华科模拟电子技术第三章ppt课件.ppt

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1、模拟电子技术基础,电子教案 V2013,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2013年3月7日,2,课程内容与学时安排,第1章 绪论 (2h),第2章 半导体二极管及其应用电路 (4h),第3章 半导体三极管及其放大电路基础 (15h),第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础 (4h),第5章 信号运算电路 (5h),第6章 负反馈放大电路 (6h),第7章 信号处理与产生电路 (4h),第8章 场效应管及其放大电路 (4h),48学时,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,2个器件,BJT,FET,关键词核心内容,1个电路 放大电路,三极管,集成运放,完美

2、的放大电路,模 拟 电 子 技 术,重点章,介绍放大的基本概念,分立元件分立元件电路(放大) 构成规律和分析方法,线索-不断完善放大性能,(读图-741),集成运放实现放大的条件,集成运放的应用模电的常用功能电路,复习、机动 (2h),清明、五一 (2h),3,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.2 半导体二极管,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN

3、结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？,4,2.1 PN结的基本知识,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1.2 杂质半导体,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.1.4 PN结电容,半导体: 导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的2个特点,1、本征 容易受环境因素影响 (温度、光照等),2、掺杂 可以显著提高导电能力,原子结构简化模型,问题1：

4、二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,5,图2.1.1 本征半导体的共价键结构,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1 PN结的基本知识,1. 本征半导体, 完全纯净、结构完整的半导体晶体。,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,原子结构简化模型,2. 本征激发,6,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1 PN结的基本知识,2. 本征激发,温度,光照,本征激发,自由电子,空位,自由电子,空位,空位：带正电荷； 可自由移动； 靠相邻共价键中的价电子依次充填空位来实现的。 取名为：空穴,温度 载流子浓度,载流子: 自由移动带电粒子,复合本征激发的逆过程,7,图2.1.3 N型半

5、导体的共价键结构,2.1.2 杂质半导体,2.1 PN结的基本知识,图2.1.4 P型半导体的共价键结构,1. N型半导体,掺入少量的五价元素磷P,2. P型半导体,掺入少量的三价元素硼B,自由电子是多数载流子（简称多子）空穴是少数载流子（简称少子）,空穴是多数载流子自由电子为少数载流子。,空间电荷,8,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,9,2.1 PN结的基本知识,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1.2 杂质半导体,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.1.4 PN结电容,半导体:

6、导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的2个特点,1、本征 容易受环境因素影响 (温度、光照等),2、掺杂 可以显著提高导电能力,原子结构简化模型,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,10,(1)浓度差多子的扩散运动 复合,(2)复合空间电荷区内电场,(3)内电场少子的漂移运动 阻止多子的扩散,(4)扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步 (动画),2.1.3 PN结及其单向导电性,1. PN结的形成,空间电荷区=PN结,11,因为

7、浓度差,多子的扩散运动,在P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区中缺少多子，所以也称耗尽层。,复合,杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,问题？ 当动态平衡被外电场打破后，会如何？,2.1.3 PN结及其单向导电性,1. PN结的形成,12,2. PN结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散 漂移 有正向扩散电流 (多子 电流较大) 低电阻 正向导通,漂移 扩散 反向漂移电流 (少子电流

8、很小的) 高电阻 反向截止,2.1.3 PN结及其单向导电性,内电场,内电场,13,图2.1.8 PN结伏安特性,3. PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性 （击穿电压）,倍增效应,雪崩击穿,齐纳击穿,2.1.3 PN结及其单向导电性,PN结(二极管)特性描述方法,陡峭电阻小正向导通,特性平坦反向截止温度一定，由本征激发产生的少子浓度一定,反向击穿,PN结方程（理论计算仿真）,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量(26mV),曲线（对应图解法）,齐纳二极管、稳压二极管,14,图2.1.10 扩散电容效应,(1) 势垒电容CB,(2) 扩散电容CD,2.1.4 PN结电容,2.

