《电子技术基础》教案

《电子技术基础》教案

适用学时：前60（54）学时

编写日期：2006年2月1日

§绪言

学时：1学时

教学内容

一、电子技术基础课的性质

电子技术研究怎样通过各种半导体管以及由它们组成的电路将微弱电信号进行放大、变换或重新组合，然后应用到各个领域。

电子技术基础课主要介绍半导体器件的结构、工作原理和功能等，进而说明各种基本电路的应用范围、效率和形式。

二、电子技术基础课程的内容

1、半导体器件

二极管、三极管、场效应管等是最常用的半导体器件，本书重点介绍二极管、三极管、场效应管的结构、工作原理、特性和主要参数，以及它们的简单检测方法。

2、放大和振荡电路

放大电路的放大功能是电子技术的重要理论依据。

3、集成运算放大器

4、直流电源

5、晶闸管电路

6、门电路及组合逻辑电路

7、触发器和时序电路

三、课程目的和学习方法

“电子技术基础”虽然是专业理论基础，但它具有很强的实践性。

§第一章常用半导体器件

第一节半导体的基本知识

学时：1学时

教学要求：

1．了解半导体的一般概念

2．理解半导体的导电机理与导电特性

3．理解掺杂半导体的产生及导电类型

4．了解PN结的概念

5．理解PN结形成的原理及PN结的单向导电性

教学内容

一、半导体的导电特性

（a ）硅和锗原子的简化结构模型 (b)晶体的共价键结构及电子空穴对的产生

图 1.1硅、锗原子结构模型及共价键结构示意图

二、N 型和P 型半导体 1、N 型半导体

在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.2所示。常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。

图1.2 N

2、P 型半导体

在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.3所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。

图1.3 P

三、PN 结及其单向导电性 1、PN 结的形成

所示。

图1.4 PN 结的形成

2、PN 结的单向导电性

正偏与反偏：当外加电压使PN 结中P 区的电位高于N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 （1） PN 结的正向导通特性

(a) 正向偏置 （b ）反向偏置

图1.5 PN 结的导电特性

(2) PN 结的反向截止特性

第二节 二极管

学时：2学时

教学要求：

1．了解二极管的结构、图形符号、型号类型 2．理解二极管的伏安特性及其主要参数 3．掌握二极管的简单检测方法

教学内容

（a ） 结构

（b ）电路符号

（c ）实物外形

图1.6 二极管结构、符号及外形 (1) 最大整流电流I

(2) 反向击穿电压V BR 和最大反向工作电压V R (3) 反向电流I R

七、二极管的识别和间易检测方法

在实践中，常用万用表的电阻档来测量二极管的电阻以判断它的极性及其质量好坏。万用表的红笔(正端)接表内电池的负级，黑笔（负端）接表内电池的正极。

要注意的是，由于二极管正向特性曲线起始端的非线性，PN接的正向电阻是随外加电压的变化而变化的，所以同一二极管用R×100和R×1K档时测得的正向电阻读数是不一样的。

第三节三极管

学时：4学时

教学要求：

1了解三极管的结构、图形符号、型号类型、分类

2．理解三极管的放大作用和原理、特性曲线、主要参数

3．掌握三极管的识别和简单检测方法

教学内容

一、三极管的结构、符号和类型

二、三极管的电路放大作用

1、三极管的工作电压

要使三极管具有正常的电流放大作用，必须在其发射结上加正向偏置电压，在集电结上加反向偏置电压。

2、三极管内电流分配关系

3、三极管的电流放大作用

三、三极管的特性曲线

三极管的特性曲线是描述三极管各极的电压和电流变化关系的曲线，一些重要参数均可以从特性曲线上反映出来。

1、电流放大系数

2、极间反向电流

五、三极管的识别和简单的测试

作业教材P23 5、6、7

§课题一二、三极管检测实验

学时2学时

§第五节其他半导体器件

学时：2学时

教学要求：

1、了解稳压二极管、开关二极管、变容二极管、发光二极管的原理、图形符号、性能、应用等基本知识

教学内容

一、稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的二极管，它的正常工作区为PN结的反向击穿区，由于制作工艺上采取了特殊的措施，在一定的反向电流数值内不会损坏，其特点是反向电流在一定范围内变化时稳压管两端的电压几乎不变。

