电子技术基础模拟部分全册配套完整精品课件1.ppt

1、电子技术基础模拟部分全册电子技术基础模拟部分全册 配套完整精品课件配套完整精品课件1 1绪绪 论论 Introduction 1 绪绪 论论 1 绪绪 论论 http:/www.nhk.or.jp/special/ 1 .1 信号信号 电子系统 电子系统：电子系统：若干相互联接、相互作用的 基本电路组成的具有特定功能 的电路整体。 电子系统 VsRi Rs 电子系统 IsRi Rs (a)电压等效电路 (b)电流等效电路 图1.1.3 信号源电路 1 .1 信号信号 电子系统 电子系统：电子系统：若干相互联接、相互作用的 基本电路组成的具有特定功能 的电路整体。 光盘的旋转激光探头的移动 控制

2、 电子系统 基本电路 模拟开关电路 放大电路 取样-保持电路 模数转换电路 信号传输和控制电路 其它电路 滤波电路 黑盒子黑盒子 1.2 信号的频谱信号的频谱 1. 信号：信号：信息的载体。 t/s T/ 25 图1.1.1室内温度变化 v/ mV t/s 8 10 图1.1.2温度传感器的输出波形 电子系统 VsRi Rs 电子系统 IsRi Rs (a)电压等效电路 (b)电流等效电路 图1.1.3 信号源电路 1.1.2 信号及其频谱信号及其频谱 2. 信号的表达式和基本特性信号的表达式和基本特性 1.1.2信号的表达式和基本特性信号的表达式和基本特性 ( )( )(1.1.1)v tf

3、 t ( )sin()(1.1.2) m v tVta (21 2 ( )(1.1.2 ) 0(21(1) 2 s T VnTtn v tb T ntnT ） ） 000 211 ( )sinsin3sin5(1.1.3) 235 ss VV v tttt 频谱频谱:信号的振幅信号的振幅 随角频率变化的分布随角频率变化的分布. v 0 0 3 0 5 0 2 s V 2 s V 2 3 s V 2 5 s V 方形波的频谱 例: 相位相位 21 T f t v Vm 图1.1.4正弦波形 T Vs t v 方形波形 v 0 c 带宽 截止频率 图1.1.6 波形的频谱函数（示意图） 0 2 T

4、 其中 狄利 克雷 条件 信号的时域信号的时域 表达方式表达方式 信号的频域信号的频域 表达方式表达方式 3.信号源与电子系统信号源与电子系统 电子系统 VsRi Rs 电子系统 IsRi Rs (a)电压等效电路 (b)电流等效电路 图1.1.3 信号源电路 ss VV ss II 1.2 信号的频谱信号的频谱 1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 . 模拟信号模拟信号 1.1.3模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 t/s T/ 25 图1.1.1室内温度变化 v/ mV t/s 8 10 图1.1.8 模拟温度传感器的输出波形 v/ V 8 10 传感器的输出波形 放大电路输出波

5、形 模拟信号：模拟信号：在时间和幅值上均是连续的，在一定动态范围内可以取任意值。在时间和幅值上均是连续的，在一定动态范围内可以取任意值。 模拟电路：模拟电路：处理模拟信号的电子电路。处理模拟信号的电子电路。 图1.1.9 信号 t/s v/ V 8 10 t0t1t2t3 （a）时间离散、数值连续信号 (取样信号) t/s v/ V t0t1t2t3 300 301 302 （b）时间离散、数值离散信号 （模数转换器输出信号） t/s v/ V t0t1t2t3 300 301 302 （c）时间连续、数值离散信号 （数模转换器输出器输出信号） 1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 2

6、. 数字信号数字信号 1.1.3模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 数字信号：数字信号：数字系统中运行的信号。数字系统中运行的信号。 0 1 0 101 0 10 1 0 10 1 0 信号A 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 101 0 10110 1 0 信号B 图1.1.10 数字信号波形举例 1.4 半导体器件及其电路半导体器件及其电路 1. 基本半导体器件基本半导体器件1.1.3半导体器件及其电路 二极管二极管 三极管三极管 场效应管场效应管 2. 基本电路基本电路 二极管基本电路二极管基本电路 共基极放大电路共基极放大电路 共集电极放大电路共集电极放大电路 共集射极放大电路

