模拟电子技术基础(第五版)

.,1.1信号,1.3模拟信号和数字信号,1绪论,1.2信号的频谱,1.4放大电路模型,1.5放大电路的主要性能指标,.,1.信号：信息的载体,微音器输出的某一段信号的波形,1.1信号,.,2.电信号源的电路表达形式,电压源等效电路,电流源等效电路,1.1信号,.,1.电信号的时域与频域表示,A.正弦信号,1.2信号的频谱,时域,.,1.电信号的时域与频域表示,B.方波信号,满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数,直流分量,其中,基波分量,三次谐波分量,1.2信号的频谱,方波的时域表示,.,2.信号的频谱,B.方波信号,频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。,1.2信号的频谱,幅度谱,相位谱,.,非周期信号包含了所有可能的频率成分（0w）,C.非周期信号,傅里叶变换：,通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函数。,离散频率函数,连续频率函数,气温波形,气温波形的频谱函数（示意图）,1.2信号的频谱,.,1.3模拟信号和数字信号,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。,模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。,数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。,.,1.4放大电路模型,电压增益（电压放大倍数）,电流增益,互阻增益,互导增益,1.放大电路的符号及模拟信号放大,.,负载开路时的电压增益,A.电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响，则希望？（考虑改变放大电路的参数）,理想情况,2.放大电路模型,1.4放大电路模型,.,另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减,理想情况,有,要想减小衰减，则希望？,1.4放大电路模型,A.电压放大模型,.,负载短路时的电流增益,B.电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,由此可见,要想减小负载的影响，则希望？,理想情况,由输入回路得,要想减小对信号源的衰减，则希望？,理想情况,1.4放大电路模型,.,C.互阻放大模型（自学）,输入输出回路没有公共端,D.互导放大模型（自学）,E.隔离放大电路模型,1.4放大电路模型,.,1.5放大电路的主要性能指标,1.输入电阻,.,1.5放大电路的主要性能指标,2.输出电阻,注意：输入、输出电阻为交流电阻,.,1.5放大电路的主要性能指标,3.增益,反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。,其中,四种增益,常用分贝（dB）表示。,.,1.5放大电路的主要性能指标,4.频率响应,A.频率响应及带宽,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。,或写为,其中,.,该图称为波特图纵轴：dB横轴：对数坐标,1.5放大电路的主要性能指标,4.频率响应,A.频率响应及带宽,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,.,1.5放大电路的主要性能指标,4.频率响应,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：,对不同频率的信号增益不同产生的失真。,.,4.频率响应,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：,对不同频率的信号增益不同产生的失真。,相位失真：,对不同频率的信号相移不同产生的失真。,1.5放大电路的主要性能指标,.,5.非线性失真,由元器件非线性特性引起的失真。,非线性失真系数:,end,Vo1是输出电压信号基波分量的有效值，Vok是高次谐波分量的有效值，k为正整数。,1.5放大电路的主要性能指标,.,2.1集成电路运算放大器,2运算放大器,2.2理想运算放大器,2.3基本线性运放电路,2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用,.,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。,引言,.,模拟集成电路的特点：,电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；电容利用PN结结电容，一般不超过几十pF。需要大电容时，通常在集成电路外部连接。不能制电感，级与级之间用直接耦合；二极管用三极管的发射结代。比如由NPN型三极管短路其中一个PN结构成。,.,运算放大器外形图,.,2.1集成电路运算放大器,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,图2.1.1集成运算放大器的内部结构框图,集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。,.,运算放大器方框图,输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。2.中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。3.输出级：互补对称功放。4.偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。,.,表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。,集成运算放大器的符号,vN或v：反相输入端，信号从此端输入(vP=0)，输出信号和输入信号反相。,vP或v+：同相输入端，信号从此端输入(vN=0)，输出信号和输入信号同相。,vO：输出端。,图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号,.,2.运算放大器的电路模型,图2.1.3运算放大器的电路模型,通常：开环电压增益Avo的105（很高）,输入电阻ri106（很大）,输出电阻ro100（很小）,vOAvo(vPvN)（VvOV）,注意输入输出的相位关系,.,2.运算放大器的电路模型,当Avo(vPvN)V时vOV,当Avo(vPvN)V-时vOV-,电压传输特性vOf(vPvN),线性范围内vOAvo(vPvN),Avo斜率,电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值,.,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,集成运放的工作区域,线性区域：,Aod为差模开环放大倍数,非线性区域：,输出电压只有两种可能的情况：,+UOM或-UOM,UOM为输出电压的饱和电压。