硬件電路設(shè)計基礎(chǔ)知識

可編輯版/硬件電子電路基礎(chǔ)關(guān)于本課程第一章半導體器件§1-1半導體基礎(chǔ)知識§1-2PN結(jié)§1-3二極管§1-4晶體三極管§1-5場效應(yīng)管第二章基本放大電路2-1晶體三極管基本放大電路2-2反饋放大器的基本概念§3－1恒流源電路§3－2差動放大電路§3－3集成運算放大電路§3－4集成運放的應(yīng)用§3－5

限幅器〔二極管接于運放輸入電路中的限幅器§3－6

模擬乘法器第四章功率放大電路5－2LC正弦波振蕩電路5－3LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度7－1概述

7－2調(diào)角信號分析

7－3調(diào)頻及調(diào)相信號的產(chǎn)生

7－4頻率解調(diào)的基本原理和方法第八章

反饋控制電路§8－1自動增益控制〔AGC§8－2自動頻率控制〔AFC§1-1半導體基礎(chǔ)知識§1-2PN結(jié)§1-3二極管§1-4晶體三極管§1-5場效應(yīng)管§1-1半導體基礎(chǔ)知識一、什么是半導體半導體就是導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)?！矊щ娔芰措妼省踩纾汗鑃i鍺Ge等＋4價元素以及化合物二、半導體的導電特性本征半導體――純凈、晶體結(jié)構(gòu)完整的半導體稱為本征半導體。硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)?！猜?、半導體的導電率會在外界因素作用下發(fā)生變化摻雜──管子溫度──熱敏元件光照──光敏元件等2、

半導體中的兩種載流子──自由電子和空穴自由電子──受束縛的電子〔－空穴

──電子跳走以后留下的坑〔＋三、雜質(zhì)半導體──N型、P型〔前講摻雜可以顯著地改變半導體的導電特性,從而制造出雜質(zhì)半導體。N型半導體〔自由電子多摻雜為＋5價元素。如：磷；砷P──＋5價使自由電子大大增加原理：Si──＋4價P與Si形成共價鍵后多余了一個電子。載流子組成：本征激發(fā)的空穴和自由電子──數(shù)量少。摻雜后由P提供的自由電子──數(shù)量多?？昭īぉど僮幼杂呻娮萤ぉざ嘧覲型半導體

〔空穴多摻雜為＋3價元素。如：硼；鋁使空穴大大增加原理：Si──＋4價B與Si形成共價鍵后多余了一個空穴。B──＋3價載流子組成：本征激發(fā)的空穴和自由電子──數(shù)量少。摻雜后由B提供的空穴──數(shù)量多。空穴──多子自由電子──少子結(jié)論：N型半導體中的多數(shù)載流子為自由電子；P型半導體中的多數(shù)載流子為空穴?！?-2PN結(jié)一、PN結(jié)的基本原理1、什么是PN結(jié)將一塊P型半導體和一塊N型半導體緊密第結(jié)合在一起時,交界面兩側(cè)的那部分區(qū)域。2、PN結(jié)的結(jié)構(gòu)分界面上的情況：P區(qū)：空穴多N區(qū)：自由電子多擴散運動：多的往少的那去,并被復(fù)合掉。留下了正、負離子。〔正、負離子不能移動留下了一個正、負離子區(qū)──耗盡區(qū)。由正、負離子區(qū)形成了一個內(nèi)建電場〔即勢壘高度。方向：N-->P大?。号c材料和溫度有關(guān)。〔很小,約零點幾伏漂移運動：由于內(nèi)建電場的吸引,個別少數(shù)載流子受電場力的作用與多子運動方向相反作運動。結(jié)論：在沒有外加電壓的情況下,擴散電流和漂移電流的大小相等,方向相反?？傠娏鳛榱恪６?、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?、外加正向電壓時：〔正偏結(jié)論：勢壘高度PN結(jié)寬度〔耗盡區(qū)寬度擴散電流2、

