第01章080729.docx
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第01章080729
课程教学课时分配方案
《模拟电子技术》课程是电子信息类、电气信息类各专业（含电子信息、通信工程、应用电子技术、电气自动化等专业及相关专业）的专业基础课，涉及的专业很多，各学校的教学诉求、教学侧重点有所不同；另一方面，作为一本理论教学的参考书、实验与技能操作训练的指导书和基本电路的使用手册，在教材的结构上，本书除理论讲述外，每个章节都安排有丰富的课堂活动内容，每章都编有计算机Multisim仿真、实验与技能操作训练、小结和习题等内容，可供选择、编排的内容较多。
而各学校《模拟电子技术》课程教学课时的数量、教学内容的选择和课时的安排有较大的差异，因此，各学校可根据教学实际的需要，适当地取舍、灵活地安排。
编者根据本校的教学情况和自己的教学经验，给出了三种课时的分配方案，仅供参考。
教材中标有“*”的内容属于加深加宽或自学阅读的参考内容，下面的课时分配中不包括此类内容，教师可根据学时情况和专业要求适当选择。
方案一：
96教学课时数的课时分配
序号
章节
课时分配
理论课
习题课
实验课
其它
共计
0
*导言
1
第1章半导体二极管及其应用
6
2
2
10
2
第2章半导体三极管
6
2
2
10
3
第3章基本放大电路
12
2
4
18
4
第4章集成运算放大器
4
2
6
5
第5章负反馈放大电路
6
2
8
6
第6章集成运算放大器的应用
6
2
2
10
7
第7章功率放大电路
4
2
6
8
第8章信号产生电路
6
2
8
9
第9章直流稳压电源
6
2
8
10
*第10章晶闸管电路
11
*附录
12
课程设计、制作、测试
8
8
13
机动、复习
4
合计
56
8
20
12
96
方案二：
78教学课时数的课时分配
序号
章节
课时分配
理论课
习题课
实验课
其它
共计
0
*导言
1
第1章半导体二极管及其应用
4
2
2
10
2
第2章半导体三极管
4
2
2
10
3
第3章基本放大电路
10
2
2
18
4
第4章集成运算放大器
4
2
6
5
第5章负反馈放大电路
4
2
8
6
第6章集成运算放大器的应用
4
2
10
7
第7章功率放大电路
4
2
6
8
第8章信号产生电路
4
2
8
9
第9章直流稳压电源
4
2
8
10
*第10章晶闸管电路
11
*附录
12
课程设计、制作、测试
8
8
13
机动、复习
4
合计
42
6
18
12
78
方案三：
64教学课时数的课时分配
序号
章节
课时分配
理论课
习题课
实验课
其它
共计
0
*导言
1
第1章半导体二极管及其应用
4
2
10
2
第2章半导体三极管
4
2
2
10
3
第3章基本放大电路
10
2
2
18
4
第4章集成运算放大器
4
6
5
第5章负反馈放大电路
4
2
8
6
第6章集成运算放大器的应用
4
2
10
7
第7章功率放大电路
2
6
8
第8章信号产生电路
2
2
8
9
第9章直流稳压电源
4
8
10
*第10章晶闸管电路
11
*附录
12
课程设计、制作、测试
8
8
13
机动、复习
2
合计
38
6
10
10
64
第1章 半导体二极管及其应用
本章基本内容、教学要点及能力培养目标
由于半导体二极管是非线性器件，因此使用了描述二极管特性的伏安特性曲线的近似的线性模型来进行二极管工作状态的判断和电路的分析。
这些概念和方法贯穿了整个模拟电子技术的学习过程，是学习电子线路的基础。
通过本章的学习，要了解二极管的工作原理；要掌握二极管的伏安特性、二极管的几种主要近似模型和使用这些模型的条件、二极管电路的分析方法；要熟练掌握二极管正偏和反偏的概念及其单向导电的特性；要熟练掌握二极管的简易测试和二极管工作状态判断的技能；要熟悉普通二极管、稳压二极管、发光二极管的典型应用电路。
