物联网电子技术01

1.1.1  电子技术的发展

1. 电子管阶段

电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。早期应用于电视机、收音机、扩音机等电子产品中，近年来逐渐被晶体管和集成电路所取代。

2. 半导体分立元件阶段

与电子管相比，半导体器件（二极管、三极管、场效应管）的体积大大缩小，从而使得电子系统的体积也大大缩小，电子系统所消耗的功率也明显降低，系统的效率得到了很大提高。

3. 集成电路阶段

1958年，美国TI公司工程师Keibey发明了第一块模拟集成电路，集成电路的发明，是电子技术发展的重要里程碑。集成电路技术不仅大大缩小了电子系统的体积，减小了功率损耗，进一步扩大了电子技术的应用范围，同时还提供了更加简单的应用技术。

1.2.1  信号

信号就是表示消息的物理量，它是运载消息的工具，是消息的载体。在作为信号的众多物理量中，电信号是应用最广泛的物理量，因为它容易产生、传输和控制，也容易实现与其他物理量的相互转换。因此，我们通常所指的信号主要是电信号。

    非电信号（如声音、压力、光强、流量、速度等）可以通过各种传感器较容易地转换成电信号。电信号是指随时间变化而变化的电压u或电流i，在数学描述上可将其表示为时间t的函数，并可画出其随时间变化的波形。       电子电路中的信号均为电信号，以下简称信号。

1. 模拟信号

      模拟信号是指信号波形模拟着信息的实际变化过程，其主要特征是幅度是连续的，可取无限多个值；而在时间上则可连续，也可不连续。如下图（a）所示为典型的模拟信号。

      传输、处理模拟信号的电路称为模拟电子线路，简称模拟电路。在模拟电路中主要关注输入、输出信号间的大小、相位、失真等方面的问题。

2. 数字信号

      数字信号是指时间和数值上都是不连续变化的信号，即数字信号具有离散性，如下图（b）所示。对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电子线路，简称数字电路。在数字电路中主要关注输入、输出之间的逻辑关系。

用不同种类、不同功能的电路构成具有特定功能的仪器、设备，这样的系统称为电子系统。下图所示为典型的电子系统组成示意图。

      电子系统常常是模拟-数字混合系统，信号的提取、预处理、加工、驱动由模拟电路完成，计算机或其他数字系统由数字电路组成，A/D转换、D/A转换为模拟电路和数字电路提供了接口。

在电子系统中，常用的模拟电路及其功能如下。

（1）放大电路：用于电压、电流或功率信号的放大。

（2）滤波电路：用于对不同频率信号的提取、变换或抗干扰。

（3）运算电路：完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算。

（4）信号变换电路：将信号的变化规律进行改变，或将电流信号与电压信号进行相互转换，将直流信号与交流信号进行相互转换，将直流电压转换成与之成比例的频率等。

（5）信号发生电路（振荡电路）：用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波。

（6）取样电路：将随时间连续变化的模拟信号变成离散的信号。

（7）直流电源电路：将220V、50Hz交流电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子电路的供电电源。

2.1.1  本征半导体

纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体，硅（Si）和锗（Ge）是两种最常用的本征半导体。

      但在常温下，由于热运动价电子被激活，有些获得足够能量的价电子会征脱共价键成为自由电子，与此同时共价键中就流下一个空位，称为空穴。这种现象称为本征激发。

能够运动的、可以参与导电的带电粒子称为载流子。本征半导体有两种载流子参与导电，即自由电子和空穴 。

1. N型半导体 

      在本征半导体硅（或锗，此处以硅为例）中掺入微量的5价元素磷（P），如图（a）所示。

      这时的半导体中，自由电子数远超过空穴数，因此它是以电子导电为主的杂质型半导体。因为电子带负电（negative electricity），所以称为N型半导体。N型半导体中，自由电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子）。杂质离子带正电。

2. P型半导体

      在本征硅中掺入三价元素硼（B），如图（b）所示。这时半导体中的空穴数远大于自由电子数，因此它是以空穴导电为主的杂质型半导体，因为空穴带正电（positive electricity），所以称为P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子（多子），自由电子是少数载流子（少子）。杂质离子带负电。

如果将本征半导体的一侧掺杂成为P型半导体，而另一侧掺杂成为N型半导体，则在二者的交界处将形成一个PN结。

1. PN结的形成

      将P型半导体和N型半导体制作在一起，在两种半导体的交界面就出现了电子和空穴的浓度差。P区中的多子（即空穴）将向N区扩散，而N区中的多子（即自由电子）将向P区扩散。扩散运动的结果就使两种半导体交界面附近出现了不能移动的带电离子区，P区出现负离子区，N区出现正离子区，如图所示。这些带电离子形成了一个很薄的空间电荷区，产生了内电场。这个空间电荷区就是PN结。

2.2.2  二极管的伏安特性

      二极管电流i与其外加电压u之间的关系为

式中I_S为反向饱和电流；U_T为温度电压当量，常温下，U_T ≈26mV。

1. 正向特性

      如图（a）所示，当外加正向电压时，二极管内有正向电流通过。正向电压较小，且小于Uon时，二极管的正向电流很小，此时二极管工作于死区，称Uon为死区的开启电压。硅管的Uon约为0.5V，锗管约为0.2V。当正向电压超过Uon后，电流将随正向电压的增大按指数规律增大，二极管呈现出很小的电阻。硅管的正向导通电压U_D为0.6V～0.8V（常取0.7V），锗管为0.1V～0.3V。正向导通电压通常也称为二极管的正向钳位电压。

2. 反向特性

      当外加反向电压时，有利于漂移运动，二极管中由少子形成反向电流。反向电压增大时，反向电流稍有增加，当反向电压增大到一定程度时，反向电流将基本不变，即达到饱和，因而称该反向电流为反向饱和电流，用I_S表示。反向饱和电流越小，管子的单向导电性越好。

      当反向电压增大到图中的U_BR时，在外部强电场作用下，少子的数目会急剧增加，因而使得反向电流急剧增大。这种现象称为反向击穿，电压U_BR称为反向击穿电压。     

      前面已指出，半导体中的少子浓度受温度影响，因此二极管的伏安特性对温度很敏感。实验证明，当温度升高时，正向特性曲线向左平移，反向特性曲线向下平移，如图（b）所示。

一般电路

      例2-1  二极管电路如图（a）和（b）所示，试判断两图中的二极管是导通还是截止？并求输出电压uo。设二极管为理想二极管。

解：图（a）中，将二极管断开，如图（c）所示。则断开处A、B间电压为U_AB=-6+12= 6V＞0，即A点电位高于B点，所以二极管正偏导通。又因为二极管可视为理想二极管，所以此时二极管等效为一根导线，输出电压uo = -6V。

      图（b）所示电路中有两只二极管，同样先断开VD1和VD2，如图（d）所示，则VD1两端电压U_AB = 6V，VD2两端电压U_CD = −9 + 6 = −3V。因此VD1正偏导通，VD2反偏截止。在VD1导通的情况下（VD1处等效为一根导线），再断开VD2，此时VD2两端电压U_CD = −9V，所以VD2反偏截止。可求得输出电压uo = 0V。

1. 稳压二极管

      二极管工作在反向击穿区时，反向电流的变化量 DI较大时，管子两端相应的电压变化量DU却很小，说明其具有“稳压”特性。  

      利用这种特性可以做成稳压二极管，简称稳压管。所以，稳压管实质上就是一个二极管，但它通常工作在反向击穿区。但要注意：必须在电路中串接一个限流电阻。