模拟电子技术基础课件(第五版).ppt

1、1.1 信号信号1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号1.2 信号的频谱信号的频谱1.4 放大电路模型放大电路模型1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标1.信号：信号：信息的载体信息的载体微音器输出的某一段信号的波形微音器输出的某一段信号的波形 1.1 信号信号2.电信号源的电路表达形式电信号源的电路表达形式电压源等效电路电压源等效电路电流源等效电路电流源等效电路sssRiv 1.1 信号信号1.电信号的时域与频域表示电信号的时域与频域表示A A.正弦信号正弦信号)sin()(0mtVt v00022fT 1.2 信号的频谱信号的频谱时域时域1.电信号的时域与频域表示电信号

2、的时域与频域表示B B.方波信号方波信号)5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtvT20 满足狄利克雷条件，展开成傅满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数里叶级数2SV直流分量直流分量其中其中2SV基波分量基波分量312S V三次谐波分量三次谐波分量 1.2 信号的频谱信号的频谱方波的时域表示方波的时域表示 2.信号的频谱信号的频谱B B.方波信号方波信号)5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtv频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布，称为该信

3、号的频谱。随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。1.2 信号的频谱信号的频谱幅度谱幅度谱相位谱相位谱 非周期信号包含了所有可能的频非周期信号包含了所有可能的频率成分（率成分（0 ）C C.非周期信号非周期信号傅里叶变换：傅里叶变换：通过快速傅里叶变换（通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函可迅速求出非周期信号的频谱函数。数。离散频率函数离散频率函数周期信号周期信号连续频率函数连续频率函数非周期信号非周期信号气温波形气温波形 气温波形的频谱函数（示意图）气温波形的频谱函数（示意图）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处理模拟信号的电子电路称

4、为模拟电路。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。1.4 放大电路模型放大电路模型电压增益（电压放大倍数）电压增益（电压放大倍数）iovvv A电流增益电流增益ioiiAi 互阻增益互阻增益)(io iArv互导增益互导增益)S(ioviAg 1.放大电路的符号及模拟信号放大放大电路的符号及模拟信号放大负载开路时的负载开路时的 电压增益电压增益A.电压放大模型电压放大模型ovAiR输入电阻输入电阻oR输出电阻输出电阻由输出回路得由输出回路

5、得LoLiooRRRA vvv则电压增益为则电压增益为iovvv ALoLoRRRA v由此可见由此可见 LR vA即负载的大小会影响增益的大小即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，则希望要想减小负载的影响，则希望？（考虑改变放大电路的参数）（考虑改变放大电路的参数）LoRR 理想情况理想情况0o R2.放大电路模型放大电路模型 1.4 放大电路模型放大电路模型 另一方面，考虑到另一方面，考虑到输入回路对信号源的输入回路对信号源的衰减衰减siRR 理想情况理想情况有有sisiivvRRR 要想减小衰减，则希望要想减小衰减，则希望？iR 1.4 放大电路模型放大电路模型A.电压放大模型

6、电压放大模型负载短路时的负载短路时的 电流增益电流增益B.电流放大模型电流放大模型s iA由输出回路得由输出回路得LooisoRRRiAii 则电流增益为则电流增益为ioiiAi LoosRRRAi 由此可见由此可见 LR iA要想减小负载的影响，则希望要想减小负载的影响，则希望？LoRR 理想情况理想情况 oR由输入回路得由输入回路得isssiRRRii 要想减小对信号源的衰减，则希望要想减小对信号源的衰减，则希望？siRR 理想情况理想情况0i R 1.4 放大电路模型放大电路模型C.互阻放大模型（自学）互阻放大模型（自学）输入输出回路没有公共端输入输出回路没有公共端D.互导放大模型（自学

7、）互导放大模型（自学）E.隔离放大电路模型隔离放大电路模型 1.4 放大电路模型放大电路模型 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标1.输入电阻输入电阻ttiiRv 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标2.输出电阻输出电阻 Ls,0ttoRvviR注意：输入、输出电阻为交流电阻注意：输入、输出电阻为交流电阻 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标3.增益增益 反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。转换为输出信号能量的能力。其中其中(dB)lg20vA 电电压压增增益益四种增益

