模拟电子电路基础

1、Ch0 电子学与电子学与 模拟电子技术概述模拟电子技术概述 Ch0 Ch0 电子学与模拟电子技术概述 物理与电子学 器件的发展 理论的发展 应用的发展 现状与展望 我国的发展 电子学的地位 模拟电子技术 数字电子技术 最新发展例1 最新发展例2 研究处理连续信 号的电路。 模拟 analog 研究处理离散信 号的电路。 数字digital 电气工程学院电气工程学院 电工电子基地电工电子基地 Ch1 半导体和基本半导体器件半导体和基本半导体器件 1.1 1.1 半导体理论基础 1.2 1.2 PNPN结与二极管 1.3 1.3 各类二极管 1.4 1.4 双极型三极管 1.5 1.5 场效应管

2、1.6 1.6 运放模型 1.1 1.1 半导体基 础 半导体特性半导体特性 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体 物质分类导体 导电率为10105 5S.cmS.cm-1 -1，量级，如金属 绝缘体 导电率为1010-22 -22-10 -10-14 -14 S.cm S.cm-1 -1量级，如：橡胶、云 母、塑料等。 导电能力随条件变化。 如：硅、锗、砷化镓等。如：硅、锗、砷化镓等。 半导体 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件 温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光

3、照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性 光敏器件 光电器件 Ch1 Semiconductor1.1 Elementary Sect 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 常用的本征半导体 Si +14 284 Ge +32 28184 +4 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary 本征半导体的原子结构和共价键: +4+4 +4 +4+4 +4 +4 +4+4 共价键内的电子 称为束缚电子 价带 导带 挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子 价带

4、中留下的空位 称为空穴 禁带EG 外电场E 自由电子定向移动 形成电子流 束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary 1. 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 它们是成对出现的 2. 在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary 本征半导体中的载流子： 本征半导体载流子的浓度： 电子浓度ni :表示单位体积

5、的自由电子数 空穴浓度pi : :表示单位体积的空穴数。 kT/E ii g eBTpn 2 2 3 B与材料有关的常数 Eg禁带宽度 T绝对温度 k玻尔曼常数 结论 1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi 2. 载流子的浓度与T、Eg有关 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary 载流子的产生与复合: : g g载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 R R载流子的复合率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g g = =R R Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary 杂质半导体 掺入杂质

6、的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体 掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体 杂质半导体杂质半导体 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary N型半导体: +4+4 +4 +4+4 +4 +4 +4+4 +5 +5 在本征半导体中掺入的五价元素如P。 价带 导带 + 施主 能级 自由电子是多数载流子空穴是少数载流子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子，因此 将其称为施主杂质。施主杂质因提供 自由电子而带正电荷成为正离子 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Ele

7、mentary P型半导体: +4+4 +4 +4+4 +4 +4 +4+4 +3 +3 在本征半导体中掺入的三价元素如B。 价带 导带 - 受主 能级 自由电子是少数载流子空穴是多数载流子 杂质原子提供 由本征激发形成 因留下的空穴很容易俘获电子， 使杂质原子成为负离子。三价杂 质因而也称为受主杂质。 Sect Ch1 Semiconductor1.1 Elementary Ch1 Semiconductor1.1 Elementary Sect 讨论：讨论： 若使P型半导体和N型半导体“亲密接 触”， 会发生什么现象？ 1.2 PNPN结与二极管 PN结 半导体二极管 P区 N区扩散运动

8、载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流 内电场 内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 内 电 场 阻 止 多 子 扩 散 载流子浓度差多子扩散杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域运动，称为扩散。 扩散运动产生扩散电流。 漂移运动 少子向对方运动，称为漂移。 漂移运动产生漂移电流。 动态平衡扩散电流= =漂移电流，PNPN结内总电流为0 0。 PN

9、PN 结 稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层， Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc V V 结的接触电位 内电场的建立，使PNPN结中产生电位差。从 而形成接触电位V V 接触电位V V 决定于材料及掺杂浓度 锗： V V =0.2=0.20.30.3 硅： V V =0.6=0.60.70.7 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 1. PN1. PN结加正向电压时的导电情况 外电场方向与PN结内电场 方向相反，削弱了内电场。内电场 对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远大于漂移电 流，可忽略漂移电流的影响。 P

