模拟电子电路及技术基础（第三版）

什么是放大器,有那些指标衡量放大器的性能?<<西电丝路云课堂>>

模拟电路中的基本部件－放大器1.什么是放大器?放大器的基本任务是不失真地放大信号，其基本特征是具有功率放大功能，即功率放大倍数大于1.所以,变压器不是放大器.变压器不是放大器

2.放大器的相位放大器的输出信号与输入信号同相位－同相放大器放大器的输出信号与输入信号反相位－反相放大器

3,放大器的主要性能指标

放大器有一个输入端口(接信号源),一个输出端口(接负载).可等效为一个有源二端口网络,放大器的性能指标可以用该网络的端口特性来描述。

(一)、放大倍数A:又称为”增益”

定义为放大器的输出量与输入量的比值

(二)、输入电阻Ri

输入电阻是从放大器输入端看进去的等效电阻。输入电阻Ri是放大器影响前级信号源的参数。

对信号源来说，放大器相当于它的负载，Ri越大，放大器从电压源获取的电压越大；反之，Ri越小，从电压源获取的电压越小。

但对电流源，Ri越大，但从电流源获取的电流越小；反之，Ri越小，而从电流源获取的电流越大。它定义为：

Ro是一个表征放大器带负载能力大小的一个参数。对于电压输出，Ro越小，负载分到的电压越大,即带负载能力越强；而对于电流输出，Ro越大，则流入负载的电流越大.

(三)、输出电阻Ro

输出电阻是从放大器输出端看进去的等效电阻。

对负载来说，放大器相当于是它的信号源，而Ro正是该信号源的内阻。根据戴维南定理，放大器的输出电阻定义为

放大器的截止频率和通频带

|Au(jf

)|fHfL低频区高频区中频区0.707|AuI||AuI|通频带BW0.707上限截止频率fH

：当f=fH时，下限截止频率fL：当f=fL时，通频带BW0.707=fH－fL≈fH线性(频率)失真现象输入信号:由基波与三次谐波组成,其大小与相位关系如下图输出信号产生振幅频率失真:放大器对频率较低的基波信号增益大,对频率较高的三次谐波信号增益小,导致各分量大小比例变化而产生失真.输出信号产生相位频率失真:放大器对不同频率分量信号的相移不同,导致各分量信号的相对时间关系变化而产生的失真.

(五)、非线性失真系数THD

由于组成放大器的晶体管是非线性器件，因而放大器输出波形不可避免地会产生或大或小的非线性失真。定义放大器非线性失真系数为

式中：U1m基波幅值；Unm为二次谐波以上的各谐波分量幅值。在大信号工作时应考虑THD指标。输入动态范围

(六).放大器的输出动态范围受放大器内部器件非线性的限制，放大器的不失真输出电压有一个范围，其最大值称为放大器输出动态范围。放大器的传输特性同相放大器反相放大器

非线性限幅线性输入范围输出动态范围输出动态范围UOPP=UOH-UOL放大器设计与实现的任务:指标不是越高越好,工程师要在性能和成本之间找到平衡!就是要满足放大器各项指标的要求.指标高低要根据实际需要而定谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>什么是放大器,有那些指标衡量放大器的性能?

孙肖子

<模拟电子电路与技术基础>课程学习MAP图西安电子科技大学<模拟电子电路与技术基础>MAP为什么学学什么怎么学<模拟电子电路与技术基础>是一门介绍电子器件原理和研究模拟电路分析、应用、设计的课程。为什么要学习<模拟电子电路与技术基础>?

▲是电子、电气、信息类专业的技术基础主干课程▲为后续专业基础课和专业课打下必备基础的课程:

路▲是直面应用,学会解决实际工程问题的课程!为什么要学习<模拟电子电路与技术基础>?电子设备：从物理世界获取信息，进行处理，再将信息返回物理世界,物理世界本质是模拟的!

模拟信号---时间与幅度都是连续的信号<模拟电子电路与技术基础>学什么?包括两部分：电子器件电子电路这里先讲一讲电子器件的发展故事!

教学次序：“先集成,后分立”“先宏观,后微观”“先外部,后内部”最终落实到系统应用。20/pp回忆一下电路课遇到的元器件…电阻

电容

电感/变压器压控电压源压控电流源流控电压源流控电流源非线性器件耗能元件储能元件(实际也有损耗)寻找能量转换和具有功率放大功能的新元件?<模拟电子电路与技术基础>学什么?

1.电子管的发明开创了电子学时代

寻找真实的,物理的非线性器件和受控源的探索之路真空三极管并不是“完美”的压控电流源,具有非线性特性。1904年英国物理学家和电气工程师弗莱明发明了电子管，并获得了发明专利权。人类第一只电子管的诞生，开创了电子学时代!寻找真实的,物理的非线性器件和受控源的探索之路电子管的问题2.半导体器件登场迅速成为电子学的主角---晶体管的发明针对真空电子管的问题,人们将兴趣目光转向固体内部由贝尔实验室理论物理学家威廉·肖克利（1910--1989年）、理论物理学家约翰·巴丁（1908--1991年）实验物理学家沃尔特·布拉顿（1902--1987年）三人组成的研究小组于1947年12月发明了具有放大作用的点触式晶体三极管1956年三人获得了诺贝尔物理学奖。

世界上第一枚晶体三极管(复制品)24/pp现代的晶体二极管检波管/小信号二极管整流二极管发光二极管光敏二极管稳压二极管瞬态抑制管(TVS)2.半导体器件登场迅速成为电子学的主角---晶体管的发明

