《模拟电子技术基础(同济版)》教学教案(全).docx
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1、L半导体二极管及其电路分析【重点】半导体特性、杂质半导体、PN结及其单向导电特性。【难点】PN结形成及其单向导电特性。1.1 半导体的基本知识1.1.1 半导体的基本知识(1)导电能力对温度的反应非常灵敏。(2)导电能力受光照非常敏感。(3)在纯净的半导体中掺入微量的杂质(指其他元素),它的导电能力会大大增强。1.1.2 本征半导体纯净的半导体称为本征半导体,常用的本征半导体是硅和铭二晶体。半导体有两种载流子,自由电子和空穴,如果从本征半导体引出两个电极并接上电源,此时带 负电的自由电子指向电源正极作定向运动,形成电子电流,带正电的空穴将向电源负极作定向运动, 形成空穴电流,而在外电路中的电流
2、为电子电流和空穴电流之和。1.1.3 杂质半导体1 .N型半导体在硅晶体中掺入微量5价元素,如磷(或者碑、睇等),如图所示。这种半导体导电主要靠电 子,所以称为电子型半导体,简称N型半导本。在N型半导体中,自由电子是多数载流子,而空穴 则为少数载流子。硅中掺磷形成N型半导体硅中掺硼形成P型半导体2 .P型半导体如果在硅晶体中,掺入少量的3价元素硼(锢、钾等),如图1-5所示。这种半导体的导电主要 靠空穴,因此称为空穴型半导体,有称P型半导体。P型半导体的空穴是多数载流子,电子是少数 载流子。结论:N型半导体、P型半导体中的多子都是掺入杂质而造成的,尽管杂质含量很微,但它们对半 导体的导电能力却
3、有很大影响。而它们的少数载流子是热运动产生的,尽管数量很少,但对温度非2.交流放大电路基础【重点】三极管结构、三极管的截止、放大、饱和三种工作状态及三极管参数。【难点】三极管的截止、放大、饱和状态判断。2.1 半导体三极管2.1.1 三极管结构集电结发射结集电结发射结b.NPN晶体三极管结构示意图及图形符号结构特点:发射区掺杂浓度最高。基区很薄,基区掺杂浓度最低。集电区面积大,掺杂浓度比基区高,比发射区低。PNP和NPN三极管的工作原理相似。使用时,电源连接极性不同。2.1.2三极管的电流放大作用1 .偏置电压放大的外部条件是发射结要正向偏置,集电结要反向偏置。NPN: VcVBVEoPNP:
4、 VEVBVco2 .三极管内部多数载流子运动的过程3 .电流关系/e=/b+/c且2/b这就是晶体管的电流放大作用。电子在基区扩散和更 合,形成电流/B。发射区向基区发射电子,形 成发射极电流比。直流电流放大系数耳=上 ,B电广被集电结收 集,形成距。2.1.3三极管的特性曲线1 .输入特性2.输出特性k=UcE)/输出特性曲线可以划分为以下三个区域,对应于三极管三种工作状态。饱和区:集电结,发射结均 处于正向偏置。匏近纵轴的 附近,各条输出特性曲线的 上升部分属于三极管的饱 和区。此时三极管失去电流、放大作用。/c/mA饱和区1405010 截止区12010()60晶体管输出特性曲线X40
5、20 ( U A) /b=0放大区:发射结正向偏置,集电结反 向偏宜,三极管工作于放大状态,集 电极电流受基极电流的控制,满足 1c邛Ib,三极管具有很强的电流放大作截止区:发射结和集电结 均为反偏。一般将/bWO 的区域称为截止区。【例】在放大电路中,三极管各管脚对地电位为Va=7V, Vb=3V, Vc=3.7V,试分析A、B、C 各是三极管什么电极,该管是什么类型,硅管还是错管?解因为三极管工作在放大状态,且以%,则C是三极管基极;根据三极管发射结正 偏,导通的特点,导通压降为0.7V,则B是三极管发射极,A是三极管集电极;该管是NPN型硅 管。2.2 .4三极管的主要参数L电流放大系数
