模电第一讲和第二讲讲稿_第一讲什么是集合讲稿

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2011年刘刚模电教案 1 第一讲

课程概述

1、名称：模拟电子技术

2、学时：授课56学时，3.5学分，必修，考试，平时成绩占30%。

实验24学时，1学分，独立设课，必修，考查。

3、教材：《模拟电子技术基础》，童诗白主编。

4、授课教师：刘刚、信控学院电气工程系、13904420928、3-125实验室。

5、课程属性：专业基础课。本课程在专业基础课中的位置如下所示： 电路理论→1）电工技术：能量传输、变换电路的分析和设计；

（基础）

2）模拟电子技术：连续信号产生、放大和处理电路的分析和设计；

3）数字电子技术：逻辑信号发生和逻辑处理电路的分析和设计；附加：电子设计自动化（EDA）技术（高速可编程逻辑芯片的程序设计）。

4）单片机技术：单片机电路和程序的分析和设计。仅对电气自动化开设了“电子系统设计基础”公共选修课，内容：MSP430系列单片机使用方法，想参加实践活动的同学可选。以上后四门课程构成电子系统设计基础，在此基础上 →

专业课；

电子竞赛和电子制作。

6、课程内容：“模拟电子技术”解释：

模拟：连续变化信号；

电子：固态电子元件构成的电子线路；

技术：解决问题的方法和手段。

模拟电子技术—分析、设计处理连续变化信号的电子线路。

7、学习要点：“件、路、调”

件：掌握二极管、三极管、运算放大器等电子元件特性和使用方法； 路：掌握放大、整流和滤波等基本电路的分析、设计方法；

调：电子线路由非线性元件构成，分析和设计都是在理想模型下进行，与实际元件构成电路存在较大误差，必须经过实验调整、验证。

8、课程特点：实践性强，对动手能力和实验能力要求高，实验内容占期末考试内容比重大。

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第1章 常用半导体器件

1.1半导体基础知识

1.1.1本征半导体

一、半导体材料：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，如硅（Si）、锗（Ge）等。其共价键结构图如图1-2所示。

图1-2共价键结构图

共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，导电能力低于导体；受外因激励束缚电子可脱离共价键成为自由电子，绝缘能力低于绝缘体。

二、本征半导体：四价元素硅或锗的纯净晶体。因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。

本征半导体导电机理：在常温下，由于热激发，使很少的一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。因此，形成了半导体中的两种载流子：

1）自由电子：被激发出的外层共价电子，带负电，由负极到正极。

2）空穴：电子移走后留下的空位，带正电，由正极到负极。

温度越高，产生载流子越多，导电性越好，半导体器件受温度影响大。1.1.2杂质半导体

一、N型半导体：在本征半导体中掺入某些五价元素，就会使半导体的自由电子增加（电子是多子）。导电性能发生显著变化。掺入5价元素结构图如图1-3所示。

图1-3掺入5价元素结构图

图1-4掺入3价元素结构图

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二、P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素，就会使半导体的空穴增加（空穴是多子）。掺入3价元素结构图如图1-4所示。1.1.3 PN结

一、PN结的形成将P型半导体和N型半导体使用特殊工艺连在一起，形成P型半导体和N型半导体之间的特殊薄层叫做PN结。

P型半导体与N型半导体交界面载流子的漂移与扩散示意图如图1-5所示。扩散和漂移这一相反的运动最后达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。