开关二极管和前述普通二极管的导电特性相同，即加正向偏置电压导通，正向电阻小；加反向偏置电压截止，反向电阻很大。二极管的这一特性在电路中可起到接通和关断的作用。

三、变容二极管

变容二极管具有显著的变容效应，当变容二极管加上反向电压时，其PN 结的结电容随着反向电压变化而变化。 四、发光二极管

发光二极管通常用砷化镓半导体等制成，它在通过正向电流时会发光，发光的颜色取决于所用的材料，可发出红、黄、绿及红外光等 作业 教材P69 7、8、9

第二章 放大和振荡电路 §2－1 低频电压放大电路

学时：2学时 教学要求：

1、了解放大器的概念

2、理解放大器的工作原理

3、掌握低频电压放大电路的组成 教学内容

本章侧重介绍公发射极基本放大电路，因为在电工技术中，工作频率一般属于低频范围，共发射极放大电路应用最为广泛，掌握它的 分析方法就可以为学习其他放大电路打下良好的基础。

一、共发射极基本放大电路

三极管处于放大状态时必须满足发射结正偏、集电结反偏的外部条件，对三极管放大电路来说也是如此。下面讨论如果放大电路中三极管的基极不加偏置电压，将会发生什么情况。

1、不设静态工作点的放大电路

当放大器的输入信号0 i u 时，三极管的基极回路和集电极回路中只有直流通过，放大器这时的状态称为静态。静态时的基极电流、集电极电流和集射极电压分别用BQ I 、CQ I 和CEQ U 表示。通常将静态时的基极电流BQ I 称为基极偏置电流，将CQ I 和CEQ U 的交点 Q 称为静态工作点。图2－1所示是一个不设静态工作点的电路，因为电路中基极未加偏置电压。

R 2

为了消除上述电路产生的严重失真，必须在放大器的静态时设置一个合适的静态工作点，即在三极管的基极回路中加一偏置电压，为基极提供一个合适的偏置电流BQ I 。

在给三极管加了一个合适的偏置电流BQ I 后，相应的就有一定大小的BEQ U 、CQ I 和

CEQ U ，使放大器具有合适的静态工作点。这时再来考虑有一个较小的正弦交流信号输入时的情况（称为放大电路的动态）。

由上面的分析可以看出，给放大器设置一个合适的工作点，即给三极管的基极加一个偏置电压，提高基极电压而避开“死区”，使三极管基本工作在输入特性曲线的直线段，使可避免输入信号在放大过程中产生失真。 二、共发射极放大电路的工作原理

(a)u i =0 静态工作情况 ；(b) u i =sin w t 动态工作情况

§2－2 共发射极放大电路的分析

学时：4学时 教学要求：

1．了解直流通路与交流通路的含义与画法 2．理解图解分析法

3．理解电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的意义，并会进行近似估算 4．掌握静态工作点的近似估算 教学内容

R R

1、直流通路

直流通路就是放大电路的直流等效电路，是在静态时放大电路的输入回路和输出回路的直流电流流通的路径。由于电容器对直流相当于断开，因此画直流通路时，把有电容器的支路断开，其他不变。 2、交流通路

交流通路就是放大电路的交流等效电路，是动态时放大电路的输入回路和输出回路的交流电流流通的路径。由于电容器对交流近似短路，因此画交流通路时，可将电容器简化成一直线。另外电源的内阻也很小，也可以视为对交流短路，因此画交流通路时，将电源也简化成一直线。 二、近似估算法

