電工學教案授課教師：張建平

第15章半導體二極管和三極管一、基本要求1.

了解半導體的導電特性，理解PN結的單向導電性；2.

了解二極管、穩壓管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數的意義；3.

了解雙極型晶體管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數的意義；4.

了解MOS場效晶體管的基本構造、工作原理和特性曲線，理解主要參數的意義。二、重點：1.

PN結的單向導電性；2.二極管、穩壓管的特性曲線及主要參數；3.雙極型晶體管的特性曲線及三個工作區（放大、截止、飽和）的特點及主要參數；4.MOS場效晶體管的特性曲線及主要參數。

三、難點：1.

載流子運動規律與外部特性曲線的關系。15．1半導體的導電特性物體根據導電性能的差別可分為導體、絕緣體、半導體。半導體的導電性能介于導體和絕緣體之間。半導體中的載流子包括電子載流子和空穴載流子。一、半導體的特性1．溫敏性2．光敏性3．摻雜性二、半導體共價鍵結構1．價電子原子的最外層電子叫價電子。物資的半導體性能與價電子有關。價電子數目越接近于8個，物資的化學結構越穩定。金屬的價電子一般少于4個，單質絕緣體一般多于4個。半導體的價電子數為4個(硅鍺)。2．共價鍵相鄰的原子被共有的價電子聯系在一起，原子的這種組合叫共價鍵。15.1.1本征半導體1、本征半導體：純凈的不含任何雜質的半導體。常溫下，本征半導體的載流子很少，導電能力很弱，隨著溫度升高，導電能力上升。2、熱激發：半導體受熱而產生載流子的過程。3、空穴：熱激發使某些共價鍵，由于電子掙脫出去而留下的一個空位。空穴帶一個正電荷。4、復合：空位子被自由電子填補掉。5、漂移：在電子場作用下，自由電子和空穴作定向運動，稱漂移。6、本征半導體的導電性：ａ.有兩種不同的載流子，自由電子，空穴。ｂ.室溫下電子，空穴對有限，導電力差。ｃ.在電場作用下，載流子產生電流，電流為電子電流與空穴電流之和。15.1.2N型半導體和P型半導體為了提高半導體的導電能力,可在本征半導體中摻入微量雜質元素,摻雜后半導體稱為雜質半導體。1.N型半導體a.定義:N型半導體稱為電子型半導體,在半導體中摻入五價元素,使之有相當數量的自由電子.這種半導體主要靠電子導電.b.施主原子:摻入的正五價雜質原子.c.N型半導體的特性:N型半導體中不但有數量很多的自由電子,而且有少量的空穴存在。自由電子是多數載流子(多子)。空穴是少數載流子(少子)。2.P型半導體A.定義:摻入硼雜質的硅半導體有相當數量的空穴載流子.這種半導體靠空穴導電.稱之為空穴半導體.簡稱P型半導體.B.受主原子:摻入的三價雜質稱為受主原子.C.特性:在P型半導體中,不但有數量很多的空穴,而且有少量的自由電子存在.空穴是多數載流子(多子).電子是少數載流子(少子).雜質半導體的導電性能主要取決于多子的濃度.多子濃度主要取決于摻雜濃度.其值較大并且穩定.因此導電性能得一顯著改善.少子的濃度主要與本征半導體激發有關.因此對溫度敏感,其大小隨溫度升高而增大。15.2PN結15.2.1PN結的形成漂移運動：載流子在電場力的作用下的運動。 漂移電子流：逆電場方向運動。漂移空穴流：順電場方向運動。擴散運動：載流子從高濃度區向低濃度區的運動。由于多數載流子的擴散運動，產生空間電荷區，又稱耗盡區。由于P區有大量的空穴,N區有大量的自由電子.使得交界面兩邊的兩種載流子濃度相差很大,濃度差將引起載流子的擴散運動.在擴散的過程中.兩種載流子在交界面復合.復合的結果從而出現不能移動的正負兩種雜質離子所組成的的空間電荷區.空間電荷區產生內電場.使少子產生漂移運動.最后使得擴散運動與漂移運動達到動態平衡.b.內電場的作用:1)阻礙擴散運動2)產生漂移運動15.2.2PN結的單向導電性一、PN結的單向導電性外加正向電壓(PN結正向偏置)正向偏置：PN結P區接電源正極，N區接電源負極。此時外電場與內電場方向相反，空間電荷區變窄,內電場被削弱，使耗盡層變窄，載流子擴散大于漂移.多子的擴散電流能順利通過PN結,形較大正向電流If。PN結呈現較小電阻，稱為正向導通。加反向電壓(PN結反向偏置)反向偏置：PN結N區接電源正極，P區接電源負極。此時外電場與內電場方向相同，空間電荷量增多,使耗盡層加寬。內電場加強,載流子的擴散難以進行,造成漂移大于擴散,多子受阻，少子在內電場作用下，漂移過PN結形成反向電流。PN結呈現很大電阻，稱為反向截止。PN結單向導電性：“正向導通，反向截止”15.3半導體二極管15.3.1基本結構1.構成：在PN結的兩端各自引出一根電極引出一根電極引線.然后封裝。2.分類:按結構分：點接觸型：適用于高頻，小電流。面接觸型：適用于低頻，大電流。按材料分：硅管：熱穩定性好，反向電流小。鍺管：熱穩定性差，反向電流大。15.3.2伏安特性即二極管兩端電壓UD與流過的電流ID的對應關系。1.正向特性OA-----死區.由于外電場不足以克服內電場。B點以后----線性區。a、當外加正向電壓小于Uth時,外電場不足以克服PN結的內電場對多子的擴散運動造成的阻力,正向電流幾乎為零。呈現為一個在電阻。

