模擬電子技術(shù)教案

1、模擬電子技術(shù)教學(xué)計(jì)劃信息工程系內(nèi)容第一章常見半導(dǎo)體器件首先，半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第二講半導(dǎo)體二極管第三講雙極晶體管晶體管第四，場(chǎng)效應(yīng)晶體管第二章基本放大電路第五部分介紹了放大器電路的主要性能指標(biāo)和共源共柵放大器電路的基本組成原理。第六講：放大電路的基本分析方法第7講放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性第八講公共集合放大器和公共基礎(chǔ)放大器第9講：場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大器電路第十講多級(jí)放大電路第11講練習(xí)課第三章放大電路的頻率響應(yīng)第12講：頻率響應(yīng)的概念、RC電路的頻率響應(yīng)和晶體管的高頻等效模型第13講公共發(fā)射放大器電路的頻率響應(yīng)和增益帶寬積第四章功率放大器電路第14講功率放大電路和互補(bǔ)功率放大電路概述第15課改進(jìn)的

2、OCL賽道第五章模擬集成電路基礎(chǔ)第16講集成電路、電流源電路和有源負(fù)載放大器電路概述第17講差分放大電路第18講集成運(yùn)算放大電路第六章放大器電路的反饋第19講：反饋的基本概念和判斷方法以及負(fù)反饋放大電路框圖第20講深度負(fù)反饋放大電路的放大估計(jì)第21講負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響第七章信號(hào)操作和處理電路第22講操作電路和基本操作電路概述第23講模擬乘法器及其應(yīng)用第24講有源濾波器電路第八章波形產(chǎn)生和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路第25講振蕩電路和正弦波振蕩電路概述第26講電壓比較器第27講：非正弦波發(fā)生器第28講利用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換第九章DC供電第29講DC電源和單相整流電路概述第三十講濾波電路和穩(wěn)壓電路第3

3、1講串聯(lián)穩(wěn)壓電路第32講綜述第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)本章的主要內(nèi)容本章重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)原理、外部特性、主要參數(shù)及其物理意義，以及工作條件或工作區(qū)域的分析。首先，介紹了形成PN結(jié)的半導(dǎo)體材料、PN結(jié)的形成及其特性。然后介紹了二極管和穩(wěn)壓管的伏安特性、電路模型、主要參數(shù)和應(yīng)用實(shí)例。然后介紹了兩個(gè)三極管(BJT三極管和場(chǎng)效應(yīng)管)的結(jié)構(gòu)原理、伏安特性、主要參數(shù)以及工作面積的判斷和分析方法。本章中的工時(shí)分配本章分為四節(jié)課，每節(jié)2小時(shí)。首先，常見的半導(dǎo)體器件本次講座的要點(diǎn)1.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?.PN結(jié)的伏安特性；本次講座的難點(diǎn)1.半導(dǎo)體：的傳導(dǎo)機(jī)制兩個(gè)載流子參與傳導(dǎo)；2.半導(dǎo)體中多中子和少中子的摻

4、雜3.PN結(jié)的形成；教學(xué)組織過(guò)程這個(gè)講座應(yīng)該由老師講授。多媒體用于演示半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)理、形成過(guò)程及其伏安特性，便于學(xué)生理解和掌握。主要內(nèi)容1.半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性根據(jù)物體導(dǎo)電率的不同，電氣材料可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體可以定義為導(dǎo)體和絕緣體之間具有導(dǎo)電性的電氣材料，半導(dǎo)體的電阻率為10-3 10-9 WCM。典型的半導(dǎo)體包括硅、鍺和GaAs。在不同的條件下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率變化很大：當(dāng)暴露在外部熱和光下時(shí)，它的電導(dǎo)率變化很大；當(dāng)某些特定的雜質(zhì)元素混入純半導(dǎo)體時(shí)，其導(dǎo)電性是可控的。這些特殊性質(zhì)決定了半導(dǎo)體可以制成各種器件。2.本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體是沒有結(jié)構(gòu)缺陷的