1、近似估算静态工作点

近似估算静态工作点时用直流通路，可得：

B

BEQ

CC BQ R U U I -=

从三极管的输入特性和实际测量可知道，三极管的U BEQ 很小，硅管约0.7V ，锗管约为0.3V ，与电源电压相比，U BEQ 可忽略，因此上式可写为：

B

CC

BQ R U I ≈

根据三极管的电流关系CEO B C I I I +=β,忽略穿透电流I CEO 时有：

BQ CQ I I β≈

从集电极回路来看：

C CQ CEQ CC R I U U ++= 经整理后可得：

C CQ CC CEQ R I U U -=

2、近似估算放大电路的输入电阻、输出电阻和电压放大倍数 输入电阻大小为：

i

i

i i u R =

输出电阻大小为： C ce o R r R //≈

三、图解分析法

用图解分析放大器的工作原理时，需要利用三极管的输入和输出特性曲线，以及放大器有关元器件的参数。先分析静态，然后再分析动态。 1、用图解法确定静态工作点的步骤：

（1）在i c 、u ce 平面坐标上作出晶体管的输出特性曲线。

（2）根据直流通路列出放大电路直流输出回路的电压方程式：U CE = V CC －I C ·R C （3）根据电压方程式，在输出特性曲线所在坐标平面上作直流负载线。因为两点可决定一条直

轴的截距，连接两点，便得到直流负载线。

（4）根据直流通路中的输入回路方程求出I BQ。

（5）找出I B= I BQ这一条输出特性曲线，该曲线与直流负载线的交点即为Q点（静态工作点），该Q点直观地反映了静态工作点（I BQ、I CQ、U CQ）的三个值。即为所求静态工作点的值。

2、动态时的图解分析（1）在放大电路静态分析的基础上，根据静态工作点的数值及相关公式，求出r be。

（2）画出放大电路的微变等效电路。

（3）根据微变等效电路及A u、r i、r o的定义式，分别求出A u、r i、r o。

§2－3 静态工作点的稳定

学时：4学时

教学要求：

1、了解静态工作点稳定的因素

2、理解常用的几种稳定工作点的偏置电路的工作原理

教学内容

一、温度对静态工作点的影响

(a)温度变化对I CBO的影响：温度T上升输出特性曲线上移。

(b)温度变化对输入特性曲线的影响温度T上升输入特性曲线左移。

(c)温度变化对b 的影响：温度T上升输出特性曲线族间距增大。

图2.3 分压式偏置放大电路

1、工作点稳定过程（1）由基极电阻R1、R2分压而得到固定的基极电位U B。

（2）利用发射极电阻R e的电流负反馈作用稳定静态工作点。

（1）画出放大电路的直流通路

（2）由直流通路列出输入回路和输出回路方程，代入方程，分别求出I BQ、I CQ、U CEQ。作业教材P69 11、12、13

§课题二低频小信号电压放大电路实验

学时4学时

§2－4 多级阻容耦合放大电路

学时：2学时

教学要求：

1了解多极放大电路的组成和要求

2 理解常用的极间耦合方式及其特点

3掌握多极放大电路放大倍数的计算

教学内容

图2.4 两级阻容耦合放大电路

（1）优点：因电容具有“隔直”作用，所以各级电路的静态工作点相互独立，互不影响。这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。此外，还具有体积小、重量轻等优点。

（2）缺点：因电容对交流信号具有一定的容抗，在信号传输过程中，会受到一定的衰减。尤其对于变化缓慢的信号容抗很大，不便于传输。此外，在集成电路中，制造大容量的电容很困难，所以这种耦合方式下的多级放大电路不便于集成

