嵌入式硬件设计基础第二讲(新修订).ppt

嵌入式硬件基础,第二讲模拟电子技术,主要内容,2.1半导体器件2.2三极管放大电路2.3场效应管放大器2.4多级放大电路,2.1半导体二极管,2.1.1PN结的形成与特性1PN结的形成在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴(带正电荷的载流子)数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。注意：不论N型半导体还是P型半导体都是电中性，对外不显电性。,当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。如图1.1.1（b）所示。在结的区一侧带负电，区一侧带正电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区，如图.1.1（b）所示。,2.PN结的特性1）PN结的正向导通特性给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置，如图1.1.2（a）所示。这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。2）PN结的反向截止特性,给PN结加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称PN结反向偏置，如图1.1.2（b）所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流IR很小，是少数载流子运动形成的。将一个PN结加上相应的两根外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装就成为最简单的二极管。其中，正极从P区引出，为阳极；负极从N区引出，为阴极。根据所用材料不同，二极管可分为锗管和硅管。,2.1.2二极管的结构及符号半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如下图所示。,不同结构的各类二极管,下图所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。,二极管的符号,如何检测二极管的正负极,一般来说，整流型二极管实物的负极（N极）有银环，如果二极管表面磨损，也可用数字万用表进行测量，测量方法如下：将万用表设置成200K或2M档，用红、黑表笔接二极管的两端测试，记录显示数值；再交换红、黑表笔接到二极管的两端测试，再次记录显示数值。比较两次数值的大小，显示数值小的那一次，红表笔接的是二极管的正极，黑表笔接的是二极管的负极。,常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，下面所示为几种常见的二极管外形。,1.二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。,2.1.3二极管的伏安特性及主要参数,1）正向特性当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。以上是二极管的正向特性。,2）反向特性当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。以上是二极管的反向特性。,2.二极管的温度特性二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。如下图所示为温度对二极管伏安特性的影响。,温度对二极管伏安特性的影响,随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数,3.二极管的主要参数（1）最大整流电流IF最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。（2）反向击穿电压UBR反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。（3）反向饱和电流IS它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。,整流型二极管,所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。,整流型二极管的钳位作用,二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路，如下图所示：图中，若A点UA=0V，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0.7V左右，即UF0.7V。,1.5.3特殊二极管1.稳压二极管稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区。,（1）稳压管的伏安特性和符号下图所示为稳压管的伏安特性和符号。,稳压二极管的伏安特性和符号,（2）稳压管的主要参数稳定电压UZ。它是指当稳压管中的电流为规定值时，稳压管在电路中其两端产生的稳定电压值。,稳定电流IZ。它是指稳压管工作在稳压状态时，稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大稳定电流IZmax之分。耗散功率PM。它是指稳压管正常工作时，管子上允许的最大耗散功率。,稳压二极管用来构成的稳压电路，如下图所示。UI是不稳定的可变直流电压，希望得到稳定的电压UO，故在两者之间加稳压电路。它由限流电阻R和稳压管VDZ构成，RL是负载电阻。,2.发光二极管发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。目前发光二极管的颜色有红、黄、橙、绿、白和蓝6种，所发光的颜色主要取决于制作管子的材料，例如用砷化镓发出红光，而用磷化镓则发出绿光。其中白色发光二极管是新型产品，主要应用在手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。,3.光电二极管光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。下图所示为光电二极管的基本电路和符号。,光电二极管的基本电路和符号,4.变容二极管图所示为变容二极管的符号。此种管子是利用PN结的电容效应进行工作的，它工作在反向偏置状态，当外加的反偏电压变化时，其电容量也随着改变。,变容二极管的符号,5.激光二极管激光二极管是在发光二极管的PN结间安置一层具有光活性的半导体，构成一个光谐振腔。工作时接正向电压，可发射出激光。激光二极管的应用非常广泛，在计算机的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，激光唱机，激光影碟机中都有激光二极管。,1.5.4二极管的参数,(1)最大整流电流IF,(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3)反向电流IR,(4)正向压降VF,(5)极间电容CB,二极管应用举例,（1）二极管整流电路,（2）二极管限幅电路,限幅利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。图1.1.6(a)为一正负对称限幅电路，设输入电压ui=10sint(V),Us1=Us2=5V。当-Us2Us1时，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。,当uiUBUE；（d）对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。饱和区三极管工作在饱和状态时具有如下特点：（a）三极管的发射结和集电结均正向偏置；（b）三极管的电流放大能力下降，通常有IC=Vbe,Ic=Ib,Ie=(+1)Ib.三.饱和区Vbe=0.7V,Vce=0.2V,VcVc,Ic=Ib,Ie=(+1)Ib.三.饱和区Veb=0.7V,Vec=0.2V,VcVb,Ic=Ib,Ie=(+1)Ib.,如下图所示，已知晶体管参数=100，Vbe(on)=0.7V，如果晶体管偏置在饱和区，且设Vce(sat)=0.2V。计算Vce、Ib、Ic、Ie。,解：因为RB的输入端施加了+8V的电压，则基极-发射极结必然正向偏置，所以晶体管开启，Ib=(8-Vbe(on)/RB=(8-0.7)/220000=0.0332(mA)假设晶体管处于放大状态，则Ic=Ib=3.32(mA),此时，Vce=Vcc-IcRc=-3.28V而在放大状态时，Vce不可能为负值，所以假设不成立，那么晶体管只可能处于饱和状态。则此时，Vce(sat)=0.2VIc=(Vcc-Vce(sat)/Rc=(10-0.2)/4000=2.45(mA).Ie=Ic+Ib=2.4832(mA).,例：已知电路如下图所示，晶体管参数为VCE(sat)=0.2V,VBE(ON)=0.7V和=100，试分析晶体管的工作状态，并求VO、VCE、IB、IC和IE。,例如何控制两端子，使电机实现正、反转和停,特殊三极管1.光电三极管光电三极管又叫光敏三极管，是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管，光电二极管的电流相当于三极管的基极电流。从结构上讲，此类管子基区面积比发射区面积大很多，光照面积大，光电灵敏度比较高，因为具有电流放大作