工艺技术_电子技术模拟部分

电子技术模拟部分 前进 点击进入有关部分 电子技术 绪论 返回 前进 I 电子技术发展史 电子技术的出现和应用 使人类进入了高新技术时代 电子技术诞生的历史虽短 但深入的领域却是最深最广 它不仅是现代化社会的重要标志 而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础 电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的 随着新型电子材料的发现 电子器件发生了深刻变革 自1906年第一支电子器件发明以来 世界电子技术经历了电子管 晶体管和集成电路等重要发展阶段 返回 前进 I 电子技术发展史 电子技术的出现和应用 使人类进入了高新技术时代 电子技术诞生的历史虽短 但深入的领域却是最深最广 它不仅是现代化社会的重要标志 而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础 电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的 随着新型电子材料的发现 电子器件发生了深刻变革 1906年第一支电子器件发明以来 世界电子技术经历了电子管 晶体管和集成电路等重要发展阶段 1 原始通信方式 人力 烽火台等 2 横木通信机 1791年 法 C Chappe 3 有线电报 1837年 美 S B Morse 4 有线电话 1875年 苏 A G Bell 5 无线电收发报机 1895年 意 G Marconi 通信业务蓬勃发展 电子器件产生之后 一 通信技术的发展 电子器件是按照 电子管 晶体管 集成电路 的顺序 逐步发展起来的 二 电子器件的产生 1 真空电子管的发明 真空二极管 1904年 美 Fleming 真空三极管 1906年 美 LeedeForest 2 晶体管的产生 晶体管Transistor 1947 美 Shockley Bardeen Brattain 集成电路IC integratecircuit 1959 美 Kilby Noyis 二 电子器件的产生 3 集成电路的出现 集成电路的出现 标志着人类进入了微电子时代 自电子器件出现至今 电子技术已经应用到了社会的各个领域 II 电子技术的应用 返回 前进 II 电子技术的应用 1875年 苏 1906年 美 1925年 美 英 1946年 美 1923年 瑞 1902年 美 1901年 美 1934年 俄 1983年 美 1961年 美 III 课程安排 一 内容划分 返回 前进 二 时间安排 学习时间 1学年 上半年 模拟部分 下半年 数字部分 三 学习注意事项 课程特点 电路图多 内容分散 误差较大 计算简单 实用性强 学习方法 掌握电路的构成原则 记住几个典型电路 及时总结及练习 掌握近似原则 与实验有机结合 第一编模拟部分 返回 前进 第一章半导体器件 半导体材料 由半导体构成的PN结 二极管结构特性 三极管结构特性及场效应管结构特性 本章主要内容 返回 前进 1 1半导体 Semiconductor 导电特性 根据导电性质把物质分为导体 绝缘体 半导体三大类 而半导体又分为本征半导体 杂质 掺杂 半导体两种 1 1 1本征半导体 纯净的 不含杂质的半导体 常用的半导体材料有两种 硅 Si 锗 Ge 硅Si 锗Ge 的原子结构如下 这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构 但在外界激励下 产生电子 空穴对 本征激发 呈现导体的性质 这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电 呈现绝缘体性质 但在外界激励下 产生电子 空穴对 本征激发 呈现导体的性质 这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电 呈现绝缘体性质 在外界激励下 产生电子 空穴对 本征激发 空穴也可移动 邻近电子的依次填充 在外界激励下 产生电子 空穴对 本征激发 空穴也可移动 邻近电子的依次填充 在外界激励下 产生电子 空穴对 本征激发 空穴也可移动 邻近电子的依次填充 半导体内部存在两种载流子 可导电的自由电荷 电子 负电荷 空穴 正电荷 在本征半导体中 本征激发产生了电子 空穴对 同时存在电子 空穴对的复合 电子浓度 空穴浓度ni pi 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的其他特定元素 称为杂质 而形成的半导体 根据掺入杂质的不同 杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体 常用的杂质材料有5价元素磷P和3价元素硼B N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴 电子属于多数载流子 简称多子 空穴属于少数载流子 简称少子 n pN型半导体主要靠电子导电 一 N型半导体 电子型半导体 掺如非金属杂质磷P的半导体 每掺入一个磷原子就相当于向半导体内部注入一个自由电子 P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子 空穴属于多数载流子 简称多子 电子属于少数载流子 简称少子 p nP型半导体主要靠空穴导电 二 P型半导体 空穴型半导体 掺如非金属杂质硼B的半导体 每掺入一个硼原子就相当于向半导体内部注入一个空穴 杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定 