数字射频收发模块原理与设计-有源电子元器件课件.ppt

1、数字射频收发通信模块原理与设计数字射频收发通信模块原理与设计-有源电子元器件有源电子元器件 2有源电子元器件的名称、分类、形状、用途有源电子元器件的名称、分类、形状、用途 一、有源（一、有源（active）电子元器件的定义）电子元器件的定义 如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。则这种器件叫做有源器件。从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：（1）自身消耗电能。自身消耗电能。（2）除了输入信号外，还必须要有外加除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。电源才可以正常工作。3有源电子

2、元器件的名称、分类、形状、用途有源电子元器件的名称、分类、形状、用途 二、有源（二、有源（active）电子元器件的分类）电子元器件的分类 有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。成电路两大类。分立器件：电子管、晶体管分立器件：电子管、晶体管 集成电路：模拟集成电路、数字集成电路集成电路：模拟集成电路、数字集成电路4 分立器件：分立器件：电子管：电子管又名真空管，所以又称为电真空器件。电子管：电子管又名真空管，所以又称为电真空器件。晶体管

3、：属于半导体器件，导电能力介于晶体管：属于半导体器件，导电能力介于导体导体与与绝缘体绝缘体之间。之间。可分为二极管、三极管和场效应管等等。可分为二极管、三极管和场效应管等等。5晶体二极管晶体二极管 一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性1.1.概念概念半导体半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间导电能力介乎于导体和绝缘体之间。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。影响半导体导电能力的因素影响半导体导电能力的因素光照光照导电能力导电能力如：光敏元件如：光敏元件温度温度导电能力导电能力 如：热敏元件如：热敏元件掺杂掺杂纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，纯净

4、的半导体中掺入微量的某些杂质，会使半导体的导电能力明显改变。会使半导体的导电能力明显改变。掺杂掺杂导电能力导电能力 如：如：P P型、型、N N型半导体。型半导体。6 常用的半导体材料常用的半导体材料锗锗 Ge硅硅 Si硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子32142-8-18-42-8-42.2.本征半导体本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体纯净的、具有晶体结构的半导体sisisisi最外层最外层八个电八个电子的稳子的稳定结构定结构共价键内的共价键内的价电子对价电子对共价键共价键共价键结构稳定共价键结构稳定导电能力很弱导电能力很弱SiGe价电子价电子7 本

5、征激发本征激发（热激发）热激发）sisisisi空空穴穴自自由由电电子子自由电子自由电子本征激发成对产生本征激发成对产生空穴空穴 两种载流子两种载流子 半导体中有自由电子半导体中有自由电子和空穴两种载流子和空穴两种载流子本征半导体两端外加电压时，将出现本征半导体两端外加电压时，将出现两部分电流，两部分电流，电子流电子流和和空穴流空穴流。复合复合复合使自由电子和空穴成对减少复合使自由电子和空穴成对减少 在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。半导体中的载流子数目一定。半导体中的载流子数目一定。温度升高、光照增强使价电子温度升高、光照增强使价电子摆脱原子

6、核的束缚摆脱原子核的束缚自由电子与空穴相遇自由电子与空穴相遇8多余电子多余电子3.3.杂质半导体杂质半导体 N型半导体（电子半导体）型半导体（电子半导体）本征半导体中掺入微量的五价元素本征半导体中掺入微量的五价元素磷磷特点：特点：多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N 型半导体型半导体+示意图示意图P+sisisi硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子磷磷 P152-8-5p9P型半导体型半导体示意图示意图空穴空穴 P型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）特点：特点：多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子本征半导体中掺入微量

7、的三价元素本征半导体中掺入微量的三价元素硼硼B-sisisi硅晶体中掺硼出现空穴硅晶体中掺硼出现空穴多数载流子数目由掺杂浓度确定多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关少数载流子数目与温度有关.温度温度少子少子结论：结论：52-3硼硼 BB10二、二、PN结结 同一片半导体基片上，分别制造同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导型半导体，在它们的交界面处形成的特殊区域。体，在它们的交界面处形成的特殊区域。1.PN结结2.PN结的形成结的形成PNPN结结P区和区和N区的载区的载流子浓度不同流子浓度不同由载流子的浓度差由载流子的浓度差多子扩散多子扩散 P+NN区区P区

