第一章第一二节新教材

第一章第一二节新教材第1页，共57页，2023年，2月20日，星期三信号:

信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包括光信号、声信号和电信号等。其中，电信号是指随时间而变化的电压u或电流i，u=f(t)或i=f(t)。电信号容易传送和控制，应用广泛。也是本门课程研究是重点。第0章

预备知识信号可分为:

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。第2页，共57页，2023年，2月20日，星期三

模拟信号无处不在，在自然界中能够提取到的未经处理的信号，几乎都是模拟信号,如：说话的声音、一天中室内的温度、交流电传输线路中的电压、等等这些都是模拟信号。

模拟电子技术就是一门对产生、处理模拟信号的电路即模拟电路进行研究的课程。其中所涉及到的模拟信号，在本门课程中只涉及到模拟电信号。在本门课程中，我们首先将会学习到一些典型的，重要的模拟电子器件，他们是：二极管、三极管、场效应管、运算放大器等。之后，我们将介绍一些基本的模拟电路,并对其做进一步的分析研究，这些电路包括：基本放大电路、运算放大器电路、负反馈放大电路、低频功放电路、电源电路等。第3页，共57页，2023年，2月20日，星期三对象温度、湿度等物理信号模拟电信号信号提取信号预处理信号驱动信号加工传感器、红外接收器等隔离、滤波、放大调制解调转换放大、隔离等信号执行运算比较信号运算执行，控制器件

在我们学习过典型的模拟电路之后，结合其他所学课程，就可以完成一个完整的模拟信号处理系统。一个完整模拟信号处理系统框图如下所示：第4页，共57页，2023年，2月20日，星期三1半导体器件2基本放大电路3集成运算放大电路4

放大电路的频率响应5负反馈放大电路6信号处理与波形产生电路7低频功率放大器8直流电源课程内容

56学时

3.5学分6学时12学时8学时4学时8学时8学时4学时6学时考核形式期末闭卷笔试成绩占80%选择填空等客观题40%分析计算等占60%平时成绩占20%第5页，共57页，2023年，2月20日，星期三第1章半导体器件1.1半导体器件的基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管第6页，共57页，2023年，2月20日，星期三物质按导电性能可划分为：导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属元素。导电率为105S.cm-1量级。导电能力强。

绝缘体：一般为高价元素，如：橡胶、云母、塑料等。导电率为10-22~10-14S.cm-1量级。导电能力弱。半导体：一般为四价元素，如：硅（Si）锗（Ge）等。导电性能介于导体和绝缘体之间。且导电能力随条件变化。1.1.1半导体材料1.1半导体器件的基础知识第7页，共57页，2023年，2月20日，星期三半导体物质特性：掺入杂质则导电率显著增加掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏器件光照不仅大为增加导电率还可产生电动势光照特性光敏器件、光电器件第8页，共57页，2023年，2月20日，星期三完全纯净、结构完整的半导体晶体被称为本征半导体。本征半导体晶体内所含的原子为硅（Si）或锗（Ge）原子、其简化的原子结构如右下图所示：本征半导体在物理结构上呈单晶体形态。（见左下图）1.1.2本征半导体本征半导体：本征半导体的晶体结构Si+14284Ge+3228184+4常见本征半导体原子的结构简化模型第9页，共57页，2023年，2月20日，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+41.在T=0K，且无外部激发能量时：本征半导体的导电特性:常见本征半导体晶体结构平面示意图本征半导体内部没有能够运载电荷、自由移动的带电粒子，即载流子，此时本征半导体呈绝缘特性。第10页，共57页，2023年，2月20日，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+42.在有外部激发能量（如温度升高，光照）时，本征半导体内部产生本征（热）激发现象：挣脱原子核束缚的电子称为自由电子，在本征（热）激发下形成带负电荷的载流子。留下的空位称为空穴，成为带正电荷的载流子。本征半导体的载流子在外加电场的作用下可定向移动形成漂移电流。共价键内的电子称为束缚电子第11页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.载流子在外电场的作用下，定向移动形成的漂移电流由以下两种电流组成：空穴电流：电子电流：由带负电的，运动方向与外电场方向相反的电子流形成。由带正电的，价电子递补空穴运动形成的，与外电场方向相同的空穴流形成。电子流和空穴流方向相反，所形成的电子电流和空穴电流方向相同，两者之和即为漂移电流。1.在本征半导体中，一方面由于热激发，自由电子-空穴对不断产生；另一方面，自由电子在运动过程中又会不断地填补空穴从而使自由电子-空穴对消失，这一过程称为复合。

