模电知识总结

第一部分 半导体的基本知识二极管、三极管的结构、特性及主要参数；掌握饱和、放大、截止的基本概念和条件。1、导体导电和本征半导体导电的区别：导体导电只有一种载流子：自由电子导电半导体导电有两种载流子：自由电子和空穴均参与导电自由电子和空穴成对出现，数目相等，所带电荷极性不同，故运动方向相反。2、本征半导体的导电性很差，但与环境温度密切相关。3、杂质半导体（1）N型半导体——掺入五价元素 （2）P型半导体——掺入三价元素4、PN结——P型半导体和 N型半导体的交界面在交界面处两种载流子的浓度差很大；空间电荷区又称为耗尽层反向电压超过一定值时，就会反向击穿，称之为反向击穿电压5、PN结的单向导电性——外加电压正向偏置 反向偏置6、二极管的结构、特性及主要参数（1）P区引出的电极——阳极； N区引出的电极——阴极温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。二极管的特性对温度很敏感。其中，Is为反向电流， Uon为开启电压，硅的开启电压——

0.5V，导通电压为

0.6~0.8V

，反向饱和电流

<0.1μA，开启电压—— 0.1V，导通电压为 0.1~0.3V，反向饱和电流几十

μA。（2）主要参数1）最大整流电流 I：最大正向平均电流2）最高反向工作电流 U：允许外加的最大反向电流，通常为击穿电压

U的一半3）反向电流 I：二极管未击穿时的反向电流，其值越小，二极管的单向导电性越好，对温度越敏感4）最高工作频率 f：二极管工作的上限频率，超过此值二极管不能很好的体现单向导电性7、稳压二极管在反向击穿时在一定的电流范围内（或在一定的功率耗损范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，广泛应用稳压电源和限幅电路中。1）稳压管的伏安特性2）主要参数1）稳定电压 U：规定电流下稳压管的反向击穿电压2）稳定电流 I：稳压管工作在稳定状态时的参考电流。电流低于此值时稳压效果变坏，甚至根本不稳压，只不超过稳压管的额定功率，电流越大稳压效果越好。【附加】限流电阻：由于稳压管的反向电流小于 I时不稳定，大于最大稳定电流时会因超过功率而烧坏，故要串联一个限流电阻保证稳压管正常工作。3）额定功率 P：等于稳定电压 U与最大稳定电流 I的乘积。超过此值时稳压管会因为结温度过高而损坏。4）动态电阻 r：在稳压区，端电压变化量与电流变化量之比。 r越小，说明电流变化时稳定电压的变化越小压特性越好。5）温度系数 α：表示电流不变时，温度每变化 1℃稳压值的变化量，即 α=△U/△T。U<4V 时，α为负值，即温度升高时稳定电压值下降；U>7V时，α为正值，即温度升高时稳定电压值上升；4<U<7V时，α很小，近似为零，性能稳定。7、双极型晶体管——晶体三极管——半导体三极管——晶体管的结构、特性及主要参数主要以 NPN型硅管为例讲解放大作用、特性曲线和主要参数放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真地放大输出， 放大的对象是变化量 。P区很薄且杂质浓度很低，发射区 -上层的N区杂质浓度很高，集电区 -下层的N区面积很大——上述三个区域的特点与晶体管的外特性紧密Ie：发射区杂质浓度高，基区杂质浓度低，大相关。量自由电子越过发射结到达基区。Ib：基区很薄，杂质浓度低Ic：集电结外加反向电压且结面积较大，基区的非平衡少子越过集电结到达集电区，形成漂移电流。可见，在 Vcc的作用下，漂移运动形成集电极电流 Ic。2）特性曲线3）主要参数直流参数①共射直流电流系数β②共基直流电流放大系数α③极间反向电流——硅管的温度稳定性比锗管的好发射极开路时集电结的反向饱和电流—— Icbo基极开路时集电极与发射极间的穿透电流—— Iceo）交流参数①共射交流电流系数β②共基交流电流放大系数α③特征频率 fT——使β下降到1的信号频率称为特征频率）极限参数——为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率耗损的限制①最大集电极耗散功率P——是一个确定的值决定于晶体管的温升。 P=iu=常数②最大集电极电流 I使β明显减小的 i即为I③极间反向击穿电压第二部分 基本放大电路及多级放大电路晶体管放大电路的组成和工作原理。掌握图解分析法和等效模型分析法。掌握放大电路的三种组态及性能特点。电路的三种耦合方式及特点，动态和静态的分析方法。1、放大的概念放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。晶体管和场效应管是放大电路的核心元件。任何稳态信号都可以分解为若干频率正弦信号的叠加，所以放大电路以正弦波为测试信号。2、基本共射放大电路的工作原理（1）设置静态工作点的必要性1）静态工作点—— I 、I 、U2）原因不设置静态工作点会使输出电压严重失真，输出电压也毫无变化。点不仅会影响电路是否会产生是真，还会影响着放大电路几乎所有的动态系数。2）工作原理及波形分析所以选择合适的静态工作点才不会使输出波形产生非线性失真。基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电大作用，并依靠 Rc将电流的变化转化成电压的变化来实现。3、放大电路的组成原则（1）组成原则1） 必须根据所用放大管的类型提供直流电源，以便设置合适的静态工作点并做为输出的能源。2）电阻取值适当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流。3）输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。4）当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。（2）常见的两种共射放大电路1）直接耦合共射放大电路电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均直接相连，故称其为“直接耦合”。2）阻容耦合共射放大电路由于C1用于连接信号源与放大电路，电容C2用于连接放大电路与负载，在电子电路中起连接作用的电容就称为耦合阻容。4、放大电路的分析方法——求静态工作点和各项动态参数（1）直流通路与交流通路直流通路——研究静态工作点：电容视为开路；电感线圈视为短路；信号源视为短路，但要保留其内阻。交流通路——研究动态参数：容量大的电容（如耦合电容）视为短路；无内阻的直流电源（如短路。

