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模擬電子技術基礎教程(第二版)

包郵 模擬電子技術基礎教程(第二版)

出版社:科學出版社出版時間:2022-02-01
開本: 16開 頁數: 341
本類榜單:工業技術銷量榜
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模擬電子技術基礎教程(第二版) 版權信息

模擬電子技術基礎教程(第二版) 內容簡介

本書根據模擬電子技術課程教學基本要求與學習特點,適應近年來模擬電子技術的發展,主要討論模擬電子電路的基本概念、基本原理、基本電路和分析方法,共8章,內容包括:半導體器件、放大電路基礎、模擬集成運算放大器、模擬信號運算與處理電路、反饋放大電路、信號產生電路、功率放大電路、直流穩壓電源。本書可作為高等學校自動化與電氣信息類專業(包括電氣工程及其自動化、自動化、測控技術與儀器、探測制導與控制技術、生物醫學工程等)模擬電子技術課程的教材,也可供其他相關專業選用和有關工程技術人員閱讀。

模擬電子技術基礎教程(第二版) 目錄

目錄
前言
本書主要符號說明
第1章 半導體器件 1
1.1 半導體基礎知識 1
1.1.1 半導體特性 1
1.1.2 本征半導體 1
1.1.3 雜質半導體 2
1.1.4 PN結形成 5
1.1.5 PN結單向導電性 6
1.1.6 PN結電容特性 9
1.2 半導體二極管 11
1.2.1 二極管結構 11
1.2.2 二極管特性曲線 11
1.2.3 二極管主要參數 13
1.2.4 二極管等效模型 14
1.2.5 二極管應用電路 16
1.2.6 特殊二極管 17
1.3 雙極型三極管 21
1.3.1 三極管結構 21
1.3.2 三極管工作原理 21
1.3.3 三極管特性曲線 24
1.3.4 三極管主要參數 28
1.3.5 三極管等效模型 29
1.4 場效應晶體管 34
1.4.1 結型場效應管 34
1.4.2 絕緣柵型場效應管 38
1.4.3 場效應管主要參數 44
1.4.4 場效應管等效模型 46
1.4.5 場效應管與雙極型三極管的比較 47
1.5 二極管應用電路Multisim仿真 47
本章小結 50
習題 51
第2章 放大電路基礎 55
2.1 放大電路的概念與技術指標 55
2.1.1 放大電路的概念 55
2.1.2 放大電路主要技術指標 56
2.2 共射放大電路 58
2.2.1 共射放大電路的組成及工作原理 58
2.2.2 放大電路分析方法 61
2.2.3 分壓式偏置共射放大電路 70
2.3 共基和共集放大電路 74
2.3.1 共基放大電路 74
2.3.2 共集放大電路 76
2.3.3 三種組態三極管放大電路的比較 78
2.4 場效應管放大電路 79
2.4.1 場效應管偏置電路 79
2.4.2 共源放大電路 81
2.4.3 共漏放大電路 82
2.4.4 共柵放大電路 83
2.4.5 三種組態場效應管放大電路的比較 85
2.5 多級放大電路 86
2.5.1 級間耦合方式 86
2.5.2 多級放大電路分析 89
2.6 放大電路頻率響應 93
2.6.1 頻率響應概念 94
2.6.2 RC電路頻率響應及伯德圖表示 95
2.6.3 三極管的頻率參數 99
2.6.4 共射放大電路頻率響應 101
2.6.5 共基和共集放大電路高頻響應 108
2.6.6 多級放大電路頻率響應 109
2.7 基本放大電路Multisim仿真 112
本章小結 119
習題 121
第3章 模擬集成運算放大器 129
3.1 電流源電路 130