各种晶体三极管高频/微波三极管中/大功率三极管小功率三极管光敏三极管电力晶闸管薄膜三极管3.器件电路合一引起的革命--集成电路的发明分立元件晶体管和场效应管仍有许多局限性,构成复杂系统时需要很多联线,极大影响了电子设备的性能.人们思考:如果将管子,电阻,电容,互连线都集成在一起不更好吗?1952年英国皇家雷达研究所提出“集成电路”的概念

1958年9月12日美国德州仪器公司年轻工程师杰克·基尔比（JackS.Kilby，34岁）发明了世界第一片集成电路---相移振荡器，成功地实现了把电子器件（电阻、电容、晶体管,包括互连线）集成在一块半导体材料上的构想，而获得了集成电路发明专利权。

杰克·基尔比2000年获诺贝尔物理学奖。

3.器件电路合一引起的革命--集成电路的发明电子管(真空管)

晶体管集成电路系统集成(SOC)50年10年借用W.Black(1757-1827)的不朽名句来描述微电子的未来：一粒砂里有一个世界一朵花里有一个天堂把无穷无尽握在手掌永恒宁非是刹那时光<模拟电子电路与技术基础>学什么?

模拟电子电路器件：晶体管,场放应管放大器分立元件放大器集成运算放大路滤波器：低通、高通、带通、带阻、全通。振荡器电源及电源管理放大器是最基础最核心的部件

有人反映模拟电路比较难学,为什么?难在器件非线性,温度不稳定性及其它“敏感”性！

对R,C数值敏感;对频率敏感;对噪声,干扰敏感;对电源电压敏感;…….

A.提高器件性能,发明新器件和新电路B.引入负反馈

降低敏感度,提高稳定性,改善非线性的主要措施:问题转变为：怎么把放大器的增益A做大（不要求线性好，不要求稳定度好，相对容易得多）30/pp负反馈的商机：相减和高倍放大部分电路可以做成通用件出售运算放大器！OperationalAmplifier

电子工程师都想购买运算放大器-----只需简单设计反馈电路（F），就可以轻松实现各种高性能电路！

降低敏感度,提高稳定性的主要措施:31/pp运算放大器运算放大器的应用：加不同的反馈网络F构成功能各异的电路（1）运放+电阻反馈：比例放大、加、减法、I/V变换（2）运放+电容反馈：积分、微分、电荷放大器（3）运放+RC反馈网络:低通、高通、带通、滤波器（4）运放+二极管三极管：精密检波、对数/指数电路（5）运放+正反馈：振荡器、双稳态记忆、迟滞比较（6）运放不加反馈：门限比较器、整形电路（7）运放+被控对象：自动控制电路、PID控制器（8）运放+三极管扩流：稳压电源、功率放大器

……实际工程中，设计电路应该首选采用运算放大器实现学分立器件->掌握原理用集成运放->追求指标模电课的特点和学习方法---怎么学?课程特点:概念性,实践性,工程性特别强学习方法:“注重物理概念，采用工程观点；重视实验练习，善于总结对比；理论联系实际，注意应用背景；寻求内在规律，巧用虚拟仿真。”33/pp结束语模电为什么难？--没有理想的器件模电的核心问题是什么？--如何用不理想的器件逼近理想性能模电是不仅技术，更是艺术--需要艺术家的灵感发明新电路形式--需要科学家的严谨追求细节的完美--需要工程师的经验在成本和性能之间平衡模电如人生：在不完美中追求完美！同相比例放大器与反相比例放大器-----所有运放应用电路的基础

您清楚吗?<<西电丝路云课堂>>◆同相输入+负反馈=同相比例放大器Rif输入输出同相△ui=(UOH-UOL)/Auf输入线性范围:◆反相输入+负反馈=反相比例放大器输入输出反相另一种求法:◆反相输入+负反馈=反相比例放大器的输入电阻Rif应用密勒等效原理,将R2对输入电阻的影响等效到输入端密勒等效电阻同相比例放大器与反相比例放大器对比同相比例放大器反相比例放大器同相比例放大器与反相比例放大器对比(虚拟实验)同相比例放大器反相比例放大器谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>同相比例放大器与反相比例放大器

运放构成相加器的电路原理,

设计及应用

您清楚吗?<<西电丝路云课堂>>相加器原理,设计及其应用相加器实现信号相加运算

uo=aui1+bui2+…很容易想到电路课学过的电阻分压方法:R1R2R3ui1ui2uo有什么问题吗?1.信号只有衰减,不能放大;2.负载变化,分压系数也随之变化.解决办法:加运算放大器RL3.两信号源互相有影响一、同相加法器(运放输入电阻→∞,输出电阻→0,起隔离放大作用)同相端电位：若R1=R2，则u+相加器原理,设计及其应用缺点:两信号源之间仍有互相影响则根据叠加原理：因反相端为“虚地”二、反相加法器当R1=R2=R3＝R时相加器原理,设计及其应用一、反相加法器另一种求法则当R1=R2=R3＝R时相加器原理,设计及其应用优点:因为反相端为虚地,各电流值由该支路信号源和电阻独立决定,各信号源互不影响.相加器原理,设计及其应用反相相加器设计举例:(公约数)同相相加器设计举例:1.设计电路,实现:uo=9(ui1+ui2)[解]如图,对两信号放大倍数相同,必有R1=R2,则2.设计电路,实现:uo=2ui1+5ui2相加器及其应用虚拟实验◆直流电平移位◆两信号相加谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>相加器原理,设计及其应用<<西电丝路云课堂>>---孙肖子