8、四种增益iovvv AioiiAi ioiArv ioviAg iAA、v常用分贝（常用分贝（dBdB）表示。）表示。(dB)lg20iA 电流增益电流增益(dB)lg10PA 功功率率增增益益 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标4.频率响应频率响应A.A.频率响应及带宽频率响应及带宽 电压增益可表示为电压增益可表示为)j()j()j(io VVAv 在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。响应，称为放大电路的频率响应。)()()j()j(ioio VV或写为或写为)()(vvA

9、A其中其中称称为为幅幅频频响响应应 )j()j()(io VVAv称称为为相相频频响响应应 io)()()(该图称为波特图该图称为波特图纵轴：纵轴：dBdB横轴：对数坐标横轴：对数坐标 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标4.频率响应频率响应A.A.频率响应及带宽频率响应及带宽 其中其中上上限限频频率率Hf普通音响系统放大电路的幅频响应普通音响系统放大电路的幅频响应下下限限频频率率Lf称称为为带带宽宽LHffBW HLH fBWff 时，时，当当 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标4.频率响应频率响应B.B.频率失真（线性失真）频率失真（线性失真）幅度失真：幅

10、度失真：对不同频率的信号增对不同频率的信号增益不同产生的失真。益不同产生的失真。4.频率响应频率响应B.B.频率失真（线性失真）频率失真（线性失真）幅度失真：幅度失真：对不同频率的信号增对不同频率的信号增益不同产生的失真。益不同产生的失真。相位失真：相位失真：对不同频率的信号相对不同频率的信号相移不同产生的失真。移不同产生的失真。1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标5.非线性失真非线性失真 由元器件非线性特性由元器件非线性特性引起的失真。引起的失真。非线性失真系数非线性失真系数:end%100o122o VVkk Vo1是输出电压信号基波分量的是输出电压信号基波分量的有效值，有

11、效值，Vok是高次谐波分量的有效是高次谐波分量的有效值，值，k k为正整数。为正整数。1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大电同相输入和反相输入放大电 路的其他应用路的其他应用在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和集成电路是把元器

12、件和连接导线全部制作在一小块硅片上而连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。成的电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。常用的其他模拟集成电路等。引引 言言l模拟集成电路的特点：模拟集成电路的特点：电阻值电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几不能

13、很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；电容电容利用利用PN结结电容，一般不超过几十结结电容，一般不超过几十pF。需要大。需要大电容时，通常在集成电路外部连接。电容时，通常在集成电路外部连接。不能制电感，级不能制电感，级与级之间用直接耦合；与级之间用直接耦合；二极管用三极管的发射结代。比如二极管用三极管的发射结代。比如由由NPN型三极管型三极管短路其中一个短路其中一个PN结构成。结构成。运算放大器外形图运算放大器外形图2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1.集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内

14、部组成单元图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图,PNOV V v v v 运算放大器方框图 输入级输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。移的影响，提高整个电路共模抑制比。2.中间级中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。负载及复合管可提高电压增益。3.输出级输出级：互补对称功放。：互补对称功放。4.偏置电路偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。流源电路组成。

15、表示信号从左表示信号从左(输入端输入端)向右向右(输出端输出端)传输的方向。传输的方向。vNvPvOvNvPvOvN或或v：反相输入端反相输入端，信号从此端输入，信号从此端输入(vP=0)，输出信，输出信号和输入信号反相。号和输入信号反相。vP或或v+：同相输入端同相输入端，信号从此端输入，信号从此端输入(vN=0)，输出信，输出信号和输入信号同相。号和输入信号同相。vO：输出端输出端。图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号2.运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的

