電子電路3華中科技大學(xué) 電子基地培訓(xùn)ppt.ppt

1、電子電路：設(shè)計(jì)與應(yīng)用，曲，2元件及其模型，2.1元件2.2半導(dǎo)體二極管2.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4雙極結(jié)型晶體管2.5集成電路的制造工藝和電路特性。從概念上講，實(shí)用電路是由電阻、電容、電感、傳感器、開關(guān)、真空管、晶體管、集成電路和其他按照一定原理相互連接的元件組成的。其中，各種真空管、晶體管和集成電路可以將電源能量轉(zhuǎn)換成信號(hào)能量，根據(jù)傳統(tǒng)概念，這些被稱為器件。雖然晶體二極管不能將電源能量轉(zhuǎn)換成信號(hào)能量，但它們通常被稱為器件。其余的統(tǒng)稱為組件。在研究電子電路時(shí)，我們必須首先建立電路中元件的物理模型，然后應(yīng)用電路的定律和定理將電路問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題(數(shù)學(xué)模型)，從而可以求解電路的各種參數(shù)。2組件及其模

2、型，2.1.1電路分析中的組件，2.1.2實(shí)際組件和電路，2.1組件，2.1.1電路分析中的組件，抽象組件，理論組件，1?；驹⒐┠茉?、耗能元件、儲(chǔ)能元件。能量供應(yīng)元件，無源元件，理想電壓2。電源元件，實(shí)際電源的模型，vS，iS，Rs可以是時(shí)變的，線性的或非線性的，2.1.1電路分析中的元件，2。電源元件，受控電源，電壓控制的電壓源，電流控制的電流源，電壓控制的電流源，2.1.1電路分析中的元件，受控電源僅代表有源器件等效電路中的電源元件，但實(shí)際上代表一種轉(zhuǎn)換關(guān)系，通常表示有源器件將電源能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)能量的能力。2.1.1電路分析中的元件和3。理想的無源元件。電阻r、電感l(wèi)和電容c是電路

3、分析中的無源元件。理想情況下，電阻、電感和電容應(yīng)該是線性、雙向和時(shí)不變的集總參數(shù)元件。線性元件的參數(shù)與流經(jīng)它的電流或施加到它的電壓無關(guān)。雙向元件的參數(shù)與電壓極性或電流方向無關(guān)。時(shí)不變分量的參數(shù)不隨時(shí)間變化，與激勵(lì)信號(hào)的特性無關(guān)，不受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。集總參數(shù)元件中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)(即電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量)集中在一個(gè)點(diǎn)上，這是一個(gè)單參數(shù)元件，參數(shù)不隨空間位置變化。對(duì)于集總參數(shù)元件組成的電路，可以列出有限階線性常微分方程，然后求解電路。1。指揮2。電阻器3。電容器4。電感線圈，2.1.2實(shí)際元件和電路，2.1.2實(shí)際元件和電路，1。導(dǎo)體、實(shí)際導(dǎo)體的等效電路以及導(dǎo)體中電感的存在是影響電路特性的最

4、重要因素。即使在低頻時(shí)，一定長度導(dǎo)體的電感也可能大于電阻。這些電感連同電路元件參數(shù)可能導(dǎo)致不應(yīng)耦合的信號(hào)的饋通甚至諧振，并導(dǎo)致模擬電路的自振蕩或數(shù)字電路的邏輯錯(cuò)誤。特別是模擬電路偶爾出現(xiàn)的不穩(wěn)定和數(shù)字系統(tǒng)極低概率的錯(cuò)誤會(huì)給故障排除帶來很大困難。2.1.2實(shí)際元件和電路，1。導(dǎo)線，直徑為d的直導(dǎo)線位于遠(yuǎn)離參考平面h的位置，其外部電感為，公式中假設(shè)為h1.5d。由于空間磁導(dǎo)率=410-7H/m，導(dǎo)線電感的近似計(jì)算，2.1.2實(shí)際元件和電路，1。當(dāng)工作頻率較高時(shí)，由于導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，電流傾向于在導(dǎo)線表面流動(dòng)。這種效應(yīng)被稱為皮膚效應(yīng)。頻率越高，皮膚效果越強(qiáng)。高頻集膚效應(yīng)減小了導(dǎo)線的有效導(dǎo)電截面積

