北航2系电子复试-模电

电子线路基础复试资料1.模拟信号与数字信号：模拟信号：在时间和数值上都具有连续性，即对于任意时间值均具有确定的函数值（电压或电流值），并且u和i的幅值是连续取值的。例如：正弦波信号。数字信号：在时间和数值上均具有离散型，首先u和i的变化在时间上不连续总发生在离散的瞬间，且他们的数值是一个最小值的整数倍，并以此倍数作为数字信号的数值。2.常用模拟电路及其功能(1)放大电路：用于信号的电压、电流或功率的放大。(2)滤波电路：用于信号的提取、变换或抗干扰。(3)运算电路：完成信号的比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、指数等运算。(4)信号转换电路：用于将电流信号转换为电压信号或将电压信号转换为电流信号、将直流信号转换为交流信号或将交流信号转换为直流信号、将直流电压转换成与之对比的频率(电压频率转换A/D转换电路)(5)信号发生电路：用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。(6)直流电源：将市电（220V 50Hz交流电）转换成不同电压和不同电流的直流电，作为各种电子电路的供电电源。3.电磁兼容性电磁兼容三要素及对应的三板斧：(1)电磁干扰源【激励源】接地，(2)电磁传播路径【激励通道】滤波，(3)敏感的接收器【敏感源】屏蔽耦合方式：传导、辐射、感应（噪声源是大电流小电压时感应源主要是磁场、噪声源是小电流大电压时感应源主要是电场）传播途径：源-接收器、源源电缆接收器、源接收器电缆接收器、源源电缆接收器电缆接收器电子系统常常不可避免的工作在复杂的电磁环境中，其中既有来自大自然的各种放电现象、宇宙的各种电磁变化，也有来自人类自己利用电或电磁场从事的各种活动。空间电磁场的变化对电子系统都会造成不同程度的干扰；与此同时，电子系统本身也会在不同程度上成为其他电子设备的电磁干扰源。所谓电磁兼容是指：电子系统在预定的环境下，即能够周围电磁场的干扰，又能够较少的影响周围环境。在设计电子系统时，电磁兼容性设计的重点是研究周围环境电磁干扰的物理特性，以及采取必要措施抑制干扰源或阻断干扰的传播途径，使系统正常工作。通常采用：隔离、屏蔽、接地、滤波、去耦等技术获得较强的抗干扰能力；必要时应选用抗干扰能力强的元器件，并对器件进行精密的调整。4.电子系统的设计原则(1)电路应尽量简单。减小故障率，增大可靠性。能用集成就不用分立电路(2)考虑电磁兼容性。(3)考虑系统的可测性。合理引出测试点，设计自检电路。(4)设计电路及选择元器件时需统筹考虑，能用通用型就不用专用型。(5)生产工艺简单易行5.半导体物理载流子：运载电荷的粒子称为载流子。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。空穴：以本征半导体为例，相邻两个原子的一对最外层电子（价电子）会即围绕自身所属的原子核运动，也会出现在相邻原子所属的轨道上，形成共用电子对，这样的组合成为共价键结构。由于晶体中共价键具有很强的结合力，在常温下，有极少的价电子由于热运动（热激发）获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚成为自由电子，与此同时，共价键中会留下一个空位置，成为空穴。由于原子失掉一个电子后代正点，因此也可以说空穴带正电。半导体的特性：(1)通过掺杂可以明显改变半导体材料的电导率(2)当半导体受到热激发时其电导能力也会发生显著变化，可以制作热敏器件(3)光照也可以改变半导体的电导率，光电效应可以支撑光敏元件、光电晶体管等(4)多种由半导体组成的结构中，通过电流会发射出光子，可制成发光二极管、激光二极管。Si：原材料来源丰富、技术成熟、硅基产品价格低廉。BJT、JFET、CMOSGaAs(砷化镓)工作在超高速超高频，原因是砷化镓具有更高的载流子迁移率，和近乎绝缘的电阻率等。主要MESFET、HEMT、HBTGaAs与Si相比，1.少子迁移率是Si的4倍，可制作速度更快、频率更高的IC。