10、N结呈现低电阻。 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 内 外 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 2. PN2. PN结加反向电压时的导电情况 外电场与PN结内电场方向 相同，增强内电场。内电场对多子 扩散运动阻碍增强，扩散电流大大 减小。少子在内电场的作用下形成 的漂移电流加大。 PN结呈现高电阻。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏； 内 外 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 结论：PN结具有单向导电性。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具 有较大的正向扩散 电流； PN结加反向电压时，呈现

11、高电阻，具 有很小的反向漂移电流。 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 式中 Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300K（室温）时 VT= 26mV 由半导体物理可推出由半导体物理可推出： ) 1( T S Vv eII 当加反向电压时： 当加正向电压时： (vVT) T S Vv eII S II Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 势垒电容势垒电容CB 由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时， 离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，

12、犹 如电容的充放电。 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正 偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。 刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度 分布曲线。 扩散电容CD 当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 反向击穿 PN结

13、上反向电压达到某一数值，反向电流激增。 雪崩击穿 当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与 原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。 使反向电流激增。 齐纳击穿 当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成 大量载流子, ,使反向电流激增。 击穿可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生 击穿可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生 不可逆击穿 热击穿 PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率 超过极限值，使结温升高，导致PN结过热 而烧毁。 Sect Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 晶体二极管的结构类型二极管的结构类型 在PN结上加上引

14、线和封装，就成为一个二极管 二极管按结构分 点接触型 面接触型 平面型 PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路 PN结面积大，用 于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。 Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线 I U 1.1.当加正向电压时当加正向电压时 PN结电流方程为： 1)(eII T UU S 2.2.当加反向电压时当加反向电压时 T UU Se II I 随随U，呈指数规率

15、，呈指数规率 I = - Is 基本不变基本不变 Ch1 Semiconductor1.2 PN junc 晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1 1. .正向起始部分存在一个死区正向起始部分存在一个死区 或门坎，称为或门坎，称为门限电压门限电压。 硅：硅：Ur=0.5-0.6v; Ur=0.5-0.6v; 锗：锗：Ur=0.1-0.2vUr=0.1-0.2v 2.2.加反向电压时，反向电流很加反向电压时，反向电流很 小小 即Is硅(nA)0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V 锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区

16、在反向击穿区。可以 提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。 二极管基本用途是整流稳压和限幅。 半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光 电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。 小小 结结 重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。 难点：1.1.两种载流子 2.PN2.PN结的形成 3 3. .单向导电性 4.4.载流子的运动 重点难点重点难点 半导体二极管的型号半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 半导体二极管图片半导体二极管图片 半导体二极管图片半导体二极管图片 半导体二极管图片半导体二极管图片 1.4 1.4 双极型三极

17、管BJT Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect BJTBJT的结构 发射结发射结 集电结集电结 两种结构类型：NPN型PNP型 发射区 集电区 基区 发射极 基极 集电极 Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect 1. 由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结 2. 发射区掺杂浓度高、 B E C B E C BJTBJT的结构 基区薄、集电结面积大 Sect Ch1 Semiconductor1.4 BJT BJTBJT的电流分配 三极管各区的作用: 发射区向基区提供载流子 基区传送和控制载流子 集电区收集载流子 发射结加正向电压 集电结加反向电压

18、三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 才能起放大作用 外部工作条件： 发射结加正向电压即发射结正偏 集电结加反向电压即集电结反偏 Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect PNP e b c IE IB IC ICBO IB IC 1. 发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流 2. 空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流IB 3. 集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流IC 同时由于集电结反偏，少子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO 电流之间的分配关系 IB = IB-ICBO IC = IC +ICBO IE = IB+IC BJTBJT的电流分配 Ch1

19、Semiconductor1.4 BJT Sect 共基极直流放大系数 从发射区注入的载流子到达集电极部分所占的百分比 E C I I 由前面得到的电流之间的分配关系IC = IC+ICBO E CBOC I II 可得： E C I I 的数值一般在0.9 0.99之间 从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合 Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect EBEC Rb Rc IB IC IE ECEB 共发射极连接： IB = IB-ICBO IC = IC+ICBO IE = IB+IC CBOe II 输入电流 输出电流 1 I I 1 I CBO