运放应用基础--符号、模型、传输特性运放应用基础--符号、模型、传输特性运算放大器是一种理想的受控源,最初因应用于数学运算而得名,是一种应用十分广泛的电子器件!1.运算放大器的符号A---运放符号，有两个输入端;同相输入端---该端信号与输出信号相位相同;反相输入端---该端信号与输出信号相位相反;输出信号与两输入信号之差成正比运放应用基础--符号、模型、传输特性1.运算放大器的受控源模型相当于电压控制电压源(VCVS)Ri---运放输入电阻;Ro---运放输出电阻(受控源内阻)ui+---运放同相端输入电压;ui-

---运放反相端输入电压;uid---运放差模输入电压;受控源电势：---运放开环放大倍数(开环增益)运放应用基础--符号、模型、传输特性2.运算放大器的理想受控源模型理想电控电压源(VCVS)虚断路}线性放大区限幅区限幅区3.集成运放的电压传输特性

线性放大区趋于零限幅区限幅区

结论：由于集成运放的电压放大倍数极大，其线性放大区极窄，对于理想运放则趋于零，故开环运放无法用作线性放大器4.理想集成运放的电压传输特性

同相端与反相端视为”虚短路”5.反相电压传输特性

6.两个最重要的概念：▲虚短路：▲虚断路：谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>运放应用基础--符号、模型、传输特性<<西电丝路云课堂>>

有源RC滤波器概念

孙肖子一.滤波器概念

滤波器是一种实现频率选择的信号处理电路。

它能够选出所需频率范围内的信号，使其顺利通过；而抑制或衰减超出此频率范围的信号，使其不易通过。滤波器在通信、电子工程、仪器仪表等领域均有广泛应用。例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰,通过滤波器可滤去高频干扰。一有源RC滤波器概念按处理方法分硬件滤波软件滤波按所处理信号分模拟滤波器数字滤波器按构成器件分无源滤波器有源滤波器按滤波功能分低通滤波器高通滤波器带阻滤波器全通滤波器带通滤波器二.滤波器分类本课程主要介绍由运算放大器和RC构成的有源滤波器---属于用硬件实现的模拟滤波器有源RC滤波器概念低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BRF)和全通

(移相)滤波器(APF)。根据功能,即选择频率的范围不同,分但这种理想滤波特性是物理不可实现的,所以要寻求如何”逼近”理想特性的函数.有源RC滤波器概念契比雪夫(Chebyshev)滤波器：通带有等波纹起伏,过渡带陡.◆理论上理想滤波特性的逼近问题。

巴特沃兹(Butterworth)滤波器：通带具有最平坦的幅频特性。椭圆(Cauer)滤波器：通带和阻带均有等波纹起伏,过渡带更陡.贝塞尔(Besser)滤波器：过渡带平缓，通带具有线性相频特性。有源RC滤波器概念不同阶数(n)滤波器特性:◆滤波器的数学模型H(s)分母多项式的根称为”极点”,分子多项式的根称为”零点”,极点数与分母次数n相同,n也称滤波器的阶数.有源RC滤波器概念有源RC滤波器概念2.二阶高通滤波器3.二阶带通滤波器有源RC滤波器概念4.二阶带阻滤波器5、二阶全通滤波器有源RC滤波器概念谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>有源RC滤波器概念<<西电丝路云课堂>>有源RC滤波器原理,电路及应用(1)

一.滤波器概念

滤波器是一种实现频率选择的信号处理电路。

它能够选出所需频率范围内的信号，使其顺利通过；而抑制或衰减超出此频率范围的信号，使其不易通过。滤波器在通信、电子工程、仪器仪表等领域均有广泛应用。例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰,通过滤波器可滤去高频干扰。有源RC滤波器原理,电路及应用(1)按处理方法分硬件滤波软件滤波按所处理信号分模拟滤波器数字滤波器按构成器件分无源滤波器有源滤波器按滤波功能分低通滤波器高通滤波器带阻滤波器全通滤波器带通滤波器二.滤波器分类本课程主要介绍由运算放大器和RC构成的有源滤波器---属于用硬件实现的模拟滤波器有源RC滤波器原理,电路及应用(1)低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BRF)和全通

(移相)滤波器(APF)。根据功能,即选择频率的范围不同,分但这种理想滤波特性是物理不可实现的,所以要寻求如何”逼近”理想特性的函数.有源RC滤波器原理,电路及应用(1)契比雪夫(Chebyshev)滤波器：通带有等波纹起伏,过渡带陡.◆理论上理想滤波特性的逼近问题。

巴特沃兹(Butterworth)滤波器：通带具有最平坦的幅频特性。椭圆(Cauer)滤波器：通带和阻带均有等波纹起伏,过渡带更陡.贝塞尔(Besser)滤波器：过渡带平缓，通带具有线性相频特性。有源RC滤波器原理,电路及应用(1)有源RC滤波器原理,电路及应用(1)不同阶数(n)滤波器特性:◆滤波器的数学模型H(s)分母多项式的根称为”极点”,分子多项式的根称为”零点”,极点数与分母次数n相同,n也称滤波器的阶数.有源RC滤波器原理,电路及应用(1)2.二阶高通滤波器3.二阶带通滤波器有源RC滤波器原理,电路及应用(1)有源RC滤波器原理,电路及应用(1)4.二阶带阻滤波器5、二阶全通滤波器有源RC滤波器原理,电路及应用(1)二.滤波器的实现▲无源滤波器:由无源元件R,L,C组------(电路课学过)滤波器“阶数”取决于独立储能元件之数目一般高频用RLC无源滤波器,低频用RC滤波器,但RC无源滤波器Q值低,无放大能力,带负载能力差.故改用有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络,使之Q值增大,有放大功能,带负载能力增强.运放输出阻抗低,级间具有优良的隔离性能,所以各级之间无阻抗匹配的要求,级联方便,又由于不使用电感，体积和重量大幅度减小.可靠性及精度提高.(一)

