(精品)模拟电路第1章 (2).ppt

课程的性质及任务课程的性质及任务1.1.本课程是一门模拟电路方面的入门技术基本课程是一门模拟电路方面的入门技术基础课，是研究各种础课，是研究各种半导体器件半导体器件和和电子电路电子电路的的一门应用性很强学科。一门应用性很强学科。2.2.学生通过本课程的学习，掌握一些有关模学生通过本课程的学习，掌握一些有关模拟电路的拟电路的基本理论基本理论、分析方法分析方法和和基本技能基本技能，培养学生分析问题、解决有关电子电路问题培养学生分析问题、解决有关电子电路问题的能力，为今后进一步学习打下一定的基础。的能力，为今后进一步学习打下一定的基础。讲授内容讲授内容第一章第一章 二极管及基本电路二极管及基本电路 第二章第二章 晶体管及基本放大电路晶体管及基本放大电路 第三章第三章 放大电路的频率特性放大电路的频率特性 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路第五章第五章 负反馈放大电路负反馈放大电路第六章第六章 集成运算放大电器集成运算放大电器第七章第七章集成运算放大电器的应用集成运算放大电器的应用第八章第八章信号产生电路信号产生电路第九章第九章功率放大电路功率放大电路第十章第十章直流电源直流电源 第一章第一章半导体二极管及基半导体二极管及基本电路本电路本本章章先先介介绍绍半半导导体体的的基基础础知知识识，然然后后重重点点讨讨论论最最基基本本的的半半导导体体器器件件器器件件二二极极管管的的物物理理结结构构、工工作作原原理理、特特性性曲曲线线、主主要要参参数数以以及二极管的基本电路与分析方法。及二极管的基本电路与分析方法。1.1半导体基础知识半导体基础知识1.1.1本本征征半半导导体体导导电电性性能能介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间的的物物质质称称为为半半导导体体。纯纯净净的的、具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为为本本征征半半导体。导体。硅晶体共价键结构硅晶体共价键结构 热激发产生自由电子热激发产生自由电子空穴对空穴对电子和空穴的移动电子和空穴的移动在半导体中同时存在着自由电子和空穴两种载流在半导体中同时存在着自由电子和空穴两种载流子参加导电，这是半导体导电方式的最主要的特子参加导电，这是半导体导电方式的最主要的特点。点。1.1.2杂质半导体杂质半导体1N型半导体型半导体如果在硅（或锗）晶体中掺微量的五价元素，杂如果在硅（或锗）晶体中掺微量的五价元素，杂质半导体中自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，质半导体中自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，故自由电子称为多数载流子，简称多子；空穴是故自由电子称为多数载流子，简称多子；空穴是少数载流子，简称少子。这种半导体称为少数载流子，简称少子。这种半导体称为N型半型半导体。导体。2P型半导体型半导体如果在硅（或锗）中掺微量的三价元素杂质半导如果在硅（或锗）中掺微量的三价元素杂质半导体中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，体中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，称之为称之为P型半导体。型半导体。综上所述，半导体具有以下特点：综上所述，半导体具有以下特点：半半导导体体中中存存在在着着两两种种载载流流子子-自自由由电电子子和和空空穴穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。在在本本征征半半导导体体中中掺掺微微量量杂杂质质可可以以控控制制半半导导体体的的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。导电能力和参加导电的主要载流子的类型。环环境境的的改改变变对对半半导导体体导导电电性性能能有有很很大大的的影影响响。