5、純半導(dǎo)體單晶。用于制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度應(yīng)該達(dá)到99。%。它是o當(dāng)導(dǎo)體處于0 K的熱力學(xué)溫度時(shí)，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子的能量增加，一些價(jià)電子可以脫離原子核的束縛，參與傳導(dǎo)，成為自由電子。這種現(xiàn)象稱為固有激發(fā)(也稱為熱激發(fā))。熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)，稱為電子-空穴對(duì)。自由電子也可能回到空穴，這被稱為復(fù)合。在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)載流子濃度恒定，自由電子和空穴的數(shù)量相等。4.半導(dǎo)體的傳導(dǎo)機(jī)制自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成電子流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也能形成空穴流。因此，在半導(dǎo)體中有兩個(gè)自由電子和空穴的載流粒子(即載流子)，這是半導(dǎo)

6、體的特殊性質(zhì)?？昭▊鲗?dǎo)的本質(zhì)是：個(gè)相鄰原子中的價(jià)電子(共價(jià)鍵中的束縛電子)順序填充空穴形成電流。因?yàn)殡娮訋ж?fù)電荷，電子的運(yùn)動(dòng)與空穴相反，所以空穴被認(rèn)為是帶正電荷的。5.雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體是半導(dǎo)體器件的基本材料。將五價(jià)元素(例如磷)摻雜到本征半導(dǎo)體中形成了N型(電子)半導(dǎo)體。p型(空穴型)半導(dǎo)體是通過(guò)摻雜三價(jià)元素(如硼、鎵、銦等)形成的。)。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與其摻雜濃度和溫度有關(guān)。摻雜濃度和溫度越高，其導(dǎo)電性越強(qiáng)。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。子數(shù)量(自由電子)=正離子數(shù)量子數(shù)量(空穴)在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流

7、子。子(空穴)數(shù)=負(fù)離子數(shù)子(自由電子)數(shù)6.PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體中的載流子有兩種有序運(yùn)動(dòng)：濃度差作用下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)。p型和N型半導(dǎo)體區(qū)形成在同一半導(dǎo)體單晶上。在兩個(gè)區(qū)域的結(jié)處，當(dāng)多載流子擴(kuò)散和少數(shù)載流子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)(也稱為耗盡層或勢(shì)壘區(qū))的寬度基本穩(wěn)定，并且形成PN結(jié)。當(dāng)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位時(shí)，稱為正直流電壓(或正向偏壓)。此時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，顯示低電阻，電流流過(guò)毫安級(jí)，這相當(dāng)于開關(guān)閉合。當(dāng)n區(qū)的電位高于p區(qū)的電位時(shí)，稱為加反向電壓(或反向偏壓)。此時(shí)，PN結(jié)被切斷，顯示出高電阻，并且A級(jí)電流流動(dòng)，這相當(dāng)于關(guān)斷。PN結(jié)是半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)單元

8、，其基本特征是單向?qū)щ娦裕杭串?dāng)外加電壓的極性不同時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)出完全不同的導(dǎo)電性。PN結(jié)加直流電壓時(shí)，電阻小，正向擴(kuò)散電流大。當(dāng)PN結(jié)被施加反向電壓時(shí)，它呈現(xiàn)高電阻并且具有非常小的反向漂移電流。這正是PN結(jié)單向?qū)щ姷木唧w表現(xiàn)。7.PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)伏安特性方程：式中：Is為反向飽和電流；UT是溫度電壓當(dāng)量，當(dāng)t=300 k時(shí)，約為26mV。當(dāng)u 0和u時(shí)，伏安特性呈非線性指數(shù)規(guī)律。當(dāng)u 0時(shí)，它在正特性區(qū)域。正區(qū)進(jìn)一步分為兩部分：(1)當(dāng)0 v uon時(shí)，正電流開始出現(xiàn)并呈指數(shù)增加。2)反向特性：當(dāng)v 0時(shí)，它處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)域也分為兩個(gè)區(qū)域：(1)當(dāng)VBR v 0時(shí)，反向電流很小

