2022年电气类专业知识点--模拟电路知识点讲义整理 .pdf

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1、1 模拟信号和数字信号模拟信号：时间连续、幅度连续的信号（图1.1.8） 。数字信号：时间、幅度离散的信号（图1.1.10）2放大电路的基本知识输入电阻iR：是从放大器输入口视入的等效交流电阻。iR是信号源的负载，iR从信号源吸收信号功率。输出电阻oR：放大器在输出口对负载LR而言，等效为一个新的信号源（这说明放大器向负载LR输出功率oP） ，该信号源的内阻即为输出电阻。放大器各种增益定义如下：端电压增益：oViVAV源电压增益：oiVSVssiVRAAVRR电流增益：oIiIAI互导增益：oGiIAV互阻增益：oIiVAI负载开路电压增益（内电压增益）：0LoViRVAV，00LVVLRAA

2、RR功率增益：0|PVIiPAAAPVA、GA、RA、IA的分贝数为20lg A；pA的分贝数为20lgpA。不同放大器增益不同，但任何正常工作的放大器，必须1PA。任何单向化放大器都可以用模型来等效，可用模型有四种（图1.2.2） 。频率响应及带宽：o()()()ViVjAjVj或()()VVAA()VA幅频相应（图1.2.7） ：电压增益的模与角频率的关系。( )相频相应：输出与输入电压相位差与角频率的关系。BW 带宽：幅频相应的两个半功率点间的频率差HLBWff。线性失真：电容和电感引起，包括频率失真和相位失真（图1.2.9）非线性失真：器件的非线性造成。晶体二极管及应用电路一、半导体知

3、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 2.1.2） ，一些金属化合物也具有半导体的性质如砷化镓GaAs。前者是制造半导体IC 的材料，后者是微波毫米波半导体器件和IC 的重要材料。本征半导体：纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。本征激发（又称热激发或产生）：在一定的温度下，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：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电荷的空位宏观定向运动（图2.1.4） 。复合：在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，

4、使一对自由电子和空穴消失的现象。复合是产生的相反过程，当产生等精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 19 页于复合时，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（P 型：图 2.1.5，N 型：图 2.1.6） 。电离：在很低的温度下，N 型（ P 型）半导体中的杂质会全部，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。载流子：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

5、少子（图1-7） 。多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；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的少子浓度。二、 PN 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 2.2.2） 。PN 结（又称空间电荷区） ：存在由N 区指向 P区的内电场和内电压；PN 结内载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；PN 结内的电场是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻挡层）。单向导电特性：正偏PN 结（P 区电位高于N）时，有随正偏电压指数增大的电流；反偏PN 结（ P 区电位低于N 区） ，在使 PN 结击穿前，只有很小的反向

6、。即PN 结有单向导电特性（正偏导通，反偏截止）。反向击穿特性：当反偏电压达到一定值时，反向电流急剧增大，而PN 结两端的电压变化不大（图2.2.6） 。 PN 结的伏安方程为：/(1)Tv VSiIe，其中，在T = 300K 时，热温度当量26mVTV。三、半导体二极管普通二极管内就是一个PN 结， P 区引出正电极，N 区引出负电极（图2.3.1） 。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2.3.2、图 2.3.3） 。低频运用时，二极管是一个非线性电阻，其交

7、流电阻不等于其直流电阻。二极管交流电阻：1DdDQdirdv。二极管交流电阻dr估算：dTDrVI二极管直流电阻：DDDVRI二极管的低频小信号模型：就是交流电阻dr，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、二极管应用1单向导电特性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。整流器：半波整流，全波整流，桥式整流限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅钳位电路 * 2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

8、击穿。反向击穿的原因有价电子被碰撞电离而发生的“雪崩击穿”和耗尽层中价电子强场激发而发生的“齐纳击穿”。反向击穿电压十分稳定，可以用来作稳压管（图2.5.2） 。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。3特殊二极管光电二极管、变容二极管、稳压二极管、激光二极管。双极型晶体三极管及其放大电路一、半导体BJT 结构及偏置精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 19 页双极型晶体管（BJT）分为 NPN 管和 PNP 管两类（图 3.1.3 和 3.1.2） 。电流控制器件。当 BJT 发射结正偏，集

