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模拟电子技术基础(第4版).pdf

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模拟 电子技术 基础
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华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 模拟电子技术基础 模拟电子技术基础 清华大学 华成英华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 绪论 一、电子技术的发展 二、模拟信号与模拟电路 三、电子信息系统的组成 四、模拟电子技术基础课的特点 五、如何学习这门课程 六、课程的目的 七、考查方法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、电子技术的发展电子技术的发展,推动计算机技术的发展,使之“无孔不入”,应用广泛! ?广播通信:发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机 ?网络:路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器 ?工业:钢铁、石油化工、机加工、数控机床 ?交通:飞机、火车、轮船、汽车 ?军事:雷达、电子导航 ?航空航天:卫星定位、监测 ?医学: γ刀、CT、B超、微创手术 ?消费类电子:家电(空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表)、电子玩具、各类报警器、保安系统华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管→半导体管→集成电路 1904 年 电子管问世 1947 年 晶体管诞生 1958 年集成电路研制成功 电子管、晶体管、集成电路比较华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 半导体元器件的发展 ? 1947年贝 尔实验室制成第一只晶体管 ? 1958年集 成电路 ? 1969年大 规模集成电路 ? 1975年超 大规模集成电路 第一片集成电路只有4 个晶体管,而1997年一片集成电路中有40 亿个晶体管。有科学家预测,集成度还将按10 倍/6 年的速度增长,到2015 或2020年达到饱和。 学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展!华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第一只晶体管的发明者 (by ?John ?Bardeen , William Schockleyand Walter ? Brattain ?in Bell Lab ) 第一个集成电路及其发明者 ( Jack Kilby from TI ) 1958年9 月12日,在德州仪器公司的实验室里,实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42 年以后, 2000 年获诺贝尔物理学奖。 “ 为现代信息技术奠定了基础” 。 他们在1947年11 月底发明了晶体管,并在12 月16 日正式宣布“ 晶体管” 诞生。1956 年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972 ?年第二次获得诺贝尔物理学奖。 值得纪念的几位科学家!华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、模拟信号与模拟电路 1. 电子电路中信号的分类 ? 数字信号:离散性 ? ? 模拟信号:连续性。大多数物理量为模拟信号。 2. 模拟电路 ? 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。 ?最基本的处理是对信号的放大,有功能和性能各异的放大电路。 ? 其它模拟电路多以放大电路为基础。 “1” 的电压当量 “1” 的倍数 介于K与K+1 之间时需根据阈值确定为K或K+1 任何瞬间的任何值均是有意义的华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、电子信息系统的组成 模拟电子电路 数字电子电路(系统) 传感器接收器 隔离、滤波、放大 运算、转换、比较 功放 模拟-数字混合电子电路 模拟电子系统 执行机构华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、模拟电子技术基础课的特点 1 、工程性 ? 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。 ? 实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。定量分析为“ 估算” 。 ? 近似分析要“ 合理” 。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。 ? 电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。 2. 实践性 ? 常用电子仪器的使用方法 ? 电子电路的测试方法 ? 故障的判断与排除方法 ? EDA 软件的应用方法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、如何学习这门课程 1. ?掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 ?基本概念:概念是不变的,应用是灵活的,“万变不离其宗” 。 ?基本电路:构成的原则是不变的,具体电路是多种多样的。 ?基本分析方法:不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法,因而有不同的分析方法。 2. 注意定性分析和近似分析的重要性 3. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 ? 根据需求,最适用的电路才是最好的电路。 ? 要研究利弊关系,通常“ 有一利必有一弊” 。 4. ?注意电路中常用定理在电子电路中的应用华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 六、课程的目的 1. ?掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。 2. ?具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力,以及将所学知识用于本专业的能力。 本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习,使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能,为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。 注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识,学习科学的思维方法。提倡快乐学习!清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 七、考查方法 1. ?会看:读图,定性分析 2. ?会算:定量计算 ? 考查分析问题的能力 3. ?会选:电路形式、器件、参数 4. ?会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA 考查解决问题的能力--设计能力 考查解决问题的能力--实践能力 综合应用所学知识的能力华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第一章 半导体二极管和三极管华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第一章 半导体二极管和三极管 §1.1 ?