例例如如当当温温度度增增加加或或受受到到光光照照时时，半半导导体体导导电电能能力力都都有有所所增增加加。半半导导体体热热敏敏器器件件和和光光敏敏器器件件都都是是利利用这一特性制造的。用这一特性制造的。1.2PN结结如果在一块晶体的两边分别形成如果在一块晶体的两边分别形成P型半导体和型半导体和N型半导体，因交界面两侧载流子浓度差别很大，型半导体，因交界面两侧载流子浓度差别很大，故多数载流子将向对方区域扩散，形成多数载流故多数载流子将向对方区域扩散，形成多数载流子的子的扩散运动扩散运动。这样，在交界面的。这样，在交界面的P型半导体和型半导体和N型半导体的两侧分别形成一个带负电的离子层型半导体的两侧分别形成一个带负电的离子层和一个带正电的离子层，从而在交界面上形成一和一个带正电的离子层，从而在交界面上形成一个个空间电荷区空间电荷区。由此产生的电场称为内电场。由此产生的电场称为内电场。内电场的存在阻挡多数载流子的扩散运动而有利内电场的存在阻挡多数载流子的扩散运动而有利于少数载流子的漂移运动。于少数载流子的漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成稳定当扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成稳定的空间电荷区，即的空间电荷区，即PN结结。1.2.1PN结的单向导电性结的单向导电性PN结外加正向电压结外加正向电压当当电电源源的的正正极极接接P区区、负负极极接接N区区时时，称称PN结结处处于于正正向向偏偏置置。外外加加正正向向电电压压产产生生的的电电场场称称之之为为外外电电场场，其其方方向向与与内内电电场场相相反反，空空间间电电荷荷区区变变窄窄，有有利利于于扩扩散散运运动动而而不不利利于于漂漂移移运运动动，大大量量的的多多数数载载流流子子通通过过PN结形成较大的正向电流，结形成较大的正向电流，PN结处于结处于导通导通状态。状态。1.2.1PN结的单向导电性结的单向导电性PN结外加反向电压结外加反向电压若若电电源源的的正正极极接接N区区、负负极极接接P区区，这这时时PN结结处处于于反反向向偏偏置置。由由于于外外电电场场的的方方向向与与内内电电场场一一致致，空空间间电电荷荷区区变变宽宽，形形成成反反向向电电流流。因因少少数数载载流流子子浓浓度度很很低低、且且在在一一定定温温度度下下浓浓度度不不变变，所所以以反反向向电电流流不不仅仅很很小小，其其大大小小也也保保持持不不变变，故故称称为为反反向向饱饱和和电电流流。此此时时PN结结处处于于反反向向截截止止状状态态，PN结结呈呈现现的的电电阻阻很很大大，称称为为反向电阻。反向电阻。1.2.1PN结的单向导电性结的单向导电性综综上上所所述述，PN结结加加正正向向电电压压，处处于于导导通通状状态态；PN结结加加反反向向电压，处于截止状态，即电压，处于截止状态，即PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。PN结结的的两两端端电电压压uD和和流流过过PN结结的的电电流流iD之之间间的的关关系系称称为为PN结结伏伏安安特特性性。现现以以硅硅二二极极管管PN结结伏伏安安特特性性曲曲线线为为例例，说说明明PN结结伏伏安安特特性性表表达达式式。图图1.2.3为为硅硅二二极极管管PN结结伏伏安安特特性性曲曲线，理论分析，线，理论分析，PN结伏安特性的表达式为结伏安特性的表达式为（1.2.1）式式中中IS为为反反向向饱饱和和电电流流的的大大小小，UT=KT/q称称为为温温度度电电压压当当量量，其其中中K为为玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，T为为热热力力学学温温度度，q为为电电子子的的电电量量，当温度为当温度为300K时，时，UT26mV。