模拟电子技术基础

模拟电子技术基础

CAI

目录第一章半导体基本器件及应用电路第二章晶体三极管基础

第三章晶体管放大电路基础路

第四章模拟集成基本单元电路

第五章放大器的频率响应第六章负反馈技术第七章集成运算放大器及应用第八章直流稳压电源

第九章电流模式电路基础课程特点1模拟电子电路课程是国家教委规定的重要基础课

是同学们在今后较长时间内赖以吸取新知识和自我完善发展及终身学习、终身教育的理论基础。2是工程性、实践性非常强的课程

所涉及的基本理论、基础知识、和基本方法对本科生的培养起着重要的作用。课程的内容体系与其他相关的专业课程之间保持着紧密的衔接和交融，3模拟电子电路入门较难•是一门工程性、技术性、经验性、实用型的课程•与传统的理论课程有较大的差别•新概念多、知识点多、发展迅速，理论与实践相结合4模拟电子电路理论较成熟，基本分析方法容易掌握返回学习方法

小结，总结习题返回课前预习认真听课课后认真复习第一章半导体基础及应用电路

1.1半导体基础知识1.2PN结原理1.3晶体二极管及应用应用返回1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3漂移电流与扩散电流引言返回1.1半导体材料及导电特性返回1.1.1

本征半导体返回

当Si（或Ge）原子组成单晶体后，各原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要受相邻原子的作用。

因此Si（或Ge）单晶体每个原子都从四周相邻原子得到4个价电子才能组成稳定状态。即每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个原子都共用一对价电子。形成共价键结构。根据原子的理论：原子外层电子有8个才能处于稳定状态。

1.1.1

本征半导体（intrinsicsemiconductor）返回

量子力学证明：原子中电子具有的能量状态是离散的，量子化的，每一个能量状态对应于一个能级，一系列能级形成能带。Ega:空穴带正电量b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反c：空穴在价带内运动，也是一种带电粒子。在外电场作用下可在晶体内定向移动空穴：（二）本征激发和两种载流子

自由电子载流子：带单位负电荷空穴载流子：带单位正电荷返回（三）本征载流子（intrinsiccarrier）浓度本征激发电子空穴Eg1电子空穴随机碰撞复合（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发动态平衡复合是电子空穴对的两种矛盾运动形式。返回1.1.2

杂质半导体（donorandacceptorimpurities）

3.3×1012分之一返回（一）N型半导体（NTypesemiconductor）

室温T=300k+++++5返回

在本征半导体中掺入5价元素的杂质（砷、磷、锑）就成为N型杂质半导体。

（一）N型半导体（NTypesemiconductor）

+++++5返回1.与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，不起导电作用。2.在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N型半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主要靠电子导电。称为电子半导体。

3.在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子→多数载流子（多子）。且多数载流子浓度＞＞ni空穴→少数载流子（少子）。少数载流子浓度＜＜pi（二）P型半导体（Ptypesemiconductor）----返回在本征半导体中掺入3价元素（如B硼），就成为P型半导体。

3价杂质原子→接受电子→负离子→受主杂质

→受主原子→位于受主能级产生空位室温T=300k杂质产生（空位）→受主能级

在价带中形成空穴→晶格中留下负离子

接受电子（二）P型半导体（Ptypesemiconductor）----返回（三）杂质半导体中的载流子浓度

本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi掺杂半导体中（NorP）→掺杂越多→多子浓度↑→少子浓度↓杂质半导体载流子由两个过程产生：杂质电离→多子 本征激发→少子由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：1热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子）则有nn.pn=ni2P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）

pp.np=ni2返回（三）杂质半导体中的载流子浓度2

电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。

N型：

ND表示施主杂质浓度，则：nn=ND+pn

P型：NA表示受主杂质浓度，pp=NA+np由于一般总有:

ND>>pnNA>>np所以有N型：nn≈ND

且：

pn≈ni2/NDP型：

pp≈NAnp≈ni2/NA多子浓度等于掺杂浓度少子浓度与本征浓度ni2有关，与温度无关

随温度升高而增加，是半导体元件温度漂移的主要原因多子浓度少子浓度返回1.1.3

漂移电流与扩散电流半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导电电流。引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动――漂移运动。（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动――扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（driftcurrent）

在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压U，在电场E的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：●●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●返回空穴的平均漂移速度为:

Vp=upE

电子的平均漂移速度为:Vn=-unE

(二）扩散电流（diffusioncurrent）返回§1.2PN结1.2.2PN结的单向导电特性1.2.1PN结的形成及特点返回NP++++++++++++++++----------------§1.2PN结E返回1.2.1PN结的形成及特点NP++++++++++++++++----------------1.PN结的形成返回空间电荷区(spacechargeregion)

在N型和P型半导体的界面两侧，明显地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的扩散运动：

P型半导体中空穴→N区扩散→与N区中电子复合

P区留下负离子→N区生成正离子

N型半导体中电子（多子）→P区扩散→与P区空穴复合

N区留下正离子→P区生成负离子。

伴随着扩散和复合运动在PN结界面附近形成一个空间电荷区：

N区一则为正P区一则为负形成内建电场E内建电场→形成少子的漂移运动

N区中空穴→P区P区中电子→N区具有消弱内建电场E的作用NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------