9、电结反偏时，称为放大偏置。在放大偏置时，NPN 管满足CBCVVV；PNP 管满足CBEVVV。 放大偏置时，作为PN 结的发射结的VI 特性是：/BETvVEESiIe（NPN） ，/EB TvVEESiIe（PNP） 。电流分配（图3.1.4） ：在 BJT 为放大偏置的外部条件下，发射极电流Ei将几乎转化为集电流Ci，而基极电流较小。电流放大系数： 在放大偏置时， 令CNEii（CNi是由Ei转化而来的Ci分量） ，导出两个关于电极电流的关系方程：CECBOiiI(1)CBCBOBCEOiiIiI其中1，CEOI是集电结反向饱和电流，(1)CEOCBOII是穿透电流。放大偏置时，在一定电

10、流范围内，Ei、Ci、Bi基本是线性关系，而三个电流与BEv都是非线性指数关系。放大偏置时：三电极电流主要受控于BEv，而反偏CBv，对电流有较小的影响。影响的规律是；集电极反偏增大时，CI，EI增大而BI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 常用共射伏安特性曲线：输入特性曲线：()CEBBEVif v=常数（图 3.1.7）输出特性曲线：()BBCEiif v=常数（图 3.1.7）输入特性曲线一般只画放大区，典

11、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（图3.3.5） 。当温度增加时，会导致增加，CBOI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0limCEQii和0limCBQii，、也满足1。极间反向电流：集电结反向饱和和电流CBOI；穿透电流CEOI极限参数：集电极最大允许功耗CMP；基极开路时的集电结反向击穿电压()BR CEOV；集电极最大允许电流CMI。特征频率TfBJT 小信号工作，当频率增大时使信号电流ci与bi不同相，也不成比例。若用相量表示为cI，B

12、I，则cBII称为高频。Tf是当高频的模等于 1 时的频率。四、 BJT 小信号模型放大作用：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BEv的正向控制过程产生较大的集电极电流变化（Ci出现信号电流ci） ，ci在集电极电阻上的交流电压就是放大的电压信号（图3.2.1） 。小信号：当发射结上交流电压5|bevmV 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3.7.5） ，模型中有七个参数：基区体电阻bbr由厂家提供、高频管的bbr比低频管小基区复合电阻ebr 估

13、算式：(1)(1)Tb eeEVrrI，er发射结交流电阻跨导mg 估算300/38.5KmCTCgIVI（ms） ，mebmebgrgr:,关系基调效应参数cer 估算CAceIVr/，AV厄利电压精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 19 页cbr估算cecbrr以上参数满足：emebcecbrgrrr1高频参数：集电结电容cbC由厂家给出；发射结电容ebC 估算cbTmebCfgC2* 最常用的BJT 模型是低频简化模型（1）电压控制电流源（cmb eig v）模型（图3.7.5c）（2）电流控制电流源（cbii）模型（

14、图3.7.5d，常用），其中ebbbberrr五、放大电路基本概念向放大器输入信号的信号源模型一般可以用由源电压Sv串联源内阻SR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LR来表示（图3.4.4a） 。未输入信号（静态）时，放大管的直流电流、电压在特性曲线上对应的点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

15、流电压传送到另一端，耦合电容上应基本上无交流电压（交流短路） 。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）（图 3.4.4b） 。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）。六、 BJT 偏置电路1固定偏置电路（图3.4.4a）特点：简单，虽然BI随温度变化小；但输出特性曲线上的工作点（CEV、CI）随温度变化大。Q 点估算：CCBEBbVVIR，BCII，CCCCCERIVV直流负载线CCCECCVviR作图求 Q 点：在输出特性曲线上，直流负载线与BBiI的交点。2基极

16、分压射极偏置电路（图3.5.1）特点：元件稍多。但在满足条件10ER（21/ RR）时，工作点Q（CEV，CI）随温度变化很小，工作点稳定。原因是存在直流负反馈。Q 点估算：EBECCECRVRRRVII/)(212，()CECCCECVVRRI直流负载线ECCEECCCCRRvRRVi以上近似计算在满足)/(1021RRRE时有足够的准确性。七、基本共射放大器的大信号分析交流负载线（图3.3.4）是放大器工作时，动点（CEv，Ci）的运动轨迹。交流负载线经过静态工作点，且斜率为LCRR/1。非线性失真：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。非线性失真使输出信号含有输入信号所没

17、有的新的频率精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 19 页分量。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。2CE、CB、CC 放大器基本指标vA，管端输入电阻iR，管端输出电阻0R。用电流控制电流源（cbii）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。3 高输入电阻和电流放大系数可采用复合

