模擬電子技術基礎總結

1、第一章晶體二極管及應用電路一、半導體知識1本征半導體單質半導體材料是具有4價共價鍵晶體結構的硅（Si）和鍺（Ge）（圖1-2）。前者 是制造半導體IC的材料（三五價化合物砷化鎵GaAs是微波毫米波半導體器件和IC的重 要材料）。純凈（純度7N）且具有完整晶體結構的半導體稱為本征半導體。在一定的溫度下，本征半導體內的最重要的物理現象是本征激發(fā)（又稱熱激發(fā)或產生）（圖1-3）。本征激發(fā)產生兩種帶電性質相反的載流子一一自由電子和空穴對。溫度越高，本征激發(fā)越強?？昭ㄊ前雽w中的一種等效q載流子。空穴導電的本質是價電子依次填補本征晶格中的空位，使局部顯示q電荷的空位宏觀定向運動（圖1-4）。在一定的溫度

2、下，自由電子與空穴在熱運動中相遇，使一對自由電子和空穴消失的 現象稱為載流子復合。復合是產生的相反過程，當產生等于復合時，稱載流子處于平衡 狀態(tài)。2雜質半導體在本征硅（或鍺）中滲入微量5價（或3價）元素后形成N型（或P型）雜質半 導體（N型：圖1-5,P型：圖1-6）。在很低的溫度下，N型（P型）半導體中的雜質會全部電離，產生自由電子和雜質 正離子對（空穴和雜質負離子對）。由于雜質電離，使N型半導體中的多子是自由電子，少子是空穴，而P型半導體中的多子是空穴，少子是自由電子。在常溫下，多子少子（圖1-7）。多子濃度幾乎等于雜質濃度，與溫度無關；兩 少子濃度是溫度的敏感函數。在相同摻雜和常溫下，S

3、i的少子濃度遠小于Ge的少子濃度。3半導體中的兩種電流在半導體中存在因電場作用產生的載流子漂移電流（這與金屬導電一致）；還存在因載流子濃度差而產生的擴散電流。4.PN結在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，會形成一個特殊的薄層一一PN結（圖1-8）。PN結是非中性區(qū)（稱空間電荷區(qū)），存在由N區(qū)指向P區(qū)的內建電場和內建電壓；PN結內載流子數遠少于結外的中性區(qū)（稱耗盡層） ；PN結內的電場是阻止結外兩區(qū)的 多子越結擴散的（稱勢壘層或阻擋層） 。Word文檔Word文檔-正偏PN結（P區(qū)外接高于N區(qū)的電壓）有隨正偏電壓指數增大的電流；反偏結（P區(qū)外接低于N區(qū)的電壓），在使PN結擊穿前，只有其

4、值很小的反向飽和電流 即PN結有單向導電特性（正偏導通，反偏截止）.V/VTiIs（e 1），其中，在T=300K時，熱電壓VT；26mV。-非對稱PN結有P N結（P區(qū)高摻雜）和PN結（N區(qū)高摻雜），PN結主要向低摻雜區(qū)域延伸（圖1-9）。、二極管知識普通二極管內芯片就是一個PN結，P區(qū)引出正電極，N區(qū)引出負電極（圖1-13）。在低頻運用時，二極的具有單向導電特性，正偏時導通，Si管和Ge管導通電壓典型值分別是0.7V和0.3V;反偏時截止，但Ge管的反向飽和電流比Si管大得多（圖1-15）。低頻運用時，二極管是一個非線性電阻，其交流電阻不等于其直流電阻。1diDrd一dvD二極管交流電阻r

5、d定義：Q穩(wěn)壓管電路設計時，要正確選取限流電阻，使穩(wěn)壓管在一定的負載條件下正常工作。二極管交流電阻rd估算：rdVTID二極管的低頻小信號模型就是交流電阻rd，它反映了在工作點Q處，二極管的微變電流與微變電壓之間的關系。二極管的低頻大信號模型是一種開關模型，有理想開關、恒壓源模型和折線模型三種近似（圖1-20）。三、二極管應用1單向導電特性應用整流器：半波整流（圖1-28）,全波整流（圖P1-8a）,橋式整流（圖P1-8b）限幅器：頂部限幅，底部限幅，雙向限幅（圖P1-9）鉗位電路通信電路中的應用*:檢波器、混頻器等2.正向導通特性及應用二極管正向充分導通時只有很小的交流電阻，近似于一個0.7