20、 BC 1 共射直流 放大系数 CBOBC I )1(II 当IB=0时 CEOCBOC II )1 (I 穿透电流 由IBICBO B C I I Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect VBBVCC Rb Rc iB iC iE + - Vi Vo 共基交流电流放大系数 共射交流电流放大系数 = IC/ IB VCE=C = IC/ IE VCB=C i o V V V A 共射电路的电压放大倍数 共发射极连接： Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect 三极管的三种组态 双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作 为输出，这样必然有一

21、个电极是公共电极。三种接法也称三种组态： 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CCCC表示; ; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB CB表示。 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CECE表示； Sect Ch1 Semiconductor1.4 BJT BJTBJT的特性曲线 三极管的伏安特性指管子各电极的电压与电流的关系曲线 B B是输入电极，C C是输出电极，E E是公共电极。 I Ib b是输入电流，U Ube be是输入电压，加在B B、E E两电极之间。 I IC C是输出电流，U Uce ce是输出电压，从C C、E E两电极取出。 输入特性曲线: : I Ib b=f(U=

22、f(Ube be) ) U Uce ce=C =C 输出特性曲线: : I IC C= =f f( (U Uce ce) ) I Ib b=C =C 本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线： 三极管输入特性曲线 1. Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射 结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并 联的正向特性曲线。 2. 当Uce 1V时， Ucb= Uce - - Ube 0，集 电结已进入反偏状态，开始收集电子，且 基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将 向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲 线右移很不明显。通常只画一条。 输入特性曲线分三个区 非线性区 死区 线性区 正常工作

23、区，发射极正偏 NPN Si: Ube= 0.60.7V PNP Ge: Ube= -0.2-0.3V Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect 三极管输出特性曲线I IC C= =f f( (U Uce ce) ) I Ib b=C =C 饱和区饱和区: (1) IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce 的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。 发射结正偏，集电结正偏 (2) Uces=0.3V左右 截止区：截止区：Ib=0的曲线的下方的区域 Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube 0.5V,管子就处于截止态 通常该区：发射结反偏，集电结反偏。 输出特性曲线可以分为三个

24、区域: Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect 三极管输出特性曲线 放大区放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。 (1) 发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管) 。 (2) Ic= Ib,即Ic主要受Ib的控制。 (3) 判断三极管工作状态的依据： 饱和区饱和区: 发射结正偏，集电结正偏 截止区：截止区： 发射结反偏，集电结反偏 或：Ube 0.5V（Si) Ube 0.2V（Ge) Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect Sect Ch1 Semiconductor1.4 BJT BJTBJT的参数 ICM 集电极最大允

25、许电流 当集电极电流增加时， 就要下降，当 值下降到 线性放大区 值的2/3时所对应的最大集电极电流 极限参数 当ICICM时，三极管并不一定会损坏。 PCM 集电极最大允许功耗 集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCBIC VCE ， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB 。 Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect 极限参数 反向击穿电压 表示三极管电极间承受反向电压的能力 V (BR) CBO V (BR) CES V (BR) CER V (BR) CEO Ch1 Semiconductor1.4 BJT

26、 Sect 直流参数 1.集电极基极间反向饱和电流Icbo Icbo的下标cb代表集电极和基极， O是Open的字头，代表第三个电极E开路。 GeGe管： A A量级 SiSi管：nAnA量级 2.集电极发射极间的穿透电流Iceo Iceo和Icbo有如下关系 Iceo=（1+ ）Icbo 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流 Ch1 Semiconductor1.4 BJT Sect 电流放大系数 共基直流电流放大系数 E C I I 共基交流电流放大系数 共射交流电流放大系数 = ic/ ib = ic/ ie B C I I 共射直流电流放大系数 Ch1 Semiconduct

27、or1.4 BJT Sect 1.5 1.5 场效应管 FETFET Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 1.5.0 半导体器件的控制类半导体器件的控制类 型型 电流控制 电压控制 FET与BJT的区别 1. BJT是电流控制元件；FET是电压控制元件。 2. BJT参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； FET是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单级型器件。 3. BJT的输入电阻较低，一般102104 ； FET的输入电阻高，可达1091014 场效应管的分类 结型场效应管JFET MOS型场效应管MOSFET Ch1 Semiconduct