18、管（图3.6.4、3.6.5）复合 BJT 是模拟 IC 中的一种工艺（又称达林顿组态）。表 3.6.1 BJT 三种基本放大器小信号指标八、放大器的频率响应1. 基本知识对放大器输入正弦小信号，则输出信号的稳态响应特性即放大器的频率响应。在小信号且不计非线性失真时，输出信号仍为正弦信号。故可以用输出相量oX与输入相量iX之比，即放大器的增益的频率特性函数()A j来分析放大器的频率响应的特性。()()/()joiA jXXAe()A表示输出正弦信号与输入正弦信号的振幅之比，反映放大倍数与输入信号频率的关系，故称()A为增益的幅频特性 （图3.7.15b） ；()是输出信号与输入信号的相位差，

19、它反映了放大器的附加相移与输入信号频率的关系，故称()为增益的相频特性。 放大器在低频段表现出增益的频率特性的原因是电路中的耦合电容和旁路电容在频率很低时不能视为交流短路，使交流通路中有电抗元件，从而造成输出的幅度和附加相位与信号频率有关；放大器在高频段表现出增益的频率特性的原因是晶体管内部电抗效应在高频时必须考虑（如PN 结电容的容抗不能再视为） ，使等效电路中存在电抗，造成输出与频率有关。当信号频率降低（或升高）到使()A下降到中频段增益0A的 0.707 倍时所对应的频率称为放大器的低频截止频率Lf（或高频截CE 放大器CB 放大器CC 放大器简化交流通路AV beLrR（大，反相）(r

20、berbb) beLrR（大，同相）(rberbb) LbeLRrR11（rbb) iRrbe(中) (1+)re (rberbb) 1ber(小) re (rberbb) rbe+(1+)LR(大) (1+)(re+LR) (rberbb) oR0.5rcerce (大， 与信号源内阻有关) rce0.5rbc (很大，与信号源内阻有关) 1SbeRr(小，与 RS有关 ), (BSSRRR/) 应用功率增益最大，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

21、，隔离级和功率输出级。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 19 页止频率Hf） 。放大器的通频带是BW定义为HLBWff,BW又称 3dB 带宽。当对放大器输入频带信号，若输入信号频率的范围超过BW时，输出波形会因此发生畸变，此即放大器的频率失真。频率失真分为幅频失真和相频失真。前者是()A变化所致，后者是()不与成正比所致。频率失真与非线性失真的重要区别：对于前者，输出信号没有新的频率分量，且只有输入信号频超过BW时才有频率失真的问题。在直角坐标系下画出的() A曲线称为幅频特性曲线；() 曲线称为相频特性曲线。2. 波特

22、图放大器对数频率特性曲线波特图的频率轴按lg定刻度位置，但仍标示频率的值。对数频率轴的特点是每10 倍频程相差一个单位长度，且0点在频率轴处。幅频波特图的纵坐标按()A的分贝刻度，即所谓分贝线性刻度。相频波特图的纵坐标仍按()的角度刻度。波特图的优点是易于用渐近线方法近似作频率特性曲线。渐近线波特图绘法* ：首先要判断)( jA是低频段还是高频段的频率特性函数（全频段)( jA另行讨论）。)( jA的通式为：1212()()()()()()()mnKjzjzjzA jjPjPjP若mn，则为)( jAL；若mn，则为)( jAH。1低频波特图画法将每个极零点因子化成以下形式)1()1)(1()

23、1()1)(1 ()(21210jPjPjPjzjzjzAjAnmL（mn，0iP）（1）画幅频波特图；在幅频特性平面上画出每个因子（包括中频增益0A）的幅频渐近线波特图，然后相加。每个因子对幅频波特图的贡献如下：0A的贡献为|lg200A，即一条与无关的水平线；极点因子)1(jPi在极点频率iP左侧贡献负分贝，斜率为20dB/dec。零点因子)1(jzi在零点频率iz右侧贡献正分贝，斜率为20dB/dec。（2）画相频波特图：在相频特性平面上画出每个因子（包括0A）的相频渐近线波特图，然后相加。每个因子的贡献如下：00A，则对相频波特图贡献为0o。00A，则对相频波特图贡献为o180。精选学

24、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 19 页极点因子)1(jPi，在|10iP频点的左而贡献正角度。在|1.0|10iiPP区间斜率为45o/dec。|iP频点为 45o，小于|1.0iP处保持 90o。零点因子)1(jzi在|10iz左侧贡献角度，在|10|1.0iizz区间斜率为o45/dec；在|iz频点处为 45o（或o45） ，在 0.1|iz处为 90o（或o90） ，小于 0.1|iz时保持 90o（或o90） ，角度的符号与零点因子幅角的符号一致。2高频波特图的画法将)( jAH中每个极零点因子化成以下形式)1()

