電子電路2008下半年.ppt

半導體特點：,當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。,往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。,本征半導體的導電機理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。,本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。,本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。,本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流。,在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。,1. N型半導體,在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。,N型半導體,多余電子,磷原子,硅原子,多數載流子自由電子,少數載流子 空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對,在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數載流子 空穴,少數載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對,2. P型半導體,雜質半導體的示意圖,多子電子,少子空穴,多子空穴,少子電子,少子濃度與溫度有關,多子濃度與摻雜有關,因多子濃度差,形成內電場,多子的擴散,空間電荷區(qū),阻止多子擴散，促使少子漂移。,PN結合,空間電荷區(qū),多子擴散電流,少子漂移電流,耗盡層,1 . PN結的形成,2. PN結的單向導電性,(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū),外電場的方向與內電場方向相反。 外電場削弱內電場,耗盡層變窄,擴散運動漂移運動,多子擴散形成正向電流I F,(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū),外電場的方向與內電場方向相同。 外電場加強內電場,耗盡層變寬,漂移運動擴散運動,少子漂移形成反向電流I R,在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。,PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻， PN結導通； PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻， PN結截止。 由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。,3. PN結的伏安特性曲線及表達式,根據理論推導，PN結的伏安特性曲線如圖,正偏,IF（多子擴散）,IR（少子漂移）,反偏,反向飽和電流,反向擊穿電壓,反向擊穿,熱擊穿燒壞PN結,電擊穿可逆,2.2 半導體二極管,二極管 = PN結 + 管殼 + 引線,結構,符號,二極管的模型,串聯(lián)電壓源模型,U D 二極管的導通壓降。硅管 0.7V；鍺管 0.2V。,理想二極管模型,正偏,反偏,（2）如果ui為幅度4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。,解：采用理想二極管 模型分析。波形如圖所示。,采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。,二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降0.7V(硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0,二極管的應用舉例1：二極管半波整流,請畫出下面電路在正弦信號作用下的輸出波形。,vo,請畫出下面電路在正弦信號作用下的輸出波形。,vo,請畫出下面電路在正弦信號作用下的輸出波形。,vo,一.BJT的結構,NPN型,PNP型,符號:,三極管的結構特點: （1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。 （2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。,2019/6/26,二 BJT的內部工作原理（NPN管）,三極管在工作時要加上適當的直流偏置電壓。,若在放大工作狀態(tài)： 發(fā)射結正偏：,+ UCE , UBE , UCB ,集電結反偏：,由VBB保證,由VCC、 VBB保證,UCB=UCE - UBE, 0,（1）因為發(fā)射結正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ，形成了擴散電流IEN 。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP。但其數量小，可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN 。,（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數載流子。少部分遇到的空穴復合掉，形成IBN。所以基極電流I B I BN 。大部分到達了集電區(qū)的邊緣。,1BJT內部的載流子傳輸過程,（3）因為集電結反偏，收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN 。,另外，集電結區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。,三. BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）,(1) 輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V時，相當于兩個PN結并聯(lián)。,（3）uCE 1V再增加時，曲線右移很不明顯。,（2）當uCE=1V時， 集電結已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復合減少， 在同一uBE 電壓下，iB 減小。特性曲線將向右稍微移動一些。,(2)輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const,現以iB=60uA一條加以說明。,（1）當uCE=0 V時，因集電極無收集作用，iC=0。,（2） uCE Ic 。,（3） 當uCE 1V后，收集電子的能力足夠強。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。,同理，可作出iB=其他值的曲線。,2. 輸出特性曲線,表示IB一定時，iC與vCE之間的變化關系。,(1) 放大區(qū) JE正偏，JC反偏，對應一個IB，iC基本不隨vCE增大，IC= IB 。 處于放大區(qū)的三極管相當于一個電流控制電流源。,截止區(qū)：對應IB0的區(qū)域， JC和JE都反偏， IB= IC =0,輸出特性曲線,(3) 飽和區(qū) 對應于vCEvBE的區(qū)域，集電結處于正偏，吸引電子的能力較弱。