7、共集射极放大电路 3. 基本功能电路基本功能电路 共栅极放大电路共栅极放大电路 共漏极放大电路共漏极放大电路 共源极放大电路共源极放大电路 功率放大电路功率放大电路 模拟集成电路模拟集成电路 反馈放大电路反馈放大电路 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路 直流稳压电源电路直流稳压电源电路 主要内容主要内容 半导体的基本知识 PN结 半导体二极管及其基本电路 半导体二极管及其基本特性 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 Semiconductor diode and its electric circuit 二极管的二极管的 主要用途主要用途 模拟开关电路 整流电路 稳压电路 限幅

8、电路 3.1半导体的基本知识半导体的基本知识 常见半导体材料常见半导体材料 1.元素半导体 （例如：硅（Si）、锗（ Ge） 2.化合物半导体（例如：砷化镓GaAs） 3.杂质半导体 3.1.1半导体材料半导体材料 导体半导体半导体绝缘体 1.在导电能力方面既不同导体也不同于绝缘体。 2.受到外界光和热时，导电能力发生显著的变化。 3.纯半导体+微量杂质，导电能力会有显著的增加。 半导体的半导体的 导电特性导电特性 2.1半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 +4 图2.1.1 硅的原子结构 简化模型 图2.1.2硅的二维晶格结构图 +4 +4 +4+4 +4

9、+4 +4 +4 +4 正离子核 2个电子的 共价健 2.1.2半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 、空穴及其导电作用、空穴及其导电作用 +4 +4 +4+4 自由电子 空穴 图2.1.3 本征半导体 本征激发本征激发: 价电子获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚， 成为自由电子的现象。 图2.1.3 随机热振动致使共价键 被打破而产生空穴-电子对 E 图2.1.4电子与空穴的移动 x1 x2 x3 自由电子 X3 X2 X1 空穴 X1 X2 X3 载流子 空穴 空穴 2.1.3 本征半导体本征半导体 、空穴及其导电作用、空穴及其导电作用 本征半导体

10、：本征半导体：纯净的单晶体半导体，既不含任何杂质、 也没有结构上的缺陷。 自由电子：自由电子：价电子获得足够的能量价电子获得足够的能量 挣脱挣脱 共价键束缚的电子共价键束缚的电子 空穴：空穴：价电子获得足够的能量挣脱价电子获得足够的能量挣脱 共价键束缚成为自由电子共价键束缚成为自由电子 后，在共价键上留下的空位。后，在共价键上留下的空位。 本征激发的特点：本征激发产生的自由 电子和空穴成对出现。 本征半导体内部特征：自由电子和空穴的 总数相等。 半导体区别于导体的重要特点：空穴的产生 2.1.4杂质半导体杂质半导体 3.1.4杂质半导体杂质半导体 图2.1.5 P型半导体的共价键结构（三价硼元

11、素杂质） +4 +4 +3+4 +4+4 +4 +4 +4 正离子核 2个电子的共价 健 1. P型半导体 + P型半导体：型半导体：是由不是由不 能移动的负离子、多能移动的负离子、多 数载流子为带正电荷数载流子为带正电荷 的空穴和少数载流子的空穴和少数载流子 为带负电的自由电子为带负电的自由电子 构成的构成的。 - - - - - - P型半导体 受主杂质或受主杂质或P型杂质型杂质 P型半导体的特性 受主杂质掺入的结果是只产生空穴而不产生自由电子,因此受主杂质掺入 的多少可以控制空穴的数量 由于本征激发产生电子-空穴对,因此P型半导体内也存在自由电子 多数载流子为空穴,少数载流子为自由电子

12、3.1.4杂质半导体杂质半导体 图2.1.5 N型半导体的共价键结构（五价磷元素杂质） +4 +4 +5+4 +4+4 +4 +4 +4 正离子核 2个电子的共价 健 2. N型半导体 +5 2.1.4 N型半导体 N型半导体：型半导体：是由不是由不 能移动的正离子、多能移动的正离子、多 数载流子为带负电荷数载流子为带负电荷 的自由电子和少数载的自由电子和少数载 流子为电正电荷的空流子为电正电荷的空 穴构成的穴构成的。 + + + + + + + + + + + + N型半导体 施主杂质或施主杂质或N型杂质型杂质 N型半导体的特性 施主杂质掺入的结果是只产生自由电子而不产生空穴,因此施主杂质掺