6、V（Si管）或0.3V（Ge管）的恒壓源。3.反向擊穿及應用PNPN結的伏安方程為:Word文檔二極管反偏電壓增大到一定值時，反向電流突然增大的現象即反向擊穿。反向擊穿的原因有價電子被碰撞電離而發(fā)生的雪崩擊穿”和價電子被場效激發(fā)而發(fā)生的“齊納擊穿”。反向擊穿電壓十分穩(wěn)定，可以用來作穩(wěn)壓管（圖1-33）o4高頻時的電容效應及應用高頻工作時，二極管失去單向導電特性，其原因是管內的PN結存在電容效應（結電容）。結電容分為PN結內的勢壘電容CT與PN結兩側形成的擴散電容CD。CT隨偏壓的增大而增大，CD與正偏電流近似成正比。反偏二極管在高頻條件下，其等效電路主要是一個勢壘電容&。利用這一特性的

7、二極管稱為變容二極管。變容二極管在通信電路中有較多的應用。第二章雙極型晶體三極管（BJT）一、BJT 原理雙極型晶體管（BJT）分為NPN管和PNP管兩類（圖2-1，圖2-2）。當BJT發(fā)射結正偏，集電結反偏時，稱為放大偏置。在放大偏置時，NPN管滿足VCVBVC;PNP管滿足VCVBVE。VBE/VTVEB/VT放大偏置時，作為PN結的發(fā)射結的VA關系是：iE lEse（NPN）,iE lEse（PNP）o在JT為放大偏置的外部條件和基區(qū)很薄、發(fā)射區(qū)較基區(qū)高摻雜的內部條件下，發(fā)射極電流iE將幾乎轉化為集電流ic，而基極電流較小。在放大偏置時，定義了icNiE轉化而來的ic分量）極之后，可以導

8、出iE（iCN是由兩個關于電極電流的關系方程：iciEICBOic_iB(1)ICBOiBICEO其中1,IcEO是集電結反向飽和電流，IcEO（1）IcBO是穿透電流。Word文檔放大偏置時，在一定電流范圍內，iE、ic、iB基本是線性關系，而VBE對三個電流Word文檔都是指數非線性關系。放大偏置時：三電極電流主要受控于VBE，而反偏VcB通過基區(qū)寬度調制效應，對電流有較小的影響。影響的規(guī)律是；集電極反偏增大時，IC，lE增大而lB減小。發(fā)射結與集電結均反偏時BJT為截止狀態(tài)，發(fā)射結與集電結都正偏時，BJT為飽和狀態(tài)。二、BJT 靜態(tài)伏安特性曲線三端電子器件的伏安特性曲線一般是畫出器件在某

9、一種雙口組態(tài)時輸入口和輸出 口的伏安特性曲線族。BJT常用CE伏安特性曲線，其畫法是：輸入特性曲線：iB f（VBE）VCE常數（圖2-13）輸出特性曲線：iB%）冷常數（圖2-14）輸入特性曲線一般只畫放大區(qū)，典型形狀與二極管正向伏安特性相似。輸出特性曲線族把伏安平面分為4個區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)）放大區(qū)近似的等間隔平行線，反映近似為常數，放大區(qū)曲線向上傾是基區(qū)寬度調制效應所致。三、BJT 主要參數極間反向電流：集電結反向飽和和電流ICBO;穿透電流ICEO極限參數：集電極最大允許功耗FCM;基極開路時的集電結反向擊穿電壓集電極最大允許電流ICM特征頻率fTBJT小信號工作，當頻

10、率增大時使信號電流ic與ib不同相，也不成比例。若用相量表-當溫度增加時，會導致增加，ICBO增加和輸入特性曲線左移。-電流放大系數：直流，直流一；交流iclim 0iEiclim 0iB也滿BVCEO.;Word文檔示為&，&，則&用稱為高頻。fT是當高頻&的模等于1時的頻率。四、BJT 小信號模型無論是共射組態(tài)或共基組態(tài)，其放大電壓信號的物理過程都是輸入信號使正偏發(fā)射結電壓變化，經放大偏置BJT內部的VBE的正向控制過程產生集電極電流的相應變化（ic出現信號電流），ic在集電極電阻上的交流電壓就是放大的電壓信號當發(fā)射結上交流電壓|Vbe| 5mV時，BJT的