一阶有源低通滤波器

通带增益上限频率1）图（a）▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现2）图（b）▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现[设计举例]要求:A0=10,fH=1kHZ[解]1,选C=1nF,则▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现(二)二阶有源滤波器1.二阶压控电压源型（Sallen-key）滤波器的电路实现Shallen-key滤波器也称“有限增益正反馈滤波器”.所谓“二阶”一定包含两个独立的储能元件---电容.增加阶数和引入正反馈是为了提高Q值,缩小过渡带.▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现+KY4Y3Y2Y1UiUoY1、Y3电阻，Y2、Y4电容—LPFY1、Y3电容，Y2、Y4电阻—HPFY1、Y4电阻，Y2、Y3电容—BPFω=ω0处A(ω)/K=Q

对不同Q值的幅频特性分别如图所示：▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现其它二阶Sallen-key滤波器分析方法类似----▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现Sallen-key二阶低通滤波器虚拟实验[设计举例][解]1)选C1=C2=C=1000pF,要求:通带增益A0=K=2(Q=1),f0=16kHZ☆Sallen-Key滤波器存在高频馈通现象Sallen-Key滤波器存在高频馈通现象,运放频带越窄,高频馈通现象越严重!虚拟实验(1)方波的高频成份没有滤干净!▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现小结1.滤波器传递函数分母多项式的“根”称为“极点”,极点数决定滤波器的“阶数”.

通常电路中独立储能元件数与阶数相一致.2.滤波器传递函数分子多项式的“根”称为“零点”,高通有两个零点,带通有一个

零点,低通没有零点,仅有常数项.3.Sallen--key滤波器是最常用的有源滤波器之一,Q值与滤波器特性关系重大,一般Q值最大可达6--8左右,Q值太大,频率特性峰值太高,甚至引起电路工作不稳定.4.运放单位增益带宽BWG必须远大于滤波器所要求的带宽,否则不能示为理想的,导致以上分析会有误差.谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>有源RC滤波器原理,电路及应用(1)<<西电丝路云课堂>>有源RC滤波器原理,电路及应用(2)

2.运放作为无限增益放大器的多重反馈型电路(MFB)(负馈电路)

一般电路如图所示。运放同相端接地，信号从反相端输入，输出信号分别通过Y4和Y5反馈到输入端。▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现Y2,Y5--电容----------低通Y1,Y3--电容----------高通Y4,Y3--电容----------带通二阶带通滤波器若取C3=C4=C，其传递函数为

调节R2，使中心频率变化，带宽和增益不变,这是该电路的最大特点。二阶带通滤波器虚拟实验与设计举例幅频特性相频特性电路示波器显示波形输入输出[命题]:将5kHZ方波的三次谐波滤出.二阶带通滤波器虚拟实验与设计举例[解]:5kHZ方波的三次谐波频率为15kHZ,为此需设计一个中心频率f0=15kHZ的带通滤波器将其滤出.

☆Sallen-Key滤波器存在高频馈通现象,MFB则没有!故当截止频率要求较高的场合,多采用MFB滤波器!虚拟实验(1)Sallen-Key滤波器☆Sallen-Key滤波器存在高频馈通现象,MFB则没有!虚拟实验(2)MFB滤波器

二阶带阻滤波器▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现(1)双T网络+运放构成带阻滤波器带阻▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现(2)用带通和相加器构成带阻滤波器

二阶带阻滤波器▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现用带通和相加器构成二阶带阻滤波器(50HZ陷波器)的虚拟实验一阶全通滤波器一一移相器▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现一阶全通滤波器一一移相器虚拟实验▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现

状态变量滤波器一一多功能滤波器▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现参考电路高通带通低通带阻

状态变量滤波器一一多功能滤波器举例参考电路的计算机仿真

状态变量滤波器一一多功能滤波器虚拟实验

状态变量滤波器一一多功能滤波器虚拟实验虚

状态变量滤波器一一多功能滤波器举例FILTER42软件可在/tool/filter42网址免费下载.设计方法可查TI网站UAF42AP数据表TI公司集成芯片UAF42AP反相输入原理框图▲有源滤波器----运算放大器+RC反馈网络的实现小结1.二阶MFB滤波器可实现高通,带通和低通,且无高频馈通现象,应用广泛.2.二阶带阻滤波器(陷波器)可用双T网络+运放实现,也可以用带通+相加器组成.3.一阶全通滤波器可用一阶RC网络+运放组成,主要用于实现信号移相功能.4.利用积分器和相加(相减)器可同时实现高通,带通,低通和带阻多功能滤波器,

并有许多集成芯片产品可供选择.5.运放单位增益带宽BWG必须远大于滤波器所要求的带宽,否则不能示为理想的,导致以上分析会有误差.谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>有源RC滤波器原理,电路及应用(2)<<西电丝路云课堂>>

☆有源滤波器原理(3)----

开关电容滤波器基本原理

孙肖子☆

开关电容滤波器基本原理RC有源滤波器的困扰:不能全集成化

RC有源滤波器的滤波特性取决于RC时常数及运放的性能,如果要求时常数很大,全集成化是根本不可能的!这是制约通信设备全集成化的因素之一.人们寻求滤波器全集成化的新途径-----开关电容滤波器应运而生.开关电容滤波器基于电容器电荷存储和转移原理,由受时钟控制的MOS开关,MOS电容和MOS运放组成,没有电阻,而用MOS开关和MOS电容等效电阻.用全MOS工艺,与数字电路工艺兼容,可实现全集成化.

