电子电路基础II-02

1电子电路基础II第二讲2014.3.62联系方式夏永祥Tel:87953815(office)TelMobile)Email:xiayx@Office:浙大玉泉校区行政楼5033课程提要课程名称：电子电路基础II（3学分）教材：《电路与电子线路基础(电子线路部分)》参考书：《模拟电子技术基础》第四版，清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编，高等教育出版社，2006年成绩比例平时成绩 30%期中考试 30%期末考试 40%4特别说明课件下载地址：/share/2673716密码：123456785二极管半导体基本知识二极管特性模型应用特殊二极管6半导体基本知识71

本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子8

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补(复合)，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。9本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。102N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。11P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。123.扩散和漂移载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动。漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的定向运动。13PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区14PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–15PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+16PN结变宽PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－17二极管阴极阳极符号DD理想二极管伏安特性单向的开关正向导通无压降反向截止无电流

18PN结二极管伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。如无特殊说明，都以硅管为例19反向饱和电流热电压，室温下=25mV正向偏置电压较大时反偏时PN结的电容效应用于高频小信号分析势垒电容PN结两端电压变化引起势垒区电荷数量的改变，类似于电容的充放电，从而显现电容效应正偏、反偏都起作用扩散电容PN结正偏时少数载流子的浓度变化，引起的电容效应PN结的电容特性可等效为一个非线性电容2021PN结二极管电路模型1.理想模型正向短路反向开路22优点：简单缺点：不够精细应用：简单、定性的场合或门与门232.实际模型或24优点：精确缺点：非线性，计算复杂应用：需要精确计算的场合，例如小信号25理想模型实际模型折中3.简化二极管模型普通的二极管等效为一个理想二极管、一个电压源和一个等效电阻的串联264.恒压降模型普通二极管等效为一个理想二极管和一个电压源的串联275.二级模型动态电阻与动态电容并联28齐纳二极管工作在反向击穿区域的二极管特点：反方向击穿后的伏安特性十分陡峭，即通过二极管的反向电流变化很大，而两端的电压变化很小参数稳定电压最大稳定电流最小稳定电流动态电阻29用途：稳压电路30二极管的应用逻辑门稳压整流器限幅钳位31或门与门逻辑门32稳压电路33整流器理想二极管整流原理：利用二极管的单向导电性常见的整流电路：

半波、全波、桥式分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。34

半波整流器

–++–aTrDuoubRLio2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。uDOutOuoO1)电路结构反峰电压PIV=U35

全波整流器

2)工作原理vs

正半周，二极管D1导通D2截止；

vs

负半周，二极管D1截止D2导通vot反峰电压PIV=2U36桥式整流电路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管

D1、D3

导通，D2、D4

截止。3)工作波形uD2uD41)电路结构－uouDttRLuiouo1234ab+–+–－u37滤波38直流稳压电源的原理方框图功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压小功率直流稳压电源的组成39二极管限幅电路

404142二极管钳位电路

二极管导通，二极管截止，43电压倍增器

C1,D1构成钳位电路，输出电压C2,D2构成整流电路44特殊二极管肖特基二极管快恢二极管：导通到截止的速度快很多正向导通压降较小变容二极管结电容随电压变化光电二极管导通电阻随接受到的光线强弱变化用于遥控器发光二极管（LED）电能转化成光能第三章双端口非线性器件和受控源4546双端口非线性电子器件前面讨论的二极管、非线性电阻等是二端器件，因此，它们的I-V特性数学上可以用一个非线性方程或一条曲线来描述。大多数有源器件是由三端点构成的双端口非线性电子器件。它们包括最早的电子三极管（triode）、双极型晶体三极管（BJT，bipolarjunctiontransistor）各种场效应三极管（FET，field-effecttransistor）。47单元电路的隔离单元电路之间需要隔离的理由之一：若不隔离，分压器的分压系数不等于各级分压系数的乘积两只分压器独立计算分压系数时，有：

(3.1)

两级分压器级联到一起的时候原因在于定义分压系数是隐含地假定了输入激励是理想电压源、没有内阻的。但实际上第二级分压器级联到第一级输出端时，第一级所提供的不是理想电压源，它是有内阻的。

48相对于第二级分压器的戴维宁等效电路总的分压系数kTotal小于两个单独分压器的分压系数的乘积k1k2

只有当时，kTotal才等于k1k2。a)分压系数很小，k1k2<<1b)低内阻，轻负载，满足，，

49三级分压器级联当几个分压器连接在一起时，有效的分压系数不等于原先孤立计算得到的分压系数的乘积。除了满足某些条件外，只能用隔离器件将各分压器完全隔离开来，才能达到总分压系数等于个分压系数的乘积。50若不隔离，多级电路的总频率响应不等于各种电路频率响应的乘积两级独立的RC低通型分压器的响应分别为：51按等效原理相对于第二级分压器画出的第一级分压器等效电路