+Vcc）视为（2）图解法——多分析（3）等效电路法

Q点位置、最大不失真电压和失真情况1）晶体管的直流模型及静态工作点的估算法直流模型2）晶体管共射 h参数等效模型——只能用于放大电路动态小信号参数的分析共射h参数等效模型（4）静态工作点稳定的必要性1）影响 Q点不稳定的因素中温度对晶体管参数的影响最大。2）稳定静态工作点的措施——利用负反馈或温度补偿5、晶体管单管放大电路的三种基本接法及性能特点接法的判断：输入电压和输出电压的公共端组态共射组态 共集组态 共基组态性能.大 大 小Ai.大小小AuRi中大小rberbe+(1+β)Re’rbe/(1+β)Ro中小大rce(rbe+Rs’)/(1+β)(1+β)rce频率响应差较好好6、多级放大电路的耦合方式、特点，动态和静态分析方法（1）三种：直接耦合、阻容耦合、变压耦合1）直接耦合前一级的输出端直接连接到后一级的输入端。直接耦合多级放大电路常采用的是 NPN和PNP型管混合使用的方法，在图（区，T2管的集电极电位应该低于 T1管的集电极电位。

d）中，为使

T2

工作在放大优点：具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；没有大容量的电容，便于集成。缺点：静态工作点相互影响，带来一定困难；有零点漂移现象。【附加】零点漂移：输入电压为零时而输出电压不为零且有缓慢变化。，温度是主要原因，故又称其为温度漂移。2）阻容耦合前一级的输出端通过电容连接到后一级的输入端T1：共射T2：共集优点：各级静态工作点相互独立；适合于信号频率较高的电路。缺点：低频性能差，不能放大变化缓慢的信号，不易于集成。3）变压器耦合将前一级的输出端通过变压器接入到后一级的输入端或负载电阻上。优点：各级静态工作点相互独立，可实现阻抗变换。缺点：低频性能差，不能放大变化缓慢的信号，不易于集成。2）多级放大电路的动态分析上式即为多级放大电路的电压放大倍数输入电阻为第一级的输入电阻： Ri=Ri1输出电阻为最后一级的输出电阻： Ro=Ron【注意】 当共集放大电路做为第一级时，它的输入电阻与其负载，即第二级的输入电阻有关；当共集放大电路作为最后一级时，它的输出电阻与其信号源内阻，即倒数第二级的输出电阻有关。当多级放大电路的输出波形产生失真时，首先确定是哪一级失真，再判断是饱和失真还是截止失真。第三部分 反馈和反馈放大电路反馈的基本概念：正、负反馈；电压、电流、串联、并联负反馈；掌握反馈类型和极性判断，引入负反馈对放大性能的影响。估算深度负反馈电路的输出、输入间的关系。第四部分 运算电路比例、加减、微积分线性运算电路。应熟练掌握其工作原理和输出、输入间的关系的分析。一般了解对数、指数运算电路的工作原理及一阶、二阶有源滤波器的电路组成、频率特性。1、理想运放的两个工作区其工作区域只有两个：线性区和非线性区下面介绍的各电路中，集成运放均工作在线性区。（1）理想运放的性能指标1）开环差模增益（放大倍数） Aod=∞；）差模输入电阻Rid=∞；）输出电阻Ro=0；）共模抑制比KCMR=∞；5）上限截止频率f=∞；H6）失调电压UOI、失调电流IOI和它们的温漂dUOI/dT(℃)、dIOI/dT(℃)均为零，且无任何内部噪声。2）理想运放在线性工作区）特点：①虚短路：两个输入端电位无穷接近但又不是真正短路。由 ；Aod=∞；uO为有限值可得到 ，即。②虚断路：两个输入端的电流趋于零但又不是真正断路因为净输入电压为零，又因为理想运放的输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即）集成运放工作在线性区的电路特征对理想运放，由于Aod=∞，因而若输入端之间加无穷小电压，则输出电压将超出其线性范围，因而电路中引入了负反馈，才得以保证了集成运放工作在线性区，集成运放工作在线性区的特征就是电路引入了负反馈——可以用是否引入了负反馈来判断电路是否工作在线性区。（3）理想运放的非线性工作区若集成运放不是处于开环状态（即没有引入反馈），就只是引入了正反馈，则表明集成运放工作在非线区。