28、or1.5 FET Sect Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 1.5.1 JFET 结型场效应管的分类结型场效应管的分类 结型场效应管的结构结型场效应管的结构 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 JFETJFET结构 JFETJFET分类 可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107 。 P+P+ N G S D N沟道结型场效应管 导电沟道 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect JFETJFET工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条 件下，对于N沟道结型

29、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。现以N沟道为例说明其工作原理。 P+P+ N G S D UDS ID D P+P+ N G S UDS ID UGS 预夹断 UGS=UP 夹断状态 ID=0 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏 极电流ID。 当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小， 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。 当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。 JFETJFET工

30、作原理 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect JFETJFET特性曲线 UP 转移特性曲线输出特性曲线 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 结 型 场 效 应 管 N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 1.5. 2 MOSFET 增强型增强型MOSFET 耗尽型耗尽型MOSFET N N沟道增强型MOSMOS场效应管结构 增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管 漏极D集电极C 源极S发射极E栅极G基极B 衬底B 电极金

31、属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成 一层耗尽层，但负离子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表面形成一 层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的 作用下形成ID。 UDS ID + + - - + - + + - - - UGS 反型层 当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会 在D、S间形成电流ID,即ID0. 当UGSUT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步 增加 开始无导电沟道， 当在UGS UT时才形 成沟

32、道,这种类型的管 子称为增强型MOS管 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect N N沟道增强型MOSMOS场效应管特性曲线 增强型增强型MOSMOS管管 U UDS DS一定时，U UGSGS对漏极电流I ID D的控制关系曲线 I ID D= =f f( (U UGS GS) ) U UDSDS=C =C 转移特性曲线 UDSUGS-UT UGS(V) ID(mA) UT 在恒流区，ID与UGS的关系为 IDK(UGS-UT)2 沟道较短时，应考虑UDS对 沟道长度的调节作用： IDK(UGS-UT)2（1+ UDS) K导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数 L W

33、C K OXn 2 L WK 2 n S K 2 DS UL L n沟道内电子的表面迁移率 COX单位面积栅氧化层电容 W沟道宽度 L沟道长度 Sn沟道长宽比 K本征导电因子 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect N N沟道增强型MOSMOS场效应管特性曲线 U UGS GS一定时， I ID D与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线 I ID D= =f f( (U UDS DS) ) U UGSGS=C =C 输出特性曲线 1.可变电阻区： ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS 0dU D DS on GS dI dU R 2K 1 UU 1 T

34、GS UGS=6V UGS=4V UGS=5V UGS=3V UGS=UT=3V UGS(V) ID(mA) 当UGS变化时，RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 当UGS一定时，RON近似为一常数 因此又称之为恒阻区 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect N N沟道增强型MOSMOS场效应管特性曲线 输出特性曲线 2. 恒流区： 该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变 3.击穿区： UDS 增加到某一值时，ID开始 剧增而出现击穿。 当UDS 增加到某一临界值时， ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电 压。 UGS=6V UGS=4V UGS=5V UGS=3V

35、 UGS=UT=3V UGS(V) ID(mA) Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当UDS为0或较小时，相当 UGDUT， 此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜 线分布。在UDS作用下形成ID Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect Sect 当UDS增加到使UGD=UT时， 当UDS增加到UGD UT时， 增强型增强型MOSMOS管管 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开 启的情况，称为预夹断。

36、此时的漏极电流ID 基本 饱和 此时预夹断区域加长，伸向S极。 UDS增加的 部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本 趋于不变。 Ch1 Semiconductor1.5 FET MOSMOS管衬底的处理 保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态 NMOS管UBS加一负压 PMOS管UBS加一正压 处理原则： 处理方法： Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管结构 耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管 + + + + + + + 耗尽型MOS管存在 原始导电沟道 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sec

37、t N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管工作原理 当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID, 此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示 当UGS0时，将使ID进一步增加。 当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的 UGS称为夹断电压，用符号UP表示。 UGS(V) ID(mA) N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线 转移特性曲线 在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(UGS-UP)2 沟道较短时，IDK(UGS-UT)2（1+ UDS) UP ID IDSS(1- UGS /UP)2 常用关系式： Ch1 Semiconductor1