13、入 的多少可以自由电子数量 由于本征激发产生电子-空穴对,因此N型半导体内也存在空穴 多数载流子为自由电子,少数载流子为空穴 2.1.4 N型半导体 3.1.4杂质半导体杂质半导体 2. N型半导体型半导体 1. P型半导体型半导体 硅（硅（锗锗） + 硼 硅（硅（锗锗） + 铟 硅（硅（锗锗） + 铝 砷化镓砷化镓 + II族元素(镓原子的受主) 砷化镓砷化镓 +IV族元素(砷原子的受主) 硅（硅（锗锗） + 磷 硅（硅（锗锗） + 砷 硅（硅（锗锗） + 锑 砷化镓砷化镓 + IV族元素(镓原子的施主) 砷化镓砷化镓 +VI族元素(砷原子的施主) 3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性

14、3.2.1 PN 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 扩散：扩散：基于载流子的浓度差异和随机热运动速度基于载流子的浓度差异和随机热运动速度,载流子由高浓度区域向低浓度载流子由高浓度区域向低浓度 区域的运动区域的运动. 漂移漂移: 由于热能的激发由于热能的激发,半导体内的载流子将作随机的无定向移动半导体内的载流子将作随机的无定向移动,载流子在任何方向载流子在任何方向 上的平均速度为零上的平均速度为零. 在电场在电场E的作用下：的作用下： 3.2.1 E nn n n VE V 自由电子漂移速度矢量 自由电子的迁移率 电场 3.2.2 E pn n n VE V 空穴漂移速度矢量 自由电子的迁移

15、率 电场 2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2.2 PN 结的形成结的形成 - - - - - - - + + + + + + + + + P型N型 空间 电荷区 P型区N型区 PN结耗尽区耗尽区 内电场 0.5m 0.75mm V0 电 位 V 图2.2.2 PN结的形成 -qV0 电 子 势 能 势垒区空间电荷：空间电荷：不能移动的带电粒子不能移动的带电粒子 空间电荷区：空间电荷区：在在P区和区和N区之区之 间形成的很薄的空间电荷构间形成的很薄的空间电荷构 成的区域成的区域 PN结：结：在在P区和区和N区之间形成区之间形成 的很薄的空间

16、电荷构成的空的很薄的空间电荷构成的空 间电荷区间电荷区 内电场：内电场：在在P区和区和N区之间由区之间由 载流子的扩散运动而内部形载流子的扩散运动而内部形 成的电场成的电场 接触电位差：接触电位差：在在P区和区和N区之区之 间存在的内电场，间存在的内电场，N区高出区高出P 区的电位值。区的电位值。 势垒：势垒：电子从电子从N区到区到P区穿越区穿越 的能量高坡的能量高坡，这个能量高坡这个能量高坡 称为势垒称为势垒 多数载流子的多数载流子的扩散扩散和少数载和少数载 流子的流子的漂移。漂移。 2.2 小结小结 日本产业技术综合研究所钻石研究中心合日本产业技术综合研究所钻石研究中心合 成的成的N钻石半

17、导体（全世界第一次合成）钻石半导体（全世界第一次合成） 12 特点：特点： （1） 耗电少耗电少 （2）能发出紫外线光能发出紫外线光 参考文献参考文献 1 2005年年5月月10日日本工业新闻日日本工业新闻 2 2005年年5月月11日日经产业新闻日日经产业新闻 3 日本电子情报通信学会会志日本电子情报通信学会会志Vol.88 No.8 半导体材料的最新发展动态半导体材料的最新发展动态 2.2 小结小结 3.2 小结小结 P型半导体：型半导体： 纯净半导体内掺入受主杂质纯净半导体内掺入受主杂质 存在空穴和自由电子存在空穴和自由电子2种载流子种载流子 空穴数目远远大于自由电子数目空穴数目远远大于

18、自由电子数目 自由电子是由本征激发产生的自由电子是由本征激发产生的 - - - - - - - + + + + + + + + + P型N型 空间 电荷区 P型区N型区 N型半导体：型半导体： 纯净半导体内掺入施主杂质纯净半导体内掺入施主杂质 存在空穴和自由电子存在空穴和自由电子2种载流子种载流子 自由电子远远大于数目空穴数目自由电子远远大于数目空穴数目 空穴是由本征激发产生的空穴是由本征激发产生的 半导体不同于金属导电重要特点：半导体不同于金属导电重要特点： 空穴在半导体内导电空穴在半导体内导电 PN结：结： P型半导体和型半导体和N型半导体结合而成型半导体结合而成 P型半导体和型半导体和N

