2022年模拟电子技术基础总结.docx

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1、第一章晶体二极管及应用电路一、半导体学问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） ；纯洁（纯度 7N ）且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体；在肯定的温度下,本征半导体内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q 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q 电荷的空位宏观

2、定向运动（图1-4 ）；在肯定的温度下,自由电子与空穴在热运动中相遇,使一对自由电子和空穴消逝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,称载流子处于平稳状态；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

3、杂质浓度,与温度无关；两少子浓度是温度的敏锐函数；在相同掺杂和常温下,Si 的少子浓度远小于Ge 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（这与金属导电一样） ；仍存在因载流子浓度差而产生的扩散电流；4. PN 结在具有完整晶格的P 型和 N 型材料的物理界面邻近,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 区的内建电场和内建电压；PN 结内载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）； PN 结内的电场是阻挡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

4、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）；I S ；PN 结的伏安方程为：iv/ VTI S e1 ,其中,在T=300K 时,热电压 VT26 mV ；非对称 PN 结有 P N 结（ P 区高掺杂）和 PN结（ N 区高掺杂） , PN 结主要向低掺杂区域延长（图1-9）；二、二极管学问一般二极管内芯片就是一个 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

5、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,其沟通电阻不等于其直流电阻；1rdi Dd二极管沟通电阻 rd定义：dvDQ稳压管电路设计时,要正确选取限流电阻,使稳压管在肯定的负载条件下正常工作；二极管沟通电阻rd 估算： rdVTI D二极管的低频小信号模型就是沟通电阻变电流与微变电压之间的关系；rd ,它反映了在工作点Q 处,二极管的微二极管的低频大信号模型是一种开关模型,有抱负开关、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-

6、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沟通电阻,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肯定值时,反向电流突然增大的现象即反向击穿；反向击穿的缘由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” ；反向击穿电压非常稳固,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,其缘由是管内的PN

7、结存在电容效应 （结电容）；结电容分为 PN 结内的势垒电容CT 与 PN 结两侧形成的扩散电容CD ； CT随偏压的增大而增大,CD 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 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；CT ；利用这一特性的其次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,集电结反偏时,称为放大偏置；在放大偏置时,NPN 管满意VCVBVC ； PNP 管满意 VCVBVE ；放大偏置时, 作为 PN 结的发射结的 V

8、A 关系是： i E（ PNP）；vBE /VTIeES（NPN ）,i EvB ET / VIeES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内部条件下,发射极电流iE 将几乎转化为集电流iC ,而基极电流较小；在放大偏置时,定义了iCNiE（ iCN 是由iE 转化而来的iC 重量）极之后,可以导出两个关于电极电流的关系方程：iCi EI CBOiCi B1 I CBOiBI CEO其中1, I CEO是集电结反向饱和电流,I CEO1 I CBO 是穿透电流；放大偏置时,在肯定电流范畴内, 流都是指数非线性关系；i E 、 iC、 iB 基本是线性关系,而vBE对三

9、个电放大偏置时：三电极电流主要受控于vBE ,而反偏vCB 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,I C , I E 增大而I B 减小；发射结与集电结均反偏时BJT 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： i B输出特性曲线： i Bf vBE VCE 常数 （图 2-13 ）f vCE I B常数 （图 2-14 ）输入特性曲线一般只画放大区,典型外形与二极管正向

10、伏安特性相像；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,I CBO增加和输入特性曲线左移；三、BJT 主要参数limiClimiC0电流放大系数：直流,直流；沟通iE Q 和0i B Q ,、也满意1；极间反向电流：集电结反向饱和和电流ICBO；穿透电流I CEO极限参数：集电极最大答应功耗PCM；基极开路时的集电结反向击穿电压BVCEO ；集电极最大答应电流I CM特点频率 fTBJT 小信号工作,当频率增大时使信号电流i c 与 ib 不同相,也不成比例；

