中二極管用簡化電路模型代替，利用所得到的簡化電路進(jìn)行分析、求解。將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。

晶體二極管例2設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)圖(b)，假設(shè)D1、D2開路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，則D2優(yōu)先導(dǎo)通。此時VD1

=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。(2)畫輸出信號波形方法根據(jù)輸入信號大小判斷二極管的導(dǎo)通與截止找出vo與vi關(guān)系畫輸出信號波形。例3設(shè)二極管是理想的，vi

=6sint(V)，試畫vo波形。解：vi>2V時，D導(dǎo)通，則vO=vivi

2V時，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26小信號分析法即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用得到的小信號等效電路分析電壓或電流的變化量。分析步驟：將直流電源短路，畫交流通路。用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。利用小信號等效電路分析電壓與電流的變化量。1.4晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖：(動畫)電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivotvitv1tv2tv3tvo

晶體二極管整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時，D導(dǎo)通，則vO=vi當(dāng)vi

0V時，D截止，則vO=0V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)了半波整流(動畫)

。

若輸入信號為正弦波：

平均值：

VOtOvitOvOVimVim橋式整流電路的仿真整流后的波形VD1開路,整流后的波形半波穩(wěn)壓電路某原因VOIZI限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在IZmin~IZmax之間穩(wěn)壓原理：

VOVRVO=VZ輸出電壓：D+-+-RRLILVIVOIZI1.4.2限幅電路(或削波電路)V2<vi

<V1時，D1、D2截止，vo=vitOvitOvoVi

V1時，D1導(dǎo)通、D2截止，vo=V1

Vi

V2時，D2導(dǎo)通、D1截止，vo=-V2

由此

，電路實(shí)現(xiàn)雙向限幅功能。vovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1為上限幅電平，V2為下限幅電平。V1-V2-V2V1補(bǔ):半導(dǎo)體器件的種類及發(fā)展１、種類：

二極管、三極管、場效應(yīng)管、集成