模拟电子技术教案.docx
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模拟电子技术教案
电子技术基础与技能
专业：
电力专业
任课教师：
孟秀玲
授课班级：
10级电、动
第一部分模拟电子技术与技能
第1章二极管及其应用
〖本章主要内容〗
本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。
其后介绍二极管的伏安特性、主要参数以及应用举例。
。
授课时间：
备课时间：
授课时数：
4
课题：
1.1二极管
〖教学目标〗
1、知识目标
（1）二极管的单向导电性、主要参数及伏安特性
（2）会用万用表检测二极管极性和质量优劣
（3）了解其他类型二极管的外形特征、功能及应用
2、能力目标
（1）教会学生分析二极管的伏安特性、单向导电性的能力
（2）会应用其他类型的二极管
3、情感目标：
培养学生对电子课的兴趣
〖重点〗
1、二极管的伏安特性、单向导电性
2、用万用表检测二极管极性和质量优劣
〖难点〗
1、二极管在电路中导通与否的判断方法，
2、用万用表检测二极管极性和质量优劣
〖教学组织过程〗
本讲以教师讲授为主。
用多媒体演示二极管的结构、伏安特性以及温度对二极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。
1.1.1半导体的奇妙特性
根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：
导体、半导体和绝缘体。
半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等，半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。
一、对温度反应灵敏
当温度升高，半导体的导电能力显著提高，当温度下降时，半导体的导电能力显著下降，如利用半导体的电阻率与温度的关系可制成自动控制用的热敏元件如热敏电阻。
二、对光照反应灵敏
利用它的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件，像光电池、光电管和光敏电阻等。
三、参入杂质后会改善导电性
在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
1、本征半导体
本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。
在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
2、杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
杂质半导体是半导体器件的基本材料。
在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N型（电子型）半导体；掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P型（空穴型）半导体。
杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。
在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
多子（自由电子）的数量＝正离子数＋少子（空穴）的数量
在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
多子（空穴）的数量＝负离子数＋少子（自由电子）的数
1.1.2二极管的结构与符号
1、PN结的形成
半导体中的载流子有两种有序运动：
载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。
同一块半导体单晶上形成P型和N型半导体区域，在这两个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN结就形成了。
2、PN结的单向导电性
当P区的电位高于N区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置），此时，PN结导通，呈现低电阻，流过mA级电流，相当于开关闭合；
当N区的电位高于P区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN结截止，呈现高电阻，流过μA级电流，相当于开关断开。
PN结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性：
即当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
这正是PN结具有单向导电性的具体表现。
一、二极管的结构
PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。
二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。
点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路。
面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路。
平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。
二、二极管的图形符号
VD
阳极阴极
1.1.3二极管的单向导电性
一、二极管的单向导电性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。
在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。
1、正向特性
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。
只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。
导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。
2、反向特性
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。