38、.5 FET Sect N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线 输出特性曲线 UGS=6V UGS=4V UGS=1V UGS=0V UGS=-1V UGS(V) ID(mA) N N沟道耗尽型MOSMOS管可工作在U UGS GS 0 0或U UGSGS0 0 N N沟道增强型MOSMOS管只能工作在U UGS GS0 0 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线 绝 缘 栅 场 效 应 管 N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 绝 缘 栅 场 效 应 管 N 沟

39、道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 场效应管的主要参场效应管的主要参 数数 直流参数直流参数 交流参数交流参数 极限参数极限参数 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏 极电流。 1. 开启电压UT 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。 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 4. 直流输入

40、电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管 ，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。 5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。 6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用 CU CU GS D m BS DSdU dI g gm的求法: 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率 解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2 )U2

41、K(Ug TGSm Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用 CU CU BS D m GS DSdU dI g b m mb g g 跨导比 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 3. 漏极电阻rds CU CU D DS d GS BSdI dU r s 反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率 4.导通电阻Ron CU CU D DS GS BSdI dU on R 在恒阻区内 m g 1 Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 5.

42、极间电容 Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容 主要的极间电容有： Ch1 Semiconductor1.5 FET Sect 1.6 1.6 运放模 型 Ch1 Semiconductor1. 6 OP Sect - N + P Vo + - AV (VPVN) 运算放大器运算放大器 Ch1 Semiconductor1. 6 OP Sect - N + P Vo 运算放大器运算放大器 Ch1 Semiconductor1. 6 OP Sect 运算放大器运算放大器 Ch1 S

43、emiconductor1. 6 OP Sect 理想运放 1. 开环电压增益AV= 2. 输入电阻Ri= 3. 输出电阻Ro=0 4.频带宽度B= 5.共模抑制比CMRR= 6.失调、漂移和内部噪声为零 主要条件 条件较难满足， 可采用专用运放 来近似满足。 Ch1 Semiconductor1. 6 OP Sect 理想运放应用举例理想运放应用举例 u1 u2 u3 由 4 个 理想运放组 成的电路如 图，求uo 。 Ch1 Semiconductor1. 6 OP Sect 理想运放的工作状态理想运放的工作状态 1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 2. 理想运放的同相和反相输入

44、端电位近似相等 虚断 虚短 在运算放大器处于线性状态时，可以把两输入端视为假想短路简 称虚短。 虚地 如将运放的同相端接地，即VP =0，则VN =0,即反相端是一个不接 “地”的“地”，称为虚地。 由于理想运放的输入电阻非常高，可以把两输入端视为等效开路 简称虚断。 半导体器件的命名半导体器件的命名 Ch1 Semiconductor 应用基础 中国国标命名： Ch2 基本小信号放大器基本小信号放大器 2.1 2.1 共e e放大器和图解法 2.2 2.2 微变等效电路分析法 2.3 2.3 工作点的稳定 2.4 2.4 BJTBJT放大器其他组态 2.5 2.5 FETFET放大器 2.6

45、 2.6 OP、 BJTBJT与FETFET的比较 2.7 2.7 多级放大器 2.1 2.1 共e e放大器和图解法 Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp Sect 2.1.1 共共e放大器放大器 放大的概念放大的概念 放大器的工作原理放大器的工作原理 放大器的静态分析放大器的静态分析 放大器的动态分析放大器的动态分析 放大的概念 Sect Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp 基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。 1.1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了 放大，输出信号的能量得到了加强。 2. 2

46、.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制， 使之转换成信号能量，提供给负载。 基本放大电路的组成 Sect Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp EC Rc Ui + - Uo + - Rb Eb 简化： 1. 两个电源用一个Ec,去掉Eb,Rb改接由Ec供电 2. 公共端接地，设其电位为0，其他各点电位以它做参考点。因此可不 画Ec,只标出极性和大小。 Uo Ui EC 放大电路的静态分析 静态U Ui i=0=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。 静态分析 确定放大电路的静态值IB、IC、UCE,即静态工作点Q。静态 工作点的位置直接影响