开关电容网络是一种时间离散,幅度连续不量化的采样数据系统,属模拟电路范畴.在信号产生,放大,调制,A/D,D/A中都有广泛应用.开关电容滤波器用开关和电容代替电路中的电阻。其最大优点是制造方便、无需更换元件，只需改变时钟频率和编程引脚电平就可以在一定的范围内改变滤波器的中心频率和Q值.1.开关与电容等效电阻的原理等效电阻Rr与时钟频率fc成反比(fc>>信号频率fi),

这是新发现!☆

开关电容滤波器基本原理TC--两相(不重叠)时钟周期2.开关电容积分器(1)--反相积分器积分器和相加器可组成多功能状态变量滤波器,所以积分器也是开关电容滤波器的基本单元电路.☆

开关电容滤波器基本原理☆

开关电容滤波器基本原理从电容器电荷存储和转移进一步理解积分器工作原理☆

开关电容滤波器基本原理从波形进一步理解开关电容积分器的原理:如此分析,uc1波形为脉冲波,其周期为TC,占空比为50%,包络为正弦波.uo=uc2,是阶梯波,其包络为余弦波,可见输出电压uo是输入电压ui的积分.2.开关电容积分器(2)--同相积分器☆

开关电容滤波器基本原理同相积分器☆

开关电容滤波器基本原理3.开关电容积分器(3)--有耗积分器---一阶低通滤波器☆

开关电容滤波器基本原理4.开关电容积分器(4)--差分积分器☆

开关电容滤波器基本原理二阶多功能滤波器电路举例RC多功能滤波器电路由三级组成:A1为相加有耗积分器,A2为理想反相积分器,A3为反相器.开关电容多功能滤波器电路将相加有耗积分器与反相器合并,用差分积分器代替,省去A3.开关电容多功能滤波器没有电阻,只有MOS开关,

MOS电容和MOS运放.☆

开关电容滤波器基本原理目前,开关电容滤波器己有许多集成化产品,举例:MAX280,开关电容滤波器可采用与数字电路兼容的全MOS工艺,集成化容易,适用于音频段,由于开关工作,噪声较大.详细资料请参考有关手册谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>☆

开关电容滤波器基本原理各类场效应管对比、参数、

晶体管和场效应管性能对比。

孙肖子西电丝绸之路云课堂各类场效应管符号对比

各种类型的FET特性对比

1.输出特性

2.转移特性

场效应管的参数及特点

一.直流参数

1.结型场效应管和耗尽型MOSFET(1).饱和漏电流IDSS(ID0)：IDSS(ID0)指的是对应uGS=0时的漏极电流。

(2).夹断电压UGSoff：|uGS|=UGSoff时，iD=0。

2.增强型MOSFET

开启电压UGSth:当uGS>uGSth时，导电沟道才形成iD≠0。3.输入电阻RGS

对结型场效应管，RGS在108~1012Ω之间。对MOS管，RGS在1010~1015Ω之间。

通常认为RGS→∞。

二.交流参数

1.跨导gm跨导gm是在恒流区，反映栅源电压对漏极电流控制能力的参数，定义为

gm越大，表明uGS对iD的控制能力越强。几何意义：转移特性Q点的切线钭率。

场效应管主要参数增强型MOS管电流方程：结型或耗尽型电流方程：该式表明，gm与静态偏压uGSQ成正比，或与静态工作电流IDQ的开方成正比。增大工作电流，可增大gm

。对MOS管增大器件尺寸(W/L),可提高跨导值。

场效应管主要参数2.输出电阻r

ds

输出电阻rds为rds很大，为几十千欧---几兆欧。

三.极限参数场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：

(1).栅源击穿电压U(BR)GSO。

(2).漏源击穿电压U(BR)DSO。

(3).最大功耗PDM：PDM=ID·UDSNPN晶体管结型场效应管JEFT增强型NMOSEFT指数关系平方律关系125场效应管和晶体管的主要区别包括：

▲

晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流近似为零，输入电阻极大。

▲

晶体管中主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力容易受外界因素如温度的影响。场效应管则依靠自由电子或空穴之一的多子在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰,抗辐射能力强,温度稳定性好。

▲

场效应管的源极和漏极结构对称，可以互换使用。晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体，但由于制作工艺不同，二者不能互换使用。126

▲与晶体管相比，场效应管跨导gm较小。场效应管跨导gm与工作点电流的开方成正比;双极型晶体三极管gm与工作点电流成正比;

▲MOS管制作工艺简单，集成度高，是当前超大规模集成电路的主流工艺。谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>MOS场效应管工作原理及特性曲线MOS场效应管工作原理

及特性曲线(1)

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绝缘栅场效应管由金属-氧化物-半导体构成(Metal-Oxide-Semiconductor)，故又简称为MOSFET。导电沟道平行于表面。且栅极与沟道是绝缘的,栅极电流为零iG=0。

绝缘栅场效应管(IGFET)

