模拟电子技术基础(基础部分)(38页).doc
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1、-模拟电子技术基础(基础部分)-第 38 页模拟电子技术基础(基础部分)第一部分1.1 模拟信号与模拟电路1.2 模拟电子技术基础课程特点及如何学习该课程2.1 本征半导体导体 一般低价 绝缘体 高价 束缚电子半导体 四价元素 硅si 锗ge本征半导体 纯净的晶体结构的半导体要使材料导电性能可控2.2 杂质半导体为了使得导电性能可控,我们就要在本征半导体里边掺入一定的杂质,称为杂质半导体杂质半导体有两种,一种叫N形半导体,一种叫P形半导体。在N形半导体里边,我们掺入5价元素,经常掺入的是磷元素。这时候大家就可以看到,说在形成共价键之后,它多出一个电子(对应一个+5的正离子)。这个电子是一个自由
2、的电子,所以在这个5价元素周围,已经形成共价键。所多出来的这个电子,这样就使得自由电子和空穴的浓度不一样。也就是说自由电子变成了多数的载流子,而空穴变成了少数载流子再看一种 叫做P形半导体 P形半导体里边 是掺入了3价元素 一般是掺入硼 这时候 我们就可以看到这个 你看我把硼元素这儿 空出的这个地方 叫做空位而不叫它空穴 因为它不带电。因为硼元素就是3价的 而只有在什么时候 才产生的空穴呢。就是4价元素外部的 电子价电子补充了这个空位之后 这时候产生的才是空穴。所以我们说空穴是带电的 空穴在这个时候是多数载流子。P形半导体 主要靠空穴导电 仍然是掺入的杂质越多 空穴浓度越高 导电性能就越强。2
3、.3 pn结的形成及其单向导电性2.4 pn结的电容效应下面我们介绍一下PN结的电容效应。PN结的电容效应。有一种效应把它等效为叫势垒电容。就是PN结在加反向电压的时候,注意是N这边加的是正,P这边加的是负。这时候随着电压数值的变化,我们看到了一条曲线。就是注意啊。这里面这个u正的时候,实际上是加反向电压。随着这个电压的变化,它的等效的一个电容变化很大。而且到反向电压大到一定程度,随着电压的增大,电容量的增大很大。那PN结的结电容就是势垒电容和扩散电容之和由于有了这样一个的电容效应这个二极管它不具有了理想的单向导电性这样一个特性了因为这个二极管除了单向导电我们发现它有电容效应就相当于在二极管上
4、并了一个电容当我的信号频率大到一定程度的时候这个电容的容抗小到一定程度的时候我们说一个极端的情况频率很高 很高电容的容量就会趋于零那这时候这个动态信号它的作用就会全部加到R上而在二极管上没有压降也就是说这时候电容已经不体现出来它的单向导电性了它相当于把电容给短路掉这里我们要特别注意的就是结电容它和一般我们拿来的一个元件电容是不一样的这个电容呢它本身和外部的参数有关和它自己内部的结构有关比如说它的这个PN结的结面积到底有多大比如说外部加的电压有多大电流有多大所以它不是一个常量。这样的PN结一定有一个它工作的上限截止的频率当超过这个频率的时候PN结不再具有单向导电性。2.5 半导体二极管的结构2.
