模拟电子技术教学课件全套电子教案汇总整本书课件最全教学教程完整版教案(最新).ppt

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1、模拟电子技术常用半导体器件常用半导体器件模块模块11.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 场效应管场效应管 1.5 晶闸管及应用晶闸管及应用1.1.1 本征半导体本征半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。共价键共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构Si2

2、8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4惯性核惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动1.1半导体的基础知识半导体的基础知识本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复 合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成对消失的过程。成对消失的过程。漂漂 移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚

3、成为自由电子，并在共价键中留下一个空位中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半

4、导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数施主施主离子离子施主施主原子原子受主受主离子离子受主受主原子原子二、杂质半导体的导电作用二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP三、三、P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正

5、离子多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子+1.1.3 PN 结结一、一、PN 结结(PN Junction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。内建电场内建电场二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)forwa

6、rd biasP 区区N 区区内电场内电场+UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)reverse biasP 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截

7、止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 01.2.1 半导体二极管的结构和分类半导体二极管的结构和分类构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：A(anode)C(cathode)分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底

8、座金锑金锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持底衬型支持底衬1.2半导体二极管半导体二极管1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mV二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=(0.

9、6 0.8)V硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3)V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反反向向击击穿穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的

10、伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4 25 50510150.010.020温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD/mAuD/V20 C90 CT 升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2.URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为，为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好

11、)4.fM 最高工作频率最高工作频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1.低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。高频高频时，因容抗增大，使时，因容抗增大，使结电容分流结电容分流，导致，导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。1.2.4 二极管等效电路二极管等效电路一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0

12、；反偏截止，；反偏截止，iD=0 U(BR)=二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.2 V(Ge)UD(on)三、二极管的折线近似模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率斜率1/rDrDUD(on)UD(on)例例 1.1 硅硅二二极极管管，R=2 k，分分别别用用二二极极管管理理想想模模型型和和恒恒压降模型求出压降模型求出 VDD=2 V 和和 VDD=10 V 时时 IO 和和 UO 的值。的值。UOVDDIORUOVDDIOR 解解 VDD=2 V 理想理想IO=VDD/R=2/2 =1(mA)UO=VDD

13、=2 V恒压降恒压降 UO=VDD UD(on)=2 0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10 V 理想理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降恒压降 UO=10 0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)UOVDDIORVDD 大，大，采用理想模型采用理想模型VDD 小，小，采用恒压降模型采用恒压降模型例例1.2 试求电路中电流试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压和输出电压 UO 的值的值。解：解：假设二极管断开假设二极管断开UP=15 VUP UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 UO=VDD1

14、UD(on)=15 0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1 k 3 k IOI1I215 V12VPN例例 1.3 二二极极管管构构成成“门门”电电路路，设设 V1、V2 均均为为理理想想二二极极管管，当当输输入入电电压压 UA、UB 为为低低电电压压 0 V 和和高高电压电压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。UAUBUOR3 k 12 VVDDV1V2BAY输入电压输入电压理想

15、二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBV1V20 V0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V例例 1.4 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sin t(V)作用下输出作用下输出 uO 的波形。的波形。(按理想模型按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4若若有有条条件件，可可切切换换到到 EWB 环环境境观观察桥

16、式整流波形。察桥式整流波形。例例 1.5 ui=2 sin t(V)，分析二极管的限幅作用。，分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO=uiuO=0.7 Vui 0.7 VV2 导通导通 V截止截止ui 0.7 VV1 导通导通 V2 截止截止 uO=0.7 V思考题思考题:V1、V2 支支路路各各串串联联恒恒压压源源，输出波形如何？输出波形如何？(可可切至切至 EWB)OtuO/V0.7Otui/V2 0.7小小 结结理想二极管理想二极管：正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；正偏导通，电压降为零，