2.GaAs的电子和空穴可以直接复合（导带的最小值与价带的最大值都处在布里渊区波矢为0处）而Si不可以，GaAs可以制作发光器件，如LED、LD、OEIC。3.GaAs禁带更宽，因此衬底绝缘性更好，热稳定性、抗干扰能力都更好。InP（磷化铟）磷化铟系统发出的激光波长正好覆盖玻璃纤维的最小色散和最小衰减两个窗口，因此广泛应用于光纤通信。杂质半导体：N型半导体：在纯净的硅半导体中掺入五价元素（磷），施主原子，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。磷原子取代硅原子在晶格中的位置，由于磷原子最外层有5个价电子，所以当磷原子与其周围硅原子形成共价键时，就会多出一个自由电子。P型半导体：在纯净的硅半导体中掺入三价元素（硼），受主原子。硼原子会取代硅原子在晶格中的位置，由于硼原子最外层只有3个价电子，所以当硼原子与其周围硅原子形成共价键时，就会形成一个空位，当硅原子的外层电子来填补此空位时，其共价键中就会产生一个空穴。多子的浓度约等于掺杂浓度，因此它受温度的影响很小，少子是本征激发产生，尽管浓度很低，但受温度影响很大。因此少子决定半导体器件。6.PN结：扩散运动：由于浓度差而产生的运动。漂移运动：在电场力的作用下载流子的运动。当P型半导体和N型半导体制作在一起时，在他们的交界面，两种载流子的浓度差很大，P区的空穴会向N区扩散，与此同时N区的自由电子也会向P区扩散，由于扩散到P区的自由电子与P区的空穴复合，扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合，所以在交界面处的多子浓度下降，P区出现负离子区（带负电的受主离子），N区出现正离子区（带正电的施主离子），他们是不能移动的称为空间电荷区，从而产生内建电场。内建电场正好阻碍多子的扩散运动，加强了少子漂移运动，随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内建电场增强，当扩散与漂移达到动态平衡时，界面两侧浓度不再改变。(突变结、缓变结)PN结的单向导电性：PN结接正向电压，P接正，外电场将空穴和电子推向空间电荷区，使空间电荷区变窄，使扩散运动加剧，漂移运动减弱。由于电源的作用，多子的扩散运动会源源不断的进行，形成电流，PN结导通。反向偏置：外电场使空间电荷区变宽，使漂移运动加强，扩散运动减弱。形成反向电流，由于反向电流是少子漂移运动形成，少子浓度很低，反向电流很小。齐纳击穿：掺杂浓度很高时，PN结的耗尽层很薄，在所加反偏电压不是很大时，就能产生强电场，强的内建电场将耗尽层共价键内的电子拉出，形成强电流。雪崩击穿：掺杂浓度不是很高，PN结耗尽层比较厚，当加较大的反偏电压时，少子在耗尽层内获得加速，由于加速距离大，动能越来越大，在反偏电压大到漂移少子的动能足以撞击出耗尽层共价键中的电子，产生电子和空穴，后产生的电子碰撞出其他电子，自由电子如雪崩般迅速增加，反向电流剧增。PN结中的N+是什么意思:定性的表征载流子浓度，浓度越高加号越多。轻度掺杂会在N-。7.BJT与MOS的区别1.BJT(Bipolar Junction Transistor)双极型晶体管（多子少子都参与导电）HBT(hetro-Junction Transistor)异质结晶体管（PN结两侧的材料不同）优点：载流子迁移率高、速度快、功耗低BJT的伏安特性曲线：截至区、饱和区、放大区、击穿区放大状态：e正偏c反偏；Ie=0发射极开路，Ib=-Icbo；饱和状态：e正偏c正偏；Vcb=0即Vce=Vbe对应的点的连线为临界饱和线。临界饱和线左边的区域为饱和区，截至状态：e反偏c反偏；Vbe0,即Ie0且VceVbe时晶体管工作在放大区。击穿：击穿多为雪崩击穿放大状态工作原理：对于NPN三极管，发射极掺杂浓度高，发射极正偏，即发射极向基区发射电子，集电极反偏，集电极为高电势处，内建电场电场强度由集电极指向基区，由于基区很薄，且集电极区轻掺杂，所以发射极电子到达基区时，只有少部分电子有机会与基区空穴复合，大部分在内建电场的作用下，漂移到集电极，产生很大的集极电流，发射极电流就约等基极电流加上集电极电流。