图1-5载流子的漂移与扩散示意图

PN结结构及符号图如图1-6所示。

图1-6 PN结结构及符号图

二、PN结的单向导电性

PN结是各种半导体器件的核心，PN结具有单向导电特性。即：

正向偏置：P区接电源正极，N区接电源负极，PN结导通，如图1-7所示；

图1-7 PN结正向导通示意图

1-8 PN结反向截止示意图

反向偏置：P区接电源负极，N区接电源正极，PN结截止（不导电），如图1-8

2011年刘刚模电教案 4 所示。

三、PN结伏安特性如图1-9所示。

图1-9 PN结伏安特性

1.2半导体二极管

二极管=PN结+引线+外壳，是有极性元件。

晶体二极管具有单向导电性，其原因是内部具有PN结。二极管的正、负极对应接于PN结的P型和N型半导体。

符号：二极管符号如图2-1所示。

图2-1二极管符号

1.2.1 二极管的结构

几种常见结构图如教材18页图1.2.2所示。结构：

a.点接触：PN结电容小，用于高频，小电流。

b.面接触：PN结电容大，用于低频，大电流。1.2.2 二极管的伏安（V-I）特性

二极管两端的电压和电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性，如图2-2所示，与PN结伏安特性相同（忽略导线电阻和外壳漏电流）。

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图2-2二极管的伏安特性

1）正向特性

（1）正向电压小于死区电压时，二极管D截止，正向电流i =0；

（2）正向电压大于死区电压时，D导通，i急剧增大。导通后D两端电压基本恒定。

2）反向特性

反向电压UR＜UBR(反向击穿电压)时，反向电流iR很小，且近似为常数，称为反向饱和电流。

UR＞UBR时，IR剧增，此现象称为反向电击穿。对应的电压UBR称为反向击穿电压。1.2.3二极管主要参数

1）最大整流电流 IF：二极管允许通过的最大正向平均电流值。

2）最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压，超过该值有可能反向击穿，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URWM一般是反向击穿电压U(BR)的一半。

3）反向电流 IR：指二极管未反向击穿时的反向电流，IR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。硅管的反向电流较小（uA级），锗管的反向电流要大几十到几百倍。

4）最高工作频率fM：二极管工作的上限极截止频率，受极间电容影响。极间电容：反向截止时，PN结内存储电荷，等效电容效应。

2011年刘刚模电教案 6 第二讲 1.2.4 二极管的等效电路

1）理想模型：忽略二极管正向导通压降和反相漏电流，伏安曲线为过零点折线，可等效为理想开关，如图2-5所示。

图2-5理想模型等效曲线和电路图

2）恒压降模型：将二极管正向导通压降近似为恒压值（0.7V，也称为工作电压）和忽略反相漏电流，伏安曲线为过恒压值（0.7V）折线，可等效为理想开关恒压电源（0.7V）串联，如图2-6所示。

图2-6恒压降模型等效曲线和电路图

3）小信号模型：条件是直流电源与交流小信号同时加到二极管上，直流电压提供静态工作点，交流信号引起电流变化。电路图及等效模型如图2-7所示。

图2-7小信号电路及等效模型

微变等效电阻求解图如图2-8所示。

2011年刘刚模电教案 7

图2-8微变等效电阻求解图

rdVdId，微变信号引起的等效电阻，不能用直流电阻测量仪微变等效电阻器测量。

其中Vd是加到二极管上的变化电压，为输入正弦信号幅值的二倍：

VdVmax(Vmax)2Vmax

Id为变化电压引起的电流变化量，难于测量。rd的估算方法，根据经验公式计算：

rd26(mV)()(mA)Id

其中Id是静态工作点处通过二极管的直流电流。

二极管应用在交流信号电路中时还应考虑到结电容的影响，高频选用检波管（结电容小），低频选用整流管（结电容大）。

4）二极管电路的应用及模型分析方法

（1）判断二极管的工作状态：假设断开二极管支路，求出断点电压判断二极管导通或截止。

（2）选用相应状态的模型：二级管工作电压对电路影响小于10%，用理想模型，大于10%用恒压降模型。

（3）二极管在交流电路中的应用：按正、负半周判断二极管工作状态，即正半周分析一次，负半周再分析一次。

例

1、半波整流电路，电路图和输入输出波形图如图3-1所示，输入端加电压信号Vi3sint3sin2ft3sin6280t(V)。由于信号幅值为3V，二极管管

2011年刘刚模电教案 8 压降不能忽略，选用恒压降模型（工作电压等于0.7V），输出端电压vo波形如图6-7中粗线所示。二极管正半周导通，负半周截止。

图3-1电路图和输入输出波形图

当输入端加电压信号Vi15sint15sin2ft15sin6280t(V)。由于信号幅值为15V，二极管管压降可以忽略，选用理想模型（管压降等于0V），输出端电压vo波形如图3-2中粗线所示。二极管正半周导通，负半周截止。

