硬件电路设计基础知识

1、硬件电子电路基础关于本课程第一章半导体器件1-1半导体基础知识1-2PN结1-3二极管1-4晶体三极管1-5场效应管第二章基本放大电路2-1晶体三极管基本放大电路2-2反馈放大器的基本概念2-3频率特性的分析法2-4小信 号选频放大电路2-5场效应管放大电辞L|第三章模拟集成电路31叵流源电路32差动放大电路33集成运算放大电路34集成运放的应用35限幅器（二极管接于运放输入电路中的限幅器）36模拟乘法命第四章功率放大电路41功率放大电路的主要特点142乙类功率放大电路43丙类功率放大电路44丙类谐振倍频电路第五章正弦波振荡器51反馈型正弦波振荡器的工作原理52LC正弦波振荡电路53LC振沸器

2、的频率稳定度54石英晶体振扬器55RCF眩波振荡器第/、章线性频率变换振幅调制、检波、变频61调幅波的基本特性62调幅电路63检波电路64变频第七章非线性频率变换角度调制与解调71概述72调角信号分析7二3一调频及调可信号的产生一7-4频率解调的基本原理和方法第八章反馈控制电路81自动增益控制（AGC）82自动频率控制（AFC）83自动相位控制（APC）PLL、什么是半导体半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率）（如：硅Si错Ge等+4价元素以及化合物）、半导体的导电特性-11弟本征半导体一一纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。硅和错的共价键结构。（略）1、半导

3、体的导电率会在外界因素作用下发生变化管子热敏元件光敏元件等2、半导体中的两种载流子自由电子和空穴自由电子受束缚的电子（一）空穴电子跳走以后留下的坑（+）三、杂质半导体N型、P型（前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。N型半导体（自由电子多）掺杂为+5价元素。如：磷；种P+5价使自由电子大大增加原理：Si-+4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。载流子组成:o本征激发的空穴和自由电子数量少。0掺杂后由P提供的自由电子数量多0空穴少子0自由电子多子P型半导体（空穴多）掺杂为+3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加原理：Si-+4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。B-载流

4、子组成:o本征激发的空穴和自由电子数量少,0掺杂后由B提供的空穴数量多o空穴多子0自由电子少子结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子;杂度照掺温光P型半导体中的多数载流子为空穴-2PN结一、PN结的基本原理1、什么是PN结将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域2、 PN结的结构F*+分界面上的情况：P区：空穴多N区：自由电子多扩散运动：多的往少的那去，并被复合掉。留下了正、负离子。（正、负离子不能移动）留下了一个正、负离子区耗尽区。由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。方向：N-P大小：与材料和温度有关。（很小，约零点几伏）漂移运动：由于内建电场

5、的吸引，个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。结论：在没有外加电压的情况下，扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反。总电流为、PN结的单向导电特性P+P+N此时总电流=反向饱和电流（漂移电流）：I5注：反向饱和电流I5只与温度有关，与外加电压无关。【PN结的反向击穿】：齐纳击穿：势垒区窄，较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键，导致反向电流剧增。7V当反向电压在4V和7V之间的时候，两种击穿均有。1、外加正向电压时：（正偏）结论：势垒高度2、外加反向电压时:PN结宽度（耗尽区宽度）J扩散电流（反偏）结论：势垒高度PN结宽度（耗尽区宽度）扩散电流（趋近于0）J【PN结的电

6、容效应】：势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下，电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容。（反偏减小，正偏增大）扩散电容：当PN结外加正向电压时，由于扩散作用，从另一方向本方注入少子，少子注入后，将破坏半导体的电中性。为了维持电中性，将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体，在半导体中形成空穴-电子对储存。外电压增量引起空穴-电子对存储就象电容充电一样。PN结等效为：两个扩散电容+一个势垒电容。（对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内）反偏：扩散电流=0,以势垒电容为主。正偏：扩散电流很大，以扩散电容为主。-3二极管PN+H、伏安

7、特性曲线/A1 .正向特性：正向电压较小时，正向电流几乎为0死区。当正向电压超过某一门限电压时，二极管导通，电流随电压的增加成指数率的关系迅速增大。门限电压（导通电压）UD:硅管0.5-0.7V错管0.1-0.2V2 .反向特性：当外加电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。当外加电压大于反向击穿电压UB时，反向电流随电压急剧增大（击穿）。3 .伏安特性解析式在理想条件下，PN结的伏安（电流与结电压）关系式：呈指数关系11式2-D式中：q电子电荷量L1-K波尔兹曼常数1-T绝对温度0K（-273C）红.5令：q（室温下UT=26mV）伏安关系式简化为：一二当电压超过100mV时，公式