第12页，共57页，2023年，2月20日，星期三3.本征半导体漂移电流的大小，取决于可用于导电的载流子的浓度。一定温度下，激发和复合作用相对平衡，载流子浓度一定。载流子浓度受温度影响很大（可以证明成指数变化规律），与电场强度无关。4.本征半导体只能由本征（热）激发获得载流子，其浓度很小，得到的漂移电流也很小。导电性能不强。

为了改善并控制本征半导体的导电性能，人们在本征半导体内参入了杂质，得到杂质半导体。第13页，共57页，2023年，2月20日，星期三杂质半导体N（电子）型半导体(掺入的五价元素如P、Se等)1.1.3杂质半导体P（空穴）型半导体(掺入的三价元素如B、Al、In等)

杂质半导体：掺入了杂质的半导体被叫做杂质半导体。被掺入杂质越多，导电性能越强。第14页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.N型半导体:+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素，如P自由电子是多数载流子（多子）空穴是少数载流子（少子）杂质原子提供由本征（热）激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子第15页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.P型半导体:+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如B自由电子是少数载流子空穴是多数载流子杂质原子提供由本征（热）激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。第16页，共57页，2023年，2月20日，星期三

多子受温度的影响很小,在杂质半导体，掺入杂质的浓度决定了多子的浓度，也就控制了杂质半导体的导电性能；

少子是本征激发形成的，尽管其浓度很低，却对温度非常敏感，这一特性既可以让我们用其制作光敏器件和热敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。

第17页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.1.4PN结1.PN结的形成P型半导体和N型半导体紧密接触在一起，在接触面形成PN结。1、载流子因浓度不同而有“扩散运动”，形成“扩散电流”。P型

N型空间电荷区4、内电场促进少子（少数载流子）的“漂移运动”，形成“漂移电流”。

内电场EPN结势垒区3、正负离子电荷在空间电荷区中形成由N区指向P区的“内电场”。内电场阻挡多子（多数载流子)扩散(阻挡层、势垒区)。2、电子空穴在扩散中在交界面附近复合，在P区留下不能移动的负离子；在N区留下不能移动的正离子。形成“空间电荷区”。因多数载流子已耗尽，又叫“耗尽层”。

5、开始时，扩散运动较强，漂移运动较弱，随着扩散的进行，空间电荷区加宽、内电场加强，阻碍扩散运动、增强漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡，漂移电流等于扩散电流时，稳定的空间电荷区，即PN结形成。第18页，共57页，2023年，2月20日，星期三形成空间电荷区，产生内电场浓度差使多子做扩散运动扩散，漂移动态平衡，形成PN结内电场阻碍多子继续扩散，加强少子漂移运动PN结形成过程流程图：第19页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.PN结的单向导电性刚刚所讨论的PN结处于平衡状态，称为平衡PN结。如在PN结两端外加不同方向电压，就会破坏原平衡，呈现出单向导电性。

P型

N型空间电荷区内电场EPN结+-1、外加正向电压形成外电场，内外电场方向相反。内电场被削弱。2、外电场使多子趋向分界面的空间电荷区与离子中和。结果使空间电荷区离子层变薄，势垒降低。3、势垒降低后，便会有大量的多子越过空间电荷区作扩散运动形成较大的正向扩散电流。外电场正向电压有较大正向电流，且随着正向电压的增大而增大，此时PN节电阻很小。（1）外加正向电压第20页，共57页，2023年，2月20日，星期三(1)在PN结外加上正向电压时：PN结正偏（P(+),N(-)）时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通。正向电流随着正向电压的增大而增大第21页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.PN结的单向导电性P型