对理想运放，由于差模增益无穷大，2、基本运算电路只要同相输入端和反相输入端之间在运算电路中，以输入电压作为自变量，以输出电压作为函数；当输入电压变化时，输出电压将按一定的数学规有无穷小的差值电压，输出电压就变化，即输出电压反映输入电压某种运算的结果。因此，集成运放必须工作在线性区，在深度负反馈条件下，利用反将达到正的最大值或负的最大值，网络能够实现各种数学运算。即uo与输入电压（ up-uN）不再是介绍比例、加减、积分、微分、对数、指数等基本运算电路。线性关系，其电压传输特性如图在运算电路中，无论输入电压，还是输出电压，均是对“地”而言。有两个特点：（1）比例运算电路1）输出电压只有两种可能： UOM或-UOM。2） ——虚断1）反相比例运算电路①基本电路引入电压并联负反馈；R’为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为uI=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即R’=R/Rf。“虚地”—。得到输出电压和输入电压的关系：负号表明： uI与uO是反相。因为电路引入了深度电压负反馈，且1+AF=∞，所以输出电阻 Ro=0，电路带负载后运算关系不变。因为输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以电路的输入电阻 Ri=R。为得到更大的输出电压从而获得较大的比例系数，引入T形网络反相比例运算电路。T形网络反相比例运算电路电阻R2、R3、R4构成英文字母T。节点N的电流方程：节点M的电位及R3和R4的电流，输出电压及整理式为：因为R3的引入是反馈系数减小，所以为保证足够的反馈深度，应选用开环增益更大的集成电路。）同相比例运算电路输入端和接地端互换，电路引入电压串联负反馈，故可认为输入电阻无穷大，输出电阻为零。根据“虚短”和“虚断”的概念，得到：输出电压为：得到uI与uO同相。虽然此电路有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。）电压跟随器若将电压的全部全部反馈到反相输入端，如图：得到uO=uI=uN=uP。在理想运放的条件下，输出电阻为零，所以可以认为电路的输出为恒压源，带负载后运算关系不变。（2）加减运算电路实现多个输入信号按各自不同的比例求或求差的电路。若所有输入信号均作用于集成运放的同一输入端，则实现加法运算；若一部分输入信号作用于集成运放的同相输入端，而另一部分作用于反相输入端，则实现减法运算。）求和运算电路①反相求和运算电路——所有输入信号均作用于集成运放的反相输入端根据“虚短”和“虚断”原则，uP=uN=0，得到节点N电流为：整理得到 uo的表达式：利用叠加原理，首先分别求出各输入电压单独作用时的输出电压，然后将它们相加，便得到所有信号共同作用时输出电压与输入电压的运算关系。uI1 单独作用时得到：由于R2和R3的一端是“地”，一端是“虚地”，故它们的电流之和为零。因此电路实现的是反相例运算。分别得到R2和R3单独作用时的输出：于是得到总的输出电压为：②同相求和运算电路——所有输入信号均作用于集成运放的同相输入端也可以利用叠加原理求解同相比例运算电路：）加减运算电路有上述可得，输出电压与同相输入端信号极性相同，与反向输入端信号极性相反，因而可将输入信号同时作用于两个输入端时来实现加减运算。利用叠加原理求解，可以分解为下面两个图：解得：相加的总的输出电压为：在使用单个集成运放构成加减运算电路时有两个缺点：若电路只有两个输一是：电阻的选取和调整不方便；二是：对于每个信号源，输入电阻均较小。入，则电路实现了对因此，必要时可采用两级电路：输入差模信号的比例第一级为同相比例运算电路，因而运算：第二级为加减运算电路，用叠加原理得到从电路的组成可以看出，无论对 uI1还是对于 uI2，均可认为输入电阻为无穷大。）积分运算电路与微分运算电路这两个运算互为逆运算，在自控系统中，常用积分电路和微分电路作为调节环节；此外，它们还广泛应用于波形的产生和变换以及仪表仪器之中。以集成运放作为放大电路，利用电阻和电容作为反馈网络，可以实现这两种运算电路。①积分运算电路由于集成运放的同相输入端通过 R’接地，uP=uN=0，为“虚地”。