模擬電子線路

1、模擬電子線路石松 主講第一章 常用半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1.1本征半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體材料的一些物理特性1.對溫度的反應(yīng)半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的上升迅速下降。金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度的上升略有增加。2.雜質(zhì)的影響半導(dǎo)體在常溫下的電阻率較高，若摻上極微量的雜質(zhì)，電阻率則顯著下降。3.光的影響在光的照射下，半導(dǎo)體的電阻率會顯著下降。二、本征半導(dǎo)體純凈的、沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體晶體叫本征半導(dǎo)體。特點：1.原子間通過共價鍵構(gòu)成晶格，電子束縛在晶格中2.導(dǎo)電能力很差硅和鍺都是4價元素。圖1.1.1 本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子1.本征激發(fā)本征半導(dǎo)體的價電子獲得足夠能量掙脫共價鍵的束

2、縛，而成為自由電子的現(xiàn)象叫本征激發(fā)。2.自由電子不受晶格的束縛，可以在晶格間自由移動的電子。圖1.1.2 本征半導(dǎo)體中的自3.空穴由電子和空穴價電子離開共價鍵后留下的空位叫做空穴?？昭◣д姾?，在電場作用下，它可以在晶格間定向移動，方向正好與自由電子的移動方向相反?？昭ǖ囊苿訉嶋H上是能量較低的自由電子移動的結(jié)果。只有能自由移動的帶電粒子才能導(dǎo)電。四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴是成雙成對的，因此在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴的濃度相等。相同溫度下，本征鍺中的載流子濃度遠(yuǎn)大于本征硅中的載流子濃度。自由電子濃度記作，空穴濃度記作，在本征半導(dǎo)體中，有。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、

3、N型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體中摻入極微量的五價元素（如磷）后，半導(dǎo)體中的自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。施主雜質(zhì)：除形成共價鍵所需的電子外，還能額外提供游離電子的雜質(zhì)。施主正離子：施主雜質(zhì)失去游離電子成為施主正離子。圖1.1.3 N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子（多子）：摻雜半導(dǎo)體中高濃度的導(dǎo)電載流子。少數(shù)載流子（少子）：摻雜半導(dǎo)體中低濃度的導(dǎo)電載流子。在相同溫度下，摻雜后的兩種載流子濃度的乘積等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度的乘積。即。二、P型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體中摻入極微量的三價元素（如硼）后，半導(dǎo)體中的空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度。受主雜質(zhì)：極易獲得電子形成共價鍵的雜質(zhì)。受主負(fù)離子：受主雜質(zhì)獲得電子，因帶負(fù)電而成為受主

4、負(fù)離子。圖1.1.4 P型半導(dǎo)體1.1.3 PN結(jié)一、半導(dǎo)體內(nèi)的導(dǎo)電過程1.漂移電流在電場作用下，自由電子和空穴發(fā)生定向漂移運動而形成漂移電流。漂移電流分為自由電子電流和空穴電流兩種，其和為總漂移電流。2.擴散電流半導(dǎo)體載流子（自由電子或空穴）的濃度若分布不勻，則產(chǎn)生濃度差，這將導(dǎo)致載流子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散而形成擴散電流。二、PN結(jié)的形成將半導(dǎo)體材料的一半制成型，一半制成型，則型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體的交界處就會形成PN結(jié)。(a)P區(qū)與N區(qū)中載流子的運動 (b)平衡狀態(tài)下的PN結(jié)圖1.1.5 PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成過程：1.將型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體連接在一起時，由于交界處兩側(cè)的載流子濃度

5、相差懸殊，于是區(qū)中的多子自由電子向區(qū)擴散，區(qū)中的多子空穴向區(qū)擴散。載流子的擴散運動形成擴散電流。2.原來型和型半導(dǎo)體是電中性的，由于擴散作用，使得型半導(dǎo)體靠近交界處的地方因失去空穴而帶負(fù)電，型半導(dǎo)體靠近交界處的地方因失去自由電子而帶正電，因而交界處形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生內(nèi)建電場。3.在內(nèi)建電場的作用下，區(qū)中的少子自由電子向區(qū)漂移，區(qū)中的少子空穴向區(qū)漂移，形成與擴散電流方向相反的漂移電流。4. 隨著內(nèi)建電場的增強，擴散電流進一步減小，漂移電流進一步增大，最后，當(dāng)擴散電流等于漂移電流時，結(jié)處的電流達到動態(tài)平衡，結(jié)處的總電流為。結(jié)由帶電的不能自由移動的離子構(gòu)成，由于這個地方?jīng)]有載流子，或者說載流子已經(jīng)

6、耗盡，所以結(jié)區(qū)又稱為耗盡區(qū)（耗盡層）。由于結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場對載流子的擴散具有阻礙作用，所以結(jié)區(qū)又叫勢壘區(qū)或阻擋層。耗盡層的電阻較大，外加電壓主要落在這個區(qū)。三、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）外加電壓降低了結(jié)勢壘高度，使得擴散作用增強，漂移作用減弱，從而造成正向擴散電流大于反向漂移電流，結(jié)正向?qū)?。由于擴散作用的載流子是多子，因而擴散電流可以很大。圖1.1.6 PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通2.PN結(jié)外加反向電壓（反向偏置）增加結(jié)勢壘高度，擴散作用被抑制，漂移作用占主導(dǎo)地位。由于漂移電流的載流子是少子，所以反向電流極小，結(jié)可視作截止。圖1.1.7 PN結(jié)加反向電壓時截止四、PN結(jié)的電

