1電子電路基礎II第二講2014.3.62聯系方式夏永祥Tel:87953815(office)TelMobile)Email:xiayx@Office:浙大玉泉校區行政樓5033課程提要課程名稱：電子電路基礎II（3學分）教材：《電路與電子線路基礎(電子線路部分)》參考書：《模擬電子技術基礎》第四版，清華大學電子學教研組編，童詩白、華成英主編，高等教育出版社，2006年成績比例平時成績 30%期中考試 30%期末考試 40%4特別說明課件下載地址：/share/2673716密碼：123456785二極管半導體基本知識二極管特性模型應用特殊二極管6半導體基本知識71

本征半導體

完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子8

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發。空穴

溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(復合)，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。9本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。102N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子

在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。11P型半導體

摻雜后空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變為負離子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。123.擴散和漂移載流子的兩種運動——擴散運動和漂移運動擴散運動：電中性的半導體中，載流子從濃度高的區域向濃度較低區域的運動。漂移運動：在電場作用下，載流子有規則的定向運動。13PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。

擴散的結果使空間電荷區變寬。空間電荷區也稱PN結

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區14PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–15PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+16PN結變寬PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－17二極管陰極陽極符號DD理想二極管伏安特性單向的開關正向導通無壓降反向截止無電流

18PN結二極管伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區電壓二極管才能導通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內保持常數。如無特殊說明，都以硅管為例19反向飽和電流熱電壓，室溫下=25mV正向偏置電壓較大時反偏時PN結的電容效應用于高頻小信號分析勢壘電容PN結兩端電壓變化引起勢壘區電荷數量的改變，類似于電容的充放電，從而顯現電容效應正偏、反偏都起作用擴散電容PN結正偏時少數載流子的濃度變化，引起的電容效應PN結的電容特性可等效為一個非線性電容2021PN結二極管電路模型1.理想模型正向短路反向開路22優點：簡單缺點：不夠精細應用：簡單、定性的場合或門與門232.實際模型或24優點：精確缺點：非線性，計算復雜應用：需要精確計算的場合，例如小信號25理想模型實際模型折中3.簡化二極管模型普通的二極管等效為一個理想二極管、一個電壓源和一個等效電阻的串聯264.恒壓降模型普通二極管等效為一個理想二極管和一個電壓源的串聯275.二級模型動態電阻與動態電容并聯28齊納二極管工作在反向擊穿區域的二極管特點：反方向擊穿后的伏安特性十分陡峭，即通過二極管的反向電流變化很大，而兩端的電壓變化很小參數穩定電壓最大穩定電流最小穩定電流動態電阻29用途：穩壓電路30二極管的應用邏輯門穩壓整流器限幅鉗位31或門與門邏輯門32穩壓電路33整流器理想二極管整流原理：利用二極管的單向導電性常見的整流電路：

半波、全波、橋式分析時可把二極管當作理想元件處理：二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。34

半波整流器

–++–aTrDuoubRLio2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D導通；

u負半周，Va<Vb，二極管D截止。uDOutOuoO1)電路結構反峰電壓PIV=U35

全波整流器

2)工作原理vs

正半周，二極管D1導通D2截止；

vs

負半周，二極管D1截止D2導通vot反峰電壓PIV=2U36橋式整流電路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管

D1、D3

導通，D2、D4

截止。3)工作波形uD2uD41)電路結構－uouDttRLuiouo1234ab+–+–－u37濾波38直流穩壓電源的原理方框圖功能：把交流電壓變成穩定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩壓小功率直流穩壓電源的組成39二極管限幅電路

404142二極管鉗位電路

二極管導通，二極管截止，43電壓倍增器

C1,D1構成鉗位電路，輸出電壓C2,D2構成整流電路44特殊二極管肖特基二極管快恢二極管：導通到截止的速度快很多正向導通壓降較小變容二極管結電容隨電壓變化光電二極管導通電阻隨接受到的光線強弱變化用于遙控器發光二極管（LED）電能轉化成光能第三章雙端口非線性器件和受控源4546雙端口非線性電子器件前面討論的二極管、非線性電阻等是二端器件，因此，它們的I-V特性數學上可以用一個非線性方程或一條曲線來描述。大多數有源器件是由三端點構成的雙端口非線性電子器件。它們包括最早的電子三極管（triode）、雙極型晶體三極管（BJT，bipolarjunctiontransistor）各種場效應三極管（FET，field-effecttransistor）。47單元電路的隔離單元電路之間需要隔離的理由之一：若不隔離，分壓器的分壓系數不等于各級分壓系數的乘積兩只分壓器獨立計算分壓系數時，有：