外加反向電壓時：〔反偏結(jié)論：勢壘高度PN結(jié)寬度〔耗盡區(qū)寬度擴散電流〔趨近于0此時總電流＝反向飽和電流〔漂移電流：I5注：反向飽和電流I5只與溫度有關(guān),與外加電壓無關(guān)。[PN結(jié)的反向擊穿]：齊納擊穿：勢壘區(qū)窄,較高的反向電壓形成的內(nèi)建電場將價電子拉出共價鍵,導致反向電流劇增。<4V雪崩擊穿：勢壘區(qū)寬,載流子穿過PN結(jié)時間長,速度高,將價電子從共價鍵中撞出來,撞出來的電子再去撞別的價電子,導致反向電流劇增。>7V當反向電壓在4V和7V之間的時候,兩種擊穿均有。[PN結(jié)的電容效應(yīng)]：勢壘電容：外加電壓變化引起勢壘區(qū)寬窄的變化引起。它與平行板電熱器在外加電壓作用下,電容極板上積累電荷情況相似。對外等效為非線性微變電容?！卜雌珳p小,正偏增大擴散電容：當PN結(jié)外加正向電壓時,由于擴散作用,從另一方向本方注入少子,少子注入后,將破壞半導體的電中性。為了維持電中性,將會有相同數(shù)量的異性載流子從外電路進入半導體,在半導體中形成空穴－電子對儲存。外電壓增量引起空穴－電子對存儲就象電容充電一樣。PN結(jié)等效為：兩個擴散電容＋一個勢壘電容?！矊ν獾刃槿齻€容性電流相加。等效對外不對內(nèi)反偏：擴散電流＝0,以勢壘電容為主。正偏：擴散電流很大,以擴散電容為主。§1-3二極管一、構(gòu)成與符號二、伏安特性曲線1.正向特性：正向電壓較小時,正向電流幾乎為0──死區(qū)。當正向電壓超過某一門限電壓時,二極管導通,電流隨電壓的增加成指數(shù)率的關(guān)系迅速增大。門限電壓〔導通電壓──UD2．反向特性：當外加電壓小于反向擊穿電壓時,反向電流幾乎不隨電壓變化。當外加電壓大于反向擊穿電壓UB時,反向電流隨電壓急劇增大〔擊穿。3．伏安特性解析式在理想條件下,PN結(jié)的伏安〔電流與結(jié)電壓關(guān)系式：──呈指數(shù)關(guān)系式中：q──電子電荷量K──波爾茲曼常數(shù)T──絕對溫度0K<-273C>令：〔室溫下UT=26mV伏安關(guān)系式簡化為：

當電壓超過100mV時,公式可以簡化為：

加正向電壓時：加反向電壓時：I=-IS4．二極管的等效電阻從二極管的伏安特性曲線上可以看出：二極管是非線性元件,等效電阻的大小與Q點有關(guān)。直流電阻〔靜態(tài)電阻──交流電阻──例：用萬用表測電阻和二極管換不同檔測量電阻,結(jié)果一樣嗎？特殊二極管：穩(wěn)壓二極管；變?nèi)荻O管；發(fā)光二極管；二極管應(yīng)用：1．整流：略2．穩(wěn)壓：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。P22Fig1-3-163．限幅器：二極管限幅器。P24-26串聯(lián)、并聯(lián)、雙向。

例：P521－2§1-4晶體三極管一、結(jié)構(gòu)及符號b區(qū)極薄

C結(jié)面積>e結(jié)

e區(qū)攙雜濃度最大,b區(qū)攙雜濃度最低。

〔不能將兩個二極管兌成一個三極管來用二、晶體管的四種工作狀態(tài)狀態(tài)發(fā)射結(jié)電壓集電結(jié)電壓放大正反截止反反飽和正正倒置反正三、放大狀態(tài)下晶體管中的電流注：交流有效值──大寫小寫；交流值──小寫小寫；瞬時值──小寫大寫；靜態(tài)值──大寫大寫；*注意：實際電流的流向是與電子流的方向相反的。用很少量的IB來控制IC。即三極管實際上是一個電流控制電流源-CCCS。三個電極電流滿足：IE=IB+IC工作在放大狀態(tài)下的NPN管一定為：IB、IC流入,IE流出。工作在放大區(qū)的條件：NPN──UC>UB>UE；

PNP──UC<UB<UE；發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。例：集成電路中沒有三極管,是用三極管的一個結(jié)來代替,用哪個結(jié)？e結(jié)?！睠結(jié)漏電流大四、晶體管工作的三種組態(tài)[共射]對電壓、電流都有放大倍數(shù)。

[共基]無電流放大倍數(shù),有電壓放大倍數(shù)。<ICIE>[共集]無電壓放大倍數(shù),有電流放大倍數(shù)。<UBEV五、晶體三極管特性曲線共射組態(tài)放大電路的特性曲線：輸入特性曲線<IB--UBE>UCEUBE為一個正偏的PN結(jié),所以特性曲線和二極管的正向特性曲線相同。有：輸出特性曲線<IC--UCE>IB因為三極管有三個電極,要想在二維坐標系上表示出三個變量之間的關(guān)系。特性曲線就得是一族。有：特點：截止區(qū)：iB=0；iC=0;UCE=UCC；放大區(qū)：iC受iB控制。各條曲線近似水平,iC和UCE的變化基本無關(guān),呈近似恒流特性。飽和區(qū)：iC不受iB控制。UCE＝0.3V六、晶體三極管的主要參數(shù)