8、可以简化为：U加正向电压时：,一.加反向电压时：I=-IS从二极管的伏安特性曲线上可以看出：二极管是非线性元件，等效电阻的大小与hU26期，矶二丁例：用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻，结果一样吗?特殊二极管：稳压二极管；变容二极管；发光二极管;-4U二极管应用：1.整流：略2,稳压：稳压管稳压电路。P22Fig1-3-163.限幅器：二极管限幅器。P24-26串联、并联、双向例：P521-2-4晶体三极管、结构及符号b区极薄C结面积e结e区搀杂浓度最大，b区搀杂浓度最低（不能将两个二极管兑成一个三极管来用）、晶体管的四种工作状态状态发射结电压集电结电压放大正反截止反反饱和P正正倒置反正直

9、流电阻（静态电阻）Rj一刃Q点有关。交流电阻三、放大状态下晶体管中的电流注：交流有效值大写小写；交流值小写小写；瞬时值小写大写；静态值大写大写；*注意：实际电流的流向是与电子流的方向相反的。用很少量的IB来控制IC。即三极管实际上是一个电流控制电流源-CCCSTI_UEE口或三个电极电流满足：|E=|B+|C工作在放大状态下的NPN管一定为：IB、IC流入，IE流出工作在放大区的条件：NPNUCUBUE;PNPUCUBUS,才能收集电子。漏极D和源极S,可以互换着使用。4.输入特性:栅极电流就是PN结的反向饱和电流。它几乎不随电压变化。5.输出特性曲线：以UGS为参变量，描述ID和UDS之间的

10、关系。二、绝缘栅型场效应管不饱和区F*-e恒七Z源极漏根2符号:N沟道P沟道栅极（_T窄，（即改变半导体的体电阻）达到控制电流的作用。VCCS要求栅极G一定要反偏。工作在放大状态时要求有:1结构：（以N沟道为例）增强型耗尽型N沟道JP沟道EJIJ场效应管特性比较P47Tab1-23原理：增强型：原始没有导电沟道，靠外加电压后形成反型层导电沟道。要求必须给栅极G加正向偏压。耗尽型：原来已经有导电沟道存在（掺杂造成的），靠外加电压使沟道中的载流子耗尽。所加栅极电压可正、可负。正：同增强型;负：同结型；第二章基本放大电路2-1晶体三极管基本放大电路2-2反馈放大器的基本概念2-3频率特性的分析法2-

11、4小信号选频放大电路2-5场效应管放大电路21晶体三极管基本放大电路、放大器的组成2.符号有:UDUGUS1、放大电路的功能和主要研究问题什么是放大器：输出信号能量输入信号能量的器件。（增大的能量是由电源提供的。）放大器的要求：1、能放大；2、不失真；主要问题：产生失真的条件和如何减小失真；主要指标是放大倍数：A=42、三种基本放大电路（三种组态）三种组态：共射；共基；共集;要实现放大作用：必须满足发射结正偏，集电结反偏。（UCUBUE;PNP-UCUBRC;RB几百K,RC几K放大级的图解分析放大级的图解分析法是利用晶体管的特性曲线通过作图的方法来分析放大电路的基本性图解分析法的特点是直观。

12、图解分析法的步骤是：1、先分析无输入信号时的静态特性。2、再分析有信号输入时的动态特性o（一）、静态特性NPN,PNP者B是这样），即：NPN1、任务：求解静态工作点Q。（管子各极电流和各电极之间的电压）2、静态工作点Q的定义：未加交流信号的情况下，在固定直流偏压作用下,|BQ、ICQ、UBEQ、UCEQ也为一个固定的值。它们在曲线上对应着一个固定的点Q点。3、在给定电路中求解静态工作点Q（以共射电路为例）*解释：由于晶体管为非线性元件，它的输出伏安关系符合它的输出特性曲线。而晶体管所带的负载是电阻，它是线性元件。伏安关系符合基尔霍夫定律，为一条直线。（我们将在放大器直流输出回路中满足电压和电

13、流关系的这一条直线称为直流负载线。）那么放大电路既要满足晶体管的非线性特性曲线，又要满足负载电阻的直线，结论是只能将这两种线画在同一个坐标系中，从中取它们的交点。这个交点Q点。求解静态工作点的步骤:列输入方程，求出IBQ：列输出方程，在1cUCE图中画出直流负载线。UCE=UCC-ICRC根据公式：分别取当IC=0时：UCE=UCC；0UCE=0时：|C=UCC/RC；将这两点连上即得到直流负载线。从图上找出交点静态工作点Q在图上对应标出IBQ、UCEQ图解法可以直观地反映出Q点改变对放大作用的影响其中UBE=0.6V（二）、动态特性分析动态特性（在静态特性求解完成的基础上分析）电路工作在放大

