硬件电路设计基础知识

硬件电子电路基础

第一章半导体器件

§１-1 半导体基础知识

一、什么就是半导体

半导体就就是导电能力介于导体与绝缘体之间得物质。(导电能力即电导率) (如:硅Sｉ锗Ｇｅ等+4价元素以及化合物)

二、半导体得导电特性

本征半导体――纯净、晶体结构完整得半导体称为本征半导体。

硅与锗得共价键结构。(略)

1、半导体得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

2、半导体中得两种载流子──自由电子与空穴

?自由电子──受束缚得电子(-)

?空穴──电子跳走以后留下得坑(+)

三、杂质半导体──N型、Ｐ型

(前讲)掺杂可以显著地改变半导体得导电特性,从而制造出杂质半导体。

?N型半导体(自由电子多)

掺杂为+5价元素。如:磷;砷Ｐ──+5价使自由电子大大增加原理:Sｉ──+４价P与Si形成共价键后多余了一个电子。

载流子组成:

o本征激发得空穴与自由电子──数量少。

o掺杂后由P提供得自由电子──数量多。

o空穴──少子

o自由电子──多子

?P型半导体(空穴多)

掺杂为+３价元素。如:硼;铝使空穴大大增加

原理：Si──＋4价B与Ｓi形成共价键后多余了一个空穴。

B──＋3价

载流子组成:

o本征激发得空穴与自由电子──数量少。

o掺杂后由B提供得空穴──数量多。

o空穴──多子

o自由电子──少子

结论:N型半导体中得多数载流子为自由电子;

P型半导体中得多数载流子为空穴。

§1-2 PN结

一、PＮ结得基本原理

１、什么就是PN结

将一块P型半导体与一块N型半导体紧密第结合在一起时,交界面两侧得那部分区域。

2、PN结得结构

分界面上得情况：

P区:空穴多

N区：自由电子多

扩散运动：

多得往少得那去，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:N--> P

大小:与材料与温度有关。(很小,约零点几伏)

漂移运动:

由于内建电场得吸引，个别少数载流子受电场力得作用与多子运动方向相反作运动。

结论:在没有外加电压得情况下,扩散电流与漂移电流得大小相等,方向相反。总电流为零。

二、PN结得单向导电特性

1、外加正向电压时:(正偏)

结论:

势垒高度↓PN结宽度（耗尽区宽度)↓扩散电流↑

2、外加反向电压时: (反偏）

结论:

势垒高度↑ＰN结宽度(耗尽区宽度)↑扩散电流（趋近于0)↓

此时总电流=反向饱与电流（漂移电流):I5

注：反向饱与电流I5只与温度有关,与外加电压无关。

【ＰN结得反向击穿】:

?齐纳击穿:势垒区窄,较高得反向电压形成得内建电场将价电子拉出共价键,导致反向电流剧增。＜4V

?雪崩击穿:势垒区宽,载流子穿过PN结时间长，速度高，将价电子从共价键中撞出来,撞出来得电子再去撞别得价电子，导致反向电流剧增。>7V

当反向电压在4Ｖ与7V之间得时候，两种击穿均有。

【ＰN结得电容效应】：

?势垒电容:外加电压变化引起势垒区宽窄得变化引起。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PN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,将破坏半导体得电中性。为了维持电中性,将会有相同数量得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。

PＮ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=０,以势垒电容为主。

正偏:扩散电流很大,以扩散电容为主。

§1-３二极管

一、构成与符号

二、伏安特性曲线

1、正向特性:

正向电压较小时，正向电流几乎为0──死区。

当正向电压超过某一门限电压时,二极管导通，电流随电压得增加成指数率得关系迅速增大。

门限电压(导通电压)──ＵD：硅管──０、５－0、7V

锗管──0、1－０、2V

２.反向特性：

当外加电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。

当外加电压大于反向击穿电压U B时,反向电流随电压急剧增大(击穿)。

3.伏安特性解析式

在理想条件下,ＰN结得伏安（电流与结电压)关系式:──呈指数关系

式中: q──电子电荷量

K──波尔兹曼常数

T──绝对温度０K(-２7３Ｃ）

令: （室温下UＴ＝26mV )