11、電壓放大才是工程意義上的線性放大。BJT混合 小信號模型是在共射組態(tài)下推導出的一種物理模型（圖2-28）,模型中有七個參數：基本參數：基區(qū)體電阻目rbb，由廠家提供、高頻管的rbb比低頻管小VTrbe(1)_(1)re基區(qū)復合電阻rb e: 估算式:IEre-發(fā)射結交流電阻300K跨導gm:估算gmIc38.5IC(ms),rb e,gm關系rb egm基調效應參數rce:估算rceVA/ ICVA-厄利電壓rb c:估算rbcrcerbcrce1rb ere以上參數滿足：gm高頻參數：集電結電容Cbc:由廠家給出;發(fā)射結電容Cbe:估算be-最常用的BJT模型是低頻簡化模型（1）電壓控制電流

12、源（ic gmVbe）模型（圖2-23）（2）電流控制電流源（icib）模型（圖2-24，常用），其中rbe rbb rbeWord文檔第二章晶體管放大器基礎、基本概念向放大器輸入信號的電路模型一般可以用由源電壓Vs串聯源內阻Rs來表示，接受被放大的信號的電路模型一般可以用負載電阻RC來表示（圖3-1）。未輸入信號（靜態(tài)）時，放大管的直流電流電壓稱為放大器的工作點。工作點由直 流通路求解。放大器工作時，信號（電流、電壓）均迭加在靜態(tài)工作點上，只反映信號電流、電 壓間關系的電路稱為交流通路。放大器中的電壓參考點稱為“地”，放大器工作時，某點對“地”的電壓不變（無交流 電壓），該點為“交流地”。交

13、流放大器中的耦合電容可以隔斷電容兩端的直流電壓，并無衰減地將電容一端的交流電壓傳送到另一端，耦合電容上應基本上無交流電壓，或即是交流短路的。傍路電 容也是對交流電流短路的電容。畫交流通路時應將恒壓源短路（無交流電壓），恒流源開路（ 無交流電流）；耦合、傍路電容短路（無交流電壓）。畫直流通路時應將電容開路（電容不通直流），電感短路（電感上直流電壓為零）。二、BJT 偏置電路1.固定基流電流（圖3-7a）但輸出特性曲線上的工作點（VCE、lc）隨溫度3-14)RE10(RIR2)時，工作點Q(VcE,lc)B隨溫度變化小;特點：簡單，變化大。IBQ點估計ic直流負載線2基極分壓射極偏置電路（圖特點

14、：元件稍多。但在滿足條件VCCVBERB1BVCEVccIcRcVCCRcWord文檔隨溫度變化很小，穩(wěn)定工作點的原理是電流取樣電壓求和直流負反饋（Q點估算:VCC(RcRE) 1C直流負載線以上近似計算在滿足RE10（R1R2）時有足夠的準確性。三、基本CE放大器的大信號分析交流負載線是放大器（圖3-6b）工作時，動點（VCE,ic）的運動軌跡。交流負載線經過靜態(tài)工作點，且斜率為RcRL。因放大器中晶體管的伏安特性的非線性使輸出波形出現失真，這是非線性失真。非線性失真使輸出信號含有輸入信號所沒有的新的頻率分量。大信號時，使BJT進入飽和區(qū)產生飽和失真；使BJT進入截止區(qū)，產生截止失真。NPN

15、管cE放大器的削頂失真是截止失真；削底失真是飽和失真。對于PNP管cE放大器則相反。將工作點安排在交流負載線的中點，可以獲得最大的無削波失真的輸出。四、BJT 基本組態(tài)小信號放大器指標1.基本概念：輸入電阻Ri是從放大器輸入口視入的等效交流電阻。Ri是信號源的負載，Ri表明放大器向信號源吸收信號功率。放大器在輸出口對負載RL而言，等效為一個新的信號源（這說明放大器向負載RL輸出功率Po），該信號源的內阻即輸出電阻RO。任何單向化放大器都可以一個通用模型來等效（圖3-36）。由此模型，放大器各種增益定義如下：744)。icRcRERcRE端電壓增益:VBE)/REWord文檔源電壓增益:RsRA

16、7電流增益:i0Word文檔不同組態(tài)放大器增益不同，但任何正常工作的放大器，必須2.CE、CB、CC放大器基本指標Av，管端輸入電阻Ri，管端輸出電阻Roo用電流控制電流源（icib）BJT低頻簡化模型（圖2-24）導出的三個組態(tài)的上述基 本指標由表3-1歸納。表3-1BJT三種基本放大器小信號指標re（rbrbb（RSRSRB）五、多級放大電路1.基本概念多級放大器的級間耦合方式主要有電容耦合（阻容耦合）（圖3-39）、變壓器耦合（圖負載開路電壓增益（內電壓增益）AP功率增益：PopIA/IIAIAiAvo的分貝數為A/oVoVRLRLA/oA/RoRL20lg|A|；Ap的分貝數為10lg