3.2 差動放大電路 137
3.2.1 雙極型三極管差動放大電路 137
3.2.2 場效應管差動放大電路 144
3.2.3 差動放大電路傳輸特性 146
3.3 雙極型集成運算放大器 150
3.3.1 集成運算放大器的基本組成 150
3.3.2 典型BJT集成運算放大器 152
3.4 場效應管型集成運算放大器 154
3.4.1 BiFET集成運算放大器 154
3.4.2 CMOS集成運算放大器 155
3.5 集成運算放大器的主要技術
參數 156
3.6 差動放大電路Multisim仿真 162
本章小結 165
習題 166
第4章 模擬信號運算與處理電路 170
4.1 基本運算電路 170
4.1.1 比例運算電路 170
4.1.2 求和運算電路 174
4.1.3 積分和微分運算電路 177
4.1.4 對數和反對數運算電路 179
4.1.5 典型集成運放運算電路誤差分析 181
4.2 有源濾波器 186
4.2.1 濾波電路的作用與分類 186
4.2.2 一階有源濾波器 187
4.2.3 二階有源濾波器 188
4.3 電壓比較器 195
4.3.1 單門限比較器 195
4.3.2 遲滯比較器 197
4.3.3 集成電壓比較器 200
4.4 模擬信號處理電路Multisim
仿真 202
本章小結 205
習題 206
第5章 反饋放大電路 212
5.1 反饋的基本概念與分類 212
5.1.1 反饋的基本概念 212
5.1.2 反饋的分類與判斷 212
5.1.3 反饋放大電路的方框圖表示及其一般表達式 220
5.2 負反饋對放大電路性能的影響 222
5.2.1 提高放大電路穩定性 222
5.2.2 減小非線性失真 223
5.2.3 擴展通頻帶 223
5.2.4 抑制反饋環內噪聲 225
5.2.5 對輸入電阻和輸出電阻的影響 226
5.3 深度負反饋放大電路的分析計算 229
5.3.1 深度負反饋的特點 230
5.3.2 深度負反饋放大電路計算 230
5.4 負反饋放大電路穩定性分析 235
5.4.1 自激振蕩與穩定條件分析 235
5.4.2 常用的頻率補償方法 238
5.5 負反饋放大電路Multisim仿真 241
本章小結 244
習題 245
第6章 信號產生電路 250
6.1 正弦波振蕩電路 250
6.1.1 正弦波振蕩電路的基本工作原理 250
6.1.2 RC正弦波振蕩電路 252
6.1.3 LC正弦波振蕩電路 257
6.1.4 石英晶體正弦波振蕩電路 264
6.2 非正弦波信號發生器 266
6.2.1 矩形波信號發生器 267
6.2.2 三角波信號發生器 270
6.2.3 鋸齒波信號發生器 272
6.2.4 壓控振蕩器 273
6.3 集成多功能信號發生器 274
6.4 信號產生電路Multisim仿真 276
本章小結 280
習題 280
第7章 功率放大電路 286
7.1 功率放大電路的一般問題 286
7.1.1 功率放大電路的特點 286
7.1.2 提高功放電路效率的主要途徑 287
7.2 互補推挽功率放大電路 289
7.2.1 乙類互補對稱功率放大電路 289
7.2.2 甲乙類互補對稱功率放大電路 296
7.2.3 準互補對稱功率放大電路 297
7.2.4 單電源互補對稱功率放大電路 298
7.2.5 變壓器耦合推挽功率放大電路 299
7.3 典型集成功率放大器 300
7.4 功率器件的使用和保護 302
7.5 功率放大電路Multisim仿真 305
本章小結 308
習題 309
第8章 直流穩壓電源 314
8.1 整流與濾波電路 315
8.1.1 整流電路 315