显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：

多子扩散运动→空间电荷区↑

→内建电场E↑

→少子漂移↑结果：多子扩散运动少子的漂移

扩散电流漂移电流达到热平衡（动态平衡）

PN结中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成PN结。2.PN结的特点返回NP++++++++++++++++----------------Eρ电荷密度E电场强度φ电位UФ内建电位势垒（电子势能）qUФPN1.2.2PN结的单向导电特性返回1.正向偏置，正向电流RUDNP++++++++++++++++----------------UiDUφUφ-U扩散++__返回仿真iSiSiSiSNP++++++++++++++++----------------2.反向偏置，反向电流RURUiSNP++++++++++++++++----------------UФUФ+UR++__返回仿真1.3晶体二极管及应用1．3．2二极管的电阻1．3．3二极管的交流小信号等效模型1.3.4二极管应用电路1．3．1晶体二极管的伏安特性引言返回1．3．5稳压管1．3．6PN结电容1．3．7PN结的温度特性1．3．8二极管主要参数1.3晶体二极管及应用1.3.1

晶体二极管的伏安特性返回Si1.3.1晶体二极管的伏安特性Ge1.0iDuD●UON●UON返回SiiR=-ISGeUBRUBR1.0iDuD返回SiGe

二极管击穿后端电压几乎不变，具有稳压特性。返回SiiR=-ISGeUBRUBR1.0iDuDSiGeUDVDRIDuDQ●UDidud（忽略R上的电压）1．3．2二极管的电阻返回电路仿真iDQ●ud+-ID+iD1．3．3二极管的等效模型返回uDiD（a）伏安特性曲线VDidel（b）模型-uD+iDUON

VDidel（b）模型iDuDiD（a）伏安特性曲线UONVDidelUONrd（b）模型iDuDiD（a）伏安特性曲线UON（1）理想开关模型（2）恒压源模型（3）折线近似模型[例1.1]Si二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图1.25所示。求二极管工作点UD和ID的值。解：将二极管用恒压源模型近似。对于导通的Si管，其工作点电压UD变化不大，可取UD≈UON≈0.7V，由此可算出

[例1.2]求解图1.26所示的多二极管电路中的电流ID2和电压UO，假设每个二极管的UON＝0.7V。解题技巧：（1）假设二极管的状态。如果假设一个二极管导通，则二极管两端的电压就为UON；如果假设一个二极管截止，则二极管的电流就为零。（2）用假设的状态分析“线性”电路。如果开始假设二极管为截止，并且分析显示ID=0和二极管端电压UD≤UON，那么假设就是正确的。如果分析的结果显示ID>0和UD≥UON，那么最初的假设就不成立。（3）如果任何一个最初的假设被证明是不成立的，那么必须再做一个新的假设，然后分析新的“线性”电路。必须重复第(2)步。解：首先假设二极管VD1和VD2都处于导通状态，根据电路列写节点A、B的电流方程，可得注意到UB

=UA-0.7。联立这两个方程并消去ID2，可得:

UA＝7.62V和UB＝6.92V代入上式可得：ID2＝-0.786mA。负的二极管电流和最初的假设不一致，需要重新做一次假设。重新假设二极管VD2截止和VD1导通。为了求得节点电压UA和UB，可以应用分压公式计算，结果为显示二极管VD2确实反向偏置截止，所以ID2=0。仿真电路仿真2．二极管的交流小信号等效模型返回udIDuDQ●UDidiD1.3.4二极管应用电路1整流电路ui<0，二级管截止，iD=0，uo=0ui>0，二级管导通，，uo=ui电路仿真2二极管限幅电路右图为双向的限幅电路如果设：二极管的开启电压UON=0.7V则有：|ui|<UON

时，VD1和VD2都截止，回路中的电流iD=0，uo=ui

。iD如果，ui>UON

，VD1导通VD2截止，回路中的电流，利用二极管正向稳压特性，uo=UON

。如果，ui<-UON，VD1截止VD2导通，回路中的电流，uo=-UON

。uDiDUON电路仿真返回iD1.3.4二极管应用电路3二极管钳位电路

钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。设输入信号ui为幅度+2.5V的方波信号，ui2.5V-2.5V当ui=-

2.5V时，VD导通，回路中的电流iD对电容C充电，由于rd

较小，充电时间常数=C

rd很小，充电迅速，使:uo5V电路仿真返回uc=-ui=2.5V，uo=ui+uc=ui+2.5V=0当ui>0时，VD截止，iD=0，回路无法放电，使电容C的电压保持uc=ui=2.5V，而输出电压：uo=ui+uc=ui+2.5V=5ViDIZminIZmaxUZIZ●ΔUZ

返回uDUiUO电路仿真返回IZILiDIZminIZmaxUZIZ●ΔUZuDIRIZminIZmax●UZIZΔUZrzIz返回UZUZrZiZiZ1．3．6PN结电容++++++++++++++++----------------RUU++__iR++++++++++++++++----------------返回载流子浓度。。。。。。。。。。。。。。。。ΔQpΔQn.................