7、流方程（二極管方程） 反向飽和電流 電子的電荷量 玻爾茲曼常數(shù) 絕對溫度令，則有常溫（）下，五、PN結(jié)的反向擊穿1.齊納擊穿結(jié)在強電場的作用下，晶格共價鍵中的電子被拉出而參與導(dǎo)電，致使參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量迅速增加，反向電流急劇增大。擊穿電壓隨溫度上升而下降。2.雪崩擊穿游離的電子在電場作用下獲得較大動能，在漂移的途中將遇到的束縛在共價鍵中的電子撞出來，產(chǎn)生新的電子空穴對，這碰撞產(chǎn)生的電子又在電場的加速作用下碰撞出新的電子空穴對，致使參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量急劇上升，反向電流驟增。擊穿電壓隨溫度上升而增大。六、PN結(jié)的伏安特性圖1.1.8 PN結(jié)的伏安特性七、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容(a)耗盡層

8、的電荷隨外加電壓變化 (b)勢壘電容與外加電壓的關(guān)系圖1.1.9 PN結(jié)的勢壘電容隨著外加電壓的變化，結(jié)勢壘區(qū)的寬度跟著變化，這導(dǎo)致結(jié)內(nèi)不同極性的電荷量也發(fā)生變化，于是結(jié)起到貯存、釋放電荷的作用。這種由于結(jié)勢壘區(qū)寬度的變化而形成的電容叫勢壘電容。勢壘電容相當(dāng)于由兩塊平行極板相隔勢壘區(qū)而形成的電容，勢壘區(qū)越窄，勢壘電容越大；勢壘區(qū)越寬，勢壘電容越小。結(jié)正向偏置時，勢壘電容較大，反向偏置時，勢壘電容較小。2.擴散電容圖1.1.10 P區(qū)少子濃度分布曲線對結(jié)施加正向偏壓時，從區(qū)擴散到區(qū)的空穴（在區(qū)中空穴是少子）在區(qū)中靠近結(jié)的地方濃度很高，形成電荷堆積；同樣，從區(qū)擴散到區(qū)的電子在區(qū)中靠近結(jié)的地方也形成

9、電荷堆積。堆積在結(jié)區(qū)附近的電子、空穴的濃度隨著加在結(jié)上的外加電壓的變化而變化，于是形成擴散電容。結(jié)正向偏置時，結(jié)附近的少子濃度較高，隨電壓的變化改變明顯，因而此時擴散電容較大。結(jié)反向偏置時，結(jié)附近的少子濃度幾乎為，因而此時擴散電容較小，通?？梢院雎浴＝Y(jié)電容1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)圖1.2.1 二極管的幾種外形圖1.2.2 二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)1、點接觸型2、面接觸型3、平面型1.2.2二極管的伏安特性圖1.2.3 二極管的伏安特性一、實際二極管與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別1.相同導(dǎo)通電流的情況下，正向?qū)〞r的導(dǎo)通電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓。2.相同正偏電壓的情況下，正向電

10、流小于PN結(jié)的正向電流。3.反向飽和電流大于PN結(jié)的反向飽和電流。二、溫度對二極管伏安特性的影響1.溫度上升，少子濃度增加，引起二極管反向電流變大。2.PN結(jié)電流保持不變時，PN結(jié)的正向壓降隨著溫度的上升而減?。ㄒ驗闇囟壬仙瑪U散作用增強）。3.增大反向電壓，PN結(jié)上的熱損耗（）加大，結(jié)溫升高，這將引起反向電流增大；在反向電壓不變的情況下，PN結(jié)上的熱損耗也進一步加大。不良的散熱條件可能會因這種惡性循環(huán)而造成PN結(jié)的熱擊穿。1.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流2.最高反向工作電壓3.反向電流4.最高工作頻率1.2.4二極管的等效電路一、理想二極管及二極管特性的折線近似(a)理想二極管 (

11、b)正向?qū)〞r端電壓為常量 (c)正向?qū)〞r端電壓與電流成線性關(guān)系圖1.2.4 由伏安特性折線化得到的等效電路圖1.2.5 二極管加正向電壓的情況例1.2.1圖1.2.6 例1.2.1電路圖二、二極管的微變等效電路1.二極管的體電阻2.二極管的交流動態(tài)電阻(a)點及二極管動態(tài)電阻的物理意義 (b)二極管的動態(tài)電阻圖1.2.7 二極管的微變等效電路圖其中為二極管靜態(tài)工作點點的靜態(tài)電流3.二極管的微變等效電路簡化的二極管微變等效電路：圖1.2.8 直流電壓源和交流電壓源同時作用的二極管電路圖1.2.9 圖1.2.8所示電路的波形分析1.2.5穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓管的伏安特性(a)伏安特性 (b)符號