17、相当于开关合上；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。反偏截止，电流为零，相当于开关断开。恒压降模型恒压降模型：正偏电压正偏电压 UD(on)时导通，等效为恒压源时导通，等效为恒压源 UD(on)；否则截止，相当于二极管支路断开。否则截止，相当于二极管支路断开。iD/mAuD/VO四、指数模型四、指数模型电路中含直流和小信号交流电源时电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中二极管中含交、直流含交、直流成分成分VDDuiuDRCiDC 隔直流隔直流 通交流通交流当当 ui=0 时时iD=IQUQ=0.7 V(硅硅)，0.2 V(锗锗)设设 ui=sin tVDDVDD/RQIQ tOuiUQiD/

18、mA tOid斜率斜率1/rdrd=UT/IQ=26 mV/IQ当当 ui 幅度较小时，幅度较小时，二极管伏安特性在二极管伏安特性在Q点附近近似为直线点附近近似为直线五五、微变等效电路、微变等效电路对于交流信号对于交流信号电路可等效为电路可等效为例例 1.6 ui=5sin t(mV)，VDD=4 V，R=1 k，求，求 iD 和和 uD。解解 1.静态分析静态分析令令 ui=0，取，取 UQ 0.7 VIQ=(VDD UQ)/R=3.3 mA2.动态分析动态分析 rd=26/IQ=26/3.3 8()Idm=Udm/rd=5/8 0.625(mA)，id=0.625 sin t3.总电压、电

19、流总电压、电流=(0.7+0.005 sin t)V=(3.3+0.625 sin t)mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd1.2.5 特殊二极管特殊二极管 一、一、稳压二极管稳压二极管1.伏安特性伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ/mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性2.主要参数主要参数1.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZM

20、 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM=UZ IZM4.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 二、发光二极管二、发光二极管 LED(Light Emitting Diode)1.符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA，导通电压导通电压(1 2)V2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长光学参数：峰值波长 P，亮度，亮度 L，光通量，光通量 发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通 LED，不可见

21、光：不可见光：红外光红外光，点阵，点阵 LED符号符号u/Vi /mAO2特性特性七段七段 LED三、光敏二极管三、光敏二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长1.3.1 三极管结构与工作原理三极管结构与工作原理一、结构、符号和分类一、结构、符号和分类NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射

22、区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型分类：分类：按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按结构分：按结构分：NPN、PNP按使用频率分：按使用频率分：低频管、高频管低频管、高频管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 WECBECB1.3 半导体三极管半导体三极管二、电流放大原理二、电流放大原理1.三极管放大的条件三极管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路满足放大条件的

23、三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极实现电路实现电路uiuoRBRCuouiRCRE3.三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子发射区向基区注入多子电子电子，形成发射极电流形成发射极电流 IE。I CN多数向多数向 BC 结方向扩散形成结方向扩散形成 ICN。IE少数与空穴复合，形成少数与空穴复合，形成 IBN。I BN基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供(IB)集电区少子漂移集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB+ICBO即：即：IB=IBN ICBO 3)集电区收集扩散过

24、来的载流子形成集电极电流集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 ICICI C=ICN +ICBO 2)电子到达基区后电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略基区空穴运动因浓度低而忽略)4.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系当当管管子子制制成成后后，发发射射区区载载流流子子浓浓度度、基基区区宽宽度度、集集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I BN ICBO IC=ICN +ICBOIE=IC+IB穿透电流穿透电流1.3.2 三极管的伏安特性三极管的伏安特性一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路与二极管特性相似与

25、二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCE VBBCEBiC+iBRB+uBE VBB+O特性基本特性基本重合重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)导通电压导通电压 UBE(on)硅管：硅管：(0.6 0.8)V锗管：锗管：(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 VVBB+RB二、输出特性二、输出特性iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43211.截止区：截止区：IB 0 IC=ICEO 0条件：条件：两个结反偏两个结反偏2.放大区：放大区：3.饱和区：饱和区：

