模拟电路基础讲稿第一章

《模拟电路基础讲稿第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电路基础讲稿第一章（15页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、模拟电路基础讲稿电子工程学院课程基本要求：授课学时：64学分：4授课时间：周二34节；周四56节 成绩构成：平时（10分）+期中（30分）+期末（60分） 作业：每周一次教 材：吴援明，唐军， 模拟电路分析与设计基础，科学出版社，2006.8辅导材料：吴援明，唐军，曲健，模拟电路分析与设计基础学习指导书，科学出版社，2007.8 参考教材：刘光祜,饶妮妮 ，模拟电路基础，电子科技大学出版社，2003.1引入模拟电路与其它几门课程的关系，突出该课程的基础性和重要性模拟电路、数字电路的不同内容模拟电路：处理和分析模拟信号的电路，关注模拟信号的放大电路原理、结构和分析方 法。数字电路：处理和分析数字

2、信号的电路，是模拟电路的后续课程。低频模拟电路、高频模拟电路、微波毫米波电路 本课程属于低频模拟电路范畴，高频模拟电路和微波毫米波电路是分析更高频率的涉及 模拟信号的相关电路。在高频模拟电路和微波毫米波电路中要考虑电抗元件对电路的影响， 而低频模拟电路在分析时基本不设计电抗元件，即电路特性与频率无关（除第 5 章）。本课程的主要内容：本课程是讲解中低频率下模拟放大电路的基本知识，是最基础、应用最广泛的电路。主 要介绍BJT及FET放大电路的基本知识，以基本放大电路为基础的差放、功放、恒流源电路及 运放，还要重点介绍负反馈对放大电路的作用。基础知识：半导体二极管、三极管（BJT、MOSFET）。

3、应用电路：电流源电路、差动放大电路、功率放大电路、负反 馈电路，集成运放。基本要求：掌握半导体晶体管（BJT和MOSFET）放大电路的基本概念、基本结构及基本分析方法, 在此基础上掌握基本放大电路的应用电路（恒流源电路、差动放大电路、功率放大电路和集 成运放），熟悉放大电路的频率特性及重要的电路结构负反馈放大电路。能运用所学知识 进行相关电路的分析、设计。常见的模拟电路器件如上图，通过这些具体器件的介绍引入模拟电路及半导体材料知识。第一章 半导体材料及二极管概述自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。导体具 有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，而半导体的导电性

4、能介于导体与绝缘体之间。 半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体，现代电子电路所用的器件绝 大多数都是半导体器件。1.1 半导体材料及其特性半导体材料类型：W族元素硅（Si）、锗（Ge）； III-V族元素的化合物砷化嫁（GaAs）等。半导体材料的三大特性：温度；光照；掺杂。在以上条件下导电能力显著增强。一、本征半导体本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。晶格是在本征Si和Ge的单晶中，原子在空 间形成排列整齐的空间点阵。本节介绍以下四个方面的知识：共价键结构；本征激发；本征半导体中的两种载流子；本征浓度。硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素。其简化图如图所示。ifr电子共询

5、键硅和锗的四个价电子 本征半导体的共价键结构1. 共价键结构 当硅、锗等半导体材料被制成单晶时，原子靠的非常紧密，价电子在受自身原子核的 束缚的同时，还受受相邻四个原子的影响，形成共价键结构。2. 本征激发在绝对零度0K=-237C时，本征半导体中没有可移动带电粒子，但半导体在外界（热或 光或其他）激发下，会产生自由电子空穴对，这一现象叫本征激发，如下图所示。3. 本征半导体中的两种载流子本征激发+4*价电子填补空位的运动电子和空穴的运动可以自由运动的带电粒子称为载流子。本征激发会产生自由电子和空穴两种载流子。原 子因失去一个价电子而带正电，这个带正电的“空位”叫空穴。导体导电只有一种载流子，

6、即自由电子导电。半导体具有极性相反的两种载流子自 由电子和空穴空穴导电：当有电场作用时，价电子定向填补空位，使空位作相反方向的移动，这与带 正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同。为了区别于自由电子的运动，我们就把价电子的 运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为空穴是一种带正电荷的载流子。4. 本征浓度本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。 载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数3B T 2 eE目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半 导体中载流子的