12、和等效電路圖1.2.10 穩(wěn)壓管的伏安特性和等效電路二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓2.穩(wěn)定電流要穩(wěn)定工作在上，擊穿電流應(yīng)設(shè)置在和之間。3.額定功耗4.動態(tài)電阻5.溫度系數(shù)溫度每變化時穩(wěn)壓值的變化量。穩(wěn)定電壓小于為齊納擊穿；大于為雪崩擊穿；介于之間，兩種擊穿都有。穩(wěn)定電壓為左右的管子溫度系數(shù)基本為0。例1.2.2圖1.2.11 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1.2.6其它類型二極管一、發(fā)光二極管(a)外形 (b)符號圖1.2.12 發(fā)光二極管工作于正向偏置狀態(tài)二、光電二極管（光敏二極管）(a)外形 (b)符號圖1.2.13 光電二極管的外形和符號(a)伏安特性 (b)工作在第一象限時的原理電路(c)工作在第三

13、象限時的原理電路 (d)工作在第四象限時的原理電路圖1.2.14 光電二極管的伏安特性工作在反向偏置狀態(tài)例1.2.3圖1.2.15 例1.2.3電路圖三、變?nèi)荻O管工作在反向偏置狀態(tài)1.3晶體三極管1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型 (a)小功率管 (b)小功率管 (c)中功率管 (d)大功率管圖1.3.1 晶體管的幾種常見外形(a)NPN型硅管的結(jié)構(gòu) (b)NPN型管的結(jié)構(gòu)示意圖 (c)晶體管的符號圖1.3.2 晶體管的結(jié)構(gòu)和符號晶體三極管的制作特點：1.發(fā)射區(qū)采用重?fù)诫s，多子濃度很高；2.基區(qū)做得很薄；3.集電區(qū)的摻雜適中。1.3.2晶體管的電流放大作用圖1.3.3 基本共射放大電路一、晶體管內(nèi)

14、部載流子的運動以NPN型管為例。圖1.3.4 晶體管內(nèi)部載流子運動與外部電流1.發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓；2.由于發(fā)射結(jié)所加的正向偏置電壓產(chǎn)生的電場削弱了發(fā)射結(jié)的內(nèi)建電場，從而導(dǎo)致發(fā)射區(qū)的大量多子（電子）擴散進入基區(qū)，形成發(fā)射極電流；3.擴散進入基區(qū)的電子（非平衡少子）繼續(xù)向集電結(jié)方向擴散，除少量電子與基區(qū)的多子空穴復(fù)合外，大多數(shù)從發(fā)射區(qū)擴散進入基區(qū)的電子都能逃過被復(fù)合的厄運而到達集電結(jié)邊緣。在基區(qū)被復(fù)合掉的擴散電子可看成是從基極流出了，它們形成基極電流；4.很不幸，擴散到達集電結(jié)邊緣的電子（非平衡少子）在集電結(jié)強大的電場作用下被拉入集電區(qū)形成集電結(jié)電流；很明顯，有等式：由于

15、基區(qū)很薄，所以擴散進入基區(qū)的電子中被復(fù)合掉的部分不多，因此有：二、晶體管的電流分配關(guān)系發(fā)射極：基極：集電極：集電區(qū)和基區(qū)中的平衡少子在集電結(jié)強大的電場作用下發(fā)生漂移，形成集電結(jié)反向飽和電流（發(fā)射結(jié)開路時的集電結(jié)反向飽和電流）。：由基區(qū)擴散到發(fā)射區(qū)的空穴形成的空穴電流。綜上分析，易知：三、晶體管的共射電流放大系數(shù)1.共射直流電流放大系數(shù)整理，得其中稱為穿透電流（基極開路時）。通常很小，有希望穿透電流越小越好。2.共射交流電流放大系數(shù)3.共基直流電流放大系數(shù)容易推出：發(fā)射極電流分兩部分：(1)，從集電極流入或流出的部分；(2)，從基極流入或流出的部分。事實上，定義為4.共基交流電流放大系數(shù)1.3.

16、3晶體管的共射特性曲線一、輸入特性曲線圖1.3.5 晶體管的輸入特性曲線二、輸出特性曲線圖1.3.6 晶體管的輸出特性曲線1.放大區(qū)特點：輸出電流隨輸入電流按比例變化。2.飽和區(qū)特點：集電結(jié)正向偏置時，輸出電流幾乎不隨輸入電流的改變而作有比例的改變。原因：當(dāng)集電結(jié)正向偏置時，結(jié)內(nèi)的合電場減弱，這使得集電結(jié)內(nèi)的漂移作用減弱，擴散作用得到加強，導(dǎo)致漂移電流減小，擴散電流增大，從而造成集電極電流下降；當(dāng)集電結(jié)內(nèi)的擴散作用超過漂移作用時，集電極電流還會反向。3.截止區(qū)特點：由于發(fā)射極電流小于等于0，不向基區(qū)輸送少子，因此使得集電極電流變得很小。三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。4.擊穿區(qū)特點：當(dāng)集電結(jié)反向偏壓太大時

17、，集電結(jié)被擊穿，出現(xiàn)集電極電流隨結(jié)電壓的增大而迅速增大的現(xiàn)象。1.3.4晶體管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1. 共基極直流電流放大系數(shù)定義式：2. 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)定義式：3. 發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向飽和電流4. 集電極開路時的發(fā)射結(jié)反向飽和電流5. 基極開路時的集電極到發(fā)射極的穿透電流二、交流參數(shù)1. 共基極交流電流放大系數(shù)2. 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)3. 特征頻率信號頻率的增加會使得值減小，當(dāng)值減小到時的信號頻率稱為特征頻率。三、極限參數(shù)1. 集電極最大允許耗散功率圖1.3.7 晶體管的極限參數(shù)2. 集電極最大允許電流3.極間反向擊穿電壓主要應(yīng)關(guān)心和這兩個擊穿電壓，工作電壓不能超過它