PNU+ΔU⊕⊕⊕⊕⊕⊕------。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。...................................................返回二极管主要参数uDiD返回继续5.二极管的高频小信号模型第二章

晶体三极管基础

2.1双极型晶体三极管(BJT)2.2结型场效应管(JFET)2.3金属—氧化物—半导体场效应管（MOSFET）

返回2.1双极型晶体三极管(BJT)2.1.1BJT的工作原理

2.1.2BJT的静态特性曲线2.1.3BJT的主要参数返回2.1.4BJT的小信号模型集电区基区发射区1.BJT结构：由两个PN结和三个电极构成。有两个基本类型：NPN型

PNP型基区（B）区：薄、低渗杂三个电极：发射极（Emitter）:E(e)

基极（Base）:B(b)

集电极（Collctor）:C集电区（C）区：渗杂适中2.1.1BJT的工作原理E发射极B基极C集电极发射结集电结(1)NPN型三个区域：发射区（E区）：高渗杂两个PN结：发射结（BE结）

集电结（CB结）E发射极B基极C集电极发射结集电结NPN+(2)

PNP型NPP+返回bcebce2.BJT三种基本组态共射极(CE)组态,共基极(CB)组态,共集电极(CC)

组态返回BJT三极管是三端器件，作为双口器件来使用(二极管是单口器件)。在接入工程电路的具体应用中，往往将其中的某一个电极作输入端，另一个电极作输出端，第三个电极作为输入、输出端口的公共端。BJT的接法又称为组态。三极管BJT作为双口器件接入电路的实用方式有三种：

3．BJT的偏置方式：①发射结正偏、集电结反偏，BJT处于放大状态②发射结反偏、集电结正偏，BJT处于反向应用状态，（一般不宜反向应用）③二个PN结均正偏，晶体管处于饱合状态④二个PN结均反偏，晶体管处于截至状态集电区基区发射区E发射极B基极C集电极发射结集电结NPN+E发射极B基极C集电极发射结集电结NPP+返回UBUCUEUC>UB>UEUC<UB<UEUB>UE,UB>

UCUB<UE,UB<

UC127345EBECRCbRbce●●●●

(1)放大偏置时BJT载流子的传输过程：将NPNBJT接成共射极型：以射极为输入和输出回路的公共端iEiBiCiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

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○○

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ieniCiEiBien=icn1

+ib1iE=ien+iEP≈ienICBO=icn2

+icpiEiEiCiCiBiBiC=

ICBO+icn1;iB=ib1

+iEP-ICBOicn2icp返回即：uBE>>UT,发射结正偏→易于E区多子扩散

uCB＞0，集中结反偏→易于B区少子漂移●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●127345仿真①多子通过EB(发射)结注入B区EBECRCbRbceiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

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○○

ieniEiEiE返回●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●127345(iEP)注入E区的空穴是E区的非平衡少数载流子

②

由浓度差引起基区非平衡少数载流子的扩散与复合。EBECRCbRbceib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

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ien返回●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●127345EBECRCbRbce●●●●

iEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

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ieniCiEiBiEiEiCiCiBiBicn2icp返回●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●127345③集电极对载流子的收集返回载流子的传输过程小结：将NPNBJT接成共射极型：以射极为输入和输出回路的公共端即：UBE>>UT

,发射结正偏→易于E区多子扩散

UCB＞0

，集中结反偏→易于B区少子漂移127345EBECRCbRbce●●●●

iEiBiCiEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

○○

ieniCiEiBien=icn1

+ib1iE=ien+iEP≈ienICBO=icn2

+icpiEiEiCiCiBiBiC=

ICBO+icn1;iB=ib1

+iEP-ICBOicn2icp●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●(2)放大偏置时的电流关系EBECRCbRbce●●●●

iEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

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○○

ieniCiEiBiEiEiCiCiBiBicn2icp127345返回①

iE与iC的关系集电极电流iC由icn1和ICBO两部分组成：iC=icn1+ICBO

电流分配关系小结：返回②

iC与iB的关系

将关系式(5)

代入式(2)

定义共发射极直流电流放大系数为：127345共发射极电流分配关系：ICEO=ICBO

/(1-

)=（1+）ICBO≈

ICBOBJT的穿透电流

(3)BJT的截止与饱和工作状态

127345返回当BJT的发射结与集电结均加反向偏置电压时，称BJT偏置于截止状态①截止状态晶体管两个PN结的电流只有反向饱和电流。如果忽略反向饱和电流不计，可以认为：偏置于截止状态的晶体管三个电极的电流均近似为零，即三电极相当开路。当BJT的发射结与集电结均加正向偏置电压时，称BJT偏置于饱和状态

②饱和状态

正偏PN结的外电压都只有零点几伏，故在大信号电路中三电极相当短路。

4.BJT偏置电压与电流的关系

127345返回传统的观点：双极型晶体管是电流控制器件。但是，控制各极电流变化的真正原因是发射结正偏电压uBE的变化。此外，集电结反偏电压uCB的变化对各极电流也有影响。

