模拟电子技术基础总结

第一章晶体二极管及应用电路

一、半导体知识

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1-2）。前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。

·纯净（纯度>7N）且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在一定的温度下，本征半导体的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）（图1-3）。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。

+载流子。空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶·空穴是半导体中的一种等效q

+电荷的空位宏观定向运动（图1-4）。

格中的空位，使局部显示q

·在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，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（N型：图1-5，P型：图1-6）。

·在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。

·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>>少子（图1-7）。多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；两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。

3．半导体中的两种电流

在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。

4．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1-8）。

·PN结是非中性区（称空间电荷区），存在由N区指向P区的建电场和建电压；PN 结载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；PN结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）。

.

.

·正偏PN 结（P 区外接高于N 区的电压）有随正偏电压指数增大的电流；反偏PN 结（P 区外接低于N 区的电压），在使PN 结击穿前，只有其值很小的反向饱和电流S I 。即PN 结有单向导电特性（正偏导通，反偏截止）。

·PN 结的伏安方程为：/(1)T

v V S i I e

=-，其中，在T=300K 时，热电压26T V mV 。

·非对称PN 结有P N +结（P 区高掺杂）和PN +

结（N 区高掺杂），PN 结主要向低掺

杂区域延伸（图1-9）。

二、二极管知识

·普通二极管芯片就是一个PN 结，P 区引出正电极，N 区引出负电极（图1-13）。 ·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1-15）。

·低频运用时，二极管是一个非线性电阻，其交流电阻不等于其直流电阻。

二极管交流电阻d r 定义：1

D d D Q

di r dv -??= ?

??

·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。

二极管交流电阻d r 估算：d T D r V I ≈

·二极管的低频小信号模型就是交流电阻d r ，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种近似（图1-20）。

三、二极管应用

1．单向导电特性应用

·整流器：半波整流（图1-28），全波整流（图P1-8a ），桥式整流（图P1-8b ）

·限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅（图P1-9） ·钳位电路*

·通信电路中的应用*：检波器、混频器等 2．正向导通特性及应用

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。

3．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”和价电子被场效激发而发

.

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1-33）。

4．高频时的电容效应及应用

·高频工作时，二极管失去单向导电特性，其原因是管的PN 结存在电容效应（结电容）。

·结电容分为PN 结的势垒电容T C 与PN 结两侧形成的扩散电容D C 。 ·T C 随偏压的增大而增大，D C 与正偏电流近似成正比。

·反偏二极管在高频条件下，其等效电路主要是一个势垒电容T C 。利用这一特性的二极管称为变容二极管。变容二极管在通信电路中有较多的应用。

第二章 双极型晶体三极管（BJT ）

一、BJT 原理

·双极型晶体管（BJT ）分为NPN 管和PNP 管两类（图2-1，图2-2）。

·当BJT 发射结正偏，集电结反偏时，称为放大偏置。在放大偏置时，NPN 管满足C B C V V V >>；PNP 管满足C B E V V V <<。

·放大偏置时，作为PN 结的发射结的VA 关系是：/BE T v V E ES i I e =（NPN ），

/EB T

v V E ES i I e =（PNP ）。

·在BJT 为放大偏置的外部条件和基区很薄、发射区较基区高掺杂的部条件下，发射极电流E i 将几乎转化为集电流C i ，而基极电流较小。

·在放大偏置时，定义了

CN

E i i α=

（CN i 是由E i 转化而来的C i 分量）极之后，可以导出

两个关于电极电流的关系方程：C E CBO i i I α=+

(1)C B CBO B CEO i i I i I βββ=++=+

其中

1α

βα=

-，CEO I 是集电结反向饱和电流，(1)CEO CBO I I β=+是穿透电流。

·放大偏置时，在一定电流围，E i 、C i 、B i 基本是线性关系，而BE v 对三个电流都是

.

指数非线性关系。

·放大偏置时：三电极电流主要受控于BE v ，而反偏CB v 通过基区宽度调制效应，对电流有较小的影响。影响的规律是；集电极反偏增大时，C I ，E I 增大而B I 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CE 伏安特性曲线，其画法是：

输入特性曲线：()CE B BE V i f v =常数

（图2-13）

输出特性曲线：

()B B CE I

i f v =常数

（图2-14）

·输入特性曲线一般只画放大区，典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β近似为常数，放大区曲线向上倾是基区宽度调制效应所致。

·当温度增加时，会导致β增加，CBO I 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β，直流α；交流

0lim

C E

Q

i i α?→?=?和

0lim

C

B

Q

i i β?→?=?，α、β也满

足

1α

βα=

-。

·极间反向电流：集电结反向饱和和电流CBO I ；穿透电流CEO I

·极限参数：集电极最大允许功耗CM P ；基极开路时的集电结反向击穿电压CEO BV ；集电极最大允许电流CM I

·特征频率T f

BJT 小信号工作，当频率增大时使信号电流c i 与b i 不同相，也不成比例。若用相量表

.