(3.1)

兩級分壓器級聯到一起的時候原因在于定義分壓系數是隱含地假定了輸入激勵是理想電壓源、沒有內阻的。但實際上第二級分壓器級聯到第一級輸出端時，第一級所提供的不是理想電壓源，它是有內阻的。

48相對于第二級分壓器的戴維寧等效電路總的分壓系數kTotal小于兩個單獨分壓器的分壓系數的乘積k1k2

只有當時，kTotal才等于k1k2。a)分壓系數很小，k1k2<<1b)低內阻，輕負載，滿足，，

49三級分壓器級聯當幾個分壓器連接在一起時，有效的分壓系數不等于原先孤立計算得到的分壓系數的乘積。除了滿足某些條件外，只能用隔離器件將各分壓器完全隔離開來，才能達到總分壓系數等于個分壓系數的乘積。50若不隔離，多級電路的總頻率響應不等于各種電路頻率響應的乘積兩級獨立的RC低通型分壓器的響應分別為：51按等效原理相對于第二級分壓器畫出的第一級分壓器等效電路

結論52采用隔離器件，將兩個分壓器完全隔離開來如果沒有隔離器件，上式就不成立。因為兩個網絡在相連處必然存在著耦合，彼此影響。無法分成H1和H2來分析，只能按照一個整體來設計總的頻率響應為53六諧振回路集中選擇性濾波器圖中，五個耦合電容CM1CM5，將六個并聯諧振回路耦合在一起。總的頻率特性并不等于各諧振曲線的乘積，計算非常復雜。除非耦合電容很小，使得CM的電抗值遠大于后級諧振回路的諧振阻抗Z，才有可能使總響應等于各響應的乘積。可是，減小耦合電容CM引起了分壓系數的降低，整個網絡衰減很大，輸出很小，最后必須用放大器予以補償。54采用隔離器件就能保證總的特性曲線等于各選擇性曲線的乘積55實現行為隔離的基本要求之一：

單向傳輸性在線性無源網絡中，單元電路的聯接一般都用耦合元件。然而，線性耦合元件是雙向傳輸的。前級的輸出通過耦合元件激勵后級，后級也通過耦合元件影響前級。故耦合元件的存在是前后兩級緊密地結合在一起而無法分開的原因所在。為了實現前后級行為互相隔離，在前后級之間就不應該采用耦合元件，而應該采用隔離器件，保證前級的輸出可以激勵后級，而后級對前級無影響，這就意味著隔離器件的基本要求之一是單向傳輸性。

56隔離器件隔離器件基本特征的一般表達式為

隔離器件的示意圖57隔離器件用于二個線性網絡的聯接代入后得58實現行為隔離的基本要求之二：

線性對所傳輸的信號呈現線性，即式中Gv定義為電壓增益。于是總的響應59如果前級輸出信號是電壓形式，則隔離器的輸入阻抗應當是無限大，即開路。如果前級輸出信號是電流形式，則隔離器的輸入阻抗應當是0，即短路。如果后級需要電壓激勵，則隔離器應當提供理想電壓源，內阻為0。如果后級需要的是電流激勵，則隔離器應當提供理想電流源，內阻無限大。實現行為隔離的基本要求之三：