1.電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)交流短路電流放大系數(shù)共基極接法電流放大系數(shù)；；

2.極限參數(shù)集電極最大允許電流ICOM：下降至正常值時候的0.707倍所對應(yīng)的IC值。反向擊穿電壓BUCEO：當基極開路時集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓。集電極最大允許功耗PCM。

3.三極管的輸入電阻共射電路的輸入電阻：BE結(jié)電阻：共基極輸入電阻：§1-5場效應(yīng)管場效應(yīng)管的特點：場效應(yīng)管只靠多子來導電。它是單極型晶體管。它只依靠一種載流子導電。三極管是靠多子、少子一起來導電的,又叫雙極型晶體管。它靠兩種載流子導電。場效應(yīng)管的導電途徑：溝道──利用外加電場改變半導體體電阻來進行工作?！搽妶鲂?yīng)來工作。輸入阻抗十分高。場效應(yīng)管分類：結(jié)型場效應(yīng)管、絕緣柵型場效應(yīng)管。一、結(jié)型場效應(yīng)管

1．結(jié)構(gòu)：N區(qū)為載流子的主要通道──N溝道。

2.符號：N溝道P溝道

3.工作原理：靠UDG和USG使兩個PN結(jié)全部反偏,使耗盡層加寬。依靠反偏電壓的強弱來控制耗盡層的寬窄,〔即改變半導體的體電阻達到控制電流的作用。VCCS并且應(yīng)有UD>US,才能收集電子。漏極D和源極S,可以互換著使用。要求柵極G一定要反偏。工作在放大狀態(tài)時要求有：

4.輸入特性：柵極電流就是PN結(jié)的反向飽和電流。它幾乎不隨電壓變化。

5.輸出特性曲線：──以UGS為參變量,描述ID和UDS之間的關(guān)系。二、絕緣柵型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)：〔以N溝道為例2.符號：

增強型耗盡型N溝道

P溝道

場效應(yīng)管特性比較P47Tab1-23.原理：增強型：原始沒有導電溝道,靠外加電壓后形成反型層導電溝道。要求必須給柵極G加正向偏壓。有：UD>UG>US耗盡型：原來已經(jīng)有導電溝道存在〔摻雜造成的,靠外加電壓使溝道中的載流子耗盡。所加柵極電壓可正、可負。正：同增強型；負：同結(jié)型；第二章基本放大電路2-1晶體三極管基本放大電路2-2反饋放大器的基本概念§3－1恒流源電路§3－2差動放大電路§3－3集成運算放大電路§3－4集成運放的應(yīng)用§3－5

限幅器〔二極管接于運放輸入電路中的限幅器§3－6

模擬乘法器§3－1恒流源電路用途：供給放大級作為偏流源或作為有源負載。在振蕩器中作為充、放電電流源。一、鏡像電流源電路1、電路介紹：T1管、T2管具有完全相同的參數(shù),并且發(fā)射結(jié)電壓相同。2、工作原理：IC2的穩(wěn)定過程：3、輸出電流的計算〔由于>>2,IB忽略不計〔稱為鏡像電流二、比例電流源1、電路介紹：2、工作原理：和鏡像電流源相同。3、輸出電流的計算§3－2差動放大電路一、零點漂移零點漂移：多級直流耦合放大器中輸入端對地短路時,輸出電壓依然會出現(xiàn)緩慢變化的飄動電壓。簡稱：零漂或溫漂。為了克服零漂——采用差動放大器。二、基本差動放大器1、電路介紹：兩個管子具有相同的參數(shù),并且對稱元件的數(shù)值相等?！搽娐肪哂袑ΨQ性,在集成電路中,由于兩個管子靠得非常近,所以可以作得非常相近。有兩個輸入端和兩個輸出端,輸入信號加這兩個管子的基極,輸出信號取自兩個管子的集電極之間。2、靜態(tài)工作狀態(tài)分析：將交流信號短路掉。用"半電路法"進行簡化：將RE分別畫在電路兩邊,使分開后的電路還保持原電路的伏安關(guān)系。