结论52采用隔离器件，将两个分压器完全隔离开来如果没有隔离器件，上式就不成立。因为两个网络在相连处必然存在着耦合，彼此影响。无法分成H1和H2来分析，只能按照一个整体来设计总的频率响应为53六谐振回路集中选择性滤波器图中，五个耦合电容CM1CM5，将六个并联谐振回路耦合在一起。总的频率特性并不等于各谐振曲线的乘积，计算非常复杂。除非耦合电容很小，使得CM的电抗值远大于后级谐振回路的谐振阻抗Z，才有可能使总响应等于各响应的乘积。可是，减小耦合电容CM引起了分压系数的降低，整个网络衰减很大，输出很小，最后必须用放大器予以补偿。54采用隔离器件就能保证总的特性曲线等于各选择性曲线的乘积55实现行为隔离的基本要求之一：

单向传输性在线性无源网络中，单元电路的联接一般都用耦合元件。然而，线性耦合元件是双向传输的。前级的输出通过耦合元件激励后级，后级也通过耦合元件影响前级。故耦合元件的存在是前后两级紧密地结合在一起而无法分开的原因所在。为了实现前后级行为互相隔离，在前后级之间就不应该采用耦合元件，而应该采用隔离器件，保证前级的输出可以激励后级，而后级对前级无影响，这就意味着隔离器件的基本要求之一是单向传输性。

56隔离器件隔离器件基本特征的一般表达式为

隔离器件的示意图57隔离器件用于二个线性网络的联接代入后得58实现行为隔离的基本要求之二：

线性对所传输的信号呈现线性，即式中Gv定义为电压增益。于是总的响应59如果前级输出信号是电压形式，则隔离器的输入阻抗应当是无限大，即开路。如果前级输出信号是电流形式，则隔离器的输入阻抗应当是0，即短路。如果后级需要电压激励，则隔离器应当提供理想电压源，内阻为0。如果后级需要的是电流激励，则隔离器应当提供理想电流源，内阻无限大。实现行为隔离的基本要求之三：

对前级呈现理想化的负载，对后级提供理想激励源隔离器件有四种基本形式，涉及四种受控源。603.3受控电源我们介绍过独立电源，简称独立源（independentsource）。独立电压源的电压和独立电流源的电流都是恒定值或是确定的时间函数。电路中除了含有独立电源外，还往往含有受控电源（controlledsource）。受控电压源的电压和受控电流源的电流不是独立的，而是受电路中某支路的电压或电流控制的，所以也称为非独立源（non-independentsource）。这些非独立源是人为设计的、作为构造电路的基本元件。60电子三极管原理阴极与灯丝是分离的。在阴极和阳极之间加入第3个被称为“栅极”(grid)的电极。实际器件中，栅极就是在阴极附件笼罩或者环绕的一种类似于“栅栏”结构的金属细丝。三极管的核心功能正是由于栅极的引入而实现。61当栅极不加电压时，在阳极工作电压Vbb作用下，电子三极管就如同一个电子二极管一样工作。注意的是，由于实际上是电子自阴极飞向阳极，而没有任何载流子（电子或正离子）从阳极飞向阴极，所以电子三极管具有单向导电性，满足隔离器的要求。首先，由于栅极金属丝很细，金属丝之间的空隙很大，当栅极不加电压时，对管子电流的影响很小三极管的阳极电压与电流的关系与电子二极管类似。现在，电源Vcc通过电阻Rg将一个负电压加到栅极金属上，该负电压将阻止阴极周围逸出的电子到达阳极，从而导致ia减小。将一个小信号交变电压vi叠加到Vcc上，产生一个vg=vi的变化量，阳极电流中就有一个随vg变化的电流ia。这种情况下，变化的阳极电流ia是一个受栅极小信号电压vg控制的交变电流源。因此，电子管的小信号理论模型就是一个电压控制电流源。62作为受控电流源，电真空三极管的小信号阳级电流ia与栅极电压vg的基本关系是：

ia=gm×vg

由于式中gm具有电导的量纲，且起到由栅极电压“跨越到”阳极电流的作用，故被称为跨导。特别需要注意的是，当RL电阻值足够高时，阳极电流在负载上产生的小信号交变电压vo就会高于作用在栅极的小信号交变控制电压vi。正因为如此，电子三极管一问世，就成为第一代电子线路的主角。戴维宁定理63643.3.1受控源电路图由电子三极管的受控源模型出发，人们以输入的电压或电流为控制（controlling）变量，输出的电压或电流为受控（controlled）变量，构造出了四种类型的受控源，用来构建电子管、双极晶体管和场效应晶体管等多种有源电子器件的等效电路。(a)电压控制电压源（VCVS），(b)电压控制电流源(VCCS)，(c)电流控制电压源（CCVS），(d)电流控制电流源（CCCS）6465三端的受控源必须指出，在众多的电子器件中，有一大类器件的模型或等效电路是属于右上图所示四端元件。但是，也有许多器件，端点b与端点d是连接在一起的，如右下图所示。