电路中，电容 C中电流等于 R中电流：iC=iR=uI/R输出电压与电容上电压的关系为：uO=-uC而电容上电压等于起电流的积分，故在求解 t1到t2时间段的积分值时：在使用中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制，如上图虚线所示。故可以画出当输入电压为阶跃信号、方波和正弦波时，输出电压的波形：②微分运算电路ⅰ、基本微分运算电路根据“虚断”和“虚短”原则， uP=uN=0，为“虚地”，电容两端电压 uC=uI。因而，输出电压ⅱ、实用微分运算电路ⅲ、逆函数型微分运算电路为将积分运算电路作为反馈回路，则可得到微分运算电路。为了保证电路引入的是负反馈，使 A2的输出电压 uO2与输入电压uI极性相反，uI应加在 A1的同相输入端。由i1=i2，即得根据积分运算电路的运算关系可知从而得到输出电压的表达式为）对数与指数运算电路，乘法与除法运算电路、有源滤波电路第五部分 波形发生电路了解产生自激振荡的条件。掌握电压比较器，用电压比较器组成的非正弦发生电路。1、自激振荡的条件负反馈电路中，倘若在低频或高频段中存在 f0，使电路产生的附加相移为 ，而且当，则电路将产生自激振荡。2、正弦波振荡电路在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。（1）产生正弦波振荡的条件在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，则必须要在电路中引入正反馈；二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。当输入量为零时，反馈量等于净输入量。如果电路只对频率为 fo的正弦波产生正反馈过程，则输出信号由上式可推出 Xo越来越大。由于晶体管的非线性特性，当 Xo的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小，因此， Xo不会无限制地增大，当 Xo增大到一定数值时，电路达到动态平衡。这时，输出量通过反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入量，而输入量又通过放大电路维持着输出量，写成表达式为也就是说正弦波振荡的平衡条件为写成模与相角的形式为——幅值平衡条件——相位平衡条件为了使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至平衡在一定幅值的过程，电路的起振条件为电路把除频率 f=fo 以外的输出量均逐渐衰减为零，因此输出量为 f=fo 的正弦波。2）正弦波振荡电路的组成及分类①放大电路②选频网络③正反馈电路④稳幅环节（可无，用晶体管的非线性来起到稳幅作用）根据选频网络可以分为RC正弦波振荡电路，LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路三种类型。3）是否能产生正弦波振荡的判断方法和步骤①电路中是否包含上述四个组成部分②判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。③利用瞬间极性判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件④判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。【注意】只有在相位条件满足的情况下，判断是否满足幅值条件才有意义。（4）RC正弦波振荡电路——只介绍 RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡电路）1 ）RC串并联选频网络其中R1=R2=R，C1=C2=C，输入电压为 ，输出电压为 。当信号频率足够低时， ，因而网络简化图如（ b）所示。 超前于 ，当频率趋于零时，相位超前趋于 +90°，且 趋于零。当信号频率足够高时， ，因而网络简化图如（ c）所示。 滞后于 ，当频率趋于零时，相位滞后趋于— 90°，且 趋于零。可以想象，当频率信号从零逐渐变化到无穷大时， 的相位将从 +90°逐渐变化到— 90°。因此，对于