16、电路模型运算放大器的电路模型通常：通常：开环电压增益开环电压增益 Avo的的 105（很高）（很高）输入电阻输入电阻 ri 106（很大）（很大）输出电阻输出电阻 ro 100（很小）（很小）vOAvo(vPvN)（V vO V）注意输入输出的相位关注意输入输出的相位关系系2.运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型当当Avo(vPvN)V 时时 vO V 当当Avo(vPvN)V-时时 vO V-电压传输特性电压传输特性 vO f(vPvN)线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率输出电压与其两个输入端的电压输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即之间存在线性放

17、大关系，即)(odONPuuAu集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻输入电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流

18、输入电流ii=?(2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入输入电阻电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流输入电流ii=?图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型解：由解：由/PNOvovvvA当当vo=Vom=12V时时51

19、2/(2 10)60VA PNvv()/iPNiivvr660/(0.6 10)A 100pA 例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入输入电阻电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。解：取解：取a点（点（+60V,+12V），），b点（点（-60V,-12V），连接），连接a、b两点得两点得ab线线段，其斜率段，其斜率Avo=2105,vP-vN 60 V，则运放进入非线性区。，则运放进入非

20、线性区。运放的电压传输特性如图所示。运放的电压传输特性如图所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)2.2 理想运算放大器理想运算放大器1.vo o的饱和极限值等于运放的饱和极限值等于运放的电源电压的电源电压V和和V 2.运放的开环电压增益很高运放的开环电压增益很高 若（若（vPvN）0 则则 vO=+Vom=V 若（若（vPvN）0 则则 vO=Vom=V 3.若若V vO R3时，时，（1）试证明）试证明Vs(R3R1/R2)Im 解（解（1）根据虚断有）根据虚断有 I1=0所以所以 I2=Is=Vs/R1 例例2.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2）R1R21

21、50k，R31k，输入信号电压输入信号电压Vs100mV时，通过时，通过毫伏表的最大电流毫伏表的最大电流Im(max)？又又根据虚短有根据虚短有 Vp=Vn=0R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2=R3(I2-Im)所以所以1s332mRVRRRI)(当当R2 R3时，时，Vs(R3R1/R2)Im（2）代入数据计算即可）代入数据计算即可2.4 同相输入和反相输入同相输入和反相输入放大电路的其他应用放大电路的其他应用2.4.1 求差电路求差电路2.4.2 仪用放大器仪用放大器2.4.3 求和电路求和电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.4.1 求差电路求差电

22、路 从结构上看，它是反相从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放输入和同相输入相结合的放大电路。大电路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314RRRR 则则)(i1i214ovvRRv 若继续有若继续有,14RR 则则i1i2ovvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N、P P点的点的KCLKCL得：得：pnvv 2.4.1 求差电路求差电路从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 时，时，2314RRRR)(i1i214ovvRRv 增益为增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）（该电

23、路也称为差分电路或减法电路）2.4.1 求差电路求差电路一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路2.4.2 仪用放大器仪用放大器)21(123421ORRRRA vvvv2.4.3 求和电路求和电路1ni1-Rvv3on-Rvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点的的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 则有则有2i1 io-vvv （该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路）2.4.3 求和电路的进一步讨论求和电路的进一步讨论Vi3-+ARfRVoIfR3I3IdVi2R2I2Vi1I1R18.1.1 求和

24、电路00_VVId虚短、虚断)(332211RVRVRVRViiifofIIII321特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出 的比例关系；称为支路增益，一般11.求和电路/fnRR2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1.积分电路积分电路式中，式中，负号表示负号表示vO与与vI在相位上是相反的在相位上是相反的。根据根据“虚短虚短”，得得根据根据“虚断虚断”，得得0NPvv0i i因此因此12ii IvRsC1Ov tRCd1IOvv（积分运算）（积分运算）即即RvvsCvvNIoN1相当于微分相当于积分，其中Ss12.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1.积分

25、电路积分电路根据根据“虚短虚短”，得得根据根据“虚断虚断”，得得0NPvv0i i因此因此21ii 即即cNIiRvvdtdVCiCc又又即即dtdVCdtdVCRvOCI tRCd1IOvv2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路当当vI I为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有vO与与 t 成线性关系成线性关系 tRCd1IOvvtRCVi tV i 1.积分电路积分电路积分电路的用途将方波变为三角波积分电路的用途将三角波变为正弦波积分电路的用途tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可见，输出电压的相位比输入电压的相位领可见，输出电压的相位比