7、浓度一定。本征载流子的浓度表示如下。室温下本征载流子浓度和原子密度如下表所示本征载流子浓度原子密度Si1.43X 10io cm-35.0X 1022 cm-3Ge2.38 X1013 cm-34.4X 1022 cm-3得出两个结论：Ge的热稳定性比Si差（Ge的本征载流子浓度高，导电能力强）；本 征半导体导电性能很差（载流子浓度很低）。问题：如何提供半导体的导电能力？ 掺杂！二、杂质半导体掺入杂质的半导体称为杂质半导体。掺杂后可以大幅提高半导体的导电能力。杂质半导 体中两种：N型半导体和P型半导体。1. N型半导体掺入少量的V族元素（如磷、砷、锑等）后，形成的杂质半导体称为N型半导体。多出

8、 一个价电子只能位于共价键之外，成为“自由电子”，使本征半导体中除了本征激发产生的 电子空穴对之外，又多出一部分自由电子，使自由电子数量超过了空穴数量。杂质原子称为 施主原子，带正电，不能自由移动，不能参与导电。自由电子在N型半导体中成为多数载流 子（简称多子），空穴在N型半导体中成为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主 要是电子，故N型半导体又称电子型半导体。2. P型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入二价元素，如硼，就可构成P型半导体。在这种半导体 中，共价键结构中多出一个空穴，很容易接受自由电子的填充，使空穴游离在晶格之间，使 本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一

9、部分空穴，使空穴数量超过了自由电子数量，我们说，空穴在P型半导体中成为多数载流子（简称多子），自由电子在P 型半导体中成为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是空穴，故P型半导体又 称空穴型半导体。3. 杂质半导体的载流子浓度在一定条件下，掺杂半导体的两种载流子浓度与本征半导体本征浓度有如下关系。其中，多子浓度与杂质浓度近似相等，与温度无关，而少子浓度是温度的敏感函数。三、半导体中的电流1. 漂移电流在外电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体内的传导电流。电子的漂移电流密度为J = en 卩 Enn其中，禰是电子的迁移率,表征电

10、子在半导体中运动容易度的参数。空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，空穴的漂移电流密度为J = ep 卩 Epp卩是空穴的迁移率。所以j和j的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体 pn p中的总的漂移电流为两者之和，I = I + InpJ = J + J = en 卩 E + ep 卩 E = c Epnpc 是半导体的电导率，与载流子浓度及迁移率有关。总的漂移电流密度为n其中G = en卩 + ep卩，式中2. 扩散电流 n p 因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形成的电流叫扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差（即浓度梯度），而与该处的 浓度值无

11、关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电流 也越大。注意扩散电流和漂移电流的不同：漂移电流是由于外电场而产生的载流子的定向运动 而扩散电流与外电场无关，只与载流子的浓度差有关。1.2 PN 结问题：半导体材料如何使用？半导体器件的基本结构是PN结。一、PN结的形成及特点1. PN结的形成 多子扩散：扩散的结果，在交界面附近，N区出现带正电的离子，P区出现带负电的离 子，从而形成空间电荷区和内建电场，方向从N区指向P区如图1.5所示。 少子漂移: 少数载流子将在内建电场的作用下产生运动。 当扩散与漂移达到一个动态平衡时，空间电荷区也就达到了一个平衡状态，这就形成了P

12、N 结。内建电场的作用： 阻止多子扩散，促进少子漂流2. PN结的特点内建电场的表达式如下0 = kT ； e - ln（ N N / n2）V = kT ：: e = 26 mV （K = 300 K）0a D IT内建电位炉由勺典型值（Si： 0.7V Ge: 0.3V）空间电荷区的另外三个名称：耗尽层、阻挡层和势垒层，具体表征了空间电荷区的不同 特性。实际使用中大多数PN结都是不对称PN结，P区和N区掺杂浓度不一样。思考：高掺杂和低掺杂PN结，其空间电荷区的宽度和内建电场的大小有何区别？二、PN结的单向导电特性提出偏置的概念，强调偏置的重要性。PN结两端外接直流电压称为偏置工作点1. 正