,.,例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。,图2.1.3运算放大器的电路模型,.,例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?,图2.1.3运算放大器的电路模型,解：由,当vo=Vom=12V时,.,例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。,解：取a点（+60V,+12V），b点（-60V,-12V），连接a、b两点得ab线段，其斜率Avo=2105,vP-vN60V，则运放进入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。,.,2.2理想运算放大器,1.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V和V,2.运放的开环电压增益很高若（vPvN）0则vO=+Vom=V若（vPvN）0则vO=Vom=V,3.若VR3时，（1）试证明Vs(R3R1/R2)Im,解（1）根据虚断有I1=0,所以I2=Is=Vs/R1,例2.3.3直流毫伏表电路,（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？,又根据虚短有Vp=Vn=0,R2和R3相当于并联，所以I2R2=R3(I2-Im),所以,当R2R3时，Vs(R3R1/R2)Im,（2）代入数据计算即可,.,2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用,2.4.1求差电路,2.4.2仪用放大器,2.4.3求和电路,2.4.4积分电路和微分电路,.,2.4.1求差电路,从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,.,2.4.1求差电路,从放大器角度看,时，,增益为,（该电路也称为差分电路或减法电路）,.,2.4.1求差电路,一种高输入电阻的差分电路,.,2.4.2仪用放大器,.,2.4.3求和电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,则有,（该电路也称为加法电路）,.,2.4.3求和电路的进一步讨论,8.1.1求和电路,虚短、虚断,特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系；称为支路增益，一般1,1.反相求和电路,.,2.4.4积分电路和微分电路,1.积分电路,式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,（积分运算）,即,.,2.4.4积分电路和微分电路,1.积分电路,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,即,又,即,.,2.4.4积分电路和微分电路,当vI为阶跃电压时，有,vO与t成线性关系,1.积分电路,.,积分电路的用途,将方波变为三角波,.,积分电路的用途,将三角波变为正弦波,.,积分电路的用途,可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先90。因此，此时积分电路的作用是移相。,图7.2.17,.,2.4.4积分电路和微分电路,2.微分电路,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,即,.,若输入：,则：,高频信号将产生较大的噪声。,.,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,3.1半导体的基本知识,3.3二极管,3.4二极管基本电路及其分析方法,3.5特殊二极管,3.2PN结的形成及特性,3半导体二极管及基本电路,3.1半导体的基本知识,3.1.1半导体材料,3.1.2半导体的共价键结构,3.1.3本征半导体的导电作用,3.1.4杂质半导体,导体(conductor)：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体(semiconductor)：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体(insulator)：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3.1.1半导体材料,3.1.1半导体材料,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,3.1.2半导体的共价键结构,动画演示,3.1.2半导体的共价键结构,硅和锗的共价键(covalentbond)结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,动画演示,3.1.3本征半导体的导电作用,1.本征半导体(intrinsicorpureinsulator),完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,3.1.3本征半导体的导电作用,2.载流子、自由电子和空穴(carrier、freeelectronsandholes),自由电子,空穴,束缚电子,动画演示,3.1.3本征半导体的导电作用,3.载流子的产生与复合,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,动画演示,3.1.4杂质半导体,1.P型半导体,空穴,硼原子,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,动画演示,3.1.4杂质半导体,2.N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体中的载流子是什么？,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,动画演示,3.2PN结的形成及特性,3.2.1载流子的漂移与扩散,3.2.2PN结的形成,3.2.3PN结的单向导电性,3.2.4PN结的反向击穿,3.2.5PN结的电容效应,3.2.2PN结的形成,P型半导体,N型半导体,扩散(diffusion)的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移(drift)运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区，也称耗尽层。