模拟电子技术基础总结

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1、.第一章晶体二极管及应用电路一、半导体知识1本征半导体单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅（Si）和锗（Ge）（图1-2）。前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。纯净（纯度7N）且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在一定的温度下，本征半导体的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）（图1-3）。本征激发产生两种带电性质相反的载流子自由电子和空穴对。温度越高，本征激发越强。空穴是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显示电荷的空位宏观定向运动（图1-4）。在一定的温度下，自由电子

2、与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。2杂质半导体在本征硅（或锗）中渗入微量5价（或3价）元素后形成N型（或P型）杂质半导体（N型：图1-5，P型：图1-6）。在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。在常温下，多子少子（图1-7）。多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；两少子浓度是温度的敏感函数。在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge

3、的少子浓度。3半导体中的两种电流在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。4PN结在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层PN结（图1-8）。PN结是非中性区（称空间电荷区），存在由N区指向P区的建电场和建电压；PN结载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；PN结的电场是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻挡层）。正偏PN结（P区外接高于N区的电压）有随正偏电压指数增大的电流；反偏PN结（P区外接低于N区的电压），在使PN结击穿前，只有其值很小的反向饱和电流。即PN结有单向导电特性（正偏导通，反偏截止

4、）。PN结的伏安方程为：，其中，在T=300K时，热电压mV。非对称PN结有结（P区高掺杂）和结（N区高掺杂），PN结主要向低掺杂区域延伸（图1-9）。二、二极管知识普通二极管芯片就是一个PN结，P区引出正电极，N区引出负电极（图1-13）。在低频运用时，二极的具有单向导电特性，正偏时导通，Si管和Ge管导通电压典型值分别是0.7V和0.3V；反偏时截止，但Ge管的反向饱和电流比Si管大得多（图1-15）。低频运用时，二极管是一个非线性电阻，其交流电阻不等于其直流电阻。二极管交流电阻定义：稳压管电路设计时，要正确选取限流电阻，使稳压管在一定的负载条件下正常工作。二极管交流电阻估算：二极管的低频

5、小信号模型就是交流电阻，它反映了在工作点Q处，二极管的微变电流与微变电压之间的关系。二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有理想开关、恒压源模型和折线模型三种近似（图1-20）。三、二极管应用1单向导电特性应用整流器：半波整流（图1-28），全波整流（图P1-8a），桥式整流（图P1-8b）限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅（图P1-9）钳位电路*通信电路中的应用*：检波器、混频器等2正向导通特性及应用二极管正向充分导通时只有很小的交流电阻，近似于一个0.7V（Si管）或0.3V（Ge管）的恒压源。3反向击穿及应用二极管反偏电压增大到一定值时，反向电流突然增大的现象即反向击穿。反向击穿的原因

6、有价电子被碰撞电离而发生的“雪崩击穿”和价电子被场效激发而发生的“齐纳击穿”。反向击穿电压十分稳定，可以用来作稳压管（图1-33）。4高频时的电容效应及应用高频工作时，二极管失去单向导电特性，其原因是管的PN结存在电容效应（结电容）。结电容分为PN结的势垒电容与PN结两侧形成的扩散电容。随偏压的增大而增大，与正偏电流近似成正比。反偏二极管在高频条件下，其等效电路主要是一个势垒电容。利用这一特性的二极管称为变容二极管。变容二极管在通信电路中有较多的应用。第二章双极型晶体三极管（BJT）一、BJT原理双极型晶体管（BJT）分为NPN管和PNP管两类（图2-1，图2-2）。当BJT发射结正偏，集电结

7、反偏时，称为放大偏置。在放大偏置时，NPN管满足；PNP管满足。放大偏置时，作为PN结的发射结的VA关系是：（NPN），（PNP）。在BJT为放大偏置的外部条件和基区很薄、发射区较基区高掺杂的部条件下，发射极电流将几乎转化为集电流，而基极电流较小。在放大偏置时，定义了（是由转化而来的分量）极之后，可以导出两个关于电极电流的关系方程：其中，是集电结反向饱和电流，是穿透电流。放大偏置时，在一定电流围，、基本是线性关系，而对三个电流都是指数非线性关系。放大偏置时：三电极电流主要受控于，而反偏通过基区宽度调制效应，对电流有较小的影响。影响的规律是；集电极反偏增大时，增大而减小。发射结与集电结均反偏时B

