1、模拟电路基础模拟电路基础全册配套完整全册配套完整教学课件教学课件2 2模拟电路基础模拟电路基础 引引 言言一、课程名称简介一、课程名称简介二、模拟电路发展历史二、模拟电路发展历史三、课程教学内容简介三、课程教学内容简介四、课程特点四、课程特点五、学习方法五、学习方法 一、课程名称简介 信号按时间可分为连续时间信号和离散时间信号（或数字信号）处理模拟信号的电路称为 模拟电路模拟电路处理数字信号的电路称为 数字电路数字电路 信号按工作频率可分为微波、高、中、低频信号。处理微波频段信号的电路称为 微波电路微波电路处理高频频段信号的电路称为 高频电路高频电路处理低频频段的电路称为 低频电路低频电路 综
2、上所述，本课程介绍处理低综上所述，本课程介绍处理低频模拟信号的频模拟信号的放大放大电路。电路。二、模拟电路发展历史二、模拟电路发展历史从六十年代的电子管晶体管 集成电路 大规模 可编程器 未来分子电路？ 三、课程教学内容简介 请看教材目录 四、课程特点 1、工程性和实践性强； 2、在四年制本科学习中起到 “承上启下 ” 的作用； 数、物、电分 模拟电路 高频、其他专业 课程 3、电路千变万化，不同于前面课程的思维方式、 入门难；3 4、内容多、涉及面广、新知识点多，学时 少； 五、学习方法 1、重视课堂教学环节、课后及时复习 和做作业； 2、 善于归纳总结； 3、 勤学好问。第一章第一章 晶体
3、二极管及应用电路晶体二极管及应用电路1-1 半导体基础知识（一）半导体一 半导体：其导电能力介于导体和绝缘体之间。 半导体具有某些特殊性质：如压敏热敏及掺杂特性，导电能力改变。二 半导体材料：用于制造半导体器件的材料。 半导体管又称晶体管。三本征半导体 ：纯净的且具有完整晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯（99. 999%以上）即为本征半导体。四本征激发：价电子因热运动获得能量，争脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键上留下空位，这一现象成为本征激发。图1-3 温度越高，本征激发越强，产生的自由电子和空穴越多。 五两种载流子 载流子：能够导电的电荷。 半导体中的两种载流子：自由电子，空穴
4、 两种载流子导电的差异：图1-4 自由电子在晶格中自由运动 空穴运动即价电子的填补空穴的运动，始终在原子的共价键间运动。 六载流子的复合和平衡 载流子的复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使 一对自由电子空穴对消失。 动态平衡：当温度T一定时，单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等，称为载流子的动态平衡。 本征浓度ni：平衡状态下本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。 （二）杂质半导体（二）杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P 型半导体。一 N型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量V族
5、元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。图1-5 二 P型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入族元素称为受主杂质，简称受主（能供给自由电子）。图1-6P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。 三 杂质半导体的载流子浓度： 少量掺杂，平衡状态下：ni2 =n0p0 其中，ni 为本征浓度，n0 为自由电子浓度，p0 为空穴浓度图1-7 杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。温度T增加，本征激发加剧， 但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。半导体工作机理：杂质是电特性。Si半导体比Ge半导
6、体有更高的温度。因为同温度时， Si 半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度时Si半导体 才会失去杂质导电特性。（三）漂移电流和扩散电流（三）漂移电流和扩散电流1 漂移电流： 载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂移电流。 漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。2 扩散电流： 因扩散运动形成的电流，称为扩散电流。 扩散运动：因载流子 浓度差而产生的载流子宏观定向运动。 物理现象：半导体（N型P型）内的载流子浓度分布不规则，无规则热 运，载流子从高浓度向低浓度方向净迁移。 1-2 PN1-2 PN结工作原理结工作原理PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物 理界面，界
7、面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。一 PN结的形成：内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的扩散。 电场E产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。 扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形成PN结。无净电流流过PN结。 二 PN结的特点： 1 空间电荷区是非线性中性区，内建电场和内建电位差 0 （内建电压）。2 PN结又称耗尽层。3 PN结又称阻挡层：内建电场E阻止两区多子越结扩散。 PN结又称势垒区：4 不对称PN结。 三 PN结的单向导电特性： 无外接电压的PN结开路
