硬件电路设计基础知识.pdf
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1、硬件电子电路基础 关于本课程 第一章 半导体器件1-1 半导体基础知识1-2 PN 结1-3 二极管1-4 晶体三极管1-5 场效应管第二章 基本放大电路2-1 晶体三极管基本放大电路2-2 反馈放大器的基本概念2-3 频率特性的分析法2-4 小信号选频放大电路2-5 场效应管放大电路第三章 模拟集成电路31 恒流源电路32 差动放大电路33 集成运算放大电路34 集成运放的应用35 限幅器(二极管接于运放输入电路中的限幅器)36 模拟乘法器第四章 功率放大电路41 功率放大电路的主要特点42 乙类功率放大电路43 丙类功率放大电路44 丙类谐振倍频电路第五章 正弦波振荡器51 反馈型正弦波振
2、荡器的工作原理52 LC 正弦波振荡电路53 LC 振荡器的频率稳定度54 石英晶体振荡器55 RC 正弦波振荡器第六章 线性频率变换 振幅调制、检波、变频61 调幅波的基本特性62 调幅电路63 检波电路64 变频第七章 非线性频率变换 角度调制与解调 71 概述 72 调角信号分析 73 调频及调相信号的产生 74 频率解调的基本原理和方法第八章 反馈控制电路81 自动增益控制(AGC)82 自动频率控制(AFC)83 自动相位控制(APC)PLL 半导体器件半导体基础知识 半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。(导电能力即电导率)(如:硅锗等 价元素以及化合物)本征半导体纯净、晶
3、体结构完整的半导体称为本征半导体。硅和锗的共价键结构。(略)半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化 掺杂管子 温度热敏元件 光照光敏元件等 自由电子受束缚的电子 ()空穴 电子跳走以后留下的坑 ()(前讲)掺杂可以显著地改变半导体的导电特性,从而制造出杂质半导体。型半导体(自由电子多)掺杂为 价元素。如:磷;砷 价使自由电子大大增加 原理:价与形成共价键后多余了一个电子。载流子组成:o 本征激发的空穴和自由电子数量少。o 掺杂后由 P 提供的自由电子数量多。o 空 穴少子o 自由电子多子 掺杂为 价元素。如:硼;铝使空穴大大增加 原理:价与形成共价键后多余了一个空穴。价 载流子组成:o 本征
4、激发的空穴和自由电子数量少。o 掺杂后由 B 提供的空 穴数量多。o 空 穴多子o 自由电子少子结论:型半导体中的多数载流子为自由电子;型半导体中的多数载流子为空穴。PN 结一、结的基本原理 什么是结 将一块型半导体和一块型半导体紧密第结合在一起时,交界面两侧的那部分区域。结的结构分界面上的情况:区:空穴多区:自由电子多扩散运动:多的往少的那去,并被复合掉。留下了正、负离子。(正、负离子不能移动)留下了一个正、负离子区耗尽区。由正、负离子区形成了一个内建电场(即势垒高度)。方向:大小:与材料和温度有关。(很小,约零点几伏)漂移运动:由于内建电场的吸引,个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向
5、相反作运动。结论:在没有外加电压的情况下,扩散电流和漂移电流的大小相等,方向相反。总电流为零。二、结的单向导电特性 外加正向电压时:(正偏)结论:势垒高度结宽度(耗尽区宽度)扩散电流 结论势垒高度结宽度(耗尽区宽度)扩散电流(趋近于)此时总电流反向饱和电流(漂移电流):I5注:反向饱和电流 I5只与温度有关,与外加电压无关。【PN 结的反向击穿】:齐纳击穿:势垒区窄,较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键,导致反向电流剧增。雪崩击穿:势垒区宽,载流子穿过结时间长,速度高,将价电子从共价键中撞出来,撞出来的电子再去撞别的价电子,导致反向电流剧增。当反向电压在和之间的时候,两种击穿均有。【