13、向偏置的PN若PN结外加直流电压使P区电位高于N区电位，称PN结加正向电压或正向偏置（简称正 偏）。PN结正偏时空间层和势垒的变化及正向电流方向如图所示。正向偏置时减小了内建 电场的大小，正偏电流实质是多子的扩散电流，因此电流较大。正偏PN结呈现低阻态，即正 偏PN结是导通的2. 反向偏置的 PN若外加直流电压使P区电位低于N区电位，称PN结加反向电压或反向偏置（简称反偏）。 反向偏置时增大了内建电场的大小，反偏电流实质是少子的漂移电流，仅有很小的反向饱和 电流。Is很小（Si：皮安量级；Ge:微安量级），通常可忽略，即反偏PN结是截至的。如图 所示。PN结正偏PN结反偏PN结的重要特性：单向

14、导电特性，即正偏导通，反偏截止。3. PN结的伏安特性伏安特性方程如下i = I （eVT 一 1）Sv 一正偏电压，为负值时即反偏。i一从正极经过PN结流向负极的电流，与v为关联参考方向。v当 v V 时，i I eVTTS当 v V 时，i -1 伏安特性方程验证了 PN 结的单向导电性。简介PN结的伏安特性曲线，强调PN结单向导电性在半导体器件中的特殊作用。1.3 晶体二极管及其应用二极管的核心是一个PN结，其结构如图所示。先介绍二极管的不同分类，重点说明二极管的两种不同结果类型：点接触和面接触型。封装芯片负极VD负极正极 引线正极藏点接触型：PN结面积小，工作电流小，PN结电容小, 面

15、接触型：PN结面积大，工作电流大，PN结电容大,二极管的两种结构 工作频率高。 工作频率低。一、晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流iD与其端电压VD之的关系。和PN结的伏 安特性一样，简要重复。1. 正偏伏安特性 二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。2. 反偏伏安特性二极管反向电流不随反向偏压而变化，仅有很小的反向饱和电流Is。 二极管的伏安特性曲线如图所示。提示两个问题： 二极管的正偏和反偏特性；二极管的导通电压Von : 0.7V（Si），0.3V （Ge）。二极管为什么具有导通电压？ Si和Ge的导通电压为什么不一样？温度对二极管伏安特性的影响二极管伏

16、安特性曲线3. 反向击穿特性当加在二极管上的反偏电压超过某一数值VBR!寸，反偏电流将急剧增大，这种现象称为 二极管的反向击穿。导致二极管出现反向击穿的原因有两种：雪崩击穿和齐纳击穿。（1）雪崩击穿（碰撞电离）低掺杂PN结中，击穿电压一般在6V以上。（2）齐纳击穿（场致激发）高掺杂PN结中，击穿电压一般在6V以下。二极管的反向击穿为电击穿，过程可逆，不会损坏器件。而热击穿是器件上的耗散功率 超过规定值而使器件损坏，过程不可逆。4. 温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管正向特性的影响券一（22.5）决u温度对二极管反向特性的影响解释为什么？（用少子浓度随温度的变化来解释）。5.Si二极管与Ge

17、二极管的差别Si二极管的开启电压约0.6-0.7V，典型值0.7V； Ge二极管的开启电压约0.2-0.3V, 典型值 0.3V 。Si二极管反向电流比Ge二极管反向电流小得多，Si管是pA量级，Ge管是山量级。二、 二极管的直流电阻和交流电阻怎么表示器件的特性？二极管的特性如何表示？（电阻） 非线性器件：特征参数随外加条件而变的器件静态工作点Q：器件的直流电压和直流电流二极管的直流电阻二极管的交流电阻1. 直流电阻V注意：二极管的直流电阻是变化的，随 ID 增大而减小，这是非线性器件的特殊特性。2. 交流电阻dvD-diD Q推导二极管交流电阻的表示式。注意交流电阻与直流电流也成反比关系。理