,3.2.2PN结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,动画演示,3.2.2PN结的形成,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,3.2.3PN结的单向导电性,PN结(PNjunction)正向偏置,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,动画演示,3.2.3PN结的单向导电性,PN结(PNjunction)反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流很小，A级,动画演示,3.2.4PN结的反向击穿,电击穿(可逆)热击穿(不可逆),击穿,雪崩击穿(avalanchebreakdown):碰撞,载流子倍增效应。,齐纳击穿(zenerbreakdown):局部电场增强,分离。,整流二极管雪崩击穿(多数),稳压二极管齐纳击穿(多数),击穿,3.2.5PN结的电容效应,PN结的两种电容效应：扩散电容CD和势垒电容CB,PN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（N区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻域,PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能,1.扩散电容,3.2.5PN结的电容效应,PN结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略,1.扩散电容,3.2.5PN结的电容效应,势垒区是积累空间电荷的区域，当反向偏置电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,2.势垒电容,类似于平板电容器两极板上电荷的变化,3.2.5PN结的电容效应,PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑PN结电容的影响,PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）,3.3二极管,3.3.1半导体二极管的结构,3.3.2二极管的伏安特性,3.3.3二极管的参数,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管(diodeinsulator)图片,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管(diodeinsulator)图片,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管(diodeinsulator)图片,3.3.1半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,(a)点接触型,二极管的结构示意图,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,3.3.1半导体二极管的结构,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(3)平面型二极管,(c)平面型,(4)二极管的代表符号(symbol),anodecathode,3.3.1半导体二极管的结构,往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,3.3.2PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,二极管的伏安特性(volt-amperecharacteristic)曲线的表示式：,硅二极管2CP10的V-I特性,3.3.3二极管的参数,1.最大整流电流IF,二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。,3.反向电流IR,指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。,2.3.3二极管的参数,4.二极管的极间电容（parasiticcapacitance）,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容(barrier（depletion）capacitance)CB和扩散电容(diffusioncapacitance)CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,2.3.3二极管的参数,4.二极管的极间电容,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,CB在高频和反向偏置时明显。CD在正向偏置时明显。,3.3.3二极管的参数,5.微变电阻rD,vD,rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,3.4二极管基本电路及其分析方法,3.4.1简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,1.理想模型（idealdiode),当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型作近似分析。,2.恒压降模型（offsetmodel),二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为0.7V，只有当二极管的电流大于等于1mA时，才是正确的。,vD,iD,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,3.折线模型(piecewiselineardiodemodel),认为其压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步的近似。rD近似为200。,vD,iD,Vth0.5V,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,4.小信号模型(smallsignalmodel),当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。小信号模型的微变等效电阻rd26（mv）/ID。,vD,iD,vD,iD,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,应用举例,1.整流电路,二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大,D,R,vO,vs,+,-,vs,vO,应用举例,2.二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,3.限幅电路,应用举例,有一限幅电路如图所示，R=1k，VREF=3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解一下两问：（）vI=0V、4V、6V时，求相应的输出电压vO的值；（）当vI=sinwt(V)时，绘出相应的输出电压波形,4.开关电路,应用举例,+5V,vI1,vI2,VCC,&,4.7k,vO,5.低电压稳压电路,6.