绝缘栅场效应管的结构、类型及符号MOS管类型及符号

N沟道增强型MOS管一.栅源电压UGS对导电沟道的控制作用(UDS=

0)

UGS

>0，产生向下电场。排斥空穴,吸引电子,在表面形成反型层,UGS增大,反型层扩大,直至将两个N区连通,形成了导电沟道,该电压称为开启电压UGSth。

UGS>UGSth

沟道随UGS增大均匀展宽。

可见，UGS大于开启电压后，对沟道的控制作用与JFET相同，即可使沟道均匀地变宽变窄。衬底与源极相连,沟道与衬底有PN结隔离,无纵向电流！二.漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS>UGSth)

UDS≥0，漏端UGD降低，电场减弱。沟道不均匀变窄而倾斜。UDS增大到UDS=UGS－UGSth沟道被预夹断。随后UDS增大沟道基本不变。

可见，UDS对导电沟道的控制作用，也与JFET相同，即可使沟道不均匀地变窄，直到予夹断为止。谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>MOS场效应管工作原理及特性曲线(1)MOS场效应管工作原理

及特性曲线(2)

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三.N沟道增强MOS管的伏安特性曲线1.输出特性

2.转移特性

当uGS<UGSth时，iD=0；

当uGS

≥UGSth时，

iD

随uGS呈平方律关系。MOSFET的特性，除与所用的材料和制作工艺有关外，还与管形的版图设计参数有密切关系。下面对某些管参数作定量分析。恒流区的转移特性如图所示分析表明，对ENMOSFET有如下的定量关系式：

(1).恒流区

其中λ称为沟道长度调制系数，其值为图示厄尔利电压（Early）UA的倒数，即

由于λ很小，约为（0.005~0.03）V－1，通常可忽略。iD0uDSUGSUAA

式中:μn——沟道电子运动的迁移率；

Cox——单位面积栅极电容；

W——沟道宽度；

L——沟道长度；

W/L——MOS管的宽长比。在MOS集成电路中，宽长比是一个极为重要的设计参数。增强型N沟道MOS管电流方程---平方律关系方程(2).可变电阻区：显然，uGS越大，RDS越小。

当UDS<<(uGS－UGSth)时(即预夹断前)，近似有此时，MOS管的D、S端可等效为阻值受uGS控制的线性电阻器，其阻值为

3–2–3N沟道耗尽型MOS管(NDMOS)

耗尽型MOSFET与增强型的不同之处，在于uGS=0时就存在原始导电沟道。

UGS=0

UGS<0

沟道变窄UGS=UGSoff沟道夹断

UGS>0

沟道展宽

可见在控制沟时，栅源电压既可小于0，也可大于0。漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS=0)

UDS≥0，漏端电位升高，电场减弱。沟道不均匀变窄而倾斜。UDS增大到UDS=UGS－UGSoff沟道被预夹断。随后UDS增大沟道基本不变。N沟道耗尽MOS管的伏安特性曲线

1.输出特性

UDS>UGS-UGSoff

2.转移特性

恒流区转移特性可表示为ID0谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>MOS场效应管工作原理及特性曲线(2)常用半导体器件原理(2)

---PN结孙肖子西电丝绸之路云课堂2.1半导体物理基础2.2晶体二极管及其应用2.3晶体三极管原理、特性及参数2.4场效应管原理、特性及参数2.5晶体三极管及场效应管低频小信号模型2.2

PN结--半导体器件基础

通过掺杂工艺，一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，则P型半导体和N型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为PN结。2.2.1

PN结的形成147

空间电荷区又称为耗尽区或势垒区或阻挡层。在掺杂浓度不对称的PN结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。1484.2.2

PN结的单向导电特性

一、正向偏置(P+,N-)的PN结二、反向偏置(P-,N+)的PN结149(很大)(很小)

PN结的单向导电特性：

PN结只需要较小的正向电压，就能产生较大的正向扩散电流，而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变(指数特性)

而在反偏时，少子只能提供很小很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。150正偏----导通反偏----截止

2.2.3PN结的击穿特性

当反向电压超过一定值UBR后，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。

一.雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。外电场使耗层展宽UBR反向击穿发生碰撞的连锁反应，使载流子剧增。雪崩击穿机理IR

二.齐纳击穿(场致击穿)在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场强度。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子-空穴对，使反向电流急剧增大。需要指出，只要限制击穿后的电流，击穿并不损坏PN结(可逆性)。一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪崩击穿；

UBR<5V时为齐纳击穿；UBR介于5~7V时，两种击穿都有。电场强度极大IR1.势垒电容从PN结的结构看，在导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似，如图所示。2-2-4

PN结的电容特性PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。理论分析证明：

2.

扩散电容

正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。

P区少子浓度分布曲线

N区电子向P区扩散，非平衡电子形成曲线①的浓度分布。其存贮的电荷量对应①下的面积。

当偏压增大时，曲线变为②所示，电荷的增加量为△Qn。

反之，偏压减小时，曲线变为③所示，其电荷的减少量为△Qn。

必须指出，CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。

由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=CT+CD。CTCD

因为CT和CD很小，低频工作时可忽略其影响。但在高频工作时，必须考虑它们引起的不利影响。

正偏时以CD为主，Cj≈CD，

其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主，Cj≈CT，.