1.2.1PN结的单向导电性结的单向导电性图图1.2.3硅二极管硅二极管PN结伏安特性曲线结伏安特性曲线iDIS(uDUT1)(uDUT1)1.2.2PN结的击穿结的击穿1、雪崩击穿雪崩击穿当当反反向向电电压压增增加加时时，内内电电场场亦亦加加强强，使使少少数数载载流流子子在在漂漂移移过过程程中中受受到到更更大大作作用用力力产产生生加加速速运运动动，它它们们可可能能在在与与共共价价键键中中的的价价电电子子碰碰撞撞时时将将价价电电子子“撞撞”出出共共价价键键而而产产生生自自由由电电子子空空穴穴对对，新新的的自自由由电电子子空空穴穴对对被被电电场场加加速速后后又又可可能能撞撞出出更更多多的的自自由由电电子子空空穴穴对对。如如此此连连锁锁反反应应，当当反反向向电电压压达达到到一一定定程程度度时时，便便产产生生类类似似雪雪崩崩的的效效应应，从从而而使使载载流流子子倍倍增增而而引引起电流的急剧增加。起电流的急剧增加。2、齐纳击穿齐纳击穿高高浓浓度度掺掺杂杂时时，空空间间电电荷荷区区宽宽度度很很小小，即即使使不不大大的的反反向向电电压压也也可可以以产产生生很很强强的的电电场场，将将价价电电子子直直接接从从共共价价键键中中拉拉出出来来，产生自由电子产生自由电子空穴对参加导电，引起电流急剧增加。空穴对参加导电，引起电流急剧增加。不不论论是是那那种种情情况况的的反反向向电电击击穿穿，只只要要PN结结不不因因电电流流过过大大产产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。1.2.3PN结的电容效应结的电容效应势垒电容势垒电容CbPN结的空间电荷区实际上是由不能移动的正、负离子组成结的空间电荷区实际上是由不能移动的正、负离子组成的，它们具有一定的电量。当空间电荷区随外加电压的变化的，它们具有一定的电量。当空间电荷区随外加电压的变化而加宽或变窄时，而加宽或变窄时，PN结上的电量相应增加或减少，如图结上的电量相应增加或减少，如图1.2.4所示。这种电荷量随外加电压变化而变化的现象就是一所示。这种电荷量随外加电压变化而变化的现象就是一种电容效应，称为势垒电容，用种电容效应，称为势垒电容，用Cb表示。表示。扩散电容扩散电容Cd扩散电容扩散电容Cd是由于是由于PN结外加正向电压，多数载流子在扩散结外加正向电压，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。过程中引起电荷积累而产生的。势势垒垒电电容容Cb和和扩扩散散电电容容Cd都都与与PN结结的的面面积积成成正正比比，并并且且均均为非线性电容。为非线性电容。PN结的结电容结的结电容Cj为两者之和为两者之和Cj=Cb+CdPN结在加正向电压时，结电容一般以扩散电容为主；加反结在加正向电压时，结电容一般以扩散电容为主；加反向电压时，结电容基本上等于势垒电容。向电压时，结电容基本上等于势垒电容。1.3半导体二极管半导体二极管1.3.1半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号(a)点接触点接触型型(b)面接触型面接触型(c)平面型平面型(d)符号符号1.3.2伏安特性伏安特性(a)硅二极管硅二极管(b)锗二极管锗二极管1.3.2伏安特性伏安特性1.正向特性正向特性硅硅二二极极管管的的导导通通电电压压约约为为0.5V,锗锗二二极极管管的的导导通通电电压压约约为为0.1V。二二极极管管正正常常工工作作时时,阳阳极极与与阴阴极极间间的的电电压压硅硅管管一一般般为为0.60.8V,锗锗管管为为0.20.3V。通通常常认认为为当当二二极极管管正正向向电电压压小小于于导导通电压，二极管截止，大于导通电压，二极管导通。通电压，二极管截止，大于导通电压，二极管导通。2.反向特性反向特性小小功功率率硅硅管管的的反反向向饱饱和和电电流流约约在在0.1A以以下下，锗锗管管通通常常在在几几十十A。当当反反向向电电压压增增加加到到某某一一数数值值时时（一一般般为为几几十十伏伏、高高的的可可达达数数千千伏伏），二二极极管管被被击击穿穿，此此时时，二二极极管管处处于于击击穿穿状状态态。普普通通二二极极管管往往往往因因击击穿穿过过热热而而烧烧毁毁，因因此此，普普通通二二极极管管一般工作在导通状态和截止状态。一般工作在导通状态和截止状态。3.