b、當外加電壓大于Uth后。PN結內電場大為削弱,二極管電流隨電壓增加而顯著增大。2.反向特性a.反向電流隨溫度上升而急劇增長。b.反向電流基本不隨反向電壓的變化而變化。3.擊穿特性1、反向擊穿特性：當加于二極管兩端的反向電壓增大到一定值時，二極管的反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增加。a.齊納擊穿b.雪崩擊穿4.溫度對二極管特性的影響a.通常溫度上升1°C時，硅和鍺二極管的正向壓降減小2mv左右。b.半導體的溫度每升高10°C，其反向電流Is約增加一倍。15.3.3主要參數1.最大整流電流IOM----規定環境溫度時,二極管長期運行允許通過的最大半波正向電流平均值。2.最高反向工作電壓URWM----允許二極管上的反向電壓的峰值.即耐壓值.通常規定為擊穿電壓的一半。3.反向電流IRM----二極管末擊穿時的反向電流值。其值會隨溫度的升高而急劇增加,其值越小,二極管的單向導電性能越好。點接觸型鍺管由于其PN結面積比較小,故PN結電容很小,通常小于1PF,其最高工作頻率可達數百MHz.而面接觸型硅整流二極管,其最高工作頻率只有3KHz。15．4穩壓管1、穩壓二極管利用二極管擊穿時通過管子電流在很大范圍內變化，而管子兩端電壓幾乎不變的特性。2、穩壓管的伏安特性曲線3、穩壓管的主要參數穩定電壓UZ：是指穩壓管在正常工作下管子的電壓。電壓溫度系數αU：說明穩壓值受溫度變化的影響的系數。當UZ>6V時，αU>0當UZ<6V時αU<0當UZ=6V時，αU=0動態電阻rZ：指穩壓管端電壓的變化量與相應的電流變化量的比值rZ=△UZ/△IZ動態電阻越小，穩壓性能越好。穩定電流IZ:規定最大穩定電流IZM。最大允許耗散功率PZM=UZ*IZ15.5半導體三極管15.5.1基本結構通過一定的工藝將兩個PN結合在一起就構成了雙極型半導體三極管，又稱晶體三極管，簡稱三極管或晶體管，其有NPN和PNP兩種類型。1．三極管結構與類型三極管由三個半導體導電區構成，分別為發射區、基區、集電區。從三個導電區各引出一個電極，分別稱為發射極（E）、基極（B）、集電極（C）。按三個導電區的結合方式不同，三極管可分成NPN型和PNP型兩大類。 根據制造材料的不同，三極管可分成硅管和鍺管兩大類。目前國產管中，硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型。2．三極管的符號箭頭表示發射結的正偏方向。發射區摻雜濃度高于基區和集電極，集電結的面積比發射結大，基區很薄。15.5.2電流分配和放大原理1、晶體管電流放大實驗電路（1）三極管實現電流放大的工作條件內部條件：三極管的特點，外部條件：發射結正偏，集電結反偏。即：NPN管：Uc>UB>UePNP管：Uc<UB<Ue（2）晶體管各電極電流的實驗數據（3）結論①IB=0時，IC=IE=ICEO，ICEO稱為穿透電流，可近似認為IC=IE=0。②基極電流IB遠小于集電極電流IC，三個電極電流滿足以下關系： IB+IC=IE③IB增大，IC按比例增大。（IC-ICEO）與IB的比值稱為三極管直流電流放大系數，用β表示，即④當基極電流IB有一較小的變化ΔIB時，集電極電流有個較大變化ΔIC，這就是三極管的電流變化作用，ΔIC與ΔIB的比值稱為三極管交流電流放大系數，用β表示，即 β=ΔIC/ΔIB所謂的電流放大作用，實質是基極電流IB對集電極電流IC的控制作用：較小的IB變化能引起較大的IC變化。2.晶體管中各極電流分析（NPN型為例）a.發射區向基區擴散電子由于發射結加正向偏置，因而有利于該結兩邊半導體中多子的擴散，于是發射區的自由電子不斷擴散到基區，并不斷地從電源補充進電子，從而形成發射極電流區。b.電子在基區擴散和復合由于基區很薄，從發射區注入的電子進入基區后。由于濃度之差使電子向集電結方向擴散，同時也有少量電子與基區中的多子（空穴）相復合與空穴復合的電子電流稱IB。c.集電區收集從發射區擴散過來的電子由于集電結加反向電壓，因而有利于該結兩邊半導體少子的漂移運動，從上可知，從發射區注入到基區的電子已成為基區的少子。它就容易漂移到集電區，成為集電集電流Ic的主要成份ICN。此外還有基區本身的少子（自由電子）和集電區少子（空穴）所形成的漂移電流，稱為集電結反向飽和電流ICEO。（ICEO受溫度影響較大）從上面分析可知：三極管工作有賴于兩種載流子——電子和空穴，因此稱之為“雙極型”晶體三極管。三極管各極電流為IC=ICN-ICBOIB=IBN+ICBO3.集電極與基極電流之間的關系a.共射極直流放大系數為ICN與IBN的比值，即：忽略ICBO時IC≈IBb.實質為“以小控大”利用基極回路的小電流IB，就能實現對集電極，發射極回路的大電流IC（或IE）的控制。15.5.3特性曲線三極管是非線性元件，各電極電流之間的電壓關系不能用簡單的方程式來描述，而要用特性曲線來描述。三極管的特性包括輸入特性和輸出特性曲線。特性曲線的獲得方法有：晶體管特性測試儀和描點法，或者可查半導體器件手冊。一、輸入特性曲線（共射）即：在集電極——發射極電壓UCE一定時，基極電流與電壓UBE之間的關系：IB=f(uBE)|UCE=常數輸入特性曲線特征：1．非線性，當輸入特性曲線大于開啟電壓時才導通，否則為0。即當UBE較小時，IB=0，只有在UBE大于某一數值后，才出現IB，即三極管開始導通。三極管開始導通時對應的UBE稱為死區電壓，硅管死區電壓為0.5V左右，鍺管的死區電壓為0.2V左右。2．當UBE大于死區電壓時，IB隨著UBE的上升而迅速上升，最后曲線近似直線上升。進入近似直線區后，硅管的UBE約為0.7V，鍺管的UBE約為0.3V。在放大電路中，三極管應工作在近似直線區。3．實驗證明，當UCE等于或大于1V時，不同UCE對應的輸入特性曲線基本重合。從上面分析可知，三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性相似（三極管輸入特性回路也是個PN結）。即：基極電流一定時，集電極電壓UCE與集電極電流IC之間的關系：IC=f(UOE)|IB=常數①放大區發射結正編，集電結反偏。特征：受控特性IC=βIB，IC由IB決定，而與UCE基本無關。各曲線間隔越大，β越大。②截止區發射結反偏，集電結反偏特征：IB≤0的區域，形成穿透電流ICEO，IC=ICEO=（1+?）ICBOUCE=UCC，C-E間相當于開路。③飽和區發射結正偏，集電結正偏特征：集電結處于正偏，IB失去對IC的控制，不再滿足IC=βIB，三極管失去放大的作用，此時飽和壓降（集電極——發射極壓降）很小，用UCE（sat）（UCE（sat）=0.3V）表示，C-E間相當于短路。三、溫度對特性曲線影響1．輸入特性曲線隨溫度升高左移。2．輸出特性曲線隨溫度升高上移。3．輸出特性曲線間的間距隨溫度升高而增大。15.5.4主要參數1.電流放大倍數①直流電流放大倍數（hFE）（共射）②共射交流放大倍數（hfe）2.集-基極反向截止電流ICBO3．集-射極反向截止電流ICEO。4．集電極最大允許電流ICM

