电子基础电路.docx
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电子基础电路
电子基础电路
差不多要求
∙正确明白得:
PN结的形成及单向导电性
∙熟练把握:
一般二极管、稳压二极管的外特性及要紧参数
∙能够查阅电子器件相关手册
难点重点
1.PN结的形成
〔1〕当P型半导体和N型半导体结合在一起时,由于交界面处存在载流子浓度的差异,如此电子和空穴都要从浓度高的地点向浓度低的地点扩散。
然而,电子和空穴差不多上带电的,它们扩散的结果就使P区和N区中原先的电中性条件破坏了。
P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在P区和N区交界面邻近,形成了一个专门薄的空间电荷区,这确实是我们所说的PN结。
图〔1〕浓度差使载流子发生扩散运动
〔2〕在那个区域内,多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗殆尽了,因此,空间电荷区又称为耗尽层。
〔3〕P区一侧出现负电荷,N区一侧出现正电荷,因此空间电荷区显现了方向由N区指向P区的电场,由于那个电场是载流子扩散运动形成的,而不是外加电压形成的,故称为内电场。
图〔2〕内电场形成
〔4〕内电场是由多子的扩散运动引起的,相伴着它的建立将带来两种阻碍:
一是内电场将阻碍多子的扩散,二是P区和N区的少子一旦靠近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方,使空间电荷区变窄。
〔5〕因此,扩散运动使空间电荷区加宽,内电场增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散;而漂移运动使空间电荷区变窄,内电场减弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
当扩散运动和漂移运动达到动态平稳时,交界面形成稳固的空间电荷区,即PN结处于动态平稳。
2.PN结的单向导电性
〔1〕外加正向电压〔正偏〕
在外电场作用下,多子将向PN结移动,结果使空间电荷区变窄,内电场被削弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移,扩散运动起要紧作用。
结果,P区的多子空穴将源源不断的流向N区,而N区的多子自由电子亦不断流向P区,这两股载流子的流淌就形成了PN结的正向电流。
〔2〕外加反向电压〔反偏〕
在外电场作用下,多子将背离PN结移动,结果使空间电荷区变宽,内电场被增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散,漂移运动起要紧作用。
漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反,称为反向电流。
因少子浓度专门低,反向电流远小于正向电流。
当温度一定时,少子浓度一定,反向电流几乎不随外加电压而变化,故称为反向饱和电流。
3.二极管的差不多应用电路
〔1〕限幅电路---利用二极管的单向导电性和导通后两端电压差不多不变的特点组成。
〔2〕箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。
注:
黑色---输入信号,蓝色---输出信号,波形为用EWB仿真结果。
二﹑半導體三極管及放大電路
差不多要求
∙熟练把握:
放大电路的组成原那么;共射、共集和共基组态放大电路工作原理;静态工作点;用小信号模型分析法分析增益、输入电阻和输出电阻;多级放大电路的工作原理,增益的运算
∙正确明白得:
图解分析法;放大电路的频率响应
∙一样了解:
频率失真
难点重点
1.半导体三极管内部载流子的传输过程
〔1〕发射区向基区注入电子
由于发射结外加正向电压,发射结的内电场被削弱,有利于该结两边半导体中多子的扩散。
流过发射极的电流由两部分组成:
一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区,成为集区中的非平稳少子而形成的电子电流IEN,二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区,成为发射区的非平稳少子而形成的空穴电流IEP。
由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度,因此,与电子电流相比,空穴的电流是专门小的,即
IE=IEN+IEP〔而IEN>>IEP〕
〔2〕非平稳载流子在基区内的扩散与复合
由发射区注入基区的电子,使基区内少子的浓度发生了变化,即靠近发射结的区域内少子浓度最高,以后逐步降低,因而形成了一定的浓度梯度。
因此,由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。
另一方面,由于基区专门薄,且掺杂浓度专门低,因而在扩散过程中,只有专门少的一部分会与基区中的多子〔空穴〕相复合,大部分将到达集电结。
〔3〕集电区收集载流子
由于集电结外加反向电压,集电结的内电场被加强,有利于该结两边少子的漂移。
流过集电极的电流IC,除了包括由基区中的热平稳少子电子通过集电结形成的电子电流ICN2和集电区中的热平稳少子空穴通过集电结形成的空穴电流ICP所组成的反向饱和电流ICBO以外,还包括由发射区注入到基区的非平稳少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界,而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ICN1,因此
IC=ICN1+ICN2+ICP=ICN1+ICBO
式中ICBO=ICN2+ICP
基极电流由以下几部分组成:
通过发射结的空穴电流IEP,通过集电结的反向饱和电流ICBO以及IEN转化为ICN1过程中在基区的复合电流〔IEN-ICN1〕,即
IB=IEP+〔IEN-ICN1〕-ICBO
2.放大电路的动态分析〔图解法〕
放大电路输入端接入输入信号vi后的工作状态,称为动态。
在动态时,放大电路在输入信号vi和直流电源Vcc共同作用下工作,这时候,电路中既有直流重量,又有交流重量,形成了交、直流共存于同一电路之中的情形,各极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号vi作相应变化的交流重量。
一样用放大电路的交流通路来分析放大电路中各个交流量的变化规律及动态性能。
所谓交流通路是指交流电流流经的路径。
由放大电路画交流通路的原那么是:
〔1〕由于交流通路中只考虑交流信号的作用,直流电源Vcc内阻专门小,将它作短路处理;〔2〕由于耦合电容和旁路电容足够大,对交流量可视为短路。
注意,在交流通路中的电流、电压差不多上交流量。
对放大电路的动态分析,要紧采纳图解法和微变等效电路法。
在那个地点,我们讨论图解法。
图解法的思路是先依照输入信号vi的的变化规律,在输入特性曲线上画出iB的波形,然后依照iB的变化规律在输出特性曲线上画出iC和vCE的波形。
1〕依照vi在输入特性曲线上求iB
2〕画出交流负载线
在动态时,放大电路输出回路的iC和vCE,既要满足三极管的伏安特性曲线,又要满足外部电路的伏安关系。
交流负载线是有信号时放大电路工作点的轨迹,是交、直流共存的情形。
3〕由输出特性曲线和交流负载线求iC和vCE
由图解分析,可得出如下几个重要结论:
1〕三极管各极间电压和各电极的电流差不多上由两个重量线性叠加而成的脉动量,其中一个是由直流电源Vcc引起的直流重量,另一个是随输入信号vi而变化的交流重量。
尽管这些电流电压的瞬时值是变化的,但它们的方向是始终不变的。
2〕当输入信号vi是正弦波时,电路中各交流重量差不多上与输入信号vi同频率的正弦波,其中vbe、ib、ic与vi同相,而vce、vo与vi反相。