18、們。1.3.5溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響一、溫度對的影響的大小與溫度的變化呈正相關(guān)性。二、溫度對輸入特性的影響圖1.3.8 溫度對晶體管輸入特性的影響三、溫度對輸出特性的影響圖1.3.9 溫度對晶體管輸出特性的影響1.3.6光電三極管(a)等效電路 (b)符號 (c)外形圖1.3.10 光電三極管的等效電路、符號和外形圖1.3.11 光電三極管的輸出特性曲線1.4場效應(yīng)管1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管（JFET） (a)N溝道管的結(jié)構(gòu) (b)符號圖1.4.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號圖1.4.2 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖一、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理1.時，柵源電壓對導(dǎo)電溝道的寬度控制 (a) (

19、b) (c)圖1.4.3 時對導(dǎo)電溝道的控制作用(1)的改變，將會改變場效應(yīng)管內(nèi)耗盡區(qū)的寬度，從而改變導(dǎo)電溝道的寬窄。當(dāng)耗盡區(qū)增大到一定程度時，就會把中間的導(dǎo)電溝道夾斷。(2)導(dǎo)電溝道寬，溝道電阻就??；導(dǎo)電溝道窄，溝道電阻就大。(3)導(dǎo)電溝道剛好夾斷時的柵源電壓或柵漏電壓稱為場效應(yīng)管的夾斷電壓，記作。2.通過設(shè)置來控制導(dǎo)電溝道為某一寬度時，的變化對漏極電流的影響分析從開始的增長過程中，導(dǎo)電溝道的變化及漏極電流的變化。 (a) (b) (c)圖1.4.4 且的情況二、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線1、輸出特性曲線 圖1.4.5 場效應(yīng)管的輸出特性(1)可變電阻區(qū)(2)飽和區(qū)（恒流區(qū)）(3)截止區(qū)（夾斷區(qū)

20、）(4)擊穿區(qū)2、轉(zhuǎn)移特性曲線 圖14.6 場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線(1)轉(zhuǎn)移特性方程：當(dāng)時(2)低頻跨導(dǎo)：轉(zhuǎn)移特性曲線的繪制方法1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管一、N溝道增強型MOS管 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)符號圖1.4.7 N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及增強型MOS管的符號1.時，柵源電壓對導(dǎo)電溝道的形成及寬度的控制分析從開始的增長過程中，襯底表面從P型材料變成載流子濃度為0的耗盡層，再形成反型層N層的變化過程。 (a)耗盡層的形成 (b)溝道的形成圖1.4.8 時對導(dǎo)電溝道的影響(1)隨著的增加，P型襯底中的少子自由電子不斷地向襯底表面積聚，導(dǎo)致襯底表面先由P型區(qū)變成耗盡區(qū)，再變成N型導(dǎo)電溝

21、道。這個建立在P型材料上面的N型導(dǎo)電溝道，稱為反型層。(2)使襯底表面的N型導(dǎo)電溝道剛好形成的電壓稱為開啟電壓，記作。(3)導(dǎo)電溝道形成后，越大，導(dǎo)電溝道越寬。2.通過設(shè)置來控制導(dǎo)電溝道為某一寬度時，的變化對漏極電流的影響分析從開始的增長過程中，導(dǎo)電溝道的變化及漏極電流的變化。 (a) (b) (c) 圖1.4.9 為大于的某一值時對的影響3.特性曲線與電流方程 (a)轉(zhuǎn)移特性 (b)輸出特性圖1.4.10 N溝道增強型MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性方程：當(dāng)時(1)其中是在時的漏極電流(2)當(dāng)時，記漏極電流為，這時轉(zhuǎn)移特性方程可表達為 二、N溝道耗盡型MOS管 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)符號圖1.4

22、.11 N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號三、P溝道MOS管四、VMOS管圖1.4.12 N溝道增強型VMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖圖1.4.13 場效應(yīng)管的符號及特性1.4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.開啟電壓2.夾斷電壓3.飽和漏極電流又稱為零偏壓漏極飽和電流，即時的漏極飽和電流。4.直流輸入電阻JFET管大于，MOS管大于。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)2.極間電容三、極限參數(shù)1.最大漏極電流2.擊穿電壓和3.最大耗散功率例1.4.1例1.4.2圖1.4.14 例1.4.1輸出特性曲線 圖1.4.15 例1.4.2電路圖例1.4.3圖1.4.16 例1.4.3電路圖1.4.4場效應(yīng)管與晶體管

23、的比較項 目場效應(yīng)管晶體管輸入電阻以上最高約幾百溫度系數(shù)低一般噪聲系數(shù)很低較高極間互換性可互換不可互換最低功耗和集成度功耗低，集成度高功耗一般，集成度低1.5單結(jié)晶體管和晶閘管(不要求)1.5.1單結(jié)晶體管UJT（雙基極二極管）(不要求)(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)符號 (c)等效電路圖1.5.1 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路(a)測試電路 (b)特性曲線圖1.5.2 單結(jié)晶體管特性曲線的測試(a)電路 (b)振蕩波形圖1.5.3 單結(jié)晶體管組成的振蕩電路1.5.2晶閘管（可控硅SCR）(不要求)(a)螺栓形 (b)平板形圖1.5.4 晶閘管的外形(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)等效為兩只相連的晶體管