9、1 PN结的基本知识,用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应,多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素,图2.1.9 势垒电容与外加电压关系,15,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.2 半导体二极管,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本

10、要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？, 其他特性击穿特性。结电容 描述PN结方程、伏安特性曲线。, 原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性,16,2.2 半导体二极管,2.2.1 二极管的结构,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,PN结加上引线和封装 二极管,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,17,点接触型,面接触型,平面型,2.2.1 二极管的结构,18,图2.2.2 硅二极管的2CP10的伏安特性 图2.2.3 锗二极管2

11、AP15的伏安特性,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2 半导体二极管,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（锗）,注意,1. 死区电压（门坎电压）,2. 反向饱和电流 (好)硅：0.1A；锗：10A,3. PN结方程（近似）,19,图2.2.4 温度对二极管特性曲线的影响示意图,温度对二极管特性的影响,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2 半导体二极管,温度升高时 :,正向特性曲线向左移动,温度1，正向压降22.5mV,反向特性曲线向下移动,温度 10，反向电流 一倍,20,1. 最大整流电流IF,2. 最高反向工作电压VRM,3. 反向电流IR

12、,4. 极间电容Cd,5. 最高工作频率fM,2.2.3 二极管的主要参数,2.2 半导体二极管,图2.2.3 锗二极管2AP15的伏安特性,IF,VRM,VBR,IR,极限,直流,交流,21,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.2 半导体二极管,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V

13、-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？, 其他特性击穿特性。结电容、温度特性 描述PN结方程、伏安特性曲线。, 原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性, 安全2个极限参数,22,2.2.4 二极管模型,2.2 半导体二极管,图2.2.2 硅二极管的伏安特性,对于非线性器件，分析方法有：,非线性分析方法 （PN结方程，比较复杂）,根据不同的工作条件和要求，在分析精度允许的条件下，采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性。 大信号模型、小信号模型,图解分析方法

14、（麻烦、直观）,等效电路分析方法 （转换为线性）,图2.2.5 理想模型,图2.2.6 恒压降模型,图2.2.7 折线模型,图2.2.8 小信号模型,23,(1) 二极管电路的分析概述,应用电路举例,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通:vO = vI - vD,D截止:vO = 0,D导通:vO = vD,D截止:vO = vI,左图,中图,显然，vO 与 vI 的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,vO 0,vO vD,右图,vO vD+ VREF,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,24,

15、二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,25,(2) 二极管电路的直流分析,例1: 2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止

16、,反偏: D反向击穿,iD IF ？,ID = 0, VD = -10V,vD = ？iD = ？,(a) 图解分析法,代数法列方程求解：,线性 , 非线性,线性(KVL): vD = VI - iD R,联立求解，可得VD、ID,静态工作点Q,图解法直线与伏安特性的交点,关键 画直线,又称为负载线,26,(2) 二极管电路的直流分析,例1: 2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏: D反向击穿,iD IF ？,ID = 0, VD = -10V,vD = ？iD = ？,(

17、a) 图解分析法,线性 , 非线性,线性(KVL): vD = VI - iD R,图(a)：(0V，1mA) (1V，0.9mA),图(b)：(0V，20mA) (1V，19mA),图(c)：(0V，-1mA) (-10V，0mA),图(c)：(0V，-10mA) (-100V，0mA),线性(KVL): vD = -VI - iD R,27,二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确

18、定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,28,(b) 等效电路(模型)分析法,理想模型,折线模型,恒压降模型,(2) 二极管电路的直流分析,注意, 理想模型： VD=Von=Vth=0，Ron=0(短路),Vth 死区电压（门坎电压）, 恒压降模型： VD=Von=Vth=0.7(硅)、0.2(锗)，Ron=0(短路), 折线模型： Vth=0.5(硅)、0.1(锗)，Ron=rD，VD=Vth + iDrD, 当VDVth时D截止： Roff= (开路、断路),29,(b) 等效电

19、路(模型)分析法,例2:（例1(a)）求VD、ID。,（R=10k）,（a）VDD=10V 时,（b）VDD=1V 时,VDD,理想模型,恒压模型,折线模型,理想模型,恒压模型,折线模型,30,(2) 二极管电路的直流分析,例1: 2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏: D反向击穿,iD IF ？,ID = 0, VD = -10V,vD = ？iD = ？,线性 , 非线性,假设D截止（开路）求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,通常采用恒压降模型,分析

20、方法小结,VD =0.7V; ID =0.93mA,VD =0.7V; ID =19.3mA,31,习题2.4.4 试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?,图题2.4.4(a),例2:,习题2.4.3 电路如下图所示，判断D的状态,二极管状态判断,1V,2.5V,+1V_,32,二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2:

21、 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,分析采用大信号模型,理想模型,恒压降模型,33,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,应用电路举例,整流限幅,D导通:vO = vI - vD,D截止:vO = 0,D导通:vO = vD,D截止:vO = vI,左图,中图,vO 0,vO vD,右图,vO vD+ VREF,图2.2.6 恒压降模型,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,线性(KVL): vD = VI - iD R,中图,假设D截止(开路)，求D两端开路电压,则:vD = vI,当vD 0.7VD导通，vO = V