5、，從而增加了導(dǎo)線的電阻。對(duì)于圓形截面的銅線，交流電阻RAC和DC電阻RDC具有以下近似關(guān)系：導(dǎo)線電阻R、集膚效應(yīng)、其中D為導(dǎo)線直徑，單位為毫米，F(xiàn)為頻率。當(dāng)，2.1.2實(shí)際組件和電路，2。電阻器，實(shí)際電阻器的等效電路，2.1.2實(shí)際元件和電路，2。在高頻應(yīng)用和大電阻的情況下，電阻必須考慮電阻本身的電容并聯(lián)效應(yīng)。例如，0805型貼片薄膜電阻器，兩個(gè)電極之間的電容為0.25pF，在100千赫時(shí)容抗僅為約6.37米。此時(shí)，當(dāng)使用電阻高于100 k的電阻時(shí)，必須考慮容抗的影響。作為放大器的負(fù)反饋電阻，它會(huì)降低放大器的帶寬。2.1.2實(shí)際組件和電路，2。電阻，表2.1.2 1m和1/2W碳電阻在不同頻率

6、下測(cè)量的阻抗，2 . 1 . 2實(shí)際元件和電路，3。電容器，實(shí)際電容器的等效電路，電容器通常根據(jù)絕緣介質(zhì)材料分類。不同類型的電容器在模型中有不同的制造工藝、不同的結(jié)構(gòu)和不同的等效參數(shù)。某種類型的電容器只能用于特定的目的，沒有一種電容器是普遍適用的。2.1.2實(shí)際組件和電路，3。電容器，電路的工作頻率是選擇電容器類型的主要依據(jù)之一。電容器的等效電感和純電容形成諧振電路，該電路將在某一頻率諧振，該頻率通常是電容器的理論最大工作頻率。在這個(gè)頻率以上，整個(gè)電容器呈現(xiàn)感抗。在應(yīng)用中，由于外部電路的存在，實(shí)際工作頻率要低得多。0.1F紙電容器阻抗-頻率特性測(cè)試曲線，不同類型電容器的近似適用頻率范圍，2.1

7、.2實(shí)際元件和電路，3。電容器，電容器選擇的第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是容量精度和穩(wěn)定性。不同的電路對(duì)此有不同的要求。旁路、功率濾波電路和DC阻斷電路對(duì)電容器容量精度和穩(wěn)定性的要求較低。然而，振蕩器、諧振電路、具有特定時(shí)間常數(shù)的積分器、具有頻率帶寬的濾波器以及其他電路具有更高的要求，甚至有時(shí)要求相當(dāng)高。2.1.2實(shí)際組件和電路，3。電容器，按電介質(zhì)分類，電解電容器，鉭電解電容器，鋁電解電容器，金屬化紙電介質(zhì)和聚酯電介質(zhì)電容器，聚苯乙烯電容器，瓷介電容器，云母電容器，2.1.2實(shí)際元件和電路，3。電容器，(1)電解電容器電解電容器是一種具有極化特性的電容器。使用時(shí)，必須根據(jù)電路中正負(fù)電壓極性連接，并有一定的額定

8、電壓。電路中的工作電壓一般不應(yīng)超過額定電壓的80%，否則會(huì)影響電解電容器的使用壽命。電解電容器的反極性會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電介質(zhì)迅速膨脹甚至爆炸，這在安裝電路時(shí)需要特別注意。非極性電容器可以通過將兩個(gè)相等值的電解電容器以相反極性串聯(lián)而形成。其總電容是每個(gè)電容的一半，其額定電壓僅等于單個(gè)電容的標(biāo)稱值。在DC阻斷電路和通過交流信號(hào)的電路中可能需要這種連接，在這些電路中電壓的極性無法確定。電解電容器的容量一般在10-1104之間。它們常用于工頻電源整流后的濾波電路，也可用于低頻旁路和交流信號(hào)耦合。電解電容器的容量不容易精確制造，并且通常具有大的容差。通常的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是保持正誤差較大，負(fù)誤差較小，如80%和-20

9、%。上述應(yīng)用通常歡迎這種公差安排。鋁電解電容器的兩個(gè)電極之間用填充有糊狀電解液的紙作為介質(zhì)，因此具有較大的電容體積比。其串聯(lián)電阻R1約為0.11，并隨著頻率的增加或環(huán)境溫度的降低而增加。-40的串聯(lián)電阻是25的10，100倍，溫度和容量的穩(wěn)定性極差。當(dāng)它們正常工作時(shí)，它們的并聯(lián)電阻R2約為M量級(jí)，但長期不通電的電容器通常只有幾百k。如果極性顛倒，即使很小的反向電壓也會(huì)迅速降低它們的并聯(lián)電阻。外圍設(shè)備它不采用纏繞工藝，介質(zhì)干燥，所以不需要像鋁電解電容器那樣在密封部位留小孔。鉭電解電容器在所有類型的電容器中具有最大的電容體積比，并且具有比鋁電解電容器小得多的等效電感，因此它們可以應(yīng)用于稍高的頻率。