25、1)(1()1()1)(1()(21210nmHPjPjPjzjzjzjAjA（mn，0iP）（1）画幅频波特图画出每个因子（包括0A）对幅频波特图的贡献，然后相加，其规律如下：0A贡献的分贝为|lg200A，即一条与无关的水平线极点因子)1(jPi在|iP右侧贡献负分贝，斜率是20dB/dec。|iP右侧贡献正分贝，斜率是20dB/dec。 零 点 因 子 在（2）画出相频波特图画出每个因子对相频波特图的贡献，然后相加。其规律如下：0A的贡献是 0o（00A）或 180o（00A） 。|1.0iP右侧贡献负角度，斜率o45/dec；在10 |iP时，贡献极点因子在达到o90。0.1|iZ右侧

26、贡献角度，斜率为45o/dec（或o45/dec） 。在 零点因子在10 |iZ时，贡献达到并保持90o（或o90） 。角度符号与零点因子幅角的符号相同。3全频段)( jA波特图的绘制首先要画出放大电路的交流通路，大电容视为短路，将BJT 的高频小信号模型带入其中，得到高频等效电路，求出高频()HAj；保留大电容，将BJT 的低频小信号模型带入，求出低频()LAj。识别)( jA中的高、低频极点和零点，然后将极、零点因子分别写成绘波图所需形式，再按前面两节的方法绘出波特图。从中频除法遇到的高、低频段第一个柺点所对应的频率即为上限频率Hf和下限频率)1 (1iPj)1 (jzi(1)ijZ精选学

27、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 19 页Lf。第四章场效应管（ FET）及基本放大电路场效应管（ FET）是电压控制半导体器件，体积小、重量轻、耗电省、寿命长；输入阻抗高，在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。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：N 沟道和 P 沟道。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（表 4.3.1） 。JFET 和 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

28、流。一般情况下，该电流与GSv、DSv都有关。沟道未夹断时， FET 的 D-S 口等效为一个压控电阻（GSv控制电阻的大小） ，沟道全夹断时，沟道电流Di为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时Di主要受控于GSv，而DSv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，GSv与DSv满足预夹断方程：耗尽型 FET 的预夹断方程：PGSDSVvv（PV夹断电压）增强型 FET 的预夹断方程：TGSDSVvv（TV开启电压）各种类型的FET，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由下表总结。FET 放大偏置时GSv与DSv应满足的关系极性放大区条件VDS N

29、 沟道管：正极性(VDS0) VDSVGSVP(或 VT)0 P 沟道管：负极性(VDS0) VDSVGSVP(或 VT)VP(或 VT) P 沟道管： VGSrds ，最大AI决定于 RG ，AI 1决定于 RG ，AI 1 AI1 类似CE 放大器CC 放大器CB 放大器功率放大器1基本概念功率放大器作为多级放大器输出级，目的是提高输出信号的功率。器件工作于大信号状态，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OCCPP平均输出信号功率电源消耗的平均总功率最大输出信号功率maxoP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 B

30、JT 功放管，使用中不能超过CMP，CEOBV和CMI。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 5.2.1b）对管（图 5.2.1a）非线性失真优于乙类有交越失真问题电源功率CCP与输入信号无关，静态时仍消耗功率。输入越大，CCP越大。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 19 页静态时电源几乎不消耗功率

31、管耗CP静态时最大。静态时为零，激励在某一状态时CR最大。效率25% 1) 输入电阻 Rif R1 输出电阻 Rof 0 0 共模输入电压vic0 vs 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：10zzVVfs（反相组态）011fszVVz（同相组态）。四、集成OA 线性应用（举例）1代数和运算电路4422110vRRvRRvRRvRRvfssfff上式成立的条件是：NPfRRRRRRR/4321由上述电路可获得OA 组成的基本差动放大器（图8.1.3） ，公式如下：)(1210iifvvRRv2基本反相积分器（图8.1.5）公

32、式：ttvRCtviod)(1)(3基本反相微分器（图8.1.8）公式：ttvRCtviod)(d)(4. 理想运放分析法应用时的一些要点：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 19 页（1）利用虚短和虚断的概念。（2）两信号以上输入时，可采用迭加原理求输出0v。（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VV，0II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：543210RRRRRvvi，221RCVVio都肯定是错误的结果（为什么？）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 19 页