14、状态条电压作用时，各个电极电压、电流的变化情况。当外加了交流电压或电流信号时，由于管子和负载也还是要同时满足它们各自的伏安关系曲线，所以工作点将会沿着负载线上下移动。在有外加输入信号作用时，输出的信号为直流和交流的叠加。1作交流负载线画出输出回路的交流通路。由于交流负载的改变，使得交流负载线为一条通过静态工作点Q但是斜率改变为的直线。2.失真分析静态工作点、输入信号幅度、负载电阻大小对输出波形的影响。负载一定时：从图中可以看出：共射电路有倒像。件下，外加交流料率为局Evf耳I从上图分析可知：Q1点合适无失真Q2点太高饱和失真Q3点太低输入信号幅度过大也会造成失真。（见上图红笔所画）UCC一定时

15、，RC越小，负载线越陡。当RC过大时，会造成饱和失真。结论：放大器工作无失真条件为：1、Q点选择合适；2、输入信号幅度不能过大；3、负载大小要合适；三、放大级的等效电路分析法比较：图解分析法：可以画出来，直观。用来研究大信号、非线性失真等效电路法：不好画，用来分析小信号时，定量的计算等效：对外不对内。（对晶体管的外部交流电压、电流等效）当加到发射结上的交流信号电压足够小时；当管子工作在放大区内时；这时，我们可以把管子视为一个线性的电流控制电流源（CCCS）。线性有源四端网络。（一）、晶体管h参数等效电路截止失真并可以把它代换成为一个注意：其中受控源的极性要根据Ube的方向来确定。友一丁输出父流

16、短路时的输入电阻；而也下务；忆4-0比p=方-输出交流短路时的电流放大系数p；输出交流开路时的输出电导，很小，可忽略饶yQ（它说明输出电压对输出电流的影响。）（二）、用h参数等效电路分析放大器共射极放大电路需要计算：A放大器的放大倍数二=一5As=AS源电压放大倍数 5分析步骤:画出放大电路的交流通路。（电容短路，直流电源接地）画h参数等效短路图。（将晶体管h参数等效电路去替代交流通路中的晶体管。将等效电路的e、b、c相应地接在电路中的e、b、c上。计算AS工-明应用戴维南等效电源定理可以将等效电路的左半部分进行化简:化简后的图为:（负号表示，输入和输出信号之间有倒相）鸟，一、一.一一，,.一

17、.如果满足RRs的条件，则有Rs=Rs/RbjyRs,上式可以化简为:放大器的输入电阻R&=RbK放大器的输出电阻Ro凡陶凡（三）、放大倍数的对数表示法采用对数表示的原因人的感官，对声音和光线的强弱的感觉与它们功率的对数成正比。即：声音功率增强一倍，人没觉得强烈了那么多。只有当功率的对数值增强了一倍时，人们才觉得强了一倍。分贝（贝尔）贝尔取功率放大倍数以10为底的对数值。1贝尔=10分贝（dB）又因为：功率和电压/电流的平方成正比。有:例：功率放大10倍lg10=10dB电压放大10倍21g10=20dB功率增大1倍101g2=3dB电压增大1倍21g2=6dB（四卜共基极放大级的特点

18、电路图略。结论：电路有电压放大倍数：大小与共射电路相同；方向与共射电路相反；即：输入信号和输出信号同相。无电流放大倍数IC用IE。五、多级放大级耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合多级放大器的放大倍数：总放大倍数（增益）=各级放大器放大倍数（增益）的乘积总放大倍数（分贝）=各级放大器放大倍数（分贝）的和I”W=201g4dB-1.dB2-2反馈放大器的基本概念、什么是反馈反馈把放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）送回输入端.,.净输入信号Xi=原外加信号Xi+反馈信号XF显然：正反馈使放大倍数增加；负反馈使放大倍数下降；负反馈在放大器中的作用：交流：稳定放大量；减小非线性失真；扩