19、型半导体之间形成型半导体之间形成 空间电荷区，也称耗尽区、势垒区空间电荷区，也称耗尽区、势垒区 多数载流子的扩散而产生内电场多数载流子的扩散而产生内电场 内电场的作用使得少数载流子漂移内电场的作用使得少数载流子漂移 2. PN 结的单向导电性结的单向导电性(外加正向典雅外加正向典雅) 3.2. 3 PN 结的单向导电性结的单向导电性 图2.2.3 外加正向电压时的PN结（正向偏置） VF IF +- 外电场 V0-VF VF - - - - - - - + + + + + + + + + 内电场 PN 1 1 1 1 V0 电 位 1.外加正向电压外加正向电压 2 2 2 2 把使把使PN结变

20、窄和结变窄和 PN结的电阻减少的结的电阻减少的 外加电压称为外加电压称为正向正向 电压电压或者或者正向偏置正向偏置 电压电压。 00F qqVVV 扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动 像这样像这样PN结内起结内起 主导作用的扩散电主导作用的扩散电 流，在外电路上形流，在外电路上形 成一个流入成一个流入P区的区的 电流，称为电流，称为正向电正向电 流。流。 PN 结的单向导电性结的单向导电性(外加反向典雅外加反向典雅 图2.2.4 外加反向电压时的PN结（反向偏置） - - - - - - - + + + + + + + + + 内电场 PN 2 2 VR IR(或IS) -+ 2 2 1 1 1

21、 1 外电场 V0 VR 电 位 2. 外加反向电压 反向电流反向电流IR：在在 外电流上流入外电流上流入N 区的电流。同区的电流。同 时，时， IR= Is（反反 向饱和电流向饱和电流） s T I R 温度 有关 反向电 压V 的大小几乎无关 PNPN F R V V 正向电压电阻很小 结 反 结 向电压电阻很大 的单向导电性 把使把使PN结变宽和结变宽和 PN结的电阻增加的结的电阻增加的 外加电压称为外加电压称为反向反向 电压电压或者或者反向偏置反向偏置 电压电压。 少数载流子的漂移少数载流子的漂移 起支配地位。起支配地位。 3.2. 3 PN 结的单向导电性结的单向导电性 3. PN结

22、V-I特性的表达式 2 3 12 .2 .1 / 1 .3 81 0 3 0 0,2 / 6 D T v v Ds D D T T S T iIe iP N vP N V I e Vk Tq kJK TK q TV C KVm - 1 9 通 过结 的 电 流 结 两 端 的 外 加 电 压 温 度 的 电 压 当 量 反 向 饱 和 电 流 自 然 对 数 的 底 其 中 波 耳 兹 曼 常 数 热 力 学 温 度 电 子 电 荷1 . 61 0 vD/V 图2.2.5 硅二极管 PN结V-I特性 iD/mA iD=-IS 10-8-10-14A PN结V-I特性的表达式 3.2. 3 PN

23、 结的单向导电性结的单向导电性 PN 结的反击穿结的反击穿 .2.4 PN 结的反击穿结的反击穿 图2.2.5 PN结的反向击穿 iD vD/V VBR P N VR 反向击穿：反向击穿：当当PN 结的两端的反向电压结的两端的反向电压VR增加到增加到 一定数值时，反向电流突然增大的现象一定数值时，反向电流突然增大的现象（电击穿电击穿）。 反向击穿反向击穿 温度升高温度升高热击穿热击穿 反向击穿的原因：反向击穿的原因：由于在强电场的作用下，增加了由于在强电场的作用下，增加了 自由电子和空穴的数目。自由电子和空穴的数目。 反向击穿的分类：反向击穿的分类： 雪崩击穿 齐纳击穿 雪崩击穿雪崩击穿：PN

24、 结在反向电压作用下，结在反向电压作用下， 自由电自由电 子和空穴获得能量，当自由电子和空穴获得能子和空穴获得能量，当自由电子和空穴获得能 量量 足够大时，将不断地碰撞晶体原子。使共价足够大时，将不断地碰撞晶体原子。使共价 键中的电子激发形成自由电子键中的电子激发形成自由电子-空穴对的现象。空穴对的现象。 齐纳击穿齐纳击穿： PN 结在反向电压作用下，结在反向电压作用下， PN 结结 空间电荷区形成一个强电场，这个强电场使得空间电荷区形成一个强电场，这个强电场使得 共价键破坏分离出自由电子和空穴的现象。共价键破坏分离出自由电子和空穴的现象。 碰撞电离碰撞电离：通过与晶体原子的碰撞，使共价键中通