6、PN 结的电容效应】:势垒电容:外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下,电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容。(反偏减小,正偏增大)扩散电容:当结外加正向电压时,由于扩散作用,从另一方向本方注入少子,少子注入后,将破坏半导体的电中性。为了维持电中性,将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体,在半导体中形成空穴电子对储存。外电压增量引起空穴电子对存储就象电容充电一样。结等效为:两个扩散电容一个势垒电容。(对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内)反偏:扩散电流,以势垒电容为主。正偏:扩散电流很大,以扩散电容为主。二极管一、构成与符号二、伏安特
7、性曲线 1.正向特性:正向电压较小时,正向电流几乎为 死区。当正向电压超过某一门限电压时,二极管导通,电流随电压的增加成指数 2反向特性:3伏安特性解析式4二极管的等效电阻从二极管的伏安特性曲线上可以看出:二极管是非线性元件,等效电阻的大小与点有关。直流电阻(静态电阻)交流电阻例:用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻,结果一样吗特殊二极管:稳压二极管;变容二极管;发光二极管;二极管应用:整流:略 稳压:稳压管稳压电路。限幅器:二极管限幅器。串联、并联、双向。晶体三极管一、结构及符号 区极薄 二、晶体管的四种工作状态状态发射结电压集电结电压放大正反截止反反饱和正正倒置反正三、放大状态下晶体管中
8、的电流 注:交流有效值;交流值;瞬时值;静态值;注意:实际电流的流向是与电子流的方向相反的。用很少量的来控制。即三极管实际上是一个电流控制电流源-。三个电极电流满足:工作在放大状态下的管一定为:IB、IC 流入,IE流出。工作在放大区的条件:UC UB UE;UC UB RC;RB几百 K,RC几 K二、放大级的图解分析放大级的图解分析法是利用晶体管的特性曲线通过作图的方法来分析放大电路的基本性能。图解分析法的特点是直观。图解分析法的步骤是:、先分析无输入信号时的静态特性。再分析有信号输入时的动态特性。(一)、静态特性任务:求解静态工作点。(管子各极电流和各电极之间的电压)2、静态工作点的定义
9、:未加交流信号的情况下,在固定直流偏压作用下,、也为一个固定的值。它们在曲线上对应着一个固定的点点。在给定电路中求解静态工作点(以共射电路为例)。解释:由于晶体管为非线性元件,它的输出伏安关系符合它的输出特性曲线。而晶体管所带的负载是电阻,它是线性元件。伏安关系符合基尔霍夫 定律,为一条直线。(我们将在放大器直流输出回路中满足电压和电流关系的这一条直线称为直流负载线。)那么放大电路既要满足晶体管的非线性特性曲线,又要满足负载电阻的直线,结论是只能将这两种线画在同一个坐标系中,从中取它们的交点。这个交点点。图解法可以直观地反映出点改变对放大作用的影响。求解静态工作点的步骤:列输入方程,求出:其中
10、 列输出方程,在图中画出直流负载线。UCE=UCC-ICRC 根据公式:分别取 当 IC0 时:UCEUCC;o 时:;将这两点连上即得到直流负载线。从图上找出交点静态工作点 Q在图上对应标出、(二)、动态特性分析 动态特性(在静态特性求解完成的基础上分析)电路工作在放大状态条件下,外加交流电压作用时,各个电极电压、电流的变化情况。当外加了交流电压或电流信号时,由于管子和负载也还是要同时满足它们各自的伏安关系曲线,所以工作点将会沿着负载线上下移动。在有外加输入信号作用时,输出的信号为直流和交流的叠加。作交流负载线 画出输出回路的交流通路。由于交流负载的改变,使得交流负载线为一条通过静态工作点但