對前級呈現理想化的負載，對后級提供理想激勵源隔離器件有四種基本形式，涉及四種受控源。603.3受控電源我們介紹過獨立電源，簡稱獨立源（independentsource）。獨立電壓源的電壓和獨立電流源的電流都是恒定值或是確定的時間函數。電路中除了含有獨立電源外，還往往含有受控電源（controlledsource）。受控電壓源的電壓和受控電流源的電流不是獨立的，而是受電路中某支路的電壓或電流控制的，所以也稱為非獨立源（non-independentsource）。這些非獨立源是人為設計的、作為構造電路的基本元件。60電子三極管原理陰極與燈絲是分離的。在陰極和陽極之間加入第3個被稱為“柵極”(grid)的電極。實際器件中，柵極就是在陰極附件籠罩或者環繞的一種類似于“柵欄”結構的金屬細絲。三極管的核心功能正是由于柵極的引入而實現。61當柵極不加電壓時，在陽極工作電壓Vbb作用下，電子三極管就如同一個電子二極管一樣工作。注意的是，由于實際上是電子自陰極飛向陽極，而沒有任何載流子（電子或正離子）從陽極飛向陰極，所以電子三極管具有單向導電性，滿足隔離器的要求。首先，由于柵極金屬絲很細，金屬絲之間的空隙很大，當柵極不加電壓時，對管子電流的影響很小三極管的陽極電壓與電流的關系與電子二極管類似。現在，電源Vcc通過電阻Rg將一個負電壓加到柵極金屬上，該負電壓將阻止陰極周圍逸出的電子到達陽極，從而導致ia減小。將一個小信號交變電壓vi疊加到Vcc上，產生一個vg=vi的變化量，陽極電流中就有一個隨vg變化的電流ia。這種情況下，變化的陽極電流ia是一個受柵極小信號電壓vg控制的交變電流源。因此，電子管的小信號理論模型就是一個電壓控制電流源。62作為受控電流源，電真空三極管的小信號陽級電流ia與柵極電壓vg的基本關系是：

ia=gm×vg

由于式中gm具有電導的量綱，且起到由柵極電壓“跨越到”陽極電流的作用，故被稱為跨導。特別需要注意的是，當RL電阻值足夠高時，陽極電流在負載上產生的小信號交變電壓vo就會高于作用在柵極的小信號交變控制電壓vi。正因為如此，電子三極管一問世，就成為第一代電子線路的主角。戴維寧定理63643.3.1受控源電路圖由電子三極管的受控源模型出發，人們以輸入的電壓或電流為控制（controlling）變量，輸出的電壓或電流為受控（controlled）變量，構造出了四種類型的受控源，用來構建電子管、雙極晶體管和場效應晶體管等多種有源電子器件的等效電路。(a)電壓控制電壓源（VCVS），(b)電壓控制電流源(VCCS)，(c)電流控制電壓源（CCVS），(d)電流控制電流源（CCCS）6465三端的受控源必須指出，在眾多的電子器件中，有一大類器件的模型或等效電路是屬于右上圖所示四端元件。但是，也有許多器件，端點b與端點d是連接在一起的，如右下圖所示。

電流控制電流源的聯接66即由此可見，在CCCS三端元件中，從公共連接點流出來的電流是輸入電流的（1+β）倍。67受控源的放大功能

——不接入受控源，將信號源直接饋送給負載如果不接受控源，負載RL上可以獲得的電壓負載可以獲得的功率受到最大功率傳輸條件（RL=Ri）的限制，不可能超過負載可以得到的最大功率的四分之一。68受控源的放大功能若將KVL應用于輸入回路，