6、(1)共发射极电流放大系数。万心夕。(2)共基极电流放大系数。a=a 01 + 02 .极间反向电流(I)集电极和基极之间的反向饱和电流/CBO。发射极开路。(2)集电极和发射极之间的穿透电流/CEO。基极开路。/CEO=( 1 /CBO/c3 .极限参数(1)集电极最大允许电流/cm。/cm(2)集电极最大允许耗散功率Pcm。(3)极间反向击穿电压。作?(1)(2)(3)【例】某三极管的极限参数/CM=25mA, PCM=200mW, U(brceo=20V,试分析下列条件下,三极管能否正常工0t/CE=3V, /c=20mA;t7CE=15V, /c=15mA,三极管的安全工作区U ce=
7、6V , /c=30mA解(1) Uce=3VVU br)ceo, /c=20mA/cM ce/c=60mWPCM,所以可以正常工作。(2) U ce= 15VPcM,所以不能正常工 作。(3)U ce=6V U ,br)ceo, Pc=f/cE/c=10mW左m,所以不能正常工作。21,5二极管的选择和使用方巴根据电路要求选择三极管类型1 .三极管的选择二二三:二二二二一 _2 .三极管的使用常识一根据电路参数选择型号。一(1)加到三极管上电压的极性应正确。(2)三极管的替换。(3)三极管应避免靠近热元件,减小温度变化和保证管壳散热良好。功率放大管在耗散功率 较大时,应加散热板;管脚引线不宜
8、太短,太短不宜安装,而且在焊接时热量容易传到管内,有可 能烫坏三极管。常见三极管引脚识别2.三极管测试(I)判断三极管基极和管型。如图所示,当用黑表笔接基极用万用表的电阻挡判断出基极和管型。例如测NPN型三极管, 时,用红表笔分别搭试集电极和发射极,测得阻值均较小;表笔位置对换后,测得电阻均较大。此 时基极可判断出来。黑表笔接基极,红表笔接另两极时阻值均小为NPN管,阻值均大为PNP管。三极管内部相当于两个背靠背PN结三极管基极和管型判别(2)判断集电极和发射极。根据三极管的电流放大作用进行判别。如图所示,当接上Rb,看Ic,如果黑、红表笔换接,则夕小,/c小,此时C、E间电阻较大,因此可以判
9、别出集电极和发射极极。NPN管有左时与黑表笔相接的是集电极,PNP管有左时与红表笔相接的是集电极。3 .反向穿透电流入。的检查入澳要求越小越好。此时基极应开路。4 .用万用表电流放大系数挡测试月(hfe挡)将万用表调至hfe挡,把三极管插入对应的电极插孔, 即可读出行值。判别集电极和发射极【重点】共射基本放大电路的组成原则、直流通路与交流通路。【难点】分析放大电路、画交流通路。2.2共射基本放大电路组成2.2.1 共射基本放大电路的组成原则1 .必须有直流电源保证晶体管发射结正向偏置,集电结反向偏置。2 .有信号输入和输出回路元件的安排必须能够保证输入信号从放大电路的 输入端加到晶体管上,信号
10、经过放大后又能从输出端输 出。3 .元件参数合适元件参数的选择要保证信号不失真的放大,并满足电路性能指标的要求。2.2.2 共射基本放大电路各元件作用直流电源片、集电极负载电阻&、基极偏置电阻Rb、电容G、C2的作用、三极管VT输入耦合电容和输出耦合电 容,隔断直流,输入交流信号 可以通过G加到三极管基极和 发射极之间,输出交流信号可 以通过C2从输出端输出。调整Rb的限值,可改变偏 流的大小,以控制三极管 的工作状态。+ VccRc变化。保证集电结反向偏置;另方面把集电极也流的变化转为集电极电压的电流放大作用。2.2.3直流通路与交流通路1 .直流通路由于匕c的存在,所以在没有外加信号人时,
11、一极管的基极和集电极都有固定或稳定的直流电 流和直流电压,用/b、Ube、k、Uce表示。因为它们是不变的,故称放大电路为静态。小、U BE、Id U CE称为放大电路的静态工作点。分析放大电路的静态工作点,要分析直流信号流通的路径,即直流通路。画直流通路时,电容 视为开路。2 .交流通路当加入i后,三极管的基极和集电极的电压和电流都将随之变化,这时称放大电路为动态。放 大电路静态和动态时,电抗性元件对直流信号和交流信号呈现的阻抗是不同的。当G、C2的容量足够大时,对交流信号短路。+ VccUbe _共射基本放大电路直流通路共射基本放大电路交流通路【重点】放大电路的静态及动态分析、静态工作点对