电流控制电流源的联接66即由此可见，在CCCS三端元件中，从公共连接点流出来的电流是输入电流的（1+β）倍。67受控源的放大功能

——不接入受控源，将信号源直接馈送给负载如果不接受控源，负载RL上可以获得的电压负载可以获得的功率受到最大功率传输条件（RL=Ri）的限制，不可能超过负载可以得到的最大功率的四分之一。68受控源的放大功能若将KVL应用于输入回路，

就有因为受控源的输入端是开路的，I=0，故vi=v1

因为负载上的输出电压vo，总是等于电压源上的电压，故受控源参数μ>1，则图电路就是放大器，若μ<1，则该电路就是衰减器，衰减了输入信号。 69接入受控源接入受控源后，负载RL可以获得电压vo与RL和信号源内阻Ri均无关，只取决于增益μ受控源传输给负载的功率 与信号源内阻Ri无关。这就说明了负载可以得到的功率不受最大功率传输条件（RL=Ri）的限制，原则上可以给出无限大的功率。受控源是某种电子器件的一种模型，这种电子器件必须要有外部电源才能工作的。而且外部电源所提供的功率还必须大于受控源所给出的功率。70电压控制电流源实现放大功能受控源的输出是电流在负载上产生的输出电压电压增益只要跨导负载与负载的乘积gRL>1，就有电压放大能力。式中的负号说明了输出电压的极性正巧同输入信号相反。故VCCS放大器是一种反相器。71用CCVS构成的放大器输入端是短路，全部信号电流 将流进受控源，因此在负载上产生的输出电压电流电流增益只要跨阻r大于负载电阻RL，就有电流放大作用。72放大的基本概念：无源线性网络均无放大能力线性电阻电路没有放大信号的能力，它只能衰减信号。变压器的输出电压与匝数成正比，故在电压提升的同时，却降低了输出电流。换言之，变压器的电压增益是以电流的衰减为代价的。串联谐振电路在谐振时电抗元件上的电压是激励电压的Q倍，似乎也有电压增益。然而，当电压从电抗元件上输出时，内阻却增加了Q2倍，没有功率增益。任何无源线性网络均无放大能力，只可能从事阻抗变换。电压增大，电流就减小，反之，要电流增大，电压就得降低。无源电路，满足功率守恒原则，而且在变换过程中，只可能增加功率损耗，故功率增益是不可能有的。73放大的基本概念：负载与信号源之间必须隔离一个没有功率增益的放大器(amplifier)，虽然会有电压增益，升高了电压，但是不能提供足够大的电流，一旦加入负载，输出电压就会大幅度降低，因此无法用于信号的放大。所以，从放大信号的要求来看，一个放大器必需要有功率增益，这就要求负载的信号功率不应当全部来自信号源。负载与信号源之间必须隔离。负载所需的功率应由另一个电源来提供，而这个电源的输出功率的变化应当反映输入信号的波形变化。显然，这个电源应当是由输入信号控制的，是一种单向传输的受控源，它只允许输入信号控制受控源的输出，却不允许把负载产生的效应反作用于信号源。74关于放大的重要结论单向传输是能否取得功率增益的关键。受控源是一种非独立电源，其功率和能量是由直流电源转化来的。凡是含有受控源的电路都是有源电路。受控源只是一种电路模型，它代表着有源器件在工作区域内的主要行为。分析这种电路可以用来验证相应的电子线路的功能。有源电路的计算含有受控源的电路同样遵循基尔霍夫定律。受控源作为四端或三端元件，以两条支路的形式联接到整个电路中，运用受控源的基本关系，建立电路变量之间的关系，修改了电路方程，同样可以解出全部电路变量。7576有源电路计算举例2. 受控源输出3. 输出电压4. 电压增益一个含CCCS电路 求电压增益受控源输入计算下图电路a、b两端间的输入电阻在a端注入一个测试电流i1，计算在a、b间所产生的电压vi，最后求等效的输入电阻。流过RL的电流是i1的(1＋β)倍RL上的电压，也就是输入端的电压vi=RL(1＋β)i1输入电阻为计算下图含一个VCVS电路的输出特性该电路的特点是，负载RL接在VCVS的输出端，输出电压vo又反馈到输入端，与输入信号vi在一起决定VCVS的控制电压，控制受控源的输出。当RL断开后输出回路不通，故开路电压为而解得计算输出特性的最好办法是采用戴维宁等效电路，首先将负载RL断开，计算开路电压。再计算等效内阻RT短路电流ios故等效内阻为上图的戴维宁等效电路如下图所示。在这里我们进行计算的电路是一个运算放大器的模型，R0大约是100Ω左右，μ>105，那么计算得到的等效内阻为RT=1mΩ。既然内阻那么小，则输出电压vo就等于等效电压。由于μ达到105，故电压增益为1，但输出电阻非常小，允许供应很大的电流，故有较大的功率增益，这类放大器通常也称之为电压跟随器。80独立电源联接关系的约束不同电压值的电压源是可以串联的，但不能并联，因为不同电压值的电压源并联后，发生了冲突，也不能满足基尔霍夫定律，vab没有定义81独立电源联接关系的约束不同电流值的电流源可以并联，但不能串联，因为不同电流值的电流源串联后，也发生冲突，在x点上，流进的电流不等于流出的电流，不满足KCL。82受控源联接关系的约束凡是电压源无论是哪种受控电压源均可以串联，但是绝不可以并联凡是电流源无论是哪种受控电流源均可以并联，但绝对不能串联83受控源的链接——VCVS层次链接链接是受控源所特有的,独立电源只存在连接关系而不存在链接关系。全部代入得这是一个新的层次链接的VCVS，它的电压放大倍数近似为各个μ值的乘积受控源的链接——CCCS层次链接由图可知：全部迭加后得可见，这个新的层次链接的CCCS具有很大的电流放大倍数，近似为各β值的乘积。这个新的CCCS实际上就是复合晶体管，或叫Darlington管。84链接次序改变的影响由图可知从v3的公式可以看出，受控源的输出又反馈到输入控制端变为控制信号，故代入1公式，得通常，