24、 (c)等效電路 (d)符號圖1.5.5 晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和符號(a)實際電路 (b)等效電路圖1.5.6 晶閘管的工作原理圖1.5.7 晶閘管的伏安特性曲線圖1.5.8 例1.5.1電路及波形圖1.6集成電路中的元件(不要求)(a)隔離島 (b)NPN型管圖1.6.1 隔離島及NPN型管圖1.6.2 集成電路中的PNP型管(a)結(jié)構(gòu) (b)符號圖1.6.3 多發(fā)射極管的結(jié)構(gòu)與符號(a)結(jié)構(gòu) (b)符號圖1.6.4 多集電極管的結(jié)構(gòu)與符號(a)結(jié)構(gòu) (b)符號圖1.6.5 CMOS電路第二章 基本放大電路2.1放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)2.1.1放大的概念圖2.1.1 擴音機示意

25、圖任何周期信號或有限時長的信號都可以通過傅里葉變換展開成由一直流分量和若干正弦波分量的線性疊加的形式：式中：為直流分量，為基波分量，為二次諧波分量，為次諧波分量，在線性電路中，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，信號作用時所產(chǎn)生的響應(yīng)等于其各分量單獨作用時產(chǎn)生的響應(yīng)的線性疊加。所以，對于一個放大電路，主要研究它的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，即研究它放大正弦信號的相關(guān)特性。2.1.2放大電路的性能指標(biāo)圖2.1.2 放大電路示意圖一、放大倍數(shù)1.電壓放大倍數(shù)分貝表示：2.電流放大倍數(shù)分貝表示：3.互阻放大倍數(shù)分貝表示：4.互導(dǎo)放大倍數(shù)分貝表示：二、輸入電阻圖2.1.2 放大電路示意圖定義：三、輸出電阻圖2.1.2 放大

26、電路示意圖定義：輸出電阻為從放大電路的輸出端口向放大電路內(nèi)部看進去的戴維南（或諾頓）等效電路內(nèi)阻。輸出電阻可由下式計算得到：式中：1.為負(fù)載開路時輸出端的開路電壓；2.為接上負(fù)載時負(fù)載上獲得的輸出電壓。圖2.1.3 兩個放大電路相連接的示意圖四、通頻帶圖2.1.4 放大電路的頻率指標(biāo)基本概念：上限截止頻率下限截止頻率通頻帶：或記作 頻率失真：輸入多頻率信號時，由于放大器對不同頻率的信號產(chǎn)生的增益和相移不同而引起的失真，稱為頻率失真。例如：輸入信號，放大倍后，輸出信號應(yīng)該為，即。若放大器對信號的放大倍數(shù)是倍，而對信號的放大倍數(shù)不是倍，則輸出信號與輸入信號不是線性關(guān)系，從而產(chǎn)生頻率失真。五、非線性

27、失真系數(shù)輸入單一頻率的正弦波，由于放大器的非線性，輸出的信號波形不再是正弦波，這種失真稱為非線性失真。輸出的失真波形可展開為基波分量和各次諧波分量的線性疊加，定義非線性失真系數(shù)為：頻率失真與非線性失真的主要區(qū)別是：對于頻率失真，輸入單一頻率的正弦波信號時，放大器輸出的仍舊是同頻率的正弦波信號；而對于非線性失真，輸入單一頻率的正弦波信號時，輸出的信號中不只一個頻率的正弦波，還有不為0的各次諧波分量。六、最大不失真輸出電壓一般用有效值或峰-峰值表示。，式中為最大不失真輸出電壓振幅。七、最大輸出功率和效率1.最大輸出功率（最大不失真輸出功率）記作；2.電源利用效率定義為，式中為電源輸出的功率。2.2

28、基本共射放大電路的工作原理2.2.1基本共射放大電路的組成及各元件的作用圖2.2.1 基本共射放大電路2.2.2設(shè)置靜態(tài)工作點的必要性一、靜態(tài)工作點圖2.2.1 基本共射放大電路二、設(shè)置合適靜態(tài)工作點的目的保證三極管在信號的整個周期內(nèi)都處于放大狀態(tài)，即要保證三極管在整個信號周期內(nèi)，發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。(a)電路 (b)分析圖2.2.2 沒有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點2.2.3基本共射放大電路的工作原理及波形分析 (a)的波形 (b)的波形 (c)的波形 (d)的波形圖2.2.3 基本共射放大電路的波形分析2.2.4放大電路的組成原則一、組成原則1.必須給管子提供一定的偏置電壓和電流，以確

29、保在整個信號周期內(nèi)，用于放大信號的管子都處于正常的放大狀態(tài)，所以應(yīng)合理設(shè)置管子的靜態(tài)工作點；2.輸入信號應(yīng)能調(diào)節(jié)放大管的控制電流或電壓；3.放大管的輸出電流或電壓應(yīng)能加到負(fù)載上去。二、常見的兩種共射放大電路1.直接耦合共射放大電路靜態(tài)工作點：圖2.2.4 直接耦合共射放大電路2.阻容耦合共射放大電路 (a)電路 (b)輸入回路等效電路圖2.2.5 阻容耦合共射放大電路靜態(tài)工作點：(a)使發(fā)射結(jié)正偏 (b)使集電結(jié)反偏(c)輸入端為直接耦合的共射放大電路 (d)輸入端為阻容耦合的共射放大電路圖2.2.6 用PNP型管組成共射放大電路2.3放大電路的分析方法2.3.1直流通路與交流通路一、直流通路