8、PN结，平衡状态PN结 PN结外加电压时 外电路产生电流1 正向偏置（简称正偏） PN结：图1-10 PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位） 正偏正向电流2 反向偏置（简称反偏）PN结：图1-11反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。 硅PN结的Is 为pA级 温度T增大 Is 3 PN结的伏安特性 伏安特性方程： PN结的伏安特性曲线：图1-12 1-3 1-3 晶体二极管晶体二极管 二极管的结构和符号：图1-13（a）为结构，（b）为符号。一 二极管的伏安特性：1 单向导电特性：2 导通电压VON ：3 锗管的Is比硅管的Is大三个数量级；4
9、Is随温度升高而增大： 图1-145 锗管与硅管伏安特性的差异：图1-15二二极管的RD和rd1 直流电阻RD： 二极管的伏安特性为曲线二极管为非线性电阻器件。结论： Q点处的电流越大，二极管的直流电阻RD越小； 二极管的正反向直流电阻相差很大。2 交流电阻rd 二极管工作点Q处的微变电压增量dvD 和微变电流增量diD 之比，称为该点处的交流电阻rd 。图1-18。3 二极管的参数： 最大平均整流电流： 最大反向工作电压VR 反向电流IR ： 最高工作频率fm ：三二极管的模型： 器件模型：由理想元件构成的能近似反映电子器件特性的等效电路。1 二极管的伏安特性的分段线性近似模型 理想开关模型
10、 ： 二极管 理想开关 正偏时正向电压 = 0，反偏时反向电流 = 0 图1-19 恒压源模型： 图1-20原因：二极管导通时电流较大，rd很小 ，近似认为二极管的端电压不随电流变化 恒压特性。 折线近似模型：图1-21例1-1 ：P1314解法1：图解法或负载线法。解法2：估算法。2二极管的交流小信号模型 工作点Q处的交流电阻rd图1-24。交流通路：图1-25（b）和图1-26 （d）。直流通路：图1-26 （b）例1-3：电路图1-26（a），V(t)=2sin2104t(mV) C=200F ，估算二极管电流中的交流成分id(t) 。解1）v(t)=0V 时，画出直流通路1-26（b）
11、图。 2）当v(t) 加入后，画交流通路时将C短路。 图1-26（d）。交流通路及电容C：（1） C称为隔直电容：（2）C称为耦合电容：四 二极管应用电路 （1）低频及脉冲电路中，做整流、限幅、钳位、稳压、波形变换 （2）集成运放加二极管构成指数、对数、乘法、除法等运算电路 （3）高频电路中做检波、调幅、混频等1 整流电路： 图1-27整流： 利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。图1-28为典型的单相半波整流电路。分析如下： （1）当vi(t)0 二极管正偏 （2）当vi(t) 0 二极管反偏2 限幅电路：（1）双向限幅电路：图1-30，设vi(t)=3
12、sint （2）单向限幅电路（取Er =0即为教材上的例题）：（3）幅度可调的双向限幅电路： 3 钳位电路： 能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图1-31。 设vi(t) 是2.5V 的方波信号1-31（b）， 1-3 PN1-3 PN结的反向击穿及其应用结的反向击穿及其应用一 反向击穿 PN结反向击穿： PN结反向电压增大到一定量值时，反向 电流激增，这一现象称为PN结反向击穿。 反向击穿电压：反向击穿时的电压值。1 雪崩击穿-价电子被碰撞电离： 发生雪崩击穿条件是：反偏电压6V。 温度增加，击穿电压增大。 2 齐纳击穿-价电子被场致激发 大反偏电压下结会有很强的电场大电场力将共价
13、键上的价电子拉出共价键自由电子空穴对结内载流子激增反向电流激增齐纳击穿。 反偏电压4V 齐纳击穿。 温度增加，击穿电压减小。二 稳压 管 专门工作与反向击穿状态的二极管稳压 管。电路符号图1-33（b），特性曲线图1-33（a）。1 稳压 管的参数： 稳定电压Vz 最小稳定电流IzMIN ： 最大稳定电流IzMAX ： 动态电阻rz ： 动态电阻的温度系数：图1-342 稳压管应用电路：图1-35 RL ：负载电阻； R：限流电阻；要求输入电压VIVZ 用负载线法分析： 画出等效电路图1-36（a）求出稳压管的负载线图1-36（b）： 1-5 PN1-5 PN结电容效应及应用结电容效应及应用
14、现象：半波整流电路中交流电压从50Hz改为500KHz，在输入电压的负半周时，二极管上也有导通电流。原因：二极管PN结存在电容效应。结论：高频时二极管失去电向导电特性。一 势垒电容CT ： 图1-40图（a）：线性电容的充电过程。 图（b）：势垒 电容的充电过程。结论：正偏V加大空间电荷区变窄极板距离减小 CT 反偏V加大空间电荷区变宽极板距离增大CT 二 扩散电容CD 图1-41，两区在PN结正偏时，多子存在净的越结扩散，进入对方区域中成为非平衡少子，在空间电荷区两侧积累，形成非平衡少子浓度分布P(x) 和pn(x)。存在非平衡少子浓度分布的两个区域扩散区。 CD PN结正向直流电流。 PN
15、结反偏时扩散区内少子浓度分布线如图1-42。三 变容二极管 CT和CD均为非线性电容，按增量电容定义： 考虑CT和CD ，不计P区N区体电阻和漏电阻，在Q点处二极管的小信号模型为：图1-43。CT和CD对外电路并连等效 ，总的电容Cj ： Cj =CT+CD Cj称为PN结的结电容。变容二极管： 利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。图1-44为变容管电路符号。 图1-45为变容管压控特性曲线。第二章第二章 双极型晶体三极管双极型晶体三极管(BJT)l(一 )BJT结构与电路符号l(二 )晶体管的放大作用l 发射结正偏，集电结反偏，称为BJT的放大偏置。l即满足下列电压关
16、系： NPN管：VCB0，VBE0或VCVB VE PNP管： VCB0，VBE0或 VCVBVEl(三 )放大偏置时的电流传输关系l2 2 iCiC与与iBiB的关系的关系l定义：共发射极直流电流放大系数：定义：共发射极直流电流放大系数：1 iE与iC的关系：定义共基极直流电流放大系数：（四）（四） 放大偏置时放大偏置时BJT偏压与电流的关系偏压与电流的关系l1 发射结正向电压VBE对各极电流的控制作用lBJT的正向控制作用2 集电结反向电压VCB对各极电流的影响l基区宽度调制效应l（五）BJT的截止与饱和工作状态l1截止状态：l2饱和状态：l注意：注意：晶体管特性曲线只能用于直流晶体管特性