第16章基本放大電路一、基本要求：1.

理解單管交流放大電路的組成和放大作用；2.

掌握放大電路靜態及動態的分析方法；3.

掌握共發射極、共集電極單管放大電路的性能特點和用途；4.

了解放大電路輸入、輸出電阻和多級放大的概念；5.

了解放大電路的頻率特性的概念；6.

理解反饋的概念，了解反饋的類型及判別方法，了解負反饋對放大電路動態性能的影響；7.

了解差分放大電路的工作原理和性能特點；8.

了解場效晶體管放大電路的組成，放大作用和性能；9.

了解互補對稱功率放大電路的工作原理。二、重點：1．共發射極放大電路靜態分析（估算法）；2.

共發射極放大電路動態分析（微變等效電路法）；3.

共集電極放大電路的動態分析；4.

負反饋的類型及負反饋對動態性能的影響。

三、難點：1．放大電路的圖解分析法；2.

負反饋類型的判別；3.

差分放大電路的性能分析；4.

互補功率放大電路的動態分析。16.1基本放大電路的組成用來對電信號進行放大的電路稱為放大電路，這里所指的“放大”是指在輸入信號的作用下，利用有源器件的控制作用，將直流電源提供的部分能量轉換為與輸入信號成比例的輸出信號。因此，放大電路實際上是一個受輸入信號控制的能量轉換器。本章討論的電路，工作頻率約為20~20000Hz，屬低頻頻率，故稱為低頻放大電路。一、電路結構由NPN管組成的共發射極放大電路如下圖所示。它由信號源、放大電路、負載、電源等組成。二、元件作用三極管T：在適當的條件下具有電流放大作用，圖中為NPN型，若為PNP型，電源極性應相反。集電極電源Ec：①給三極管提供偏置電壓，以滿足放大條件；②作為放大電路的能源。集電極負載電阻RC：主要是把放大了的集電極電流ic轉換為集-射間電壓uCE的變化，以實現電壓放大。另外RC和Ec一起提供集電結的反偏電壓。基極電源EB和基極電阻RB：EB經RB使三極管發射結正向偏置，并給基極提供一個大小合適的靜態電流。耦合電容C1、C2：也稱隔直電容，具有“隔直流，通交流”的作用。三、參考方向的規定規定：集電極電流和基極電流均是流入三極管，而發射極電流為流出三極管。規定：電壓的參考方向均是以公共端為負端，其余各端為正端。四、常用畫法2．簡化畫法16.2放大電路的靜態分析研究在直流電源作用下,電路中各直流量的大小,或稱靜態分析,靜態工作點參量分析。16.2.1用放大電路的直流通路確定靜態值靜態工作點估算直流通路：直流量通過的路徑在電路圖中，電容器對于直流電流相當于開路。電感線圈對于直流電流相當于短路。2．飽和狀態確定方法，及近似估算Q①求臨界飽和電流ICS②求IBS（基極飽和電流）③判斷三極管工作狀態