半导体基础知识 §1.2 ?半导体二极管 §1.3 ?晶体三极管华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §1 ?半导体基础知识 一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 1、什么是半导体?什么是本征半导体? 导体--铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。 绝缘体--惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体--硅(Si )、锗(Ge ),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 无杂质 稳定的结构华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2、本征半导体的结构 由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。 共价键 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。 动态平衡华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 两种载流子 外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体? 3、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K 时不导电。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、杂质半导体1. ?N型半导体 5 ? 磷(P) 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2.P型半导体 3 ? 硼(B) 多数载流子 P 型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强, 在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、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。 扩散运动 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。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn PN 结的形成 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。 漂移运动 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。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 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。 PN 结的单向导电性 必要吗?清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、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C b 。 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C d 。 d b j C C C ? ? 结电容: 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!华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 问题 ? 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?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2 ?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、稳压二极管华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 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 二极管华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、二极管的组成 点接触型:结面积小,结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。 面接触型:结面积大,结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。 平面型:结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、二极管的伏安特性及电流方程 材料 开启电压 导通电压 反向饱和电流 硅Si 0.5V 0.5~0.8V 1μA以下 锗Ge 0.1V 0.1~0.3V 几十μA ) (u f i ? 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 mV) 26 ( ? ? ) 1 e ( T S T ? ? ? U I i U u 常温下 温度的 电压当量 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 利用Multisim测试二极管伏安特性华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 从二极管的伏安特性可以反映出:1. ?单向导电性 T e S T U u I i U u ? ?? ,则 若正向电压 ) 1 e ( T S ? ? U u I i 2. 伏安特性受温度影响 T (℃)↑→在电流不变情况下管压降u ↓ →反向饱和电流I S ↑,U (BR) ?↓ T (℃)↑→正向特性左移,反向特性下移 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 增大1 倍/10 ℃ S T I i U u ? ? ?? ,则 若反向电压华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、二极管的等效电路 理想 二极管 近似分析中最常用 理想开关 导通时 U D ?=0 ?截止时I S ?=0 导通时U D ?=U on 截止时I S ?=0 导通时△i 与△u ?成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路! 1. 将伏安特性折线化 ? 100V?5V?1V?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 微变等效电路 D T D D d I U i u r ? ? ? ? 根据电流方程, Q越高,r d 越小。 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。 u i ?=0时直流电源作用 小信号作用 静态电流华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、二极管的主要参数 ? 最大整流电流I F :最大平均值 ? 最大反向工作电压U R :最大瞬时值 ? 反向电流 I R :即I S ? 