3、動態(tài)特性分析：差模信號：大小相等,極性相反的一對信號。共模信號：大小相等,極性相同的一對信號。差動放大器只對差模信號有放大作用,對共模信號沒有放大作用。三、雙入雙出差動放大電路電路完全對稱,差模信號放大倍數(shù)：共模信號放大倍數(shù)：共模抑制比：四、共模信號和差模信號的分離差模信號：共模信號：五、具有鏡像電流源偏置和負載的差動放大電路T3、T4：有源負載；T5、T6：有源偏置；T1、T2；差動放大器。利用鏡像電流源作為有源負載,將雙入雙出變?yōu)殡p入單出,且增益和共模抑制比保持不變?！?－3集成運算放大電路一、集成運算放大器的特點〔集成電路的特點不適合制造大電容,所以采用直接耦合電路；管子、電阻等元件在同一條件下制造,所以器件參數(shù)的對稱性好；二極管全部用三極管的發(fā)射結(jié)來代替；不容易制作較大電阻,常用恒流源來代替,或外接電阻。二、集成運放的組成

1、框圖：

2、符號：習慣畫法國標畫法－：反相輸入端,表示輸入信號與輸出信號反相；＋：同相輸入端,表示輸入信號與輸出信號同相。三、運放的簡化分析方法1、運放的理想化條件〔參數(shù)開環(huán)電壓增益開環(huán)輸入電阻開環(huán)輸出電阻開環(huán)帶寬共模抑制比失調(diào)、漂移、內(nèi)部噪聲＝02、運放輸入端的兩個重要概念運放工作在深度負反饋條件下,且工作在線性區(qū)時,有：虛短路：虛開路：§3－4集成運放的應(yīng)用運放在應(yīng)用時,在對內(nèi)阻沒有特殊要求時,為了方便負載和信號源有公共的接地端,一般總是采用電壓負反饋。一、基本放大電路

1、反相輸入式放大電路電路接有電壓并聯(lián)負反饋。為了克服溫漂,在兩個輸入端偏流電阻上產(chǎn)生的壓降相等,有：工作原理：＝0

2、同相輸入式放大電路電路接有電壓串聯(lián)負反饋。為了克服溫漂,在兩個輸入端偏流電阻上產(chǎn)生的壓降相等,有：工作原理：

3、壓跟隨器二、線性運算電路

1、反相輸入式加法電路：電路為并聯(lián)電壓負反饋＝0

2、同相輸入式加法電路：電路為串聯(lián)電壓負反饋

3、減法運算電路：

4、積分運算電路：＝05、微分運算電路：＝0三、非線性運算電路

1、對數(shù)運算電路：＝02、指數(shù)運算電路：＝0§3－5限幅器〔二極管接于運放輸入電路中的限幅器一、串聯(lián)限幅器1、限限幅器＝0工作原理：當Ui很小時,二極管截止；當Ui增大時,二極管臨界導通；當Ui繼續(xù)增大時,二極管導通；輸出信號隨輸入信號進行變化。結(jié)論：當時,二極管截止,限幅區(qū)。當時,二極管導通,傳輸區(qū)。傳輸特性曲線：輸入輸出波形：

2、上限限幅器＝0工作原理：當Ui很大時,二極管截止；當Ui減小時,二極管臨界導通；當Ui繼續(xù)減小時,二極管導通；輸出信號隨輸入信號進行變化。結(jié)論：當時,二極管截止,限幅區(qū)。當時,二極管導通,傳輸區(qū)。傳輸特性曲線：輸入輸出波形：§3－6模擬乘法器模擬乘法器的基本工作原理模擬乘法器：能夠?qū)崿F(xiàn)兩個互不相關(guān)的連續(xù)性信號〔電壓或電流相乘作用的電路。變跨導式乘法器構(gòu)成原理：電路元件工作于線性區(qū),但因為跨導為非線性,所以電路對外表現(xiàn)出非線性特性。電路利用了指數(shù)函數(shù)和雙曲正切函數(shù)的關(guān)系,利用恒流源差動放大電路實現(xiàn)相乘。符號：習慣畫法國標畫法1、相乘運算：2、乘方運算：3、除法運算：＝04、開方運算：＝0第四章功率放大電路4－1功率放大電路的主要特點4－3丙類功率放大電路5－1反饋型正弦波振蕩器的工作原理