25、过与晶体原子的碰撞，使共价键中 的电子激发成自由电子和空穴的现象。的电子激发成自由电子和空穴的现象。 雪崩击穿和齐纳击穿过程的可逆性（当反向电（当反向电 压与反向电流的乘积不超过压与反向电流的乘积不超过PN结的容许耗热功结的容许耗热功 率）率） 当反向电压与反向电流的乘积超过当反向电压与反向电流的乘积超过PN 结的容许耗热功率时，结的容许耗热功率时，PN结温度上升，结温度上升， 直到过热而烧坏的现象称为直到过热而烧坏的现象称为热击穿热击穿。 倍增效应倍增效应：原有的载流子与晶体碰撞产生新的载原有的载流子与晶体碰撞产生新的载 流子，原有的载流子和新的载流子再与与晶体碰流子，原有的载流子和新的载流

26、子再与与晶体碰 撞产生更新的载流子的现象。撞产生更新的载流子的现象。 小结小结 小结小结 iD/mA vD/V VBR 正向偏置：正向偏置：空间电荷区变窄，内电阻很小，形成由多数载流子扩散为主的较大的正向电流空间电荷区变窄，内电阻很小，形成由多数载流子扩散为主的较大的正向电流IF。 - - - + + + P型N型 空间 电荷区P型区 N型区 VF IF +- IR +- VR 反向偏置：反向偏置：空间电荷区变宽，内电阻很大，形成由少数载流子漂移为主的极小的反向电流空间电荷区变宽，内电阻很大，形成由少数载流子漂移为主的极小的反向电流IR， 也即反向饱和电流也即反向饱和电流IS 。 V-I特性表

27、达式：特性表达式： 1 D T v v Ds iIe 反向击穿：反向击穿： 雪崩击穿、齐纳击穿、电击穿、热击穿。雪崩击穿、齐纳击穿、电击穿、热击穿。 2.3.3二极管的参数二极管的参数 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 1. 扩散电容扩散电容CD :积累在P区的电子或N区 的空穴随外加电压的变化构成了PN结的 扩散电容。 FF FF VI VI 充入 放出 大大 小小 VF的变化 扩散电容CD 较大较大 tD DQ DT t D IdQ C dvV IPN 载流子的渡越时间 结的工作电流 - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - +

28、 VF IF 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 2.3.3二极管的参数二极管的参数 2 势垒电容势垒电容CB :用来描述势垒区的空间电荷用来描述势垒区的空间电荷 随随 电压变化的电容效应。电压变化的电容效应。 啊 - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - + VF 大 VF增大时部分电子和空穴进入增大时部分电子和空穴进入PN结，结， 相当于给势垒电容相当于给势垒电容“充电充电” 小 VF减少时部分电子和空穴离开减少时部分电子和空穴离开PN结，结， 相当于给势垒电容相当于给势垒电容“放电放电” VF=常数时，势垒电容的常数时，势垒电容

29、的充电充电和和放电放电 停止。停止。 VF改变时势垒电容才起作用改变时势垒电容才起作用， VF频频 率越高率越高CB的作用越显著的作用越显著。 3.2.5 B D dQ C dv 0 3.2.6 1 BO B m D o BO C C V V C V 零偏置时的势垒电容 建立势垒电为（典型值为1V） 2.3.3二极管的参数二极管的参数 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 极间电容极间电容 图2.3.5 PN结的高频等效电路 r C PN结处于正向偏置 PN结电阻较小 PN结电容较大（主要取决于扩散电容主要取决于扩散电容） PN结处于反向偏置 PN结电阻较大 PN结电容较小（主要取决于势垒

30、电容主要取决于势垒电容） - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + - + VF IF 国产半导体二极管参数见P43 dBD CCC 2.3半导体二极管 3.3 二极管二极管 3. 3.1 二极管的结构二极管的结构 点接触型 面接触型 阳极 引线 阴极 引线 N型锗片 金属触丝外壳 (a)点接触型 阳极引线 阴极引线 铝合金 小球 NP结 N型硅 金锑合金 底座 (b)面接触型 P型支持衬底 N P 阳极 阴极 (c)集成电路中的二极管 阳极 a 阴极 k （d）代表符号 优点：优点： 极间电容小极间电容小 缺点：缺点： 不能承受高的反向电不能