最高工作频率f M :因PN 结有电容效应 第四版——P20华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 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? u D ?=V -iR Q I D U D R u V i D D ? ? V与u D 可比,则需图解: 实测特性 对V和U i 二极管的模型有什么不同?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、稳压二极管 1. ?伏安特性 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 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。 2. ?主要参数 稳定电压U Z 、稳定电流I Z 最大功耗P ZM = I ZM ?U Z 动态电阻r z =ΔU Z ?/ ΔI Z 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! 限流电阻 斜率?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §1.3 ? ?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、主要参数华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、晶体管的结构和符号 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。 小功率管 中功率管 大功率管 为什么有孔?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、晶体管的放大原理 ? ? ? ? ? ? (集电结反偏) ,即 (发射结正偏) 放大的条件 BE CE CB on BE 0 u u u U u 扩散运动形成发射极电流I E ,复合运动形成基极电流I B ,漂移运动形成集电极电流I C 。 少数载流子的运动 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 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 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 基区空穴的扩散华成英 hchya@tsinghua.edu.cn ? 电流分配:I E= I B+ I C I E-扩散运动形成的电流 I B-复合运动形成的电流 I C-漂移运动形成的电流 CBO CEO B C B C ) (1I I i i I I ? ? ? ? ? ? ? ? ? 穿透电流 集电结反向电流 直流电流放大系数 交流电流放大系数 为什么基极开路集电极回路会有穿透电流?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 CE ) ( BE B U u f i ? 为什么U CE 增大曲线右移? 对于小功率晶体管,U CE 大于1V 的一条输入特性曲线可以取代U CE 大于1V 的所有输入特性曲线。 为什么像PN 结的伏安特性? 为什么U CE 增大到一定值曲线右移就不明显了? 1. ?输入特性华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 输出特性 B ) ( CE C I u f i ? β是常数吗?什么是理想晶体管?什么情况下? ? ? ? 对应于一个I B 就有一条i C 随u CE 变化的曲线。 为什么u CE ?较小时i C ?随u CE ?变化很大?为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线? 饱和区 放大区 截止区 B i ? C i ? 常量 ? ? ? ? CE B C U i i ?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 i C 几乎仅仅决定于输入回路的电流 i B ,即可将输出回路等效为电流 i B ?控制的电流源i C ?。 状态 u BE i C u CE 截止 <U on I CEO V CC 放大 ≥ U on βi B ≥ u BE 饱和 ≥ U on <βi B ≤ u BE华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、温度对晶体管特性的影响 ? ? ? ? ? ? ?? BE B B BE CEO) ( u i i u I T 不变时 ,即 不变时 ℃ ?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、主要参数 ? ? ? 直流参数:、、 I CBO 、I CEO c-e 间击穿电压 最大集电极电流 最大集电极耗散功率,P CM =i C ?u CE 安全工作区 ? 交流参数: β 、 α、f T (使 β =1 的信号频率) ? 极限参数 :I CM 、P CM 、U (BR)CEO E C I I ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 E C i i清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 由图示特性求出P CM 、I CM 、U ?(BR )CEO ?、β。 CE C CM u i P ? 2.7 CE B C U i i ? ? ? ? u CE ?=1V 时的i C 就是I CM U (BR )CEO华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:利用Multisim 测试晶体管的输出特性华成英 hchya@tsinghua.edu.cn ? 利用Multisim 分析图示电路在V2 小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。 讨论三 以V2 作为输入、以节点1 作为输出,采用直流扫描的方法可得! 约小于0.5V时截止 约大于1V时饱和 描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线,称为电压传输特性。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第二章基本放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第二章基本放大电路 §2.1 ?放大的概念与放大电路的性能指标 §2.2 ?基本共射放大电路的工作原理 §2.3 ?放大电路的分析方法 §2.4 ?静态工作点的稳定 §2.5 ?晶体管放大电路的三种接法 §2.6 ?场效应管及其基本放大电路 §2.7 ?基本放大电路的派生电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.1 ?放大的概念与放大电路的性能指标 一、放大的概念 二、放大电路的性能指标华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、放大的概念 ? 放大的对象:变化量 ? 放大的本质:能量的控制 ? 放大的特征:功率放大 ? 放大的基本要求:不失真——放大的前提 判断电路能否放大的基本出发点 V CC 至少一路直流电源供电华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、性能指标 i o U U A A u uu ? ? ? ? ? ? i o I I A A i ii ? ? ? ? ? ? i o I U A ui ? ? ? ? i o U I A iu ? ? ? ? 1. 