二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。
当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
二、二极管的特性曲线
半导体二极管的伏安特性曲线下图所示，处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。
1、正向特性：
当V＞0，即处于正向特性区域。
正向区又分为两段：
（1）当0＜V＜Uon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。
（2）当V＞Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。
2、反向特性：
当V＜0时，即处于反向特性区域。
反向区也分两个区域：
（1）当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。
（2）当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。
从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时，主要是雪崩击穿；若VBR≤4V则主要是齐纳击穿，当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。
3、二极管的伏安特性与PN结伏安特性的区别：
二极管的基本特性就是PN结的特性。
与理想PN结不同的是，正向特性上二极管存在一个开启电压Uon。
一般，硅二极管的Uon=0.5V左右，锗二极管的Uon=0.1V左右；二极管的反向饱和电流比PN结大。
1.1.4二极管的使用常识
一、二极管的型号
国产半导体器件的命名方法
二极管的型号命名通常根据国家标准GB_249—74规定，由五部分组成。
第一部分：
用数字表示器件电极的数目。
第二部分：
用汉语拼音字母表示器件材料和极性。
第三部分：
用汉语拼音字母表示器件的类型。
第四部分：
用数字表示器件序号。
第五部分：
规格
二、二极管的主要参数
1）最大整流电流IＦ：
二极管长期工作允许通过的最大正向电流。
在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。
2）最高反向工作电压UBR：
二极管工作时允许外加的最大反向电压。
若超过此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。
一般取反向击穿电压值的一半。
3）反向饱和电流IR：
二极管未击穿时的反向电流。
对温度敏感。
IR越小，则二极管的单向导电性越好。
4）最高工作频率fM：
二极管正常工作的上限频率。
若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。
三、二极管的检测
1、用万用表判断二极管极性
一般情况下，二极管有色点的一端为正极，如2AP1~2AP7，2AP11~2AP17等。
如果是透明玻璃壳二极管，可直接看出极性，即内部连触丝的一头是正极，连半导体片的一头是负极。
塑封二极管有圆环标志的是负极，如IN4000系列。
无标记的二极管，则可用万用表电阻档来判别正、负极，万用表电阻档示意图见图。
根据二极管正向电阻小，反向电阻大的特点，将万用表拨到电阻档（一般用R×100或R×1k档。
不要用R×1或R×10k档，因为R×1档使用的电流太大，容易烧坏管子，而R×10k挡使用的电压太高，可能击穿管子）。
用表笔分别与二极管的两极相接，测出两个阻值。
在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相接得一端为二极管的正极。
同理，在所测得较大阻值的一次，与黑表笔相接的一端为二极管的负极。
如果测得的正、反向电阻均很小，说明管子内部短路；若正、反向电阻均很大，则说明管子内部开路。
在这两种情况下，管子就不能使用了。
2、用万用表检测普通二极管的好坏
使用数字万用表二极管档，将红表笔插入VΩ孔黑表笔插入COM孔，我们知道在数字万用表里红表笔接触内部电池正极，黑表笔接触内部电池负极，而在指针万用表里电阻挡是红表笔接触内部电池负极黑表笔接触内部电池正极，将数字万用表红表笔接触二极管正极，黑表笔接触二极管负极，（测量正向电阻值）正常数值为300-600Ω然后将红表笔接触二极管负极，黑表笔接触二极管正极（测量反向电阻值），正常数值为“1”，如果两次测量都显示001或000并且蜂鸣器响，说明二极管已经击穿，如果两次测量正反向电阻值均为“1”说明二极管开路，如果两次测量数值相近，说明管子质量很差，反向电阻值必须为“1”或1000以上，正向电阻值必须为300-600Ω，则二极管是好的。
1.1.5其它类型的二极管
一、稳压二极管
1、稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。
2、稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。
3、稳压管稳压电路
稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。
电阻有两个作用：
一是起限流作用，以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用
二、发光二极管
发光二极管在日常生活电器中无处不在，它能够发光，有红色、绿色和黄色等，有直径为3mm或5mm圆形的，也有规格为2×5mm长方形的。
与普通二极管一样，发光二极管也是由半导体材料制成的，也具有单向导电的性质，即只有接对极性才能发光。
发光二极管的发光颜色一般和它本身的颜色相同，但是近年来出现了透明色的发光管，它也能发出红黄绿等颜色的光，只有通电了才能知道。
用眼睛来观察发光二极管，可以发现内部的两个电极一大一小。
一般来说，电极较小、个头较矮的一个是发光二极管的正极，电极较大的一个是它的负极。
若是新买来脚较长的一个是正极。
1、发光二极管的图形符号
．
2、发光二极管的基本特性
发光二极管的伏安特性与普通二极管类似，但它的正向压降较大，并在正向压降达到一定值时发光。
发光颜色和构成PN结的材料有关，通常有红、黄、绿、蓝和紫等颜色。
发光亮度近似和工作电流密度成正比，但掺杂ZnO和GaP的发光二极管，其发光亮度随电流密度的增加会很快趋向饱和。