2>>1，于是上式变为可见，当受控源不按层次次序链接时，由于颠倒了次序，出现反馈，降低了增益。

85链接极性改变的影响如果将中间的VCVS改变极性，由右图可知由于中间的VCVS改变了极性，中间的公式

2

v

3项改变了符号，解得代入v

4公式，得通常，

2>>1，于是上式变为与一样。这就意味着哪个VCVS的极性改变对增益几乎是没有影响，可见，受控源的链接关系比连接关系更重要。

8687反馈概念的产生反馈是系统论和控制论的一个基本概念，系统和控制过程通过反馈实现稳定运行。反馈也是自然界和人类社会运动和发展过程中的基本机制之一，是防止走向极端、达到和谐的基本途径。在电路系统中，反馈概念的产生是与受控源相关联的，进而演变成为了改善电路性能而引入的一项技术。88反馈的定义与电路结构习惯上，人们把”电路”输出信号中的部分（或全部）返回输入端，作为输入信号的一部分重新进入电路，从而影响整个电路的性能。89反馈电路中对“电路”和“反馈网络”提出要求和限制：

非反馈电路“电路”是一线性无源网络，T型低通滤波器“反馈网络”是一个电阻 去掉虚线框后是一个桥T网络，仍是线性无源网络，并没有体现出输出信号中有部分返回输入端，作为输入信号的一部分重新进入电路。不存在反馈。“电路”是一线性有源网络“反馈网络”是一个电阻

该电路原是一个线性有源网络，若将“反馈”电阻合并进去，仍是一个线性有源网路，没有什么特殊。不存在反馈。

“电路”是一非线性网络，桥式整流器“反馈网络”是一个电阻“反馈”电阻实际上是并联在一个二极管上的，不存在反馈概念。90反馈电路中对“电路”和“反馈网络”提出要求和限制“电路”是一个含有受控源的电路，一个PNP型晶体管。“反馈网络”是一个电阻。 “电路”本身是一个含有受控源的电路，是单向传输的电路。在该“电路”中只有输入信号被传输给负载，却没有负载反作用。外面的电阻接入后，负载对信号源的反作用就出现了，输出中的部分信号经电阻返回到输入端作为输入信号的一部分重新进入电路，从而影响整个电路的性能。所以，这是一个含有反馈的电路。

91由单向传输电路和反馈网络构成的反馈电路与信号流图是输入信号，是反馈信号，称为净输入信号92反馈的基本方程式反馈基本方程式是说明有反馈时电路的传递函数与无反馈时传递函数之间关系的表达式开环放大倍数

反馈系数

闭环放大倍数

由于，所以有环路增益：反馈深度：93下标中，第一个v代表位于分子上的输出信号是电压量；第二个v表示位于分母上的信号是电压量；第三个f表示是有反馈的增益，没有f表示是开环情况下的增益或反馈系数。94反馈的组态及判断方法：负反馈和正反馈反馈的组态是指反馈是正反馈还是负反馈；是电压反馈还是电流反馈；是串联反馈还是并联反馈；是直流反馈还是交流反馈。根据放大和反馈电路的相位-频率特性，反馈系统可以形成两种特性的反馈：(1)负反馈：加入反馈后净输入