放大倍数 :输出量与输入量之比 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 信号源 信号源内阻 输入电压 输入电流 输出电压 输出电流 对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 输入电阻和输出电阻 将输出等效成有内阻的电压源,内阻就是输出电阻。 L o ' o L o o ' o o ) 1 ( R U U R U U U R ? ? ? ? 空载时输出电压有效值 带R L 时的输出电压有效值 i i i I U R ? 输入电压与输入电流有效值之比。 从输入端看进去的 等效电阻华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 通频带 4. 最大不失真输出电压U om :交流有效值。 由于电容、电感及放大管PN 结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 下限频率 上限频率 L H bw f f f ? ? 5. 最大输出功率P om 和效率η:功率放大电路的参数华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.2 基本共射放大电路的工作原理 一、电路的组成及各元件的作用 二、设置静态工作点的必要性 三、波形分析 四、放大电路的组成原则华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、电路的组成及各元件的作用 V BB 、R b :使U BE > U on ,且有合适的I B 。 V CC :使U CE ≥U BE ,同时作为负载的能源。 R c :将Δi C 转换成Δu CE ?(u o ?) 。 ) ( ?o CE c b I c u u u i i u R ? ? ? ? ? ? ? 动态信号作用时: 输入电压u i 为零时,晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q,记作I BQ 、 I CQ (I EQ )、 U BEQ 、U CEQ 。 共射华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真! 设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但Q点几乎影响着所有的动态参数! 为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、基本共射放大电路的波形分析 t uCE UCEQ VCC O t uCE UCEQ VCC O 饱和失真 底部失真 截止失真 顶部失真 输出和输入反相! 动态信号驮载在静态之上 与i C 变化方向相反 要想不失真,就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区!华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、放大电路的组成原则 ? 静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电路参数。 ? 动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负载上能够获得放大了的动态信号。 ? 对实用放大电路的要求:共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 两种实用放大电路:(1) 直接耦合放大电路 问题: 1. 两种电源 2. 信号源与放大电路不“ 共地” 共地,且要使信号驮载在静态之上 静态时, b1 BEQ R U U ? 动态时,V CC 和u I 同时作用于晶体管的输入回路。 将两个电源合二为一 有直流分量 有交流损失 -+ U BEQ华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 两种实用放大电路:(2) 阻容耦合放大电路 耦合电容的容量应足够大,即对于交流信号近似为短路。其作用是“ 隔离直流、通过交流” 。 静态时,C 1 、C 2 上电压? CEQ C2 BEQ C1 U U U U ? ? , 动态时, C 1 、C 2 为耦合电容! + - U BEQ - + U CEQ u BE =u I +U BEQ ,信号驮载在静态之上。 负载上只有交流信号。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.3 ? 放大电路的分析方法 一、放大电路的直流通路和交流通路 二、图解法 三、等效电路法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、放大电路的直流通路和交流通路 1. 直流通路 :① U s ?=0 ,保留R s ;②电容开路;③电感相当于短路(线圈电阻近似为0 )。 2. 交流通路:①大容量电容相当于短路;②直流电源相当于短路(内阻为0 )。 通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化分析,将它们分开作用,引入直流通路和交流通路的概念。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn c CQ CC CEQ BQ CQ b BEQ BB BQR I V U I I R U V I ? ? ? ? - = 基本共射放大电路的直流通路和交流通路 列晶体管输入、输出回路方程,将U BEQ 作为已知条件,令I CQ =βI BQ ,可估算出静态工作点。 V BB ?越大,U BEQ ?取不同的值所引起的I BQ ?的误差越小。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn c CQ CC CEQ BQ CQ b BEQ CC BQR I V U I I R U V I ? ? ? ? - = 当V CC ?>>U BEQ 时, b CC BQ R V I ? 已知:V CC =12V ,R b =600kΩ,R c =3kΩ,β=100 。Q = ? 直流通路 阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、图解法应实测特性曲线 应实测特性曲线 b B BB BE R i V u ? ? c C CC CE R i V u ? ? 输入回路负载线 Q I BQ U BEQ I BQ Q I CQ U CEQ 负载线 1. 静态分析 :图解二元方程华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. ?电压放大倍数的分析 符号为“-”。 反相, 与 给定 u u A u u u u A u u i i u I O I O O CE C B I ) ( ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b B I BB BE R i u V u ? ? ? ? I u ? B BQ B i I I ? ? ? C i ? CE u ? 斜率不变华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. ?失真分析 ? 截止失真 消除方法:增大V BB ,即向上平移输入回路负载线。 t 截止失真是在输入回路首先产生失真! 减小R b 能消除截止失真吗?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn ? 饱和失真 ?消除方法:增大R b ,减小R c ,减小β,减小V BB ,增大V CC 。 ' ' Q ' ' ' Q R b ?↑或β↓或V BB ?↓ R c ?↓或V CC ?↑ :饱和失真是输出回路产生失真。 2 ?最大不失真输出电压U om ?:比较U CEQ 与( V CC - U CEQ ?),取其小者,除以。 这可不是 好办法!清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 1. ?