11、如用相量表示为I c ,I B ,就I cI B 称为高频；f T 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 内部的vBE 的正向掌握过程产生集电极电流的相应变化（ iC显现信号电流ic ）, ic 在集电极电阻上的沟通电压就是放大的电压信号；当发射结上沟通电压| vbe |5 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）,模型中有七个参数：基本参数：基区体电阻rbb,由厂家供应、高频管的r bb比低

12、频管小基区复合电阻rb e ：估算式：rb eVT11reI E,re 发射结沟通电阻跨导 gm ：估算 gmI C / VT300K38.5I C （ ms）,rb e , g m关系 :rb e g m基调效应参数r ce ：估算r ceVA / I C , V A 厄利电压rb c ：估算r b crce以上参数满意：rb crce1rb eregm高频参数：集电结电容C b c ：由厂家给出；b cCg mCC发射结电容b eb e ：估算2 fT*最常用的 BJT 模型是低频简化模型（1） 电压掌握电流源（icgmvb e ）模型（图2-23）（2） 电流掌握电流源（icib ）模型

13、（图2-24,常用）,其中rberb brb e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vS 串联源内阻RS 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RC 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；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沟通通路；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（无沟通电压）,该点为“沟通地” ；沟通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沟通电压传送

14、到另一端,耦合电容上应基本上无沟通电压,或即是沟通短路的；傍路电容也是对沟通电流短路的电容；画沟通通路时应将恒压源短路（ 无沟通电压） ,恒流源开路（ 无沟通电流） ； 耦合、傍路电容短路（ 无沟通电压） ；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）特点：简洁, 变化大；I B 随温度变化小；但输出特性曲线上的工作点（VCE 、 I C ）随温度VCCI BRVBEIIVVIRQ 点估量B, CB , CECCCCi C直流负载线VCCRCvCE RC2. 基极分压射极偏置电路（图3-14 ）特点：元件

15、稍多；但在满意条件RE10 （R1 / R2 ）时,工作点 Q（ VCE ,I C ）随温度变化很小,稳固工作点的原理是电流取样电压求和直流负反馈（7.4.4）；II VCC R2BEEV / REC Q 点估算：R1R2,直流负载线VCECiVCCVCCRCRE I CvCERCRERCRE以上近似运算在满意RE10 R1/ R2 时有足够的精确性；三、基本 CE 放大器的大信号分析沟通负载线是放大器（图3-6b）工作时,动点（vCE, i C ）的运动轨迹；沟通负载线经过静态工作点,且斜率为1RC / RL ；因放大器中晶体管的伏安特性的非线性使输出波形显现失真,这是非线性失真； 非线性失

16、真使输出信号含有输入信号所没有的新的频率重量；大信号时,使 BJT 进入饱和区产生饱和失真；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 放大器就相反；将工作点支配在沟通负载线的中点,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Ri 是从放大器输入口视入的等效沟通电阻；Ri 是信号源的负载,Ri 说明放大器向信号源吸取信号功率；放大器在输出口对负载RL 而言,等效为一个新的信号源（这说明放大器向负载RL 输出功率P0 ）,该信号源的内阻即输出电阻R0 ；任何单向化放大器

17、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：v0AV端电压增益：viAv0ARiAVSVSV源电压增益：vs ,RsRii 0Ai电流增益：ii负载开路电压增益（内电压增益）：v0AV 0RviLRLAV,R0RLAV 0AP0| A | A |功率增益：PVIPi Av 、Avs 、Ai 、 Av 0 的分贝数为20 lg | A |； A p 的分贝数为10 lgAP ；不同组态放大器增益不同,但任何正常工作的放大器,必需AP1 ；2. CE、CB、CC 放大器基本指标Av ,管端输入电阻Ri ,管端输出电阻R0 ；用电流掌握电流源（ic本指标由表 3-1 归