17、曲线只能用于直流/低频。低频。 2-2 BJT静态特性曲线静态特性曲线lBJT静态特性曲线：是在伏安平面上作出的反映晶体管各极直流电流电压关系的曲线。lBJT静态特性曲线用途：l 一一 晶体三极管的组态晶体三极管的组态l将晶体三极管视为双端口器件，分析其三种典型接法，称为组态。共基极接法（CB） 共射接法（CE） 共接接法（CC） 二二 共射输入特性曲线共射输入特性曲线l共射输入特性曲线是以输出电压VCE为参变量，输入口基极电流iB随发射结电压vBE变化的曲线：l共射输入特性曲线的特点：2-3 2-3 BJTBJT主要参数主要参数l1 直流放大系数 l l2 交流放大系数 l例例2-4l 第三
18、章第三章 晶体管放大电路基础晶体管放大电路基础3.1 放大电路的分析方法放大电路的分析方法放大放大电路电路分析分析静态分析静态分析动态分析动态分析估算法估算法图解法图解法微变（小信微变（小信号）等效电号）等效电路法路法图解法图解法计算机仿真计算机仿真CCb2b1b2BVRRRV 此时，此时，不随温度变化而变化。不随温度变化而变化。一般取一般取 I1 =(510)IB ， VB =3V5V b点电位基本不变的条件：点电位基本不变的条件：I1 IB ，VB VBE 且且Re可取可取大些，反馈控制作用更强。大些，反馈控制作用更强。 射极偏置电路射极偏置电路1. 稳定工作点原理稳定工作点原理目标：温度
19、变化时，使目标：温度变化时，使I IC C维持恒定。维持恒定。 如果温度变化时，如果温度变化时，b b点电位能基点电位能基本不变本不变，则可实现静态工作点的稳，则可实现静态工作点的稳定。定。T 稳定原理：稳定原理： IC IE IC VE 、VB不变不变 VBE IB （负反馈控制）（负反馈控制）I1I2IBRB1+ECRCTRB2RE示意图示意图BII 22121BBCRREII22BBRIV CBBBERRR212EEBEBBERIVVVUI1I2IBRB1+ECRCTRB2RE直流通路直流通路算法：算法： 固定偏流电路与射极偏置电路的比较固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路共
20、射极放大电路静态：静态：bBECCBRVVI BCII cCCCCERIVV CCb2b1b2BVRRRV eBEBECRVVII )RR(IVVecCCCCE CBII 采用射极偏置电路的共射放大器：采用射极偏置电路的共射放大器：RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuoRE射极直流射极直流负反馈电阻负反馈电阻CE 交流交流旁旁路电容路电容CE的作用：交流通路中，的作用：交流通路中， CE将将RE短路，短路，RE对交流不起作用，放大倍数不受影响。对交流不起作用，放大倍数不受影响。如果去掉如果去掉CE，放大，放大倍数怎样？倍数怎样？I1I2IBRB1+ECRCC1C2RB2CERERL
21、uiuofAuAum0.7AumfL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：fbw=fHfL放大倍数随频率变化放大倍数随频率变化曲线曲线幅频特性曲幅频特性曲线线RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2如果电路如下图所示，如何分析？如果电路如下图所示，如何分析？RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2动态分析：动态分析：交流通路交流通路RB1RCRLuiuoRB2RE1交流通路：交流通路：RB1RCRLuiuoRB2RE1微变等效电路：微变等效电路：rbeRCRLoURE1iUiIbIcIbIRB输入交流信号时的图解分析输入交流
22、信号时的图解分析 动态工作情况分析动态工作情况分析 共射极放大电路共射极放大电路QIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQQIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQQIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uA204060QICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线QQQICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线20uA40uA60uAQQQICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线20uA40uA60uAQQQICQVCEQvC
23、E/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线20uA40uA60uAiCuCEuo Q点过低，信号进入截止区点过低，信号进入截止区放大电路产生放大电路产生截止失真截止失真输出波形输出波形输入波形输入波形ibiCuCE Q点过高，信号进入饱和区点过高，信号进入饱和区放大电路产生放大电路产生饱和失真饱和失真ib输入波输入波形形uo输出波形输出波形波形的波形的失真失真饱和失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，管，输出电压表现为底部失真。输出电压表现为底部失真。 由于放大电
24、路的工作点达到了三极管由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，管，输出电压表现为顶部失真。输出电压表现为顶部失真。 动态工作情况分析动态工作情况分析iCuCEuo可输出的可输出的最大不失最大不失真信号真信号选择静态工作点选择静态工作点ibRB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2如果电路如下图所示，如何分析？如果电路如下图所示，如何分析？RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2动态分析：动态分析：交流通路交流通路RB1RCRLuiuoRB2RE1交流通路：交流通路：RB1RCRLuiuoRB