用NPN 型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。 2. ?用PNP 型晶体管组成一个共射放大电路。 3. 画出图示电路的直流通路和交流通路。华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、等效电路法 ? 半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型,来描述非线性器件的特性。 1. 直流模型 :适于Q点的分析 理想二极管 利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模型。 c CQ CEQ BQ CQ b BEQ BB BQR I V U I I R U V I CC ? ? ? ? - = 输入回路等效为恒压源 输出回路等效为电流控制的电流源华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 晶体管的h参数等效模型(交流等效模型) ? 在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络,输入回路、输出回路各为一个端口。 ? ? ? ? ? ) ( ) ( CE B C CE B BE u i f i u i f u , , 低频小信号模型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn ? ? ? ? ? ? ? ? ? ce 22 b 21 c ce 12 b 11 beU h I h I U h I h U ? ? ? ? ? ? 在低频、小信号作用下的关系式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CE CE C B B C C CE CE BE B B BE BE d d d d d d B CE B CE u u i i i i i u u u i i u u I U I U 交流等效模型(按式子画模型) 电阻 无量纲 无量纲 电导华成英 hchya@tsinghua.edu.cn h 参数的物理意义 be B BE 11 CE r i u h U ? ? ? ? B CE BE 12 I u u h ? ? ? ? ? ? ? ? CE B C 21 U i i h ce CE C 22 1 B r u i h i ? ? ? ? b-e 间的 动态电阻 内反馈系数 电流放大系数 c-e间的电导 分清主次,合理近似!什么情况下h 12 和h 22 的作用可忽略不计?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 简化的 h 参数等效电路-交流等效模型 EQ T bb' e b' bb' b be be ) 1 ( ?I U r r r I U r ? ? ? ? ? ? ? 查阅手册 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻数值小可忽略 利用PN 结的电流方程可求得 由I EQ 算出 在输入特性曲线上,Q点越高,r be 越小!华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 放大电路的动态分析 ) ( ) ( be b b be b i i r R I r R I U ? ? ? ? ? ? ? c c o R I U ? ? ? ? be b c i or R R U U A u ? ? ? ? ? ? ? ? be b i i i r R I U R ? ? ? c o R R ? 放大电路的 交流等效电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 阻容耦合共射放大电路的动态分析 be ' L be b L c i o) ( r R r I R R I U U A c u ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ∥ be be b i r r R R ? ? ∥ u u A R R R U U U U U U A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? i s i i o s i s o s c o R R ? 输入电阻中不应含有R s ?! 输出电阻中不应含有R L ?!华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 1. ?在什么参数、如何变化时Q 1 → Q 2 ?→ Q 3 ?→ Q 4 ? 2. ?从输出电压上看,哪个Q点下最易产生截止失真?哪个Q点下最易产生饱和失真?哪个Q点下U om 最大? 3. ?设计放大电路时,应根据什么选择V CC ?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. ?空载和带载两种情况下U om 分别为多少? 3. 在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而带上负载后这种失真消除? 4. 增强电压放大能力的方法? 讨论二 be L c) ( ?r R R A u ∥ ? ? ? ? 已知I CQ =2mA ,U CES =0.7V 。 1. ?在空载情况下,当输入信号增大时,电路首先出现饱和失真还是截止失真?若带负载的情况下呢? EQ T bb' be ) 1 ( I U r r ? ? ? ?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:基本共射放大电路的静态分析和动态分析 11 ) ( be b L c ? ? ? ? ? r R R R A u ∥ ? ? ? ? ? k 3 c o R R ? ? ? 200 80 bb' r ? Q I BQ ?≈35 μA U BEQ ?≈0.65V V 8 . 3 mA 8 . 2 ' c CQ ' CC CEQ BQ CQ ? ? ? ? ? R I V U I I ? 为什么用图解法求解I BQ ?和U BEQ ?? ? ? ? ? k 11 be b i r R R ? ? ? ? ? 952 ) 1 ( EQ T bb' be I U r r ?华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 60 ) (120 ) ( be L c i s i i o s i s o s be L c ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? r R R R R R U U U U U U A r R R A u u ∥ ∥ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 讨论四:阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析 ? ? ? k 1 80 be r , ? V 2 . 7 mA 6 . 1 μA 20 c CQ CC CEQ BQ CQ b CC b BEQ CC BQ ? ? ? ? ? ? ? ? ? R I V U I I R V R U V I ? ? ? ? ? ? ? ? 3k ? ? 1k c o be be b i R R r r R R ∥华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论五:波形分析 失真了吗?如何判断?原因? 饱和失真华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.4 ?静态工作点的稳定 一、温度对静态工作点的影响 二、静态工作点稳定的典型电路 三、稳定静态工作点的方法

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