本章要讨论的问题
●PN结及其单向导电的特性？
●二极管及其伏安特性？
●如何用万用表检测二极管？
●用什么方法分析二极管电路？
●二极管有哪些典型应用电路？
其工作原理？
●如何分析、排除二极管应用电路的故障？
●如何用Multisim软件分析二极管电路？
1.1 半导体基础知识
重点内容
1、PN结；
2、PN结的单向导电性。
难点内容
PN结的形成过程
课堂提问和讨论解答
T1.1.1 PN结是什么？
解答：
在同一块本征半导体的基片（如硅片）上采用不同的掺杂工艺，生成P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处会形成一个由不能移动的带电离子构成的空间电荷区。
当由浓度差产生的扩散运动和由内建电场产生的漂移运动达到动态平衡时，交界面处形成的稳定的空间电荷区称为PN结。
T1.1.2 PN结有什么重要特性？
解答：
PN结具有单向导电的特性。
当外加正偏电压（P＋，N－）时，内电场被削弱，PN结变窄，多子的扩散运动加强，并通过外加电源回路形成正向电流。
当外加电压增加至一定数值后，正向电流将显著增加，此时，PN结呈现的电阻很小，外加正向电压对正向电流有很大的影响，称为正向导通状态。
当外加反偏电压（P－，N＋）时，由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场的方向相同，内电场被加强，PN结变宽，漂移运动得到加强，并在外电场的作用下，通过外加电源回路形成反向电流。
此时，PN结呈现的电阻很大，反向电流几乎不随外加电压而变化，称为反向截止状态。
综上所述，PN结在外加电场的作用下，正偏导通，反偏截止，具有单向导电的特性。
T1.1.3 PN结的正偏说的是什么？
PN结的反偏说的是什么
解答：
加在PN结上的外加电压称为偏置电压，若P区接电源正极，N区接电源负极，称为正向偏置，简称正偏；反之，若P区接电源负极，N区接电源正极，则称为反向偏置，简称反偏。
为了防止正向电流过大而损坏PN结，正偏时应在回路中串接适当大小的限流电阻。
1.2 半导体二极管
重点内容
1、二极管的伏安特性；
2、二极管的主要参数；
3、二极管的简易测试。
难点内容
1、温度对二极管特性的影响；
2、二极管的PN结电容效应。
课堂提问和讨论解答
T1.2.1 什么是二极管的正向偏置和反向偏置？
解答：
加在二极管两端线间的外加电压称为偏置电压，若阳阴极间电压VAK＞0，称为正向偏置，简称正偏；反之，若VAK＜0，称为反向偏置，简称反偏。
T1.2.2 二极管有什么重要特性？
解答：
半导体二极管的伏安特性曲线，如图1.2.3所示，是二极管外部特性最直观、形象的表述。
与PN结一样，二极管具有单向导电特性。
工程上，一般认为，当二极管两端的外加电压大于正向导通压降VD（on） 时，二极管导通，当二极管两端的外加电压小于正向导通压降VD（on） 时，二极管截止。
如图1.2.3所示，二极管的伏安特性曲线是非线性的，所以二极管是非线性元件。
它不仅正、反向导电性能差别很大，而且在不同的偏置电压作用下，二极管的直流电阻和交流电阻也是不同的。
1.正向特性
对应于图1.2.3的第①段为正向特性。
当二极管两端所加的正向电压vD（方向从阳极指向阴极）较小时，正向电流几乎为零，二极管呈现的电阻较大，这个区域通常称为死区。
当二极管两端的正向电压vD超过一定数值VD（th） 后，流过二极管的电流iD将随外加电压依式（1.2.1）按指数规律迅速增长，二极管正向导通。
2.反向特性
对应于图1.2.3的第②段为反向特性。
二极管在反向电压作用下，反向电流很小，且基本与反向电压的大小无关，二极管反偏截止。
