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

·单质半导体材料就是具有4价共价键晶体结构的硅(Si)与锗(Ge)(图1-2)。前者就是制造半导体IC的材料(三五价化合物砷化镓GaAs就是微波毫米波半导体器件与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,本征半导体内的最重要的物理现象就是本征激发(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——自由电子与空穴对。温度越高,本征激发越强。

+载流子。空穴导电的本质就是价电子依次填补本·空穴就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)。

征晶格中的空位,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,使一对自由电子与空穴消失的现象称为载流子复合。复合就是产生的相反过程,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,产生自由电子与杂质正离子对(空穴与杂质负离子对)。

·由于杂质电离,使N型半导体中的多子就是自由电子,少子就是空穴,而P型半导体中的多子就是空穴,少子就是自由电子。

·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;两少子浓度就是温度的敏感函数。

·在相同掺杂与常温下,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型与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结就是非中性区(称空间电荷区),存在由N区指向P区的内建电场与内建电压;PN结内载流子数远少于结外的中性区(称耗尽层);PN结内的电场就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与电流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)与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

·普通二极管内芯片就就是一个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 管与Ge 管导通电压典型值分别就是0、7V 与0、3V;反偏时截止,但Ge 管的反向饱与电流比Si 管大得多(图1-15)。

·低频运用时,二极管就是一个非线性电阻,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就是一种开关模型,有理想开关、恒压源模型与折线模型三种近似(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”与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,其原因就是管内的PN 结存在电容效应(结电容)。

·结电容分为PN 结内的势垒电容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,其等效电路主要就是一个势垒电容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 管与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 关系就

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与基区很薄、发射区较基区高掺杂的内部条件下,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 就是由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 就是集电结反向饱与电流,(1)CEO CBO I I β=+就是穿透电流。

·放大偏置时,在一定电流范围内,E i 、C i 、B i 基本就是线性关系,而BE v 对三个电流都就是指数非线性关系。

·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。影响的规律就是;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 为饱与状态。

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就是画出器件在某一种双口组态时输入口与输出口的伏安特性曲线族。BJT 常用CE 伏安特性曲线,其画法就是:

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、饱与区、截止区与击穿区)放大区近似的等间隔平行线,反映β近似为常数,放大区曲线向上倾就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 增加与输入特性曲线左移。

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?→?=?与

0lim

C

B

Q

i i β?→?=?,α、β也满足

1α

βα=

-。

·极间反向电流:集电结反向饱与与电流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 就是当高频β&的模等于1时的频率。

四、BJT 小信号模型

·无论就是共射组态或共基组态,其放大电压信号的物理过程都就是输入信号使正偏

发射结电压变化,经放大偏置BJT 内部的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 的电压放大才就是工程意义上的线性放大。

·BJT 混合π小信号模型就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 模型就是低频简化模型 (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 串联源内阻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,或即就是交流短路的。傍路电容也就是对交流电流短路的电容。

·画交流通路时应将恒压源短路(Θ无交流电压),恒流源开路(Θ无交流电流);耦合、傍路电容短路(Θ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,稳定工作点的原理就是电流取样电压求与直流负反馈(§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

·交流负载线就是放大器(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,这就是非线性失真。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 进入饱与区产生饱与失真;使BJT 进入截止区,产生截止失真。NPN 管CE 放大器的削顶失真就是截止失真;削底失真就是饱与失真。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 就是从放大器输入口视入的等效交流电阻。i R 就是信号源的负载,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 ),该信号源的内阻即输出电阻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(内电压增益):

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,与信号源内

阻有关) r ce —0、5r b ’c

(很大,与信号源内阻有关)

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 与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

输入级与低阻抗输出级,隔离级与功率输出级。

五、多级放大电路

1.基本概念

·多级放大器的级间耦合方式主要有电容耦合(阻容耦合)(图3-39)、变压器耦合(图3-41)

与直接耦合(图3-42、3-43)三种方式。

·对于直接耦合放大器,其工作频率的下限可以为零(称为直流放大器),但输出易发生所谓“零点漂移”(输出端静态电压缓慢变化),形成假信号。零点漂移的主要原因就是前级工作点随温度变化,这种变化因级间直接耦合被逐级放大。在输出端出现可观的漂移电压。

·直流放大器由于输入输出不能使用隔直耦合电容,希望在无输入信号时,输入端口与输出端口的静态直流电压为零。满足这种条件的直流放大器称为满足零输入、零输出条件。只有用正负双电源供电的直流放大器才能实现零输入与零输出。

·由于供电电压源存在内阻,使各级放大器发生“共电耦合”,这种共电耦合可能导致放大器指标变坏甚至自激。放大器中的电源去耦电路就就是为了减小与消除共电耦合(图3-39、3-40)。

2.多级放大器指标计算

·后级放大器的输入电阻就是前级放大器的负载,在计算前级放大器的增益时,一定要把这个输入电阻计为负载来计算增益。

·第一级放大器的输入电阻即多级放大器的输入电阻;末级放大器的输出电阻即多级放大器的输出电阻。

·计算多级放大器电压增益的一般方法就是求出各级增益,再将其相乘。对BJT 多级基本放大器的一种有效的计算增益的方法就是“观察法”,应该掌握。

BJT 两种重要的组合放大电路就是共射—共基与共集—共基组态,其实用电路之一分别就是图3-45(CE-CB)与图3-47(CC-CB),应能画出并计算这两个电路的指标。