基区宽度调制效应（厄利效应）：Vce集电极与发射极间所加电压改变引起引起基区宽度变化，导致集电极电流变化的效应。2.三极管的参数：1)电流增益、：(1)共射电流放大系数(2)共基电流放大系数2)极间反向电流，Icbo发射极开路时集电极的反向饱和电流，Iceo基极开路时，集电极与发射极间的穿透电流。3)特征频率，由于极间电容和耦合电容的作用，三极管共射交流电流放大系数是所加信号频率的函数，特征频率就是对应共射交流电流放大系数等于1时所加信号的频率。4)极限参数：(1)最大集电极耗散功率(2)最大集电极电流(3)极间反向击穿电压。1.FET(Field Effect Transistor)场效应管（单极型晶体管，只有多子参与导电）优点：体积小、重量轻、寿命长、输入回路内阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗低。MOS(Metal Oxide Semiconductor FET)金属-氧化物-半导体场效应管又叫绝缘栅场效应管NMOS：MOS采用P型衬底，N型有源区，通过各金属电极上的电压控制，在栅极下面的衬底由电子产生电流，由于导电的载流子是电子，这样的称为NMOS。PMOS：对应的使用N型衬底，P型有源区，参与导电的载流子为空穴。如何在P型衬底上制作PMOS：在p-衬底上注入掺杂浓度较高的N型杂质，从而使注入部分成为N型半导体，也叫做N阱（N Well），这是把N阱看作新的衬底，在其上注入更高的P+有源区，就可以制作PMOS。MOS管制作的关键技术：阱。栅极G（Gate）源极S（Source）漏极D（Drain）衬底（Bulk）MOS管重要的参数：L：沟道长度，W：沟道宽度。NMOS工作原理：NMOS的结构为在P型衬底上制作N型的源区漏区，源漏之间的P型衬底表面制作SiO2绝缘层，绝缘层上制作多晶硅栅极，当栅极与衬底之间加正向电压时，会排斥栅下P型衬底的空穴而吸引自由电子，当自由电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型Si将反型成N型硅，N反型层将源漏区N型扩散层连通，形成以电子为载流子的导电沟道。阈值电压：使沟道区产生强表面反型的最小栅压MOS伏安特性曲线：夹断区、线性区、饱和区截至区：|Vgs|Vth|,0Vds|Vth|,VdsVgs-Vth，导电沟道形成，在沟道源端栅源电压对沟道反型全部有效，在沟道漏断，只有栅源电压与源漏电压的差值才对沟道反型有效，随着Vds增大漏端导电沟道消失，源漏电流与源漏电压无关，只与栅压有关。击穿区：Vds再增大将击穿沟道，损坏MOS管。二阶效应：背栅效应：阈值电压随着衬底电压变化而变化的效应。沟道长度调制效应：当MOS管工作在饱和区时，随着漏源电压的增大，沟道内的夹断点向源极移动，沟道的有效长度变短，漏源电流增大，1)由于沟道长度调制效应的存在，MOS饱和区电流不再恒定，2)将不同栅压下的饱和区电流曲线横轴负半轴延伸，将交于横轴一点，这点电压值称为厄利电压。BJT与MOS区别：1)BJT是双极型晶体管，多子少子都参与导电。MOS是绝缘栅型场效应管是单极型晶体管，只有多数载流子参与导电。2)BJT是电流控制电流的放大器件，MOS是电压控制电流的器件。3)MOS属于FET，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、集成度高、动态范围大、安全工作区域宽等优点，但同时也有放大增益低、极间电容大速度频率受限等缺点。BJT具有速度高、驱动能力强、低噪声能特点但是功耗大、集成度低。CMOS电路采用NMOS和PMOS互补对称结构，理论上在任一时刻，只有一只MOS管导通，另一只截至，静态功耗几乎为0，对电源电压要求低，动态范围大，且不需要稳压源，易于集成，扇出能力强。