就有因為受控源的輸入端是開路的，I=0，故vi=v1

因為負載上的輸出電壓vo，總是等于電壓源上的電壓，故受控源參數μ>1，則圖電路就是放大器，若μ<1，則該電路就是衰減器，衰減了輸入信號。 69接入受控源接入受控源后，負載RL可以獲得電壓vo與RL和信號源內阻Ri均無關，只取決于增益μ受控源傳輸給負載的功率 與信號源內阻Ri無關。這就說明了負載可以得到的功率不受最大功率傳輸條件（RL=Ri）的限制，原則上可以給出無限大的功率。受控源是某種電子器件的一種模型，這種電子器件必須要有外部電源才能工作的。而且外部電源所提供的功率還必須大于受控源所給出的功率。70電壓控制電流源實現放大功能受控源的輸出是電流在負載上產生的輸出電壓電壓增益只要跨導負載與負載的乘積gRL>1，就有電壓放大能力。式中的負號說明了輸出電壓的極性正巧同輸入信號相反。故VCCS放大器是一種反相器。71用CCVS構成的放大器輸入端是短路，全部信號電流 將流進受控源，因此在負載上產生的輸出電壓電流電流增益只要跨阻r大于負載電阻RL，就有電流放大作用。72放大的基本概念：無源線性網絡均無放大能力線性電阻電路沒有放大信號的能力，它只能衰減信號。變壓器的輸出電壓與匝數成正比，故在電壓提升的同時，卻降低了輸出電流。換言之，變壓器的電壓增益是以電流的衰減為代價的。串聯諧振電路在諧振時電抗元件上的電壓是激勵電壓的Q倍，似乎也有電壓增益。然而，當電壓從電抗元件上輸出時，內阻卻增加了Q2倍，沒有功率增益。任何無源線性網絡均無放大能力，只可能從事阻抗變換。電壓增大，電流就減小，反之，要電流增大，電壓就得降低。無源電路，滿足功率守恒原則，而且在變換過程中，只可能增加功率損耗，故功率增益是不可能有的。73放大的基本概念：負載與信號源之間必須隔離一個沒有功率增益的放大器(amplifier)，雖然會有電壓增益，升高了電壓，但是不能提供足夠大的電流，一旦加入負載，輸出電壓就會大幅度降低，因此無法用于信號的放大。所以，從放大信號的要求來看，一個放大器必需要有功率增益，這就要求負載的信號功率不應當全部來自信號源。負載與信號源之間必須隔離。負載所需的功率應由另一個電源來提供，而這個電源的輸出功率的變化應當反映輸入信號的波形變化。顯然，這個電源應當是由輸入信號控制的，是一種單向傳輸的受控源，它只允許輸入信號控制受控源的輸出，卻不允許把負載產生的效應反作用于信號源。74關于放大的重要結論單向傳輸是能否取得功率增益的關鍵。受控源是一種非獨立電源，其功率和能量是由直流電源轉化來的。凡是含有受控源的電路都是有源電路。受控源只是一種電路模型，它代表著有源器件在工作區域內的主要行為。分析這種電路可以用來驗證相應的電子線路的功能。有源電路的計算含有受控源的電路同樣遵循基爾霍夫定律。受控源作為四端或三端元件，以兩條支路的形式聯接到整個電路中，運用受控源的基本關系，建立電路變量之間的關系，修改了電路方程，同樣可以解出全部電路變量。7576有源電路計算舉例2. 受控源輸出3. 輸出電壓4. 電壓增益一個含CCCS電路 求電壓增益受控源輸入計算下圖電路a、b兩端間的輸入電阻在a端注入一個測試電流i1，計算在a、b間所產生的電壓vi，最后求等效的輸入電阻。流過RL的電流是i1的(1＋β)倍RL上的電壓，也就是輸入端的電壓vi=RL(1＋β)i1輸入電阻為計算下圖含一個VCVS電路的輸出特性該電路的特點是，負載RL接在VCVS的輸出端，輸出電壓vo又反饋到輸入端，與輸入信號vi在一起決定VCVS的控制電壓，控制受控源的輸出。當RL斷開后輸出回路不通，故開路電壓為而解得計算輸出特性的最好辦法是采用戴維寧等效電路，首先將負載RL斷開，計算開路電壓。再計算等效內阻RT短路電流ios故等效內阻為上圖的戴維寧等效電路如下圖所示。在這里我們進行計算的電路是一個運算放大器的模型，R0大約是100Ω左右，μ>105，那么計算得到的等效內阻為RT=1mΩ。既然內阻那么小，則輸出電壓vo就等于等效電壓。由于μ達到105，故電壓增益為1，但輸出電阻非常小，允許供應很大的電流，故有較大的功率增益，這類放大器通常也稱之為電壓跟隨器。80獨立電源聯接關系的約束不同電壓值的電壓源是可以串聯的，但不能并聯，因為不同電壓值的電壓源并聯后，發生了沖突，也不能滿足基爾霍夫定律，vab沒有定義81獨立電源聯接關系的約束不同電流值的電流源可以并聯，但不能串聯，因為不同電流值的電流源串聯后，也發生沖突，在x點上，流進的電流不等于流出的電流，不滿足KCL。82受控源聯接關系的約束凡是電壓源無論是哪種受控電壓源均可以串聯，但是絕不可以并聯凡是電流源無論是哪種受控電流源均可以并聯，但絕對不能串聯83受控源的鏈接——VCVS層次鏈接鏈接是受控源所特有的,獨立電源只存在連接關系而不存在鏈接關系。全部代入得這是一個新的層次鏈接的VCVS，它的電壓放大倍數近似為各個μ值的乘積受控源的鏈接——CCCS層次鏈接由圖可知：全部迭加后得可見，這個新的層次鏈接的CCCS具有很大的電流放大倍數，近似為各β值的乘積。這個新的CCCS實際上就是復合晶體管，或叫Darlington管。84鏈接次序改變的影響由圖可知從v3的公式可以看出，受控源的輸出又反饋到輸入控制端變為控制信號，故代入1公式，得通常，