小信号工作情况分析,应用举例,求vD、iD,vi=0.1sintV,VDD=5V，,叠加原理,3.5特殊体二极管,3.5.1齐纳二极管,3.5.2变容二极管,3.5.4光电子器件,1.光电二极管,2.发光二极管,3.激光二极管,3.5.1齐纳二极管,vZ/V,iZ/mA,IZ,VZ,稳压误差,曲线越陡，电压越定。,VZ,动态电阻：,rz越小，稳压性能越好。,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压管（zenerdiode)的参数:,（1）稳定电压VZ,（3）动态电阻,3.5.1齐纳二极管,稳压管稳压电路,3.5.1齐纳二极管,小结:,PN结的形成及特性。二极管应用电路的分析与计算。稳压电路的设计原则。,第四章双极型三极管及放大电路基础,4.1半导体三极管（BJT双结晶体管）,4.2共射极放大电路,4.3放大电路分析方法,4.4放大电路的稳定工作点问题,4.5共集电极和共基极放大电路,4.7放大电路的频率特性,4.6组合放大电路,第4章半导体三极管及放大电路基础,按频率：,高频管、低频管,按功率：,按材料：,小、中、大功率管,硅管、锗管,按类型：,NPN型、PNP型,半导体三极管:是具有电流放大功能的元件,三极管分类：,4.1半导体三极管（BJT双结晶体管）,4.1.1基本结构,NPN型,NPN型三极管符号,PNP型三极管符号,发射极箭头表示：当发射结正偏时，电流的流向。,发射极,集电极,基极,集电极电流,发射极电流,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结Je,集电结Jc,集电区：面积最大,问题：c、e两极可否互换？,BJT结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,BJT结构剖面图：,三极管的基本接法,共集电极接法：c作为公共端；b为输入端，e为输出端；,共基极接法：b作为公共端，e为输入端，c为输出端。,共发射极接法：e作为公共端；b为输入端，c为输出端；,4.1.2BJT的电流分配和放大原理,在三极管内部：发射结正偏、集电结反偏,PNP管发射结正偏VBVE集电结反偏VCVB即VCVB（EC来实现）即VCVBVE,共射放大电路组成,4.1.2BJT的电流分配与放大原理,2.内部载流子的传输过程,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,发射区：发射载流子,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。,（以NPN为例）,放大状态下BJT中载流子的传输过程,集电区：收集载流子,基区：传送和控制载流子,IE=IB+IC,、为电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般1，几十。,3.三极管电流分配关系,IEICIB,（3）,（4）,（2）,（1）,4.三极管的电流分配关系总结,（5）电流放大系数,发射极是输入回路、输出回路的公共端,1.共发射极电路,输入回路,输出回路,IC,VBB,mA,A,VCE,VBE,RB,IB,VCC,+,+,+,+,注意：T的类型与VBE、IB、VCE、IC极性,e,b,c,4.1.3BJT的特性曲线,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=常数,(1)当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。,（以共射极放大电路为例）,1.输入特性曲线,(2)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下IB减小，特性曲线右移。,(3)输入特性曲线的三个部分,死区,非线性区,线性区,结论：整体是非线性的，局部可看作是线性的,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有iC=iB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,+,-,b,c,e,RL,（2）截止区,iB0以下区域为截止区，有iC=ICEO0。,在截止区发射结Je处于反向偏置，集电结Jc处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当vCEvBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，硅管vCES0.3V，锗管vCES0.1V。,VCES,放大区：Je正偏，Jc反偏；IC=IB,且iC=iB；VCVBVE。,(2)饱和区:Je正偏，Jc正偏；即vCEvBE，vCE0.3V；iCVe,放大Vc1V,1.图(b)示出了图(a)固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线，试求输出电压的最大不失真幅度为_。A.1VB.1.6VC.2VD.2.4V,2.若想得到最大的不失真输出电压,VCEQVCES=？,无RL：2.4V有RL：1.5V,VCEQVCES=ICQRL,课堂练习题,3.如图所给电路及vi和vo的波形，问出现的是什么失真？,如改变直流电源极性和三极管类型,但vi和vo的波形不变,则出现的是什么失真？,若改为共射或共集放大电路，vi和vo的波形还是如此,则出现的又是什么失真？,课堂练习题,5、图解法的适用范围,形象直观；适应于Q点分析、失真分析、最大不失真输出电压的分析；能够用于大信号分析；不易准确求解；不能求解输入电阻、输出电阻、频带等等参数。,6.判断三极管工作状态小结,（）根据直流电位判别：对于NPN管,当VCVBVE，T为放大状态；对于PNP管，当VCVBVE，T为放大状态。,（）根据电流判别：,（3）根据Q点的位置判别：,0IBIBS，T为放大状态；IBIBS，T为饱和状态。参阅习题4.2.2,Q点变化过程中始终处在放大区。,1BJT的小信号建模,2共射极放大电路的小信号模型分析,H参数的引出,H参数小信号模型,模型的简化,H参数的确定,（意义、思路）,利用直流通路求Q点,画小信号等效电路,求放大电路动态指标,4.3.2小信号模型分析法,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,1、BJT的小信号建模,H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,对于BJT双口网络，已知输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE)vCE=const,iC=f(vCE)iB=const,可以写成：,BJT双口网络,(1)BJT的H参数及小信号模型,三极管可以用一个模型（只适用交流小信号条件下）来代替。,H参数模型,对于低频模型可以不考虑结电容的影响。,小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有同样的含义。