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Chap1 电路和电路元件

电路和电路的基本物理量

强电电路：用于实现电能的传输和转换；电压较高、电流和功率较大

弱电电路：用于进行电信号的传递和处理；电压较低、电流和功率较小

直流电流（DC）：电路的大小和方向都不随时间变化

交流电流（AC）：电流的大小和方向都随时间变化

电压的方向是电位降低的方向

电动势的方向是电位升高的方向

\(p=ui>0\)：吸收功率

\(p=ui<0\)：输出功率

电阻、电感和电容元件

电阻：表征电能的消耗

电感：表征磁场能的储存

\[W_L=\frac{1}{2}L I^2\]

电容：表征电场能的储存

\[W_C=\frac{1}{2} Cu^2\]

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独立电源元件

二极管

PN 结及其单向导电性

载流子（运载电荷的粒子） = 自由电子（带负电） + 空穴（带正电）

  • 本征半导体

    • 自由电子和空穴数量相等
    • 纯净的半导体如硅、锗

  • P 型半导体

    • 自由电子小于空穴数量
    • 掺入三价元素如硼、铝、镓

  • N 型半导体

    • 自由电子大于空穴数量
    • 掺入五价元素如磷、砷、锑

  • PN 结

    • 在 P 型半导体和 N 型半导体交界面形成的空间电荷区
    • 空间电荷区产生内电场阻挡多子扩散并推动少子漂移
    • 多子的扩散运动和少子的漂移运动达到平衡，空间电荷区的宽度稳定

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  • 正向偏置

    • P 区一侧接外电源正极，N 区一侧接外电源负极
    • 空间电荷区变窄
    • 形成较大的正向电流
    • PN 结处于导通状态
    • 正向电阻数值很小

  • 反向偏置

    • 空间电荷区变宽
    • 形成很小的反向电流
    • PN 结处于截止状态
    • 反向电阻数值很大

二极管的特性和主要参数

二极管：PN 结、电极引线、管壳 阳极：由P侧引出的电极 阴极：由N侧引出的电极

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伏安特性

  • 正向特性

    • 死区：电压小，基本不导通（死区电压硅管 0.4~0.5V，锗管约 0.1V）
    • 非线性区：开始导通，电流小
    • 导通区：近似线性（导通压降硅管 0.6~0.7V，锗管 0.2~0.3V）

  • 反向特性

    • 正常工作区：截止，反向电流很小
    • 反向击穿区：反向电流过大，反向击穿

主要参数

参数：最大正向电流 \(I_{FM}\)、最高反向工作电压 \(U_{RM}\)、反向电流 \(I_R\)、最高工作频率 \(f_M\)

二极管的工作点和理想特性

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工作点：\(U_D=U_S-RI_D\) 静态电阻：\(R_D=\frac{U_D}{I_D}\) 动态电阻：\(r_D=\frac{dU_D}{dI_D}\)

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理想特性：分为考虑导通压降和忽略导通压降

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二极管电路分析

  • 单个：阳极电位高于阴极电位足够大小
  • 多个：
    • 阳极接于同一点（同电位），阴极电位最低的优先导通
    • 阴极接于同一点（同电位），阳极电位最高的优先导通

稳压二极管

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伏安特性：反向击穿区特性曲线陡直（稳压特性）

主要参数：稳定电压 \(U_Z\)，动态电阻 \(r_Z\)，稳定电流 \(I_Z\)、最大耗散功率 \(P_{ZM}\)、电压温度系数 \(\alpha_{U_Z}\)

稳压条件：\(U_I>U_Z\)，有一定的 \(I_Z\)

稳态二极管的动态电阻越小，稳压效果越好

稳压二极管工作在反向击穿状态

发光二极管和光电二极管

发光二极管：简称 LED，导通压降大于普通二极管

光电二极管：使用时反向接入电路，即阳极接电源负极，阴极接电源正极

双极晶体管

基本结构和电流放电作用

基本结构和符号

双极晶体管（BJT）简称晶体管、三极管

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  • 两个 PN 结：发射结、集电结
  • 三个电极：发射极 E、基极 B、集电极 C
  • 三个区：
    • 发射区：杂质浓度高
    • 集电区：杂质浓度高，比发射区稍低
    • 基区：杂质浓度相对很低