8.1.2 濾波電路 316
8.2 線性直流穩壓電路 320
8.2.1 串聯型線性直流穩壓電路 321
8.2.2 線性集成穩壓器 327
8.3 線性直流穩壓電源Multisim仿真 335
本章小結 338
習題 339
參考文獻 342
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模擬電子技術基礎教程(第二版) 節選

第1章 半導體器件 【內容提要】*先介紹半導體的基礎知識,包括本征半導體、雜質半導體、 PN結形成、 PN結單向導電性和 PN結電容特性。接著分別闡述半導體二極管、雙極型三極管、場效應晶體管的結構、工作原理、特性曲線、主要參數和等效模型。從而為后續各章討論由半導體器件構成的電子電路打下基礎。 1.1 半導體基礎知識 1.1.1 半導體特性 按照導電能力的不同,自然界的物質可以分為導體、絕緣體和半導體三類。導體具有很強的導電能力,常見的導體有銅、鋁、鐵、銀等;絕緣體不導電,如塑料、陶瓷、石英、橡膠等;半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間,如硅、鍺、砷化鎵等。常溫下,半導體的導電能力很弱,溫度升高或者摻入雜質可以提高其導電能力。 1.1.2 本征半導體 純凈的沒有摻入雜質的半導體稱為本征半導體。*常見的半導體材料是硅和鍺,其原子結構如圖1.1.1(a)所示,*外層都是四個價電子。研究半導體導電性能時,常用價電子與慣性核組成的簡化模型來表示原子,如圖1.1.1(b)所示,慣性核由原子核和內層電子組成,帶4個單位的正電荷。 圖1.1.1 硅和鍺的原子結構和簡化模型 1.本征激發和復合 在本征硅半導體中,每個硅原子的四個價電子,與周圍的硅原子形成四個共價鍵,如圖1.1.2所示。價電子由于受到共價鍵的束縛,很難變成自由電子,因此在熱力學溫度 T=0K 時,本征硅半導體中沒有自由移動的載流子,因而不能導電。 在受熱或者外加電場的作用下,價電子的能量增加,少量價電子掙脫共價鍵的束縛變成自由電子。價電子從共價鍵中跑出后,會在原來的位置上留下一個空位,也稱為空穴。 每產生一個自由電子,就會形成一個空穴,所以自由電子和空穴總是成對產生的,稱為自由電子-空穴對。形成自由電子-空穴對的過程,稱為本征激發,也稱為熱激發。 若在本征半導體兩端外加一定的電壓,自由電子將按照一定的方向產生定向運動,形成電子電流。另外,價電子受到電場的作用,其能量增加,從而可以掙脫共價鍵的束縛,填補空穴,而在原來的位置上留下一個新的空位,如圖1.1.3所示。價電子依次填補空穴的運動與空穴向相反方向運動的效果相當,因此,可以把空穴視為帶一個單位正電荷的載流子。所以,本征半導體中,存在兩種載流子:自由電子和空穴。 圖1.1.2 晶體的共價鍵結構 圖1.1.3 本征激發時,自由電子和空穴的產生與移動 由于本征激發,不斷產生自由電子-空穴對,將使載流子濃度增加。同時,自由電子在運動過程中,也會與空穴相遇釋放能量,自由電子和空穴成對消失,這一過程稱為復合。 2.熱平衡載流子濃度 從宏觀上看,本征半導體呈電中性,自由電子和空穴數量相等。在一定溫度下,本征激發和復合會在某一載流子濃度上達到平衡狀態,用 ni和 pi分別表示一定溫度下的本征半導體中自由電子和空穴的濃度,則有 (1.1.1) 本征半導體中載流子濃度和溫度的關系為 (1.1.2) 式中, A是與半導體材料、載流子有效質量、載流子能級相關的常量,硅材料;鍺材料;T為熱力學溫度; k為玻爾茲曼常數; Ego為時,破壞共價鍵所需要的能量,又稱禁帶寬度(forbidden gap),硅材料,鍺材料 。可以看出,時,載流子濃度為0,本征半導體中無自由運動的載流子。