模擬電路基礎

課程的性質及任務1.本課程是一門模擬電路方面的入門技術基礎課，是研究各種半導體器件和電子電路的一門應用性很強學科。2.學生通過本課程的學習，掌握一些有關模擬電路的基本理論、分析方法和基本技能，培養(yǎng)學生分析問題、解決有關電子電路問題的能力，為今后進一步學習打下一定的基礎。講授內容第一章二極管及基本電路

第二章晶體管及基本放大電路

第三章

放大電路的頻率特性

第四章

場效應管放大電路第五章負反饋放大電路第六章

集成運算放大電器第七章

集成運算放大電器的應用第八章

信號產(chǎn)生電路第九章

功率放大電路第十章

直流電源

1.1

半導體基礎知識1.1.1

本征半導體導電性能介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體。純凈的、具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。硅晶體共價鍵結構

熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子—空穴對電子和空穴的移動在半導體中同時存在著自由電子和空穴兩種載流子參加導電，這是半導體導電方式的最主要的特點。綜上所述，半導體具有以下特點：⒈半導體中存在著兩種載流子---自由電子和空穴。因此，半導體的導電原理明顯區(qū)別于導體。⒉在本征半導體中摻微量雜質可以控制半導體的導電能力和參加導電的主要載流子的類型。⒊環(huán)境的改變對半導體導電性能有很大的影響。例如當溫度增加或受到光照時，半導體導電能力都有所增加。半導體熱敏器件和光敏器件都是利用這一特性制造的。

1.2

PN結

如果在一塊晶體的兩邊分別形成P型半導體和N型半導體，因交界面兩側載流子濃度差別很大，故多數(shù)載流子將向對方區(qū)域擴散，形成多數(shù)載流子的擴散運動。這樣，在交界面的P型半導體和N型半導體的兩側分別形成一個帶負電的離子層和一個帶正電的離子層，從而在交界面上形成一個空間電荷區(qū)。由此產(chǎn)生的電場稱為內電場。內電場的存在阻擋多數(shù)載流子的擴散運動而有利于少數(shù)載流子的漂移運動。當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結。1.2.1

PN結的單向導電性⒈PN結外加正向電壓當電源的正極接P區(qū)、負極接N區(qū)時，稱PN結處于正向偏置。外加正向電壓產(chǎn)生的電場稱之為外電場，其方向與內電場相反，空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動而不利于漂移運動，大量的多數(shù)載流子通過PN結形成較大的正向電流，PN結處于導通狀態(tài)。1.2.1

PN結的單向導電性綜上所述，PN結加正向電壓，處于導通狀態(tài)；PN結加反向電壓，處于截止狀態(tài)，即PN結具有單向導電性。PN結的兩端電壓uD和流過PN結的電流iD之間的關系稱為PN結伏安特性。現(xiàn)以硅二極管PN結伏安特性曲線為例，說明PN結伏安特性表達式。圖1.2.3為硅二極管PN結伏安特性曲線，理論分析，PN結伏安特性的表達式為（1.2.1）式中IS為反向飽和電流的大小，UT=KT/q稱為溫度電壓當量，其中K為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，q為電子的電量，當溫度為300K時，UT≈26mV。1.2.1

PN結的單向導電性圖1.2.3硅二極管PN結伏安特性曲線iD≈IS(uD／UT>>1)(｜uD｜

／UT>>1)

1.2.2

PN結的擊穿1、雪崩擊穿當反向電壓增加時，內電場亦加強，使少數(shù)載流子在漂移過程中受到更大作用力產(chǎn)生加速運動，它們可能在與共價鍵中的價電子碰撞時將價電子“撞”出共價鍵而產(chǎn)生自由電子—空穴對，新的自由電子—空穴對被電場加速后又可能撞出更多的自由電子—空穴對。如此連鎖反應，當反向電壓達到一定程度時，便產(chǎn)生類似雪崩的效應，從而使載流子倍增而引起電流的急劇增加。2、齊納擊穿高濃度摻雜時，空間電荷區(qū)寬度很小，即使不大的反向電壓也可以產(chǎn)生很強的電場，將價電子直接從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生自由電子—空穴對參加導電，引起電流急劇增加。不論是那種情況的反向電擊穿，只要PN結不因電流過大產(chǎn)生過熱而燒毀，反向電擊穿與反向截止兩種狀態(tài)都是可逆的。

1.3

半導體二極管

1.3.1

半導體二極管的結構和符號(a)點接觸型(b)面接觸型(c)平面型(d)符號1.3.2

伏安特性(a)硅二極管(b)鍺二極管1.3.2

伏安特性1.