11、是斜率改变为的直线。失真分析静态工作点、输入信号幅度、负载电阻大小对输出波形的影响。负载一定时:从图中可以看出:共射电路有倒像。从上图分析可知:点合适无失真点太高饱和失真点太低截止失真 输入信号幅度过大也会造成失真。(见上图红笔所画)一定时,越小,负载线越陡。当过大时,会造成饱和失真。结论:放大器工作无失真条件为:、点选择合适;输入信号幅度不能过大;负载大小要合适;三、放大级的等效电路分析法 比较:图解分析法:可以画出来,直观。用来研究大信号、非线性失真等效电路法:不好画,用来分析小信号时,定量的计算 等效:对外不对内。(对晶体管的外部交流电压、电流等效)当加到发射结上的交流信号电压足够小时;
12、当管子工作在放大区内时;这时,我们可以把管子视为一个线性的电流控制电流源()。并可以把它代换成为一个线性有源四端网络。(一)、晶体管参数等效电路注意:其中受控源的极性要根据的方向来确定。输出交流短路时的输入电阻;输出交流短路时的电流放大系数;输出交流开路时的输出电导,很小,可忽略。(它说明输出电压对输出电流的影响。)(二)、用参数等效电路分析放大器 共射极放大电路需要计算:放大器的放大倍数源电压放大倍数 分析步骤:画出放大电路的交流通路。(电容短路,直流电源接地)画参数等效短路图。(将晶体管参数等效电路去替代交流通路中的晶体管。将等效电路的、相应地接在电路中的、上。计算其中:;负号表示,输入和
13、输出信号之间有倒相 计算应用戴维南等效电源定理可以将等效电路的左半部分进行化简:化简后的图为:;如果满足的条件,则有放大器静态工作点不稳定的因素:受温度影响:;都会使点提高。晶体管值的离散性。(均合格)稳定点的偏置电路:电路为:串联电流负反馈,UE=UB-UBE,由于的忽略,可以视为不随温度变化的固定电位。电路稳定点的过程:注:实际上稳定的是电流而不是电流。放大倍数的稳定性 电压反馈稳定输出电压;电流反馈稳定输出电流;直流反馈稳定静态工作点;交流反馈改善交流性能;加入负反馈后,放大倍数比从前提高了 倍。(二)、负反馈对输入、输出电阻的影响串联反馈提高输入电阻;并联反馈降低输入电阻;电压反馈降低
14、输出电阻;电流反馈提高输出电阻;(三)、负反馈对非线性失真的影响采用负反馈使有效输入信号波形产生预失真,负反馈越深,非线性失真消除得越好,增益也越小。但注意:在开环时,动态范围必须留有余量。(四)、负反馈对噪声的影响反馈环前必须加一个放大器才可以提高信噪比,使得纯信号增大,噪声干扰信号降低。否则,和没加一样。六、两种常用的负反馈放大电路(一)、射极输出器(共集电极放大器)电路介绍:电路为:串联电压负反馈,并且输出电压全部反馈回到输入端。特性分析:静态工作点计算:交流等效电路图:应用戴维南等效电源定理:电压放大倍数:输入电阻:输出电阻:(用外加电压法计算,将信号源短路)、射极输出器的特点:输入电
15、阻大,输出电阻小;(可以作为多级放大器的输入级,或作为隔离用。)电压放大倍数近似为;输入、输出信号同相;(二)、恒流管电路 电路介绍:电流串联负反馈,作为二端网络来使用;与分压式稳定点的共射电流类似,由于固定,输出电流基本固定,而不随变化,从而实现恒流作用。特性分析:输出电流:输出直流电阻:小 输出交流电阻:大 频率特性的分析法什么是放大器的频率特性(响应):放大器的放大量随着信号频率变化的状态。对比:非线性失真 由于晶体管工作在非线性区,对幅度大小不同的信号放大量不同。频率失真 放大器对不同频率的信号放大量不同。(由于电路中有(线性失真)、电抗元件造成。)一、放大电路不产生频率失真的条件 理