26、输入电压的相位领先先 90 。因此，此时积分电路的作用是。因此，此时积分电路的作用是移相移相。tuIOUm 2 3图图 7.2.172.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.微分电路微分电路tRCddIOvv 根据根据“虚短虚短”，得得根据根据“虚断虚断”，得得0NPvv0i i因此因此ii 1IRsCvOv即即RvvsCvvoNNI1相当于微分相当于积分，其中Ss1uit0t0uotuisin若输入：若输入：则：则：)90sin(costRCtRCuo高频信号将产生较大的噪声。高频信号将产生较大的噪声。Auo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入

27、输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。0or3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 二极管二极管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3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半

28、导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用 3.1.4 杂质半导体杂质半导体导体导体(conductor)：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。绝缘体绝缘体(semiconductor)：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体半导体(insulator)：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、

29、氧化物等。化物、氧化物等。3.1.1 半导体材料半导体材料3.1.1 半导体材料半导体材料半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。电能力明显改变。3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构GeSi 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的共价键硅和锗的共价键(covalent bond)结

30、构结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用1.1.本征半导体本征半导体(intrinsic or pure insulator)硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用2.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴(carrier、free electrons and holes)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子 3.1.3 本征半导体的

31、导电作用本征半导体的导电作用3.载流子的产生与复合载流子的产生与复合+4+4+4+4本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。3.1.4 杂质半导体杂质半导体1.1.P 型半导体型半导体+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。3.1.4 杂质半导体杂质半导体2.N 型半导体型半导体+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的载型半导体中的载流子是什么？流子是什么？掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴掺杂浓度远大于本

32、征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.2 PN 结的形成结的形成P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散扩散(diffusion)的结的结果是使空间

33、电荷区逐果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区渐加宽，空间电荷区越宽。越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移(drift)运动越强，而漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。3.2.2 PN 结的形成结的形成漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。3.2.2 PN 结的形成结的形成+空

34、间电空间电荷区荷区N型区型区P型区型区电位电位VV0 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)正向偏置正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)反向偏置反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A A级级 3.2.4 PN 结的反

35、向击穿结的反向击穿 电击穿电击穿 (可逆可逆)热击穿热击穿 (不可逆不可逆)击穿击穿雪崩击穿雪崩击穿(avalanche breakdown):碰撞碰撞,载流子载流子倍增效应。倍增效应。齐纳击穿齐纳击穿(zener breakdown):局部电场增强局部电场增强,分离。分离。整流二极管整流二极管 雪崩击穿雪崩击穿(多数多数)稳压二极管稳压二极管 齐纳击穿齐纳击穿(多数多数)击穿击穿 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应PN结的两种电容效应：结的两种电容效应：扩散电容扩散电容CD和和势垒电容势垒电容CBPN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（区（N区）

36、靠近区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到浓度可视为电荷存储到PN结的邻域结的邻域PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能1.扩散电容扩散电容 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL法法）(FddDDQvQC PN结反向偏置时，载流子数结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略目很少，扩散电容可忽略+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层

37、NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL1.扩散电容扩散电容 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应势垒区是积累空间电荷的区势垒区是积累空间电荷的区域，当域，当反向偏置反向偏置电压电压变化变化时，时，就会引起积累在势垒区的空就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化间电荷的变化2.势垒电容势垒电容类似于平板电容器两极板上电荷的变化类似于平板电容器两极板上电荷的变化 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑运用时，须考虑PN结电容的影响结电容的影响PN结电

38、容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）较小（主要决定于势垒电容）3.3 二极管二极管 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的参数二极管的参数 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(d

39、iode insulator)图片图片 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。3.3.1