8、区P区区N区区电子电子空穴空穴正负离子显电性正负离子显电性建立空间电荷区建立空间电荷区形成内电场形成内电场i P+N+-i自建电场自建电场11 内电场内电场i反对多子扩散反对多子扩散有利少子漂移有利少子漂移扩散扩散=漂移漂移动平衡动平衡空间电荷区宽度确定空间电荷区宽度确定PN结形成结形成PN结结空间电荷区空间电荷区PN结也称为高阻区、耗尽层结也称为高阻区、耗尽层P+NPN结结+-i自建电场自建电场123.3.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结正向导通结正向导通现象：现象：灯亮、灯亮、电流大（电流大（mA级）级）原因：原因：，使，使PN结变窄，由多数载流子结变窄，由多数载流子形成较大的正向

9、电流。形成较大的正向电流。oi 结论：结论：PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。结正向导通，正向电流大、正向电阻小。PN结变窄结变窄-PNEmA+-+-o i+I13 PN结反向截止结反向截止现象：现象：灯不亮、灯不亮、电流很小（电流很小（A级）级）原因：原因：、方向一致，使方向一致，使PN结变宽，由少数结变宽，由少数载流子形成很小的反向电流。载流子形成很小的反向电流。o i 结论：结论：PN结反结反 向截止，反向电流小、反向电阻大。向截止，反向电流小、反向电阻大。PN结变宽结变宽-+PNE-+-o i A0 反反I0 反反I 反反R14三、三、半导体二极管半导体二极管1.基本结构及符号基

10、本结构及符号点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路如：检波电路、数字开关电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路 如：整流电路如：整流电路D阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极点接触型点接触型面接触型面接触型外外 形形符符 号号15半导体二极管图片半导体二极管图片16半导体二极管图片半导体二极管图片172.伏安特性伏安特性UBR 反向击穿电压反向击穿电压 正向特性正向特性死区电压死区电压 =0 0.1V.1V（锗管）锗管）0.5

11、V0.5V（硅管）（硅管）UD=0.20.3V （锗管）锗管）0.60.7V （硅管）（硅管）导通后管压降：导通后管压降：反向特性反向特性，二二极极管管反反向向截截止止时时，反反反反0BR IUU击击穿穿急急剧剧增增加加，二二极极管管反反向向时时，反反反反IUUBR UIo死区死区+-+UBRUD18U UI Io oU UBRBRU UD DC20I ID D 温度对二极管的影响温度对二极管的影响 温度升高二极管温度升高二极管 正向压降减小正向压降减小温度温度载流子载流子导电能力导电能力等效电阻等效电阻正向压降正向压降U UD D 温度升高二极管反向电流增大温度升高二极管反向电流增大温度温度

12、少数载流子少数载流子反向电流反向电流温度每升高温度每升高1010 C C。反向电流增大一倍。反向电流增大一倍。C75DU193.主要参数主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流 IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（点接触型平均电流。（点接触型 U UB B，D DA A先导通，先导通，D DA A起起钳钳位作用，使位作用，使U UF F=3V=3V。F FA AB B-12V-12V0V0V+3V+3VD DA AR RD DB BU UB B U UF F ，D DB B截止，截止，将将U UB B与与U UF F隔离隔离D

13、DA A、D DB B，为理想二极管为理想二极管 3.3.二极管的钳二极管的钳位和位和隔离应用隔离应用例例电路中，输入端电路中，输入端 U UA A=+3V=+3V，U UB B=0V=0V，试求输出端试求输出端F F的电位的电位U UF F。解：解：244.二极管门电路二极管门电路 F=AB 二极管与门二极管与门 分析分析规定规定高电平高电平3V逻辑逻辑“1”低电平低电平0V逻辑逻辑“0”真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号FABFD1D2AB+12VR25FD1D2AB-12VRF=A+B 二极管或门二极管或门 分析分析规定规定高电平高电平3V逻辑逻辑“1”低电平低电平0V逻辑