正向特性硅二極管的導通電壓約為0.5V,鍺二極管的導通電壓約為0.1V。二極管正常工作時,陽極與陰極間的電壓硅管一般為0.6～0.8V,鍺管為0.2～0.3V。通常認為當二極管正向電壓小于導通電壓，二極管截止，大于導通電壓，二極管導通。2.

反向特性小功率硅管的反向飽和電流約在0.1μA以下，鍺管通常在幾十μA。當反向電壓增加到某一數(shù)值時（一般為幾十伏、高的可達數(shù)千伏），二極管被擊穿，此時，二極管處于擊穿狀態(tài)。普通二極管往往因擊穿過熱而燒毀，因此，普通二極管一般工作在導通狀態(tài)和截止狀態(tài)。3.

溫度特性二極管的特性對溫度十分敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。一般規(guī)律是：在同一電流下，溫度每升高1℃，正向壓降減少2~2.5℃；溫度每升高10℃，反向飽和電流約增加一倍。

1.3.3

主要參數(shù)5．二極管的直流電阻RD：二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比稱為二極管的直流電阻RD。即RD=（1.3.1）

6．二極管的交流（動態(tài)）電阻rD：當二極管端電壓在某一確定值（工作點）附近的微小變化與流過二極管電流產(chǎn)生的微小變化之比稱為二極管的交流（動態(tài)）電阻rD。即（1.3.2）二極管直流電阻RD和動態(tài)電阻rD的大小與二極管的工作點有關。對同一工作點而言，直流電阻RD大于動態(tài)電阻rD，對不同工作點而言，工作點愈高，RD和rD愈低。

1.4

二極管基本電路及分析方法

1.4.1

二極管伏安特性的建摸1．

理想模型理想二極管具有的特點是：加正向電壓時二極管導通，其兩極之間視為短路，相當于開關合上；加反向電壓時二極管截止，其兩極之間視為開路，相當于開關斷開。

2．

恒壓模型恒壓模型如圖1.4.2所示，其基本思想是：當二極管導通時，其工作電壓恒定，不隨工作電流變化，典型導通電壓值UD為0.7V（硅管，鍺管UD為0.3V），當工作電壓小于該值二極管截止，其兩極之間視為開路。分析二極管電路的關鍵是判斷二極管的導通或截止。導通時，用理想模型分析，UD=0，用恒壓模型分析，UD=0.7V或UD=0.3V，截止時，兩種模型均視為開路。1.4.2

限幅電路圖中所示電路為一種限幅電路，其作用就是將輸出電壓的幅度限制在一定的范圍內。在分析這類電路時，一般采用理想模型。求解時不妨先將二極管斷開，分別求出它們兩極的電壓，當滿足導通條件時，將二極管兩極短接，否則二極管陽極和陰極間視為開路。

1.4.3

開關電路（2）依此類推，UA和UB在不同的組合下，輸出電位UY的值列入表1.4.1中。表1.4.1

輸入二極管狀態(tài)輸出UAUBDADBUY0V0V導通導通00V5V截止導通5V5V0V導通截止5V5V5V導通導通5V由上表可知，只要UA、UB中有一個為5V，則輸出為5V，若UA、UB全為0V，則輸出為0V，這種邏輯關系稱為或邏輯。

1.5

穩(wěn)壓二極管

1.5.1

穩(wěn)壓二極管的伏安特性及工作狀態(tài)穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸型半導體硅二極管，簡稱穩(wěn)壓管?？晒ぷ髟趯?、截止和反向擊穿狀態(tài)。穩(wěn)壓管的符號和伏安特性曲線穩(wěn)壓管的正向伏安特性與普通的硅二極管相比有兩個差別：一是反向擊穿電壓較低，只要采取適當措施限制管子的電流，反向擊穿是可逆的。另一差別是穩(wěn)壓管的反向伏安特性很陡，具有穩(wěn)壓作用。

1.5.2

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)⒈穩(wěn)定電壓Uz穩(wěn)定電壓指穩(wěn)壓管正常工作時管子兩端的電壓，也就是它的反向擊穿電壓。⒉穩(wěn)定電流Iz穩(wěn)定電流指工作電壓等于穩(wěn)