电子线路基础绪论王成华PPT学习教案

1、会计学1电子线路基础绪论王成华电子线路基础绪论王成华一、电子线路基础课程的 重要性及其的基本概念二、本课程的主要内容三、电子电路的 学习特点等四、主要参考书籍第1页/共82页本课程的地位： 本课程是信息和电子类专业的主要技术基础课，也是各类实用电路的基础之一。本课程的作用与要求： 本课程的目的是使学生掌握常用的非线性半导体元器件的特性及使用技术；以及对这些元器件组成的各种放大电路进行原理和性能的分析；重点掌握电路的基本分析方法、工程计算方法及思路。同时，对其他相关的低频功能电路进行初步的讨论和分析。为日后学习专业课程或把握非线性电路的作用，以及深入到电子电路某方面的研究打下坚实的基础。第2页/

2、共82页指由各种电子元器件构成的、并能对电信号实现某种处理功能的电路。电子器件 + 外围电路二极管、三极管、场效应管、 集成电路。直流电源、电阻、电容、电流源电路等。第3页/共82页电子线路按电路的工作频率可分为：低频电子电路（工作频率小于3MHz)和高频电子电路；电子电路按电路的分析方法可分为：线性电子电路和非线性电子电路；低频电子电路的分析方法多数属于线性分析方法，因而又称为线性电子电路。高频电子电路主要分析对通信系统中的基本组成电路的基本组成、基本分析方法等进行分析，其分析方法多数属于非线性分析方法，因而又称非线性电子电路。第4页/共82页n平时成绩：三部分组成：作业占平时成绩：三部分组

3、成：作业占50%，课堂和签到卡占，课堂和签到卡占50%。课堂。课堂回答问题或者上黑板做题全对一次回答问题或者上黑板做题全对一次加加5分，回答了不是全对加分，回答了不是全对加3分。分。第5页/共82页第6页/共82页第7页/共82页PN正极负极即分析方法第8页/共82页半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子第9页/共82页 硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和锗共价键结构示意图：共价键第10页/共82页 本征激发q 共价键具

4、有很强的结合力。 当T=0K（无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。q当T升高或光线照射时产生自由电子空穴对。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。第11页/共82页 当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。 当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子 带负电半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空 穴 带正电第12页/共82页本征半导体中本征激发产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量复合。温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值

5、上达到动态平衡。 用ni和pi分别表示一定温度下本征半导体中自由电子和空穴的热平衡浓度，有 ni=piT导电能力ni或光照热敏特性光敏特性 半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有一种重要的特性就是掺杂性，即在本征半导体中加入微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加杂质后的半导体称为杂质半导体。第13页/共82页v N型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子自由电子少子空穴自由电子第14页/共82页v P型半导体+4+4+3+4+4简化模型：P型半导体少子自由电子多子空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温

6、度。多子浓度取决于掺杂浓度。第15页/共82页 利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。 P型掺杂N型E内PN结形成的物理过程:因多子浓度差产生空间电荷区引起多子扩散出现内建电场阻止多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡第16页/共82页注意： PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。 内建电位差：)ln()npln(2idaT2inpTnNNVnVV 注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差 越大，阻挡层宽度 l0 越小。V室温时锗管 0.2 0.3V硅管 0.5 0.7VVV室温下：mVV26T第17页/共8

7、2页 PN结的特性只有在外加电压情况下才能表现出来，且只有在外加电压作用下才能被我们所利用，其基本特性为单向导电性（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有击穿特性、温度特性、电容特性。第18页/共82页E外I 是正向偏置的简称，正向偏置是指给PN结的P端接电源的“+”极，N端接电源的“-”极的一种接法。而PN结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时所表现出的特性PN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通电压V 电流I 第19页/共82页 是反向偏置的简称，反向偏置是指给PN结的P端接电源的“-”极，N端接电源的“+”极的一种接法。而PN结的反偏特性