,（2）.BJT的小信号模型引出,即rbe=hie=hfeur=hrerce=1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为,ur很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路。,ib是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。,.模型的简化,一般用测试仪测出；,rbe与Q点有关，一般用公式估算：,rbe=rbb+(1+)re,其中对于低频小功率管rb200,则,.H参数的确定,为什么要乘以（1+）？,.用近似估算法求Q点：,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,2、用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,iB,iC,小信号模型(H参数等效)电路,（2）.画出小信号等效电路,.求电压增益,根据,则电压增益为,小信号等效电路中电流电压的符号一律用相量,可作为公式,.求输入电阻,.求输出电阻,令,1.如图所示放大电路的H参数小信号等效电路为图_。,课堂练习,2.如图所示放大电路的H参数小信号等效电路为图_。,课堂练习,3.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,PNP型小信号模型如何画？,课堂练习,解：,（1）,（2）,例题,温度变化对ICBO的影响,温度变化对输入特性曲线的影响,温度变化对的影响,稳定工作点原理,放大电路指标分析,固定偏流电路与射极偏置电路的比较,4.4.1温度对工作点的影响,4.4.2射极偏置电路,4.4.放大电路静态工作点的稳定问题,4.4.1温度对工作点的影响,1.温度变化对ICBO的影响,2.温度变化对输入特性曲线的影响,温度T输出特性曲线上移,温度T输入特性曲线左移,3.温度变化对的影响,温度每升高1C，要增加0.5%1.0%,温度T输出特性曲线族间距增大,4.4.2射极偏置电路,1.稳定工作点原理,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。,T,IC,IE,IC,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,I1IB，,此时，,不随温度变化而变化。,VBVBE,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,一般取I1=(510)IB，VB=3V5V,图4.4.1射极偏置电路,2放大电路指标分析,静态工作点,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,电压增益,根据定义,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻RS,输入电阻,2.放大电路指标分析,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,对回路1和2列KVL方程,rce对分析过程影响很大，此处不能忽略,其中,则,当,时，,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,固定偏流共射极放大电路,Ro=Rc,#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？,有旁路电容的射极偏置电路,无旁路电容的射极偏置电路,.,5场效应管放大电路,5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.3结型场效应管（JFET）,*5.4砷化镓金属-半导体场效应管,5.5各种放大器件电路性能比较,5.2MOSFET放大电路,.,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,.,5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.1N沟道增强型MOSFET,5.1.5MOSFET的主要参数,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3P沟道MOSFET,5.1.4沟道长度调制效应,.,5.1.1N沟道增强型MOSFET,1.结构（N沟道增强型）,L：沟道长度,W：沟道宽度,tox：绝缘层厚度,通常WL,基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。,动画,.,剖面图,符号,D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。,#符号中的箭头方向表示什么？短画线表示什么？,箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。短画线表示未加栅压时，漏源间没有导电沟道。（P199）,.,绝缘栅场效应三极管(MOSFET)分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道耗尽型：vGS=0，iD0增强型：vGS=0，iD0,MOSFET：利用VGS控制半导体表面的电场效应，通过改变感生沟道的宽窄来控制iD。,.,2.工作原理（N沟道增强型）,（1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定),当vGS=0时,当VGS=0V时，漏源之间形成两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，总有一个PN结是反偏的，不会在D、S间形成电流。iD=0。,.,栅极和衬底相当于以SiO2为介质的平板电容，在正的栅源电压作用下产生由栅极指向衬底的强电场，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，吸引少子（电子）向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流iD。,当0vGSVT，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I特性：,iD基本不随vDS变化，输出电阻大。,.,（2）转移特性,饱和区内不同vDS曲线基本重合,线性性较好。,.,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,1.结构和工作原理简述（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,.,N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当vGS0时，将使iD进一步增加。vGS0时，随着vGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0。对应iD=0的vGS称为夹断电压，用符号VP表示。