§2－5 放大电路中的负反馈

学时：4学时

教学要求：

1了解负反馈的四种基本方式

2理解反馈的基本概念和反馈放大电路的组成

3理解负反馈对放大电路的影响

教学内容

一、反馈的基本概念

图2.6 两种放大电路中的反馈

图2.7 电压并联负反馈 图 2.8电压串联负反馈

三、负反馈对放大电路性能的影响 1、负反馈使放大倍数降低

2、负反馈提高了放大倍数的稳定性

3、负反馈使非线性失真减小

(a) 无反馈 (b) 有负反馈

图2.9

负反馈减小非线性失真

作业 教材P69 14、15

§2－6 功率放大器

学时：2学时 教学要求：

1了解功率放大器的功能和特点

2理解甲类功率放大器、乙类推挽功率放大器、互补对称OTL 功放电路的原理及应用 教学内容

一、功率放大器的技术要求 1.要求输出足够大的功率

图2.10 放大器方框图

2.效率要高

3.非线性失真要小

4.要考虑功率管的散热和保护问题

5.在分析方法上，通常采用图解法 二、功率放大器的分类

1.甲类放大状态

2.甲乙类放大状态

3.乙类放大状态

图2.11 功放电路的三种工作状态

（a ）甲类放大 （b ）甲乙类放大 （c ）乙类放大

所谓“互补”是指利用NPN 型管和PNP 型管的导电极相反，让它们在电路中交替工作的一种方式。NPN 型管和PNP 型管的特性和参数相同。 2、单电源的互补对称功率放大电路 电路图如图2.15所示。

)

图2.12 采用一个电源的互补对称电路

§2－6 正弦波振荡器

学时：2学时 教学要求：

1、了解振荡的基本概念

2、理解振荡器的组成、振荡条件、起振过程

3、掌握典型正弦振荡电路的工作原理、振荡产生与否的判断方法。 教学内容

1、自激振荡的条件

n

F A f a u πφφ21

=+=?

? n=0,1,2

第一式称为震幅平衡条件，它表示由输出端反馈到输入端的电压幅值正好等于输入信号的电压幅值。第二式称为相位平衡条件，它表示由输出端反馈到输入端的电压相位必须和输入信号的相位相同，即电路必须具有正反馈。 2、LC 振荡器基本电路

图2.13 变压器反馈式振荡器

二、RC 振荡器

电容C 1、C 2分别与晶体管三个电极相接，通过电容C 2引入正反馈，电感L 并联在两个电容两端（射同基反）。电路振荡频率为2

12

1021C C C C L

f +≈

π，起振条件为L

be

R r C C '?>

12β。电路优点是输出电压波形好；缺点是调节频率不方便。为了稳定振荡频率，同时实现小范

围内频率可调，常对电路进行改进，如在电感支路串联一个小电容C ，此时振荡频率为

LC

f π210≈

。

三、石英晶体振荡器

石英晶体正弦波振荡电路，其等效电路及频率特性见图8.1.28，特点是电路有两个谐振频率，当等效电路中L 、C 、R 支路发生串联谐振时，谐振频率为

LC

f s π21=

；

当L.R.C 支路呈感性时，将与电容C 0发生并联谐振，谐振频率为

0121C C f C C CC L

f s p

+

=+=

π。 石英晶体振荡电路是特点是稳定度高，它们的振荡频率分别由石英晶体的并联、串联谐振频率决定。

石英晶体使用时要注意：①按规定要接一定的负载电容C L ，用来补偿晶片的频率误差，为了调整方便常用微调电容。②工作时要有合适的激励电平。

作业 教材P69 17、18

§课题三 正弦波振荡器实验（可选）

学时：2学时

第三章 集成运算放大器 §3－1 直接耦合放大电路

学时：2学时

为了保证直接耦合放大电路能正常工作，必须注意前后级间静态电位要有合理的配置，通常可采用以下措施。

1、用发射极电阻调节电位的直接耦合放大电路

2、用二极管调节电位的直接耦合放大电路

3、用稳压管调节电位的直接耦合放大电路

二、零点漂移问题

（1）零漂是指输出端缓慢的不规则的电压变化，在直接耦合放大电路中，第一级的零漂可直接加到第二级放大，级数越多，放大倍数越高，输出端的零漂越大，所以第一级的零漂影响最大。