输出电压与输入电压相位相反,这种现象称为〝倒相〞,是共射放大电路的一个重要特点。
3〕输出电压vo和输入电压vi不然而同频率的正弦波,而且vo的幅度比vi的幅度大得多,这说明,vi通过电路被线性放大了。
还能够看出,只有输出信号的交流重量才是反映输入信号变化的,因此我们说的放大作用,只能是输出的交流重量和输入信号的关系,而绝对不能把直流重量也包含在内。
图解分析法的特点:
直观、形象,有助于建立一些重要概念,如交、直流共存,静态和动态。
三﹑場效應管放大電路
差不多要求
∙熟练把握:
共源、共漏组态放大电路工作原理;静态工作点;用小信号模型分析增益、输入、输出电阻
难点重点
1.场效应管放大电路与晶体管放大电路类比关系
场效应管和晶体管放大电路工作机理不同,但两种器件之间存在电极对应关系,即栅极G对应基极,源极S对应发射极,漏极D对应集电极,但晶体三极管是电流操纵器件,场效应管是电压操纵器件。
在分析放大电路时,均采纳微变等效电路法。
需注意两者不同之处是受控源的操纵量。
场效应管受电压操纵,晶体三极管受电流操纵。
场效应管输入电阻专门高,分析时,可认为输入端开路。
在实际分析中,包含场效应管的电路比包含晶体管的电路简单。
2.JFET的工作原理〔以N沟道器件为例〕
预备知识:
PN结正偏,空间电荷区变窄;PN结反偏,空间电荷区变宽。
N型半导体中,自由电子为多子,空穴为少子。
结型场效应管的结构,观看动画。
〔1〕栅源间电压VGS对ID的操纵
〔a〕 〔b〕 〔c〕
当漏源间短路,栅源间外加负向电压VGS时,结型场效应管中的两个PN结均处反偏状态。
随着VGS负向增大,加在PN结上的反向偏置电压增大,那么耗尽层加宽。
由于N沟道掺杂浓度较低,故耗尽层要紧集中在沟道一侧。
耗尽层加宽,使得沟道变窄,沟道电阻增大,如图〔b〕所示。
当VGS负向增大到某一值后,结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇,沟道被完全夹断,现在漏源间的电阻将趋于无穷大,如图〔c〕所示。
相应于现在的漏源间电压VGS称为夹断电压,用VGS(off)〔或VP〕表示。
〔2〕漏源电压VDS对沟道的阻碍
〔a〕 〔b〕 〔c〕
当VGS>Vp且为某一定值,假如在漏源间加上正向电压VDS,VDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场,该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流ID。
由于导电沟道存在电阻,ID流经沟道产生压降,使得沟道中各点的电位不再相等,因此沟道中各点与栅极间的电压不再相等,也确实是加在PN结两端的反向偏置电压不再相等,近源端PN结上的反向电压最小,近漏端的反向电压最大,结果使耗尽区从漏极到源极逐步变窄,导电沟道从等宽到不等宽,呈楔形分布,如图〔a〕所示。
随着VDS的增大,ID增大,沟道不等宽的现象变得明显,当VDS增大到某一值时,近漏端的两个耗尽区相遇,这种情形称为预夹断,如图〔b〕所示。
连续增大VDS,夹断点将向源极方向延伸,近漏端显现夹断区,如图〔c〕所示。
由于栅极到夹断点A之间的反向电压VGA不变,恒为VP,因此夹断点到源极之间的电压也就恒为VGS-VP,而VDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上,形成较强的电场。
在这种情形下,从漏极向夹断点行进的多子自由电子,一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极,形成漏极电流。
一样情形下,夹断区仅占沟道长度的专门小部分,因此VDS的增大而引起夹断点的移动可忽略,夹断点到源极间的沟道长度能够认为近似不变,同时,夹断点到源极间的电压又为一定值,因此可近似认为ID是不随VDS而变化的恒值。
3.MOSFET的工作原理〔以N沟道增强型器件为例〕