30、直流通路是指無交流輸入信號時，在單純的直流電源作用下，直流電流流過的那部分電路。分析方法：1.電容開路2.電感短路3.獨立交流信號源為零二、交流通路交流通路是指在交流輸入信號的作用下，交流電流流過的那部分電路。分析方法：1.大電容短路，小電容保留或開路（容抗太大時）2.大電感開路，小電感保留3.獨立直流電源為零三、分析放大器的基本步驟先分析管子的靜態(tài)工作點，以確定管子的靜態(tài)電流、電壓和工作區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)及截止區(qū)）；然后再分析輸入交流信號時的情況。 (a)直流通路 (b)交流通路圖2.3.1 圖2.2.1所示基本共射放大電路的直流通路和交流通路 (a)直接耦合共射放大電路 (b)直流通路(c

31、)交流通路圖2.3.2 直接耦合共射放大電路及其直流通路和交流通路阻容耦合共射放大電路 (a)直流通路 (b)交流通路圖2.3.3 阻容耦合共射放大電路的直流通路和交流通路2.3.2圖解法（大信號分析）圖2.3.4 共射放大電路*支路中的實際電壓、電流都包含兩部分：直流分量和交流分量。例如：，一、靜態(tài)工作點的分析（先畫出直流通路圖） (a)輸入回路的圖解分析 (b)輸出回路的圖解分析圖2.3.5 利用圖解法求解靜態(tài)工作點1.輸入回路（僅直流回路）輸入回路方程：求：、2.輸出回路（僅直流回路）輸出回路方程：求：、二、動態(tài)分析 (a)從得出 (b)從得出和圖2.3.6 利用圖解法求解電壓放大倍數(shù)1

32、.輸入回路（實際的完整回路，包括直流回路和交流回路）輸入回路方程：求：、2.輸出回路（實際的完整回路，包括直流回路和交流回路）輸出回路方程：求：、 (a)輸入回路的波形分析 (b)輸出回路的波形分析圖2.3.7 基本共射放大電路的波形分析三、共射放大電路的非線性失真由于三極管的輸入特性曲線的非線性，使得信號在放大過程中產(chǎn)生非線性失真。當(dāng)靜態(tài)工作點選擇不當(dāng)時，還會產(chǎn)生截止失真或飽和失真。1.截止失真 (a)輸入回路的波形分析 (b)輸出回路的波形分析圖2.3.8 基本共射放大電路的截止失真2.飽和失真 (a)輸入回路的波形分析 (b)輸出回路的波形分析圖2.3.9 基本共射放大電路的飽和失真四、

33、直流負(fù)載線和交流負(fù)載線在采用電容耦合或變壓器耦合的放大電路中，由于交流輸出回路與直流輸出回路不一樣，導(dǎo)致對應(yīng)的負(fù)載線也不一樣。 阻容耦合的共射放大電路 圖2.3.10 直流負(fù)載線和交流負(fù)載線輸出回路直流負(fù)載方程：輸出回路交流負(fù)載方程： 式中注：式中是直流分量，在直流通路中計算；是交流分量，在交流通路中計算。例2.3.1圖2.3.11 例2.3.1的圖2.3.3等效電路法（又稱為微變等效電路法，小信號分析）一、晶體管的直流模型及靜態(tài)工作點的估算法以NPN管為例 (a)輸入特性折線化 (b)輸出特性理想化 (c)直流模型圖2.3.12 晶體管的直流模型直流模型適用條件：對于NPN管，當(dāng)晶體管的偏置

34、電壓滿足條件，時，晶體管處于放大工作狀態(tài)。二、晶體管共射參數(shù)等效模型1.參數(shù)等效模型的由來 (a)將晶體管看成線性雙口網(wǎng)絡(luò) (b)輸入特性曲線 (c)輸出特性曲線(d)共射參數(shù)等效模型圖2.3.13 晶體管的共射參數(shù)等效模型已知晶體管的輸入、輸出特性方程為對上式求全微分，得式中，由，可寫成參數(shù)方程2.參數(shù)的物理意義基極-發(fā)射極間動態(tài)電阻(a)求解反向電壓傳輸系數(shù)(b)求解正向電流傳輸系數(shù)(c)求解集電極-發(fā)射極間動態(tài)電導(dǎo) (d)求解圖2.3.14 參數(shù)的物理意義及求解方法3.簡化的參數(shù)等效模型通常由于和太小，忽略它們后，得到簡化的參數(shù)等效模型圖2.3.15 簡化的參數(shù)等效模型4.的近似表達式

35、(a)結(jié)構(gòu) (b)等效電路圖2.3.16 晶體管輸入回路的分析由電阻的定義，有在靜態(tài)工作點的靜態(tài)電流的作用下，發(fā)射結(jié)的動態(tài)電阻為常溫（）下，有所以有三、共射放大電路動態(tài)參數(shù)的分析圖2.2.1 基本共射放大電路 (a)交流等效電路 (b)輸出電阻的分析圖2.3.17 基本共射放大電路的動態(tài)分析1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻3.輸出電阻例2.3.2解：(1)求靜態(tài)工作點 (2)求動態(tài)參數(shù) 圖2.2.1 基本共射放大電路例2.3.3解：(1)靜態(tài)分析（本電路為固定偏置電路）(a)電路(2)動態(tài)分析 圖2.2.5 阻容耦合共射放大電路圖2.3.18 圖2.2.5(a)所示電路的交流等效電路 式中或 2.