14、逻辑“0”真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号FAB126五、五、特殊二极管特殊二极管（1 1）结构和符号）结构和符号1 1、稳压二极管、稳压二极管UIUZminIZminIZmax UZ IZoaUZmaxb-+DZ符号符号面接触型硅二极管面接触型硅二极管（2 2）伏安特性）伏安特性正向特性与普通硅二极管相同正向特性与普通硅二极管相同未击穿区（未击穿区（o a段）段）I0，反向截止，反向截止击穿区（稳压区击穿区（稳压区 a b段）段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：动态电阻：ZZZIUr 动态电阻愈小稳压效果愈好动态电阻愈

15、小稳压效果愈好热击穿区（热击穿区（b 点以下线段）点以下线段）maxZZII 过热烧坏过热烧坏PN结结27 电压温度系数电压温度系数 U 稳定电压稳定电压 UZ稳压管的稳压值稳压管的稳压值 动态电阻动态电阻 越小，稳压越好越小，稳压越好；ZZZIUr Zr 温度变化温度变化1 C，稳压值变化的百分数。，稳压值变化的百分数。6V04V04V6V0ZUZUZUUUU ，；，；，稳定电流稳定电流IZ、最大稳定电流、最大稳定电流Izmax使用时稳压管的电流要大于使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流，小于最大稳定电流Izmax 最大允许功耗最大允许功耗PZM稳压管不发生热击穿的最大功率损耗稳压

16、管不发生热击穿的最大功率损耗maxZZZMIUP（3 3）稳压二极管的参数）稳压二极管的参数硅稳压管硅稳压管：28（1）符号和特性）符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置（2）主要参数）主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高反向工作电压暗电流，光电流，最高反向工作电压光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片2 2、光电二极管、光电二极管293 3、发光二极管、发光二极管 当管子接正向电压当管子接正向电压,有电流通过时有电流通过时,会发出光线。会发出光线。不同半导体

17、材料的二极管发出的光线的颜色不同。不同半导体材料的二极管发出的光线的颜色不同。发光二极管用于信号指示发光二极管用于信号指示、数码管显示器。、数码管显示器。发光二极管是一种将电能转发光二极管是一种将电能转换成光能的显示器件。换成光能的显示器件。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为压为0.91.1V，其正向工作电压为，其正向工作电压为1.52.5V,工作电流工作电流为为515mA。反向击穿电压较低，一般小于。反向击穿电压较低，一般小于10V。符号符号+-磷砷化镓（磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP

18、）材料发红光或绿光，氮化镓（）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发）材料发蓝光，碳化硅（蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。材料发不可见的红外线。3031半导体（晶体）三极管（双极型晶体管）半导体（晶体）三极管（双极型晶体管）一、一、三极管结构及其放大作用三极管结构及其放大作用B基极基极E发射极发射极C集电极集电极NPN型型PNP型型1.结构及类型结构及类型NNP发射结发射结集电结集电结BECIBIEICTBECIBIEICTB基极基极E发射极发射极C集电极集电极PPN32半导体半导体三三极管图片极管图片33BECNNP基极基极发

19、射极发射极集电极集电极基区：基区：掺杂浓度最低掺杂浓度最低并且很薄并且很薄集电区：集电区：掺杂浓度较低掺杂浓度较低发射区：发射区：掺杂浓度最高掺杂浓度最高2.2.晶体管的放大原理晶体管的放大原理 （1 1）晶体管的电流放大条件）晶体管的电流放大条件 内部条件内部条件 三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。34外部条件外部条件 发射结加上正向电压，集电结加上反向电压发射结加上正向电压，集电结加上反向电压 NNPBEC+BECT+UBE UBC即：即：NPN型型0,0BCBE UUEBCUUU 或或PPNBEC+BECT+UBE UBC PNP型为：型为：0,0BCBE UU

20、CBEUUU 或或35（2 2）放大原理（）放大原理（NPNNPN型）型）（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu 扩散运动形成发射极电流扩散运动形成发射极电流IE，复合运动（主要部分），复合运动（主要部分）形成基极电流形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数载少数载流子的流子的运动运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区电子从发射区扩散扩散到基区到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区

21、面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子部分扩散到基区的电子漂移漂移到集电区到集电区基区空穴基区空穴的的扩散扩散36mA AmAIETRBIBECEBICRC+共发射极放大实验电路共发射极放大实验电路IB(mA)0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1IC(mA)0.005 0.99 2.08 3.17 4.26 5.40IE(mA)0.005 1.01 2.12 3.23 4.34 5.50晶体管电流测试数据晶体管电流测试数据 3.3.晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系37IC、IEIB，IC与与IB之比称为直流之比称为直流(静态静态)电流放大系数电流放大系数IE=IC+