伏安关系式简化为:

当电压超过1０0mV时，公式可以简化为:

加正向电压时:

加反向电压时: Ｉ= -ＩS

4.二极管得等效电阻

从二极管得伏安特性曲线上可以瞧出:二极管就是非线性元件，等效电阻得大小与Q点有关。

?直流电阻(静态电阻)──

?交流电阻──

例:用万用表测电阻与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:

1.整流:略

2．稳压:稳压管稳压电路。P22 Ｆiｇ1-3-1６

３. 限幅器:二极管限幅器。P２4-26 串联、并联、双向。

例:P52 １-２

§1-4 晶体三极管

一、结构及符号

?b区极薄

?C结面积> e结

?e区搀杂浓度最大,b区搀杂浓度最低。

（不能将两个二极管兑成一个三极管来用)

二、晶体管得四种工作状态

状态发射结电压集电结电压

放大正反

截止反反

饱与正正

倒置反正

三、放大状态下晶体管中得电流

注:交流有效值──大写小写；交流值──小写小写；

瞬时值──小写大写;静态值──大写大写;

*注意：实际电流得流向就是与电子流得方向相反得。

用很少量得I B来控制I C 。即三极管实际上就是一个电流控制电流源-CCCS。

三个电极电流满足：I E=I B+I C

工作在放大状态下得ＮPN管一定为:I B、ＩC流入,I E流出。

工作在放大区得条件:NPN──UＣ> U B＞ＵE；

ＰＮP──U C< U B＜ＵE；

发射结正偏,集电结反偏。

例:集成电路中没有三极管,就是用三极管得一个结来代替,用哪个结？e结。（C结漏电流大)四、晶体管工作得三种组态

【共射】对电压、电流都有放大倍数。

【共基】无电流放大倍数，有电压放大倍数。

(I C ≈ＩE）

【共集】无电压放大倍数,有电流放大倍数。

（ＵＢE≈7、0V ）

五、晶体三极管特性曲线

共射组态放大电路得特性曲线：

?输入特性曲线(IＢ－-ＵＢE)U CE

Ｕ

为一个正偏得PN结，所以特性曲线与二极管得正向特性曲线相同。

ＢE

有:

?输出特性曲线(I C--ＵCＥ)I B

因为三极管有三个电极,要想在二维坐标系上表示出三个变量之间得关系。特性曲线就得就是一族。

有:

特点:

截止区：i B= 0;ｉC = 0 ; UＣE = ＵCＣ;

放大区：i C受i B控制。

各条曲线近似水平,i C与U CE得变化基本无关，呈近似恒流特性。

饱与区:i C不受i B控制。U CE＝0、３Ｖ

六、晶体三极管得主要参数

1、电流放大系数

?直流电流放大系数

?交流短路电流放大系数

?共基极接法电流放大系数

;;

２、极限参数

?集电极最大允许电流I:β下降至正常值时候得0、７0７倍所对应得ＩC值。

?反向击穿电压BＵCＥO:当基极开路时集电极与发射极之间得反向击穿电压。

?集电极最大允许功耗ＰＣM。

3、三极管得输入电阻

?共射电路得输入电阻:

BE结电阻:

?共基极输入电阻：

§1-5 场效应管

场效应管得特点：

?场效应管只靠多子来导电。它就是单极型晶体管。它只依靠一种载流子导电。

?三极管就是靠多子、少子一起来导电得,又叫双极型晶体管。它靠两种载流子导电。

?场效应管得导电途径:沟道──利用外加电场改变半导体体电阻来进行工作。(电场效应来工作。)

?输入阻抗十分高。

场效应管分类:结型场效应管、绝缘栅型场效应管。

一、结型场效应管

1.结构：

N区为载流子得主要通道──N沟道。

２、符号:

N沟道P沟道

3、工作原理:

靠ＵＤＧ与U SG使两个PN结全部反偏,使耗尽层加宽。依靠反偏电压得强弱来控制耗尽层得宽窄,(即改变半导体得体电阻)达到控制电流得作用。VCCS

并且应有U D > U S,才能收集电子。漏极D与源极S,可以互换着使用。

要求栅极Ｇ一定要反偏。工作在放大状态时要求有:

4、输入特性:

栅极电流就就是PN结得反向饱与电流。它几乎不随电压变化。

5、输出特性曲线:──以U GS为参变量,描述I D与U DＳ之间得关系。

二、绝缘栅型场效应管

1、结构:(以N沟道为例)

２、符号:

场效应管特性比较P４７Ｔａｂ1－2

3、原理:

?增强型:原始没有导电沟道,靠外加电压后形成反型层导电沟道。

要求必须给栅极G加正向偏压。

有:ＵD > UＧ＞UＳ

?耗尽型:原来已经有导电沟道存在(掺杂造成得),靠外加电压使沟道中得载流子耗尽。所加栅极电压可正、可负。

正：同增强型;

负:同结型;

第二章

§２－1晶体三极管基本放大电路

一、放大器得组成

1、放大电路得功能与主要研究问题

?什么就是放大器:输出信号能量>输入信号能量得器件。(增大得能量就是由电源提供得。)?放大器得要求:1、能放大;2、不失真;

?主要问题：产生失真得条件与如何减小失真;

?主要指标就是放大倍数:

2、三种基本放大电路(三种组态）

三种组态:共射;共基;共集;

要实现放大作用:必须满足发射结正偏,集电结反偏。(NPN，PNP都就是这样),即:NPN──U C ＞ＵB > U E;

PNP──UＣ< U B < ＵE;

3、基本共射放大电路

一般R

B ＞> R

;R B几百Ｋ，ＲＣ几K

二、放大级得图解分析

放大级得图解分析法就是利用晶体管得特性曲线通过作图得方法来分析放大电路得基本性能。

图解分析法得特点就是──直观。

图解分析法得步骤就是:1、先分析无输入信号时得静态特性。

2、再分析有信号输入时得动态特性。

(一)、静态特性

１、任务:求解静态工作点Ｑ。(管子各极电流与各电极之间得电压)

2、静态工作点Q得定义:未加交流信号得情况下，在固定直流偏压作用下,

I BＱ、I CQ、U BＥQ、U CEQ也为一个固定得值。

它们在曲线上对应着一个固定得点──Ｑ点。

3、在给定电路中求解静态工作点Q （以共射电路为例)。

*解释:由于晶体管为非线性元件，它得输出伏安关系符合它得输出特性曲线。而晶体管所带得负载就是电阻,它就是线性元件。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与电流关系得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得非线性特性曲线,又要满足负载电阻得直线,结论就是只能将这两种线画在同一个坐标系中，从中取它们得交点。这个交点──Q点。

图解法可以直观地反映出Q点改变对放大作用得影响。

求解静态工作点得步骤:

?列输入方程,求出I BQ:

其中U BＥ=０、６Ｖ

?列输出方程,在I C──U CＥ图中画出直流负载线。

?U CE =ＵCC - I C R C

?根据公式: 分别取当IC=０时:UＣＥ＝UCC;

o U CＥ＝0时:I C=UＣC / R C；

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IＢQ

U CEQ

、

(二)、动态特性分析

动态特性──(在静态特性求解完成得基础上分析)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、电流得变化情况。

?当外加了交流电压或电流信号时,由于管子与负载也还就是要同时满足它们各自得伏安关系曲线，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,输出得信号为直流与交流得叠加。

1、作交流负载线

画出输出回路得交流通路。由于交流负载得改变,使得交流负载线为一条通过静态工作点Q但就是斜率改变为得直线。

2、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得影响。

?负载一定时：从图中可以瞧出：共射电路有倒像。

从上图分析可知：Ｑ1点合适无失真

Q２点太高饱与失真

Q3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)

?ＵCC一定时，R C越小,负载线越陡。

当R C过大时，会造成饱与失真。

结论:放大器工作无失真条件为:1、Q点选择合适；

２、输入信号幅度不能过大;