18、纳；ib ）BJT 低频简化模型（图2-24）导出的三个组态的上述基表 3-1BJT 三种基本放大器小信号指标CE 放大器CB 放大器CC 放大器简化沟通通路RLRL1RLrbe1RLrbeAV（大,反相）gm RLrbe（大,同相）gm RL r bbr be rbbreR Lr be中Ribe r bbrbe1小rbe r bbrbe+1+ RLRL大e1+ rerrerbe r bb1+ r e+ r b rbb0.5r cerce 大,与信号源内Ro阻有关 r ce0.5r bc很大,与信号源内阻有关rbeRS1 RS小,与 RS 有关 ,RS / RB 功率增益最大 3.3.4 节,

19、应Ri Ro 适中,易于与前后用级接口,使用广泛；五、多级放大电路1. 基本概念高频放大时性能好, 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；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； 零点漂移的主要缘由是前级工作点随温度变化,这种变化因级间直接耦合被逐级放大；在

20、输出端显现可观的漂移电压；直流放大器由于输入输出不能使用隔直耦合电容,期望在无输入信号时, 输入端口和输出端口的静态直流电压为零；满意这种条件的直流放大器称为满意零输入、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内阻,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排除共电耦合（图 3-39、3-40）；2. 多级放大器指标运算后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载,在运算前级放大器的增益时,肯定要把这个输入电阻计为负载来运算增益；第一级放大器的输入电阻即多级放大器的输入电阻；末级放大器的

21、输出电阻即多级放大器的输出电阻；运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运算增益的方法是“观看法”,应当把握；BJT 两种重要的组合放大电路是共射共基和共集共基组态,其有用电路之一分别是图 3-45（ CE-CB ）和图 3-47（ CC-CB ）,应能画出并运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

22、MOSFET 内部结构有较大差别,但内部的沟道电流都是多子漂移电流；一般情形下,该电流与vGS 、 vDS 都有关；沟道未夹断时,FET 的 D-S 口等效为一个压控电阻（vGS 掌握电阻的大小） ,沟道全夹断时,沟道电流i D 为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断,此时i D 主要受控于vGS ,而 vDS 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,vGS 与 v DS 满意预夹断方程：耗尽型 FET 的预夹断方程：vDSvGSVP （ VP 夹断电压）增强型 FET 的预夹断方程：vDSvGSVT （ VT开启电压）各种类型的 FET,偏置在放大

23、区（沟道部分夹断）的条件由表4-4 总结；表 4-4FET 放大偏置时vGS 与 v DS 应满意的关系极 性放大区条件VDSN 沟道管：正极性 VDS0VDSVGSVP或 VT0 P 沟道管：负极性 VDS0VDSVGSVP或 VTVP或 VT P 沟道管： VGSrdsgm ,较小,最大AI打算于 RG ,AI 1打算于 RG ,AI 1AI 1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, 晶体管工艺简洁且占有芯片面积小；集电电阻、 集成电容工艺并不简洁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；依据IC

24、 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（特殊是阻值大的电阻）,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,或即内阻r0 很小,恒流源的特点是当端口电压变化时,流过恒流源的电流变化很小,或即内阻 r0 很大；二者比较如下表：恒 压 源恒 流 源模型抱负伏安特性曲线实线性近似际模型伏安特性曲线实偏置在放大区的BJT 当 I B=常数,充分导通的二极管（图5.30a）际击穿后的稳压管（图1-35 ）实例 VBE 倍增电路（图 5-30b ）或 VBE常数时, i C 可视为恒流源（图 5-3

25、, 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）IVCCVBE1R参考电流R恒流源电流I C 2I R12 /内阻 r0r ce2 *特点：1时高；I C 2I R ,故I C2 是 I R 的镜像；该恒流源内阻不够大,镜像精度不微电流恒流源（图5-11）IVCCVBE1R参考电流R恒流源电流关系式：I C2VT ln I RR2I C 2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；该恒流源内阻大；I C2 对电源电压波动不敏锐；此例恒流源（图5-12）I R参考电流VCCRVB

26、E1R1恒流源电流I C 2R1IRR2（条件：I C2 与 I R 相差 10 倍以内时此式精确性较高）特点： 内阻大,使用敏捷；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）；采纳集电极有源负载的 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. 基本学问差放是一种具有两输入端的电路对称、元件配对的平稳电路,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；这是由于