19、展同频带;直流：稳定静态工作点Q;(c)RF：并联一电压一负反馈首先判断电路有无反馈存在。(a)无、(b)(c)有。图(b)步骤：1、先判断有无反馈：有；反馈支路RF；2、实际分析：俄持相对篇定3、再判断反馈类别：用瞬时极性法标注b(+)；e(+)；输入信号和反馈信号加在管子不同电极，并且符号相同。负反馈速判断反馈正、负性质的方法瞬时极性法步骤：1、假定输入信号的瞬时极性，逐步标出放大器各级输入和输出电压的极性2、将反馈电压的瞬时极性和输入电压的瞬时极性相比较。判断：两个信号加到同一电极上，极性相反负反馈；极性相同正反馈；两个信号加到不同电极上，极性相同负反馈；极性相反正反馈；判断反馈性质：输

20、入端用/并联反馈、输出端电流/电压反馈1、从输入电路的连接方式上来加以区分判断申、并联反馈从改变信号源内阻RS的大小，观察反馈量的变化来区分串联反馈：信号源短路反馈存在从反馈量的连接形式上区分串联反馈：反馈信号与输入信号加在晶体管的不同电极上；并联反馈：反馈信号与输入信号加在晶体管的同一电极上；2、从输出电路的连接方式上来区分电压反馈和电流反馈电压反馈反馈电压和输出电压成正比；电流反馈反馈电流和输出电流成正比；从改变负载电阻RC的大小，观察反馈量的变化来区分当：RCJ至0时，UFJ至0,电压反馈；当：RCJ至0时，IF依然存在，,，电流反馈；从连接形式上区分：当：反馈信号和输出信号接在同一点上

21、时电压反馈；反馈信号和输出信号接在不同点上时电流反馈；注意：当负载不变的条件下，输入信号变化，输出信号也随之变化，并且电压和电流成正比。可见：当负载不变时，电压反馈和电流反馈无区别。、两级反馈电路判断有无反馈：（本级；越级；）本级：T1管：无反馈；T2管：有反馈，反馈支路RE2；并联反馈：信号源短路反馈不存在越级：Ti管T2管：有反馈，反馈支路RF；用瞬时极性法进行标注：（见图）结论:本级：T1管：无反馈；T2管：有反馈，反馈支路RE2；负反馈;越级：T1管T2管：有反馈，反馈支路RF；负反馈;四、负反馈放大电路的一般表达式开环电压增益:电压反馈系数:环反馈系数：电压反馈深度:闭环电压增益：（

22、加反馈后的电压放大倍数）/巩.fQ5 叫/AB深度负反馈反馈信号远远大于放大器的有效输入信号的负反馈电路。深度负反馈情况下：由于1+AF10时，有：Af=-F五、负反馈对放大电路性能的影响（一）、放大器静态工作点的稳定由于IB的忽略，UBQ可以视为不随温度变化的固定电位电路稳定Q点的过程：I储特相对酶定注：实际上稳定的是电流ICQ而不是电流|BQ03、放大倍数的稳定性1.放大器静态工作点不稳定的因素:受温度影响：ICBO；UBE；p;都会使Q点提高晶体管P值的离散性。(20-200均合格)2.稳定Q点的偏置电路:电路为：串联一电流负反馈-，UE=UBUBEu痼定uBEq今1小口侬-7比一出(%

23、+&)电压反馈稳定输出电压；电流反馈稳定输出电流；直流反馈稳定静态工作点；交流反馈改善交流性能；加入负反馈后，放大倍数比从前提高了1+AB倍。（二）、负反馈对输入、输出电阻的影响串联反馈提高输入电阻；并联反馈降低输入电阻；电压反馈降低输出电阻；电流反馈提高输出电阻；（三）、负反馈对非线性失真的影响采用负反馈使有效输入信号波形产生预失真，负反馈越深，非线性失真消除得越好，增益也越小。但注意：在开环时，动态范围必须留有余量。（四）、负反馈对噪声的影响反馈环前必须加一个放大器AO才可以提高信噪比，使得纯信号增大，噪声干扰信号降低否则，和没加一样。六、两种常用的负反馈放大电路（一）、射极输出器

24、（共集电极放大器）1、电路介绍：电路为：串联一电压负反馈，并且输出电压全部反馈回到输入端。2、特性分析:静态工作点计算:交流等效电路图:应用戴维南等效电源定理:电压放大倍数：,:二.”工:;,输入电阻：7Ihh输出电阻：（用外加电压法计算，将信号源短路）=巳=因/&+/）=廉+/吗甘-7.7+氏一1十.为%3、射极输出器的特点：输入电阻大，输出电阻小；（可以作为多级放大器的输入级，或作为隔离用。）,电压放大倍数近似为1;输入、输出信号同相；（二）、包流管电路1、电路介绍：电流一串联负反馈，作为二端网络来使用；与分压式稳定Q点的共射电流类似，由于UB固定，输出电流基本固定，而不随UCD变