溫度升高,自由電子和空穴濃度增大,本征半導體導電能力相應增強。 時,本征硅半導體中載流子濃度為,本征鍺半導體中載流子濃度為。兩種半導體中載流子濃度和原子密度(約為1022 cm-3量級)相比是微不足道的,所以本征半導體導電能力很弱,不能直接用來制作半導體器件。 1.1.3 雜質半導體 在本征半導體中,摻入少量雜質,可顯著提高半導體的導電性能。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。根據摻雜元素的不同,雜質半導體可以分為 N型半導體和 P型半導體。 1. N型半導體 在本征半導體中,摻入五價的雜質元素(如磷、砷、銻等)構成 N型半導體。五價雜質原子在與周圍的硅原子形成共價鍵時,會多余一個電子,這個多余的電子不受共價鍵的束縛,在熱激發或其他條件下,很容易掙脫原子核的束縛,變成自由電子。雜質原子由于失去一個電子而變成帶一個單位正電荷的雜質離子。 N型半導體結構示意圖如圖1.1.4(a)所示。由于雜質原子能夠提供電子,所以稱其為施主原子。在 N型半導體中,除了摻雜產生自由電子外,由于本征激發,也會形成少量的自由電子-空穴對。摻入五價雜質,使得自由電子濃度提高,與此同時,摻雜形成的自由電子會和空穴相遇而發生復合現象,使得空穴濃度進一步降低。所以, N型半導體中,自由電子是多數載流子,簡稱多子,空穴是少數載流子,簡稱少子。 N型半導體可用圖1.1.4(b)簡化表示。 圖1.1.4 N型半導體結構示意圖和簡化表示 N型半導體中,自由電子主要由摻雜產生,此外,本征激發也產生了少量的自由電子。若用 nN表示 N型半導體中自由電子的濃度, pN表示 N型半導體中空穴的濃度, ND表示施主原子的濃度,由于整塊半導體必定滿足電中性條件,因此三者有如下關系: (1.1.3) 式(1.1.3)表明: N型半導體中,自由電子濃度等于空穴濃度與施主原子的濃度之和,整個半導體呈電中性。 通常,,則nN≈ND ,表明自由電子濃度近似等于施主原子的濃度,與溫度無關。 理論可以證明,一定溫度下,兩種載流子濃度的乘積恒等于本征載流子濃度值 ni的平方,即 (1.1.4) 可見,一定溫度下,N型半導體中,空穴濃度與自由電子濃度成反比。因此,隨著摻雜濃度增加,自由電子濃度增加,空穴濃度則相應減小。當溫度升高時,本征載流子濃度 ni會隨溫度增加,多子(自由電子)的濃度由摻雜決定,基本不受溫度影響,少子(空穴)的濃度會隨著溫度的升高而增加。 2. P型半導體 在本征半導體中,摻入三價的雜質元素(如硼、鋁等)則構成 P型半導體。三價雜質原子在與周圍的硅原子形成共價鍵時,由于缺少一個電子,從而在共價鍵中留下一個空位(空穴),鄰近共價鍵中的電子很容易受到激發來填補這個空位。雜質原子由于得到一個電子而變成帶一個單位負電荷的雜質離子。 P型半導體結構示意圖如圖1.1.5(a)所示。由于雜質原子能夠接受電子,因此稱其為受主雜質。在 P型半導體中,由于本征激發,會形成少量的自由電子-空穴對。摻入三價雜質,使得空穴濃度提高,與此同時,摻雜形成的空穴會和自由電子相遇而發生復合現象,使得自由電子濃度進一步降低。所以, P型半導體中,空穴是多數載流子,簡稱多子;自由電子是少數載流子,簡稱少子。 P型半導體可用圖1.1.5(b)簡化表示。 圖1.1.5 P型半導體結構示意圖和簡化表示若用 nP表示 P型半導體中自由電子的濃度, pP表示 P型半導體中空穴的濃度, NA表示受主原子的濃度,類似于 N型半導體濃度的分析,對于 P型半導體,有 (1.1.5) (1.1.6) 可見,一定溫度下, P型半導體中,多子空穴濃度由摻雜濃度決定,自由電子濃度與空穴濃度成反比。因此,隨著摻雜濃度增加,空穴濃度增加,自由電子濃度則相應減小。