发射结正向电压uBE对各极电流的控制作用—BJT的正向控制作用

发射极电流iE，实际上就是正偏发射结的正向电流。根据正偏PN结的伏安特性关系可知iE与uBE成指数关系，而iE

、iB、iC之间近似成线性关系，所以，iE

、iB、iC均与uBE近似成指数关系。即晶体管BJT放大偏置时，各极电流与发射结电压uBE是按指数规律变化的非线性伏安特性关系。

4.BJT偏置电压与电流的关系

127345返回（2）集电结反向电压uCB

对各极电流的影响—基区宽度调制效应当uCE增加时，集电结会变宽，使得基区的宽度减小。基区少子浓度线下的面积小，表明iB会减小。一般当发射结正偏电压uBE一定时，iB的大小与基区非平衡少子浓度分布曲线下的面积S近似成正比。这种反偏集电结电压uCB（相当于uCE）的变化引起基区宽度的变化，从而影响各极电流的现象称为基区宽度调制效应，简称基区宽调效应。

由iC=iE-iB

，所以iC会增加。（3）共射BJT的大信号特性方程

考虑到BJT的基区宽度调制效应后，经过修正后的BJT的大信号特性方程——EbersMoll模型

式中UA称为厄尔利（Early）电压，它是BJT基区宽度调制效应的参数。

UA的的参考值在70～130V，典型值为100V。

当UA＞＞uCE时，集电极电流iC与uCE基本无关

发射区集电区基区nb(x)W集电结发射结x图2．9基区非平衡少子的浓度分布曲线W'S2.1.2BJT的静态特性曲线iB=iB2iB=iB3饱和区击穿区截止区临界饱和线uCEiCU（BR）CEOiB=-ICBOiB=iB1iB=iB4iB=iB5ib(μA)uBEU（BR）EBOICBO＋ICEOUCE=0UCE=1UCE=10127345返回1.共射BJT的输入特性曲线BJT的输入特性曲线为一组曲线ib(μA)uBEBUEBOUCE=0UCE=1VUCE=10V返回iB

(μA)uBEUCE=0UCE=1UCE=10V127345返回1.共射BJT的输入特性曲线BUEBOiB=-ICBO2.共射BJT的输出特性曲线：

饱和区BUCEO击穿区截止区UCB=0

临界饱和线uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1返回放大区EC2.

共射BJT的输出特性曲线：

ICBOiB=-ICBOBUCEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1返回1273452.共射BJT的输出特性曲线：iB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1临界饱和线饱和区返回127345iB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5临界饱和线饱和区iB=iB1iB=iB2iB=iB3iB=iB4iC1iC2iC3iC4返回127345EBECRCbRbce1.4.3BJT的主要参数127345返回ECEC

ICBO1.4.3BJT的主要参数ICEO127345返回EBECRCbRbce●●●●

iEPib1icn1●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○○

○○

○○

○○

○○

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ieniCiEiBiEiEiCiCiBiBicn2icp1.4.3BJT的主要参数1fTβfiB=-ICBOU（BR）CEO击穿区截止区uCEiCiB=iB5iB=iB4iB=iB3iB=iB2iB=iB1127345返回休息1fβECEBusiBuBEECEBus2.1.4BJT的小信号模型+

uCE

_IBiCiEUBEIBUBEubeib•Q(uBE,iB)127345返回+ib+ube休息1b’·=be=·ºº

cº1晶体管的混合π型等效电路及参数rbb’rb’egmub’e·=e=··ººgmub‘e1π型等效电路及参数意义rb‘cbº

crbb’rb‘eb’rce

返回·=e=··ººgmub‘erb‘cbº

crbb’rb‘eb’

rce

Cb‘eCb‘crccree1π型等效电路及参数意义返回小结：四个物理效应

cºb’·=be=·ººrbb’rb’erccreerb’cCb’cCb’ercegmub’e简化π型低频等效电路

cºb’·=be=·ººrbb’rb’erccreerb’cCb’cCb’ercegmub’e2H参数等效电路返回休息12H参数等效电路返回Qubeibhie：输出端交流短路（uCE＝常数）时的输入阻抗，

即为输入特性曲线工作点Q上切线斜率的倒数。

02H参数等效电路ubeibIBΔuBEΔuCE返回02H参数等效电路UCEuCEicib1ib2=ib1+ΔiBΔiC返回输出端交流短路时（UCE=常数）时，正向电流放大倍数,反映了输出特性曲线的间距。

02H参数等效电路icuCEΔuCEΔiCIB返回0002H参数等效电路127345返回π参数等效电路与H参数等效电路的关系返回继续hie=rbb'+rb'e

hfe=βhfeib=gmub'e=gmibrb'e

hfe=gmrb'e

引言2.2.1JFET的结构及基本工作原理休息1休息22.2.2JFET特性曲线及参数返回2.2.3JFET小信号模型2.2结型场效应管2.2结型场效应管休息1休息2引言返回2.2.1JFET的结构及基本工作原理S源极D漏极G栅极休息1休息2返回GSDG栅极D漏极S源极GSD休息1休息22.2.1JFET的结构及基本工作原理返回GSDiDN(2)uDS对iD的影响综上分析，可得下述结论:GSDiDN①JFET栅极、沟道之间的PN结应反向偏置，因此，其iG≈0，输入电阻很高。②JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。③预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和，几乎与uDS电压的变化无关。④场效应管只有一种极性的载流子导电，通常称为单极性晶体管。P沟道JFET工作时，其电源极性和电流方向都与N沟道JFET的相反，但工作原理相同。输出特性的斜率随栅源电压而变化，栅源电压愈负，输出特性曲线相对纵坐标轴愈倾斜,漏源间的等效电阻愈大。