10、此外，在使用壽命、溫度特性和抗振性方面，它比鋁電解電容器具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。然而，應(yīng)該特別注意的是，鉭電解電容器的故障模式通常是短路，這比開路的故障模式危險(xiǎn)得多。由于電容器短路可能會(huì)對(duì)其他電路造成更嚴(yán)重的損壞，所以在確定額定電壓時(shí)必須留有余地。在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮鉭電容短路可能造成的危害及預(yù)防措施。(2)金屬化紙介質(zhì)電容器和聚酯介質(zhì)電容器金屬化紙介質(zhì)電容器和金屬化聚酯薄膜介質(zhì)電容器都是繞線結(jié)構(gòu)，所以電感較大，但近年來金屬化聚酯薄膜介質(zhì)電容器也有疊層結(jié)構(gòu)，大大降低了電感。這種電容器的等效串聯(lián)電阻R1和等效并聯(lián)電阻R2比電解電容器小得多，電容體積比也比電解電容器低。容量范圍從100 pF到幾

11、個(gè)f，有許多品種。它們的溫度穩(wěn)定性不是很高，適用于濾波、耦合、旁路、噪聲抑制和時(shí)序控制，在低于MHz的頻率下具有較低的精度和穩(wěn)定性要求。幾種金屬化紙介質(zhì)電容器和金屬化聚酯薄膜介質(zhì)電容器具有良好的擊穿自愈性能。即使在多次瞬間高壓擊穿后，電介質(zhì)仍能恢復(fù)絕緣，保持良好的電容特性，并在電路中具有更高的使用壽命和可靠性。它們可用于DC或交流電路中的接觸保護(hù)和瞬時(shí)高壓抑制。2.1.2實(shí)用組件和電路3。電容器3。聚苯乙烯電容器聚苯乙烯電容器實(shí)際上是薄膜電容器，具有極低的等效串聯(lián)電阻、極穩(wěn)定的電容頻率特性和高溫穩(wěn)定性，是最接近理想狀態(tài)的電容器。其容量范圍從幾pF到f，某些種類的聚苯乙烯電容器的適用頻率可高達(dá)數(shù)

12、百M(fèi)Hz。與其他介質(zhì)相比，聚苯乙烯介質(zhì)具有最小的充電“粘度”，特別適用于雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的積分電容。當(dāng)積分電荷接近零時(shí)，電壓對(duì)電荷增量的線性增加可以保持，如圖中的實(shí)線所示，其他介質(zhì)電容器沒有初始積分誤差，如圖中的虛線所示。這一寶貴特性可以保證二重積分模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。2.1.2實(shí)際組件和電路，3。電容器，(4)陶瓷電容器陶瓷電容器有很多種，每一種的介電特性都有很大不同，但共同的特點(diǎn)是串聯(lián)電感L和串聯(lián)電阻R1小，價(jià)格低。其中，高k陶瓷電容器具有較大的電容-體積比，但其高頻介電損耗很大，溫度系數(shù)很大，電容-頻率特性不穩(wěn)定，因此只能在10MHz以下的電路中用作旁路、耦合和功率濾波器。它不適用于對(duì)

13、電容精度和介電常數(shù)要求較高的諧振電路或有源濾波電路。該電容的電容范圍在0.05至0.05 nF之間。高頻陶瓷電容器是一種幾乎理想的電容器，它具有較低的高頻介電損耗和對(duì)時(shí)間、溫度和電壓的高容量穩(wěn)定性。然而，它們的容量范圍很小，一般低于1 000pF。該電容的適用頻率范圍高達(dá)千兆赫，可用作高頻LC諧振、耦合、旁路、濾波、鑒頻等電路。，2.1.2實(shí)際元件和電路，3 .電容器，2.1.2實(shí)際元件和電路，3 .電容器，顯示KEMET公司的幾種多層陶瓷貼片電容器的特性，2.1.2實(shí)際元件和電路，3 .電容器，表2.1.4陶瓷電容器的自諧振頻率，2.1.2穿芯電容器加引線的實(shí)際元件和等效電路，普通電容器加引