36、4放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定2.4.1靜態(tài)工作點穩(wěn)定的必要性圖2.4.1 晶體管在不同環(huán)境溫度下的輸出特性曲線溫度的變化會導(dǎo)致靜態(tài)工作點發(fā)生飄移，從而使放大器在放大大信號時，容易產(chǎn)生失真。2.4.2典型的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路一、電路組成和Q點穩(wěn)定原理 (a)直接耦合電路 (b)阻容耦合電路 (c)圖(a)、(b)的直流通路圖2.4.2 靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路要求：，工程上一般要求即可。二、靜態(tài)工作點的估算1.估算法2.精確求解法 圖2.4.3 圖2.4.2(c)所示電路的等效電路三、動態(tài)參數(shù)的估算(a)有旁路電容時的交流等效電路圖2.4.4 阻容耦合點穩(wěn)定電路的交流等效電路(a)有旁路電容式中(b)無

37、旁路電容時的交流等效電路圖2.4.4 阻容耦合點穩(wěn)定電路的交流等效電路(b)無旁路電容式中例2.4.1圖2.4.5 例2.4.1的電路圖假設(shè)管子工作在放大狀態(tài)，則有如果計算結(jié)果顯示有（三極管飽和壓降），則說明管子已經(jīng)進入飽和區(qū)。2.4.3穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施 圖2.4.6 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施2.5晶體管單管放大電路的三種基本接法2.5.1基本共集放大電路（又稱為射極跟隨器）一、電路的組成 (a)電路 (b)直流通路 (c)交流通路圖2.5.1 基本共集放大電路二、靜態(tài)分析三、動態(tài)分析圖2.5.2 基本共集放大電路的交流等效電路1.電壓放大倍數(shù)當(dāng)時，有2.輸入電阻3.輸出電阻圖2.5.3 基本

38、共集放大電路輸出電阻的求解或例2.5.12.5.2基本共基放大電路一、電路的組成 (a)電路 (b)交流通路 (c)交流等效電路圖2.5.4 基本共基放大電路二、靜態(tài)分析三、動態(tài)分析 (c)交流等效電路1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻3.輸出電阻例2.5.22.5.3三種接法比較性能指標(biāo)共射共集共基電壓放大倍數(shù)大于1小于1大于1電流放大倍數(shù)大于1大于1小于1功率放大倍數(shù)大于1大于1大于1輸入電阻一般很大很小輸出電阻較大很小很大2.6場效應(yīng)管放大電路2.6.1場效應(yīng)管放大電路的三種接法 (a)共源放大電路 (b)共漏放大電路 (c)共柵放大電路圖2.6.1 場效應(yīng)管放大電路的三種接法2.6.2場效應(yīng)

39、管放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置方法及其分析估算*使場效應(yīng)管工作在放大狀態(tài)（飽和區(qū)或恒流區(qū)）的條件是：漏區(qū)方向的溝道夾斷，源區(qū)方向的溝道打開。一、基本共源放大電路圖2.6.2 基本共源放大電路1.圖解分析法求靜態(tài)工作點圖2.6.3 圖解法求基本共源放大電路的靜態(tài)工作點輸入回路方程：輸出回路方程：2.等效電路分析法求靜態(tài)工作點二、自給偏壓電路 (a)由N溝道結(jié)型場效應(yīng)管組成的電路 (b)由N溝道耗盡型管組成的電路圖2.6.4 自給偏壓共源放大電路1.(a)圖靜態(tài)工作點 2.(b)圖靜態(tài)工作點 （零偏壓） 三、分壓式偏置電路圖2.6.5 分壓式偏置電路靜態(tài)工作點：2.6.3場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析一、

40、場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 (a)N溝道增強型MOS管 (b)交流等效模型圖2.6.6 MOS管的低頻小信號等效模型低頻跨導(dǎo)的計算：1.對于耗盡型MOS管和結(jié)型管即2.對于增強型MOS管即 (a)從轉(zhuǎn)移特性曲線求解 (b)從輸出特性曲線求解圖2.6.7 從特性曲線求解和二、基本共源放大電路的動態(tài)分析 圖2.6.2 基本共源放大電路 圖2.6.8 基本共源放大電路的交流等效電路1.靜態(tài)工作點2.動態(tài)參數(shù)分析三、基本共漏放大電路的動態(tài)分析 (a)電路 (b)交流等效電路圖2.6.9 基本共漏放大電路1.靜態(tài)工作點2.動態(tài)參數(shù)分析圖2.6.10 求解基本共漏放大電路的輸出電阻例2.6.22.7基本