9、，基本上不隨反向電壓的變化而變化。此時(shí)的反向電流也稱為反向飽和電流is。(2)當(dāng)VVBR時(shí)，反向電流急劇增加。VBR被稱為反向擊穿電壓。從擊穿機(jī)理來(lái)看，如果硅二極管|VBR|7 V，主要是雪崩擊穿。如果VBR4伏7伏，主要是齊納擊穿。當(dāng)在4 V和7 V之間有兩種擊穿時(shí)，有可能獲得零溫度系數(shù)點(diǎn)。3)二極管伏安特性與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別：二極管的基本特性是PN結(jié)伏安特性。不同于理想的PN結(jié)，二極管具有正向特性的導(dǎo)通電壓Uon。一般來(lái)說(shuō)，硅二極管的UON約為0.5 V，鍺二極管的約為0.1V；二極管的反向飽和電流大于PN結(jié)。3.溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度對(duì)二極管的性能有很大影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，反

10、向電流將呈指數(shù)增加。硅二極管的溫度每升高8，反向電流就會(huì)增加大約一倍。鍺二極管的溫度每升高12，反向電流大約加倍。此外，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，并且正向壓降UD每增加1將減小2mV，即它具有負(fù)溫度系數(shù)。4.二極管的等效電路(或等效模型)1)理想模型：當(dāng)正向偏置發(fā)生時(shí)，管電壓降為0，導(dǎo)通-3)小信號(hào)電路模型：在小變化范圍內(nèi)，二極管被視為線性器件，相當(dāng)于動(dòng)態(tài)電阻rD。該模型僅用于計(jì)算疊加在DC工作點(diǎn)Q上的輕微電壓或電流變化的響應(yīng)5.二極管的主要參數(shù)1)最大整流電流IF:長(zhǎng)期運(yùn)行期間允許通過(guò)二極管的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，如果二極管的平均正向電流超過(guò)該值，它將由于結(jié)溫過(guò)高而燒

11、毀。2)最大反向工作電壓UBR:二極管工作時(shí)允許施加的最大反向電壓。如果超過(guò)該值，二極管可能由于反向擊穿而損壞。通常取UBR值的一半。3)電流IR:二極管未擊穿時(shí)的反向電流。對(duì)溫度敏感。紅外越小，二極管的單邊電導(dǎo)率越好。4)最大工作頻率fM:二極管正常工作的上限頻率。如果超過(guò)該值，其單邊電導(dǎo)率將受到結(jié)電容的影響。6.齊納二極管(齊納管)及其伏安特性調(diào)壓器是一種特殊類型的表面接觸半導(dǎo)體二極管，它通過(guò)反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。調(diào)壓器的伏安特性類似于普通二極管，其正向特性是指數(shù)曲線。當(dāng)施加的背壓值增加到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生故障。擊穿曲線非常陡峭，幾乎平行于縱軸。當(dāng)電流在一定范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)壓管表現(xiàn)出良好的穩(wěn)

12、壓特性。7.調(diào)壓器的等效電路調(diào)壓器的等效電路由兩個(gè)并聯(lián)支路組成：施加直流電壓和反向電壓而不擊穿時(shí)，其特性與普通硅管相同；施加反向電壓并擊穿后，等效于理想二極管、電壓源Uz和動(dòng)態(tài)電阻rz的串聯(lián)。如圖1.18中的P16所示。8.調(diào)壓器的主要參數(shù)1)穩(wěn)定電壓UZ:規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。2)最大穩(wěn)定工作電流IZMAX和最小穩(wěn)定工作電流IZMIN:調(diào)節(jié)器的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。Izmin對(duì)應(yīng)于UZmin。如果iz 7 v時(shí)，UZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。當(dāng)UZ 4 v時(shí)，UZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當(dāng)4 v Vz 7 v時(shí)，調(diào)節(jié)器可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這種齊納二極管可以用作標(biāo)準(zhǔn)齊納管。9.穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電路齊納二極管應(yīng)反向連接，并與電阻器串聯(lián)。電阻器有兩個(gè)功能：一是限制電流，以保護(hù)電壓調(diào)節(jié)器；其次，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)電阻上電壓降的變化取出誤差信號(hào)，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而達(dá)到穩(wěn)壓的效果。如P17的圖1.19所示。10.特殊二極管像普通二極管一樣，特殊二極管也具有單向?qū)щ?/p>