N型空间电荷区内电场EPN结+-1、外加反向电压形成外电场，内外电场方向相同，内电场被增强。2、外电场使多子远离空间电荷区，结果使空间电荷区离子层变厚，势垒增加。

3、势垒增加使扩散电流很快减到零。只剩下漂移电流。漂移电流由少子形成，其值很小，温度一定时，大小一定。不随外加电压改变。固又叫反向饱和电流。外电场反向电压（2）外加反向电压有很小的漂移电流，即反向饱和电流，其值不随反向电压而改变，此时PN结电阻很高。第22页，共57页，2023年，2月20日，星期三(2)在PN结外加上反向电压时：PN结反偏（P(-),N(+)）时，仅有很小的反向漂移(饱和)电流，呈现高电阻，PN结截止。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期三结论：

PN结加正向电压，即正偏时，有较大的正向扩散电流，此时PN结电阻小，处于导通状态，此时的正向电流随着PN结两端的电压增大而增大；

PN结加反向电压，即反偏时，只有很小的，不随PN结两端电压变化的反向饱和电流，此时PN结电阻大，处于截止状态。

即PN结具有单向导电性能。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期三

当加反向电压时(U<<UT)

：

当加正向电压时(U

>>UT)

：反偏正偏UI03.PN结的伏安特性第25页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.PN结的击穿特性反向击穿PN结上反向电压达到某一数值(反向击穿电压UB)，反向电流激增。雪崩击穿：齐纳击穿：易发生于掺杂浓度相对小的PN结，反向击穿电压相对较高。易发生于掺杂浓度高的PN结，反向击穿电压相对较低。可逆击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。热击穿：不可逆击穿串联限流电阻避免第26页，共57页，2023年，2月20日，星期三5.PN结的电容效应

PN结两端加上电压，PN结内就有电荷的变化，说明PN结具有电容效应CC1C2Q2Q1UΔUΔQ1ΔQ2电容器定义和公式：第27页，共57页，2023年，2月20日，星期三5.PN结的电容效应势垒电容CB：空间电荷区不能移动的正、负离子构成势垒电容。其结构类似平板电容，其电荷随结电压变化而变化的过程类似平板电容充放电。PN结加反向电压时，结电容基本以势垒电容为主。扩散电容CD：多子扩散后，在PN结的另一侧累积形成的电容为扩散电容。PN结加正向电压时的结电容基本等于扩散电容。PN结的结电容C：Cj＝CB＋CD。结电容Cj很小，工作频率低时可忽略，高频时要考虑电容影响。PN结结电容Cj由势垒电容和扩散电容组成。第28页，共57页，2023年，2月20日，星期三第1章半导体器件1.1半导体器件的基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管第29页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体二极管

二极管以PN结为核心，P端引出的电极为正（称正极或阳极），N端引出的电极为负（称负极或阴极）。按使用材料，二极管分为硅管和鍺管。1.2.1半导体二极管的结构和类型第30页，共57页，2023年，2月20日，星期三PN结面积小，结电容小用于检波和变频等高频电路，为小功率管。

二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型(2)面接触型用于低频大电流整流电路PN结面积大(3)平面型用于高频整流和开关电路PN结面积可大可小往往用于集成电路制造中第31页，共57页，2023年，2月20日，星期三各类半导体二极管第32页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.2.2半导体二极管的伏安特性反向特性正向特性U0IUth导通压降:硅管0.6~0.8V锗管0.1~0.3V击穿特性UB+NP-N+P-二极管具有单向导电性阈值电压:硅管约0.5V锗管约0.1V第33页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.2.3半导体二极管的主要电参数反向特性正向特性U0IUth导通压降:硅管0.6~0.8V锗管0.1~0.3V击穿特性UB

IF—最大整流电流(最大正向平均电流)URM—最高反向工作电压

IR—反向电流fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)