（2）衡量一个放大电路的零漂，不能只看它的输出电压漂移了多少，还要看放大电路的放大倍数。

产生零漂的原因很多，如温度的变化、电源电压的波动、元器件参数的变化等，其中主要是三极管的参数随温度的变化而变化。因此，克服零漂、提高电压放大倍数是直接耦合放大电路的主要研究内容。

§3－2 差动放大电路

学时：4学时

直接耦合放大电路能够放大缓慢变化的信号和直流信号，但由此却带来零点漂移问题。所以，即要增加放大电路的放大倍数以提高灵敏度，又要有效的抑制零漂以提高分辨率，这是设计和制造高质量的直流放大电路要解决的主要问题。

一、基本差动放大电路的组成、抑制零漂的原理和放大作用

1、零点漂移现象及产生的原因

输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象称为零点漂移现象。由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因。

2、抑制零点（温度）漂移的方法

①在电路中引入直流负反馈；

②采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化；

③利用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分放大电路”。

电路组成如图3.1

图3.1 差动放大电路的组成

1、带调零电位器的长尾式差动放大电路

3、差分放大电路

差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。基本差动放大器由对称的两级基本共射放大电路和公共发射电阻R e 组成。输出信号从两管集电极之间取出，利用电路的对称，零漂在两管输出端也互相抵消。负电源V EE 的作用是补偿R e 上的直流压降，使电路静态时两管输入端电位为零，以使放大器有合适的静态工作点。 共模信号是指大小相等极性相同的输入信号，常将温漂折算为共模信号。

差模信号是指大小相等极性相反的输入信号，它是需要放大的有用信号。

①静态分析：对差分放大器的静态分析只分析一边放大器即可，R e 对差模信号可视为短路，没有反馈作用；R e 对共模信号折算到单一边放大器时，相当于每只管发射极接2R e 的发射极电阻。 ②动态分析：差分放大电路对共模信号的抑制作用，除了利用电路参数的对称性相互补偿抑制温漂外，R e 对共模信号有负反馈作用，起抑制零漂的作用，R e 越大，共模信号的放大倍数下降越多。

③差动放大电路参数（双端输入-双端输出时） （1）：差模电压放大倍数：当给差分放大电路输入一个差模信号V id 时，由于电路的对称性，经分压后，相当于分别给差分的两个管子加入±V id /2的信号，相当于每管带R L /2的

负载。。其差模电压放大倍数为： be

b L d r R R

A +-

=)

2(Re//β，它与单管电压放大倍数相同。 （2）共模电压放大倍数是描述电路对共模信号的抑制能力，理想对称时Ac=0。 （3）差分电路输入电阻R I =2（R b +r be ）。 （4）差分电路输出电阻R 0=2R c 。