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电流放大作用

条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置

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\[I_E=I_C+I_B\]
\[I_B \ll I_C \approx I_E\]

小的基极电流变化量 -> 大的集电极电流变化量，具有电流放大作用

特性曲线和主要参数

输入特性曲线：以 \(u_{CE}\) 为参变量，\(i_B\) 和 \(u_{BE}\) 之间的关系，即

\[i_B=f(u_{BE})|u_{CE= 常数 }\]

输出特性曲线：以 \(i_B\) 为参变量，\(i_C\) 和 \(u_{CE}\) 之间的关系，即

\[i_c=f(u_{CE})|i_{B= 常数 }\]

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  • \(I_B=0\) 曲线以下区域
  • 集电结、发射结均反向偏置
  • 无放大作用
  • \(I_C=I_{CEO}\approx 0\) \(I_{CEO}\) 为穿透电流
  • 集电极和发射极相当于断开开关——用于开关电路
  • \(U_{CE}\le U_{BE}\) 区域
  • 发射结、集电结均正向偏置
  • 无放大作用
  • 有 \(I_C\)，但 \(U_{CE}=U_{CES}\approx 0\)
  • 集电极和发射极相当于接通开关——用于开关电路
  • 发射结正向偏置，集电结反向偏置
  • 有放大作用——用于放大电路

主要参数： - 电流放大系数 \(\bar{\beta}=\frac{I_C-I_{CEO}}{I_B}\approx \frac{I_C}{I_B}（直流）\) \(\beta=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}（交流）\) - 穿透电流 \(I_{CEO}\) - 集电极最大允许电流 \(I_{CM}\) - 集电极最大允许耗散功率 \(P_{CM}\) - 集电极——发射极反向击穿电压 \(U_{(BR)CEO}\)

简化的小信号模型

受控源：非独立电源，输出电压或电流受电路中另一电压或电流的控制

  • 电压控制电压源（VCVS）
  • 电压控制电流源（VCCS）
  • 电流控制电压源（CCVS）
  • 电流控制电流源（CCCS）

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B-E 之间，工作在输入特性的近似线性区，用电阻 \(r_{be}\) 模拟

\[r_{be}=\frac{\Delta U_{BE}}{\Delta I_B}=r_b+(1+\beta)\frac{26}{I_E}\]

\(r_b\)=200Ω，\(I_E\) 单位 mA

C-E 之间，\(I_C=\beta I_B\)

\(I_C\) 和 \(U_{CE}\) 基本无关

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双极晶体管是电流控制电流源

绝缘栅场效晶体管

场效晶体管：简称 FET，分为结型场效晶体管、绝缘栅场效晶体管

基本结构和工作原理

类型 - N沟道绝缘场效晶体管（NMOS）和P沟道绝缘场效晶体管（PMOS） - 增强型绝缘场效晶体管和耗尽型绝缘场效晶体管

MOS 管：金属 - 氧化物 - 半导体场效晶体管

场效晶体管的源极相当于晶体管的发射极，漏极相当于集电极，栅极相当于基极

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特性曲线和主要参数

特性曲线

输出特性：以 \(u_{cs}\) 为参变量时，\(i_D\) 和 \(u_{DS}\) 之间的关系，即

\[i_D=f(u_{DS})|u_{CS= 常数 }\]

转移特性：以 \(u_{DS}\) 为参变量时，\(i_D\) 和 \(u_{CS}\) 之间的关系，即

\[i_D=f(u_{CS})|u_{DS= 常数 }\]

可近似表示为

\[I_D=I_{DSS}(1-\frac{U_{GS}}{U_{GS_{(off)}}})^2\]

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主要参数

主要参数： - 夹断电压\(U_{GS_{off}}\)和开启电压\(U_{GS_{th}}\) - 饱和漏极电流\(I_{DSS}\)，即\(u_{GS}=0\)时的漏极电流 - 低频跨导\(g_m\) - 最大漏极电流\(I_{DM}\)和最大耗散功率\(P_{DM}\) - 最大漏-源击穿电压\(U_{(BR)DS}\) - 栅源直流电阻\(R_{GS}\)

简化的小信号模型

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