40、半导体二极管的结构半导体二极管的结构(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(3)平面型二极管平面型二极管(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4)二极管的代表符号二极管的代表符号(symbol)(d)代代表表符符号号k 阴阴极极阳阳极极 aanode cathode 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 往往用于集成电路往往用于集成电路制造艺中。制造艺中。PN 结面积结面积可大可小，用于高频整可大可小，用于高频整流和开关电路中。流和开关电

41、路中。3.3.2 PN 结的伏安特性结的伏安特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/AiD/mAVthVBR正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性(volt-ampere characteristic)曲线的表示式：曲线的表示式：)(/SDD1 TVveIi硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性3.3.3 二极管的参数二极管的参数1.最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均

42、电流。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值。击穿时反向电流剧增，二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压给出的最高反向工作电压约为约为击穿电压的一半。击穿电压的一半。3.反向电流反向电流 IR 指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。温度的影响，温度越高反向电流越大。2

43、.3.3 二极管的参数二极管的参数4.二极管的极间电容二极管的极间电容（parasitic capacitance）二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容(barrier（depletion）capacitance)CB和和扩散电扩散电容容(diffusion capacitance)CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。2.

44、3.3 二极管的参数二极管的参数4.二极管的极间电容二极管的极间电容扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流（扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的少子区的少子（电子）在（电子）在P 区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电区有电子的积累。同理，在子的积累。同理，在N区有空穴的区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散多。这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-NCB在高频和反向偏置时明显。在高频和反向偏置时明显。CD在正向在正向偏置时明显。偏置时明显。3.3.3 二极管的参数二极

45、管的参数5.微变电阻微变电阻 rDiDvDIDVDQ iD vD rD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与电流附近电压的变化与电流的变化之比：的变化之比：DDDivr 显然，显然，rD是对是对Q附近的微小变化附近的微小变化区域内的电阻。区域内的电阻。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 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.理想模型（理想模型（ideal diode)

46、vDiD 当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型作近似分析。型作近似分析。iDvD2.恒压降模型（恒压降模型（offset model)二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为0.7V，只有当二极管的电流大于等于，只有当二极管的电流大于等于1mA时，才是正确时，才是正确的。的。vDiDvDiDVth 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.折线模型折线模型(piecewise linear diode model)认为其压降不是恒定的，而是随着二极管电流的认为其压降不是恒定

47、的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步的近似。的近似。rD近似为近似为 200。vDiDVth0.5VvDVthrDiD 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法4.小信号模型小信号模型(small signal model)当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。以把伏安特性看出一条直线。小信号模型的微变等效小信号模型的微变等效电阻电阻rd26（mv）/ID。vDiDvD D iD iDvDrD 3.4.2二极管电路的简

48、化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 应用举例应用举例1.整流电路整流电路二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大DRvOvs+-vsvO 应用举例应用举例 2.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时mA 93.0/)(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7.0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5.0th V（硅二极管典

49、型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDDD rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV（2）VDD=1V 时时（自看）（自看）+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVth+iDVDDvDR 3.限幅电路限幅电路 O +D VREF I +R 应用举例应用举例 vO +VREF vI +R D VD vO +VREF vI +R D 有一限幅电路如图所示，有一限幅电路如图所示，R=1k，VREF=3V,二极管为二极管为硅二极管。分别用理想模型和硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解一下两问：恒压降模型求解一下两问：（）（）vI=0V、4V、6V时，求时

50、，求相应的输出电压相应的输出电压vO的值；的值；（）当（）当vI=sinwt(V)时，绘时，绘出相应的输出电压波形出相应的输出电压波形 4.开关电路开关电路 应用举例应用举例+5VvI1vI2VCC&4.7k vO 5.低电压稳压电路低电压稳压电路+D iD VI VO iD vD +D+VI R VI 6.小信号工作情况分析小信号工作情况分析 应用举例应用举例求求 vD、iD R=5k VDDD +5V ID+VD iD vD +D+VDD DSD R=5k vi vi=0.1sin t VVDD=5V，VD0.7VID=(5-0.7)/5k=0.86mA静态分析静态分析vi=0动态分析动态