18、解二极管的直流电阻和交流电阻的不同含义： 直流电阻：表征二极管的功率损耗，直流特性。交流电阻：表征二极管的微变电流与微变电压的关系，交流特性。3. 二极管的其它主要参数最大平均整流电流 IFF最高反向工作电压 VRR反向电流 IRR最高工作频率f :由于器件的电容效应引起的单项导电能力下降。max三、二极管模型含二极管电路的分析方法（非线性伏安关系）及特点: 代数法：求解非线性方程组（计算复杂，必须借助计算机） 几何法：图解法（粗糙，必须知道伏安关系曲线） 模型法：近似线性法（方便，可以利用线性电路分析方法，根据伏安关系）（a）理想开关模型（b）恒压源模型 （c）折线近似模型1.二极管伏安特性

19、的分段线性近似模型低频大信号模型如下图所示。I 理想开关模型：适用于信号电压远大于管压降，只具有“开”和“关”两种状态。正 偏是导通，反偏时截至。主要应用：整流、开关电路。 恒压源模型：导通电压不能忽略时采用，恒压源只吸收功率。主要应用：限幅。 折线近似模型：最准确的模型，采用不变的交流电阻等效电压与电流的变化关系。例：硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图所示，求二极管工作点 解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作点。E V 3 0.7“，= d u= 7.67 mAD R3002.二极管的交流小信号模型i* u/卜到使二极管特性 在Q点附近近似为直线分析含有交流小信号的电

20、路时，采 用叠加原理，将直流和交流性能分开分 析。需要分别画出直流和交流等效电路 画等效电路时，非线性器件用不同的模 型等效。二极管的交流小信号模型是在工作 点上的交流电阻，如右图所示。交流电 阻只反映交流电压与交流电流的关系， 不包括直流关系。例：若在上例电路中串联一个正弦电压源v(t) = 100 sin 2兀x 10 4mV，图(a)为其电路图,估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值V 和 I 。T=300K）。dm dmV.R 300Q3V(a)电路图(b)交流等效电路解：当未加正弦电压源，即v(t) = 0V时，由上例可知，二极管的工作点V = 0.7 V，I - 7.67 mA

21、， 则可估算出该工作点处的交流电阻为 DV 26m V r = t = 3.39 Qd I 7.67 mAD 在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。交流电阻由工作点确定。利用线性电路的叠加原理，可以画出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流等效电路，如图(b)所示，由此交流通路可求出：V100= m =dm R + r 300 + 3.39d= 0.33m AV = I r = 1.12m V dm dm d四、二极管应用电路1.整流电路1) 半波整流电路上图是直流稳压电源方框图，它有三个模块：整流、滤波和稳压。整流是利用二极管的 单向导电性能将交变电压变为单极性的直流脉动电

22、压。滤波是将直流脉动电压中的高频成分 滤除。由于市电和输出电阻的不稳可能引起输出电压不稳，因此还需要对电压稳压。整流电路是利用二极管的开关特性实现整流的。原理：输入为正半周时， D 导通，有输出电 压，输入为负半周时， D 截至，无输出电压 特点：负半周未利用，效率低；输出直流电、逅 一“、压为 v ,二极官上的最大反向电压为兀iv 2 v.。2) 全波整流电路3) 桥式整流电路特点：正负半周都利用，效率高；输出直流电压2 2为 -v ,二极管上的最大反向电压为 兀i2 2 v。i特点：正负半周都利用，效率高；输出直流电压22为 v ,二极管上的最大反向电压为 冗i结论：桥式整流电路效率高，输

23、出直流电压大，而且管上承受的最大反向电压相对较低 因此应用最多。2. 限幅电路 限幅电路是一种能限制电路输 出电压幅值的电路，它是利用二极 管的恒流源模型。如右图所示，双向限幅电路工 作原理是：输入为正半周且大于0.7V时，DI导通，D2截至，输出电 压为导通电压0.7V；输入为负半周且小-0.7V时，D2导通，D1截至，输出电压为导通电压-0.7V；输入再-0.70.7V之间时，DI、D2都截至，输出等于输 入。如图 1.20 所示。3. 开关电路 利用二极管的单向导电性能，相当于一个受外加电压极性控制的开关。分析方法如下： 将二极管两端断开，求出其两端的正向电压；二极管承受正向电压则导通，