iB≥IBS時，三極管飽和。如果在估算過程UCEQ小于1V，說明三極管已處于飽和狀態，ICQ將不再受IBQ成倍關系，此時ICQ被RC限流，稱為飽和電流。16.2.2用圖解法確定靜態值圖解法分析靜態工作點Ｑa.作出直流通路b.作出非線性部分特性曲線c.作出線性部分曲線----直流負載線2.圖解法求Q點的步驟從輸入特性曲線及輸入回路的直流負載線,求得基極電流IBQ→確定IBQ所對應輸出特性曲線→在給定的坐標系中作出輸出回路的直流負載線→由交點得靜態工作點ICQ、VCEQ。16.3放大電路的動態分析當放大電路加上輸入信號后，電路中，電壓、電流均在靜態值的基礎上，發生相應于輸入信號的變化。則放大電路中既有直流，又有交流，直流是偏置，為放大設置條件，交流才是真正的放大量。16.3.1微變等效電路法晶體管的微變等效電路2.放大電路的微變等效電路（1）交流通路交流分量通過的路徑稱為交流通路由于C1、C2的容量的較大，對交流分量可近似看作短路；而UCC為一恒定的直流電壓源（認為內阻為0），兩端的交流電壓分量也為0，故對交流也可以看作短路，由此可得交流通路：（2）放大電路的微變等效電路當放大電路輸入信號較小時，三極管工作在特性曲線的線性放大區中時，可用一個近似的線性電路來等效代替它，從而把含有非線性元件的交流通路簡化成一個線性等效電路。3．電壓放大倍數的計算Au是用來衡量放大電路放大能力的指標，反應放大電路對信號電壓得放大能力。稱為等效負載電阻顯然，若不接RL（空載），則4．放大電路輸入電阻的計算通常RB>>rbe，所以ri≈rbe5．放大電路輸出電阻的計算對于負載而言，放大電路可以等效為一個信號源，其等效內阻即為輸出電阻。即從輸出端看進去的電阻，ro=RC一般要求電壓放大倍數盡可能大些，以得到較大的輸出電壓；輸入電阻一般要求大些好，這樣可以減小信號源的電流負擔，輸出電阻要求小一些好，這樣輸出電壓可以比較穩定。16.4靜態工作點的穩定溫度對靜態工作點的影響當溫度變化時，三極管參數β、ICEO、UBE都會變化。如溫度升高時，①產生一定IB所需的UBE將減小；②熱運動加劇，穿透電流ICEO上升；③電流放大系數β增大。2、分壓式偏置工作點穩定電路一、電路組成二、直流分析可見，UB由RB1、RB2的分壓所決定而與三極管的參數無關，不會受溫度的影響，故可以認為UB是恒定的。另外，即使更換不同值的三極管，工作點也基本不變，這給工廠批量生產和調試工作帶來了極大的方便。反饋的概念將放大電路輸入端的某一個電量（電壓或電流），用一定方式引回到輸入端。放大電路引入反饋的目的式為了改善電路的某些性能。在圖中,當溫度升高使ICQ(IEQ)增大時,UE(=IEQRE)隨之升高，由于UB恒定不變，UBEQ必然下降。UBEQ下降引起IBQ下降，進而抑制ICQ的上升，使ICQ近似維持不變，達到穩定工作點的目的工作點的這一穩定過程可用如下箭頭表示：溫度↑→→ICQ↑→→IEQ↑→→UE↑→→→→UBEQ↓→→IBQ↓→ICQ↓←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←↓在這一過程中，實際上是將放大電路的確輸出量ICQ的變化通過RE變成UE的變化,以控制三極管輸入端的電壓UBEQ，從而穩定ICQ。當ICQ上升時，反饋的作用是使UBE下降，進而使ICQ回落，這種反饋成為負反饋。三、性能指標分析1、畫微變等效電路2、電壓放大倍數eq\o(\s\up13(.),A)u定義：eq\o(\s\up13(.),A)u=eq\o(\s\up13(.),U)0/eq\o(\s\up13(.),U)i表征放大電路放大能力的指標。不帶負載時的電壓放大倍數與上式有何區別？3、輸入電阻Ri定義：Ri=ui/ii，輸入電阻越大，放大器從前級（或信號源）獲取的電壓越大，Ri=Rb//rbe4、輸出電阻RO定義；從放大器輸出端看進去的電阻，輸出電阻越小，放大器帶負載能力越強。RO=RC16.5射極輸出器一、電路組成電路特點：基極輸入信號，發射極輸出信號，電路如圖所示。二、靜態分析Re：反饋電阻，具有和分壓式偏置電路相同的穩定靜態工作點的能力。三、動態分析四、總結與思考1、射極輸出器的特點A、輸出與輸入電壓大小近似相等，相位相同。B、輸入電阻高。C、輸出電阻低。通常用于：輸入級，中間級，輸出級。2、eq\o(\s\up13(.),A)u<1且近似等于1，無電壓放大能力，是否說明射極輸出器沒有任何意義？16.6放大電路中的負反饋16.6.1什么是放大電路中的負反饋1、反饋的定義：將輸出量的部分或全部送回到放大器的輸入端，這種反方向傳輸信號的過程稱為反饋。含有反饋網絡的放大電路稱為反饋放大電路。由基本放大電路和反饋網絡組成一閉環系統。如圖所示。2、反饋的極性反饋使放大器凈輸入量得到增強的是正反饋。反饋使放大器凈輸入量得到減弱的是負反饋。3、瞬時極性法判別反饋的極性結論：對由集成運放組成的反饋電路，判斷本級反饋極性時，若反饋支路接回到反相輸入端為負反饋，接回到同相輸入端為正反饋。瞬時極性法中的瞬時極性是指瞬時電位的增加與下降的趨勢，并不代表某點電位的真正極性，使用時要注意此極性通過隔直電容、電阻等原件時極性不變。例：正反饋負反饋16.6.2負反饋的類型1、交直流反饋的判別交流反饋：反饋量為交流量，影響放大器交流性能，直流反饋：反饋量為直流量，影響放大器直流性能。例：直流反饋圖交流反饋圖：2、電壓反饋與電流反饋（反饋在輸出端的取樣）（1）從輸出端取樣點來看若反饋取樣的信號是電壓、就稱電壓反饋，若反饋取樣的信號是電流、就稱電流反饋。（2）判別電壓或電流反饋的方法將放大器的輸出電壓短路（一般是RL短接），此時若反饋量不存在就是電壓反饋，否則是電流反饋。電壓反饋電流反饋分立原件組成的反饋放大電路判別方法一樣，但有一定特點。（3）、負反饋的重要特性是能穩定被取樣量由電壓負反饋電路分析可知RL↓→uo↓→→uK↓→→uI’↑→→uo↑2、串聯反饋與并聯反饋（反饋在輸入端的接法）從輸入端的比較點來看，若輸入與反饋信號加在同一點上為并聯反饋，比較的是電流信號。并聯反饋ii'=ii-iF若輸入端與反饋信號加在不同點上為串聯反饋，比較的是電壓信號。串聯反饋ui'=ui-uF3、負反饋電路的四種類型綜合輸出端的不同取樣和輸入端不同接法，可組成四種類型的反饋放大器。（1）、電壓串聯負反饋（2）、電壓并聯負反饋（3）、電流串聯負反饋（4）、電流并聯負反饋16.6.3負反饋對放大電路工作性能的影響降低放大倍數開環放大電壓倍數A=xo/xd反饋網絡的反饋系數F=xf/xo反饋放大器的閉環放大倍數Af=xo/xi由以上三式得：Af=A/(1+AF)1+AF稱為反饋深度，當1+AF>>1時，此時，Af≈1/F，閉環放大倍數幾乎與開環放大倍數A無關，僅與反饋網絡的反饋系數有關。2、提高放大倍數的穩定性Af=A/(1+AF)dAf/dA=[(1+AF)-AF]/(1+AF)2=1/(1+AF)2dAf=dA/(1+AF)2上式兩邊分別除以Af=A/(1+AF)，則dAf/Af=1/(1+AF)dA/A表明閉環增益的相對變化率只有開環增益的1/(1+AF)。3、改善波形失真（1）只能減小，不能完全削除失真。（2）另外信號本身的失真或本身受到了干擾，引入負反饋無法削除。4、對放大電路的輸入電阻的影響A、串聯負反饋使輸入電阻增大Rif=(1+AF)Ri其中：Ri為開環狀態的輸入電阻B、并聯負反饋使輸入電阻減小Rif=Ri/(1+AF)5、對放大電路的輸出電阻的影響A、電壓負反饋使輸出電阻減小Rof=1/(1+AF)*Ro其中：Ro為開環狀態輸出電阻B、電流負反饋使輸出電阻增加Rof=(1+AF)Ro以上分析說明：引入負反饋可以多方面改善放大器的性能，但以犧牲電壓放大倍數為代價。