MOS管是指由金属〔Metal〕、氧化物〔Oxide〕、半导体〔Semiconductor〕三种材料构成的三层器件。
具体内部结构,观看动画。
〔1〕栅源间电压VGS对ID的操纵
当栅源间无外加电压时,由于漏源间不存在导电沟道,因此不管在漏源间加上何种极性的电压,都可不能产生漏极电流。
正常工作时,栅源间必须外加电压以使导电沟道产生,导电沟道产生过程如下:
①当在栅源间外加正向电压VGS时,外加的正向电压在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中产生了由栅极指向称底的电场,由于绝缘层专门薄〔0.1um左右〕,因此数伏电压就能产生专门强的电场。
该强电场会使靠近SiO2一侧P型硅中的多子〔空穴〕受到排斥而向体内运动,从而在表面留下不能移动的负离子,形成耗尽层。
耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。
②随着正向电压VGS的增大,耗尽层也随着加宽,但关于P型半导体中的少子〔电子〕,现在那么受到电场力的吸引。
当VGS增大到某一值时,这些电子被吸引到P型半导体表面,使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层,鉴于那个N型薄层是由P型半导体转换而来的,故将它称为反型层。
反型层与漏源间的两个N型区相连,成为漏源间的导电沟道。
这时,假如在漏源间加上电压,就会有漏极电流产生。
人们将开始形成反型层所需的VGS值称为开启电压,用VGS(on)〔或VT〕表示。
明显,栅源电压VGS越大,作用于半导体表面的电场越强,被吸引到反型层中的电子愈多,沟道愈厚,相应的沟道电阻就愈小。
〔2〕漏源电压VDS对沟道的阻碍
ID流经沟道产生压降,使得栅极与沟道中各点的电位不再相等,也确实是加在〝平板电容器〞上的电压将沿着沟道产生变化,导电沟道从等宽到不等宽,呈楔形分布。
余下情形的分析与JFET类似。
观看动画
谢嘉奎等编.电子线路〔线性部分〕.第四版.北京:
高等教育出版社,1999 P101-112
谢嘉奎等编.电子线路〔线性部分〕.第三版.北京:
高等教育出版社,1988 P87-95
4.场效应管放大电路
场效应管和半导体三极管一样能实现信号的操纵作用,因此也能组成放大电路,不同的是,半导体三极管是通过基极电流来操纵集电极电流,而场效应管那么是通过栅源电压来操纵漏极电流。
场效应管组成放大电路时,也必须设置合适的静态工作点,所不同的是,场效应管是电压操纵器件,它只需合适的偏压,而不需要偏流,不同类型的场效应管,对偏置电压的极性有不同的要求。
〔1〕偏置方式:
固定偏压、自偏压、分压式自偏压。
〔2〕静态分析:
图解法、近似运算法。
〔3〕动态分析:
一样用小信号模型法。
四﹑功率放大電路
差不多要求
∙熟练把握:
功率放大电路OCL、OTL的工作原理,输出功率和效率的估算。
∙正确明白得:
非线性失真。
难点重点
学习时,第一从功率放大电路与电压放大电路比较中,明确功率放大电路要紧问题,本章内容是围绕这一中心展开。
抓住功放电路中要紧矛盾:
提高效率及非线性失真之间的矛盾,推出OCL,OTL几种功能的电路。
一、用图解法分析电路的性能指标
1.合成特性曲线
(1)横坐标:
vCE1为正,vCE2为负,即-vCE2为正,方向为从左至右。
对应点:
vCE1=2Vcc,-vCE2=0;vCE1=Vcc,-vCE2=Vcc;vCE1=0,-vCE2=2VCC
(2)纵坐标:
iC1、iC2方向相反,因此两个纵坐标反向。
(3)静态工作点:
静态时,两管的Q点在横坐标上,且重合。
VCEQ1=Vcc,-VCEQ2=Vcc,IC1=IC2=0
(4)交流负载线:
两管参数相同,其交线负载线是同一条过〔VCC,0〕的直线。
(5)vo的正向为从右向左,零点为两管的Q点,T1导通vo=Vcc-vCE1;T2导通vo=-Vcc-vCE2。
2.性能指标运算
(1)输出功率Po