由于反向电流是因热激发产生的，所以它对温度非常敏感。
当反向电压增加到一定数值VBR时，反向电流剧增，二极管呈现反向击穿状态，如图1.2.3的第③段所示。
由于PN结已被击穿，故此段的伏安特性不适用于式
。
T1.2.3 工程中，普通小功率二极管正向导通压降VD（on） ，硅管取多少？
锗管取多少？
解答：
VD（th）叫做门坎电压或阀值电压，在室温下，小功率硅管约为0.5V，小功率锗管约为0.1V。
正常使用，在二极管所能承受的电流范围内，二极管的正向导通压降VF很小，小功率硅管约为0.6~0.8V，小功率锗管约为0.2~0.3V，且几乎维持恒定不变，工程上一般取小功率硅管为0.7V，小功率锗管为0.2V。
并用符号VD（on） 表示，称为正向导通压降。
T1.2.4 工程中，普通小功率二极管反向饱和电流，硅管的数量级是多少？
锗管的数量级是多少？
解答：
一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率的硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在μA数量级。
T1.2.5 温度对二极管的特性有哪些影响？
解答：
二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动，相对于同一正向电流的正向压降减小；反向特性曲线向下移动，反向电流增大。
变化的规律是：
在室温附近，iD一定时，温度每升高1℃，正向压降约减小2.5mV；温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。
T1.2.6 如何使用指针式万用表检测普通小功率二极管？
解答：
用万用表检测二极管，就是检测二极管的单向导电性。
将万用表置于R×1k档或R×100档（不要用R×1档或R×10k档，因为R×1档测量电流太大，容易烧坏二极管，而R×10k档测量电压太高，可能击穿二极管），调零后用表笔分别正、反接于二极管的两端引脚，如图1.2.6所示。
一般硅材料的普通小功率二极管正向电阻为几千欧，锗材料的为几百欧；反向电阻，硅管在几百千欧以上，锗管在几十千欧以上。
正向电阻越小，反向电阻越大的二极管质量越好。
如果正、反两次测得的电阻都很小，说明二极管内部短路；若正、反两次测得的电阻都很大，则说明二极管内部断路；若两次测得的电阻相差不大，则说明二极管性能很差，不能使用。
大功率二极管的正、反向电阻数值比小功率二极管的都要小得多。
但有一点是相同的，对于一只二极管而言，反向电阻与正向电阻的比值越大，性能越好。
测量正向电阻时，黑表笔应连接二极管的阳极，红表笔应连接二极管的阴极；测量反向电阻时，黑表笔应连接二极管的阴极，红表笔应连接二极管的阳极。
因为指针式万用表置于欧姆档位时，黑表笔连接的是表内电池的正极，红表笔连接的是表内电池的负极。
T1.2.7 使用二极管应注意哪些问题？
解答：
二极管的参数是二极管特性的定量描述，是合理选择和正确使用二极管的依据。
在使用时，应特别注意电路参数不要超过其最大整流电路IFM和最高反向工作电压VRM，否则二极管容易损坏。
IFM指管子长期工作时，允许通过的最大正向平均电流，由PN结的面积和散热条件所决定。
实际使用时，应加以限制，以免正向电流过大，若超过此值，有可能烧坏二极管。
VRM指二极管工作时所允许施加在二极管两端的最高反向电压，实际工作电压应小于此值，若超过此值二极管就有可能被反向击穿。
一般器件手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压VBR的一半，以确保二极管安全工作。
反向电流IR是在室温下，二极管未被击穿时的反向电流值。