47、放大电路的质量 静态分析方法计算法图解分析法 1. 计算法 借助于放大电路的直流通路来求 直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容 和旁路电容开路，即可得到。 Uo Ui EC 放大电路的静态分析 1. 计算法 EC IB IC UBE UCE Si管：UBE=0.6V0.7V Ge管:UBE=0.2V0.3V b BEC B R UE I （2）求静态值 b C R E BC II （1） 首先画出直流通路 求解顺序是先求IBICUCE UCE=EC-ICRC 2. 图解法 放大电路的输入和输出直流负载线 三极管的输入和输出特性曲线 确定静态工作点 （1）由输入特性曲线和输入直流负载线

48、求IBQ、UBEQ EC IB IC UBE UCE UBE=EC-IBRb 直流负载线 iB uBE Ec/Rb Ec IB UBE Q - 1/Rb 作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交 点即是静态工作点Q，由Q可确定IB、UBE 放大电路的静态分析 UCE=EC-ICRc 直流负载线 （1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IB、UBE 2. 图解法 （2）由输出特性曲线和输出直流负载线求IC、UCE EC IB IC UBE UCE 求两点 IC=0 UCE=EC UCE=0 IC=EC/Rc 作出直流负载线，直流负载线和输出特性曲线的有 多个交点。 只有与iB=IB对应的那条曲

49、线的交点才是静态工 作点 放大电路的静态分析 2. 图解法 由图可见： 如改变Ib的数值，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电 路的放大质量 放大电路的静态分析 1.由直流负载列出方程 UCE=UCCICRc 2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。 关键：直流负载线的确定方法： 3.在输入回路列方程式UBE =UCCIBRb 4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。 5.得到Q点的参数IB、IC和UCE。 2. 图解法 EC 、 EC /Rc 放大电路的静态分析 动态 有输入信号U Ui i00时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态 1. 放大电路的

50、交流通路 动态分析确定放大电路的放大倍数AU 或AI 输入电阻ri和输出电阻ro （1） 将放大电路中电容视作短路 交流通路的画法： （2） 直流电源电阻很小，对交流可视作短路 即可得到放大电路的交流通路 放大电路的动态分析 Uo Ui EC 1. 放大电路的交流通路 Uo Ui Ii Ic Ib 2. 放大电路的工作过程 当有交流信号ui加到放大器的输入端时，晶体管各点的电压和电流将 在静态值基础上叠加一交流分量，此时电路中的信号即有直流，又有 交流。 放大电路的动态分析 ui uBE UBE t uCE UCE uo 规定直流分量：大写字母、大写下标 交流分量：小写字母、小写下标 交直流叠

51、加量：小写字母、大写下标 放大电路交流（动态）分析 2. 放大电路的工作过程 三极管放大作用 变化的 通过 转变为 变化的电压输出 c i c R ui ube ib ic( ib) icRc uce uo uo与ui的极性相差1800 Uo Ui EC Uo Ui Ii Ic Ib uce= -icRL 放大电路的放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所 放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍 数, ,通常它们都是按正弦量定义的。 电压放大倍数定义为 ioU /UUA 电流放大倍数定义为 ioI / IIA )(lg20)( i o U dB

52、U U dBA )(lg20)( I dB I I dBA i o Sect Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp Sect 2.1.2 放大器的图解分析法放大器的图解分析法 通过作图的方法求AU、AI及放大电路的最大不失真电压 交流负载线 交流负载线确定方法： 1. 通过输出特性曲线上过Q点 做一条斜率为1/RL直线。 2.交流负载电阻RL= RLRc 3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q 的运动轨迹。 uo ui ii ic ib 比直流负载线要陡 图解分析方法 1. 求出静态工作点Q 2. 画出交流通

53、路，求出交流负载电阻RL=Rc/RL 3. 以Q为基准，在输入特性曲线上，根据ui的变化波形求出ib的波形 及幅值Ibm 作出交流负载线 Uo Ui EC Uo Ui Ii Ic Ib EC IB IC UBE UCE Uo Ui EC Uo Ui EC Uo Ui Ii Ic Ib Ibm Icm Uom 图解分析方法 不截止 Ucm1 不饱和 Ucm2 图解分析方法 6. 求增益AU=Ucm/UimAI=Icm/Iim 7. 确定放大器的最大工作范围-最大不失真电压 Ucm=min(Ucm1,Ucm2) 通过图解分析，可得如下结论： 1.1.ui uBE iB iC uCE uo 2.2.