休息1休息2返回1输出特性曲线l12.2.2JFET特性曲线及参数类型可变电阻区预夹断状态放大区（饱和区）截止区N沟道JFET0>uGS>UGS（off）uDS<uGS-UGS（off）uGD>UGS（off）0>uGS>UGS（off）uDS=uGS-UGS（off）uGD=UGS（off）0>uGS>UGS（off）uDS>uGS-UGS（off）uGD<UGS（off）uGS<UGS（off）<0uDS>0uGD<UGS（off）III:击穿区：当uDS>BUDS后，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿，iD迅速上升IV区:全夹断区：当uGS<UGS（off）时，沟道完全被夹断，iD=0,也称为截止工作区。2.2.2JFET特性曲线及参数休息1休息2返回3.主要参数2.2.2JFET特性曲线及参数(3)最大漏源电压BUDS

(4)最大栅源电压BUGS

(5)低频跨导gm

跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性曲线工作点上的斜率。

是在uGS=0情况下的跨导

(6)输出电阻rds反映沟道长度的调制效应，是输出特性曲线工作点上切线斜率的倒数。

在小信号条件下，微分diD、duGS和duDS可以分别用交流小信号id、ugs和uds来代替。2.2.3JFET的小信号模型休息1休息2返回上式中正是FET的交流参数跨导gm，则是FET的漏源内阻rds的倒数。

得到JFET的低频小信号电流、电压之间的关系式2.3金属—氧化物—半导体场效应管（MOSFET）

自上世纪80年代以来，大规模MOS集成电路发展十分迅速，使MOS集成电路在当代大规模集成电路中占据主流地位。衬底引线PSiO22.3.1N沟道增强型MOSFET工作原理N+N+SGDiDiDiD……………………………………………………N+SGDPN+iD返回休息1休息2N+SGDPN+……………………iDiDiDiD返回休息1休息2UGS(th)N+SGDPN+4输出特性……………………uGSuGD=uGS-uDSuDSuGS1uGS2uGS3uGS4返回休息1休息2uGSuGD=uGS-uDSuDSN+SGDPN+4输出特性……………………=UGS（th）uGS1uGS2uGS3uGS4返回休息1休息2如果夹断点向源极S方向移动，电压增量几乎全部降落在夹断区上，而沟道电压几乎不变，所以iD不变，呈现恒流特性。5E型NMOSFET大信号特性方程

当考虑到沟道长度的调制效应后，MOSFET管在恒流区的大信号特性方程通常可表示为式中是管子的增益系数，单位为mA／V2:

电子的迁移率(600～800cm2／(V·s))；是SiO2氧化层单位面积电容量[(3～4)×10-8F／cm2]]；是沟道宽度与长度之比，简称宽长比。当不考虑沟道长度的调制效应时，即λ=0时，可得式中，，IDSS是uGS=2UGS（th）时的iD值。

N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线也可分成四个区：可变电阻区（Ⅰ区）、恒流区（Ⅱ区，也称为放大区）、击穿区（Ⅲ区）和截止区（Ⅳ区）。将预夹断方程中的等号改为大于号，管子进入放大区（恒流区）；将等号改为小于号，管子进入可变电阻区。

5E型NMOSFET大信号特性方程

休息1休息2类型可变电阻区预夹断状态恒流区（饱和区）截止区N沟道增强型MOSFETuGS>UGS(th)>0uDS<uGS-UGS(th)uGD>UGS（th）uGS>UGS（th）>0uDS=uGS-UGS(th)uGD=UGS（th）uGS>UGS（th）>0uDS>uGS-UGS(th)uGD<UGS（th）0<uGS<UGS(th)uDS>0GN+SDPN+……………………2.3.2

N沟道耗尽型MOSFET⊕⊕⊕⊕⊕继续UGS(off)返回休息1休息22.3.3MOSFET小信号模型继续返回1.MOSFET的三种基本组态MOSFET在接入工程电路的具体应用中与BJT类似，也有三种组态：①以栅极作输入端，漏极作输出端的共源(CS)组态；②以栅极作输入端源极作输出端的共漏(CD)组态；③以源极作输入端，漏极作输出端的共栅(CG)组态。

由于共源组态在实际电路中使用最广泛，下面主要讨论共源组态增强型NMOSFET的小信号模型。2.3.3MOSFET小信号模型

2.背栅控制特性

在集成电路中，为使各MOSFET管之间相互隔离，

NMOSFET的衬底要接电路的最低电位，PMOSFET的衬底要接电路的最高电位，因此衬底和源极之间的电压uBS往往不等于零。uBS对MOSFET特性的影响叫体效应或衬底调制效应，这在MOS集成电路中必须考虑的问题。