总体是电中性的 通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子 杂质半导体的简化表示法 1 2半导体二极管 Diode 二极管的主要结构是PN结 1 2 1PN结 PNJunction 将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在一起 其结合部就叫PN结 该区域具有特殊性质 一 PN结的形成 多子扩散 在PN结合部形成内电场EI 内电场阻碍多子扩散 利于少子漂移 当扩散与漂移相对平衡 形成PN结 PN结别名 耗尽层 势垒区 电位壁垒 阻挡层 内电场 空间电荷区等 二 PN结性质 单向导电性 1 正向导通PN结外加正向电压 正向偏置 P接 N接 形成较大正向电流 正向电阻较小 如3mA 2 反向截止PN结外加反向电压 反向偏置 P接 N接 形成较小反向电流 反向电阻较大 如10 A 二 PN结性质 单向导电性 当电压超过某个值 约零点几伏 全部少子参与导电 形成 反向饱和电流IS 反偏电压最高可达几千伏 1 2 2二极管 用外壳将PN结封闭 引出2根极线 就构成了二极管 一 二极管伏安特性 正向电流较大 正向电阻较小 反向电流较小 反向电阻较大 门限电压 死区电压 V Si管约为0 5V Ge管约为0 1V 反向击穿电压VBR 可高达几千伏 二极管电压电流方程 二 二极管主要参数 1 最大整流电流IF 2 最高反向工作电压UR 3 反向电流IR 4 最高工作频率fM 由三块半导体构成 分为NPN型和PNP型两种 三极管含有3极 2结 3区 其中发射区高掺杂 基区较薄且低掺杂 集电区一般掺杂 1 3三极管 Transistor 1 3 1三极管结构及符号 1 3三极管 Transistor 1 3 2三极管的三种接法 三种组态 三极管在放大电路中有三种接法 共发射极 共基极 共集电极 1 3三极管 Transistor 1 3 3三极管内部载流子传输 下面以共发射极NPN管为例分析三极管内部载流子的运动规律 从而得到三极管的放大作用 为保证三极管具有放大作用 直流能量转换为交流能量 三极管电路中必须要有直流电源 并且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏 集电结反偏 1 3 3三极管内部载流子传输 一 发射区向基区发射载流子 电子 1 3 3三极管内部载流子传输 一 发射区向基区发射载流子 电子 二 电子在基区的疏运输运和复合 1 3 3三极管内部载流子传输 一 发射区向基区发射载流子 电子 二 电子在基区的疏运输运和复合 三 集电区收集电子 1 3 4三极管各极电流关系 一 各极电流关系 IE IEN IBN IEN IB IBN ICBO IC ICN ICBO IE IC IB 二 电流控制作用 ICN IBN IC IB IC IB 1 ICBO IB ICEO IC ICN IEN IC IE IC IE ICBO IE 1 3 5共射NPN三极管伏安特性曲线 一 输入特性曲线 IB f UBE UCE 实际测试时如下进行 IB f UBE UCE UCE 5V的特性曲线基本重合为一条 手册可给出该条曲线 1 3 5共射NPN三极管伏安特性曲线 二 输出特性曲线 IC f IB UCE 实际测试时如此进行 IC f UCE IB 1 3 5共射NPN三极管伏安特性曲线 二 输出特性曲线 IC f IB UCE 实际测试时如下进行 IC f UCE IB 发射结正偏 集电结反偏时 三极管工作在放大区 处于放大状态 有放大作用 IC IB ICEO 两结均反偏时 三极管工作在截至区 处于截止状态 无放大作用 IE IC ICEO 0 发射结正偏 集电结正偏时 三极管工作在饱和区 处于饱和状态 无放大作用 IE IC 较大 1 3 6三极管主要参数 一 电流放大系数 1 共发射极电流放大系数直流 IC IB交流 IC IB均用 表示 2 共基极电流放大系数直流 IC IE交流 IC IE均用 表示 二 反向饱和电流 1 集电极 基极间反向饱和电流ICBO 2 集电极 发射极间穿透电流ICEO ICEO 1 ICBO 1 1 1 3 6三极管主要参数 一 电流放大系数 IC IB IC IE 1 1 二 反向饱和电流 ICBOICEOICEO 1 ICBO 三 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功耗PCM 3 反向击穿电压U BR CEO U BR CBO 三极管的安全工作区 1 4场效应管 FieldEffectTransistor 场效应管是单极性管子 其输入PN结处于反偏或绝缘状态 具有很高的输入电阻 这一点与三极管相反 同时 还具有噪声低 热稳定性好 抗辐射性强 便于集成等优点 场效应管是电压控制器件 既利用栅源电压控制漏极电流 iD gmuGS 这一点与三级管 电流控制器件 基极电流控制集电极电流 iC iB 不同 而栅极电流iD为0 因为输入电阻很大 场效应管分为两大类 结型场效应管 JFET JunctionFieldEffectTransistor 绝缘栅型场效应管 IGFET InsulatedGateFieldEffectTransistor 1 4 1结型场效应管 一 结构及符号 N沟道管靠 单一载流子 电子导电 P沟道管靠 单一载流子 空穴导电 场效应管的栅极G 源极S和漏极D与三级管的基极b 发射极e和集电极c相对应 1 4 1结型场效应管 二 工作原理 栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用 以N沟道管为例 漏源之间的PN结必须反偏 N沟道结型场效应管加上反偏的栅源电压UGS UGS 0 在漏源之间加上漏源电压UDS UDS 0 便形成漏极电流ID 而且UGS可控制ID 1 4 1结型场效应管 二 工作原理 栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用 1 当VGS 0时 沟道最宽 沟道电阻最小 加上VDS可形成最大的ID 2 当VGS 0时 沟道逐渐变窄 沟道电阻逐渐变大 ID逐渐减小 3 当VGS VP 夹断电压 时 沟道夹断 沟道电阻为无限大 ID 0 所以 栅源电压VGS对漏极电流ID有控制作用 1 4 1结型场效应管 三 JFET特性曲线 VGS 0时 随着VDS的增大 沟道变化情况如下 加上VGS 沟道会进一步变窄 1 4 2结型场效应管 三 JFET特性曲线 1 转移特性曲线 ID f UGS UDS 1 4 1结型场效应管 三 JFET特性曲线 2 漏极特性曲线 变化VGS 得到一族特性曲线 分为可变电阻区 恒流区 击穿区三部分 JFET管处于恒流状态时 有ID gmVGS ID f UDS UGS 1 4 1结型场效应管 四 JFET管工作过程小结 N沟道JFET栅源电压VGS为负值 漏源电压VDS为正值 P沟道JFET与之相反 在栅源电压VGS控制下 漏极电流ID随栅源电压而发生变化 并且 VGS 0时 ID最大 VGS VP时 ID 0 二者之间关系为 ID gmVGS 栅源间必须反偏 1 4 2结型场效应管 三 JFET特性曲线 3 转移 输出特性关系 由输出特性曲线可得到转移特性曲线 1 4 1结型场效应管 四 JFET管工作过程小结 N沟道JFET栅源电压VGS为负值 漏源电压VDS为正值 P沟道JFET与之相反 在栅源电压VGS控制下 漏极电流ID随栅源电压而发生变化 并且 VGS 0时 ID最大 VGS VP时 ID 0 二者之间关系为 ID gmVGS 栅源间必须反偏 1 4 1绝缘栅型场效应管 这种场效应管的栅极处于绝缘状态 输入电阻更高 广泛运用的是金属 氧化物 半导体场效应管MOSFET Metal Oxide SemicondoctortypeFieldEffectTransistor 简计为MOS管 分为增强型MOS管和耗尽型MOS管两类 每类又有N沟道和P沟道两种管子 1 4 1绝缘栅型场效应管 一 结构及符号 二 增强型N沟道MOS管工作过程 1 UGS 0 无导电沟道 不能导电 2 UGS逐渐增大 形成耗尽层 3 UGS UT 形成反型层 N沟道 4 加上UDS 导电沟道不均匀 5 UGS UDS UT 沟道预夹断 6 UDS继续增大 沟道夹断 使ID基本不变 三 增强型N沟道MOS管特性曲线 转移特性近似表示为ID IDO UGS UT 1 2 其中IDO为UGS 2UT时的ID值 四 耗尽型N沟道MOS管工作过程 不加栅源电压时 在MOS管体内已存在导电沟道 而所加栅源电压可以控制导电沟道的宽窄 从而控制漏极电流 且当UGS 0时 导电沟道更宽 电流UD变大 UGS 0时 导电沟道保持原有宽度 电流ID适中 当VGS 0时 导电沟道变窄 电流ID变小 当UGS小到夹断电压UP时 沟道全部夹断 使得ID 0 四 耗尽型N沟道MOS管特性曲线 各类场效应管偏置电压极性 五 场效应管的主要参数 1 直流参数 1 饱和漏极电流IDSS 2 夹断电压UP 3 开启电压UT 2 交流参数 1 低频跨导gm其中gm ID ID UDS 2 极间电容CGSCGDCDS 3 极限参数 1 漏源击穿电压V BR DS 2 栅源击穿电压V BR GS 3 最大漏极电流IDM 4 最大漏极耗散功率PDM 第二章基本放大电路 放大器构成及主要技术指标 放大器分析方法 三种组态放大器 场效应管放大器 多级放大器 本章主要内容 前进 返回 2 1放大的概念 1 信号 电流或电压 信号放大时 放大的是信号的幅度 信号的频率不变 信号放大主要是利用三极管基极电流对集电极电流的控制作用 IC Ib 或场效应管栅极电压对漏极电流的控制作用 Id gmUgs 2 放大的概念 2 2 1原理电路 主要元件 处于放大状态的三极管 2 2单管共发射极放大电路 为保证三极管的偏置 要加上直流电源 为限流 应加上降压电阻 为放大信号 加上信号源及输出端 2 2 1原理电路 主要元件 处于放大状态的三极管 2 2单管共发射极放大电路 为保证三极管的偏置 要加上直流电源 为限流 应加上降压电阻 为放大信号 加上信号源及输出端 2 2 2电路放大工作原理 2 2单管共发射极放大电路 考虑到uCE VCC iCRC 而VCC是固定不便的 则变化量 uCE iCRC ui uBE iB uO iC iB uCE 2 2 3实际放大器 2 2单管共发射极放大电路 首先改成单电源供电 再加上隔直电容 共射放大器 共射放大器 习惯画成 2 2 4放大器构成原则 2 2单管共发射极放大电路 1 保证三极管发射结正偏 集电结反偏 如右图所示 2 欲放大信号能进入三极管中 3 所放大信号能传输到负载上 电路举例 2 2单管共发射极放大电路 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 1 放大倍数 增益 Au Ai 3 非线性失真系数D 2 最大输出信号幅度Uom Iom 4 输入电阻Ri 5 输出电阻Ro 6 通频带BW 7 最大输出功率Pom及转换效率 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 