25、2RE1微变等效电路：微变等效电路：rbeRCRLoURE1iUiIbIcIbIRB输入交流信号时的图解分析输入交流信号时的图解分析 动态工作情况分析动态工作情况分析 共射极放大电路共射极放大电路QIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQQIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQQIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uA204060QICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线QQQICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线20uA40uA60uAQQQICQVC
26、EQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线20uA40uA60uAQQQICQVCEQvCE/ViC/mAvCE/ViC/mAtt交流负载线交流负载线20uA40uA60uAiCuCEuo Q点过低，信号进入截止区点过低，信号进入截止区放大电路产生放大电路产生截止失真截止失真输出波形输出波形输入波形输入波形ibiCuCE Q点过高，信号进入饱和区点过高，信号进入饱和区放大电路产生放大电路产生饱和失真饱和失真ib输入波输入波形形uo输出波形输出波形波形的波形的失真失真饱和失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性
27、失真。对于的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，管，输出电压表现为底部失真。输出电压表现为底部失真。 由于放大电路的工作点达到了三极管由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，管，输出电压表现为顶部失真。输出电压表现为顶部失真。 动态工作情况分析动态工作情况分析射极输出器的使用射极输出器的使用1. 将射极输出器放在电路的首级，可以将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。提高输入电阻。2. 将射极输出器放在电路的末级，可以将射极输出器放在电路的末级，可以降降 低输出电阻，提高带负载能。低输出电阻，提高带负载能。3. 将射极
28、输出器放在电路的两级之间，将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。可以起到电路的匹配作用。 三种组态的比较三种组态的比较电压增益：电压增益：beLc)/(rRR 输入电阻：输入电阻：beb/rR输出电阻：输出电阻：cR)/)(1()/()1(LebeLeRRrRR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRRbeLc)/(rRR 1/beerRcR耦合方式：耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。 多级放大电路多级放大电路耦合：耦合：即信号的传送。即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：多级放大电路对耦合
29、电路要求：1. 静态：保证各级静态：保证各级Q点设置点设置2. 动态动态: 传送信号。传送信号。第一级第一级放大电路放大电路输输 入入 输输 出出第二级第二级放大电路放大电路第第 n 级级放大电路放大电路 第第 n-1 级级放大电路放大电路功放级功放级要求：要求：波形不波形不失真，减少压失真，减少压降损失。降损失。 多级阻容耦合放大器的特点：多级阻容耦合放大器的特点：(1) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。点相互独立，分别估算。(2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3) 后一级的输
30、入电阻是前一级的交流负载电阻。后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4) 总电压放大倍数总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。各级放大倍数的乘积。(5) 总输入电阻总输入电阻 ri 即为第一级的输入电阻即为第一级的输入电阻ri1 。(6) 总输出电阻即为最后一级的输出电阻。总输出电阻即为最后一级的输出电阻。由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。电路的性能。N沟道沟道P沟道沟
31、道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：4.1 结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数 4.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 4.1.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 1.结构结构（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）2. 工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时
32、，对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄继续变窄 VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时，VDS ID G、D间间PN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断。夹断。此时此时VDS 夹