17、 ApoAP1。CE放大器CB放大器CC放大器簡化交流通路RLbe（大，反相）gmRL（rbrbbrbe（中）（1+ re（rb估）RLbe（大，同相）gmRL（rbrbbbe11 RLrbe 1RL（rbbrbe+（1+RL（大）（1+饑re+RL）（rberbbRo0.5cece（大，與信號源內阻有關）rce0.5rbc（很大，與信號源內阻有關）rbeRS1（小，與RS有關）,功率增益最大（334節(jié)）,R、Ro適中，易于與前后級接口，使用廣泛。高頻放大時性能好，常與CE和CC組態(tài)結合使用。女口CE-CB組態(tài)、CC-CB組態(tài)。R大而 甩小，可作高阻抗 輸入級和低阻抗輸出級，隔離級和功率輸出級

18、。IO一用:亠1丄磯Word文檔3-41）和直接耦合（圖3-42、3-43）三種方式。對于直接耦合放大器，其工作頻率的下限可以為零（稱為直流放大器），但輸出易發(fā)生所謂“零點漂移”（輸出端靜態(tài)電壓緩慢變化），形成假信號。零點漂移的主要原因是前級工 作點隨溫度變化，這種變化因級間直接耦合被逐級放大。在輸出端出現可觀的漂移電壓。直流放大器由于輸入輸出不能使用隔直耦合電容，希望在無輸入信號時，輸入端口和 輸出端口的靜態(tài)直流電壓為零。滿足這種條件的直流放大器稱為滿足零輸入、零輸出條件。 只有用正負雙電源供電的直流放大器才能實現零輸入和零輸出。由于供電電壓源存在內阻，使各級放大器發(fā)生“共電耦合”，這種共電

19、耦合可能導致放大 器指標變壞甚至自激。放大器中的電源去耦電路就是為了減小和消除共電耦合（圖3-39、3-40）。2多級放大器指標計算后級放大器的輸入電阻是前級放大器的負載，在計算前級放大器的增益時，一定要把 這個輸入電阻計為負載來計算增益。第一級放大器的輸入電阻即多級放大器的輸入電阻；末級放大器的輸出電阻即多級放 大器的輸出電阻。計算多級放大器電壓增益的一般方法是求出各級增益，再將其相乘。對BJT多級基本放大器的一種有效的計算增益的方法是“觀察法”，應該掌握。BJT兩種重要的組合放大電路是共射一共基和共集一共基組態(tài)，其實用電路之一分別是圖3-45（CE-CB）和圖3-47（CC-CB）,應能畫

20、出并計算這兩個電路的指標。第四章 場效應管（FET）及基本放大電路一、場效應管（FET 原理FET分別為JFET和MOSFET兩大類。 每類都有兩種溝道類型， 而MOSFET又分為增強 型和耗盡型 （JFET屬耗盡型），故共有6種類型FET（圖4-1）。JFET和MOSFET內部結構有較大差別，但內部的溝道電流都是多子漂移電流。一般情況下，該電流與VGS、VDS都有關。溝道未夾斷時，FET的D-S口等效為一個壓控電阻（VGS控制電阻的大?。?，溝道全夾斷時，溝道電流iD為零；溝道在靠近漏端局部斷時稱部分夾斷，此時iD主要受控于VGS，而VDS影響較小。這就是FET放大偏置狀態(tài)；部分夾斷與未夾斷的

21、臨界點為預夾斷。在預夾斷點，VGS與VDS滿足預夾斷方程：耗盡型FET的預夾斷方程：VDSVGSVp（Vp一一夾斷電壓）增強型FET的預夾斷方程：VDSVGSVT（VT開啟電壓）各種類型的FET,偏置在放大區(qū)（溝道部分夾斷）的條件由表4-4總結。Word文檔表4-4 FET放大偏置時VGS與VDS應滿足的關系極性放大區(qū)條件VDSN溝道管：正極性（VDS0）VDSVGS一VP(或VT)0P溝道管：負極性（VDS0）VDSVGS一VP(或VT)VP（或VT）P溝道管：VGSrds，取大A決定于RG, A1決定于RG,A1A1類似CE放大器CC放大器CB放大器第五章模擬集成單元電路一、 半導體 IC