1 放大倍数 增益 Au Ai Au Uo Ui Ai Io Ii Aus Uo Us 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 最大不失真输出信号幅值 2 最大输出信号幅度Uom Iom 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 3 非线性失真系数D 输出信号uo u1 u2 u3 其中 u1是基波 u2 u3 是谐波 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 4 输入电阻Ri Ri Ui Ii 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 5 输入电阻Ro 实际测量时Ro U o Uo 1 RL 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 6 通频带BW BW fH fL 对于放大器 除分析静态量 直流量 还要分析如下动态量 交流量 2 3放大电路主要技术指标 Pom PV 7 最大输出功率Pom及转换效率 附 电路中有关符号规定 直流量 大写字母 大写脚码如IB UCE 交流瞬时量 小写字母 小写脚码如ib uce 交流有效量 大写字母 小写脚码如Ib Ucce 交直流总量 小写字母 大写脚码如iB uCE 放大器分析有静态分析和动态分析 其中动态分析最常用的方法有图解法 大信号 和等效电路法 小信号 2 4放大电路基本分析方法 一 直流等效电路 直流通路 2 4 1放大器直流通路与交流通路 直流信号所通过的线路 用于分析支流量 直流通路作法 断开隔直电容 一 直流等效电路 直流通路 2 4 1放大器直流通路与交流通路 交流信号所通过的线路 用于分析交流量 交流通路作法 短路隔直电容和直流电源 2 4放大电路基本分析方法 二 交流等效电路 交流通路 在放大电路或其直流通路中 计算IB UBE IC UCE 其中 UBE 0 7V Si管 或0 2V Ge管 当作已知量 2 4 2静态工作点的估算 2 4放大电路基本分析方法 IB Vcc UBE RB Vcc RB IC IB UCE Vcc ICRC 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 先利用估算法计算出IB 在输入特性曲线上作静态工作点Q 再在输出特性曲线上作出直流负载线uCE VCC iCRC 其与IB的交点及静态工作点Q 直流负载线的斜率为 1 RC 一 静态分析 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 先利用估算法计算出IB 在输入特性曲线上作静态工作点Q 再在输出特性曲线上作出直流负载线uCE VCC iCRC 其与IB的交点及静态工作点Q 直流负载线的斜率为 1 RC 一 静态分析 作出交流负载线 斜率为交流负载 1 RL 过静态工作点Q 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 二 动态分析 作出交流负载线 斜率为交流负载 1 RL 过静态工作点Q 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 二 动态分析 然后根据已知的输入信号 如ui 0 05sin t V 分别在输入特性 输出特性上的静态工作点附近得出动态范围 作出交流负载线 斜率为交流负载 1 RL 过静态工作点Q 然后根据已知的输入信号 如ui 0 05sin t V 分别在输入特性 输出特性上的静态工作点附近得出动态范围 根据动态范围作出输入输出波形 求出Au Ai 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 二 动态分析 进而 作出交流负载线 斜率为交流负载 1 RL 过静态工作点Q 然后根据已知的输入信号 如ui 0 05sin t V 分别在输入特性 输出特性上的静态工作点附近得出动态范围 进而根据动态范围作出输入输出波形 求出Au Ai 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 二 动态分析 1 估算IB 并在输入特性曲线上标出Q点 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 图解法步骤小结 2 在输出特性曲线上作直流负载线 并标出Q点 3 在输出特性曲线上作交流负载线 斜率为 1 RL 过Q点 4 根据已知条件在输入特性曲线上以静态工作点为中心确定输入电流动态范围 输入信号摆动范围 作输入信号波形 根据输入电流摆动范围 找出交流负载线与输出特性曲线的两个交点 此为输出动态范围 输出信号摆动范围 作输出信号波形 5 计算Au Ai 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 1 分析非线性失真 设ii 20sin t uA 1 静态工作点过低 出现截止失真 解决办法 提高Q点 可减小RB 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 1 分析非线性失真 设ii 20sin t uA 2 静态工作点过高 出现饱和失真 解决办法 降低Q点 可增大RB 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 1 分析非线性失真 