FET分类：(1)JFET(Junction Field Effect Transistor)结型场效应管在一个N型半导体材料两边个扩散一个P+区，形成两个PN结，并把两个P型区并连起来引出栅极G，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别为D和S，夹在两个PN结之间的N型区称为导电沟道。当栅极不加电压，沟道较宽，漏源电流主要受漏源电压影响，当栅极加反偏电压时，耗尽层变宽，沟道被压缩变窄，当栅压等于夹断电压时，沟道被完全夹断。栅压大于夹断电压小于0时，沟道源端栅压对耗尽层全部有效，在沟道漏端栅压与漏极电压绝对值的和对耗尽层有效。当Vgd=Vgs-Vds=Vp时，沟道漏源预夹断，FET进入饱和区，漏源电流只跟栅压有关。(2)MESFET(Metal Semiconductor FET)金属半导体场效应管，由于金属与半导体接触产生的肖特基结在半导体去产生耗尽层进入有源区，使得有源区的导电沟道变薄。结构：绝缘衬底上外延生长一层掺杂的导电沟道层，沟道层表面沉积栅源漏电极。(3)HEMT(High Electron Mobility Transistor)高电子迁移率晶体管类似于MES的结构，将绝缘衬底上的掺杂沟道改进为，在半绝缘的砷化镓衬底上外延生长一层无掺杂的砷化镓层，无掺杂的砷化镓层被一层掺杂的砷化镓铝层覆盖，由于两层的禁带宽度不同，在电子会进入无掺杂的砷化镓层，在交界处形成二维电子气，由于无掺杂的砷化镓晶格完整，电子碰撞几率低，电子迁移率高。(4)MOS(Metal Oxide Semiconductor FET)金属-氧化物-半导体场效应管NMOS、PMOS、CMOS、E-NMOS增强型MOS、D-NMOS耗尽型MOSMOS模拟集成电路常用的基本单元电路：电流源（偏置与负载）、基本型放大电路、源耦差动电路、输出级电路。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)互补型MOSBiCMOS(Bipolar CMOS)双极CMOS，将双极与CMOS制作在一个芯片上，同时获得高速、低功耗、高集成度、高性能的超大规模集成电路。场效应管的参数：(1)开启电压、夹断电压(2)饱和漏电流Idss对于结型场效应管为Ugs=0时对应的源漏电流，对于增强型MOS，Ido为Ugs=2Uth时的漏源电流。(3)跨导CMOS应用：现代集成电路的主流。8.差分放大器Differential Amplifier差放差模信号：在差分放大器两输入端分别作用的数值相等极性相反的输入信号共模信号：在差分放大器两输入端分别作用的数值相等极性相同的输入信号在实际应用中，加到差分放大器双输入端的信号电压，往往为任意信号，它既不是差模信号也不是共模信号。若定义两输入端电压为Vi1和Vi2时，定义差模信号为Vid=Vi1-Vi2.定义共模信号为Vic=(Vi1+Vi2)/2不管信号是单端输入还是双端输入，只要输出是单端，它的差模放大放大倍数就是基本放大电路的放大倍数的一半，如为双端输出，则与基本放大电路放大倍数相同。共模抑制比KCMR：评价差放对共模信号的抑制能力，定义KCMR=差模电压增益与共模电压增益之比的绝对值。提高共模抑制比的途径：由电流源提供差放的偏置电流Iee有源负载差分放大电路的特性：实现单端双端输出转换的功能，虽然电路是单端输出，却能具有与双端输出同样的差模增益和共模增益。原因是有源负载组成一个电流镜结构。差分放大电路应用：集成运算放大器、模拟乘法器、电压比较器差分电路优点：抑制共模信号，抑制温度的零点漂移。运放：是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输入电阻的直接耦合放大电路，为抑制零点漂移，对温度影响最大的第一级采用差分放大电路；为提高放大倍数，中间一级采用有源负载的共射放大电路；为增大电路的带负载能力，输出一级采用互补对称功率放大电路。模拟乘法器：广泛应用于乘法、除法、乘方、开方等模拟运算，同时应用于信号的调幅、解调、混频、鉴相和自动增益控制电路。