25、化，从而实现恒流作用。2、特性分析:输出电流：输出直流电阻:输出交流电阻:2-3频率特性的分析法什么是放大器的频率特性（响应）：放大器的放大量随着信号频率变化的状态对比：非线性失真由于晶体管工作在非线性区，对幅度大小不同的信号放大量不同。频率失真放大器对不同频率的信号放大量不同。（由于电路中有（线性失真）L、C电抗元件造成。）即：将幅度相同而频率不同的信号加入放大电路的输入端，将会出现输出信号的波形与输入信号的波形不同的现象，称为频率失真。一、放大电路不产生频率失真的条件理想：对所有频率成分同等放大，相移和频率成正比。增益用复数表示：工/0频率特性参数：截止频率：电压或电流放大倍数减至0.70

26、7倍时的频率下截频他上截频fho通频带：两个截止频率之间的频带。BW=fhFL、分析频率特性的工程简化法分频段简化处理。步骤：画出等效电路图;为了将失真控制在一定范围内,率点，相当于电压或电流的把半功率点作为放大器放大倍数下降的最大允许值。（半功或0.707。）分频段对等效电路进行简化；求时间常数.?=求上、下截频；画出波特图；三、晶体管的高频参数及等效电路X所有的放大器的放大倍数都会在高频端下降。1 .PN结电容：（它是引起高频特性变化的主要原因）势垒电容是正、负离子层在外加电压发生变化时发生变化，从而在外电路中产生容性电流的等效电容。扩散电容当PN结外加正向电压时，由于扩散作用会破坏半导体

27、的电中性。将会由外电路补充进来异性载流子来保持电中性。P区和N区即形成了空穴和电子对的贮存。这种因扩散作用而在外电路产生的容性电流的等效电容。2 .共射极混合元等效电路晶体管的高频分析在高频段，e结和c结都会产生容性电流。以共射电路为例：C结反偏：势垒电容；E结正偏：扩散电容；1因为当频率很高时，电容的容抗为,所以两个电容不能忽略。由于C结反偏，所以r很大，可以视为开路。共射极混合n等效电路其中：rb，b基区体电阻。约为300r高频段等效电路（将Cb分别折合到输入/输出端来算）CM=(1+gRc)Cb。Cbe/CMCbCM密勒电容fp:当p下降为中频时的0.707倍的时候，所对应的频率称为截止

28、频率。fT：当b下降为1时的频率，称为特征频率四、纯阻负载单极放大器的高频特性电路及等效电路:山相频：研=-5强五、单极放大器的频率特性曲线波特图1周折线表示幅频特性的波特图A两边取对数得：.-1由H=-=H-10时，有:L=Lff0时:感性ff。时：容性fUGUS耗尽型：所加栅极电压可正、可负正：同增强型；负：同结型；2、分压偏置电路此电路带有直流电流-串联负反馈，可以稳定静态工作点静态分析：由于栅极上电流为0,所以，RG3上无压降。u广，A二、场效应管放大电路的等效电路分析法1、场效应管的简化等效电路：工作在放大状态时要求有:UDUSUG2、共源放大电路分析：（以N沟道耗尽型绝缘栅型场效应

29、管放大电路为例）=sMRnIIRL)=-gRLUGS=Ui3、共漏场效应管放大电路分析共漏场效应管放大电路又称为源极输出器，它和前面讲过的晶体管的射极输出器很类似，具有相同的特点。电路与分析（略）第三章模拟集成电路31恒流源电路32差动放大电路3-3一集成运算放大电路一34集成运放的应用35限幅器（二极管接于运放输入电路中的限幅器）3-6模拟乘法器1、 1恒流源电路用途：供给放大级作为偏流源或作为有源负载。在振荡器中作为充、放电电流源一、镜像电流源电路2、电路介绍：T1管、T2管具有完全相同的参数，并且发射结电压相同。3、工作原理：IC2的稳定过程：UT叶 T 加.；编四4T蚓T&-加力4、输出电流的计算，。1=禽（由于2,IB忽略不计）Ik=二L（称为镜像电流）、比例电流源1、电路介绍:2、工作原理：和镜像电流源相同3、输出电流的计算党二%+%+RJciR口鼻&/以/=,cr一口便7 豆R/R32差动放大电路零点漂移零点漂移：多级直流耦合放大器中输入端对地短路时，输出电压依然会出现缓慢变化的飘动电压。简称：零漂或温漂。为了克服零漂一一采用差动放大器、基本差动放大器1、电路介绍:两个管子