温度特性温度特性二二极极管管的的特特性性对对温温度度十十分分敏敏感感，温温度度升升高高时时，正正向向特特性性曲曲线线向向左左移移，反反向向特特性性曲曲线线向向下下移移。一一般般规规律律是是：在在同同一一电电流流下下，温温度度每每升升高高1，正正向向压压降降减减少少22.5；温温度度每每升升高高10，反向饱和电流约增加一倍。反向饱和电流约增加一倍。1.3.3主要参数主要参数最最大大整整流流电电流流IFm 指指二二极极管管长长期期工工作作时时允允许许通通过过的的最最大大正正向向平平均均电电流流。它它主主要要取取决决于于PN结结的的结结面面积积大大小小，当当流流过过二极管的正向平均电流超过此值时，会使二极管的正向平均电流超过此值时，会使PN结烧坏。结烧坏。最最高高反反向向工工作作电电压压URm 指指保保证证二二极极管管不不被被反反向向击击穿穿所所给给出出的的最最高高反反向向工工作作电电压压。通通常常约约为为反反向向击击穿穿电电压压的的一一半半。使使用时，加在二极管上的实际反向电压不能超过此值。用时，加在二极管上的实际反向电压不能超过此值。最最大大反反向向工工作作电电流流IRm 指指在在二二极极管管上上加加最最高高反反向向工工作作电电压压时时的的反反向向电电流流。此此值值愈愈小小，单单向向导导电电性性能能愈愈好好。当当温温度度升升高高时时，反反向向电电流流增增加加，单单向向导导电电性性能能变变坏坏，故故二二极极管管在在高高温温条件使用时要特别注意。条件使用时要特别注意。最最高高工工作作频频率率fM:指指保保证证二二极极管管具具有有良良好好单单向向导导电电性性能能的的最最高高频频率率。它它主主要要由由PN结结的的结结电电容容大大小小决决定定。结结面面积积小小的的二极管最高工作频率较高。二极管最高工作频率较高。1.3.3主要参数主要参数5二二极极管管的的直直流流电电阻阻RD：二二极极管管两两端端的的直直流流电电压压与与流流过过二二极管的电流之比称为二极管的直流电阻极管的电流之比称为二极管的直流电阻RD。即即RD=（1.3.1）6二二极极管管的的交交流流（动动态态）电电阻阻rD：当当二二极极管管端端电电压压在在某某一一确确定定值值（工工作作点点）附附近近的的微微小小变变化化与与流流过过二二极极管管电电流流产产生生的的微小变化之比称为二极管的交流（动态）电阻微小变化之比称为二极管的交流（动态）电阻rD。即即（1.3.2）二二极极管管直直流流电电阻阻RD和和动动态态电电阻阻rD的的大大小小与与二二极极管管的的工工作作点点有有关关。对对同同一一工工作作点点而而言言，直直流流电电阻阻RD大大于于动动态态电电阻阻rD，对不同工作点而言，工作点愈高，对不同工作点而言，工作点愈高，RD和和rD愈低。愈低。1.4二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法1.4.1二极管伏安特性的建摸二极管伏安特性的建摸1理想模型理想模型理想二极管具有的特点是：加正向电压时二极管导通，其理想二极管具有的特点是：加正向电压时二极管导通，其两极之间视为短路，相当于开关合上；加反向电压时二极两极之间视为短路，相当于开关合上；加反向电压时二极管截止，其两极之间视为开路，相当于开关断开。管截止，其两极之间视为开路，相当于开关断开。2恒压模型恒压模型恒压模型如图恒压模型如图1.4.2所示，其基本思想是：当二极管导通时，所示，其基本思想是：当二极管导通时，其工作电压恒定，不随工作电流变化，典型导通电压值其工作电压恒定，不随工作电流变化，典型导通电压值UD为为0.7V（硅管，锗管硅管，锗管UD为为0.3V），），当工作电压小于该值二当工作电压小于该值二极管截止，其两极之间视为开路。极管截止，其两极之间视为开路。分析二极管电路的关键是判断二极管的导通或截止。分析二极管电路的关键是判断二极管的导通或截止。导通导通时，用理想模型分析，时，用理想模型分析，UD=0，用恒压模型分析，用恒压模型分析，UD=0.7V或或UD=0.3V，截止时，两种模型均视为开路。截止时，两种模型均视为开路。1.4.2限幅电路限幅电路图中所示电路为一图中所示电路为一种限幅电路，其作种限幅电路，其作用就是将输出电压用就是将输出电压的幅度限制在一定的幅度限制在一定的范围内。