电压比较器：过零比较器、滞回比较器、窗口比较器集成运算放大器集成运放主要技术参数：差模开环电压增益、共模抑制比（KCMR）、电源电压、最大差模输入电压、最大共模输入电压、输出摆幅（输出峰峰值电压）理想运算放大器：(1)输入失调电压及其温漂系数、时漂系数，输入失调电流及其温漂系数、时漂系数，输入偏置电流均为0。(2)等效输入噪声电压、噪声电流都为0.(3)输出电阻=0，开环差模电压增益为无限大，开环差模输入电阻为无限大，共模输入电阻和共模抑制比为无限大，通频带为无限大，转换速率为无限大。理想运放的电路分析：虚断路：理想运放输入电阻接近于无穷大，输入电流可视为0，这种同相输入端与反相输入端之间近似开路的现象称为“虚断路”。虚短路：理想运放净输入电压接近0，也就是运放两输入端之间的电压差接近于零，这种同相输入端与反相输入端之间近似短路的现象称为“虚短路”。运算放大器的应用（运放的组态）：反相放大器、同相放大器、差分放大器、积分器和微分器、电压比较器、波形发生器（正弦波发生器、方波发生电路、三角波产生电路）10.对放大器的理解1.设计放大器需要考虑的因素 如果买放大器需要考虑什么(1)预算，放大器的价钱范围非常广泛，选购时最重要的是在预算范围内选择最适合自己工作要求的放大器。(2)具体用途，具体用途决定了放大器的种类和基本参数，如单管放大器（成本低）、集成运算放大器（性能优良、成本高）、功率放大器(3)工作环境，工作环境决定论放大器类型，如集成运放有通用型、高精度型、高速型、高输入阻抗型、低功耗型、宽通频带型、高压型等，若放大器工作环境非常恶劣如外太空对放大器的制作工艺、封装工艺都有特殊要求。放大电路的主要性能指标(1)放大倍数(2)最大输出幅值(3)非线性失真(4)输入输出电阻(5)通频带(6)最大输出功率与效率线性失真：输出波形中不含有输入信号中所没有的任何频率分量。 非线性失真：频率失真，若放大器通频带不够宽，对输入信号各次谐波的放大不是相同的倍数，而输出波形发生幅度频率失真。放大器对输入信号各次谐波的相移如果不成比例，输出信号发生相位频率失真。噪声的数学本质：是一个随时间变化的、不可预知的量，但长期观察也会发现噪声的某些指标也是有其规律性。所以噪声在数学上是一个随机过程。随机过程的均方值不是时间的函数，噪声限制了一个电路能过处理的最小信号。白噪声：噪声的PSD功率谱密度在所关心的频率范围呈现相同的数值。有色噪声：噪声类型：热噪声（载流子随机热运动（布朗运动）所导致的随机电压）；闪烁噪声（半导体表面都存在晶格缺陷，载流子在界面处运动时，由于量子隧穿效应，会被界面势垒随机的捕获，而造成电流的随机变化）；低频下MOS管的两种噪声：沟道热噪声、沟道闪烁噪声电路的热稳定性：电路在一定时间内承受短路电路（或与之同值电流）热作用而不发生损坏的能力。2.三种接法比较共射：既能放大电流也能放大电压，输入电阻中，输出电阻较大，频带较窄。常用于低频电压放大电路的单元电路。共集：射极跟随器，只能放大电流，不能放大电压。输入电阻最高，输出电阻最小，常用于电压放大电路的输入级和输出级。共基：只能放大电压，不能放大电流，输入电阻小，电压放大倍数、输出电阻与共射电路相当，是三种接法中高频最好的电路。常作为宽频带放大电路。功率放大电路甲类：静态工作点设置在放大区中间，晶体管全部的周期内都处在导通状态，波形无失真，静态功耗大，效率低于50%。乙类：静态工作点设置在截至区，晶体管仅在输入信号的半个周期内导通，三极管静态电流为0，管耗小，能量转换率高，缺点是波形严重失真。甲乙类：静态工作点设在放大区靠近截至区处，静态时晶体管处于微导通状态，三极管导通时间大于半个周期但小于一个周期，可以有效的克服电路波形失真问题，能量转换效率也较高。乙类推挽输出级电路结构：有PNP、NPN型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。OCL(Output Capacitor Less)省去输出端大电容的功率放大电路：双电源供电，输出级无隔直电容。