图3-2电路图和输入输出波形图

例

2、桥式整流电路，电路图和正、负半周电流流向图如图3-3所示。

图3-3电路图和正、负半周电流流向图

根据输入电压的幅止大小选用理想模型或恒压降模型。幅值为5V时输入输

2011年刘刚模电教案 9 出波形图如图3-4所示。幅值为15V时输入输出波形图如图3-5所示。因为桥式整流电路要经过两个二极管，输出与输入电压差为2倍管压降。

图3-4幅值为5V时输入输出波形图

图3-5幅值为15V时输入输出波形图

例

3、限幅电路及输入输出波形图如图3-6所示。

图3-6限幅电路及输入输出波形图

图3-7开关电路

例

4、开关电路如图7-11所示，已知：VA=3V，VB=0V，二极管理想模型管压降0V。

求：VY=？说明二极管DA，DB的作用。

解：VA〉VB，DA先导通。VY=3V。DB加反向电压，截止，不影响VY。

DA：钳位。

DB：隔离。

1.2.5稳压二极管（齐纳管）

工作原理：利用反向击穿特性稳定电压，属可恢复性击穿。击穿电流变化范围大，电压变化小，达到稳压的目的。稳压值为Uz，随型号而不同。

稳压二极管的符号及伏安特性如图3-8所示。

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图3-8稳压二极管的符号及伏安特性

工作特点：

（1）在反向击穿区处于稳压状态，工作在其它区域与一般二极管相同。（2）稳定电压 UZ：稳压管在规定电流下的反向击穿电压。

（3）电压温度系数U（%/℃）：稳压值受温度变化影响的的系数。UZ在6V以下，温度系数为负；在6V以上，温度系数为正。

rz（4）动态电阻：稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值，即此值越小，管子稳压性能越好。

（5）稳定电流I：稳压管在稳定电压下的工作电流。

（6）最大稳定电流Izmax: 稳压管允许长期通过的最大反向电流。（7）最大允许耗散功率：PZM=UZ*Izmax。

使用方法：稳压管典型应用电路如图3-9所示。注意事项：

UzIz。1）选用稳压二极管时，必须满足ILmax

2）限流电阻R值得计算：

（1）IL=ILmax时，VI-VR〉Uz →

VI-Uz〉R（Izmin+ILmax）→

→R

（2）IL=0时，IR（VI-Uz）/Izmax

图3-9稳压管典型应用电路

1.2.6其它类型二极管

一、发光二极管

加正向工作电压时发光，反向截止。符号如图3-12所示。

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图3-12发光二极管符号

图3-13光电二极管符号及V-I曲线图

发光二极管工作电压与普通二极管不同，不同颜色发光管，工作电压也不同。估算时，选1.6—1.8V。

二、光电二极管

反向漏电流随照射光强增加而增加。符号及V-I曲线如图3-13所示。

三、应用举例

电动车寻迹光电头电路设计：寻迹光电头电路如图3-14所示，R1时发光管限流电阻，R2是光电管电流变电压电阻。当发光管驱动电流约为10mA时，R1阻值估算如下：

R1VCCVDID3.61.620010mA

光电管电流uA级，电流选为1MΩ。实验验证：无光，Vs≈0.8V；白天室内光线时，Vs≈2.4V。

图3-14寻迹光电头电路

二极管小结

1）二极管=PN结+引线+外壳。两引线端分正负极，具有单向导电性；

2）三种模型：理想模型、恒压降模型和小信号模型； 3）伏安特性曲线：

（1）正向导通区：普通二极管、发光二极管；（2）反向漏电流区：光电管；（3）反向击穿区：稳压二极管。

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