第四章 场效应管(FET)及基本放大电路

一、场效应管(FET)原理

·FET 分别为JFET 与MOSFET 两大类。每类都有两种沟道类型,而MOSFET 又分为增强型与耗尽型(JFET 属耗尽型),故共有6种类型FET(图4-1)。

·JFET 与MOSFET 内部结构有较大差别,但内部的沟道电流都就是多子漂移电流。一般情况下,该电流与GS v 、DS v 都有关。

·沟道未夹断时,FET 的D-S 口等效为一个压控电阻(GS v 控制电阻的大小),沟道全夹断时,沟道电流D i 为零;沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断,此时D i 主要受控于GS v ,而DS v 影响较小。这就就是FET 放大偏置状态;部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。

·在预夹断点,GS v 与DS v 满足预夹断方程:

耗尽型FET 的预夹断方程:P GS DS V v v -=(P V ——夹断电压) 增强型FET 的预夹断方程:T GS DS V v v -=(T V ——开启电压)

·各种类型的FET,偏置在放大区(沟道部分夹断)的条件由表4-4总结。

表4-4 FET 放大偏置时GS v 与DS v 应满足的关系

极 性

放大区条件 V DS

N 沟道管:正极性(V DS >0) V DS >V GS －V P (或V T )>0 P 沟道管:负极性(V DS <0) V DS

结型管: 反极性 增强型MOS 管:同极性 耗尽型MOS 管:双极型

N 沟道管:V GS >V P (或V T ) P 沟道管:V GS

·偏置在放大区的FET,GS v ~D i 满足平方律关系:

耗尽型:

2

)

1(P GS DSS D V v I i -

=(DSS I ——零偏饱与漏电流)

增强型:2

)(T GS D V v k i -=*

· FET 输出特性曲线反映关系

参变量

GS V

DS D v f i )(=,该曲线将伏安平面分为可变电阻区

(沟道未夹断),放大区(沟道部分夹断)与截止区(沟道全夹断);FET 转移特性曲线反映在放大区的关系)(GS D v f i =(此时参变量DS V 影响很小),图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的6种FET 的转移特性曲线,这组曲线对表4-4就是一个很好映证。

二、FET 放大偏置电路

·源极自给偏压电路(图4-18)。该电路仅适用于耗尽型FET 。有一定稳Q 的能力,求解该电路工作点的方法就是解方程组:

22() [FET ()]GS D DSS

d GS T P GS

S D v i I v i k v V V v R i

?

=-=-??

?=-?对于增强型,用关系式

·混合偏压电路(图4-20)。该电路能用于任何FET,在兼顾较大的工作电流时,稳Q 的效

果更好。求解该电路工作点的方法就是解方程组:

??

?

??-+=D

s CC GS i R R R R V v 212平方律关系式

以上两个偏置电路都不可能使FET 全夹断,故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。

三、FET 小信号参数及模型

·迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型(图4-22低频模型,

图4-23高频模型)。

·小信号模型中的跨导

Q GS

D m v i g ??=

m g 反映信号gs v 对信号电流d i 的控制。m g 等于FET 转移特性曲线上Q 点的斜率。

m g 的估算:耗尽管

D

DSS P m I I V g ||2

=

增强管D m kI g 2=

·小信号模型中的漏极内阻

Ds

ds D

Q

v r i ?=

?

ds r 就是FET “沟道长度调效应”的反映,ds r 等于FET 输出特性曲线Q 点处的斜率的倒

数。

四、基本组态FET 小信号放大器指标

1.基本知识

·FET 有共源(CS)共漏(CD)与共栅(CG)三组放大组态。

·CS 与CD 组态从栅极输入信号,其输入电阻i R 由外电路偏置电阻决定,i R 可以很大。 ·CS 放大器在其工作点电流与负载电阻与一个CE 放大器相同时,因其m g 较小,||V A 可能较小,但其功率增益仍可能很大。

·CD 组态又称源极输出器,其1V A <。在三种FET 组态中,CD 组态输入电阻很大,而输出电阻较小,因此带能力较强。

·由于FET 的电压电流为平方关系,其非线性程度较BJT 的指数关系弱。因此,FET 放大器的小信号线性条件对GS v 幅度限制会远大于BJT 线性放大时对be v 的限制(be v <5mV)。

2.CS 、CD 与CG 组态小信号指标 由表4-6归纳总结。

表4-6 FET 基本组态放大器小结

CS 组态 CD 组态 CG 组态

简 化 交 流 通 路

A

V

L ds m R r g '-//

大,反相放大器

L ds m L

ds m R r g R r g '+'//1//

小于1,同相放大器

L m R g '≈( 条

件:L ds R r '

??) 大,同相放大器

i R '

∞,很大

∞,很大

m L

m ds

L g R g r R 11≈

'++',较