14、線的等效電，2.1.2實(shí)際元件和電路，3 .電容器、電解電容器和陶瓷介質(zhì)電容器的并聯(lián)，2 實(shí)際電感線圈的等效電路，r代表線圈中的能量損耗，包括繞組電阻損耗(銅損耗)和磁芯中的渦流。由于L和C的作用，在某一頻率點(diǎn)可能形成并聯(lián)諧振，這決定了電感可以工作的最高頻率。 2.1.2實(shí)際組件和電路，4。電感線圈，電感線圈的磁場(chǎng)，2.1.2實(shí)際元件和電路，4。電感線圈是兩個(gè)不想相互干擾的電感，必須盡可能遠(yuǎn)離并相互垂直地放置在電路中，以盡量減少磁通量軸向通過彼此的線圈。更常見的是，電感線圈被屏蔽，它們的電場(chǎng)和磁場(chǎng)被限制在有限的空間內(nèi)。由低電阻率的銅或鋁制成的屏蔽體(有時(shí)表面需要鍍銀)可以有效地抑制電場(chǎng)并阻止高

15、頻交變磁力線通過，因?yàn)榻蛔兇艌?chǎng)會(huì)在屏蔽體上產(chǎn)生渦流并消耗輻射功率。在無線電中，接收外部射頻信號(hào)的天線線圈和本振線圈總是相互垂直放置，而本振線圈和兩個(gè)中頻諧振線圈分別被屏蔽在銅屏蔽殼中，屏蔽殼應(yīng)與參考地線良好連接。這是防止多個(gè)感應(yīng)線圈相互耦合的典型示例。在低頻時(shí)，需要使用高磁導(dǎo)率的材料作為屏蔽來抑制磁場(chǎng)，避免外部雜散磁場(chǎng)的干擾。坡膜合金是一種優(yōu)良的低頻高磁導(dǎo)率材料。2.2半導(dǎo)體二極管，2.2.1半導(dǎo)體二極管的主要特性，2.2.2二極管的建模，2.2.3特殊性能二極管，2.2.1半導(dǎo)體二極管的主要特性，1。伏安特性，2.2.1半導(dǎo)體二極管的主要特性，1。伏安特性，2。獲得了兩個(gè)不同電流ID1和ID

16、2的比值，并且可以通過在等號(hào)兩側(cè)取對(duì)數(shù)來獲得VD1-VD22.3VTlg(ID1/ID2)。當(dāng)ID1/ID2=10時(shí)，VD1-VD22.3VT，即當(dāng)=1時(shí)VD1-VD260mV，當(dāng)=2時(shí)VD1-VD2120mV。在工程中，vD和iD之間的關(guān)系可以用大約0.1V/(10iD)來估計(jì)。反向飽和電流對(duì)決定了二極管的實(shí)際伏安特性，無論二極管是正向工作還是反向工作，伏安特性都與反向飽和電流成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，如大功率二極管的正向電流特性和反向漏電流特性，二極管和三極管的簡化建模和溫度特性，以及現(xiàn)代大規(guī)模集成電路中納米級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作特性，都與信息系統(tǒng)特性密切相關(guān)。2.2.1半導(dǎo)體二極管的主要特性，

17、2。特性，其中a是PN結(jié)的橫截面積；q是電子電荷；Ni是本征半導(dǎo)體中的載流子濃度，即每cm3體積中自由電子和空穴的總量；Dp和Dn是N型半導(dǎo)體中空穴和P型半導(dǎo)體中電子的擴(kuò)散系數(shù)，即PN結(jié)兩側(cè)少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)。P和N是N和P區(qū)域中不平衡少數(shù)載流子的壽命，即少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合的平均時(shí)間。釹和鈉分別是氮區(qū)和磷區(qū)的摻雜濃度、氮區(qū)的施主原子濃度和磷區(qū)的受主原子濃度。顯然，方程右側(cè)的其他參數(shù)與半導(dǎo)體材料、物理結(jié)構(gòu)和制造工藝直接相關(guān)，除了常數(shù)Q，而ni是一個(gè)強(qiáng)烈依賴于溫度的函數(shù)。結(jié)論：(1)胰島素抵抗是一種強(qiáng)烈依賴于溫度的功能。結(jié)論：(2)電流強(qiáng)度與PN結(jié)的截面積成正比，因此可以通過增加截面積來增加正向電流而不