16、想:对所有频率成分同等放大,相移和频率成正比。增益用复数表示:频率特性参数:为了将失真控制在一定范围内,把半功率点作为放大器放大倍数下降的最大允许值。(半功率点,相当于电压或电流的或。)截止频率:电压或电流放大倍数减至倍时的频率。下截频;上截频。通频带:两个截止频率之间的频带。二、分析频率特性的工程简化法 分频段简化处理。步骤:画出等效电路图;分频段对等效电路进行简化;求时间常数;求上、下截频;画出波特图;三、晶体管的高频参数及等效电路 所有的放大器的放大倍数都会在高频端下降。结电容:(它是引起高频特性变化的主要原因)势垒电容 是正、负离子层在外加电压发生变化时发生变化,从而在外电路中产生容性
17、电流的等效电容。扩散电容 当结外加正向电压时,由于扩散作用会破坏半导体的电中性。将会由外电路补充进来异性载流子来保持电中性。区和区即形成了空穴和电子对的贮存。这种因扩散作用而在外电路产生的容性电流的等效电容。共射极混合等效电路 晶体管的高频分析在高频段,结和结都会产生容性电流。以共射电路为例:结反偏:势垒电容;结正偏:扩散电容;因为当频率很高时,电容的容抗为,所以两个电容不能忽略。由于结反偏,所以很大,可以视为开路。共射极混合等效电路其中:基区体电阻。约为。跨导。高频段等效电路(将分别折合到输入输出端来算)折线表示幅频特性的波特图两边取对数得:=H 结论:频率每上升倍,幅模减小。设:;作幅频特
18、性波特图得:用折线表示的相频特性波特图分析:=H 很大时 很小时 结论:频率每升高倍,产生-相移。作相频特性波特图得:六、晶体管的带宽增益乘积 放大器的带宽于增益是一对矛盾:负载增大增益增大上截频下降;负载减小增益减小上截频升高;为了全面衡量一个器件的高频放大能力,用放大倍数乘以上截频的积来衡量。晶体管的带宽增益乘积是由晶体管本身的参数决定的。要想提高增益带宽乘积,应选用、小的管子。小信号选频放大电路一、概述 什么是小信号选频放大器:信号幅度小,放大器工作在线性区。对所需要的信号放大;对不需要的信号抑制;即,只能放大某个频率或某个频率范围的信号。小信号选频放大器的结构:选频网络:高频:、石英晶
19、体、陶瓷、声表面波;低频:;选频网络决定小信号选频放大器的选择性的好坏。频率特性:通频带:(允许频率通过的范围)指标:中心频率(谐振频率):通频带:矩形系数:理想情况下,矩形系数;实际情况下,矩形系数;品质因数:二、单振荡回路 回忆:串联谐振回路:时:感性时:容性并联谐振回路:时:容性时:感性 单振荡回路 电路介绍:化简:若:、支路为高支路,即:时,有:谐振角频率:回路总品质因数:总 够实现阻抗变换,即将实际的负载阻抗值变换为器件所要求的阻抗值。耦合网络自身的插入损耗要尽可能的小,即能够将有用信号功率有效地传送给下一级或者是负载。滤波特性要好,即可以抑制掉无用信号的功率。44 丙类谐振倍频电路
20、倍频器:输出信号频率为输入信号频率的整数倍的电子部件。它广泛地应用于通信设备中。可以用模拟电路来实现也可以用数字电路来实现。我们仅介绍工作频率在几十兆赫兹以下的利用三极管构成的丙类谐振放大式倍频器。一、丙类倍频器的基本工作原理在丙类工作时,晶体管的集电极电流脉冲中含有许多谐波分量。那么,如果把集电极谐振回路调谐在二次谐波或者五次谐波上面,回路将会在二倍频或五倍频上谐振。即,放大器将只有二次谐波电压或五次谐波电压输出。这样丙类放大器就成为了丙类二倍频器或五倍频器。二、实际电路丙类谐振倍频器的原理性电路:虚线所标出的和是为了抑制幅度很大的基波而设置的串联谐振回路,它调谐在基波上面。此电路的其他部分
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