模拟电路 第一章

为什么有孔？ 大功率管
多子浓度高
多子浓度很 低，且很薄
面积大
晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
二、晶体管的放大原理
三极管能具有放大作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。
C
C
B
T
E
对于NPN型三极管应满足:
UBE > 0 UBC < 0
即 VC > VB > VE
B
T
E
对于PNP型三极管应满足:
电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次
是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降
的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而
起到稳压作用。
符号
稳压二极管的应用举例
i
iL
稳压管的技术参数:
Uz 10V, Izmax 20mA,
ui
Izmin 5mA RL 2k
R
DZ
iZRL uo
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高，rd越小。 静态电流
四、二极管的主要参数
(1) 最大整流电流 IFM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平 均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决 定。
(2) 最大反向工作电压URM
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增， 二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手 册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。
i
I
zm in
U ZW RL
10mA
0.8ui iR U zW 10R 10
——方程2
联立方程1、2，可解得： ui 18.75V, R 0.5k
2. 发光二极管
当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与 空穴复合过程以光的形式放出能量。
不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的 光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低 （1.5～3V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长 等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号 指示、数字和字符显示。
反向饱和电流 1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出：
1. 单向导电性
正向特性为 指数曲线
u
i IS(eUT 1)
u
若正向电压u UT，则i ISeUT
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响 反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。
例： =50， USC =12V，
RB =70k， RC =6k 当USB = -2V时，晶体管的 静态工作点Q位于哪个区？
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
三、晶体管的共射输入特性和输出特性
1. 输入特性
iB f (uBE ) UCE
为什么像PN结的伏安特性？
为什么UCE增大曲线右移？
为什么UCE增大到一定值曲线右 移就不明显了？
对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线 可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。
2. 输出特性
iC f (uCE ) IB
对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。
饱和区
iC
放大区
为什么uCE较小时iC随uCE变 化很大？为什么进入放大状态
曲线几乎是横轴的平行线？
iB
iC iB
UCE 常量
截止区
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
N
VCC
电子在基区 扩散与复合
P
发射区向基区
N 扩散电子
RC
电源负极向发射 区补充电子形成
发射极电流IE
电流分配关系
发射极开路时集电结的 反向饱和电流
电流分配关系
共发射极电流放大系数， 一般几十到几百
基极开路时集电极发射极穿透电流
IB的变化控制了IC的变化，体现了三极管的电流控制能力。
iB B
漂移运动
因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
PN 结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加
剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，
有利于漂移运动，形成漂移电 流。由于电流很小，故可近似 认为其截止。
USB =2V时：
IC
IB B RB UBE
USB
C
RC
UCE E
USC
IB
U SB U BE RB
2 0.7 70
0.019mA
IC IB 50 0.019mA 0.95mA
IC< ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。
例： =50， USC =12V，
RB =70k， RC =6k 当USB = 5V时，晶体管的 静态工作点Q位于哪个？
IC
IB B RB UBE
C
RC
UCE E
USC
USB
USB =5V时:
IB
U SB U BE RB
频率高。
频率低。
流大。
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u)
u
i IS(eUT 1) (常温下UT 26mV)
击穿 电压
温度的 电压当量
材料 硅Si 锗Ge
开启电压 0.5V 0.1V
导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 开启 和电流 电压
斜率？
进入稳压区的最小电流
（2）主要参数
不至于损坏的最大电流
稳定电压UZ、稳定电流IZ
最大功耗PZM＝ IZM UZ
动态电阻rz＝ΔUZ /ΔIZ
若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会
因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电
流的限流电阻！
总结：
稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。
C
C
iC
iB
iC
T
B
T
iE
E
E
iE
iC iB
iE iB iC
综上所述，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导 电，故称为双极型三极管。三极管的放大作用，主要是依靠它的 发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。