8、JT为截止状态，发射结与集电结都正偏时，BJT为饱和状态。二、BJT静态伏安特性曲线三端电子器件的伏安特性曲线一般是画出器件在某一种双口组态时输入口和输出口的伏安特性曲线族。BJT常用CE伏安特性曲线，其画法是：输入特性曲线：（图2-13）输出特性曲线：（图2-14）输入特性曲线一般只画放大区，典型形状与二极管正向伏安特性相似。输出特性曲线族把伏安平面分为4个区（放大区、饱和区、截止区和击穿区）放大区近似的等间隔平行线，反映近似为常数，放大区曲线向上倾是基区宽度调制效应所致。当温度增加时，会导致增加，增加和输入特性曲线左移。三、BJT主要参数电流放大系数：直流，直流；交流和，、也满足。极间反向

9、电流：集电结反向饱和和电流；穿透电流极限参数：集电极最大允许功耗；基极开路时的集电结反向击穿电压；集电极最大允许电流特征频率BJT小信号工作，当频率增大时使信号电流与不同相，也不成比例。若用相量表示为，则称为高频。是当高频的模等于1时的频率。四、BJT小信号模型无论是共射组态或共基组态，其放大电压信号的物理过程都是输入信号使正偏发射结电压变化，经放大偏置BJT部的的正向控制过程产生集电极电流的相应变化（出现信号电流），在集电极电阻上的交流电压就是放大的电压信号。当发射结上交流电压mV时，BJT的电压放大才是工程意义上的线性放大。BJT混合小信号模型是在共射组态下推导出的一种物理模型（图2-28

10、），模型中有七个参数：基本参数：基区体电阻，由厂家提供、高频管的比低频管小基区复合电阻：估算式：，发射结交流电阻跨导：估算（ms），基调效应参数：估算，厄利电压：估算以上参数满足：高频参数：集电结电容：由厂家给出；发射结电容：估算*最常用的BJT模型是低频简化模型（1）电压控制电流源（）模型（图2-23）（2）电流控制电流源（）模型（图2-24，常用），其中第三章晶体管放大器基础一、基本概念向放大器输入信号的电路模型一般可以用由源电压串联源阻来表示，接受被放大的信号的电路模型一般可以用负载电阻来表示（图3-1）。未输入信号（静态）时，放大管的直流电流电压称为放大器的工作点。工作点由直流通路求解

11、。放大器工作时，信号（电流、电压）均迭加在静态工作点上，只反映信号电流、电压间关系的电路称为交流通路。放大器中的电压参考点称为“地”，放大器工作时，某点对“地”的电压不变（无交流电压），该点为“交流地”。交流放大器中的耦合电容可以隔断电容两端的直流电压，并无衰减地将电容一端的交流电压传送到另一端，耦合电容上应基本上无交流电压，或即是交流短路的。傍路电容也是对交流电流短路的电容。画交流通路时应将恒压源短路（无交流电压），恒流源开路（无交流电流）；耦合、傍路电容短路（无交流电压）。画直流通路时应将电容开路（电容不通直流），电感短路（电感上直流电压为零）。二、BJT偏置电路1固定基流电流（图3-7a

12、）特点：简单，随温度变化小；但输出特性曲线上的工作点（、）随温度变化大。Q点估计，直流负载线2基极分压射极偏置电路（图3-14）特点：元件稍多。但在满足条件（）时，工作点Q（，）. v.随温度变化很小，稳定工作点的原理是电流取样电压求和直流负反馈（7.4.4）。Q点估算：，直流负载线以上近似计算在满足时有足够的准确性。三、基本CE放大器的大信号分析交流负载线是放大器（图3-6b）工作时，动点（，）的运动轨迹。交流负载线经过静态工作点，且斜率为。因放大器中晶体管的伏安特性的非线性使输出波形出现失真，这是非线性失真。非线性失真使输出信号含有输入信号所没有的新的频率分量。大信号时，使BJT进入饱和区

13、产生饱和失真；使BJT进入截止区，产生截止失真。NPN管CE放大器的削顶失真是截止失真；削底失真是饱和失真。对于PNP管CE放大器则相反。将工作点安排在交流负载线的中点，可以获得最大的无削波失真的输出。四、BJT基本组态小信号放大器指标1基本概念：输入电阻是从放大器输入口视入的等效交流电阻。是信号源的负载，表明放大器向信号源吸收信号功率。放大器在输出口对负载而言，等效为一个新的信号源（这说明放大器向负载输出功率），该信号源的阻即输出电阻。任何单向化放大器都可以一个通用模型来等效（图3-36）。由此模型，放大器各种增益定义如下：端电压增益：源电压增益：，电流增益：负载开路电压增益（电压增益）：，