３、负载大小要合适;

三、放大级得等效电路分析法

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,定量得计算

等效:对外不对内。(对晶体管得外部交流电压、电流等效)

?当加到发射结上得交流信号电压足够小时;

?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得电流控制电流源(CCCＳ）。并可以把它代换成为一个线性有源四端网络。

（一)、晶体管h参数等效电路

注意:其中受控源得极性要根据U bｅ得方向来确定。

输出交流短路时得输入电阻;

;

输出交流短路时得电流放大系数β;

输出交流开路时得输出电导,很小，可忽略。

(它说明输出电压对输出电流得影响。）

(二)、用ｈ参数等效电路分析放大器

共射极放大电路需要计算:A──放大器得放大倍数

AS──源电压放大倍数

分析步骤:

?画出放大电路得交流通路。(电容短路，直流电源接地)

?画h参数等效短路图。（将晶体管ｈ参数等效电路去替代交流通路中得晶体管。将等效电路得e、ｂ、c相应地接在电路中得e、b、ｃ上。

?计算Ａ

其中:;；

(负号表示,输入与输出信号之间有倒相）

?计算ＡS

应用戴维南等效电源定理可以将等效电路得左半部分进行化简：

化简后得图为：

;;;

如果满足R b>>R s得条件,则有R s’=R s ／/ R b R s,上式可以化简为:

?放大器得输入电阻Rｉ

?放大器得输出电阻Ro

(三)、放大倍数得对数表示法

?采用对数表示得原因

人得感官,对声音与光线得强弱得感觉与它们功率得对数成正比。即:

声音功率增强一倍,人没觉得强烈了那么多。只有当功率得对数值增强了一倍时，人们才觉得强了一倍。

?分贝（贝尔)

贝尔──取功率放大倍数以1０为底得对数值。

贝尔

1贝尔=10分贝（ｄB)

又因为:功率与电压/ 电流得平方成正比。

有: dＢ

例：功率放大10倍lg10=10dB

电压放大10倍2lg１０=２０ｄB

功率增大１倍1０ｌg2=3ｄB

电压增大１倍2lg2=6dB

(四）、共基极放大级得特点

电路图略。

?结论:

电路有电压放大倍数：大小与共射电路相同;

方向与共射电路相反;

即:输入信号与输出信号同相。

无电流放大倍数ＩC IE 。

五、多级放大级

?耦合方式:直接耦合、阻容耦合、变压器耦合

?多级放大器得放大倍数：

总放大倍数(增益)=各级放大器放大倍数(增益)得乘积

总放大倍数(分贝)＝各级放大器放大倍数(分贝）得与

§2-2 反馈放大器得基本概念

一、什么就是反馈

反馈──把放大器输出信号（电压或电流）得一部分（或全部)送回输入端。

净输入信号Xｉ’=原外加信号Ｘi＋反馈信号ＸＦ

显然:正反馈使放大倍数增加;

负反馈使放大倍数下降；

负反馈在放大器中得作用:

交流:稳定放大量；减小非线性失真;扩展同频带；

直流:稳定静态工作点Q;

二、单级反馈电路

（ａ) 无反馈(b) ＲE:串联－电流－负反馈

(c)RＦ:并联-电压－负反馈

首先判断电路有无反馈存在。(a) 无、(b)（c) 有。

图（b）步骤：

1、先判断有无反馈：有;反馈支路R F;

2、实际分析:

3、再判断反馈类别:用瞬时极性法标注ｂ(＋)；e(+)；

输入信号与反馈信号加在管子不同电极,并且符号相同。

负反馈速判断反馈正、负性质得方法──瞬时极性法

步骤：

1、假定输入信号得瞬时极性,逐步标出放大器各级输入与输出电压得极性

2、将反馈电压得瞬时极性与输入电压得瞬时极性相比较。

判断:

?两个信号加到同一电极上，极性相反──负反馈;

极性相同──正反馈;

?两个信号加到不同电极上,极性相同──负反馈；

极性相反──正反馈;