5、6 半导体二极管的伏安特性和电流方程2.7 二极管的直流等效电路(直流模型)2.8 二极管的交流等效电路和主要参数断开求开路电压判断。实验1 二极管伏安特性的测试2.9 晶体三极管的结构和符号2.10 晶体三极管的放大原理2.11 晶体三极管的输入特性和输出特性首先看在uCE等于零的时候我们看这个特性就像是PN结的伏安特性为什么会是这样的呢因为这时候当c-e是零的时候就是发射结和集电结并在一些那就是一个PN结就是两个PN结并在了一起所以它们的特性就像PN结的伏安特性第二如果c-e之间增大为什么曲线会右移呢我们从外部已经知道了iE等于iB加上iC当c-e之间的电压增大的时候就说明集电结它收集电子
6、的能力在逐渐增强也就是iC在逐渐增大iC增大当然iB就会变小表现在外部可以看到的就是c-e之间增大 曲线右移但是为什么曲线右移到一定程度c-e之间电压再增大它右移的不明显呢这是因为当着c-e之间的电压足够大已经把绝大多数的电子都收集过来的时候c-e之间再增大收集电子的数目不会明显增大的表现在外部就是它的曲线不会因为c-e之间电压增大而明显的右移了对于小功率管c-e之间大于1的一条输入特性曲线就可以近似的来代表c-e之间大于1伏的所有的特性曲线如果我们确定在这个电路里边晶体管是工作在放大区我们只要测试一条c-e电压大于1伏的这样的一条曲线就可以认为它是在放大区里边所有的输入特性曲线这里呢要注意的
7、是对于小功率管我们在下边的课程里首先要讲的就是小功率的放大电路看输出特性输出特性描述的是当iB确定的时候c-e之间的电压变化看iC的变化就是以c-e之间的电压为自变量来看iC这个函数由于有一个iB就有一条曲线所以它也是一族曲线。我们测试出来就是这种样子在这样一条曲线里边为什么我们会看到当c-e是零的时候然后逐渐增大这时候电流增大的比较迅速而一旦到一定数值的时候它基本上就是横轴的平行线其实这个解释和前边很相似。就是c-e之间的电压很小的时候 当它增大它收集的能力明显增大看到的外部电流iC就会明显增大而当c-e之间的电压大到一定程度已经把绝大多数的少子都收集过来那它再增大那么少子的数目不会明显的增
8、大了看到的外部电流就基本上不会再增大所以看到的几乎是横轴的平行线这样一个区域。【饱和区】它表现的就是c-e电压增大iC明显增大。在这个区域里边我们所看到的就是有一个iB就有一个成倍增长的iC我们看到的是IC几乎仅仅决定于iB这个称呼我们就称它为放大区而对于放大电路里边的晶体管我们就希望它永远工作在这个区域里边而不进入一个叫做饱和区就是随着c-e电压变化电流变化比较迅速的那个区域一个呢叫做截止区一旦这个电路里边的晶体管工作到了饱和区或者截止区去它就没有这个放大的能力了。实际上我们经常说的三极管的放大倍数电流放大倍数叫做是两个变化量之比条件就是c-e是常量的时候iC比上iB在这样一个输出特性坐标平
9、面里边我们应该做一个横轴的垂线然后我们取得iC和iB它们之比就是这就是我们在手册上所看到的和人们经常说它有放大作用指的是它对变化量的放大作用在这样一个输出特性上我们看到的是它们几乎都是横轴的平行线。这个是我们实测出来的对应的每一个固定的iB所得到的一条输出特性曲线我们看它明显的有上翘而且上翘的程度还不一样那说明什么说明本身不是处处相等的。这个电路工作在这一点和工作在这一点它的是不相等的所以我们在实际电路里分析的时候如果实测电路我们应该测试这个电路工作在哪个区域那个区域到底有多大所以这是第一个问题它不是常量那什么是理想的晶体管呢理想晶体管就是处处相等而且和一杠是相等的 b一杠是直流的放大倍数我们
10、来想一想怎么才能处处相等而且和一杠是相等的那是首先穿透电流应该是零再有就是iB在等差变化的时候输出特性是等距离的平行线这个时候就处处相等而且这个称为交流的电流放大倍数和直流的电流放大倍数是相等的在今后的近似分析的时候当我分析放大电路的原理的时候我是把晶体管理想化也就是认为处处相等而且等于一杠实验2 三极管输出特性的测试无作业第一周作业1 温度升高,二极管的正向导通电压不变,导通电流将怎么变化?导通电流增大。因为随着温度的增高,二极管的伏安特性曲线左移。注意一个二极管交流等效电阻的计算第二部分2.12 晶体三极管的三个工作区域及温度对特性的影响晶体管在它的输出特性曲线上,可以看到三个区域,除了放
11、大区之外,还有饱和区和截止区。下面我们来看晶体三极管的三个工作区域以及温度得它的特性的影响。首先对于这样一个电路,就是我们在前边看到过的这个电路。这个电路我们叫它共射电路。这是它的输出特性曲线。在这个曲线里边我们可以看到它的饱和区 放大区和截止区那下我们就列表来看一看它在三个区域里边结压降 管压降 电流之间有什么样的关系这是工作状态有截止 放大和饱和这是发射结的压降这是输出回路集电极电流iC这个是c-e之间的电压我们称为管压降uCE。看截止区,晶体管工作在截止区,是说它的发射结所加的电压没有到Uon。所以发射结压降是小于等于Uon的时候。我们就看到这时候它的iC就是那穿透电流我们认为它近似是零
