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模擬電子講義第一章 晶體二極管及應用電路一、半導體知識1本征半導體單質(zhì)半導體材料是具有4價共價鍵晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。在一定的溫度下，本征半導體內(nèi)的最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)（又稱熱激發(fā)或產(chǎn)生）（圖1-3）。本征激發(fā)產(chǎn)生兩種帶電性質(zhì)相反的載流子自由電子和空穴對。溫度越高，本征激發(fā)越強?？昭ㄊ前雽w中的一種等效 載流子?？昭▽щ姷谋举|(zhì)是價電子依次填補本征晶格中的空位，使局部顯示 電荷的空位宏觀定向運動（圖1-4）。在一定的溫度下，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(xiàn)象稱為載流子復合。復合是產(chǎn)生的相反過程，當產(chǎn)生等于復合時，稱載流子處于平衡狀態(tài)。2雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)會全部電離，產(chǎn)生自由電子和雜質(zhì)正離子對（空穴和雜質(zhì)負離子對）。由于雜質(zhì)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(zhì)濃度，與溫度無關；兩少子濃度是溫度的敏感函數(shù)。在相同摻雜和常溫下，Si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(chǎn)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(chǎn)生的擴散電流。4PN結(jié)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PN結(jié)（圖1-8）。PN結(jié)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(nèi)建電場和內(nèi)建電壓；PN結(jié)內(nèi)載流子數(shù)遠少于結(jié)外的中性區(qū)（稱耗盡層）；PN結(jié)內(nèi)的電場是阻止結(jié)外兩區(qū)的多子越結(jié)擴散的（稱勢壘層或阻擋層）。正偏PN結(jié)（P區(qū)外接高于N區(qū)的電壓）有隨正偏電壓指數(shù)增大的電流；反偏PN結(jié)（P區(qū)外接低于N區(qū)的電壓），在使PN結(jié)擊穿前，只有其值很小的反向飽和電流 。即PN結(jié)有單向?qū)щ娞匦裕ㄕ珜?，反偏截止）。PN結(jié)的伏安方程為： ，其中，在T=300K時，熱電壓 mV。非對稱PN結(jié)有 結(jié)（P區(qū)高摻雜）和 結(jié)（N區(qū)高摻雜），PN結(jié)主要向低摻雜區(qū)域延伸（圖1-9）。二、二極管知識普通二極管內(nèi)芯片就是一個PN結(jié)，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?qū)щ娞匦?，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。二極管交流電阻 定義： 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 估算： 二極管的低頻小信號模型就是交流電阻 ，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?qū)щ娞匦詰谜髌鳎喊氩ㄕ鳎▓D1-28），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?qū)ㄌ匦约皯枚O管正向充分導通時只有很小的交流電阻，近似于一個0.7V（Si管）或0.3V（Ge管）的恒壓源。3反向擊穿及應用二極管反偏電壓增大到一定值時，反向電流突然增大的現(xiàn)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）。4高頻時的電容效應及應用高頻工作時，二極管失去單向?qū)щ娞匦?，其原因是管?nèi)的PN結(jié)存在電容效應（結(jié)電容）。結(jié)電容分為PN結(jié)內(nèi)的勢壘電容 與PN結(jié)兩側(cè)形成的擴散電容 。 隨偏壓的增大而增大， 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 。利用這一特性的二極管稱為變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O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(jié)正偏，集電結(jié)反偏時，稱為放大偏置。在放大偏置時，NPN管滿足 ；PNP管滿足 。放大偏置時，作為PN結(jié)的發(fā)射結(jié)的VA關系是： （NPN）， （PNP）。在BJT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(nèi)部條件下，發(fā)射極電流 將幾乎轉(zhuǎn)化為集電流 ，而基極電流較小。在放大偏置時，定義了 （ 是由 轉(zhuǎn)化而來的 分量）極之后，可以導出兩個關于電極電流的關系方程： 其中 ， 是集電結(jié)反向飽和電流， 是穿透電流。放大偏置時，在一定電流范圍內(nèi)， 、 、 基本是線性關系，而 對三個電流都是指數(shù)非線性關系。放大偏置時：三電極電流主要受控于 ，而反偏 通過基區(qū)寬度調(diào)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， ， 增大而 減小。發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均反偏時BJT為截止狀態(tài)，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)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： （圖2-13）輸出特性曲線： （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(shù)，放大區(qū)曲線向上傾是基區(qū)寬度調(diào)制效應所致。當溫度增加時，會導致 增加， 增加和輸入特性曲線左移。三、BJT主要參數(shù)電流放大系數(shù)：直流 ，直流 ；交流 和 ， 、 也滿足 。極間反向電流：集電結(jié)反向飽和和電流 ；穿透電流 極限參數(shù)：集電極最大允許功耗 ；基極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓 ；集電極最大允許電流 特征頻率 BJT小信號工作，當頻率增大時使信號電流 與 不同相，也不成比例。若用相量表示為 ， ，則 稱為高頻 。 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(jié)電壓變化，經(jīng)放大偏置BJT內(nèi)部的 的正向控制過程產(chǎn)生集電極電流的相應變化（ 出現(xiàn)信號電流 ）， 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(jié)上交流電壓 mV時，BJT的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(shù)：基本參數(shù)：基區(qū)體電阻 ，由廠家提供、高頻管的 比低頻管小基區(qū)復合電阻 ：估算式： ， 發(fā)射結(jié)交流電阻跨導 ：估算 （ms）， 基調(diào)效應參數(shù) ：估算 ， 厄利電壓 ：估算 以上參數(shù)滿足： 高頻參數(shù)：集電結(jié)電容 ：由廠家給出；發(fā)射結(jié)電容 ：估算 *最常用的BJT模型是低頻簡化模型（1）電壓控制電流源（ ）模型（圖2-23）（2）電流控制電流源（ ）模型（圖2-24，常用），其中 第三章 晶體管放大器基礎一、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 串聯(lián)源內(nèi)阻 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 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）特點：簡單， 隨溫度變化?。