第17章集成運算放大器一、基本要求：1.了解集成運放的基本結構、特點及主要參數；2.理解理想運算放大器的特點、電壓傳輸特性及分析依據；3.掌握集成運放組成的基本運算電路的工作原理，輸出信號和輸入信號的關系；4.

掌握基本運算電路構成的反饋類型；5.

了解有源濾波器的工作原理；6.

掌握單限及滯回電壓比較器的工作原理和應用。

二、重點：1.

理想運算放大器的電壓傳輸特性，線性區和飽和區的特點，虛短和虛斷的概念；2．

信號運算電路的分析和計算；3．

電壓比較器的傳輸特性，會根據輸入電壓波形畫出對應的輸出波形。三、難點1．

基本運算放大電路反饋類型的判別；2．

多級運算放大電路的分析計算；3．

不同類型的電壓比較器的電壓傳輸特性的繪制及分析集成放大器分類：集成放大器按功能分：模擬集成電路和數字集成電路集成放大器按集成度分：小規模集成電路中規模集成電路大規模集成電路超大規模集成電路集成放大器按導電類型分：雙極型、單極型和兩者兼容的。17.1集成運算放大器的簡單介紹17.1.1集成運算放大器的特點①、少用電容，不用電感和高阻值電阻②、大量使用三極管作為有源單元③、普遍采用差動式電路和鏡象電流源④、電路原件間的絕緣采用緊湊的PN結隔離或二氧化硅絕緣。17.1.2電路的簡單說明1、集成運放內部電路的組成框圖集成運算放大器一般由輸入級、中間電壓放大級、輸出級及偏置電路組成。①輸入級：具有恒流源的差動放大器，②中間級：把雙端輸入變為單端輸入，電平移動和電壓放大，③輸出級：射極輸出器或互補推挽電路，④偏置電路：直流偏置，提供恒流源負載。17.1.3主要參數1、最大輸出電壓Uopp2、開環電壓放大倍數Aod3、輸入失調電壓UIO反映差動輸入級的不對稱程度4、輸入失調電流IIO反映輸入級電流參數（UBE、β）不對稱程度5、輸入偏置電流IIB6、共模輸入電壓范圍UICM17.1.4理想運算放大器及其分析依據1、集成放大器的理想特性開環電壓放大倍數A=∞；差模輸入電阻rid=∞；輸出電阻ro=0;輸入偏置電流IB1=IB2=0;共模抑制比KCMR=∞;上限頻率fH=∞。本章分析集成放大器都是按理想特性看待的。放大器傳輸特性曲線如下圖：2、集成放大器的分析重點（1）線性區在線性區工作時，滿足uo=Aui=A(u+-u—)，分析重點是；虛短原則：u+≈u—虛斷原則：rid=∞，i+=i—≈0（2）飽和區當u+＞u—時，uo=+UOM；當u+＜u—時，uo=-UOM。17.2運算放大器在信號運算方面的應用集成運放加上適當反饋網絡，可對輸入信號實行加、減、乘、除、微分和積分等運算。17.2.1比例運算反相輸入Ui經電阻R1接到反相輸入端，同相輸入端接地，“虛地”是反相輸入集成運放電路的重要特點，在分析中注意加以應用。（1）、電壓放大倍數Auf=Uo/Ui=-Rf/R1輸出與輸入成比例，相位相反（2）、輸入電阻和輸出電阻Rif=R1+Ri’≈R1(其中Ri’=≈0)Rof≈ro/(1+AF)≈0同相輸入（1）、電壓放大倍數Uo=(R1+Rf)/R1*Ui輸出與輸入成比例，相位相同。（2）、輸入電阻和輸出電阻。Rif=(1+AF)ridRof=03、當有兩個信號以上從同相、反相輸入端同時輸入時，可用疊加定理按上面介紹的兩種輸入法獲得Uo(或Auf)。在已介紹的反相輸入和同相輸入比例運算，都是比例運算電路。Uo=-Rf/R1*UiUo=(1+Rf/R1)*Ui17.2.2加法與減法運算反向加法（求和）運算分析：利用虛地概念，推廣到N個輸入端17.2.3減法運算——差動輸入電路利用疊加原理分析上式表明：電路的輸出電壓與uo輸入電壓之差(uI1-uI2)成比例，則稱為差動比例運算電路或減法運算電路。

第19章直流穩壓電源一、基本要求：1.

理解單相整流電路和濾波電路的工作原理，掌握輸出電壓的計算、元件的選擇；2.

