硬件电路设计基础知识样本

硬件电子电路基本

关于本课程

第一章 半导体器件

§1-1 半导体基本知识

§1-2 PN结

§1-3 二极管

§1-4 晶体三极管

§1-5 场效应管

第二章 基本放大电路

§2-1 晶体三极管基本放大电路

§2-2 反馈放大器基本概念

§2-3 频率特性分析法

§2-4 小信号选频放大电路

§2-5 场效应管放大电路

第三章 模仿集成电路

§3－1 恒流源电路

§3－2 差动放大电路

§3－3 集成运算放大电路

§3－4 集成运放应用

§3－5 限幅器（二极管接于运放输入电路中限幅器）

§3－6 模仿乘法器

第四章 功率放大电路

§4－1 功率放大电路重要特点

§4－2 乙类功率放大电路

§4－3 丙类功率放大电路

§4－4 丙类谐振倍频电路

第五章 正弦波振荡器

§5－1 反馈型正弦波振荡器工作原理

§5－2 LC正弦波振荡电路

§5－3 LC振荡器频率稳定度

§5－4 石英晶体振荡器

§5－5 RC正弦波振荡器 第六章 线性频率变换 ──振幅调制、检波、变频

§6－1 调幅波基本特性

§6－2 调幅电路

§6－3 检波电路

§6－4 变频

第七章 非线性频率变换 ──角度调制与解调

§7－1 概述

§7－2 调角信号分析

§7－3 调频及调相信号产生

§7－4 频率解调基本原理和办法

第八章 反馈控制电路

§8－1 自动增益控制（AGC）

§8－2 自动频率控制（AFC）

§8－3 自动相位控制（APC）PLL

第一章 半导体器件

§1-1 半导体基本知识

§1-2 PN结

§1-3 二极管

§1-4 晶体三极管

§1-5 场效应管

§1-1 半导体基本知识

一、什么是半导体

半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间物质。（导电能力即电导率）

（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物）

二、半导体导电特性 本征半导体――纯净、晶体构造完整半导体称为本征半导体。

硅和锗共价键构造。（略）

1、 半导体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、 半导体中两种载流子──自由电子和空穴

• 自由电子──受束缚电子 （－）

• 空穴 ──电子跳走后来留下坑 （＋）

三、杂质半导体──N型、P型

（前讲）掺杂可以明显地变化半导体导电特性，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 使自由电子大大增长

原理： Si──＋4价 P与Si形成共价键后多余了一种电子。

载流子构成：

o 本征激发空穴和自由电子──数量少。

o 掺杂后由P提供自由电子──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 使空穴大大增长

原理： Si──＋4价 B与Si形成共价键后多余了一种空穴。

B──＋3价

载流子构成：

o 本征激发空穴和自由电子──数量少。

o 掺杂后由B提供空 穴──数量多。

o 空 穴──多子

o 自由电子──少子

结论：N型半导体中多数载流子为自由电子；

P型半导体中多数载流子为 空穴 。

§1-2 PN结

一、PN结基本原理

1、 什么是PN结

将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧那某些区域。

2、 PN结构造

分界面上状况：

P区： 空穴多

N区： 自由电子多

扩散运动：

多往少那去，并被复合掉。留下了正、负离子。

（正、负离子不能移动）

留下了一种正、负离子区──耗尽区。

由正、负离子区形成了一种内建电场（即势垒高度）。

方向：N--> P

大小： 与材料和温度关于。 （很小，约零点几伏）

漂移运动：

由于内建电场吸引，个别少数载流子受电场力作用与多子运动方向相反作运动。

结论：在没有外加电压状况下，扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反。总电流为零。

二、PN结单向导电特性

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＝反向饱和电流（漂移电流）：I5

注：反向饱和电流I5只与温度关于，与外加电压无关。

【PN结反向击穿】：

• 齐纳击穿：势垒区窄，较高反向电压形成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，撞出来电子再去撞别价电子，导致反向电流剧增。 >7V

当反向电压在4V和7V之间时候，两种击穿均有。 【PN结电容效应】：

• 势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄变化引起。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状况相似。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，将破坏半导体电中性。为了维持电中性，将会有相似数量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同样。

PN结等效为：两个扩散电容＋一种势垒电容。（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，电流随电压增长成指数率关系迅速增大。

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：

当外加电压不大于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。

当外加电压不不大于反向击穿电压 UB时，反向电流随电压急剧增大（击穿）。

3．伏安特性解析式

在抱负条件下，PN结伏安（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(-273C)

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

4．二极管等效电阻

从二极管伏安特性曲线上可以看出：二极管是非线性元件，等效电阻大小与Q点关于。

➢ 直流电阻（静态电阻）──

➢ 交流电阻 ──

例：用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻，成果同样吗？

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 Fig 1-3-16

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、构造及符号

• 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种三极管来用）

二、晶体管四种工作状态

状态 发射结电压 集电结电压

放大 正 反

截止 反 反

饱和 正 正

倒置 反 正

三、放大状态下晶体管中电流 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： 实际电流流向是与电子流方向相反。

用很少量 IB 来控制 IC 。即三极管事实上是一种电流控制电流源-CCCS。

三个电极电流满足： IE=IB+IC

工作在放大状态下NPN管一定为：IB 、IC 流入，IE 流出。

工作在放大区条件：NPN──UC > UB > UE；

PNP──UC < UB < UE ；

发射结正偏，集电结反偏。

例：集成电路中没有三极管，是用三极管一种结来代替，用哪个结？e结。（C结漏电流大）

四、晶体管工作三种组态

【共射】 对电压、电流均有放大倍数。

【共基】 无电流放大倍数，有电压放大倍数。

(IC  IE)

【共集】 无电压放大倍数，有电流放大倍数。

(UBE  V ）

五、晶体三极管特性曲线

共射组态放大电路特性曲线：

• 输入特性曲线 (IB--UBE)UCE

UBE为一种正偏PN结，因此特性曲线和二极管正向特性曲线相似。

有：