当输入信号足够大,且输出波形不失真,那么输出电压达最大值,即Vom(max)=Vcc-VCES
最大不失真功率Po(max)=1/2*(Vcc-VCES)*(Vcc-VCES)/RL
理想情形下,VCES=0,Vom(max)=Vcc,那么Po(max)=1/2*Vcc*Vcc/RL
(2)直流电源供给的功率PV〔注意:
直流电源供给的功率PV与输入信号有关。
〕
(3)电路的能量转换效率
理想情形,η=78.5%;要提高效率,在满足失真要求条件下,应尽可能加大输入信号的幅度,同时减少管子饱和压降VCES。
二、乙类、甲乙类双电源互补对称功率放大电路〔OCL〕:
〔参考内容提要〕
三、甲乙类单电源互补对称功率放大电路〔OTL〕:
〔参考内容提要〕
5.1功率放大电路的一样问题
一、功率放大电路与电压放大电路的比较
一个有用的放大器通常由输入级、中间级、输出级组成。
前两级为电压放大电路,后一级为负载提供足够大输出功率,为功率放大电路。
但不论哪种放大电路,其负载上都存在电流、电压、功率,因此名称上的不同,只表示强调的内容不同。
具体性能比较,请单击此处。
二、功率放大电路的一样问题:
1.要输出功率尽可能大。
2.输出功率尽量高。
3.非线性失真要小。
4.功率管工作安全可靠,即放大器件的散热问题。
三、功率放大电路要紧性能指标:
1.输出功率和最大不失真输出功率
输出功率:
是指输出端变化的电压和电流有效值的乘积,即Po=Vo·Io=(Vom·Iom)/2=(Vom)2/(2RL)
其中Vom和Iom分别表示输出电压和输出电流的交流峰值,RL为负载电阻。
输出电压与输出电流与输入信号的大小有关。
当输入信号达到承诺的最大值〔以输出波形失真度不超过承诺值为准〕时,输出功率将达到〝最大不失真输出功率〞,即Pom=(Vcem·Icm)/2=(Vcem)2/(2RL)
其中Vcem和Icm为相应量的峰值最大值。
2.直流电源供给的功率
直流电源供给的功率是指一个周期内的平均功率。
直流电源供给的功率,一部分转换为负载所需的交流功率,还有一部分被功率管消耗。
3.转换效率
η=Po/Pv=3.14×Vom/(4Vcc)
在理想情形下,当Vom=Vcc时,效率为78.5%。
4.管耗
PT=PT1+PT2=PV-Po=2(VCC·Vom/π-Vom·Vom/4)/RL
四、功率放大电路放大管三种工作状态
甲类、乙类、甲乙类
5.2乙类双电源互补对称功率放大电路〔OCL〕
一、电路的组成
放大管工作在乙类状态,明显功耗小,有利于提高效率,但输出波形失真严峻。
假如用两个对称的异型管〔一个NPN型,一个PNP型〕,使之都工作在乙类放大状态,但一个在输入信号正半周期工作,另一个在负半周期工作,同时使两电路输出加到某一负载上,从而在负载上得到一个稳固完整波形。
即组成乙类互补对称功率放大电路,从而解决了效率与失真问题。
二、电路工作原理
在电路中,当Vi>=0,即在正弦输入信号的正半周期,NPN型的管因正偏而导通,在负载上显现输出电压Vo 的正半周期,而PNP型管因反偏而截止;在Vi<=0,即输入信号的负半周期,NPN型管因反偏而截止,而PNP型管因正偏而导通,在负载上显现输出电压Vo 的负半周期。
如此,负载在输入信号的整个周期中都有电流流过,输出电压是一个完整的正弦波。
三、分析运算(利用图解法来求解)
1.性能指标的运算
〔1〕输出功率Po=VoIo=〔VomIom〕/2=〔Vom〕2/〔2RL〕
〔2〕管耗PT=PT1+PT2=(2/RL)(VCCVom/3.14-Vom2/4)
〔3〕电源供给功率PV=PO+PT=2VccVom/(3.14RL)
〔4〕效率η=3.14Vom/(4Vcc)
2.功率管的选择
〔1〕最大管耗与最大输出功率关系
当 Vom=0.637Vcc 时,每个功率管有最大管耗PT(max)=0.2Po(max)。
〔2〕功率管选择原那么
a.每一功率管集电极最大承诺管耗PCM>0.2 Po(max)。