示为c I ，B I ，则c B I I β=称为高频β。T f 是当高频β的模等于1时的频率。

四、BJT 小信号模型

·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 部的BE v 的正向控制过程产生集电极电流的相应变化（C i 出现信号电流c i ），c i 在集电极电阻上的交流电压就是放大的电压信号。

·当发射结上交流电压5||≤be v mV 时，BJT 的电压放大才是工程意义上的线性放大。 ·BJT 混合π小信号模型是在共射组态下推导出的一种物理模型（图2-28），模型中有七个参数：

基本参数：基区体电阻b b r '，由厂家提供、高频管的b b r '比低频管小

基区复合电阻e b r '：估算式：

(1)

(1)T

b e e E

V r r I ββ'=+=+，e r ——发射结交流电阻

跨导m g ：估算300/38.5K

m C T C g I V I ====（ms ），[]m e b m e b g r g r ''=β:,关系 基调效应参数 ce r ：估算C A ce I V r /≈，A V ——厄利电压

c b r '：估算ce c b r r β≈'

以上参数满足：

e m

e b ce c b r g r r r ≈>>

>>>>''1

高频参数：集电结电容 c b C '：由厂家给出；

发射结电容e b C '：估算

c

b T

m

e b C

f

g C ''-≈

π2*

·最常用的BJT 模型是低频简化模型

（1）电压控制电流源（c m b e i g v '=）模型（图2-23）

（2）电流控制电流源（c b i i β=）模型（图2-24，常用），其中e b b b be r r r ''+=

.

第三章 晶体管放大器基础

一、基本概念

·向放大器输入信号的电路模型一般可以用由源电压S v 串联源阻S R 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C R 来表示（图3-1）。

·未输入信号（静态）时，放大管的直流电流电压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流电压传送到另一端，耦合电容上应基本上无交流电压，或即是交流短路的。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）。

·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）。

二、BJT 偏置电路

1．固定基流电流（图3-7a ）

·特点：简单，B I 随温度变化小；但输出特性曲线上的工作点（CE V 、C I ）随温度变化大。

·Q 点估计

B

BE

CC B R V V I -=

，B C I I β≈，C C CC CE R I V V -= ·直流负载线

C CE

C CC C R v R V i -=

2．基极分压射极偏置电路（图3-14）

·特点：元件稍多。但在满足条件10>E R β（21//R R ）时，工作点Q （CE V ，C I ）

随温度变化很小，稳定工作点的原理是电流取样电压求和直流负反馈（§7.4.4）。

·Q 点估算：

E

BE CC E C R V R R R V I I /)(

2

12

-+≈≈，

()CE CC C E C V V R R I ≈-+

直流负载线

E C CE

E C CC C R R v R R V i +-

+≈

以上近似计算在满足)//(1021R R R E >β时有足够的准确性。

三、基本CE 放大器的大信号分析

·交流负载线是放大器（图3-6b ）工作时，动点（CE v ，C i ）的运动轨迹。交流负载线

经过静态工作点，且斜率为

L C R R //1

-

。

·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，这是非线性失真。非线性失真使输出信号含有输入信号所没有的新的频率分量。

·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。

四、BJT 基本组态小信号放大器指标

1．基本概念：

输入电阻i R 是从放大器输入口视入的等效交流电阻。i R 是信号源的负载，i R 表明放大器向信号源吸收信号功率。放大器在输出口对负载L R 而言，等效为一个新的信号源（这说明放大器向负载L R 输出功率0P ），该信号源的阻即输出电阻0R 。

·任何单向化放大器都可以一个通用模型来等效（图3-36）。由此模型，放大器各种增益定义如下：

端电压增益：

0V i v A v =

源电压增益：

0VS s

v A v =

，i

VS V

s i

R A A R R =

+

电流增益：

i i i i A 0=

负载开路电压增益（电压增益）：

00L V i

R v A v →∞

=

，

0L

V V L

R A A R R =

+

功率增益：

||||P V I i

P A A A P =

=

·v A 、vs A 、i A 、0v A 的分贝数为||lg 20A ；

p

A 的分贝数为P A lg 10。

·不同组态放大器增益不同，但任何正常工作的放大器，必须1>P A 。 2．CE 、CB 、CC 放大器基本指标v A ，管端输入电阻i R '，管端输出电阻0

R '。 用电流控制电流源（c b i i β=）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。

表3-1 BJT 三种基本放大器小信号指标

CE 放大器 CB 放大器 CC 放大器

简

化交流通路

A V

be L

r R '-

β（大，反相）

L m R g '-

(r b ’e >>r bb ’)

be L

r R 'β（大，同相）

L m R g '

(r b ’e >>r bb ’) ()()L be L

R r R '++'+ββ11(<1，同相)

L e L

R r R '+'

(r b ’e >>r bb ’)

i R '

r be (中)

(1+β)r e (r b ’e >>r bb ’)

β+1be

r (小)

r e (r b ’e >>r bb ’)

r be +(1+β)L R '

(大) (1+β)(r e +L R '

) (r b ’e >>r bb ’) o R '

0.5r ce —r ce (大，与信号源阻

有关)

r ce —0.5r b ’c

(很大，与信号源阻有关)

β+'+1S

be R r (小，与R S 有关),

(B S S

R R R //=') 应

用

功率增益最大(3.3.4节)，

R i ﹑R o 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。 R i 大而R o 小，可作高阻抗输入级和低阻抗输出级，隔离级和功率输出级。

五、多级放大电路

1．基本概念