5－2LC正弦波振蕩電路

5－3LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度

5－4石英晶體振蕩器

5－5RC正弦波振蕩器§5－1反饋型正弦波振蕩器的工作原理分類：反饋型；負阻型。〔不講一、電路的組成及自激條件"自激振蕩"是指在沒有外加信號的作用下,電路能自動產(chǎn)生交變信號的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生自激振蕩的電路稱為"自激振蕩器"。反饋型正弦波振蕩器結(jié)構(gòu)框圖：A為放大器的開環(huán)增益；

B為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)；[四個組成部分]：1、放大器：因為振蕩器不僅要對外輸出功率,而且還要通過反饋網(wǎng)絡(luò)提供自身的輸入信號功率。所以它必須要有功率增益。其能量的來源仍然與放大器一樣來源于直流電源。2、反饋網(wǎng)絡(luò)：使其構(gòu)成正反饋環(huán)路。3、選頻網(wǎng)絡(luò)：正弦波振蕩器必須工作在某一特定的頻率上。選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保證只有在這一特定的頻率時,通過輸出網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)才有閉環(huán)2π相移的正反饋,其他頻率不滿足正反饋的條件。并且利用選頻網(wǎng)絡(luò)中的儲能元件作為振蕩回路。4、穩(wěn)幅機構(gòu)：自激振蕩器由自行起振的暫態(tài)過渡到最后的穩(wěn)態(tài),并保持一定的輸出幅度和波形,這個過程要求有一個自穩(wěn)幅的機構(gòu)。這個機構(gòu)既可以單獨存在,又可以加在前三個部分中的任意一個里面。按照選頻網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成的不同又可以分為：LC正弦波自激振蕩器；RC振蕩器和石英晶體振蕩器；其中LC正弦波自激振蕩器又可以更加細致地分為：互感耦合式振蕩器；LC三點式振蕩器；自激條件：A為放大器的開環(huán)增益：B為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)：振幅條件：相位條件：〔n=0,1,2,3二、振蕩的建立和穩(wěn)定過程振蕩的建立：假設(shè)電路處于靜止狀態(tài),當外界出現(xiàn)了一個非常小的擾動時,這種擾動往往含有很寬的頻譜,經(jīng)過LC選頻網(wǎng)絡(luò)選出使得電路滿足正反饋相位條件的頻率分量。在電路的輸出端將會得到由選頻網(wǎng)絡(luò)選出的某一頻率的微小振蕩,它立刻通過反饋網(wǎng)絡(luò)回送到了放大器的輸入端進行放大,在正反饋地情況下,電路的輸出端會得到比原來大一些的振蕩,這個信號又通過正反饋網(wǎng)絡(luò)送到放大器的輸入端,經(jīng)過這樣反復(fù)多次放大,選頻,反饋……電路中就產(chǎn)生了增幅電振蕩。振蕩的穩(wěn)幅：當振幅增長到一定程度以后,由于電路中的電容CE儲存能量會引起非線性導電的現(xiàn)象〔即,由于電容的儲能使得三極管發(fā)射極電位提高,造成管子進入截止區(qū)。該電路在RE、、RB1、RB2產(chǎn)生了自生反偏壓。管子進入非線性區(qū)。幅度不會繼續(xù)增長,這樣管子的導通角將會減小,從而導致增益減小,直至達到平衡,于是振幅便穩(wěn)定于某一個恒定的值了。三、穩(wěn)定條件

1、振幅穩(wěn)定條件：如果干擾和噪聲使反饋電壓增大時,放大器的增益自動下降,使AB下降,振幅保持穩(wěn)定。反之,若反饋電壓下降,A增大,同樣會使振幅穩(wěn)定。絕對值越大,振幅的穩(wěn)定性就越好。上式還可以展開為下面所示的形式：這就要求：2、頻率穩(wěn)定正弦波頻率發(fā)生變化,相位肯定也發(fā)生變化。當頻率提高,相位會超前。負值表明：頻率提高,相位滯后,維持頻率穩(wěn)定。反之,頻率降低,相位超前,維持頻率穩(wěn)定。上述偏導數(shù)的絕對值越大越好,表明只要頻率產(chǎn)生微小的變化就可以獲得足夠大的反向的相位變化,從而在電路中恢復(fù)相位平衡。起振條件和平衡條件：振幅起振條件：相位起振條件：〔n=0,1,2,3>振幅平衡條件：相位平衡條件：〔n=0,1,2,3§5－2LC正弦波振蕩電路分類：互感耦合式；三點式；一、互感耦合式自激振蕩器以集電極耦合式的振蕩器為例：根據(jù)瞬時極性法來判斷：此電路為正反饋,可以振蕩。二、LC三點式振蕩電路互感