31、承受高的反向电 压和大的电流压和大的电流 优点：优点： 能承受高的反向电能承受高的反向电 压和大的电流压和大的电流 缺点：缺点： 极间电容大极间电容大 3. 3 . 2 二极管的二极管的V-I特性特性 图2.3.2 硅二极管2CP10的V-I特性 0.5 1.0-10-200 10 5 iD/mA vD/V -30-40 15 20 -30 -40 -20 -10 图2.3.3 锗二极管2AP15的V-I特性 iD/mA -40 0.2 0.4 -20-40 0 10 5 vD/V -60 15 20 -30 -20 -10 (1) (2) (3) 2.3.2二极管的二极管的V-I特性特性 1

32、.正向特性正向特性 正向电阻很小 门坎电压Vth(硅管 约0.5V 锗管约0.1V ) (又称死区电压) 2.反向特性反向特性 少数载流子在反向电压的作用下易形成少数载流子在反向电压的作用下易形成 反向饱和电流但其值很小。反向饱和电流但其值很小。 锗管的反向饱和电流比硅管大得多。锗管的反向饱和电流比硅管大得多。 温度升高时，反向饱和电流随之急剧温度升高时，反向饱和电流随之急剧 增加。增加。 3.反向击穿特性反向击穿特性 Vth Vth iD/A iD/A 门坎电压：门坎电压：正向较小时，外电场还不正向较小时，外电场还不 足以克服足以克服PN结的内电场，因而这时结的内电场，因而这时 的正向电流几

33、乎为零，二极管呈现一的正向电流几乎为零，二极管呈现一 个大电阻，好像有一个门坎。个大电阻，好像有一个门坎。 3.3 .3二极管的参数二极管的参数 . 最大整流电流最大整流电流 IF : 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 2.3.3二极管的参数二极管的参数 -40 0.2 0.4 -20-40 0 10 5 vD/V -60 15 20 -30 -20 -10 (1) (2) (3) 2. 反向击穿电压反向击穿电压 VBR: 二极管反向击穿时的电压。二极管反向击穿时的电压。 最高反向工作电压最高反向工作电压 一般大约是一般大约是 二分之一

34、二分之一VBR VBR 3. 反向电流反向电流 IR: 二极管未反向击穿时的电流二极管未反向击穿时的电流。 IR 4. 极间电容极间电容 dBD CCC 5. 反向恢复时间反向恢复时间TRR t i TRR IRM 0.1IRM 3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 34.1 简单二极管电路的图解分析方法 0vD iD DD V R DD V D V D I 1 R vD iD DD V R 例3.4.1 二极管电路如图3.4.1a所示,设二极管的V-I 特性如图b所示.已知电源VDD和电阻R, 求二极管两端电

35、压VD和电流iD. 图3.4.1 二极管电路 解: (a) (b) DDD D Vv i R DDD D Vv i RR 负载线 工作点Q 3.4.2 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 1. 二极管正向V-I 特性的建模 0vD iD + vD - (a) V-I 特性(b) 代表符号 图4.1理想模型 iD () 理想模型理想模型 假设 正向偏置时，其管压降为。 反向偏置时，电阻为无穷大， 电流为。 () .恒压降模型恒压降模型 0vD iD + vD - (a) V-I 特性(b) 代表符号 图4.恒压降模型

36、iD 假设：二级管导通之后，其压降是恒 定的，且不随电流而变。 （ 导通电流大于等于， 硅管vD ） ak 2.4.折线型 34.1 二极管正向二极管正向V-I 特性的建模特性的建模 （）折线型（）折线型 （4）小信号模型）小信号模型 0vD iD (a) V-I 特性 图4.3 折线模型 + vD - (b) 代表符号 iD rD Vth 假设：二级管导通之后，其压降不是恒 定的，而是随电流呈线性变化。 0.70.5 200 1 Dth D D vvVV r imA 注意：二极管的特性的分散性、vth和rD的值不是不变的。 iD 0vD (a) V-I 特性(b) 代表符号 图4.4 小信号

37、模型 D i D v + - rD D i D v Q / dDD rvi / 1 DT vV DS iIe 1 1 ( D T D T v V D s d DD v V SDD TTT did Ie r dvdv I eiI Q VVV 在 点上） 126() ( () T d dDD VmV r gIImA 当T=300K时 ) 指数模型指数模型 2.4.2-1应用举例应用举例 2. 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 1） 二极管电路的静态工作情况分析二极管电路的静态工作情况分析 R=10K VDD D + - VD ID 图.4.5例.4.1的电路 例.4.1 已知如图所示, (1)