22、IB（KCL定律）定律）结论：结论：，5204.008.2BC II8.5206.017.3BC IIIC、IEIB，IC与与 IB之比称为之比称为 交流交流(动态动态)电流放大倍数电流放大倍数5.5402.009.104.006.008.217.33B4B3C4CBC IIIIII；BCII BE1II）（；CE1II 38二二、晶体三极管特性曲线及主要参数晶体三极管特性曲线及主要参数ICmA AV1V2UCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路输入回路输入回路输入特性输入特性 IB=f（UBE）|UCE输出回路输出回路输出特性输出特性 IC=f（UCE）|IB39 死区电压，死区电压，

23、硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。令令UCE=常数常数IB=f（UBE）1.输入特性输入特性工作压降：工作压降：UBE 0.60.7V,硅管硅管UBE 0.20.3V 锗管锗管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V0402.输出特性输出特性1234IC(mA )UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 放大区放大区BCII 特特征征：电电结结反反偏偏条条件件：发发射射结结正正偏偏、集集EBCUUU 当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。此区域满足此区域满足IC=IB称为称为线性区（放线性

24、区（放大区）。大区）。41此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEICS，所以管子工作在饱和区，所以管子工作在饱和区。mA8.3106.130mA06.153.557.06BCB IIImA7.93.010110CESCS UI临临界界饱饱和和电电流流：50+10V 1k IC-2V 5k IB+10V 1 k IC+2V 5kIB(c)(b)作业作业51场效晶体管场效晶体管(FET)（单极型晶体管）（单极型晶体管）场效晶体管与双极型晶体管不同，它是利用电场效应来场效晶体管与双极型晶体管不同，它是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，输出电流取决于输入电压，不需控制电流的一种半导体

25、器件，输出电流取决于输入电压，不需要信号源提供电流；要信号源提供电流；输入电阻高输入电阻高（可达（可达1091015），），温度温度稳定性好稳定性好。耗尽型耗尽型增强型增强型（PMOS管）管）（NMOS管）管）P沟道沟道N沟道沟道绝缘栅型绝缘栅型MOS管管 结型结型JFET管管P沟道沟道N沟道沟道（PMOS管）管）（NMOS管）管）分类分类:（六种类型）（六种类型）P沟道沟道N沟道沟道52场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），对），对应于晶体管的应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可

26、变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。一、一、结型场效应管结型场效应管场效晶体管场效晶体管(FET)（单极型晶体管）（单极型晶体管）导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图通过通过Ugs控制导电沟道的宽度控制导电沟道的宽度53二、二、绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结构和符号结构和符号P型衬底型衬底 绝缘栅场效应管是一种金属绝缘栅场效应管是一种金属(M)-氧化物氧化物(O)-半导体半导体(S)结构结构的场效应管，简称为的场效应管，简称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管）管 金属铝电

27、极金属铝电极 两个两个N+区区PN+N+G(栅极栅极)S(源极源极)D(漏极漏极)1.沟道增强型沟道增强型MOS管管 SiO2绝缘层绝缘层沟道沟道 GSD增强型增强型NMOS管管栅极栅极 漏极漏极 源极源极 b衬底衬底54P沟道增强型沟道增强型MOS管结构图管结构图GSD增强型增强型PMOS管管栅极栅极 漏极漏极 源极源极 b衬底衬底NP+P+GSD55 工作原理工作原理 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。增强型管增强型管SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺

28、杂高掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启56增强型增强型MOS管管uDS对对iD的影响的影响 iD随随uDS的增的增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUT,预夹预夹断断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻57 输出特性输出特性 I D(mA)区区 区区 区区UGS=5V4.5V4V3.5V3V2.5V(UT)0 2 4 6 8 UDS(V)25413常数常数 GS)(DSDUUfI恒流区（恒流区（区）：区）：UGSUT，UDS较大时，较大时，UGS一定，则