2>>1，于是上式變為可見，當受控源不按層次次序鏈接時，由于顛倒了次序，出現反饋，降低了增益。

85鏈接極性改變的影響如果將中間的VCVS改變極性，由右圖可知由于中間的VCVS改變了極性，中間的公式

2

v

3項改變了符號，解得代入v

4公式，得通常，

2>>1，于是上式變為與一樣。這就意味著哪個VCVS的極性改變對增益幾乎是沒有影響，可見，受控源的鏈接關系比連接關系更重要。

8687反饋概念的產生反饋是系統論和控制論的一個基本概念，系統和控制過程通過反饋實現穩定運行。反饋也是自然界和人類社會運動和發展過程中的基本機制之一，是防止走向極端、達到和諧的基本途徑。在電路系統中，反饋概念的產生是與受控源相關聯的，進而演變成為了改善電路性能而引入的一項技術。88反饋的定義與電路結構習慣上，人們把”電路”輸出信號中的部分（或全部）返回輸入端，作為輸入信號的一部分重新進入電路，從而影響整個電路的性能。89反饋電路中對“電路”和“反饋網絡”提出要求和限制：

非反饋電路“電路”是一線性無源網絡，T型低通濾波器“反饋網絡”是一個電阻 去掉虛線框后是一個橋T網絡，仍是線性無源網絡，并沒有體現出輸出信號中有部分返回輸入端，作為輸入信號的一部分重新進入電路。不存在反饋。“電路”是一線性有源網絡“反饋網絡”是一個電阻

該電路原是一個線性有源網絡，若將“反饋”電阻合并進去，仍是一個線性有源網路，沒有什么特殊。不存在反饋。

“電路”是一非線性網絡，橋式整流器“反饋網絡”是一個電阻“反饋”電阻實際上是并聯在一個二極管上的，不存在反饋概念。90反饋電路中對“電路”和“反饋網絡”提出要求和限制“電路”是一個含有受控源的電路，一個PNP型晶體管。“反饋網絡”是一個電阻。 “電路”本身是一個含有受控源的電路，是單向傳輸的電路。在該“電路”中只有輸入信號被傳輸給負載，卻沒有負載反作用。外面的電阻接入后，負載對信號源的反作用就出現了，輸出中的部分信號經電阻返回到輸入端作為輸入信號的一部分重新進入電路，從而影響整個電路的性能。所以，這是一個含有反饋的電路。

91由單向傳輸電路和反饋網絡構成的反饋電路與信號流圖是輸入信號，是反饋信號，稱為凈輸入信號92反饋的基本方程式反饋基本方程式是說明有反饋時電路的傳遞函數與無反饋時傳遞函數之間關系的表達式開環放大倍數

反饋系數

閉環放大倍數

由于，所以有環路增益：反饋深度：93下標中，第一個v代表位于分子上的輸出信號是電壓量；第二個v表示位于分母上的信號是電壓量；第三個f表示是有反饋的增益，沒有f表示是開環情況下的增益或反饋系數。94反饋的組態及判斷方法：負反饋和正反饋反饋的組態是指反饋是正反饋還是負反饋；是電壓反饋還是電流反饋；是串聯反饋還是并聯反饋；是直流反饋還是交流反饋。根據放大和反饋電路的相位-頻率特性，反饋系統可以形成兩種特性的反饋：(1)負反饋：加入反饋后凈輸入