38、 VDD=10V, (2) VDD=1V 求（1）和（2）的情况下，理想模型、恒压降模型、 折线模型的电路ID和VD的值。 模 型（1）VDD=10V(2) VDD=1V VDIDVDID 理想型 00 恒压降型0.7V 0.7V 折线型 0.51V 10 1 10 DD D V I R V mA k 100.7 0.93 10 DDD D VV I R VV mA k 100.5 0.931 100.2 DDth D D VV I Rr VV mA kk 0.50.93 0.2 0.69( ) DthD D VVI r V 0.1mA 0.03mA 0.049mA 小结：1. VDDVD,选

39、用恒压降模型。 2. VDD较小时，选用折线型。 解：解： 2.4.2-2限幅电路限幅电路 4.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 2）限幅电路限幅电路 例2.4.2 已知电路如图2.4.6a所示, VREF=3V, R=1 k。(1) 输入信号如图2.4.6b所示时， 求输出信号vo ; (2) 当 时，做出相应的输出电压V0。（P49） 6sin i vtV R=1K VREF D + - vo vI + - (a) R=1K VREF + - vo vI + - (a) Vth rD 图2.4.6例2.4.2的电路 解: (1) 选用折线型模型，设Vth=0.5V, rD=200。

40、其等效电路如图(a) 3.5 REFth VVV + - 00 I VV 0 当v， 截止v IREFI V th0 当v+V =3.5V， 截止vvvI /V 6 t (b) 4 2 0 vI/V 6 t (b) 4 2 0 0 0 0 0 63.9 43.6 IREF REF IREFDD REFIREFDD I I V vV vVrrR vVvVrrR vVvV vVvV D D th thr rth thth 当v+V =3.5V， +VV V-V +V-V 例 v0 /V 6 t (C) 4 2 0 a k k 2.4.2-3开关电路 4.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 3

41、） 开关电路开关电路 VCC 5V vI1 4.7k vI2 + - + - VCC 5V vo vI1 vI2 4.7k (a)习惯画法(b)理想型 图2.4.7 开关电路 例2.4.3 已知如图2.4.7所示. 当vI1和vI2为0V或5V时， 求vI1和vI2的值在不同的 组合情况下，输出电压 v0的值。设二极管是理想的。 解（1）当vI1=0V、vI2=5V时，D1为正向偏置， v0=0V, D2为反向偏置， D2截止。 D1 D2 D1 D2 vI1 vI2 二极管工作状况 v0 D1D2 0 0 0 5 5 0 5 5 导通导通 导通导通 截止截止 截止截止 导通导通 截止截止 导

42、通导通 截止截止 0 0 0 5 v0 a1 a2 k1 k2 2.4.2-3低电压稳压电路低电压稳压电路 4.2 模型分模型分 析法应用举析法应用举 例例 ） 低电压稳压电路低电压稳压电路 vD VI v0 R vD D iD + - VI R vD D iD+ -VI + - vI R rD iD+ - + - (a) 电路图(b) VI产生波动后的电路 (c) 小信号等效电路 图2.4.8 低电压稳压电路 例例2.4.4 在图2.8.4a所示的低电压稳压电路中，直流电压VI的正常值为10V,R=10k,若VI的变化 为1V,问相应的硅二极管电压的变动如何？ 解：解： 100.7 ID V

43、VVV 100.7 0.93 10 D VV ImA k 26 28 0.93 T D D VmV r ImA 28 12.79 1028 D D D r vVmV Rrk 3 12.7912.79 10 D vVmVV 2.5 特殊二极管 5 特殊二极管特殊二极管 + - a k iz/mA 0 iz/A VZ VZ IZ vz/V (a)代表符号 (b) V-I特性 图2.5.1 稳压管的代表符号和V-I特性 特殊二极管例: 齐纳二极管(稳压管) 变容二极管 光电二极管 发光二极管 激光二极管 25 .1 齐纳二极管齐纳二极管 特征特征: 用特殊工艺制造面结二极管用特殊工艺制造面结二极管