14、功率增益：、的分贝数为；的分贝数为。不同组态放大器增益不同，但任何正常工作的放大器，必须。2CE、CB、CC放大器基本指标，管端输入电阻，管端输出电阻。用电流控制电流源（）BJT低频简化模型（图2-24）导出的三个组态的上述基本指标由表3-1归纳。表3-1 BJT三种基本放大器小信号指标CE放大器CB放大器CC放大器简化交流通路AV（大，反相）(rberbb)（大，同相）(rberbb)(rbb)rbe (中)(1+)re (rberbb) (小)re (rberbb)rbe+(1+) (大)(1+)(re+) (rberbb)0.5rcerce (大，与信号源阻有关)rce0.5rbc(很大

15、，与信号源阻有关)(小，与RS有关), ()应用功率增益最大(3.3.4节)，RiRo适中，易于与前后级接口，使用广泛。高频放大时性能好，常与CE和CC组态结合使用。如CE-CB组态CC-CB组态。Ri大而Ro小，可作高阻抗输入级和低阻抗输出级，隔离级和功率输出级。五、多级放大电路1基本概念多级放大器的级间耦合方式主要有电容耦合（阻容耦合）（图3-39）、变压器耦合（图3-41）和直接耦合（图3-42、3-43）三种方式。对于直接耦合放大器，其工作频率的下限可以为零（称为直流放大器），但输出易发生所谓“零点漂移”（输出端静态电压缓慢变化），形成假信号。零点漂移的主要原因是前级工作点随温度变化，

16、这种变化因级间直接耦合被逐级放大。在输出端出现可观的漂移电压。直流放大器由于输入输出不能使用隔直耦合电容，希望在无输入信号时，输入端口和输出端口的静态直流电压为零。满足这种条件的直流放大器称为满足零输入、零输出条件。只有用正负双电源供电的直流放大器才能实现零输入和零输出。由于供电电压源存在阻，使各级放大器发生“共电耦合”，这种共电耦合可能导致放大器指标变坏甚至自激。放大器中的电源去耦电路就是为了减小和消除共电耦合（图3-39、3-40）。2多级放大器指标计算后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载，在计算前级放大器的增益时，一定要把这个输入电阻计为负载来计算增益。第一级放大器的输入电阻即多级放大

17、器的输入电阻；末级放大器的输出电阻即多级放大器的输出电阻。计算多级放大器电压增益的一般方法是求出各级增益，再将其相乘。对BJT多级基本放大器的一种有效的计算增益的方法是“观察法”，应该掌握。BJT两种重要的组合放大电路是共射共基和共集共基组态，其实用电路之一分别是图3-45（CE-CB）和图3-47（CC-CB），应能画出并计算这两个电路的指标。第四章场效应管（FET）及基本放大电路一、场效应管（FET）原理FET分别为JFET和MOSFET两大类。每类都有两种沟道类型，而MOSFET又分为增强型和耗尽型（JFET属耗尽型），故共有6种类型FET（图4-1）。JFET和MOSFET部结构有较大

18、差别，但部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与、都有关。沟道未夹断时，FET的D-S口等效为一个压控电阻（控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时主要受控于，而影响较小。这就是FET放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。在预夹断点，与满足预夹断方程：耗尽型FET的预夹断方程：（夹断电压）增强型FET的预夹断方程：（开启电压）各种类型的FET，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。表4-4 FET放大偏置时与应满足的关系极 性放大区条件VDSN沟道管：正极性(VDS0)VDSVGSVP(或VT)0P沟道管：负极性(VD

19、S0)VDSVGSVP(或VT)VP(或VT)P沟道管：VGSrds ，最大AI决定于RG ，AI1决定于RG ，AI1AI1类似CE放大器CC放大器CB放大器第五章模拟集成单元电路一、半导体IC电路特点在半导体集成电路中，晶体管工艺简单且占有芯片面积小；集电电阻、集成电容工艺并不简单且占有芯片的面积随元件值增大的明显增大（表5-1）；电感无法集成。根据IC工艺的这些特点，IC电路设计思想是尽量多用晶体管，少用电阻（特别是阻值大的电阻），尽量不用电容。二、恒流源1恒压源与恒流源基本概念恒压源与恒流源都是耗能的电路装置。恒压源的特点是：端口电压随电流变化很小，或即阻很小，恒流源的特点是当端口电压

20、变化时，流过恒流源的电流变化很小，或即阻很大。二者比较如下表：恒 压 源恒 流 源理想模型伏安特性曲线实际线性近似模型实际伏安特性曲线实例充分导通的二极管（图5.30a）击穿后的稳压管（图1-35）倍增电路（图5-30b）偏置在放大区的BJT当=常数，或常数时，可视为恒流源（图5-3，5，6）。 模拟IC中常用对管组成恒流源（图5-7、8、11、12）2模拟IC中的恒流源基本镜像恒流源（图5-7，图5-13a）参考电流恒流源电流阻*特点：时，故是的镜像。该恒流源阻不够大，镜像精度不高。微电流恒流源（图5-11）参考电流恒流源电流关系式：特点：用不大的电阻两个可以实现A级的恒流源，故易于集成。该