b.一管导通时,另一管截止,后者C、E极间的承担的最大反压近似为2Vcc,因此管子的V〔BR〕CEO >2Vcc。
c.导通的最大电流Iom(max)=Vcc/RL,因此管子的集电极承诺电流ICM>Vcc/RL 。
d.为幸免功率管二次击穿,管参数选择应留有余量。
5.3 甲乙类互补对称功率放大电路
一、交越失真
由于三极管输入特性有门槛电压,特性开始部分非线性又比较严峻,在两管交替工作点前后,显现一段两管电流均为零因而负载电流和电压均为零的时刻,使输出波形显现了〝交越失真〞。
二、甲乙类双电源互补对称功率放大电路
1.电路组成及电路工作原理:
在两管的基极之间产生一个合适的偏压,使它们处于微导通状态,两管各有不大的静态电流,电路工作在甲乙类,由于iL=iC1-iC2,输出波形接近于正弦波,差不多上能够实现线性放大。
2.性能指标运算及选管原那么〔同乙类功放〕
三、甲乙类单电源互补对称功放:
〔OTL〕
1.电路组成及分析:
它与OCL电路的全然区别在于输出端接有大电容C。
就直流而言,只要两管特性相同,K点的电位VK=Vcc/2,而大电容C被充电到VC=VK=Vcc/2。
就交流而言,只要时刻常数;RLC比输入信号的最大周期大得多,电容上电压可看作固定不变,而C对交流可视为短路。
如此,用单电源和C就可代替OCL电路的双电源。
T1管上的电压是Vcc与VK之差,等于Vcc/2,而T2管的电源电压确实是0与VK 之差,等于Vcc/2。
OTL电路的工作情形与OCL电路完全相同。
然而在用公式估算性能指标时,要用Vcc/2代替。
另一种OTL电路,观看动画。
2.选管原那么:
(同双电源互补对称功放)原公式中Vcc用Vcc/2替代。
3.带自举的单电源互补对称电路
5.4集成功率放大器
集成功率放大器可分为通用型和专用型两大类。
使用时,注意了解其内部电路组成特点及各管脚作用,以便合理使用集成功率放大器。
一、集成功放的性能特点:
与分立器件构成的功率放大器相比,体积小、重量轻、成本低、外接元件少、调试简单、使用方便,且温度稳固性好,功耗低,电源利用率高,失真小,具有过流爱护、过热爱护、过压爱护及自启动、消噪等功能。
二、集成功放的结构特点:
关于不同规格、型号的集成功率放大器,其内部组成电路千差万别。
但总体上大到分为前置放大级〔输入级〕,中间放大级,互补或准互补输出级,过流、过压、过热爱护电路等。
其内部电路为直截了当耦合多级放大器。
五﹑集成電路運算放大器
差不多要求
∙正确明白得:
共模抑制
∙熟练把握:
差分放大电路工作原理,输入输出方式,差模增益,差模输入和输出电阻,理想运放、实际运放的要紧参数
难点重点
1.学好差分放大电路,应把重点放在如何正确画出半电路的直流通路、差模等效电路和共模等效电路上,即要正确决定电路中各个电阻〔专门是共用电阻〕在不同工作状态的值。
2.为了熟练把握差分放大电路的输入输出方式,应把握如下规律:
〔1〕从输出端来说,双端输出是充分利用了两管的放大能力,而单端输出只利用了单边的放大能力。
差分放大电路实质上是利用电路的复杂性来换取抑制零点漂移的成效。
〔2〕从输入端来说,因为单端输入能够等效为双端差模输入和共模输入的叠加,因此单端输入的成效与双端输入几乎一样。
〔3〕在进行差分放大电路静态工作点的估算时,要专门注意在单端输出的情形下,尽管两管的BQ、EQ、CQ取决于射极回路,因而是两垂直对称的,但两管的集电极电流却是不对称的。
3.差分式放大电路的特点
〔1〕在电路组成上引入共模负反馈,电路具有对称性。
分为长尾电路和带恒流源的电路。
〔2〕在电路性能上有较强的抑制共模信号〔抑制零点飘移〕能力和放大差模信号的能力。
六﹑反饋放大電路
差不多要求
∙熟练把握:
〔1〕反馈差不多概念,反馈放大电路类型和极性判定;
〔2〕负反馈对放大电路性能的阻碍;
〔3〕深度负反馈下的闭环增益。
∙正确明白得:
Af=A/〔1+AF〕公式的含义
难点重点
1.放大电路中反馈类型的判别方法和对放大电路性能的阻碍
判别一个电路是否存在反馈,只要分析放大电路的输出回路和输入回路之间是否存