了解穩壓管穩壓電路和串聯型穩壓電路的工作原理；3.

了解集成穩壓電路的性能及應用；4.

了解晶閘管的基本結構、工作原理、特性和主要參數；5.

了解可控整流電路的工作原理、掌握輸出電壓與控制角的關系；6.

了解單結晶體管及其觸發電路的工作原理。二、重點和難點重點：1．

單相橋式整流電路的工作原理及輸出波形圖及參數計算；2．

電容濾波電路的工作原理及參數計算；3．

集成穩壓電路的應用；4．

單相橋式半控整流電路（阻性負載）的工作原理、輸出電壓波形及輸出電壓與控制角的關系。

三、難點：1．

串聯型穩壓電路的工作原理；2．

分析晶閘管特性曲線；直流穩壓的過程：整流、濾波、穩壓三個環節。直流穩壓電源的要求：輸入電壓變化以及負載變化時，輸出電壓應保持穩定，并且紋波電壓要小。穩壓電源的種類：并聯型穩壓電源、串聯型穩壓電源、開關穩壓電源19.1整流電路整流：將正弦交流電變為脈動直流的過程。19.1.1單相半波整流電路1、電路2、原理正半周二極管導通，負半周二極管截止。輸出電壓為一脈動的直流電壓。電源電壓有半個周期中有電流流過負載，稱為半波整流。3、計算UO=0.45U2ID=IO=UO/RL=0.45U2/RL19.1.2單相橋式整流電路1、電路2、工作原理正半周：上端→D1→RL→D3→下端負半周：下端→D2→RL→D4→上端RL上的電壓始終為上正下負。3、計算輸出電壓和輸出電流的平均值是半波時的2倍，即與半波相比，輸出電壓提高，脈動減小了。19.2濾波器19.2.1電容濾波器1、電路原理：利用電容充放電的作用，使輸出電壓變得平穩，時間常數越大，輸出電壓脈動越小，負載上的電壓越平滑。2、特性：1）電容濾波使整個周期電壓平均值提高了。2）負載增大時（RL減小），放大電加快，輸出直流電壓減小，脈動成分增加，所以其帶負載能力差，只能用于小電流場合。3）接通電源和充電時，有浪涌電流流過整流二極管。3、計算及參數選擇：19.2.2電感電容濾波器電感電容濾波電路2、特點：L電感量越大，對交流分量的阻抗就越大，因此輸出電壓和電流的脈動就越小，濾波效果越好。19.2.3型濾波器1、型LC：濾波效果好，輸出電流大，負載能力較好。2、型RC：濾波效果較好，輸出電流小，負載能力差。19.3直流穩壓電源19.3.3串聯型穩壓電路一、電路框圖：二、電路原理

第21章門電路和組合邏輯電路一、基本要求：1.掌握基本門電路的邏輯功能、邏輯符號、真值表和邏輯表達式及波形圖；2.了解TTL門電路、CMOS門電路的工作原理及相應的邏輯功能和特點；3.

掌握邏輯函數四種描述方法及相互之間的轉換；4.

掌握用邏輯代數化簡和卡諾圖法化簡邏輯函數的方法；5.

掌握分析和設計簡單的組合邏輯電路；6.

了解加法器、編碼器、譯碼器及顯示譯碼驅動器等常用組合邏輯電路的工作原理，掌握其邏輯功能和應用；7.