29、一定，则ID不变（不变（恒流恒流）。用跨导）。用跨导gm来表示来表示UGS对对ID的控制作用。的控制作用。可变电阻区（可变电阻区（区）：区）：UGSUT，UDS很小很小场效应管相当于一个压控电阻场效应管相当于一个压控电阻 UGD=UGSVDSUT 时时常常数数 DSGSDUmUIg截止区：截止区：UGSUT 电流电流ID=0管子处于截止状态。管子处于截止状态。击穿区（击穿区（区）区）:当当UDS太大时，太大时，PN结反向击穿，结反向击穿，使使ID急剧增加，会造成管子损坏。急剧增加，会造成管子损坏。5812ID(mA)4UT0 2 4 6 8 UGS(V)826UDS=常数常数 转移转移特性特性

30、 常常数数 DS)(GSDUUfI2GSDDOT1UIIU（）其中其中IDO是是UGS=2UT 时的时的ID值值 2.沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 GSD耗尽耗尽型型NMOS管管栅极栅极 漏极漏极 源极源极 b衬底衬底GSPN+N+D预埋了导电沟道预埋了导电沟道 59I D(mA)3V2V1VUGS=0V-1V-2V0 4 8 12 14 UDS(V)410 826区区区区区区-4 -2 0 2 4 UGS(V)ID(mA)4UP826UDS=常数常数 耗尽型耗尽型NMOS管输出特性管输出特性耗尽型耗尽型NMOS管转移特性管转移特性UP(UGS(off)夹断电压夹断电压 UGS=UP(UGS

31、(off)时，导电沟道消失，时，导电沟道消失，ID0 UGS沟道沟道加宽加宽ID，UGS沟道变窄沟道变窄ID601.场效应管的特点场效应管的特点 （1）在场效应管中，沟道是唯一的导电通道，导）在场效应管中，沟道是唯一的导电通道，导电过程只有一种极性的多数载流子，为电过程只有一种极性的多数载流子，为单极型管单极型管；（2）场效应管是通过栅源）场效应管是通过栅源UGS电压来控制电流电压来控制电流ID，为为压控元件压控元件；（3）场效应管）场效应管输入电阻大；输入电阻大；（4）漏源极可互换使用；）漏源极可互换使用；（5）利用多数载流子导电，因此它的）利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性温度稳定性较

32、好。较好。二、二、场效应管的特点和主要参数场效应管的特点和主要参数 612.场效应管的主要参数场效应管的主要参数 直流参数直流参数输入电阻输入电阻RGS 耗尽型耗尽型MOS管的夹断电压管的夹断电压UP(UGS(off)，增强型增强型MOS管的开启电压管的开启电压UT(UGS(th)，漏极饱和电流漏极饱和电流IDSS。62 极限参数极限参数 最大漏极电流最大漏极电流IDM、最大耗散功率、最大耗散功率PDM、漏源击、漏源击穿电压穿电压U（BR）DS。栅、源击穿电压。栅、源击穿电压U（BR）GS。极间电容极间电容：Cgs和和Cgd为为13pF，Cds约为约为0.11pF。极。极间电容的存在决定了管子

33、的最高工作频率和工作速度间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度 单位：单位：S，或，或mS 交流参数交流参数低频跨导低频跨导gm：当当UDS=常数，常数，常常数数 DSGSDmUdudig63 20020 ms51mg4210101471010 对应电极对应电极 BEC GSD64三、三、场效应管的应用（开关作用）场效应管的应用（开关作用）+EDUIRDTUOUI+EDRDTUO输入输入UI=0 时：时：+EDRDTUOUGSUT，处于截止状态。处于截止状态。输出输出UO=EDUO+EDRDRON输入输入UI=ED 时：时：UGSUT，处于导通状态。处于导通状态。导通电阻为导通电阻为R

34、ON，且，且RD RON0DONDONO ERRRU65总结总结 分立元件：分立元件：二极管二极管 三极管三极管 场效应管场效应管66模拟集成电路模拟集成电路 分类：分类：运算放大器运算放大器 模拟乘法器模拟乘法器 锁相环锁相环 电源管理芯片电源管理芯片 主要构成电路：主要构成电路：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。电路等。67一、一、集成运算放大电路集成运算放大电路（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。用差分放大电路和电流源电路。（2 2

35、）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。作的大电阻。（4 4）采用复合管。）采用复合管。1.集成运放的特点集成运放的特点 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。682.2.集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输