27、零漂可以等效为共模干扰信号,从而被差放抑制；任模输入信号vs1 , vs 2 的差模和共模重量；差模输入电压：vidv s1vidvs 2 （输入端的一对差模重量是2 ）共模输入电压重量：差放基本指标的定义v ic1 v2s1v s1 Av odvvd差模增益id（有双端输出和单端输出两种方式）Avocvvc共模增益ic（有双端输出和单端输出两种方式）AvdK CMRA共模抑制比vc差模输入将地的双端输入,但只要基本上与差模输入时相同；K CMR很大,信号对地单端输入时、输出电压,2. 差放指标的运算方法单边等效电路法当信号差模输入时,抱负对称差放在对称位置上的点都是沟通地；据此,可画差放的差

28、模单边沟通通路,由该电路运算Avd ；当信号共模输入时,两对称支路交汇成的公共支路上的沟通电流是每支路的两倍；据此可画出差放的共模单边沟通通路,由该电路求Avc ；抱负对称差放的Avc 双0 ；对任意输入信号,可以将其分解成差模和共模重量后,按单边等效电路法求出输出, 然后相加,其一般表式为：v 0vodv ocAvdv idAvcvicAvdvidv icK差放增益的符号与v id参考方向、v od （或CMRvoc ）以及单端输出时输出端都有关；确定差放增益符号时,第一要明确单边等效电路是反相仍是同相放大器；采纳恒流源偏置的差放（图5-20）可以增大共模负反馈,使K CMR 增大；有源负载

29、差放（图 5-21）除了使差模增益增加外,仍具有双端转单端功能；3差放的小信号范畴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重量,故差放的小信号范畴比单管放大器宽；恒流源CE 差放的小信号条件是| vid |28 mV ；恒流源 CE 差放当路中得到应用；四、功率输出级1. 基本概念| v id |100 mV 时,输出有明显的限幅特性；该特性在通信电子电功率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平均输出信号功率效率电源消耗的平均总功率POPCC最大输出信号功率非线性失真系数 DPo max功放管工作于接近极限参数

30、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PCM, BVCEO 和I CM（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与输入信号无关,P输入越大,PCC 越大；电源功率CC管耗 PC静态时仍消耗功率；静态时最大；静态时电源几乎不消耗功率静态时为零,鼓励在某

31、一状态时 RC 最大；效率25%78.5%对功放管的功率容量的利用低,Po max0.5PCM高, Po max5PCM乙类功放在输入信号过零时,因功放管未导通而使输出为零的现象称为交越失真；可以给功放管加肯定的放大偏置使其工作在甲乙类来排除交越失真；但效率也会有所降低；复合 BJT 是模拟 IC 中的一种工艺（又称达林顿组态）；教材表 5-4 总结了四种 BJT复合管的特点；2. OCL 和 OTL 电路指标OCL电路：正负双电源供电的NPN-PNP互补推挽功放（表5-3 原理电路） ；OTL电路：正负单电源供电的NPN-PNP互补推挽功放（表5-3 原理电路）；OTL 正常工作的条件是：

32、（1）静态时两发射极连接的节点处电压1 VV1 VA2CC ；（ 2）耦合电容必需足够大,使一个周期内,VC 保持 2CC几乎不变；两种互补推挽功放的指标及极限参数的限制有些结论见表5-3；表 5-3 OCL 和 OTL 功放的公式聚集OCL 功放OTL 功放原理电路POmax22V1 V1CCCCPCCmax指2RLV22CCRL（满鼓励时）（满鼓励时）8R LV21CC2RL（满鼓励时）（满鼓励时）标max4 （满鼓励时）4 （满鼓励时）22R1 VCC0.2P1VCC20.2PPT1maxO maxL42RLO max I cm0.64VCC/ RL 时 I cm0.64VCC/ RL 时极BVCEO限BV CEO2VCCBV CEOVCC参I CM数I CMV CC / RLI CMVCC2R限制PCMPCM0.2 PO maxPCML