26、uCE u BEuCB=uCE u BE 0条件：条件：两个结正偏两个结正偏特点：特点：IC IB临界饱和时：临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V(硅管硅管)UCE(SAT)=0.1 V(锗管锗管)放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔ICEO温度对特性曲线的影响温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线温度升高，输入特性曲线向左移。向左移。温度每升高温度每升高 1 C，UBE (2 2.5)mV。温度每升高温度每升高 10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。2.温度升高，

27、输出特性曲线温度升高，输出特性曲线向上移。向上移。OT1T2 iCuCE T1iB=0T2 iB=0iB=0温度每升高温度每升高 1 C，(0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。输出特性曲线间距增大。O三、三、晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数(一一)电流放大系数电流放大系数1.共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数直流电流放大系数 交流电流放大系数交流电流放大系数一般为几十一般为几十 几百几百2.共基极电流放大系数共基极电流放大系数 1 一般在一般在 0.98 以上。以上

28、。Q(二二)极间反向饱和电流极间反向饱和电流CB 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICBO，CE 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICEO。(三三)极限参数极限参数1.ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。U(BR)CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。2.PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC=iC uCE。3.U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压

29、。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO(P34 2.1.7)已知已知:ICM=20 mA,PCM=100 mW，U(BR)CEO =20 V，当当 UCE=10 V 时，时，IC mA当当 UCE=1 V，则，则 IC mA当当 IC=2 mA，则，则 UCE 0 此时此时 uGD=UGS(off)；沟道楔型沟道楔型耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。预夹断预夹断当当 uDS ，预夹断预夹断点点下移。下移。3.转移特性和输出特性转移特性和输出特性UGS(off)当当 UGS(off)uGS 0 时时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V

30、3 VOO一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)1.4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一层在硅片表面生一层薄薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金属在绝缘层上喷金属铝引出栅极铝引出栅极 GB耗尽层耗尽层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDB2.工作原理工作原理1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道

31、的影响(uDS=0)a.当当 UGS=0，DS 间为两个背对背的间为两个背对背的 PN 结；结；b.当当 0 UGS UGS(th)DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道道呈呈楔楔形形，uDS，靠靠近近漏漏极极端端的的沟沟道道厚厚度变薄。度变薄。预夹断预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。3.转移特性曲线转移特性曲线2 4 64321uGS/ViD/mAUDS=10 VUGS(th)当当 uGS UGS(th)时：时：uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值

32、值4.输出特性曲线输出特性曲线可变电阻区可变电阻区uDS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO4.低频跨导低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几。一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQPDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDMO概概 述述晶闸管晶闸管(Thyristor)(Thyristor)可控硅，是一种受控硅二极管。可控硅，是一种受控硅二极管。优点：优点：体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度

33、快、体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度快、控制灵活、寿命长、使用维护方便。控制灵活、寿命长、使用维护方便。缺点：缺点：大多工作与断续的非线性周期工作状态，产生大大多工作与断续的非线性周期工作状态，产生大量谐波干扰电网；过载能力和抗扰能力较差、控制电路量谐波干扰电网；过载能力和抗扰能力较差、控制电路复杂。（由于技术进步，近年有改善）复杂。（由于技术进步，近年有改善）1.5晶闸流管及应用晶闸流管及应用1.5.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的符号和外型晶闸管的符号和外型符号符号阳极阳极 a k阴极阴极 g控制极控制极螺栓式螺栓式平板式平板式塑封式塑封式2.晶闸管的工

34、作原理晶闸管的工作原理等效等效结构结构等效工作电路等效工作电路符号电路符号电路1.触发导通：触发导通：S闭合，触发信号闭合，触发信号UGK IB2(IG)IC2(2IB2)IC1(1 2IB2)形成形成正反馈，正反馈，晶闸管晶闸管触发导通触发导通UGK=0.6 1.2V2.关断方法：关断方法：(1)降低正向电压，使阳极电流小于维持电流降低正向电压，使阳极电流小于维持电流IH则截止。则截止。(2)使使UGK 0则截止则截止。3.晶闸管的主要参数及型号晶闸管的主要参数及型号一、电压额定值一、电压额定值1.额定电压额定电压(耐压耐压)UD：指加在管子上的最大允许电压。：指加在管子上的最大允许电压。为