21、恒流源阻大。对电源电压波动不敏感。此例恒流源（图5-12）参考电流恒流源电流（条件：与相差10倍以时此式准确性较高）特点：阻大，使用灵活。3恒流源在模拟IC的应用IC放大器中的偏置电路（如恒流源差放图5-20）用恒流源作（集电极）有源负载放大器（图5-13，图5-21）。采用集电极有源负载的CE放大器，在后级输入电阻很大的条件下，可以大大提高电压增益。三、差动放大器1基本知识差放是一种具有两输入端的电路对称、元件配对的平衡电路，它可以有效地放大差模输入信号；依靠对称性和共模负反馈，差放可以有效抑制共模输入信号（一般为干扰信号）。差放作直流放大器，可以有效地抑制零点漂移。这是因为零漂可以等效为共

22、模干扰信号，从而被差放抑制。任模输入信号，的差模和共模分量。差模输入电压：（输入端的一对差模分量是）共模输入电压分量：差放基本指标的定义差模增益（有双端输出和单端输出两种方式）共模增益（有双端输出和单端输出两种方式）共模抑制比差模输入将地的双端输入，但只要很大，信号对地单端输入时、输出电压，基本上与差模输入时相同。2差放指标的计算方法单边等效电路法当信号差模输入时，理想对称差放在对称位置上的点都是交流地。据此，可画差放的差模单边交流通路，由该电路计算。当信号共模输入时，两对称支路交汇成的公共支路上的交流电流是每支路的两倍。据此可画出差放的共模单边交流通路，由该电路求。理想对称差放的。对任意输入

23、信号，可以将其分解成差模和共模分量后，按单边等效电路法求出输出，然后相加，其一般表式为：差放增益的符号与参考方向、（或）以及单端输出时输出端都有关。确定差放增益符号时，首先要明确单边等效电路是反相还是同相放大器。采用恒流源偏置的差放（图5-20）可以增大共模负反馈，使增大。有源负载差放（图5-21）除了使差模增益增加外，还具有双端转单端功能。3差放的小信号围及大信号限幅特性由于差放的对称性能有效抑制非线性输出的偶次谐波分量，故差放的小信号围比单管放大器宽。恒流源CE差放的小信号条件是mV。恒流源CE差放当mV时，输出有明显的限幅特性。该特性在通信电子电路中得到应用。四、功率输出级1基本概念功率

24、放大器作为多级放大器输出级，工作于大信号状态，故小信号等效电路分析方法不适用。功放关注的指标主要有效率最大输出信号功率非线性失真系数D功放管工作于接近极限参数状态，故功放管安全使用是设计功放要考虑的问题。对BJT功放管，使用中不能超过，和（定义见2.3.3）。按功放管的导通的时间不同，功放可分为甲类（A类）、乙类（B类）、丙类（C类）和丁类（D类）。对阻性负载功放，只能工作在甲类或乙类（双管电路）。丙类功放一般是以LC回路作负载的高频谐振功放。甲类和乙类电阻负载功放比较甲 类乙 类功放管单管（图5-25a）对管（图5-26c）非线性失真优于乙类有交越失真问题电源功率与输入信号无关，静态时仍消耗

25、功率。输入越大，越大。静态时电源几乎不消耗功率管耗静态时最大。静态时为零，激励在某一状态时最大。效率25%1)输入电阻RifR1输出电阻Rof00共模输入电压vic0vs反馈类型和极性电压取样电流求和负反馈电压取样电压求和负反馈当上述电路中电阻为阻抗时，有关公式仍然成立，如：（反相组态）（同相组态）。四、集成OA线性应用（举例）1代数和运算电路上式成立的条件是：由上述电路可获得OA组成的基本差动放大器（图8-18），公式如下：2基本反相积分器（图8-20）公式：3基本反相微分器（图8-25）公式：教材8.5中所有的OA线性运用电路都是理想运放分析法的应用实例。理想运放分析法应用时的一些要点：（1）记住一些基本公式（表8-2及本小节上述基本公式）。（2）两信号以上输入时，可采用迭加原理求输出。（3）当电路含有电抗元件时，可采用相量法（或复频域）分析。因为电抗上的电流电压是微分关系，作时域分析会涉及微分方程，使得在一个以上电抗存在时，求解困难。（4）运用，时，不可将运放同相与反相端之间短路或将两输入电极开路来分析，只能在列方程时应用这些条件。（5）对结果作量纲检查，可发现一些低级错误，如：，都肯定是错误的结果（为什么.）。. v