12、波形失真的影响、电路参数对静态工作点的影响。【难点】放大电路的图解法。2.3放大电路的分析2.3.1 静态分析L用估算法确定静态值匕C - 0BE * Vcc/c 邛/b2.用图解法确定静态值(1)直流负载线。(2)静态工作点。【例】共射基本放大电路中,电源Vcc=12V, Uces=0.3V,估算其静态工作点。解 对于硅管,取Ube=0.7V,因此+ Vcc,cc-Ube _ 12-0.7 /bRb100= 113|.iA假设三极管工作在放大状态,有/c/b=1 1. 3mAU ce=Vcc-lcRc= I2-2X11.3=-1O. 6VUcE值不合理,可见假设错误。此时三极管处于饱和状态。
13、此时集电极电流为,Vcc-ces _ 12-0.3/cb. ooni/XRc2静态工作点为:/B=113pAx /c=5. 65mAU CE=0. 3V三极管处于饱和状态时,不能根据/c邛/b进行计算。三极管处于饱和状态还是放大状态可根据/b及/bs(瓜尸冬、rcs=VccUs )的大小进行 P (判断。若/b/bs,三极管处于饱和状态;/bW/bs,三极管处于放大状态。2.3.2 动态分析1 .通过输入特性曲线确定工2 .通过输出特性曲线确定人、电压放大倍数4“=输出电压的幅值 输入电压的幅值Zb/|.iAzc/mA交流放大电路有输入信号时的图解分析2.3.3 静态工作点对波形失真的影响L截
14、止失真2 ,饱和失真输入信号幅度过大,工作点合适也能造成失真。/c/mA2.3.4 Ab、Ac、Vcc对静态工作点的影响增加Kb,偏流相减小,工作点将沿 着直流负载线下移。减小段,使直流负载线斜率增加,工作点在 宜流负载线上沿输出特性曲线右移。测试:常用电子测量仪器的使用1 .仪器线路连接接线时要求各仪器的接地端子连接在一起,并与实验室的接地系统保持良好的接触。实验仪器间的相互关系2 .低频信号发生器、交流亳伏表、 示波器的使用示波器、低频信号发生器、交流 亳伏表三者关系如图所示。低频信号 发生器、交流毫伏表、示波器根据实 际型号使用。信号发生器、示波器、亳伏表关系3 .测试练习(I)熟悉示波
15、器及信号发生器各旋钮的作用及名称。(2)将示波器通电预热12分钟,调节有关旋钮,使荧光屏上显示出一条清晰的扫描线,然 后熟悉各旋钮的作用。(3)启动低频信号发生器,调节有关旋钮,使输出电压及频率发生变化,输出电压为0.5IV, 输出频率户1kHz,然后用示波器输入这一正弦信号,观察电压波形,调节示波器使波形稳定清晰。(4)按表要求,反复调节低频信号发生器的频率,用示波器观察波形,并将低频信号发生器的 输出电压调至最大并保持不变,用毫伏表测量不同频率时的输出电压值。输出频率测量信号频率(Hz)1050I02103104I04x30IO4x5O电伏表测量值(V)(5)测试低频信号发生器在不同输出衰
16、减档时的输出电压。输出电压衰减档的测量输出衰减档dB值OdB20dB40dB电压表满偏(5V)时实际输出电压值5V0.5V0.05V亮伏表测量值(V)【重点】放大电路的微变等效电路分析法。【难点】放大电路的微变等效电路分析法。2.4放大电路的微变等效电路分析法2.4.1 三极管微变等效电路分析1 .三极管输入回路等效电路分析入3300+ (1+夕)3叱 /rmA2.晶体管输出回路等效电路分析三极管输入特性曲线及微变等效电路a.输出特性曲线b.输出回路微变等效电路三极管输出特性曲线及微变等效电路三极管微变等效电路2.4.2微变等效电路分析法L画出微变等效电路2 .电压放大倍数的计算3 .放大电路