41、放大電路的派生電路2.7.1復(fù)合管放大電路一、復(fù)合管1.晶體管組成的復(fù)合管及其電流放大系數(shù) (a)由兩只NPN型管組成 (b)由兩只PNP型管組成 (c)由PNP型管和NPN型管組成 (d)由NPN型管和PNP型管組成圖2.7.1 復(fù)合管以(a)圖為例，分析復(fù)合管的電流放大系數(shù)：即2.場效應(yīng)管與晶體管組成的復(fù)合管及其跨導(dǎo) (a)接法 (b)交流等效電路圖2.7.2 由場效應(yīng)管與晶體管組成的復(fù)合管復(fù)合管的低頻跨導(dǎo)： 即絕緣柵、雙極晶體管，簡稱為IGBT管3.復(fù)合管的組成原則(1)每只管子都必須能獲得正確的偏置電壓、電流，且工作在放大區(qū)（晶體管）或恒流區(qū)（場效應(yīng)管）；(2)前級管子的集電極（漏極）

42、或發(fā)射極（源極）應(yīng)接到后級晶體管的基極上，以實現(xiàn)電流放大。二、復(fù)合管共射放大電路 (a)電路 (b)交流等效電路圖2.7.3 阻容耦合復(fù)合管共射放大電路三、復(fù)合管共源放大電路 (a)電路 (b)交流等效電路圖2.7.4 阻容耦合復(fù)合管共源放大電路四、復(fù)合管共集放大電路 (a)電路 (b)交流通路 (c)交流等效電路圖2.7.5 阻容耦合復(fù)合管共集放大電路2.7.2共射-共基放大電路圖2.7.6 共射-共基放大電路的交流通路2.7.3共集-共基放大電路圖2.7.7 共集-共基放大電路的交流通路第三章 多級放大電路3.1多級放大電路的耦合方式3.1.1直接耦合一、直接耦合放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置

43、(a)前級的輸出直接接到后級的輸入 (b)后級加射極電阻或二極管 (c)后級發(fā)射極加穩(wěn)壓管 (d)NPN和PNP管混合使用圖3.1.1 直接耦合放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置二、直接耦合方式的優(yōu)缺點優(yōu)點：有非常好的低頻特性，能放大直流信號。缺點：各級放大器之間的靜態(tài)工作點相互影響，并且前級放大器的零點漂移電流和電壓會經(jīng)多級放大電路逐級放大后輸出。3.1.2 阻容耦合圖3.1.2 兩級阻容耦合放大電路3.1.3 變壓器耦合 圖3.1.3 變壓器耦合共射放大電路圖3.1.4 變壓器耦合的阻抗變換由功率守恒，初級輸入的功率應(yīng)等于負(fù)載消耗的功率（忽略變壓器損耗），有由于，所以有3.1.4 光電耦合一、光電耦

44、合器 圖3.1.5 光電耦合器及其傳輸特性二、光電耦合放大電路圖3.1.6 光電耦合放大電路3.2 多級放大電路的動態(tài)分析圖3.2.1 多級放大電路方框圖計算各參數(shù)時，要考慮到各級放大器之間的相互影響。例3.2.1圖3.1.2 兩級阻容耦合放大電路圖3.2.2 圖3.1.2所示電路的交流等效電路解：(1)靜態(tài)分析，求靜態(tài)工作點(2)動態(tài)分析 （與上式聯(lián)立求解）3.3 直接耦合放大電路3.3.1 直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象一、零點漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因 (a)測試電路 (b)測試結(jié)果圖3.3.1 零點漂移現(xiàn)象二、抑制溫度漂移的方法1.引入直流負(fù)反饋2.采用溫度補償3.使用對稱結(jié)構(gòu)的差分電路3

45、.3.2 差分放大電路一、電路的組成 (a)帶有負(fù)反饋電阻 (b)帶有溫控的電壓源 (c)對稱式電路加共模信號 (d)加差模信號(e)實用差分放大電路圖3.3.2 差分放大電路的組成二、長尾式差分放大電路圖3.3.3 長尾式差分放大電路1.靜態(tài)分析對稱結(jié)構(gòu)的差分放大電路，一般有，。當(dāng)時，有2.動態(tài)分析基本差分放大電路基本差分放大電路的交流等效電路由差分放大電路的交流等效電路，可得方程組解之，得 （一）(1)差模輸入信號的響應(yīng)差模輸入信號：將差模信號代入(一)式，解得a.電壓放大倍數(shù)雙端輸出時：單端輸出時：b.差模輸入電阻c.輸出電阻(2)共模輸入信號的響應(yīng)共模輸入信號：將共模信號代入(一)式，

46、解得a.電壓放大倍數(shù)雙端輸出時：單端輸出時：通常，所以b.共模輸入電阻c.輸出電阻圖3.3.4 差分放大電路輸入共模信號 (a)電路 (b)交流等效電路圖3.3.5 差分放大電路輸入差模信號3.共模抑制比或 若將發(fā)射極電阻換成電流源，可提高差分電路的共模抑制比。4.電壓傳輸特性圖3.3.6 差分放大電路的電壓傳輸特性5.復(fù)合信號的響應(yīng)任意輸入信號可分解為其中 圖3.3.3 長尾式差分放大電路利用疊加定理，分別求出差模響應(yīng)和共模響應(yīng)，則其總響應(yīng)即為任意信號的響應(yīng)。三、差分放大電路的四種接法1.雙端輸入、雙端輸出電路 2.雙端輸入、單端輸出電路 圖3.3.7 雙端輸入、單端輸出差分放大電路圖 3.3.8 圖3.3.7所示電路的直流通路圖3.3.9 圖3.3.7所示電路對差模信號的等效電路 (a)將