8、就是给PN结加反偏电压时所表现出的特性。E外PN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流ISPN结截止IS与V 近似无关。温度T 电流ISIS第20页/共82页即正向导通，反向截止。 PN结伏安特性方程式) 1(TSVVeIIqkTV T热电压 26mV（室温）其中： IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时： TSVVeII 反偏时： SII分析方法第21页/共82页ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)= 0.7VIS=(10-910-16)A硅PN结VD(on)= 0.25V锗PN结IS=(10-610-8)A

9、V VD(on)时 随着V 正向R很小 I PN结导通；V 6V) 形成原因: 碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因: 场致激发。 发生条件PN结掺杂浓度较高 (lo较窄)外加反向电压较小( CB ，则 CJ CD即以扩散电容为主 PN结反偏时，CB CD ，则 CJ CB即以势垒电容为主通常：CB 几PF 几十PF, CD 几十PF 几千PF。第24页/共82页 晶体二极管的内部结构就是一个PN结。因而它们的伏安特性相似，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型： 适于任一工作状态的通用曲线模型 便于计算机辅助分析的数学模型直流简化电路模型交流小信号电路模型 电路分析时采用的

10、第25页/共82页数学模型伏安特性方程式) 1e (TSVVII理想模型：RS 体电阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻其中：n 非理想化因子I 正常时: n 1I 过小或过大时: n2注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS理想IS。曲线模型修正模型：) 1e (TSRSnVIVII)II1 (lnVnRIVSTS第26页/共82页V(BR)I (mA)V(V)VD(on)-IS当V VD(on)时 二极管导通当V 0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其

11、工作状态。例子第32页/共82页图(a)，假设D开路，则D两端电压： VD=V1V2= 6 12= 18 0V， VD2=V2(V1)=15V 0V 由于VD2 VD1 ，则D2优先导通。此时VD1= 6V 2V时，D导通，则vO=vivi 2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。 +-D+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026第34页/共82页 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤： 将直流电源短路，画交流通路。 用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。 利用小信号等效电路分析电压与电流的变化

12、量。 第35页/共82页 利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。 稳压二极管的要求：Izmin Iz 基区：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。q 基区的作用：将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。 基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。q 集电结反偏、且集电结面积大：保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。总结第46页/共82页PNN+- +- +V1V2R2R1IEnIBpIBnICnICBOIEIE= IEn+IBpICIC=ICn+ICBOIBIB= IEp+IBn -ICBO = IBp+(

13、IEn-ICn) -ICBO =IE -IC各极电流间的关系第47页/共82页BCECBOBpBnBCnIICBOCnCEnIIBpEnEIIIIIIIIIIIIIIICBCnBpEn0由图得三个电极的电流为：常用Icn和IEn的比值来衡量管子的质量1ECEnCBOCIIIIIIIEncn且令1ECBOECIIII BCBOBCIIII ）（ 1BEII)1 ( 1CBOCEOII)1 ( 表示，受发射结电压控制的基极电流IB，对集电极电流IC的控制能力。第48页/共82页3、 三极管特性具有正向受控作用 即三极管输出的集电极电流IC ，主要受正向发射结电压VBE的控制，而与反向集电结电压VC

14、E近似无关。 注意：NPN型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。 V1NPP+PNN+V2V2V1+ - + - - + - + IEICIBIEICIB第49页/共82页 伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。 (三极管有三种组态，以共发射极为例）IB= f1E ( VBE )VCE = 常数IC= f2E ( VCE )IB = 常数共发射极输入特性：输出特性：IC+-TVCEIBVBE+-第50页/共82页q 观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从那个电极取出，此外的另一个电极即为组态形

15、式。 三极管的三种连接方式三种组态BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB（共发射极）（共基极）（共集电极）q 放大电路的组态是针对交流信号而言的。返回特性曲线第51页/共82页 共基极直流电流传输方程BCEBTICIE直流电流传输系数： ECECBOCIIIII直流电流传输方程： ECBOECIIII 共发射极直流电流传输方程ECBETICIBBCBOBCIIII ）（ 1 若忽略ICBO，则：BCCnECnIIIII 可见， 为共发射极电流放大系数。 表示，受发射结电压控制的基极电流IB，对集电极电流IC的控制能力。返回三种组态第52页/共82页VCE =0IB /AVBE