35、保证安全，选型要求为保证安全，选型要求UD大于实际工作峰值电压大于实际工作峰值电压23倍。倍。2.通态平均电压通态平均电压UF：指通过正向正弦半波额定电流时，：指通过正向正弦半波额定电流时，在导通一个周期内管子两端的平均电压。在导通一个周期内管子两端的平均电压。为为0.6 1.2V。3.反向击穿电压反向击穿电压UBR：指达到反向击穿时所加反向电压。：指达到反向击穿时所加反向电压。4.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM：当控制极开路，允许重复加：当控制极开路，允许重复加在管子上的反向峰值电压。在管子上的反向峰值电压。URRM=UBR 100 V。二、电流额定值二、电流额定值1.额定正向平均

36、电流额定正向平均电流IF：指允许通过工频正弦半波电流：指允许通过工频正弦半波电流平均值。平均值。一般取一般取IF为正常平均电流的为正常平均电流的1.5 2倍。倍。2.维持电流维持电流 IH：指由通态到断态的最小阳极电流。：指由通态到断态的最小阳极电流。3.浪涌电流浪涌电流IFSM：指晶闸管能承受的最大过载电流的峰值。：指晶闸管能承受的最大过载电流的峰值。三、控制极额定参数三、控制极额定参数1.控制极触发电压控制极触发电压UG、触发电流、触发电流 IG：指管子触发导通：指管子触发导通所需的最小控制极直流电压、电流。所需的最小控制极直流电压、电流。通常通常UG为为1 5V，IG为几十至几百毫安。为

37、几十至几百毫安。2.控制极正向、反向最大电压控制极正向、反向最大电压、最大电流和平均功率及最大电流和平均功率及瞬时最大功率。瞬时最大功率。四、其它定额四、其它定额通态电流上升率通态电流上升率dia/dt、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率duak/dt、开通时间开通时间 ton、关断时间、关断时间toff。五、晶闸管型号五、晶闸管型号据据JB1144 75 规定，规定，KP型普通晶闸管的型号和含义为：型普通晶闸管的型号和含义为：K P -晶闸管晶闸管普通型晶闸管普通型晶闸管（另有（另有K-快速型，快速型，S双向型）双向型）额定通态平均电流额定通态平均电流 IF系列系列从从1 1 000 A

38、内分内分14个规格。个规格。额定电压额定电压 UD 等级等级，1000 V级差为级差为100 V；1000 3000 V级差为级差为200 V，单位为，单位为100V。通态平均电压通态平均电压 UF 组别组别（小于（小于100A不标）不标）分分9级，用级，用A I 表示表示0.4 1.2V，级差，级差0.1V例如例如 KP10012G表示表示IF=100 A，UD=1200 V，UF=1 V的普通型晶闸管。的普通型晶闸管。1.电阻性负载的单相半控桥式整流电路电阻性负载的单相半控桥式整流电路一、工作原理一、工作原理两只晶闸管和两只两只晶闸管和两只二极管构成二极管构成半控整流半控整流u2、ak和和

39、RL组成主回路组成主回路gk及其控制电及其控制电路组成触发回路路组成触发回路u2正半周正半周，当，当 t=，T1触发导通、触发导通、D2导通，导通，T2、D1截止截止当当 t=，u2=0，T1阻断、阻断、D2截止，截止，T2、D1截止截止u2负半周负半周,当当 t=+，T2触发导通、触发导通、D1导通，导通，T1、D2截止截止当当 t=2，u2=0 T2阻断、阻断、D1截止，截止，T1、D2截止截止1.5.2 单相可控整流电路及触发电路单相可控整流电路及触发电路二、参数计算二、参数计算1.输出电压和电流输出电压和电流2.晶闸管和二极管工作参数晶闸管和二极管工作参数2.触发电路触发电路触发电路触