IR越小，说明二极管的单向导电性能越好。
结电容Cj是反映二极管中PN结电容效应的参数。
在高频或开关状态运用时，必须考虑二极管结电容的影响。
最高工作频率fM主要由PN结电容的大小决定。
二极管的工作频率超过此值时，结电容的容抗将变得很小，使二极管反偏时的等效阻抗变得很小，从而使二极管可能失去单向导电性，二极管的实际工作频率应远小于此值。
在满足上述条件情况下，应尽量选用正向压降、反向电流小的二极管。
当工作环境温度较高时，由于二极管的温度敏感性，所选用的二极管参数应留有足够的裕量。
1.3 二极管电路的分析方法
重点内容
1、二极管的电路模型：
理想模型、恒压降模型、折线模型，交流小信号模型；
2、二极管电路的分析方法：
图解分析法，微变等效电路分析法。
难点内容
1、二极管的折线模型、交流小信号模型；
2、二极管的直流电阻RD、导通电阻rD、交流电阻rd；
3、二极管电路的分析方法。
例题详解
【例1.3.1】二极管电路如图1.3.5所示，试分别用二极管的
（1）理想模型、
（2）恒压降模型、（3）折线模型分析计算回路电流ID和输出电压VO。
设二极管D为小功率硅管，VD（on） ＝0.7V，rD＝20Ω。
解：
如图1.3.5（a）所示电路，通过二极管开始工作前端电压的极性和大小可以判断其工作状态。
一般的方法是：
断开二极管，并以它的两个电极为端口，利用电位计算的方法或戴维南定理求解端口电压VD＇。
若VD＇＞0或VD＇＞VD（on），则导通；若VD＇＜0或VD＇＜VD（on）使二极管反偏，则截止。
本题示范的是分析判断二极管工作状态的方法。
（1）由图1.3.5（b）所示二极管理想等效电路可知，二极管理想模型在电路中相当于一个理想的开关，正向偏置时，二极管导通，正向电阻为0，管压降为0；反向偏置时，二极管截止，流过它的电流为0，反向电阻为无穷大。
图中，二极管D开始工作前的外加电压VD＇＝（－12）－（－18）V＝6V＞0，二极管D正偏导通，导通后，VD＝0V，有
VO＝－VS1＝－12V
（2）由图1.3.5（c）所示二极管恒压降等效电路可知，二极管恒压降模型在电路中是用一个电压恒定的恒压源VD（on） 与一理想二极管（相当于一个理想开关）串联表示。
当二极管两端电压VD＇小于VD（on） 时，二极管截止；当VD＇大于VD（on） 时，二极管导通。
图中，二极管D开始工作前的外加电压VD＇＝（－12）＋18V＝6V＞0.7V，二极管D正偏导通，导通后，VD＝0.7V，有
VO＝－VD（on）－VS1＝（－0.7－12）V＝－12.7V
（3）由图1.3.5（d）所示二极管折线等效电路可知，二极管折线模型在电路中是用两段折线来近似地表示二极管伏安特性曲线的正向特性，并设定转折点的电压为VD（on） 。
当二极管开始工作前两端电压VD＇小于VD（on） 时，ID＝0；当VD＇大于VD（on） 时，二极管等效为导通电阻rD。
随着VD的增加，ID沿折线迅速增加，折线的斜率为
，斜率的倒数为二极管的导通电阻rD，它表示在大信号作用下，二极管导通后呈现的电阻。
图中，二极管D开始工作前的外加电压VD＇＝（－12）＋18－0.7V＝6V＞0.7V，二极管D正偏导通，有
VO＝ID·R－VS2＝（2.62×2－18）V＝－12.76V
【例1.3.2】如图1.3.6所示二极管电路，设D1、D2的正向导通压降都是0.7V，试求输出电压VO。
解：
从图1.3.6所示电路乍眼一看，二极管D1和D2两端施加的都是大于正向导通压降VD（on） 的正向电压，似乎都具备导通条件，但这并不能确定它们都导通。
方法一：
可沿用【例1.3.1】的分析方法，逐个断开D1和D2，分别计算VD1＇和VD2＇，以分别判断D1和D2的状态，有
（1）将D1断开，D2正偏导通，VD1＇＝（0.7－6）V＝－5.3V＜0 ，D1反偏截止；