當溫度升高時,本征載流子濃度 n會隨溫度增加,多子(空穴)的濃度由摻雜決定,基本不受溫度影響,少子(自由電子)的濃度會隨著溫度的升高而增加。 【例1.1.1】一塊 N型硅半導體,已知摻雜濃度為,室溫 T=300K 時,本征載流子濃度,試求該溫度下,雜質半導體中自由電子和空穴的濃度。 解:N型半導體中,自由電子的濃度約等于施主原子的濃度自由電子和空穴濃度的乘積恒等于本征載流子濃度值 ni的平方,故 可見,摻雜可以大大改變半導體內載流子的濃度。摻雜濃度決定了多子的濃度,摻雜使多子濃度提高了104量級,溫度對其影響很小;摻雜使得少子濃度大大降低,如果溫度發生變化,本征載流子濃度 ni( pi)隨之變化,少子濃度會有顯著的變化。 1.1.4 PN結形成 將本征硅(或鍺)半導體的一側摻雜為 P區,另一側摻雜為 N區,則 P區和 N區的交界面上將形成正負離子集中的薄層,稱為 PN結。 在 P型和 N型半導體交界面兩側,電子和空穴的濃度截然不同。 P區空穴濃度高,NPN結形成區自由電子濃度高。交界面兩側存在濃度差,P區的多子空穴、 N區的多子自由電子會向對過程方擴散,如圖1.1.6(a)所示。多子一邊擴散一邊復合,交界面兩側留下正、負離子集中的薄層,如圖1.1.6(b)所示,稱為空間電荷區,也稱為 PN結。空間電荷區將形成從正電荷指向負電荷的電場E內 ,稱作內電場,其方向從 N區指向 P區。由于空間電荷區沒有自由移動的載流子,因此也稱為耗盡層。多子由于濃度差而向對方擴散的運動,稱為擴散運動。擴散運動的結果使得空間電荷區變寬,內電場增強。空間電荷區的內電場將阻礙多子進一步向對方擴散,所以空間電荷區又稱為阻擋層。內電場形成以后, P區的少子自由電子、 N區的少子空穴將在電場的作用下向對方運動。少子在電場作用下向對方的運動,稱為漂移運動。漂移過來的少子,將中和空間電荷區的正負離子,使得空間電荷區變窄,內電場減弱。*終,擴散運動和漂移運動達到動態平衡,空間電荷區的寬度保持不變。 圖1.1.6 PN結的形成 達到動態平衡的 PN結,內電場從 N區指向 P區,說明 N區的電位比 P區高,交界面兩側存在一定的電位差,稱為接觸電位差 Uφ。所以,空間電荷區也是電勢累積的區域,故也稱為勢壘區。接觸電位差的大小由式(1.1.7)決定。 式中,pP、nN分別為 P區空穴的濃度和 N區電子的濃度; UT為溫度的電壓當量,由式(1.1.8)計算。 (1.1.8) 式中, q為一個電子的電荷量,。常溫 T=300K時,的大小一般為零點幾伏。 T=300K時,硅的Uφ為0.6~0.8V,鍺的Uφ為0.2~0.3V。 當 P區和 N區的摻雜濃度相同時,空間電荷區在兩個區域的寬度相等,稱為對稱 PN結。當 P區和 N區的摻雜濃度不等時,空間電荷區主要向摻雜濃度低的一側擴展,濃度高的一側的寬度較小,這樣的 PN結稱為不對稱 PN結,如圖1.1.7所示。 圖1.1.7 不對稱 PN結示意圖 1.1.5 PN結單向導電性 PN結的單向導電性是指外加不同極性電壓時, PN結的導電能力會表現出巨大的反差。PN結單向導電性是 PN結的基本特性。導電性結正偏將 PN結的 P區接電源的正端, N區接電源的負端,這種接法稱為 PN結正向偏置,簡稱 PN結正偏。 如圖1.1.8所示,PN結正偏時,外加電場的方向從 P區指向 N區,外加電場將促進多子向對方的擴散運動,多子向空間電荷區運動,會中和一部分正、負離子,從而使得空間電荷區變窄。外加電場方向與內電場方向相反,削弱了內電場的作用,使得多子擴散運動 圖1.1.8 PN結外加正向電壓

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