RC串并联选频网络，必定存在一个频率

fo，当

f=fo

时，

与同相。求出

RC串并联选频网络的频率特性和

fo：当f=fo时）RC桥式正弦波振荡电路因为当f=fo时， ，所以 。为了满足起振条件，放大电路的电压放大倍数应略大于3。此电路中，放大电路为负反馈即一个同相比例运算电路，正反馈网络的反馈电压 是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电压放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，其起振条件和幅值平衡条件为（5）LC正弦波振荡电路1）LC谐振回路的频率特性常见的选频网络多采用 LC并联网络图（a）中，无损耗，谐振频率为图（b）中，有损耗2）变压器反馈式振荡电路3）电感反馈式振荡电路4）电容反馈式振荡电路3、电压比较器——组成非正弦波发生电路的基本单元电路（1）电压比较器的电压传输特性输入电压 uI是模拟信号，而输出电压 uo只有两种可能：高电平 UOH或低电平 UOL。使uo从UOH跃变为 UOL，或者从 UOL跃变为 UOH的输入电压 uI称为阈值电压 UT。（2）集成运放的非线性工作区在电压比较器电路中，集成运放不是处于开环状态（即没有引入反馈），就是只引入了正反馈。uP>uNuP<uN3）电压比较器的分类1）单限比较器电路只有一个阈值电压。①过零比较器其阈值电压UT=0V。为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。而在实用电路中，为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的

UOH和

UOL。R

为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均小于集成运放的最大输出电压

UOM，且正向导通电压均为UD，当uI<0时，由于集成运放的输出电压 uo’=+UOM，故uo=UOH=+（UZ1+UD），反之，uo=UOL=-（UZ2+UD）。若要求

DZ1工作在稳压状态， DZ2处于导通状态，UZ1=UZ2，则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，稳定电压标为

，当

uI<0

时，uo=UOH=+UZ，当

uI>0

时，uo=UOL=-UZ。限幅电路的稳压管还可以跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间：假设稳压管截止，则集成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+UOM就是-UOM。这样，必然导致稳压管击穿而工作在稳压状态，DZ构成负反馈电路，是反相输入端“虚地”，限流电阻上的电流等于稳压管的电流，输出电压uo=这种电路的优点：一，集成运放的净输入电压和净输入电流均近似于零，从而保护了输入级；二，集成运放没有工作到非线性区，因而输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。②一般单限比较器根据叠加原理，集成运放反相输入端的电位，UREF为外加参考电压令uP=uN=0，则阈值电压由上式可知：只要改变参考电压的大小和极性，以及两个电阻的阻值，就可以改变阈值电压的大小和极性；若要改变uI过UT时uo的跃变方向，则将同相输入端和反相输入端所接电路互换。综上所述，分析电压传输特性三个要素的方法是：ⅰ、通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平和输出高电平ⅱ、写出集成运放同相输入端和反相输入端的电位uP、uN的表达式，令uP=uN，解得的输入电压就是阈值电压。ⅲ、uo在

uI

过UT时的跃变方向决定于

uI

作用于集成运放的那个输入端。，在图Ω，基准电压

UREF=2V，稳压管的稳定电压

；它们的输入电压均为（a）所示的三角波，试画出图2）滞回比较器电路有两个阈值电压，与单限比较器的相同之处在于：当输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次。单限比较器很灵敏，在阈值电压附近只要有微小变化就会引起输出电压的跃变，即抗干扰能力很差。而滞回比较器具有滞回性，即具有惯性，因而有一定的抗干扰能力。滞回比较器电路中引入了正反馈：很容易看出

，uI=uN，

，令uP=uN，求出的

uI

就是阈值电压

UT，因此得到滞回比较器中引入了正反馈，加快了

uo的下降。若将电阻

R1的接地端接参考电压

UREF，如图所示：其中，令uP=uN，求出的 uI就是阈值电压，因此得到改变参考电压的大小和极性，滞回比较器的电压传输特性将产生水平方向的移动；改变稳压管的稳定电压可是电压传输特性产生垂直方向的移动。3）窗口比较器—双限比较器电路有两个阈值电压，与前两种比较器的区别在于：当输入电压单一方向变化时，输出电压跃变两次。外加参考电压 URH>URL，电阻R1、R2和稳压管 Dz构成限幅电路。【总结】通过以上三个比较器的分析，可得到如下结论：①在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能情况②一般用电压传输特性来描述输入电压和输出电压的函数关系。③电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。取决于限幅电路即up=uN时求出取决于输入电压【附加】的uI作用于同相输入电压比较器可将模拟信号转化为为二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号，因此电压端还是反相输入比较器