36、出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。一个双端输入、单端输出的差分放大电路。69集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，输大，输入端耐压高。入端耐压高。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。的放大能力。功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。为各为各级放大电路设置级

37、放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。703.3.集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN)由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN)Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM,就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区

38、。，即集成运放工作在非线性区。714.4.负反馈电路负反馈电路FAAXFAXXAXFXXAXXXAA1iiioiifiifioXXA基本放大电路的基本放大电路的放大倍数放大倍数反馈系数反馈系数ofXXF反馈放大电路的放大倍数反馈放大电路的放大倍数iofXXA72。，即，则若 1 11 fifXXFAFAFAAA1f净输入量可净输入量可忽略不计忽略不计fifi IIUU在并联负反馈电路中，馈电路中，上式说明：在串联负反。电路引入的才为负反馈，只有0FA5.5.深度负反馈的实质深度负反馈的实质73uuuuuuFUUUUAUUF1 foiofof12f211of11 RRFARRRUUFuuuuuu

39、 电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路6.6.深度负反馈条件下电压放大倍数的估算深度负反馈条件下电压放大倍数的估算74因为因为u uO O为有限值，为有限值，A Aodod，所以所以 u uN Nu uP P0 0，即即因为因为r ridid，所以所以 理想运放参数特点：理想运放参数特点：Aod，rid，ro0。电路特征：电路特征：反馈网络为无源网络，如图。反馈网络为无源网络，如图。u uN Nu uP P虚短路虚短路i iN Ni iP P0 0虚断路虚断路求解放大倍数求解放大倍数的基本出发点的基本出发点7.7.理想运放情况下负反馈放大电路的估算理想运放情况下负反馈放大电路的估算75二、二、

40、集成运放电路分析集成运放电路分析 1.读图方法读图方法 已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。标。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。路。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。和性能。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。数。762.2.举例：型号为举例：型号为

41、F007F007的通用型集成运放的通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。77 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路找出偏置电路78双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍

42、增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简化电路简化电路分解电路分解电路79输入级的分析输入级的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9因为因为IC10不变不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和

43、T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出80输入级的分析输入级的分析T7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源的有源负载，而负载，而T4又是又是T6的有源负载。的有源负载。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电输入端耐压高，并完成电平转换（即对平转换（即对“地地”输输出）。出）。81中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍

44、数。F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级82输出级的分析输出级的分析D1和和D2起过流保护作用，未过起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。流时，两只二极管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，导通，为为T14基极分流，从而保护基极分流，从而保护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍

45、增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高83判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端84F007F007所具有的高性能所具有的高性能Ad较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强Ac较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强rid较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小ro小：带负载能力强小：带负载能力强Uom大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压 输入端耐压高：使输入端不至于击穿的输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。差模电压大

46、。uIcmax大：接近电源电压大：接近电源电压853 3、集成运放的主要性能指标、集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益Aod106dB 差模输入电阻差模输入电阻rid2M 共模抑制比共模抑制比KCMR90dB 输入失调电压输入失调电压UIO1mV0UIO的温漂的温漂dUIO/dT()几几V/0 输入失调电流输入失调电流IIO(IB1-IB2)20nA0 IIO的温漂的温漂dUIO/dT()几几nA/0 最大共模输入电压最大共模输入电压UIcmax13V 最大差模输入电压最大差模输入电压UIdmax30V-3dB带宽带宽fH10Hz 转换速率转换速率SR(=duO/dtmax)0.5

47、V/S864 4、集成运放的种类、集成运放的种类按工作原理按工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大号控制那个通道的信号放大874 4、集成运放的种类

48、、集成运放的种类按性能指标按性能指标rid，可高于，可高于1012。用于测量放大器、信号发生器。用于测量放大器、信号发生器。fH和和SR高，高，fH可达可达1.7GHz，SR可达可达 103V/S。用于用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。转换电路、视频放大器。低失调、低温漂、低噪声、高增益，低失调、低温漂、低噪声、高增益，Aod高于高于105dB。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。工作电源电压低、静态功耗小，在工作电源电压低、静态功耗小，在100200W。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。通常情况下用通用型运放，特通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。殊情况下才用专用型运放。88总结总结 无源电子元件无源电子元件 有源电子元件有源电子元件 分立元件分立元件 集成元件集成元件