,.,2.V-I特性曲线及大信号特性方程,饱和漏极电流,夹断电压,（N沟道增强型）,.,5.1.3P沟道MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,.,5.1.4沟道长度调制效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,.,开启电压VGS(th)(或VT)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,夹断电压VGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。,饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。,5.1.5MOSFET的主要参数,一、直流参数,输入电阻RGS场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。,.,二、交流参数,低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。随管子的工作点不同而改变，是FET小信号建模的重要参数。,gm=2Kn(VGSVT),（增强型）,.,三、极限参数,1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。,3.最大漏源电压V（BR）DS,4.最大栅源电压V（BR）GS,.,5.2MOSFET放大电路,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,2.图解分析,3.小信号模型分析,*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路,.,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算（VGS、ID、VDS),（1）简单的共源极放大电路（N沟道增强型）,共源极放大电路,直流通路,.,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGSVT，否则工作在截止区,*再假设工作在可变电阻区,即,.,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,VDD=5V，VT=1V，,.,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,饱和区,需要验证是否满足,联立求解,.,静态时，vI0，VG0，IDI,电流源偏置,VSVGVGS,（饱和区）,（3）电流源偏置共源极放大电路,VDSVDDIDRdVS,需要验证是否满足,.,2.图解分析,由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同,.,3.小信号模型分析,（1）模型（工作在饱和区）,静态值（直流）,动态值（交流）,非线性失真项,当vgs2(VGSQ-VT)时(必须满足的小信号条件）,.,0时,高频小信号模型,.,解：例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大电路分析（例5.2.5共源电路）,.,.,例5.2.6（共漏电路，源极输出器）,.,.,交流参数归纳如下,电压放大倍数,共源极电路（对应共射电路）,.,共漏极电路（对应共集电路）,电压放大倍数,.,.,*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路,本小节不作教学要求，有兴趣者自学,.,5.3结型场效应管,5.3.1JFET的结构和工作原理,5.3.2JFET的特性曲线及参数,5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法,.,5.3.1JFET的结构和工作原理,1.结构,#符号中的箭头方向表示什么？,在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个高掺杂P+区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。,栅结正偏时栅极电流的方向（从P到N）,.,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,根据结型场效应三极管的结构，要实现控制作用，只能工作在反偏的条件下。对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区。否则将会出现栅流。,.,vGS对沟道的控制作用（VDS不变）,当VGS0时,对于N沟道的JFET，VP0。,沟道电阻增加，iD减小。,当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成N沟道多子（电子）由源极向漏极的运动，产生漏极电流iD。,VGS继续减小，iD继续减小，沟道继续变窄当VGS=VP（夹断电压），耗尽层在中间合拢，iD=0。此时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。,.,本质：输入电压VGS控制输出电流iD。,.,vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,iD,g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS,夹断区延长,沟道电阻,iD基本不变,.,vGS和vDS同时作用时,当VPvGS0时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS，iD的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS=VP,JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,工作原理动画,.,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。,.,5.3.2JFET的特性曲线及参数,2.转移特性,1.输出特性,(VPvGS0),.,与MOSFET类似,3.主要参数,5.3.2JFET的特性曲线及参数,夹断电压VP(或VGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,或,漏极电流约为零时的VGS值。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,输出电阻rd：,低频跨导gm：,.,直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。,最大漏极功耗PDM,最大漏源电压V(BR)DS,最大栅源电压V(BR)GS,.,5.3.3JFET放大电路的分析法,1、直流分析,对于JFET放大电路，除了可采用MOS管放大电路的偏置电路外，还可采用自偏压电路。,注意：该偏置电路不适用于增强型FET,.,2、JFET小信号模型,（1）低频模型,.,（