17、的输入电阻和输出电阻计算常敏感,对半导体的性能有很大影响。1.1.4 PN结及其单向导电特性1.PN结的形成结论:在无外电场或其它因素激发时,PN结处于平衡状态,没有电流通过,空间电荷区是恒 定的。另外,在这个区域内,多子已扩散到对方并复合掉了,好像耗尽了一样,因此,空间电荷区 又叫做耗尽层。2.PN结单向导电性(1)正向特性当PN结外加正向电压(简称正偏),电源正极接P,负极接N, PN结处于导通状态,导电时 电阻很小。(2)反向特性当外加反向电压(简称反偏),电源正极接N,负极接P, PN结处于截止状态结论:PN结正偏时电路中有较大电流流过,呈现低电阻,PN结导通;PN结反偏时电路中电 流
18、很小,呈现高电阻,PN结截止,可见PN结具有单向导电性。外加正向电压外加反向电压Ai蹩,吟R庐Rc【重点】分压式偏置电路静态与动态分析。【难点】分压式偏置电路静态与动态分析、放大电路测试。2.5静态工作点的稳定问题温度对静态工作点的影响/ba.UBE变化的影响b./cEO变化的影响c.方变化的影响温度对静态工作点的影响2.5.1分压式偏置电路工作点稳定原理1.分压式偏置电路组成2.稳定静态工作点的两个条件Rco+Vcc/i/bVbU be2.5.2分压式偏置电路静态与动态分析1.静态工作点的估算RriCCVB -uw/c=/e=-ReRhiVb/bU,hRbi分压式偏置电路Re电路的直流通路U
19、e-t-Ce分压式偏置电路的直流通Udcc-RQ2 .微变等效电路分析动态R. = /?BI / Rb2 RrRo=Rc【例】求分压式偏置放大电路的静态工作点及放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻。已 知:Ccc=12V,夕=50, /?Bi=25kQ, /?B2=15kQ, /?c=2kQ, &=2.2kQ, /?L=2kQ, Ube=0.7V。解基极电位Vb= Kc k X 12 =4.5V% + %215 + 25发射极电流y迄Z”业小.2.2/c/e= L73mA集电极电流基极电流Ic 1.73/b=- = 0.035mAP 50集电极与发射极电压U ce-Vcc-Ic (Rc+Re
20、) H2-1.73X (2+2.2) =4.73V三极管交流输入电阻?63300+ (1+一) 一1.07kQ电压放大倍数R =RC/ R =lkQR14 =-/?- = -50x= -46.7(107放大电路的输入电阻Rt= Rp / /?B2 / rbc IkQ输出电阻凡尸&=2kC【例】如图所示放大电路,已知:CC=12V,尸=60,心尸20kC, /?B2=10kQ, &=3kQ, &二lkd吊尸6kd Ube=0.7V。画出该放大电路的直流通路,求静态工作点;画出该放大电路的微变等效电路及放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻。解基极电位依一厘VeC- 10x12=4V+10 + 2
21、0发射极电流VB -Uw 4-0.7,/E= - = 1.65mARe 2集电极电流/c/E=l-65mA 基极电流Ic 1.65/B=-=0.028mA p 60集电极与发射极电压i/cE-Vcc-/c CRc+Re) -12-1.65X微变等效电路如图所示。三极管交流输入电阻26 rbe=30()+ (1 + 夕)-A.26kQ电压放大倍数R; = Rc / R = 2kQR;rbe +(1 + 6)仆=-60 x1.26 + (l + 60)xl= -1.9放大电路的输入电阻R=原1 品2 + (1 + 夕)仆6kC输出电阻R k Rc=2kQ可见无Ce (旁路电容),放大电路放大倍数降
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