IFURM

IR

URM≈UB/2

第34页，共57页，2023年，2月20日，星期三UIUD

在实际分析计算时，为方便起见，可将二极管的伏安特性曲线折线化处理。图中，蓝线为截止区，红线为导通区。注意图中阈值导通电压UD的取值：当二极管为非理想二级管时，UD=0.7V（硅管）、0.2V（锗管）；当二极管为理想二极管时，UD=0V。二极管应用等效模型及分析方法（重要）在分析二极管状态，可先将其视为断开，观察或计算二极管两端电压后再行判断。当二极管两端加的正向电压大于阈值导通电压UD时导通，小于该值时二极管截止。导通时二极管视作其值为UD的电压源，截止时视作断路。二极管应用等效模型2.分析方法1.应用等效模型理想二级管导通时视为？第35页，共57页，2023年，2月20日，星期三补充：半导体二极管的应用1.整流电路所谓整流，就是利用二极管的单向导电性，将交流电压变成单向的直流电压。例：在下图所示的半波整流电路中，二极管被视为理想元件，试根据输入电压波形画出输出电压的相应波形。uiuott第36页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.开关电路（逻辑开关）利用二极管的单向导电性，使得电路中输入电压大于一定值时电路导通，小于一定值时截止断开，达到开关目的。例1：由理想二极管组成的电路如图，其中输入波形ui1、ui2如下，试画出输出波形uo。ui1t05Vui2t05Vuot03VVD1VD2R+3VuoVD1VD2ui1ui2导通导通截止导通导通截止截止截止导通导通截止截止第37页，共57页，2023年，2月20日，星期三例2：由理想二极管组成的电路如图，试确定各电路的输出电压（例1-1）R6kΩ-18VUoVD1VD2VD3-6V0V-6VR6kΩ+18VUoVD1VD2VD3+6V0V-6VVD2导通，UO=0VVD2导通，UO=-6V判断二极管导通与否，先断开二极管，再分析。若有两只以上二极管，则承受正向电压最大的优先导通,然后再行判断其他二极管是否导通第38页，共57页，2023年，2月20日，星期三3.限幅电路

当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压随输入电压相应变化；而当输入电压超出该范围时，输出电压保持不变，这种电路就是限幅电路。Ruiuouiuott二极管导通电压不为零。例：在下图所示的限幅电路中，二极管的导通电压为UD，输入波形如图所示，输入电压的最大值大于UD，试根据输入电压波形画出输出电压的相应波形。UD第39页，共57页，2023年，2月20日，星期三例3（教材例1-2）:二极管的双向限幅电路如图1-20（a）所示。设ui为幅值大于直流电源值的正弦波，二极管为理想器件。试画出的波形。分析图中二极管导通情况：VD1导通条件ui>U1，导通后uo=U1VD2导通条件ui<-U2，导通后uo=-U2当-U2<ui<U1时两二极管都不导通，此时uo=uiuiuo第40页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.检波电路将调幅波上的语音信号取出。第41页，共57页，2023年，2月20日，星期三二极管的补充应用例题例1：二极管导通电压UD约为0.7V。试估算开关断开和闭合时输出电压值。开关断开时，二极管正向导通，UO=V1-UD=5.3V开关闭合时，二极管反向截止，UO=V2=12V判断二极管的导通否，先断开二极管，再看正负极的电位高低，判断是否导通第42页，共57页，2023年，2月20日，星期三例3电路如下图所示：估算流过二极管的电流IVD和A点电位UA，设二极管的正向压降为0.7V（1）先判断VD是否导通:

假定VD断开，则A点电位为

10V*（2000/2500）=8V，VD正向压降超过0.7V，导通。（2）VD导通，有恒压降0.7V，所以A点电位UA=6V+0.7V=6.7V。（3）由UA=6.7V计算流过电阻的电流：