衬底调制效应是指衬底B极与源极间的电压uBS对iD的控制作用。在增强型NMOSFET中，通常衬底B极比源极S的电位负（低）。即uBS<0（或uSB>0）时，P型衬底与N+区源极之间的PN+结由于反偏变厚，要想维持沟道中的载流子数量与uBS＝0时的相同，就需要增加uGS>UGS（th）才可能出现N沟道，即开启电压值随衬底与源极间的负偏压的数值增加而增加，这种现象称为背栅控制特性。可以证明，在考虑体效应后，NMOSFET的开启电压UGS（th）为式中，UGS（tho）为uBS＝0时的开启电压，2φF为形成强反型层时的表面电势，典型值0.7V，γ为体效应系数（或体阈值参数），γ的大小由衬底和栅氧化层厚度决定，典型值在0.3~0.4V1/2之间。1.背栅控制特性

uBS对iD的控制作用以背栅跨导gｍb来表征，即

当λuDS<<１时

还可以求出：

背栅控制能力也可以用背栅跨导gmb与转移跨导gm之比来描述。跨导比

表示为讨论：

（1）在βn为常数（W/L为常数）时，gm与过驱动电压（uGS-UGS（off））成正比，或与漏极电流ID的平方根成正比。

（2）若漏极电流ID恒定时，gm与过驱动电压（uGS-UGS（off））成反比，而与βn的平方根成正比。所以要增大gm，可以通过增大βn（W/L）值，也可以通过增大ID来实现，但以增大W/L值最有效。

由上式可得：

另外，在恒流区MOSFET漏源极间的动态电导gds为3.亚阈区导电特性

亚阈区导电特性是指uGS<UGS（th）时MOSFET的导电特性。在亚阈区，iD与uGS呈指数规律变化，iD可表示为

式中，IDO为特征电流，表示当宽长比W／L=1，且各极相对衬底极的电位uG、uS、uD均为零时的漏极电流，n为与衬底调制效应有关的指数因子，典型的n≈l～3，UT=kT／q(常温下UT≈25～26mV)。亚阈区（用下标sub表示）的栅极跨导gmsubG为

在亚阈区，MOSFET的漏极电流与栅源电压呈指数关系，传输特性与BJT类似，栅极跨导gmsubG=ID/nUT，与漏极电流ID成正比，与BJT的放大能力相近。

3.MOSFET的等效电容

MOSFET有5个极间分布电容，可分别等效为：栅极与漏区电容Cgd；栅极与源区电容Cgs；衬底与漏区电容Cbd；衬底与源区电容Cbd；衬底与栅极电容Cbg。

栅极与N型导电沟道之间的氧化层电容CGN

，衬底与N型导电沟道之间的PN结耗尽层势垒电容CBN

，栅极与源区和漏区覆盖部分的交叠电容CGS和CGD

，衬底与源区和漏区间的PN结耗尽层势垒电容CBSJ和CBDJ

。4.MOSFET交流小信号等效模型

当MOSFET在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如图所示。

图中，受控电流源gmugs和gmbubs分别表示，由栅源电压ugs和背栅电压ubs控制产生的漏极电流iD的分量。正向转移跨导gm、背栅跨导gmb及漏源极间的动态电阻rds可按前述有关表达式计算。Cgs、Cgd为栅极与源极、栅极与漏极间的电容，Cbg、Cbs、Cbd分别为衬底与栅极、源极、漏极间的电容。

继续当ubs=0=02.3.4场效应晶体管与双极型晶体管的比较

(1)FET的三电极S、G、D与BJT的三电极E、B、C相对应，它们的导电机理却不同。FET内部仅有的沟道电流是多子漂移电流，而BJT的内部电流却比较复杂。BJT的特性易受外界影响。在这方面，FET要比BJT优越。

(2)FET是一种电压控制器件，其栅极电流极小，故栅源端输入电阻很大。FET特别适合作高输入阻抗放大器的输入级。BJT工作时基极需要一定的激励电流，故基极与射极端口的输入电阻只有数千至数十千欧姆。BJT是一种电流控制器件。

(3)在放大区，FET的漏极电流与uGS是平方律关系，而BJT的发射极电流与uBE是指数关系。在较大的范围内，BJT的三个电极电流近似成正比。BJT的跨导与集电极电流成正比，FET的跨导与漏极电流的平方根成正比。在同样的电流下，FET(特别是MOSFET)的跨导gm比BJT的低。

(4)FET在沟道未夹断时可用作压控可变电阻，这一特性使FET在一些控制电路(如自动增益控制电路)得到广泛应用。而BJT不存在可变电阻区，相应的区是饱和区，饱和压降取决于外电路，且变化很小。

(5)MOSFET的制造工艺比BJT简单(制造MOSFET只需一次杂质扩散且无须隔离技术)，集成度最高，所以在超大规模数字集成电路中应用得最广。

(6)MOSFET的绝缘栅氧化层只有几十纳米，栅极与衬底之间的电容只有pF量级，由U=Q/C知，很少的感应电荷就会产生很高的感应电压，将绝缘栅氧化层击穿，导致管子永久性损坏。所以保存MOSFET时应将其管脚短路，焊接时烙铁应接地或把烙铁临时拔下来。继续第三章晶体管放大电路基础3.1放大电路的基本组成和工作原理