12、这个时候iB也是零那对于这样一个电路iC是零的所以c-e之间的电压就是外加的电源电压VCC 放大区放大区发射结一定它的电压大于了开启电压也就是说在输入回路产生了iB电流那在输出回路有一个iB就有一个iB那就是iC所以iC是iB这时候管压降应该使得集电结处在反偏或者零偏那从外部我们测量上就可以看到说c-e之间的电压是大于等于uBE的。再看饱和的情况饱和的情况b-e之间的电压大于Uon说明它是导通的但是我们看这时候集电结已经不是反偏了所以c-e之间的电压是小于b-e之间的电压的那iC也不是像在放大区域里边它等于iB它小于iB也就是说在这个电路里边iB正常的增长已经不能使得c-e之间的电流iC正常的
13、增长那电压到哪去了呢降在了这个Rc上所以我们可以看到我常说饱和是一种什么情况呢是一种发射有余 收集不足说发射电子很多但是集电结已经没有能力去收集它了所以这时候iC电流是小于iB的那好了在一个电路里边我们怎么去看它处在截止状态还是放大状态还是饱和状态呢。首先判断它是否导通,如果它不导通也就是说b-e之间的电压小于开启电压,那它就是截止的。如果它导通,有两种情况,要么放大 要么饱和。那我通过什么去判断呢?通过c-e之间的电压,和b-e之间电压的关系。所以这样我们就知道了在一个电路里边不管是简单电路还是复杂电路我测出这个管子三个极的电位我就能够判断的出来这个管子究竟工作在截止区还是放大区 还是饱和区
14、那么要看标题说这是晶体管的三个工作区域所以截止和饱和它们也是两个工作区域只不过在模拟电子电路里边晶体管经常工作在放大区域而如果到了数字电路里边那么晶体管大多数就会不工作在截止区域就工作在饱和区我们叫它工作在开关状态那么晶体管工作在放大状态的时候输出回路电流iC几乎仅仅决定于输入回路电流iB所以可以把输出回路等效成一个电流iB控制的电流源iC下面我们看一看温度对晶体管特性的影响这是我们在摄氏20度和摄氏60度所测试出来的输入特性和输出特性虚线是温度升高之后的它的特性曲线那在这里这个IB1等于IB1IB2等于IB2所以我们从这个特性上可以看到温度升高它所带来的影响一个是穿透电流增大这个从内部结构上
15、我们是可以理解的因为穿透电流和集电结的反向电流紧密相关而集电结的反向电流就是少数载流子漂移运动构成的电流而少数载流子在温度变化的时候它的数目变化相对变化比较大第二个会增大因为我们看到同样的这个iB的时候它们不但增大了而且间隔加大了所以这是增大而从输入特性上可以看到uBE如果不变的话 iB会增大或者iB不变的话uBE会减小这就是温度对晶体管特性的影响那么当晶体管构成了一个放大电路的时候由于晶体管的特性受温度的影响那么就使得整个电路的性能也会受温度的影响如果我们不能解决温度稳定性的问题那么放大电路就不能称其为实用的电路了2.13 晶体三极管的主要参数我们就知道了三极管它的一些主要的参数大概是这样一
16、些参数一个参数就是直流参数就是它的直流的电流放大系数还有集电极的反向电流还有就是穿透电流实际上这两个电流我们只要知道一个就知道了另一个交流参数一个就是动态的交流的电流放大系数还有一个就是跟频率有关的参数叫ffs10Tr ffs10Tr是使等于1的信号频率也就是说没有电流放大作用时候的那个时候的信号频率那好为什么会因为信号的频率不同而不同呢我们知道三极管是由两个PN结构成的两个PN结就有两个结电容因此是结电容使得频率高到一定程度结电容的容抗不能够认为是无穷大了这时候三极管就要产生变化了不但幅值要变还会产生相移再有就是极限参数极限参数描绘的是三极管不会损坏的参数一个是对电流的限制一个是对功率的限制
17、还有一个是对它的压降的限制我们分别来看Ifs10CMr叫做最大集电极电流当这ifs10Cr超过Ifs10CMr的时候至少有一个现象是非常明显的它的明显的下降通常ifs10Cr应该小于Ifs10CMr第二个叫Pfs10CMrPfs10CMr描述的是最大集电极耗散功率Pfs10CMr应该于ifs10Cr乘以ufs10CEr那么如果我们把它看成一个数学式子它应该是一个双曲线但是我们知道对于三极管来讲它是工作在第一象限的所以它只是双曲线的一部分再一个参数就是c-e之间的击穿电压那为什么c-e之间会击穿呢因为当c-e加上一个正向的电压的时候总有一个结是处在反向偏置的那就是集电结处于反向偏置的结当电压大到
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