坏敵鎏匦郧€上的工作點（ 、 ）隨溫度變化大。Q點估計 ， ， 直流負載線 2基極分壓射極偏置電路（圖3-14）特點：元件稍多。但在滿足條件 （ ）時，工作點Q（ ， ）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（7.4.4）。Q點估算： ， 直流負載線 以上近似計算在滿足 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（ ， ）的運動軌跡。交流負載線經(jīng)過靜態(tài)工作點，且斜率為 。因放大器中晶體管的伏安特性的非線性使輸出波形出現(xiàn)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(chǎn)生飽和失真；使BJT進入截止區(qū)，產(chǎn)生截止失真。NPN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 是從放大器輸入口視入的等效交流電阻。 是信號源的負載， 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 而言，等效為一個新的信號源（這說明放大器向負載 輸出功率 ），該信號源的內(nèi)阻即輸出電阻 。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：端電壓增益： 源電壓增益： ， 電流增益： 負載開路電壓增益（內(nèi)電壓增益）： ， 功率增益： 、 、 、 的分貝數(shù)為 ； 的分貝數(shù)為 。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 。2CE、CB、CC放大器基本指標 ，管端輸入電阻 ，管端輸出電阻 。用電流控制電流源（ ）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3-1 BJT三種基本放大器小信號指標 CE放大器CB放大器CC放大器 簡化交流通路 AV （大，反相） (rberbb) （大，同相） (rberbb) (rbb) rbe (中)(1+)re (rberbb) (小)re (rberbb)rbe+(1+) (大)(1+)(re+ ) (rberbb) 0.5rcerce (大，與信號源內(nèi)阻有關)rce0.5rbc(很大，與信號源內(nèi)阻有關) (小，與RS有關), ( ) 應用功率增益最大(3.3.4節(jié))，RiRo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(jié)合使用。如CE-CB組態(tài)CC-CB組態(tài)。Ri大而Ro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。 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(xiàn)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(xiàn)零輸入和零輸出。由于供電電壓源存在內(nèi)阻，使各級放大器發(fā)生“共電耦合”，這種共電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共基和共集共基組態(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(nèi)部結(jié)構(gòu)有較大差別，但內(nèi)部的溝道電流都是多子漂移電流。一般情況下，該電流與 、 都有關。溝道未夾斷時，F(xiàn)ET的D-S口等效為一個壓控電阻（ 控制電阻的大小），溝道全夾斷時，溝道電流 為零；溝道在靠近漏端局部斷時稱部分夾斷，此時 主要受控于 ，而 影響較小。這就是FET放大偏置狀態(tài)；部分夾斷與未夾斷的臨界點為預夾斷。在預夾斷點， 與 滿足預夾斷方程：耗盡型FET的預夾斷方程： （ 夾斷電壓）增強型FET的預夾斷方程： （ 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(jié)。表4-4 FET放大偏置時 與 應滿足的關系 極 性放大區(qū)條件 VDSN溝道管：正極性(VDS0)VDSVGSVP(或VT)0 P溝道管：負極性(VDS0)VDSVGSVP(或VT)VP(或VT) P溝道管：VGSrds ，最大 AI決定于RG ，AI1決定于RG ，AI1AI1 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(jù)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(nèi)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(nèi)阻 很大。二者比較如下表： 恒 壓 源恒 流 源 理想模型 伏安特性曲線 實際線性近似模型 實際伏安特性曲線 實例充分導通的二極管（圖5.30a）擊穿后的穩(wěn)壓管（圖1-35） 倍增電路（圖5-30b）偏置在放大區(qū)的BJT當 =常數(shù)，或 常數(shù)時， 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） 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 恒流源電流 內(nèi)阻 *特點： 時 ，故 是 的鏡像。該恒流源內(nèi)阻不夠大，鏡像精度不高。微電流恒流源（圖5-11）參考電流 恒流源電流關系式： 特點：用不大的電阻兩個可以實現(xiàn) A級的恒流源，故易于集成。該恒流源內(nèi)阻大。 對電源電壓波動不敏感。此例恒流源（圖5-12）參考電流 恒流源電流 （條件： 與 相差10倍以內(nèi)時此式準確性較高）特點：內(nèi)阻大，使用靈活。3恒流源在模擬IC的應用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 ， 的差模和共模分量。差模輸入電壓： （輸入端的一對差模分量是 ）共模輸入電壓分量： 差放基本指標的定義差模增益 （有雙端輸出和單端輸出兩種方式）共模增益 （有雙端輸出和單端輸出兩種方式）共模抑制比 差模輸入將地的雙端輸入，但只要 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(jù)此，可畫差放的差模單邊交流通路，由該電路計算 。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(jù)此可畫出差放的共模單邊交流通路，由該電路求 。理想對稱差放的 。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： 差放增益的符號與 參考方向、 （或 ）以及單端輸出時輸出端都有關。確定差放增益符號時，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 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(zhuǎn)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 mV。恒流源CE差放當 mV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效