熟悉常用集成門電路及組件的使用方法。二、重點：1．

組合邏輯電路的特點；2．

基本門電路的邏輯功能、邏輯符號、真值表和邏輯表達式及波形圖；3．

邏輯函數的表示方法及相互之間的轉換；4．

邏輯代數化簡和卡諾圖法化簡邏輯函數的方法；5．

分析和設計簡單的組合邏輯電路；6．

熟悉常用集成門電路及組件的使用方法。三、難點：1．

根據邏輯電路圖寫出邏輯表達式或根據邏輯表達式畫出邏輯圖；2．

利用邏輯代數化簡較復雜的邏輯函數；3．

設計組合邏輯電路；21.1脈沖信號脈沖信號的主要參數脈沖幅度Um：脈沖電壓波形變化的最大值，單位為伏（V）脈沖上升時間tr：脈沖波形從0.1Um上升到0.9Um所需的時間。脈沖下降時間tf：脈沖波形從0.9Um下降到0.1Um所需的時間。脈沖寬度tw：脈沖上升沿0.5Um到下降沿0.5Um所需的時間。脈沖周期T：在周期性脈沖中，相鄰兩個脈沖波形重復出現所需的時間。脈沖頻率f：每秒時間內，脈沖出現的次數。占空比q：脈沖寬度tw與脈沖重復周期T的比值，q=tw/T。21.2晶體管的開關作用數字電路中二、三極近多數工作在開關狀態，理想開關條件：1.接通時，相當于短路；斷開時，相當于開路2．開關轉換速度快三極管的開關特性1．特性：三極管的三種狀態：放大、截止、飽和，在數字電路中，三極管多工作在截止和飽和兩種狀態，對應起到開關作用。開關條件：截止條件VBE<VTH,IC≈0飽和條件臨界飽和時,設VCE=VCES,IC=ICS,IB=IBSICS=(EC–VCES)/RC,IBS≈ICS/β若iB>IBS,則飽和導通，VBE≈0.7V,VCE≈0.3V,如同閉合開關。21.3分立元件門電路21.3.1門電路的基本概念1、門電路:輸入變量和輸出變量之間存在一定的邏輯關系,也稱邏輯門電路.基本門電路：與、或、非門在數字邏輯系統中，門電路不是用有觸點的開關，而是用二極管和晶體管等分立元件組成的，但常用的是各種集成門電路。門電路的輸入和輸出信號都是用電位的高低來表示的，而電位的高低則是用“1”和“0”兩種狀態來區別。21.3.2二極管與門電路狀態表----輸入變量可能的取值組合狀態及其對應的輸出狀態列成的表格狀態表狀態表ABY000010100111口訣：有0出0，全1出14)表達式Y=AB5)符號21.3.3二極管“或”門電路3)狀態表狀態表狀態表ABY000011101111口訣：有1出1，全0出0（多輸入相同）4)表達式Y=A+B5)符號21.3.4晶體管“非”門1)電路2)狀態表狀態表狀態表AY01103)表達式Y=A4)符號5)與非門21.6邏輯代數21.6.1邏輯代數運算法則（一）、基本運算法則1、變量與常量的關系：A·1=AA+0=AA·0=0A+1=1A·A=AA+A=A2、與普通代數相似的定律：交換率：A·B=B·AA+B=B+A結合率：(A·B)C=A(B·C)(A+B)+C=A+(B+C)分配率：A(B+C)=A·B+A·CA+B·C=(A+B)(A+C)吸收率:AB+AB=AA+AB=A+BA+AB=A反演率:A+B=A·BA·B=A+B21.6.2邏輯函數的表示方法（一）．邏輯函數：----描述輸入與輸出因果關系的函數。Y=f（A、B、C……）如：Y=A·B、Y=A+B、Y=A'稱Y為A、B、C……的邏輯函數舉例:樓梯照明（二）、邏輯函數的表示方式：邏輯狀態表邏輯狀態表----輸入變量可能的取值組合狀態及其對應的輸出狀態列成的表格。邏輯狀態表的行數與輸入變量的關系：取值組合=2N特點：直觀明了，變量較多時，比較繁鎖。邏輯式一種代數表示法，由邏輯變量的與、或、非三種基本邏輯運算構成。特點：形式簡單，不能直觀反映輸入、輸出變量間的對應關系。（1）由邏輯狀態表寫出邏輯式（2）最小項1、最小項定義：在邏輯函數中，如果一個乘積項中包含了所有的變量，而且每個變量都是以原變量或是反變量的形式作為一個因子出現一次，那么這樣的乘積項稱為這些變量的一個最小項。如三變量函數中，它們組成的八個乘積項：2、最小項的性質：（1）每一個最小項都只有對應的一組變量取值使它的值為1，而在變量取其它各組值時，這個最小值均為0。（2）對應變量的任一組值，任意兩個最小項乘積為0。（3）對于最小項值的任意一組取值，所有最小項之和恒為1。3、最小項編號取使最小項值為1的對應一組變量二進制數值轉化為十進制，即為對應最小項編號，注意變量的排列順序，如：最小項:ABCABCABCABCABCABCABCABC轉換碼:000001010011100101110111下標為:m0m1m2m3m4m5m6m74、最小項表達式：邏輯函數表示為若干最小項之和的形式，這種“與或”式稱最小項表達式。邏輯函數不同表示形式的內在聯系：P155、最小項表達式求法：（1）由真值表求得：邏輯函數的與或表達式不是唯一的，但最小項表達式卻是唯一的。（2）由一般與或表達式求最小項表達式：邏輯圖邏輯圖就是用若干基本邏輯符號連接構成的圖：21.6.3邏輯函數的化簡（一）化簡的目的和最簡的概念實際中歸納出來的邏輯函數及對應電路往往并非最簡，因而有必要的化簡。最簡與或表達式：指乘積項最少，而且每一個乘積項中的變量數也最少的與或表達式。（二）、應用邏輯代數運算法則化簡1、并項法(提取公因子)：利用將兩個乘積項合并成一項，合并后消去一個互補的變量，剩下的是兩項中的公因子。2、配項法：利用將表達式中不能直接利用公式化簡的某些乘積項變成兩項，然后再用公式進行化簡。3、加項法：在邏輯式中加相同的項，而后合并化簡。4、吸收法：利用公式消去多余的因子：注意邏輯表達式化簡后，最簡表達式不是唯一的。（三）、應用卡諾圖化簡1、卡諾圖：卡諾圖是以圖示的方式來表示輸入變量的不同取值組合與函數值之間的對應關系，也稱真值圖。a、邏輯變量卡諾圖是由若干個按一定規律排列起來的方塊圖組成n變量邏輯函數，由2n個小方塊組成。0001111001m0m1m3m2m4m5m7m6（1）左上方標注變量，在左邊和上邊標注其對應的變量取值，（2）邏輯相鄰項，在2n個最小項中，凡是只有一個變量不同，其余變量都相同的最小項稱~。（3）變量卡諾圖的組成特點：把具有邏輯相鄰的最小項安排在位置相鄰的方塊中。（4）為了使相鄰的最小項具有邏輯相鄰性，變量取值不能按00→01→10→11的順序排列，而應以00→01→11→10循環碼(相鄰兩個碼之間，只有一位不同)的順序排列。（5）在變量卡諾圖中，任何幾何位置相鄰的最小項，在邏輯上邊是相鄰的。b、邏輯函數卡諾圖的畫法：在邏輯變量卡諾圖上，將構成函數的最小項填入相應的小塊中。