设ii 65sin t uA 3 输入信号过大 出现饱和 截止失真 解决办法 减小输入信号 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 2 分析放大最大不失真输出信号 1 静态工作点较高 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 2 分析放大最大不失真输出信号 2 静态工作点较低 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 2 分析放大器最大不失真输出信号 静态工作点在位于放大区中央最佳 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 3 分析电路参数对静态工作点的影响 1 RB的影响 直流负载线不变 RB变大时IB减小 Q点下移 易出现截止失真 RB变小时IB减小 Q点上移 易出现饱和失真 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 3 分析电路参数对静态工作点的影响 2 RC的影响 直流负载线与横轴交点不变 但与纵轴交点变化 RC变大交点下移 易出现饱和失真 RC变小时交点上移 易超出安全区 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 3 分析电路参数对静态工作点的影响 3 VCC的影响 直流负载线平行移动 VCC变大时直流负载线右移 容易超出安全区 VCC变小时直流负载线左移 容易出现饱和失真 2 4 3图解法 2 4放大电路基本分析方法 三 图解法应用 3 分析电路参数对静态工作点的影响 4 的影响 直流负载线不变 IB不变 但 变大时 Q点上移 易出现饱和失真 变小时 Q点下移 易出现截止失真 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 一 共射三极管的等效电路 1 三极管的h参数表达式 BE f iB CE iC g iB CE be hre ib hre ceic hfe ib hoe ce 求全微分并变换 简化形式 有效值形式 Ube hreIbIc hfeIb 又表示为 Ic IbUbe rbeIb 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 一 共射三极管的等效电路 2 三极管h参数等效电路 由Ube Ib Ic rbeIb得简化h参数等效电路 其中 rbe rbb 1 26 IE mA 而rbb 一般取300 或由题意给出 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 二 放大器微变等效电路 在放大器交流通路中 将三极管用简化h参数等效电路替代 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 三 利用等效电路法分析放大器 先得出放大器的微变等效电路 计算电压放大倍数Au Ui IbrbeUo IbRL Au Uo Ui RL rbe 计算电流放大倍数Ai Ii IbIo Ib Ai Io Ii 计算输入电阻Ri Ri rbe RB rbe 计算输出电阻Ro Ro RC 1 估算静态工作点 微变等效电路法步骤小结 2 估算rbe 3 作放大器的交流通路 4 用h参数等效电路替代三极管 得到放大器微变等效电路 5 解有关动态量 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 四 射极偏置放大器计算 先得出放大器的微变等效电路 计算电压放大倍数Au Ui Ibrbe 1 IbREUo IbRL Au Uo Ui RL rbe 1 RE 计算电流放大倍数Ai Ii IbIo Ib Ai Io Ii 计算输入电阻Ri Ri Ui Ii rbe 1 RE RB 计算输出电阻Ro Ro RC 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 四 射极偏置放大器计算 在该电路中 若发射极接有隔直电容Ce 则分析结果与无RE放大器结果相同 Au RL rbe Ai Ri rbe Ro RC 2 4 4微变等效电路法 2 4放大电路基本分析方法 射极偏置放大器有无射极旁路电容性能比较 Au RL rbe Ai Ri rbe Ro RC Au RL rbe 1 RE 变小 Ai 不变 Ri rbe 1 RE RB 变大 Ro RC 不变 2 5 1温度对放大器性能的影响 2 5工作点稳定问题 温度变化时 放大器静态工作点不稳定 影响放大器的性能 严重时出现失真 构成电路时必须做到 IR IB 一般 IR 5 10 IB 2 5 2工作点稳定电路 一 电路构成 二 静态工作点的稳定 T IC IE UE UBE IB IC 2 5工作点稳定问题 UB RB1VCC RB1 RB2 UE UB UBE 2 5 2工作点稳定电路 三 静态分析 IC IE UE RE IB IC UCE VCC IC RC RE 2 5工作点稳定问题 2 5 2工作点稳定电路 四 动态分析 Au RL rbe Ai Ri rbe RB rbe RB RB1 RB2 Ro RC 若不带旁路电容CE Au RL rbe 1 RE Ai Ri rbe 1 RE RB Ro RC 2 6放大器三种基本组态 放大器有共发射极 共基极 共集电极三种基本组态 三种组态三极管h参数等效电路如下 2 6放大器三种基本组态 2 6 