大連理工大學(xué),機械工程學(xué)院,機械電子學(xué)第二章模擬電子

第二章模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2.1.1半導(dǎo)體的基本知識2.1基本半導(dǎo)體元件受外界熱和光的作用往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。最多的半導(dǎo)體是硅和鍺。導(dǎo)電能力明顯變化N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），自由電子濃度遠大于空穴濃度。因為多數(shù)載流子（多子）的自由電子帶負電，所以成為N（Negative）型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），該

型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。因為多子的空穴帶正電，所以成為P（Positive）型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。2.1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管PN結(jié)正向偏置：P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓PN結(jié)反向偏置：P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為二極管。P區(qū)對應(yīng)的稱為陽極（或正極），N區(qū)對應(yīng)的稱為陰極（或負極）。陽極陰極伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕瑧?yīng)用于整流、限幅、保護等場合。理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott二極管的應(yīng)用舉例

(1)二極管半波整流2.1.3光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加2.1.4發(fā)光二極管(LED)有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。

發(fā)光二極管的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在1.6V~1.8V，綠色的約2V。2.1.5雙極型晶體管（三極管）——BJTBipolarJunctionTransistorBECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNPN型三極管BECPNP型三極管ICE與IBE之比稱為（共射）電流放大倍倍數(shù)要使三極管管能放大電電流，必須使發(fā)射射結(jié)正偏，，集電結(jié)反反偏。輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A輸出特性三三個區(qū)域的的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏偏，集電結(jié)結(jié)反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏偏，集電結(jié)結(jié)正偏。即：UCEUBE，IB>IC，UCE0.3V(3)截止區(qū)：UBE<死區(qū)電壓，，IB=0，IC=ICEO0在模擬電路路中，總是是希望三極極管工作在在放大區(qū)，，而在數(shù)字字電路中，，總是希望望三極管工工作在飽和和導(dǎo)通區(qū)或或截止區(qū)。。2.1.5

單極型晶體管（場效應(yīng)管）——FETFieldEffectTransistor場效應(yīng)管按按其結(jié)構(gòu)的的不同可分分為:結(jié)型場效應(yīng)應(yīng)管(JFET)——JunctionFET絕緣柵型場場效應(yīng)管(IGFET或MOS)——InsulatedGateFETMetal-Oxide-Semiconductor場效應(yīng)管管是利用用輸入回回路的電電場效應(yīng)應(yīng)來控制制輸出回回路電流流的一種種半導(dǎo)體體器件，，它僅靠靠半導(dǎo)體體中的多多數(shù)載流流子導(dǎo)電電，所以以又稱為為單極型型晶體管管。溫度度穩(wěn)定性性好，阻阻抗高。。NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型型場效應(yīng)應(yīng)管DGSDGS2.1.5.1結(jié)型場效效應(yīng)管:PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型型場效應(yīng)應(yīng)管DGSDGS工作原理理（以P溝道為例例）UDS=0V時PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏，，UGS越大則耗耗盡區(qū)越越寬，導(dǎo)導(dǎo)電溝道道越窄。。PGSDUDSUGSNNUDS=0時UGS達到一定定值時（（夾斷電壓壓VP）,耗盡區(qū)碰碰到一起起，DS間被夾斷斷，這時，即即使UDS0V，漏極電流流ID=0A。ID特性曲曲線（（以P溝道為為例））UGS0IDIDSSVP飽和漏漏極電電流夾斷電電壓轉(zhuǎn)移特特性曲曲線一定UDS下的ID-UGS曲線預(yù)夾斷曲線IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)區(qū)輸出特特性曲曲線0N溝道結(jié)結(jié)型場場效應(yīng)應(yīng)管的的特性性曲線線轉(zhuǎn)移特特性曲曲線UGS0IDIDSSVP輸出特特性曲曲線IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)結(jié)型場場效應(yīng)應(yīng)管的的特性性曲線線2.1.5.2絕緣緣柵柵場場效效應(yīng)應(yīng)管管:PNNGSDP型基基底底兩個N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDN溝道增強型型N溝道耗盡型型PNNGSD預(yù)埋了導(dǎo)電電溝道GSDNPPGSDGSDP溝道增強型型P溝道耗盡型型NPPGSDGSD預(yù)埋了導(dǎo)電電溝道別名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一種大功率半導(dǎo)導(dǎo)體器件，，出現(xiàn)于70年代。它的的出現(xiàn)使半半導(dǎo)體器件件由弱電領(lǐng)領(lǐng)域擴展到到強電領(lǐng)域域。特點：體積小、重重量輕、無無噪聲、壽壽命長、容容量大（（正向平均均電流達千千安、正向向耐壓達數(shù)數(shù)千伏）。。應(yīng)用領(lǐng)域：：整流（交流流直流）逆變（直流流交流）變頻（交流流交流）斬波（直流流直流）此外還可作作無觸點開開關(guān)等。2.2晶閘管（Thyristor）A（陽極）P1P2N1三個

PN結(jié)N2四層半導(dǎo)體K（陰極）G（控制極））2.2.1工作原理符號AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK示意圖APPNNNPGKig?1ig?2?1igKAGT1T2由二個三三極管組組成的電電路等效效1.若只加UAK正向電壓壓，控制制極不加加觸發(fā)電電壓，兩兩三極管管均不能能導(dǎo)通，，即晶閘閘管不通通。導(dǎo)通過程程2.當(dāng)UAK>0且UGK>0時，晶閘閘管迅速速導(dǎo)通。。GKAT1T2i

b1ic2i

c1i

gi

b2

T1放大T2放大

Ig(Ib1)━→Ic1(β1*Ib1)━→Ib2━→Ic2(β１*β２*Ib１)