其值通常为几至几十pF。谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>半导体物理基础(2)--PN结<<西电丝路云课堂>>晶体二极管特性及参数

---孙肖子

2.3.1二极管的伏安特性--指数特性

一、正向特性有一死区电压UD(on)，室温下硅管：UD(on)=(0.5~0.7)V，

锗管：UD(on)=(0.1~0.3)V。在正常工作电流范围内，管压降的变化范围很小。硅管(0.6~0.8)V

二、反向特性由于表面漏电流影响，二极管反向电流要比理想PN结的Is大。对硅管一般小于0.1μA，锗管小于几十微安。IS为反向饱和电流，q为电子电量

；UT=kT/q，称为热电压，在室温27℃即300K时，UT=26mV。

2.3.2二极管的电参数

显然，正向RD随工作电流增大而减小，如图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD

。反向RD理论上应为无穷大,因为反相偏置管子截止无电流。

实际上,一般正向电阻为几十~几百欧，反向电阻为几十千欧~几十兆欧。随管子类型不同而不同。

显然，正向电阻越小，反向电阻越大，单向导电性能越好。0UDuIDiQ1Q2一、直流电阻RD

用三用表欧姆档可辨别二极管的正、负极。

二、交流电阻rD

rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即

rD的几何意义如图，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ，UDQ)点处切线斜率的倒数。rD可以通过对二极管电流方程求导得出，即

2.3.2二极管的电参数▲无论RD或rD都是工作电流的函数,都是非线性电阻。▲二极管的温度特性：

三.最大整流电流IF

IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。

四.最大反向工作电压URM

URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压。通常取UBR的一半作为URM。

五.反向电流IR

IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。

六.最高工作频率fM

fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。2.3.3二极管的电路管压降及模型

在工程分析中，器件的模型力求简单、实用，能突出电路的主要功能及特性。用拆线表示其导通和截止。工作点不同,变化很大,但差别极小,所以只要二极管导通,就认为管压降为0.7V(0.3V)

PN正极负极负极正极

普通二极管的单向导电特性及模型u/V0i/mA102030－5－10－10.7以上三种电路模型，是在不同近似条件下模拟了大信号运用时,二极管的开关特性。其中(b)、(c)是低频工作时最常用的近似模型。二极管截止I=0UD=-5V实际中，在分析二极管电路时，必须首先判断管子是正偏导通还是反偏截止。然后用相应模型等效来分析电路。[例1]电路如图所示，计算二极管中的电流ID。已知二极管的导通电压UD(on)=0.6V，交流电阻rD近似为零。UA

=－E＋UD(on)＝－6＋0.6＝-5.4V

A解：可以判断二极管处于导通状态，则电路模型:谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>二极管特性及参数二极管应用举例

孙肖子西电丝绸之路云课堂2.3.6二极管应用电路举例

一、整流电路

［例2.3.3］分析图

(a)所示的二极管整流电路的工作原理，其中二极管D的导通电压UD(on)=0.7V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形如图

(b)所示。

解：当ui>0.7V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo=ui-0.7；当ui<0.7V时，D处于截止状态，等效成开路，所以uo=0。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图

(b)所示，传输特性则如图

(c)所示。电路实现的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on)

得到输出。

170［例2.3.4］分析图

(a)所示的二极管桥式整流电路的工作原理，其中的二极管D1~D4为理想二极管，输入电压ui的波形如图

(b)所示。

电路实现的是全波整流-----又称”绝对值电路”。当ui>0时，D1和D2导通，而D3和D4截止,故uo=ui；当ui<0时，D1和D2截止，而D3和D4导通,故uo=-ui。171二、限幅电路［例2.3.6］二极管限幅电路如图

(a)所示，其中二极管D的导通电压UD(on)=0.7V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形在图

(b)中给出，作出输出电压uo的波形。

解：首先判断二极管是导通或截止.当ui>2.7V时，D导通，所以uo=2.7V；当ui<2.7V时，D截止，其支路等效为开路，uo=ui。于是得到uo的波形，如图

(c)所示，该电路把ui超出2.7V的部分削去后输出，是上限幅电路。

172［例2.3.7］二极管限幅电路如图

(a)所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on)=0.3V，交流电阻rD0。输入电压ui的波形在图

(b)中给出，作出输出电压uo的波形。

首先判断二极管是导通或截止.解：当ui<-2.3V时，D1导通，uo=-2.3V；当ui>-2.3V时，D1截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D1实现了下限幅；当ui>2.3V时，D2导通，uo=2.3V；当ui<2.3V时，D2截止，支路等效为开路，uo=ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图

(c)所示，该电路把ui超出

2.3V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。

173三、电平选择电路

［例2.3.9］图

(a)给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2波形如图

(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。

解:当t<T1时,D2比D1正偏压更大,则D2首先导通，uo=ui2=0，导致D2反偏而截止；反之，当T1<t<T2时,ui1=ui2=3V，则D2,D1均导通，uo=ui1=ui2=3V；当t>T3时,D1,D2也同时导通，uo=ui1=ui2=0。该电路完成低电平选择功能，

并实现了逻辑“与”运算。

174谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>其它二极管及二极管应用结型场效应管工作原理

及特性曲线(1)

孙肖子西电丝绸之路云课堂2.5场效应管（单极型晶体管）

2.5.1结型场效应管(JFET)N沟道JFETP沟道JFET2.5.2绝缘栅场效应管(IGFET)N沟道(IGFET)P沟道(IGFET)

2.5.1结型场效应管

一.结型场效应管的结构及工作原理DSGP沟道JFETN沟道JFET1.结型场效应管(JFET)的结构、类型及符号JFET的基本控制原理：改变导电沟道的截面积S或沟道长度L即可改变沟道电阻，进而可改变漏极电流。P-N结一定要反偏,栅极无电流,栅极电压控制导电沟道宽度,漏极电流为多子漂移电流！RDS截面积S2.JFET的工作原理①