3.2三类基本组态放大电路的交流特性分析

返回3.3多级放大电路继续休息13.1放大电路的基本组成和工作原理3.1.1基本放大器及其模型3.1.2放大电路的组成及其直流、交流通道

返回3.1.3放大电路的图解法

3.1.1基本放大器及其模型返回

按照输出信号与输入信号不同的组合方式划分，可有四种基本放大器电压放大器(电压输出／电压输入)电流放大器(电流输出／电流输入)跨阻放大器(电压输出／电流输入)跨导放大器(电流输出／电压输人)1．电压放大器

电压放大器将输入电压信号放大，提供输出电压信号，是一种电压控制电压源。

输出电压只是受控电压Auoui的一部分，其表达式为

电压增益的表达式为当RL=∞时，Au=Auo

。Auo称为开路电压增益，

另一方面，放大器有限的输人电阻Ri会使us在输入端引起分压作用，即

为了输入端的电压信号ui尽可能接近源电压信号us

，必须使放大器的输入电阻Ri远远大于信号源电阻Rs。

理想电压放大器的条件是Ro=0和Ri=∞，在这种条件下，Au恒等于Auo

，而其电流增益和功率增益恒等于无穷大。休息1RsusRiAuouiRoRL+ui-+uo-返回2．

电流放大器

电流放大器的输入信号是电流，输出信号也是电流，是一种电流控制电流源。RL+uo-ioiiRsisR

iAio

iiRo+ui-

输出电流及电流增益表达式分别为

显然，当RL=0时，Ai=Aio

。其中Aio称作短路电流增益

由于信号源内阻Rs对输人电阻Ri具有分流作用，实际输入电流ii与源信号电流is的关系为

为了减小由于Ro和Rs引起的电流增益损失，设计电流放大器时应满足Ro>>RL，Ri<<Rs。理想电流放大器应满足条件Ro=∞，Ri=0。在理想条件下，Ai

恒等于Aio，电压增益和功率增益恒等于无穷大。返回3．跨阻放大器

+uo-iiRLRsisR

iAroiiRo+ui-

跨阻放大器的输入信号是电流，输出信号是电压，是一种电流控制电压源。

输出电压和跨阻增益的表达式分别为当RL=∞时，Ar=Aro

。Aro称作开路跨阻增益电流ii与源信号电流is的关系为设计跨阻放大器时，应设法满足Ro<<RL，Ri<<Rs

。

返回4．跨导放大器

跨导放大器的输入信号是电压，提供电流输出信号，是一种电压控制电流源。

跨导放大器输出电流和跨导增益的表达式分别为当RL=0时，Ag

=Ago

。Ago称作短路跨导增益

考虑到信号源内阻Rs对输入电压源信号us的分压作用，实际输入电压为在设计跨导放大器时，应该满足条件Ro>>RL

，Ri

>>Rs

。RL+uo-io+ui-RsusRiAgouiRo休息1休息2返回5．四种基本放大器的区别与联系四种基本放大器的区别是：①增益的量纲不同②对输出电阻的要求不同③对输入电阻的要求不同以电压作为输出量的放大器要求Ro<<RL以电流作为输出量的放大器要求Ro>>RL以电压作为输入量的放大器要求Ri>>Rs以电流作为输入量的放大器要求Ri<<Rs四种模型电路的参数之间可以相互转换习惯上用电压增益来表示上述四种基本放大器的增益电流放大器模型的开路电压增益ioiiRsisR

iAio

iiRoRL+uo-+ui-跨阻放大器模型的开路电压增益跨导放大器模型的开路电压增益+uo-iiRLRsisR

iAroiiRo+ui-io+ui-RsusRiAgo

uiRoRL+uo-休息1休息21.放大器组成的基本原则2.1.2共射放大电路的组成及其直流、交流通道

(1)交流信号源：us为其开路电压，Rs为其内阻。(2)输入耦合电容C1

：由于电容C1的容抗为1/（ωC1），对直流相当于开路，其作用是隔断信号源与晶体管放大电路之间的直流联系；而对频率较高的交流信号可视为短路，因而交流信号可顺利地通过，起到耦合传送交流信号的作用。

1.放大器组成的基本原则2.1.2共射放大电路的组成及其直流、交流通道

(3)偏置电路：为晶体管提供直流偏置电压的电路，目的是使晶体管（BJT或FET）工作在放大状态。

偏置电路必须保证晶体管VT1的发射结正偏，集电结反偏，使晶体管VT1工作在放大状态。保证晶体管VT2工作在放大状态（饱和区）。即保证栅—源极间的PN结必须反偏。

1.放大器组成的基本原则2.1.2共射放大电路的组成及其直流、交流通道

(4)晶体管VT1（或VT2

）

：晶体管是放大器的核心，起电流（或电压）控制和放大的作用。

(5)输出端耦合电容C2：其作用与C1相同。另外Ce（或CS）为发射极（或源极）旁路电容，对交流短路，消除Re（或RS）对交流信号产生负反馈作用的影响。

1.放大器组成的基本原则电路仿真1返回休息1休息2(6)放大器负载RL

:可以是一个实际的负载（如电阻、喇叭、显像管等），也可以是下一级的放大电路的输入回路。(7)直流电源EC

（ED)