实现这一传输过程的两个条件是：
（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度， 且基区很薄，集电极面积大，易于收集电子。
当USB =-2V时： IB=0 ， IC=0 Q位于截止区
IC
IB B RB UBE
USB
C
RC
UCE E
USC
IC最大饱和电流：
ICm ax
U SC RC
12 6
2mA
例： =50， USC =12V，
RB =70k， RC =6k 当USB = 2V时，晶体管的静 态工作点Q位于哪个区？
基区空穴 的扩散
因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电 流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
管内载流子的运动
ICN
VBB正极拉走电
子，或补充被复 合的空穴，形
ICBO
成 IBＮ
C
RB VBB
IBN B
E
IE
电子流向电源正极形成 ICＮ
集电区收集电子
要求当输入电压由正常值发生20%波动时，
负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
解：令输入电压达到上
i
iL
限时，流过稳压管
R
的电流为Izmax 。
ui
DZ
iZRL uo
i
ห้องสมุดไป่ตู้
I
zm a x
UZ RL
25mA
1.2ui iR U zW 25R 10 ——方程1
令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。
为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳 上设有一个小的通光窗口。
阳极
阴极
4. 变容二极管
§4 晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数 六、晶体管的小信号模型
一、晶体管的结构和符号
小功率管
中功率管
(3) 反向电流IR
指二极管加反向最大工作电压时的反向电流。反向电流大， 说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向 电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅二极管的 反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。
(4) 正向压降UD(on)
在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅 二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗 二极管约0.2～0.3V。
讨论：解决两个问题
如何判断二极管的工作状态？
什么情况下应选用二极管的什么等效电路？
对V和Ui二极管的模 型有什么不同？
iD
V
uD R
V与uD可比，则需图解： ID 实测特性
Q
uD=V－iR
UD
五、特殊二极管
限流电阻
1. 稳压二极管 （1）伏安特性
由一个PN结组成， 反向击穿后在一定 的电流范围内端电 压基本不变，为稳 定电压。
二、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高
于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内 电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
一、二极管的组成
点接触型：结面积小， 面接触型：结面积大， 平面型：结面积可小、
结电容小，故结允许 结电容大，故结允许 可大，小的工作频率
的电流小，最高工作 的电流大，最高工作 高，大的结允许的电
阳极
阴极 LED
(a)
LED E
R (b)
3. 光电二极管
光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰 好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN 结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴 对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反 向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与 光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的 电压为反向电压。
三、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
• 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制 成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂， 改善导电性能？
• 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还 是少子是影响温度稳定性的主要因素？
• 为什么半导体器件有最高工作频率？
§3 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、特殊二极管
结电容： Cj Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度， 则失去单向导电性！
四、PN 结的反向击穿
当PN结的反向电
iD
压增加到一定数值时，
反向电流突然快速增加，
此现象称为PN结的反
VBR
向击穿。
O
D
热击穿——不可逆
电击穿
雪崩击穿 齐纳击穿
——可逆
VBR表示反向击穿电压。
问题
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
1. 将伏安特性折线化
理想 二极管
导通时△i与△u 成线性关系
理想开关
导通时 UD＝0 截止时IS＝0
近似分析 中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
应根据不同情况选择不同的等效电路！
100V？5V？1V？
？
2. 微变等效电路
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
(5) 最高工作频率fM
fM由PN结的结电容大小决定，二极管的工作频率超过fM 时，单向导电性变差。
(6) 温飘
温度对二极管的性能 有较大的影响，温度升高 时，反向电流将呈指数规 律增加，如硅二极管温度 每增加8℃，反向电流将 约增加一倍；锗二极管温 度每增加12℃，反向电流 大约增加一倍。
另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小， 每增加1℃，正向压降UD(on）大约减小2mV，即具有负 的温度系数。
UEB > 0 UCB < 0 即 VC < VB < VE
以NPN管为例
放大的条件uBE uCB
Uo（n 发射结正偏） 0，即uCE uB（E 集电结反偏）
少数载流 子的运动
因集电区面积大，在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区
因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合