16、/VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO +ICBOq VCE一定：类似二极管伏安特性。q VCE增加：正向特性曲线略右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基区宽度调制效应注：VCE0.3V后，曲线移动可忽略不计。因此当VBE一定时：VCEVCB 复合机会 IB 曲线右移。返回特性曲线第53页/共82页q 饱和区（ VBE 0.7V，VCE0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点条件发射结正偏集电结反偏VCE曲线略上翘具有正向受控作用满足IC= IB + ICEO返回输出特性曲线说明IC /mAVCE /V0VA上翘程度取决

17、于厄尔利电压VA上翘原因基区宽度调制效应（VCE IC略）第55页/共82页在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的)1 (eACESCTBEVVIIVV修正方程：基宽WB越小调制效应对IC影响越大则VA越小。 与IC的关系：IC0在IC一定范围内 近似为常数。IC过小使IB造成 。IC过大发射效率 造成 。考虑上述因素，IB等量增加时，ICVCE0输出曲线不再等间隔平行上移。返回输出特性曲线第56页/共82页q 截止区（ VBE 0.5V， VCE 0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点：条件： 发射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为

18、IB0以下区域 严格说，截止区应是IE = 0即IB = -ICBO以下的区域。 因为IB 在0 -ICBO时，仍满足CBOBC)1 (III返回输出特性曲线第57页/共82页q 击穿区特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随IB的增大而减小。注意：IB = 0时，击穿电压为V(BR)CEOIE = 0时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = -ICBO (IE = 0)V(BR)CBO返回输出特性曲线第58页/共82页ICVCE0V(B

19、R)CEOICMPCM 最大允许集电极电流ICM（若ICICM 造成 ） 反向击穿电压V(BR)CEO（若VCEV(BR)CEO 管子击穿）VCE PCM 烧管）PCPCM 要求IC ICM 返回输出特性曲线第59页/共82页q 温度每升高1C， / 增大（0.5 1）%，即：q 温度每升高1 C ，VBE(on) 减小（2 2.5）mV,即：q 温度每升高10 C ，ICBO 增大一倍，即：101CBO2CBO122)()(TTTITI005. 0(TC/ )01. 0 2(BE(on)TVC/mV) 5 . 2 第60页/共82页 1、电流放大系数 见书上P25 2、极间反向电流(1)反向

20、饱和电流ICBO(2)穿透电流ICEO 3、极限参数第61页/共82页 放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。 三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是混合型小信号电路模型。第62页/共82页基区体电阻发射结电阻与电容集电结电阻与电容反映三极管正向受控作用的电流源由基区宽度调制效应引起的输出电阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce第63页/共82页 若忽略rbc影响，整理即可得出混电路模型。rbercecbccberbbb

21、cegmvbebibic 电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic第64页/共82页 rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。 rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。CQQEEBBEQBEB26)1 ()1 (Iriviiivreeb 跨导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导。 CQeEBEECQEBC5 .38 Irviiivigm rce三极管输出电阻，数值较大。RL 0.3V放大模式若VE0.3V饱和模式第73页/共82页解：假设T工作在放大模式 A53BBE(on)CCBQRVVImA59. 1BQCQIIV4

22、1. 4CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k100kT因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 第74页/共82页解：假设T工作在放大模式 A530BBE(on)CCBQRVVImA9 .15BQCQIIV9 . 9CCQCCCEQRIVVVCCRCRB(+6V)1k10kT因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在饱和模式。mA7 . 5CCE(sat)CCCSRVVIV3 . 0CE(sat)CVV第75页/共82页解：所以三极管工作在截止模式 。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+ -VBBRBBRC+ -VCCV12. 0B2B1CCB2BBRRVRVk95. 1/21