另外，随结温的升高，LED的发光亮度将会减弱。
三、光电二极管
光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。
但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
1、光电二极管的图形符号
光电二极管
VD
2、光电二极管的基本特性
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。
这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
四、变容二极管
1、变容二极管的图形符号
2、变容二极管的基本特性
变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。
反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。
二极管的作用变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。
〖小结〗
（1）二极管的单向导电性、主要参数及伏安特性
（2）会用万用表检测二极管极性和质量优劣
（3）了解其他类型二极管的外形特征、功能及应用
〖作业〗见相应章节的“习题指导”。
〖课后记〗
授课时间：
备课时间：
授课时数：
4
课题：
1.2二极管整流及滤波电路
〖教学目标〗
1、知识目标：
1、了解整流和滤波电路的作用
2、会估算桥式整流电路和电容滤波电路的输出电压
3、会合理选用整流元件的参数
2、能力目标：
（1）二极管的伏安特性、单向导电性
（2）稳压管稳压原理及简单稳压电路
3、情感目标：
能了解整流和滤波电路的作用，会合理选用整流元件的参数
〖教学重点〗
1、整流和滤波电路的作用
2、估算桥式整流电路和电容滤波电路的输出电压；
3、会合理选用整流元件的参数
〖教学难点〗
1、估算桥式整流电路和电容滤波电路的输出电压；
2、会合理选用整流元件的参数
〖教学组织过程〗
本讲以教师讲授为主。
用多媒体演示整流和滤波电路的组成原理，便于学生理解和掌握。
合理选用整流元件的参数举例，可以启发讨论。
1.2二极管整流及滤波电路
1.2.1半波整流电路
1、整流的定义：
2、整流电路的种类很多，有半波整流电路、桥式全波电路等。
一、电路组成
半波整波可以说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低,因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。
二、半波整流的工作过程
一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图所示。
在0--π时间内，uu，u2通过它加在负载电阻Rl上。
在π--2π时间内，u2为负半周，变压器次级下端为正上端为负。
这时D承受反向电压，不导通，Rl上无电压。
在2π--3π时间内，重复0--π时间的过程；而在3π--4π时间内，又重复π--2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rl,在Rl上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图所示，达到了整流的目的。
但是，负载电压Uo以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。
三、负载上的直流电压与电流的计算
∙ 流过负载的平均电流为
IL=UL/RL=0.45U2/RL
流过二极管D的平均电流（即正向电流）为
ID=IL=UL/RL=0.45U2/RL
加在二极管两端的最高反向电压为
URM=√2U2
四、整流二极管的选择
IF≥ID=IL
URM≥√2U2
1.2.2桥式整流电路
一、电路组成
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。
这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。
二、桥式整流的工作过程
桥式整流电路的工作原理如下：
U2为正半周时，对VD1、VD3加正向电压，VDl、VD3导通；对VD2、VD4加反向电压，VD2、VD4截止。
电路中构成U2、VD1、Rfz、VD3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整流电压，U2为负半周时，对VD2、VD4加正向电压，VD2、VD4导通；对VD1、VD3加反向电压，VD1、VD3截止。
电路中构成U2、VD2Rfz、VD4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
三、负载上的直流电压与电流的计算
∙ 流过负载的平均电流为
IL=UL/RL=0.9U2/RL
流过二极管D的平均电流（即正向电流）为
ID=IL=UL/RL=0.9U2/RL
加在二极管两端的最高反向电压为
URM=√2U2
四、整流二极管的选择
IF≥ID=IL
URM≥√2U2
1.2.3常用滤波电路
1、滤波的基本概念
2、滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
一、电容滤波电路
1、电路组成
现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。
电容滤波电路如图所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
2、工作过程
若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。
此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦波。
当v2到达t=/2时，开始下降。
先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。
指数放电起始点的放电速率很大。
在刚过t=/2时，正弦曲线下降的速率很慢。
所以刚过t=/2时二极管仍然导通。
在超过t=/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。