在分析的范围内。在分析这类电路时，一般这类电路时，一般采用理想模型。求采用理想模型。求解时不妨先将二极解时不妨先将二极管断开，分别求出管断开，分别求出它们两极的电压，它们两极的电压，当满足导通条件时，当满足导通条件时，将二极管两极短接，将二极管两极短接，否则二极管阳极和否则二极管阳极和阴极间视为开路。阴极间视为开路。1.4.3开关电路开关电路在数字电路中，常利用二极管单向导电性的开关在数字电路中，常利用二极管单向导电性的开关作用，组成各种开关电路，实现相应的逻辑功能。作用，组成各种开关电路，实现相应的逻辑功能。在分析这类电路原则仍然是判断电路中的二极管在分析这类电路原则仍然是判断电路中的二极管是导通还是截止。是导通还是截止。例例1.4.2电路如图所示，当电路如图所示，当UA和和UB为为0V或或5V时，时，求求UA和和UB在不同的组合下，输出电位在不同的组合下，输出电位UY的值，设的值，设DA、DB为理想二极管。为理想二极管。解：（解：（1）UA=0V，UB=5V，由电路可知，由电路可知，DA的正的正向偏置电压为向偏置电压为12V，DB的正向偏置电压为的正向偏置电压为17V，此此时出现两个二极管同时正向偏置。在这种情况下，时出现两个二极管同时正向偏置。在这种情况下，正向偏置电压大的二极管首先导通，即正向偏置电压大的二极管首先导通，即DB导通，导通，输出电位输出电位UY钳制在钳制在5V，而而DA因因DB导通处于反向偏导通处于反向偏置，因而置，因而DA截止。截止。1.4.3开关电路开关电路（2）依此类推，）依此类推，UA和和UB在不同的组合下，输出电位在不同的组合下，输出电位UY的的值列入表值列入表1.4.1中。中。表表1.4.1输输入入二极管状态二极管状态输输出出UAUBDADBUY0V0V导通导通导通导通00V5V截止截止导通导通5V5V0V导通导通截止截止5V5V5V导通导通导通导通5V由上表可知，只由上表可知，只要要UA、UB中有一中有一个为个为5V，则输出则输出为为5V，若若UA、UB全为全为0V，则输则输出为出为0V，这种逻这种逻辑关系称为或逻辑关系称为或逻辑。辑。1.5稳压二极管稳压二极管1.5.1稳压二极管的伏安特性及工稳压二极管的伏安特性及工作状态作状态稳压二极管是一种用特殊工艺制稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型半导体硅二极管，造的面接触型半导体硅二极管，简称稳压管。可工作在导通、截简称稳压管。可工作在导通、截止和反向击穿状态。止和反向击穿状态。稳压管的符号和伏安特性曲线稳压管的符号和伏安特性曲线稳压管的正向伏安特性与普通的稳压管的正向伏安特性与普通的硅二极管相比有两个差别：硅二极管相比有两个差别：一是一是反向击穿电压较低，反向击穿电压较低，只要采取适只要采取适当措施限制管子的电流，反向击当措施限制管子的电流，反向击穿是可逆的。另一差别是稳压管穿是可逆的。另一差别是稳压管的反向伏安特性很陡，的反向伏安特性很陡，具有稳压具有稳压作用作用。1.5.2稳压管的主要参数稳压管的主要参数稳定电压稳定电压Uz稳稳定定电电压压指指稳稳压压管管正正常常工工作作时时管管子子两两端端的的电电压压，也也就就是是它它的的反反向击穿电压。向击穿电压。稳定电流稳定电流Iz稳稳定定电电流流指指工工作作电电压压等等于于稳稳定定电电压压时时的的工工作作电电流流。它它仅仅为为一一个个参参考考数数值值，具具体体的的稳稳定定电电流流值值由由具具体体情情况况而而定定。对对于于每每一一个个稳稳压管而言均规定有最大稳定电流压管而言均规定有最大稳定电流Izmax和最小稳定电流和最小稳定电流Izmin。动态电阻动态电阻rz动动态态电电阻阻指指稳稳压压管管的的两两端端电电压压变变化化量量与与流流过过稳稳压压管管电电流流变变化化量量的比值。由以上定义可知，稳压管的反向伏安的比值。由以上定义可知，稳压管的反向伏安4额定功率额定功率PzPz取决于稳压管允许的温升。取决于稳压管允许的温升。5温度系数温度系数温度系数指当温度每升高温度系数指当温度每升高1时稳压管稳定电压的相对变化量。时稳压管稳定电压的相对变化量。