33、断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变 VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP VGS0 时，时， 导电沟导电沟道更容易夹断，道更容易夹断， 对于同样对于同样的的VDS ， ID的值比的值比VGS=0时时的值要小。的值要小。在预夹断处在预夹断处VGD=VGS- -VDS =VP 综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也称为单极型三极管。 JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制 预夹断前预夹断前i iD D
34、与与v vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， i iD D趋于饱和。趋于饱和。 JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。4.1.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIiVP1. 输出特性输出特性 2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi在恒流区时常量DS)(GSDUufi常量GS)(DSDUufiuGD=UGS(
35、off)时称为预夹断常量DSGSDmUuig夹断电压2pGSDSSD)1(UuIi在恒流区时常量DS)(GSDUufi常量GS)(DSDUufiuGD=UGS(off)时称为预夹断夹断电压 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)： 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS： 低频跨导低频跨导gm：DSGSDmVvig 时）时）（当（当0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得
36、，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rd：GSDDSdVivr 反型层 uDS 不变，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚。当反型层将两个N区相接时，管子导通。1.N沟道沟道增强型管增强型管SiO2绝缘层2.耗尽型管（考试不要求）耗尽型管（考试不要求）加正离子 uGS=0时就存在导电沟道。绝缘栅型场效应管特性曲线绝缘栅型场效应管特性曲线1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压各种场效应管所加偏压极性小结各种场效应管所加偏压极性小结)(P)(N)0(P)0(N)0(P)0(NGSGSGSGSGSGS极性任意沟道极性任意沟道耗尽型沟道沟道增强型绝
37、缘栅型沟道沟道结型场效应管uuuuuu1. 直流偏置电路直流偏置电路4.3 FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）自给自给偏压电路偏压电路vGSvGS = - iDR（2）混合偏压）混合偏压电路电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 2. 静态工作点静态工作点Q点：点： VGS 、 ID 、 VDSvGS =2PGSDSSD)1(VvIi VDS =已知已知VP ，由，由VDD- ID (Rd + R )- iDR可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 、 VDS 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)： 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS： 低频跨导低
38、频跨导gm：DSGSDmVvig 时）时）（当（当0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rd：GSDDSdVivr 3. 主要参数主要参数 直流输入电阻直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM
39、 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GSFET放大电路组成原则及分析方法放大电路组成原则及分析方法(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，在恒流区，FET的偏置电路相对简单。的偏置电路相对简单。(2) 动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析： 估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：小信号等效电路法。小信号等效电路法。分析方法：分析方法：1. 直流偏置电路直流偏置电路4.3 FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）
40、自给自给偏压电路偏压电路vGSvGS = - iDR（2）混合偏压）混合偏压电路电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 2. 静态工作点静态工作点Q点：点： VGS 、 ID 、 VDSvGS =2PGSDSSD)1(VvIi VDS =已知已知VP ，由，由VDD- ID (Rd + R )- iDR可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 、 VDS 4.4 FET4.4 FET的交流参数和小信号模型的交流参数和小信号模型4.4.1 4.4.1 FETFET的主要交流参数的主要交流参数 1） 低频跨导低频跨导gm：低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控的控制作用。制作用
41、。gm可以在转移特性曲线上求得，单位可以在转移特性曲线上求得，单位是是mS(毫西门子毫西门子)。QGSDmVvig2）漏极内阻）漏极内阻rds：QDDSdsVivr很大，很大，可忽略。可忽略。 4.4.2 FET的小信号模型的小信号模型GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1) 场效应管放大器输入电阻很大。场效应管放大器输入电阻很大。(2) 场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻；输出电阻=RD。(3) 场效应管源