所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。
3、输出直流电压的估算
半波整流电路电容滤波：
UL=U2
桥式整流电路电容滤波：
UL=1.2U2
空载：
UL=1.4U2
二、电感滤波电路
利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。
桥式整流电感滤波电路和电感滤波的波形图如图所示。
当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。
当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。
因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角都是180°。
〖小结〗
1、了解整流和滤波电路的作用
2、会估算桥式整流电路和电容滤波电路的输出电压
3、会合理选用整流元件的参数
〖作业〗见相应章节的“习题指导”。
〖课后记〗
第2章三极管及放大电路基础
〖本章主要内容〗
本章重点讲述基本放大电路的组成原理和分析方法，分别由BJT和FET组成的三种组态基本放大电路的特点和应用场合。
多级放大电路的耦合方式和分析方法。
首先介绍基本放大电路的组成原则。
三极管的低频小信号模型。
固定偏置共射放大电路的图解法和等效电路法静态和动态分析，最大不失真输出电压和波形失真分析。
分压式偏置共射放大电路的分析以及稳定静态工作点的方法。
共集和共基放大电路的分析，由BJT构成的三种组态放大电路的特点和应用场合。
然后介绍由FET构成的共源、共漏和共栅放大电路的静态和动态分析、特点和应用场合。
最后介绍多级放大电路的两种耦合方式、直接耦合多级放大电路的静态偏置以及多级放大电路的静态和动态分析。
通过习题课掌握放大电路的静态偏置方法和性能指标的分析计算方法。
授课时间：
备课时间：
授课时数：
4
课题：
2.1三极管
〖教学目标〗
1、知识目标：
（1）了解三极管的伏安特性、主要参数
（2）理解三极管的电流放大原理及三种工作状态
（3）会用万用表判别三极管的引脚和质量优劣
2、能力目标：
（1）掌握三极管的电流放大原理
（2）会用万用表判别三极管的引脚和质量优劣
3、情感目标：
能对三极管的知识有所了解，培养学习三极管的兴趣
〖教学重点〗
1、三极管电流放大原理及其电流分配关系式；
2、三极管的输入、输出特性；
3、三极管三种工作状态的判断方法；
〖教学难点〗
1、三极管放大原理及电流分配关系式；
2、三极管三种工作状态的判断方法；
〖教学组织过程〗
本讲以教师讲授为主。
用多媒体演示三极管的结构、输入与输出特性以及温度对三极管特性的影响等，便于学生理解和掌握。
三极管工作状态、电位和管型的判断方法可以启发讨论。
2.1三极管
2.1.1三极管的结构与外形
一、三极管的外形
双极型晶体管BJT是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。
BJT常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。
二、三极管的结构与符号
BJT具有放大作用的内部条件和外部条件
1）BJT的内部条件为：
BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结（发射结和集电结）、三个电极（发射极、集电极和基极）组成；并且发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，基区厚度很小。
2）BJT放大的外部条件为：
发射结正偏，集电结反偏。
2.1.2三极管中的电流放大作用及电流分配关系
一、放大的概念
在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。
放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件（BJT或FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。
因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。
在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。
放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。
二、三极管的电流放大作用
三个重要的电流分配关系式：
IE＝IB＋IC
IC＝βIB＋ICEO≈βIB
IC＝αIE＋ICBO≈αIE
2.1.3三极管的特性曲线
一、三极管在电路中的连接
1、共发射极，特点，电压放大倍数大。
2、共基极，特点，输入阻抗小，输出阻抗最大。
3、共集电极，特点，高输入，低输出。
二、共发射极输入特性曲线
晶体管的输入特性和输出特性表明各电极之间电流与电压的关系。
现以共射电路为例说明
输入特性：
iB＝f（uBE）︱VCE=常数输入特性曲线分为三个区：
死区、非线性区和线性区。
其中vCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。
当vCE≥1V时，特性曲线将会向右稍微移动一些。
但vCE再增加时，曲线右移很不明显。
曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。
三、共发射极输出特性曲线：
输出特性:
iC＝f（uCE）︱iB=常数，它是以iB为参变量的一族特性曲线。
对于其中某一条曲线，当vCE=0V时，iC=0；当vCE微微增大时，iC主要由vCE决定；当vCE增加到使集电结反偏电压较大时，特性曲线进入与vCE轴基本平行的区域（这与输入特性曲线随vCE增大而右移的原因是一致的）。
因此，输出特性曲线可以分为三个区域：
饱和区、截止区和放大区。
3）晶体管工作在三种不同工作区外部的条件和特点
工作状态
NPN型
PNP型
特点
截止状态
E结、C结均反偏
VB＜VE、VB＜VC
E结、C结均反偏
VB＞VE、VB＞VC
IC≈0
放大状态
E结正偏、C结均反偏
VC＞VB＞VE
E结
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