IR1=(10V-6.7V)/0.5kΩ=6.6mA

IR2=6.7V/2kΩ=3.35mA（4）流过VD的电流为

IVD=IR1-IR2=3.25mA+6V+Ucc=10V图1-23（a）AR2

2kΩR1=500ΩVDUA=6.7VIR1IR2IVD第43页，共57页，2023年，2月20日，星期三例3电路如下图所示:估算流过二极管的电流IVD和A点电位UA，设二极管的正向压降为0.7V（1）先判断VD是否导通:

假定VD断开，则A点电位为

10V*（10/13）=7.69V，VD正向压降超过0.7V，导通。（2）VD导通，有恒压降0.7V。（3）考虑A点流入流出的电流：

IR1=IR2+IR3

(10-UA)/3=UA/10+(UA-0.7)/2

解得UA=3.95V（4）流过VD的电流为

IVD=(UA-0.7V)/2kΩ=1.63mAUAIR1IR2+Ucc=10V图1-23（b）AR2

10kΩR1=3kΩVDR3=2kΩUA-0.7VIR3第44页，共57页，2023年，2月20日，星期三1.2.5特殊二极管1.硅稳压二极管伏安特性稳压二极管利用二极管的反向击穿特性实现稳压，稳压时工作在反向击穿区。思考：二极管的正向导通区也有一定的稳压特性，可以利用该特性实现稳压吗？稳压二极管使用时与负载并联，且流过的电流大小IDZ有范围限制：

IDZ,min<IDZ<IDZ,maxVDZ第45页，共57页，2023年，2月20日，星期三(1)稳定电压UDZ(5)动态电阻rZ(2)最小稳定工作电流

IDZ，min(6)稳定电压温度系数稳压二极管主要参数(3)最大允许工作电流

IDZ，max(4)最大允许功耗

PZmaxUDZIDZminIDZmax第46页，共57页，2023年，2月20日，星期三在判断稳压二极管状态时，同普通二极管一样，应先将其两端断开，再对两端电压进行判断。与普通二极管有两种状态相对，稳压二极管有三种状态，应在判断时加以区分：当U>Uth（根据具体题目，Uth可为0）时，稳压二极管处于正向导通状态，两端电压等于Uth。

当Udz<U<Uth时，稳压二极管处于反向截止状态，此时，稳压二极管看做断开状态。当U<Udz时,稳压二极管处于反向击穿状态，两端电压等于Udz。稳压二极管应用等效模型：第47页，共57页，2023年，2月20日，星期三稳压二极管应用等效模型：第48页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.发光二极管简称LED（LightEmittingDiode），在发光二极管两端加正向电压时，多子在扩散中复合时，部分能量以光子放出，使二极管发光。3.光电二极管光电二极管工作在反向电压下，通过光照增加少子浓度，利用漂移电流导电。电路电流随光照变化。第49页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.光电耦合器件5.变容二极管利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。变容二极管工作在反向电压下。变容二极管用于高频电子线路。将光电二极管和发光二极管组合可以得到二极管型的光电耦合器。光电耦合器隔离输入输出回路，回路间互不影响，但只能实现信号单向传输。第50页，共57页，2023年，2月20日，星期三例4（教材例1-3）图示是利用稳压管组成的稳压电路。其中UI为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，RL为负载电阻，UO为稳压电路的输出电压。试分析此电路的稳压原理。稳压二极管特点：很小的电压变化引起很大的电流变化，动态电阻很小。稳压二极管的应用例题第51页，共57页，2023年，2月20日，星期三例4（教材例1-3）图示是利用稳压管组成的稳压电路。其中UI为未经稳定的直流输入电压，R为限流电阻，RL为负载电阻，UO为稳压电路的输出电压。试分析此电路的稳压原理。UO=VDZ=UI-(IL+IZ)*R稳压管特点：很小的VDZ变化将引起IZ的很大变化。不管什么原因引起VDZ的微小变化，都能使得IZ发生很大变化，从而使电阻R上的压降发生很大变化，而保持UO=VDZ基本不变。第52页，共57页，2023年，2月20日，星期三例5（教材例1-4）图示电路稳压管VDZ1=5V，VDZ2=7V，稳压特性是理想的，正向压降为0.7V