隨著vCE增加，集電結吸引電子能力增強，iC增大。 JC和JE都正偏， VCES約等于0.3V，IC IB,飽和時c、e間電壓記為VCES，深度飽和時VCES約等于0.3V。飽和時的三極管c、e間相當于一個壓控電阻。,輸出特性曲線總結,飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內vCE的 數值較小，一般vCE0.7 V(硅管)。此時 發(fā)射結正偏，集電結正偏或反偏電壓很小。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。 此時，發(fā)射結反偏，集電結反偏。,放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。 此時，發(fā)射結正偏，集電結反偏，電壓大于0.7 V左右(硅管) 。,動畫2-2,四. BJT的主要參數,一般取20200之間,2.3,1.5,（1）共發(fā)射極電流放大系數：,（2）集電極基極間反向飽和電流ICBO ，其大小與溫度有關。,（3）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO，其大小與溫度有關。,測得某放大電路中三極管三個管腳對地電位分別是2V、2.7V、5V，則可判斷該管的材料是 硅 和管型 NPN ，5V電位對應的管腳是 集電 極， 2V電位對應的管腳是 發(fā)射極 極，2.7V電位對應的管腳是 基 極。 測得某放大電路正常工作的晶體管三電極直流電位分別為12.2V,12V,0V, 則可判斷該管的材料是 鍺 和管型為 PNP ，0V電位對應的管腳是集電 極。12.2V電位對應的管腳是發(fā)射 極。12V電位對應的管腳是基 極。,例3.1.1：判斷三極管的工作狀態(tài),測量得到三極管三個電極對地電位如圖所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。,晶體管放大器實現放大的條件。,放大元件iC= iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結反偏，發(fā)射結正偏。,輸入,輸出,？,參考點,實現放大的條件,1. 晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結正偏，集電結反偏。,2. 正確設置靜態(tài)工作點，使整個波形處于放大區(qū)。,3. 輸入回路將變化的電壓轉化成變化的基極電流。,4. 輸出回路將變化的集電極電流轉化成變化的集電極電壓，經電容濾波只輸出交流信號。,分析下圖所示各電路是否能夠放大正弦交流信號。,各點波形,討論：電路參數變化對Q點的影響,Rb改變：, Q點沿MN向下移動,電路參數變化對Q點的影響,RC改變：,電路參數變化對Q點的影響,VCC改變：,2. 靜態(tài)分析,(1) 靜態(tài)工作點的近似估算法 已知硅管導通時VBE0.7V， 鍺管VBE 0.2V以及 =40， 根據直流通路則有：,Q:（40uA，1.6mA，5.6V）,例3.2.1：電路及參數如圖，求Q點值,例3.2.1,例3.2.2：電路及參數如圖，求Q點值,固定偏壓電路，射極偏置電路,(2) 靜態(tài)工作點的圖解分析,(a) 畫直流通路,(b) 把基極回路和集電極回路電路分為線性和非線性兩部分,如圖IB=40uA、 RC=4K、 VCC=12V,圖解分析,(d) 作線性部分的伏安特性曲線直流負載線 VCE=12 - 4 IC (VCC=12V , RC=4K) 用兩點法做直線M(12V,0)，N(0,3mA),(e)直線MN與IB=40uA曲線的交點(5.6V,1.6mA) 就是靜態(tài)工作點Q,IB=40uA、 RC=4K、 VCC=12V,交流負載線,交流負載線,交流負載線確定方法： 通過輸出特性曲線上的Q點做一條直線，其斜率 為-1/RL 。,RL= RLRc 是交流負載電阻。,c. 交流負載線和直 流負載線相交與 Q點。,b. 交流負載線是有 交流輸入信號時 Q點的運動軌跡。,最大不失真輸出,放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：,1.工作點Q要設置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位； 2.要有合適的交流負載線。,Q位于交流負 載線中間時， VomICQRL,uo,1. Q點過低，信號進入截止區(qū),放大電路產生 截止失真,2. Q點過高，信號進入飽和區(qū),放大電路產生 飽和失真,三極管共射簡化h參數等效電路,3.2.3 基本共射電路分析計算,放大電路分析步驟： 畫直流通路，計算靜態(tài)工作點Q 計算 rbe 畫交流通路 畫微變等效電路 計算電壓放大倍數Av 計算輸入電阻Ri 計算輸出電阻Ro,1. 計算電壓放大倍數Av,2. 計算輸入電阻 Ri,3. 計算輸出電阻 Ro,方法一：,計算輸出電阻 Ro,例3.2.3：求Av ，R i，Ro,解： 靜態(tài)工作點 （40uA，2mA，6V),=100+5126/2=0.763K,例3.2.3,= -7.62,例3.2.3,=330K/26.263K=24.3K,例3.2.4：,電路及參數如圖，=40， rbb=100， (1)計算靜態(tài)工作點 (2)求Av，Ri，Ro,解： (1) 畫直流通路 求靜態(tài)工作點,(2) 畫微變等效電路，求Av，Ri，Ro,通頻帶,放大電路的增益A( f ) 是頻率的函數。在低頻段和高頻段放大倍數都要下降。當A( f )下降到中頻電壓放大倍數A0的 1/ 時，即:,相應的頻率: fL稱為下限頻率 fH稱為上限頻率,耦合電容造成,三極管結電容造成,采用直接耦合的方式可放大緩慢變化的信號，擴大通頻帶。下面將要介紹的差動放大器即采用直接耦合方式。,阻容耦合電路缺點：不能放大直流信號。,阻容耦合電路的頻率特性,3.4.2 基本共射電路的頻率響應,對于圖示的共發(fā)射極接法的基本放大電路，分析其頻率響應，需畫出放大電路從低頻到高頻的全頻段小信號模型。,然后分低、中、高三個頻段加以研究。,1. 中頻段,中頻時:C1、C2 、Ce容抗較小，可視為短路； C容抗較大，可視為開路。等效電路如圖。,Rb= Rb1/ Rb2 Ri=Rb / rbe Ro=Rc,2. 高頻段等效電路,顯然這是一個RC低通環(huán)節(jié),將全頻段小信號模型中的C1、C2和Ce短路，即可獲得高頻段小信號模型微變等效電路，如圖所示。,3. 低頻段等效電路,低頻段的微變等效電路如圖所示，C1、C2和Ce被保留，C被忽略。顯然，該電路有 三個RC電路環(huán)節(jié)。,當Re1/Ce時，在射極電路中，可忽略Re，只剩下Ce,4. 全頻段總電壓放大倍數,全頻段總電壓放大倍數的復數形式為:,如果兩個下限頻率fL1 、 fL2相差4倍以上，可取大者作為電路的下限截止頻率fL1，否則只能按定義求fL,放大電路的增益帶寬積,所以，三極管一旦選定，帶寬增益積就確定下來，放大倍數增大多少倍，帶寬就減少多少倍,例題：,（2）求電壓放大倍數：,問題：如果去掉CE，放大倍數怎樣？,去掉 CE 后的交流通路和微變等效電路：,用加壓求流法求輸出電阻。,可見，去掉CE后，放大倍數減小、輸出電阻不變，但輸入電阻增大了。,如果電路如下圖所示，如何分析？,動態(tài)分析：,交流通路,交流通路：,微變等效電路：,靜