22、 電路特點在半導體集成電路中， 晶體管工藝簡單且占有芯片面積??； 集電電阻、集成電容工藝并不簡單且占有芯片的面積隨元件值增大的明顯增大（表5-1）；電感無法集成。根據IC工藝的這些特點，IC電路設計思想是盡量多用晶體管，少用電阻（特別是阻值大的電阻），盡量不用電容。二、 恒流源1.恒壓源與恒流源基本概念恒壓源與恒流源都是耗能的電路裝置。恒壓源的特點是：端口電壓隨電流變化很小，或即內阻很小，恒流源的特點是當端口電壓變化時，流過恒流源的電流變化很小，或即內阻ro很大。二者比較如下表:恒壓源恒流源Word文檔理想模型1i3 1（八祕Word文檔Word文檔充分導通的二極管（圖5.30a） 擊穿后的穩(wěn)

23、壓管（圖1-35）VBE倍增電路（圖5-30b）2模擬IC中的恒流源-基本鏡像恒流源（圖5-7，圖5-13a）參考電流IRVccVBE1IC2恒流源電流內阻r0rce2*IC2IR，故丨C2是丨R的鏡像。該恒流源內阻不夠大，鏡像精度不高。-微電流恒流源（圖5-11）IC2對電源電壓波動不敏感。伏 安特 性曲線實例特點:IR參考電流VCCVBE1IC2恒流源電流關系式:乞I nR2IC2特點：用不大的電阻兩個可以實現A級的恒流源，故易于集成。該恒流源內阻大。-此例恒流源（圖5-12）IR參考電流VCCVBE1R R1IC2恒流源電流R2|R（條件：IC2與IR相差10倍以內時此式準確性較高）特點

24、：內阻大,3.恒流源在模擬使用靈活。IC的應用或VBE常數時，ic可視為恒流源（圖5-3，5，6）。模擬IC中常用對管組成恒流源（圖5-7、8、11、12）Word文檔IC放大器中的偏置電路（如恒流源差放圖5-20）用恒流源作（集電極）有源負載放大器（圖5-13，圖5-21）。采用集電極有源負載 的CE放大器，在后級輸入電阻很大的條件下，可以大大提高電壓增益。三、差動放大器1.基本知識差放是一種具有兩輸入端的電路對稱、元件配對的平衡電路，它可以有效地放大差 模輸入信號；依靠對稱性和共模負反饋，差放可以有效抑制共模輸入信號（一般為 干擾信號）。差放作直流放大器，可以有效地抑制零點漂移。這是因為零

25、漂可以等效為共模干擾 信號，從而被差放抑制。任模輸入信號% ,%2的差模和共模分量。Vd差模輸入電壓：Vs1 *2（輸入端的一對差模分量是2）vic（vs1Vs1）共模輸入電壓分量：2差放基本指標的定義VodVidvocVicKCMR共模抑制比 差模輸入將地的雙端輸入，但只要KCMR很大，信號對地單端輸入時、輸出電壓，基本上與差模輸入時相同。2.差放指標的計算方法一一單邊等效電路法當信號差模輸入時，理想對稱差放在對稱位置上的點都是交流地。據此，可畫差放的差模單邊交流通路，由該電路計算Avd。當信號共模輸入時，兩對稱支路交匯成的公共支路上的交流電流是每支路的兩倍。據此可畫出差放的共模單邊交流通路

26、，由該電路求Avc。理想對稱差放的Avc（雙）0對任意輸入信號，可以將其分解成差模和共模分量后，按單邊等效電路法求出輸出，然后相加，其一般表式為：VicV0VodVocAvdVidAvcVicAvd（Vid一）KCMR差放增益的符號與參考方向、Vod（或Voc）以及單端輸出時輸出端都有關。確定Avd差模增益（有雙端輸出和單端輸出兩種方式）（有雙端輸出和單端輸出兩種方式）|Avd|Avc|Word文檔差放增益符號時，首先要明確單邊等效電路是反相還是同相放大器。采用恒流源偏置的差放（圖5-20）可以增大共模負反饋，使KCMR增大。有源負載差放（圖5-21）除了使差模增益增加外，還具有雙端轉單端功能。3差放的小信號范圍及大信號限幅特性由于差放的對稱性能有效抑制非線性輸出的偶次諧波分量，故差放的小信號范圍比單管放大器寬。恒流源CE差放的小信號條件是|Vid 1 28mV。恒流源CE差放當|Vid 1 100mV時，輸出有明顯的限幅特性。該特性在通信電子電路中得到應用。四、功率輸出級1.基本概念功率放大器作為多級放大器輸出級，工作于大信號狀態(tài)，故小信號等效電路分析 方法不適用。功放關注的指標主要有平均輸出信號功率PO效率電源消耗的平均總功率PCC最大輸出信號功率Po