1共集电极放大电路 一 静态分析 静态工作点 由IBRB VBE 1 IBRE VCC 得IB VCC VBE RB 1 RE IC IB UCE VCC 1 IBRE 射极输出器 2 6放大器三种基本组态 2 6 1共集电极放大电路 二 动态分析 2 6放大器三种基本组态 2 6 1共集电极放大电路 二 动态分析 RB较大 可忽略 1 电流放大倍数Ai Ii IbIO 1 Ib Ai IO Ii 1 2 电压放大倍数Au Ui Ibrbe 1 IbRL UO 1 IbRL Au UO Ui rbe 1 RL 1 RL 1 但AV 1 Rs Rs RB 2 6放大器三种基本组态 2 6 1共集电极放大电路 二 动态分析 3 输入电阻Ri Ii IbUi Ibrbe 1 IbRL Ri Vi Ii rbe 1 RL 较大 4 输出电阻Ro 去掉RL 短路Us 暂不考虑RE UO rbe Rs IbIO 1 Ib Ro VO Io rbe Rs 1 较小 考虑到Ro与RE要并联 输出电阻更小 2 6放大器三种基本组态 2 6 1共集电极放大电路 射极输出器 三 射极输出器特点 1 电压放大倍数约等于1 1 2 输入电阻较大 3 输出电阻较小 射极输出器多用于放大器前后级之间的阻抗变换 在多级放大器中 常将其用于输入级和输出级 2 6放大器三种基本组态 2 6 2共基极放大电路 一 静态分析 静态工作点 UB RB1VCC RB1 RB2 UE UB UBE IC IE UE RE IB IC UCE VCC IC RC RE 共基极放大器h参数等效电路 2 6放大器三种基本组态 2 6 2共基极放大电路 二 动态分析 共基极放大器 共基极放大器交流通路1 共基极放大器交流通路2 2 6放大器三种基本组态 2 6 2共基极放大电路 二 动态分析 1 电流放大倍数Ai Ii Ie 1 IbIO Ic Ib Ai IO Ii 1 2 电压放大倍数Au Ui Ibrbe UO IbRL Au UO Ui RL rbe 2 6放大器三种基本组态 2 6 2共基极放大电路 二 动态分析 3 输入电阻Ri Ii 1 IbUi Ibrbe Ri Ui Ii rbe 1 较小 4 输出电阻Ro Ro Rc 2 6 3三种组态放大器性能比较 Ai Au Ri Ro 频率响应 大 1 大 小 RL rbe大 1小 RL rbe大 rbe中 rbe 1 RL 大 rbe 1 小 Rc中 rbe Rs 1 小 Rc中 较差 较好 好 场效应管具有输入电阻高的特点 是电压控制器件 即用栅源电压uGS控制漏极电流iD 2 7场效应管放大电路 一 静态分析 Ui 0 2 7 1共源放大电路 G极绝缘IG 0 1 估算法 UGS VGG ID IDO UGS UT 1 2 UDS VDD IDRD 一 静态分析 Ui 0 直流负载线 2 图解法 UDS VDD IDRD 直流负载线和UGS负载线的交点即为Q点 2 7 1共源放大电路 二 动态分析 等效电路法 1 共源场效应管微变等效电路 利用全微分求得Ig Id 2 7 1共源放大电路 Ig 0Id gm Ugs Uds rDS 其中 二 动态分析 等效电路法 1 共源场效应管微变等效电路 2 7 1共源放大电路 IG 0ID gm Ugs Uds rDS rDS较大 几百k 以上 可忽略 二 动态分析 等效电路法 2 微变等效电路分析场效应管放大器 2 7 1共源放大电路 首先得出交流通路 直流电源短路 二 动态分析 等效电路法 2 微变等效电路分析场效应管放大器 2 7 1共源放大电路 首先得出交流通路 直流电源短路 再得出放大器微变等效电路 二 动态分析 等效电路法 2 微变等效电路分析场效应管放大器 2 7 1共源放大电路 首先得出交流通路 直流电源短路 再得出放大器微变等效电路 求解动态量 Ui Ugs UO IdRD gmUgsRD Au UO UiRD gmRD Ro RD 一 静态分析 2 7 2自偏压放大电路 1 估算法 UGS R1VDD R1 R2 IDRS 再有 ID IDO UGS UT 1 2 RG上电流为零 联立便得到ID和UGS 而UDS VDD ID RD RS UGS UDS 一 静态分析 先由uGS R1VDD R1 R2 iDRS在转移特性上作直流负载线 得到Q点 从而得出ID UGS 2 图解法 再由uDS VDD iD RD RS 在输出特性上作直流负载线 得到Q点 从而得出ID UDS ID UGS ID UDS 二 动态分析 等效电路法 2 7 2自偏压放大电路 首先得出交流通路 直流电源短路 二 动态分析 等效电路法 2 7 2自偏压放大电路 首先得出交流通路 直流电源短路 再得出放大器微变等效电路 二 动态分析 等效电路法 2 7 2自偏压放大电路 首先得出交流通路 直流电源短路 再得出放大器微变等效电路 求解动态量 Ui Ugs UO IdRL gmUgsRL Au UO UiRD gmRL Ri RG R1 R2 Ro RD 2 8多级放大电路 一 阻容偶合 2 8 1多级间偶合方式 2 8多级放大电路 二 变压器偶合 2 8 1多级间偶合方式 2 8多级放大电路 三 直接偶合 2 8 1多级间偶合方式 四 直接偶合放大器中的两个问题 2 8 1多级间偶合方式 1 级间电平配置问题 采用如下几种方式来改进电路 前后级直接连接 静态工作点互相影响 如第二级的UBE 0 7V 则第一级的UCE 0 7V 致使第一级三极管饱和 整个电路不能正常放大 四 直接偶合放大器中的两个问题 2 8 1多级间偶合方式 解决级间电平配置问题的方法 1 后级射极偏置提高UBE2 UCE1 