40、发电路 向晶闸管控制极提供触发信号的电路。向晶闸管控制极提供触发信号的电路。对触发脉冲的基本要求：对触发脉冲的基本要求：(1)与主回路电源电压的相位具有一定控制角对应关系。与主回路电源电压的相位具有一定控制角对应关系。(2)触发电压为触发电压为4 10 V。(3)触发脉冲宽度不低于触发脉冲宽度不低于 6 s，最好为最好为20 50 s。(感性负载应更宽感性负载应更宽)(4)在发送触发脉冲之前，触发输出电压应在发送触发脉冲之前，触发输出电压应 0.15 0.2V，或为或为 2 1V，以免误触发。，以免误触发。一、单结晶体管的符号和外形一、单结晶体管的符号和外形等效电路等效电路DAb2b1eRb2

41、Rb1符号符号b2b1b1 第一基极第一基极b2 第二基极第二基极Rb1、Rb1 基极与基体间体电阻基极与基体间体电阻Rbb=Rb1+Rb1 2 15 k A 内部分压点内部分压点 分压比分压比 一般在一般在 0.3 0.9 之间之间外外 形形e b1 b2e b1 b2二、单结晶体管的伏安特性二、单结晶体管的伏安特性当当UE UA+UD,PN结结导通导通，呈现，呈现负阻特性负阻特性，IE UE PV段；段；（因内部多子流量增大，（因内部多子流量增大，Rb1减少，减少，UA UE ）在在V点后，点后，IE UE ，多子流量饱和，多子流量饱和，Rb1不再减小。不再减小。峰点峰点4 A谷点谷点三、

42、单结晶体管的振荡电路三、单结晶体管的振荡电路初始，初始，uE=0，T截止，截止，C 充电，充电，uE 按指数曲线按指数曲线 ；当当UE UP，T 突然导通，突然导通，C 放电并输出上跳沿，放电并输出上跳沿，uE 按指数曲线迅速按指数曲线迅速 ；当当UE UV，T又截止，又截止，C 开始充电开始充电三、单结晶体管的振荡电路三、单结晶体管的振荡电路充电时间充电时间T1，放电时间，放电时间T2,因（因（Rb1+RB1）C IB，则与温度基本无关。调节过程：静态工作点稳定的放大电路静态工作点稳定的放大电路直流通道及静态工作点估算IB=IC/UCE=VCCICRCIEReICIE=UE/Re=（UBUB

43、E）/ReUBE0.7V+VCCRb1RCRb2ReICIEIBUCE电容开路,画出直流通道电容短路,直流电源短路，画出交流通道交流通道及微变等效电路Rb1+ECRCC1C2Rb2CERERLuiuoBEC交流通道Rb1RCRb2RLuiuoBECibiciii2i1微变等效电路rbeRCRLRb1Rb2BECI1I2微变等效电路及电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算Ri=Rb1/Rb2/rbeRo=RCrbeRCRLRb1Rb2BECI1I2RL=RC/RL电容CE的作用：例：图示电路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50

44、。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解：（1）用估算法计算静态工作点（2）求电压放大倍数（3）求输入电阻和输出电阻Rb+VCCC1C2ReRLuiuo2.4.2共集电极放大器静态分析静态分析直流通道及静态工作点分析：VCC=IBRb+UBE+IERe=IBRb+UBE+(1+）IBReRb+VCCReIBIEUBEUCEIC=IB动态分析动态分析交流通路及微变等效电路RB+ECC1C2RERLuiuo交流通路及微变等效电路rbeReRLEB CRbReRLuiuoBCE=LbbebLbRI)1(rIRI)1(+电压放大倍数rbeRERLRLIeuA=UoUi1、所以2、输