畫法：（1）給出是邏輯函數的真值表先畫出變量卡諾圖，然后根據真值表來填寫每一小方塊的值。（2）給出的是邏輯函數了最小表達式：先畫出變量卡諾圖，然后將最小項表達式中有的最小項在對應的小方塊中填1，其它填0。例：畫出Y（A，B，C，D）=ΣM（0，2，5，7，8，10，13，15）（3）給出的是一般邏輯表達式：先變換為與或表達式，再變換最小項表達式，再變換為最小項表達式，然后再畫出函數卡諾圖。2、用圖形法化簡邏輯函數：步驟：（1）畫出函數的卡諾圖；（2）合并最小項—將包含2n個相鄰為1的小方塊圈起來，合并最小項，消去一些變量；單獨的方格，也應畫包圍圈；（3）將各個包圍圈所得的乘積項相加，得到簡化后的邏輯表達式：3、用卡諾圖合并最小項時應注意的問題：(1)圈數最少，以使得簡化后得到乘積項最少，（但不能漏圈）；(2)每個圈應盡可能大，以使得每個乘積項包含的變量最少，每個圈包含的相鄰最小項只能是1，2，4，8，……2n；(3)最小項可以被重復使用，但每一個圈至少要有一個最小項只被圈過一次，以避免出現多余項；(4)最后對得出的與或表達式進行檢查，比較，以使結果確實的最簡的與或式。注：合并最小項的方式不同，得到的最簡與或式也可能是不同的總結：群大圈全，每群有新，允許重復，不能遺漏。21.7組合邏輯電路的分析和綜合組合邏輯電路的特點：1、任一時刻的穩態輸出都只決定于該時刻的輸入信號組合，與輸入信號作用前的電路原來狀態無關。2、要結構上是由各種門電路組成，且電路不含任何具有記憶的單元，一般也不含反饋支路。21.7.1組合邏輯電路分析一、基本分析方法目的：已知邏輯圖，分析電路功能步驟：1、寫邏輯函數表達式；（逐級推導）2、進行化簡；3、列出真值；（需要時）4、指出功能。二、分析舉例：21.7.2組合邏輯電路的綜合一、組合邏輯電路的設計方法目的：從給定邏輯電路出發，求出邏輯電路圖。步驟：1、首先對命題進行分析，確定輸入變量、輸出變量，并對它們進行賦值；2、列真值表——推導出輸入、輸出間的關系；3、寫出邏輯表達式；4、畫邏輯圖。21.8加法器21.8.1二進制（1）只有“0”，“1”兩個數碼。（2）“逢二進一”，權為2i即1+1=10，即以2為基數計數體制。例：[1010]2=[1×23+0×23+1×21+0×20]10例：將[11010101]2化為10進制數：[11010101]2=[1×27+1×26+0×25+1×24+0×23+1×22+0×21+1×20]10=[213]1021.8.2半加器半加：兩個一位二進制數相加，不考慮低位來的進位，考慮向高位的進位。半加器：實現半加（兩個二時制數相加）操作的邏輯電路。例：二進制加法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10如何設計一個半加器？列真值表ABSC00000110101011012．寫出表達示S=AB+ABC=AB3．邏輯圖邏輯圖邏輯符號21.8.3全加器1、全加在多位二時制加法時，考慮到低位進位的加法，稱全加。2、功能輸入：Ai（被加數）AiAi-1……..A2A1A0Bi（加數）BiBi-1……..B2B1B0Ci-1（進位數）Ci-1……..C2C1C0輸出：Ci（進位數）CiCi-1……..C2C1C0Si（和數）SiSi-1…..S2S1S0例如：被加數1011加數1110各位進位數+）1110和數11001態表：AiBiCi-1SiCi00000001100101001101100101010111001111113．表達式：Si=Ai`Bi`Ci-1+Ai`BiCi-1`+AiBi`Ci-1`+AiBiCi-1Ci=AiCi-1+AiBi+BiCi-14．邏輯電路：P249圖21.8.25．應用：21.9編碼器編碼：用文字、符號、數碼表示特定對象的過程。二進制編碼：用二進制代碼表示輸入信號的過程。編碼器：實現編碼操作的電路。N位二進制代碼有2n種狀態,可以表示2n個信號,所以對N個信號進行編碼時,可用2n≥N來確定需使用的二進制的位數N，例如：用N位二進制表示（0~9）1021.9.1二進制編碼器將信號或對象編為二進制代碼的電路，以8—3線編碼器為例：P251圖21.9.1，得：Y2=I4+I5+I6+I7Y1=I2+I3+I6+I7Y0=I1+I3+I5+I7編碼表見表21.9.1注意：輸入信號間的互斥約束關系。21.9.2二—十進制編碼器1、定義：輸入一個十進制數0~9，通過該編碼器，在其輸出端得到相應的8421碼。2、分析：I1~I9表示0~9這十個十進制數，Y3~Y0表示8421碼表示高位----低位，某一時刻只能對一個輸入進行編碼，輸入端不允許出現兩個以上信號同時為1的現象邏輯電路圖（P253圖21.9.2）簡化編碼表（P253表21.9.2）表達式Y3=I8+I9Y2=I4+I5+I6+I7Y1=I2+I3+I6+I7Y0=I1+I3+I5+I7+I921.9.3優先編碼器一、優先編碼器定義：能對同時輸入信號中具有優先級別的信號進行編碼。二、集成優先編碼器有10線-4線和8線-3線：CT74LS14710線-4線優先編碼器編碼表（P253表21.9.3）21.10譯碼器和數字顯示譯碼：是編碼的逆過程，即把代碼的含義“翻譯”出來的過程。譯碼器：實現譯碼操作的電路。譯碼器可以將輸入代碼的狀態翻譯成相映的輸出信號表示原意。21.10.1二進制譯碼器（變量譯碼器）——將二進制代碼譯成輸出信號的電路（一）、2—4線譯碼器輸入2線，輸出22=4線1、真值表：ABY3Y2Y1Y00000010100101001011110002、表達式：Y3=ABY2=ABY1=ABY0=AB3邏輯圖(略)（二）、3線-8線譯碼器P255圖21.10.11、輸入、輸出端：A0、A1、A2三個二進制輸入端；Y0~Y7：八個輸出端（分別對應8種輸入組合）；2、狀態表(P254表21.10.1)對每一個輸入變量組合，只有一個輸出變量為1，代表當前輸入變量的相應最小項。S1、S2、S3：輸入使能端（也稱控制端），控制電路是否進行譯碼；即S1=1，S2=S3=0時，譯碼器處于“工作”狀態；反之，Y0~Y7均為1，譯碼器處于禁止工作狀態。3．進行化簡Y0=ABCY1=ABCY2=ABCY3=ABCY4=ABCY5=ABCY6=ABCY7=ABC4．邏輯圖(P255圖21.10.1)21.10.2二—十進制顯示譯碼器由譯碼器，驅動器，顯示器組成；(一)、數字顯示器：1、半導體數碼管：（1）發光二