:为整个电路提供了能量。晶体管只相当于能量的控制器，即在输入信号ui的控制下，把直流能量转化成较大的交流信号能量输出。电路仿真21.放大器组成的基本原则电路仿真1

放大器有两个独立的电源，一个是直流电源，另一个是交流信号源us，电路中各支路上的电压和电流应该由两部分组成。

如果放大电路中晶体管的静态偏置设计在放大区，且工作在交流小信号的范围内，放大电路即为线性电路，那么根据线性电路的迭加原理，可以把放大电路分解成直流通道和交流通道两个部分，进行独立的分析。电路仿真2iB=IB+ibuBE=UBEQ+ubeiC=IC+icuCE=UCEQ+uceiD=ID+iduGS=UGSQ+ugsuDS=UDSQ+uds在晶体管放大电路的设计和分析中有两类基本问题：直流电源EC单独作用时，放大电路的等效电路。

交流小信号源us单独作用，放大电路在静态工作点上的微变等效电路。

2.直流通路与静态工作点的估算返回(2)BJT静态工作点Q的估算法

休息1休息2返回(3)等效电源法：休息1休息2返回（4）FET的直流偏置电路及静态分析返回在工程实用电路中，有两种典型偏置的共源放大电路（4）FET的直流偏置电路及静态分析返回IGQ=0UGQ=0IGQ=0USQ=IDQRS

UGSQ=UGQ-USQ=-USQ=-IDQRS

UDSQ=ED-IDQ（RD+RS）自给偏压电路只适用于JFET和耗尽型MOSFET

分压式自偏压电路在UG选择不当时，可能造成JFETPN结正偏UDSQ=ED-IDQ（RD+RS）USQ=IDQRS

IGQIGQ晶体管放大电路的直流偏置电路及静态工作点分析小结

返回(1)正确的画出放大电路的直流通路是分析和计算静态工作点关键。

(2)直流偏置电路确定了晶体管的工作状态，与晶体管接入电路的组态无关。因此，以上由共射或共源组态的放大器所确定的直流偏置电路同样可用于任何其他组态的放大电路中。(3)在BJT放大电路静态工作点的估算中，发射结正偏电压UBE可以取经典值（硅管：0.6～0.8V；锗管0.2～0.3V）估算；但在FET放大电路静态工作点的计算中，栅-源之间的偏置电压UGS必须通过求解一元二次方程的方法获得。3：交流通道交流通路是在交流信号源us单独作用下的等效电路，反映放大电路中交流电流和交流电压之间关系的电路。

Rb=Rb1//

Rb2Rg=R3

+

R1//

R23.1.3放大电路的图解法休息1休息2返回

1作直流负载线――图解Q点BIBQUBEQAiB·Q休息1休息2iCuCEICQUCEQGFIBQ1作直流负载线――图解Q点Q·Bi

bIBUBEA•H2作交流负载线――交流动态分析Q·+ube

-ib休息1休息2返回icICQUCEQGFIBQ•D(2)输出回路的动态方程与交流负载线iCuCE·Q二图解法与动态工作分析：IBQUBEQBAi

B·QUBBDUCEQFIBQUCC•DICQGi

CuCE·Q休息1休息2返回UBBuBE+-iBiCuCE+

-us二图解法与动态工作分析：UCEQICQIBQG•DiCuCE（1）工作点在交流负载线的中点上动态范围最大·Q（2）工作点靠近截止区容易产生截止失真·Q（3）工作点靠近饱和区容易产生饱和失真仿真继续返回休息1休息2·Q在不失真的条件下，输出信号振幅的最大摆动范围，被称为放大电路的动态范围。

Ucem≤UCEQ-UCES

Icm≤ICQ-ICEO

输出电压和电流的最大值为：3.2三类基本组态放大电路的交流特性分析3.2.1共射（CE）和共源（CS）放大电路3.2.2共集（CC）和共漏（CD）放大电路

3.2.3共基（CB）和共栅（CG）放大电路

返回2.2.1共射放大电路的特性与动态分析返回

为了便于对两类晶体管(BJT和FET)放大电路进行比较，把组态类似的BJT和FET编成一组，分成三类基本组态，既有：共射和共源类基本组态，共基和共栅类基本组态，共集和共漏类基本组态3.2.1共射（CE）和共源（CS）放大电路1.交流小信号动态分析：(1)交流通道Rb=Rb1//

Rb2RG=R3

+

R1//

R2(2)微变等效电路把图交流通道中的晶体管VT1和VT2

，分别用BJT和FET的线性低频小信号模型来代替，即可得放大电路的微变等效电路。

2.交流参数分析：（1）输入电阻R

i放大电路的输入电阻定义为:共射放大器的输入电阻其中，共源放大器的输入电阻其中，RG=R3+R1//R2

2.交流参数分析：（2）输出电阻Ro共射放大器的输出电阻共源放大器的输出电阻放大电路的输出电阻定义为:当us=0