45、入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器，或者射极跟随器。讨论输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。Au输入电阻rbeReRLIRBRi=UiIbrbe+(1+)RL=Ri=UiIi=Rb/rbe+(1+)RLRiRi输出电阻用加压求流法求输出电阻。rbeRERsro置0保留RsrbeRe输出电阻ro=Re/rbe1+当RS=0时（加电压求流法）ro=Re/rbe1+当RS=0时ro+=1Rr/RsbeE射极输出器的特点：电压放大倍数=1，输入阻抗高，输出阻抗小。例在射极输出器中已知UCC=12V，RB=240k，RE=3k，RL=6k，RS=1

46、50，=50。RSuS+RLiCiBTC2C1+RBRE+UCC+uO（1）静态工作点IB=0.029mAUCCUBE127RB+（1+）RE240+（1+50）3IE=（1+）IB=（1+50）0.029=1.48mAUCE=UCCREIE=1231.48=7.56VRSuS+RLiCiBTC2C1+RBRE+UCC+uO（2）Au、ri和r0ri=RB/rbe+（1+）RL=240/1.2+（1+50）（2/6）=72.17krO=26.47rbe+RS1+1200+1501+50.UORSRERLebcIbIe.ICrbeririUS.Ii.IbRB+.Uo.=1.20krbe=300+

47、（1+50）261.48例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解：（1）用估算法计算静态工作点2.4.3共基放大器 如图（a）所示电路，信号由发射极输入，由集电极输出，从其交流通路(b)所示，输入与输出回路的公共端为基极，所以称为“共基极放大电路”。图221共基极放大电路 共基极放大电路的微变等效电路如图所示图共基极放大电路的微变等效电路 对共基极放大电路进行分析，可知共基极放大电路无电流放大作用，但电压放大倍数较大，所以仍有功率放大作用；输出电压和输入电压同相；输入电阻低，输出电

48、阻较高。另外，共基极接法时晶体管输入回路的电容和时间常数都很小，上限截止频率很高，所以共基极放大电路适用于高频和宽频带放大电路。2.4.4 三种组态的性能比较 共射极放大电共射极放大电路路共集电极放大共集电极放大电路电路共基极放大共基极放大电路电路电压放大倍数电压放大倍数大大小于小于1 1大大电流放大倍数电流放大倍数大大大大小于小于1 1输入输出极性输入输出极性相反相反相同相同相同相同输入电阻输入电阻大大大大小小输出电阻输出电阻大大小小很大很大2.5场效应管放大电路2.5.1 偏置电路及静态分析偏置电路及静态分析1.自偏压电路在VDD的作用下,ID在RS上产生压降,即US=IDRS,而IG=0

49、,即UG=0,因此UGS=IDRS,这就是自偏压。只要调整合适的RS，就可以获得合适的静态工作点。图 自偏压电路 电路如图所示，场效应管的直流偏压是靠源极电阻Rs上的直流压降建立的，即静态分析静态分析2.分压式自偏压电路图 分压式自偏压电路 电路的直流偏压是靠分压电阻Rg1、Rg2和源极电阻Rs共同建立的，其值为2.5.2场效应管放大电路的放大电路的动态分析动态分析1.场效应管的交流等效模型图场效应管的交流等效模型2基本共源放大电路的动态分析3分压式偏置共源放大电路的动态分析(a)(b)图交流通路(a)无旁路电容时(b)有旁路电容时(1)无旁路电容CS时RO=RD 图无cs时小信号模型(2)有

50、旁路电容CS时图有cs时小信号模型RO=RD 4.三种场效应管放大器的比较 结构电压增益|AU|输入电阻输出电阻共源极1高中偏高共漏极1高低共栅极1低中偏高模块模块3 3 功率放大器功率放大器3.1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题3.4 功率放大器的保护电路功率放大器的保护电路 3.2 常见功率放大器常见功率放大器3.3集成功率放大器集成功率放大器3.1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题3.1.1 功率放大器的特点及要求功率放大器的特点及要求输出足够大的功率去驱动负载输出足够大的功率去驱动负载（扬声器、伺服电机等）（扬声器、伺服电机等）。二、功率放大的特殊问题二、功率