（2）将D2断开，D1正偏导通，VD2＇＝（0.7＋6）V＝6.3V＞0.7V，D2正偏导通。
（3）综上所述，D1截止，D2导通，输出电压VO＝（0.7－6）V＝－5.3V
方法二：
可对D1、D2分别进行判断，先将电路中要判断的那个二极管短路，而将其它的二极管断开；再看被短路的二极管中流过的电流，哪个二极管中的电流大，那个二极管就首先导通，从而有
ID1＇＝
mA＝6mA；ID2＇＝
mA＝9mA；ID2＇＞ID1＇
所以，D2首先导通。
D2导通后，VD1＝（0.7－6）V＝－5.3V＜0，D1反偏截止，有
VO＝（0.7－6）V＝－5.3V
方法三：
可将D1、D2全部开路，分析二极管两端的电压，哪个二极管两端的电压大，那个二极管就首先导通。
VD1＇＝12V＞0.7V，VD2＇＝（12＋6）V＝18V＞0.7V，且VD2＇＞VD1＇，所以D2首先导通。
D2导通后，VD1＝（0.7－6）V＝－5.3V＜0，D1反偏截止，有
VO＝（0.7－6）V＝－5.3V
另外，用Multisim仿真，可以方便地验证哪个二极管，哪个二极管截止；而在实际电路中，用测量二极管两端在路电压的方法，既可判断二极管的工作状态，也可判断二极管的好坏与否。
【例1.3.3】二极管电路如图1.3.7（a）所示，输入信号vi（t）的波形如图1.3.7（b）所示。
设二极管D的正向导通压降VD（on）＝0.7V，导通电阻rD＝30Ω，试画出输出电压vo（t）的波形，并标出各个转折点的纵坐标数值。
解：
如图1.3.7（a）所示，二极管D的工作状态取决于电路中的直流电源VS与交流信号vi（t）的幅值关系。
由二极管折线模型，有等效电路如图1.3.8（a）所示。
二极管D开始工作前的外加电压vD＇＝vi（t）－VS＝［vi（t）－4］V
当VD＇＜0.7V，即vi（t）＜4.7V时，二极管D截止，vo（t）＝4V；
当VD＇＞0.7V，即vi（t）＞4.7V时，二极管D导通，
；
当vi（t）＝10V时，vo（t）≈6.48V。
由此可画出vo（t）的波形如图1.3.8（b）所示。
【案例分析1.3.1】如图1.3.10（a）所示的二极管电路，VDD为直流电压源，vi为交流小信号电压源，C为隔离直流、耦合交流信号的耦合电容，设定它对交流信号的容抗近似为0，试求流过二极管的电流iD和输出电压vO。
分析、求解：
图解分析法和微变等效电路分析法是电子线路中常用的两种分析计算方法。
图解分析法常用于非线性器件的大信号分析，微变等效电路分析法常用于既有直流信号又有交流小信号（工程上，既定其幅值小于5.2mV）的电子线路的综合分析。
在本小节引入二极管电路的图解分析法和微变等效电路分析法的目的，一是在较简单的二极管电路中开始讲述，不但分散了在三极管电路中讲解时的压力，而且更符合循序渐近的认知规律；二是在此基础上引出的二极管交流小信号模型更加清晰自然，概念更准确，更容易理解、掌握。
在本题中，由于加在二极管两端的电压既有直流成分，又有小信号交流成分，所以流过二极管的电流和输出的电压信号中也既有直流成分，又有小信号交流成分。
如前所述，对于这种电路，常用的方法是对直流成分和交流成分分别进行分析，然后再进行综合。
如图1.3.10（a）所示，如用二极管的恒压降模型和交流小信号模型做等效变换，可将非线性的器件二极管视为线性器件，由叠加定理：
（1）当VDD单独作用（vi＝0）时，等效电路如图1.3.10（b）所示，
VQ＝VD（on）
对应的二极管的直流电阻
由于二极管伏安特性的非线性，所以直流（静态）工作点Q的位置变化，直流电阻RD的大小亦随之变化。
如用二极管的折线模型等效变换，则有二极管的导通电阻rD。
rD常用来分析大信号工作状态下的二极管电路，
（2）当vi单独作用（VDD＝0）时，等效电路如图1.3.10（c）所示。
