3.2 模拟电子线路技术

电子技术是19世纪末、20世纪初开始发展起来的新兴技术，在20世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）、电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通信（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在形形色色的电子世界中，一天也离不开它。

图3-3显示了电子技术已应用到社会的方方面面，并极大地促进了社会的发展。然而，无论小到纳米级的电子芯片还是大到几十吨的航天器材，其功能电路的组成都离不开电子技术的基本元器件。只不过电子技术的发展已由分立的电子元器件的组合向集成化和模块化的方向发展，如图3-4所示。

下面我们将沿着电子技术的发展历程，逐步介绍电子技术的一些基础知识。

3.2.1 PN 结工作原理

在自然界，物质按其导电性可分为导体、半导体和绝缘体。其中导电性能很强的，如铜、铝、铁等称为导体。另一些物质如橡胶、胶木、瓷制品等不能导电，称为绝缘体。还有一些物质，如硅、硒、锗、铟、砷化镓及很多矿石、化合物、硫化物等，它们的导电性能介于金属导体和绝缘体之间，称为半导体。纯净不掺杂质的半导体称为本征半导体。

1．PN 结的形成

本征半导体中虽然同时存在自由电子和空穴两种载流子，但数量少，导电能力较差，导电率也难以按需要人为控制。若在本征半导体材料中掺入微量的某种杂质元素，则会使其导电性极大地增加，并且随着杂质元素掺入量的不同，导电能力也能够加以控制，这种半导体称为杂质半导体。若掺入的微量元素是五价元素（如磷），这种杂质半导体叫做N型半导体；若加入的是三价微量元素（如硼），则称这种杂质半导体为P型半导体。

由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图3-5所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。PN结是构成各种半导体器件的基础。

空间电荷区出现后，因为正、负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。

2．PN 结的单向导电性

如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。PN结P端接高电位、N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图3-6所示。PN结P端接低电位、N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图3-7所示。

PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。

3.2.2 半导体二极管

半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等，按结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图3-8所示。

图3-9所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，分为整流、稳压、限幅、钳位、检波、续流等二极管。根据使用的不同，二极管的外形各异，图3-10所示为几种常用的二极管实物。在实际生活中使用较多的是一些特殊的二极管，表3-4列出了其中的一部分。

1．二极管的伏安特性

二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。

二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图3-11所示，当二极管所加正向电压比较小时（0＜U＜Uth），二极管上流经的电流为0，二极管仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。

二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。由图3-11可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-Is），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。

从图3-11可见，当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。

2．二极管的测试

将数字万用表的红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管的正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上） ，则黑表笔所接电极为二极管的负极，红表笔所接电极为二极管的正极，如图3-12所示。

二极管好坏的判定：

（1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极性能良好；

（2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏；

（3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。

3.2.3 半导体三极管

半导体三极管又称晶体三极管，一般简称晶体管或双极型晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。常用的三极管实物如图3-13所示。三极管的一个重要特性就是放大作用，正是此特性使得它在电子线路中的用途非常大。

双极型晶体管的类型很多，按材料可分为硅管和锗管；按类型可分为平面型和合金型；按工作频率可分为高频管和低频管；按内部结构可分为NPN型和PNP型；按耗散功率不同可分为小功率管和大功率管；按使用用途则可分为普通管、低噪声B管、功率放大管、高频管、开关管和达林顿管等。表3-5列出了NPN型和PNP型晶体管的结构和符号图。

为了了解三极管的电流分配原则及其放大原理，我们来看下面的实验。在图3-14所示的电路中，三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻Rb的值，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，电流的方向如图中所示。实验结论可用载流子在三极管内部的运动规律来解释，图3-15为三极管内部载流子的传输与电流分配示意图。输出特性曲线是指在一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输入和输出特性曲线如图3-16所示。

3.2.4 场效应管

场效应管（FieldEffectTransistor）作为半导体器件中的重要一员，是一种通过输入信号控制输出电流的器件。场效应管也是一个具有两个PN结的半导体三端器件。但场效应管的工作原理与三极管截然不同，场效应管是利用改变电场来控制半导体载流子运动，而不是像极管那样用输入电流控制PN结的电场。场效应管除具有双极性晶体管体积小、质量轻、命长等优点外，还具有输入阻抗高、动态范围大、热稳定性能好、抗辐射能力强、制造工简单等优点。

场效应管有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。每种类型的场效应管都具有栅极G、源极S和漏极D3个工作电极。同时，每种类型的场效应管都有Ｎ沟道和P沟道两种导电结构。

结型场效应管是一种利用半导体内的电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构的不同，结型场效应管有N沟道JFET和P沟道JFET两种类型。与结型场效应管相同，绝缘栅型场效应管也是利用电场控制载流子的工作原理设计而成的。与结型场效应管不同的是绝缘栅型场效应管有绝缘栅，并因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。它的栅-源间电阻比结型场效应管大得多，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛用于大规模和超大规模集成电路之中。与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两类，但每类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的4种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。表3-6列出了几种场效应管的基本结构图和符号。

3.2.5 模拟电子电路的基础应用

1．放大电路

我们经常看到，会议的主持者为了使每个与会者听清会议的内容，通常会在会议场所设一些扩音设备，如麦克风、音响等。而经过这些扩音设备，会议主持者的声音也嘹亮了许。那么声音为什么经过这些扩音设备会变更响亮呢？这其实是运用了放大电路的工作原。麦克风将人的声音信号转换成电信号，而电信号经过扩音设备中的放大电路放大后，就输出足够大的信号功率，推动扬声器发出哄亮的声音。图3-17显示了放大电路的工作原理内部结构。

2．稳压电路

当天气变化频繁，气温忽高忽低时，人就容易感冒，容易生病。机器设备与人相似，当的输入电压不稳定时，仪器设备的使用寿命就会降低，特别是一些精密的仪器部件，对输源的要求更高，输入源的波动必须很小。当波动稍微过大时，它就可能损坏。为了避免机设备的这种损耗，必须保证机器设备具有稳定的输入源，而这很难靠外力实现，必须在输图电路中设置稳压电路。图3-18左边是两种常见的稳压器，右边是无反馈稳压电路的结构图。

3．集成运放应用

我们在平常的学习中常常会碰到一些比较繁杂的算术运算，仅仅通过笔和纸是很难算出来的，这就需要我们借助于计算器，运用计算器帮我们解决那些烦琐的运算。但这样一个小小的电子器件是如何完成算术运算的呢？集成运放电路将会给出答案。下面以加法电路为例予以说明，电路如图3-19所示。

从图中可以列出方程：

如果电路中的3个电阻的阻值相等，并在电路的输出端添加反相器，那么输出的电压就等于输入电压之和。如果将输入电压与运算值匹配，则该电路就实现了最基本的加法运算。集成运放电路除了加法运算电路，还有减法运算电路、乘法运算电路、除法运算电路和微积分运算电路。这些基本的运算电路实现了电路对数学运算的最基本应用。图3-20较形象地描述了这些电路与计算器的关系。