42、极跟随器输入输出同相，场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于电压放大倍数小于1且约等于且约等于1；输；输出电阻小。出电阻小。 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beer
43、RcR 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)： 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS： 低频跨导低频跨导gm：DSGSDmVvig 时）时）（当（当0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对
44、iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rd：GSDDSdVivr 第五章第五章 模拟集成单元电路模拟集成单元电路5.1 5.1 半导体集成电路半导体集成电路(IC)(IC)概述概述 6060年代初期出现年代初期出现 7070年代后期年代后期VLSIVLSI出现出现 分为数字分为数字ICIC和模拟和模拟ICIC 如运算放大器、电压比较器如运算放大器、电压比较器 了解集成工艺的特点了解集成工艺的特点 5.2 恒流源电路恒流源电路1、基本镜像恒流源、基本镜像恒流源T0 和 T1 特性完全相同。，成镜
45、象关系。，CC0C1B0B1BE0BE1IIIIIUURRIIIIIIII22CCCB10B0CRUVIIRBECCC 2时，则若2、微电流恒流源、微电流恒流源 要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。1、要放大缓慢变化的信号 2、便于集成IC能不能加隔直电容?如何办?温漂零点漂移直接耦合问题?问题问题 :零点漂移。零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当当 ui 等于零时，等于零时， uo不等于零。不等于零。利用差动放大器利用差动放大器可解决上述问题。可解决上述问题。uiRC1R1T1+UCCuoRC
46、2T2R2RE2uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没5.3 基本基本CE差动放大器差动放大器ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB 抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo= UC1 - UC2 = 0uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0当当 ui1 = ui2 =0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2ui1+UCCRC1T1RB1RC2T2RB2ui2REUEEuoududucuc（1 1）电路结构完全对称，零漂抑制能力强）电路结构完全对称，零漂抑制能力强（2 2）差模小信号范围大，）差模小信号
47、范围大，V Vidid28mv 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为式，称为乙类放大乙类放大。因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析静态分析：vi = 0V T1、T2均不工作均不工作 vo = 0V乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL死区电压死区电压ViVoVoV o tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号 Vi在过零在过零前后，输出信号出现的失真称前后，输出信号出
48、现的失真称为交越失真。为交越失真。交越失真交越失真(1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙类放大的特点：乙类放大的特点：二、参数计算二、参数计算Vcm负载上得到的最大功率为：负载上得到的最大功率为：iL-VCCRLviT1T2Vo+VCC若忽略晶体管的饱和压降，若忽略晶体管的饱和压降，则则 RL 上的电压和电流的最大幅上的电压和电流的最大幅值分别为：值分别为：LCCcmCCcmRVIVVLCCCmCmoRVIVP2212max满激励时满激励时电源提供最大直流平均功率：电源提供最
49、大直流平均功率： 流过流过每个电源每个电源的电流为的电流为半个半个正弦波，其平均值为正弦波，其平均值为:则两个电源提供的总功率为：则两个电源提供的总功率为：0max1)(sin21cmcmcIttdIILCCcmRVI/LCCLCCCCCCCCRVRVVPPP2max2max1max22 tic1LCCRV当满激励时当满激励时%5 .7842222maxmaxLCCLCCccoRVRVPP效率为：效率为：LCCLCCCCCCCCRVRVVPPP2max2max1max22结论：结论：OCL电路效率较高；电路效率较高； 电流、电压波形存在失真。电流、电压波形存在失真。LCCCmCmoRVIVP2
50、212max每管最大平均管耗每管最大平均管耗PT1max： 0/1CmTdIdPLCCTRVP22max11令令21411)(21cmLCmCCOCCTIRIVPPP得出结论：得出结论：输出电流振幅为满激励电流振幅的输出电流振幅为满激励电流振幅的63.7时，时，每管有最大平均管耗每管有最大平均管耗单管最大平均管耗单管最大平均管耗PT1max与最大输出功率与最大输出功率Pmax的关系：的关系： maxmax2max12 . 02ooTPPP结论：乙类功放最大平均管耗结论：乙类功放最大平均管耗为最大输出功率的五分之一为最大输出功率的五分之一三、功率管极限参数限制三、功率管极限参数限制VcmiL-V