2 采用PNP NPN管匹配使用 3 前后级间接入稳压管 提高前级UCE 四 直接偶合放大器中的两个问题 2 8 1多级间偶合方式 2 零点漂移问题 三极管受温度 光照等因素影响 静态工作点发生变化 使得输入为零时 仍有缓慢变化 接近直流 输出信号存在 称为零点漂移现象 零漂信号较小且频率较低 故对单级放大器 多级阻容偶合放大器和变压器偶合放大器的影响很小 不必考虑 但在多级直接耦合放大器中 该零漂信号会诸级传输并放大 最终有较大零漂信号输出 干扰了有效信号 必须加以抑制 四 直接偶合放大器中的两个问题 2 8 1多级间偶合方式 抑制零点漂移的方法 1 引入直流负反馈稳定静态工作点 减小零点漂移 2 采用温控元件进行温度补偿 抑制零点漂移 3 采用差动放大器 抵消零点漂移信号 一 多级电压放大倍数 2 8 2多级放大器动态量求解 多级放大器前级的输出即是后一级的输入Au Au1 Au2 Aun 二 多级输入电阻 多级放大器的输入电阻即是第一级的输入电阻Ri Ri1 三 多级输出电阻 多级放大器的输出电阻即是最后一级的输出电阻RO R0n 四 多级通频带 多级通频带比任一单级通频带都窄BW BWi 多级放大器前后级关系 后级相当于前级的负载 后级的输入电阻Ri 1是前级的负载RLi 前级相当于后级的信号源 前级的输出电压UOi是后级的信号源电压USi 1 前级的输出电阻ROi是后级的信号源电阻RSi 1 多级放大器计算举例 如图所示两级放大器 三极管的 1 rbe1 2 rbe2均已知 1 估算两管的静态工作点 2 计算多级电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 解 1 静态工作点计算 两管分别计算 T1 IB1 VCC RB1 IC1 1IB1 UCE1 VCC IC1RC1 T2 IB2 VCC RB2 IC2 2IB2 UCE2 VCC IC2RC2 多级放大器计算举例 2 动态量计算 第一级 Au1 1RL1 rbe1 其中 RL1 RC1 Ri2 RC1 rbe2 Ri1 rbe1Ro1 RC1 第二级 Au2 Asu2 2RL2 Ri2 Ri2 Rs2 rbe2 其中 Rs2 RO1 RC1RL2 RC2 RL Ri2 rbe2Ro2 RC2 两级之间 Au Au1Au1 1 2RL1 RL2 rbe1 rbe2 RC1 Ri Ri1 rbe1Ro Ro2 RC2 第三章放大电路的频率特性 频率响应的一般概念 三极管混合 参数等效电路 放大器的频率特性分析 本章主要内容 返回 前进 3 1频率特性概念 1 放大器频率特性曲线 放大器的放大倍数与所放大信号的频率有关 频率较小 较大时 放大倍数均变小 且相位随之变化 只有当频率适中 中频 时放大倍数为一常量 如下式所示 频率特性曲线如下所示 下限频率fL上限频率fH通频带BW fH fL fH 2 放大器频率失真 当输入信号含有多个频率 不同频率信号放大倍数不同 可导致输出波形产生频率失真 2 波特 Bode 图 波特图即对数频率特性图 可以在较小的视野内反映较大的频率变化情况 放大器的幅频特性曲线采用波特图 横坐标是频率的对数lgf 纵坐标是电压放大倍数对数的20倍20lgAu 单位为分贝dB 而相频特性曲线纵坐标不采用对数 1 波特图 2 波特 Bode 图 Au增大10倍 相应的20lgAu增加20dB Au增大1倍 相应的20lgAu约增加6dB Au 1 相应的20lgAu 0 Au 1 相应的20lgAu 0 2 Au与20lgAu的关系 3 RC高通电路 RC高通电路波特图 1 f fL时 20lgAu 0dB 2 f fL时 20lgAu 20lg f fL 3 f fL时 20lgAu 3dB 4 RC低通电路 RC低通电路波特图 1 f fH时20lgAu 0dB 2 f fH时20lgAu 20lg f fH 3 f fH时20lgAu 3dB 波特图规律小结 1 幅频特性规律由两条直线构成 平行于横轴的直线及一条斜线 具体为 1 1 jf fL 的波特图为两条直线 斜率为20dB 十倍频直线 平行水平轴的直线 1 1 jfH f 的波特图为两条直线 平行水平轴的直线 斜率为 20dB 十倍频直线 上述二直线构成的波特图与实际幅频特性相比 最大误差为3dB 发生在fL或fH处 波特图规律小结 2 相频特性规律由三条直线构成 平行于横轴的两条直线及一条斜线 具体为 1 1 jf fL 的波特图为0 90 两条平行水平轴的直线及斜率为 45 十倍频的直线 1 1 jfH f 的波特图为0 90 两条平行水平轴的直线及斜率为45 十倍频的直线 上述三直线构成的波特图与实际相频特性相比 最大误差为5 71 发生在fL或fH处 3 2三极管频率参数 1 的波特图 三极管的 与频率有关 具体为 0 1 jf f f 为三极管 下降至0 707 0时的频率 2 几个频率参量 1 共射截止频率f 下降至0 707 0时的f值 2 特征频率fT 下降至1时的f值 3 共基截止频率f 下降至0 707 0时的f值 4 关系fT 0f f 1 0 f f fT f 3 3单级放大器频率特性 1 三级管混合 参数等效电路 三极管内部的实际体现 1 混合 参数等效电路 2 简化混合 参数等效电路 r bc rce较大 可略去 再用密勒定理变换 得到下图所示的简化混合 参数等效电路 Cb e gm 2 fT K gmRC 3 参数等效电路与h参数等效电路的对比 中低频时 电容影响忽略 简化混合 参数等效电路即化为简化h参数等效电路 rb e 1 26 IEgm rb e IE 26 2 几个频率参量 1 