22、D = 0.7V,当vD 0.7VD截止，vO = vI,利用电压传输特性曲线可直观表达电路功能。,34,二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,分析均采用大信号模型,理想模型,恒压降模型,35,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,例

23、3:已知伏安特性,求vD、iD。,例1:已知伏安特性,求VD、ID。,VI = 10Vvi = 1Vsint,先静态分析直流负载线:,再动态分析交流负载线:,vD = VI + vi - iD R,36,iD=ID+DiDvD=VD+DvD,VI = 10V， vi = 1Vsint,动态分析,叠加原理?,例3:已知伏安特性,求vD、iD。,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,37,小信号模型,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为:,微变电阻,根据 得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）,38,VI = 10V， vi = 1V

24、sint,例3:已知伏安特性,求vD、iD。,iD=ID+DiD = 0.95mA+0.1mAsint,vD=VD+DvD 0.7V,叠加原理,小信号模型(小信号等效电路),(4) 二极管电路的交流分析 小信号,39,例4:(小信号分析) 例3中求vD、iD。,VI = 10V， vi = 1Vsint,解题步骤:,(1) 静态分析 (令vi=0）,由恒压降模型得,VD0.7V; ID 0.93mA,(2) 动态分析 (令VI=0）,由小信号模型得,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,40,二极管电路分析的讲课思路：,先静态（直流），采用大信号模型,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解

25、分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,分析均采用大信号模型,后动态（交流）：采用小信号模型,理想模型,恒压降模型,41,分析方法小结,假设D截止（开路）求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析vI和vO 的关系,画出电压波形和电压传输特性,特

26、殊情况：求vD（波动）,小信号模型和叠加原理,恒压降模型,42,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.2 半导体二极管,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常

27、用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？, 其他特性击穿特性。结电容、温度特性 描述PN结方程、伏安特性曲线。, 原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性, 安全2个极限参数, 大信号恒压降模型,43,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.3.3 钳位电路,例2.4.2（习题2.4.12）,习题2.4.5,整流限幅,习题2.4.6,钳位,44,2.3.1 整流电路,2.3 二极管应用电路,（a）电路图 （b）vI和vO的波形,半波整流,全波整流,桥式整流电路(习题13和第11章),理想二极管,恒压降模型,信号处理绝对值,45,2.3.2 限幅电路,2.3

28、 二极管应用电路,viVB时等效电路,viVB时等效电路,双向限幅见习题17、19和20,理想二极管,D导通，vO = VB,D截止，vO = vI,恒压降模型,46,二极管与门,2.3 二极管应用电路,康 习题3.4.5,习题2-8,二极管或门,47,图2.3.5 二极管钳位电路,2.3.3 钳位电路,2.3 二极管应用电路,KVL: vO = vD = vI vC,设电容初值 vC = 0,则 vI 0时D导通，C充电,vI 0时D截止，C没有充放电回路,48,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.2 半导体二极管,2.2.2 二极管

29、的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？, 其他特性击穿特性。结电容、温度特性 描述PN结方程、伏安特性曲线。, 原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性, 安全2个极限参数, 大信号恒压

30、降模型,请自学,49,第2章 基本要求,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成 掌握PN结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,2 半导体二极管及其应用电路,50,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,2.4.2 光电二极管,2.4.3 发光二极管,2.4.4 激光二极管,反向击穿状态,反向截止，利用势垒电容,反向截止，少子漂移电流,特殊材料，正向导通发光,请自学！必须掌握“齐纳二极管”其它了解。,51,分析方法小结,假设D截止（开路）求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析vI和vO 的关系,

31、画出电压波形和电压传输特性,特殊情况：求vD（波动）,小信号模型和叠加原理,恒压降模型,52,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1.2 杂质半导体,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.1.4 PN结电容,2.2 半导体二极管,2.2.1 二极管的结构,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.3.3 钳位电路,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,53,模拟电子技术基础,第1章 绪论2学时,第2章 半导体二极管及其

32、应用电路4学时,第3章 半导体三极管及其放大电路基础 14学时,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础6学时,第5章 信号运算电路4学时,第6章 负反馈放大电路6学时,第7章 信号处理与产生电路4学时,第8章 场效应管及其放大电路4学时,共：44学时,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,2个器件,BJT,FET,二极管,核心内容,1个电路,三极管,放大电路,集成运放,完美的放大电路,核心基础,54,本征半导体、本征激发,本节中的有关概念,自由电子空穴,N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数载流子,杂质半导体,复合,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力,*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力,