晶閘管導(dǎo)導(dǎo)通后，，Ｕak(ＡＫ之間間的壓降降很小)。不管ＵＵgk存在與否否,晶閘管仍仍將導(dǎo)通通。3.晶閘管導(dǎo)導(dǎo)通后，，去掉電電壓UGK，依靠正反反饋，晶閘管仍仍維持導(dǎo)導(dǎo)通狀態(tài)態(tài)；4.晶閘管截截止的條條件：晶閘管的A、K兩極間加反向電壓，或開始工作時就不加觸發(fā)信號（即令UGK

=0），晶閘管則不能導(dǎo)通；（1）（2）晶閘管正向?qū)ê?，欲令其截止，必須減小UAK，或加大回路電阻，致使晶閘管中的電流減小到維持電流（IH）以下，正反饋失效，晶閘管截止。tu2tuGtuLtuT：控制角：導(dǎo)通角u1u2uTuLAGKRLuG單相半波波可控整整流電路路當(dāng)系統(tǒng)處處在深度度調(diào)速狀狀態(tài)，即即在較低低速運行行時，晶晶閘管的的導(dǎo)通角角很小，，使得系系統(tǒng)的功功率因數(shù)數(shù)很低，，并產(chǎn)生生很大的的諧波電電流，引引起電網(wǎng)網(wǎng)電壓波波形畸變變，殃及及附近的的用電設(shè)設(shè)備。如如果采用用晶閘管管調(diào)速的的設(shè)備在在電網(wǎng)中中所占的的容量比比重比較較大，就就會造成成所謂的的“電力力公害””，在這這種情況況下，必必須增設(shè)設(shè)無功補補償和諧諧波濾波波裝置。。＋－u－u+uo－＋＋

u－

u+

uoAo國際符號號國內(nèi)符號號2.3集成運放放集成運算算放大器器的基本本構(gòu)成開環(huán)差模模電壓放放大倍數(shù)數(shù)Aod無外加反反饋回路路的差模模放大倍倍數(shù)。一一般在105107之間。理想運運放的Aod為。2.3.2集成運放的主主要性能指標(biāo)標(biāo)差模輸輸入信信號：：ui1=-ui2=ud（大小小相等等，極極性相相反））任意輸輸入的的信號號:ui1,ui2，都可可分解解成差差模分分量和和共模模分量量。差模分量:共模分量:共模抑抑制比比(CMRR)例:Ad=-200Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR——CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMRR(dB)=(分貝)2.3.4電壓傳傳輸特特性運放工工作在在線性性區(qū)時時，Uo＝Aod(UP－UN)，由于于開環(huán)環(huán)電壓壓放大大倍數(shù)數(shù)Aod很高，，輸入入很小小的信信號也也足以以使輸輸出電電壓飽飽和，，另外外干擾擾信號號也會會使輸輸出難難于穩(wěn)穩(wěn)定。。所以以，要要使運運算放放大器器穩(wěn)定定工作作在線線性區(qū)區(qū)，必必須引引入深深度負負反饋饋。2.4電路中中的負負反饋饋若引回回的信信號削削弱了了輸入入信號號，就就稱為為負反饋饋。若引引回的的信號號增強強了輸輸入信信號，，就稱稱為正反饋饋?；痉糯箅娐稟o反饋回路F+–負反饋饋放大大器的的閉環(huán)環(huán)放大大倍數(shù)數(shù)當(dāng)AoF>>1時，當(dāng)AoF>>1很大時時（深深度負負反饋饋），，負反反饋放放大器器的閉閉環(huán)放放大倍倍數(shù)與與運放放本身身的開開環(huán)差差模放放大倍倍數(shù)無無關(guān)，，只與與反饋饋網(wǎng)絡(luò)絡(luò)有關(guān)關(guān)。即即負反反饋可可以穩(wěn)穩(wěn)定放放大倍倍數(shù)。。虛短路路虛開路路2.5基本運運算電電路ri大:幾十k幾百kKCMRR很大ro?。簬讕资畮装貯o很大:104107理想運放：ri

KCMMRR

ro

0Ao

i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虛短路路虛開路路2.5.2反相比比例運運算電電路虛開路RP為平衡電阻RP=R1//R22.5.3同相比例運運算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui虛短路虛開路虛開路_++uiuo此電路是電電壓串聯(lián)負負反饋，輸輸入電阻大大，輸出電電阻小，在在電路中作作用與分離離元件的射射極輸出器器相同，但但是電壓跟跟隨性能好好。2.5.4電壓跟隨器器i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求求和電路的的某一路信信號的輸入入電阻，不不影響其它它支路輸入入電壓和輸輸出電壓的的比例關(guān)系系，調(diào)節(jié)方方便。2.5.5反相求和運運算此電路如果果以u+為輸入，，則輸出為為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2注意：同相求和電電路的各輸輸入信號的的放大倍數(shù)數(shù)互相影響響，不能單單獨調(diào)整。。2.5.6同相求和運運算R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虛短路虛開路虛開路2.5.7單運放的加加減運算電電路_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：單運放的加加減運算電電路的特例例：差動放放大器2.5.8雙運放的加加減運算電電路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R6例：A/D變換器要求求其輸入電電壓的幅度度為0~+5V，現(xiàn)有信號號變化范圍圍為-5V~+5V。試設(shè)計一一電平抬高高電路，將將其變化范范圍變?yōu)?~+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路A/D計算機uiuouo=0.5ui+2.5Vuo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k2.5.9三運放電路路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開路：三運放電路路是差動放放大器，放放大倍數(shù)可可變。由于輸入均均在同相端端，此電路路的輸入電電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2