OTL(Output Transformer Less)无输出变压器的功率放大电路：单电源供电，输出级有隔直电容。缺点:交越失真甲乙类推挽输出级放大电路两个晶体管都处于微导通状态（两个二极管分压）11.三极管在数模电中的应用模拟电路中三极管处于放大状态；数字电路中三极管处于开关状态。12.放大电路频率特性在中频段，极间电容很大而视为开路，耦合电容（旁路电容）因容抗较小而视为短路，故不考虑他们的影响。在低频段，主要考虑耦合电容的影响，极间电容仍视为开路；在高频段，主要考虑极间电容的影响，耦合电容仍视为短路。在放大电路中由于电抗元件（电容、电感）及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率过高或过低时，不但放大器的增益会减小，而且还会产生超前或滞后相移，这说明放大电路的增益函数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率特性。下限截至频率：当频率从中频段降低时，增益的幅值和相位都会发生变化，当放大电路增益下降为中频段增益的0.707倍（根号二分之一），用对数表示增益，下限截至频率对应的增益比中频段增益下降3db。上限截止频率：当频率从中频段升高时，当增益比中频段增益降低3db时对应的信号的频率。通频带：BW=FH-FL，同频带是用来描述电路对不同频率信号适应能力的动态参数。波特图：幅频图中，频率轴采用对数分度，幅值轴取为20lg|A(w)|，单位为db，采用线性分度。相频图中，频率轴采用对数分度，相位轴采用线性分度。波特图优点：可以将幅值相乘转化为对数幅值相加，而且在只需要频率特性的粗略信息时尝可归结为绘制由直线段组成的渐进特性曲线，作图非常简便。如果需要精确曲线，只需要在渐进线基础上进行修正，绘制也非常简单。缺点：真实的频率特性曲线不是折线型的，折线只是真实频率特性曲线的渐近线，它在工程意义上必有误差，幅频波特图在零极点处有3db的误差，相频波特图在零极点的0.1倍和10倍处有+-5.72度的误差。13.滤波器滤波器是一种使有用频率信号通过而同时抑制（或大大衰减）无用频率信号的电子设备。分类（功能、结构）滤波器分类：低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)、带阻(BEF)、全通(APF)Low Pass Filter、High Pass Filter、Band Pass FilterBand Elimination Filter、All Pass Filter无源滤波器：利用电感和电容彼此相反而又互补的频率特性。有源滤波器：为了使负载不影响滤波器特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻、低输出电阻的隔离电路，最简单的方法就是加一个电压跟随器，这就构成了有源滤波电路。14.放大器反馈原理反馈：将放大电路输出回路中的某些物理量（电压或电流）通过一定的反馈网络引回到放大电路的输入回路，并参与输入信号的控制作用，这个过程叫做反馈。基本反馈结构：基本放大电路开环增益A，反馈网络反馈系数B，反馈放大电路的闭环增益等于A/(1+AB)环路增益：T=AB开环增益与反馈系数的乘积，表示绕反馈环一周的总增益。反馈深度：F=1+T表明了负反馈的程度，1+T越大表示负反馈越深，负反馈：使增益降低的反馈；优点：负反馈能够灵活的调节放大器的输入输出阻抗，可以有效的展宽通频带，减小非线性失真和线性失真，能够维持放大器对温度、电源电压和频率等变化时的稳定性。缺点：负反馈在改善放大器性能的同时也要付出降低中低频增益的代价。要害是随着负反馈的加深，已引起放大器自激振荡。不能改善放大器的噪声特性。负反馈对电路的影响：1.稳定放大倍数。2.改变输入输出电阻。3.改变放大器的频率特性。4.增大噪声。5.减小了放大器的波形失真。信噪比：噪声对有用信号的干扰，不取决于噪声的绝对值，而决定于输出信号功率与噪声功率的比值，称作信噪比。信噪比越大，放大电路噪声