（5）共模抑制比，它定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，理想情况下

c d CMR A A

K ==∞

三、差动放大电路的几种连接方法

差动放大电路有两个输入端和两个输出端，所以在信号的输入和输出方式上，可以根据不同情况加以选择。通常有下列四种连接方式：

1、双端输入、双端输出

2、双端输入、单端输出

3、单端输入、双端输出

4、单端输入、单端输出

作业教材P95 5、6、7

§3－3 集成运算放大器简介

学时：2学时

一、集成电路的工艺特点、分类和型号命名

1、集成电路中元器件的特点

（1）集成电路中的元件是用相同的工艺在同一块硅片上大批制造，因此元器件的性能比较一致，对称性好，适于作差动放大电路。

（2）集成电路中的电阻器用P型区的电路构成，阻值范围一般在几十欧～几十千欧之间，阻值太高和太低的电阻均不易制造，大电阻多采用外接方式。

（3）集成电路中的电容是用PN结的结电容，一般小于100pF，如必须用大电容时可以外接。利用集成电路工艺目前还不能制造电感器。

2、集成电路的分类

4、集成电路的型号命名和外形

三、集成运算放大器的分类、组成、型号和封装及代表符号

1、集成运放的分类

（1）低功耗或微功耗集成运算放大器：电源电压±15V时，功耗小于6mW或μW级。（2）高速集成运算放大器。

（3）宽带集成运算放大器：一般带宽应大于10MH Z。

（4）高精度集成运算放大器：特点是高增益、高共模抑制比、低偏流、低温漂、低噪声等。

（5）高电压集成运算放大器：正常输出电压U o大于±22V。

（6）功率型集成运算放大器。

（7）高输入阻抗集成运算放大器。

（8）电流型集成运算放大器。

（9）跨导型集成运算放大器。

（10）程控型集成运算放大器。

（11）低噪声型集成运算放大器。

（12）集成电压跟随器。

输出端

一种为塑料双列直插式封装。

集成运放的代表符号如图3.4a 所示。其中“

输的方向uo A 表示该放大器的开环电压放大倍数。图3.4ｂ表示过去曾用过的符号。

三、集成运放的主要技术指标 1、开环差模电压放大倍数 2、输入失调电压 3、输入失调电流 4、输入偏置电流

5、最大差模输入电压

6、最大共模输入电压

7、差模输入电阻

8、最大输出电压

§3－4 基本集成运算放大电路

学时：2学时

一、理想集成运算放大器的特性及分析方法 1、理想集成运算放大器的特性

（1） 开环电压放大倍数，只要它的输入端有电压输入信号，其输出端就会输出所能

输出的最大信号。

（2） 差模输入电阻，无论器件上加多大的电压信号，真正的输入电流都近似于零，

也就是说，几乎不向信号源汲取能量。

（3） 开环输出电阻，不带反馈时的输出电阻近似为零，带负载的能力非常强。 （4） 共模抑制比，对差模信号有放大作用，对共模信号几乎能全部抑制。 （5） 没有失调现象，当输入信号为零时，输出信号也为零。 2、理想集成运放分析方法

由理想运放的性能指标可推出两条重要结论：

（1） 流入运放同相、反相输入端电流为0，称为“虚断路”； （2） 反相输入端与同相输入端电位相等，称为“虚短路”。

二、基本的比例运算放大电路

1、反相比例运算电路，见图3.5。

－

＋ ＋

u

A u ＋

－

u u u

电路特点是输入信号从运放反相端输入，通过跨接在集成运放输出端和反相输入端的电阻R f 引入电压并联负反馈。集成运放的两个输入端电位均为0，但它们没有真正接地，故称为“虚地”，虚地的存在的反相放大器在闭环工作状态下的重要特性。

由“虚短”和“虚断”概念可导出反相比例运算电路输出电压与输入电压关系为

I f u R R u -

=0，

可见输出电压与输入电压成比例关系。 2、同相比例运算电路，见图3.6。

电路特点是输入信号从运放同相端输入，通过跨接在集成运放输出端和反相输入端的电阻R f 引入电压串联负反馈。由“虚短”和“虚断”概念可导出反相比例运算电路输出电压与输入电压关系为

I f u R R u )1(0+

=。

§3－5 集成运放的应用

学时：2学时

随着集成电路工艺的不断完善和发展，集成运放的各项技术指标也不断提高，适应各种特殊要求的电路日益增多。集成运放的应用有两个方面，即线性应用和非线性应用。

在线性应用中，集成运放工作在深度负反馈状态，或以负反馈为主兼有正反馈的状态。它的输出量与输入量呈线性关系。集成运放的线性应用有信号运算、信号变换和正弦波发生器等多种电路。

在非线性应用中，集成运放主要工作在开环状态，它的输出量与输入量呈非线性关系。集成运放的非线性应用有电压比较器和非正弦波发生器等电路。 一、集成运放的线性应用 1、信号运算电路 （1）加法运算电路

将多个输入信号同时作用于集成运放的反相输入端，就构成了加法运算电路，见图3.7。 （2）减法运算电路

将多个输入信号同时作用于集成运放的同相输入端，就构成了减法运算电路，见图3.8。