由于输入信号Vi为幅值较小的低频信号（称为交流小信号），二极管两端的电压及通过它的电流将在其特性曲线上某一固定点Q（直流工作点）附近作微小的变化。
如果只研究这一固定点Q附近电压微变量与电流微变量之间的关系时，可以用特性曲线在该Q点的切线来替代这一小段特性曲线，即将曲线作线性化处理。
该切线斜率的倒数
，就是二极管在该Q点处的动态（微变）电阻，即为所要求的二极管交流小信号模型，用rd表示，也就是说，对低频交流小信号而言，二极管可以近似地等效为一个电阻rd。
rd的大小与Q点所处的位置有关。
Q点位置不同，所对应的电压与电流值不同，则rd的值也不同。
rd的值可由PN结方程式求得，取iD对vD在Q点的微分，即
； vd＝idrd＝vi
（3）电路综合，有
vD＝VQ＋vd； iD＝IQ＋id
（4）根据前面所讲述的图解法，可画出iD、vO的波形图，如图1.3.11所示。
图中的Q点称为二极管的直流（静态）工作点；二极管外直流电路所描绘的直线称为二极管的直线负载线；VQ/IQ称为二极管在Q点的直流电阻RD。
显然，在作上述等效变换时应有Vim＜＜ VQ，工程上，一般限定Vim＜5.2mV。
由于这种分析方法是交流输入小信号在直流工作点附近作微小的变化的基础上展开的，故又称之为微变等效电路分析法。
【例1.3.4】设图1.3.10（a）电路中，vi＝3
sin2000πtmV，VDD＝5V，R＝1kΩ，C＝20μF，D为小功率硅管，VD（on） ＝0.7V，试求iD和vO。
解：
由于隔直耦合电容C对交流信号vi的容抗很小，可以忽略，如图1.3.10所示，用恒压降模型和交流小信号模型作等效变换，依叠加定理有：
VQ＝VD（on） ＝0.7V
vd＝vi＝3
sin2000πtmV
id＝0.5
sin2000πtmA
vD＝VQ＋vd＝（0.7＋3×10－3
sin2000πt）V
iD＝IQ＋id＝（4.3＋0.5
sin2000πt）mA
课堂提问和讨论解答
T1.3.1 为什么要设计二极管的电路模型？
解答：
二极管是一种非线性器件，在工程分析计算中，通常是根据电路的不同的工作条件和要求，在分析计算精度允许的条件下，把非线性的二极管转化为不同的线性电路模型来描述，从而使分析计算变得简单明了。
T1.3.2 二极管有几种常用的电路模型？
它们各适用于什么情况？
解答：
1、理想模型。
当二极管的正向压降和正向电阻与外接电路的等效电压和等效电阻相比较均可忽略时，可用二极管的理想模型等效。
2、恒压降模型。
当二极管的正向压降与外加电压相比较，相差不是很大，而二极管的正向电阻与外接电阻相比较可以忽略时，可用二极管的恒压降模型等效。
3、折线模型。
为了更真实地反映二极管正向导通时的特性，可选用二极管的折线模型等效。
4、交流小信号模型。
如果二极管电路中，既含有直流电源，又含有交流信号电源，且交流信号是幅值较小的低频信号时，交流分析可用二极管的交流小信号模型等效。
T1.3.3 用指针式万用表电阻档检测二极管，检测的是二极管的什么参数？
用数字式万用表二极管档检测二极管检测的是二极管的什么参数？
解答：
用指针式万用表电阻档检测二极管，检测的是二极管的正向电阻和反向电阻的阻值。
用数字式万用表的二极管测试档检测二极管，检测的是二极管的正向导通压降的近似值。
T1.3.4 试说明用指针式万用表电阻档检测二极管时，对于同一只二极管，量程不同，所测得的数据不同的原因。
解答：
由于二极管是一个非线性器件，所以用指针式万用表不同的电阻档位检测二极管的正向电阻值时，因为电阻档位不同，万用表内连接的中值电阻值不同，而万用表内的电源电压一定，因此流过二极
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