44、管子的杂质浓度高管子的杂质浓度高 空间电荷区的电荷密度高空间电荷区的电荷密度高 空间电荷区很窄空间电荷区很窄 内电场强度高内电场强度高 特性特性: 反向电压增加到反向电压增加到VZ时，产生反向击穿时，产生反向击穿 VZ是反向击穿电压，也是稳压管的稳定电压是反向击穿电压，也是稳压管的稳定电压 愈小，稳压管的稳压性能愈好愈小，稳压管的稳压性能愈好 ZZZ rVI 主要参数主要参数: 稳定电压稳定电压VZ 稳定电流稳定电流IZ 最大稳定电流最大稳定电流IMZ 耗散功率耗散功率PM 动态电阻动态电阻rZ 温度系数温度系数 2.5 特殊二极管 25 特殊二极管特殊二极管 25 .1 齐纳二极管齐纳二极管

45、 齐纳二极管的应用例齐纳二极管的应用例 RL VI + - IR R IZ I0 + - V0 图2.5.2 简单的稳压电路 (并联式稳压电路) VI 待稳定的直流电源电压待稳定的直流电源电压 RL 负载负载 R 限流电阻限流电阻 00 0 LRZR RIIVII V iz/mA 0 iz/A VZVZ IZ vz/V 1979年徳島大学大学院修士課程修了， 日亜化学工業入社 1993年11月青色LED製品発表 1999年12月日亜退職 2000年2月UniversityofCalifornia SantaBarbara校教授就任 2001年8月23日青色LED訴訟、提訴 2002年9月19日

46、中間判決、特許権日亜化学 工業認（東京地裁） 2004年1月30日判決、発明対価億 円相当認定。請求額億円全額支払 命（東京地裁） 2005年1月11日青色LED発明含 発明対価億円認定、遅延損害金含 約億千万円日亜側支払和解 成立（東京高裁） 2.5 作业 VDD v0 R 2vD D1 1k + - D2 (101)V 2.4.1解：（1） 3 2 0.7100.7 0.00868.6 10 10 DD D V IAmA R 26 3.02 8.6 T D D VmV r ImA 0 11 22 3.026 210002 3.02 D D VV vrmV Rr （2） 1.1.3 写出下列

47、正弦波正弦波电压信号的表达式 （1）峰-峰值10V,频率10kHz sin() m Vt 峰-峰值=2Vm V o m V t 2.5作业 2.4.4 解：设D断开后 C 10 151 10140 A K VVV KK 5 152.5 525 C K VVV KK 2 101 182 BC K VVVV KK 112.53.5 BC VVVVVV BA VVD截止 2.5作业 2.4.3 解：设D2断开 1 a 2 a 2 k 1 k 1 12 a VV 1 0 k VV 11 1ak VVD导通 设D1断开 2 12 a VV 2 6 k VV 22 2ak VVD导通 122 6 Aaak

48、 VVVVV 0 0VV 11 1 6 ak VVVD 截止 00 6 AA VVVV 当D1和D2接入电路中时 2.5作业 2.4.7 解： 120 0.56sin ii vVD Dvvt截止 12 0.5 i vVDD导 通截止 0 ith Dth D vv vrv Rr 21 0.5 i vVDD 导 通截止 0 ith Dth D vv vrv Rr 双极结型三极管及放大电路基础双极结型三极管及放大电路基础 .1 BJT Semiconductor Bipolar Junction Transistor and fundamental of amplifier 通过一定的工艺，将两个P

49、N结结合在一起的器件。BJT又 常称为晶体管。 BJT 主要内容： （1）BJT的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 （2）内部载流子的运动过程 （3） BJT特性曲线及其参数 主要内容： （1）BJT的结构 （2）BJT放大电路的三种组态 共射极放大电路 共集电极放大电路 共基极放大电路 静态工作点 电压增益 输入电阻 输出电阻 频响带宽 .1 BJT 一.BJT的分类的分类 (1) 按照频率 高频BJT 低频BJT (2) 按照功率 大功率BJT 中功率BJT 小功率BJT (3) 按照材料 硅BJT 锗BJT (3) 按照结构 NPN型BJT PNP型BJT .1.1BJT的结构简介 B

50、JT的结构的结构 (1) NPN型型 N P N 基区 集电区 发射区 b 基极 c 集电极 e 发射极 集电结 发射结 (a) 结构示意图 N P N ebc (b)管芯结构剖面图 c e b (c) 表示符号 图.1.2 NPN型BJT BJT的结构 (2) PNP型型 P N P 基区 集电区 发射区 b 基极 c 集电极 e 发射极 集电结 发射结 (a) 结构示意图 c e b (b) 表示符号 .1.2 放大状态下BJT工作原理 1. BJT内部载流子的传输过程（内部载流子的传输过程（NPN型为例型为例） (a) 示意图 NPN VEEVCC VEE IE e b c JeJc （