24、反之则截止； 若电路中存在多只二极管，则正向电压大的优先导通。解：断开 D1、 D2VA1 *； VA2 二12-6 = 6V因为 VA1VA2所以D先导通 此时，Vao = 0V 则 VA2 =-6V 所以，d2截至五、稳压管及其应用例：分析图中两个二极管的是导通还是截至？并判断AO之间的电压（假设二极管是理想的）1.稳压管的伏安特性稳压管伏安特性曲线及电路符号上图是稳压管伏安特性曲线及电路符号，由图可见，稳压管工作在反向击穿区 2.稳压管的主要参数稳定电压最小稳定电流最大稳定电流动态电阻 （越小越好，一般为几十欧姆）电压温度系数3.稳压管电路整流滤波电路稳压管稳压电路 稳压管电路原理1 ）

25、稳压原理 稳压管与负载电阻并联连接，由于稳压管动态电阻极小，所以并联总电阻很小（比限流 电阻小的多），当输入电压微变时，微变电压在并联总电阻上分压比在限流电阻上的小得多， 即达到了稳压目的。2）稳压电路分析分析方法：断开稳压管，求出稳压管两端电压。当两端电压大于稳压管稳定电压时，稳压管可稳定电压，反之，稳压管截至；若是正向 电压，稳压管导通。若有多个稳压管，稳定电压低者先稳压。例：Dzl和Dz2为稳压管，且具有理想特性，其稳定电压分别为13V和6V,求输出电压Vo。解：断开 Dzl 和 Dz2,则 VDzl=VDz2 = 15V,两个 稳压管都可稳压。由于Dz2稳定电压低，Dz2先稳压，此时V

26、o = 6V, VDz1 = 12V。因为 VDz1VZ1，故 VDzl 截至，Vo = 6V。若 VZ1 = 10V,则 VDzl 稳压，此时 Vo = 4V。3）限流电阻 R 的选取V VImaxzV+zz max RL maxRL并根据稳压管正常工作范围：I I I ，可以求得: z m inzz m ax V V R Imin zVI +z min RL min例：釆用V = 9V, r = 40的Si稳压管2DW3的稳压电路如图所示。如果输入电压V的波动土 10%试问输出电压的波动zzI稳压电路模型及增量等效模型解： 输入电压的变化量为：A V = 10% x V = 1.5 VII

27、输出电压的变化量为：r / /RA V = z l A V = 0.094Vo R + r / R 1zL输出电压的相对变化量为： 汉 =士0.094 = 1%V9oR例：为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳压电源为汽车收音机提供一个9V的电压， 稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围（1113.6）V,收音机的电流介于0（关 掉）100mA（最大音量）之间。解：当负载电流最大 I ，输出电压最小L m axV 时，流过稳压管的电流最小 Im inV - V ”I = Im in I ,z m inRL m axV VIm inz+1z minL max当负载电流最小I，输入

28、电压最大VL m inI时，流过稳压管的电流最大Im axV-，贝IR =VIm axz m axz maxIm ax令上两式相等，贝I：（VVIm ax)(I + I ) = I z min L maxmax(V V )Im in z只含两个未知 量 Iz max和Iz m in，取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即= 0.1 Iz minz maxIm axz maxVVzI(VV ) 0.1(V V ) LmaxI minzI maxzVIminz0.9V 0.1VI maxImaxa 300mA贝限流电阻为Im axV 13.6 9=15.3 0300z max六、PN结电容效应及应用势垒电容扩散电容变容二极管简要介绍二极管为什么有电容效应，电容效应对管子的影响主要体现在频率增高时 极管可能直接导通，不具有单向导电性。势垒电容和扩散电容的物理意义，注意说明： 势垒电容：正偏和反偏时都存在，电容随偏置增大而增大 扩散电容：只在正偏时存在。变容二极管是在正向偏置时，利用电容随偏置而变的特性制成的。