54、uO与ui相位相反； 3.3.可以量出放大电路的电压放大倍数； 4.4.可以确定最大不失真输出幅度。 饱和失真 截止失真 由于放大电路的工作点 达到了三极管的饱和区 而引起的非线性失真。 由于放大电路的工作点 达到了三极管的截止区 而引起的非线性失真。 波形的失真 双向失真 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要： 1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2.要有合适的交流负载线。 3. 输入信号的幅度不能太大 工作点位置合适 信号过大 而引起的非线性失真。 Sect Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp 2.2 2.2 微变等效电路分析法 2.2.1 H参

55、数等效电路 2.2.2 微变等效电路分析法 Ch2 Basic Amp2.2 H Parameter Sect 2.2.1 H参数等效电路参数等效电路 共射h参数模型 模型建立：小信号、忽略晶体管的电容效应和非线性 )U,f(IU cebbe )U,f(II cebc 输入特性曲线： 输出特性曲线： ceI ce be bU b be be dU U U dI I U dU bce ceI ce bU b c dU U I dI I I dI bce c c 取全微分： ceI ce be bU b be be U U U I I U U bce ceI ce bU b c U U I I I

56、 I I bce c c 共射h参数模型 hie=Ube/ IbUce=C 称为输入电阻，即 rbe 称为反向电压传输系数。 也称电压反馈系数 hfe=Ic/ IbUce=C 称为电流放大系数，即 。 hoe=Ic/ Uce Ib=c hre=Ube/ UceIb=c 称为输出电导，即1/rce。 共射h参数模型 cerebiebe UhIhU ceoebfec UhIhI Ib Ube + - Uce + - Ic Ube + - Uce + - Ib b e c Ichie + - hreUce hfeIb 1/hoe Uec + - Ib Ubc + - Ie Uec + - Ib b

57、c e Iehic + - hrcUec hfcIb 1/hoc Ie Ueb + - Ic Ucb + - Ucb + - Ie e b c Ichib + - hrbUcb hfbIe 1/hobUeb + - Ubc + - 共集h参数模型 共基h参数模型 三种组态的h参数的关系如表所示p38，三种h参数是可以互换 例：已知三极管共射h参数: hie=1.4K hre=3.37 10-4 hfe=44 hoe=27 10-6S 该三极管连成共基电路，求它的共基h参数值 解： 31 1 fe ie ib h h h 4 105 1 fe oeie rb h hh h 978. 0 1 fe

58、 fe fb h h h S h h h fe oe ob 6 106 . 0 1 共射和共基的反向传输系数很小，输出电阻都很高。 h参数简化模型 简化条件： 1. RLhie 可忽略 Uo Us Ii Ic hie hfeIi Ui 1. 输入阻抗 ri ri i i i I U r ri=hie 如考虑Rb的影响， ri ri=Rb/hie 定义： Ube Uce hfeIb hie 共射h参数等效电路分析方法 Uo Us Ii Ic hie hfeIi Ui 2. 电流增益AI i o I I I A = hfe 3. 电压增益AU i o U U U A ie Lfe h Rh 考虑信

59、号源内阻RS的影响 s o Us U U A i o s i U U U U ie Lfe is i h Rh rR r 增加放大增益有效的方法：适量增加IEQ EQ feie I 26 )h(1003h = -IcRL Iihie 共射h参数等效电路分析方法 4. 输出阻抗 步骤： （1）将输入信号源电压Us短路，即 Us =0 （2）将负载开路即RL=,并在输出端外加一激励信号Uo （3）在Uo激励下，产生电流Io,则输出阻抗ro Uo Us Ii Ic hie hfeIi Ui o o o I U r Ii hie hfeIi Ui Io Uo ro ro= 如考虑Rc电阻对输出阻抗的影

60、响 Uo Us Ii Ic hie hfeIi Ui roro ro=Rc Sect Ch2 Basic Amp2.2 H Parameter Ch2 Basic Amp2.2 H Parameter Sect 2.2.2 微变等效电路分析法微变等效电路分析法 Sect Ch2 Basic Amp2.2 H Parameter 2.3 2.3 工作点的稳定 工作点稳定问题 解决方案 电路实例 Ch2 Basic Amp2.3 Stabilizing Q Sect 工作点稳定问 题 讨论讨论： 电路中的不稳定因素 Ch2 Basic Amp2.3 Stabilizing Q Sect 稳定工作点