共射截止频率f 下降至0 707 0时的f值 2 特征频率fT 下降至1时的f值 3 共基截止频率f 下降至0 707 0时的f值 4 关系fT 0f f 1 0 f f fT f 2 阻容耦合单管放大器频率特性 放大电路如右图所示 其混合 参数等效电路如下图所示 1 中频特性 C1容抗较小看作短路 极间电容容抗较大看作开路 2 低频特性 略去C 和 K 1 Cb e K 3 高频特性 电容C1可略去 并用戴维南定理将电路等效为 4 频率特性波特图 全部频段的放大倍数课近似表示为 波特图如右所示 3 3多级放大器频率特性 多级放大倍数与各单级放大倍数关系为 这种关系决定了多级放大器通频带比每一级的通频带都窄 两级放大倍数与单级放大倍数波特图对比 第四章集成运算放大器 集成电路 差动放大器 集成运算放大器 本章主要内容 返回 前进 4 1集成电路概念 1 集成电路分类 1 按元器件集成度分为 小规模集成电路 100个元件以内 SSI中规模集成电路 100 1000个元件 MSI大规模集成电路 1000 100000个元件 LSI超大规模集成电路 100000个以上元件 VLSI 现在集成度已达到数千亿 在一小块硅片上做出许多个元件并将其联结成电路 1 集成电路分类 2 按制造工艺分为 膜集成电路 半导体集成电路和混合集成电路三种 3 按有源器件类型分为 双极性集成电路 单极性集成电路和混合型集成电路三种 4 按电路功能分为 模拟集成电路 数字集成电路 接口集成电路和特殊集成电路四种 2 常见芯片封装形式 3 集成电路特点 1 集成电路为多级直接耦合放大器 2 由于体积所限 只能集成电阻 晶体管等器件 不能集成电容 电感等较大体积器件 3 元器件参数对称稳定 4 所制阻值不能太大 几十千欧以内 5 往往用三极管或场效应管代替大电阻 集成运算放大器是常用的模拟集成电路 4 2集成运放基本组成部分 电路由输入级 中间级 输出级构成 输入级采用差动放大器 中间级由一般放大器构成 输出级多为功率输出器 偏置电路则由电流源组成 1 偏置电路 1 镜像电流源 IR VCC UBE1 RIB1 IB2 IB则IC2 IC1 IR 2IB IR 2IC IC2 IR 1 2 IR VCC UBE1 R IC2 IR之间的关系如同镜像一样 1 偏置电路 2 比例电流源 IE1R1 IE2R2IC1R1 IC2R2IC2 IC1R1 R2 1RR1 R2 IC2 IR之间有比例关系 1 偏置电路 3 微电流源 UBE1 UBE2 IE2RE IC2RE由二极管方程IE IC IS e在RE不大的情况下 得到很小的电流IC2UBE1 UBE2 IE2RE IC2REIE IC IS eUBE UT 1 ISeUBE UTIS1 IS2则UTlgIC1 IC2 IC2RE当IC1和RE已知时 可求出IC2 IC2可以很小 2 差分输入级 1 基本差动放大器 由双管构成最简单差分放大器 当双端输出信号时 零点漂移为零 RB较大 常忽略 2 两种输入信号 差摸信号Ud 一对大小相等 极性相反的信号 共摸信号UC 一对大小相等 极性相同的信号 差摸工作方式 共摸工作方式 3 电压放大倍数 差模放大倍数UO1 Au1Uid1 Au1Ui 2UO2 Au2Ui2 Au1Uid2 Au1Ui 2Ad UO1 UO2 Uid1 Uid2 UO Ui Au1 共模放大倍数AC UO1 UO2 UiC 共模抑制比KCMR Ad AC 4 常尾式差动放大电路 静态分析 短路交流 可得到IBRS UBE 1 IB 2RE RW 2 VEE 可计算出IB而IC IB则UC VCC ICRC 差模动态分析 将双管拆分为单管问题 Uo1 RL Uid RS rie 1 RW 2 Uo2 Aud RL RS rie 1 RW 2 Aud1 Aud 2 Rid RS rie 1 RW 2RO 2RCRO1 RC 共模动态分析 将双管拆分为单管问题 Uo1 Uo2 RL Uic RS rie 1 RW 2 2RE Auc Uo1 Uo2 Uic 0 Auc1 Uo1 Uic RC 2RE 共模抑制比 CMRR Ad Ac双端输出CMRR Ad Ac Ad 0 单端输出CMRR1 Ad1 Ac1 RE RS rie 5 带横流源差动放大电路 静态分析 UB R1VCC R1 R2 则UE3 UB UBE3 UBIC3 IE3 VE3 R3IC1 IC2 IC3 2IB1 IB2IC1 UC1 UC2 VCC IC1RC 差模动态分析 恒流源不起作用 可认为不存在 短路 分析结果同常尾差放 6 单端输入方式 等效为双端差摸输入工作方式 其结果与差模双端输入结果相同 7 四种输入 输出方式 双端输入 双端输出 双端输入 单端输出 单端输入 双端输出 单端输入 单端输出 3 功率输出级 1 功率放大器 ui正半周T1导通 T2截止 ui负半周T1截止 T2导通 为互补对称电路 详见第九章 2 复合三极管 为提高三极管的放大倍数 将两只三极管连结起来 组成复合三极管 三极管复合的原则是各极电流方向一致 有四种复合方式 2 复合三极管 复合三极管类型同第一只管子 同类型复合 1 2 rbe rbe1 1 1 rbe2异类型复合 1 2 rbe rbe1 3 过载保护电路 当负载电流过大时 流经三极管的电流也增大 会烧坏管子 为此 增加过载保护电路 将增大的电流分流 以保护管子 常用的电路有二极管保护和三极管保护两种电路 1 理想运放特性 1 开环电压放大倍数Auo 2 差摸输入电阻Rid 3 输出电阻Ro 0 4 共摸抑制比CMRR 5 工作性能稳定 4 2集成运放基本组成部分 2 两条重要推论 1 运