栅源电压UGS对导电沟道的控制作用(令UDS=

0)

UGS≤0

|UGS|增大导电沟道进一步变窄。

|UGS|

≥|UGSoff|(称为夹断电压)沟道被完全夹断。

可见，UGS对导电沟道的截面积有很强的控制作用，可使其均匀地变窄变宽，当|UGS|

≥|UGSoff|时沟道被完全夹断。

耗尽层向沟道延伸，导电沟道均匀变窄。②

漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS=0)

UDS≥0UDS=|UGSoff|

沟道在漏端被夹断，即预夹断。

UDS>|UGSoff|沟道长度略减小，截面积基本不变。

可见，UDS在预夹断之前对沟道有控制作用，可使沟道不均匀变窄。预夹断之后对沟道的影响很小，只是沟道的长度略有改变。耗尽层向沟道延伸，沟道不均匀变窄。谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>结型场效应管工作原理及特性曲线(1)结型场效应管工作原理

及特性曲线(2)

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二.结型场效应管的特性曲线

与晶体管相似，为了全面了解JFET的电特性，下面讨论共源极接法的伏安特性，其测量电路如图所示。

由于FET的P-N结反偏,栅极输入端不吸收电流()，所以伏安特性包括：输出特性和转移特性1.输出特性

沟道预夹断之前,沟道预夹断之后,微增或基本恒流预夹断线1.恒流区条件：

UGS>UGSoff

UDS

≥UGS－UGSoff

②.UGS一定，uDS增大时，由于沟道长度调制效应，iD仅略有增大，即iD具有恒流特性。

特点：

①.uGS对iD有很强的控制能力。定义控制参量跨导为

输出特性曲线

条件：

UGS≤UGSoff

特点：

沟道被全部夹断iD=0，即D、

S间断开。

4.击穿区

uDS增大到某一值时，靠近漏极端的PN结发生雪崩击穿而使iD剧增。|uGS|越大，则击穿时的uDS越小。注意：击穿区不是工作区，实际中应避免出现击穿。3.截止区第二章

2.可变电阻区条件：

UGS>UGSoff

UDS

<UGS－UGSoff

特点：当uDS较小时(预夹断前)，

iD随uDS近似线性变化，而变化的斜率受栅源电压uGS控制。表明JFET的D、S端呈现的电阻RDS是受UGS调控的压控电阻。第二章

二.转移特性

恒流区转移特性uDS=12V变阻区转移特性uDS=2V工作在恒流区的结型场效应管具有平方律特性曲线谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>结型场效应管工作原理及特性曲线(2)晶体管和场效应管

低频小信号模型(等效电路)

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晶体三极管低频交流小信号简化模型

192信号将围绕工作点变化,在工作点附近小范围内,将非线性特性线性化首先看变化引起

的变化量体现在管子的输入电阻193其中代入第(1)式,得：2.对的控制作用体现在受控源3.对

的影响体现在输出电阻

流控等效电路--表示

对

的控制能力194

压控等效电路流控型电路模型压控型电路模型跨导定义：其几何意义是转移特性Q点的切线斜率。Qb′cebPN＋N+Nrbb′b′reb′rcb′注意，此时参数中的b应改为b′。下面进一步讨论等效电路中如何反映晶体管固有的寄生效应的影响。平面管的结构示意图如图所示。5.考虑基区体电阻影响,对等效电路的修正：第二章很小,忽略掉。基区体电阻rbb′的阻值较大，为几十到几百欧姆。这一影响可以用基极端b与内基极b′之间的电阻rbb′等效。流控型电路模型压控型电路模型将和串联合并，得流控型电路模型第二章其中：流控型模型用于低频,压控型模型用于高频。gm--跨导,rbe--管子输入电阻

(几KΩ数量级,较小)rce--管子输出电阻(几十K--几百KΩ,很大)ICQ--工作点电流UA--厄尔利电压

(百伏数量级,很大)场效应管的低频交流小信号模型197--跨导--输出电阻无栅流,输入电阻无穷大,输入端相当于开路！MOS管的体效应及背栅跨导gmb在分立元件场效应管中,通常衬底与源极相连,UBS=0.在集成电路中,在同一衬底上要制作许多管子,为避免纵向衬底电流,必须保证每管衬底与源极反偏,为此衬底要接到全电路的最低电位点,如图所示,上面管子UBS<0,故引进背栅跨导,定义：

UBS绝对值越大,PN结越厚,沟道越窄,iD越小！谢谢收看和听讲,欢迎下次再相见!<<西电丝路云课堂>>晶体三极管和场效应管低频小信号模型

双极型晶体三极管工作原理

孙肖子西电丝绸之路云课堂2.4双极性晶体三极管大功率达林顿晶体管双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称晶体三极管，以后我们统称为晶体管。常见的晶体管其外形如图示。晶体管的结构及电路符号结构特点：发射区重掺杂;基区轻掺杂,而且很薄;集电区面积大.2.4.1晶体管的工作原理

当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15Vb

①.发射区向基区注入电子,发射结正偏,扩散力↑↑↑

②.电子在基区中边扩散边复合,基区薄轻掺杂,复合少。③.电子被集电区收集,集电结反偏,电场力↑有利吸引电子。

IENIEP根据电荷守衡有ICN+IBN=IENICNIEP<<IEN，发